引用本文
郭树根, 沈怡斐, 姚燕来, 陈朱侃, 洪春来, 王卫平, 朱凤香, 陈晓旸. 生物强化还原处理防控辣椒连作障碍[J]. 浙江农业科学, 2018,59(9):1674-1679
doi: 10.16178/j.issn.0528-9017.20180952
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生物强化还原处理防控辣椒连作障碍
郭树根1, 沈怡斐2, 姚燕来2,*, 陈朱侃1, 洪春来2, 王卫平2, 朱凤香2, 陈晓旸2
1.兰溪市农作物技术推广站,浙江 金华 321100
2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 3100021
通信作者:姚燕来(1981—),男,浙江余姚人,副研究员,博士,从事农业资源利用研究工作,E-mail:yaoyl0679@hotmail.com。

作者简介:郭树根(1965—),男,浙江兰溪人,农艺师,从事蔬菜新技术、新品种推广示范工作,E-mail:1522811139@qq.com。

基金项目: 浙江省“三农六方”科技协作(CTZB-F170623LWZ-SNY1-11);浙江省科技计划重点研发计划(2017C02001);浙江省重大科技专项重点农业项目(2015C02013)
摘要

以浙江省金华市种植辣椒6 a的连作障碍土壤为研究对象,设置高温闷棚对照(CK)和生物强化还原(BRSD)土壤处理,研究BRSD对辣椒连作障碍的防控效果及对土壤理化性状和土传病原菌的影响。结果表明,对照辣椒发病率达到56.1%,平均667 m2产量仅为767.61 kg;BRSD处理显著降低了辣椒植株发病率(13.0%),平均产量比对照增加47.5%。经BRSD处理,土壤有机质含量显著增加,pH值极显著上升到6.1,土壤中的尖孢镰刀菌数量、速效氮、速效磷和速效钾含量均较对照和处理前土壤下降,抑制了病原微生物的增殖,减少了化肥施用,减轻了土壤盐渍化,改良了退化土壤。表明BRSD是一种修复连作障碍土壤、防控辣椒连作障碍的有效方法。

关键词: 生物强化还原; 辣椒; 连作障碍
中图分类号:S36 文献标志码:A 文章编号:0528-9017(2018)09-1674-06

辣椒是一种重要的茄果类蔬菜, 营养丰富, 所含的维生素C含量是番茄的5倍、茄子的20倍, 胡萝卜素含量是番茄的7~15倍、茄子的20~35倍[1]。辣椒是我国种植面积最大的蔬菜作物之一, 1997年我国辣椒总产量已居世界首位, 年产量2 800万t, 约占世界辣椒产量的46%[2]。近年来, 辣椒种植面积不断扩大, 但为追求较高的经济效益, 许多集约化种植区由于耕地面积有限、轮作困难, 连作现象十分普遍, 辣椒连作障碍日渐突出, 辣椒枯萎病等土传病害高发。研究显示, 辣椒连作1 a产量下降10%~15%, 连作2 a产量下降20%~30%, 连作3 a产量下降30%~50%[3]。连作障碍已经严重影响了辣椒生产的可持续发展, 成为辣椒集约化种植中亟待解决的问题。

引起蔬菜连作障碍的因素较多, 主要包括自毒作用、病原微生物的大量积累、土壤肥力不均衡、土壤理化性状变劣等[4]。多年来, 许多专家学者都在寻找高效持久防控连作障碍的有效方法, 如选育抗病品种[1]、嫁接[5]、土壤消毒[6]、高温闷棚[7]等, 但抗病品种选育时间长、嫁接成本高、土壤消毒容易造成环境污染、常规高温闷棚效果不显著, 蔬菜连作障碍防控仍缺乏有效的方法。

21世纪初, 荷兰和日本科学家几乎同时提出了一种控制土传病害的有效方法, 在荷兰称之为厌氧土壤消毒(anaerobic soil disinfestation, ASD)[8], 在日本称之为生物土壤消毒(biological soil disinfestations, BSD)[9]。近年来, 国内学者独立发展了该方法, 称之为强还原土壤灭菌(reductive soil disinfestation, RSD)[10, 11]。该技术主要通过添加生物质材料进行生物质强化作用创造强还原的土壤生态环境, 达到有效杀灭耕层土壤病原微生物、改善土壤环境的作用[10]。由于该技术不使用任何化学药剂, 为进一步区别于化学消毒, 本文将其称之为生物强化还原(biological reductive soil disinfestation, BRSD)。该方法提出后, 在日本、荷兰、美国等被广泛应用于各种作物生产中土传病原菌灭菌, 在我国黄瓜、香蕉、西瓜等农作物连作障碍防控上也均取得了较好的效果[12, 13, 14]。

为进一步探明BRSD在多年连作辣椒连作障碍防控应用上的效果及其作用机理, 选择连作6 a的辣椒种植设施大棚进行试验, 以期为辣椒连作障碍防控技术进步提供理论和技术支持。

1 材料与方法
1.1 材料

试验地点位于浙江省金华市兰溪市水亭乡生塘胡村辣椒种植基地, 该基地已连续种植辣椒6 a以上, 辣椒连作障碍较为突出, 枯萎病等土传病害高发, 常规发病率在30%以上。

试验用辣椒品种系衢州市农业科学研究院选育的衢椒1号。

连作障碍土壤修复剂系浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所研制, 由蚕沙、动植物蛋白等天然生物质废弃物制备而成, pH值7.2, 总氮2.03%, 总磷0.99%, 总钾2.77%, 有机质76%, 含水率26.2%。

1.2 处理设计

试验设置对照(CK)和BRSD处理, 每处理重复3次, 小区面积40 m2。试验前将前茬辣椒秆清理出试验大棚, 采用旋耕机将土壤翻耕均匀平整。BRSD处理, 将连作障碍修复剂按照1 t· 667 m-2的用量均匀施入土壤中, 然后用旋耕机将修复剂与耕层土壤混合均匀, 灌水至最大饱和含水率后, 覆盖60 μ m厚大棚膜。对照采用常规闷棚处理, 除密闭大棚外不采取任何措施。土壤处理时间2016年8月27日至9月26日, 处理结束后, 揭开BRSD处理中覆盖的大棚膜。

1.3 辣椒定植与管理

于9月29日施用基肥, 起垄, 进行辣椒移栽、定植。基肥采用45%复合肥(氮、磷、钾有效养分含量均为15%), 对照按每667 m2 56.5 kg用量, 每小区施用复合肥3.4 kg; BRSD处理按每667 m2 28.3 kg用量, 施用基肥1.7 kg。辣椒定植后, 按照常规管理方式进行管理, 定期观察记录辣椒发病情况和长势, 辣椒采收时称量并记录每批次辣椒的产量。

1.4 土壤样品采集和土壤理化性状测定

采集土壤处理前和辣椒收获期的土壤样品, 分析测定土壤理化性状。土壤pH测定按照水土体积质量比2.5: 1的比例浸提, 采用pH计进行测定。土壤有机质、全氮、速效磷、碱解氮、速效钾按照《土壤农化分析》[15]中的方法测定。

1.5 尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)数量测定

采用平板涂布法, 培养基采用尖孢镰刀菌选择性培养基[16]。准确称取5 g土壤到45 mL灭菌生理盐水三角瓶中, 25 ℃ 120 r· min-1振荡30 min, 使土壤颗粒分散, 静置20~30 s, 即成10-1土壤稀释液。再用1 mL移液枪吸取0.5 mL的10-1土壤稀释液, 移入装有4.5 mL灭菌生理盐水的试管中, 稀释混匀, 即成10-2稀释液, 连续稀释成10-3稀释液。取10-3稀释度土壤溶液0.1 mL涂布于选择性培养基平板上, 用无菌玻璃涂棒在培养基表面轻轻地涂布均匀, 放置1 h后, 将培养基平板倒置于28 ℃培养箱培养3~4 d, 计数培养基上的菌落数。

1.6 数据分析

采用Graph Pad Prism 5软件和SPSS 19.0软件进行数据处理和方差分析(one-way ANOVA), 采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析
2.1 对辣椒枯萎病发病率的影响

如图1所示, 由于多年连作, 对照地块上辣椒平均发病率高达56.1%, BRSD处理后辣椒平均发病率显著降低, 平均发病率为13.0%。

图1 BRSD处理和对照辣椒枯萎病的发病率

2.2 对辣椒生长和产量的影响

如图2所示, 对照地块上辣椒普遍长势矮小, 平均株高仅为22.8 cm, BRSD处理地块上的辣椒长势显著优于对照, 平均株高达到35.0 cm, 为对照的1.5倍。

图2 BRSD处理和对照收获期辣椒的株高

记录辣椒采摘时每批次的产量, 统计最终的辣椒产量如图3所示。对照地块上辣椒667 m2平均产量为767.61 kg, 而BRSD地块辣椒平均产量为1 132.40 kg, 较对照增产47.5%。

图3 BRSD处理和对照收获期辣椒的667 m2产量

2.3 对土壤理化性状的影响

如图4所示, 处理前由于多年连作种植, 长期施用化肥, 土壤酸化严重, pH值仅为4.12。在高温闷棚的对照地块上继续种植一茬辣椒后, 土壤pH值进一步降低至4.05, 而在经BRSD处理的地块上种植辣椒后, 土壤pH为6.10, 极显著高于对照和处理前土壤。说明生物强还原土壤处理技术可以提高土壤pH值, 显著改善土壤酸化问题。

图4 不同处理对土壤pH值的影响
柱上无相同大写字母的表示处理间差异极显著(P< 0.01)。图6~9同。

如图5所示, 种植基地土壤由于常年使用化肥, 而有机肥施用不足, 且基地内植株残体一般均予以清除, 土壤的有机质含量较低, 处理前土壤有机质含量仅为22.00 g· kg-1。种植一茬辣椒后, 对照地块土壤有机质含量仅为21.93 g· kg-1, 而经BRSD处理的地块, 土壤有机质含量显著高于处理前和对照, 达到23.53 g· kg-1。说明BRSD处理可显著增加土壤有机质含量。

图5 不同处理对土壤有机质含量的影响
柱上无相同小写字母的表示处理间差异显著(P< 0.05)

如图6所示, 处理前基地土壤全氮含量为1.55 g· kg-1。种植一茬辣椒后, 对照地块土壤全氮含量为1.61 g· kg-1, 稍高于种植前, 而经过BRSD处理的地块土壤全氮含量为1.60 g· kg-1, 与对照地块类似。方差分析表明, 不同处理间土壤全氮含量无显著差异。处理前土壤速效氮含量为185.71 mg· kg-1, 对照地块土壤速效氮含量为186.14 mg· kg-1, 而BRSD处理地块土壤速效氮含量为160.50 mg· kg-1, 极显著低于对照和处理前土壤。

图6 不同处理对土壤全氮和速效氮含量的影响

如图7所示, 由于多年种植辣椒, 磷肥使用量较大, 土壤中的速效磷总体含量较高。处理前土壤速效磷含量为498.03 mg· kg-1, 对照地块辣椒采收后土壤速效磷含量降低, 速效磷含量为293.39 mg· kg-1, BRSD处理地块的土壤速效磷含量更低, 为189.12 mg· kg-1。方差分析表明, 处理前土壤速效磷含量极显著高于对照和BRSD处理土壤。

图7 不同处理对土壤速效磷含量的影响

如图8所示, 由于前期多年种植辣椒, 钾肥使用量大, 处理前土壤速效钾含量较高, 为416.15 mg· kg-1, 对照地块辣椒采收后土壤速效钾含量降低为333.19 mg· kg-1, BRSD处理地块的土壤速效钾含量降至267.02 mg· kg-1。与土壤速效磷含量的表现相似, 处理前土壤速效钾含量要极显著高于对照和BRSD处理土壤。

图8 不同处理对土壤速效钾含量的影响

2.4 对土壤尖孢镰刀菌数量的影响

致病性尖孢镰刀菌侵染引起的植物枯萎病是种世界性的土传真菌病害之一, 可侵染多种作物, 造成严重的减产。如图9所示, 处理前土壤中尖孢镰刀菌数量较高, 达到15.67× 103 g-1干土, 对照土壤经过高温闷棚处理, 土壤中的尖孢镰刀菌数量低于处理前, 但仍达到10.67× 103 g-1干土, 而BRSD处理土壤中尖孢镰刀菌数量仅为0.67× 103 g-1干土, 极显著低于处理前和对照土壤。

图9 不同处理对土壤中尖孢镰刀菌数量的影响

3 讨论

本试验表明, 辣椒多年连作地块由于土壤酸化、养分大量累积、病原菌数量大量增加等土壤退化问题, 导致辣椒生长弱势、枯萎病等土传病害高发、产量显著下降, 连作障碍问题突出, 严重影响辣椒的生产。通过BRSD处理, 可以有效改善土壤酸化, 增加土壤有机质, 减少土壤中速效养分的大量积累, 降低土壤中的病原菌数量, 从而促进辣椒的生长, 减少辣椒病害的发生, 增加辣椒产量, 从而有效解决辣椒多年连作造成的障碍问题。

连作障碍指在同一块土壤中连续栽培同种或同科的作物时, 即使在正常的栽培管理状况下也会出现生长势变弱、产量降低、品质下降、病虫害严重的现象[5, 17]。试验点位于辣椒连作地块, 辣椒种植年限达6 a, 连作障碍问题较为突出, 仅靠高温闷棚无法有效解决辣椒的连作障碍, 对照地块辣椒发病率达到56.1%, 且植株生长矮小, 严重影响辣椒产量。近年来的研究表明, BRSD是一种能够有效防控作物连作障碍的土壤处理方法。在夏季农闲期, 辣椒连作地块经BRSD处理30 d后, 可明显降低辣椒枯萎病发病率, 同时能够促进植株生长, 显著增加辣椒产量, 处理地块比对照平均增产47.5%。这些结果与王光飞等[18]研究结果一致。

病原微生物的大量积累是造成作物土传病害高发的重要原因[4]。采集辣椒连作6 a的土壤样品分析表明, 连作多年后土壤中尖孢镰刀菌数量较高, 经过高温闷棚处理后, 土壤中的尖孢镰刀菌数量仍然在104 g-1干土以上, 这是造成高温闷棚后辣椒枯萎病发生严重的重要原因。多项研究表明, 常规淹水对尖孢镰刀菌等土传病害病原菌的杀灭作用十分有限:Stover[19]通过土壤淹水方式杀灭引起香蕉枯萎病的尖孢镰刀菌, 但是耗时近4个月, 且杀菌效果不好; 王光飞等[20]研究结果也表明, 常规淹水对辣椒疫病的防控效果不稳定, 当土壤中病原菌的数量较高时, 采用单一的淹水处理不能完全防控辣椒疫病。造成这些现象的原因可能是, 在厌氧环境下, 常见的土传病原菌, 如尖孢镰刀菌虽然不再生长, 但可以存活, 并且在恢复好氧条件后可以继续生长[21]。BRSD通过向土壤中添加大量有机物料, 利用淹水或覆膜阻止空气进入, 形成厌氧环境, 对绝大多数为好氧微生物的土传病原菌进行杀灭[14], 同时通过厌氧发酵产生大量有机酸、H2S、NH3、低价金属离子等对土传病原菌有毒有害的物质[13, 22], 改变土壤微生物群落结构, 抑制土传病原菌活性[10]。本研究表明, BRSD处理后土壤中的尖孢镰刀菌数量显著降低, 仅为0.67× 103 g-1干土, 种植辣椒后, 辣椒发病率显著降低, 说明BRSD对辣椒枯萎病等土传病害具有较好的防控效果。

土壤肥力不均衡、土壤理化性状变劣是造成作物生长势弱、产量下降等连作障碍的重要原因[4]。当前的农业单一化种植、高投入和高产出的集约化种植管理模式, 除了会造成土壤中病原微生物大量积累、作物土传病害频发之外, 还常伴随土壤酸化、次生盐渍化、土壤通透性降低和养分失调等严重的土壤退化问题。试验地块经过6 a的辣椒种植后, 土壤酸化严重, pH值仅为4.12, 经过BRSD处理之后, pH值提高至6.10, 适合大多数作物生长。土壤有机质是土壤固相部分重要的组成成分, 是土壤肥力评价的重要指标, 其含量高低在一定程度上代表土壤肥力的高低, 土壤有机质含量的变化直接反映了土壤肥力的演变过程[23]。因劳动力缺乏、盲目追求产量, 当前生产上过量施用化肥的现象十分普遍, 耕地有机肥施用不足, 且基地内植株残体一般均予以清除, 土壤的有机质含量呈逐年下降趋势。BRSD将易降解农业废弃物有机物料引入土壤中, 除部分被分解用于发挥对土传病原菌的致死作用外, 大量有机物质存留于土壤中, 成为土壤有机质的组成部分。本研究中, BRSD处理土壤有机质含量显著高于对照和处理前土壤。氮、磷、钾是作物生长所需要的大量营养元素, 但是过量施用化肥, 造成土壤中氮磷钾等元素大量积累, 导致土壤次生盐渍化、养分不平衡、作物对所需养分的吸收受到抑制等问题日渐突出, 进而影响植物的健康生长, 造成植物容易感病和产量下降。对照土壤经高温闷棚处理后, 辣椒采收时土壤中的速效氮含量与处理前基本一致, 速效磷和速效钾含量虽低于处理前, 但仍然较高。BRSD处理地块辣椒种植后, 土壤全氮含量无显著变化, 但土壤速效氮、速效磷、速效钾含量均显著低于处理前土壤, 说明BRSD有效减少了土壤中速效氮、速效磷、速效钾等的积累。土壤中速效氮、速效磷和速效钾等的减少, 一方面与试验中化肥施用量的减少相关, 另一方面是因为土壤处理过程中虽然添加了有机物料, 但其中的氮、磷、钾等元素多以有机缓释的形式存在, 加之该处理促进了辣椒的生长和产量的增加, 导致辣椒生长对土壤中速效养分的消耗较高[24, 25]。由此可知, BRSD处理不仅对土传病原菌具有显著的致死作用, 对缓解土壤酸化、减轻盐渍化、改良退化土壤也有明显作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献:
[1] 侯永侠, 周宝利, 吴晓玲. 不同辣椒品种抗连作障碍的效果[J]. 中国蔬菜, 2009 (18): 41-45. [本文引用:2]
[2] 蒋慕东, 王思明. 辣椒在中国的传播及其影响[J]. 中国农史, 2005, 24(2): 17-27. [本文引用:1]
[3] 张周让, 上官金虎. 宝鸡市辣椒产业发展现状、问题与对策[J]. 陕西农业科学, 2005(4): 64-66. [本文引用:1]
[4] 喻景权, 杜尧舜. 蔬菜设施栽培可持续发展中的连作障碍问题[J]. 沈阳农业大学学报, 2000, 31(1): 124-126. [本文引用:3]
[5] 于迪. 嫁接克服设施辣椒连作障碍效果研究初探[D]. 郑州: 河南农业大学, 2015. [本文引用:2]
[6] 刘恩太, 李园园, 胡艳丽, 等. 棉隆对苹果连作土壤微生物及平邑甜茶幼苗生长的影响[J]. 生态学报, 2014, 34(4): 847-852. [本文引用:1]
[7] 胡俏强, 李英, 卢国强, 等. 高温闷棚技术对设施辣椒连作障碍防治效果的研究[J]. 辣椒杂志, 2015, 13(1): 23-25. [本文引用:1]
[8] BLOK W J, LAMERS J G, TERMORSHUIZEN A J, et al. Control of soilborne plant pathogens by incorporating fresh organic amendments followed by tarping[J]. Phytopathology, 2000, 90(3): 253-259. [本文引用:1]
[9] MOMMA N, KOBARA Y, UEMATSU S, et al. Development of biological soil disinfestations in Japan[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2013, 97(9): 3801-3809. [本文引用:1]
[10] 蔡祖聪, 张金波, 黄新琦, 等. 强还原土壤灭菌防控作物土传病的应用研究[J]. 土壤学报, 2015, 52(3): 469-476. [本文引用:3]
[11] YAO Y, XUE Z, HONG C, et al. Efficiency of different solarization-based ecological soil treatments on the control of Fusarium wilt and their impacts on the soil microbial community[J]. Applied Soil Ecology, 2016, 108: 341-351. [本文引用:1]
[12] 朱同彬, 孟天竹, 张金波, 等. 强还原方法对退化设施蔬菜地土壤的修复[J]. 应用生态学报, 2013, 24(9): 2619-2624. [本文引用:1]
[13] 黄新琦, 温腾, 孟磊, 等. 土壤强还原过程产生的有机酸对土传病原菌的抑制作用[J]. 植物保护, 2015(6): 38-43. [本文引用:2]
[14] 柯用春, 王爽, 任红, 等. 强化还原处理对海南西瓜连作障碍土壤性质的影响[J]. 生态学杂志, 2014, 33(4): 880-884. [本文引用:2]
[15] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 3版. 北京: 中国农业出版社, 1999. [本文引用:1]
[16] KOMADA H. Development of a selective medium for quantitative isolation of Fusarium oxysporum from natural soil[J]. Review of Plant Protection Research, 1975: 114-124. [本文引用:1]
[17] 吴凤芝, 赵凤艳, 刘元英. 设施蔬菜连作障碍原因综合分析与防治措施[J]. 东北农业大学学报, 2000, 31(3): 241-247. [本文引用:1]
[18] 王光飞, 马艳, 安霞, 等. 不同有机物料强还原处理对土壤性状影响与防控辣椒疫病效果[J]. 中国土壤与肥料, 2016(5): 124-129. [本文引用:1]
[19] STOVER R H. Fusarial wilt (panama disease) of bananas and other musa species[M]. Kew, UK: Commonwelth Mycological Institute, 1962 [本文引用:1]
[20] 王光飞, 马艳, 常志州, 等. 淹水改良土壤性状及对辣椒疫病的防效研究[J]. 水土保持学报, 2013, 27(2): 209-214. [本文引用:1]
[21] MOMMA N, USAMI T, SHISHIDO M. Detection of Clostridium sp. inducing biological soil disinfestation (BSD) and suppression of pathogens causing fusarium wilt and bacterial wilt of tomato by gases evolved during BSD[J]. Soil Microorganisms, 2007, 61: 3-9. [本文引用:1]
[22] 黄新琦, 刘亮亮, 朱睿, 等. 土壤强还原消毒过程中产生气体对土传病原菌的抑制作用[J]. 植物保护学报, 2016, 43(4): 627-633. [本文引用:1]
[23] JANVIER C, VILLENEUVE F, ALABOUVETTE C, et al. Soil health through soil disease suppression: which strategy from descriptors to indicators?[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007, 39(1): 1-23. [本文引用:1]
[24] 于费. 辣椒3414施肥模型的初探[D]. 海口: 海南大学, 2010. [本文引用:1]
[25] 赵尊练, 史联联, 阎玉让, 等. 克服线辣椒连作障碍的施肥方案研究[J]. 干旱地区农业研究, 2006, 24(5): 77-80. [本文引用:1]