不同栽培方式对温室连作黄瓜土壤微生物量碳氮和作物产量的影响

张雪艳, 曹云娥, 田 蕾, 田永强, 高丽红*

(1 宁夏大学农学院，宁夏银川 750021; 2 中国农业大学农学与生物技术学院蔬菜系，设施蔬菜生长发育调控北京市重点实验室，北京 100193)

设施蔬菜生产在丰富蔬菜种类、 保障蔬菜周年均衡供应方面发挥了重要作用，但由于土地资源短缺、 种植习惯和经济利益驱使等原因，造成我国设施蔬菜种植中连作和水肥高投入现象普遍发生。设施蔬菜地常处在半封闭状态下，且气温高和湿度大等特点，连续种植几年后，极易发生土壤理化性状恶化、 微生物区系失衡和有害物质累积等土壤功能衰退现象[1-2]，成为限制设施蔬菜优质安全生产的主要瓶颈问题。

北方温室土壤一般在夏季休闲，此时地面裸露，夏季降雨会造成温室土壤养分的淋洗并可能污染地表水。夏季休闲期填闲作物可减少养分流失，改善土壤生物环境，增加作物产量[3-4]。不同作物轮作也可改变土壤微生物活性而增加作物产量[5]。土壤微生物生物量的大小反映了土壤中能量和养分的循环以及有机物质的转化数量，敏感且及时地预示土壤自身或外界扰动引起的变化，与土壤质量密切相关[6]。

栽培方式和土壤处理均能显著影响土壤微生物活性和土壤微生物量[7]。嫁接、 轮作和土壤消毒处理相对连作均能显著增加土壤微生物[8]。轮作与连作相比，减少了土壤有机碳的含量，但显著增加了土壤微生物量碳氮的含量[9]。填闲由于引入其他作物，可增加土壤中的碳源，改变土壤微生物量，李元等研究证明，温室黄瓜土壤夏季填闲甜玉米和速生叶菜可增加土壤微生物碳含量[10]。已有的研究均是针对单一栽培方式对土壤微生物量和作物产量的影响，且多为短期试验，而关于不同栽培方式对土壤微生物量碳氮和主栽作物产量的连年动态影响鲜有报道。本课题组前期试验证明，夏季填闲速生叶菜、 大蒜和早春茬轮作番茄相对连作黄瓜可降低土壤养分累积。而本试验是在前期的试验基础上，连续进行的盆栽试验，探究相对夏季休闲，早春茬和秋冬茬连作黄瓜土壤，夏季填闲速生叶菜、 大蒜和早春茬轮作番茄处理对土壤微生物量碳氮、 主栽作物产量的连年影响，以及微生物量碳氮与主栽作物产量的相关性，评价不同栽培方式下土壤微生物量碳氮对主栽作物产量的贡献，为连作黄瓜温室土壤持续利用提供合理措施和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

以连作8年温室黄瓜土壤为对象，土壤细菌、 放线菌、 真菌、 尖胞镰刀菌分别为1.02×108、 7.1×106、 9.2×104、 7.0×103CFU/g，EC为0.73 ms/cm、 pH值6.88、 全氮1.81 g/kg、 速效氮192.4 mg/kg、 有效磷824.0 mg/kg、 速效钾805.0 mg/kg。

1.2 土壤样品采集与分析

表1 试验处理的季节与对应的作物

1.3 基础样品测定方法

土壤细菌、 真菌、 放线菌、 尖胞镰刀菌分别采用牛肉膏蛋白胨选择培养基、 马丁孟加拉红—链霉素选择培养基、 改良高氏一号培养基和PEA培养基进行选择性培养，均采用稀释平板计数法计数[11]; 土壤EC采用1 ∶5土壤悬液电导法(电导仪法)测量; 土壤pH采用电位计法测量; 土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—锑抗吸光光度法测量; 土壤速效钾采用1 mol/L NH4AC浸提—火焰光度法测量; 土壤有效氮采用1 mol/L NaOH碱解—扩散法测定; 土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测量[12]。

1.4 土壤微生物量碳、 氮测定

采用氯仿熏蒸直接提取法测定土壤微生物生物量碳、 氮[13]，用0.5 mol/L K2SO4提取(土 ∶水=1 ∶4)，提取液中碳测定用重铬酸钾—硫酸消煮，硫酸亚铁滴定法; 氮用茚三酮反应态氮增量法。土壤微生物量C、 N含量以熏蒸和未熏蒸土样0.5 mol/L K2SO4提取液中C、 N 含量之差乘以系数得到：

Bc=2.64Ec

BN=EN/0.54

其中，Ec和EN为熏蒸土样与未熏蒸土样提取液C、 N含量之差。

1.5 主栽作物产量

记录不同处理秋冬茬和早春茬主栽作物每个重复的产量，换算成每667 m2的产量。

1.6 数据统计与分析

共测定3个平行样本，每个样本测量3次，结果取其平均值。数据用SPSS 19.0软件采用LSD方法在P<0.05水平进行单因素显著性分析，相关性分析采用Pearson法，双因素采用ANOVN法进行P<0.05条件下的Tukey，s显著差异分析。

2 结果与分析

2.1 不同栽培方式对土壤微生物量碳氮的影响

从2006年早春茬到2008年秋冬茬，各栽培处理微生物量碳随栽培处理年限的增加呈降低的趋势，且早春茬、 夏茬和秋冬茬微生物量碳为倒“V”变化，其中CK微生物量碳始终保持较低水平。相对于CK，在2006和2007早春茬，处理CS3土壤微生物量碳显著增加了67.18%和71.32%，在2006、 2007、 2008夏茬(9月15日)，处理CS2(夏茬茼蒿)和CS3(夏茬菠菜)土壤微生物量碳分别显著增加了34.26%和55.66%、 178.37%和199.48%、 65.80%和72.37%(图1)。

微生物C/N值在一定程度上反映了土壤微生物数量和种群结构的状态[14]，相同处理年限下不同处理3个茬口的土壤微生物量碳/氮呈倒“V”字型变化，相对于CK，CS3在2006和2007早春茬土壤微生物量碳/氮增加了58.48%和55.85%，CS2(夏茬茼蒿)和CS3(夏茬菠菜)在2006、 2007、 2008年夏茬分别增加了128.18%和125.50%、 173.71%和145.44%、 125.06%和105.68%，CS4(夏茬大蒜)在2006和2008夏茬分别增加了58.31%和27.37%，CS1(秋冬茬大蒜)在2008增加了44.19%，增加均达到显著水平(图3)。

图1 不同栽培方式下微生物量碳的动态变化Fig.1 Dynamic change of soil microbial biomass carbon in different cultural systems

图2 不同栽培方式下微生物量氮的动态变化Fig.2 Dynamic changes of soil microbial biomass nitrogen under different rotation ways

图3 不同栽培方式下土壤微生物量碳/氮的动态变化Fig.3 Changes of soil microbial biomass C/N under different rotation ways

2.2 不同栽培方式对主栽作物产量的影响

2.3 作物产量与土壤微生物量碳氮间的相关性分析

从表3可以看出，土壤微生物量碳与秋冬茬作物产量呈显著正相关(P<0.05)，而微生物量碳与早春茬+秋冬茬产量呈极显著正相关(P<0.01); 土壤微生物氮与各茬黄瓜产量呈正相关，但未达显著水平; 土壤微生物碳/氮与早春茬作物产量呈显著正相关(P<0.05)，土壤微生物量碳/氮与秋冬茬和早春茬+秋冬茬产量达极显著正相关(P<0.01)。

2.4 处理和取样时期与土壤微生物量碳氮和产量间的双因素分析

表2 各茬口不同处理主栽作物产量 (kg/667 m2)

表3 产量与土壤微生物量碳氮间的相互关系

3 讨论与结论

连作障碍是土壤微生物-植物-气候综合作用的结果，土壤生物环境的变化除与种植年限有关外，还与土壤类型、 管理方式、 作物生长阶段等有关，栽培方式的改变使土壤生物环境发生变化[15]。

相对于CK，CS2(夏茬茼蒿)和CS3(夏茬菠菜)在栽培处理第3年至第5年夏茬，均能显著增加MBC和MBC/MBN，且在栽培处理第3年和第5年显著降低MBN，CS4(夏茬大蒜)在栽培处理第5年夏茬显著增加MBC，且在栽培处理第3年和第5年夏茬显著增加MBC/MBN，但增加效果显著低于填闲茼蒿和菠菜处理，CS1(秋冬茬间作大蒜)在栽培处理第5年显著增加MBC和MBC/MBN，CS3(早春茬番茄)在栽培处理第3和第4年早春茬，显著增加MBC和MBC/MBN。这可能与引入作物增加了栽培体系的物种多样性有关，引入作物导致作物残体、 根系残留物和根系分泌物在土壤中积累不同，从而使得土壤微生物所得到的碳源数量和性质不同[16]，而填闲茼蒿和菠菜效果优于填闲大蒜，可能与作物生物量有关。在栽培处理的第5年，各茬口土壤微生物量碳、 微生物量碳/氮相对前两年有所降低，说明在盆栽条件下，采用栽培方式改善连作黄瓜土壤质量的效果在第5年有明显减弱，这可能与使用盆栽阻控了正常的水肥的运移，另外与盆栽限制了根部生长有关。

表4 处理和季节下土壤微生物量碳氮和产量的双因素分析

作物产量随处理年限呈缓慢降低的趋势，早春茬作物产量高于秋冬茬，这与栽培季节的温度有关，早春茬种植时期温室内温度能够较好地满足植物生长所需，而秋冬茬温室的温度较低。夏茬茼蒿和大蒜在栽培处理第3和第4年显著增加早春茬、 早春茬+秋冬茬作物产量，夏茬茼蒿、 菠菜、 大蒜显著增加栽培处理第5年早春茬、 早春茬+秋冬茬作物产量，说明填闲作物在一定程度能增加主栽作物的产量，这可能与引入作物能提供土壤微生物菌落所需的碳源物质，而微生物可以借助碳源物质的改变，转变养分的循环、 能量流动，然后反作用于地上部的植物有关[8]。Dossa 等研究证明，植物根系分泌释放的有机物质及植物残体提供有机物质更易被微生物分解，因此，在设施菜田生产中，通过引入外来植被改变土著植被(主栽经济作物)土壤碳氮比能够起到调控土壤微生物量碳氮的作用[17]。

通常，植物与土壤的化学特性和微生物群落是相互依赖、 相互影响的，植物土壤质量评价指标与作物生长之间存在复杂的相互关系。通过对土壤微生物量碳氮与主栽作物产量间的相互关系分析得出，微生物量碳、 微生物量碳/氮与秋冬茬和早春茬+秋冬茬作物产量呈显著正相关，且与早春茬+秋冬茬作物产量达极显著正相关。该结果与Zhang 等研究结果一致，因为碳的矿化能产生许多无机营养物质，这些物质对于植株生长是很必要的[18]。通过双因素分析得出，土壤微生物量碳、 微生物量碳/氮受处理、 取样季节显著影响，且处理与季节交互作用显著，而作物产量显著受处理和取样季节的影响，但处理与取样季节无显著交互作用，这与相关分析结果一致，而且与Tian 等针对覆盖作物还田研究结果一致，土壤微生物量碳、 微生物量氮、 微生物量碳/氮受处理、 季节茬口以及处理×季节茬口间相互作用极显著影响[19]。

总之， 随处理年限的增加，土壤微生物量碳和微生物量碳/氮、 黄瓜产量均呈下降的趋势，番茄与黄瓜轮作、 夏季填闲菠菜、 茼蒿、 大蒜在一定程度上显著增加微生物量碳/氮和作物产量，其中夏季填闲茼蒿效果最显著，能显著增加后茬作物产量以及全年主栽作物总产量，但这种效果在第5年有所下降，随栽培处理年限的增加，栽培制度改善土壤质量的效果是否还会持续或出现衰退现象，将在后续试验中进一步进行研究。

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