玉米-蘋果輪作體系對蘋果根際土壤酶活性和pH值的影響

范琳娟，劉奇志，*，王 合，徐振翔，李維華

(1.中國農業大學 植物保護學院，北京 100193； 2.北京市園林綠化林業保護站，北京 100029)

玉米-蘋果輪作體系對蘋果根際土壤酶活性和pH值的影響

范琳娟1，劉奇志1，*，王 合2，徐振翔1，李維華1

(1.中國農業大學 植物保護學院，北京 100193； 2.北京市園林綠化林業保護站，北京 100029)

研究玉米-蘋果輪作體系下，玉米種植年限(1 a和2 a)對蘋果花期、幼果期、膨大期、成熟期根際土壤酶活性和pH值的影響，以期闡明玉米-蘋果輪作體系緩解蘋果連作障礙的作用機理。結果表明，在蘋果各生育期內，根際土壤中脲酶、土壤磷酸酶和土壤轉化酶活性以及pH值趨勢均為蘋果非連作>玉米(2 a)-蘋果輪作>玉米(1 a)-蘋果輪作>蘋果連作(未輪作玉米)。與蘋果連作(未輪作玉米)相比：玉米(2 a)-蘋果輪作和玉米(1 a)-蘋果輪作后的根際土壤脲酶活性在成熟期增長幅度最大，分別達105.95%和78.30%；土壤磷酸酶活性在幼果期分別顯著增高26.45%和23.06%，在膨大期分別顯著增高37.07%和29.19%，在成熟期分別顯著增高45.59%和18.77%；轉化酶活性在膨大期增長幅度最大，分別達53.11%和47.29%。pH值在成熟期提高最大，玉米(2 a)-蘋果輪作和玉米(1 a)-蘋果輪作與蘋果連作(未輪作玉米)相比，pH值由6.86分別提高到7.57與7.25。綜上，蘋果連作可使根際土壤酶活性和pH值顯著降低；玉米-蘋果輪作對蘋果連作障礙有明顯改善作用；輪作2 a玉米較輪作1 a玉米更能緩解連作障礙。

輪作；連作障礙；土壤酶；根際

長期在同一地塊里連續種植同一種或者同一科近緣作物，即使在正常的農田管理情況下，作物生長也會受到抑制，出現生長發育變劣、產量降低、品質變差、病蟲害加重等連作障礙現象[1]。近年來，蘋果更新換代種植面積迅速增加，可耕種面積逐年減少，老果園不得不繼續栽植新果樹，從而使新樹產生蘋果連作障礙或再植病(apple replant disease，ASD)，嚴重制約了果樹的可持續發展[2]。據報道，全球不同地區引起蘋果連作問題的原因復雜多樣，既存在生物因素，如土壤病原微生物積累[3]、病原線蟲等侵害[4]，又存在非生物因素，如土壤肥力不足、營養元素的缺損失衡、土壤結構變化[5]、pH值下降、有毒物質積累等[6]。

輪作作為生產上提高產量、改善品質的有效方式，在許多作物上被廣泛采用。同連作相比，它具有調養地力、抑制病蟲害[7]、改善土壤酶活性[8]和微生物活性[9]等顯著的優勢。在輪作過程中，因為前茬作物不同，吸收營養物質的種類和數量不同，收獲后土壤中殘留的有效養分不同，根系分泌物也不盡相同，所以不同前茬作物對后茬作物的影響也不同。在同一地塊上，合理的輪作方式可以避免前茬作物的殘茬和根系分泌物對后茬的危害，在一定程度上還會改善作物生長發育，從而有效緩解單一作物連續種植產生的連作障礙問題。玉米生產施肥量大，中耕次數多，地凈雜草少，土質疏松，在輪作體系中是許多作物的良好前茬[10]。據張立猛等[11]研究，在玉米-煙草的輪作生產體系中，玉米根系分泌物能夠吸引煙草疫霉菌游動孢子，有效抑制能夠引發大規模病害的煙草疫霉菌的生長和繁殖，從而有效控制后茬煙草的土傳病害。Bjostad等[12]研究發現，玉米根系分泌物中的丁布類化合物具有很強的抗蟲活性，能夠顯著影響葉甲幼蟲的生長發育，降低食植物短體線蟲的數量，從而降低后茬作物生長發育過程中蟲害的發生。同時，有如玉米這種禾本科作物參與的輪作系統，土壤肥力狀況能夠得到有效改善，如小麥-玉米-豌豆輪作系統與小麥持續連作相比，土壤有機質、全氮、速效鉀均顯著增加。

有關禾本科草本作物玉米與辣椒[13]、甜菜[14]、丹參[15]等作物輪作以及和水稻水旱輪作[16]對連作障礙的緩解作用均已有較多報道，但有關草本植物與木本植物輪作方面的文獻很少。本文以玉米與蘋果輪作為例，研究玉米不同輪作年限對再植或重茬蘋果根際土壤酶活性和pH值的影響，為緩解連作障礙提供方法參考，為果樹可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗土樣取自北京市順義區蘋果種植基地，地理坐標34°11′56″N，116°53′56″E。該地氣候屬暖溫帶半濕潤大陸季風性氣候，年平均氣溫11.5 ℃。年均日照2 750 h，年無霜期195 d左右，年均相對濕度50%，年均降雨量約625 mm，為華北地區降水量較均衡的地區之一。試驗地土壤為沙壤土，土壤養分性質如下：有機質4.38 g·kg-1，速效磷202.13 mg·kg-1，速效鉀30.71 mg·kg-1，銨態氮9.79 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

本試驗著重探討前茬1 a或2 a玉米對連作蘋果根際土壤酶活性及pH的影響。試驗共設4個組別：CK，蘋果非連作，前茬荒地，蘋果樹2013年定植，直至2015年，2013年蘋果定植前為荒地，無作物種植；MR-0，蘋果連作，前茬荒地，蘋果樹2013年定植，2014年刨根后再植蘋果樹，2013年定植前為荒地；MR-1，玉米(1 a)-蘋果輪作，蘋果樹2013年定植，2014年刨根后再植蘋果樹，2013年定植前茬1 a玉米；MR-2，玉米(2 a)-蘋果輪作，蘋果樹2013年定植，2014年刨根后再植蘋果樹，2013年定植前茬2 a玉米。

富士蘋果行距2.5 m，株距1 m，果樹1～2齡。各處理的試驗區在同一蘋果園區域內，蘋果園種植面積約10 hm2，土壤質地、氣候條件、施肥、灌水、噴藥等基本一致。

1.3 取樣方法

分別于富士蘋果花期(4月7日)、幼果期(6月8日)、膨大期(8月10日)、成熟期(10月4日)采集土樣。采用對角線取樣法，在每個試驗小區內選取9株果樹。在每株果樹周圍0.5 m以內均勻選取不同方向的3個點，共27個樣點，每3株為1個重復，共3個重復。用鐵鍬去除樹盤內表土及凋謝物和碎石，用直徑3 cm、長40 cm的取土器在每株幼樹根際周圍各樣點取土，每個樣點挖取2～20 cm土層土壤，同一區域的每組重復土樣混勻后取出約500 g放入同一個自封袋中，帶回實驗室，樣品分裝風干后過1 mm篩，進行土壤酶活性和pH值測定。

1.4 測定方法

土壤pH測定采用土水質量體積比1: 2.5浸提-酸度計法(型號SX620)；土壤速效磷的檢測方法為鉬銻抗比色法；土壤速效鉀的檢測方法為氫氧化鈉熔融—火焰光度法(型號AP1200)；土壤有機質的檢測方法為重鉻酸鉀氧化-外加熱法[18]。

1.5 數據處理

所有數據用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進行數據整理和方差分析，對有顯著差異的處理采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 根際土壤酶活性

2.1.1 對蘋果根際土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶酶促反應產物——氨是植物利用氮源的方式之一，其活性高低在一定程度上可靈敏地反映有機態氮向有效態氮的轉化能力和土壤無機態氮素的供給狀況，與土壤肥力、有機質含量、理化性質密切相關。由圖1可見，在整個生長季，各組處理的蘋果樹根際土壤脲酶活性逐漸下降，花期土壤脲酶活性最高，成熟期最低。MR-0的根際土壤脲酶活性在各生長期均顯著(P<0.05)低于CK，在花期和膨大期脲酶活性分別為CK的65.11%和63.45%，在成熟期不足CK的50%。經前茬種植2 a或1 a玉米，即輪作2 a或1 a玉米后，根際土壤脲酶活性相較于MR-0顯著(P<0.05)上升，在花期分別增長35.42%和21.53%，在幼果期分別增長22.61%和18.96%，在果實膨大期分別增長53.66%和23.79%，在成熟期分別增長105.95%和78.30%，尤其是經過連續2 a種植玉米的輪作處理(MR-2)，從幼果期至成熟期，土壤脲酶活性達到了非連作組(CK)的水平。

同一時期各處理柱上無相同小寫字母的表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同Bars marked by no same letters during the same growth stage indicated significant difference at P<0.05. The same as below圖1 各處理對蘋果根際土壤脲酶活性的影響Fig.1 Effects of different treatments on urease activity in rhizosphere soil of apple trees

2.1.2 對蘋果根際土壤中性磷酸酶活性的影響

土壤中磷酸酶的酶促作用能夠加速有機磷的脫磷速度，提高土壤磷素的有效性，釋放出的無機磷可供植物和微生物利用，是評價土壤磷素生物轉化方向和強度的指標。如圖2所示，蘋果樹從花期到幼果期根際土壤中性磷酸酶活性逐漸升高，至果實膨大期達到最高峰，果實成熟期酶活性降低。MR-0根際土壤中性磷酸酶活性在各生育期均顯著(P<0.05)低于CK。經2 a或1 a玉米輪作后，土壤中性磷酸酶活性在蘋果幼果期、膨大期和成熟期均相較MR-0顯著(P<0.05)上升，幼果期分別提高26.45%和23.06%，膨大期分別提高37.07%和29.19%，成熟期分別提高45.59%和18.77%。幼果期和膨大期是果實生長和發育過程中對營養需求最高的時期，尤其是對根際土壤磷素的攝取和吸收，而磷素的攝取又對果實生長中營養和能量的提供具有重要作用。本研究發現，前茬種植玉米后，果樹的根際土壤中性磷酸酶活性顯著提高，說明前茬種植玉米對連作蘋果從坐果到果實成熟階段土壤磷酸酶活性的增強有明顯促進作用，但前茬玉米處理對花期土壤磷酸酶活性無顯著影響。

2.1.3 對蘋果根際土壤轉化酶活性的影響

土壤轉化酶主要參與碳水化合物的轉化，水解蔗糖形成的產物——葡萄糖和果糖是能夠被植物和微生物利用的營養物質，與土壤中腐殖質、易溶性有機質以及土壤微生物量有著密切的關系，是表征土壤熟化程度和肥力的指標。由圖3可知，在整個生長季，前茬玉米處理的根際土壤轉化酶與脲酶活性變化趨勢相似，花期酶活性最高，幼果期和膨大期酶活性逐漸下降，到成熟期酶活性達到最低。與CK相比，MR-0處理根際土壤轉化酶活性在花期—膨大期均顯著(P<0.05)降低，尤其是在膨大期，轉化酶活性還不足CK的1/2。經2 a或1 a玉米輪作后，根際土壤轉化酶活性在花期—膨大期均顯著增加，在膨大期酶活增長率最高，分別增加53.11%和47.29%。轉化酶活性的高低與根際土壤有機質、土壤地力密切相關，并受耕作、作物自身生長、施肥情況及其他生產活動的影響。與蘋果樹相比，玉米自身的生長條件不同，代謝方式也不同，因此可能前茬玉米種植過程中生物質等的殘留對土壤有機質等能源物質的積累有一定的影響，為微生物和酶活性的提高創造了良好的條件，從而提高土壤轉化酶的活性，改善了由蘋果連作引發的酶活性降低的問題，減緩連作障礙。

圖2 各處理對蘋果根際土壤中性磷酸酶活性的影響Fig.2 Effects of different treatments on neutral phosphatase activity in rhizosphere soil of apple trees

圖3 各處理對蘋果根際土壤轉化酶活性的影響Fig.3 Effects of different treatments on invertase activity in rhizosphere soil of apple trees

2.2 根際土壤pH值

圖4 各處理對蘋果根際土壤pH值的影響Fig.4 Effects of different treatments on pH value in rhizosphere soil of apple trees

如圖4所示，隨著果樹生育期的推進，根際土壤pH值呈現緩慢上升的趨勢，土壤理化性質也逐漸由弱酸性變為中性。與CK相比，MR-0處理的根際土壤pH值在各生育期均顯著(P<0.05)降低。這說明蘋果連作會使根際土壤pH值降低變酸，致使土壤根際有益微生物減少，有害微生物增加，從而誘發根際毒害和土壤酸化。經2 a或1 a玉米輪作后，根際土壤pH值相較MR-0在各生育期均顯著(P<0.05)增長，至成熟期pH達到最大。MR-2和MR-1處理根際土壤的pH值分別升高至7.57與7.25，較MR-0的6.86分別升高0.71和0.39。玉米(2 a)-蘋果輪作處理(MR-2)的土壤pH值甚至接近于非連作蘋果園(CK)，兩者無顯著差異。由此可見，玉米-蘋果輪作對于防治由蘋果連作引起的土壤酸化有積極作用。

3 小結與討論

本研究顯示，前茬未種玉米的連作蘋果園(MR-0)根際土壤中脲酶、中性磷酸酶和土壤轉化酶活性均顯著(P<0.05)低于非連作對照(CK)，各個生育期土壤pH值均顯著降低，土壤環境由中性改變為弱酸性。玉米(2 a)-蘋果輪作(MR-2)和玉米(1 a)-蘋果輪作(MR-1)與連作蘋果(MR-0)相比，根際土壤酶活性均顯著增高，pH值亦顯著升高。同時，玉米(2 a)-蘋果輪作(MR-2)的各測試指標均優于玉米(1 a)-蘋果輪作。

許多研究表明，輪作后可以改善土壤理化性質，提高土壤肥力，促進作物的生長發育。王尚明等[19]研究發現，在菠蘿-桉樹農林復合輪作系統中，種植草本植物菠蘿可有效提高林地土壤養分，改善土壤結構，促進木本林木桉樹的生長，對改善林地生態環境和實現林地可持續發展有重要意義。肖宏[20]的研究表明，在盆栽條件下，連作土分別輪作草本作物大豆、高粱和玉米后，木本科平邑甜茶幼苗的根際土壤脲酶和中性磷酸酶活性均顯著提高，其中玉米作為前茬參與輪作后對土壤酶活性的提高幅度最大。本試驗亦發現，玉米-蘋果輪作后，蘋果各個生長季的根際土壤酶活性均顯著提高。玉米是一種能源物質含量高的作物，且地下根系龐大，在果樹更替時土壤會殘留較多的生物質，可以大大提高土壤有機質的含量。有機質的增加會為微生物的代謝和活動提供基礎，提高土壤轉化酶的活性，這與劉術新等[21]在研究連作長豇豆時的結果相一致。同時這些殘留物給予微生物充分的營養源，微生物代謝活動旺盛，土壤呼吸強度加大，從而使土壤聚集了較高的土壤酶活性。蘋果多年連續種植，其根系酚酸類分泌物質會不斷積累，這種單一且有毒害作用的分泌物的累加會對后茬果樹的生長和發育產生強烈的抑制作用[22]。玉米根系分泌物中含有較多的不同于蘋果自毒作用的有機酸[23]，玉米-蘋果輪作體系下玉米和蘋果根系分泌物的更替能夠有效打破連作蘋果單一有自毒作用的酚酸類根系分泌物的積累環境，控制后茬果樹的連作障礙發生。此外，蘋果連作土壤中酚酸類物質含量的過度積累會引起土壤酸化，導致土壤pH值降低，而玉米-蘋果輪作對連作蘋果土壤pH值有一定程度的提高作用，可使根際土壤微環境從弱酸性逐漸轉變為中性，更有利于蘋果生長。

果樹常年連作導致根系分泌物質大量積累，改變原有的土壤微生態群落，有害微生物滋生，導致果樹某些專一性的病原微生物病害、伴生蟲害發生，從而影響果樹的生長發育，甚至導致減產或絕收。為避免連作障礙對作物的影響，一方面，應將蘋果樹的種植控制在一定的年限內，降低復種指數，另一方面在蘋果種植過程中應與玉米等具有良好茬口的草本作物進行輪作，以保護和改善種植區土壤的生態環境。本研究發現，2 a玉米-蘋果輪作比1 a玉米-蘋果輪作能夠更有效地改善連作障礙的土壤環境，增加土壤地力。但前茬種植更長年限的玉米與蘋果輪作對連作障礙的緩解作用是否更強，仍有待進一步研究。

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Effectsofcorn-applerotationonenzymeactivityandpHvalueinrhizospheresoilofappletrees

FAN Linjuan1， LIU Qizhi1，*， WANG He2， XU Zhenxiang1， LI Weihua1

(1.CollegeofPlantProtection，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100193，China; 2.ForestProtectionStationofBeijing’sGardenAfforestation，Beijing100029，China)

In order to clarify the functional mechanism for alleviating the apple continuous cropping obstacles under corn-apple rotation system，the impact of corn plantation years (1 a or 2 a) on rhizosphere soil enzyme activities and pH value of continuous cropping apple orchards were studied. Rhizosphere soil of apple orchard in flowering stage， fruitlet stage， expanding stage and maturity stage was collected， respectively. It was shown that rhizosphere soil urease activity， phosphatase activity， invertase activity and soil pH value all showed a trend of non-continuous cropping of apple>corn (2 a)-apple rotation>corn (1 a)-apple rotation>continuous cropping of apple in all tested apple growth stages. Compared with apple continuous cropping， rhizosphere soil urease activity in the treatment of corn (2 a)-apple rotation and corn (1 a)-apple rotation increased the most in the maturity stage， which were 105.95% and 78.30%， respectively. The activity of soil phosphatase in the treatment of corn (2 a)-apple rotation and corn (1 a)-apple rotation was significantly increased by 26.45% and 23.06%， respectively， in fruitlet stage， and by 37.07% and 29.19%， respectively， in expanding stage， and by 45.59% and 18.77%， respectively， in maturity stage. The activity of soil invertase increased the most in expanding stage， reaching 53.11% and 47.29%， respectively. Meanwhile， compared with apple continuous cropping， of which pH value was 6.86， the rhizosphere soil pH in corn (2 a)-apple rotation and corn (1 a)-apple rotation was increased to 7.57 and 7.25， respectively. In summary， apple continuous cropping reduced soil enzyme activities and pH value， yet corn-apple rotation could remarkably increase soil enzyme activities and pH value. Corn (2 a)-apple rotation had better alleviation effect than that of corn (1 a)-apple rotation on obstacles of apple continuous cropping.

rotation; continuous cropping obstacle; soil enzyme; rhizosphere

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(12): 2084-2090

http://www.zjnyxb.cn

范琳娟，劉奇志，王合，等. 玉米-蘋果輪作體系對蘋果根際土壤酶活性和pH值的影響[J]. 浙江農業學報，2017，29(12)： 2084-2090.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.17

2017-04-11

國家科技支撐計劃(2014BAD16B0702)

范琳娟(1991—)，女，河南三門峽人，碩士研究生，從事作物重茬研究。E-mail: fljx99@163.com

*通信作者，劉奇志，E-mail：lqzzyx163@163.com

S153

A

1004-1524(2017)12-2084-07

(責任編輯高 峻)