2023, Vol. 44
2. 河北省科学院生物研究所, 石家庄 050081
2. Institute of Biology, Hebei Academy of Sciences, Shijiazhuang 050081, China
番茄(Solanum lycopersicum L.)是我国重要的蔬菜作物, 也是设施栽培面积最大的蔬菜种类之一, 2020年全国设施番茄栽培面积约110.4万hm2, 总产量约为6 515万t[1].设施番茄的种植对保证我国蔬菜周年供应和农民增产增收具有重要的意义.然而, 由于设施种植的集约化生产模式和高温高湿的环境特点, 致使设施土壤退化现象明显, 造成蔬菜产量降低和品质下降[2].明确设施种植土壤退化因子是土壤改良的前提, 也是保证设施农业可持续发展的关键.
通过不同种植类型土壤性质的对比分析, 大量学者对设施土壤退化特征进行了研究, 以期明确设施土壤的退化因子, 为退化土壤修复提供理论支撑.任强等[3]研究表明, 种植5 a的设施土壤有机质、速效磷、碱解氮和速效钾等养分明显富集.设施种植还导致较为普遍的土壤pH降低[4]、电导率值升高和次生盐渍化加重[4, 5].土壤孔隙度和团聚体含量等物理指标随设施种植年限有较为明显的下降[4].土壤酶广泛参与土壤中各种生物化学过程, 其活性反映了土壤养分转化能力及土壤微生物的活性, 有研究表明设施连作种植土壤脲酶和过氧化氢酶在6 a达到最高值, 之后随连作年限延长活性下降[6].还有研究表明, 设施种植造成土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶等酶活性下降, 导致土壤养分转化和供应受阻[7].随着微生物培养技术和分子生物学技术的发展, 土壤微生物作为农田生态系统的重要组成部分, 将其作为土壤质量表征指标受到更为广泛的关注[8], 设施百合种植的土壤中细菌数量和nirS基因丰度在连作4 a时最低, 而后逐渐升高; 真菌数量和反硝化细菌的nirK基因则呈现逐年上升的趋势[9].另外, 设施连作种植导致土壤的微生物群落结构发生改变, 病原微生物相对丰度增加[10], 土传病害发生增加和植物生长受阻[11].
虽然, 设施土壤连作种植引起的土壤物理、化学、酶活性和微生物等因子的变化已经有较多学者研究, 但是由于研究区域、种植作物、土壤类型和管理模式的差异, 引起设施土壤退化的因子及其随年限的变化趋势均存在着较大的差异[3~8].河北作为设施番茄长期种植的区域之一, 其气候特征、土壤类型、番茄品种和管理模式均有其特异性, 因此可以推测设施番茄连作所引起的土壤退化现象也具有一定的独特性.但是, 针对河北设施番茄种植所造成的土壤退化因子分析尚缺乏系统研究, 特别是种植年限和土壤环境因子及微生物因子相关关系的研究还鲜见报道, 限制了以土壤退化因子为靶标的设施土壤修复方案的制定和实施.因此, 本文以河北省番茄种植大县肃宁县为研究区域, 以不同种植年限的设施番茄土壤为研究对象, 进行设施土壤理化和生物学性质分析, 明确种植年限与各土壤因子之间的相关分析, 明确河北省气候、土壤和管理模式下设施番茄种植土壤退化的关键因子, 旨在为设施番茄土壤改良和产量、品质提升提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区选在河北省沧州市肃宁县(E 115°42′~116°02′, N 38°16′~38°32′), 区域气候为温带半湿润大陆性季风气候, 年平均气温12.1℃, 日照时数2 769.8 h, 无霜期180 d, 年均降水量618 mm.土壤以潮土为主, 占总面积的97.7%.肃宁县是河北省设施番茄种植大县, 番茄品种主要为普罗旺斯, 种植面积约13.3万km2, 种植茬口为番茄和茄子轮作, 底施肥料为有机肥[30 000 kg·hm-2, ω(有机质)≥40%]和NPK肥料[300 kg·hm-2, ω(N+P2O5+K2O)≥45%], 番茄生育期内随水追施膨果肥和盛果肥.
1.2 土壤样品采集和预处理本研究根据肃宁县设施番茄种植情况, 随机选择3个设施番茄连片种植区, 每个种植区选择种植年限为1~3 a(1、3、3 a)、5~7 a(5、7、7 a)和>10 a(11、15、20 a)的棚室各1栋, 共计9栋温室.样品采集于2021年3月(春茬番茄开花结果期), 采集番茄两个植株中间的土壤样品, 采样深度5~20 cm, 每666.7~1 000 m2棚室采用五点采样法, 将5个样点的样品充分混合, 除去非土壤杂质, 采用四分法将土壤样品分为2份: 一份土样自然风干研磨后过2 mm筛, 用于土壤化学性质和土壤酶活性的测定; 一份于-80℃超低温保存, 提取DNA用于高通量测序分析土壤中的微生物群落.
1.3 土壤理化指标测定土壤理化性质参照鲍士旦[12]的方法测定.土壤容重和最大持水量[13]采用环刀采集原位土柱, 依据环刀法进行测定; pH采用电位法(水土比为2.5 ∶1); 电导率(electrical conductivity, EC)采用电导仪法(水土比为5 ∶1); 可溶性盐(全盐)采用质量法(水土比为5 ∶1); 土壤有机质含量采用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法; 全氮采用凯式蒸馏法; 全磷采用氢氟酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法; 全钾采用氢氟酸-高氯酸消煮火焰光度法; 速效氮采用碱解扩散法; 速效磷采用0.5 mol·L-1 NaHCO3(水土比为20 ∶1)浸提, 钼锑抗比色法; 速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度计法.
1.4 土壤酶活性测定土壤酶活性参考郑立伟等[14]的研究方法, 采用南京建成生物工程研究所的酶活性试剂盒测定.脲酶活性采用次氯酸钠苯酚比色法, 以每g干重土壤在37℃孵育24 h后产生1 μg NH4+-N为1个酶活性单位.蔗糖酶活性采用DNS法, 以蔗糖为底物, 以每g干重土壤在37℃孵育24 h后产生1 mg葡萄糖为1个酶活单位.过氧化氢酶活性采用分光光度法测定, H2O2为底物, 以每g干重土壤每小时催化1 μmol H2O2降解为1个酶活性单位.碱性磷酸酶活性采用分光光度法, 以磷酸对硝基苯酯为底物, 以每g干重土壤在37℃孵育24 h后产生1 nmol对硝基苯酚为1个酶活性单位.
1.5 土壤样品的DNA提取和测序采用OMEGA Soil DNA Kit(D5625-01)(Omega Bio-Tek, Norcross, GA, USA)试剂盒从冷冻土壤样品中进行微生物总DNA的提取, 以质量合格的土壤DNA为模板进行PCR扩增, 扩增目的片段为细菌16S rRNA基因的V3-V4区和真菌ITS-V1, 上游和下游引物分别为338F、806R和1737F、2043R[15], 扩增体系(25 μL): 5×reaction buffer 5 μL, 5×GC buffer 5 μL, dNTP(2.5 mmol·L-1) 2 μL, Forwardprimer(10 μmol·L-1)1 μL, Reverseprimer(10 μmol·L-1)1 μL, DNA Template 2 μL, ddH2O 8.75 μL, Q5 DNA Polymerase 0.25 μL.扩增条件: ITSA: 98℃ 5 min; 98℃ 30 s, 55℃ 30 s, 72℃ 45 s, 共30个循环; 72℃延长5 min, 4℃结束反应; 采用0.8%的琼脂糖凝胶电泳进行PCR扩增产物的检测, 合格的产物委托上海派森诺生物科技股份有限公司采用Illumina NovaSeq平台进行测序和微生物多样性分析.
1.6 数据分析高通量测序得到原始图像数据文件, 经碱基识别分析转化为原始测序序列后, 数据使用QIIME2 v2019.7进行处理, 使用QIIME2中的DADA2通道去除引物、质量滤波、去噪、剪接和嵌合.使用QIIME2软件和R语言进行Alpha多样性分析.使用R语言进行Beta多样性分析, 对获得的Bray-curtis距离矩阵(默认)进行非度量多维尺度(non-metric multidimensional scaling, NMDS)分析, 并通过二维排序图展示微生物群落的组成差异; 使用QIIME2软件进行物种分类学组成分析.使用Excel 2021软件对土壤理化性质和酶活性及微生物多样性进行数据整理.使用IBM SPSS 26统计分析软件对整理后的实验数据进行单因素方差分析, 使用邓肯法(Duncan, P＜0.05, P＜0.01)进行显著性检验.使用GraphPad Prism 8.0作柱状图.使用Canoco 5.0软件对土壤环境因素与微生物群落组成的关系进行冗余分析(redundancy analysis, RDA)并作图.
2 结果与分析 2.1 不同种植年限对设施番茄土壤理化性质的影响不同种植年限设施番茄土壤理化指标如表 1所示.随着种植年限的延长, 土壤容重和pH逐渐降低, 5~7 a和>10 a土壤容重分别较1~3 a土壤降低了2.46%和13.11%; pH则分别降低0.02个单位和0.21个单位; 对土壤最大持水量来说, 则呈现随连作年限而增加的现象.土壤全盐含量和EC值则为先降低后升高的趋势, >10 a土壤全盐含量和EC值最高.结果表明, 对于河北设施番茄土壤来说, 由于施用较大量有机肥料使土壤物理性状得到改良, 同时土壤呈现轻度酸化和次生盐渍化等退化现象.
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表 1 3个种植年限的设施番茄土壤理化性质1) Table 1 Physical and chemical properties of soil for greenhouse tomato in three different planting years |
2.2 不同种植年限对设施番茄土壤养分指标的影响
不同种植年限设施番茄土壤中有机质、全氮、全磷和全钾等养分指标如表 2所示.土壤中7项养分含量均随种植年限增加呈现升高的趋势.其中, 土壤有机质、全氮和速效钾含量显著增加(P < 0.05), 与1~3 a相比, 5 a以上3个指标增幅分别为11.04%、9.76%和16.12%, >10 a增幅分别为74.91%、39.02%和69.15%.土壤全磷、全钾、速效氮和速效磷的含量也随种植年限的延长而增加, 但是不同种植年限之间不存在显著差异.由此可知, 研究区域内设施番茄种植土壤中养分呈现随种植年限累积的状态, 表明该区域番茄种植肥料施用过量.
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表 2 不同种植年限设施土壤养分含量1) Table 2 Soil nutrient content of facilities in different planting years |
2.3 不同种植年限对设施番茄土壤微生物学性质的影响 2.3.1 不同种植年限设施番茄土壤的酶活性变化
不同种植年限设施番茄土壤中脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性如图 1所示.由图 1(a)和图 1(b)可以看出, 脲酶和蔗糖酶活性均呈现随种植年限延长而降低的趋势, 其中种植>10 a较1~3 a分别降低4.69%和7.46%; 过氧化氢酶活性呈现先升高后降低的趋势, 以种植>10 a酶活性最低, 较1~3 a和5~7 a降低1.99%和2.71%[图 1(c)]; 种植5~7 a的土壤碱性磷酸酶活性显著增加[图 1(d)].总体上来说, 4种土壤酶在>10 a的设施番茄种植土壤中均低于1~3 a, 说明>10 a的设施种植土壤的养分转化能力下降.
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(a)脲酶, (b)蔗糖酶, (c)过氧化氢酶, (d)碱性磷酸酶 图 1 不同种植年限设施土壤酶活性 Fig. 1 Soil enzyme activity of facilities in different planting years |
表 3为不同种植年限设施番茄种植土壤细菌和真菌的多样性指数.由表 3结果可以看出, 细菌Simpson指数随种植年限增加有所降低, 而Shannon指数和Chao1指数表现为种植1~3 a至5~7 a时降低, 之后又增加的趋势, 但3个α多样性指数在3个种植年限间均未呈现显著性差异(P>0.05).对于真菌来说, 与1~3 a相比, 5~7 a番茄种植土壤的Simpson指数(P < 0.05)和Shannon指数均升高, 而Chao1指数则降低, 说明在5~7a时真菌的物种数量减少, 均匀度升高; 之后, 土壤Simpson指数(P < 0.05)、Shannon指数(P < 0.05)和Chao1指数均下降, 说明真菌物种数量进一步降低, 均匀度减小.表明随设施种植年限延长, 土壤中部分真菌群落消失, 特定真菌群落富集, 土壤真菌结构失衡.
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表 3 不同种植年限番茄土壤细菌和真菌群落Alpha多样性指数1) Table 3 The α-diversity index of bacterial and fungal communities in tomato soil in different planting years |
2.3.3 不同种植年限设施番茄土壤微生物β多样性分析
图 2表示不同设施番茄种植年限间微生物群落非度量多维尺度分析(NMDS)的差异程度.由图 2(a)所示, 3个不同种植年限土壤中细菌群落样点由低到高分别处于第三、第四和第二象限(压力值为0.013 6), 表明种植年限可以明显改变细菌群落结构.对于真菌来说, 在压力值(stress)为0.284的情况下, 1~3 a和5~7 a间分离明显, 而>10 a土壤真菌群落则与前两个种植年限均有交叉, 说明在不同种植年限情况下, 真菌群落具有一定的相似性[图 2(b)].
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图 2 不同种植年限细菌与真菌NMDS Fig. 2 NMDS of bacteria and fungi in different planting years |
对3个不同种植年限土壤中细菌前5位优势菌门和显著性进行了分析, 其中种植年限1~3 a和5~7 a土壤中前5位优势菌门均相同, 相对丰度顺序依次为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和拟杆菌门(Bacteroidetes), >10 a土壤中前4位的优势菌门均相同, 但是芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)代替拟杆菌门(Bacteroidetes)成为第5位的优势菌门[图 3(a)].比较不同种植年限5大优势菌门的相对丰度可知, 其中变形菌门(Proteobacteria)相对丰度随种植年限延长呈现先升高后降低的趋势, 3个种植年限相对丰度分别为31.16%、35.66%和30.67%, 种植年限5~7 a该菌的相对丰度显著高于其他2个年限[图 3(b)].拟杆菌门(Bacteroidetes)随种植年限的延长呈现先升高后降低的变化趋势, 在种植>10 a的土壤中芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)变为优势菌门, 相对丰度为5.84%.
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(a)细菌优势菌门, (b)细菌门水平相对丰度差异, (c)真菌优势菌门, (d)真菌门水平相对丰度差异; b1.Proteobacteria, b2.Acidobacteria, b3.Actinobacteria, b4.Chloroflexi, b5.Bacteroidetes, d1.Ascomycota, d2.Mortierellomycota, d3.Olpidiomycota, d4.Basidiomycota, d5.Rozellomycota; *表示差异显著(P＜0.05), **表示差异极显著(P＜0.01) 图 3 不同种植年限微生物优势门水平相对丰度差异 Fig. 3 Differences in the level abundance of microbial dominant phyla in different planting years |
在门水平上, 分析不同种植年限设施番茄土壤真菌优势群落发现, 不同种植年限真菌优势菌门构成较为相似, 其中1~3 a和5~7 a前5位优势真菌门均为子囊菌门(Ascomycota)、被孢菌门(Mortierellomycota)、油壶菌门(Olpidiomycota)、担子菌门(Basidiomycota)和罗兹菌门(Rozellomycota), >10 a土壤中捕虫霉门(Zoopagomycota)代替罗兹菌门(Rozellomycota)成为优势菌门[图 3(c)].但是, 不同种植年限间各菌门相对丰度差异较大, 其中子囊菌门(Ascomycota)相对丰度随种植年限增加而下降, 3个种植年限相对丰度分别为94.07%、86.17%和77.09%, 1~3 a和5~7 a差异达显著水平(P < 0.05), 1~3 a和>10 a差异达极显著水平(P < 0.01).与前2个种植年限相比, >10 a被孢菌门(Mortierellomycota)相对丰度极显著上升(P < 0.01), 由1.50%~2.51%增加至18.99%, 相对丰度增幅分别为656.65%和1 169.76%, 呈现极显著差异[图 3(d)].
2.3.5 不同种植年限设施番茄土壤微生物群落属水平组成及差异分析对3个种植年限设施番茄土壤细菌属水平相对丰度占比前10位的优势属进行分析, 3个种植年限相对丰度前8位的优势菌属均相同, 其中以Subgroup_6菌群相对丰度最高, 为6.59% ~8.15%[图 4(a)]. Rokubacteriales属和假单胞菌属(Pseudomonas)在不同年限之间存在显著性差异[图 4(b)], 对Rokubacteriales属来说, 种植1~3 a其相对丰度显著高于5~7 a的土壤; >10 a的假单胞菌属(Pseudomonas)的相对丰度则显著低于1~3 a和5~7 a的土壤.
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(a)细菌优势菌属, (b)细菌属水平相对丰度差异, (c)真菌优势菌属, (d)真菌属水平相对丰度差异; b1. Subgroup_6, b2. MND1, b3. RB41, b4. A4b, b5. KD4- 96, b6. Rokubacteriales, b7. Pseudomonas, b8. SBR1031, b9. NB1-j, b10. Gitt-GS-136; d1. Botryotrichum, d2. Lophotrichus, d3. Mortierella, d4. Acaulium, d5. Olpidium, d6. Remersonia, d7. Fusarium, d8. Pseudaleuria, d9. Aspergillus, d10. Acremonium; *表示差异显著(P＜0.05); **表示差异极显著(P＜0.01) 图 4 不同种植年限微生物优势属水平相对丰度差异 Fig. 4 Differences in the level abundance of dominant genera of microorganisms in different planting years |
图 4(c)和图 4(d)为不同种植年限设施土壤属水平的真菌群落组成及差异分析, 由图 4(c)可知, 3个种植年限相对丰度前5位优势菌属均为球孢毛葡孢霉(Botryotrichum, 36.90% ~54.47%)、瓶毛壳属(Lophotrichus, 22.24% ~29.30%)、Remersonia(0.25% ~2.63%)、被孢霉属(Mortierella)(1.50% ~18.99%)和无茎真菌属(Acaulium)(0.37% ~4.55%).与1~3 a的前10位优势菌属相比, 种植年限5~7 a的土壤中曲霉菌属(Aspergillus)和Pseudaleuria代替假裸囊菌属(Pseudogymnoascus)和Sodiomyces成为优势菌属, 种植>10a时Pseudaleuria(1.13%)、丝壳属(Kernia)(0.90%)、头束霉属(Cephalotrichum)(0.30%)和柄孢壳属(Podospora)(0.28%)为优势菌属.其中种植1~3 a土壤中球孢毛葡孢霉(Botryotrichum)与种植5~7 a和>10 a均存在显著性差异; 5~7 a设施土壤中瓶毛壳属(Lophotrichus)、镰刀菌属(Fusarium)和曲霉菌属(Aspergillus)的相对丰度显著高于1~3 a和>10 a; 种植>10 a土壤中被孢霉属(Mortierella)和无茎真菌属(Acaulium)的相对丰度极显著高于种植1~3 a和5~7 a; 另外, 种植>10 a土壤中Pseudaleuria的相对丰度较1~3 a增加658.40%(P＜0.01)[图 4(d)].
2.4 不同设施番茄种植年限与土壤理化和生物学性质间相关性分析将设施番茄种植年限、土壤理化因子、酶活性和微生物属作为指标进行RDA分析, 获得二维排序图(图 5).由图 5结果可以看出, 横轴PC1解释了总变异的51.59%, 纵轴PC2解释了总变异的41.78%.土壤理化和养分因子中EC值、全盐、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷和速效钾含量与种植年限呈正相关关系, pH与种植年限呈负相关关系; 土壤酶活性因子中碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶与种植年限呈正相关关系, 脲酶与其呈负相关关系; 土壤微生物因子与种植年限的RDA分析发现, 真菌中孢霉菌属(Mortierella)、无茎真菌属(Acaulium)和细菌中MND1、Subgroup_6、RB41、Rokubacteriales相对丰度与种植年限呈正相关关系, 瓶毛壳属(Lophotrichus)、球孢毛葡孢霉(Botryotrichum)、Remersonia和细菌中KD4- 96、SBR1031、A4b、Pseudomonas相对丰度与种植年限呈负相关关系.其中, 土壤速效钾(解释度为33.30%, P=0.036)和速效氮(解释度为32.40%, P=0.012)与设施番茄种植年限呈显著正相关关系.
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图 5 不同种植年限与土壤理化和生物学性质间冗余分析 Fig. 5 Redundancy analysis between different planting years and soil physical, chemical, and biological properties |
为了明确河北省设施番茄种植区的土壤理化指标随种植年限的变化, 本研究对种植年限1~3 a、5~7 a和>10 a设施番茄土壤理化性质进行了分析.有研究表明, 土壤容重随种植年限降低, 最大持水量则随之增加.王学霞等[16]对北京3~12 a的设施蔬菜种植土壤物理性质研究发现, 与露地土壤相比, 土壤容重降低、土壤水稳性团聚体数量和持水性增加.马灿等[17]对山东设施番茄种植年限为0、1、3、5和8 a的日光温室土壤和贾宋楠等[4]对河北省不同区域设施黄瓜种植土壤容重的调查研究也都得到相似的结论.总体而言, 随着对设施种植土壤障碍因素研究的深入, 采用有机肥和生物炭等有机物料进行土壤培肥改良的方式被广泛使用.目前, 我国设施蔬菜种植过程中均施用大量有机肥作为底肥, 用量30~150 t·hm-2, 土壤物理性状得到了有效地优化.
土壤酸化是设施土壤退化的重要因素之一.随着种植年限的延长北京设施菜地土壤酸化明显, 连续种植12 a的设施大棚, 土壤pH值下降了0.54个单位[16], 高新昊等[18]的研究也表明随着设施种植时间延长土壤pH明显降低.对于河北省设施番茄种植区来说, 种植>10 a土壤pH有所降低, 但酸化状况明显小于上述研究结果.土壤pH值降低的主要原因是酸性化学肥料过量施用导致NO3-、SO42-和Cl-等离子在土壤中残留[19], 对于河北来说由于施用的鸡粪和鸭粪等有机肥均呈碱性(pH>8.5), 且该区域土壤中以及灌溉用水pH背景值均较高, 从而大棚土壤与当地露地土壤pH差异不大, 酸化程度较小且年际之间不存在显著差异[20~22].总体来说, 由于施肥习惯的改变和有机肥培肥措施的应用, 与南方地区相比[23], 土壤酸化并未成为河北省设施土壤退化的主要因子.
过量施肥以及棚室内淋洗程度低还导致了设施蔬菜种植土壤盐分累积[24].较多的研究表明, 随设施种植年限延长, 土壤的EC值、Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-和SO42-等离子的含量呈现上升趋势[16, 19, 20, 25], 土壤呈现次生盐渍化状态.本研究以土壤全盐含量和EC值两个指标分析了设施番茄土壤的次生盐渍化状态, 结果表明随种植年限延长土壤全盐含量呈上升趋势, 与1~3 a相比, >10 a土壤全盐含量增加5.30%, 土壤全盐含量为1.43~1.59 g·kg-1, EC值平均值为463.33 μS·cm-1.可溶性盐含量和EC值是评价土壤次生盐渍化的重要指标[26], 我国土壤盐分分级标准中1.0~2.0 g·kg-1为轻度盐化土的阈值[20], EC值500 μS·cm-1为中度盐渍化的阈值[5], 本研究表明设施种植土壤已经表现为轻度盐渍化, 可能导致作物生长发育不良、产量和品质下降的问题.
我国设施栽培长期沿袭着高投入和高产出的管理模式, 肥料利用率低, 且设施种植高温、高湿、高蒸发和无雨水淋溶的环境条件[18, 27], 造成耕层土壤养分过度富集[16, 28].刘书哲[29]的调查研究表明设施土壤有效养分含量显著高于大田对照, 设施土壤硝态氮、有效磷和速效钾含量分别是大田对照的22.6、8.9和1.9倍, 且随种植年限的增加设施土壤养分存在累积态势[30, 31].本研究对比分析了不同设施土壤种植年限土壤有机质、全氮、全磷、速效氮和速效磷等7个养分指标的含量, 其中>10 a设施番茄种植土壤的有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾指标均高于1~3 a土壤.对照河北省土壤养分分级标准, 各个指标均大幅度高于Ⅰ级标准, 说明土壤养分累积状况明显.因此, 有必要对设施蔬菜地土壤养分过量甚至失衡及其引起的一系列问题给予充分的重视.
3.2 种植年限对设施番茄土壤生物学性质的影响土壤理化性质的变化影响土壤酶活性、微生物多样性和群落结构等指标, 本研究分析了与土壤碳、氮、磷和自由基清除相关的土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶, 结果表明对于取样区域的设施番茄种植土壤来说, 4种酶活性均未呈现单一地随连作年限而降低的趋势, 但均为>10 a种植土壤酶活性较低, 表明长期设施番茄种植造成土壤养分转化受阻.同样, 任强等[3]的研究也表明, 土壤中过氧化氢酶和脱氢酶随种植年限变化的趋势较复杂, 分析其原因可能是土壤酶活性作为一种生物活性因子受施肥种类、土壤含水量和土壤质地等诸多环境因子的影响, 控制试验条件能够取得较为规律性的结果[32~34].
对设施番茄土壤细菌和真菌的丰富度和多样性指数分析结果显示, 多年种植造成土壤微生物多样性降低, 对甘薯和葡萄等作物连作土壤中微生物多样性研究也得到了相似的结果[35, 36].有研究表明, 植物对根围微生物具有一定的影响, 不同植物其根系分泌物, 例如糖、氨基酸和有机酸的种类存在差异, 因而招募微生物种类和数量也存在不同[37~39].设施连作进一步强化了植物对根部微生物的招募强度, 从而使微生物多样性降低.对微生物群落结构而言, 不同种植年限间物种相对丰度在属水平上存在较大差异.假单胞菌属(Pseudomonas)和芽孢杆菌属(Bacillus)是被广泛研究的具有促植物生长作用的根际微生物[40], 该属的一些种被广泛用于农作物病害的生物防治和土壤微生态环境的调节[41].本研究表明, 种植>10 a设施土壤上述有益菌属相对丰度降低, 土壤抑病能力下降.与种植1~3 a设施番茄土壤相比, 种植5~7 a时曲霉菌属(Aspergillus)和Pseudaleuria相对丰度增加, 种植>10a被孢霉属(Mortierella)的相对丰度显著上升.曲霉菌属(Aspergillus)是一种常见的土壤致病菌微生物, 多存在于腐烂的植物中[42].被孢霉属(Mortierella)的相对丰度与土壤有机质含量呈正相关[43].以上结果表明, 曲霉菌属(Aspergillus)和被孢霉属(Mortierella)随设施番茄连作种植增加, 可能由于两方面的原因: ①前茬作物对土壤群落结构的影响长达数月时间, 设施番茄落叶和根茬还田导致部分微生物富集[44]; ②动物粪便有机肥的大量施用, 会增加一些病原真菌的相对丰度[45].总之, 设施番茄种植年限的延长导致了土壤微生态环境失衡, 增加了番茄发生土传病害的风险.针对土壤微生态失衡的原因、缺失和富集的微生物菌群的种类, 进行微生物的定向调控是设施番茄退化土壤修复的关键.
4 结论(1) 随设施番茄种植年限延长, 耕层土壤理化性质发生了改变.与种植1~3 a的相比, 设施番茄种植年限延长使土壤容重降低和最大持水量增加, 土壤物理性状有所改善.土壤EC值、全盐含量、有机质、全氮和速效钾等随种植年限增加, 土壤出现次生盐渍化和养分过度累积的状态.
(2) 不同种植年限的微生物群落结构存在差异, 与种植1~3 a相比, 土壤微生物多样性呈下降趋势, 假单胞菌属(Pseudomonas)等有益菌群相对丰度下降, 瓶毛壳属(Lophotrichus)、镰刀菌属(Fusarium)和曲霉菌属(Aspergillus)等病原菌属相对丰度上升, 微生物群落结构失衡, 这可能是土传病害发生的重要原因之一.
(3) 设施番茄种植所引起的土壤理化性质和微生物因子之间存在较为显著的相关关系, 其中土壤速效钾和速效氮等因子是与设施番茄连作种植年限相关的关键环境因子.
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