連作西瓜抗逆系統(tǒng)及土壤微生態(tài)對大蒜伴生的響應(yīng)

吳紹軍，孟佳麗，沈 虹，張黎杰，周玲玲，田福發(fā)，余 翔

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院宿遷農(nóng)科所，江蘇宿遷 223800)

植物通過釋放某些化學(xué)物質(zhì)到環(huán)境中進(jìn)而影響自身或其他活體植物、動物及其他微生物的生長發(fā)育稱為化感作用。化感作用在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位，地表覆蓋、翻壓、填閑，以及各種種植方式，都對植物生長有直接或者間接影響[1]。化感植物可減輕病蟲害[2-5]，促進(jìn)生長[6]、保護(hù)環(huán)境。前人研究表明，小麥-西瓜伴生系統(tǒng)可有效減緩西瓜葉片衰老，提高光合作用效率，增加植株及果實(shí)生長量[7]；小麥和玉米秸稈還田后可增加小麥根際土壤中有機(jī)酸物質(zhì)，小麥根系活力及相關(guān)生理活性顯著降低[8]；巴茅草葉片和植物莖稈浸提液可有效減少白菜生物量[9]；不同濃度谷子水浸提液可以有效抑制谷子田間雜草的惡性生長、降低雜草光合速率及雜草的蒸騰速率[10]；銀木凋葉和落葉腐爛分解物可以降低黃瓜光合速率和氣孔導(dǎo)度大小，降低黃瓜葉片相關(guān)氧化酶活性，減緩了黃瓜植株生物量生長[11]；核桃凋落葉分解物質(zhì)能抑制小麥葉片氧化酶活性，致使葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖含量減少，膜氧化產(chǎn)物MDA含量顯著增加[12]。

大蒜為百合科蔥屬植物，由于有殺菌殺蟲重要作用，常用來與一些忌連作的作物間套作或輪作，改善大蒜-間套作作物根際土壤理化性質(zhì)[13]。利用大蒜化感物質(zhì)防治土傳病蟲害及改良土壤等相關(guān)研究已有報道。大蒜與番茄伴生栽培，能夠增加番茄根際土壤酶活性和土壤根際菌群發(fā)生數(shù)量，改善根際菌落微環(huán)境，減少根際根結(jié)線蟲數(shù)量，降低根際真菌數(shù)量，改善土壤肥力和土壤酸堿化程度，從而促進(jìn)番茄生物量和產(chǎn)量增加，以及果實(shí)生長和品質(zhì)改善[14-15]；大蒜與小麥伴生栽培可以改善小麥根際菌落平衡，增強(qiáng)小麥根際土壤相關(guān)酶活性[16]。

連作障礙是指同一種或同科等近緣作物連茬種植后，在正常的栽培管理下，產(chǎn)生植株長勢變?nèi)酢a(chǎn)量下降、品質(zhì)變劣以及土傳病蟲害蔓延等現(xiàn)象[17]。西瓜(Citrulluslanatus)原產(chǎn)非洲，是一種重要的園藝作物，在中國經(jīng)濟(jì)作物中占有重要地位，是農(nóng)業(yè)增效農(nóng)民增收的重要瓜類之一[18]。西瓜忌重茬，由于連年規(guī)模化、集約化種植，不良的種植施肥澆水習(xí)慣，加之設(shè)施本身的封閉特性，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化、肥力下降以及酸化、鹽漬化，還使土壤酶活性下降、土壤微生物群落失衡，造成西瓜土傳病害多發(fā)，尤其是枯萎病的發(fā)作，引起西瓜植株死亡，嚴(yán)重的導(dǎo)致西瓜減產(chǎn)，甚至大面積絕收[19]。因此，西瓜連作障礙尤其是枯萎病和設(shè)施土壤退化成為限制西瓜優(yōu)質(zhì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前關(guān)于西瓜連作障礙的研究已有相關(guān)報道，但研究或多或少都存在一定的問題：抗病育種時間長、病原菌不斷變化，出現(xiàn)新的變種；嫁接防治枯萎病，西瓜果實(shí)口感變差，品質(zhì)下降，長時間多年種植設(shè)施土壤鹽漬化、根結(jié)線蟲嚴(yán)重；化學(xué)農(nóng)藥處理土壤污染大氣、土壤和水體，農(nóng)殘多；生防菌和土壤調(diào)理劑防治在自然條件下穩(wěn)定性、持久性不好等[20]。迄今，關(guān)于各種大蒜伴生對連作西瓜障礙影響的相關(guān)研究報道較少，且大多數(shù)研究集中在實(shí)驗(yàn)室，至于大蒜大田化感伴生研究更少，而且不夠系統(tǒng)。因此，本試驗(yàn)以西瓜品種‘遷麗2號’為試驗(yàn)材料，利用大蒜間套作化感作用研究其對連作西瓜土壤障礙緩解效果，探討大蒜間套作對西瓜枯萎病發(fā)病率、葉片抗氧化酶系統(tǒng)和根際土壤微生物功能特性的影響，旨在探尋大蒜化感栽培對連作西瓜土壤障礙防控作用機(jī)理，以期能夠?yàn)檫B作西瓜生態(tài)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 供試材料

參試西瓜品種為‘遷麗2號’，中果型花皮紅瓤，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院宿遷農(nóng)科所選育而成。供試大蒜為地方品種‘邳州白蒜’。供試土壤為沙壤土，2014-2018年已連續(xù)5年種植西瓜，2018年10月種植大蒜，2019年2月底西瓜播種，4月初移栽，6月初種植西瓜收獲。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)于2018年10月至2019年6月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院宿遷農(nóng)科所試驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)3組處理：一組為連作西瓜+空白為對照(CK)；二組為連作西瓜+大蒜苗期伴生，大蒜抽薹前拔除(T1)；三組為連作西瓜+大蒜全生育期伴生，西瓜收獲時收蒜頭(T2)。每組處理3次重復(fù)，每重復(fù)40株。其中，CK為大棚中間開一條40 cm寬、25 cm深的溝，溝兩側(cè)60 cm處按株行距3 m×0.3 m栽植西瓜；T1和T2處理在離走道60 cm內(nèi)按株行距20 cm×10 cm種植3行大蒜，其他正常管理。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 西瓜枯萎病發(fā)病率座瓜后20 d，開始逐株統(tǒng)計(jì)西瓜枯萎病發(fā)病率(發(fā)病標(biāo)準(zhǔn)為植株葉片萎蔫，占全株的1/2以上)，以后每隔5 d統(tǒng)計(jì)1次，累計(jì)統(tǒng)計(jì)4次。

1.3.2 西瓜葉片理化指標(biāo)座瓜后20 d，取西瓜第15片葉(從基部數(shù))作為樣品，采用氮藍(lán)四唑法測定葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，采用紫外分光光度法測定過氧化氫酶酶(CAT)活性；葉片丙二醛含量采用硫代巴比妥酸加熱顯色法[21]測定，過氧化氫含量參照林植芳等[22]的方法測定，脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定，可溶性糖含量采用苯酚硫酸方法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮蘭方法測定。

1.3.3 土壤微生物及土壤酶西瓜收獲后，采用取土器在地表下10 cm處分別取土樣。采用稀釋平板法測定細(xì)菌、真菌、放線菌以及尖孢鐮刀菌的生物量[23]。細(xì)菌含量測定采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌含量測定采用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌含量測定采用改良高氏一號培養(yǎng)基，尖孢鐮刀菌含量采用Komda H的選擇性培養(yǎng)基。土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化物酶和多酚氧化酶活性參照關(guān)松蔭等[24]的方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用SAS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和Duncan’s多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 大蒜伴生對連作西瓜枯萎病發(fā)病率的影響

大蒜化感伴生栽培使得連作西瓜枯萎病發(fā)病率顯著降低。在西瓜座瓜后，從5月25日到6月9日，各處理西瓜枯萎病發(fā)病率均逐漸增加，但大蒜伴生處理始終顯著低于對照(CK)，且始終表現(xiàn)為CK>T1>T2(圖1)。其中，5月25日，CK發(fā)病率為25.81%，T1和 T2發(fā)病率均為0；5月30日，CK發(fā)病率為55.38%，T2、T1的發(fā)病率與對照相比均差異顯著(P<0.05)；6月4日，各處理發(fā)病率繼續(xù)呈增加趨勢，T1、T2處理的枯萎病發(fā)病率分別比對照顯著減少46.00%和123%；各處理枯萎病發(fā)病率均在6月9日達(dá)到最高值，T1、T2處理分別比對照顯著減少39.73%和61.00%。

2.2 大蒜伴生對連作西瓜葉片抗氧化酶活性和膜氧化產(chǎn)物含量的影響

大蒜化感伴生栽培對連作西瓜葉片抗氧化酶活性和膜質(zhì)氧化產(chǎn)物含量均有顯著的影響(表1)，即大蒜伴生提高了西瓜葉片保護(hù)酶活性，降低了膜質(zhì)過氧化程度。其中，T1處理西瓜葉片超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性比單作對照分別顯著增加46.12%、2.73%和13.94%，T2處理則分別顯著增加59.85%、18.72%和22.53%；T2處理與T1處理相比又分別顯著增加9.40%、15.57%和7.53%。同時，大蒜伴生處理T2和T1西瓜葉片膜氧化產(chǎn)物丙二醛的含量均比單作對照顯著降低。降幅分別為15.47%和11.40%；T2處理過氧化氫含量最低，比對照顯著減少13.38%，而T1處理比對照稍低，但與對照無顯著差異；各處理西瓜葉片超氧陰離子清除能力表現(xiàn)為T2>T1>CK，T2和T1處理分別比對照提高21.81%和18.33%。

表1 大蒜伴生栽培連作西瓜葉片抗氧化酶活性和膜氧化產(chǎn)物含量的變化Table 1 The antioxidant enzyme activities and membrane oxidation products in leaves of continuous cropping watermelon with garlic accompanying

不同小寫字母表示同期處理間在0.05 水平差異顯著(P<0.05)，下同圖1 大蒜伴生對連作西瓜枯萎病發(fā)病率的影響Different letters during same time indicate significant difference among various treatments at 0.05 level (P<0.05).The same as followsFig.1 Effect of garlic allelopathy on the incidence of watermelon wilt in continuous cropping

2.3 大蒜伴生對連作西瓜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

大蒜化感伴生栽培對連作西瓜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)均有顯著影響，表現(xiàn)為脯氨酸含量顯著降低，可溶性蛋白、可溶性糖含量明顯增加，并均以T2處理變幅最大(表2)。其中，大蒜伴生栽培處理T2西瓜葉片脯氨酸含量比CK顯著減少22.0%，其可溶性蛋白和可溶性糖含量分別比CK顯著增加5.0%和14.0%(P<0.05)。

表2 大蒜伴生栽培連作西瓜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化Table 2 The osmotic adjustment substances in leaves of continuous cropping watermelon with garlic accompanying

2.4 大蒜伴生對連作西瓜根際土壤微生物數(shù)量的影響

表3顯示，大蒜化感伴生栽培使得連作西瓜根際土壤細(xì)菌和放線菌含量均顯著增加，且增加幅度表現(xiàn)為T2處理大于T1處理；與對照相比，T2和T1處理根際土壤細(xì)菌數(shù)量比對照分別顯著增加46.64%和14.88%，其放線菌數(shù)量分別顯著增加187%和169%。同時，大蒜伴生栽培卻使得連作西瓜根際真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量顯著減少，且T2處理降幅更大，分別比相應(yīng)對照顯著減少70.0%和67.86%。說明大蒜化感伴生栽培顯著增加了連作西瓜根際土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量，卻顯著減少了根際真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量，且全生育期伴生處理效果更明顯。

表3 大蒜伴生條件下連作西瓜根際土壤微生物數(shù)量的變化Table 3 The microbial quantity in rhizosphere soil from continuous crop watermelon with garlic accompanying

2.5 大蒜伴生對連作西瓜根際土壤酶活性影響

大蒜化感伴生栽培的連作西瓜根際土壤酶活性測定結(jié)果(表4)顯示，大蒜伴生顯著增加了根際土壤多酚氧化酶、過氧化物酶、脲酶的活性，卻降低了土壤蔗糖酶活性，且全生育期伴生處理的效果更明顯。其中，與對照相比較，T1和T2處理連作西瓜根際土壤多酚氧化酶活性分別顯著增加8.11%和12.81%，過氧化物酶活性分別顯著提高28.97%和29.86%，脲酶活性分別顯著增加17.04%和35.33%，蔗糖酶活性分別顯著降低44.40%和40.72%。

表4 大蒜伴生條件下連作西瓜根際土壤酶活性的變化Table 4 The enzyme activities in rhizosphere soil from continuous cropping watermelon with garlic accompanying

3 討論與結(jié)論

3.1 大蒜伴生對連作西瓜土壤生物學(xué)特性影響

化感作用可以改良土壤理化性質(zhì)，改善土壤生物學(xué)特性[25]。土壤中的微生物對養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及利用具有重要作用，是衡量土壤生態(tài)質(zhì)量和評價植物健康狀況的重要指標(biāo)[26]。小麥化感栽培改變了西瓜根際真菌的群落組成和結(jié)構(gòu)、降低了西瓜根際真菌的 Shannon 指數(shù)和 sobs 指數(shù)，對西瓜根際細(xì)菌群落及其多樣性影響不大[27]。大麥、芥菜2種化感作物伴生栽培辣椒顯著增加了其土壤中放線菌、細(xì)菌發(fā)生數(shù)量，顯著降低其真菌數(shù)量[28]。小麥伴生栽培番茄的土壤有害真菌繁殖數(shù)量大幅顯著減少，有益菌放線菌和有益細(xì)菌繁殖數(shù)量顯著增加，改善了植物土壤中的菌落數(shù)量和豐富程度[29]。本試驗(yàn)結(jié)果表明：大蒜套作化感栽培西瓜顯著增加了栽培系統(tǒng)中西瓜根際土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量，降低了土壤真菌、尖孢鐮刀菌數(shù)量，一定程度改善了土壤微生態(tài)。這一點(diǎn)在陳昱[30]的研究中已經(jīng)得到充分驗(yàn)證。這可能是大蒜根系細(xì)胞分泌的各種營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)根系物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化，增加了根系水分和植物礦質(zhì)素等元素的消化吸收，或者大蒜根系細(xì)胞分泌的某些糖類等各種物質(zhì)為根系微生物正常活動繁殖提供了各種能量，并與之結(jié)合形成了相互適應(yīng)的根系菌群以及菌落結(jié)構(gòu)，各種根系微生物豐度的改變改善了大蒜根際土壤的微生物群落，提高了根系土壤營養(yǎng)質(zhì)量[31]。

西瓜土壤中的酶主要來源于動植物殘體及其土壤分泌物，是一種生物活性化學(xué)物質(zhì)。其活性與檢測土壤層內(nèi)微生物細(xì)菌數(shù)量、有機(jī)質(zhì)生物含量及提供土壤所需養(yǎng)分生物含量均具有一定的正相關(guān)性，是檢測土壤生物質(zhì)量的重要化學(xué)指示性試劑[32]。大麥伴生栽培增強(qiáng)了番茄根際土壤中脲酶、蛋白酶和其他蔗糖酶活性[29]；分蘗洋蔥提高了洋蔥番茄體系內(nèi)番茄根際土壤中的脫氫酶、多酚類抗氧化酶及脲酶活性[33]；紫背天葵化感栽培提高了連作豇豆生長根系土壤中脲酶、蔗糖氧化酶、多酚類抗氧化酶和多種磷酸酶活性[30]。本研究結(jié)果表明：大蒜伴生化感栽培西瓜增強(qiáng)了西瓜根際土壤中多酚氧化酶、過氧化物酶和脲酶的活性，降低了根際土壤中蔗糖酶的活性。這一點(diǎn)與韓哲[34]伴生芹菜在黃瓜上的化感研究結(jié)果一致。究其原因主要是因?yàn)榘樯笏飧低寥婪置谖锔迂S富，而大蒜伴生增加了西瓜根系土壤周圍纖維素、糖類等營養(yǎng)物質(zhì)，從而間接改變伴生根際土壤微生態(tài)生長環(huán)境，有效提高西瓜根際土壤酶活性[35]。

3.2 大蒜伴生對連作西瓜葉片酶促保護(hù)系統(tǒng)的影響

正常情況下，植物體內(nèi)的氧化酶類和保護(hù)代謝系統(tǒng)處于平衡活動狀態(tài)，當(dāng)植物受到來自外界各種逆境脅迫時，細(xì)胞內(nèi)各種抗氧化酶通常會通過協(xié)同相互作用，清除留在細(xì)胞內(nèi)過多的細(xì)胞活性氧，避免造成細(xì)胞膜脂的過氧化。因此各種抗氧化劑的酶活性在很大程度上直接反映了細(xì)胞抗逆性的作用強(qiáng)弱[36]。丙二醛是作物逆境下膜脂過程中氧化的主要代謝產(chǎn)物，其含量是植物細(xì)胞膜上膜脂受傷害氧化程度的重要指標(biāo)。伴生大麥和芥菜化感栽培辣椒，可有效提高伴生栽培系統(tǒng)辣椒植株葉片過氧化物酶和過氧化氫酶活性，顯著有效降低伴生栽培系統(tǒng)中辣椒葉片過氧化氫含量[28]；化感小麥根系分泌物能顯著提高看麥娘葉片超氧歧化酶活性、過氧化物酶活性，葉片MDA含量比對照至少提高了30.0%[37]；小麥-西瓜伴生化感栽培系統(tǒng)內(nèi)，小麥化感作用增強(qiáng)了西瓜葉片中的SOD和PPO活性，降低了西瓜葉片中過氧化產(chǎn)物MDA的含量[7]。本研究結(jié)果表明：大蒜化感栽培后，伴生栽培系統(tǒng)中西瓜植株葉片中的SOD、POD和CAT活性均顯著大幅提高，葉片中的MDA、H2O2含量顯著大幅降低，葉片超氧陰離子清除能力顯著增加。這與西瓜辣椒伴生栽培的研究結(jié)果一致[38]，也與玉米設(shè)施草莓伴生栽培的研究結(jié)果類似[39]，但與肖雪梅[35]的大蒜伴生連作黃瓜相關(guān)研究結(jié)果完全相反。這可能是因?yàn)榇笏獾亩喾N根系分泌物直接活化了西瓜土壤，增加了西瓜對某些礦質(zhì)元素的的吸收，提高了西瓜葉片保護(hù)酶活性，從而減少體內(nèi)有害物質(zhì)積累，保護(hù)其細(xì)胞膜不受傷害[40]。

另外，植物細(xì)胞受到自然逆境脅迫時會自動產(chǎn)生大量具有滲透性和調(diào)節(jié)性的物質(zhì)，如脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等，以維持植物細(xì)胞膜內(nèi)滲透壓的平衡，維護(hù)植物細(xì)胞正常生理功能[41]。脯氨酸含量代表其細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力的強(qiáng)弱大小，可溶性蛋白含量可有效緩解高溫逆境對原生植物表皮細(xì)胞的嚴(yán)重傷害[42]，而可溶性糖是某些物質(zhì)化學(xué)合成的一種重要能量來源，對細(xì)胞膜和原生質(zhì)中的膠體結(jié)構(gòu)有重要的保護(hù)作用。本研究結(jié)果表明：大蒜化感西瓜栽培體系中，西瓜葉片中脯氨酸含量明顯減少，可溶性糖和可溶性蛋白含量明顯增加。前人研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫處理后植株體內(nèi)活性游離脯氨酸含量明顯增加[43]，本研究結(jié)果與之正好相反，可能與品種及其在逆境中的脅迫處理時間延長有關(guān)。一般來說，高溫、高鹽等逆境脅迫條件下，脯氨酸大量轉(zhuǎn)化積累可提高植物逆境下滲透調(diào)節(jié)能力和耐脅迫能力，有助于維持植物細(xì)胞的正常新陳代謝。也有研究表明脯氨酸是植物逆境滲透脅迫的自然產(chǎn)物，是植物細(xì)胞受到各種逆境脅迫傷害的自然反應(yīng)[44]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明脯氨酸含量減少，可能是因?yàn)榇笏饣性耘鄿p少了西瓜葉片受傷的程度，降低西瓜葉片葉中脯氨酸的大量積累。

綜上所述，大蒜伴生化感栽培西瓜，顯著抑制了連作西瓜枯萎病的發(fā)病率，同時，大蒜伴生栽培增強(qiáng)了西瓜葉片中的抗氧化生物酶活性，提高了進(jìn)入西瓜葉片中的可溶性糖和可溶性蛋白含量，而降低了西瓜葉片脯氨酸含量；另外，大蒜伴生栽培還增加了西瓜根際土壤中細(xì)菌和放線菌群的數(shù)量，減少了根際真菌和尖孢鐮刀菌群的數(shù)量，也增強(qiáng)了西瓜植株根際土壤多酚抗氧化酶、過氧化物酶和脲酶活性，降低了西瓜根際蔗糖酶活性。總之，大蒜伴生栽培顯著改變了西瓜根際土壤微生態(tài)、生長環(huán)境，提高了西瓜植株抗逆性，有效緩解了西瓜的連作障礙。