輪作和有機肥對連作小白菜生長及土壤微生物特性的影響

摘要：為研究輪作和有機肥處理對連作土壤的修復作用，以小白菜（Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var. communis Tsen et Lee）連作土壤為對照，比較玉米輪作，玉米秸稈還田，玉米秸稈有機肥等對連作土壤酶活性、微生物活性、活性有機碳含量及小白菜光合速率、根系活力、根系生長的影響。結果表明，輪作和有機肥處理不同程度地增加了連作小白菜光合速率、干物重、根系活力和根系ATPase活性，降低了根系MDA含量，同時提高了連作土壤酸性磷酸酶、脲酶、轉化酶活性和微生物對碳源的利用能力，其中長期輪作及施用發酵有機肥的促進作用較大。相關分析表明，土壤酶活性、根系活力、活性有機碳含量、碳源利用AWCD值之間存在極顯著正相關關系，說明采用合適的有機肥投入方式可以緩解連作對作物生長造成的抑制。

關鍵詞：小白菜（Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var. communis Tsen et Lee）；輪作；連作；有機肥；土壤微生物特性

中圖分類號：S634.3/.1+5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）24-6498-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.044

連作障礙是指在同一土壤中連續種植同一種或科的植物時，即便給予正常的栽培管理也會出現植物生長勢變弱、產量和品質下降的現象[1]；一般作物在連作5 a以后連作障礙會比較嚴重。連作障礙主要表現為幼苗死亡率高、植株生長不良、發病率增加、產量下降等[2]。研究表明，輪作是有效修復連作土壤、緩解連作障礙的措施之一[3]，但是輪作有效緩解連作障礙需要3～5 a的時間[4]。在種植業已經日益產業化、規模化的今天，長時間的輪作并不能完全實現，尤其是在設施蔬菜種植區，由于經濟利益的驅動和種植習慣的原因，有效輪作受到限制，因此必須尋找一種在短時間內可以調控連作障礙的措施來替代輪作。研究表明，連作會引起土壤微生物多樣性降低、細菌數量減少、真菌數量增加，土壤線蟲的結構也會趨向于不利于土壤質量的方向發展；而長期輪作有助于提高土壤微生物多樣性、增加細菌數量、減少真菌數量，使土壤線蟲結構得到改善[5]，土壤生物學特性的改善將改進連作土壤物理特性和化學性狀。分析輪作改善連作土壤性狀的機理可以看出，輪作與連作的區別是輪作對土壤輸入了輪作作物的根系分泌物和殘茬，而連作輸入的連作作物根系分泌物和殘茬；輪作提供了多樣性植物、有機物質，對微生物群落及其功能產生了良性影響，提高了微生物群體多樣性和功能多樣性[6]，更多能源物質的投入也增加了微生物數量[7]，進而增加了土壤酶活性，催化了土壤中生化反應。嫁接、間作、套作等栽培方式也是通過改變土壤中有機物的組成來提高土壤微生物群體活性和酶活性[8，9]。對連作土壤投入有機物料也可以改變土壤有機物組成、微生物活性、土壤酶活性[10]；然而怎樣投入有機物料才能達到輪作的效果，其對土壤的改變關鍵是什么鮮有研究。試驗以蔬菜連作土壤為對照，比較輪作模式、不同有機物投入方式對連作土壤及其作物的影響，試圖揭示有效的有機物投入模式及其對連作土壤微生物的影響機理，從而為蔬菜生產提供更加有效的連作障礙緩解措施。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2011～2015年在武漢市農業科學技術研究院北部園區蔬菜科學研究所基地進行。供試土壤為砂壤土，小白菜（Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var. communis Tsen et Lee）在其中連作6 a，試驗地pH為5.8，有機質含量15.64 g/kg、堿解氮含量122.79 mg/kg、速效磷含量62.53 mg/kg、速效鉀含量87.92 mg/kg。

試驗設6個處理，處理A，小白菜連作6 a土壤，在6 a里全年種植小白菜；處理B，玉米輪作1 a，小白菜連作5 a后玉米輪作1 a；處理C，玉米、黃瓜、生菜、辣椒輪作3 a，小白菜連作3 a后種植其他作物（玉米-黃瓜-生菜-辣椒-玉米）；處理D，小白菜連作土壤施商品有機肥100 kg/667 m2；處理E，秸稈還田，小白菜連作土壤加入玉米秸稈4 500 kg/667 m2；處理F，施發酵生物有機肥，小白菜連作土壤施用自制生物發酵有機肥，其制作方法為用新鮮的牛糞，玉米秸稈和微生物制成[11]，用量為4 500 kg/667 m2。

采取露地試驗，每個處理3次重復，小區面積1.2 m×10.0 m，條播種植；于種植年的10月28日播種。小白菜播種前，D、E、F處理分別施相應的商品有機肥、秸稈和發酵生物有機肥；田間除草和防治病蟲害等栽培管理措施同正常大田生產。

1.2 樣品采集與處理

試驗于2015年11月2日采集土壤和植株樣品，土壤樣品按5點取樣法，每小區隨機采取0～20 cm層土樣，剔出大的植株殘體和石粒等雜物，混合均勻后帶回武漢市蔬菜科學研究所實驗室，風干，研磨，過100目篩后直接裝入密封袋，放入4 ℃冰箱備用；植株從子葉節處剪斷，并取作物根系，將其沖洗干凈后，置于低溫取樣盒內帶回實驗室。

1.3 測定方法

土壤微生物生物量碳含量（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定，參考熏蒸提取-容量分析法[12]；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[13]測定；小白菜干物質重測定于105 ℃下烘干后稱重；小白菜根系活力用氯化三苯基四氮唑（TTC）法[13]測定，根系質膜P-H+-ATPase水解活性采用文獻[14]的方法測定；根系MDA含量用文獻[15]的方法測定，土壤脲酶活性測定用比色法，以1 g土中NH3-N的含量表示；土壤轉化酶活性測定用3，5-二硝基水楊酸比色法，以1 g土樣（24 h）所產生葡萄糖的質量來表示；土壤磷酸酶活性測定用磷酸苯二鈉比色法，以1 g風干土壤中的酚含量來表示[16，17]；光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）測定采用Li-6400便攜式全自動光合測定系統（美國LI-COR公司），于晴天無風上午9：00～11：00進行測定；土壤碳源利用AWCD值采用Biolog Eco微平板對土壤微生物功能進行測定[18]，首先稱取10 g新鮮土壤，加入90 mL的去離子水，180次/min振蕩10 min，然后在4 ℃條件下靜置30 min；再吸取1 mL土壤懸浮液到999 mL去離子水中，搖勻，配成濃度10-3的稀釋液體；將稀釋液倒入滅菌的培養皿中，接種于Biolog Eco微平板，每孔125 μL樣品；每24 h利用讀板儀在590 nm下讀數1次，連續讀數7 d。

1.4 數據分析

試驗數據采用Microsoft Office Excel 2003程序處理并繪圖，應用SAS 8.1系統軟件進行差異顯著性比較；對連作小白菜的根系活力與小白菜種植地的土壤酶活性、土壤微生物生物量碳含量（MBC）、土壤碳源利用AWCD值進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對小白菜干物質重與光合速率的影響

6個處理對小白菜干物質重的影響情況見圖1，對小白菜光合速率的影響情況見圖2。從圖1、圖2可以看出，各處理不同程度地提高了小白菜的干物質重和光合速率。與處理A小白菜連作6 a相比，其他處理的干物質重分別比處理A增加了32.0%、83.5%、4.1%、55.7%、92.8%，光合速率分別增加了28.9%、76.3%、6.3%、52.7%、88.6%；其中添加發酵生物肥處理和玉米-黃瓜-生菜-辣椒-玉米輪作3 a處理對小白菜干物質的積累及光合作用的影響最大。這表明長期連作抑制了小白菜干物質的累積以及光合作用；而采用輪作或施發酵生物肥能有效提高其干物質重和光合速率。

2.2 不同處理對小白菜根系活力、根系質膜P-H+-ATPase活性、MDA含量的影響

6個處理對小白菜根系活力的影響情況見圖3，對小白菜根系質膜P-H+-ATPase活性。的影響情況見圖4。從圖3、圖4可以看出，各處理不同程度地提高了小白菜的根系活力及根系質膜P-H+-ATPase活性，與處理A相比，根系活力分別增加了23.0%、66.1%、6.2%、50.6%、75.9%；根系質膜P-H+-ATPase活性分別增加了29.1%、84.0%、3.4%、53.8%、78.2%；這表明長期連作顯著降低了作物自身的根系活力和根系質膜P-H+-ATPase活性。根系MDA含量可反映細胞膜的傷害程度，6個處理對小白菜根系MDA含量的影響情況見圖5。從圖5可以看出，各處理不同程度地降低了根系的MDA含量，與處理A相比，根系的MDA含量分別降低了21.8%、46.2%、10.2%、36.7%、48.4%。這表明長期連作后導致土壤環境惡化，作物積累了大量自由基，造成一定的氧脅迫，加重了根系質膜的傷害，使根系MDA含量增加；而添加發酵生物肥處理和玉米-黃瓜-生菜-辣椒-玉米輪作3 a處理對小白菜根系活力、根系質膜P-H+-ATPase活性、根系MDA含量產生了積極的影響。

2.3 不同處理對小白菜種植地土壤酶活性的影響

6個處理對小白菜種植地土壤酶活性的影響情況分別見圖6、圖7、圖8。從圖6、圖7、圖8可以看出，多數處理增加了土壤酶活性，其中玉米-黃瓜-生菜-辣椒-玉米輪作3 a處理的土壤脲酶活性較小白菜連作6 a處理增加了1.05倍；土壤酸性磷酸酶活性各處理較小白菜連作6 a處理分別增加了33.8%、30.8%、2.3%、60.9%、48.9%；添加發酵生物肥處理和玉米-黃瓜-生菜-辣椒-玉米輪作3 a處理的轉化酶活性較小白菜連作6 a處理分別增加了107%、111%。這表明長期連作使土壤微生物生態惡化，理化性質變劣，土壤營養水平下降；而采用輪作或施發酵生物肥能有效改善土壤理化性質，促進土壤微生物生長，產生更多土壤酶，使營養元素有效性提高。

2.4 不同處理對小白菜種植地土壤有機質、MBC含量和碳源利用AWCD值的影響

6個處理對小白菜種植地土壤有機質含量的影響情況見圖9。從圖9可以看出，各處理的有機質含量具有一定的差異，與小白菜連作6 a處理相比，其他處理的土壤有機質含量分別增加了10.7%、32.1%、0.9%、21.4%、33.0%，其中玉米-黃瓜-生菜-辣椒-玉米輪作3 a處理與添加發酵生物肥處理的效果顯著。

6個處理對小白菜種植地土壤MBC含量的影響情況見圖10。從圖10可以看出，各處理的MBC含量變化差異較大，與小白菜連作6 a處理相比，其他處理的土壤MBC含量分別增加了1.80倍、5.39倍、0.049倍、4.18倍、5.66倍，差異懸殊。這說明栽培方式的改變以及生物有機肥的施用為土壤微生物提供了有機營養保障，促進了微生物的活動與繁殖。

6個處理對小白菜種植地土壤碳源利用AWCD值的影響情況見圖11。從圖11可以看出，各處理的AWCD值在剛開始的24 h內增長很小，在24～132 h時段中增長明顯，這個時間段微生物活性最高，132～168 h趨于穩定狀態。對比不同處理的土壤碳源利用AWCD值可以看出，在132 h前，玉米-黃瓜-生菜-辣椒-玉米輪作3 a處理與添加發酵生物肥處理的AWCD值一直處于相對較高水平，說明這2個處理的微生物代謝旺盛；施商品有機肥處理和小白菜連作6 a處理的變化幾乎一致，處于相對較低水平，說明長期連作明顯影響土壤微生物活動，而商品有機肥的使用對微生物的代謝影響不明顯。

2.5 連作小白菜根系活力與土壤微生物特性的相關分析

對連作小白菜的根系活力與小白菜種植地的土壤酶活性、土壤微生物生物量碳含量（MBC）、土壤碳源利用AWCD值進行相關分析，結果見表1。從表1分析可見，連作小白菜根系活力與土壤脲酶、酸性磷酸酶、轉化酶活性之間存在極顯著的相關關系，與MBC及AWCD之間也存在極顯著的相關關系。而土壤酶活性與土壤MBC之間，MBC與AWCD之間均存在極顯著的相關關系。

3 討論

3.1 輪作及有機肥對小白菜生長及生理的影響

設施小白菜連作障礙在形態上表現為死株、植株整體生長不良、早衰，在生理上表現為根系活力下降、地上部光合速率下降；生產上調控連作障礙的措施有輪作和施用有機肥[19，20]。盡管輪作對連作障礙的緩解效果影響很大，但由于生產需求和設施不可移動的限制，通常輪作時間未能達到3～5 a的需求，甚至只有1 a的輪作時間。試驗結果表明，相對于長期連作，輪作1 a處理的干物質累積及光合速率顯著提高，但是顯著低于輪作3年的處理，說明輪作1 a處理未能完全消除連作障礙；有機肥也是緩解連作障礙的有效措施，但是不同有機肥的施用效果并不一致。現在生產上施用的有機肥主要有商品有機肥、利用秸稈還田、發酵生物有機肥等。本試驗結果表明，不同有機肥對于連作的緩解效果不一。商品有機肥處理下小白菜干物質重和光合速率與連作處理的差異不大，這個結果與萬菲菲等[21]的研究結果不一致，可能原因是試驗連作施肥水平不一致造成的。而秸稈還田和發酵生物有機肥的施用均顯著提高了連作小白菜干物質重及光合速率，這與徐萌等[22]、鄧接樓等[23]的研究結果一致。不過秸稈還田處理的效果低于相同使用量的發酵生物有機肥處理，說明不同有機肥處理方式及其水平對作物生長的影響較大。根系是植株攝取養分和水分的主要器官，其生長狀況和活力水平直接影響著植株地上部分的營養狀況及產量水平；根系的生理活性可以影響植株吸收水分和養分的能力，尤其是在逆境脅迫下，強壯和龐大的根系是保證植株正常生長的基礎[24]。輪作和有機肥處理對連作障礙的緩解可能與其對連作植株根系活力的提高有一定的關系[25，26]，本試驗輪作和有機肥處理對根系活力的提高及緩解連作對根系的傷害與干物質累積、光合速率的提高有相同的影響趨勢就旁證了這一觀點。

3.2 輪作及有機肥對連作土壤酶活性的影響

土壤酶來源于土壤微生物代謝、植物根系分泌物以及動植物殘體的腐解過程[27]，在土壤有機物轉化及養分循環中發揮著重要作用[28]。脲酶是土壤中最活躍的水解酶類之一，可以水解施入土壤中的尿素，釋放供作物利用的銨離子[29]；磷酸酶是一種催化土壤中有機磷化合物的酶，活性的高低直接影響土壤中有機磷的分解轉化和其生物有效性[30]；轉化酶可以提高土壤生物學活性，參與碳水化合物轉化為植物、微生物可以利用的營養物質過程[31]。試驗中，輪作、秸稈還田、生物發酵有機肥處理均顯著提高了土壤酶活性，這與杜社妮等[32]、Bastida等[33]的研究結果一致。可能是輪作和發酵有機肥處理向土壤輸入了大量有機質后改善了土壤理化性質、促進了土壤微生物生長、產生出更多土壤酶的緣故。

3.3 輪作及有機肥對連作土壤微生物生物量及碳源利用的影響

土壤微生物活性是土壤質量的重要指標[34]。相比連作作物長期對土壤輸入相對單一碳源，輪作和有機肥處理補充了大量有機碳源，更加有利于維持土壤微生物活性及多樣性。試驗結果表明，輪作顯著提高了有機質含量及土壤微生物生物量碳含量（MBC），同時土壤碳源利用AWCD值顯著提高，AWCD值反映了微生物對不同碳源代謝的總體利用能力及微生物活性強弱[35]。其中3年輪作處理土壤微生物數量及活性顯著高于1年輪作處理，表明多樣性增加及大量碳源的施入提高了土壤微生物活性。商品有機肥雖然含有大量活性生物菌，但是由于對土壤碳源施入得很少，其微生物活性相比連作處理提高不顯著，這導致商品有機肥緩解連作障礙的效果有限。秸稈還田和發酵生物有機肥顯著提高了土壤微生物數量及活性，這與它們對土壤酶活性及連作作物根系活力、光合速率的影響相一致，土壤微生物活性、酶活性、根系活力可能存在一定的聯系。

3.4 土壤酶活性、根系活力、微生物活性的相關關系

試驗結果表明，土壤酶活性、小白菜根系活力、土壤微生物生物量碳含量（MBC）之間存在顯著正相關關系，這與李明靜等[10]的研究結果一致。這是土壤肥力、土壤微生物與土壤酶協同發展的結果。土壤酶的高活性來源于土壤微生物大量繁殖[36]，土壤養分的循環依托土壤酶對底物的轉化。

總的來看，采用合理輪作及適宜的有機肥施入方式，可以顯著改善連作土壤酶活性及微生物活性，促進連作小白菜提高根系活力、加快生長，要是較長時間輪作和大量施入發酵有機肥，則緩解連作障礙的效果更好。

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