連作對胡椒園土壤和植株中微量元素含量的影響及相關特征分析

李志剛 王燦 楊建峰 祖超 鄭維全 魚歡

中國熱帶農業科學院香料飲料研究所農業部香辛飲料作物遺傳資源利用重點實驗室海南省熱帶香辛飲料作物遺傳改良與品質調控重點實驗室 海南萬寧 571533

摘 要 為探討胡椒園土壤、根系和葉片的中微量元素含量與連作年限、產量、品質和根際土壤微生物區系的關系，選取連作12、18、28和38 a的胡椒園，測定土壤、根系和葉片中Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn等中微量元素的全量含量，分析其隨種植年限增加的變化規律，并探討土壤中微量元素與胡椒產量、品質和土壤微生物區系的相關關系。研究發現，長期連作的胡椒園土壤Ca、Mg含量顯著降低，B、Zn、Fe表現出不同程度的降低；土壤Ca、Mg含量與根際土壤細菌菌門相對豐度關系密切，而B、Fe含量與胡椒產量和品質以及Actinobacteria、Ascomycota、Verrucomicrobia菌門相對豐度顯著或極顯著相關。連作胡椒長期定位施肥等原因會造成土壤中微量元素含量降低，因此生產中應注意中微量元素肥料的平衡施用。

關鍵詞 胡椒；中微量元素；種植年限；連作障礙；土壤微生物

中圖分類號 S573.9 文獻標識碼 A

Abstract The samples in 4 different black pepper fields were collected in 2015. Soil and plant medium and micro element contents were analyzed to investigate the medium and micro element contents of the different planting age black pepper fields and plants. The results indicated that long-term black pepper cropping lead to the soil Ca and Mg significantly declined， as well as the soil B， Zn and Fe， and the soil Mn showed no significant changes. The soil Ca， Mg contents was close related to the relative abundance of rhizosphere soil bacteria. Soil B， Fe had close relationship with the yield， quality and the relative abundance of Actinobacteria， Ascomycota and Verrucomicrobia. Therefore， long-term black pepper cropping lead to the soil medium and micro element contents reduced. In the black pepper production， more attention should be paid to in the medium and micro element fertilizer application.

Key words Black pepper（Piper nigrum L.）； medium and micro element； planting age； consecutive cropping obstacle； soil microbial

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.12.003

胡椒（Piper nigrum L.）是胡椒屬多年生、常綠、攀援藤本植物，是世界重要的香辛料作物之一[1-2]。胡椒有“香料之王”的美稱，除用做調味品外，還具有重要的醫藥價值[3-4]，已發展成為世界熱帶經濟作物優勢產業之一。越南、印度、印尼、巴西和中國是世界胡椒主產國和主要出口國[5]。海南是我國最主要的胡椒產區，種植面積為2.2萬hm2，年產量3.6萬t，占我國胡椒產量的90%以上。目前已發展成為海南省年產值近20億元的重要熱帶經濟產業之一[6]。

然而，由于胡椒生物學特性和栽培技術特點，我國胡椒種植一直以單一品種傳統連作栽培模式為主，連作障礙現象嚴重制約了我國胡椒產業的健康可持續發展[7-8]。連作障礙現象在農業生產中普遍存在，長期連作會導致土壤質量下降[9]，作物減產[10]，易發生病蟲害[11]。近年來，隨著種植年限的增加，各地胡椒園均出現不同程度的連作障礙現象，主要表現在：土壤質量下降，植株長勢減弱，發病率增加，產量下降，退化死亡，補種的幼苗生長受限，甚至過早死亡。目前，針對胡椒連作障礙的研究主要集中在胡椒果實質量[12]，土壤理化性質[13]和土壤微生物區系分析[14]，尚未見連作胡椒園土壤與植株中微量元素含量變化的研究報道。雖然中微量元素在土壤中的含量較少，但對植物的生命活動卻不可或缺。中微量元素多是組成酶、維生素和生長激素的成分，直接參與有機體的代謝活動，影響著植物體的生長和發育[15]。長期以來，胡椒生產中不施用或盲目施用中微量元素肥料的現象普遍存在，導致胡椒園土壤中微量元素缺乏或者流失問題嚴重。本研究主要探討胡椒園土壤、根系和葉片的中量元素鈣、鎂和微量元素硼、鐵、錳、鋅等隨種植年限增加的變化規律，并探討胡椒園土壤中微量元素含量與胡椒產量、品質和土壤微生物區系的相關關系，以期探討土壤的中微量元素含量變化在胡椒連作障礙形成中的作用，并為指導胡椒生產的中微量元素肥料的施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗以中國熱帶農業科學院香料飲料研究所胡椒園（18°1'N，110°13'E）內的熱引1號胡椒（Piper nigrum L. cv. Reyin No.1）投產胡椒為試驗材料。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗小區均為中國熱帶農業科學院香料飲料研究所胡椒試驗示范基地，各處理園塊之間距離較近，成土母質、土壤類型基本一致，土壤類型為磚紅壤，土壤母質為花崗巖風化物。各試驗小區連作年限分別為12、18、28和38 a。且各園塊管理統一按照農業行業標準NY/T 969-2013《胡椒栽培技術規程》[16]要求進行，各小區施肥量一致。

1.2.2 取樣與測定方法 取樣時間為8月份，即胡椒完成一個結果周期，采果完成半個月后，且未施攻花肥之前進行。在胡椒植株冠幅內部挖開0～20 cm土層，取得土壤和根系樣品；取對應植株第二葉位的完全穩定葉作為葉片樣品[17]。土壤樣品在室溫條件下風干后研磨、過篩待測，植物樣品烘干后待測。中微量元素鈣、鎂、硼、鋅、鐵、錳（Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn）的全量含量采用微波消解-電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）法測定[18-19]。相關性分析中胡椒產量、品質、微生物多樣性及菌門相對豐度等均為近1～3 a數據平均值，其中胡椒產量以白胡椒平均單產計，即試驗小區胡椒鮮果浸泡去皮所得白胡椒干燥后總重÷試驗小區投產胡椒株數；品質指標選取胡椒堿、揮發油進行分析；微生物多樣性及菌門相對豐度采用李志剛等[20]同年的研究數據。

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2007和SPSS 18.0（SPSS Inc， Chicago）進行數據整理與分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限胡椒園土壤理化性質

不同種植年限胡椒土壤理化性質如表1、2所示。由表1可見，胡椒園土壤有機質、pH、有效鉀含量均隨連作年限的增加而表現出下降趨勢，而有效氮含量逐漸增加，有效磷含量無明顯變化。說明，連作導致胡椒園土壤酸化、有機質與有效鉀虧缺，而有效氮含量表現出不斷累積的現象，因此生產中應該注意土壤pH調節，有機質和鉀元素的補充，以及控制氮肥的施用量。

不同種植年限胡椒土壤中微量元素（Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn）含量如表2所示。除Mn外，其余元素含量均隨種植年限的增加而發生顯著變化，說明長期連續單一種植胡椒會導致椒園土壤的中微量元素含量發生明顯的變化；其中B、Zn、Fe含量均隨種植年限的增加而顯著降低，而Ca、Mg含量均為18、28 a最高，12及38 a時含量較低。

2.2 土壤、植株的中量元素含量的變化

連作12、18、28和38 a的胡椒園土壤、根系、葉片的Ca、Mg含量如圖1所示。結果表明：隨種植年限的增加，胡椒園土壤Ca、Mg含量均表現出先增加后減少的趨勢，葉片Ca含量上升、Mg含量下降，根系中Ca、Mg含量隨種植年限增加未發生顯著變化。

2.3 土壤、植株的微量元素含量的變化

不同連作年限的胡椒園土壤、根系、葉片的微量元素B、Fe、Mn和Zn含量如圖2所示。結果表明：隨種植年限的增加，胡椒園土壤B、Fe、Mn和Zn含量均表現出下降趨勢，其中B、Fe含量變化差異顯著； 而根系、葉片B、Fe、Mn和Zn含量變化不顯著。

2.4 土壤中微量元素含量與胡椒產量、品質和土壤微生物的相關性分析

胡椒園土壤中微量元素與產量、品質和土壤微生物的相關性如表3所示。可見，土壤B、Fe含量與胡椒產量和品質相關性較大：產量與B、Fe極顯著相關，與Zn顯著相關；而品質指標揮發油含量與B極顯著相關，胡椒堿含量與Fe極顯著相關；其余元素與胡椒產量、品質相關性不顯著。胡椒根際土壤微生物多樣性指標與中微量元素的相關性不顯著，但是個別細菌、真菌菌門的相對豐度與土壤中微量元素顯著相關，如：與土壤B、Fe含量呈顯著或極顯著負相關關系的有細菌Actinobacteria、真菌Ascomycota，其中，Ascomycota還與Zn、Mn含量顯著相關，與Fe含量呈極顯著負相關的還有Verrucomicrobia。土壤中Ca、Mg含量與細菌菌門相對豐度關系密切，其中，二者均與Acidobacteria、Nitrospira顯著負相關，與Proteobacteria極顯著正相關；Ca還與Chloroflexi、Gemmatimonadetes顯著正相關。而對于真菌，Mg與Zygomycota極顯著正相關。

3 討論

3.1 連作導致胡椒園土壤中微量元素含量降低

Ca、Mg元素能起到促進植物光合作用、活化土壤磷素、提高植物抗性等積極作用[21-22]，缺Ca導致胡椒葉緣組織壞死、缺Mg會導致葉片葉脈間變黃，嚴重時葉片大量脫落，植株生長受到影響[23]。胡椒對Ca、Mg需求較多，本研究中胡椒根系、葉片中Ca、Mg含量是土壤中的2～5倍，也證明了這一論述。研究發現，連作28 a后胡椒園土壤Ca、Mg含量均表現出顯著下降趨勢，相關研究結果也證明了這一結果：隨著種植年限的增加，胡椒園土壤pH顯著降低，從而降低了土壤中Ca、Mg的有效性[24]，甚至低于植物生長的適宜范圍（Ca：1.5%～3.5%，Mg：0.3%～0.5%）[25]。長期定位施用農家肥，會導致土壤交換性鈣、鎂含量降低[26-27]，施用氮肥導致土壤pH值下降，進而造成土壤鎂的淋溶[28-29]。綜上所述，胡椒生產中牛糞肥、氮肥和鉀肥施用量較高，是連作胡椒園土壤鈣、鎂含量降低的原因，另外氮肥的長期大量施用還會導致土壤pH值降低，進而造成土壤鈣、鎂淋溶現象嚴重。

微量元素B、Zn、Fe、Mn也是作物正常生長發育所必需的營養元素。生產中出現的B、Zn、Fe等微量元素缺乏癥，不一定是土壤中微量元素含量太少，而是土壤中微量元素有效性過低，不能滿足作物的需要。影響土壤中微量元素的有效性的重要因子是土壤pH值，B、Zn、Fe的有效性常隨土壤pH值的升高而降低，但pH過低也會導致元素淋洗。本研究中連作胡椒園土壤pH從適宜生長的5.5～6.0范圍降低到4.5左右[16]，因此土壤B、Zn含量隨種植年限的增加表現出先增加后明顯降低的趨勢。

3.2 中微量元素與胡椒產量、品質和土壤微生物密切相關

中微量元素對作物產量及品質的形成都起到十分重要的作用[31]。本研究結果表明，長期以來，由于在胡椒生產中只注重施用大量元素，對中微量元素的補充不夠重視，造成連作胡椒土壤中微量元素不足。同時，胡椒生長發育的適宜土壤pH范圍為5.7～7.0[32]，而祖超等的試驗表明，隨著種植年限的增加，土壤pH從5.8（10 a）顯著降低到5.2（28 a），低pH及由此造成的根際土壤有機質和Ca、Mg等營養元素降低是導致植株生長受限的重要原因[6，24]。楊建峰等開展的不同種植年限胡椒園土壤養分變化狀況的研究同樣發現，隨著種植年限的推移，胡椒園土壤pH和有機質含量下降，同時土壤有效B、交換性Ca、Mg等部分養分表現出下降趨勢[13]。因此，連作導致胡椒土壤理化性質惡化，中微量元素含量或有效性下降，從而對胡椒產量和品質造成影響。

胡椒根際土壤微生物菌門相對豐度與中微量元素關系密切，如：土壤中Ca、Mg含量均與Acidobacteria、Nitrospira等細菌菌門顯著負相關，與Proteobacteria極顯著正相關；Ca還與Chloroflexi、Gemmatimonadetes顯著正相關。而對于真菌，Mg與Zygomycota極顯著正相關。另外，與土壤B、Fe含量呈顯著或極顯著負相關關系的有細菌Actinobacteria、真菌Ascomycota，Fe還與Verrucomicrobia呈極顯著負相關，Zn、Mn也與Ascomycota顯著相關。因此，土壤中微量元素中Ca、Mg、B和Fe與胡椒土壤質量、產量和品質的關系密切。但本研究只考慮在相同肥料投入的條件下，不同種植年限胡椒土壤中微量元素含量變化，并沒有設置不同施用量處理，因此，仍需深入開展土壤中微量元素肥料與土壤理化性質、微生物生態環境以及產量品質的影響研究。

3.3 胡椒連作障礙調控應注意中微量元素的平衡施用

土壤中微量元素的組成受成土母質、土壤類型、土壤物化性狀、水分動態、自然環境特點及人類活動等共同影響[30]。本研究中的不同年限處理小區均為中國熱帶農業科學院香料飲料研究所試驗示范基地，各處理間距離較近，可排除土壤母質不同導致的中微量元素含量的差異；且各試驗小區長期以來均采用相同的施肥、灌溉、耕作方法與技術，尤其是各小區施用的有機肥，均為統一漚制管理，且施用量一致，也可排除肥料施用及管理措施等對土壤中微量元素含量的影響，因此，是研究胡椒土壤特性隨種植年限變化的優良材料及場所。但本研究只分析了Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn等在胡椒園土壤和植株中的全量含量，后續研究中需對有效態含量進行深入研究，尤其是連作胡椒園根際土壤pH以及胡椒根系分泌物對根際土壤中微量元素有效態的影響。中微量元素過少和過多均會對作物生長產生不良影響，對于連作胡椒園土壤中微量元素虧缺問題，不能盲目的增施，應根據作物的需求規律及土壤中的元素狀況，進行平衡施肥。綜上所述，為緩解或避免胡椒連作障礙的發生，以及連作胡椒園土壤質量修復工作中，應重視Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn等中微量元素肥料的平衡施用。

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