不同類型砧木對西瓜連作障礙消減的影響

孟佳麗，吳紹軍，余 翔，王夏雯

(江蘇省農業科學院 宿遷農科所，江蘇宿遷 223800)

西瓜[Citrulluslanatus(Thunb.)Matsum.et Nakai]起源于非洲，最早從埃及傳入小亞細亞地區，一部分從該地區沿地中海北岸傳入歐洲，19世紀中期由歐洲傳入美國，又流傳至南美；另一部分由波斯向東傳播到印度，向北經過阿富汗，跨過帕米爾高原，沿著中國古代的絲綢之路傳入西域、回紇，來到中國。唐朝時期，西瓜出現在中國的新疆，五代和宋遼時期，西瓜才傳入中國內地[1]。

中國目前西瓜生產面積和消費量穩居世界第一。聯合國糧食及農業組織(www.fao.org)統計數據表明，2016年中國西瓜種植面積為189萬hm2，占世界西瓜生產總面積351萬hm2的53.85%；總產量7924萬t，占世界總產量11702萬t的67.71%。中國西瓜生產主要有兩大片區，北方片區包含華北平原和西北高原地區在內，該地區面積廣闊，中國45%左右的西瓜均產自此處；南方片區為長江中下游地區，該區氣候適宜，中國30%的西瓜產自此處[2]。

為了提早西瓜上市時間，獲得較高的經濟效益，保護地栽培技術在生產中應用越來越廣泛。由于設施的不可移動性，加上多年持續生產，設施內部土壤長期超負荷使用，土壤鹽漬化問題日益嚴重，病蟲害加劇，西瓜枯萎病(Fusariumorysporum)[3]、根結線蟲(Meloidogyne incognita)[4]大面積發生，連作障礙凸顯。連作障礙的主要表現有：植株大面積死亡，生長發育遲緩，植株龍頭不展，無果或小果，果實品質劣化等。其中最為嚴重的是導致植株死亡的枯萎病，由尖孢鐮刀菌引起，多在伸蔓期及開花坐果期發病[5]。

連作障礙主要有3個原因：(1)土傳病蟲害。病原菌在重茬土壤中具有更好的繁殖條件，從植物根系分泌物和殘茬腐解物吸收營養，數量不斷增加。病原拮抗菌受到惡劣環境的抑制，數量迅速減少，導致土傳病蟲害的爆發。土壤病害不僅與植株的抗性有關，還與土壤的種類有關，例如在酸性土壤上番茄青枯病的發病率高于中性和堿性土壤[6]。(2)土壤理化性狀劣化。保護地栽培施肥量巨大，加上常年覆蓋塑料膜，土壤得不到雨水淋洗，土壤次生鹽漬化加劇。農藥化肥殘留導致土壤中的離子濃度升高，緩沖能力變弱， pH下降，團粒結構受到破壞，土壤板結。(3)自毒作用。植物根系在生長過程中釋放出化感物質，對下茬作物產生不利的影響。有研究表明茄果類、瓜類作物容易產生自毒作用[7]，例如茄子、番茄、黃瓜、西瓜和甜瓜等，但也有少數瓜類作物不容易產生自毒作用，例如絲瓜、南瓜和瓠瓜等。目前，已發現的自毒物質有苯甲酸、肉桂酸和水楊酸等，這些物質影響植株的離子、水分吸收及光合作用等，從而影響植株的正常生長。

連作障礙產生原因錯綜復雜，是作物-土壤系統內部諸多因素綜合作用的結果，目前，沒有徹底根治的方法，可通過3大類措施減緩連作障礙：(1)合理輪作套作。例如大棚西瓜-水稻輪作，草莓-西瓜輪作，大蒜-西瓜套作等。(2)土壤改良。添加土壤有益微生物例如芽孢桿菌，提高土壤中有益微生物質量分數；撒施消石灰或石灰氮調節土壤pH；增施有機肥，保持較好的土壤團粒結構等。(3)選用抗病品種或者嫁接。目前，嫁接已成為解決連作障礙的一項方便可行的技術。

20世紀20年代，日本及朝鮮地區最先出現了蔬菜嫁接技術，主要用于解決西瓜連作障礙。后來逐漸應用于其他瓜類和茄果類蔬菜的生產。50年代末期，蔬菜嫁接技術開始大面積的推廣應用。20世紀70年代，嫁接技術出現在中國，主要用于解決西瓜連作問題[8]，10a之后西方國家才開始逐步引進。經過幾十年的發展，嫁接栽培技術已經非常成熟，在日本和韓國，90%的西瓜生產應用的是嫁接苗；在美國，70%的番茄生產應用的是嫁接苗[9]。隨著嫁接技術的普及，研究人員對植物嫁接過程中發生的一系列變化產生了興趣，各類研究層出不窮。作為一種特殊的植物-植物互作共生現象，嫁接后砧木與接穗是如何進行細胞識別、物質運輸及信息傳遞，砧木與接穗是如何防御病毒侵染及調控開花結果的機制等等問題引起了廣泛的討論[10]。

嫁接解決連作障礙的主要原因有3點：(1)砧木品種比接穗根系更強大，根系活力強，增強了養分吸收能力，提高植株的光合能力，這是砧木對接穗生長影響的主要表現。(2)抗病品種砧木的木質部比接穗的組織更厚，細胞結構更強，增強了根系的抗病性。(3)接穗和砧木之間有遺傳物質的交流，一些小分子mRNA從砧木轉移到接穗頂端，從而調控接穗的生長發育，提高植株防御酶的活性。

本研究采用紅瓤中果型西瓜品種‘遷麗1號’為接穗，葫蘆和南瓜分別作為砧木，通過比較新茬與連作條件下植株的生長狀況、生理生化指標、土壤理化性狀及微生物質量分數等，全面分析葫蘆和南瓜2種不同類型的砧木對西瓜連作障礙消減的影響，初步探討不同類型砧木對連作障礙的消減機制。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗分別于2017年和2018年春季在宿遷市運河灣試驗基地的日光溫室大棚內進行。2017年春季的土地為新茬，2018年為去年種植過西瓜的連作土壤。

接穗品種為紅瓤中果型西瓜‘遷麗1號’；砧木品種為南瓜砧木‘思壯’，葫蘆砧木‘甬砧’；以‘遷麗1號’、葫蘆、南瓜自根苗為對照。

選取飽滿整齊一致的砧木和接穗種子，經過浸種催芽后，播種在穴盤中，晝夜溫度分別控制在25 ℃左右和15 ℃左右。待砧木出現第1片真葉時，接穗出現2片子葉時，采用劈接法進行嫁接。前3 d進行遮光保濕，之后逐漸通風見光，成活后按照正常苗管理。

幼苗3葉1心時，挑選整齊的植株定植于鋼架大棚內，采用隨機區組設計，重復3次，共15個小區，每小區10株，株距55 cm，爬蔓栽培，田間管理參照本地早春設施西瓜管理方法進行。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 植株生長狀況 移栽2個月后，統計蔓長。地上部及地下部干物質量：105 ℃烘干0.5 h后，80 ℃烘干2 h，稱取干質量。葉綠素質量分數用手持式葉綠素測量儀SPAD-502Plus測定。每個處理重復3次。

1.2.2 生理生化指標 脫落酸(ABA)：樣品提取和測定采用Bollmark等[11]方法，酶聯免疫(ELISA)分析試劑盒由蘇州科銘生物技術有限公司提供，參照Zhao等[12]方法進行。超氧化物歧化酶(SOD)：采用氮藍四唑光化還原法測定。過氧化物酶(POD)采用愈創木酚法，測定方法參考《植物生理學實驗技術》[13]。可溶性蛋白采用考馬斯亮藍法測定。均測定3次。

1.2.3 土壤理化指標 土壤電導率采用Mettler Toledo電導率儀SG3測定。土壤酸堿度采用Sartorius pH計PB-10測定。速效氮用堿解擴散法測定。速效磷采用鉬銻抗比色法。速效鉀采用火焰光度法測定。均測定3次。

1.2.4 土壤微生物檢測 采用稀釋平板法， 28 ℃恒溫培養計數，每個稀釋度重復3次。細菌、真菌和放線菌的培養基分別為牛肉膏蛋白胨培養基、馬丁氏培養基及高氏1號培養基。

1.3 數據統計與分析

采用IBM SPSS Statistics 22軟件對試驗數據進行差異顯著性及相關性分析，采用Microsoft Excel 2010繪圖。

2 結果與分析

2.1 植株生長狀況的變化

對比表1中西瓜自根苗在新茬與連作土壤上的生長情況可知，遷麗的蔓長、葉片數、干物質量、葉綠素質量分數等指標第2年連作種植時均有所降低，其中地上部干物質量、葉綠素質量分數指標差異顯著，說明連作的確引起了西瓜植株長勢的衰弱；經過嫁接之后，植株生長勢變化減緩，第2年連作種植的遷麗嫁接苗在蔓長、葉片數、干物質量、葉綠素質量分數等方面與新茬西瓜自根苗之間差異不顯著，說明嫁接對消減連作障礙確實起到一定的作用。表1表明，在新茬栽培條件下，嫁接植株比自根苗的生長勢更加旺盛，遷麗-葫蘆、遷麗-南瓜嫁接株的各項指標均值超過遷麗自根苗，但遷麗-葫蘆與自根苗之間總體上無顯著性差異，遷麗-南瓜嫁接苗的蔓長、地下部干物質量與遷麗-葫蘆、自根苗差異顯著，表明在新茬土壤中南瓜砧木的根系更為發達，具有更好的吸收能力。連作的遷麗-葫蘆與新茬的遷麗-葫蘆相比，葉片數和葉綠素質量分數等指標呈顯著性差異；而連作的遷麗-南瓜與新茬的遷麗-南瓜相比，蔓長、地下部干物質量和葉綠素質量分數等指標均大幅度下降，呈顯著性差異，這從另一方面印證了連作對瓜類產生的不良影響。遷麗-葫蘆與遷麗-南瓜相比，每組數據變化幅度不大，未出現極顯著差異，受到連作的影響較小，具有較強的穩定性。

茬口Crops類型Types品種Variety蔓長/cmVine length葉片數Number of blades地上部干物質量/gPlant dry mass地下部干物質量/gRoot dry mass葉綠素質量分數/(mg/g)Chlorophyll mass fraction新茬 自根Self-root遷麗Qianli112.00±14.93 bcB19.67±1.53 abA395.01±68.28 aAB20.10±1.91 bcB4.86±1.12 abcABCNew crop嫁接 Grafting遷麗-葫蘆 Qianli-gourd130.67±5.03 bB21.00±2.65 aA410.87±32.13 aAB24.37±2.62 bB6.46±1.16 abAB遷麗-南瓜Qianli-squash176.67±15.82 aA20.67±2.08 aA414.72±57.07 aAB32.63±3.77 aA7.59±1.63 aA連作 自根Self-root遷麗Qianli102.67±7.02 cB18.00±2.00 abA281.66±19.30 bB16.18±2.69 cB2.57±1.05 dCContinuous嫁接 Grafting遷麗-葫蘆Qianli-gourd110.67±3.06 bcB17.00±1.00 bA371.90±47.96 abAB21.98±3.83 bB3.23±1.01 cdBC遷麗-南瓜Qianli-squash130.00±13.00 bB18.00±1.00 abA436.98±75.88 aA23.40±3.03 bB4.20±1.35 bcdABC

注：不同小寫字母表示0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示0.01水平差異極顯著，下同。

Note:Different lowercase letters indicate significant differences in 0.05 levels,and different uppercase letters indicate extremely significant differences in 0.01 levels,the same below.

2.2 植株生理生化指標的變化

脫落酸(ABA)是平衡植物內源激素和有關生長活性物質代謝的關鍵因子，具有促進植物水肥平衡和協調體內代謝的能力，能夠有效調控植物的根冠比、營養生長和生殖生長。在不良環境下，植物體內的ABA質量分數會迅速增加，誘導酶的合成，增加植物的抗逆性。對比圖1-A和E可知，在新茬和連作2種栽培條件下，嫁接苗與自根苗葉片中的ABA質量分數均高于根系。連作的植株葉片ABA質量分數高于新茬，根系ABA質量分數除了遷麗-葫蘆外，自根苗和遷麗-南瓜嫁接苗也是均高于新茬。表明連作條件下，植物體內的ABA質量分數增加，通過與不同的激素協調互作，促進蛋白表達提高蛋白活性，達到抗逆的目的。超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)作為植物體內的保護酶，有清除活性氧和保護細胞膜結構的作用。對比圖1-B和F可知，連作的遷麗自根苗中葉片和根系的SOD活性均低于新茬；連作的遷麗-葫蘆葉片和根系的SOD活性均高于新茬；連作的遷麗-南瓜的葉片SOD活性低于新茬，根系SOD活性高于新茬。對比自根苗和嫁接苗可知，在連作條件下，自根苗的葉片和根系SOD活性均低于嫁接苗。遷麗-葫蘆、遷麗-南瓜的根系SOD活性與自根苗差異顯著，遷麗-葫蘆的葉片SOD活性與自根苗差異顯著。這一發現表明，與自根植株相比，嫁接株SOD活性更強，清除自由基的能力更強，活力更加持久，生存能力更強。

比較圖1-C和G可知，在新茬栽培條件下，嫁接株的葉片及根系POD活性均高于自根苗，差異顯著；在連作栽培條件下，無論嫁接苗還是自根苗，植株葉片及根系POD的活性均呈下降趨勢，嫁接苗與自根苗葉片的POD活性差異不顯著，但在根系中仍為極顯著差異。由此可知，連作會導致植物體內POD活性下降，植物清除體內自由基的能力減弱，連作的植株將會比新茬的植株更快地走向衰亡。植物體內的可溶性蛋白多為酶類，是細胞的重要成分，參與細胞的各種代謝，其質量分數反映植物總代謝的能力。可溶性蛋白的增加能夠提高細胞的保水性，保護細胞的生命物質及生物膜。由圖1-D和H可知，新茬的自根苗葉片與連作的自根苗相比，可溶性蛋白質量分數幾乎無差異，根系可溶性蛋白質量分數下降較多。新茬的遷麗-葫蘆葉片中可溶性蛋白質量分數低于連作的遷麗-葫蘆，差異不顯著；根系可溶性蛋白質量分數高于連作的遷麗-葫蘆，差異不顯著。新茬的遷麗-南瓜葉片可溶性蛋白質量分數高于連作的遷麗-南瓜，差異顯著；根系可溶性蛋白質量分數低于連作的遷麗-葫蘆，差異不顯著。從總體趨勢上看，新茬的植株中葉片及根系的可溶性蛋白質量分數略高于連作的植株。筆者發現，嫁接苗中葉片和根系中的可溶性蛋白質量分數始終高于同等條件下的自根苗，進而可得出嫁接苗在生長過程中可溶性蛋白質量分數較高，有機物積累較多，有效減緩了植株衰老的結論。

圖上不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05) Lowercase letters represent significant differences(P<0.05)；不同大寫字母代表差異極顯著(P<0.01) Uppercase letters represent significant differences(P<0.01).下圖同 The same below

圖1 植株生理指標的變化
Fig.1 Changes of physiological indicators in plant

2.3 根際土壤理化性狀的變化

由圖2-A可知，連作導致葫蘆、南瓜、遷麗-南瓜根際土壤的pH降低，其中遷麗-南瓜pH降低最為明顯，達到極顯著水平；遷麗自根苗及遷麗-葫蘆嫁接苗pH則略有升高，但未達到顯著水平。據唐小付等[14]研究報道，設施土壤pH隨著設施種植年限的增加而逐漸降低，設施土壤出現酸化趨勢。本研究的觀察年限為連續2 a，僅有一處土壤出現差異顯著性變化。由圖2-B可知，連作土壤的電導率明顯高于新茬，5組數據均達到差異顯著水平。土壤電導率過高表明土壤中可溶性鹽質量分數過高，離子濃度高時會阻礙植物根系對養分的吸收，導致植株根系受損甚至死亡。

由圖2-C可知，連作土壤中的有機質質量分數普遍高于新茬土壤，其中葫蘆根際土壤有機質質量分數略有降低，西瓜、南瓜根際土壤有機質質量分數略有升高，總體差異不顯著；遷麗-葫蘆、遷麗-南瓜根際土壤中有機質質量分數升高，差異極顯著。這一現象可能與試驗后期施肥管理有極大關系。由圖2-D、E、F可知，土壤中速效氮、磷、鉀元素變化有所不同。5種處理的連作土壤中氮元素質量分數均高于新茬土壤，但未出現顯著差異；磷元素質量分數，南瓜根際土壤中略有降低，其他處理升高；鉀元素質量分數，西瓜自根苗、遷麗-葫蘆、遷麗-南瓜根際土壤升高，葫蘆、南瓜低于新茬土壤。由此可以看出，葫蘆、南瓜根系吸收鉀的能力強于西瓜自根苗和嫁接苗。經過嫁接換根之后，增強了西瓜植株對鉀元素的吸收，促進植物的光合作用及碳水化合物代謝，使植物提高了水分利用率和抗性。

圖2 根際土壤理化性狀的變化Fig.2 Changes in physical and chemical properties of rhizosphere soil

2.4 嫁接后根際微生物的變化

目前，土壤微生物指標被公認為是土壤生態系統變化的預警及敏感指標[15]，土壤微生物參與土壤有機質的分解，對土壤的修復起著重要的作用[16-17]。由表2可知，連作引起了土壤中細菌、放線菌和真菌數量下降。其中細菌總量遷麗自根苗由76.33×105cfu/g下降到20.00×105cfu/g，差異極顯著；葫蘆和南瓜分別由60.33×105cfu/g和57.67×105cfu/g下降到25.67×105cfu/g和44.00×105cfu/g，差異顯著；嫁接后，遷麗-葫蘆和遷麗-南瓜分別由38.67×105cfu/g、47.67×105cfu/g下降到 28.00×105cfu/g和38.00×105cfu/g，差異不顯著。真菌數量未出現極顯著差異，遷麗自根苗和遷麗-南瓜根際土壤真菌數量由24.33×104cfu/g和27.00×104cfu/g下降到10.67×104cfu/g和12.67×104cfu/g，差異顯著，其余組別無顯著差異。放線菌數量，最低為連作自根西瓜，僅有19.67×104cfu/g，與其他處理差異顯著。

表2 西瓜連作種植對土壤微生物多樣性的影響Table 2 Effect of continuous cropping of watermelon on soil microbial diversity

3 結論與討論

在目前的研究中，不同砧木嫁接西瓜導致植株在蔓長、葉片數、干物質量、葉綠素質量分數等產生顯著變化。本試驗表明，遷麗-葫蘆、遷麗-南瓜在連作條件下確實表現不盡相同。本試驗不僅比較了西瓜自根苗在新茬與連作土壤中的表現，還對比了葫蘆、南瓜砧木自根苗及遷麗-葫蘆、遷麗-南瓜嫁接苗在新茬與連作土壤中的表現，從而更全面地研究不同砧木對西瓜生長的影響，進一步揭示不同類型的砧木如何影響西瓜接穗生長及提高西瓜抗病性。目前，相比葫蘆砧木，南瓜更為廣泛地被應用于西瓜嫁接生產中[18]。

在新茬栽培條件下，嫁接植株比自根植株生長勢更加旺盛，遷麗-葫蘆、遷麗-南瓜嫁接株的各項指標均值均超過了遷麗自根苗，其中遷麗-葫蘆與自根苗之間各項指標無顯著性差異，遷麗-南瓜嫁接苗蔓長、地下部干質量與遷麗-葫蘆、自根苗差異顯著，表明新茬的南瓜根系更為發達，具有更好的吸收能力。連作的遷麗-葫蘆與新茬的遷麗-葫蘆相比，葉片數、葉綠素質量分數等指標具有顯著差異，連作的遷麗-南瓜的與新茬遷麗-南瓜相比，蔓長、地下部干質量和葉綠素質量分數等指標均大幅度下降，差異顯著。遷麗-葫蘆與遷麗-南瓜相比，每組數據變化幅度不大，未出現極顯著差異。綜上所述，與新茬栽培相比，連作的遷麗-葫蘆有2組指標受到了不良環境的影響，未出現極顯著差異；連作的遷麗-南瓜有3組指標受到了影響，并且其中的2組指標蔓長和地下部干質量出現極顯著差異。由此可以推斷，經過葫蘆砧木嫁接后的植株比南瓜嫁接株受到連作的影響更小，具有更強的穩定性。

ABA被認為是植物應對逆境的主要調節激素[19]，本試驗觀察到，連作的植物葉片ABA質量分數均高于新茬的植物，連作的根系ABA質量分數除了遷麗-葫蘆外，自根苗及遷麗-南瓜也是均高于新茬。無論在新茬還是連作條件下，遷麗-南瓜植株葉片及根系中ABA的質量分數均高于遷麗-葫蘆嫁接株。表明在連作條件下，植物體內的ABA質量分數增加，通過與不同的激素協調互作，促進蛋白表達和提高蛋白活性，達到抗逆的目的。有研究[20]報道，在干旱條件下，ABA在根中產生并轉移到葉片中。本研究的數據同樣表明，連作條件刺激植物葉片中產生ABA，導致植物體內ABA質量分數增加，抗逆性增強。

可溶性蛋白作為一種植物體內重要的滲透調節物質和營養物質，起到保護細胞膜及提高植物細胞的保水性的目的，可溶性蛋白的質量分數體現了植物總代謝的水平[21]。本試驗發現，連作的遷麗-葫蘆葉片可溶性蛋白質量分數與新茬的遷麗-葫蘆相比有較小幅度的提高，但差異不顯著，根系可溶性蛋白質量分數減少，差異不顯著；連作的遷麗-南瓜葉片可溶性蛋白質量分數比新茬的遷麗-南瓜少，差異顯著，根系可溶性蛋白質量分數略有增加，差異不顯著。總體來看，遷麗-葫蘆的蛋白質量分數變化幅度小于遷麗-南瓜。

連作栽培中，土壤次生鹽漬化和酸化的問題普遍存在[22]。本研究表明連作土壤的電導率明顯高于新茬土壤，5組數據均達到差異顯著水平。土壤電導率過高說明土壤中的可溶性鹽質量分數過高，高離子濃度阻礙了植物根系對養分的吸收，致使植株根系受損。連作還導致葫蘆、南瓜、遷麗-南瓜3種處理根際土壤pH降低，其中遷麗-南瓜的pH降低最為明顯，達到極顯著水平；遷麗自根苗及遷麗-葫蘆嫁接株pH則略有升高，未達到顯著水平。設施種植多年后，可能會導致電導率增加，pH下降，出現更為嚴重的土壤問題。

土壤微生物能夠促進有機質分解和養分轉化，微生物的組成和數量反映了土壤的生物活性水平[23]。土壤微生物的組成和數量受到土壤養分質量分數、作物類型以及作物感病與否等理化及生態因素的影響[24]。本研究表明，同一種作物的連續種植，特別是自根西瓜，引起了土壤中細菌、真菌和放線菌數量的降低。嫁接后，有效地減緩了這種趨勢，但是微生物質量分數仍在減少。說明連作之后由于大量施肥和植物根系分泌物等形成了特殊的土壤環境，導致有益微生物的生長繁殖受到抑制，土壤的微生物區系發生變化，導致土傳病害嚴重。