連作障礙對黨參根際土壤微環(huán)境的影響

邱黛玉，杜毛笑，巫 蓉，任鳳英，陳 垣，胡芳弟

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅省中藥材規(guī)范化生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新重點實驗室，甘肅蘭州730070；2.南京市六合區(qū)中醫(yī)院，江蘇南京211500；3.蘭州大學(xué)藥學(xué)院，甘肅蘭州730000）

黨參（Codonopsis pilosula）是甘肅省道地藥材，在2018年被列入藥食同源目錄后，其市場需求不斷上升。甘肅是黨參的主產(chǎn)區(qū)，黨參輪作倒茬年限較長，有限的栽培區(qū)域和日益上升的需求壓力，使甘肅省成為了黨參連作障礙的多發(fā)區(qū)。連作障礙會導(dǎo)致黨參產(chǎn)地病蟲草害嚴(yán)重，產(chǎn)量下降，致使道地產(chǎn)區(qū)無法產(chǎn)出最優(yōu)質(zhì)藥材，甚至藥材質(zhì)量難以保障，因此連作障礙已成為制約黨參生產(chǎn)的嚴(yán)重問題。連作障礙［1］會導(dǎo)致土壤各方面性質(zhì)發(fā)生改變，即使采用了較好的管理措施，還是會造成植物病蟲害嚴(yán)重，產(chǎn)量降低，品質(zhì)低劣。連作障礙不僅在藥用植物種植中多發(fā)，在蔬菜、果樹等領(lǐng)域也較為普遍；連作障礙不僅存在于我國栽培產(chǎn)業(yè)中，在日本連作障礙被稱為忌地現(xiàn)象，在歐美等國家則稱之為再植病害或再植問題［2-3］。為探明連作障礙對黨參根際土壤微環(huán)境的影響，本試驗將連作茬口與輪作茬口的黨參根際土壤的pH 值、有機質(zhì)含量、速效養(yǎng)分含量和酶活性進行對比，以期為黨參連作障礙方面的研究提供參考和借鑒。

1 材料

試驗采用宕昌縣六合中藥材合作社提供的大小均勻、無病害腐爛的黨參苗（苗長22±4 cm，直徑3.27 ± 1.22 mm，單苗鮮重2.17 ± 1.11 g），輪作和連作茬的黨參苗于同一時間移栽，用于大田對比試驗。

2 方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019 年在甘肅省隴南西北部宕昌縣理川鎮(zhèn)拉沙村進行，試驗地位于東經(jīng)104°18′ 與北緯34°20′ ，海拔2 150 m，年均日照2 100 h 左右，年均氣溫6.7℃，年均降水量534 mm，年均無霜期132 d，屬溫帶大陸性氣候區(qū)。

2.2 試驗設(shè)計

試驗于2018 年進行茬口培育，2019 年3 月~11月進行試驗，選擇輪作和連作兩個茬口，輪作處理前茬為黃芪。每處理設(shè)置三個重復(fù)，共6 個小區(qū)。每小區(qū)面積為3.5 m×5.5 m，小區(qū)間距40 cm。黨參苗以株距8 cm、行距15 cm 進行移栽，施肥及田間管理措施相同。

2.3 測定指標(biāo)及方法

2.3.1 黨參根際土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量

根際土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分測定參照文獻［4］，其中：pH采用酸度計法；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提法；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法；硝態(tài)氮、銨態(tài)氮采用氯化鉀浸提，全自動間斷化學(xué)分析儀測定。

2.3.2 黨參根際土壤酶活性

根際土壤酶活性測定參照文獻［5］，其中：過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；堿性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法；蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法。

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019 處理，SPSS 19.0軟件進行單因素方差統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 連作對黨參根際土壤理化性質(zhì)的影響

由表1 可知，黨參移栽前與收獲期兩茬口黨參根際土壤pH 值在8.14~8.16 之間波動，變化無顯著差異，連作和輪作茬口之間亦無顯著差異，即黨參短期連作對土壤pH 值無明顯影響。從移栽前（3 月21 日）測定的數(shù)據(jù)來看，至收獲期，同一時期連作茬口的黨參根際土壤有機質(zhì)含量均顯著低于輪作茬口，連作導(dǎo)致了黨參根際土壤有機質(zhì)含量的降低。

表1 黨參根際土壤理化性質(zhì)的變化動態(tài)（xˉ±s，n=3）Tab.1 Dynamics of physical and chemical properties of rhizosphere soil of C.pilosula（xˉ±s，n=3）

3.2 連作對黨參根際土壤速效養(yǎng)分的影響

3.2.1 黨參根際土壤速效磷含量的變化動態(tài)

兩茬口黨參土壤速效磷含量在整個生長期中都呈下降趨勢（圖1），且連作茬口的土壤速效磷含量較輪作茬口低10.09%，各生長期兩茬口黨參土壤速效磷含量均差異顯著。至采挖時（10月19日），輪作和連作茬口較移栽前分別顯著下降了22.69%和25.78%；收 獲期連作茬口較輪作茬口顯著下降了17.63%。

圖1 黨參根際土壤速效磷含量的變化動態(tài)Fig.1 Dynamics of available phosphorus content in rhizosphere soil of C. pilosula注：1.字母表示在P＜0.05的水平上差異顯著；2.顯著性是相同時間下兩種制度比較，下同。

3.2.2 黨參根際土壤硝態(tài)氮含量的變化動態(tài)

整個試驗周期，黨參根際土壤硝態(tài)氮含量均呈下降趨勢（圖2），連作茬口均低于輪作茬口。整個生育期內(nèi)，連作較輪作茬口土壤硝態(tài)氮含量顯著下降了13.93%。采挖時的輪作和連作茬口的土壤硝態(tài)氮含量顯著低于移栽前的23.22%和26.14%；采挖時連作茬口的土壤硝態(tài)氮含量較輪作茬口下降了20.42%，兩者差異顯著。

3.2.3 黨參根際土壤銨態(tài)氮含量的變化動態(tài)

圖2 黨參根際土壤硝態(tài)氮含量的變化動態(tài)Fig.2 Dynamics of nitrate nitrogen content in rhizosphere soil of C.pilosula

圖3 黨參根際土壤銨態(tài)氮含量的變化動態(tài)Fig.3 Dynamics of ammonium nitrogen content in rhizosphere soil of C.pilosula

3.2.4 黨參根際土壤速效鉀含量的變化動態(tài)

整個試驗中，土壤速效鉀含量隨著黨參的生長呈先降后升再降的趨勢（圖4），輪作茬口的土壤速效鉀含量均高于連作茬口的，兩者在7 月5 日皆達到最大值，同期連作茬口較輪作茬口顯著降低14.61%。后兩個生長期兩茬口的土壤有效鉀的含量也均為輪作茬口顯著高于連作茬口，連作茬口較輪作茬口分別降低12.91%，7.88%；移栽期至收獲期，連作茬口土壤速效鉀含量較輪作茬口顯著降低12.51%。

圖4 黨參根際土壤速效鉀含量的變化動態(tài)Fig.4 Dynamic changes of available potassium content in rhizosphere soil of C.pilosula

3.3 連作對黨參根際土壤酶活性的影響

3.3.1 黨參根際土壤過氧化氫酶活性的變化動態(tài)

如圖5 所示，整個生育期內(nèi)，兩茬口的根際土壤過氧化氫酶活性總體呈上升趨勢，且輪作茬口的土壤過氧化氫酶活性皆高于連作茬口。10 月19 日和8 月27 日兩茬口的土壤過氧化氫酶活性達到顯著差異水平；其余生長期無顯著差異。至采挖期，輪作和連作茬口的根際土壤過氧化氫酶活性較移栽前分別上升了38.24%和48.25%，差異顯著。

圖5 黨參根際土壤過氧化氫酶活性的變化動態(tài)Fig.5 Dynamic changes of catalase activity in rhizosphere soil of C.pilosula

3.3.2 黨參根際土壤脲酶活性的變化動態(tài)

由圖6 可知，黨參根際土壤脲酶活性在整個試驗周期中的變化趨勢為先升后降，且輪作茬口高于連作茬口。7 月5 日兩茬口的土壤脲酶活性達到最大，同期連作較輪作茬口降低9.9%，差異顯著。除3月21日和8月27日差異不顯著外，其余時期均為連作茬口的黨參根際土壤脲酶活性顯著低于輪作茬口；收獲期連作茬口的土壤脲酶活性較輪作茬口降低4.5%。

圖6 黨參根際土壤脲酶活性的變化動態(tài)Fig.6 Dynamic changes of urease activity in the rhizosphere soil of C.pilosula

3.3.3 黨參根際土壤堿性磷酸酶活性的變化動態(tài)

整個試驗周期中，兩茬口的土壤堿性磷酸酶活性變化趨勢為先升后降，輪作茬口的黨參根際土壤堿性磷酸酶活性均高于連作茬口的。除移栽期外，其余時期兩茬口的土壤堿性磷酸酶活性都達到了顯著差異水平（見圖7）。7 月5 日兩茬口的黨參根際土壤堿性磷酸酶活性均達到最大值，收獲期輪作和連作茬口的土壤堿性磷酸酶活性較該期分別下降了37.41%、43.79%，差異顯著。

圖7 黨參根際土壤堿性磷酸酶活性的變化動態(tài)Fig.7 Dynamics of alkaline phosphatase activity in rhizosphere soil of C.pilosula

3.3.4 黨參根際土壤蔗糖酶活性的變化動態(tài)

整個生育期內(nèi)兩茬口的黨參根際土壤蔗糖酶活性均呈先升后降的趨勢，連作茬口均低于輪作茬口，整個生育期的土壤蔗糖酶活性連作較輪作茬口低15.3%。8 月27 日兩茬口的土壤蔗糖酶活性均達到最大值，同期連作較輪作茬口顯著降低12.66%；收獲期連作茬口的土壤蔗糖酶活性較輪作茬口下降了31.10%，差異顯著（見圖8）。

圖8 黨參根際土壤蔗糖酶活性的變化動態(tài)Fig.8 Dynamic changes of invertase activity in rhizosphere soil of C.pilosula

4 討論與結(jié)論

有研究者指出連作障礙產(chǎn)生的土壤方面的原因主要包括土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量及土壤酶活性的改變［6］。研究表明，連作土壤會酸化，且連作年份越長酸化越嚴(yán)重［7］。劉莉等［8］研究發(fā)現(xiàn)連作土壤pH下降的同時，土壤有機質(zhì)和速效鉀含量也會隨之下降。徐厚來等［9］發(fā)現(xiàn)連作會使參地土壤酸化，其理化性狀也會發(fā)生一系列變化，會打破土壤中各元素平衡，導(dǎo)致連作障礙。劉垠霖等［10］發(fā)現(xiàn)連作哈密瓜土壤中有機質(zhì)含量呈先升后降的趨勢，達到最大值后，隨連作年限的增長土壤有機質(zhì)含量逐年遞減。李奉國等［11］研究同樣表明連作會使大蒜根際土壤中的有機質(zhì)含量及速效養(yǎng)分含量降低。因此土壤養(yǎng)分的缺失是導(dǎo)致連作障礙的原因之一。土壤酶活性的變化可以反映土壤中化學(xué)性質(zhì)的變化［12］，脲酶能夠參與氮元素的轉(zhuǎn)化［13］；過氧化氫對植物有害，而過氧化氫酶可分解過氧化氫，得到的產(chǎn)物能為植物生長提供一些養(yǎng)分［14-15］；磷酸酶可促進土壤中無機或有機磷酸鹽轉(zhuǎn)化為無機態(tài)磷，被植物利用［16］。蔗糖酶可以直接參與到生物轉(zhuǎn)化的過程中，其活性水平可用于評價土壤肥力水平［17］。孫鴻強［18］研究表明蘭州百合連作土壤中的過氧化氫酶和蔗糖酶活性會隨年限增加逐漸降低，而脲酶和堿性磷酸酶活性會逐漸升高。劉慧素等［19］研究表明十年連作間，大蒜根系分泌物對土壤酶活性有促進作用，但長期連作后則呈現(xiàn)出下降趨勢。馬瑞瑞等［20］發(fā)現(xiàn)蕓豆連作抑制了0~20 cm耕層各種土壤酶活性，使土壤肥力下降。蔡秋燕等［21］研究表明，煙土連作十年內(nèi)土壤磷酸酶和蔗糖酶隨著連作年限的增加，其活性顯著降低，而脲酶活性呈增加的趨勢。

本試驗發(fā)現(xiàn)短期連作黨參根際土壤pH值的變化并不明顯，因此應(yīng)持續(xù)對其進行監(jiān)測，探明土壤酸化是否與黨參連作障礙有所聯(lián)系［22］。此外對土壤養(yǎng)分也應(yīng)做到全面測定，如全類養(yǎng)分及各種微量元素等，本試驗僅研究了連作與黨參根際土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)連作會導(dǎo)致土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量降低，這與張琳等人研究結(jié)果一致［23］。連作障礙同樣能夠影響黨參根際土壤酶活性。有研究表明，當(dāng)土壤環(huán)境發(fā)生改變時，會觸發(fā)某些酶的生物適應(yīng)機制，使得酶活性表現(xiàn)為初期降低，而后升高，隨著時間的延長而可能再次降低［24］，本文中圖6-7與其表達結(jié)果一致。有人提出連作初期植物根際分泌物的增多可能會誘導(dǎo)土壤中某些酶的活性提高［25］，但不同連作年限下的土壤酶活性是否會呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，這也是需要進一步驗證的問題［26］。

綜上所述，本試驗發(fā)現(xiàn)連作障礙會過度消耗土壤中的養(yǎng)分，導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分的虧缺與失衡。由于土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分的變化，使得土壤質(zhì)量下降，不利于植物生長；連作障礙又使得土壤中不同種類的酶的活性發(fā)生了變化，間接影響了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，從而影響了黨參對養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致了黨參的生長障礙。