連作對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)和土壤健康的影響及機(jī)制研究

焦?jié)櫚玻煅╋L(fēng)，楊宏偉，馮煥琴，張舒涵，張俊蓮，李朝周，李 健

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070; 4.甘肅農(nóng)墾條山集團(tuán)，甘肅 白銀 730400)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是全球種植面積最大的蔬菜型作物之一[1]。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，馬鈴薯已成為我國(guó)西部地區(qū)穩(wěn)產(chǎn)高效的優(yōu)勢(shì)作物，栽培面積不斷擴(kuò)大，并導(dǎo)致馬鈴薯連作種植越來越廣泛，連作現(xiàn)象日益突出[2]。馬鈴薯連作引起了土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分比例失衡[3-4]、馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育減弱、病蟲害現(xiàn)象加劇[5-6]等一系列問題；究其原因，連作對(duì)土壤的影響為其根本原因，但連作對(duì)馬鈴薯土壤健康的影響及其機(jī)制還缺乏系統(tǒng)研究。

土壤健康是保證生態(tài)體系健康的基礎(chǔ)，是農(nóng)產(chǎn)品安全和人類健康的必要條件[7]。目前國(guó)際上比較通用的土壤健康概念為土壤生態(tài)系統(tǒng)維持生物生產(chǎn)力、改善環(huán)境質(zhì)量和促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力[8]。澳大利亞學(xué)者Pankhurst等提出了表征土壤健康的生態(tài)指標(biāo)體系，主要包括微生物量、土壤病原菌、中型土壤動(dòng)物區(qū)系、大型土壤動(dòng)物區(qū)系、土壤酶和植物。這些評(píng)價(jià)土壤健康的生態(tài)指標(biāo)為進(jìn)一步研究土壤健康提供了更大的空間[9-11]。Anderson指出土壤健康應(yīng)主要集中在土壤的生物成分上[12-13]?？的螤柾寥澜】翟u(píng)價(jià)系統(tǒng)則從物理指標(biāo)、生物指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)3個(gè)方面評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤的綜合健康狀況[14]。

自毒作用是作物自身的分泌物，莖、葉的淋溶物及殘?bào)w分解產(chǎn)物所產(chǎn)生的有毒物質(zhì)(化感物質(zhì))抑制根系生長(zhǎng)發(fā)育，降低根系活力，改變土壤微生物環(huán)境，提高病原菌的繁殖速度，引起作物生長(zhǎng)不良、發(fā)病、甚至死亡的效應(yīng)。從大量的研究中得出，酚酸類物質(zhì)是引起連作障礙的重要的自毒物質(zhì)[15]。當(dāng)前主要研究的自毒物質(zhì)有對(duì)羥基苯甲酸、香草酸[16]、阿魏酸[17]等。

本試驗(yàn)以馬鈴薯不同連作年限的土壤為主要研究對(duì)象，結(jié)合不同連作年限馬鈴薯的農(nóng)藝性狀和幼苗的抗性生理，探討了馬鈴薯不同連作年限土壤健康各因素的變化，分析了連作影響馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育及土壤健康的機(jī)制，旨在了解馬鈴薯連作過程中土壤健康各因素的變化規(guī)律及其與連作馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系，為有效減輕馬鈴薯連作障礙，提高馬鈴薯塊莖的產(chǎn)量、品質(zhì)和改善土壤健康狀況提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

馬鈴薯主栽品種大西洋，由甘肅省景泰縣條山農(nóng)場(chǎng)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在甘肅省景泰縣條山集團(tuán)馬鈴薯種植基地進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)選取馬鈴薯連作0 a(前茬種植玉米)、連作3 a和連作6 a的大田進(jìn)行種植，各連作田按“V”字型選取3個(gè)樣方(即3次重復(fù))，各樣方面積為27 m2(1.35 m×10 m×2壟)，在種植前，各樣方采用5點(diǎn)取樣法，采集0～30 cm土層根區(qū)耕層土，將所得5個(gè)土樣混勻后，仔細(xì)剔除植物殘?bào)w、石頭和其他雜物，帶回實(shí)驗(yàn)室用于土壤相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定；待馬鈴薯幼苗出土后45 d，在各樣方內(nèi)取馬鈴薯幼苗基部第二、第三葉片進(jìn)行相關(guān)生理指標(biāo)測(cè)定。在收獲前一周進(jìn)行馬鈴薯農(nóng)藝性狀的測(cè)定。每個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 參照關(guān)松蔭[18]的方法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷采用NaHCO3浸提，分光光度法測(cè)定；土壤pH值用酸度計(jì)法測(cè)定。

1.3.2 土壤肥力相關(guān)酶活性分析 參照關(guān)松蔭[18]的方法，脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測(cè)定，結(jié)果以24 h后每克土壤(干重)中NH4+-N的毫克數(shù)表示；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測(cè)定，結(jié)果以24 h后每克土壤中釋放出酚的毫克數(shù)表示；蔗糖酶的活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，結(jié)果以24 h后每克土壤葡萄糖毫克數(shù)表示；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，其活性以每克土壤所消耗的0.1 mol·L-1KMnO4溶液的毫升數(shù)表示。

1.3.3 土壤酚酸類化感物質(zhì)含量測(cè)定 土壤總酚酸含量測(cè)定采用磷鉬酸—磷鎢酸鹽比色法測(cè)定[19]；對(duì)羥基苯甲酸、香草酸和阿魏酸含量采用高效液相色譜法測(cè)定[20]。

1.3.4 土壤微生物數(shù)量分析 采用李坤[21]的方法，稍作修改，測(cè)定土壤微生物數(shù)量：采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌，改良后的高氏1號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌(每300 mL培養(yǎng)基加3%的重鉻酸鉀1 mL，以抑制細(xì)菌和霉菌的生長(zhǎng))，改良馬丁氏培養(yǎng)基培養(yǎng)真菌(每100 mL培養(yǎng)基中加1%孟加拉紅水溶液0.33 mL、1%鏈霉素0.3 mL)，每個(gè)處理的土樣稱取5 g，加入裝有90 mL無菌水的三角瓶中，振蕩45 min，即為10-1濃度的土壤樣液，靜置1 min，再逐次稀釋(細(xì)菌稀釋至10-5，放線菌稀釋至10-4，真菌稀釋至10-3)，每個(gè)平板重復(fù)3次，平板涂布法接種，在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，細(xì)菌在28℃下培養(yǎng)3 d，放線菌在30℃下培養(yǎng)7 d，真菌在25℃下培養(yǎng)5 d。

微生物數(shù)量計(jì)算公式：

菌數(shù)/土重=(同一稀釋度N次重復(fù)的菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù)n)/土干重

1.3.5 光合生理指標(biāo)和MDA含量測(cè)定 相對(duì)葉綠素含量：采用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定；凈光合速率、氣孔導(dǎo)度：采用美國(guó)便攜式LI-6400光合儀于上午9∶00—11∶00進(jìn)行測(cè)定；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[22]。

1.3.6 農(nóng)藝性狀測(cè)定 株高：植株莖的最高部位距離土面的高度；莖粗：植株與土面交界處地上莖直徑，用游標(biāo)卡尺測(cè)量；根長(zhǎng)：收獲后用卷尺測(cè)量5條最長(zhǎng)根，取平均值；生物量：收獲時(shí)將完整植株整株挖出，120℃殺青40 min后，80℃恒溫干燥箱中烘烤12 h，稱重；塊莖產(chǎn)量：收獲時(shí)用電子天平測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，SPSS 17.0軟件進(jìn)行處理間差異顯著性分析，采用Ducan法進(jìn)行處理間差異的多重比較，取P<0.05為顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯連作對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

隨馬鈴薯連作年限增加，連作后土壤堿解氮含量升高，在連作3 a和6 a時(shí)，堿解氮分別比對(duì)照升高了84.62%和169.23%；pH值分別比對(duì)照下降了3.45%和8.68%；速效磷和有機(jī)質(zhì)含量顯著下降，在連作3 a和6 a時(shí)，速效磷分別比對(duì)照下降了19.69%和34.10%，有機(jī)質(zhì)分別比對(duì)照下降了27.46%和50.72%，可見土壤的養(yǎng)分比例失衡，理化性質(zhì)變劣，尤其在連作6 a時(shí)較為嚴(yán)重(表1)。

2.2 馬鈴薯連作對(duì)土壤肥力相關(guān)酶活性的影響

結(jié)果顯示(圖1)，隨馬鈴薯連作年限增加，土壤中堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)顯著下降(P<0.05)。在連作3 a和6 a時(shí)，堿性磷酸酶活性分別比對(duì)照下降了18.21%和36.34%，脲酶活性分別比對(duì)照下降了19.24%和35.72%，蔗糖酶活性分別比對(duì)照下降了18.30%和29.83%，過氧化氫酶活性分別為對(duì)照的44.96%和74.16%。

2.3 馬鈴薯連作對(duì)土壤酚酸類化感物質(zhì)含量的影響

不同連作年限土壤中對(duì)羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和總酚酸的含量測(cè)定的結(jié)果顯示對(duì)羥基苯甲酸含量在連作3 a時(shí)大幅度升高，比對(duì)照高73.77%，連作6 a時(shí)比對(duì)照高33.61%；香草酸含量在連作3 a時(shí)比對(duì)照下降29.01%，在連作6 a時(shí)高于對(duì)照31.30%；阿魏酸和總酚酸含量隨著連作年限的增長(zhǎng)而增加，阿魏酸在連作3 a時(shí)含量增加，但與對(duì)照無顯著差別，在連作6 a時(shí)都達(dá)到了顯著差異水平，土壤中阿魏酸和總酚酸的含量分別比對(duì)照高51.64%、40.57%(圖2A～D)。說明馬鈴薯連作后土壤中酚酸物質(zhì)增加可能會(huì)對(duì)馬鈴薯產(chǎn)生自毒作用，影響馬鈴薯的生長(zhǎng)。

表1 馬鈴薯連作對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of potato continuous cropping on the soil chemical and physical properties

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同小寫字母表示在P<0. 05下差異顯著，下同。

Note: The data indicates mean±SD. Different small letters in the same column mean significant difference atP<0.05.The same below.

圖1 馬鈴薯連作對(duì)土壤肥力相關(guān)酶活性的影響Fig.1 Effects of potato continuous cropping on soil fertility-related enzymes activity

圖2 馬鈴薯連作對(duì)土壤酚酸類化感物質(zhì)含量的影響Fig.2 Effects of potato continuous cropping on soil phenolic acids contents

2.4 馬鈴薯連作對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

連作對(duì)馬鈴薯土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響較大，土壤中細(xì)菌數(shù)量和放線菌數(shù)量呈下降趨勢(shì)，細(xì)菌數(shù)量在連作3、6 a時(shí)比對(duì)照降低了80.61%、88.59%；放線菌數(shù)量在連作3、6 a時(shí)比對(duì)照降低了50.00%，84.21%，土壤生物活性下降。真菌數(shù)量隨連作年限增加顯著上升，在連作3 a和6 a時(shí)分別比對(duì)照升高了96.15%和253.85%(表2)。

土壤中細(xì)菌與真菌數(shù)量的比值(B/F)可以表征土壤肥力大小[23]，隨著連作年限的增加，B/F值呈降低的趨勢(shì)，連作6 a時(shí)最小，是對(duì)照(最大值)的3.224%。由此看來連作年限增加相對(duì)抑制細(xì)菌繁殖，改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，削減了土壤肥力。

2.5 連作對(duì)馬鈴薯幼苗相對(duì)葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和MDA含量的影響

連作顯著影響了馬鈴薯幼苗的光合效率(P<0.05)，隨著連作年限的增加，相對(duì)葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度均呈下降趨勢(shì)，尤其在連作6 a 時(shí)分別比對(duì)照降低了13.30%、13.98%和50.00%(表3)。連作后的馬鈴薯葉片MDA含量呈上升趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)分析顯示，與對(duì)照相比，連作3 a和6 a馬鈴薯的MDA含量分別增加了41.93%和142.47%，膜脂過氧化程度加重，對(duì)馬鈴薯植株產(chǎn)生危害(表3)。

表2 馬鈴薯連作對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響Table 2 Effects of potato continuous cropping on soil microorganism quantities

表3 連作對(duì)馬鈴薯幼苗相對(duì)葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和丙二醛含量的影響Table 3 Effect of continuous cropping on SPAD value, net photosynthetic rate, stomatal conductance and the content of MDA of potato seedling

2.6 連作對(duì)馬鈴薯農(nóng)藝性狀的影響

馬鈴薯株高、莖粗、地上生物量和塊莖產(chǎn)量隨連作年限的增加都有所下降，在連作3 a和6 a時(shí)馬鈴薯株高、莖粗、地上生物量和塊莖產(chǎn)量分別比對(duì)照下降了8.17%、29.13%、28.04%、17.07%和42.49%、54.40%、58.35%、61.79%。根長(zhǎng)在連作3年時(shí)比對(duì)照顯著增加了14.46%，但在連作6年時(shí)比對(duì)照下降了17.21%,達(dá)顯著水平(表4)。

表4 連作對(duì)馬鈴薯農(nóng)藝性狀的影響Table 4 Effect of continuous cropping on agronomic characters of potato

3 討 論

植物生長(zhǎng)的首要條件是擁有良好的土壤環(huán)境，土壤肥力的高低體現(xiàn)在土壤肥力相關(guān)酶活性的強(qiáng)弱、理化性質(zhì)的優(yōu)劣及土壤微生物群落的多樣性等方面[24]，這些指標(biāo)是衡量土壤是否健康的關(guān)鍵指標(biāo)。有研究得出連作會(huì)導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)活性的改變[25]，長(zhǎng)期連作會(huì)導(dǎo)致土壤容重增大，土體緊實(shí)板結(jié)，結(jié)構(gòu)性變差；還導(dǎo)致土壤孔隙度下降，透氣性減弱，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。本文研究結(jié)果表明，隨馬鈴薯連作年限的增加，土壤堿解氮含量上升(表1)，玉蘇甫·買買提等[26]研究得出堿解氮隨著棉花連作年限的增加而有規(guī)律性的增加，與本文結(jié)果基本一致，究其原因可能與施肥措施密切相關(guān)；土壤pH值與土壤中微生物區(qū)系的變化密切相關(guān)，進(jìn)而影響多種營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化方向、轉(zhuǎn)化過程、形態(tài)及養(yǎng)分的有效性[27]，本文結(jié)果表明隨著連作年限的增加，土壤pH值減小，說明土壤出現(xiàn)了酸化趨勢(shì)。劉來等[28]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期連作會(huì)造成土壤pH值顯著下降，引起土壤酸化，與本文結(jié)論一致，土壤pH值降低主要是由土壤酚酸含量的升高造成的，而土壤酚酸含量的增加會(huì)抑制土壤中磷元素轉(zhuǎn)化的一些微生物的活動(dòng)，降低土壤中磷酸酶活性，使得有效磷含量也隨著pH值降低而降低。速效磷含量隨著連作年限的增加明顯下降，這與徐文修等[25]在棉田土壤進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果一致，速效磷的含量下降還與連作條件下馬鈴薯對(duì)磷的吸收有關(guān)，連作時(shí)間越長(zhǎng)，馬鈴薯對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的吸收越多，為了試驗(yàn)對(duì)照的需要，每年的施肥量一致，馬鈴薯對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的需求增加速率大于土壤中磷的有效化速率，導(dǎo)致速效磷含量隨連作年限的增加而降低。本試驗(yàn)表明隨連作年限增加，有機(jī)質(zhì)含量明顯下降。這些指標(biāo)的變化使得土壤的養(yǎng)分比例失調(diào)，理化性質(zhì)變劣，土壤健康狀況下降，尤其在連作6 a時(shí)較為嚴(yán)重(表1)。

連作條件下根系分泌物中的酚酸類化感物質(zhì)在土壤中不斷積累，引發(fā)自毒作用，影響種子萌發(fā)、植株生長(zhǎng)、病原菌活性和土壤微生物組成[17]，本試驗(yàn)表明當(dāng)馬鈴薯連作年限延長(zhǎng)至6 a時(shí)，土壤酚酸類化感物質(zhì)含量(除對(duì)羥基苯甲酸外)顯著升高(圖2)，造成土壤酸化，影響土壤肥力相關(guān)酶和微生物活性，這對(duì)土壤健康可能會(huì)帶來一系列不良影響。

連作明顯改變了土壤微生物量和種群分布，植物生長(zhǎng)發(fā)育將做出適應(yīng)性應(yīng)答。有研究表明隨著煙草連作年限的延長(zhǎng)，細(xì)菌數(shù)量下降，青枯病病原菌數(shù)量減少，真菌數(shù)量增加[27]。馬鈴薯連作表現(xiàn)出與煙草連作相似的變化，即隨連作年限的增加，土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量下降，真菌數(shù)量升高(表2)，表明連作促使土壤微生物環(huán)境從高肥的“細(xì)菌型”土壤向低肥的“真菌型”土壤轉(zhuǎn)化。

由于連作導(dǎo)致根系生長(zhǎng)的環(huán)境即土壤惡化，根系生長(zhǎng)不良，從而導(dǎo)致礦質(zhì)養(yǎng)分吸收受到影響，因而導(dǎo)致葉綠素含量下降。葉綠素含量降低會(huì)影響馬鈴薯在生長(zhǎng)過程中葉片對(duì)光能的吸收轉(zhuǎn)換利用，導(dǎo)致光合能力下降，從而使馬鈴薯葉片成熟較早、同化物積累量下降，造成植株生長(zhǎng)下降，這是連作減產(chǎn)的原因之一[33]。本研究表明，連作后馬鈴薯幼苗葉片的凈光合速率下降，葉綠素相對(duì)含量、氣孔導(dǎo)度也隨之下降(表3)，這些變化可能與較長(zhǎng)年限的連作造成土壤肥力下降、營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)缺乏有關(guān)，并由于土壤健康狀況的惡化導(dǎo)致馬鈴薯幼苗受到脅迫作用?；形镔|(zhì)能夠降低植物葉片中葉綠素含量和光合速率，特別是凈光合速率，Patterson[34]研究表明酚酸類物質(zhì)會(huì)引起大豆葉片光合作用的能力與葉綠素含量的下降，顯著地抑制大豆的生長(zhǎng)；杉木的化感物質(zhì)抑制幼苗營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期葉綠素的合成代謝，降低凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，抑制幼苗生長(zhǎng)[35]，本文中馬鈴薯表現(xiàn)出的隨連作年限增加葉片凈光合速率下降與連作過程中土壤化感物質(zhì)積累可能具有密切的關(guān)聯(lián)，這也是土壤健康影響馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)方面。MDA含量通常反映細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物遭受逆境傷害的程度；本研究發(fā)現(xiàn)，連作后馬鈴薯幼苗葉片MDA含量顯著上升(表3)，表明連作年限的增加會(huì)加重脂質(zhì)過氧化程度。

農(nóng)藝性狀的高低能夠最直觀地反映植物受到脅迫程度。本研究結(jié)果表明，隨著連作年限增加，馬鈴薯株高、莖粗、地上生物量和塊莖產(chǎn)量逐漸下降；在連作6 a時(shí)，土壤健康狀況的重度惡化減弱了馬鈴薯幼苗對(duì)逆境的防御性反應(yīng)及抗逆境能力，從而抑制了馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育，造成馬鈴薯株高、莖粗、地上部分重、塊莖產(chǎn)量均顯著低于對(duì)照(表4)。

綜上所述，馬鈴薯連作通過影響土壤理化性質(zhì)、降低土壤肥力相關(guān)酶活性、增加土壤中酚酸類物質(zhì)含量，改變土壤微生物組成，從而從整體上降低了土壤的健康狀況，嚴(yán)重影響馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育。