黃瓜連作對土壤微生物多樣性和酶活性的影響

霍琳 楊思存 王成寶 姜萬禮

摘要：在相同管理措施下對日光溫室黃瓜不同連作年限土壤微生物種類和數量以及酶活性的變化進行了分析。結果表明，隨著連作年限的增加，土壤細菌數量和放線菌數量均呈先增加后降低的趨勢，連作10 a時達到最高，隨著連作年限的進一步延長又逐漸降低；真菌數量持續增加。土脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性均呈先增加后降低的趨勢，在連作8～10 a時達到最大，土壤過氧化氫酶活性呈連續降低的趨勢。在黃瓜生長季節，隨著生育期的推移，3種土壤微生物的數量和5種土壤酶的活性均呈先上升后降低的趨勢，3 — 4月份達到最大。

關鍵詞：連作年限；土壤微生物種類和數量；土壤酶活性；日光溫室；蘭州市

中圖分類號：S154.3 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2018）10-0030-07

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2018.10.010

Effects of Continuous Cucumber Cropping on Soil Microbial Diversity and Enzyme Activity

HUO Lin， YANG Sicun， WANG Chengbao， JIANG Wanli

（Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：The changes of soil microbial species and quantity and enzyme activity in different continuous growing years of cucumber in solar greenhouse were analyzed under the same management measures. The results showed that the number of soil bacteria and actinomycetes increased first and then decreased with the increase of continuous cropping years. The number of soil bacteria and actinomycetes reached the highest level after 10 years of continuous cropping， and gradually decreased with the extension of continuous cropping years， but the quantity of soil fungus increased continuously. The activities of soil urease， alkaline phosphatase， sucrase and polyphenol oxidase increased at first and then decreased， and achieved the maximum at 8～10 years of continuous cropping， while the activities of soil catalase decreased continuously.During the cucumber growing season， the number of three soil microorganisms and the activity of five soil enzymes increased first and then decreased with the development of the cucumber growing season， and reached the highest in March to April.

Key words：Continuous cropping years；Soil microbial species and quantity；Soil enzyme activity；Solar greenhouse；Lanzhou City

蔬菜產業是蘭州市農產品中商品量最大、市場潛力最好、外銷量最高、發展最為活躍的重要優勢產業。從1994年開始，蘭州市就實施了以日光溫室為主的科技戰略，目前種植面積已超過了 2 000 hm2，除滿足全市冬春淡季新鮮蔬菜需求外，還遠銷青海、新疆等地[1 ]。日光溫室栽培具有位置相對固定、投入相對較高、水肥用量較大、土壤耕作頻繁等特點，且農民為了謀求設施生產的最大效益，總會選擇市場虧缺和產量、效益較好的黃瓜、番茄、茄子、辣椒等蔬菜種類，從而形成種植品種相對單一的特點，促成并加劇了土壤的連作障礙，導致土壤生態環境惡化、病蟲害加重、蔬菜產量降低、品質變劣等一系列不良反應，不僅嚴重影響了日光溫室蔬菜生產的可持續發展和食品安全，而且嚴重威脅著消費者的健康[2 - 3 ]。

土壤中的微生物和酶既是土壤有機質轉化的執行者，又是植物營養元素的活性庫，在植物殘體降解、腐殖質形成及養分轉化與循環中扮演著十分重要的角色，其重要生理功能已引起學者們的足夠重視[4 - 6 ]。許多研究表明，土壤酶活性和土壤微生物區系和群落結構等作為土壤生物學指標，能較早地預測土壤質量的變化，也是土壤健康的決定性因素[7 - 8 ]。提高土壤酶和土壤微生物活性能夠促進植物生長，防治和減輕病蟲危害，增加作物產量[9 - 10 ]。近年來，利用生物指標指示土壤質量或土壤健康已成為近年來國內外的研究熱 點[11 - 13 ]，與此同時，設施栽培條件下土壤微生物數量變化和酶活性的變化作為研究重點也受到了廣泛關注，但由于試驗條件不同，導致地區間差異較大[14 - 17 ]。蘭州深處內陸腹地，經濟和科技水平相對落后，農戶經營管理水平不高，很多溫室經過連年種植后土壤性質已明顯變差，有些溫室已棄耕，嚴重制約了這一產業的可持續發展。但關于本地溫室栽培管理條件下連作障礙問題的研究尚鮮見報道。為此，我們于2014 — 2015年在榆中縣來紫堡鄉駱駝巷村開展了黃瓜連作對土壤微生物多樣性和土壤酶活性影響的研究，旨在評價種植年限對土壤微生物群落結構和數量及土壤酶活性的影響，從微生物及土壤酶的角度揭示該地區日光溫室發生連作障礙的機理。

1 材料與方法

1.1 供試材料

指示黃瓜品種為津春3號，采用靠接法與黑籽南瓜嫁接。

1.2 試驗設計

分別選擇3個棚齡為1、3、5、8、10、12、15 a的棚作為重復，溫室寬度均為7.5 m，長度40～60 m，朝向相同。2014年9月18日開始育苗，11月5日定植，2015年1月6日收獲第1茬瓜，6月6日全部收獲結束。施肥量按試驗區農戶調查所得的平均值來確定，即：N 1 340 kg/hm2、P2O5 964 kg/hm2、K2O 420 kg/hm2、優質有機肥90 t/hm2，全部有機肥、全部磷肥、氮肥的40%、鉀肥的50%作為基肥于定植前結合整地施入，剩余的60%氮肥分3次、50%鉀肥分2次于盛瓜期追施。灌水采用膜下滴灌，自采收起每隔5～7 d灌水1次，每次灌溉定額約150 m3/hm2。其他管理措施均按當地習慣進行。黃瓜定植后每隔30 d左右用5點采樣法在每個棚內采土樣1次，采樣深度為0～20 cm，將5個點的土樣充分混勻后分成2份，1份新鮮土樣裝入滅菌袋內在4 ℃下保存，用于測定土壤細菌、真菌、放線菌的數量；另1份土樣自然風干保存，用于測定脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶的活性。

1.3 測定方法

土壤中的細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基培養，放線菌采用改良高氏1號培養基（每300 mL培養基中加3%重鉻酸鉀1 mL，以抑制細菌和霉菌生長）培養，真菌采用馬丁氏培養基（每1 000 mL培養基中加1%孟加拉紅水溶液3.3 mL、1%鏈霉素3 mL）培養。均采用平板法計數，結果用每克干土表示[18 ]。土壤過氧化氫酶活性測定采用容量法，脲酶活性測定采用靛酚比色法，多酚氧化酶活性測定采用鄰苯三酚比色法，蔗糖酶活性采用磷鉬酸比色法，堿性磷酸酶活性用苯磷酸二鈉比色法測定[19 ]。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2007軟件處理數據及制圖，用SAS8.0統計軟件進行相關的統計分析。

2 結果與分析

2.1 黃瓜連作對土壤微生物多樣性的影響

2.1.1 對土壤細菌數量的影響 由表1可見，黃瓜連作對土壤細菌數量有較大影響，連作10 a時達到最高，隨著連作年限的進一步延長又逐漸降低。與種植1 a相比，連作3 a土壤細菌數量變化不大，平均增加了13%，只4、5月份才達到差異顯著水平；連作5 a與12 a的細菌數量基本相當，分別增加了55%和57%，只有2、6月份有顯著差異；連作8 a和10 a時土壤細菌數量達到了最大值，分別增加了120%和147%，且差異顯著，但連作8 a的土壤細菌數量在6月份顯著高于連作10 a；連作15 a時，土壤細菌數量與種植1 a相比，平均下降了13%，但只有11月、5月和6月份的差異達到了顯著水平。從整個生育期來看，不同連作年限日光溫室土壤細菌數量都呈先增加后降低的趨勢，峰值均出現在4月份，平均為定植時（11月6日）的3.86倍，12、1、2、3、5、6月份與定植時相比，平均增加了67%、132%、209%、306%、232%和104%。

2.1.2 對土壤真菌數量的影響 由表2可知，黃瓜連作對土壤真菌數量也有較大影響，但土壤真菌表現出更強的適應性，隨著連作年限的延長呈增加的趨勢。與種植1 a相比，連作3 a土壤真菌數量平均增加了23%，只在1 — 4月份差異達到顯著水平；連作5 a土壤真菌數量平均增加了44%，但與連作3 a相比，只在12月、翌年3月和4月份差異達到顯著水平；連作8 a和10 a的變化不大，分別增加了76%和86%；連作12 a和15 a時，土壤真菌數量達到了最大值，分別比種植1 a增加了136%和181%，在整個生育期內，連作15 a高于連作12 a，但在11月和翌年6月份的差異不顯著。從整個生育期來看，不同連作年限日光溫室土壤真菌數量的變化趨勢與土壤細菌相同，為先增加后降低，峰值均出現在3、4月份，比定植時（11月6日）平均增加了91%和93%，12、1、2、5、6月份比定植時平均增加了17%、37%、66%、49%和12%。

2.1.3 對土壤放線菌數量的影響 表3表明，不同連作年限日光溫室土壤放線菌數量變化的趨勢與土壤細菌一致，即連作10 a時達到最高，隨著連作年限的進一步延長又逐漸降低。與種植1 a相比，連作3 a土壤放線菌數量平均增加了15%，只有4月份差異不顯著；連作5 a時土壤放線菌平均增加了37%，在不同生長階段均與連作3 a有顯著差異；連作8 a與12 a土壤放線菌基本相當，平均數量分別增加了57%和55%，11、12月份差異不顯著，但12月份之后均有顯著差異，特別是翌年6月份，連作8 a甚至高出了連作10 a的放線菌數量。連作10 a時，土壤放線菌數量達到了最大值，比種植1 a平均增加了96%，除6月份低于連作 8 a處理但差異不顯著外，大部分生育期內均顯著高于其它連作年限處理；連作15 a時土壤放線菌數量平均增加了23%，在11、12、3月份與連作 5 a處理差異不顯著，但總體上呈下降趨勢，與連作10 a相比降低了37%。從整個生育期來看，不同連作年限日光溫室土壤放線菌數量的變化趨勢也是先增加后降低，峰值也是出現在3、4月份，比定植時平均增加了1.1倍，12、1、2、5月份分別增加了19%、40%、74%和52%，6月份又恢復到了定植時的水平。

2.2 黃瓜連作對土壤酶活性的影響

2.2.1 對土壤脲酶活性的影響 由圖1可見，黃瓜連作對土壤脲酶活性的影響程度不大，與種植 1 a相比，連作3～15 a的土壤脲酶活性只增加了13%～20%，且不同連作年限間差異不顯著。但隨著連作年限的增加，土壤脲酶活性也呈現出先增加后降低的趨勢，連作5～8 a時達到最高。從整個生育期來看，土壤脲酶活性呈雙峰曲線變化，第1個峰值出現在3月份，平均為21.27 mg/g，比定植時平均增加了57%；第2個峰值出現在5月份，平均為14.79 mg/g，比定植時平均增加了9%；4月份最低，平均只有11.85 mg/g，比定植時平均降低了12%；12月、1月、2月份分別增加了8%、18%和40%，6月份降低了12%。

2.2.2 對土壤堿性磷酸酶活性的影響 從圖2可看出，黃瓜連作對土壤堿性磷酸酶活性的影響較大，隨著連作年限的增加而先增加后降低。連作10 a時達到最大，平均為0.405 mg/g，與種植1 a相比，增加了45%；連作3、5、8、12、15 a時分別增加了11%、23%、36%、38%和34%，且連作8、12、15 a間差異不顯著。從整個生育期來看，土壤堿性磷酸酶活性呈單峰曲線變化，但不同連作年限處理峰值出現的時間不同。種植1 a和連作3、5年的出現在4月份，連作8 a的出現在3月份，連作10、12、15年的均出現在2月份。從不同月份的平均值來看，定植時最低，只有0.233 mg/g；其次是6月份，平均為0.247 mg/g；3月份最高，平均為0.464 mg/g，比定植時平均增加了99%；12、1、2、4、5月份分別增加了26%、58%、96%、83%、44%。

2.2.3 對土壤蔗糖酶活性的影響 由圖3可知，隨著連作年限增加，土壤蔗糖酶活性先增加后降低。連作8 a時達到最大，平均為115.57 mg/g，比種植1 a增加了95%；連作3、5、10、12、15 a分別增加了22%、60%、59%、40%、13%，除連作5 a與10 a、連作3 a與15 a之間差異不顯著外，其他連作年限間差異均達到顯著水平。從整個生育期來看，土壤蔗糖酶活性呈單峰曲線變化，不同連作年限處理峰值都出現在4月份，平均為117.36 mg/g，比定植時平均增加1.3倍；12、1、2、3、4、5、6月份分別增加了32%、58%、80%、105%、78%、30%。

2.2.4 對土壤過氧化氫酶活性的影響 由圖4可見，隨著連作年限的增加，土壤過氧化氧酶活性呈連續降低的趨勢。種植1 a的最大，平均為17.92 mL/g；連作15 a的最低，平均為7.25 mL/g，降低了60%；連作3、5、8、10、12 a則分別降低了7%、19%、31%、44%、52%，不同連作年限間均達到差異顯著水平。從整個生育期來看，土壤過氧化氫酶活性也呈單峰曲線變化，種植1 a和連作8 a的峰值出現在4月份，連作3、5、10、12、15 a的均出現在3月份。從不同月份的平均值來看，定植時最低，只有9.02 mL/g；3月份最大，平均為16.72 mL/g，比定植時增加了85%；12、1、2、4、5、6月份分別增加了12%、30%、50%、78%、43%、10%。

2.2.5 對土壤多酚氧化酶活性的影響 圖5表明，隨著連作年限增加，土壤多酚氧化酶活性呈先增加后降低趨勢。與種植1 a相比，連作10 a最大，平均為0.74 mg/g，增加了77%；連作15 a最低，平均為0.39 mg/g，降低了7%；連作3、5、8、12 a分別增加了13%、31%、55%、48%，不同連作年限間均達到了差異顯著水平。從整個生育期來看，土壤多酚氧化酶活性也呈單峰曲線變化，種植1 a和連作3、5、8 a的峰值出現在3月份，連作10、12、15 a的峰值出現在4月份。從不同月份平均值來看，定植時（11月6日）最低，只有0.32 mL/g；4月份達到最大，平均為0.73 mg/g，比定植時（11月6日）增加1.3倍；12、1、2、3、4、5、6月份分別比定植時（11月6日）增加26%、52%、91%、121%、86%、43%。

3 小結與討論

連作年限對土壤微生物群落結構和數量均有影響，細菌數量和放線菌數量均呈先增加后降低的趨勢，連作10 a時達到最高，隨著連作年限的進一步延長又逐漸降低，但真菌數量卻持續增加。土壤酶活性表現出與土壤微生物數量相一致的變化規律，脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性均呈先增加后降低的趨勢，在連作8～10 a時達到最大，土壤過氧化氫酶活性呈連續降低的趨勢。在黃瓜生長季節內，由于受化肥、農藥、灌水、光照、土壤耕作和作物根系等的影響，隨著生育期的推移，3種土壤微生物的數量和5種土壤酶的活性均呈先上升后降低的趨勢，3 — 4月份達到最高。

土壤微生物主要參與土壤有機質分解、腐殖質形成、土壤養分轉化和循環等過程，是生態系統穩定性和可持續性的保障[20 ]。日光溫室栽培條件下，人為的干擾作用加強，在相對密閉又固定的獨特環境中，土壤耕作頻繁、施肥量大、空氣流動性差、有害氣體作用強烈，土壤干濕交替不明顯，造成在厭氣條件下土壤生態結構發生變化，因而對土壤微生物的生長發育產生很大影響，但不同學者的研究結論也有不同。一些學者認為土壤微生物數量隨著種植年限的增加而持續增加[21 - 23 ]，也有學者認為土壤微生物數量隨著種植年限的增加先增加后降低[24 - 26 ]，其原因可能與采樣時間、采樣深度、采樣點肥力水平差異等有關，特別是與所采樣品的最高種植年限有關，因為最高種植年限不同，土壤理化性狀的變化也不同，土壤的結構、通氣性、水分狀況、養分狀況等對土壤微生物均有重要影響。此外，不少學者還認為隨種植年限增加，土壤微生物的群落結構也會發生變化，會使土壤從細菌型向真菌型轉化，導致地力衰竭，真菌數量越多土壤肥力越差[21，25，27 ]，這可能是因為連作條件下土壤容重增大，透氣性降低，不利于耕層細菌繁殖，同時由于大量氮肥投入，日光溫室地表鹽分得不到雨水淋洗，導致耕層土壤氮素逐漸積累，滲透壓降低，會抑制放線菌生長[28 ]。此外，單一作物連作后，根系分泌產生的毒害物質致使有益真菌減少，而使某些特定的病原真菌得到富集，促使根際土壤微生物區系由高肥的“細菌型”土壤向低肥的“真菌型”土壤轉 化[29 - 30 ]。本研究將日光溫室最高種植年限設定為15 a，結果表明隨著連作年限延長，土壤細菌和放線菌都呈先增加后降低的趨勢，且均在連作10 a時達到最高，隨著連作年限的進一步延長又逐漸降低。但真菌數量卻隨著連作年限的延長而一直增加，這與杜連鳳、Ge、Shen等人[25，29 - 30 ]的結論一致。

土壤酶是土壤中最活躍的組分之一，它與微生物一起推動著土壤中各種生物化學過程，如腐殖質的分解與合成，動植物殘體和微生物殘體的分解及其有機物的合成、水解與轉化和土壤養分循環等，并對土壤肥力的演化產生著非常重要的影響[31 - 33 ]。國內外許多學者認為，土壤酶活性與土壤質量的很多理化和生物指標相互聯系，并受到土壤有機無機復合體保護，具有一定的穩定性，能夠比較全面地反映出土壤生物學肥力質量變化，并為土壤生態系統在環境脅迫及人為擾動下的變化提供早期預警[34 - 35 ]，可作為土壤肥力、土壤質量及土壤健康的重要指標[36 - 41 ]。日光溫室栽培條件下，土壤中的物質轉化、養分釋放和固定過程與露地完全不同，特別是單一蔬菜品種的連作對土壤酶產生了較大影響。王文鋒等[42 ]的研究表明，隨著種植年限的延長，多數酶活性呈先增加后降低的趨勢；吳鳳芝等[43 ]的研究表明，隨著連作年限的增加，過氧化氫酶、脲酶和轉化酶的活性顯著地降低，多酚氧化酶的活性顯著升高；張國紅等[21 ]的研究也表明脲酶和過氧化氫酶活性在種植1～2 a的新日光溫室中酶的活性較小，種植3～4 a的溫室土壤達到較高水平，之后呈下降趨勢。本研究表明，隨著黃瓜連作年限的延長，土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性均呈先增加后降低的趨勢，在8～10 a時達到最大，過氧化氧酶活性呈連續降低的趨勢，這與前人的研究結論基本上是一致的。同時土壤酶活性也表現出與土壤微生物數量相一致的變化規律，這與孟平紅等[44 ]的研究結論一致，也進一步證明連作年限過長的土壤生物學活性、熟化程度和肥力水平變差，有可能是因為連作產生了對土壤生物化學過程有抑制作用的物質。

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（本文責編：陳 偉）