不同改良剂对盐碱地土壤微生物与加工番茄产量的影响

屈忠义 孙慧慧 杨 博 高晓瑜 王利明 王丽萍

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018)

0 引言

土壤是微生物最好的天然培养基，具有微生物所必需的营养和微生物生长繁殖、生命活动所需的各种条件。微生物几乎参与土壤中的一切生物及生物化学反应。微生物群落能迅速对周围环境变化作出反应。因此，土壤中微生物的数量反映了土壤肥力水平，对植被生长发育起到重要作用。有研究表明，土壤微生物数量是一种更有效、反应更灵敏的评价土壤质量的指标[1]。

根据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，全世界盐碱地面积为9.54亿hm2，我国约为9 900万hm2[2]。盐碱土壤的改良及改良前后土壤性质的变化一直是研究追踪的热点。内蒙古作为我国西北最大的灌区，现有盐碱地约26.7万hm2，且耕地次生盐渍化面积每年都在增加[3]，农业的可持续发展受到阻碍，亟需对盐碱地进行改良。改良措施涉及工程、物理、化学、农艺等方面。研究表明，脱硫石膏在降低土壤容重、pH值和土壤电导率[4]，增加微生物量[5]，提高土壤肥力及作物产量等方面具有积极作用[6]；定期施用有机肥可提高土壤有机碳含量，改善土壤理化性质，从而提高作物产量[7]；生物炭具有巨大的表面积和多孔性质，在盐碱土中施入生物炭能改善土壤结构，提高土壤水肥利用效率[8]，从而提高作物产量[9-10]。现阶段关于盐碱地改良和土壤微生物的研究成果很多[5-6,11-12]，但是将盐碱地改良剂与土壤微生物数量相结合的相关研究较少。本文以内蒙古河套地区中度盐碱地为研究对象，研究不同改良剂对中度盐碱地表层20 cm内作物生育期间土壤微生物群落、理化性质以及作物产量的影响，从生物因子和非生物因子的角度比较不同改良剂对盐碱地的改良效果，为盐碱地改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年5—10月在内蒙古自治区杭锦后旗三道桥澄泥村改盐增粮试验基地开展。该地区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市西部(106°54′～106°55′E， 40°49′～40°50′N，海拔990～1 003 m)，属中温带大陆性气候，冬长寒冷，夏短温热，蒸发强烈，年均降水量136.5 mm，年均蒸发量1 953.9 mm，盐分表聚现象严重。年平均日照时数3 449.6 h，年均气温8.7℃，昼夜平均温差13.2℃，年均无霜期152 d。生育期内日平均气温和日降雨量变化情况见图1。

经HELOS/OASIS型激光粒度仪测定，可知0～20 cm土层土壤中黏粒、粉粒、砂粒含量(质量分数)分别为7.69%、 47.86%、44.45%，属于粉壤土。土壤类型属于硫酸盐-氯化物型盐土(格拉波夫斯卡娅的划分标准)，程度为中度盐碱土，土壤容重为1.57 g/cm3，pH值为8.62，电导率(EC)为3.25 mS/cm，土壤有机质质量比14.32 g/kg，速效磷质量比8.75 mg/kg，速效钾质量比218.45 mg/kg，碱解氮质量比50.74 mg/kg。作物生育期地下水埋深1 m左右。

1.2 供试材料

供试脱硫石膏为包头市第二热电厂产生的废弃脱硫石膏，其主要成分为CaSO4·2H2O，pH值为8.08，根据房宸等[13]研究结果并结合离子交换反应原理计算综合得出施用量为37.5 t/hm2；供试有机肥来自当地集中堆肥区(将羊粪进行好氧发酵而成)，pH值为8.12，根据董芸雷等[12]研究结果并参照当地农民经验综合得出脱硫石膏复配有机肥的施用量为37.5 t/hm2；试验供试生物炭为辽宁金和福农业开发有限公司的秸秆生物炭，基本理化性质：C质量分数为47.17%、N质量分数为0.71%、H质量分数为3.83%，有机质质量比为925.74 g/kg，碱解氮质量比159.15 mg/kg，速效磷质量比394.18 mg/kg，速效钾质量比为783.98 mg/kg，pH值为9.04，根据高利华等[14]研究成果得出最佳施用量为22.5 t/hm2。

供试作物为加工番茄，品种为屯河16号，株距35 cm，行距50 cm，种植方式为一膜一带两行(图2)，于5月中旬进行移栽，全生育期110 d。

1.3 试验设计与方法

试验设置对照(CK)、有机肥复配脱硫石膏(T1)、生物炭(T2)、脱硫石膏(T3) 4个处理。每个小区面积为90 m2(10 m×9 m),每个处理3次重复，共12个小区，小区四周设置2 m宽的保护行。各改良剂于2017年4月一次性均匀施于土壤表面，用旋耕机均匀翻入耕层0～20 cm。2018年不再施加任何改良剂，继续进行田间定位试验。生育期内灌水方式为地下水膜下滴灌，由张力计控制灌水时间，TDR进行校核，灌水下限为-25 kPa，每次灌水定额为225 m3/hm2。底肥的施用量为：磷酸二铵(P2O5质量分数为39%)375 kg/hm2，复合肥(N、P2O5、K2O质量分数为30%、5%、5%)75 kg/hm2，生育期内追施尿素(N质量分数46.67%)225 kg/hm2，通过文丘里施肥器进行膜下滴灌随水施肥，各小区其余田间管理保持一致。

1.4 测定指标与方法

在番茄各生育期(苗期-开花着果期、开花着果-着果盛期、着果盛期-着果末期)对各处理膜内分别取0～20 cm土层的土样(采用5点取土的方法)，然后各处理土壤分别均匀混合，分两份备用。一份带回实验室，采用稀释涂布平板法培养微生物，其中细菌使用牛肉膏蛋白胨培养基[15]，稀释度选取10-5、10-6、10-7，37℃下倒置培养24 h后计数。放线菌使用高氏一号培养基[15]，稀释度选取10-4、10-5、10-6，28℃下倒置培养4 d后计数。真菌使用马丁氏培养基[15]，稀释度选取10-3、10-4、10-5，28℃下倒置培养4 d后计数。

另一份土样，经自然风干、过筛后，土水比1∶5浸提法，用酸度计和电导仪直接读出土壤的pH值和电导率(EC)；采用碱解扩散法测定土壤水解氮含量[16]，采用联合浸提-比色法测定速效磷和速效钾含量[17]，采用重铬酸钾容量法测定有机质含量[18]。

1.5 数据分析与处理

利用Microsoft Excel 2016软件对数据进行计算处理，用Origin 2017进行绘图；用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析和相关性分析，采用LSD方法进行显著性检验(P<0.05)；用CANOCO 5软件对微生物群落进行冗余分析(RDA)，并作图。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对土壤理化性质的影响

2.1.1不同改良剂对土壤pH值和电导率的影响

土壤pH值是制约土壤微生物活动和作物生长的主要因素之一，是土壤理化性质和土壤肥力特征的综合反映[19]。由图3a(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同)可知，番茄生育期内土壤pH值在7.61～8.39之间，呈碱性，与CK处理相比，T1和T3处理pH值显著降低，分别降低了3.00%～5.51%和2.87%～8.50%，T2处理在苗期-开花着果期不显著，在开花着果期-着果末期显著降低，降低了3.52%～4.73%。

土壤盐分是影响作物生长发育和微生物活动的主要障碍因子之一。过多的土壤盐分会导致土壤透气和透水性差、表层易板结、养分低等，严重影响作物的生长发育，造成作物缺苗或死亡，使作物产量直接减产。由图3b可知，与对照(CK)处理相比，施加改良剂均能降低土壤EC，在苗期-开花着果期和开花着果-着果盛期，T2处理较对照(CK)处理降低最大，分别降低了70.94%和75.20%，在着果盛期-着果末期，T3处理较对照(CK)处理降低最大，降低了57.42%。主要是因为脱硫石膏通过Ca2+把交换性Na+置换出来，通过灌溉带走Na+，减少土壤盐分；而生物炭通过降低土壤容重，提高土壤渗透性，促进灌溉对土壤盐分的淋洗，从而降低土壤盐分。

2.1.2不同改良剂对土壤养分的影响

土壤养分是反映土壤质量和土壤生产力的重要指标，为作物生长发育和土壤微生物活动提供必要的营养物质。由图4可知，施加改良剂能增加土壤中有机质、水解氮、速效磷及速效钾含量。在全生育期内，各处理表层土壤水解氮含量均相对比较稳定，这可能是因为该试验采用的是膜下滴灌随水施肥且注重在需肥较大的生育期多次少量适时适量追肥，从而保证土壤水解氮能有效并平稳供应。速效磷和速效钾含量在苗期-开花着果期高于着果盛期-着果末期，这是因为前期植株生长发育需要的养分较少，消耗量小于积累量，使得速效磷和速效钾含量增加，但随着生育期的增加，植株的生长发育需要消耗大量养分，消耗量大于积累量，使得后期养分含量减少，且速效钾在番茄着果盛期-着果末期明显降低，是由于着果成熟时需要大量钾导致。各处理土壤有机质含量在开花着果-着果盛期最多。

在苗期-开花着果期，T1、T2、T3处理有机质含量均显著高于对照(CK)处理，且T1处理增加最多，增加了88.88%，在开花着果-着果盛期，各处理差异性不显著，在着果盛期-着果末期，T2处理显著增加，较对照(CK)处理增加了28.04%，说明不同改良剂对土壤有机质作用的时间不一致。T2处理的土壤水解氮、速效磷、速效钾含量均较对照(CK)处理显著增加，分别增加了53.53%～116.63%、84.97%～295.22%、25.10%～43.22%。因此，在作物生育期内，各改良剂均改善土壤理化性质，增加土壤表层养分。

2.2 不同改良剂对可培养土壤微生物数量的影响

2.2.1不同改良剂对土壤细菌数量的影响

土壤细菌占土壤微生物总数的70%～90%，且细菌数量是反映土壤肥力的一个生物学标志[20]，对表1数据进行纵向比对可知，各处理下，加工番茄整个生育期土壤细菌数量呈先升高后降低的抛物线趋势，在开花着果-着果盛期达到最高值，这是由于该时期土壤的水热盐条件更利于细菌的生长，到着果末期土壤养分和气温相对下降，细菌数量也随之下降。对表1数据进行横向比对可知，各个生育期下，施加改良剂均能增加土壤细菌数量，且T2处理增加最多，较对照处理(CK)增加了1.6～7.8倍，表明施加不同改良剂能改善土壤理化性质，促进细菌的生长繁殖。

2.2.2不同改良剂对土壤放线菌数量的影响

放线菌受土壤通气性的影响较大，对表2数据进行纵向比对可知，各处理下，表层土壤放线菌数量在全生育期均呈抛物线形变化，最高值出现在开花着果-着果盛期。对表2数据进行横向比对可知，各个生育期下，施加不同改良剂的土壤放线菌数量均显著高于对照(CK)处理，其中，T2处理增加最多，增加2.0～6.1倍，这主要是因为生物炭本身具有巨大表面积和孔隙度，为放线菌提供足够生存空间和氧气，且生物炭可作为放线菌生长繁殖的C源。

表1 不同改良剂对盐碱地表层0～20 cm土壤细菌数量的影响

表2 不同改良剂对盐碱地表层0～20 cm土壤放线菌数量的影响Tab.2 Effect of different amendments on quantity of actinomycetes in 0～20 cm soil of saline alkali surface layer cfu/g

2.2.3不同改良剂对土壤真菌数量的影响

真菌在腐殖质的形成和团聚体稳定过程中起重要作用。对表3数据进行纵向比对可知，在4种处理下，土壤真菌数量在全生育期呈下降趋势，苗期-开花着果期真菌数量最大，到着果末期数量降至最低值。这是因为真菌多数适应于中性偏酸性环境。对表3数据进行横向比对可知，各个生育期下，施加不同改良剂的土壤真菌数量均高于对照(CK)处理，且在苗期-开花着果期和着果盛期-着果末期，T2处理显著增加，较对照(CK)处理分别增加了32.9%和269.9%；在开花着果-着果盛期，T1处理显著增加，增加了30.4%。这是因为生物炭施入盐碱土中能改善土壤结构，为土壤真菌提供良好的生长繁殖栖息地，有效吸附土壤真菌，为其提供载体，而有机肥复配脱硫石膏不仅能增加土壤有机质，对土壤的pH值也有较好的降低作用，进而增加土壤真菌数量。综上所述，在作物生育期内，各改良剂均能增加土壤微生物数量，且对土壤微生物主要类群的数量调节作用不一致。

表3 不同改良剂对盐碱地表层0～20 cm土壤真菌数量的影响Tab.3 Effect of different amendments on quantity of fungi in 0～20 cm soil of saline alkali surface layer cfu/g

2.3 不同改良剂对加工番茄产量的影响

不同改良剂对加工番茄产量的影响见图5，加工番茄产量介于31.73～49.49 t/hm2，通过单因素方差分析发现，施加改良剂对加工番茄产量影响显著(P<0.05)，且施加各改良剂处理的产量较对照(CK)处理均增加，其中T2处理的产量增加最多，增加了55.96%，其次为T1、T3处理，分别增加了31.63%、33.99%。

2.4 土壤微生物群落的冗余分析

将土壤微生物群落与土壤理化性质进行冗余分析(RDA)，评估土壤环境因子、各处理、微生物群落之间的关系，结果见图6。土壤细菌、放线菌数量与土壤有机质、速效钾、速效磷、水解氮含量均呈一定的正相关关系，与EC、pH值呈负相关关系；土壤真菌数量与pH值呈负相关，与其他环境因子呈一定的正相关关系。同时，还可以从 RDA 分析中看出微生物群落受土壤因子影响程度不同。其中，土壤速效钾、有机质含量和EC是贡献率最大的3个理化因素，共解释了95.7%的群落变化，因此土壤盐分和土壤速效钾、有机质是影响各处理表层土壤微生物群落分布的主控环境因子。RDA 分析还显示，不同改良剂处理下土壤微生物群落组成存在差异，T3处理与对照的群落结构相似性高于T1和T2处理，其中T2处理较对照对土壤微生物群落结构的影响最为明显。以上表明3种改良剂均可改善盐碱地土壤理化性质，为微生物提供良好的生存条件，同时土壤微生物作为土壤养分的主要分解者，分解土壤中的养分，二者相辅相成，为植物生长提供必要的营养，从而增加作物产量。

3 讨论

盐碱地土壤结构性、通气性和透水性差，孔隙度小，表层土壤易结皮，使得植物生长受到限制。一方面，盐碱地中存在大量的易于淋失的Na+和K+，交换性钠增大了团聚体变湿时破碎或崩解的趋势，崩解团聚体释放的黏粒和粉粒在剖面中向下淋洗时，堵塞了土壤孔隙，这是盐碱地渗透性差的主要原因；另一方面，干旱地区强蒸发量使得土壤盐分表聚，作物根区积累盐分，不能很好地生长。本研究表明，施加脱硫石膏和脱硫石膏复配有机肥均能降低土壤pH值，这与刘淑芹等[5]、屈忠义等[21]、邹璐[6]研究结果一致。在作物初期，生物炭处理土壤pH值较对照(CK)处理增加，但随着时间的延长，土壤pH值较对照(CK)处理减少，这与VAN ZWIETEN等[9]研究不一致，可能是由于生物炭本身呈碱性，施入土壤中初始较对照(CK)处理有所增加，但随着生物炭与土壤发生反应，使得生物炭产生正、负电荷，提高土壤阳离子交换量，使碱化度减小，进而降低土壤pH值。田间试验还表明，施加脱硫石膏、生物炭、脱硫石膏复配有机肥均能降低土壤EC，增加土壤有机质、水解氮、速效磷、速效钾含量，这与张瑶等[22]研究结果一致。脱硫石膏通过Ca2+把交换性Na+置换出来，通过灌溉将Na+淋洗至深层，降低表层土壤盐分，同时脱硫石膏中含有大量的S在土壤中经氧化作用生成 H2SO4，可促进土壤 P、K 等的溶解，增加土壤养分含量[6]；有机肥本身作为一种含有机物质的肥料，不仅可以为作物提供一定无机和有机的养分，对土壤养分也有提高[23]；生物炭可以改善土壤结构，增加土壤孔隙度，提高土壤储水能力，降低土壤盐分[24]；同时生物炭可以增加土壤阳离子交换量，有效吸附盐碱地土壤中的养分，降低土壤中氮、磷、钾的淋溶损失，提高土壤保肥能力，改善土壤养分的空间分布[25]。

本文试验结果表明，生物炭、脱硫石膏、脱硫石膏复配有机肥均有利于土壤细菌、放线菌、真菌的生长繁殖，增加作物产量，其中生物炭的优势更加突出，这与文献[5,26-29]研究结果相似。生物炭具有丰富的微孔结构，比表面积大，吸附能力强，表面官能团丰富，施入土壤后，可降低土壤容重，促进土壤微团聚体的形成，改善土壤结构，为土壤微生物提供庇护场所，促进微生物群落的繁衍生息，同时生物炭含有植物生长所必需的大量元素和中微量元素，可为作物生长发育提供必要的补充，增加作物产量[30-31]；有机肥能够增加根系的分泌物，提供给土壤微生物更多的能源物质，从而提高土壤微生物量，同时增加作物产量[32]；脱硫石膏能降低土壤pH值和EC，增加土壤通气性，改善土壤微生物生长繁殖环境，促进微生物生长[6]。本研究也表明，表层土壤在作物全生育期内土壤细菌和放线菌数量呈抛物线形，在开花着果-着果盛期最高，这与隋虹杰等[33]和沈鹏飞[34]研究一致。施加不同改良剂时土壤耕层微生物数量变化不一致，产生这种差异的主要原因是改良剂本身性质造成的，不同改良剂之间其物理性质和养分不同，且本身含有的微生物菌群不同。

本研究通过冗余分析表明，土壤细菌、放线菌数量与土壤养分含量呈正相关，与土壤EC和pH值呈负相关，土壤真菌数量与pH值呈负相关，与其他环境因子呈一定的正相关关系，这与时唯伟等[35]、李凤霞等[32]结论相符。说明土壤微生物群落在一定程度上能反映土壤肥力水平，土壤中细菌和放线菌数量高，表明土壤性质和肥水条件好，作物产量高，可以作为评价土壤健康的生物指标。同时土壤微生物与土壤肥力和土壤健康也是相辅相成的，土壤微生物作为土壤养分的主要分解者，通过分解有机物等养分获得自身所需营养物质的同时，为植物生长发育提供必要的营养，进而增加作物产量。分析也表明，土壤速效钾、有机质含量和EC是土壤微生物群落生长繁殖的关键因素，这与IBEKWE等[36]研究结果一致，土壤微生物随着土壤盐渍化程度的增加呈减少的趋势，土壤微生物与大部分土壤养分之间具有很好的相关性[37]。盐碱土壤板结严重，使得土壤孔隙度降低，不利于好氧微生物活动和繁殖，因此通过施加生物炭、脱硫石膏、有机肥能改善土壤理化性质，增加土壤孔隙度，降低土壤盐分和pH值，增加土壤养分，从而改善土壤中微生物生长环境，增加土壤中细菌、放线菌、真菌数量，而土壤微生物的增加又反作用于土壤结构，改善土壤理化性质，形成良性循环，最终实现改良盐碱的目的，同时添加这些改良剂能增加土壤中的养分含量，促进作物的生长发育，增加作物产量。

河套灌区作为我国西北最大的灌区，改良盐碱地对该地区的农业发展和生态环境具有重要意义。生物炭施入土壤中，不仅能改善土壤性质，为作物生长提供一定的营养补充，减少化肥的投入和环境污染，而且原材料生产成本低、来源广泛[8]。脱硫石膏作为燃煤电厂的副产物，施入盐碱地后，不仅能减小土壤pH值和盐分含量，而且能减少对环境的二次污染[4]。而有机肥作为一种含有机物质的肥料，不仅可以为作物提供一定的无机和有机养分，改善土壤理化性质，而且和脱硫石膏、秸秆等复配效果更好[12]。因此本试验主要在河套灌区施加这3种改良剂，研究对盐碱地耕层20 cm土壤微生物数量、理化性质及加工番茄产量的影响，结果显示生物炭更有利于促进盐碱地土壤微生物的生长繁殖，改善土壤理化性质，增加土壤养分含量，提高加工番茄的产量。

4 结论

(1)施加改良剂均能降低生育期盐碱地土壤电导率和pH值，增加土壤有机质、水解氮、速效磷、速效钾含量，其中生物炭(T2)处理在降低土壤电导率、增加土壤养分方面效果较为显著。

(2)在整个生育期内，各处理的土壤细菌和放线菌数量均呈抛物线形变化，最大值均出现在开花着果-着果盛期，土壤真菌数量在全生育期呈下降趋势，苗期-开花着果期最多。在同一生育期内，施加生物炭、脱硫石膏、脱硫石膏复配有机肥均可增加盐碱地土壤细菌、放线菌和真菌数量，其中细菌和放线菌数量均以生物炭(T2)处理的增幅最大，较对照组(CK)分别增加了1.6～7.8倍和2.0～6.1倍。

(3)施加各改良剂均能显著提高番茄的产量，其中生物炭(T2)处理的产量增加最多，较对照组增加了55.96%。

(4)土壤耕层细菌、放线菌数量均与土壤pH值和EC呈负相关，与土壤有机质、水解氮、速效磷、速效钾含量呈正相关，土壤真菌数量与土壤pH值呈负相关，与土壤有机质、水解氮、速效磷、速效钾含量呈正相关。