不同农业措施对草莓连作土壤状况的影响

曹彩红，曹玲玲，祝 宁，陈加和，赵立群，田雅楠，张宝杰，何秉青

（1北京市农业技术推广站，北京 100029；2北京市昌平区农业技术推广站，北京 102200）

0 引言

草莓果实柔软多汁，营养丰富，富含多种维生素，特别是维生素C，被誉为“水果皇后”。京郊草莓产业是都市现代农业的重要组成部分，它弥补了北方冬季水果生产淡季对新鲜果品的需求，被称为“早春第一果”。北京地区以昌平为首从2002年开始日光温室冬季草莓种植，2010年农业部农场品质量安全中心批准“昌平草莓”实施农产品地理标志登记保护，2012年举办第七届世界草莓大会，为当地农民带来了较高的经济效益，据统计2015—2017年北京设施面积在688～701 hm2范围内[1]。

当前设施规模化生产面临轮作倒茬困难，而连年种植会产生连作障碍，造成草莓植株生长发育不良、生育期延迟、产量下降、根系病害发生严重等问题[2-4]。连作障碍已严重制约了草莓产业的发展，是目前生产上亟待解决的重要问题[5]。连作障碍产生的主要原因是保护地连年种植同一作物导致土壤养分失衡、盐渍化、病原微生物富集、根际分泌物积累产生自毒作用等。为克服连作障碍，种植户目前多采用基质栽培、土壤消毒等方法，土壤消毒主要有太阳能高温物理消毒法和氯化苦、棉隆、1,3-二氯丙烯等化学药剂消毒法。这些方法在应用过程中存在各种问题，如基质栽培成本较高；石灰氮、氯化苦等土壤消毒方式可有效杀灭土壤中的病原菌、害虫、线虫和杂草，但同时会严重破坏非靶标微生物类群，改变土壤微生物群落结构，显著降低土壤酶活性和肥力[6-9]，长期使用对空气、水源、土壤产生污染、破坏土壤微生物生态系统，造成农产品污染，危害人体健康[10]，不利于农业可持续发展。

因此，寻求高效环保农业措施，降低土壤中病原菌数量而改善土壤环境，已经成为目前绿色农业发展的研究热点。轮作是缓解连作障碍、修复连作土壤的有效措施之一[11]，研究表明，通过不同作物之间的轮作，能够提供多样性植物、有机物质，对微生物群落及其功能产生良性影响，更多能源物质的投入将增加微生物数量[12]，进而增加土壤酶活性，催化土壤中生化反应。从而有助于提高土壤微生物多样性、增加细菌数量、减少真菌数量，使土壤线虫结构得到改善[13]，土壤生物学特性的改善将改进连作土壤物理特性和化学性状。已有研究表明，草莓与水稻轮作可有效改良土壤状况，但多见于南方水量充足地区，如杨祥田等[14]采用草莓—水稻轮作方式，显著降低黄萎病发生率，减少盐分积累，缓解土壤障碍。吴根良等[15]将甜瓜、西瓜、水稻与草莓进行轮作，结果表明水稻轮作不仅显著降低设施土壤的镰刀菌和真菌数量(82.6%、76.0%)，其后的草莓产量也高于其他处理。而北京地区严重缺水，常规栽培水稻耗水较多，但北京属于典型的温带气候，夏季多雨，草莓日光温室一般在6—8月份闲置，恰逢雨热同季。因此，本研究采用改良式水稻种植方式，即通过育苗棚提早穴盘育苗和膜下滴灌旱作进行轮作栽培，同时与氯化苦土壤消毒进行对比，研究不同农业措施对土壤状况的影响，以获得适宜的土壤改良方式进行推广应用，为草莓绿色生产提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验为3年，于2017年开始，在北京市昌平区金六环农业园，选择已连续栽培草莓5年以上的日光温室2栋，位置相邻，温室棚号为A3和A4，两温室前茬均为“红颜”草莓。试验于2017年9月2日至2020年8月17日进行，期间每年的9月初至5月初进行草莓生产，5月初至8月中旬进行水稻种植，水稻秧苗于4月初在日光温室进行穴盘育苗，田间生产时施肥、灌溉等管理方式基本相同。草莓生产结束后设定3个土壤处理方式，进行试验研究。具体操作如下：

5月份草莓生产结束，草莓植株清理干净，进行整地，将草莓垄整平，土壤耙匀称，每个温室划分5个小区，同时为减少棚内环境的误差和各个处理间的相互影响，在每个温室东西方向的棚头和棚尾空出1 m，小区间间隔2 m。

3个处理分别为：A草莓—夏季闲置，整地后开始夏季休闲；B草莓—水稻轮作，4月初在育苗温室采用105穴盘进行穴盘育苗，每穴4～5粒种子，棚内铺设滴灌带后覆膜，5月10日打孔定植水稻，采用膜下滴灌方式栽培，8月中旬采收；C草莓—氯化苦消毒，至7月底进行氯化苦消毒，使用专用施药机将氯化苦注射入土壤中，注射深度为15～20 cm，间距为25 cm。然后采取“反向压膜法”将塑料膜四周密封，防止气体泄漏，同时关闭大棚风口进行熏蒸处理，7天后揭膜通风。在1号温室开展A和B 2个处理，A处理2次重复，B处理3次重复，2号温室开展A和C 2个处理，A处理2次重复，C处理3次重复，棚内5个小区间随机区组排列。

土壤样品采集于2020年8月中旬，水稻成熟收获后，在温室内用土钻采用S型5点法从各小区分别采集土壤样品，取土壤表层(0～20 cm)及亚表土层(20～40 cm)，放于冰箱4℃保存，用于化验分析。土壤样品一部分风干，过筛后用于测定土壤理化性状及土壤酶活性；另一部分新鲜样品除去植物残体、根系和可见土壤动物（如蚯蚓），过1 mm筛，用于微生物项目的测定。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤理化性质的测定 对土壤pH、EC、速效氮、磷、钾，有机质、氨态氮、硝态氮进行了测定。土壤酸碱度采用pH计进行测定；速效磷的测定采用0.5 mol/L的碳酸氢钠浸提，钼蓝比色法；速效钾的测定采用1.0 mol/L的乙酸铵浸提—火焰光度法；有机质的测定采用重铬酸钾容量法—外加热法；铵态氮的测定采用2 mol/L的氯化钾浸提—靛酚蓝比色法；硝态氮采用2 mol/L的氯化钾浸提—紫外分光光度计法[16]。

1.2.2 土壤微生物种群的测定 土壤微生物种群的测定采用稀释平板法。细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基混菌法培养，真菌采用马丁氏培养基混菌法培养，放线菌采用高氏一号培养基表面涂布法。三类微生物分别在24、36、48 h后观察计数，算出每克干土的含菌数，三者相加的总量作为微生物总数[17]，计算公式如式(1)所示。

1.2.3 土壤酶活性的测定 土壤酶活性测定脲酶采用靛酚比色法，转化酶采用3,5—二硝基水杨酸比色法，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，磷酸酶采用对硝基苯磷酸二钠比色法[18]。

1.3 数据分析

数据处理采用Excel 2007和SPSS 20.0软件，方差分析用单因素进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同农业措施对土壤理化性质的影响

2.1.1 土壤养分的变化 经检测，不同农业措施处理下日光温室土壤养分的变化如表1。结果显示，3种农业措施下的土壤养分均达到一级标准，表明温室土壤营养丰富。与草莓—夏季闲置相比，土壤表层与亚表层营养在经过水稻轮作后，有机质含量、水解性氮、有效磷、有效钾均呈现不同程度的降低，有机质含量降低幅度为37.88%，水解性氮含量降低49.5%，有效磷含量降低62.66%，有效钾含量降低45.69%，而夏季闲置和氯化苦消毒的土壤其养分含量，无显著变化。结果表明，日光温室经过多年草莓栽培，土壤养分非常丰富，通过草莓—水稻轮作，可有效利用土壤营养，消耗部分N、P、K，减轻土壤的富营养化。

表1 不同农业措施对土壤养分的影响

2.1.2 土壤酸碱度、盐分含量及铵态氮、硝态氮的变化由表2可知，不同农业措施对土壤酸碱度的影响有差异，与草莓—夏季闲置相比，草莓—水稻轮作可提高土壤pH，表层提高3.36%，亚表层提高4.61%，而氯化苦消毒无明显差异。通过检测不同处理含盐量表明，草莓—水稻轮作可明显降低土壤含盐量，表层约降低32.15%，亚表层约46.15%，而氯化苦消毒可少量降低含盐量，但差异不显著。结果表明，水稻轮作在一定程度上可减缓土壤酸化和盐渍化。

表2 不同农业措施对土壤理化性状的影响

与夏季闲置相比，水稻轮作和氯化苦消毒后的土壤中铵态氮的含量显著增加，表层土壤分别增加了44.3%、18.16%，亚表层分别增加了67.77%、34.04%。而硝态氮的含量水稻轮作后，表层土减少了21.23%，37.66%，氯化苦消毒无明显差异。结果表明，草莓—水稻轮作增加铵态氮含量，可提高土壤氮素可利用率，减少硝态氮含量，可有效抑制土壤硝化作用；氯化苦消毒可适当增加铵态氮含量，但硝态氮含量与夏季闲置相比，无明显差异。

2.2 不同农业措施对土壤酶活性的影响

土壤酶主要来自微生物和植物根系的分泌作用以及动植物残体的腐解过程[19]，其活性与土壤的物理特性和水热状况、农业技术措施等密切相关，在土壤有机物转化及养分循环中发挥着重要作用[20]。过氧化氢酶是参与土壤中物质与能力转化的一种氧化还原酶，促进过氧化氢的分解，有利于防止过氧化氢对生物体的毒害作用；脲酶能将尿素水解，生成氨，是植物氮素营养的重要来源；蔗糖酶能将蔗糖水解为葡萄糖和果糖，是土壤有机碳转化的重要酶[21-23]。试验结果表明（见表3），与草莓—夏季闲置相比，进行水稻轮作倒茬，可以提高土壤表层和亚表层酶的活性，其中表层过氧化氢酶提高6.1%，脲酶显著提高23.4%，蔗糖酶活性差异不显著；而进行氯化苦消毒后，土壤酶活性会呈现不同程度的降低，其中脲酶活性降低最为明显，表层土壤降低52.65%，亚表层降低16.47%，其次为过氧化氢酶，分别降低6.4%和8.4%，而蔗糖酶表层土壤差异不显著，亚表层酶活性降低38.3%。

表3 不同农业措施对土壤酶活性的影响

2.3 不同农业措施对土壤微生物种群的影响

土壤微生物活性是土壤质量的重要指标[24]，土壤微生物主要由细菌、真菌、放线菌组成，对于土壤肥力的形成和作物营养的转化起到极其重要的作用。土壤微生物以细菌为最多，放线菌次之，真菌最少，通常细菌通常所占比例为70%～90%[15]。一般认为真菌型土壤是地力衰竭的标志，因为真菌容易引起一些土传病害，真菌数量增加，意味着病虫害加重[25]，特别是镰刀菌，是连作障碍的主要原因[26]，在草莓上可以引起根黑腐病、枯萎病等病害。由表4可知，在土壤表层，与草莓—夏季闲置相比，水稻轮作后土壤中微生物总量变化不大，但氯化苦消毒后微生物总量极显著降低，杀灭率达96.7%，说明通过氯化苦消毒可有效杀灭土壤中所有微生物，具有一定防止土传病害发生的效果。此外，土壤微生物菌群不同菌类所占比例差异显著，与夏季闲置相比，水稻轮作后细菌数量明显增加，所占比例增加约9.86%，真菌数量减少约一半，所占比例降低约一倍，即0.09%，放线菌数量减少约6成，所占比例降低9.76%，细菌/真菌比增加一倍，说明水稻轮作后，土壤细菌数量增加，真菌减少，土壤向“细菌型”转变，真菌性土传病害得到有效降低，连作障碍具有一定的改善。而经过氯化苦消毒后，土壤微生物菌群比例失衡，放线菌最多，这可能是由于与细菌和真菌相比，放线菌对氯化苦具有一定的抗性。

表4 不同农业措施对土壤微生物种群的影响

3 结论与讨论

温室栽培条件下的土壤缺少雨水淋洗，且温度、湿度、通气状况和水肥管理等与露地栽培有较大差别，易导致土壤酸化、盐渍化以及呈富营养状态。本研究通过3年田间试验，设置不同处理，比较了草莓—夏季闲置、草莓—水稻轮作、草莓—氯化苦消毒等3种农业措施对土壤理化性质的影响，结果表明，水稻轮作后的土壤pH、盐分含量、硝态氮、有效氮、速效磷、速效钾含量均低于夏季闲置和氯化苦消毒，铵态氮含量高于夏季闲置处理，说明草莓温室种植水稻后，具有更好的平衡养分积累、减缓土壤酸化及次生盐渍化的调控效果。

土壤中的酶类主要参与土壤生化过程，如腐殖质的合成与分解、营养物质的转化等，其活性是衡量土壤生物学活性的重要指标。已有研究表明，戴建军等[27]、王丽红等[28]研究发现不同轮作模式较作物连作能提高过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶的活性。本研究结果显示，与夏季闲置相比，水稻轮作后的土壤脲酶、过氧化氢酶活性均提高，说明经过轮作可提高土壤酶活性。但氯化苦消毒后的土壤脲酶、过氧化氢酶活性呈现不同程度降低，这一结果与范琳娟[29]、运翠霞等[30]研究结果一致。原因可能是氯化苦与土壤酶类分子结合，形成了比较稳定的化合物，从而导致了酶活性降低，也可能是氯化苦将土壤中的微生物杀灭，干扰了酶类代谢途径，从而降低了酶活性，抑制了尿素水解为氨，影响了植物对氨的吸收[31-33]，具体化学土壤消毒的机理还需进一步研究。

土壤微生物是农田生态系统的重要组成成分，土壤微生物群落结构组成及活性在一定程度上反映了土壤质量[34]，是反映土壤变化的敏感性指标[35-36]。与夏季闲置相比，氯化苦消毒后，土壤中96%的微生物已被杀灭，对于土传病害的防止具有立竿见影的效果，但这一措施会不同程度的破坏土壤生态系统，从长远来看并非可持续发展途径；水稻轮作后，土壤菌群向“细菌型”转变，这可能是通过轮作减轻了土壤酸化和盐分积累，有利于细菌生长，同时有效降低了真菌数量，同时，不同作物根际微生物不同，加上浇水灌溉，对一些病原真菌有抑制或杀灭作用，是改善草莓土壤连作障碍的有效途径。

连作障碍是一个极其复杂的问题，要全面准确地评价土壤质量的优劣，或有无改善连作障碍发生，不是用某一或几个指标去下结论，而是应根据土壤的物理、生物、化学、分子生物学等方面的综合指标，以及种植作物的生长表现等方面加以评判。不同作物间的轮作可有效改善草莓连作土壤理化性质、土壤酶活性及土壤中微生物种群等，是克服土壤连作障碍的有效农业措施。但在实际生产中，正如连作障碍非一茬造成一样，通过轮作改良土壤是一个循序渐进的过程，需经过多年坚持进行才能更加有效，逐步修复土壤生态系统。因此，克服土壤连作障碍，需不断进行探索更加行之有效的方法和措施。