技术领域
[0001] 本
发明属于农业和环境保护领域，特别涉及一种设施栽培连作障碍土壤纳米膜脱毒脱盐除菌系统技术。
背景技术
[0002] 设施栽培农业又称为反季节栽培，在不适宜种植的较冷的天气也能种植
植物，改变了传统的种植方式和习惯。截止2018年，我国设施栽培面积6000万公顷，创造价值1.5万亿元，满足了人民菜篮子的需要。
[0003] 由于设施栽培具有很高的比较经济效益，农民通常进行长期多年连作，导致设施栽培连作障碍发生严重，病虫害爆发，土壤次生盐渍化严重，含
氧量达到0.1-0.3％，病菌积累，病虫害经常爆发，严重影响植物生长和设施栽培产业健康发展。
[0004] 设施栽培连作障碍的主要障碍因子包括有害
微生物积累剧增，土壤pH改变，理化性状改变，土表聚盐，土壤
化感物质/自毒物质尤其酚酸类物质积累，连作前后含量或者数量相差几倍甚至几十倍。
[0005] 连作障碍，是指连续在同一土壤上栽培同种作物或近缘作物引起的作物生长发育异常。症状一般为生长发育不良，产量、品质下降，极端情况下，局部死苗，不发苗或发苗不旺；多数受害植物根系发生褐变、分支减少，活
力低下，分布范围狭小，导致吸收
水分、养分的能力下降。障碍一般以生长初期明显，后期常可不同程度地恢复。连作障碍在植物科属间存在显著的差异，易发生连作障碍的作物集中在茄科、豆科、十字花科、葫芦科和蔷薇科，而多种禾本科粮食作物如麦类、水稻和玉米，连作障碍不明显。连作障碍的发生有多种原因，包括养分过度消耗、土壤理化性质恶化、病虫害增加和有毒物质(包括化感物质等)的累积等。它的发生受各种环境条件的影响，连作的次数(一般连作次数越多，年限越长，连作障碍越重)、土壤性质(通常黏土重于
砂土，保护地栽培多于露地栽培)及后作水肥管理不当都会加重障碍。
[0006] 目前生产上采取的防控方法主要有：(1)土壤灭菌。土壤灭菌的主要目的是消除土壤中存在的有害微生物对设施作物生长的抑制作用，同时不影响土壤的物理化学性质。
[0007] TUOMINEN等研究了甲
醛灭菌、氯化汞灭菌、高温高压灭菌、γ射线灭菌4种方法对
沉积物中微生物活性的影响，结果表明，甲醛灭菌去除微生物效果最好，对沉积物的物理化学性质影响很小，另外3种方法去除微生物效果不佳，且增加了溶解氮的含量。γ射线灭菌使作物
纤维素等
碳水化合物解离；研究表明高压灭菌导致土壤黏粒
凝结，但不影响土壤黏土矿物的
X射线衍射图谱，有些土壤的速效氮、速效磷和速效硫含量在γ射线灭菌后增加，环氧丙烷对土壤进行灭菌使土壤pH显著增加，氯仿灭菌造成
硫酸钾提取的有机碳含量增加。
[0008] (2)合理
轮作、间作、套作。轮作有利于改善连作土壤中微生物结构，增强微生物活性和繁殖能力；增强土壤转化酶、脲酶、过氧化氢酶和多酚
氧化酶活性；提高
土壤肥力，改善作物生长发育，提高产量和品质。水旱轮作可有效改善土壤次生盐渍化导致的连作障碍，旱作时，土壤中微生物以好气型
真菌为主；水作时，土壤中微生物以厌氧型细菌为主，抑制了旱作时土壤中积累的病原真菌，且盐渍可通过水分的下渗而淋溶，因此水旱轮增加了有益微生物的数量，使土壤生态环境得到一定修复。间作指通过合理配植各类植物，形成多种类、多层次、多功能的植物
复合体，减少单一作物连作导致的某些养分积累；减少土壤无效蒸腾，增强植物对土壤水分的利用和循环；增加植物叶面积指数，提高净光合速率；丰富
根际微生物区系，减轻病虫害发生。葱蒜类蔬菜与辣椒间作，其根系分泌物可有效杀灭土壤中特定病原微生物，降低辣椒疫病的发病率；线辣椒与冬小麦、线辣椒与玉米套种间作，均可显著降低线辣椒病毒病的发病率，提高线辣椒的品质和产量。
[0009] (3)抗连作品种的选用与嫁接栽培。不同作物或同类不同品种，其种植特性和抗病性有很大不同，选择抗(耐)品种也是解决或减轻连作障碍的重要途径。嫁接是防止土壤病害传播、克服连作障碍的重要栽培方法，广泛应用于黄瓜、西瓜、茄子等蔬菜作物。使用南瓜作为嫁接姑木，可增强黄瓜对枯萎病、
白粉病、霜霉病、根结
线虫的抗性；黄瓜嫁接后对低温和高温的耐受性得到显著提高，衰老过程被延迟；使用0.3％NaCl
盐胁迫处理黑籽南瓜嫁接后的黄瓜植株，其高度、叶面积、产量的抑制率均低于自根苗，说明嫁接黄瓜的抗盐性得到提高；番茄嫁接后，其光合指标均高于自根苗，这可能也是嫁接植株更耐低温的原因之一；茄子嫁接后，体内苯丙
氨酸裂解酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、酯酶(EST)活性显著上升，并保持较高的活跃程度；茄子嫁接影响了根际环境，减轻了化感物质对茄子生长发育的影响，在高浓度的化感物质逆境下显示出较强生长优势。
[0010] (4)合理
灌溉与
施肥。水分与
肥料在作物营养及生长发育中起着极其重要的作用，灌溉水和降雨等只有转化为土壤水分后才能被作物吸收利用。国内外大量研究结果证实，土壤水分和土壤氮素不足会降低作物产量，但过量使用氮肥及土壤水分过多又会导致作物碳代谢失调和渍害，还会降低氮肥和水分的利用率，引发周边地表
水体和
地下水污染，间接给
食品安全带来危害，水肥合理配合下，氮肥利用率提高，氮肥的施用量相比传统
灌溉施肥方式可显著减少，果实单果体积增加。设施栽培黄瓜采用水肥一体化技术，设施内土壤团粒结构得到改善、孔隙度增加，有效调节了土壤水、气、热的循环状况，作物生长、产量、品质及水肥资源节约显著优于常规灌溉处理。水肥合理配合对作物病害发生率具有显著的影响，
滴灌模式下番茄灰霉病发病率降低，果实品质得到大幅提高；合理水肥供应，使番茄植株在整个生育期保持健壮生长，提高了土壤中细菌与真菌的比值，降低了土壤盐分的积累和土壤剖面硝态氮含量，改善了土壤的
酸化程度。采用滴灌
沟灌技术，有利于土壤有机碳、微生物生物量的增加。大豆灌水是增产的最关键措施，研究表明有灌水条件的
地块产量可提高40％以上。应用水肥一体化技术，合理搭配无机肥和
有机肥，增施有机肥、秸秆和微生物肥，可增强土壤肥力，改善土壤微生态环境，抑制土壤连作障碍，提高作物生产的
可持续性。
[0011] (5)
生物防治。微生物参与土壤N素循环，在有机氮矿质化、无机氮
腐殖质化、硝化和反
硝化作用等过程中起主导作用。研究表明，微生物可以提高作物对养分的吸收能力，化肥配施微生物菌肥可以提高作物对水分和肥料的利用效率，减少化肥使用量。在连作障碍土壤中施用生物有机肥，可显著增加根际微生物数量和活性，优化
土壤微生物区系；将有机肥与生防菌和促生菌等相结合制成微生物有机肥后施用，生防菌和促生菌能利用有机肥中的营养促进生防菌在植物根际定殖，从而发挥生防作用；使用微生物有机肥对改良土壤、防控土壤连作障碍和提高作物产量及品质效果显著，还可以减少氮素的流失。施入菌根菌和拮抗菌，可与病原微生物竞争空间和营养物质，稳定有益微
生物群落结构和种群数量，实现对土壤微生物区系有目的调控。接种致病菌弱毒菌株可以促进作物
幼苗产生免疫机能，也可以在一定程度上解决作物连作障碍的问题，目前在辣椒上已取得一些成果]。
[0012] (6)强还原土壤灭菌法。强还原土壤灭菌法(reductive soil disinfestation，RSD)，是通过大量施用易分解的有机物料，灌溉、覆膜阻止空气扩散进入土壤，在短时间内创造强烈土壤还原环境，杀灭土传病原菌的方法。大量施用易降解的有机物料，处理后仍有相当数量的有机物质残留在土壤中，成为土壤有机质的一部分，可提高土壤有机质含量，改善土壤结构。经RSD处理后蔬菜地土壤氮的转化过程发生显著变化，加快无机氮周转速率，提高氮的有效性。研究表明，严重酸化的大棚蔬菜地土壤，经过强烈还原处理后，pH均大幅度提高，随着有机物料施用量的增加而升高，最高可达6.49。RSD处理的强烈还原环境使硝态氮迅速反硝化为N2和N2O逸出土壤。大棚土壤次生盐渍化的盐主要为
硝酸盐和
硫酸盐，前者来源于大量施用的氮肥，经硝化过程产生，后者直接来源于大量施用的含硫酸盐肥料，尤其是
硫酸钾肥料。强烈还原的土壤环境可使部分硫酸盐还原成含硫气体，或者被微生物同化为有机硫，从而降低硫酸盐含量，如RSD在淹水条件下进行，且处理中发生水分的向下渗透，RSD可能还有洗盐作用。RSD创造的强烈厌氧环境使土传好氧病原菌无法生存，有机物料厌氧
发酵产生对土传病原菌有毒有害物质，可杀灭土传病原菌。
[0013] 上述各种方法各有优缺点，有的影响农民收入，有的会有化学品残留，杀灭土壤中有益微生物，有的针对性不强，效果不稳定，大多只能控制一种或两种障碍因子，不能将所有关键障碍因子控制。
[0014] 本技术综合采用
树脂脱毒、脱盐、除菌方法，采用就地开挖地下水井，就地浇灌，采用工程化手段和设备防控设施栽培连作障碍，能够同时去除连作障碍土壤中的自毒物质/化感物质，病原菌，钠盐，重
金属离子，有机
农药等，极少二次污染，处理效率高，速度快，效果稳定持久，环境友好性高，操作简便，容易实现大规模应用。
发明内容
[0015] 解决的技术问题：本发明针对设施栽培土壤连作障碍，特别是南方设施农业，综合采用就地
抽取地下水进行
超滤-
反渗透膜过滤技术脱毒、脱盐、除菌等，在很短时间内把设施栽培连作障碍土壤中的绝大部分障碍因子钠离子、自毒物质、病原菌、有机农药、重金属离子等彻脱除，从而去除土壤障碍因子对植物生长的影响和危害，促进设施农业发展，保障菜篮子供应。
[0016] 技术方案：一种设施栽培连作障碍土壤纳米膜脱毒脱盐除菌系统及应用，步骤为：a.在设施栽培连作障碍发生的土壤上，开挖地下水井，根据地下水埋深，地下水井深度2-6米，水井口直径30-100cm；水井底部直径2-5米，水井数量1-5个；利用水
泵抽取地下水；抽取地下水抽，盛放在一个多功能水塔中储存并预处理，平衡地下水和大气
温度，静置沉淀部分颗粒物，储存水分备用；b..在直径15-50cm玻璃或金属圆柱内设置2-5个隔板，隔板上有边长1cmx1cm
支撑网格，网格上放置孔径20-200nm的超滤膜，超滤膜四周有
橡胶或者塑料
垫圈，用于固定滤膜，顶部接
增压泵，用于将地下水向超滤膜高压输送，构成超滤设备主体，底部有出水
阀和排污阀，出水阀连接后面的反渗透设备，同样是直径15-50cm玻璃或金属圆柱，圆柱内设置2-5个隔板，隔板上有边长1cmx1cm支撑网格，网格上放置孔径0.1-5nm的
反渗透膜，反渗透膜四周有橡胶或者塑料垫圈，用于固定滤膜，顶部接增压泵，用于将超滤出水向反渗透膜高压输送，构成反渗透设备主体，底部有出水阀和排污阀，出水阀连接管道；
在整个超滤-反渗透系统后面连接一个储存水容器，该容器中盛放经过超滤-反渗透后脱毒、脱盐、除菌后的干净水，储水容器中放置一个或多个水泵，后面可以连接若干根软管，进行滴灌或喷灌或浇灌，将干净水喷入大棚内的植物和土壤上；c.从上述a处理后的地下水井中抽取地下水，进入处理b中的
串联超滤-反渗透系统，根据水质状况和滤膜处理能力，控制出水速度，脱去地下水中钠盐和重金属离子等对植物生长有害元素，脱去土壤中植物根系分泌的有毒的化感物质/自毒物质，尤其是小分子的酚酸类物质及有机农药如有机磷、有机氯、菊酯类农药等，并脱除土壤中的病原菌如尖孢镰刀菌等；d.经过上述处理过程c处理后的地下水成为脱毒的干净水，绝大部分钠离子及可能的重金属有害离子、小分子有机酚酸阴离子及有机农药等和带负电的病原微生物被过滤除去，注入一个较大的储水容器中，然后灌溉大棚蔬菜水果和土壤，根据需要，可以在干净的水中添加一定量的植物养分元素溶解后，进行喷灌、滴灌植物根部或者
叶片上，同时供应植物的养分和水分。
[0017] 任一所述一种设施栽培土壤连作障碍树脂工程化防控方法在设施栽培农业、生态农业、连作障碍及土壤重金属和有机污染修复上的应用。
[0018] 有益效果：本发明能快速地最大限度的去除设施栽培连作障碍土壤中的钠离子、重金属离子、自毒物质有机酚酸等、有机农药、病菌等，使得多种化感物质、有机农药、钠离子、重金属离子、病原菌同时被去除，同时能够灌溉，就地取水，不需要另外灌溉，最大限度的消除土壤障碍因子对植物生长的影响和危害，有利于生态可持续发展，一次安装，长期使用。
[0020] 1)本发明中采用的就地抽取地下水-膜过滤脱毒脱盐除菌-灌溉-消除连作障碍技术，方法简便、技术简单易行、可操作性强、成本低廉、实用性强，一次安装，长期使用，终身有效；
[0021] 2)本发明采用的就地抽取地下水-膜过滤脱毒脱盐除菌-灌溉-消除连作障碍技术，减少了有害化学品的投入，降低了土壤处理后的有害物质残留，跟目前常用的单一化学、生物、间作套种、有机肥等方法相比，具有很多优越性，能同时去除连作障碍土壤中多种障碍因子，如钠离子、重金属离子、自毒物质、有机农药、病原菌等，同时灌溉植物，是一种工程化的手段，一次安装，长期有效。
附图说明
[0022] 图1是设施栽培连作障碍
土壤修复后残留物质结果。
具体实施方式
[0023] 以下结合实例对本发明作进一步的描述：
[0025] 1.在设施栽培连作障碍发生的土壤上，开挖地下水井，根据地下水埋深，地下水井深度2米，水井口直径30cm；水井底部直径5米，水井数量5个；利用水泵抽取地下水；抽取地下水抽，盛放在一个多功能水塔中储存并预处理，平衡地下水和大气温度，静置沉淀部分颗粒物，储存水分备用；
[0026] 2.在直径15cm玻璃或金属圆柱内设置5个隔板，隔板上有边长1cmx1cm支撑网格，网格上放置孔径200nm的超滤膜，超滤膜四周有橡胶或者塑料垫圈，用于固定滤膜，顶部接增压泵，用于将地下水向超滤膜高压输送，构成超滤设备主体，底部有出水阀和排污阀，出水阀连接后面的反渗透设备，同样是直径15-50cm玻璃或金属圆柱，圆柱内设置5个隔板，隔板上有边长1cmx1cm支撑网格，网格上放置孔径5nm的反渗透膜，反渗透膜四周有橡胶或者塑料垫圈，用于固定滤膜，顶部接增压泵，用于将超滤出水向反渗透膜高压输送，构成反渗透设备主体，底部有出水阀和排污阀，出水阀连接管道；在整个超滤-反渗透系统后面连接一个储存水容器，该容器中盛放经过超滤-反渗透后脱毒、脱盐、除菌后的干净水，储水容器中放置一个或多个水泵，后面可以连接若干根软管，进行滴灌或喷灌或浇灌，将干净水喷入大棚内的植物和土壤上；
[0027] 3.从上述1处理后的地下水井中抽取地下水，进入处理2中的串联超滤-反渗透系统，根据水质状况和滤膜处理能力，控制出水速度，脱去地下水中钠盐和重金属离子等对植物生长有害元素，脱去土壤中植物根系分泌的有毒的化感物质/自毒物质，尤其是小分子的酚酸类物质及有机农药如有机磷、有机氯、菊酯类农药等，并脱除土壤中的病原菌如尖孢镰刀菌等；
[0028] d.经过上述处理过程3处理后的地下水成为脱毒的干净水，绝大部分钠离子及可能的重金属有害离子、小分子有机酚酸阴离子及有机农药等和带负电的病原微生物被过滤除去，注入一个较大的储水容器中，然后灌溉大棚蔬菜水果和土壤，根据需要，可以在干净的水中添加一定量的植物养分元素溶解后，进行喷灌、滴灌植物根部或者叶片上，同时供应植物的养分和水分。任一所述一种设施栽培土壤连作障碍树脂工程化防控方法在设施栽培农业、生态农业、连作障碍及土壤重金属和有机污染修复上的应用。
[0029] 实施例二：
[0030] 1.在设施栽培连作障碍发生的土壤上，开挖地下水井，根据地下水埋深，地下水井深度4米，水井口直径50cm；水井底部直径3米，水井数量3个；利用水泵抽取地下水；抽取地下水抽，盛放在一个多功能水塔中储存并预处理，平衡地下水和大气温度，静置沉淀部分颗粒物，储存水分备用；
[0031] 2.在直径30cm玻璃或金属圆柱内设置2-5个隔板，隔板上有边长1cmx1cm支撑网格，网格上放置孔径100nm的超滤膜，超滤膜四周有橡胶或者塑料垫圈，用于固定滤膜，顶部接增压泵，用于将地下水向超滤膜高压输送，构成超滤设备主体，底部有出水阀和排污阀，出水阀连接后面的反渗透设备，同样是直径30cm玻璃或金属圆柱，圆柱内设置3个隔板，隔板上有边长1cmx1cm支撑网格，网格上放置孔径2nm的反渗透膜，反渗透膜四周有橡胶或者塑料垫圈，用于固定滤膜，顶部接增压泵，用于将超滤出水向反渗透膜高压输送，构成反渗透设备主体，底部有出水阀和排污阀，出水阀连接管道；在整个超滤-反渗透系统后面连接一个储存水容器，该容器中盛放经过超滤-反渗透后脱毒、脱盐、除菌后的干净水，储水容器中放置一个或多个水泵，后面可以连接若干根软管，进行滴灌或喷灌或浇灌，将干净水喷入大棚内的植物和土壤上；
[0032] 3.从上述1处理后的地下水井中抽取地下水，进入处理2中的串联超滤-反渗透系统，根据水质状况和滤膜处理能力，控制出水速度，脱去地下水中钠盐和重金属离子等对植物生长有害元素，脱去土壤中植物根系分泌的有毒的化感物质/自毒物质，尤其是小分子的酚酸类物质及有机农药如有机磷、有机氯、菊酯类农药等，并脱除土壤中的病原菌如尖孢镰刀菌等；
[0033] d.经过上述处理过程3处理后的地下水成为脱毒的干净水，绝大部分钠离子及可能的重金属有害离子、小分子有机酚酸阴离子及有机农药等和带负电的病原微生物被过滤除去，注入一个较大的储水容器中，然后灌溉大棚蔬菜水果和土壤，根据需要，可以在干净的水中添加一定量的植物养分元素溶解后，进行喷灌、滴灌植物根部或者叶片上，同时供应植物的养分和水分。任一所述一种设施栽培土壤连作障碍树脂工程化防控方法在设施栽培农业、生态农业、连作障碍及土壤重金属和有机污染修复上的应用。
[0034] 实施例三：
[0035] 1.在设施栽培连作障碍发生的土壤上，开挖地下水井，根据地下水埋深，地下水井深度6米，水井口直径100cm；水井底部直径2米，水井数量1个；利用水泵抽取地下水；抽取地下水抽，盛放在一个多功能水塔中储存并预处理，平衡地下水和大气温度，静置沉淀部分颗粒物，储存水分备用；
[0036] 2.在直径50cm玻璃或金属圆柱内设置5个隔板，隔板上有边长1cmx1cm支撑网格，网格上放置孔径20nm的超滤膜，超滤膜四周有橡胶或者塑料垫圈，用于固定滤膜，顶部接增压泵，用于将地下水向超滤膜高压输送，构成超滤设备主体，底部有出水阀和排污阀，出水阀连接后面的反渗透设备，同样是直径15-50cm玻璃或金属圆柱，圆柱内设置2个隔板，隔板上有边长1cmx1cm支撑网格，网格上放置孔径0.1nm的反渗透膜，反渗透膜四周有橡胶或者塑料垫圈，用于固定滤膜，顶部接增压泵，用于将超滤出水向反渗透膜高压输送，构成反渗透设备主体，底部有出水阀和排污阀，出水阀连接管道；在整个超滤-反渗透系统后面连接一个储存水容器，该容器中盛放经过超滤-反渗透后脱毒、脱盐、除菌后的干净水，储水容器中放置一个或多个水泵，后面可以连接若干根软管，进行滴灌或喷灌或浇灌，将干净水喷入大棚内的植物和土壤上；
[0037] 3.从上述1处理后的地下水井中抽取地下水，进入处理2中的串联超滤-反渗透系统，根据水质状况和滤膜处理能力，控制出水速度，脱去地下水中钠盐和重金属离子等对植物生长有害元素，脱去土壤中植物根系分泌的有毒的化感物质/自毒物质，尤其是小分子的酚酸类物质及有机农药如有机磷、有机氯、菊酯类农药等，并脱除土壤中的病原菌如尖孢镰刀菌等；
[0038] d.经过上述处理过程3处理后的地下水成为脱毒的干净水，绝大部分钠离子及可能的重金属有害离子、小分子有机酚酸阴离子及有机农药等和带负电的病原微生物被过滤除去，注入一个较大的储水容器中，然后灌溉大棚蔬菜水果和土壤，根据需要，可以在干净的水中添加一定量的植物养分元素溶解后，进行喷灌、滴灌植物根部或者叶片上，同时供应植物的养分和水分。任一所述一种设施栽培土壤连作障碍树脂工程化防控方法在设施栽培农业、生态农业、连作障碍及土壤重金属和有机污染修复上的应用。
[0039] 本发明的应用实例：
[0040] 将本发明技术用于修复设施栽培番茄连作障碍土壤应用上。
[0041] 1、参照实施例1，采用本技术修复设施栽培番茄6年的连作障碍土壤，经过处理12周后，跟没有采用本技术的对照土壤相比，土壤中残留钠离子减少73.9％，甲胺磷减少60％，重金属镉离子减少46.7％，阿魏酸减少44.6％，枯萎病菌尖孢镰刀菌减少41.9％，番茄植株生物量增加100％(图1)；
[0042] 2、参照实施例2，采用本技术修复设施栽培番茄6年的连作障碍土壤，经过处理12周后，跟没有采用本技术的对照土壤相比，土壤中残留钠离子减少78.6％，甲胺磷减少66.3％，重金属镉离子减少58.6％，阿魏酸减少54.3％，枯萎病菌尖孢镰刀菌减少57.4％，番茄植株生物量增加108.5％；
[0043] 3、参照实施例3，采用本技术修复设施栽培番茄6年的连作障碍土壤，经过处理12周后，跟没有采用本技术的对照土壤相比，土壤中残留钠离子减少83.1％，甲胺磷减少72.3％，重金属镉离子减少63.2％，阿魏酸减少54.1％，枯萎病菌尖孢镰刀菌减少71.2％，番茄植株生物量增加121.7％。
