改良剂对熏蒸处理后土壤环境改善和促进作物生长的研究进展

李青杰, 张大琪, 颜冬冬, 王秋霞, 李 园, 曹坳程

(中国农业科学院 植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193)

0 引言

随着保护地的发展和高附加值作物的连年栽培，土壤中的病原菌和虫卵数量逐渐积累，导致土传病、虫害的发生逐年加重，作物生长受到抑制，病虫害发生严重时可致作物减产60%，甚至绝收[1]。土传病害的发生具有隐蔽性，不易被发现，一旦暴发将造成重大损失[2]。在作物种植前进行土壤熏蒸是目前最有效、快速且稳定的防治土传病害的方法[3-4]，并可提高农产品的产量和品质[5]。土壤熏蒸可有效防治线虫、病原菌、杂草等，如土壤熏蒸剂氯化苦液剂 (99.5%) 在用量为300～450 kg/hm2时，对黄瓜根结线虫病的防治效果可达82.89%～91.07%[6]；在辣椒和黄瓜生长期通过穴施1 200 μg/mL 的四硫代碳酸钠能有效减少土壤中辣椒疫霉病菌和黄瓜枯萎病菌的数量[7]；当异硫氰酸烯丙酯 (98%) 的用量为20～320 mg/kg 时，对土壤中双子叶杂草藜的防效可达90%以上[8]。但土壤熏蒸剂具有广谱性，在杀死病原物的同时，对土壤中的非靶标微生物也会产生不利影响[9]。此外，在作物生长过程中，熏蒸后的土壤也可能被病原物再次侵染，导致防治效果变差[10]。研究表明，施用土壤改良剂可改善土壤的理化性质、提高土壤中的养分含量[11-12]，促进作物根系对营养元素的吸收[13]，提高作物产量[14]，并能有效防治土壤病原物。此外，土壤改良剂还可以促进土壤微生物的恢复，提高土壤微生物的活性[15]，抑制重金属离子对作物的毒害作用[16-17]。在土壤熏蒸后施用合适的改良剂可以改善土壤环境，防止病原菌的再次侵染，促进作物的生长发育[18-19]。

目前尚未见关于土壤熏蒸剂和改良剂两者联合使用方面的综述。鉴于此，笔者在简介了常用的几种土壤熏蒸剂及改良剂后，重点综述了近年来土壤改良剂对熏蒸后的土壤环境 (土壤理化性质、酶活性、微生物群落) 和作物生长影响的研究进展，旨在为作物土传病害的防治以及熏蒸后土壤的改良和修复方法提供参考。

1 土壤熏蒸和改良剂

土壤熏蒸是将熏蒸剂施于密闭的土壤中，利用挥发的有效气体杀灭土传病、虫、草害的防治方法，也称土壤消毒。土壤熏蒸可分为物理熏蒸、化学熏蒸及生物熏蒸，在土传病害发生严重的地块，优先采用化学熏蒸进行防治[20]。化学熏蒸剂中的溴甲烷因对臭氧层具有破坏作用，已基本被淘汰[21]；目前常用的化学熏蒸剂如氯化苦、二甲基二硫、威百亩、棉隆和异硫氰酸丙烯酯等作为溴甲烷的替代品在世界各地已经得到广泛应用[22-23]，其中氯化苦由于具有良好的防治效果，对作物增产效果显著，而成为用量较大的土壤熏蒸剂，但氯化苦具有强烈的刺激性气味，使用时必须由专业人员进行操作[24]。这些熏蒸剂均可以有效防治土传病害、促进作物生长。为了达到良好的防治效果，在进行土壤熏蒸之前，应明确各种熏蒸剂的使用范围，根据熏蒸剂本身的理化性质、施药的环境条件、使用技术及防治对象等[25-26]正确选择并使用。常用熏蒸剂的信息见表1。虽然土壤熏蒸剂可以有效杀灭土壤中的病原物，但同时对有益微生物也产生了不良的影响[27]。土壤经熏蒸处理后，土壤环境受到扰动，暂时处于一种“不平衡”的状态，具体表现为土壤的理化性质发生改变、土壤微生物的多样性下降和土壤酶活性受到抑制[28]。此时可向土壤中补充有益物质，改善土壤熏蒸对环境的扰动，促进有益微生物的恢复，也可加强对病原物的防治。

表1 常用熏蒸剂的信息Table 1 Information on commonly used fumigants

土壤改良剂也可称为土壤调节剂，是指可以改善土壤状况，促进作物养分吸收，而本身不提供植物养分的一种物料[33]。土壤改良剂种类繁多，分类标准不一，按原料来源可分为天然改良剂、合成改良剂、天然-合成共聚物改良剂和生物改良剂4 大类。改良剂的类型不同，作用方式也不一样，总体来说是通过有效改善土壤理化性质、加强微生物活动及提高酶活性等方式，最终达到提高土壤肥力的效果[34](表2)。土壤改良剂的研究始于19 世纪末，中国的研究起步较晚，多应用于退化土壤，如酸性土壤、碱性土壤、盐渍化土壤及沙化土壤的改良等[35]。也可用于土壤修复，比如：比利时研制的沥青乳化保湿剂可以用于沙漠中的水分长期储存；法国研制的亲水松土剂常用于疏松和湿润土壤；日本研制的液体通气保湿剂可提高土壤通气性和透水性；印度用纸厂废渣降低土壤酸度[34]等。改良剂不仅可以增加土壤养分，还具有固定温室气体的作用。近年来研究较多的改良剂——生物炭，具有来源广泛、比表面积大、自身含有植物生长所需的营养物质等优点，不仅可以改良土壤和微生物的栖息环境，而且还可以减少温室气体的排放[36-37]。一些改良剂还具有良好的离子交换和吸附功能，研究表明，天然沸石有吸附NH4+和控制NH4+肥料肥效释放的潜力，可以促进作物对养分的吸收[38]。改良剂还可减少土壤中重金属的含量，防止其对作物产生毒害作用，例如：生物改良剂中的丛枝菌根（arbuscular mycorrhizal，AM）含有丰富的菌丝体，当植物缺乏微量元素时，丛枝菌根可促进植物对微量元素的吸收；而当微量元素浓度过高时，丛枝菌根可对重金属元素的毒害具有一定的缓解作用[39-40]。近年来，随着“减肥减药”政策的实施，土壤改良剂发展迅速，其在一定程度上可替代化肥使用[41]。土壤改良剂的应用范围非常广泛，可用于玉米、小麦、番茄、黄瓜、草莓、生姜、西瓜和苹果等种植土壤的改良[42]。

表2 土壤改良剂的分类及主要作用方式Table 2 Classification and main mode of action of soil amendments

土壤进行熏蒸处理后，可选用合适的改良剂减轻或消除熏蒸带来的不利影响，有些可能还具有良好的增效作用。固体类的改良剂可以通过深耕或穴施施入土壤，液体类的改良剂可以通过滴灌的方式施于作物根际，一方面可以防止病原菌的再次侵染，另一方面可以改善土壤环境，增加作物的品质和产量。一般可以提高土壤肥力的改良剂均可以使用，但要根据使用说明进行使用。

2 改良剂对熏蒸处理后土壤环境改善的影响

土壤环境主要是指土壤的理化性质、酶活性、微生物群落及其相关的功能基因，可以反映土壤肥力和土壤的健康状况[43]。常用的土壤理化性质指标有电导率、有机质、速效磷、速效钾、铵态氮和硝态氮等，测定土壤理化性质对评价土壤肥力意义重大。土壤酶活性和微生物群落常作为土壤质量的生物性质指标，用以评估土壤的生物活性，以便进行更深层次的研究。土壤理化性质的改变一般会导致其生物性质也发生相应的变化[44-45]。

土壤熏蒸剂的使用不仅解决了土传病害的难题，也改变了土壤环境的状态。方文生[46]研究发现，用1,3-二氯丙烯处理北京潮土24 d 后，土壤NH4+-N 的含量降低了25.7%，NO3--N 的含量增加了8.5%，这与范琳娟等[47]的研究结果一致，即熏蒸处理会改变土壤的理化性质。Li 等[48]研究发现，用氯化苦进行熏蒸处理后，土壤生物环境 (土壤的生命体系) 发生了显著变化，如短期内细菌多样性下降，群落组成发生变化，后期可逐渐恢复至对照水平。而改良剂对土壤环境的影响大多是有利的。用微生物改良剂处理土壤后，土壤容重降低，复配土的速效钾、速效磷等含量均有显著提升[49]；用改良剂处理土壤还可降低马铃薯胞囊线虫 (Globodera rostochiensis和G.pallida)的存活率，增加有益微生物的数量[50]。周绪宝等[51]研究表明，EM 菌剂 (主要成分为光合菌类、乳酸菌类、酵母菌类、放线菌类等80 余种微生物) 可改变不同分类水平下主要细菌所占比重，增加细菌总数，改善植物生长的微环境。

改良剂可通过不同的作用方式促进熏蒸处理后土壤环境的改善。1) 改良剂可以抑制病原菌的繁殖，从而减少病原菌的数量。如将棉隆与生化黄腐酸联合使用，在茄子的整个生长期对于土壤真菌的抑制效果高于70%，而在茄子结果期使用则高达94.2%，并具有较好的稳定性和持效性，而使用棉隆单剂对真菌的抑制效果最高为85.7%，在茄子收获期仅为44.8%[52]。2) 改良剂可以恢复土壤酶活性和提高土壤养分含量，改善土壤的生态环境。用1,3-二氯丙烯熏蒸土壤7 d后，土壤中脲酶和蔗糖酶的活性分别下降了42.3%和27.8%，土壤pH 值、有效磷和有机质含量均显著降低，随着木霉、枯草芽孢杆菌和腐殖酸肥料的施入，土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性逐渐恢复至与对照相同的水平，土壤铵态氮、硝态氮、速效磷等养分的含量显著增加[53]。3) 改良剂可以促进土壤有益微生物的恢复，改善土壤生物环境。Fang等[54]研究表明，用氯化苦熏蒸后土壤微生物的多样性降低，有益微生物如变形菌门 (Proteobacteria)、厚壁菌门 (Firmicutes) 和芽孢杆菌属 (Bacillus) 的相对丰度被抑制，而在熏蒸后加入生物炭可以有效改善土壤的氮代谢，减少氯化苦对有益物种及其生态功能的不利影响，缩短土壤微生物多样性和氮循环功能微生物的恢复时间。4) 改良剂可以增强有益菌的定殖强度。土壤熏蒸后施入生物有机肥可以使土壤有益菌株的定殖更强健，降低熏蒸后土壤中病原体丰度迅速上升的风险，较好地抑制西瓜枯萎病的发生[55]。5) 改良剂可以影响土壤整体的功能，提高土壤健康水平。张洁等[56]研究表明，低剂量棉隆熏蒸处理后沟施YB-04 菌肥，对黄瓜根结线虫病的防治效果为87.8%，土壤中的细菌数量、细菌/真菌比值及土壤酶活性与棉隆单独熏蒸处理相比均显著增加；而将棉隆熏蒸与海藻菌肥联合使用后，土壤中超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化物酶 (POD) 及过氧化氢酶(CAT) 3 种保护酶的活性显著提升，土壤中的细菌数量、细菌与真菌的比值与对照以及棉隆、海藻菌肥单独使用相比均显著增加[57]。可以看出，随着改良剂的施入，熏蒸后土壤养分含量会有所增加，微生物群落可加速恢复，对于土壤环境具有改善作用。

综上所述，土壤熏蒸剂和改良剂联合使用对土壤环境有很大的调节作用：熏蒸后土壤微环境的动态平衡因受到扰动而处于失衡状态，改良剂的添加能快速遏制不平衡状态的持续时间，使土壤环境快速恢复到动态平衡的状态，并优化土壤原有的生态环境。因此，土壤熏蒸剂和改良剂的合理配施将给土壤营造一个良好的环境，有利于土壤的保护和作物的生长。

3 改良剂对熏蒸处理后促进作物生长的影响

影响作物生长的因素很多，比如作物的生理生化反应及土壤环境等均可影响作物生长。土壤熏蒸剂和改良剂使用的目的是为了尽可能地减少对作物生长的不利因素，增加有利因素，最终达到增产丰收或改善作物品质的效果。

改良剂可以解除土壤经熏蒸处理后对作物生长的抑制作用，调控作物的生长环境，促进作物生长。研究表明，连作多年的百合种植地在用威百亩进行熏蒸处理后，百合的生长受到抑制，产量下降了11%～19%，但随着百合生长期多次施用特8™菌剂（含有22 类菌群，总数达15 000 cfu/g，有机质含量≥70%），土壤总孔隙度和绝对含水量增加，百合的茎粗和根冠比增加，产量比单独用熏蒸剂处理的提高了16%[58]。王广印等[59]研究表明，用棉隆熏蒸土壤后，并未降低番茄茎基腐病的发病率，而在棉隆熏蒸处理后施入生物菌肥则大幅度地降低了番茄茎基腐病的发病率，与对照相比，发病率降低了79.62%，并且可以抑制杂草生长，促进果实膨大，提高果穗产量，这与Tian等[60]的研究结果一致。

改良剂和熏蒸剂也具有协同作用，在土壤熏蒸后施用改良剂可以达到更好的效果。Chen 等[61]研究发现，在菊花种植地，单独用棉隆和添加了Paenibacillus polymyxa(strain SQR21) 的生物肥料处理土壤，菊花的茎高、茎干重、叶宽、根鲜重和干重等均比对照高，但用棉隆熏蒸后再施用生物肥料的处理，对菊花的生长促进作用最明显。孟天竹等[62]用棉隆熏蒸西瓜种植地的土壤，发现西瓜枯萎病病情指数降低、产量上升，在种植过程中多次追施馕播王（根际促生细菌和抗土传病害功能菌数量大于108 cfu/g）更加抑制了西瓜枯萎病，商品果产量提高3.28～3.68 倍。由此可见，土壤熏蒸剂和改良剂的使用均可以促进作物生长，但两者联合使用效果更佳，促进作用更强。

改良剂可以通过不同的方式促进土壤经熏蒸处理后作物的生长。1) 改良剂可以促进熏蒸处理后植株对养分的吸收，改善植株的生长状况。刘星等[63]研究表明，土壤分别经熏蒸剂和微生物有机肥单独处理，均显著提升了马铃薯植株的光合生产强度，降低了连作马铃薯植株的发病率，同时增强了植株对土壤水分和养分的吸收利用，马铃薯块茎产量增幅达到13.62%～20.36%，而经两者联用的效果优于单独处理的效果，因此推荐棉隆和微生物有机肥联合使用。2) 改良剂可促进土壤微生物数量的增加，减少土壤害虫的数量。土壤经棉隆消毒后，配合施用土壤改良剂肥老伴 (有效含菌量5×107个/g) ，土壤微生物的数量及活性增加，促进了草莓根系的生长，增产效果达7.3%～10.2%[64]。聂海珍等[65]研究表明，棉隆熏蒸处理初期线虫数量急剧下降，但番茄移栽90 d后，线虫数量开始快速上升，在棉隆与淡紫拟青霉Paecilomyces lilacinus联合处理的地块，根结线虫种群数量最低，且在番茄整个生长期和收获季始终显著低于对照，显著促进番茄生长，提高了番茄产量。3) 改良剂可提高果实品质。曹云等[66]研究表明，棉隆熏蒸与微生物有机肥联用能增加连作西瓜的生物产量，与对照相比，西瓜中心糖含量、糖酸比分别提高了15.9%、13.4%, 单果重、总产量、商品果产量分别增加了24.5%、33.4% 和34.1%，优于棉隆单独处理组。在番茄种植地，将威百亩与金汇农业生物菌肥联用可降低真菌的生物量，在一定程度上改善土壤微生物环境，促进番茄生长，番茄的产量比单一熏蒸处理的高[67]。总体来看，土壤熏蒸处理后施用改良剂可以改善作物生长发育的环境，提高作物的产量和品质。

4 结论与展望

土壤环境是作物赖以生存的地方，其健康程度直接关系着作物的生长发育。研究者们常从土壤的物理性质 (容重、含水量、孔隙度等)、化学性质 (有机质、速效钾、有效磷等)、生物性质 (酶活性、微生物组成等) 3 方面来研究土壤环境的变化。作物连作引起的土传病害不仅降低了作物产量，对土壤环境也造成了不利影响。土壤熏蒸可有效防治病虫害，但熏蒸处理后土壤环境处于一种不平衡的状态，一些土壤微生物 (特别是有益微生物)，在熏蒸处理后处于被抑制的状态，恢复时间较长，不足以抵抗外来病原物的侵袭。在作物生长后期特别是结果期和收获期，熏蒸剂的药效会减弱，一旦病原物和害虫再次出现将造成不可挽回的损失。在土壤熏蒸后使用改良剂可以提高土壤肥力，增强作物对病虫害的抵抗能力，进而促进作物的生长发育。改良剂可通过提高熏蒸后的土壤酶活性，降低有害微生物的活性，加强有益微生物的活动，防止病原菌再次侵染，在作物的生长期内可以起到很好的预防和防治作用，从而增加作物产量。由此可见，改良剂对熏蒸后的土壤环境具有改善作用，可以促进作物生长。改良剂对熏蒸后土壤环境改善和作物生长的促进效果不同，主要影响因素包括土壤熏蒸剂的种类、改良剂的种类、土壤本身的状况、使用方法等。

目前国内外有关微生物菌肥或生物炭与熏蒸剂联合使用的报道较多，对土壤微生物群落结构及其多样性变化的研究也较为详细，但在未来的研究中更应该关注以下几点：1) 改良剂对熏蒸剂处理后土壤中的关键微生物和功能基因变化的影响；2) 研究用于替代化肥而又不会降低对土传病害防治效果的新型的土壤改良剂；3) 研究土壤熏蒸后施用改良剂对土壤环境的具体改善过程，包括养分循环、酶活性和有益微生物的具体变化，阐明改善的机制。总体来看，土壤熏蒸处理后，随着改良剂的介入可以有效促进作物生长，持续防治土壤病虫害，对农业可持续发展具有重要的指导意义。