2017, Vol. 25
番茄(Solanum lycopersicum)作为世界蔬菜产量最高的种类之一, 果实营养丰富, 有着菜中之果的美誉, 也是我国农业生产中主要栽培蔬菜种类之一。自1978年以来, 我国番茄的种植面积不断扩大, 总产量随之迅速增长。2011年中国的番茄种植面积为98万hm2, 产量为4 800万t, 居世界第一位[1]。但种植的集约化、规模化、单一化所造成的土壤退化和连作障碍等问题严重制约了番茄生产。特别是由连作障碍所引起的土传病害青枯病尤为严重, 难于防治, 被称为“植物癌症”。该病害主要发生在我国长江以南尤其是华南地区, 已经给农业生产造成了巨大的经济损失[2]。
近年来, 土壤生物消毒(biological soil disinfes tation, BSD)作为一种防控土传病害和改良土壤的方法, 在国外已得到广泛应用。该方法不仅能有效控制土传病害和杂草, 还能充分利用农业废弃物(作物秸秆和动物粪便等)来改善土壤质量[3]。国内外学者在土壤生物消毒处理防控土传病害及改良土壤等方面开展了一系列工作[3-5]。研究表明, BSD能有效降低连作障碍土壤积累的NO3-和SO42-含量, 有效提高土壤pH和增加部分土壤养分, 并能有效防控部分杂草、土壤害虫、土传真菌或细菌性病原菌。因此, BSD在改善土壤盐渍化、土壤酸化、防控土传病虫害、提高土壤肥力等方面均优于其他消毒方法, 从而确保农作物稳产增产[6-7]。目前, 土壤生物消毒作为一种高效、广谱性和环境友好型的土壤熏蒸方法, 逐步在国内外推广应用。但是, 目前的研究主要局限于少数几种土传病害的抗性研究, 而对土壤养分、作物生长、产量及农产品品质的影响方面报道较少。针对蔬菜作物长期连作导致土壤理化性状恶化, 土传青枯病高发, 作物产量及品质降低等诸多问题, 本研究以培养试验和田间试验相结合, 研究土壤生物消毒对青枯菌的抑菌效果、土壤特性及番茄生长及品质的影响, 以期为土壤生物消毒法的理论研究和实践应用提供参考依据。
1 材料与方法 1.1 供试土壤及材料田间试验和培养试验供试土壤均来自广东省广州市增城区朱村镇同一地块(113.70°E, 23.28°N)。土壤偏酸性和黏性, 土壤理化性状为:有机质含量16.4 g·kg-1, 全氮0.81 g·kg-1, 全磷1.12 g·kg-1, 全钾27.9 g·kg-1, 碱解氮82.65 mg·kg-1, 有效磷72.80 mg·kg-1, 速效钾120.28 mg·kg-1, pH 4.55, 含水量15.78%, 电导率(EC)0.062 mS·cm-1。供试验田块历年进行水稻(Oryza sativa)(上半年)与番茄(下半年)轮作, 轮作年限超过5年, 番茄青枯病历年发生, 受各种因素影响发病程度不一, 但总体呈逐年增加, 最近一次青枯病发病率超过45.0%。
田间和培养试验土壤生物消毒用的3种有机物料分别为米糠、麦麸和茶籽麸, 粗粉状态, 购买于广州市增城区朱村镇, 有机物料碳、氮含量及碳氮比见表 1。田间试验供试番茄品种为‘佳农T018’, 西安宏丰种业有限公司生产。青枯菌(Ralstonia solanacearum)菌种选用生理小种Ⅰ生化型Ⅲ, 由华南农业大学园艺学院提供。
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表1 土壤生物消毒所用有机物料碳、氮含量 Table 1 Contents of carbon and nitrogen of organic materials used for biological soil disinfestation |
于2015年9月25日至2016年4月8日进行田间试验。田间试验设对照(CK)和分别添加米糠(ADR)、麦麸(ADW)、茶籽麸(ADT)的生物消毒处理, 共4个处理, 每个处理4次重复。田间采用随机区组设计, 小区面积为12.0 m×1.0 m=12.0 m2。3种有机物料按每平米1.0 kg添加。具体操作: (1) 处理组分别添加米糠、麦麸和茶籽麸3种有机物料, 对照不添加任何物料; (2) 机械充分混匀, 灌水至完全湿透; (3) 覆盖塑料薄膜处理, 使其达到厌氧、保湿及防治杂草效果, 生物消毒3周。(4) 处理结束, 去薄膜, 放置2周。采用双行种植, 株距24.0 cm, 行距30.0 cm, 每小区定植3~4片真叶的番茄幼苗100株。番茄定植后, 按常规进行田间统一管理。
试验处理期间, 每5 d测定一次土壤上层20.0 cm深处土温, 于当日13:00(一天内土温最高值)进行。处理3周结束, 立即取鲜土样测定氧化还原电位(Eh); 另取一份土样自然风干, 过筛, 用于测pH、电导率(EC)。定植番茄后, 于开花坐果期, 选取番茄上、中、下处叶片测定叶绿素含量; 选取距离顶端第3张叶片测定Fv/Fm(PSⅡ光化学效率)和光合作用参数。番茄生长期间记录青枯病发病率和产量, 果实成熟期, 分别选取第2、3穗果实测定品质。
1.2.2 土壤培养试验土壤培养试验设4个处理, 对照(CK)和添加米糠(ADR)、麦麸(ADW)、茶籽麸(ADT)的生物消毒处理, 每个处理4次重复。试验取2.0 kg供试土壤, 添加20.0 mL青枯菌菌悬液, 以上有机物料分别添加40.0 g(2%)于盆钵中, 充分混匀, 灌水560.0 mL至土壤湿润, 转入20 cm×30 cm自封袋中密封处理, 其中对照为不添加有机物料、水和不密封处理。所有处理组置于室外露天下3周。试验于2016年5月11日至6月2日进行。
试验处理期间测定土壤温度。处理结束后, 打开自封袋, 立即取鲜土样用于测定土壤Eh和土壤青枯菌数量, 另取一份土样自然风干, 过筛, 供土壤pH、电导率(EC)和养分测定。
1.3 取样方法及测定项目 1.3.1 土壤温度、pH、EC和Eh土壤温度测定参照国标(GB7839—87), 采用轻便插入式地温计。将风干土样与1.0 mol·L-1 KCl溶液以1:5的比例混匀, 震荡1 h, 静置1 h后, 采用雷磁PHS-3C型酸度计测定水提溶液的pH; 将风干土样和去离子水(EC < 0.2 μS·cm-1)以1:5的比例混匀, 搅拌平衡20 min, 过滤, 用SIN CT-TDS3031型电导率笔测定滤液EC; 土壤Eh采用SX712型ORP计测定(水土比为5:1)。
1.3.2 土壤养分及有机物料碳、氮含量参照文献[8]的方法测定土壤有机质、全氮磷钾、碱解氮、有效磷、速效钾和有机物料全碳、全氮的含量。有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法, 全氮采用开氏-蒸馏滴定法, 全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法, 全钾采用氢氧化钠熔融-火焰原子吸收分光光度法, 碱解氮采用碱解扩散法, 有效磷采用盐酸-氟化铵提取-钼锑抗比色法, 速效钾采用乙酸铵提取-火焰原子吸收分光光度法。
1.3.3 土壤青枯菌含量测定土壤青枯菌含量测定采用2, 3, 5-氯化三苯基四氮唑培养基(TTC培养基), 按照平板计数法计数。计算公式:每克干土中的菌数=(每个稀释度的3次重复的菌落平均数×稀释倍数)/(土样质量×土壤含水率)。
1.3.4 病情调查田间试验番茄幼苗定植2周后, 每隔3 d观察并记录青枯病发病率, 直至番茄整株发病枯死, 整个记录周期为60 d。
1.3.5 番茄叶绿素含量、叶绿素荧光及光合参数叶绿素含量采用SPAD-502-PLUS型(柯尼卡美能达公司)活体叶绿素仪测定。使用OS-30P叶绿素荧光仪(英国INC公司)和Li-6400型光合仪分别测定了Fv/Fm(PSⅡ光化学效率)值和光合作用参数, 光合参数包括光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度。所有处理组, 每个指标均重复测定5株。
1.3.6 番茄产量及品质按照每个小区所有植株收获量(可供销售的)进行计算, 直至收获完成, 统计产量。可溶性糖含量采用蒽酮比色法[9], 蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250法[9], 硝酸盐含量采用比色法[9], 有机酸含量采用氢氧化钠滴定法[9], 维生素C含量采用二甲苯萃取比色法测定[9]。
1.4 数据分析试验数据计算及处理间的差异显著性检验(one-way ANOVA, LSD P < 0.05) 采用SPSS 18.0软件, 作图采用Microsoft Excel 2010。
2 结果与分析 2.1 土壤生物消毒对土壤温度、pH、EC和Eh的影响在培养试验(图 1A)和田间试验(图 1B)中, 土壤生物消毒处理较对照均能显著提高土壤温度, 且分别提高7~8 ℃和5~6 ℃; 3种生物消毒处理间差异不显著。
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图 1 土壤生物消毒处理对20 cm土壤温度的影响 Figure 1 Changes of soil temperature at 20 cm depth under different biological soil disinfestation methods CK:对照; ADR:添加米糠生物消毒; ADW:添加麦麸生物消毒; ADT:添加茶籽麸生物消毒。 CK: control; ADR: biological soil disinfestation of adding rice bran; ADW: biological soil disinfestation of adding wheat bran; ADT: biological soil disinfestation of adding tea seed bran. |
生物消毒对土壤pH、EC、Eh的影响见图 2。培养试验和田间试验不同BSD处理均能显著提高土壤pH, 与CK相比提高幅度为14.89%~19.11%(图 2A)。与CK相比, 培养试验(图 2B)BSD处理显著增加土壤EC, 增幅4~6倍; 而田间试验中, 仅ADW处理组土壤EC值显著高于对照。培养试验中BSD处理显著降低土壤Eh, 且降低至负值; 而田间试验表明, 除ADR处理组土壤Eh显著低于对照外, 其他处理无显著差异(图 2C)。
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图 2 土壤生物消毒对土壤pH、EC及Eh的影响 Figure 2 Effect of biological soil disinfestation method on soil pH, EC and Eh CK:对照; ADR:添加米糠生物消毒; ADW:添加麦麸生物消毒; ADT:添加茶籽麸生物消毒。不同小写和大写字母分别表示培养试验和田间试验不同处理差异显著(P < 0.05)。 CK: control; ADR: biological soil disinfestation of adding rice bran; ADW: biological soil disinfestation of adding wheat bran; ADT: biological soil disinfestation of adding tea seed bran. Different lowercases and capital letters mean significant differences (P < 0.05) among treatments in soil incubation experiment and field experiment, respectively. |
培养试验处理3周后, 土壤养分含量变化如表 2所示。与对照相比, 不同BSD处理能显著改善土壤养分, 其中土壤有机质增加32.11%~82.95%, 全氮增加12.08%~59.36%, 速效钾增加1.28~2.43倍, 而对全磷、全钾、有效磷含量影响不显著。此外, 各处理土壤青枯菌数量变化见图 3, 与CK相比, 各BSD处理能显著降低97.27%~99.14%青枯菌数量。
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表2 土壤生物消毒对不同土壤养分含量的影响 Table 2 Effect of soil biological disinfection method on soil nutrients |
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图 3 土壤生物消毒对土壤青枯菌数量的影响 Figure 3 Effects of biological soil disinfestation methods on the amount of Ralstonia solanacearum in soil CK:对照; ADR:添加米糠生物消毒; ADW:添加麦麸生物消毒; ADT:添加茶籽麸生物消毒。不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。 CK: control; ADR: biological soil disinfestation of adding rice bran; ADW: biological soil disinfestation of adding wheat bran; ADT: biological soil disinfestation of adding tea seed bran. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05). |
与对照相比, BSD不同处理对番茄叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均无显著影响, 但各BSD处理的番茄叶片叶绿素荧光参数Fv/Fm值均高于CK, 其中ADR和ADW处理达到显著差异(表 3)。此外, ADW处理还显著增加了番茄叶片的叶绿素含量SPAD值, 但ADR和ADT处理的叶片叶绿素含量则与CK处理无显著差异。
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表3 土壤生物消毒对番茄叶片光合作用、叶绿素含量及叶绿素荧光参数的影响 Table 3 Effect of biological soil disinfection method on leaf photosynthetic parameters of tomato |
在番茄生长后期(果实膨大期), 不同BSD处理均显著增加植株高度, 其中以ADW处理株高增加幅度最大, 较CK提高29.2%, 而对茎粗无显著影响(图 4A, 4B)。番茄青枯病发病统计期间, 不同BSD处理均能有效降低发病率, 第56 d ADR、ADW和ADT处理发病率较CK分别降低42.65%、40.41%和29.41%(图 4C), 番茄产量则分别提高45.31%、56.25%和41.41%, 其中ADW处理增加幅度最大(图 4D)。
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图 4 土壤生物消毒对番茄生长、防病和产量的影响 Figure 4 Effects of biological soil disinfestation methods on growth, disease control and yield of tomato CK:对照; ADR:添加米糠生物消毒; ADW:添加麦麸生物消毒; ADT:添加茶籽麸生物消毒。图柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。 CK: control; ADR: biological soil disinfestation of adding rice bran; ADW: biological soil disinfestation of adding wheat bran; ADT: biological soil disinfestation of adding tea seed bran. Different lowercase letters above bars indicate significant differences among treatments (P < 0.05). |
各处理组番茄品质指标的测定结果见表 4。与CK相比, 除了ADT处理能显著增加番茄果实可溶性糖、糖酸比外, 其他BSD处理对番茄果实的Vc和可溶性蛋白含量具有一定提高作用, 但效果不显著, 对有机酸和硝酸盐没有显著影响。
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表4 土壤生物消毒对番茄品质的影响 Table 4 Effects of biological soil disinfestation methods on tomato quality |
随着设施蔬菜栽培技术的发展和不断完善, 番茄栽培由季节性向全年性发展, 高密度复种, 大量使用化肥农药, 田间管理不当, 使得连作障碍和土传青枯病发生尤为严重。青枯病病害的发生与土壤中温度、湿度、酸碱度等多种理化因素有关, 该病害喜欢高温、高湿、偏酸性的环境, 发病温度范围在10~40 ℃, 最适温度为30~37 ℃。本研究结果显示, BSD处理均能有效提高土壤温度和pH, 降低Eh。特别是培养试验中, BSD处理土壤最高温度接近45 ℃, Eh降低到负值, 这使得土壤处在一种高温、强还原性或厌氧环境状态, 不利于青枯菌的繁殖, 从而造成土壤中青枯菌的数量大幅下降和青枯病的发病率显著降低。试验中土壤温度的提高主要是太阳能加热以及有机物的化学分解, 而BSD处理对土壤酸碱度的影响与添加的有机物料种类密切相关[10]。本研究中, 以米糠、麦麸和茶籽麸作为碳源的BSD处理, 均能提高土壤pH 14.89%~19.11%;除了与有机物料有关之外, 可能还与供试土壤初始pH较低有关, 这一结果与Hewavitharana等[11]研究相似。
培养试验中, BSD处理能显著降低土壤Eh, 这一变化趋势与部分文献报道一致[12-14]。原因可能是不同BSD处理处于密封和厌氧状态, 厌氧微生物大量活动而产生大量还原物质, 从而使土壤呈强还原性。但是, 在田间试验中, 土壤Eh变化不显著, 可能与田间BSD处理达不到完全密封状态、厌氧时间和有机物料添加的用量有关[7, 15]。本研究BSD处理均能显著提高土壤EC, 主要是因为大部分盐或金属离子的释放量增加所致。因为在BSD处理过程中, 有机物料矿化和强还原状态下, 土壤中的Fe2+、Me2+等低价金属离子[16]或NH4+含量会增加[17], 从而有助于增加对土传病原菌的抑菌作用。
土壤生物消毒处理过程中, 添加的有机物料经矿化降解, 能显著增加土壤养分含量。有关研究表明, 秸秆还田中养分释放速率表现为钾 > 磷 > 碳 > 氮[18-19]。本研究BSD处理3周, 土壤中有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量显著高于对照, 此结果与顾志光等[13]的研究相似。BSD处理对土壤全钾、全磷和有效磷含量无显著影响, 可能原因是添加的有机物料中钾和磷含量低。相关研究表明BSD能有效提高土壤中全碳和全氮含量, 但降低硝态氮含量[20-21], 麦秆淹水处理前期均能促进水稻田土壤溶液中溶解性有机碳(DOC)、溶解性有机氮(DON)释出[22]。
叶绿素荧光能反映逆境因子对光合作用的影响, 而Fv/Fm常被用作标明环境胁迫程度的指标和探针。胁迫条件下, 植物的叶绿素荧光参数Fv/Fm、光合速率、蒸腾速率等指标会有所下降[23-24]。本研究中, 各BSD处理组的叶绿素含量和荧光参数Fv/Fm稍高于或等于对照, 可能与BSD处理能有效提高土壤中氮含量有关[25]。此外, 番茄叶片4个光合参数净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率较对照无显著差异, 说明土壤生物消毒对番茄光合作用无显著影响。
BSD处理能促进作物稳产增产, 主要是对土传病虫害的防控作用, 其次改善土壤其他境因素等等。Shrestha等[4]运用Meta-Analysis分析方法, 对123份关于BSD对作物产量影响的文献进行分析表明, 与对照相比, 所有BSD处理均能显著提高作物产量。Butler等[26]以糖蜜作为碳源, 发现BSD处理能确保辣椒(Capsicum annuum)和茄子(Solanum melongena)的产量等于或大于溴甲烷(MeBr)的化学熏蒸消毒。李英梅等[27]研究了太阳能消毒(物理)、石灰氮麦秸(生物和化学)、垄鑫(化学)3种不同土壤消毒方法, 发现3种方法处理均能促进黄瓜(Cucumis sativus)生长和提高产量。本研究表明, BSD处理能改善土壤质量, 提高部分土壤养分, 对番茄光合无显著影响, 且有效缓解土传病害青枯病的侵害, 降低发病率, 从而能显著促进番茄生长和增加产量。另外, 我们还观察到, 番茄果实膨大期受冷害影响, BSD处理番茄植株较CK能延缓枯萎, 表现出一定的抗寒性。
4 结论土壤生物消毒对连作障碍土壤的改良及促进作物生长方面起到有益的作用。与对照相比, 不同BSD处理均能显著提高土壤pH和土壤温度, 降低土壤Eh和土壤中青枯菌数量, 增加土壤养分含量, 促进番茄植株生长, 提高番茄对青枯病的抗性, 大幅增加番茄产量。此外, BSD处理对番茄叶片活体叶绿素含量和品质也有一定的提高作用。综合来看, 3种有机添加物以麦麸的防控青枯病及增产效果最好, 值得生产上推广应用。
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