連作對(duì)胡椒園土壤和植株中微量元素含量的影響及相關(guān)特征分析

李志剛 王燦 楊建峰 祖超 鄭維全 魚歡

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所農(nóng)業(yè)部香辛飲料作物遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海南省熱帶香辛飲料作物遺傳改良與品質(zhì)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海南萬寧 571533

摘 要 為探討胡椒園土壤、根系和葉片的中微量元素含量與連作年限、產(chǎn)量、品質(zhì)和根際土壤微生物區(qū)系的關(guān)系，選取連作12、18、28和38 a的胡椒園，測定土壤、根系和葉片中Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn等中微量元素的全量含量，分析其隨種植年限增加的變化規(guī)律，并探討土壤中微量元素與胡椒產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤微生物區(qū)系的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，長期連作的胡椒園土壤Ca、Mg含量顯著降低，B、Zn、Fe表現(xiàn)出不同程度的降低；土壤Ca、Mg含量與根際土壤細(xì)菌菌門相對(duì)豐度關(guān)系密切，而B、Fe含量與胡椒產(chǎn)量和品質(zhì)以及Actinobacteria、Ascomycota、Verrucomicrobia菌門相對(duì)豐度顯著或極顯著相關(guān)。連作胡椒長期定位施肥等原因會(huì)造成土壤中微量元素含量降低，因此生產(chǎn)中應(yīng)注意中微量元素肥料的平衡施用。

關(guān)鍵詞 胡椒；中微量元素；種植年限；連作障礙；土壤微生物

中圖分類號(hào) S573.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract The samples in 4 different black pepper fields were collected in 2015. Soil and plant medium and micro element contents were analyzed to investigate the medium and micro element contents of the different planting age black pepper fields and plants. The results indicated that long-term black pepper cropping lead to the soil Ca and Mg significantly declined， as well as the soil B， Zn and Fe， and the soil Mn showed no significant changes. The soil Ca， Mg contents was close related to the relative abundance of rhizosphere soil bacteria. Soil B， Fe had close relationship with the yield， quality and the relative abundance of Actinobacteria， Ascomycota and Verrucomicrobia. Therefore， long-term black pepper cropping lead to the soil medium and micro element contents reduced. In the black pepper production， more attention should be paid to in the medium and micro element fertilizer application.

Key words Black pepper（Piper nigrum L.）； medium and micro element； planting age； consecutive cropping obstacle； soil microbial

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.12.003

胡椒（Piper nigrum L.）是胡椒屬多年生、常綠、攀援藤本植物，是世界重要的香辛料作物之一[1-2]。胡椒有“香料之王”的美稱，除用做調(diào)味品外，還具有重要的醫(yī)藥價(jià)值[3-4]，已發(fā)展成為世界熱帶經(jīng)濟(jì)作物優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一。越南、印度、印尼、巴西和中國是世界胡椒主產(chǎn)國和主要出口國[5]。海南是我國最主要的胡椒產(chǎn)區(qū)，種植面積為2.2萬hm2，年產(chǎn)量3.6萬t，占我國胡椒產(chǎn)量的90%以上。目前已發(fā)展成為海南省年產(chǎn)值近20億元的重要熱帶經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)之一[6]。

然而，由于胡椒生物學(xué)特性和栽培技術(shù)特點(diǎn)，我國胡椒種植一直以單一品種傳統(tǒng)連作栽培模式為主，連作障礙現(xiàn)象嚴(yán)重制約了我國胡椒產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[7-8]。連作障礙現(xiàn)象在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在，長期連作會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降[9]，作物減產(chǎn)[10]，易發(fā)生病蟲害[11]。近年來，隨著種植年限的增加，各地胡椒園均出現(xiàn)不同程度的連作障礙現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在：土壤質(zhì)量下降，植株長勢減弱，發(fā)病率增加，產(chǎn)量下降，退化死亡，補(bǔ)種的幼苗生長受限，甚至過早死亡。目前，針對(duì)胡椒連作障礙的研究主要集中在胡椒果實(shí)質(zhì)量[12]，土壤理化性質(zhì)[13]和土壤微生物區(qū)系分析[14]，尚未見連作胡椒園土壤與植株中微量元素含量變化的研究報(bào)道。雖然中微量元素在土壤中的含量較少，但對(duì)植物的生命活動(dòng)卻不可或缺。中微量元素多是組成酶、維生素和生長激素的成分，直接參與有機(jī)體的代謝活動(dòng)，影響著植物體的生長和發(fā)育[15]。長期以來，胡椒生產(chǎn)中不施用或盲目施用中微量元素肥料的現(xiàn)象普遍存在，導(dǎo)致胡椒園土壤中微量元素缺乏或者流失問題嚴(yán)重。本研究主要探討胡椒園土壤、根系和葉片的中量元素鈣、鎂和微量元素硼、鐵、錳、鋅等隨種植年限增加的變化規(guī)律，并探討胡椒園土壤中微量元素含量與胡椒產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤微生物區(qū)系的相關(guān)關(guān)系，以期探討土壤的中微量元素含量變化在胡椒連作障礙形成中的作用，并為指導(dǎo)胡椒生產(chǎn)的中微量元素肥料的施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)以中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所胡椒園（18°1'N，110°13'E）內(nèi)的熱引1號(hào)胡椒（Piper nigrum L. cv. Reyin No.1）投產(chǎn)胡椒為試驗(yàn)材料。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)小區(qū)均為中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所胡椒試驗(yàn)示范基地，各處理園塊之間距離較近，成土母質(zhì)、土壤類型基本一致，土壤類型為磚紅壤，土壤母質(zhì)為花崗巖風(fēng)化物。各試驗(yàn)小區(qū)連作年限分別為12、18、28和38 a。且各園塊管理統(tǒng)一按照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 969-2013《胡椒栽培技術(shù)規(guī)程》[16]要求進(jìn)行，各小區(qū)施肥量一致。

1.2.2 取樣與測定方法 取樣時(shí)間為8月份，即胡椒完成一個(gè)結(jié)果周期，采果完成半個(gè)月后，且未施攻花肥之前進(jìn)行。在胡椒植株冠幅內(nèi)部挖開0～20 cm土層，取得土壤和根系樣品；取對(duì)應(yīng)植株第二葉位的完全穩(wěn)定葉作為葉片樣品[17]。土壤樣品在室溫條件下風(fēng)干后研磨、過篩待測，植物樣品烘干后待測。中微量元素鈣、鎂、硼、鋅、鐵、錳（Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn）的全量含量采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法測定[18-19]。相關(guān)性分析中胡椒產(chǎn)量、品質(zhì)、微生物多樣性及菌門相對(duì)豐度等均為近1～3 a數(shù)據(jù)平均值，其中胡椒產(chǎn)量以白胡椒平均單產(chǎn)計(jì)，即試驗(yàn)小區(qū)胡椒鮮果浸泡去皮所得白胡椒干燥后總重÷試驗(yàn)小區(qū)投產(chǎn)胡椒株數(shù)；品質(zhì)指標(biāo)選取胡椒堿、揮發(fā)油進(jìn)行分析；微生物多樣性及菌門相對(duì)豐度采用李志剛等[20]同年的研究數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007和SPSS 18.0（SPSS Inc， Chicago）進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限胡椒園土壤理化性質(zhì)

不同種植年限胡椒土壤理化性質(zhì)如表1、2所示。由表1可見，胡椒園土壤有機(jī)質(zhì)、pH、有效鉀含量均隨連作年限的增加而表現(xiàn)出下降趨勢，而有效氮含量逐漸增加，有效磷含量無明顯變化。說明，連作導(dǎo)致胡椒園土壤酸化、有機(jī)質(zhì)與有效鉀虧缺，而有效氮含量表現(xiàn)出不斷累積的現(xiàn)象，因此生產(chǎn)中應(yīng)該注意土壤pH調(diào)節(jié)，有機(jī)質(zhì)和鉀元素的補(bǔ)充，以及控制氮肥的施用量。

不同種植年限胡椒土壤中微量元素（Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn）含量如表2所示。除Mn外，其余元素含量均隨種植年限的增加而發(fā)生顯著變化，說明長期連續(xù)單一種植胡椒會(huì)導(dǎo)致椒園土壤的中微量元素含量發(fā)生明顯的變化；其中B、Zn、Fe含量均隨種植年限的增加而顯著降低，而Ca、Mg含量均為18、28 a最高，12及38 a時(shí)含量較低。

2.2 土壤、植株的中量元素含量的變化

連作12、18、28和38 a的胡椒園土壤、根系、葉片的Ca、Mg含量如圖1所示。結(jié)果表明：隨種植年限的增加，胡椒園土壤Ca、Mg含量均表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，葉片Ca含量上升、Mg含量下降，根系中Ca、Mg含量隨種植年限增加未發(fā)生顯著變化。

2.3 土壤、植株的微量元素含量的變化

不同連作年限的胡椒園土壤、根系、葉片的微量元素B、Fe、Mn和Zn含量如圖2所示。結(jié)果表明：隨種植年限的增加，胡椒園土壤B、Fe、Mn和Zn含量均表現(xiàn)出下降趨勢，其中B、Fe含量變化差異顯著； 而根系、葉片B、Fe、Mn和Zn含量變化不顯著。

2.4 土壤中微量元素含量與胡椒產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤微生物的相關(guān)性分析

胡椒園土壤中微量元素與產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤微生物的相關(guān)性如表3所示?？梢?，土壤B、Fe含量與胡椒產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)性較大：產(chǎn)量與B、Fe極顯著相關(guān)，與Zn顯著相關(guān)；而品質(zhì)指標(biāo)揮發(fā)油含量與B極顯著相關(guān)，胡椒堿含量與Fe極顯著相關(guān)；其余元素與胡椒產(chǎn)量、品質(zhì)相關(guān)性不顯著。胡椒根際土壤微生物多樣性指標(biāo)與中微量元素的相關(guān)性不顯著，但是個(gè)別細(xì)菌、真菌菌門的相對(duì)豐度與土壤中微量元素顯著相關(guān)，如：與土壤B、Fe含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的有細(xì)菌Actinobacteria、真菌Ascomycota，其中，Ascomycota還與Zn、Mn含量顯著相關(guān)，與Fe含量呈極顯著負(fù)相關(guān)的還有Verrucomicrobia。土壤中Ca、Mg含量與細(xì)菌菌門相對(duì)豐度關(guān)系密切，其中，二者均與Acidobacteria、Nitrospira顯著負(fù)相關(guān)，與Proteobacteria極顯著正相關(guān)；Ca還與Chloroflexi、Gemmatimonadetes顯著正相關(guān)。而對(duì)于真菌，Mg與Zygomycota極顯著正相關(guān)。

3 討論

3.1 連作導(dǎo)致胡椒園土壤中微量元素含量降低

Ca、Mg元素能起到促進(jìn)植物光合作用、活化土壤磷素、提高植物抗性等積極作用[21-22]，缺Ca導(dǎo)致胡椒葉緣組織壞死、缺Mg會(huì)導(dǎo)致葉片葉脈間變黃，嚴(yán)重時(shí)葉片大量脫落，植株生長受到影響[23]。胡椒對(duì)Ca、Mg需求較多，本研究中胡椒根系、葉片中Ca、Mg含量是土壤中的2～5倍，也證明了這一論述。研究發(fā)現(xiàn)，連作28 a后胡椒園土壤Ca、Mg含量均表現(xiàn)出顯著下降趨勢，相關(guān)研究結(jié)果也證明了這一結(jié)果：隨著種植年限的增加，胡椒園土壤pH顯著降低，從而降低了土壤中Ca、Mg的有效性[24]，甚至低于植物生長的適宜范圍（Ca：1.5%～3.5%，Mg：0.3%～0.5%）[25]。長期定位施用農(nóng)家肥，會(huì)導(dǎo)致土壤交換性鈣、鎂含量降低[26-27]，施用氮肥導(dǎo)致土壤pH值下降，進(jìn)而造成土壤鎂的淋溶[28-29]。綜上所述，胡椒生產(chǎn)中牛糞肥、氮肥和鉀肥施用量較高，是連作胡椒園土壤鈣、鎂含量降低的原因，另外氮肥的長期大量施用還會(huì)導(dǎo)致土壤pH值降低，進(jìn)而造成土壤鈣、鎂淋溶現(xiàn)象嚴(yán)重。

微量元素B、Zn、Fe、Mn也是作物正常生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素。生產(chǎn)中出現(xiàn)的B、Zn、Fe等微量元素缺乏癥，不一定是土壤中微量元素含量太少，而是土壤中微量元素有效性過低，不能滿足作物的需要。影響土壤中微量元素的有效性的重要因子是土壤pH值，B、Zn、Fe的有效性常隨土壤pH值的升高而降低，但pH過低也會(huì)導(dǎo)致元素淋洗。本研究中連作胡椒園土壤pH從適宜生長的5.5～6.0范圍降低到4.5左右[16]，因此土壤B、Zn含量隨種植年限的增加表現(xiàn)出先增加后明顯降低的趨勢。

3.2 中微量元素與胡椒產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤微生物密切相關(guān)

中微量元素對(duì)作物產(chǎn)量及品質(zhì)的形成都起到十分重要的作用[31]。本研究結(jié)果表明，長期以來，由于在胡椒生產(chǎn)中只注重施用大量元素，對(duì)中微量元素的補(bǔ)充不夠重視，造成連作胡椒土壤中微量元素不足。同時(shí)，胡椒生長發(fā)育的適宜土壤pH范圍為5.7～7.0[32]，而祖超等的試驗(yàn)表明，隨著種植年限的增加，土壤pH從5.8（10 a）顯著降低到5.2（28 a），低pH及由此造成的根際土壤有機(jī)質(zhì)和Ca、Mg等營養(yǎng)元素降低是導(dǎo)致植株生長受限的重要原因[6，24]。楊建峰等開展的不同種植年限胡椒園土壤養(yǎng)分變化狀況的研究同樣發(fā)現(xiàn)，隨著種植年限的推移，胡椒園土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量下降，同時(shí)土壤有效B、交換性Ca、Mg等部分養(yǎng)分表現(xiàn)出下降趨勢[13]。因此，連作導(dǎo)致胡椒土壤理化性質(zhì)惡化，中微量元素含量或有效性下降，從而對(duì)胡椒產(chǎn)量和品質(zhì)造成影響。

胡椒根際土壤微生物菌門相對(duì)豐度與中微量元素關(guān)系密切，如：土壤中Ca、Mg含量均與Acidobacteria、Nitrospira等細(xì)菌菌門顯著負(fù)相關(guān)，與Proteobacteria極顯著正相關(guān)；Ca還與Chloroflexi、Gemmatimonadetes顯著正相關(guān)。而對(duì)于真菌，Mg與Zygomycota極顯著正相關(guān)。另外，與土壤B、Fe含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的有細(xì)菌Actinobacteria、真菌Ascomycota，F(xiàn)e還與Verrucomicrobia呈極顯著負(fù)相關(guān)，Zn、Mn也與Ascomycota顯著相關(guān)。因此，土壤中微量元素中Ca、Mg、B和Fe與胡椒土壤質(zhì)量、產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)系密切。但本研究只考慮在相同肥料投入的條件下，不同種植年限胡椒土壤中微量元素含量變化，并沒有設(shè)置不同施用量處理，因此，仍需深入開展土壤中微量元素肥料與土壤理化性質(zhì)、微生物生態(tài)環(huán)境以及產(chǎn)量品質(zhì)的影響研究。

3.3 胡椒連作障礙調(diào)控應(yīng)注意中微量元素的平衡施用

土壤中微量元素的組成受成土母質(zhì)、土壤類型、土壤物化性狀、水分動(dòng)態(tài)、自然環(huán)境特點(diǎn)及人類活動(dòng)等共同影響[30]。本研究中的不同年限處理小區(qū)均為中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所試驗(yàn)示范基地，各處理間距離較近，可排除土壤母質(zhì)不同導(dǎo)致的中微量元素含量的差異；且各試驗(yàn)小區(qū)長期以來均采用相同的施肥、灌溉、耕作方法與技術(shù)，尤其是各小區(qū)施用的有機(jī)肥，均為統(tǒng)一漚制管理，且施用量一致，也可排除肥料施用及管理措施等對(duì)土壤中微量元素含量的影響，因此，是研究胡椒土壤特性隨種植年限變化的優(yōu)良材料及場所。但本研究只分析了Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn等在胡椒園土壤和植株中的全量含量，后續(xù)研究中需對(duì)有效態(tài)含量進(jìn)行深入研究，尤其是連作胡椒園根際土壤pH以及胡椒根系分泌物對(duì)根際土壤中微量元素有效態(tài)的影響。中微量元素過少和過多均會(huì)對(duì)作物生長產(chǎn)生不良影響，對(duì)于連作胡椒園土壤中微量元素虧缺問題，不能盲目的增施，應(yīng)根據(jù)作物的需求規(guī)律及土壤中的元素狀況，進(jìn)行平衡施肥。綜上所述，為緩解或避免胡椒連作障礙的發(fā)生，以及連作胡椒園土壤質(zhì)量修復(fù)工作中，應(yīng)重視Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn等中微量元素肥料的平衡施用。

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