秸稈腐解物對豇豆連作土壤性質(zhì)及幼苗生理指標(biāo)的影響

陳 昱 張福建 范淑英 王 豐 王 強(qiáng) 吳才君

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江西 南昌 330045)

豇豆(VignaunguiculataL. Walp.)富含維生素和植物蛋白質(zhì)，且適應(yīng)性強(qiáng)、栽培范圍廣，是我國重要的蔬菜作物之一。豇豆極易發(fā)生連作障礙，連年種植易導(dǎo)致土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)失衡，病原菌增多和土傳病害加重。此外，豇豆根系分泌的自毒物質(zhì)也會直接抑制其根系的生長，最終導(dǎo)致豇豆生長發(fā)育受阻，產(chǎn)量減少、品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響其經(jīng)濟(jì)效益[1]。研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以提高土壤肥力，且還田后的秸稈還能介導(dǎo)下茬作物、土壤和微生物三者之間的根際相互關(guān)系。秸稈腐解后的特性和根系微生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)[2]。連作障礙嚴(yán)重時，秸稈還田可以增加土壤孔隙度和形成良好土壤結(jié)構(gòu)，改良土壤物理性質(zhì)[3]，促進(jìn)蔬菜根系生長，進(jìn)而提高蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)[4]。研究發(fā)現(xiàn)作物秸稈中含有大量的有機(jī)質(zhì)和植物生長所必需的營養(yǎng)元素(如C、N、P、K等)和其他微量元素[5-6]，可作為碳源補(bǔ)充土壤有機(jī)碳，有利于提高土壤有機(jī)碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分[7]，提升土壤的保水保肥能力和生物活性，同時還能促進(jìn)土壤微生物數(shù)量的增加，使微生物群落結(jié)構(gòu)向著有益方向發(fā)展[8]。由此可見，作物秸稈良好的生態(tài)效應(yīng)對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

十字花科植物含有的芥子油被酶水解后生成異硫氰酸類物質(zhì)，具有抗菌活性，能夠改變土壤微生物結(jié)構(gòu)，從而抑制病害的發(fā)生[9-10]。研究發(fā)現(xiàn)不同芥菜生物熏蒸能夠減輕黃瓜枯萎病的發(fā)生，其中高硫含量的芥菜對黃瓜枯萎病的抑制效果優(yōu)于低硫含量芥菜；同時能夠顯著提高土壤微生物的多樣性，降低土壤中真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量，改善土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)，有利于減輕連作障礙的危害[11]。研究表明，在多種腐解物中，大蒜腐解物處理的土壤中蛋白酶、脫氫酶和堿性磷酸酶活性最高，土壤各養(yǎng)分含量顯著增加，同時增加了土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量，降低了真菌數(shù)量[12]。目前，大蒜能夠緩解作物的連作障礙已經(jīng)在番茄[13]、黃瓜[14]和茄子[15]等作物上得到證實(shí)，但關(guān)于芥菜秸稈腐解物和大蒜秸稈腐解物對豇豆連作土壤微生態(tài)環(huán)境和豇豆幼苗相關(guān)生理指標(biāo)影響的研究尚鮮見報(bào)道。本研究通過將芥菜和大蒜秸稈腐解物加入多年連作豇豆土壤中，探究其對豇豆連作土壤性質(zhì)及豇豆幼苗生長的影響，以期為克服豇豆生產(chǎn)的連作障礙提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試豇豆品種為華贛彩蝶—綠帥，芥菜品種為芥菜筍，均由江西華農(nóng)種業(yè)有限公司提供；大蒜品種為江西本地紅皮大蒜，購自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)菜市場，均在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)園蔬菜基地種植。

供試土壤為旱地連作5年紅壤土，由江西華農(nóng)種業(yè)有限公司提供。土壤基本理化性質(zhì)為pH值6.4、堿解氮50.7 mg·kg-1、有效磷23.31 mg·kg-1、速效鉀360.4 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)19.3 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

試驗(yàn)于2017年10月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生實(shí)驗(yàn)組培室進(jìn)行，芥菜和大蒜秸稈在室溫下自然晾干，粉碎，密閉干燥后保存?zhèn)溆?。試?yàn)共設(shè)置芥菜秸稈腐解物(T1)、大蒜秸稈腐解物(T2)、對照(不添加植株粉碎物的豇豆連作土，CK)3個處理。參照楊瑞平[12]的培養(yǎng)方式，秸稈粉碎物分別與豇豆連作地土壤按照1∶50的干重比混勻后，裝入塑料箱(長×寬×高=50 cm×30 cm×20 cm)中，每個塑料箱中加入適量的蒸餾水，同時調(diào)節(jié)土壤相對濕度為田間最大持水量的50%，黑暗條件下進(jìn)行分解培養(yǎng)試驗(yàn)，每隔7 d對塑料箱進(jìn)行稱重，補(bǔ)充水分，保持土壤相對濕度基本不變，培養(yǎng)30 d后采用S型取樣法采集土壤，4℃保存鮮土，用于真菌、細(xì)菌和放線菌分離計(jì)數(shù)。風(fēng)干土用于土壤理化性質(zhì)測定。各處理土壤分別裝于規(guī)格為11 cm×10 cm的塑料小盆中，選取發(fā)芽一致的豇豆種子直接播種，每盆2顆，每個處理10盆，3次重復(fù)，試驗(yàn)過程不添加任何肥料，15 d后測定豇豆生長指標(biāo)，并采集豇豆葉片用于抗氧化酶活性、MDA和葉綠素含量的測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤微生物測定 采用稀釋平板法測定微生物數(shù)量；采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基測定細(xì)菌數(shù)量；采用高氏1號培養(yǎng)基測定放線菌數(shù)量；采用馬丁氏培養(yǎng)基測定真菌數(shù)量[16]。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)測定 參照關(guān)松蔭[17]的方法測定土壤酶活性：脲酶活性采用靛酚比色法測定，以反應(yīng)24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以24 h后1 g土壤中葡萄糖毫克數(shù)表示；多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚比色法測定，以2 h后1 g土壤中生成的紫色沒食子素的毫克數(shù)表示；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中釋放出的酚的毫克數(shù)表示。土壤pH值采用Five Easy Plus pH 儀(上海梅特勒托利多儀器有限公司)測定，土壤電導(dǎo)率(electric conductivity, EC)采用HI-2315型電導(dǎo)率儀(意大利HANNA公司)測定，其土水比均為1∶5。

1.3.3 生長指標(biāo)測定 采用卷尺和游標(biāo)卡尺分別測量株高(cm)和莖粗(mm)；采用天平測量鮮干重(g)。

1.3.4 生理指標(biāo)測定 葉綠素含量測定參照李合生[18]的方法。參照Cakmak等[19]的方法測定過氧化氫酶(catalase，CAT)和過氧化物酶(peroxidase，POD)活性；參照Stewart等[20]的方法測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性；采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)比色法[18]測定丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Bruce等[21]提出的化感效應(yīng)指數(shù)(response index，RI)衡量不同腐解物各項(xiàng)指標(biāo)的化感效應(yīng)，按照公式計(jì)算RI：

RI=1-C/T

(1)

式中，C為對照值，T為處理值。RI>0表示促進(jìn)，RI<0表示抑制，其絕對值大小與化感作用強(qiáng)度一致。綜合效應(yīng)(synthesis effect，SE)為同一處理下各項(xiàng)指標(biāo)RI的算術(shù)平均值。

利用Microsoft Office Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；采用SPSS 20.0進(jìn)行相關(guān)性分析，并運(yùn)用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較(P<0.05)；利用Graph Pad軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈腐解物對豇豆連作土壤中微生物數(shù)量的影響

土壤微生物種類豐富，其中最主要的三大類菌分別是真菌、細(xì)菌和放線菌。土壤微生物參與土壤發(fā)育的整個過程，也是土壤生命活體的主要組成部分。由表1可知，與CK相比，芥菜(T1)和大蒜(T2)秸稈腐解處理均能顯著降低土壤真菌數(shù)量，分別降低了45.08%和33.80%；同時，二者均顯著提高了細(xì)菌和放線菌數(shù)量，其中T2處理的細(xì)菌數(shù)量最高，增幅為111.71%；T1處理的放線菌數(shù)量最高，增幅達(dá)到46.22%。

表1 不同秸稈腐解物對豇豆連作土微生物數(shù)量的影響Table 1 Effect of different crops decomposition on on microbe quantities with cowpea continuous cropping soil

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different lowercase in the same column indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.

2.2 不同秸稈腐解物對豇豆連作地土壤酶活性的影響

土壤酶參與土壤生態(tài)系統(tǒng)的代謝過程，是土壤中的生物催化劑，與土壤微生物和養(yǎng)分含量密切相關(guān)。由圖1可知，與CK相比，T1和T2處理均能顯著提高豇豆連作土壤脲酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性，其中T1處理的土壤脲酶和多酚氧化酶活性最高，較CK分別顯著增加了10.74%和93.02%，而T2處理的酸性磷酸酶活性最高，增幅175.80%。此外，T1處理的土壤蔗糖酶活性最高，較CK顯著提高了283.83%，而T2處理的土壤蔗糖酶活性與CK間無顯著差異。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase indicate significant difference at 0.05 level among treatments. The same as following.圖1 不同秸稈腐解物對豇豆連作地土壤酶活性的影響Fig.1 Effect of different crops decomposition on soil enzyme activity with cowpea continuous cropping soil

2.3 不同秸稈腐解物對豇豆連作地土壤pH值和電導(dǎo)率的影響

土壤pH值與土壤養(yǎng)分的釋放和有害物質(zhì)的產(chǎn)生密切相關(guān)，是土壤的化學(xué)和物理性質(zhì)表現(xiàn)形式之一；土壤電導(dǎo)率決定了土壤的鹽分含量，能夠直接影響作物對養(yǎng)分和水分的吸收。由圖2-A可知，T1處理的土壤pH值最高，與CK相比，T1和T2處理均能顯著提高豇豆連作土壤pH值，分別顯著提高了0.86和0.74個單位；由圖2-B可知，T1的土壤電導(dǎo)率最低，與CK相比，T1和T2處理均能顯著降低豇豆連作土壤電導(dǎo)率，分別降低了0.29和0.23 mS·cm-1。

圖2 不同秸稈腐解物對豇豆連作地土壤pH值和電導(dǎo)率的影響Fig.2 Effect of different crops decomposition on soil pH and value electric conductivity with cowpea continuous cropping soil

2.4 不同秸稈腐解物化感效應(yīng)綜合評價(jià)

由表2可知，除真菌和電導(dǎo)率指標(biāo)表現(xiàn)出化感抑制外，其他指標(biāo)表現(xiàn)為化感促進(jìn)作用。T1處理下的真菌、放線菌、脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、pH值和電導(dǎo)率的化感效應(yīng)指數(shù)均較高；T2處理下，僅細(xì)菌和酸性磷酸酶指標(biāo)的化感效應(yīng)指數(shù)較高；芥菜和大蒜秸稈腐解處理化感綜合效應(yīng)均大于0，表現(xiàn)為化感促進(jìn)作用，其中芥菜秸稈腐解處理化感綜合效應(yīng)較高。

表2 不同秸稈腐解物化感效應(yīng)綜合評價(jià)Table 2 Allelopathy comprehensive evaluation of different crops decomposition

2.5 不同秸稈腐解物對豇豆幼苗生長指標(biāo)的影響

逆境脅迫下，植株生長受到抑制，生長指標(biāo)是植物對逆境脅迫響應(yīng)的綜合體現(xiàn)。由表3可知，T1和T2處理均能促進(jìn)豇豆幼苗生長發(fā)育，且T1處理效果更佳。T1處理的株高、莖粗、鮮重、干重和壯苗指數(shù)較CK分別顯著增加了34.73%、9.33%、87.11%、100%和108.77%。與CK相比，T2處理提高了豇豆幼苗的株高、莖粗、干重和壯苗指數(shù)，分別增加8.12%、0.89%、13.04%和15.79%，但無顯著差異。

表3 不同秸稈腐解物對豇豆幼苗生長指標(biāo)的影響Table 3 Effect of different crops decomposition on growth indexes of cowpea seedling

2.6 不同秸稈腐解物對豇豆幼苗葉片葉綠素含量的影響

葉綠素含量直接影響植物的光合作用強(qiáng)弱。由表4可知，T1和T2處理均能顯著提高豇豆幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量，其中T2處理的葉綠素a+b含量最高。與CK相比，T1處理的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量分別顯著增加了40.65%、42.86%和41.21%；T2處理也顯著提高了豇豆幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量，分別較CK增加47.15%、54.76%和49.09%。

表4 不同秸稈腐解物對豇豆幼苗葉片葉綠素含量的影響Table 4 Effect of different crops decomposition on chlorophyll content in cowpea seedling leaves /(mg·g-1)

2.7 不同秸稈腐解物對豇豆幼苗葉片抗氧化酶活性及MDA含量的影響

抗氧化酶系統(tǒng)能保護(hù)植物受到免受自由基的傷害。由圖3可知，T1和T2處理均能顯著降低豇豆幼苗MDA含量，分別較CK降低了17.18%、14.92%。與CK相比，T1處理能顯著提高豇豆幼苗CAT、POD和SOD活性，增幅分別為16.32%、19.21%和10.92%；T2處理的POD、SOD活性較CK分別增加了4.55%、10.14%，而CAT活性低于CK，但T2處理的CAT和POD活性與CK間均無顯著性差異。

圖3 不同秸稈腐解物對豇豆幼苗葉片抗氧化酶活性及MDA含量的影響Fig.3 Effect of different crops decomposition on antioxidant enzyme activity and MDA content in cowpea seedling leaves

3 討論

連作障礙易造成微生物區(qū)系和土壤酶活性紊亂。土壤微生態(tài)環(huán)境的改變，對作物的生長發(fā)育、光合作用和保護(hù)酶活性等均有影響，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[22-23]。研究表明，秸稈還田措施或秸稈腐解物可以影響土壤微生物活性，使土壤微生物數(shù)量明顯上升，改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤保水保肥的能力，還能促進(jìn)土壤酶活性的提高[24-27]。土壤微生物在生態(tài)環(huán)境中具有不可替代的作用，它既是分解者，又是生產(chǎn)者，土壤微生物含量越高，其微生物群落功能越豐富，表明土壤肥力越充足[28-30]。本研究中，2種秸稈腐解處理均能顯著提高細(xì)菌和放線菌數(shù)量，降低真菌數(shù)量，微生物總量也明顯上升。這與Frilerg等[31]的結(jié)論一致。究其原因，可能是秸稈腐解物給土壤補(bǔ)充了豐富的碳源和氮源以供微生物吸收利用，同時土壤微生態(tài)環(huán)境營養(yǎng)更加充裕，有利于微生物生長和繁殖，從而改善了土壤微生物結(jié)構(gòu)，增加了微生物數(shù)量，進(jìn)而促進(jìn)了土壤生物活性的提升[32]。

土壤酶的來源主要包括植物根系分泌釋放、微生物釋放以及土壤動物和動植物殘?bào)w的釋放，其中蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶與土壤中碳、氮、磷循環(huán)及酚酸氧化代謝密切相關(guān)[17]。研究表明，連作障礙會降低土壤酶活性，導(dǎo)致土地可持續(xù)利用能力下降[33-34]。而在不同施肥模式中以配施秸稈還田措施土壤酶活性相對較高[35]。本試驗(yàn)中，2種秸稈腐解30 d后均能顯著提高豇豆連作地土壤脲酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性，且能提高土壤蔗糖酶活性。這與韓旭[36]研究大蒜秸稈腐解物對土壤酶影響的結(jié)果類似。土壤酶活性參與土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝過程，并與土壤微生物和養(yǎng)分含量密切相關(guān)。廣義上來說，作物秸稈可以作為一種有機(jī)肥[30]。研究表明，土壤微生物含量越高，土壤酶活性越強(qiáng)。土壤酶活性增強(qiáng)可能是由于2種秸稈腐解處理能增加土壤微生物數(shù)量，從而促使土壤酶活性增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)秸稈中含有較多酚酸類物質(zhì)[36]，而外源酚酸化合物對土壤過氧化氫酶活性、脲酶活性均有促進(jìn)作用[37]，這可能也是土壤酶活性提高的原因之一。研究表明，隨著種植年限的增加，土壤pH值逐年下降，而電導(dǎo)率則呈逐漸上升的趨勢[38]。適宜的土壤pH值和電導(dǎo)率對蔬菜作物的生長發(fā)育有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)綠肥翻壓可以增強(qiáng)土壤物理性狀[39]，芥菜生物熏蒸處理能顯著提高連作土壤的pH值，降低土壤電導(dǎo)率[40]，大蒜秸稈腐解物處理也能顯著提高連作土壤的pH值，降低土壤電導(dǎo)率[36]。這與本研究結(jié)果相同。本研究中，2種秸稈腐解物的化感效應(yīng)均為促進(jìn)作用。這可能是秸稈含有的有機(jī)質(zhì)或化感物質(zhì)混入連作土壤中，改變了土壤的微生物種群和數(shù)量，激活了土壤酶生物活性，從而影響了土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而改善了連作土壤的生態(tài)壞境。

連作障礙對作物的生長發(fā)育、光合作用、酶活性等生理過程都有影響，且能夠加劇土傳病害的發(fā)生，從而抑制作物生長，降低產(chǎn)量與品質(zhì)[22-23]。研究發(fā)現(xiàn)秸稈翻埋土壤有利于作物的生長發(fā)育[41]，高硫芥菜加麥麩翻埋土壤處理能顯著提高黃瓜莖粗、株高、葉面積、地下部干重和地上部干重等指標(biāo)[40]。本研究結(jié)果表明，芥菜和大蒜秸稈腐解處理能提高連作豇豆幼苗株高、莖粗、鮮重、干重和壯苗指數(shù)等指標(biāo)，但僅芥菜秸稈腐解處理與CK差異顯著。葉綠素含量可以反映植物葉片對光能吸收和利用的能力。研究發(fā)現(xiàn)秸稈和綠肥還田措施能顯著提高烤煙SPAD值和光合指標(biāo)，并改善烤煙生長中后期的農(nóng)藝性狀，從而提高烤煙產(chǎn)量和產(chǎn)值[42]。本研究發(fā)現(xiàn)芥菜秸稈腐解處理均能顯著提高豇豆葉綠素含量，這可能與豇豆幼苗生長指標(biāo)的提升有關(guān)。植物清除體內(nèi)的活性氧需要依賴CAT、POD和SOD等抗氧化酶，以達(dá)到保護(hù)自身免受危害的目的[43]。研究表明，連作土壤會顯著影響作物的生長，降低植株幼苗鮮重、主根長、株高及SOD、CAT活性，致使MDA含量升高，從而破壞其抗氧化酶系統(tǒng)[44]，而秸稈混入土壤中腐解能提高作物抗氧化酶活性，降低MDA含量[36]。這與本研究結(jié)果類似。本研究中，芥菜秸稈腐解處理能顯著提高豇豆CAT、POD和SOD活性，降低MDA含量；大蒜秸稈腐解處理能提高POD和SOD活性，降低CAT活性，同時顯著降低MDA含量，進(jìn)一步證實(shí)了秸稈腐解物的作用效果具有選擇性。綜上，秸稈腐解物能改善豇豆連作土壤的生態(tài)壞境，有利于豇豆根系吸收養(yǎng)分和生長，促進(jìn)豇豆幼苗的生長發(fā)育，從而提高豇豆幼苗葉綠素含量和抗氧化酶活性。

4 結(jié)論

芥菜和大蒜秸稈腐解處理通過化感作用能顯著提高豇豆連作土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量，降低有害真菌數(shù)量；增強(qiáng)土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性，提高土壤pH值，降低土壤電導(dǎo)率，改善土壤的理化性質(zhì)，二者的化感綜合效應(yīng)均表現(xiàn)出化感促進(jìn)作用，有利于連作土壤的微生態(tài)環(huán)境向有益的方向發(fā)展。腐解后種植豇豆還能促進(jìn)其生長發(fā)育，提高葉片葉綠素含量，同時保護(hù)豇豆幼苗抗氧化系統(tǒng)并降低MDA含量，其中以芥菜腐解處理效果更佳。