設施辣椒連作對土壤理化性狀、酶活性及微生物區系的影響

韓海蓉，李 屹，陳來生，杜中平，熊榮波，趙怡文，韓 睿

（青海大學農林科學院，青海省蔬菜遺傳與生理重點實驗室，青海 西寧 810016）

連作障礙又稱再植病，是指同一作物在同一塊土地連續種植兩茬或者兩茬以上之后，土壤失去支持不同作物生長能力的現象［1-2］。連作會導致土壤出現次生鹽漬化、作物根系分泌物和鹽分積累、養分失衡、土傳病害加重及生態環境惡化等一系列問題，形成對作物生長不良的逆環境，導致作物品質和產量降低［3-5］。連作障礙形成的原因復雜，是土壤系統內多種因子綜合作用的結果［6］。Gao等［7］研究表明，土壤微生物與甘薯常見的連作障礙有一定的關系。Nicola 等［8］發現蘋果的連作障礙是由影響微生物代謝及其與寄主相互作用的某些主要環境條件引起的。Li 等［9］通過研究穿心蓮的連作現象后表明，連作會抑制參與代謝產物生物合成途徑基因的表達水平，導致其活性的合成下降。

辣椒為茄科辣椒屬一年或多年生草本植物，也是不宜連作的蔬菜作物之一，因其獨特的辣味和豐富的營養價值深受世界各國消費者的歡迎［10］。辣椒是青海省種植面積最大的蔬菜作物之一，也是青海省農業結構調整中重要的經濟增長點。近年來，隨著菜籃子工程的實施和農業產業結構的調整，辣椒的栽培面積不斷擴大，現已達到1.81 萬hm2，占青海省蔬菜栽培總面積的35%。特別是設施辣椒面積，現已達到青海設施栽培蔬菜總面積的50%。然而，由于辣椒種植基地較為集中且連作較為普遍，從而導致土壤退化，土傳病害增加，產量和品質下降。連作障礙嚴重影響和制約著青海辣椒產業的可持續發展，成為辣椒栽培亟需解決的問題。因此，本研究通過開展青海設施辣椒連作對土壤理化性狀、酶活性及微生物區系的影響，探索設施辣椒連作障礙與土壤理化性狀、酶活性及微生物區系之間的關系，為解決青海省設施辣椒連作障礙問題提供理論基礎和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗取材于尖扎縣農業科技園區——青海省省級 農業科技園區（101°52′41.37″E，36°6′2.06″N）種植辣椒的日光溫室。尖扎縣位于青海省東南部，屬于高原大陸性氣候，光照充足，晝夜溫差大，年均氣溫較青海省部分地區高，適宜辣椒的栽培。

1.2 樣品采集

試驗選取的日光溫室長68 m，寬10 m，辣椒采用起壟覆膜種植，一壟雙行。每年基肥施用量為：商品有機肥10000 kg/hm2，過磷酸鈣750 kg/hm2，復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）375 kg/hm2，氯化鉀112.5 kg/hm2。于2016～2019 年每年8 月中旬連續采樣，采集連作1、2、3 和4 年辣椒根際土壤的土樣，分別用SC1、SC2、SC3 和SC4 表示。同時，連作第0 年的土樣于2016 年1 月下旬辣椒定植前采集，記為對照，用CK 表示。按照5 點取樣法采集辣椒根際0～20 cm的土壤，取3 個重復，置于無菌袋內帶回實驗室，過2 mm 土篩后于-80℃保存，用于酶活性的測定。同時按照5 點取樣法另取同樣的土壤樣品裝于無菌12#自封袋（34 cm×45 cm），每個樣品取3 袋，4℃保存，過2 mm 土篩后用于土壤理化性狀和微生物區系的測定。

1.3 土壤理化性狀測定

土壤容重采用環刀法測定；電導率采用浸提法測定；全氮采用半微量凱氏法測定；全磷采用碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用火焰光度法測定；有機質采用外加熱重鉻酸鉀容量法測定；pH 采用電位法測定。

1.4 土壤酶活性測定

采用脲酶試劑盒測定脲酶，結果以24 h 后1 g土樣中產生銨態氮的毫克數表示；用過氧化氫酶試劑盒測定過氧化氫酶，結果以24 h 后1 g 土樣催化過氧化氫降解的微摩爾數表示；用堿性磷酸酶試劑盒測定堿性磷酸酶，結果以24 h 后1 g 土樣釋放酚的微摩爾數表示；用蔗糖酶試劑盒測定蔗糖酶，結果以24 h 后1 g 土樣中產生還原糖的毫克數表示；用淀粉酶試劑盒測定淀粉酶，結果以24 h 后1 g 土樣中產生還原糖的毫克數表示；用堿性蛋白酶試劑盒測定堿性蛋白酶，結果以24 h 后1 g 土樣中產生酪氨酸的毫克數表示。

1.5 土壤微生物數量測定

微生物數量采用稀釋平板法測定，其中細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，真菌采用馬丁氏培養基，放線菌采用改良高氏1 號培養基。

1.6 土壤微生物量測定

土壤微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）均采用氯仿熏蒸浸提法測定；土壤微生物熵（qMB）按照Anderson 等［11］的方法計算，即微生物量碳與有機碳的比值。

1.7 數據處理

采用DPS 7.05 數據處理系統中的Tukey 法進行方差分析；利用Origin 2018 制圖。

2 結果與分析

2.1 連作對設施辣椒產量及土壤理化性狀的影響

由表1 可知，設施辣椒總產量（629 m2生產面積）和小區（約210 m2）產量隨連作年限增加均呈顯著下降趨勢，SC4的總產量和小區產量分別較SC1 下降52.74%和52.57%。連作對設施辣椒土壤理化性狀的影響見表2。隨著連作年限的增加，土壤容重和電導率呈上升趨勢，pH 呈下降趨勢；SC4 相比CK，容重和電導率分別顯著增加了1.86 和2.45 倍，pH 顯著減少了10.79%；隨連作年限的增加土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀呈先上升后下降的趨勢；有機質、全氮和速效鉀的峰值均在SC1 時出現，SC4 較SC1 分別下降了31.65%、23.81%和58.19%，而有效磷峰值在SC2 時出現，SC4 較SC2 下降了84.65%。不同連作年限對全磷、全鉀和堿解氮影響不顯著。

表1 連作對設施辣椒產量的影響

表2 不同連作年限土壤理化性狀的變化

2.2 設施辣椒連作對土壤酶活性的影響

連作對設施辣椒土壤酶活性的影響見圖1。隨著連作年限增加，土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶、淀粉酶和過氧化氫酶均呈下降趨勢，SC4 較CK 分別顯著下降了75.10%、66.68%、53.23%和33.77%（圖1A、B、C、D）。土壤脲酶和堿性蛋白酶隨連作年限增加呈先上升后下降趨勢，其中脲酶峰值（SC3）分別較CK 和SC4 顯著增加25.95%和24.10%；堿性蛋白酶峰值（SC2）分別較CK 和SC4 顯著增加132.08%和134.10%（圖1E、F）。

2.3 設施辣椒連作對土壤微生物數量的影響

微生物數量是反映土壤肥力的重要指標，直接影響土壤的生物化學活性和土壤養分的組成和轉化。由表3 可知，各連作年限土壤樣品的細菌和真菌數量均與CK 呈顯著性差異，而放線菌數量與CK 無顯著性差異。隨著連作年限的增加，細菌數量先增加后減少，其中SC1 細菌數量最多，達到20.15×106cfu/g，顯著高出CK 6.33%；SC4 數量最少，顯著低于CK 4.27%。真菌數量隨連作年限的增加逐漸增加，其中SC4 最高，達到13.65×103cfu/g，顯著高出CK 68.10%。從土壤微生物總數及其組成上來看，微生物總數與細菌變化規律一致，其中SC1 總數最多，為20.31×106cfu/g，比CK 和SC4分別多6.28%和10.98%。

細菌與真菌數量的比值（B/F）是衡量細菌型土壤和真菌型土壤的一個主要標志。隨著連作年限的增加，B/F 值明顯降低，SC4 較CK 顯著下降了43.06%（表3）。土壤微生物發生了從“細菌型”向“真菌型”的轉變，而真菌數量的升高則會增加土傳病害發生的概率，從而引起辣椒的連作障礙。

表3 設施辣椒連作對土壤微生物數量的影響

2.4 設施辣椒連作對土壤微生物量的影響

土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）和微生物熵（qMB）是反映土壤肥力及土壤對環境響應的指示指標，而微生物量碳氮比（MBC/MBN）的值能夠反映土壤中主要的微生物類群。據相關報道，MBC/MBN 若為3～5 時，比值較低，則土壤微生物種類以細菌為主；反之則以真菌為主，其MBC/MBN 通常為5.5～15［12］。

由表4 可知，各連作年限土壤樣品的MBC、MBN 和qMB 與CK 呈顯著性差異。隨著連作年限的增加，MBC、MBN 和qMB 均呈下降趨勢，SC4 較CK 分別下降了47.99%、89.74%和32.94%。說明連作使設施辣椒根際土壤的肥力下降，土壤微生物對碳、氮等物質的利用率下降。同時，MBC/MBN 顯著升高，在SC3 時，比值為8.82，土壤微生物群落結構由“細菌型”轉變為“真菌型”。

表4 設施辣椒連作對微生物量的影響

3 討論與結論

3.1 連作對設施辣椒土壤理化性狀的影響

土壤水溶性鹽含量是表征土壤鹽化的一個重要指標，土壤的電導率和水溶性鹽存在明顯的相關關系，目前國內主要以測定土壤電導率來反映土壤水溶性鹽含量的多少，即土壤鹽分越高，電導率就越高［13］。土壤容重是反映土壤結構、透氣性、入滲性能、透水性能以及持水能力高低的指標，容重數值本身可以作為土壤肥力的重要指標之一，容重越小表明土壤透氣透水性能越好［14-15］。本研究表明隨連作年限的增加，土壤容重和電導率呈上升趨勢，說明連作會使土壤鹽分過度積累，導致土壤含水率下降，緊實度增加，透氣透水性能降低。這可能是導致辣椒產量及品質急劇下降的關鍵因素之一，即在緊實土壤中可能產生辣椒根伸長速度減慢、根變短變粗等現象，從而導致辣椒產量急劇下降。大量研究發現，長期連作會造成土壤pH值顯著下降，引起土壤酸化，甚至改變土壤有效成分，引起植株養分吸收異常，進而影響蔬菜生長［16］。土壤pH 是研究精細農業不可缺少的重要參數，設施辣椒連作會導致土壤pH 顯著下降，說明土壤出現了酸化趨勢［17］。曹勝等［18］研究表明，調節土壤酸堿性有利于柑橘生長。連作年限的增加會使土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀差異顯著，且呈先上升后下降的趨勢。土壤營養基質化學變化是影響土壤質量和健康的重要因素之一。Jones等［19］研究發現土壤氮素穩定性對土壤肥力和結構有較大影響。

3.2 連作對設施辣椒土壤酶活性的影響

土壤酶活性的研究是土壤生物化學中重要的研究課題之一，土壤中養分轉化、累積和分解幾乎都是通過酶的作用來完成的。因此，土壤酶活性是評價土壤生態環境質量的重要指標［20-21］。土壤磷酸酶是一類催化土壤有機磷化合物礦化的酶，其活性的高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化及其生物有效性。土壤蔗糖酶可以反映土壤中有機碳的轉化和呼吸強度［22］。淀粉酶是催化淀粉水解的一類酶，土壤中的淀粉酶主要來自于微生物。土壤過氧化氫的積累會對生物和土壤產生毒害作用，過氧化氫酶能酶促過氧化氫分解為水和氧氣，解除過氧化氫的毒害作用［23］；脲酶是土壤中主要的水解酶類之一，對尿素在土壤中的水解及作物對尿素氮的利用有重要的影響［22］；土壤蛋白酶參與土壤中氨基酸、蛋白質以及其它含氮有機化合物的轉化。本研究中，隨連作年限的增加，土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶及淀粉酶活性降低，脲酶活性和堿性蛋白酶活性先增加后降低。這和前人的研究結果相符，劉素慧等［24］發現大蒜土壤過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性隨連作年限的增加均呈先上升后下降的趨勢；周艷麗等［25］的研究表明，隨著連作年限增加，甜瓜土壤脲酶含量呈先上升后下降的趨勢，而蔗糖酶呈下降趨勢；馬云華等［26］研究黃瓜連作對土壤酶活性的影響時發現多數土壤酶活性隨連作年限增加呈先升高后降低的變化趨勢；劉姣姣等［27］發現，隨著連作年限的增加，花椒根際土壤酶活性總體表現為先降低后緩慢升高的趨勢。

3.3 連作對設施辣椒土壤微生物區系的影響

土壤微生物對土壤環境因子的變化極為敏感，土壤微小變動均會引起其活性變化，可作為評價土壤質量的重要指標，成為近年來土壤學界研究的熱點［28］。土壤微生物量碳反映了土壤微生物的活動狀態，受土壤溫度、水分、營養狀況等因素的影響。土壤微生物量氮的含量是土壤微生物對氮素礦化與固持作用的綜合反映［29］。

細菌是土壤微生物中數量最多的一個微生物類群，主要參與有機質的分解和氨化作用［30］；真菌是土壤中氮、碳循環不可缺少的動力，但真菌與作物土傳病害的發生直接相關，放線菌與土壤肥力以及有機質轉化密切相關［31］。MBC 對于土壤變化非常敏感，其大小反映了微生物利用土壤碳源的能力［32］；MBN 反映土壤氮素的有效性［33］；qMB 是微生物量碳與總有機碳的比值，它充分反映了土壤中活性有機碳所占的比例及土壤肥力狀況。因為熵是一個比值，它能夠避免在使用絕對量或對不同有機質含量的土壤進行比較時出現的一些問題［34］。通常情況下，連作會導致B/F 降低，MBC/MBN 升高［20，35］。本研究發現，設施辣椒連作對土壤微生物數量和微生物量影響顯著，連作4 年，細菌數量顯著降低了4.27%，真菌數量顯著增加了68.10%，B/F 明顯下降；MBC、MBN 和qMB 均呈下降趨勢，MBC/MBN 明顯升高，說明土壤質量逐漸下降，土壤微生物群落由“細菌型”變為“真菌型”。