黃土高原半干旱區(qū)馬鈴薯連作對農(nóng)田土壤生化性質(zhì)及產(chǎn)量的影響

胡新元，孫小花，柳永強(qiáng)，謝奎忠，陸立銀

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬鈴薯研究所，甘肅 蘭州 730070）

馬鈴薯（Solanum tuberosum）是中國繼水稻、小麥、玉米和豆類之后的第五大糧食作物，也是重要的糧菜飼兼用型作物[1]。甘肅省是西北地區(qū)乃至全國非常重要的馬鈴薯生產(chǎn)基地，而甘肅省中部的黃土高原半干旱區(qū)又有著得天獨(dú)厚的自然優(yōu)勢，是中國最佳的馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一[2]。但由于農(nóng)業(yè)合作社、種薯企業(yè)為了滿足市場的需求，盲目擴(kuò)大生產(chǎn)導(dǎo)致馬鈴薯連作障礙問題已經(jīng)非常嚴(yán)重地影響了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。前人們從馬鈴薯植株的生長發(fā)育、生理生化反應(yīng)對土壤環(huán)境因子的響應(yīng)來闡釋馬鈴薯連續(xù)種植引起作物、土壤不良反應(yīng)的形成原因，闡釋了由于馬鈴薯植株生長發(fā)育水平的降低和物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)化的失衡從而致使連作馬鈴薯產(chǎn)量下降[3,4]。不僅如此，馬鈴薯長期連作還會導(dǎo)致土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而引發(fā)土壤頹敗，并對馬鈴薯植株生長發(fā)育和塊莖產(chǎn)量形成產(chǎn)生不良的影響[5,6]。然而究竟這些負(fù)反饋影響具體是由哪些因子引起的，目前仍存在較大爭議。有專家試圖從馬鈴薯農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的變化進(jìn)行研究[7-11]，認(rèn)為馬鈴薯連續(xù)種植可以導(dǎo)致土壤養(yǎng)分吸收失衡、微生態(tài)環(huán)境破壞等現(xiàn)象；還有學(xué)者從土壤酶學(xué)方向進(jìn)行研究[12]，指出馬鈴薯連作嚴(yán)重影響了馬鈴薯農(nóng)田土壤中相關(guān)酶活性，進(jìn)而影響作物對養(yǎng)分的吸收和利用。

雖然馬鈴薯連作障礙問題的研究受諸多因子的影響，比如氣候環(huán)境、肥料狀況、土壤質(zhì)地以及供試品種等，但毋庸置疑的是馬鈴薯連續(xù)種植引發(fā)土壤退化、產(chǎn)量下降以及品質(zhì)不良是眾多因子驅(qū)動的綜合體現(xiàn)。因此，研究連作障礙問題的形成原因并探索有效的解決措施成為當(dāng)下馬鈴薯生產(chǎn)發(fā)展亟待解決的問題。目前，關(guān)于黃土高原半干旱地區(qū)作物連續(xù)種植引發(fā)的各種障礙問題更多的是在設(shè)施蔬菜、經(jīng)濟(jì)類作物以及中藥材上開展研究，對馬鈴薯連作問題的研究相對較少。本研究依托布置在甘肅省定西市的田間定位試驗，試圖從時間尺度上探討馬鈴薯農(nóng)田土壤生化性質(zhì)的變化，進(jìn)而研究連作對馬鈴薯農(nóng)田土壤的影響，探究可能存在的馬鈴薯連作農(nóng)田土壤障礙因子，為明確馬鈴薯連作障礙機(jī)理的形成原因及其解決技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗布置在甘肅省定西市安定區(qū)寧遠(yuǎn)鎮(zhèn)紅土窯村中川社（N 35°26.714′，E 104°50.886′）。試驗地為肥力均等的平坦川地，屬中溫帶偏旱區(qū)，平均海拔2 000 m，日照時數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥10 ℃積溫2 239.1 ℃，無霜期140 d。多年平均降水量390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53，為黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，一年一熟，土壤為典型的黃綿土。

1.2 試驗設(shè)計

2018 年為定位試驗第9 年，試驗設(shè)5 個處理。處理1：撂荒（CK1）；處理2：輪作（CK2），小麥/碗豆/馬鈴薯輪作；處理3：連作2 年馬鈴薯（2010～2015年依次種植馬鈴薯-豌豆-馬鈴薯-胡麻-馬鈴薯-小麥，2016～2018年連續(xù)種植3年馬鈴薯）；處理4：連作4年馬鈴薯（2010～2013年依次種植馬鈴薯-胡麻-馬鈴薯-小麥，2014～2018年連續(xù)種植5年馬鈴薯）；處理5：連作6年馬鈴薯（2010～2011年依次種植馬鈴薯-小麥，2012～2018 年連續(xù)種植7 年馬鈴薯）。每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積23.814 m2（長5.67 m×寬4.20 m）。馬鈴薯每個小區(qū)種植7行，株距37 cm，行距60 cm。輪作處理每年3月下旬播種小麥，4月下旬播種馬鈴薯。小麥播種量為187.50 kg/hm2，施純N、P2O5各105.00 kg/hm2、農(nóng)家肥30 000 kg/hm2。馬鈴薯在4月下旬播種，播種密度為67 500株/hm2，施肥參照當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)，施P2O5108.00 kg/hm2、純N 135.00 kg/hm2、農(nóng)家肥30 000 kg/hm2，其中1/4的氮肥在現(xiàn)蕾期培土追施，其余作為基肥施入。播種和施肥均為機(jī)械化一次性完成，田間管理同當(dāng)?shù)卮筇铩９┰嚥牧蠟楫?dāng)?shù)刂髟缘娜奂庸ぁⅤr食菜用型馬鈴薯品種‘隴薯7號’，一級種，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬鈴薯研究所提供。

1.3 取 樣

在馬鈴薯主要生育期每小區(qū)按5點(diǎn)法取樣。根據(jù)試驗要求分別取：（1）播前0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層土樣，分成兩部分，一部分測土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分（土壤化學(xué)因子），另一部分自然風(fēng)干后研磨過0.15 mm 篩，測土壤總有機(jī)碳（TOC）；（2）播前、苗期、盛花期、塊莖膨大期、成熟期分別在馬鈴薯壟上行間靠近植株根系的部位取樣，保鮮冷藏，測土壤酶活性及土壤微生物數(shù)量。所有土樣均去掉土壤中可見的植物根系和瓦礫殘體。

1.4 測定項目和方法

1.4.1 土壤化學(xué)因子

土壤pH值用電位法；全N用凱氏法；堿解N用擴(kuò)散法；有效P 用Olsen 法；速效K 用l mol/L NH4OAc浸體-火焰光度法[13]。

1.4.2 土壤總有機(jī)碳

采用重鉻酸鉀氧化法[13]。采用“S”型取樣法，在馬鈴薯播前取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層混合樣。自然風(fēng)干后研磨過0.15 mm篩。稱取通過0.15 mm 篩孔的風(fēng)干土樣0.1～1.0 g，滴加0.800 mol/L K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)，再加入5 mL 濃H2SO4。油浴鍋中加熱5 min，后將溶液倒入250 mL三角瓶中，定容至100 mL，加入鄰菲羅啉指示劑，用標(biāo)準(zhǔn)的0.2 mol/L FeSO4滴定，計算土壤有機(jī)碳含量。

1.4.3 土壤酶活性

土壤脲酶采用比色法、過氧化氫酶采用KMnO4滴定法、（轉(zhuǎn)化酶）蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[14]。土壤平均酶活性根據(jù)Zhang等[15]的方法計算：土壤平均酶活性＝（脲酶×蔗糖酶×過氧化氫酶）1/3。

1.4.4 土壤微生物數(shù)量

采用平板計數(shù)法[16]。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基、放線菌采用高氏1號培養(yǎng)基。

微生物生物量碳測定采用氯仿熏蒸法[17]，0.5mol/L K2SO4溶液浸提，重鉻酸鉀消化，F(xiàn)eSO4滴定。

1.4.5 馬鈴薯產(chǎn)量指標(biāo)

在馬鈴薯達(dá)到完全成熟時進(jìn)行測產(chǎn)，測定每小區(qū)的實際產(chǎn)量（小區(qū)面積23.814 m2）。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有試驗數(shù)據(jù)的計算、圖表繪制使用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計，并采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析，采用Duncan's法進(jìn)行多重比較，文中表內(nèi)數(shù)據(jù)以‘平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤’表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同連作年限對馬鈴薯農(nóng)田土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

不同連作年限馬鈴薯農(nóng)田土壤化學(xué)性質(zhì)的測定結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，連作4年處理土壤pH與其余各處理差異顯著。各處理有機(jī)質(zhì)含量差異顯著，連作6年高出輪作處理41.61%，堿解氮含量也是連作6 年高于其他處理，分別高出撂荒、連作4年、輪作、連作2 年11.26%、45.05%、76.88%、122.81%；輪作較連作處理顯著增加了土壤有效磷和全氮的含量，且輪作處理（CK2）有效磷、全氮含量與連作2年、連作4年處理差異顯著。

2.2 不同連作年限馬鈴薯土壤總有機(jī)碳的變化

馬鈴薯農(nóng)田耕層土壤總有機(jī)碳含量的變化會顯著影響馬鈴薯的生長發(fā)育狀況，土壤總有機(jī)碳是土壤的生產(chǎn)潛力和土壤質(zhì)量狀況的直接表現(xiàn)。為了研究不同處理馬鈴薯農(nóng)田土壤垂直剖面上總有機(jī)碳含量的變化特征，本研究在馬鈴薯播前分別取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層 混 合樣，結(jié)果如圖1所示，各處理土壤總有機(jī)碳積累量為5.38～9.97 g/kg；撂荒處理80～100 cm 土層土壤總有機(jī)碳積累量最高，達(dá)9.97 g/kg，較連作6年處理5.38 g/kg高出85.31%；各處理（撂荒除外）0～20 cm土層土壤總有機(jī)碳積累量顯著高于其他層次，其中連作4年處理較其他4種處理土壤總有機(jī)碳積累量偏低。可見人為擾動對土壤總有機(jī)碳積累的影響很大，即雖然土壤中總有機(jī)碳的含量在短期內(nèi)是相對穩(wěn)定的，但人類長期的耕作活動會破壞土壤中總有機(jī)碳的積累，也就是說撂荒處理更有利于土壤總有機(jī)碳的積累。

表1 馬鈴薯連作年限對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 1 Effect of potato continuous monoculture on soil chemical properties

圖1 馬鈴薯農(nóng)田不同處理各層次土壤總有機(jī)碳含量Figure 1 Total organic carbon content of soil at different levels under different treatments of potato farmland

2.3 不同連作年限對馬鈴薯農(nóng)田土壤酶活性的影響

各個處理馬鈴薯農(nóng)田土壤酶活性分析結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，連續(xù)種植2年和4年馬鈴薯使得土壤脲酶活性較輪作（小麥/豌豆/馬鈴薯）、撂荒有不同程度的增加，差異顯著。總體而言，隨著連作年限的增加蔗糖酶活性顯著下降，連作6年處理土壤蔗糖酶活性低于連作2年的10.55%；除過氧化氫酶含量是連作6年處理最高外，脲酶（連作4年除外）、蔗糖酶以及酶活性的平均值均是連作2年顯著高于其他處理。

在馬鈴薯農(nóng)田土壤各基礎(chǔ)養(yǎng)分和土壤酶活性的共同作用下，土壤中進(jìn)行著復(fù)雜的生物、化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)能量的代謝、循環(huán)。由表3可知，土壤中的蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶3種酶活性與土壤養(yǎng)分因子均呈極顯著正相關(guān)，表明這3種土壤酶活性促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化吸收，對土壤的理化性狀的改良等方面具有重要作用。而且土壤酶的活性不只是在某一種土壤養(yǎng)分因子轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著促進(jìn)作用，而是參與了眾多土壤養(yǎng)分因子間的轉(zhuǎn)化，他們之間發(fā)生著復(fù)雜多變的物理、化學(xué)、生物學(xué)反應(yīng)，共同影響著土壤中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化。

2.4 不同連作年限馬鈴薯土壤微生物活性的變化

馬鈴薯農(nóng)田土壤中微生物是其養(yǎng)分的重要組成部分，本研究對不同連作年限0～20 cm土層的土壤微生物活性進(jìn)行了分析。由表4可知，連作2年的細(xì)菌數(shù)量顯著高于撂荒、連作4年和連作6年；輪作真菌數(shù)量顯著高于撂荒（CK1）、連作2年、連作4年和連作6 年；撂荒處理放線菌數(shù)量顯著高于輪作（CK2）、連作2年、連作4年和連作6年。各處理土壤中微生物的數(shù)量大致由大到小排序依次為細(xì)菌＞放線菌＞真菌，且細(xì)菌數(shù)量占95%以上，說明細(xì)菌是土壤中的優(yōu)勢菌。細(xì)菌數(shù)量的大小順序為連作2年＞輪作＞連作4年＞連作6年＞撂荒；放線菌數(shù)量為撂荒＞連作2年＞輪作＞連作4年＞連作6年。由于土壤中微生物的數(shù)量直接影響著土壤生物學(xué)性狀的表現(xiàn)，進(jìn)而影響馬鈴薯植株的生長發(fā)育和塊莖形成。

表2 馬鈴薯連作年限對土壤酶活性的影響Table 2 Effects of continuous potato monoculture on soil enzyme activities

表3 土壤主要養(yǎng)分與土壤酶活性的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analyses of soil main nutrients and soil enzyme activities

2.5 不同處理土壤生化因子與產(chǎn)量的相關(guān)

為了研究不同處理土壤生化因子與馬鈴薯產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，以馬鈴薯塊莖產(chǎn)量、土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分以及土壤酶活性為研究對象，探討不同處理土壤生化因子與產(chǎn)量的相關(guān)性（表5）。結(jié)果表明土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮與產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P ＜0.01），全氮與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（P ＜0.05）。過氧化氫酶與有機(jī)質(zhì)、堿解氮呈極顯著正相關(guān)（P ＜0.01），過氧化氫酶與脲酶、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)（P ＜0.05）。

表4 不同處理土壤微生物數(shù)量變化Table 4 Changes in soil microbial quantities under different treatments

表5 不同處理土壤生化因子與產(chǎn)量的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analyses of soil biochemical factors and yields under different treatments

3 討 論

3.1 連續(xù)種植馬鈴薯對農(nóng)田土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤有機(jī)碳的含量高低是衡量土壤健康狀況的主要指標(biāo)之一，雖然土壤總有機(jī)碳在短期內(nèi)呈現(xiàn)一種比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是其與土壤的可持續(xù)發(fā)展和作物的生產(chǎn)力有著重要的關(guān)系。本研究表明，輪作較連作處理顯著增加了土壤有效磷和全氮的含量，且與連作2年、連作4年處理差異顯著，故輪作顯著增加了土壤有效磷、全氮的含量；各處理馬鈴薯農(nóng)田土壤總有機(jī)碳積累量在5.38～9.97 g/kg；0～20 cm（撂荒除外）土層土壤總有機(jī)碳積累量顯著高于其他層次，這可能是由于前茬作物殘體的凋落、根茬的殘留從而加速了土壤微生物的分解，使得農(nóng)田土壤碳庫表現(xiàn)出差異。且通常情況下，表土層的養(yǎng)分，特別是有機(jī)碳含量是高于底層土壤的，而本研究中的撂荒地不同土層有機(jī)碳含量分布特征出現(xiàn)特殊情況，即80～100 cm 土層土壤總有機(jī)碳積累量最高，達(dá)9.97 g/kg，較連作6年處理5.38 g/kg高出85.31%，這可能是由于多年的閑置撂荒，加之人為擾動較少，土壤中有機(jī)碳的沉降形成或該地塊早期翻壓時使富含有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)在底層。也有學(xué)者針對長期連續(xù)種植棉花的現(xiàn)象研究表明，連作能導(dǎo)致其農(nóng)田0～40 cm 土層內(nèi)土壤有機(jī)碳的活性指數(shù)顯著增加[18]，還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)長期連作土壤的有機(jī)碳含量高于非連作或短期連作的現(xiàn)象[19,20]，這些結(jié)果與本研究有不同之處，可能是由于作物、氣候條件等的不同致使作物根系對土壤養(yǎng)分的吸收規(guī)律亦不盡相同，進(jìn)而影響土壤微生態(tài)環(huán)境的變化。

3.2 連續(xù)種植馬鈴薯對農(nóng)田土壤酶活性的影響

本研究連作2年土壤酶活性普遍高于輪作，這說明在馬鈴薯連作初期，土壤中各微生物種群、菌群在進(jìn)行活躍的運(yùn)動，土壤微生態(tài)系統(tǒng)的平衡被打破，故土壤酶活性在短期內(nèi)出現(xiàn)較活躍的現(xiàn)象。但隨著連作年限的繼續(xù)增加，土壤蔗糖酶活性顯著降低，這可能與馬鈴薯連作農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量下降，土壤微生物活動受到影響有關(guān)，進(jìn)而影響農(nóng)田土壤中微生物種群對土壤酶活性的響應(yīng)，對土壤養(yǎng)分的消耗減少有關(guān)，具體影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

3.3 連續(xù)種植馬鈴薯對農(nóng)田土壤微生物的影響

連續(xù)種植馬鈴薯能顯著改變土壤微生物種群結(jié)構(gòu)。本研究表明，連作馬鈴薯農(nóng)田土壤微生物的數(shù)量大致由大到小排序依次為細(xì)菌＞放線菌＞真菌，細(xì)菌是土壤中的優(yōu)勢菌，數(shù)量占95%以上。有專家通過土壤高通量測序研究表明，長期連續(xù)種植馬鈴薯可以顯著的降低土壤中細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)變化和種群豐富度[21,22]，這與本研究結(jié)果一致，進(jìn)一步說明了馬鈴薯連作障礙的發(fā)生實際上是由于土壤微生物種群、數(shù)量的變化而引起的。

3.4 不同處理土壤生化因子與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮與產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P ＜0.01），全氮與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（P ＜0.05）；過氧化氫酶與有機(jī)質(zhì)、堿解氮呈極顯著正相關(guān)（P ＜0.01），過氧化氫酶與脲酶、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)（P ＜0.05）。這是由于連續(xù)種植馬鈴薯會干擾土壤中微生物群落的結(jié)構(gòu)，各種微生物種群間就呈現(xiàn)出了無序、弱化狀態(tài)。因此，土壤生化因子的變化可能是甘肅中部半干旱區(qū)馬鈴薯連作障礙形成的主要因素。

綜上所述，在本研究的基礎(chǔ)上明確連作馬鈴薯農(nóng)田土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物學(xué)性狀之間的關(guān)系，將是未來厘清黃土高原半干旱區(qū)馬鈴薯連作障礙機(jī)理和形成高效連作土壤障礙因子消減技術(shù)的關(guān)鍵。