土壤高溫處理對連作草莓根系呼吸代謝及植株發育的影響

摘要：為探討草莓連作障礙機理，模擬太陽能消毒設置5個連作土壤高溫滅菌處理，研究不同處理對草莓根系呼吸代謝及植株生長發育的影響。結果表明，連作土壤經高溫滅菌后，各處理土壤中細菌和真菌數量都顯著降低，經70℃高溫連續20d處理的土壤中真菌甚至消失，且對草莓根系呼吸代謝及植株發育的促進效果最明顯：70℃高溫連續10d處理及55℃高溫連續20d處理對草莓植株生長、根系活力和根系總呼吸速率都具有不同程度促進作用，前者依然以PPP呼吸途徑為主，后者的TCA呼吸途徑是PPP呼吸途徑的1.34倍；連作土壤55℃高溫連續10d處理作用效果最差。可見連作土壤高溫滅菌后，土壤微生物數量減少，促進草莓根系呼吸代謝及植株生長，減輕了草莓的連作障礙，進而證明了土壤微生物是引起草莓連作障礙的重要因素之一。

關鍵詞：草莓：連作；土壤高溫滅菌：根系呼吸代謝：植株發育

中圖分類號：S668.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-9980(2011)02-234-06

草莓生長周期短、果實營養豐富、經濟價值高，在果品生產中占有重要地位。但由于草莓產區連作障礙現象十分普遍，致使草莓根部病害加重、產量和品質下降，嚴重制約草莓生產的可持續發展。消除草莓連作障礙有客土改良、無土栽培、選用抗病品種及溴甲烷化學藥劑消毒等多種方法，這些方法在應用過程中存在諸多問題，如老種植區長期倒茬現已無地可輪作；客土工作量大；無土栽培成本高；抗病品種選育進展不大；溴甲烷等化學產品消毒效果較好，但其毒性大影響環境，且抑制土壤中其他有益微生物生長等問題。目前，南方主要采用水旱輪作(水稻－草莓)的方式，北方日光溫室中主要采用太陽能高溫悶棚結合石灰氮處理。作為一項安全、有效的克服草莓連作障礙的措施，太陽能高溫消毒因取得較好的效果而備受人們的關注，但有關其減輕連作障礙的機制及具體的影響效果研究較少。

作物連作障礙的產生機理極為復雜，是作物－土壤系統內部諸多因素綜合作用的外在表現，其中生物因素是指長期連作造成土壤微生物區系惡化，土壤有益微生物受抑制、有害微生物成為優勢菌群，引起作物生長不良。土壤微生物作為導致草莓連作障礙的因素之一，越來越受到國內外研究者重視。有研究表明對土壤進行有效的滅菌可以減輕或消除黃瓜、辣椒、大豆、蘋果、桃、葡萄的連作障礙，并且對連作土壤進行高溫滅菌不會對土壤造成污染，且在生產中容易操作。但有關連作土壤高溫滅菌所采用的溫度范圍、持續時間對草莓植株生長發育有何影響還少有報道，對根系呼吸代謝影響研究更少。我們以紅顏草莓為試材，研究連作土壤高溫滅菌后對草莓生長及根系生理代謝的影響，探索減輕草莓連作障礙的技術措施，以期為解決草莓連作障礙、獲得高產提供參考。

1、材料和方法

1.1材料

試驗于2009年5月－9月在沈陽農業大學果樹基地進行。供試材料為日本草莓品種紅顏(Fra-gariaxananassa Duch cv.Benihoppe)。

1.2試驗設計

試驗模擬太陽能高溫土壤消毒，共設5個處理：CK(土壤未經高溫處理)、處理Ⅰ(土壤經55℃高溫連續處理10d)、處理Ⅱ(土壤經55℃高溫連續處理20d)、處理Ⅲ(土壤經70℃高溫連續處理10d)、處理Ⅳ(土壤經70℃高溫連續處理20d)。于5月11日采用蛇形剖面取樣法，對連作草莓30a的園土進行采樣(共取5個點)，取0-20cm土層分布草莓根系的土壤。各采樣點采集的樣品要混合均勻，帶回實驗室進行處理和化驗分析，土壤理化指標見表1。利用DHG-9146A型烘箱進行土壤滅菌處理，5月13日取‘2葉1心’整齊一致的草莓組織培養苗先行假植在直徑8cm營養缽中，栽培基質為普通園土＋草炭(體積比為3：1)，6月13日按試驗設計定植于直徑12cm營養缽中。定植前將幼苗根系用清水洗凈，再用0.1％的高錳酸鉀浸泡5min，單株小區，每個處理重復30次，常規避雨栽培管理。

1.3測定方法

1.3.1草莓生長指標測定參照《草莓種質資源描述規范和數據標準》進行植物學性狀調查，用游標卡尺測定植株新莖粗度指標，直尺測定羽狀復葉中心小葉的葉面積(葉長度×葉寬度×0.7)及葉柄長度指標。調查于定植30d后進行，每10d調查1次，重復5次。

1.3.2根系活力測定定植后40d選取長勢一致的5株草莓苗，將根系沖洗干凈，混和選取白色吸收根，采用TTC法測定根系活力，每次取樣0.5g，重復3次。

1.3.3根呼吸速率測定定植后30d對根系呼吸速率測定，取樣方法與根活力取樣方法相同。根系呼吸速率參照Bouma等和毛志泉等的方法測定，儀器采用英國HANSATECH公司生產的液相氧電極(Chlorolab 2)。根系測定時取直徑1.5mm左右、長度約2-3cm的白色新根，用雙面刀將根切成2mm左有根段，迅速稱取0.05g放入反應杯，加蓋并啟動測量程序，反應杯中反應液溫度用恒溫水浴控制在25℃，重復3次。

1.3.4根系呼吸途徑測定定植后40d對根系呼吸途徑測定，取樣方法與根活力取樣方法相同。根系呼吸途徑參照余讓才和潘瑞熾的方法測定，糖酵解途徑(EMP)、三羧酸循環(TCA)和磷酸戊糖途徑(PPP)分別用0.5mol·L^-1的NaF、丙二酸和Na₃PO₄抑制，反應介質為0.2mol·L^-1pH6.8的磷酸緩沖液，重復3次。

1.4數據分析

測定數據經DPS7.05數據統計軟件進行統計分析，Duncan’s新復極差法進行顯著性檢驗，Excel2003軟件繪圖。

2、結果與分析

2.1連作土壤高溫處理后土壤微生物數量的變化

由表2可以看出，土壤經高溫滅菌后，連作草莓30a的土壤中細菌和真菌的數量發生很大變化，呈現出顯著降低趨勢。其中高溫處理后土壤真菌數量下降尤為明顯，土壤經連續70℃高溫20d的處理(Ⅳ)土壤中真菌甚至消失。表明土壤高溫處理可以改變土壤微生物區系，減少土傳真菌對草莓根系侵染的機率。

2.2不同土壤高溫處理對草莓植株發育的影響，

各土壤高溫處理對草莓葉面積的作用效果較明顯。其中處理Ⅳ與對照均在定植40d達最低值，定植70d達最高值，葉面積在14.1-17.1cm²變化，分別比對照高53.7％-25.8％。試驗期間處理Ⅲ、Ⅳ與對照間達到了顯著水平，處理Ⅱ除了定植50d后外均與對照間達到了顯著水平差異、而處理1只在定植40d及60d后與對照間達到顯著差異水平。由此可見，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ對草莓葉面積增長作用效果明顯。

土壤經過不同溫度處理后植株葉柄長度也發生變化，除處理Ⅰ和處理Ⅱ在定植30d后略微低于對照外，其他處理時期均能促進草莓葉柄的生長。其中定植40d效果最明顯，各處理均與對照達到了顯著水平差異。處理Ⅳ葉柄長度在5.9-9.2cm變化，分別比對照高12.6％-94.9％，定植40、50d后與對照間達到了顯著差異水平；處理Ⅲ在定植40、70d后高于對照水平且與對照間差異顯著：處理Ⅱ在定植60d后高于對照水平，且與對照間差異顯著。表明高溫處理對于葉柄長度作用效果好，以土壤70℃高溫連續20d處理效果最佳。

處理Ⅳ新莖粗度一直高于其他處理。其中處理Ⅳ與對照在40d達最低值，定植50d達最高值，新莖粗度在0.8-0.9cm變化，分別比對照高32.1％-0.1％。處理Ⅱ在處理期間新莖粗度一直與對照差異不顯著，處理Ⅰ、Ⅲ新莖粗度僅在定植后40d與對照達到顯著水平，處理Ⅳ新莖粗度在定植后40、50、80d均與對照達到了顯著水平差異。表明土壤70℃高溫連續20d處理對草莓新莖粗度作用效果最好(表3)。

2.3不同土壤高溫處理對草莓根系活力的影響

從圖1中可以看出，除處理Ⅰ與對照之間差異不顯著外，處理Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ的草莓植株根系活力分別為對照的1.68、1.94和2.74倍，均與對照達到極顯著性差異水平(P﹤0.01)。表明土壤高溫處理可消除土壤感病微生物對草莓植株根系的侵害，顯著改善草莓的根系活力，且隨著處理時間延長和溫度提高作用效果更明顯。

2.4不同土壤高溫處理對根系總呼吸速率的影響

呼吸速率是指在一定溫度下，單位質量的活細胞或組織在單位時間內吸收氧或釋放二氧化碳的量，其大小可反映生物體代謝活動的強弱。

由表4可看出，隨草莓定植時間的增加根系總呼吸速率呈逐漸下降的趨勢。除處理Ⅲ在定植后30d和70d略低于對照外，在整個植株發育過程中各處理根系總呼吸速率均高于對照，定植后40d處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ分別是對照的1.14、1.31、1.24、1.46倍，定植后60d處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ分別是對照的1.26、1.59、1.41及1.64倍。表明定植后40、60d作用效果最明顯，處理Ⅳ最優，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次之，對照(CK)植株根系呼吸速率下降最明顯。

2.5不同土壤高溫處理對根系各呼吸途徑的影響

在正常生長條件下，植株根系呼吸代謝以產能較多的EMP進入TCA途徑為主，若受到環境條件脅迫會由以上途徑轉向產能較少的PPP途徑。由圖2可以看出。在連作30a草莓的土壤栽培條件下(CK)，草莓植株的呼吸代謝途徑表現為PPP﹥TCA﹥EMP，且PPP呼吸途徑所占比率是TCA呼吸途徑的1.41倍。為根系的主要呼吸途徑。這可能是由于多年連作使草莓根系受到土壤逆境脅迫，從而使草莓根系呼吸途徑由產能較多的EMP-TCA途徑向產能較少的PPP途徑轉化。處理Ⅰ、Ⅲ呼吸途徑雖然也表現為PPP>TCA>EMP，但TCA呼吸途徑與PPP呼吸途徑的差異減少。而處理Ⅱ、Ⅳ呼吸途徑表現為TCA﹥PPP﹥EMP，TCA呼吸途徑分別為PPP呼吸途徑的1.34、1.76倍，為根系主要呼吸途徑。研究表明連作土壤經不同高溫處理可一定程度上減輕連作對根系的脅迫，促進草莓根系經呼吸代謝產生較多能量用于植株的發育。以處理Ⅱ(55℃處理20d)、Ⅳ(70℃處理20d)效果較好，而處理Ⅰ(55℃處理10d)、Ⅲ(70℃處理10d)效果次之。

3、討論

前人研究表明根系分泌物及前茬作物殘留物的毒害、土壤有害微生物的大量繁殖以及土壤理化性質惡化等是連作障礙產生的重要原因。甄文超研究表明草莓連作障礙導致土壤、根際土壤及根表微生物種群發生變化，種植草莓的農田土壤微生態環境對真菌的增殖有利、對細菌和放線菌不利，致使病原真菌的相對數量上升，拮抗真菌的相對數量下降。而病原真菌數量上升后會加重對草莓根部侵染從而導致植株生長不良。本試驗研究結果與此相一致，表現為連作30a的草莓園土真菌數量顯著高于各高溫處理的土壤真菌數量，草莓植株根系活力、根系總呼吸速率下降，草莓根系呼吸途徑由產能較多的EMP-TCA途徑向產能較少的PPP途徑轉化。這可能是由于連作障礙的存在使草莓根系受到土壤養分變化、病原微生物增加等逆境脅迫，從而使草莓植株根系活力、根系總呼吸速率下降，草莓根系呼吸途徑向產能較少的方向轉化。肖宏等研究發現連作土壤經70℃消毒90min處理對平邑甜茶幼苗根系的呼吸促進作用最大，根系代謝活力最強，本試驗中連作土壤經過不同溫度和時間滅菌后，由于土壤中微生物區系發生變化、使得病原微生物侵害根部機會減少。從而使根系活力和根系總呼吸速率都大大提高，且高溫處理時間持續越久效果越明顯，證明病原微生物是引起草莓連作障礙的重要因素之一。

草莓根部生長受抑制又必然導致地上部生長發育受到影響。土壤滅菌可以消除產生連作障礙的生物因素，促使連作草莓正常生長發育。本研究中土壤經高溫處理后土壤中細菌、真菌數量均減少，其中真菌數量下降尤為明顯。表明土壤滅菌可能消除了土壤中不利病原微生物，使土壤中某些緩效養分得到釋放，從而解除了病原微生物對根部的抑制作用，進而促進草莓植株的葉面積、葉柄長度、新莖粗度增加，但有關連作土壤滅菌處理后土壤微生物具體種群的演替規律以及如何來減輕連作障礙還有待進行深入的研究。

另外據研究表明，溫室中利用太陽能消毒，覆蓋區5cm深土層平均溫度42.1℃，20cm土層平均溫度39.7℃，該溫度可有效殺死溫室土壤中的病源微生物，對溫室土壤進行高溫消毒35d以上可使溫室土壤中的真菌數量顯著減少。本研究模擬太陽能消毒的四個土壤滅菌處理中，設計的處理時間較長、處理溫度相對較少，與前人研究有所差別，而草莓生長發育指標及生理指標證明土壤經70℃高溫滅菌20d效果最佳，為生產上制定解決草莓的連作障礙措施提供了一定的依據。