CN112449787A

CN112449787A - 同步消减大棚土壤次生盐渍化和抗生素抗性基因的方法

Info

Publication number: CN112449787A
Application number: CN202011320161.0A
Authority: CN
Inventors: 陈艳龙; 张雨涵; 王宇恒; 米卉子; 陈帆; 叶訚
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2021-03-09

Abstract

本发明公开了一种同步消减大棚土壤次生盐渍化和抗生素抗性基因的方法，将前茬蔬菜收获后的植物残体、残膜捡拾，移出大棚；向土表中均匀的撒施新鲜的有机物料，用旋根机将其翻埋，与表土混匀；给土壤进行饱和灌溉，最后迅速给地表覆盖塑料膜，使得有机物料在灌溉和覆膜所创造的强还原条件下进行厌氧降解；经若干天强还原处理后，揭去塑料膜，排干地表积水，得到抗生素抗性基因丰度显著降低，次生盐渍化显著缓解的温室设施土壤。本发明可以快速同步实现降低温室大棚土壤抗生素抗性基因和缓解土壤次生盐渍化，对退化设施蔬菜土壤的改善作用；本发明还可增加土壤有机质，刺激土壤反硝化，降低硝态氮在土壤中的累积，提高土壤肥力。

Description

同步消减大棚土壤次生盐渍化和抗生素抗性基因的方法

技术领域

本发明涉及土壤治理技术领域，具体涉及一种同步消减大棚土壤次生盐渍化和抗生素抗性基因的方法。

背景技术

我国作为全球最大的蔬采生产国，种植面积超2000万公顷，年产量达7亿吨。设施大棚蔬菜作为一种蔬菜高效栽培模式，打破了常规栽培中季节和气候的限制，在保障人们蔬菜(特别是反季节蔬菜)需求方面发挥着重要的作用。此外，设施大棚蔬菜高投入、高产出、高收益、集约化等优势，也极大地鼓舞农户的种植热情，增加了农民的收入。据调查，2016年我国设施大棚蔬菜的种植面积超390万公顷，年产量占蔬菜总产30％，产值达6000万元。然而，持续性的高投入和集约化种植也使温室大棚土壤退化如酸化、次生盐渍化、养分比例失调、土传病害、以及有害物质累积(如抗生素、重金属、农药)等问题日益突出，极大的影响着设施蔬菜产业的可持续发展。

抗生素抗性基因是一种新型、持久性的环境污染物。近年来，随着抗生素在畜牧养殖产业中的大量使用，导致畜禽粪便有机肥成了抗生素抗性基因的主要携带者。在设施大棚土壤中，抗生素抗性基因的富集主要源自畜禽粪便有机肥。总结2009-2014年我国土壤中ARGs的研究文献，发现抗生素抗性基因在蔬菜地、养殖场土壤及粪便、活性污泥、底泥等环境介质中广泛分布。而长期施用畜禽有机肥的大棚菜地土壤中主要以磺胺类、四环素类、β-内酰胺类和喹诺酮类抗性素抗性基因为主，而且在收获的蔬菜中也检测到了抗生素抗性基因，包括根内生菌、叶内生菌和叶面菌。

长期高量施用化肥引起的土壤次生盐渍化是影响设施大棚蔬菜产量和品质的重要障碍因素之一。土壤盐浓度过高，特别是硝酸盐在土壤中的积累，会使土壤酸化，抑制土壤有益微生物生长，有害微生物大量繁殖，造成肥料分解转化过程受阻，加剧土壤病虫害蔓延。此外，较高的土壤盐分含量会抑制作物对土壤水分、养分吸收，出现生理性缺水、缺素。近年来，国内外在温室大棚土壤次生盐渍化修复方面做了大量研究工作，土壤次生盐渍化的防治措施普遍提出的是：增施有机肥、减少化肥施用量、测土施肥、大水灌溉、暗管排水、季节性揭棚、土壤改良剂、缓控释肥料等措施，但近年来，研究和应用发现这些防治措施必须科学地采用，就增施有机肥而言，盲目施用会适得其反，必须考虑有机肥的施用量和施用种类。同时，这些措施本身投资较高，效果难达到理想要求。对于抗生素抗性基因而言，施用经厌氧发酵的畜禽粪便有机肥可有效降低设施大棚土壤抗生素抗性基因累积，因为畜禽粪便厌氧发酵过程是消减其自身抗生素抗性基因。也有研究提出向土壤中田间外源物质如木醋液、生物刺激素、生物炭等可以削减土壤抗生素抗性基因的累积。然而，无论是土壤盐渍化治理，还是土壤抗生素抗性基因削减，上述技术都只能单方面实现修复退化土壤的目的，且成本高，效率低下。

发明内容

本发明针对现有技术的诸多缺陷，建立一种同步消减大棚土壤次生盐渍化和抗生素抗性基因的方法，可以快速同步实现降低温室大棚土壤抗生素抗性基因和缓解土壤次生盐渍化，对退化设施蔬菜土壤的改善作用；同时，本发明还可增加土壤有机质，刺激土壤反硝化，降低硝态氮在土壤中的累积，提高土壤肥力。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供了一种同步消减大棚土壤次生盐渍化和抗生素抗性基因的方法，其包括以下步骤：

步骤a：将前茬蔬菜收获后的植物残体、残膜捡拾，移出大棚；有垄沟的大棚，耙平垄沟；

步骤b：向土表中均匀的撒施新鲜的有机物料，用旋根机将其翻埋，与表土混匀；

步骤c：给土壤进行饱和灌溉，最后迅速给地表覆盖塑料膜，使得有机物料在灌溉和覆膜所创造的强还原条件下进行厌氧降解；

步骤d：经若干天强还原处理后，揭去塑料膜，排干地表积水，即可得到抗生素抗性基因丰度显著降低，次生盐渍化显著缓解的温室设施土壤。

优选的，所述方法中，处理时间在夏季，强还原处理期间，将温室大棚的所有通风口关闭；对于有保暖棉毡的大棚，铺开棉毡。

优选的，步骤b中，所述有机物料为易降解的新鲜有机物料，添加量为12～15吨/公顷，粉碎程度在2～5cm，土壤翻埋深度为20～30cm。优选的，所述有机物料包括粮食作物秸秆、绿肥、豆粕的一种或一种以上。

优选的，步骤c中，所述灌溉包括大水漫灌、滴灌、喷灌，灌溉标准为灌溉后地表有3～5cm的积水；地表覆盖塑料膜要做到可最大限度的阻隔土壤与空气接触，若出现薄膜的破损，要及时将破损处进行密封。步骤c中，强还原处理时长为14～20天。

本发明还提供了所述方法在长期连续大量施用农家肥和化肥导致抗生素抗性基因大量累积和次生盐渍化的温室大棚土壤中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1)本发明可以快速同步实现降低温室大棚土壤抗生素抗性基因和缓解土壤次生盐渍化。本发明对退化设施蔬菜土壤的改善作用，可以提高蔬菜产量和品质，促进设施蔬菜产业的健康、快速、可持续发展，增加农民收入，助力脱贫攻坚。本发明中有机物料还田可显著增加土壤有机质，提高土壤肥力；也为农业生产中大量农作秸秆的资源化利用提供了出路。处理结束后，下茬蔬菜播种，无需再施有机肥，降低有机肥投入。

2)本发明将易分解的有机物料加入退化土壤，使其淹水、覆膜所创造强还原条件下迅速降解，从而达到杀灭或抑制土壤病原菌生长、改善土壤酸碱度的目的；有机物料在土壤中的厌氧发酵，可以有效的改善退化土壤的微生物区系，增加有益微生物的生长，抑制和杀灭土壤病原菌如尖孢镰刀菌；同时灌溉淹水过程不仅可以淋洗土壤中累积的高盐，还能刺激土壤反硝化，降低硝态氮在土壤中的累积。

附图说明

图1为本发明的同步消减大棚土壤次生盐渍化和抗生素抗性基因的方法的流程图。

图2为本发明对土壤pH、电导率、氧化还原电位和硝态氮含量的影响；图中，a：土壤pH；b：土壤电导率；c：土壤氧化还原电位；d：土壤硝态氮含量。

图3为本发明对土壤有机碳、微生量碳和细菌真菌绝对丰度的影响；图中，a：土壤有机碳；b：土壤微生量碳；c：土壤细菌绝对丰度；d：土壤真菌绝对丰度。

图4为本发明对土壤有机碳、电导率、抗生素抗性基因及本体数量的影响；图中，a：土壤有机碳；b：土壤电导率；c：土壤抗生素抗性基因数量；d：土壤抗生素抗性本体数量。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的同步缓解温室大棚土壤次生盐渍化和削减抗生素抗性基因的方法，包括以下步骤：首先，将前茬蔬菜收获后的植物残体、残膜捡拾，移出大棚；有垄沟的大棚，耙平垄沟；然后，向土表中均匀的撒施新鲜的有机物料，用旋根机将其翻埋，与表土混匀；给土壤进行饱和灌溉，最后迅速给地表覆盖塑料膜，使得有机物料在灌溉和覆膜所创造的强还原条件下进行厌氧降解；最后，经若干天强还原处理后，揭去塑料膜，排干地表积水，即可得到抗生素抗性基因丰度显著降低，次生盐渍化显著缓解的温室设施土壤，进行下茬蔬菜播种和移栽。

所述方法中，处理时间尽量选在高温的夏季，强还原处理期间，可将温室大棚的所有通风口如门、窗户等关闭，对于有保暖棉毡的大棚，可铺开棉毡，上述均有利于提高棚内温度，促进有机物料的厌氧发酵。所述方法中，有机物料必须为易降解的新鲜有机物料如粮食作物秸秆、绿肥、豆粕等，这些植物源的有机物料的添加量为12～15吨/公顷，粉碎程度在2～5cm之间，土壤翻埋深度为20～30cm。所述方法中，强还原条件是通过灌溉和覆膜来实现。灌溉可以选择大水漫灌、滴灌、喷灌等，所述的土壤饱和灌溉的标准是，灌溉后地表约有3～5cm的积水。地表覆盖塑料膜要做到可最大限度的阻隔土壤与空气接触，若出现薄膜的破损，要及时将破损处进行密封。所述方法中，强还原处理时长为14～20天，之后再揭膜，排水。

实施例1：番茄田间试验

在陕西省咸阳市某设施蔬菜栽培基地进行，该基地已建立15年，常年连续施用有机肥和化肥，施用量因作物不同存在差异。由于过量施用化肥土壤盐渍化问题突出，调研发现，75个温室大棚有超过80％出现盐渍化问题。试验选取了四座盐渍化较为严重的番茄种植大棚(面积为55×9＝495m²)开展，每个大棚均设置两个处理，分别为对照组和处理组，其中对照面积为45m²(5×9m²)，处理组面积为450m²(50×9m²)。试验在8～9月进行，所用的有机物料为新鲜玉米秸秆，用量12吨/公顷，长度约3cm。灌溉采用滴灌，灌后地表积水3cm，覆膜采用厚度6丝的塑料膜。试验以每个大棚作为一个重复，覆膜到揭膜间隔20天，试验数据用四个大棚的平均值来展示。

如附图2所示，结果表明，经由本方法处理后退化温室耕层土壤电导率由对照组的424μS cm^-1降至185μS cm^-1，降幅为56％，与之对应土壤硝态氮含量降低了59％。本研究中供试土壤次生盐渍化主要是由于长期施用氮肥导致土壤硝态氮大量累积所致，本方法一方面通过灌溉淋洗，另一方面通过强还原条件下(-300mV)反硝化作用，进而降低的硝态氮离子在耕层土壤的累积，从而缓解了土壤次生盐渍化。此外，经本方法处理土壤的pH显著降低，这与有机物料厌氧降解产生的有机酸有关，其对于石灰性土壤阳离子养分(铜、锌、铁、锰、钙等)的活化具有重要意义；土壤有机碳含量显著提高，微生物量碳和真菌的绝对丰度显著降低，表明本方法还可改善土壤肥力，优化土壤微生物群落结构。

实施例2：实验室模拟试验

供试土壤为采自陕西省咸阳市某农业合作社温室蔬菜大棚。该大棚长期连续大量施用农家肥和化肥超10年，土壤中累积了大量的盐基离子(硝态氮、钾离子等)和抗生素抗性基因。模拟试验在实验室的培养箱中(温度为40℃)进行，设置对照组和处理组，重复3次。对照组不做任何处理，而处理组先将土壤有粉碎(约2cm)的小麦秸秆(用量6g kg^-1干土)混匀装入广口塑料瓶，灌水至土表出现5cm积水，再用6丝的塑料膜盖在土表进行密封，然后将所有培养单元放入培养箱培养。20天后，移除塑料膜，采样测定指标。抗生素抗性基因采用宏基因组测序进行分析。

如附图3、附图4所示，结果表明，经由本方法处理后退化温室土壤有机碳增加了13％，而电导率由对照组的872μS cm^-1将至472μS cm^-1，降幅为50％。就抗生素抗性基因而言，比对到抗性基因数据库CARD上的基因数从5430降至4420，移除率为19％，而比对得到抗性基因本体数从280将至241，移除率为15％。在土壤优势的15种抗性基因本体，经本方法处理后有10种丰度明显降低，8种占比明显降低。优势的15种抗性基因本体按药物分类，经本方法处理后，多药类、β-内酰胺类、甲氧西林、酚类、四环素类抗性基因丰度明显降低，而β-内酰胺类、甲氧西林、酚类、四环素类、氨基糖苷类、氨基糖苷类抗性基因占比明显降低。以上结果充分证明，本方法可以同步快速的缓解温室大棚土壤次生盐渍化和削减抗生素抗性基因。

表1对土壤优势抗生素抗性基因本体(top 15)丰度和比例的影响

表2对土壤优势抗生素抗性基因本体药物分类体系丰度和比例的影响

以上所述仅是对本发明的实施方式的举例展示，并非对本发明作任何形式上的限制。本发明保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施例所限，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改或等同变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种同步消减大棚土壤次生盐渍化和抗生素抗性基因的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法中，处理时间在夏季，强还原处理期间，将温室大棚的所有通风口关闭；对于有保暖棉毡的大棚，铺开棉毡。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中，所述有机物料为易降解的新鲜有机物料，添加量为12～15吨/公顷，粉碎程度在2～5cm，土壤翻埋深度为20～30cm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有机物料包括粮食作物秸秆、绿肥、豆粕的一种或一种以上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中，所述灌溉包括大水漫灌、滴灌、喷灌，灌溉标准为灌溉后地表有3～5cm的积水；地表覆盖塑料膜要做到可最大限度的阻隔土壤与空气接触，若出现薄膜的破损，要及时将破损处进行密封。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中，强还原处理时长为14～20天。

7.一种权利要求1-6任一项所述的方法在抗生素抗性基因大量累积和次生盐渍化的温室大棚土壤中的应用。