甜菜重茬種植對土壤理化性質及微生物數量的影響

李 泰, 路正禹, 崔汝菲, 耿 貴, 於麗華, 王宇光

(黑龍江大學 現代農業與生態環境學院, 哈爾濱 150080)

0 引 言

甜菜屬二年生草本植物，是我國重要的制糖原料之一，具有很高的經濟價值。甜菜在我國主要分布于內蒙古、新疆和黑龍江等地[1]，這些地區具有土壤肥沃和晝夜溫差大的獨特環境優勢。然而，目前我國甜菜仍存在單位面積產量不高、總產量不穩和含糖率低等問題[2]，其中部分原因與甜菜輪作面積有限、重茬種植現象越來越嚴重相關[3]，研究發現，甜菜重茬種植會導致甜菜產量以及含糖量降低[4]。

重茬種植是指在一塊地上連續不間斷栽培同一種作物的種植方式[5]。重茬種植通常可提高土地利用效率，短期內滿足農民的產量收益。但長期重茬種植會導致作物減產、降低農產品質量、增加積累潛在病原菌的風險[6]，甚至會影響作物的生長發育。李繼紅等研究發現，重茬種植花生會造成土壤養分不平衡、土壤酶活性逐年降低和土壤微生物群落失調等不良現象[7]。尤艷蓉等研究發現，長期重茬種植玉米會使玉米根系分泌物大量積累，破壞根際微生物平衡，導致玉米發育不良[8]。

重茬障礙是土壤與植物兩個系統中多個因素造成的結果[9]。為了探究重茬種植對甜菜植株表型、土壤理化性質以及微生物數量的影響，本研究設置了輪作和重茬兩組對照試驗，通過對比輪作和重茬兩種種植制度對甜菜土壤理化性質及土壤微生物數量的影響，分析重茬種植抑制甜菜生長的原因，為進一步探究重茬種植的栽培調控措施提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試甜菜品種“KWS1176”購自德國KWS公司，為丸粒化的包衣種子。試驗于黑龍江大學呼蘭校區甜菜試驗基地進行。

1.2 試驗方法和設計

試驗設計輪作和重茬兩個處理，兩個種植區域地塊選擇、水肥管理保持一致，輪作區前茬為玉米，現茬為甜菜，重茬區現茬和前茬都為甜菜。分別采集甜菜收獲期0～20 cm和20～40 cm的土層樣本，利用H2SO4-H2O2-擴散法測定植株全氮含量，利用H2SO4-H2O2-消煮法測定植株全磷含量，利用火焰光度計法測定植株全鉀含量[10]。土壤理化性質測定方法參照《土壤農業化學分析方法》[11]，并根據耿貴的方法[12]計算并統計平板中真菌、細菌以及放線菌的數量。利用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性[13]，利用3,5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性[14]。

1.3 數據分析

利用Excel 2019和SPSS 20.0數據分析軟件的LSD法進行數據處理。利用單因素試驗統計分析方法，對試驗數據進行差異顯著性分析，其中P≤0.05視為差異顯著。

圖1 甜菜輪作與重茬種植甜菜收獲期表型差異Fig.1 Phenotypic difference between rotation and continuous cropping of postharvest sugar beet

2 結果與分析

2.1 重茬區與輪作區甜菜植株表型和養分差異

為探索重茬種植對甜菜生長的影響，比較分析了收獲期重茬區與輪作區甜菜的產量和質量。本實驗室束安琦等前期對收獲期重茬區與輪作區甜菜的鮮重、干重和株高進行了研究，發現重茬種植會抑制甜菜生長[15]，與本試驗中收獲期重茬區甜菜生長情況與輪作區差異較大、生長受到抑制的結果一致。收獲期表型如圖1所示。

植株各生長部位的養分積累量與其生長發育動態密切相關[16]。重茬與輪作兩組處理對甜菜植株葉、葉柄、根的N、P、K含量均有影響，甜菜葉、葉柄、根的N、P、K含量差異如圖2所示。研究發現，重茬區甜菜根和葉的N含量與輪作區相比顯著下降(P<0.05)，分別降低了56.03%和10.71%。重茬區甜菜葉柄的P元素含量與輪作區相比顯著降低(P<0.05)，降低了22.16%。同時，重茬區葉片的K元素含量與輪作區相比降低了58.20%，達到顯著差異水平(P<0.05)。由此可知，重茬區甜菜葉、葉柄、根的N、P、K元素含量與輪作區相比均有不同程度降低。

注： 圖中誤差線表示標準差大小，不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 重茬區與輪作區土壤理化性質差異

甜菜重茬區與輪作區土壤的理化性質差異如圖3所示。甜菜重茬區0～20 cm與20～40 cm土層的pH，與輪作區相比均有不同程度的降低。通過圖3(a)發現，甜菜重茬區20～40 cm土層的pH與輪作區具有顯著差異(P<0.05)，重茬區比輪作區降低了5.94%。由圖3(b)可知，重茬區0～20 cm、20～40 cm土層的相對含水量與輪作區差異不顯著，變化趨勢大致相同。

圖3 收獲期甜菜重茬區與輪作區不同土層pH (a)和相對含水量(b)差異

土壤有效N、P、K元素是土壤肥力的重要組成部分。如圖4(a)所示，甜菜重茬區與輪作區20～40 cm土層的N元素含量較0～20 cm土層顯著(P<0.05)降低，分別降低了28.79%和28.67%。由圖4(b)可知，甜菜重茬區與輪作區20～40 cm土層的有效P元素含量較0～20 cm土層顯著(P<0.05)降低，分別降低了26.87%和62.67%。同時發現，甜菜重茬區0～20 cm和20～40 cm土層的有效P元素含量分別較輪作區降低了40.67%和69.72%，且達到顯著差異(P<0.05)水平。在圖4(c)中，甜菜重茬區與輪作區20～40 cm土層的有效K元素含量較0～20 cm土層顯著(P<0.05)降低，分別降低了17.70%和12.57%。甜菜重茬區與輪作區0～20 cm和20～40 cm土層的有效K元素含量差異顯著(P<0.05)，其中0～20 cm、20～40 cm重茬區分別較輪作區降低了23.91%和20.22%。由此推測，重茬區0～20 cm、20～40 cm土層中P和K元素未得到有效利用，導致其含量顯著高于輪作區。

圖4 收獲期甜菜重茬區與輪作區不同土層有效N (a)、P (b)和 K (c)元素含量差異Fig.4 Difference of effective N (a), P (b) and K (c) element contents between continuous cropping area and rotation area of suger beet during harvest

2.3 重茬區與輪作區土壤酶活性差異

土壤蔗糖酶活性與土壤N、P含量以及土壤有機質代謝相關[17]。如圖5(a)所示，甜菜重茬區與輪作區0～20 cm土層蔗糖酶活性差異顯著(P<0.05)，其中重茬區土壤蔗糖酶活性與輪作區相比下降了16.05%。隨著土層的深入，甜菜重茬區與輪作區20～40 cm土層土壤蔗糖酶活性與輪作區相比下降了9.63%，達到顯著差異水平(P<0.05)。土壤脲酶活性與土壤微生物含量和土壤有機質含量密切相關[18]。通過圖5(b)發現，重茬區與輪作區不同土層土壤脲酶活性與蔗糖酶活性差異結果相似，甜菜重茬區0～20 cm土層土壤脲酶活性相對輪作區下降了16.99%，達到顯著差異(P<0.05)水平。20～40 cm土層土壤脲酶活性在重茬區和輪作區差異顯著(P<0.05)，重茬區土壤脲酶活性相對輪作區下降了30.16%。此外，重茬區0～20 cm和20～40 cm土層土壤脲酶活性差異不顯著。

圖5 收獲期甜菜重茬區與輪作區不同土層蔗糖酶(a)和脲酶(b)活性差異Fig.5 Difference of invertase (a) and urease (b) activities in different soil layers between continuous cropping area and rotation area of suger beet during harvest

2.4 重茬區與輪作區土壤微生物數量差異

微生物對土壤物質轉化具有重要作用，其數量變化與土壤質量密切相關[19]。土壤細菌數量可以作為衡量土壤活性的指標[20]。由圖6(a)可知，甜菜輪作區0～20 cm土層細菌數量與重茬區0～20 cm、20～40 cm土層以及輪作區20～40 cm土層顯著(P<0.05)增加，分別增加了61.36%、82.05%和73.17%。由圖6(b)可知，甜菜重茬區0～20 cm土層與重茬區20～40 cm、輪作區0～20 cm、20～40 cm土層相比增長29.31%、59.58%和127.27%，且達到差異顯著(P<0.05)水平。由圖6(c)可知，甜菜重茬區0～20 cm與20～40 cm土層放線菌數量具有顯著差異(P<0.05)，其中0～20 cm土層放線菌數量較20～40 cm土層增長了36.37%。

圖6 收獲期甜菜重茬區與輪作區不同土層細菌(a)、真菌(b)、放線菌(c)數量差異

3 討 論

試驗發現，重茬區甜菜葉、葉柄、根的N、P、K元素含量低于輪作區。N元素在植物體生長發育中起著重要的作用，當N含量充足時，植物可以自身合成蛋白質養分，葉片N元素還與植物光合作用密切相關。P元素促進根系的生長，根系的生長情況關乎甜菜的產量高低，K元素對植株具有增強葉柄韌性的作用[21]。本試驗中重茬區甜菜根、葉N元素、葉柄P元素、葉K元素的含量與輪作區相比顯著下降。由此推測，重茬種植會造成甜菜對營養元素的吸收減少，甜菜的營養生長階段受到抑制，進而不利于甜菜的生長。甜菜不同營養元素之間并不是單獨調控的，有研究表明，甜菜的N、P、K存在協同調控機制，以實現不同營養之間的調控。沙紅研究發現，甜菜缺素癥會導致甜菜植株較小，葉片較暗且狹窄[22-23]。結合甜菜表型分析發現，重茬種植可能會導致甜菜出現養分缺乏。

土壤pH是衡量土壤肥力的重要指標之一[24],同時，它在決定土壤微生物多樣性變化方面也非常重要[25]。試驗發現，甜菜重茬區同一土層土壤pH比輪作區低，輪作區土壤pH更接近中性，而重茬區pH值偏酸性，輪作區與重茬區土壤相對含水量差異不顯著。楊繼權研究發現，土壤pH越接近中性對甜菜的生長發育越有利[26]。結合所得數據及表型推測，重茬種植可能會導致土壤pH降低，對土壤相對含水量影響較小。甜菜輪作區不同土層土壤有效N、P、K元素含量相對重茬區均有不同程度的降低，有效N元素含量與土壤有機質含量呈正比，土壤有效P、K元素含量均是土壤潛在的供P、K元素量。結合試驗所得表型推測，重茬種植可能會導致甜菜根系吸收養分能力減弱。因此，甜菜表現出生長受到抑制的現象。

本研究發現，甜菜輪作區同一土層土壤蔗糖酶活性相對重茬區顯著升高(P<0.05)。謝洪寶等研究發現，蔗糖酶活性具有使土壤養分均衡、平衡根部與地上部分發育的作用[27]。甜菜輪作區同一土層土壤脲酶活性相對重茬區顯著降低(P<0.05)。土壤脲酶活性通常與土壤中氮素轉化有關，可以在一定程度上反映土壤對無機氮的轉運能力[28]。因此推測，甜菜重茬種植導致土壤養分不平衡，蔗糖酶活性降低。此外，重茬種植導致根系對養分吸收不足，土壤中有害物質過多，進而使脲酶活性上升。姚有華研究發現，重茬種植年份的增加可能會導致危害甜菜病害的真菌和放線菌種群數量增多，而有益細菌數量減少[29]。本試驗所得重茬區同一土層真菌和放線菌數量相對輪作區增加，細菌數量減少，與前人研究結果相符。重茬障礙對甜菜養分吸收和土壤理化性質都造成了不利影響。因此，建議在大田種植中適當進行輪作換茬種植，科學地施肥以調理土壤的營養結構，選用抗逆能力強的甜菜品種應對重茬障礙。

4 結 論

重茬與輪作兩種種植方式會影響甜菜葉、葉柄、根的N、P、K元素含量以及不同土層土壤理化性質、微生物數量。重茬種植可能會降低甜菜必須營養元素的含量，影響根系對外界養分的吸收，產生有害物質，破壞土壤養分均衡，導致脲酶活性升高、蔗糖酶活性下降，進而表現缺素癥狀，還可能會減少有益細菌的數量，增加有害真菌和放線菌的數量，使甜菜生長受到抑制。