宁夏设施番茄连年高强度种植下对土壤特性的影响

刘永亮 高艳明 李建设 等

摘要：通过设施连作高强度种植与开放和半开放式的大田和阳畦种植模式相比较，探究设施土壤连作模式下，土壤养分、重金属、微量元素以及微生物区系组成变化，明确连作模式对土壤细菌和真菌群落多样性以及土壤中细菌真菌优势菌群的影响。结果表明，连作高强度种植条件下土壤中各种离子含量发生了很大的变化，其中温室钠离子和氯离子含量与大田和阳畦地相比有所降低，而钾离子、钙离子和碳酸氢根离子含量相比大田和阳畦地增高。温室连年高强度的种植使土壤微生物数量明显高于大田和阳畦地土壤中微生物的数量，连年种植对土壤微生物影响也比较明显，降低了细菌群落多样性而提高了真菌群落多样性，温室高强度的种植降低了土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶活性，提高了土壤脱氢酶的活性。温室高强度的种植导致土壤养分的大量积累，尤其是磷素的积累更为严重；对土壤中重金属含量的影响也比较明显，其中对铬和汞的含量影响最大。同时，温室土壤中有效铜和有效锌含量高出阳畦地和大田10倍以上。因此，设施种植要减少连作，合理的轮作使设施土壤长期有效的发展。

关键字：高强度种植；设施土壤；土壤化学特征；微生物特征；酶活性

中图分类号：S606.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）04-0838-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.007

Effect of High-intensity Growing Conditions Year after Year on

Soil Properties in Ningxia

LIU Yong-liang，GAO Yan-ming，LI Jian-she，ZHANG Xue-yan

（Agriculture College Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： Compared the planting pattern of high strength continuous cropping in facilities with open and semi open planting in field and cold frame，researched composition change of soil nutrients， heavy metals， trace elements and microbial flora under the continuous cropping pattern of facilities，confirmed the influence of continuous cropping pattern on soil bacterial and fungal community diversity as well as the dominant bacteria in soil. The results showed that， even at high intensity for planting soil conditions， great changes occurred in the various ion content， including greenhouse sodium ions and chloride ion content compared with the field and cold frame to be reduced， the content of potassium ions， calcium ions and carbonate hydrogen ion increased that compared to the field and cold frame and higher. Microbial number in soil after high-intensity continuous cropping in greenhouse was significantly higher than the number of field and cold frame soil microorganisms. The high strength of the greenhouse decreased the activity of protease， urease and invertase， and increased the activity of dehydrogenase in soil. The high intensity of the planting of greenhouse caused a lot of soil nutrient accumulation， especially the accumulation of phosphorus was more serious. The contents of heavy metals in soil， especially the contents of Cr and Hg， were significantly affected. Meanwhile， the effective copper and zinc content in greenhouse soil was over ten times more than the content in cold frame and field. Therefore， it was effective to reduce the continuous cropping and rotation， and to make the facility soil long-term and effective.

Key words： high strength planting； soil chemistry trait； soil index；microbial trait； enzymatic activity

设施温室栽培是通过改变自然环境，使作物获得适宜的生长条件，可以摆脱不利于作物生长的自然环境条件和有限的土地资源，进行周年生产，从而大大的提高了作物的产量和土地利用率。设施栽培条件下，由于覆盖使土壤缺少自然雨水的淋洗，并且土壤温度、湿度、土壤通气状态以及肥水的管理等因素都与露地大田有着较大的差别，加之长年的连作及高强度种植，导致土壤的养分失衡、土壤板结、土壤盐碱化、微生物数量和群落的多样性发生变化等，严重影响到作物的正常生长发育及产量的形成。研究表明，随着设施栽培年限的增加，设施菜地土壤次生盐渍化现象不断出现并日益加重，严重影响了蔬菜的产量和品质，阻碍蔬菜生产的可持续发展[1，2]。由于设施栽培产量及价格高，经济效益好，农民为了提高产量，往往大量施用肥料，其用量远远多于露地栽培的用肥量，达到露地栽培的4～5倍，有的达到10倍以上，养分量大大超出了作物生长的需求量，没有被植物吸收的营养元素，多以可溶性盐的形式在土壤中不断积累[3]。当积累到一定程度时，造成土壤养分失衡，进而影响作物的正常生长。吕福堂等[4]报道，聊城市日光温室施肥量为大田的5～10倍，个别甚至达到20多倍。大量施肥导致土壤中部分养分的积累，是造成土壤盐渍化的重要因素之一。设施栽培土壤次生盐渍化的盐分组成主要以 NO3-、SO42-、Ca2+为主，其次还有阴离子，主要包括Cl-、CO32-；另外，阳离子主要包括Mg2+、K+（Na+）。而土壤盐分集中在地表及耕作层是设施土壤次生盐渍化最明显的特征。在土壤微生物和土壤酶活性方面，吴凤芝等[5]的研究结果表明，连作土壤微生物群落多样性指数、丰富度及其均匀度指数均随着黄瓜种植年限的增加而降低，黄瓜产量显著下降。随着连作年限的增加，土壤主要养分含量有增加的趋势，土壤脲酶活性、中性磷酸酶、酸性磷酸酶活性也有增加的趋势，土壤化学性状变差，出现了盐类积累[6，7]。

宁夏莲湖农场设施温室长年种植番茄，连作10年以上温室比较常见，目前连作温室番茄病虫害严重、坐果率低、植株生长不良、产量低。因此，本研究通过番茄设施连年高强度种植条件下的温室土壤与温室前阳畦地和大田土壤进行土壤质量参数相比较，进一步探究番茄连年高强度种植对土壤特性的影响。旨在为综合评价设施连作高强度种植条件下对土壤微生物、土壤酶活性、土壤养分、土壤离子、土壤微量元素的含量以及土壤重金属含量的影响，同时进一步说明设施栽培条件下土壤质量的演变，为宁夏设施番茄种植提供理论基础，同时为丰富与发展连作障碍和设施高强度种植理论提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2013年5月1日采样，试验地点为宁夏回族自治区青铜峡市莲湖农场，试验设计为3个处理，重复3次。处理A为连续种植10年番茄的日光温室棚（一年两茬），以下简称温室；处理B为邻近温室的阳畦地（2009 — 2012年种植玉米），下称阳畦地；处理C为邻近温室的大田（2008 — 2012年种植水稻），以下简称大田。

1.2 测定指标及方法

用5点混合取样法进行土壤样品的采集，分别测定不同土层深度和不同处理土壤微生物数量、土壤酶活性、土壤养分、土壤离子、土壤重金属和微量元素含量。采集0～30 cm土层土壤，混匀、过孔径2.5 mm筛，4 ℃保存，用于土壤微生物数量的测定；分别采集0～20、20～40 cm土层土壤，混匀后风干保存、过筛，用于土壤酶活性、土壤离子、土壤养分以及土壤重金属和微量元素含量的测定。

微生物数量的测定采用平板稀释计数法，细菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌采用马丁孟加拉红培养基，放线菌采用淀粉硝酸钾培养基（高氏一号），土壤酶活性测定均参照关松荫等[8]的试验方法。土壤离子测定方法参照鲍士旦[9]的试验方法；土壤速效钾含量采用醋酸铵-火焰光度计法测定、土壤全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度计法测定、土壤速效磷含量采用碳酸氢钠法测定、土壤全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮法测定、土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定、土壤全氮含量采用重铬酸钾-硫酸消化法测定、土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定。土壤微量元素的测定均参照鲍士旦[9]的试验方法。As、Hg含量采用氢化物发生原子荧光光谱仪测定，Cd、Pb用石墨炉原子吸收光谱仪测定，Cr用电感耦合等离子体发射光谱仪测定[9]。

土壤中总DNA的提取是采用深圳市安必胜科技有限公司提供的强力土壤DNA提取试剂盒。提取的DNA在-85 ℃冰箱冷冻保存。样品检测分别采用细菌通用引物 341f-GC/U758。首先采用紫外分光光度计进行浓度及纯度检测。然后根据浓度检测结果，采用0.8%琼脂糖凝胶电泳检测DNA样品的完整性，电压为120 V，电泳时间约为20 min。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2003和DPS v3.01统计软件进行数据处理、作图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 高强度种植对土壤微生物特性的影响

2.1.1 对微生物数量的影响 由表1可知，土壤细菌、真菌和放线菌数量都表现出温室>大田>阳畦地，并且温室、大田和阳畦地之间表现出差异显著性（P<0.05）。其中温室细菌数分别较大田和阳畦地高49.02%和149.06%，大田较阳畦地高67.14%；温室真菌数分别较大田和阳畦地高47.66%和241.57%，大田较阳畦地高131.33%；温室放线菌数分别较大田和阳畦地高120.90%和510.94%，大田较阳畦地高176.56%。

2.1.2 对土壤细菌多样性的影响 对温室、阳畦地和大田土壤进行基因组DNA的提取，提取后产物经0.8%琼脂糖凝胶电泳进行检测，样品上样量为50～100 ng，以 DL15 000为Marker，上样量为3 μL，结果如图1所示，可以清晰的看到基因组DNA条带，条带有较好的特异性、单一、条带比较清晰，未出现非特异性扩增，且扩增产物与目的片段长度相近。

3 小结与讨论

连作高强度种植条件下土壤中的微生物数量、土壤养分、土壤酶活性、土壤离子含量、微量元素、重金属含量和微生物多样性都发生了较大的变化，与大田和阳畦地相比有明显的差异。通过各个指标的分析，旨在为宁夏设施番茄连年生产过程中以及设施土壤连作改良提供理论参考。

土壤pH、微生物、土壤养分、土壤离子含量、土壤酶活性及微量元素含量等都是评价土壤质量的重要指标。结果表明，连作高强度种植条件下土壤中各离子含量发生很大的变化，其中钠离子和氯离子含量与大田和阳畦地相比有所降低，而钾离子、钙离子和碳酸氢根离子含量相比大田和阳畦地增高。这可能是引起土壤盐碱化的重要因素之一。从EC值也可以看出，设施高强度的种植导致土壤全盐含量的增加，连年高强度的种植条件下盐分离子主要积累在0～20 cm土层。温室高强度的种植使土壤微生物数量明显高于大田和阳畦地土壤中微生物的数量，但是大田与阳畦地相比较，前茬作物也影响着土壤中微生物的数量。同时温室高强度的种植也影响着土壤酶活性的变化，与大田和阳畦地相比较，高强度的种植降低了土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶活性，提高了土壤脱氢酶的活性。温室高强度的种植导致土壤养分的大量积累，尤其是磷素的积累更为严重，在0～20 cm土层，温室速效磷分别较阳畦地和大田高557.59%和242.32%，温室全磷分别较阳畦地和大田高250.00%和194.74%，这可能与当地的农民长年重施磷肥有关。在土壤重金属方面，连年高强度的种植对土壤中重金属含量的影响也比较明显，其中对铬和汞的含量影响最大，其中0～20 cm土层中，温室镉含量分别较阳畦地和大田高25.00%和33.99%，温室汞含量分别较阳畦地和大田高80.95%和90.00%，这可能与农药、除草剂和化肥的大量使用有关。在土壤微量元素方面，连年的高强度种植对土壤中微量元素含量也有明显影响，尤其是对土壤中有效铜和有效锌含量的影响最大，其温室土壤中有效铜和有效锌含量较阳畦地和大田高几倍甚至10倍以上。高强度种植提高了土壤中真菌群落的多样性，而降低了土壤中细菌群落的均匀度和多样性。

土壤离子含量的高低直接影响着土壤次生盐渍化程度，造成设施连作土壤离子含量变化的主要因素是不合理地大量使用化肥和有机肥，肥料的大量使用是造成设施菜地土壤次生盐渍化的重要原因之一[10，11]。在长期设施栽培条件下，氮素淋溶可导致地下水硝态氮污染。另外，过量的硝态氮还造成氮氧化物等温室气体的大量释放，使温室内有害气体聚集量增加，对蔬菜生长产生直接危害[12]。土壤磷素的过量累积对环境也会带来潜在的威胁：一方面在质地较粗的土壤中可以发生磷素的淋失；另一方面，土壤侵蚀和地表径流会将表土中的磷素带入水体，引起富营养化[13]。农药和鸡粪、猪粪等有机肥和磷肥的大量使用是造成土壤重金属含量增加的主要因素，动物粪便中往往含有大量的铜、锌等元素，会造成土壤中这些元素的积累，另外，镉、铬在磷肥中含量较高。当重金属含量积累到限制作物正常生长发育时，出现作物的生长不良、产量下降等，作物生长在重金属含量较高的土壤中，使重金属在作物体内富集，进过食物链进入人体，影响人的身体健康。因此，在设施农业生产过程中，要重视农药和肥料的使用，进行合理的轮作栽培，适当的休田，加强设施土壤的管理，不能只为追求短期效益而破坏设施土壤的生态平衡。

参考文献：

[1] 夏立忠，李忠配，杨林章.大棚栽培番茄不同施肥条件下土壤养分和盐分组成与含量的变化[J].土壤，2005，37（6）：620-625.

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[3] 房云波，孟春玲.保护地内土壤次生盐渍化对土壤性状的影响及对策[J].辽宁农业科学，2006（6）：40-41.

[4] 吕福堂，司东霞，张秀省.日光温室土壤盐分和养分的变化趋势[J].中国蔬菜，2004（3）：14-16.

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[6] 吴凤芝，刘 德，王东凯，等.大棚蔬菜连作年限对土壤主要理化性状的影响[J].中国蔬菜，1998（4）：5-8.

[7] 童有为，陈淡飞.温室土壤次生盐渍化的形成和治理途径研究[J].园艺学报，1991，18（2）：159-162.

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[10] 李文庆，贾继文，李贻学.大栅蔬菜种植对土壤理化及生理性状影响规律研究[M].南京：河海大学出版社， 1997.

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[12] 程美廷.溫室土壤盐分积累盐害及其防治[J].土壤肥料，1990（1）：1-4.

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