設施蔬菜復種連作對土壤理化性質和生物學特性的影響

王芳 王曉立 張穎 張楠

摘要：為探明宿遷地區設施蔬菜復種連作障礙機理，以水芹-黃瓜復種連作（T1）和茄子-黃瓜復種連作（T2）土壤為研究對象，以緊鄰露天未耕作土壤為對照（CK）處理，測定土壤pH值、鹽離子含量、有效元素含量、酶活性和微生物生物量，并進行相關性分析。結果顯示，T1和T2處理的pH值顯著低于CK;鹽離子總含量、NO- 3、HCO- 3、SO2- 4、Cl-、Ca2+、Na+、K+、有效銅、有效鐵、有效鋅含量顯著高于CK;微生物總量、細菌數量和放線菌數量顯著低于CK，真菌生物量顯著高于CK;蔗糖酶活性顯著高于CK，脲酶活性顯著低于CK。T1處理組pH值顯著高于T2;T1處理組各種鹽離子含量和有效元素含量顯著低于T2;T1處理組微生物總量、細菌數量和放線菌數量顯著高于T2，真菌數量顯著低于T2;T1處理組蔗糖酶和脲酶活性顯著高于T2。T1和T2處理pH值隨著深度的增加而增加，其他指標多隨著深度的增加而減少。相關性分析表明，pH值、NO- 3、Cl-、Na+含量與陽離子含量、有效元素含量關系密切;脲酶、蔗糖酶活性與陰離子含量關系密切;微生物生物量與酶活性、pH值、陰離子含量關系密切。水芹-黃瓜復種連作和茄子-黃瓜復種連作均會引起連作障礙，但水旱復種連作可以適當地緩解連作障礙的發生。

關鍵詞：設施蔬菜;復種連作;土壤酶活性;土壤微生物;土壤理化性質

中圖分類號： S344.3;S344.4? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）07-0214-07

收稿日期：2021-06-21

基金項目：江蘇省宿遷市指導性科技計劃（編號：Z2019100）;江蘇省宿遷市科技計劃（重點研發計劃——社會發展）（編號：S202003）;江蘇省宿遷市科技計劃（創新能力建設）（編號：M202001）;江蘇省自然科學基金（編號：BK20201481）。

作者簡介：王 芳（1982—），女，江蘇宿遷人，碩士，講師，主要從事園林植物保護和土壤微生物學研究。E-mail：835729199@qq.com。

設施蔬菜是指利用現代工業和機械技術，在局部范圍內改善或創造出適宜蔬菜生長的光照、溫度、濕度、水肥等環境因素，提高蔬菜生長質量，實現蔬菜的工業化生產和周年供應，促進現代農業的發展[1]。在我國，設施蔬菜自20世紀90年代進入高速發展階段[2]。在江蘇省宿遷市，設施蔬菜已成為主要支柱產業之一，是現代生態農業建設的重要內容[3]。隨著宿遷設施蔬菜的專業化和規模化，設施土壤的連作障礙問題日漸突出，2020年宿遷市現有設施蔬菜面積 36 698 hm2，發生連作障礙面積? 2 403.2 hm2，占設施蔬菜總面積的6.55%;涉及全市 43 個鄉鎮，江蘇省沭陽縣華沖鎮由于連作造成設施蔬菜平均減產超過 1 000 kg/667 m2[4]。連作造成土壤鹽化、酸化、硬化、有機質含量下降、養分失衡、土傳病害頻發，導致蔬菜的產量和品質下降，嚴重阻礙了宿遷地區設施蔬菜產業的發展。目前已有較多關于連作障礙的研究報道，周華蘭等認為馬鈴薯連作土壤全磷、有效磷、堿解氮、全氮、速效鉀、有機質含量增加，pH值降低[5]。高桐梅等認為土壤速效氮、磷、鉀，交換性鈣、鎂，有效銅、鐵、鋅、錳和硼含量隨芝麻連作年限增加而下降[6]。蔡秋燕等認為連作10年內的植煙土壤蔗糖酶和磷酸酶活性隨著連作年限的增加而顯著降低，脲酶活性呈上升的趨勢[7]。周華蘭等認為馬鈴薯連作土壤蔗糖酶、過氧化氫酶和轉化酶活性增加，磷酸酶和脲酶活性降低[5]。王長義等認為土壤微生物區系和多樣性失調、有益微生物減少、病原微生物富集是引起連作障礙的根本原因[8-9]。Liu等認為連作土壤會由細菌型向真菌型轉變，有害真菌數量增加，有益微生物數量減少[10-11]。可見，土壤養分失衡、理化性狀惡化、有害生物積累和微生物區系劣變等是引發連作障礙的主要原因。目前，關于復種連作的研究報道較少，主要集中于煙稻連作[12-16]。向鵬華等認為適度的煙稻復種連作（≤7年），可調理土壤pH值，有利于土壤養分釋放和作物更好的吸收利用[12]。靳志麗等認為煙稻復種連作模式下，14年前煙葉質量逐步提高[17]。宿遷市關于設施蔬菜連作障礙的報道較少，主要集中在連作障礙的防控和鹽離子含量研究[4，18-20]，少有關于設施蔬菜復種連作土壤鹽離子、酶活性和微生物的相關報道。本試驗以緊鄰研究對象的露天未耕作土壤作為對照，測定水芹-黃瓜復種連作和茄子-黃瓜復種連作大棚內土壤鹽離子含量、有效元素含量、酶活性和微生物數量，分析其之間的相關性，以期為探明設施蔬菜復種連作障礙機理及制定調控措施提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 土壤

試驗于2020年9—10月進行，采樣地位于江蘇省宿遷市南蔡鄉蘇圩村（118°287′N、33°824′E），采集水芹-黃瓜復種連作7～8年的大棚（T1）和茄子-黃瓜復種連作7～8年大棚（T2）內土壤，以緊鄰研究對象的露天未耕作土壤作為對照（CK）。取土時T1處理組種植水芹，土壤不積水，T2處理組種植茄子。采用“Z”形5點取樣法，去除土壤表層及周邊雜草，分別采集10、20、30 cm左右深處的土壤。土樣分為4份，第1份取3個深度同樣質量的土壤混合均勻、過篩后自然風干，用于測定土壤酶活性和土壤養分等指標;第2份取3個深度同樣質量的土壤混合均勻、過篩后置于-80℃超低溫冰箱保存，用于測定土壤微生物數量;第3份取3個深度土壤不混合，分別過篩后自然風干，用于測定3個不同深度土壤酶活性和土壤養分等指標;第4份取3個深度土壤不混合，過篩后置于-80℃超低溫冰箱保存，用于測定3個不同深度土壤微生物數量。

1.2 土壤養分、微生物數量和酶活性的測定

用phs-3c型酸度計測定pH值;采用雙指示劑（酚酞指示劑和溴酚藍指示劑）-中和滴定法測定 HCO- 3 含量;采用雙波長紫外分光光度法測定NO- 3 含量;采用 EDTA 間接絡合滴定法測定SO2- 4 含量;采用硝酸銀滴定法測定Cl-含量;采用原子吸收分光光度計法測定土壤中鈣、鎂、鈉、鉀離子含量;采用DTPA-TEA浸提液的原子吸收光譜法測定土壤中有效銅、鐵、鋅含量;土壤鹽分總量采用離子加和法計算[21]。

采用稀釋涂布平板法測定土壤中真菌、細菌和放線菌生物量，細菌培養選擇牛肉膏蛋白胨培養基;真菌培養選擇馬丁-孟加拉紅培養基;放線菌培養選擇改良高氏一號培養基。

采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性。

1.3 數據處理

采用Excel 2010 軟件進行數據整理和制表，利用SPSS 21.0軟件進行顯著性差異和相關性分析處理。

土壤鹽分離子占全鹽的比例=鹽分離子含量/鹽分總量×100%[22]。

2 結果與分析

2.1 復種連作對土壤的理化性質的影響

由表1可知，T1和T2處理組土壤pH值顯著低于CK（ P <0.05），T1處理組土壤pH值顯著高于T2處理組。T1和T2處理組土壤鹽分總量顯著高于CK，T2處理組土壤鹽分總量顯著高于T1。T1和T2處理組土壤中NO- 3、HCO- 3、SO2- 4 和Cl-含量均顯著高于CK，T2處理組土壤中4種陰離子含量顯著高于T1處理組;T1和T2處理組土壤中NO- 3、SO2- 4 和Cl-含量占全鹽比例高于CK，HCO- 3 占全鹽比例均低于CK，T2處理組NO- 3、HCO- 3、SO2- 4 占全鹽比例高于T1處理組，但Cl-占鹽分總量比例低于T1處理組。T1和T2處理組土壤Ca2+、Na+和K+含量顯著增加，Mg2+含量基本保持不變，Ca2+、Mg2+和K+占全鹽比例低于CK，Na+占鹽分總量比例均高于CK;與CK相比，T1和T2處理組土壤有效鐵、有效銅和有效鋅含量顯著增加，T2處理組土壤中3種有效元素含量顯著高于T1處理組。

由表2可知，T1和T2處理組土壤pH值隨著土壤深度的增加而增加，CK處理組3個深度土壤pH值無顯著差異。T1和T2處理組土壤鹽分總量、各陰離子和陽離子含量（NO- 3，HCO- 3、Cl-、K+除外）、有效銅、有效鐵、有效鋅含量均隨著土壤深度的增加而降低，CK隨著土壤深度的增加上述指標大體上呈下降趨勢，但大部分無顯著差異。

2.2 復種連作土壤微生物數量的影響

由表3可知，T1和T2處理組土壤中微生物總量顯著低于CK，T1處理組微生物總量顯著高于T2處理組;T1和T2處理組細菌和放線菌數量顯著低于CK，真菌數量顯著高于CK;T1處理組真菌數量顯著低于T2處理組，T1處理組細菌和放線菌數量顯著高于T2處理組。由表4可知，T1、T2和CK處理組土壤中真菌、細菌和放線菌數量均隨著土壤深度的增加而減少。

2.3 復種連作土壤蔗糖酶和脲酶活性的影響

由表5可知，設施栽培連作條件下，T1和T2處理組土壤蔗糖酶活性顯著高于CK，T1處理組土壤蔗糖酶活性顯著高于T2處理組;T1和T2處理組土壤脲酶活性顯著低于CK，T1處理組土壤脲酶活性顯著高于T2處理組。由表6可知，T1、T2和CK處理組土壤中蔗糖酶和脲酶活性均隨著土壤深度的增加而減少。

2.4 土壤性質相關性分析

從表7可知，真菌數量和pH值呈顯著負相關，與Na+含量呈極顯著正相關;細菌數量與脲酶活性、SO2- 4含量均呈顯著負相關;放線菌數量與蔗糖酶活性呈極顯著負相關，與NO- 3 含量呈顯著負相關;蔗糖酶活性與NO- 3 和HCO- 3 含量呈顯著正相關，與Mg2+含量呈極顯著負相關;脲酶活性與SO2- 4 呈顯著正相關;pH值與Na+、有效銅、有效鐵和有效鋅含量呈顯著或極顯著負相關;NO- 3含量與Ca2+、Mg2+ 和有效銅含量呈顯著正相關;Cl-含量與Ca2+、Mg2+、Na+、有效銅、有效鐵和有效鋅含量均呈顯著或極顯著正相關;Na+與Ca2+、K+、有效鐵和有效鋅含量呈顯著正相關。

3 討論與結論

3.1 復種連作對土壤理化性質的影響

大量研究表明，設施蔬菜隨著連作時間的增加可導致土壤酸化。姜維研究表明，沈陽東陵區保護地土壤pH值較露天土壤下降了1.05[23]。張福建等發現江西省6個縣（市）連作 2年以上的設施辣椒土壤pH值開始降低[24]。徐彬等認為江蘇省鎮江、鹽城、南通和揚州等地設施蔬菜連作后pH值降低[25]。本試驗研究表明，水芹-黃瓜復種連作和茄子-黃瓜復種連作的土壤pH值均顯著低于對照土壤，這可能與設施栽培肥料使用有關，本試驗研究土壤長期大量施用硫酸銨、氯化銨、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸鉀和未充分腐熟的有機肥，植物吸收1個K+或NH+ 4同時將置換出1個H+，土壤中游離的H+與NO- 3、SO2- 4 與Cl-結合形成酸，導致土壤pH值下降;未充分腐熟的有機肥在分解過程中產生大量的有機酸和SO 2，SO 2在設施栽培或遇水條件下會轉化為亞硫酸和硫酸，增大土壤酸度[26-27]。本研究土壤pH值隨著深度的增加而增加，這可能是因為淺層土壤中積累的各種肥料較多、土壤酸度較大。

黃紹文等在研究我國主要設施菜地耕層土壤鹽分總量及離子組成時發現，耕層土壤鹽漬化普遍，主要鹽分離子為 NO- 3、SO2- 4、Ca2+[21]。徐彬等認為江蘇省實施蔬菜長期連作后土壤鹽分累積明顯[25]。朱坤等認為江蘇省宿遷市宿城區和宿豫區設施保護地土壤均存在次生鹽漬化現象[19-20]。本研究表明，水芹-黃瓜復種連作和茄子-黃瓜復種連作后土壤鹽分總量、NO- 3、HCO- 3、SO2- 4、Cl-、Ca2+、Na+、K+含量均顯著增加，陰離子占鹽分總量比重較大，其中SO2- 4 和NO- 3 占比最大，T1、T2分別為26.34%、27.88%和22.15%、23.22%，所占比例均高于對照，這和朱坤等研究結果[19]一致。宿遷市位于江蘇蘇北地區，因其沿海、沿江的地域特征，自然情況下土壤鹽分含量普遍偏高，設施栽培土壤的次生鹽漬化更易發生[27]。土壤中SO2- 4 和NO- 3 的積累主要是由于硫酸銨、硝酸銨和有機肥的大量施用，SO2- 4 和NO- 3 未被作物完全吸收利用而大量殘留在土壤中造成。黃紹文等認為NO- 3 的大量積累會影響植物對Ca2+ 和Mg2+ 的吸收，使其在土壤積累[21]。霍龍認為，土壤中Na+的大量積累會影響植物對Ca2+、Mg2+、K+的吸收，使其在土壤積累[28]。本研究顯示，NO- 3 含量和Ca2+、Mg2+ 含量呈顯著正相關;Cl-含量和Ca2+、Mg2+、Na+含量呈顯著正相關;Na+含量和Ca2+、K+例子含量呈顯著正相關，與黃紹文等研究結果[21，28]相近。所以，復種連作后隨著肥料的大量施用，土壤中NO- 3 和Cl-積累，會引起土壤中Ca2+、Mg2+、Na+的積累，Na+的積累又會進一步加重Ca2+、K+的增多，導致土壤鹽漬化程度加重。但本研究中Mg2+ 含量基本保持不變，可能與蔗糖酶含量上升有關，因為本研究發現蔗糖酶活性和Mg2+ 含量呈極顯著負相關，在蔗糖酶、NO- 3 和Cl-共同作用下使得Mg2+ 含量趨于穩定。土壤中各種陽離子和陰離子的含量大體上均隨著深度的增加而減少，是因為土壤長期大量施用的硫酸銨、氯化銨、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸鉀和未充分腐熟的有機肥，這些物質在淺層土壤中積累較多，NO- 3 等陰離子在淺層土壤的積累也較多，而NO- 3 和Cl-積累會引起陽離子含量的增加，所以淺層土壤中各種鹽離子含量均較多。

本試驗顯示，水芹-黃瓜和茄子-黃瓜復種連作后土壤中有效銅、有效鐵和有效鋅含量增加。郭德杰等認為有機肥尤其是豬糞中含有大量的Cu、Zn，大量使用會造成重金屬在土壤中的積累[29-30]。本試驗發現，土壤pH值與有效鐵、有效鋅、有效銅呈極顯著或顯著負相關，NO- 3 含量與有效銅呈顯著正相關，Cl-與有效銅、有效鐵、有效鋅呈顯著或極顯著正相關，Na+與有效鐵、有效鋅呈顯著正相關。所以，有機肥的施用、土壤pH值的降低和土壤中NO- 3、Cl-、Na+的積累導致土壤有效銅、有效鐵、有效鋅含量增加。土壤有效銅、有效鐵和有效鋅的含量隨著土壤深度的增加而減少，可能因為表層土壤中積累的有機肥施較多，也與植株地上部分的枯枝爛葉落到表層土中被表層土中微生物和土壤酶分解有關。

水芹-黃瓜和茄子-黃瓜復種連作后土壤中微生物總量、細菌數量和放線菌數量減少，真菌數量增加，與周華蘭等研究結果[5]一致。在設施栽培土壤中，真菌數量對土壤肥力有著較大的影響，隨著土壤連作年限增加，土壤類型逐漸由細菌型向真菌型轉變[31-32]，并伴有有害真菌的大量繁殖，土壤肥力變差[33-35]。本研究也顯示，真菌數量與土壤pH值呈顯著負相關，與Na+含量呈極顯著正相關;細菌數量和SO2- 4 呈顯著負相關;放線菌數量和NO- 3 呈顯著負相關，表明隨著土壤中真菌數量的增加，細菌數量和放線菌數量的減少，土壤明顯開始酸化和鹽漬化。

本研究結果顯示，復種連作后蔗糖酶活性增加、脲酶活性降低，細菌數量和脲酶活性呈顯著負相關，放線菌數量和蔗糖酶活性呈極顯著負相關。由于土壤中微生物活動分泌是土壤酶主要來源之一，微生物數量與酶活性有著顯著的相關性，但不同學者研究結果[25，36]不一致，這可能與土壤類型、種植植物種類、養護管理和土壤微生物群落等因素有關。本試驗發現，蔗糖酶活性與NO- 3、HCO- 3 含量呈顯著正相關，與Mg2+ 含量呈極顯著負相關;脲酶活性與SO2- 4 含量呈顯著正相關。本試驗中隨著蔗糖酶活性的增加，NO- 3、HCO- 3 含量增加，加劇了土壤鹽漬化;但隨著脲酶活性降低，SO2- 4 含量并未減少，這可能與其他影響因素如細菌的生物量和類群有關，因為細菌數量和SO2- 4 含量呈顯著負相關。從垂直分布來看，真菌、細菌、放線菌數量和土壤脲酶、蔗糖酶活性均隨著深度的增加而減少，這與王瑛等的研究結果[37-38]一致，這主要是由于淺層土壤適宜的溫濕度條件、充足的氧氣和養分更有利于微生物繁殖和代謝[39]。

3.2 水芹-黃瓜復種連作和茄子-黃瓜復種連作比較

胡坤等認為淹水后土壤pH值會上升并能夠維持一段時間[40]。趙海濤等認為大棚草莓連作土壤種植水生蔬菜后土壤pH值增加[41]。本研究顯示，水芹-黃瓜復種連作土壤pH值顯著高于茄子-黃瓜復種連作的土壤，這可能與水芹等水生蔬菜對硝態氮等酸根離子大量選擇性吸收有關[41]。水芹-黃瓜復種連作土壤陰離子含量、陽離子含量（Mg2+ 除外）和有效銅、鐵、鋅含量均顯著低于茄子-黃瓜復種連作的土壤。黃紹文等認為NO- 3 的大量積累會影響植物對Ca2+ 和Mg2+ 的吸收[21]，由于水芹選擇吸收了部分硝態氮等酸根離子[41]，NO- 3 含量降低，會增加植物對Ca2+ 的吸收，所以水芹-黃瓜復種連作土壤Ca2+ 含量較低。種植水芹后，由于土壤長期浸泡在水中，能夠起到大水洗鹽的作用，從而降低土壤中的Na+含量[42]，而土壤中Na+的積累會影響植物對Ca2+、K+的吸收，所以種植水芹后可以促進植物對Ca2+、K+等離子的吸收，減輕其在土壤中的積累，但Mg2+ 含量基本保持不變，其原因有待于進一步研究。本試驗發現，NO- 3 含量與有效銅呈顯著正相關，Cl-與有效銅、有效鐵、有效鋅含量呈顯著或極顯著正相關，Na+與有效鐵、有效鋅含量呈顯著正相關。吳丹丹等認為土壤中鹽分積累會影響植物對部分有效元素的吸收，造成其在土壤中含量增多，并引起植物缺素癥[43]。水芹-黃瓜復種連作土壤中鹽離子含量少于茄子-黃瓜復種連作的土壤，所以有效元素含量也少于茄子-黃瓜復種連作的土壤。水芹-黃瓜復種連作土壤微生物總量、細菌數量、放線菌數量和蔗糖酶、脲酶活性顯著高于顯著高于茄子-黃瓜復種連作的土壤，真菌數量顯著低于茄子-黃瓜復種連作的土壤，這可能是由于水芹-黃瓜復種連作后土壤pH值、鹽離子含量均優于茄子-黃瓜復種連作土壤，更利于土壤微生物的繁殖和代謝。

本試驗結果表明，水芹-黃瓜復種連作和茄子-黃瓜復種連作與CK相比土壤具有明顯的連作障礙，且水芹-黃瓜復種連作土壤理化性質顯著好于茄子-黃瓜復種連作土壤，水旱復種連作可以適當地緩解連作障礙有利于植物生長。

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