甘薯不同輪作模式對土壤生物學特性及理化性質的影響

決 超

(商丘職業技術學院，河南商丘 476000)

甘薯是我國重要的糧食作物和能源作物，近年來，隨著甘薯需求大大增加，甘薯常年連續種植，造成甘薯產量下降、品種退化、土壤質量變差、甘薯病毒病嚴重暴發等問題。華北地區原有的甘薯—小麥體系已不適宜常年連續種植，因此改變種植制度是解決甘薯目前困境的有效途徑。農作物輪作是我國傳統的種植模式，據相關研究表明，合理的輪作模式能夠改善土壤養分平衡，減少病蟲害發生，提高土壤微生態環境穩定性。劉珊廷等的研究表明，木薯輪作能調節土壤微生物組成及固液氣相比率；趙思騰等的研究表明，輪作處理土壤有機碳、微生物碳、微生物氮含量較連作處理分別提高13.14%～27.52%、1.78%～18.11%、18.31%～40.43%，蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性分別提高5.20%～17.11%、4.25%～26.42%、7.69%～13.46%；林棟等的研究表明，輪作改變了土壤中脂肪酸比例、腐生真菌、厭氧菌生物量及土壤微生物群落結構。由此可知，合理的輪作方式能提升土壤質量，改善土壤微生態環境。

土壤酶主要來源于土壤中動植物殘體、根系及其分泌物，參與土壤物質交換和能量循環等過程，是衡量土壤肥力的重要指標。土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，參與土壤中碳、氮轉化和有機物的礦化過程，是衡量土壤代謝能力，反映土壤肥力的重要指標。因此，研究甘薯輪作體系中土壤生物學特性及理化性質的變化，對評價甘薯輪作體系物種搭配具有重要的意義。目前關于作物輪種改善土壤質量，緩解連作障礙的研究有很多，但關于甘薯不同輪作方式對土壤生物學特性及理化性質影響的研究并不多。因此，本研究在甘薯—小麥—甘薯輪作體系的基礎上，增加輪種作物的選擇，讓甘薯由原來的一年一季變成三年二季，研究甘薯不同作物輪種對土壤養分、酶活性及微生物群落結構變化的影響，找到合理的輪作模式，以期為甘薯輪種作物選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試品種

甘薯品種為商薯19，小麥品種為鄭麥379，花生品種為豫花5號，玉米品種為鄭單958，均購自市場農資部。

1.2 研究區概況

試驗于 2018—2020年在河南省商丘市夏邑縣會亭鎮崔樓村( 34°06′N，116°04′ E) 進行。試驗區常年平均日照時數為2 200 ～ 2 400 h，平均氣溫為 14 ℃，無霜期大約為210 d，降水量大約為680 mm，降水集中在6—10月，屬暖溫帶大陸性季風氣候。供試土壤為黃潮土，土質為中壤，試驗地前茬為甘薯—小麥輪作。基礎土壤理化性質：土壤速效磷含量為36.8 mg/kg，速效鉀含量為263.5 mg/kg，堿解氮含量為42.32 mg/kg，全氮含量為0.51 g/kg，全磷含量為0.59 g/kg，有機質含量為7.35 g/kg，pH值為8.00。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計，設甘薯—小麥→甘薯—小麥→甘薯輪作(甘→甘→甘)、甘薯—小麥→花生—小麥→甘薯輪作(甘→花→甘)、甘薯—小麥→玉米—小麥→甘薯輪作(甘→玉→甘)3個處理，重復4次，共計12個小區，小區面積為 48 m，甘薯種植密度為46 000株/hm，玉米種植密度為 75 000株/hm，花生種植密度為150 000穴/hm，小麥按當地播種量正常播種。甘薯生育期為6—10月，花生生育期為5—9月，玉米生育期為6—10月。當季收獲后按照當地農時進行翻地旋地施肥，施肥[氮磷鉀(15 ∶15 ∶15)復合肥]量均為750 kg/hm，干旱時進行澆水以保障農作物正常生長。2020年10月15日利用5點取樣法進行樣品采集。

1.4 分析方法

1.4.1 土壤理化性質 土壤全磷含量采用HClO-HSO法測定；土壤全氮含量采用半微量凱氏法測定；土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO法測定；土壤速效鉀含量采用NHOAc 浸提火焰光度法測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；土壤pH值采用電位法測定(水土比為5 ∶1)。

1.4.2 土壤酶活性 土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定。

1.4.3 土壤微生物群落結構 土壤微生物群落結構多樣性利用磷脂脂肪酸(PLFA)方法來分析。按照陳一民等的方法，將提取出來的樣品放在進樣口為250 ℃條件下，色譜柱為Agilent HP-5MS，30 m×250 μm×0.25 μm，柱溫為170 ℃，H流量為 40 mL/min(0.4 MPa)，氮氣(0.4 MPa) 的平臺上，通過氣相色譜儀利用脂肪酸圖譜微生物鑒定系統來分析待測樣品。

1.5 數據處理及分析

利用 Microsoft Excel 2010 軟件進行數據整理和分析，利用SPSS 19.0 軟件進行差異顯著性檢驗，利用Canoco 5.0進行相關性分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 輪作對土壤養分含量變化的影響

由表1可知，甘薯不同輪作處理土壤養分含量差異較大。甘→花→甘處理中土壤堿解氮、速效磷、全氮、全磷、有機質含量較甘→甘→甘處理分別增加32.98%、9.41%、33.33%、8.64%、20.31%，其中土壤堿解氮、速效磷、全氮和有機質含量方面兩者差異顯著，速效鉀含量降低3.31%，pH值無顯著變化；甘→玉→甘處理中土壤堿解氮、速效鉀、全氮、有機質含量較甘→甘→甘處理分別增加6.18%、9.09%、10.42%、13.72%，其中速效鉀含量顯著增加，速效磷、全磷含量分別降低9.53%、6.17%，pH值無顯著變化；而從2個不同作物輪種處理分析可知，甘→花→甘處理中的堿解氮、速效磷、全氮、全磷、有機質含量均高于甘→玉→甘處理，而速效鉀含量顯著降低。由以上結果可知，隨著甘薯輪作作物選擇的不同，土壤養分含量發生較大的變化。

表1 輪作對土壤理化性質的影響

2.2 輪作對土壤酶活性的影響

在對土壤酶活性分析時發現， 不同輪作方式下土壤酶活性發生較大變化。由表2可知，甘→花→甘處理中的脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性較甘→甘→甘處理分別增加22.54%、4.50%、15.09%，其中脲酶、過氧化氫酶活性顯著增加，甘→玉→甘處理中的脲酶、過氧化氫酶活性較甘→甘→甘處理分別增加7.04%、6.60%，堿性磷酸酶活性顯著下降13.64%。從2個不同作物輪種處理分析可知，甘→花→甘處理中的脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均高于甘→玉→甘處理，且脲酶、過氧化氫酶活性差異達到顯著水平。由以上結果可知，甘薯不同輪作栽培改變了土壤酶活性。

表2 輪作對土壤酶活性的影響

2.3 輪作對土壤微生物群落結構的影響

在對土壤微生物群落結構調查時發現，甘薯不同輪作處理中土壤微生物群落結構表現出不同的變化。由表3可知，甘→花→甘處理真菌生物量較甘→甘→甘處理顯著降低17.36%，細菌、放線菌生物量及總菌量分別顯著增加11.89%、18.90%、6.98%，真菌生物量/細菌生物量顯著降低26.00%；甘→玉→甘處理真菌生物量較甘→甘→甘處理顯著降低11.30%，細菌、放線菌生物量及總菌量分別增加6.57%、6.70%、2.38%，真菌生物量/細菌生物量降低18.00%。從2個不同作物輪種處理分析可知，甘→花→甘處理的真菌生物量較甘→玉→甘處理降低6.84%，細菌、放線菌及總菌量分別顯著增加4.99%、11.43%、4.50%，真菌生物量/細菌生物量也略有降低。由以上結果可知，不同輪作處理對土壤微生物群落結構組成有不同的影響。

表3 輪作對土壤微生物群落結構的影響

2.4 輪作栽培條件下土壤酶活性、微生物群落結構與土壤環境因子間的關系

為分析不同輪作處理中土壤生物學特性和理化性質與土壤養分間的關系，利用土壤酶活性、微生物群落結構與土壤理化性質進行冗余分析(RDA)。結果表明，基于特征向量載荷因子相聯系的排序軸1、軸2能夠在累積變量上解釋了73.09%不同處理間土壤環境因子對土壤生物學特性的影響；假設性測驗結果(pseudo-=2.7，=0.042)表明，所有排序軸均是顯著的(圖1-a)。由圖1-a可知，脲酶、過氧化氫酶活性分別與速效磷、堿解氮、全氮、全磷、有機質含量及pH值呈正相關，與速效鉀含量呈負相關；堿性磷酸酶活性與速效磷、速效鉀、堿解氮、全氮、全磷、有機質含量呈正相關，與速效鉀含量、pH值呈負相關；說明速效磷、堿解氮、全氮、全磷、有機質含量的增加會有利于脲酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性的增加，而速效鉀含量增加會抑制堿性磷酸酶活性。

在對微生物群落結構和土壤環境養分相關分析時發現，第1、第2排序軸能夠解釋76.55%不同處理間土壤理化性質對土壤微生物群落結構的影響。由圖1-b可知，真菌生物量與速效鉀含量呈正相關，與速效磷、堿解氮、全氮、全磷、有機質含量及pH值呈負相關；細菌生物量與速效磷、堿解氮、全氮、全磷、有機質含量及pH值呈正相關，與速效鉀含量呈負相關；放線菌生物量與堿解氮、全氮、全磷、有機質含量及pH值呈正相關，與速效鉀、速效磷含量呈負相關，說明速效鉀含量的增加，可以促進真菌生物量的增加，抑制細菌、放線菌的生物量。由此可知，隨著甘薯輪作方式的不同，土壤生物學特性的變化與土壤環境因子密切相聯，受多種環境因子共同制約。

3 討論與結論

3.1 討論

適當的輪作方式不僅能夠改善土壤養分，均衡土壤營養元素，還能夠促進根系對養分的吸收及利用。本研究結果表明，與甘→甘→甘輪作處理相比，甘→花→甘輪作能提高土壤堿解氮、速效磷、全氮、全磷、有機質含量，甘→玉→甘輪作能提高土壤堿解氮、速效鉀、全氮、有機質含量。而在不同作物輪種處理對比中，甘→花→甘處理中堿解氮、全氮、速效磷、全磷、有機質含量均高于甘→玉→甘處理，速效鉀含量低于甘→玉→甘處理，分析認為甘→花→甘處理土壤堿解氮、全氮含量顯著增加，可能與花生根瘤菌的固氮作用有關，根瘤菌能使空氣中游離態的氮元素轉化為含氮化合物，增加土壤含氮量；甘→玉→甘處理土壤有效磷、全磷含量顯著下降，可能是玉米對磷肥的消耗較少，造成磷元素淋濕浪費，從而導致根部系統養分供應環境發生改變，促進鉀元素的吸收利用，降低了土壤速效鉀含量，提高了土壤有機質含量，pH值無顯著變化。可知，甘薯不同輪作方式對土壤養分變化有不同的影響。

土壤酶主要來源于某些植物根系分泌物及土壤微生物，能夠作為專一催化劑參與土壤中一系列生物化學反應，易受土壤環境因子影響。有研究表明，輪作能夠增加農田生態系統物種多樣性，提高土壤酶活性。本研究結果表明，脲酶活性表現為甘→花→甘處理>甘→玉→甘處理>甘→甘→甘處理，分析認為花生根瘤菌的固氮作用使甘→花→甘處理土壤含氮量增加，從而促進脲酶活性的增加；堿性磷酸酶活性表現為甘→花→甘處理>甘→甘→甘處理>甘→玉→甘處理，分析認為輪作處理中玉米需磷量不大，使甘→玉→甘處理土壤中以磷元素為轉化載體的堿性磷酸酶活性降低；過氧化氫酶活性表現為甘→花→甘處理>甘→玉→甘處理>甘薯→甘薯→甘薯處理，由于過氧化氫酶能夠抑制土壤根部的氧化反應，減弱根系氧化反應的危害，可知甘薯不同作物輪種處理較甘薯常年種植處理更有利于抑制土壤根部氧化反應，提高土壤酶活性。

土壤微生物群落結構是評價土壤質量的敏感指標。作物輪作可以增加作物殘體、根系殘體和土壤根系分泌物種類，使供給土壤微生物的營養物質種類增多，可促進提高土壤微生物群落多樣性，進而形成與之相適應的微生物區系。由于甘→花→甘、甘→玉→甘處理根際土壤都有其特定的微生物區系，因此研究土壤微生物群落結構多樣性對探討土壤養分和酶活性的轉化具有重要的意義。本研究結果表明，甘薯不同作物輪種處理較甘薯常年種植處理提高了土壤中細菌、放線菌、總菌落生物量，降低了真菌生物量及真菌與細菌生物量比值，而甘→花→甘處理中真菌生物量低于甘→玉→甘處理，細菌、放線菌、總菌落生物量顯著高于甘→玉→甘處理，真菌與細菌生物量比值降低，說明甘→花→甘輪作處理較甘→玉→甘處理更能有效減少土壤有害菌，提高有益菌比列。在對土壤酶活性、微生物群落結構與土壤環境因子間進行相關性分析時發現，土壤酶活性、微生物群落結構的變化受多種環境因子共同制約，說明甘薯不同作物輪種栽培改變了其土壤微生物群落類型，減少了有害菌比列，增加了有益菌比列，使土壤類型由“真菌型”向“細菌型”轉變，改善了根系土壤養分供應環境，增強了養分供應能力，提高了土壤酶活性。綜上所述，甘薯→花生→甘薯輪作組合表現較優。

3.2 結論

甘薯不同輪作方式對土壤養分含量、酶活性、微生物群落結構均產生不同的影響，其中甘薯→花生→甘薯輪作明顯提高了土壤中細菌比例，降低了真菌比例，使土壤具有更高的養分含量和酶活性，綜上所述，甘薯→花生→甘薯輪作組合更適宜改善土壤中微生態環境，提高土壤肥力。