土壤高溫處理對連作草莓根系呼吸代謝及植株發(fā)育的影響

摘要：為探討草莓連作障礙機理，模擬太陽能消毒設置5個連作土壤高溫滅菌處理，研究不同處理對草莓根系呼吸代謝及植株生長發(fā)育的影響。結果表明，連作土壤經(jīng)高溫滅菌后，各處理土壤中細菌和真菌數(shù)量都顯著降低，經(jīng)70℃高溫連續(xù)20d處理的土壤中真菌甚至消失，且對草莓根系呼吸代謝及植株發(fā)育的促進效果最明顯：70℃高溫連續(xù)10d處理及55℃高溫連續(xù)20d處理對草莓植株生長、根系活力和根系總呼吸速率都具有不同程度促進作用，前者依然以PPP呼吸途徑為主，后者的TCA呼吸途徑是PPP呼吸途徑的1.34倍；連作土壤55℃高溫連續(xù)10d處理作用效果最差。可見連作土壤高溫滅菌后，土壤微生物數(shù)量減少，促進草莓根系呼吸代謝及植株生長，減輕了草莓的連作障礙，進而證明了土壤微生物是引起草莓連作障礙的重要因素之一。

關鍵詞：草莓：連作；土壤高溫滅菌：根系呼吸代謝：植株發(fā)育

中圖分類號：S668.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-9980(2011)02-234-06

草莓生長周期短、果實營養(yǎng)豐富、經(jīng)濟價值高，在果品生產(chǎn)中占有重要地位。但由于草莓產(chǎn)區(qū)連作障礙現(xiàn)象十分普遍，致使草莓根部病害加重、產(chǎn)量和品質(zhì)下降，嚴重制約草莓生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。消除草莓連作障礙有客土改良、無土栽培、選用抗病品種及溴甲烷化學藥劑消毒等多種方法，這些方法在應用過程中存在諸多問題，如老種植區(qū)長期倒茬現(xiàn)已無地可輪作；客土工作量大；無土栽培成本高；抗病品種選育進展不大；溴甲烷等化學產(chǎn)品消毒效果較好，但其毒性大影響環(huán)境，且抑制土壤中其他有益微生物生長等問題。目前，南方主要采用水旱輪作(水稻－草莓)的方式，北方日光溫室中主要采用太陽能高溫悶棚結合石灰氮處理。作為一項安全、有效的克服草莓連作障礙的措施，太陽能高溫消毒因取得較好的效果而備受人們的關注，但有關其減輕連作障礙的機制及具體的影響效果研究較少。

作物連作障礙的產(chǎn)生機理極為復雜，是作物－土壤系統(tǒng)內(nèi)部諸多因素綜合作用的外在表現(xiàn)，其中生物因素是指長期連作造成土壤微生物區(qū)系惡化，土壤有益微生物受抑制、有害微生物成為優(yōu)勢菌群，引起作物生長不良。土壤微生物作為導致草莓連作障礙的因素之一，越來越受到國內(nèi)外研究者重視。有研究表明對土壤進行有效的滅菌可以減輕或消除黃瓜、辣椒、大豆、蘋果、桃、葡萄的連作障礙，并且對連作土壤進行高溫滅菌不會對土壤造成污染，且在生產(chǎn)中容易操作。但有關連作土壤高溫滅菌所采用的溫度范圍、持續(xù)時間對草莓植株生長發(fā)育有何影響還少有報道，對根系呼吸代謝影響研究更少。我們以紅顏草莓為試材，研究連作土壤高溫滅菌后對草莓生長及根系生理代謝的影響，探索減輕草莓連作障礙的技術措施，以期為解決草莓連作障礙、獲得高產(chǎn)提供參考。

1、材料和方法

1.1材料

試驗于2009年5月－9月在沈陽農(nóng)業(yè)大學果樹基地進行。供試材料為日本草莓品種紅顏(Fra-gariaxananassa Duch cv.Benihoppe)。

1.2試驗設計

試驗模擬太陽能高溫土壤消毒，共設5個處理：CK(土壤未經(jīng)高溫處理)、處理Ⅰ(土壤經(jīng)55℃高溫連續(xù)處理10d)、處理Ⅱ(土壤經(jīng)55℃高溫連續(xù)處理20d)、處理Ⅲ(土壤經(jīng)70℃高溫連續(xù)處理10d)、處理Ⅳ(土壤經(jīng)70℃高溫連續(xù)處理20d)。于5月11日采用蛇形剖面取樣法，對連作草莓30a的園土進行采樣(共取5個點)，取0-20cm土層分布草莓根系的土壤。各采樣點采集的樣品要混合均勻，帶回實驗室進行處理和化驗分析，土壤理化指標見表1。利用DHG-9146A型烘箱進行土壤滅菌處理，5月13日取‘2葉1心’整齊一致的草莓組織培養(yǎng)苗先行假植在直徑8cm營養(yǎng)缽中，栽培基質(zhì)為普通園土＋草炭(體積比為3：1)，6月13日按試驗設計定植于直徑12cm營養(yǎng)缽中。定植前將幼苗根系用清水洗凈，再用0.1％的高錳酸鉀浸泡5min，單株小區(qū)，每個處理重復30次，常規(guī)避雨栽培管理。

1.3測定方法

1.3.1草莓生長指標測定參照《草莓種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》進行植物學性狀調(diào)查，用游標卡尺測定植株新莖粗度指標，直尺測定羽狀復葉中心小葉的葉面積(葉長度×葉寬度×0.7)及葉柄長度指標。調(diào)查于定植30d后進行，每10d調(diào)查1次，重復5次。

1.3.2根系活力測定定植后40d選取長勢一致的5株草莓苗，將根系沖洗干凈，混和選取白色吸收根，采用TTC法測定根系活力，每次取樣0.5g，重復3次。

1.3.3根呼吸速率測定定植后30d對根系呼吸速率測定，取樣方法與根活力取樣方法相同。根系呼吸速率參照Bouma等和毛志泉等的方法測定，儀器采用英國HANSATECH公司生產(chǎn)的液相氧電極(Chlorolab 2)。根系測定時取直徑1.5mm左右、長度約2-3cm的白色新根，用雙面刀將根切成2mm左有根段，迅速稱取0.05g放入反應杯，加蓋并啟動測量程序，反應杯中反應液溫度用恒溫水浴控制在25℃，重復3次。

1.3.4根系呼吸途徑測定定植后40d對根系呼吸途徑測定，取樣方法與根活力取樣方法相同。根系呼吸途徑參照余讓才和潘瑞熾的方法測定，糖酵解途徑(EMP)、三羧酸循環(huán)(TCA)和磷酸戊糖途徑(PPP)分別用0.5mol·L^-1的NaF、丙二酸和Na₃PO₄抑制，反應介質(zhì)為0.2mol·L^-1pH6.8的磷酸緩沖液，重復3次。

1.4數(shù)據(jù)分析

測定數(shù)據(jù)經(jīng)DPS7.05數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，Duncan’s新復極差法進行顯著性檢驗，Excel2003軟件繪圖。

2、結果與分析

2.1連作土壤高溫處理后土壤微生物數(shù)量的變化

由表2可以看出，土壤經(jīng)高溫滅菌后，連作草莓30a的土壤中細菌和真菌的數(shù)量發(fā)生很大變化，呈現(xiàn)出顯著降低趨勢。其中高溫處理后土壤真菌數(shù)量下降尤為明顯，土壤經(jīng)連續(xù)70℃高溫20d的處理(Ⅳ)土壤中真菌甚至消失。表明土壤高溫處理可以改變土壤微生物區(qū)系，減少土傳真菌對草莓根系侵染的機率。

2.2不同土壤高溫處理對草莓植株發(fā)育的影響，

各土壤高溫處理對草莓葉面積的作用效果較明顯。其中處理Ⅳ與對照均在定植40d達最低值，定植70d達最高值，葉面積在14.1-17.1cm²變化，分別比對照高53.7％-25.8％。試驗期間處理Ⅲ、Ⅳ與對照間達到了顯著水平，處理Ⅱ除了定植50d后外均與對照間達到了顯著水平差異、而處理1只在定植40d及60d后與對照間達到顯著差異水平。由此可見，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ對草莓葉面積增長作用效果明顯。

土壤經(jīng)過不同溫度處理后植株葉柄長度也發(fā)生變化，除處理Ⅰ和處理Ⅱ在定植30d后略微低于對照外，其他處理時期均能促進草莓葉柄的生長。其中定植40d效果最明顯，各處理均與對照達到了顯著水平差異。處理Ⅳ葉柄長度在5.9-9.2cm變化，分別比對照高12.6％-94.9％，定植40、50d后與對照間達到了顯著差異水平；處理Ⅲ在定植40、70d后高于對照水平且與對照間差異顯著：處理Ⅱ在定植60d后高于對照水平，且與對照間差異顯著。表明高溫處理對于葉柄長度作用效果好，以土壤70℃高溫連續(xù)20d處理效果最佳。

處理Ⅳ新莖粗度一直高于其他處理。其中處理Ⅳ與對照在40d達最低值，定植50d達最高值，新莖粗度在0.8-0.9cm變化，分別比對照高32.1％-0.1％。處理Ⅱ在處理期間新莖粗度一直與對照差異不顯著，處理Ⅰ、Ⅲ新莖粗度僅在定植后40d與對照達到顯著水平，處理Ⅳ新莖粗度在定植后40、50、80d均與對照達到了顯著水平差異。表明土壤70℃高溫連續(xù)20d處理對草莓新莖粗度作用效果最好(表3)。

2.3不同土壤高溫處理對草莓根系活力的影響

從圖1中可以看出，除處理Ⅰ與對照之間差異不顯著外，處理Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ的草莓植株根系活力分別為對照的1.68、1.94和2.74倍，均與對照達到極顯著性差異水平(P﹤0.01)。表明土壤高溫處理可消除土壤感病微生物對草莓植株根系的侵害，顯著改善草莓的根系活力，且隨著處理時間延長和溫度提高作用效果更明顯。

2.4不同土壤高溫處理對根系總呼吸速率的影響

呼吸速率是指在一定溫度下，單位質(zhì)量的活細胞或組織在單位時間內(nèi)吸收氧或釋放二氧化碳的量，其大小可反映生物體代謝活動的強弱。

由表4可看出，隨草莓定植時間的增加根系總呼吸速率呈逐漸下降的趨勢。除處理Ⅲ在定植后30d和70d略低于對照外，在整個植株發(fā)育過程中各處理根系總呼吸速率均高于對照，定植后40d處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ分別是對照的1.14、1.31、1.24、1.46倍，定植后60d處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ分別是對照的1.26、1.59、1.41及1.64倍。表明定植后40、60d作用效果最明顯，處理Ⅳ最優(yōu)，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次之，對照(CK)植株根系呼吸速率下降最明顯。

2.5不同土壤高溫處理對根系各呼吸途徑的影響

在正常生長條件下，植株根系呼吸代謝以產(chǎn)能較多的EMP進入TCA途徑為主，若受到環(huán)境條件脅迫會由以上途徑轉向產(chǎn)能較少的PPP途徑。由圖2可以看出。在連作30a草莓的土壤栽培條件下(CK)，草莓植株的呼吸代謝途徑表現(xiàn)為PPP﹥TCA﹥EMP，且PPP呼吸途徑所占比率是TCA呼吸途徑的1.41倍。為根系的主要呼吸途徑。這可能是由于多年連作使草莓根系受到土壤逆境脅迫，從而使草莓根系呼吸途徑由產(chǎn)能較多的EMP-TCA途徑向產(chǎn)能較少的PPP途徑轉化。處理Ⅰ、Ⅲ呼吸途徑雖然也表現(xiàn)為PPP>TCA>EMP，但TCA呼吸途徑與PPP呼吸途徑的差異減少。而處理Ⅱ、Ⅳ呼吸途徑表現(xiàn)為TCA﹥PPP﹥EMP，TCA呼吸途徑分別為PPP呼吸途徑的1.34、1.76倍，為根系主要呼吸途徑。研究表明連作土壤經(jīng)不同高溫處理可一定程度上減輕連作對根系的脅迫，促進草莓根系經(jīng)呼吸代謝產(chǎn)生較多能量用于植株的發(fā)育。以處理Ⅱ(55℃處理20d)、Ⅳ(70℃處理20d)效果較好，而處理Ⅰ(55℃處理10d)、Ⅲ(70℃處理10d)效果次之。

3、討論

前人研究表明根系分泌物及前茬作物殘留物的毒害、土壤有害微生物的大量繁殖以及土壤理化性質(zhì)惡化等是連作障礙產(chǎn)生的重要原因。甄文超研究表明草莓連作障礙導致土壤、根際土壤及根表微生物種群發(fā)生變化，種植草莓的農(nóng)田土壤微生態(tài)環(huán)境對真菌的增殖有利、對細菌和放線菌不利，致使病原真菌的相對數(shù)量上升，拮抗真菌的相對數(shù)量下降。而病原真菌數(shù)量上升后會加重對草莓根部侵染從而導致植株生長不良。本試驗研究結果與此相一致，表現(xiàn)為連作30a的草莓園土真菌數(shù)量顯著高于各高溫處理的土壤真菌數(shù)量，草莓植株根系活力、根系總呼吸速率下降，草莓根系呼吸途徑由產(chǎn)能較多的EMP-TCA途徑向產(chǎn)能較少的PPP途徑轉化。這可能是由于連作障礙的存在使草莓根系受到土壤養(yǎng)分變化、病原微生物增加等逆境脅迫，從而使草莓植株根系活力、根系總呼吸速率下降，草莓根系呼吸途徑向產(chǎn)能較少的方向轉化。肖宏等研究發(fā)現(xiàn)連作土壤經(jīng)70℃消毒90min處理對平邑甜茶幼苗根系的呼吸促進作用最大，根系代謝活力最強，本試驗中連作土壤經(jīng)過不同溫度和時間滅菌后，由于土壤中微生物區(qū)系發(fā)生變化、使得病原微生物侵害根部機會減少。從而使根系活力和根系總呼吸速率都大大提高，且高溫處理時間持續(xù)越久效果越明顯，證明病原微生物是引起草莓連作障礙的重要因素之一。

草莓根部生長受抑制又必然導致地上部生長發(fā)育受到影響。土壤滅菌可以消除產(chǎn)生連作障礙的生物因素，促使連作草莓正常生長發(fā)育。本研究中土壤經(jīng)高溫處理后土壤中細菌、真菌數(shù)量均減少，其中真菌數(shù)量下降尤為明顯。表明土壤滅菌可能消除了土壤中不利病原微生物，使土壤中某些緩效養(yǎng)分得到釋放，從而解除了病原微生物對根部的抑制作用，進而促進草莓植株的葉面積、葉柄長度、新莖粗度增加，但有關連作土壤滅菌處理后土壤微生物具體種群的演替規(guī)律以及如何來減輕連作障礙還有待進行深入的研究。

另外據(jù)研究表明，溫室中利用太陽能消毒，覆蓋區(qū)5cm深土層平均溫度42.1℃，20cm土層平均溫度39.7℃，該溫度可有效殺死溫室土壤中的病源微生物，對溫室土壤進行高溫消毒35d以上可使溫室土壤中的真菌數(shù)量顯著減少。本研究模擬太陽能消毒的四個土壤滅菌處理中，設計的處理時間較長、處理溫度相對較少，與前人研究有所差別，而草莓生長發(fā)育指標及生理指標證明土壤經(jīng)70℃高溫滅菌20d效果最佳，為生產(chǎn)上制定解決草莓的連作障礙措施提供了一定的依據(jù)。