不同作物伴生育苗對西瓜根際土壤微生態(tài)環(huán)境的影響

趙衛(wèi)星，康利允，高寧寧，程志強，趙光華，常高正，梁慎，李海倫，王慧穎，徐小利，李曉慧

（1．河南省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所，河南 鄭州 450002；2．開封市農(nóng)林科學研究院，河南 開封 475004；3．河南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所，河南 鄭州 450002）

伴生作為作物種間相互影響保持生態(tài)平衡的一種栽培方式，已成為緩解作物連作障礙的研究熱點之一［1，2］。牛四坤［3］研究認為不同作物伴生栽培可有效緩解黃連連作障礙，促進黃連生長；趙曉翠［4］研究表明伴生栽培可調(diào)控黃瓜根區(qū)土壤環(huán)境，有效克服連作障礙；張福建等［5］研究認為伴生大麥和芥菜栽培均可改善辣椒根際土壤環(huán)境；李伶俐等［6］研究認為不同作物互作育苗可提高棉花秧苗質(zhì)量和土壤微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)。因此，利用不同作物進行種間伴生對改善目標作物根際土壤微生態(tài)環(huán)境、緩解土壤連作障礙具有重要意義。

我國是世界上西瓜生產(chǎn)和消費第一大國，2018年全國播種面積189．08萬hm2，總產(chǎn)量6 153．69萬t［7］。近年來，隨西瓜種植面積擴大，土壤連作障礙日益嚴重，已成為制約我國西瓜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。目前，國內(nèi)相關(guān)學者相繼開展種間伴生或間作對土壤酶、微生物等方面影響的研究［8，9］，對克服西瓜連作障礙起到了明顯的效果。但這些研究多集中在西瓜的田間生長期，而西瓜與不同作物伴生育苗調(diào)控其根際生態(tài)環(huán)境條件的研究鮮有報道。本試驗選取茼蒿、大蔥、小麥與西瓜同盤伴生育苗，探討不同作物對西瓜根際微生物群落及酶活性的影響，以期探明種間伴生改善根際生態(tài)環(huán)境的作用機理，為西瓜合理伴生育苗模式的應用及連作障礙的克服提供理論參考。

1 材料與方法

1．1 供試材料

供試西瓜品種：圣達爾，大果型中晚熟品種，由河南省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所選育；開美1號，中果型早熟品種，由開封市農(nóng)林科學研究院選育。

供試茼蒿、大蔥、小麥品種分別為香菊三號、日本鋼蔥、鄭麥9023，均從種子市場購買。

1．2 試驗設計

試驗于2018年6—7月在河南省農(nóng)業(yè)科學院試驗基地（原陽）塑料大棚內(nèi)進行。將連續(xù)種植過3年西瓜的粘質(zhì)土壤過篩后裝入營養(yǎng)缽（規(guī)格：170 mm×140 mm×110 mm）中，澆透水，再將1粒西瓜和3粒伴生作物的種子催芽后播種。播種時盡量將西瓜種子放于營養(yǎng)缽中央，伴生作物距西瓜2 cm左右均勻分布，然后蓋上1 cm厚細土，以西瓜單作為對照。試驗處理如表1，每處理10缽。

待西瓜幼苗子葉展開后，每3 d澆1次營養(yǎng)液（磷酸二氫鉀200 mg/L、尿素500 mg/L、硫酸亞鐵10 mg/L、硫酸鋅1．0 mg/L、硝酸鈣500 mg/L）。棚內(nèi)自然光照，溫度控制在25～30℃，各處理苗期其他管理措施一致。

表1 試驗處理

1．3 測定項目與方法

當西瓜幼苗長到四葉一心時，先將根系從土壤中整體挖出，采用“抖土法”抖掉與根系松散結(jié)合的土壤，然后將與根系緊密結(jié)合的土壤刷下來作為根際土樣。每處理取3缽根際土壤混合為1個樣品，再將土樣分為兩部分，一部分自然風干過篩用于土壤酶分析和pH、EC值測定，另一半保存于4℃冰箱用于土壤微生物數(shù)量測定。

1．3．1 土壤微生物測定 細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂平板表面涂布法，真菌采用馬丁氏（Martin）培養(yǎng)基平板表面涂布法，放線菌采用改良高氏一號合成培養(yǎng)基平板表面涂布法，均參考李振高等［10］的方法略有改動。結(jié)果以每克鮮土所含菌落數(shù)量表示（cfu/g）。

微生物多樣性指數(shù)（H′）采用Shannon-Wiener指數(shù)法［11］計算，公式如下：

H′＝-Σ（ni/N）ln（ni/N）。

式中，ni為第i個物種的個體數(shù)；N為群落中所有物種的個體數(shù)。

1．3．2 土壤酶活性測定 脫氫酶活性采用TTC

還原法，轉(zhuǎn)化酶采用硫代硫酸鈉滴定法，脲酶采用苯酚鈉比色法，多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法，均參考關(guān)松蔭［12］的方法測定。

1．3．3 土壤pH、EC值測定 將土樣用去離子水（水∶土＝5∶1）浸提，用pH 計和電導率儀測定［13］。

1．4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7．05軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖，利用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同作物伴生育苗對西瓜根際土壤pH、EC值的影響

不同作物伴生育苗可提高西瓜幼苗根際土壤pH值，降低根際土壤EC值（圖1）。由圖1A可見，中晚熟品種與小麥、大蔥、茼蒿伴生pH值分別比單作育苗提高33．33%、14．28%、69．05%，其中茼蒿伴生與對照差異達顯著水平，小麥和大蔥伴生與對照間差異不顯著；早熟品種與小麥、大蔥、茼蒿伴生pH 值分別比單作育苗提高12．96%、22．22%、25．93%，但各伴生處理與對照間差異均未達顯著水平。

由圖1B可以看出，中晚熟品種與小麥、大蔥、茼蒿伴生育苗EC值分別比單作育苗降低23．81%、14．28%、47．62%，早熟品種與小麥、大蔥、茼蒿伴生EC值分別比單作育苗降低21．05%、36．84%、47．37%。兩種基因型西瓜和茼蒿伴生與對照差異均達顯著水平，小麥和大蔥伴生與對照間差異均不顯著。

以上結(jié)果表明，與單作相比，不同伴生育苗模式均可改變西瓜根際土壤的酸堿性和電導率，從而創(chuàng)造有利于西瓜幼苗生長的根際環(huán)境，其中茼蒿的改良作用明顯優(yōu)于小麥和大蔥。

圖1 伴生育苗對西瓜根際土壤pH、EC值的影響

2．2 不同作物伴生育苗對根際土壤微生物群落的影響

由表2可見，與不同作物伴生育苗均可改變西瓜根際土壤細菌、真菌、放線菌的數(shù)量及微生物多樣性。與單作相比，不同基因型西瓜與小麥、大蔥和茼蒿伴生育苗均可顯著增加土壤細菌、放線菌的數(shù)量及微生物總量，顯著降低土壤真菌數(shù)量。其中，中晚熟品種與小麥、大蔥和茼蒿伴生育苗土壤細菌分別提高43．42%、101．97%、61．18%，真菌數(shù)量分別減少23．55%、36．18%、25．36%，放線菌數(shù)量分別提高43．18%、86．85%、113．15%，微生物總量分別提高36．49%、115．11%、57．40%。早熟品種與小麥、大蔥和茼蒿伴生育苗土壤細菌分別提高28．57%、65．08%、46．03%，真菌數(shù)量分別減少12．11%、7．00%、8．75%，放線菌數(shù)量分別提高13．19%、17．68%、26．03%，微生物總量分別提高5．15%、26．78%、18．58%。從微生物多樣性來看，兩種基因型西瓜與大蔥、茼蒿伴生育苗均可顯著提高根際微生物多樣性指數(shù)，其中中晚熟品種及早熟品種與茼蒿伴生的H′較單作育苗分別提高37．77%和11．98%，與小麥伴生根際微生物多樣性指數(shù)與單作差異未達顯著水平。說明伴生育苗可以促進根際土壤細菌和放線菌的生長，降低真菌數(shù)量，改善根際微生物多樣性，從而有利于減輕土傳病害的發(fā)生。

表2 不同作物伴生育苗對根際微生物數(shù)量及多樣性的影響

2．3 不同作物伴生育苗對根際土壤酶活性的影響

由表3可見，不同基因型西瓜與小麥、大蔥和茼蒿伴生育苗均可提高根際土壤脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶及多酚氧化酶活性。中晚熟品種與小麥、大蔥、茼蒿伴生土壤脫氫酶活性分別提高7．85%、70．25%、105．79%，茼蒿伴生處理與單作育苗差異顯著；土壤轉(zhuǎn)化酶活性分別提高3．51%、31．58%、24．56%，茼蒿、大蔥伴生與單作差異達顯著水平；脲酶活性分別提高18．87%、19．19%和15．89%，但與單作間差異均未達顯著水平；多酚氧化酶活性分別提高22．73%、15．91%和18．18%，且均與單作育苗差異顯著。早熟品種與小麥、大蔥、茼蒿伴生土壤脫氫酶活性分別提高48．71%、77．16%、160．78%，其中茼蒿伴生與單作差異達顯著水平；土壤轉(zhuǎn)化酶活性分別提高14．93%、16．42%、14．93%，且均與單作差異達顯著水平；脲酶活性分別提高16．70%、42．26%、86．66%，其中茼蒿伴生與單作差異達顯著水平；多酚氧化酶分別提高4．35%、27．17%、22．83%，其中茼蒿、大蔥伴生與和單作差異達顯著水平。這充分說明伴生育苗在活化土壤酶活性方面具有一定優(yōu)勢，但不同作物伴生有明顯差異，整體而言，茼蒿伴生的效果要優(yōu)于小麥和大蔥。

表3 伴生育苗對西瓜根際土壤酶活性影響 （mg·g-1·d-1）

2．4 不同作物伴生育苗下根際土壤微生物數(shù)量與酶活性的相關(guān)性

結(jié)果（表4）顯示，土壤脫氫酶與細菌、放線菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)；土壤轉(zhuǎn)化酶與細菌、放線菌和生物總量呈極顯著正相關(guān)，與真菌數(shù)量呈顯著負相關(guān)；多酚氧化酶與細菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)。從土壤微生物間的相關(guān)性來看，土壤細菌與真菌、放線菌呈顯著或極顯著負相關(guān)，真菌數(shù)量與放線菌呈顯著負相關(guān)。以上說明土壤脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性受與其相關(guān)的微生物數(shù)量的影響；土壤微生物數(shù)量受土壤脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶和其他微生物數(shù)量的雙重調(diào)節(jié)。

表4 伴生育苗土壤微生物數(shù)量與酶活性的相關(guān)性

3 討論

兩種植物伴生時，其生態(tài)系統(tǒng)中種間促進和競爭作用并存，從而改變其根際生態(tài)環(huán)境，以滿足植物生長的需要［14］。本研究結(jié)果表明，茼蒿、大蔥、小麥與西瓜伴生育苗后，西瓜根際土壤pH值均高于單作，EC值均低于單作。說明這3種伴生育苗系統(tǒng)中種間促進作用占優(yōu)勢，對緩解西瓜根際土壤酸化和次生鹽漬化均具有一定效果，與吳瑕等［15］對番茄-分蘗洋蔥伴生及徐寧等［16］對大蔥和苦瓜輪作的研究結(jié)果一致。這可能與伴生改變了西瓜根系分泌有機酸的種類和數(shù)量以及降低難溶性養(yǎng)分的溶解度有關(guān)。相關(guān)研究表明不同作物伴生對其生態(tài)系統(tǒng)土壤環(huán)境的改善作用有明顯差異［17］。從伴生作物的差異上來看，茼蒿對緩解西瓜連作土壤酸化和次生鹽漬化的作用效果明顯優(yōu)于小麥和大蔥，充分說明茼蒿更適合作為伴生作物改善西瓜生態(tài)系統(tǒng)的土壤環(huán)境，這也是很多學者將茼蒿作為西瓜伴生的首選作物預防枯萎病的重要原因之一。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，植物的相互作用是通過相關(guān)微生物直接或間接的影響來實現(xiàn)［18］。本研究發(fā)現(xiàn)不同基因型西瓜與小麥、大蔥和茼蒿伴生育苗均可促進根際土壤細菌和放線菌的生長，降低真菌數(shù)量，改善根際微生物多樣性。說明不同基因型西瓜與3種作物伴生改善根際土壤細菌和放線菌的生長環(huán)境，惡化真菌的生存條件，與李伶俐等［19］對棉花與不同作物互作育苗的研究結(jié)果一致。這可能是由于伴生作物的根系存在互作效應，為根際細菌和放線菌生長提供更多的能源物質(zhì)，根際土壤pH值的升高抑制了真菌的生長。而韋持章［20］、沈雪峰［21］等則認為不同作物間作可不同程度增加根際土壤細菌、真菌、放線菌數(shù)量及微生物總量；郭平林等［22］研究認為互作對花柴根際微生物群落沒有顯著影響。造成與本研究結(jié)果略有差異的原因可能與本試驗育苗采用的連作土壤中積累較多的引起土傳病害的真菌有關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，西瓜與大蔥、茼蒿伴生育苗根際微生物多樣性指數(shù)高于其與小麥伴生，可能與不同作物根系物質(zhì)友好互補程度有關(guān)，這也在茼蒿［23］、大蔥［24］對瓜類作物化感作用研究中得到了證實。根際土壤生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜的有機體，微生物數(shù)量和種類受根系分泌物、環(huán)境條件等多種因素的影響，其具體原因還有待進一步研究。

土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動等生態(tài)過程中最活躍的生物活性物質(zhì)，其活性的高低和微生物數(shù)量的多少反映土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度［25］。相關(guān)研究表明，不同作物間作均可提高根際脲酶、過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶等土壤酶的活性［26，27］。本研究也發(fā)現(xiàn)，與西瓜單作相比，不同基因型西瓜與小麥、大蔥和茼蒿伴生育苗均可提高根際土壤脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶及多酚氧化酶活性，充分說明這3種作物與西瓜伴生有助于激化土壤酶活性。這可能是由于伴生加快了西瓜根系有機物的轉(zhuǎn)化，增加了根系和微生物向土壤中釋放酶的數(shù)量。從3種作物伴生對西瓜根際酶活性影響的差異上來看，茼蒿的作用效果要優(yōu)于小麥和大蔥，可能是茼蒿根系分泌物更能促進西瓜對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用，從而提高土壤酶的活性，與李森［28］對不同作物與黃瓜伴生的研究結(jié)果一致。此外，土壤脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性與相關(guān)的微生物數(shù)量呈顯著或極顯著相關(guān)，而土壤脲酶與微生物數(shù)量相關(guān)性不顯著，這與張昱等［29］對玉米/蒜苗套作系統(tǒng)土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性關(guān)系的研究結(jié)果相似。以上說明西瓜根際微生物與土壤脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性關(guān)系密切，這也為通過人為改變土壤相關(guān)酶活性調(diào)節(jié)根際土壤微生物數(shù)量和種類來克服西瓜連作障礙提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

與單作相比，不同伴生育苗模式均可改變西瓜根際土壤的酸堿性和電導率，促進根際土壤細菌和放線菌的生長，降低真菌數(shù)量，改善根際微生物多樣性，提高根際土壤脫氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶及多酚氧化酶的活性，其中以茼蒿伴生育苗效果最好。相關(guān)分析結(jié)果顯示，土壤微生物數(shù)量與土壤脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性及其他相關(guān)微生物數(shù)量之間存在顯著相關(guān)關(guān)系。因此，可以通過人為改變土壤相關(guān)酶活性調(diào)節(jié)根際土壤微生物數(shù)量和種類以降低西瓜土傳病害的發(fā)生。