引起四川彭州大蒜種植障礙（“回苗”）的土壤因素分析

柴 丹 余金陽 黃瀟慧 帥正彬 楊 斌 郭江洪 陳 強*

（1 成都市農林科學院園藝研究所，四川成都 611130；2 四川農業大學資源學院，四川成都 611130）

大蒜（L.）為百合科蔥屬多年生草本植物，食藥兼用，是重要的加工原料和出口蔬菜（賈茹 等，2014）。四川省是我國重要的蒜種生產基地，彭州市種植大蒜已有100 余年歷史，彭州大蒜為國家地理標志保護產品。彭州大蒜種植制度為稻蒜輪作，年種植面積1.00 萬～1.27 萬hm（余金陽 等，2020），蒜頭年產量保持在8 萬～10 萬t，主要作蒜種銷往全國各地，每年調往山東、江西、湖北、浙江、云南等省市的蒜種達到6 萬t。但近年來彭州大蒜出現嚴重的種植障礙現象，受害植株葉片從葉尖、葉緣開始變黃擴展至整葉黃化，一般從基部葉片向上部葉片擴展，地下部發根量明顯減少，植株黃葉萎縮、滯長甚至死亡，當地蒜農稱為大蒜“回苗”。嚴重的年份近40%的田塊發生“回苗”，造成重大經濟損失，蒜農對此束手無策，影響了彭州大蒜產業的可持續發展（帥正彬 等，2018）。目前，大量來自土壤學、栽培學和微生物學等領域的研究表明，作物種植障礙因子主要來自于土壤（喬曉榮，2011）。

隨著經濟和社會的發展，人們對農作物的需求量日益增加，農業生產中必然會投入大量的肥料來維持產量。現有研究表明，由于化肥的過量施用，成都平原耕作區土壤已經出現明顯的酸化（Li et al.，2020；Shen et al.，2021）。土壤酸化是否是引起大蒜連作障礙的主要原因？目前，對于彭州大蒜種植土壤中障礙因子的相關研究還很缺乏，本試驗從大蒜種植土壤基礎化學性質入手，探究大蒜種植障礙現象是否由于土壤酸化引起，以期為成都平原大蒜產業健康發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況及樣品采集

研究區域位于彭州市大蒜主要種植區（31°02′31″N～31°05′39″N，103°50′51″E～103°59′42″E），屬于亞熱帶濕潤氣候區北部，年平均氣溫15.7 ℃，降水量960 mm左右，年日照時間1 180 h 左右，大蒜種植方式為稻蒜輪作模式，土壤類型為潴育性水稻土，該區域內氣候條件、農藝措施和土壤母質無顯著差異。

根據前言中所描述的種植障礙現象，于2019年4 月，選取彭州市發生大蒜種植障礙的田塊（編號為D），以相鄰的大蒜正常生長的田塊（編號為CK）為對照田塊開展研究（圖1），大蒜種植障礙及正常生長的兩個處理中，各選取7 個代表田塊作為生物學重復，用土鉆“S”形多點法采集供試田塊大蒜根圍10 cm 范圍內0～20 cm 土層的土壤，“四分法”留取適量土樣，帶回實驗室，干燥磨細過篩備用，測定土壤基礎化學性質。

圖1 大蒜種植障礙（“回苗”）及大蒜正常生長的比較

1.2 土壤基礎化學性質測定

土壤pH 值采用pH 計電位法測定，有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定，堿解氮含量采用擴散皿法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，有效鉀含量采用火焰光度法測定，土壤水解性酸含量采用浸提法測定，土壤交換性酸、交換性H、交換性Al含量采用中和滴定法測定（魯如坤，2000）。

1.3 不同pH 營養液及土壤浸提液對大蒜幼苗根系生長的影響

1.3.1 供試材料 供試大蒜品種為彭州早大蒜，選取大小均勻的蒜粒，表面消毒后晾干表面水分備用。

Hoagland 營養液：硝酸鈣945 mg·L，硝酸鉀607 mg·L，磷酸銨115 mg·L，硫酸鎂493 mg·L，鐵鹽溶液2.5 mg·L，微量元素5 mg·L，pH為6.0。

供試土壤浸提液：稱取供試土樣，按照水土比2.5∶1（質量比）加入滅菌冷卻的蒸餾水，充分混勻，振蕩1 h，靜置過夜，取上清液。

水培試驗中培養液的pH 值均使用1%鹽酸及NaOH 溶液調節。

1.3.2 試驗設計 大蒜種植障礙主要表現為根系生長受阻，進而影響蒜苗植株生長，因此針對大蒜根系生長開展研究，試驗采用水培法，2019 年11—12月在四川農業大學微生物系光照培養室中進行，分為以下2 個試驗：

①不同pH 的Hoagland 營養液對大蒜根系生長的影響。試驗前調整滅菌備用的Hoagland 營養液pH 至6.0、5.5、5.0、4.5、4.0 和3.5，共6 個處理。選用容量750 mL（上口徑9.5 cm，下口徑6.5 cm，高度16.5 cm）塑料杯作為培養容器，在圓形泡沫漂浮板（直徑9 cm，厚1.8 cm）上鉆取4 個直徑1 cm 的圓形孔，每孔放置1 粒經過消毒的蒜種，泡沫板漂浮于塑料杯口，大蒜基部接觸培養液，瓶身作避光處理，每周更換培養液，每個處理5 次重復。

② 不同pH 的培養液對大蒜根系生長的影響。相較于滅菌的Hoagland 營養液，土壤微環境更為復雜，為進一步證實土壤浸提液pH 與大蒜種植障礙的關系，進一步設置了5 個處理：T1，種植障礙土壤浸提液（pH 4.3）；T2，將T1 處理土壤浸提液調至pH 5.5；T3，正常土壤浸提液（pH 5.5）；T4，pH 4.3 的Hoagland營養液；T5，pH 5.5 的Hoagland 營養液。選用硬質玻璃管（長18 cm，口徑15 mm）為培養容器，注入（30 ± 1）mL 培養液，管口覆蓋開孔（直徑10 mm）的封口膜，每管放置1 粒已催芽蒜種，大蒜根部接觸培養液，玻璃管作避光處理，每周更換培養液，每個處理5 次重復。

大蒜培養條件：光照強度4 000 lx，光照16 h·d，（15 ± 1）℃，培養30 d 后選取各處理中長勢均勻的大蒜幼苗5 株進行相關指標測定。使用掃描儀（Epson V700）掃描根系圖像，再用Win RHIZO PRO 2007 根系分析系統軟件（Regent Instruments Inc8，Canada）分析根系形態學參數。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2016 軟件整理，采用SPSS 21.0 軟件進行統計分析，2 種土壤間土壤基礎化學性質及酸度特征的顯著性采用檢驗分析；水培試驗不同處理數據的差異性采用單因素方差分析（one-way ANOVA）；主成分分析（PCA）采用R（3.6.1 版本）中的vegan 軟件包完成。

2 結果與分析

2.1 大蒜種植土壤基礎化學性質

在測定供試土壤的基礎化學性質基礎上進行PCA 分析，結果表明（圖2），發生大蒜種植障礙土壤和大蒜正常生長土壤在PC1 軸上出現明顯的分離，各自聚類在一起，顯然與大蒜正常生長土壤相比，大蒜種植障礙土壤中的某些基礎化學指標發生了顯著改變。

圖2 供試土壤基礎化學性質PCA 分析

進一步對供試土壤基礎化學性質進行分析，結果顯示（表1），無論是大蒜種植障礙土壤還是正常生長土壤，其土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷含量等主要養分含量無顯著差異，而兩種土壤的pH 值存在顯著差異。大蒜正常生長土壤pH值介于5.64～6.69，大蒜種植障礙土壤pH 值介于4.81～5.23，顯然，大蒜種植障礙土壤酸化明顯；此外，大蒜種植障礙土壤有效鉀含量顯著高于正常生長土壤。

表1 供試土壤基礎化學性質

2.2 大蒜種植土壤的酸度特征指標

土壤酸化通常為土壤內部產生和外部輸入氫離子或交換性鋁離子使土壤鹽基離子淋失、土壤pH值下降的過程（李繼紅，2012）。對供試土壤的酸度特征指標進行分析，結果表明（表2），大蒜種植障礙土壤中水解性酸、交換性酸、交換性H和交換性Al含量均顯著高于正常生長土壤；其中，交換性酸和交換性Al含量分別較正常生長土壤提高了1.8 倍和2.3 倍，且交換性Al為交換性酸的主要成分。

表2 供試土壤酸度特征指標 cmol·kg-1

2.3 不同pH 的Hoagland 營養液對大蒜根系生長的影響

對大蒜幼苗根系形態進行掃描，從圖3 中可以看出，不同pH Hoagland 營養液條件下大蒜幼苗根系形態存在明顯差異；當營養液pH ≥5.0 時，大蒜幼苗根系多、較為茂盛；當營養液pH為4.5 時，大蒜幼苗根系變得稀疏；當營養液pH ≤4.0 時，大蒜幼苗根系生長困難。

圖3 不同pH 的Hoagland 營養液中大蒜根系形態 掃描結果

使用根系分析軟件對上述根系掃描結果進行量化分析，從表3 可以看出，隨著Hoagland 營養液pH 值逐漸下降，大蒜幼苗總根長、最大根長、根系表面積和根系體積均呈現出不斷下降的趨勢；當Hoagland 營養液pH 值為4.5 時，相較于pH 值5.0，大蒜幼苗總根長、最大根長、根系表面積和根系體積分別下降了6.48%、39.09%、29.29%及40.16%。當Hoagland 營養液pH 低于5.0 時，大蒜幼苗根系生長受到明顯阻礙；而當Hoagland 營養液pH 值為3.5 時，大蒜幼苗根系無法生長。

表3 不同pH 的Hoagland 營養液對大蒜根系形態的影響

2.4 不同pH 的培養液對大蒜根系生長的影響

從圖4 中可看出，培養液pH 對大蒜根系生長影響明顯，其中，在pH 值為4.3 的大蒜種植障礙土壤浸提液（T1）和Hoagland 營養液（T4）中，大蒜幼苗根系生長受到了明顯抑制；當培養液pH值為5.5 時，無論哪種培養液，大蒜幼苗根系均正常生長。

圖4 不同pH 的培養液中大蒜根系生長情況

對不同pH 培養液中大蒜根系生長指標進行統計分析，結果表明（表4），pH 值為4.3 的T1 和T4 處理中大蒜幼苗只有3 條有效根，總根長與其他處理相比也顯著降低，大蒜幼苗根系生長嚴重受阻。而pH 值為5.5 的T2、T3 與T5 處理大蒜幼苗根系生長正常，3 個處理間有效根數和最大根長無顯著差異。此外，與T1 處理相比，T2 處理將pH為4.3 的大蒜種植障礙土壤浸提液調整pH 至5.5后，大蒜根系正常生長，該結果進一步證實了土壤酸化是造成彭州大蒜種植障礙的重要原因。

表4 不同pH 的培養液對大蒜根系生長的影響

3 討論與結論

本試驗通過對彭州市大蒜種植障礙土壤基礎化學性質進行分析，發現供試土壤出現了明顯酸化。研究表明，大蒜適宜生長在酸性至中性（pH 5.45～6.57）土壤中，且以中性條件最為適宜（pH 6.57 左右）（李冰，2003），而本試驗中采集自彭州發生大蒜種植障礙的土壤，其pH 已經降至5.05 左右，嚴重影響了大蒜生長。研究發現，農業連作和含氮化肥的過量施用直接或間接地驅動了南方的土壤酸化（Zhu et al.，2016）。土壤酸化是土壤質量退化的重要形式，會引起土壤中養分的有效性降低，土壤理化性質惡化，土壤微生物數量、活性和多樣性不斷降低；另外，土壤酸化能顯著提高部分重金屬的生物有效性，從而導致農作物中重金屬元素的累積，并通過食物鏈危害人類健康（王美娥 等，2015）。土壤酸化能導致土壤中交換性酸和鋁增加，對作物生長造成嚴重的危害（余濤 等，2006）。已有研究表明，酸性土壤施用鉀肥后，K會將土壤膠體上的H、Al交換下來，致使土壤溶液中H、Al濃度迅速升高（劉志華，2011）。在pH ＜5.0 的酸性土壤中，難溶性鋁易轉化成有毒的離子態鋁（Al），從而對植物產生鋁毒害（李學垣 等，1995）。作物根系是鋁毒作用的直接部位，Al脅迫會使植物根系的生長受到抑制，側根以及根尖部位會變得堅硬而短。鋁元素進入植物細胞后，與細胞壁負電荷結合，紡錘絲受到破壞，有絲分裂受阻，直接影響根系生長（Guo et al.，2010）。徐曉燕等（2004）的研究表明，當土壤pH 從7.5 下降至4.5 時，煙草根系吸收面積呈降低趨勢。此外，鋁毒還表現為影響根系生長，破壞作物對大量元素以及對鈉、鉀、鈣等營養物質的吸收和轉運，受鋁毒害的作物通常表現為植株矮小，葉片墨綠色，光合能力降低，葉尖發黃，生長點或葉柄萎蔫，甚至枯死，干物質累積受影響，導致作物減產（Zhu et al.，2016）。

彭州大蒜種植障礙表現為受害植株葉片從葉尖、葉緣開始變黃，逐漸從基部葉片擴展至整葉黃化，地下部發根量明顯減少，植株黃葉萎縮、滯長甚至死亡（帥正彬 等，2018）。由于彭州市大蒜種植時間長，土壤酸化明顯，引起交換性酸和交換性H、Al含量顯著增加，阻礙了大蒜根系生長。水培試驗進一步證實，引起彭州市大蒜出現“回苗”現象的主要原因是土壤發生酸化，低pH土壤中大蒜幼苗根系發育受阻，大蒜幼苗退母后養分供應不足，導致葉片黃化萎縮，甚至成片死亡。因此，采用土壤改良劑改良土壤酸化，合理施用有機肥，減少化肥施用量是解決彭州大蒜種植障礙、促進四川大蒜產業健康可持續發展的重要 措施。