連作改變土壤性狀對(duì)甜葉菊產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

徐新娟, 魏琦超, 羅慶云, 周伯雅

連作改變土壤性狀對(duì)甜葉菊產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

徐新娟1, 魏琦超1, 羅慶云2, 周伯雅3

(1. 河南科技學(xué)院，現(xiàn)代生物育種河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 新鄉(xiāng) 453003; 2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京 210095；3. 興化格林生物制品有限公司，江蘇 泰州 225700)

為了解連作障礙的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)甜葉菊()連作后的土壤性狀變化進(jìn)行了研究，并探討土壤性狀與葉片干質(zhì)量和甜菊糖苷之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，連作2 a和3 a的土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、速效磷、脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶和甜葉菊葉片干質(zhì)量及甜菊糖苷組分含量均無顯著差異。連作4 a后，土壤pH值、全氮和速效鉀含量顯著下降，分別比對(duì)照降低了10.07%、14.38%和24.79%，土壤電導(dǎo)率(EC)和速效磷含量顯著增加，是對(duì)照的2.57和1.70倍；土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性、微生物量碳和微生物量氮在連作4 a降到最低，比對(duì)照分別降低了63.68%、72.03%、47.43%、78.35%和41.07；多酚氧化酶則在連作4 a達(dá)到最高，是對(duì)照的4.22倍；與對(duì)照相比，連作4 a的葉片干質(zhì)量和甜菊苷含量降低了29.51%和16.00%，萊鮑迪苷A含量則增加了22.19%。葉片干質(zhì)量及甜菊糖苷含量與土壤性狀間存在著相關(guān)性。因此，連作通過改變土壤性狀影響甜葉菊產(chǎn)量和品質(zhì)，生產(chǎn)中最大連作年限不宜超過3 a。

甜葉菊；連作；土壤性狀；產(chǎn)量

甜葉菊()是菊科(Composite)多年生草本藥用植物，葉中豐富的甜菊糖苷作為一類天然甜味劑備受世界關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于食品、飲料和調(diào)味料的生產(chǎn)[1]。甜菊糖苷(steviol glycosides, SVglys)是一類萜類混合物，主要組分有甜菊苷(stevioside, STV)和瑞鮑迪苷(rebaudiosides)系列，其中STV和RA (rebaudioside A)含量較高[2]。中國是全球最主要的甜菊糖苷出口國，甜菊糖苷市場(chǎng)需求的逐漸增加導(dǎo)致甜葉菊種植面積不斷擴(kuò)大。新疆是國內(nèi)近幾年來甜葉菊推廣種植的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，其獨(dú)特的氣候特征及良好的土壤資源尤其適合甜葉菊的規(guī)?；N植和機(jī)械化操作，但甜葉菊的生長特性決定其在新疆只能一年一收，收獲后的氣候又不適宜其他作物生長，隨后的連續(xù)種植甜葉菊造成生產(chǎn)上的連作并產(chǎn)生一定弊端，如生長減緩、產(chǎn)量下降及發(fā)病率增加[3]等，即產(chǎn)生了連作障礙。

引起連作障礙的原因很復(fù)雜，根系所處土壤環(huán)境的惡化是重要原因之一，研究土壤性狀變化對(duì)克服作物連作障礙有著重要的指導(dǎo)意義。土壤酶與微生物參與土壤養(yǎng)分循環(huán)，與土壤質(zhì)量的許多理化指標(biāo)高度相關(guān)[4]。研究表明，連作改變土壤理化性質(zhì)、導(dǎo)致養(yǎng)分失衡、改變土壤酶活性及引起微生物群落結(jié)構(gòu)失衡等，進(jìn)而影響植物生長[5]，但連作對(duì)土壤酶活的影響在不同作物不同生育時(shí)期的表現(xiàn)均不一致[6–8]。對(duì)藥用植物而言，土壤性狀改變顯著影響植物的活性成分含量[9]，土壤養(yǎng)分含量變化顯著影響藥用植物黃花蒿的青蒿素含量[10]。連作是藥用植物栽培中導(dǎo)致土壤惡化的主要原因，連作障礙已經(jīng)成為制約藥用植物品質(zhì)和發(fā)展的關(guān)鍵性因素[11], 如何通過控制土壤性狀減緩連作障礙已經(jīng)成為甜葉菊生產(chǎn)中迫切需要解決的科學(xué)問題。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新疆地區(qū)甜葉菊少則連作2～3 a, 多則4～5 a甚至更長，嚴(yán)重阻礙了甜葉菊生產(chǎn)的可持續(xù)性。目前對(duì)甜葉菊連作問題還缺乏深入系統(tǒng)的研究。因此，本文從土壤角度，對(duì)甜葉菊連作后土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性及土壤微生物量的變化進(jìn)行研究，探討連作后土壤性狀與葉片干重及甜菊糖苷含量間的關(guān)系，以期為生產(chǎn)中甜葉菊的施肥、減緩連作障礙及可持續(xù)高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于新疆庫爾勒市和靜縣哈爾莫敦鎮(zhèn)(86.14° E，41.76° N)，地處天山中段南麓，屬于中溫帶大陸性干燥氣候，四季分明，干燥少雨，光熱條件充足，無霜期長，年均氣溫8.8 ℃，年降雨量68 mm，年蒸發(fā)量2 100 mm，年日照時(shí)數(shù)2 942 h, 全年無霜期為183 d。土壤類型為壤土，中性偏堿, 肥力中等。

1.2 大田種植與樣品采集

供試甜葉菊品種為‘譜星六號(hào)’，于2019年4月15—20日進(jìn)行大田移栽，當(dāng)年9月10日前后收獲。采用覆膜滴灌的種植方式，底肥用量為：重過磷酸鈣337.5 kg/hm2，硫酸鉀337.5 kg/hm2，硫酸亞鐵108 kg/hm2，后期分期追施尿素6次共36 kg/hm2,均隨滴灌施入；收獲前1個(gè)月左右葉面噴施磷酸二氫鉀30 kg/hm2，其余操作同常規(guī)大田管理。

以第1年種植甜葉菊地塊為對(duì)照(CK)，連作年限設(shè)有2、3和4 a。CK和2～4 a連作地塊移栽前土壤pH為8.5～8.8，有機(jī)質(zhì)(organic matter, OM)含量分別為25.76、24.43、20.83和16.13 g/kg，全氮(total nitrogen, TN)含量分別為1.47、1.78、1.50和1.11 g/kg, 速效磷(available phosphorus, AP)含量分別為20.48、35.03、30.24和34.57 mg/kg，速效鉀(available potassium, AK)含量分別為107.67、97.33、92.00和69.00 mg/kg。于甜葉菊收獲前采集樣品, 按照蛇形采樣法每處理采集5株并混合，3個(gè)重復(fù)。將甜葉菊根系完整挖出后，抖掉多余的土，收集根際附近的土壤作為測(cè)試樣品。一份土壤樣品自然風(fēng)干后過20和100目篩,用于土壤理化及土壤酶活性的測(cè)定；一份土壤鮮樣低溫保存，用于土壤微生物量的測(cè)定。同時(shí)將葉片于烘箱105 ℃殺青30 min后75 ℃烘干，用電子天平稱取葉片干質(zhì)量(leaf dry weight, LDW)后粉碎過60目篩待測(cè)糖苷含量。

1.3 方法

參考鮑士旦[12]和關(guān)松蔭[13]的方法測(cè)定土壤指標(biāo)。土壤pH采用電位法(土水比=1:2.5)，土壤電導(dǎo)率(EC)采用電導(dǎo)率儀測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀容量法，全氮采用濃硫酸消煮后上流動(dòng)分析儀檢測(cè)，速效磷采用鉬銻抗比色法，速效鉀采用火焰光度計(jì)法。土壤脲酶(urease, UE)采用苯酚-次氯酸鈉比色法，過氧化氫酶(catalase, CAT)采用高錳酸鉀滴定法；蔗糖酶(sucrase, SUC)采用3,5-二硝基水楊酸比色法，堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)采用磷酸苯二鈉比色法，多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)采用鄰苯三酚比色法。新鮮土壤經(jīng)氯仿熏蒸-硫酸鉀提取后，分別采用碳分析儀器法和流動(dòng)注射氮分析儀器法測(cè)定土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和土壤微生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)。

參考Liu等[14]和羅慶云等[15]的方法測(cè)定葉片糖苷含量，精確稱取50 mg甜葉菊粉末，加入1.5 mL 50%乙醇，超聲提取40 min，11 800×離心10 min, 0.45m有機(jī)微孔濾膜過濾后測(cè)定甜菊糖苷含量(%),組分有STV、RA、RB (rebaudioside B)、RC (rebau- dioside C)、RD (rebaudioside D)、RF (rebaudioside F)和RM (rebaudioside M)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均為3個(gè)重復(fù)的平均值，采用SAS 9.2軟件進(jìn)行方差分析和Pearson相關(guān)分析，LSD法進(jìn)行多重比較，顯著性水平設(shè)為<0.05。采用Graph- Pad Prism 7作圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 連作年限對(duì)土壤理化性狀的影響

由圖1可知，除有機(jī)質(zhì)含量外，連作顯著影響土壤理化性狀。與對(duì)照相比，pH值在連作4 a降到最低，分別比連作2 a和3 a降低了16.46%和19.22%; EC值隨著連作年限增加而增加，連作3 a和4 a的差異不顯著，分別是對(duì)照的2.32和1.79倍；速效磷含量在連作前3年無顯著差異，連作4 a則顯著提高，分別比對(duì)照、連作2 a和3 a提高了69.90%、91.25%和99.92%；連作3 a和4 a的全氮和速效鉀含量并無顯著差異，但均顯著低于對(duì)照和連作2 a。

2.2 連作年限對(duì)土壤酶活的影響

甜葉菊連作后土壤酶活性的變化不一致(圖2)。與對(duì)照相比，連作使過氧化氫酶活性顯著降低，但連作年限間并無顯著差異；土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均呈下降趨勢(shì)，連作2 a和3 a的差異不顯著，連作4 a顯著降低，分別比對(duì)照降低了63.68%、72.03%和47.43%；隨著連作年限增加，土壤多酚氧化酶活性顯著增加，在連作4 a達(dá)到最高，分別是對(duì)照、連作2 a和3 a的4.22、2.87和2.12倍。

2.3 連作年限對(duì)土壤微生物量的影響

土壤微生物量均在連作4 a后降至最低(圖3), 其中連作4 a的微生物量碳與連作3 a的無顯著差異, 但比對(duì)照和連作2 a顯著降低了76.43%和56.82%; 連作4 a的微生物量氮比連作2 a和3 a分別降低了73.81%和41.05%。

圖1 土壤理化性狀的比較。CK: 對(duì)照; EC: 電導(dǎo)率; OM: 有機(jī)質(zhì); TN: 全氮; AP: 速效磷; AK: 速效鉀。柱上不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同

圖2 土壤酶活性的變化。UE: 脲酶; CAT: 過氧化氫酶; SUC: 蔗糖酶; ALP: 堿性磷酸酶; PPO: 多酚氧化酶。下同

2.4 連作年限對(duì)葉片干質(zhì)量和甜菊糖苷含量的影響

連作顯著影響甜葉菊葉片干質(zhì)量和甜菊糖苷含量(圖4)。隨著連作年限增加，葉片干質(zhì)量逐漸下降，連作2 a和3 a的差異不顯著，連作4 a則顯著降低，僅為對(duì)照的64.04%。相反，連作4 a的糖苷總含量最高，分別比對(duì)照、連作2 a和3 a增加了14.00%、19.30%和20.42%；與對(duì)照相比，STV含量顯著下降，在連作4 a降到最低，比對(duì)照低16%。連作2 a和3 a的STV、RB、RC、RD、RF、RM含量差異不顯著；RA含量則呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì),在連作4 a達(dá)到最大值，比對(duì)照增加了22.19%。

圖3 土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)的變化

圖4 葉片干質(zhì)量及甜菊糖苷含量的變化。LDW: 葉片干質(zhì)量; SVglys: 甜菊糖苷; STV: 甜菊苷; RA、RB、RC、RD、RF、RM為瑞鮑迪苷系列。下同

2.5 相關(guān)分析

相關(guān)分析結(jié)果表明(表1)，甜葉菊葉片干質(zhì)量與土壤EC和多酚氧化酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與速效鉀含量、脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶活性及微生物量碳呈顯著正相關(guān)；RA含量與土壤pH、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶及微生物量氮顯著負(fù)相關(guān), 與土壤EC值和多酚氧化酶呈顯著正相關(guān)；STV含量與土壤EC、速效磷含量和多酚氧化酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與脲酶、蔗糖酶、磷酸酶洗發(fā)呈顯著正相關(guān)；RB和RC含量均與微生物量碳呈顯著負(fù)相關(guān)，RC含量與土壤EC呈顯著正相關(guān)，RM含量與速效鉀含量和微生物量碳呈顯著正相關(guān)。

表1 相關(guān)分析

*:<0.05; **:<0.01

3 結(jié)論和討論

3.1 連作改變了土壤性狀

連作導(dǎo)致土壤酸化，福建百香果()連作3 a后土壤pH降到4.16[16]，嚴(yán)重抑制植物生長，但新疆土壤本身偏堿，所以甜葉菊連作4 a后土壤pH值雖顯著降低，但仍在甜葉菊的適宜生長范圍。土壤EC值與土壤中的可溶性鹽分有關(guān), 鹽度過高不利于植物的正常生長。關(guān)于連作與土壤養(yǎng)分、土壤酶活性的報(bào)道較多，由于植物種類不同、土壤類型不同及連作年限差異導(dǎo)致研究結(jié)果相差較大[17–20]。從整體上看，甜葉菊連作后土壤次生鹽漬化加重，土壤磷過剩，鉀消耗過多，造成養(yǎng)分不平衡，這與黃瓜()的研究結(jié)果一致[21]。

土壤酶活性與土壤營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力、肥力水平及污染狀況密切相關(guān)[22]。土壤脲酶和磷酸酶分別參與土壤含氮、含磷化合物的轉(zhuǎn)化，蔗糖酶促進(jìn)蔗糖分解成葡萄糖和果糖，這3種酶的活性均在甜葉菊連作4 a后顯著降低，這與半夏()[23]的研究結(jié)果相似。過氧化氫酶可分解過氧化氫，降低其對(duì)生物體的毒害作用，甜葉菊連作后土壤過氧化氫酶的活性無顯著差異，與土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化一致，也與劉垠霖等[24]對(duì)哈密瓜(var.)的研究結(jié)果相同。作為一種氧化還原酶，多酚氧化酶能夠降解土壤中酚類物質(zhì)，減緩植物間的化感作用[25]。桉樹()林間的土壤多酚氧化酶活性隨連栽年限增加呈上升趨勢(shì)，且與土壤水溶性酚呈極顯著正相關(guān)[26]。本研究中甜葉菊連作4 a的土壤多酚氧化酶同樣急劇增加，表明連作甜葉菊可能導(dǎo)致土壤中積累較多的水溶性酚，隨之增強(qiáng)的多酚氧化酶活性則可以制約這種現(xiàn)象，從而緩解土壤酚對(duì)植株正常生長發(fā)育的抑制。

土壤微生物量參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成及土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)等生化過程，是土壤肥力與質(zhì)量的重要生物指標(biāo)[27]。土壤微生物量碳是土壤有機(jī)碳的靈敏指示因子，土壤微生物量氮是土壤氮素礦化的重要組成部分，二者的變化趨勢(shì)與土壤全氮的變化一致[28]，這與本文的結(jié)論相似；此外，二者與土壤酶活性存在顯著相關(guān)關(guān)系，并直接影響土壤中可培養(yǎng)微生物的數(shù)量[29]，甜葉菊連作后土壤微生物量顯著下降，也在一定程度上反映連作后土壤質(zhì)量的變化，后續(xù)可進(jìn)一步開展土壤微生物方面的相關(guān)研究。

3.2 土壤性狀影響糖苷含量

連作改變了土壤性狀，而土壤性狀與藥用植物的生長和品質(zhì)密切相關(guān)[30]。本研究中甜菊糖苷總量在連作4 a達(dá)到最高，但不同甜菊糖苷組分的含量受連作的影響不同，含量較高的STV在甜葉菊連作4 a顯著下降，而RA含量則達(dá)到最高，其余組分的差異不大。甜菊糖苷屬于植物次生代謝物，次生代謝與植物抗性及品質(zhì)密切相關(guān)，植物通過提高次生代謝產(chǎn)物提高自身保護(hù)和生存競(jìng)爭(zhēng)能力，環(huán)境脅迫顯著刺激植物次生代謝產(chǎn)物的積累[31–32]。本研究中較長時(shí)間連作導(dǎo)致的土壤性狀劣變或許是刺激糖苷含量增加的主要脅迫因子，雖然主要糖苷組分含量在連作4 a達(dá)到最高，但由于此時(shí)較低的生物量依然使整體的糖苷積累量維持在較低水平。相關(guān)分析結(jié)果證實(shí)，甜葉菊葉片干質(zhì)量與土壤理化指標(biāo)呈顯著正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，主要糖苷組分STV和RA也與土壤理化性狀、土壤酶活性及土壤微生物量存在一定的相關(guān)性，這表明連作通過改變土壤性狀影響甜葉菊產(chǎn)量及品質(zhì)，盡管連作會(huì)對(duì)糖苷組分產(chǎn)生一定的“連作增益”效應(yīng)[33]，但在連作年限上仍需結(jié)合生物量進(jìn)行慎重選擇。

綜上，甜葉菊連作后顯著劣變的土壤嚴(yán)重影響葉片干質(zhì)量與甜菊糖苷含量。連續(xù)種植甜葉菊4 a的土壤性狀整體弱于連作2～3 a，表明連作3 a可能是生產(chǎn)中甜葉菊連作的最高年限閾值。土壤是一個(gè)極其復(fù)雜的環(huán)境，除土壤理化性狀外，還需要考慮根際分泌及土壤微生物等多種因素，綜合多方位原因才能更加全面的解釋甜葉菊連作障礙的產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)而提出有針對(duì)性的解決措施。

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Effects of Continuous Cropping on Yield and Quality of Stevia by Changing Soil Properties

XU Xinjuan1, WEI Qichao1, LUO Qingyun2, ZHOU Boya3

(1. Henan Institute of Science and Technology, Collaborative Innovation Center of Modern Biological Breeding, Xinxiang 453003, Henan, China; 2. Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095, China; 3. Xinghua Green Biological Products Co.,Taizhou 225776, Jiangsu, China)

In order to understand the mechanism of continuous cropping obstacles, the changes in soil properties after continuous cropping ofwere studied, and the correlations between soil properties and leaf dry mass and stevioside were discussed. The results showed that there were no significant differences in soil pH, organic matter, available phosphorus, urease, catalase, sucrase, phosphatase, leaf dry weight and stevioside components between 2- and 3-year continuous cropping. However, after continuous cropping for 4 years, soil pH, total nitrogen and available potassium decreased significantly, which were 10.07%, 14.38% and 24.79% lower than the control, respectively. But the soil electric conductivity (EC) and available phosphorus increased significantly with 2.57 and 1.70 times to the control. Meanwhile, the activities of urease, sucrase, alkaline phosphatase, microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen in soil were 63.68%, 72.03%, 47.43% and 78.35% lower than the control, while the activity of polyphenol oxidase reached the highest, which was 4.22 times to the control. Compared with the control, leaf dry weight and stevioside decreased by 29.51% and 16.00%, while the content of rebaudioside A increased by 22.19%. There were correlations between leaf dry weight and stevioside content and soil properties. Therefore, it was suggested that continuous cropping affects the yield and quality of stevia by changing soil properties, and the maximum continuous cropping period in production should not exceed 3 years.

; Continuous cropping; Soil property; Yield

10.11926/jtsb.4633

2022-03-07

2022-04-18

中英合作項(xiàng)目(20190012); 河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(212102110477)資助

This work was supported by the Co-operation Project of China-UK (Grant No. 20190012), and the Project for Key Scientific and Technology in Henan (Grant No. 212102110477).

徐新娟(1979年生)，女，在讀博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橹参锎紊x與營養(yǎng)生理。E-mail: xinjuan_xu@163.co