連作對馬鈴薯生長和土壤健康的影響及機制研究

焦潤安，徐雪風，楊宏偉，馮煥琴，張舒涵，張俊蓮，李朝周，李 健

(1.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省作物遺傳改良與種質創新重點實驗室，甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070; 4.甘肅農墾條山集團，甘肅 白銀 730400)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是全球種植面積最大的蔬菜型作物之一[1]。隨著產業結構調整，馬鈴薯已成為我國西部地區穩產高效的優勢作物，栽培面積不斷擴大，并導致馬鈴薯連作種植越來越廣泛，連作現象日益突出[2]。馬鈴薯連作引起了土壤氮、磷、鉀養分比例失衡[3-4]、馬鈴薯生長發育減弱、病蟲害現象加劇[5-6]等一系列問題；究其原因，連作對土壤的影響為其根本原因，但連作對馬鈴薯土壤健康的影響及其機制還缺乏系統研究。

土壤健康是保證生態體系健康的基礎，是農產品安全和人類健康的必要條件[7]。目前國際上比較通用的土壤健康概念為土壤生態系統維持生物生產力、改善環境質量和促進動植物健康的能力[8]。澳大利亞學者Pankhurst等提出了表征土壤健康的生態指標體系，主要包括微生物量、土壤病原菌、中型土壤動物區系、大型土壤動物區系、土壤酶和植物。這些評價土壤健康的生態指標為進一步研究土壤健康提供了更大的空間[9-11]。Anderson指出土壤健康應主要集中在土壤的生物成分上[12-13]。康奈爾土壤健康評價系統則從物理指標、生物指標、化學指標3個方面評價農田土壤的綜合健康狀況[14]。

自毒作用是作物自身的分泌物，莖、葉的淋溶物及殘體分解產物所產生的有毒物質(化感物質)抑制根系生長發育，降低根系活力，改變土壤微生物環境，提高病原菌的繁殖速度，引起作物生長不良、發病、甚至死亡的效應。從大量的研究中得出，酚酸類物質是引起連作障礙的重要的自毒物質[15]。當前主要研究的自毒物質有對羥基苯甲酸、香草酸[16]、阿魏酸[17]等。

本試驗以馬鈴薯不同連作年限的土壤為主要研究對象，結合不同連作年限馬鈴薯的農藝性狀和幼苗的抗性生理，探討了馬鈴薯不同連作年限土壤健康各因素的變化，分析了連作影響馬鈴薯生長發育及土壤健康的機制，旨在了解馬鈴薯連作過程中土壤健康各因素的變化規律及其與連作馬鈴薯生長發育的關系，為有效減輕馬鈴薯連作障礙，提高馬鈴薯塊莖的產量、品質和改善土壤健康狀況提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯主栽品種大西洋，由甘肅省景泰縣條山農場提供。

1.2 試驗設計

試驗在甘肅省景泰縣條山集團馬鈴薯種植基地進行。實驗選取馬鈴薯連作0 a(前茬種植玉米)、連作3 a和連作6 a的大田進行種植，各連作田按“V”字型選取3個樣方(即3次重復)，各樣方面積為27 m2(1.35 m×10 m×2壟)，在種植前，各樣方采用5點取樣法，采集0～30 cm土層根區耕層土，將所得5個土樣混勻后，仔細剔除植物殘體、石頭和其他雜物，帶回實驗室用于土壤相關指標的測定；待馬鈴薯幼苗出土后45 d，在各樣方內取馬鈴薯幼苗基部第二、第三葉片進行相關生理指標測定。在收獲前一周進行馬鈴薯農藝性狀的測定。每個實驗指標測定重復3次。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤理化性質測定 參照關松蔭[18]的方法，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤速效磷采用NaHCO3浸提，分光光度法測定；土壤pH值用酸度計法測定。

1.3.2 土壤肥力相關酶活性分析 參照關松蔭[18]的方法，脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定，結果以24 h后每克土壤(干重)中NH4+-N的毫克數表示；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測定，結果以24 h后每克土壤中釋放出酚的毫克數表示；蔗糖酶的活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，結果以24 h后每克土壤葡萄糖毫克數表示；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，其活性以每克土壤所消耗的0.1 mol·L-1KMnO4溶液的毫升數表示。

1.3.3 土壤酚酸類化感物質含量測定 土壤總酚酸含量測定采用磷鉬酸—磷鎢酸鹽比色法測定[19]；對羥基苯甲酸、香草酸和阿魏酸含量采用高效液相色譜法測定[20]。

1.3.4 土壤微生物數量分析 采用李坤[21]的方法，稍作修改，測定土壤微生物數量：采用牛肉膏蛋白胨培養基培養細菌，改良后的高氏1號培養基培養放線菌(每300 mL培養基加3%的重鉻酸鉀1 mL，以抑制細菌和霉菌的生長)，改良馬丁氏培養基培養真菌(每100 mL培養基中加1%孟加拉紅水溶液0.33 mL、1%鏈霉素0.3 mL)，每個處理的土樣稱取5 g，加入裝有90 mL無菌水的三角瓶中，振蕩45 min，即為10-1濃度的土壤樣液，靜置1 min，再逐次稀釋(細菌稀釋至10-5，放線菌稀釋至10-4，真菌稀釋至10-3)，每個平板重復3次，平板涂布法接種，在恒溫培養箱中培養，細菌在28℃下培養3 d，放線菌在30℃下培養7 d，真菌在25℃下培養5 d。

微生物數量計算公式：

菌數/土重=(同一稀釋度N次重復的菌落平均數×稀釋倍數n)/土干重

1.3.5 光合生理指標和MDA含量測定 相對葉綠素含量：采用SPAD-502葉綠素儀測定；凈光合速率、氣孔導度：采用美國便攜式LI-6400光合儀于上午9∶00—11∶00進行測定；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[22]。

1.3.6 農藝性狀測定 株高：植株莖的最高部位距離土面的高度；莖粗：植株與土面交界處地上莖直徑，用游標卡尺測量；根長：收獲后用卷尺測量5條最長根，取平均值；生物量：收獲時將完整植株整株挖出，120℃殺青40 min后，80℃恒溫干燥箱中烘烤12 h，稱重；塊莖產量：收獲時用電子天平測定。

1.4 數據分析

采用Excel 2007軟件進行數據處理和繪圖，SPSS 17.0軟件進行處理間差異顯著性分析，采用Ducan法進行處理間差異的多重比較，取P<0.05為顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯連作對土壤理化性質的影響

隨馬鈴薯連作年限增加，連作后土壤堿解氮含量升高，在連作3 a和6 a時，堿解氮分別比對照升高了84.62%和169.23%；pH值分別比對照下降了3.45%和8.68%；速效磷和有機質含量顯著下降，在連作3 a和6 a時，速效磷分別比對照下降了19.69%和34.10%，有機質分別比對照下降了27.46%和50.72%，可見土壤的養分比例失衡，理化性質變劣，尤其在連作6 a時較為嚴重(表1)。

2.2 馬鈴薯連作對土壤肥力相關酶活性的影響

結果顯示(圖1)，隨馬鈴薯連作年限增加，土壤中堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均呈現顯著下降(P<0.05)。在連作3 a和6 a時，堿性磷酸酶活性分別比對照下降了18.21%和36.34%，脲酶活性分別比對照下降了19.24%和35.72%，蔗糖酶活性分別比對照下降了18.30%和29.83%，過氧化氫酶活性分別為對照的44.96%和74.16%。

2.3 馬鈴薯連作對土壤酚酸類化感物質含量的影響

不同連作年限土壤中對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和總酚酸的含量測定的結果顯示對羥基苯甲酸含量在連作3 a時大幅度升高，比對照高73.77%，連作6 a時比對照高33.61%；香草酸含量在連作3 a時比對照下降29.01%，在連作6 a時高于對照31.30%；阿魏酸和總酚酸含量隨著連作年限的增長而增加，阿魏酸在連作3 a時含量增加，但與對照無顯著差別，在連作6 a時都達到了顯著差異水平，土壤中阿魏酸和總酚酸的含量分別比對照高51.64%、40.57%(圖2A～D)。說明馬鈴薯連作后土壤中酚酸物質增加可能會對馬鈴薯產生自毒作用，影響馬鈴薯的生長。

表1 馬鈴薯連作對土壤理化性質的影響Table 1 Effects of potato continuous cropping on the soil chemical and physical properties

注:表中數據為平均值±標準差，同列不同小寫字母表示在P<0. 05下差異顯著，下同。

Note: The data indicates mean±SD. Different small letters in the same column mean significant difference atP<0.05.The same below.

圖1 馬鈴薯連作對土壤肥力相關酶活性的影響Fig.1 Effects of potato continuous cropping on soil fertility-related enzymes activity

圖2 馬鈴薯連作對土壤酚酸類化感物質含量的影響Fig.2 Effects of potato continuous cropping on soil phenolic acids contents

2.4 馬鈴薯連作對土壤微生物數量的影響

連作對馬鈴薯土壤微生物群落結構影響較大，土壤中細菌數量和放線菌數量呈下降趨勢，細菌數量在連作3、6 a時比對照降低了80.61%、88.59%；放線菌數量在連作3、6 a時比對照降低了50.00%，84.21%，土壤生物活性下降。真菌數量隨連作年限增加顯著上升，在連作3 a和6 a時分別比對照升高了96.15%和253.85%(表2)。

土壤中細菌與真菌數量的比值(B/F)可以表征土壤肥力大小[23]，隨著連作年限的增加，B/F值呈降低的趨勢，連作6 a時最小，是對照(最大值)的3.224%。由此看來連作年限增加相對抑制細菌繁殖，改變了土壤微生物群落結構，削減了土壤肥力。

2.5 連作對馬鈴薯幼苗相對葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度和MDA含量的影響

連作顯著影響了馬鈴薯幼苗的光合效率(P<0.05)，隨著連作年限的增加，相對葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度均呈下降趨勢，尤其在連作6 a 時分別比對照降低了13.30%、13.98%和50.00%(表3)。連作后的馬鈴薯葉片MDA含量呈上升趨勢。統計分析顯示，與對照相比，連作3 a和6 a馬鈴薯的MDA含量分別增加了41.93%和142.47%，膜脂過氧化程度加重，對馬鈴薯植株產生危害(表3)。

表2 馬鈴薯連作對土壤微生物數量的影響Table 2 Effects of potato continuous cropping on soil microorganism quantities

表3 連作對馬鈴薯幼苗相對葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度和丙二醛含量的影響Table 3 Effect of continuous cropping on SPAD value, net photosynthetic rate, stomatal conductance and the content of MDA of potato seedling

2.6 連作對馬鈴薯農藝性狀的影響

馬鈴薯株高、莖粗、地上生物量和塊莖產量隨連作年限的增加都有所下降，在連作3 a和6 a時馬鈴薯株高、莖粗、地上生物量和塊莖產量分別比對照下降了8.17%、29.13%、28.04%、17.07%和42.49%、54.40%、58.35%、61.79%。根長在連作3年時比對照顯著增加了14.46%，但在連作6年時比對照下降了17.21%,達顯著水平(表4)。

表4 連作對馬鈴薯農藝性狀的影響Table 4 Effect of continuous cropping on agronomic characters of potato

3 討 論

植物生長的首要條件是擁有良好的土壤環境，土壤肥力的高低體現在土壤肥力相關酶活性的強弱、理化性質的優劣及土壤微生物群落的多樣性等方面[24]，這些指標是衡量土壤是否健康的關鍵指標。有研究得出連作會導致土壤理化性質和生物學活性的改變[25]，長期連作會導致土壤容重增大，土體緊實板結，結構性變差；還導致土壤孔隙度下降，透氣性減弱，不利于農業生產實踐。本文研究結果表明，隨馬鈴薯連作年限的增加，土壤堿解氮含量上升(表1)，玉蘇甫·買買提等[26]研究得出堿解氮隨著棉花連作年限的增加而有規律性的增加，與本文結果基本一致，究其原因可能與施肥措施密切相關；土壤pH值與土壤中微生物區系的變化密切相關，進而影響多種營養元素的轉化方向、轉化過程、形態及養分的有效性[27]，本文結果表明隨著連作年限的增加，土壤pH值減小，說明土壤出現了酸化趨勢。劉來等[28]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，與本文結論一致，土壤pH值降低主要是由土壤酚酸含量的升高造成的，而土壤酚酸含量的增加會抑制土壤中磷元素轉化的一些微生物的活動，降低土壤中磷酸酶活性，使得有效磷含量也隨著pH值降低而降低。速效磷含量隨著連作年限的增加明顯下降，這與徐文修等[25]在棉田土壤進行的試驗結果一致，速效磷的含量下降還與連作條件下馬鈴薯對磷的吸收有關，連作時間越長，馬鈴薯對土壤營養元素的吸收越多，為了試驗對照的需要，每年的施肥量一致，馬鈴薯對土壤營養元素的需求增加速率大于土壤中磷的有效化速率，導致速效磷含量隨連作年限的增加而降低。本試驗表明隨連作年限增加，有機質含量明顯下降。這些指標的變化使得土壤的養分比例失調，理化性質變劣，土壤健康狀況下降，尤其在連作6 a時較為嚴重(表1)。

連作條件下根系分泌物中的酚酸類化感物質在土壤中不斷積累，引發自毒作用，影響種子萌發、植株生長、病原菌活性和土壤微生物組成[17]，本試驗表明當馬鈴薯連作年限延長至6 a時，土壤酚酸類化感物質含量(除對羥基苯甲酸外)顯著升高(圖2)，造成土壤酸化，影響土壤肥力相關酶和微生物活性，這對土壤健康可能會帶來一系列不良影響。

連作明顯改變了土壤微生物量和種群分布，植物生長發育將做出適應性應答。有研究表明隨著煙草連作年限的延長，細菌數量下降，青枯病病原菌數量減少，真菌數量增加[27]。馬鈴薯連作表現出與煙草連作相似的變化，即隨連作年限的增加，土壤細菌和放線菌數量下降，真菌數量升高(表2)，表明連作促使土壤微生物環境從高肥的“細菌型”土壤向低肥的“真菌型”土壤轉化。

由于連作導致根系生長的環境即土壤惡化，根系生長不良，從而導致礦質養分吸收受到影響，因而導致葉綠素含量下降。葉綠素含量降低會影響馬鈴薯在生長過程中葉片對光能的吸收轉換利用，導致光合能力下降，從而使馬鈴薯葉片成熟較早、同化物積累量下降，造成植株生長下降，這是連作減產的原因之一[33]。本研究表明，連作后馬鈴薯幼苗葉片的凈光合速率下降，葉綠素相對含量、氣孔導度也隨之下降(表3)，這些變化可能與較長年限的連作造成土壤肥力下降、營養供應缺乏有關，并由于土壤健康狀況的惡化導致馬鈴薯幼苗受到脅迫作用?；形镔|能夠降低植物葉片中葉綠素含量和光合速率，特別是凈光合速率，Patterson[34]研究表明酚酸類物質會引起大豆葉片光合作用的能力與葉綠素含量的下降，顯著地抑制大豆的生長；杉木的化感物質抑制幼苗營養生長期葉綠素的合成代謝，降低凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，抑制幼苗生長[35]，本文中馬鈴薯表現出的隨連作年限增加葉片凈光合速率下降與連作過程中土壤化感物質積累可能具有密切的關聯，這也是土壤健康影響馬鈴薯生長發育的一個方面。MDA含量通常反映細胞膜脂過氧化程度和植物遭受逆境傷害的程度；本研究發現，連作后馬鈴薯幼苗葉片MDA含量顯著上升(表3)，表明連作年限的增加會加重脂質過氧化程度。

農藝性狀的高低能夠最直觀地反映植物受到脅迫程度。本研究結果表明，隨著連作年限增加，馬鈴薯株高、莖粗、地上生物量和塊莖產量逐漸下降；在連作6 a時，土壤健康狀況的重度惡化減弱了馬鈴薯幼苗對逆境的防御性反應及抗逆境能力，從而抑制了馬鈴薯的生長發育，造成馬鈴薯株高、莖粗、地上部分重、塊莖產量均顯著低于對照(表4)。

綜上所述，馬鈴薯連作通過影響土壤理化性質、降低土壤肥力相關酶活性、增加土壤中酚酸類物質含量，改變土壤微生物組成，從而從整體上降低了土壤的健康狀況，嚴重影響馬鈴薯生長發育。