土壤活化技术的研究进展与展望.pdf
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1、第2 3卷第1期2024年2 月现代农药ModernAgrochemicalsVol.23No.1Feb.2024专论:熏蒸剂(特约稿)土壤活化技术的研究进展与展望陈光明,张敏,史朝艾曹坳程,王秋霞,颜冬冬,方文生,李园*(中国农业科学院植物保护研究所,北京10 0 19 3)摘要:在农业集约化种植中,土壤质量问题是制约农业生产发展的重要因素,长期连作会导致土壤质量下降,具体表现为土壤物理、化学和生物学性质的变化及微生物群落失衡等。为了解决这一问题,介绍了生物肥料、腐殖质、硅肥、生物炭等常用的土壤改良剂,综述其改善土壤理化性质、抑制土传病害、提高作物产量与品质、调节土壤微生物群落平衡的作用机理
2、及研究进展。关键词:土壤改良剂;微生物;化学熏蒸剂;生物肥料中图分类号:S153CHEN Guangming,ZHANG Min,SHI Chaoai,CAO Aocheng,WANG Qiuxia,YAN Dongdong,FANG Wengsheng,LI Yuan(Institute of Plant Protection,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China)Abstract:In intensive agricultural cultivation,the problem of soil quali
3、ty is an important factor restricting thedevelopment of agricultural production.Long-term continuous cropping will lead to the decline of soil quality,which ismanifested in the changes of soil physical,chemical and biological properties,as well as the imbalance of microbialcommunities.In order to so
4、lve this problem,soil conditioners,such as biofertilizers,humus,silica fertilizers,biochar andother substances were applied,which could directly improve the soil physicochemical properties,inhibit soil-bornediseases,improve crop yield and quality,and regulate the balance of soil microbial communitie
5、s.In this paper,themechanism of action,the progress of application of several commonly used soil amendments to activate the soil wereintroduced in detail.Key words:soil amendment;microorganism;chemical fumigation;biological fertilizer农业集约化种植是近年来农业生产方式的一个重要发展方向。在农业集约化种植过程中,长期连作种植制度可以带来丰厚的回报,但会引发一系列的土
6、壤健康问题。土壤熏蒸消毒是解决该问题的有效方法之一,即在种植作物前,向土壤中注入挥发性化合物,以控制土传病原真菌、线虫和杂草的蔓延-2 。常用的熏蒸剂包括棉隆(dazomet,DZ)、1,3-二氯丙烯(1,3-dichloropropene1,3-D)、氯化苦(chloropicrin,CP)、威百亩(metam-sodium,MS))、二甲基二硫(dimethyl disulfide,DMDS)、异硫氰酸甲酯(methyl isothiocyanate,MITC)等3。熏蒸剂在中国的登记情况如表1所示。文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1671-5284.2024.01.0
7、05Research progress and prospects of soil activation technology枯病菌、黄萎病菌威百亩根结线虫、一年生杂草、猝倒病棉隆根结线虫、根腐病褐斑病、纹枯病、枯萎病、稻瘟病、乙蒜素叶斑病、恶苗病、烂秧病、立枯病异硫氰酸烯丙酯根结线虫、根腐病氯化苦熏蒸性能显著,在土壤中降解迅速,对非靶标生物无明显毒理效应。目前,氯化苦在中国使用受限4,在荷兰、美国等国家处于再评审阶段45。表1熏蒸剂登记情况熏蒸剂种类防治对象枯萎病菌、根结线虫、疫霉菌、青氯化苦登记数量/个1811374收稿日期:2 0 2 4-0 2-0 2作者简介:陈光明(2 0 0 0)
8、,男,河南平顶山人,硕士研究生,主要从事土传病害土壤消毒防治技术研究。E-mail:通信作者:李园(19 8 0 一),女,河北保定人,博士,副研究员,主要从事土传病害土壤消毒防治技术研究。E-mail:l i y u a n c a a s 12 6.c o m-32-2024年2 月陈光明,等:土壤活化技术的研究进展与展望二甲基二硫未在中国登记,但是采用滴灌联用、注射联用等技术与棉隆、威百亩以及1,3-二氯丙烯复配,田间防治根结线虫效果显著6 。目前,该熏蒸剂正在争取登记7。威百亩除草性能优异,可与其他熏蒸剂复配。但总体而言,我国化学熏蒸剂的总登记量较少,制约了未来土壤消毒工作的发展。熏蒸
9、剂的使用存在利弊。熏蒸剂具有广谱性,不仅可以杀死土传病原真菌,还会杀死土壤中的有益昆虫和微生物,导致群落结构的失衡8 。研究表明,熏蒸处理会降低土壤微生物的代谢活性、真菌的生物量和多样性。虽然细菌群落在短时间内能从熏蒸抑制中恢复,但真菌被抑制的持续时间较长,不利于土壤根际复杂群落的重建9 。健康的土壤环境需要依靠微生物物种间复杂的等级性和传递性维持群落的动态平衡10 。熏蒸后的土壤微生物环境近似为真空状态,随时可能因为外来病原菌的侵入造成病害再次传播叫。为了缓解熏蒸剂对环境的负面效应,一方面,应开发使用新型环境友好型熏蒸剂,如乙蒜素(ethylicin)、异硫氰酸烯丙酯(allyl isoth
10、iocyanate,AITC)等12 ;另一方面,在熏蒸后种植作物时,将有益微生物制剂、腐殖质、硅肥和生物炭等物质添入土壤中,以促进土壤微生物群落快速恢复,直接或间接地促进对土传病原菌的抑制作用13-14。1生物肥料1.1概述生物肥料是富含有益微生物,用于抑制植物病原体、促进植物生长的产品15。有益微生物包括细菌、真菌或藻类来源的活有机体。微生物通过生化过程辅助植物吸收营养,分泌抗生素,与植物病原体竞争营养及诱导植物系统抗性(ISR)16-17。具备促进植物生长潜力的细菌和真菌被称为根际促生细菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)和根际促生真菌
11、(plant growth promoting rhizofungi,PGPF)18。图1所示的根际促生细菌、植物和土传病原菌的关系说明了根际微生物发挥功能的直接作用与间接作用19 。中国登记的生物肥料类型繁多:依据微生物浓度,可分为微生物菌剂和微生物浓缩剂;依据与其他肥料的复配方式,可分为生物有机肥和复合生物肥;依据微生物的功能,可分为有机物料腐熟剂、土壤修复菌剂和生物修复菌剂。在全球生物肥料市场中,固氮生物肥占8 0%,主要包括固氮菌属(Azotobacter)、根瘤菌属(Rhizobium)、固氮螺菌属(Azospirillum)等;磷酸溶解肥占14%2 0 。本文以生物肥料中有益微生物
12、为例,探讨生物肥料市场上典型微生物种类在土壤活化方面的应用。根际微生物间接作用直接作用诱导抗性竞争,抗生素病原菌图1根际促生细菌(PGPR)、植物与病原菌的关系1.2根际细菌类固氮菌属(Azotobacterspp.)通过释放吲哚乙酸等植物激素及挥发性烟酸、泛酸和生物素等生物物质促进根系健康生长2 1。除了固氮作用外,固氮菌属还具有根际细菌群落构建,缓解作物生长逆境胁迫,减少化学氮肥施用等功能2-2 3。以假单胞菌属(Pseudomonasspp.)中的荧光假单胞菌((Pseudomonas fluorescens)分泌的次级代谢物作为信号因子,促进巴西固氮螺杆菌(Azospirillumbr
13、asilense)上调nirK和nifX-nifB基因,最终导致固氮作用硝基含量的增加。另一方面,假单胞菌属可以上调amtb1和amtb2基因的表达,并调节内部氨库铵盐的释放2 4。假单胞菌属促进植物生长的作用机制还涉及溶解磷酸盐、分泌生长素和挥发性有机物丙酮等。芽孢杆菌(Bacillus spp.)分泌磷酸酶和有机酸,可以溶解土壤中的磷酸盐,提高磷肥利用率。如枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、解淀粉芽孢杆菌亚种植物芽孢杆菌(B.amyloliquefaciens subsp.plantarum)、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)和短小芽孢杆菌(B.pumilus),在促进植
14、物生长和抑制病原菌方面效果显著2 5-2 6 。增施芽孢杆菌磷肥,可以提高土壤微生物群落的遗传多样性和功能多样性,增强土壤代谢酶活性,减少化学磷肥的使用量2 7 。Hui等2 8 在土壤样品中接种氨化解淀粉芽孢杆菌,发现其促进了土壤氮的矿化。生物肥料的连续施用,是维持生物肥料肥效的手段之一,同时有利于鉴定出土壤中长期定殖的有-33-激素刺激,促进生长植物增加抗性现代农药第2 3卷第1期益微生物,作为待开发菌株备选。研究表明,连续3年施用含解淀粉芽孢杆菌与堆肥混合物的生物有机肥,可在土壤中分离到可培养细菌,如厚壁菌门(Firmicutes)、-变形菌门(Gammaproteobacteria)和
15、放线菌门(Actinobacteria)等2 9 。连续9 年施用生物有机肥,核桃田土壤中有益微生物芽孢杆菌、环境修复菌(Solicoccozyma spp.)增加显著30 。1.3根际真菌类真菌类生物肥料研究的重点主要包括木霉菌根际真菌和曲霉等。木霉(Trichoderma)具有抗真菌特性,可以促进植物生长并诱导其对病原微生物产生耐药性31-33。如木霉通过刺激植株分泌次生代谢和防御酶来增强番茄对根结线虫的抗性,有效控制镰刀菌属(Fusarium spp.)和疫霉菌属(Phytophthoraspp.)等土传病原菌343。在理化性质方面,在秸秆好氧发酵过程中,添加木霉可提高土壤有机碳含量和团
16、聚体的稳定性36 添加绿色木霉(Trichodermaviridis)可促进秸秆纤维素降解,缩短堆肥周期37 。在木霉的促进机制方面,向有机堆肥中添加贵州木霉(Trichodermaguizhouense)制备生物有机肥。利用灭菌与非灭菌的盆栽试验,证明非灭菌土壤的生物因素驱动了植株鲜重增加;通过泥浆试验,发现真菌对增产发挥了重要的作用,并从土壤真菌中鉴定出关键真菌曲霉A.tamari和A.niger38。另一方面,土壤中原生生物对木霉具有协同作用。从施用木霉的土壤中分离的原生动物群落中鉴定出微食性草履虫原生生物。原生生物与木霉相结合,促进了作物产量的提高39 。菌根是植物根与土壤真菌的共生组
17、合,主要包括外生菌根、内生菌根、内外生菌根、丛枝菌根等18 。研究表明,西洋参连作,导致土壤环境变差,根腐病指数和土壤硝酸盐含量增加。在接种丛枝菌根(Arbuscularmycorrhiza)真菌后,缓解了上述负面效应40 。作物间作,接种丛枝菌根真菌,可改善作物品质,提高中药材中有效成分产量(41。曲霉(Aspergillus)通过淋水法与堆肥结合后,可以促进石灰质土壤中磷和钾的溶解,减少磷、钾化学肥料的使用量42 。曲霉与革兰氏阳性放线菌(A c t i n o m y c e s)、芽孢杆菌(Bacillus)等混合施用后,可以降低土壤中根腐病的发病率,增加细菌的多样性,提高潜在有益细菌
18、类群的相对丰度,降低潜在有害细菌的丰度,从而提高作物的产量和品质4。1.4未来发展方向(1)多菌种联合深入研究。由生物肥料的宏观功能转向微生物间信号交流、表达水平以及代谢机制。Du等4 发现链霉菌(Streptomyces spp.)和慢生根瘤菌(Mesorhizobium spp.)之间代谢物介导的铁竞争和共享形成了邻里防御性互惠现象;此外,代谢组学与质谱联用技术能够鉴定促进植物形态建成的潜在化合物、激素含量以及根际微生物分泌的益生元等45。荧光定量技术可鉴定生长激素类基因等的表达水平。相信未来空间转录组学的发展,将进一步深化微生物表达的空间结构。(2)施用方式多样化。种衣剂包衣和液面喷施也
19、可以达到增产效果。将种子在液体生物肥料烟曲链霉菌(Streptomycesfumanus)中浸泡,可以刺激种子和幼苗的生长,富集土壤氨化细菌46 。从大豆植株中分离慢生根瘤菌(Bradyrhizbium spp.),以灭菌泥炭苔藓作为载体,可以提高根瘤数量、干重、结荚数量等47 。生物肥料与化学肥料还可以在基肥与叶面追肥阶段轮换使用。2化学熏蒸剂与生物肥料联合施用评价化学熏蒸剂与生物肥料联合施用效果的指标一般包括:土传病原菌数量、土壤理化性质、土壤酶活性以及土壤微生物群落。化学熏蒸剂在一定程度上抑制了部分土壤酶的活性。威百亩熏蒸后,抑制了土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性;石灰氮熏蒸后,抑制了
20、土壤脲酶和碱性磷酸酶的活性;棉隆熏蒸后,抑制了土壤脲酶的活性。随着生物菌肥的施入,土壤酶活性逐渐恢复和提升48 。Cheng等49 围绕化学熏蒸剂1,3-D的土壤活化,开展了室内和室外试验。1,3-D室内熏蒸后,添加枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)和哈茨木霉(Trichodermaharzianum),孵育期收集土壤并检测指标。熏蒸后添加生物肥料的土壤pH、电导率、土壤铵态氮、硝态氮、速效钾和土壤有机质均有所提高;土壤中的脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性增强;有益细菌放线菌(Actinobacteria)、鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)、假单胞菌属、芽孢杆菌、溶杆菌属(L
21、ysobacter)的相对丰度增加显著。田间试验表明,添加生物肥料可进一步增强1,3-D对镰刀菌属和疫霉菌属的抑制作用。土壤微生物的多样性和鞘氨醇单胞菌、芽孢杆菌、被孢霉属(Mortierella)、木霉等有益微生物的相对丰度在土壤生物活化后增加50 。1,3-D熏蒸后,连续两季添加哈茨木霉微生物菌剂、有机肥料或两者混合施用,几乎所有处理线虫侵扰均显著减少,三者结合线虫抑制率最佳。该方法在综合防治线虫,减-34-2024年2 月陈光明,等:土壤活化技术的研究进展与展望少化学品投入方面具有一定的意义51。化学熏蒸剂棉隆熏蒸后添加复合生物肥料,微生物多样性指数能够恢复到熏蒸前状态52 。Li等53
22、研究了棉隆对土壤活化的影响。在作物生长期添加芽孢杆菌生物肥料,可以有效抑制土传病原菌的数量,提高土壤中氨态氮的含量、过氧化氢酶活性,富集有益微生物如绿曲菌门(Chloroflexi)芽孢杆菌和马杜拉放线菌(Actinomadura)等。同时,草莓产量与有益微生物的丰度正相关。Ge等54 在棉隆熏蒸后施用有机肥,熏蒸处理显著降低了微生物网络的复杂性。随着有机肥的添加,网络结构逐渐复杂。Zhang等5 在堆肥中添加拮抗细菌解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)和真菌贵州木霉(Trichodermaguizhouense),用于改善棉隆熏蒸后的土壤微生物群落。在作物成
23、熟期,芽孢杆菌富集并占据了微生物的关键网络节点。通过深耕的方式,棉隆熏蒸后施加生物肥料,激活了土壤中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和-D-葡萄糖苷酶的活性,显著提高了土壤中氮、磷、钾水平,从而促进了菊花的生长5。Pu等57 开展了氯化苦土壤活化的研究。氯化苦熏蒸后,种植期施用富含芽孢杆菌和放线菌的生物有机肥和普通有机肥,分别提高了土壤N(9.8 8%和8.2 1%)、P(21.39%和11.57%)、K(7.9 9%和2.7 5%)质量分数和皂苷质量分数(2 3.6 2%和9.12%)。相对于常规有机肥,生物肥料增加了球囊菌门(Glomeromycota)、被孢霉门(Mortierellomycot
24、a)、腐质霉门(Humicola)和芽孢杆菌门的相对丰度,降低了子囊菌门(Ascomycota)和镰刀菌门的丰度,生物有机肥料的促进效果优于普通有机肥。碳酸氢铵和石灰作为新型熏蒸剂在抑制病害方面效果显著58 。碳酸氢铵能够使发病率从9 6%降至40%。添加石灰,病害抑制率可提高12%。另外,添加生物有机肥料能够将对病害的防治效果从7%提高到12%59 。室内盆栽试验结果表明,石灰和碳酸氢铵混合熏蒸后施用富含解淀粉芽孢杆菌的生物肥料,可使发病率降低8 0%(6 0 。这种熏蒸策略对病害的抑制可能归因于土壤性质的改变以及土壤微生物区系的恢复。进一步研究抑制香蕉枯萎病的土壤微生物群响应机制,细菌群落
25、首先对熏蒸做出回应,真菌群落率先对施肥做出反应6 。熏蒸后施用生物肥料,土壤中富集到双生单胞菌(Gemmatimonas)、鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)、假单胞菌属、溶杆菌(Lysobacter)和芽孢杆菌等与病原菌如镰刀菌丰度呈现负相关的根际有益细菌6 。二甲基二硫和氯化苦联合熏蒸后喷施木霉,能够显著提高黄瓜产量(35.6%)和对土传病原菌、根结线虫的相对防效,增加了索氏真菌(Sodiomyces)和根霉属(Rhizophlyctis)等有益微生物的相对丰度6 3。化学熏蒸降低了根际微生物的多样性,平衡了微生物群落组成的偏差,同时土壤理化性质也发生了显著变化,降低了病害侵染率,促
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