溝壟覆膜栽培對連作馬鈴薯根系分泌物和土壤養(yǎng)分的影響

趙章平，要凱，康益晨，張衛(wèi)娜，范艷玲，楊昕宇，張俊蓮，秦舒浩

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)為茄科茄屬作物，是甘肅省繼小麥、玉米后主要糧食作物之一[1]，具有營養(yǎng)價值豐富、糧菜飼兼用等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)業(yè)已成為帶動農(nóng)民致富、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)固發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，在保障農(nóng)民收益和糧食安全方面發(fā)揮著不可替代的作用[2].然而，隨著馬鈴薯種植面積的不斷擴(kuò)增，使得馬鈴薯連作現(xiàn)象加劇[3].連作造成作物生長代謝受阻、品質(zhì)及產(chǎn)量下降[4-5]，嚴(yán)重影響了馬鈴薯生產(chǎn)的整體經(jīng)濟(jì)效益.因此，如何在現(xiàn)有理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，探索出新途徑來緩解馬鈴薯的連作障礙，是目前馬鈴薯生產(chǎn)中亟待解決的問題.

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，化感作用是導(dǎo)致馬鈴薯連作障礙發(fā)生的主要原因之一[6]，而根系分泌物是誘發(fā)化感作用的關(guān)鍵影響因子.根系分泌物是作物根系和土壤間信息傳遞的介質(zhì)，是植物響應(yīng)外界環(huán)境脅迫的途徑，根系分泌物通過影響作物土壤養(yǎng)分狀況[7-8]和微生物群落結(jié)構(gòu)，從而影響作物根系對養(yǎng)分的吸收[9].連作時根系分泌物的積累使得化感作用增強(qiáng)，表現(xiàn)出明顯連作現(xiàn)象，造成作物生長發(fā)育受阻[10].張文明等[11]在馬鈴薯根系分泌物中鑒定出棕櫚酸、棕櫚酸甲酯、鄰苯二甲酸二丁酯為化感自毒物質(zhì)，且對作物抑制隨相對含量的升高而增強(qiáng)；耿廣東等[12]研究發(fā)現(xiàn)，化感物質(zhì)鄰苯二甲酸二丁酯、2,4-二叔丁基苯酚等顯著抑制了辣椒的生長；李朝嬋等[13]研究證實(shí)棕櫚酸是抑制野生露珠杜鵑生長的化感物質(zhì).另有研究表明，溝壟覆膜栽培能夠集雨增溫保墑，改善馬鈴薯根際土壤微環(huán)境、促進(jìn)作物對養(yǎng)分及水分的吸收利用[14].目前，有關(guān)溝壟覆膜種植模式對馬鈴薯土壤水分、土壤活性酶、產(chǎn)量與品質(zhì)等[15-16]方面的研究較多，但有關(guān)溝壟覆膜栽培對連作馬鈴薯根系分泌物和土壤養(yǎng)分方面的報道較少.因此，本試驗通過連作3年的馬鈴薯大田，研究溝壟覆膜栽培模式對連作馬鈴薯根系分泌物、土壤pH、電導(dǎo)率以及土壤養(yǎng)分的影響，以期為解決隴中半干旱區(qū)馬鈴薯連作問題提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2016年在甘肅省定西市農(nóng)科院試驗田進(jìn)行(E 104°35′，N 35°33′)，該地屬于半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，海拔高度1 950 m，年均氣溫6.4 ℃，年均降雨量為415.2 mm，≥10 ℃積溫為2 239.1 ℃.土壤類型為黃綿土，肥力均勻、土體較為疏松.試驗田概況見表1.

1.2 試驗設(shè)計

本試驗共設(shè)6個處理，為大田連作試驗，分別為平畦不覆膜栽培(CK)、平畦覆膜栽培(T1)、全膜壟播栽培(T2)、全膜溝播栽培(T3)、半膜壟播栽培(T4)、半膜溝播栽培(T5).2013年為第1年種植馬鈴薯(前茬作物是菊芋)，2016年為第3年連作，連續(xù)種植4 a.以‘新大坪’為供試材料，隨機(jī)區(qū)組排列；每個處理設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)間距40 cm，區(qū)組間距50 cm，株距35 cm，平均行距55 cm，小區(qū)面積為88.5 m2.各處理示意圖如圖1所示.

表1 試驗地土壤的主要理化性質(zhì)

圖1 不同栽培方式示意圖

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 根系分泌物提取 取盛花期根際土壤，自然風(fēng)干后過0.2 mm篩備用.每個處理3次重復(fù)，各處理分別取100 g根際土壤和250 mL乙酸乙酯加入錐形瓶中，用恒溫水浴振蕩器提取6 h，振蕩頻率為110次/min，溫度為25 ℃，在常溫下靜置6 h后用濾紙過濾得到根系分泌物提取液.將旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的溫度設(shè)定為35 ℃，依次放入各處理提取液濃縮至1 mL，將濃縮液過0.22 μm濾膜后裝入專用棕色試樣瓶中，放入-20 ℃冰箱以備進(jìn)行GC-MS分析鑒定[17].

1.3.2 根系分泌物的GC-MS分析 采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀鑒定根系分泌物，色譜型號為6890N GC system，質(zhì)譜型號為5973 Mass selective，色譜柱:ov1701(60 m×0.25 μm×0.5 μm).色譜條件：40 ℃保持1 min，2 ℃/min 升溫至220 ℃后保持40 min.進(jìn)樣口溫度為260 ℃，進(jìn)樣量1 μL，不分流進(jìn)樣，流速1 mL/min，載氣為高純氦氣.質(zhì)譜條件：四級桿150度，轟擊電壓和掃描范圍分別為70 eV、15～550 amu(M/Z).通過計算機(jī)檢索系統(tǒng)從NIST質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行未知物色譜的鑒定.

1.3.3 根際土壤電導(dǎo)率、pH和養(yǎng)分含量的測定 電導(dǎo)率采用雷磁 DDSJ-308A儀測定[18]，pH采用酸度計測定.參照《土壤農(nóng)化分析》[19]測定有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀的含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS 19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，LSD 法進(jìn)行差異顯著性比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 溝壟覆膜栽培對連作馬鈴薯根系分泌物的影響

由表2可知，各處理根系分泌物分別鑒定出24種、26種、22種、23種、21種、23種化合物，以酯類、烴類相對含量較高，平均為56.21%、21.86%.有11種化合物在6個處理中均被鑒定出來，其中棕櫚酸、鄰苯二甲酸二丁酯、棕櫚酸甲酯和2,4-二叔丁基苯酚均被報道是化感物質(zhì)，平均相對含量為2.33%、5.76%、8.38%、2.33%.不同處理間四種化感物質(zhì)相對含量表現(xiàn)出顯著差異，以CK處理相對含量最高，T1處理次之，T2處理最低，各處理棕櫚酸相對含量較CK降低15.43%～55.56%，鄰苯二甲酸二丁酯含量較CK降低7.70%～51.43%，棕櫚酸甲酯較CK降低29.77%～73.17%，2,4-二叔丁基苯酚相對含量較CK降低27.16%～50.61%.此外，不同覆膜方式處理下化感物質(zhì)含量也表現(xiàn)出明顯差異，表現(xiàn)為T2>T3>T5>T4>T1.可見，與平畦不覆膜相比，溝壟覆膜栽培可顯著降低連作馬鈴薯根系分泌物中化感物質(zhì)的相對含量，且全膜壟播栽培效果優(yōu)于全膜溝播，半膜溝播優(yōu)于半膜壟播處理.

與CK相比，T1處理馬鈴薯根系分泌物種類增加了8.33%，其余各處理根系分泌物種類分別減少了8.33%、4.16%、12.5%、4.16%，不同處理間化合物總的相對含量表現(xiàn)出顯著差異，各處理酯類化合物總相對含量較CK降低3.15%～32.36%，酸類化合物總相對含量較CK降低了1.94%～55.22%，而不同處理間烴類和醇類化合物相對含量雖存在差異，但整體未表現(xiàn)出明顯變化規(guī)律.這表明溝壟覆膜栽培能明顯降低根系分泌物種類及酯類和酸類化合物的含量.

表2 溝壟覆膜連作馬鈴薯主要根系分泌物物質(zhì)成分

續(xù)表2 Continuedtable2物質(zhì)種類Sortofcompounds保留時間/minRetentiontime化合物Compound相對豐度/%RelativeamountaCKT1T2T3T4T5醇類Acohol4.86異丁醇2-Methyl-1-propanol0.36c1.17b0.26c1.33b2.11a2.34a5.324-甲基-1-戊醇4-Methyl-1-pentanol---0.68c1.03b1.41a53.86二十烷醇1-Eicosanol0.27b--7.48a-0.56b73.222-十六烷醇2-Hexadecanol0.39c1.93b0.26c3.34a0.43c3.50a合計Total1.02d3.10c0.52d12.83a3.57c7.81b酚類Phenols7.923,5-二叔丁基鄰苯二酚3,5-Di-tert-butylcatechol0.66d2.61c0.81d4.09b4.33ab4.61a9.382,4-二叔丁基苯酚2,4-Di-tert-butylphenol3.24a2.36b1.60c1.83c2.10b2.85ab11.71十二烷基苯酚Dodecyl-Phenol-0.66b1.02a1.36a--51.62對辛氧基苯酚4-Octyloxyphenol-0.88b-1.88a0.10c0.25c合計Total3.90d6.51c3.43d9.16a6.53c7.71b

2.2 溝壟覆膜栽培對連作馬鈴薯根際土壤pH的影響

由表3可知，在不同生育期各處理根際土壤pH均呈下降趨勢.在苗期，各處理土壤pH 均高于對照，但不同處理間均未達(dá)到顯著差異；在盛花期，各處理與CK間差異均達(dá)顯著水平，土壤 pH 具體表現(xiàn)為 T2>T4>T5>T1>T3>CK；在成熟期，T2、T3和T4處理土壤 pH均顯著性高于CK,其它處理與CK 間差異不顯著，表現(xiàn)為 T3>T2>T4>T5>T1>CK.在全生育期內(nèi)，溝壟覆膜處理組根際土壤pH均高于對照.

表3 溝壟覆膜栽培對連作馬鈴薯根際土壤pH的影響

不同小寫字母表示在0.05水平下不同處理差異顯著.

The small letters in the same column means that the differences among treatments are significant atP<0.05.

2.3 溝壟覆膜栽培對連作馬鈴薯根際土壤電導(dǎo)率的影響

由圖2可知，在不同生育期各處理土壤電導(dǎo)率均呈明顯上升趨勢.在苗期，除T2處理與CK差異顯著外，其余各處理與CK無顯著差異，具體表現(xiàn)為CK>T1>T5>T3>T4>T2；馬鈴薯盛花期，除T1處理外，其它各處理與對照間差異均達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為 CK>T1>T5>T4>T2>T3；在成熟期，T2、T4處理與CK間存在顯著差異，其他各處理較CK差異不顯著，表現(xiàn)為 CK>T5>T1>T3>T4>T2.在馬鈴薯整個生育期內(nèi)，溝壟覆膜處理組土壤電導(dǎo)率均低于對照，降幅為23.8%～34.1%.

圖2 溝壟覆膜栽培對連作馬鈴薯根際土壤電導(dǎo)率的影響

2.4 溝壟覆膜栽培對連作馬鈴薯根際土壤養(yǎng)分的影響

由表4可知，在馬鈴薯不同生育期內(nèi)各處理有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢.在苗期，以T3處理含量最高，其余各處理間無顯著差異；在盛花期，各處理較CK差異顯著，增幅為11.7%～31.6%；馬鈴薯成熟期，除T1和T4處理外，其余各處理較CK差異均達(dá)顯著水平，增幅為 3.9%～29.0%.在全生育期內(nèi)各處理有機(jī)質(zhì)含量均高于對照，且以T2處理含量最高.

隨著馬鈴薯生育期的推進(jìn)，根際土壤速效氮含量逐漸降低，各處理速效氮平均含量較CK提高了11.47%～45.91%，較T1處理提高5.94%～30.89%，溝壟覆膜處理組中，T2處理平均含量較T4提高12.82%，T3處理較T5提高23.11%.根際土壤速效磷含量呈先上升后下降的變化趨勢,各處理速效磷平均含量較CK增幅為17.88%～36.96%，具體表現(xiàn)為T3>T2>T4>T5>T1>CK.在馬鈴薯生育期內(nèi)，根際土壤速效鉀含量逐漸降低，各處理速效鉀平均含量較CK提高1.77%～16.71%，較T1處理提高1.09%～14.68%，此外，各處理速效鉀含量均表現(xiàn)為T2高于T4處理，T3高于T5處理.由此發(fā)現(xiàn)，溝壟覆膜栽培可顯著提高馬鈴薯根際土壤養(yǎng)分含量，且全膜覆蓋效果優(yōu)于半膜覆蓋.

表4 溝壟覆膜栽培對連作馬鈴薯根際土壤養(yǎng)分的影響

3 討論

溝壟覆膜栽培可通過改善作物根際土壤微環(huán)境，進(jìn)而影響作物根系分泌物的釋放和土壤理化性質(zhì)的改變[20].本試驗研究表明，不同覆膜處理根系分泌物中主要含有酯類、烴類、酸類、醇類、酚類、酰胺類化合物，這與張文明等[21]在馬鈴薯上的研究結(jié)果基本一致，說明連作馬鈴薯根系分泌物所產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)基本一致，但不同處理間化合物種類和相對含量有所差異.與平畦不覆膜相比，溝壟覆膜栽培減少了連作馬鈴薯根系分泌物的種類，可顯著降低化感物質(zhì)棕櫚酸、鄰苯二甲酸二丁酯、棕櫚酸甲酯和2,4-二叔丁基苯酚的相對含量，減緩了因化感物質(zhì)累積對作物的毒害作用.這與國外學(xué)者[22]在玉米上的研究結(jié)果基本一致，這可能是由于覆膜栽培改善了膜下土壤水分狀況、溫度及根際環(huán)境，減少根系分泌物中自毒物質(zhì)的產(chǎn)生，有效緩解連作障礙對馬鈴薯生長的影響.Larkin[23]研究發(fā)現(xiàn)，連作導(dǎo)致土壤中有機(jī)酸類物質(zhì)的積累，嚴(yán)重影響了馬鈴薯的生長發(fā)育.而本試驗發(fā)現(xiàn)，溝壟覆膜栽培可顯著減少酸類化合物的相對含量，最高降幅可達(dá)55.22%，從而減輕酸類物質(zhì)對作物的毒害.

本研究發(fā)現(xiàn)，在不同生育期內(nèi)溝壟覆膜處理組土壤pH均高于平畦不覆膜處理，且全膜覆蓋高于半膜覆蓋，這與王東等[24]的研究結(jié)果相同，這可能是由于全膜覆蓋栽培能夠改善土壤根際環(huán)境，降低根系分泌物中酸類化合物的含量有關(guān).前人研究發(fā)現(xiàn)[25]，當(dāng)電導(dǎo)率為 0.40 ms/cm時達(dá)到馬鈴薯的耐鹽上限，而本試驗發(fā)現(xiàn)，溝壟覆膜栽培可顯著降低馬鈴薯根際土壤電導(dǎo)率，降幅達(dá)23.8%～34.1%，尤其以全膜壟播及溝播處理電導(dǎo)率最低，隨著馬鈴薯生育期的推進(jìn)，土壤電導(dǎo)率不斷提高，在成熟期電導(dǎo)率開始接近生長極限，最高達(dá)361.67 μs/cm，這與要凱等[26]研究結(jié)果相似，這可能是由于馬鈴薯生長后期氣溫較高，降雨少，鹽分隨水分向土壤表層上移的緣故.本試驗研究發(fā)現(xiàn)，在馬鈴薯全生育期內(nèi)，溝壟覆膜栽培促進(jìn)了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，顯著提高了馬鈴薯根際土壤中有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀含量，這與孫立濤等[27]的研究結(jié)果基本相似，這表明溝壟覆膜栽培有利于蓄水保墑、培肥地力，促進(jìn)土壤微生物活動，改善馬鈴薯根際微環(huán)境，從而減輕連作障礙帶來的危害，有利于馬鈴薯生長發(fā)育.

4 結(jié)論

不同栽培模式下連作馬鈴薯根系分泌物中分別鑒定出了24種、26種、22種、23種、21種、23種化合物，主要含有酯類、烴類、酸類、醇類、酚類、酰胺類化合物.溝壟覆膜栽培可明顯減少連作馬鈴薯根系分泌物的種類，顯著降低化感物質(zhì)棕櫚酸、鄰苯二甲酸二丁酯、棕櫚酸甲酯和2,4-二叔丁基苯酚的含量，有效緩解化感物質(zhì)積累對馬鈴薯的自毒作用.同時，溝壟覆膜栽培還可提高土壤 pH，降低土壤電導(dǎo)率，促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，增加馬鈴薯根際土壤中速效氮、速效磷及速效鉀的含量，從而提高土壤肥力.