不同改良措施對連作色素萬壽菊生長發育及根際土壤環境的影響

劉 皓, 安曉芹, 史宗源, 孫永民, 韓文杰

(1.新疆農業大學林學與風景園林學院,新疆烏魯木齊 830052; 2.新疆維吾爾自治區花卉業管理中心,新疆烏魯木齊830052;3.晨光生物科技集團莎車有限公司,新疆莎車 844700)

萬壽菊(TageteserectaL.)為菊科萬壽菊屬一年生草本植物,應用中主要分為觀賞品種、色素品種。色素萬壽菊主要用于葉黃素的提取,在食品、醫藥、化妝品和飼料添加劑等方面應用廣泛。近年來,國內外對葉黃素的需求量逐年增加,市場供不應求[1],我國色素萬壽菊的種植面積也逐年擴大。但是隨著種植年限的增加以及長期過量施用化肥等因素影響,色素萬壽菊連作障礙問題日漸突出,主要表現為植株長勢衰退,病蟲害日趨嚴重,產量和質量降低,土壤環境劣變等。目前,連作障礙已成為制約色素萬壽菊產業可持續發展的重要因素之一。研究表明,造成菊科植物連作障礙的影響因子主要包括土壤微生物區系的變化、土壤理化性質惡化、土壤酶活性改變、土壤養分失衡以及化感自毒作用等[2-4]。據報道,輪作、有機肥、秸稈還田、生物肥[5-7]均可有效改善土壤環境、提升菊花品質和產量,是克服菊科植物連作障礙的有效途徑,然而關于緩解色素萬壽菊連作障礙方面的研究未見報道。本研究以連作區域色素萬壽菊為試材,探究不同調控措施對色素萬壽菊生長發育的影響以及根際土壤環境的改良效果,以期為色素萬壽菊連作障礙緩解提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與材料

試驗于2021年4—9月在新疆莎車縣恰熱克鎮庫木阿格孜村(38°37′N,76°97′E)進行,種植區域海拔1 241.8 m,屬大陸荒漠性氣候;年平均降水量56.6 mm,年平均蒸發量2 289.5 mm;日照長,晝夜溫差大,熱量充足,無霜期長達220 d左右。土壤類型為灌淤土。

田間定植采用的色素萬壽菊幼苗于3月初在塑料大棚內播種育苗。田間施用的菊花渣滓、顆粒有機肥、微生物菌劑均為莎車晨曉農業科技有限公司生產。其中顆粒有機肥,成分含量為有機質≥45%,N+P2O5+K2O≥20%,微生物菌劑有效活菌數≥2.0億/mL,氮磷鉀總量≥20%。基肥與追肥所采用的復合肥均為新疆新投農業科技開發有限公司生產,總養分≥45%,N、P2O5、K2O含量分別為2%、15%、5%。

1.2 試驗方法

選擇色素萬壽菊連作7年的栽培區域和前茬為小麥的色素萬壽菊輪作栽培區域設置6組處理,各處理組合及有機質、肥料用量如表1所示。

表1 各處理土壤改良及施肥方案

施有機質及基肥:春季依據表1土壤改良及施肥方案,將各處理所需的復合肥、顆粒有機肥、農家肥以及自然風干后粉碎的色素萬壽菊秸稈、玉米秸稈均勻撒施在土壤表面,翻耕30 cm入土。

定植:整地起壟,壟高20 cm,寬60 cm,壟溝寬40 cm,2021年4月12日挑選長勢一致的色素萬壽菊幼苗定植,單壟雙行錯位種植,株行距為30 cm×60 cm,密度為40 500株/hm2,各處理設5個重復小區,隨機區組排列,每個小區定植20株幼苗。

追肥:于現蕾期、初花期、盛花期、末花期各追復合肥1次,共計4次,每次施肥量為 150 kg/hm2,追肥方式為距離色素萬壽菊根部25 cm處打穴追施。此外,微生物菌劑追肥方式為漫灌時在水流入口處均勻緩慢倒入。

定植后管理:灌溉采用大水漫灌,摘花前澆水頻率為15 d 1次,6月中旬開始摘花,每采摘1次花澆1次水。

1.3 指標觀測

1.3.1 生長發育指標觀測 各處理隨機選取10株色素萬壽菊掛牌標記用于花期及農藝性狀觀測。

花期觀測:植株現蕾后,依次記錄各處理單株現蕾期(主花序開始現蕾)、初花期(10%花朵開放)、盛花期(40%花朵開放)、末花期(70%花朵開放)的持續時間。

產量測定:自初花期(6月17日)開始,每10 d統計1批次各處理單株開花數,同時,隨機選取10朵花測定單花鮮質量,采用紫外-可見分光光度計法測定花朵葉黃素含量,共計測7批次,計算單花平均鮮質量、葉黃素平均含量,采用下列公式計算產量。

單株產量(t)=∑(各次單株開花數×各次單花平均鮮質量);

鮮花產量(t/hm2)=單株產量×40 500;

葉黃素產量(kg/hm2)=葉黃素含量×鮮花產量。

農藝性狀觀測:于盛花期(7月17日)測量各處理冠幅、株高、莖粗、葉長,采用SPAD-2便攜式葉綠素測定儀測定葉綠素相對含量(SPAD值),統計植株各級分枝數、葉數,隨機選取10朵花測定花徑、單花干質量。

1.3.2 土壤指標測定 土壤樣品采集與貯藏:生長期結束后各處理分別隨機選取5株植株,將植株整株挖起并去除根系外圍土,采用抖根法[8]收集須根2 mm范圍內土壤,去雜,一部分土壤經自然風干、磨碎、過篩后制備成干樣于4 ℃冷藏,用于測定土壤化學特性、土壤酶活性;一部分土壤鮮樣在4 ℃下貯藏運輸,用于測定微生物數量和類群。

土壤化學性質測定:pH值采用土∶水=1∶5酸度計法測定;含鹽量采用殘渣烘干-質量法測定;有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定;堿解氮含量采用堿解擴散法測定;速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定。

土壤酶活性測定:脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定;蔗糖酶活性釆用3,5-二硝基水楊酸比色法測定。

土壤微生物數量統計:細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基平板表面涂布法;放線菌采用改良高氏1號瓊脂培養基平板表面涂布法;真菌采用馬丁氏培養基平板表面涂布法。

1.3.3 病害觀測 于盛花期調查各小區色素萬壽菊枯萎病、褐斑病等病害發生狀況,枯萎病[9]、褐斑病[10]病害分級如表2所示,計算各處理植株發病率和病情指數。

表2 色素萬壽菊主要病害分級

發病率=(染病株數/調查總株數)×100%;

病情指數=[∑(各級病株數×相應級數)/調查總株數×最高級別值]×100。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據處理并作圖,利用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同改良措施對連作色素萬壽菊生長發育的影響

2.1.1 營養生長 如表3所示,輪作處理色素萬壽菊冠幅最大,達82.00 cm,極顯著高于CK等5組處理,且其余處理間差異不顯著,玉米秸稈還田處理冠幅最小,為61.33 cm;各處理中生物有機肥處理植株最高,達68.08 cm,輪作處理次之,為 64.58 cm,二者間無顯著差異,但生物有機肥處理顯著高于其余處理;莖粗以輪作處理最粗,達 22.28 cm,雖與生物有機肥處理間差異不顯著,但顯著或極顯著粗于其余處理;各處理一級分枝數差異不大,生物有機肥處理最多,達18.83個,輪作處理最少,為16.83個,二者間差異極顯著,但均與CK無顯著性差異;二級分枝數、三級分枝數均為輪作處理最多,達105.00、86.67個,且均極顯著多于其余處理,生物有機肥處理次之,各處理中玉米秸稈還田處理二級分枝數最少,為65.33個,顯著少于生物有機肥處理,但與CK、農家肥、色素萬壽菊秸稈還田等3組處理間差異不顯著,各處理三級分枝數差異較大,色素萬壽菊秸稈還田處理最少,為29.33個,極顯著少于除玉米秸稈還田處理外的其余各組處理。

表3 不同改良措施對色素萬壽菊植株生長的影響

如表4所示,色素萬壽菊葉長、葉數、葉綠素相對含量均以輪作處理最大,達20.88 cm、1 699.50個、57.50,且均顯著或極顯著高于其余處理,生物有機肥處理次之。各處理中玉米秸稈還田處理葉最短,為17.18 cm,極顯著短于生物有機肥處理,但與CK、農家肥、色素萬壽菊秸稈還田等3組處理間差異不顯著,葉數以2種秸稈還田處理較少,兩者間雖然差異不顯著,但均極顯著少于其余處理;葉綠素相對含量以玉米秸稈還田處理最低,為49.47,顯著或極顯著低于除CK外的其余4組處理。

表4 不同改良措施對色素萬壽菊葉片生長的影響

2.1.2 開花 由圖1可知,各處理色素萬壽菊現蕾期持續時間差異較小,在12.00～13.00 d,CK、輪作處理持續時間相等且最長,僅顯著長于色素萬壽菊秸稈還田處理;各處理初花期持續時間在14.17～21.83 d,色素萬壽菊秸稈還田處理持續時間最長,但與CK、生物有機肥、玉米秸稈還田等3組處理間差異不顯著,輪作處理持續時間最短,顯著短于其余5組處理;盛花期持續時間以輪作處理最長,達52.83 d,顯著長于其余各處理,而其余處理間均差異不顯著;末花期持續時間亦以輪作處理最長,達27.67 d,顯著長于其余處理,以玉米秸稈還田處理最短,為17.83 d,與CK和生物有機肥處理間差異不顯著,顯著短于其余3組處理。

如表5所示,各處理花徑差異較小,輪作處理最大,達8.82 cm,顯著大于CK、玉米秸稈還田處理、農家肥處理,其中CK處理最小,為8.21 cm,但與除輪作外其余處理間差異不顯著;鮮質量以輪作處理最大,達15.42 g,顯著大于2組秸稈還田處理,其余處理間差異不顯著;干質量亦以輪作處理最大,達2.35 g,顯著或極顯著大于其余處理,而其余處理間差異不顯著;各處理間葉黃素含量均無顯著差異;開花數以輪作處理最多,達60.17個,農家肥處理次之,二者間差異不顯著,但均極顯著多于其余各處理,玉米秸稈還田處理開花數最少,為41.00個,極顯著少于除色素萬壽菊秸稈還田處理外的其余4組處理。

表5 不同改良措施對色素萬壽菊植株花朵的影響

2.1.3 產量 如表6所示,各處理色素萬壽菊鮮花產量、葉黃素產量均以輪作處理最高,生物有機肥處理次之,農家肥位列第3,與CK相比,3組處理的鮮花產量依次提升了47.83%、23.01%、4.86%,葉黃素產量依次提升了52.98%、21.76%、0.81%,色素萬壽菊秸稈還田處理、玉米秸稈還田處理則相反,鮮花產量分別降低了1.03%、5.95%,葉黃素含量分別降低了6.35%、3.64%。

表6 不同改良措施對色素萬壽菊產量的影響

2.2 不同改良措施對連作色素萬壽菊根際土壤環境的影響

2.2.1 土壤化學性質 從表7可以看出,輪作處理植株根際土壤pH值為7.26,顯著高于其余處理,農家肥、玉米秸稈還田處理分別為6.27、6.28,2個處理間差異不顯著,但均極顯著低于其余處理;土壤含鹽量以農家肥處理最高,達0.299 4%,輪作處理最低,為0.099 4%,二者均與其余處理間差異極顯著;生物有機肥處理的土壤有機質含量最高,達214.02 g/kg,極顯著高于其余處理,而其余各處理間差異不顯著;生物有機肥處理土壤堿解氮含量最高,達63.29 mg/kg,極顯著高于其余處理,色素萬壽菊秸稈還田處理最低,為36.77 mg/kg,顯著或極顯著低于其余各處理;各處理土壤速效磷含量差異相對較大,色素萬壽菊秸稈還田處理最高,達 11.21 mg/kg,極顯著高于其余處理,CK最低,為1.85 mg/kg,極顯著低于除農家肥處理外的其余各組處理;生物有機肥處理土壤速效鉀含量最高,達61.33 mg/kg,玉米秸稈還田處理最低,為 40.20 mg/kg,二者均與其余處理間差異極顯著,但其余4組處理間則差異不顯著。

表7 不同改良措施對色素萬壽菊根際土壤化學性質的影響

2.2.2 土壤酶活性 如圖2所示,輪作處理植株根際土壤脲酶活性最高,達1.72 mg/(g·24 h),顯著高于其余處理,農家肥處理次之,色素萬壽菊秸稈還田處理最低,為1.22 mg/(g·24 h),顯著低于除CK外的其余各組處理;農家肥處理土壤過氧化氫酶活性最高,達1.28 mL/(g·h),顯著高于其余處理,CK最低,為0.76 mL/(g·h),顯著低于除生物有機肥處理外的其余各組處理;土壤蔗糖酶活性以玉米秸稈還田處理最高,達301.49 mg/(g·24 h),顯著高于其余處理,輪作處理次之,CK最低,為136.07 mg/(g·24 h),顯著低于其余處理。

2.2.3 土壤微生物數量 如表8所示,植株根際土壤細菌數量以輪作處理最多,達7.41×106CFU/g,但與玉米秸稈還田處理、生物有機肥處理間差異不顯著,但三者均顯著或極顯著多于其余處理,色素萬壽菊秸稈還田處理細菌數量為2.49×106CFU/g,極顯著少于其余5組處理;土壤放線菌數量以玉米秸稈還田處理最多,達6.29×105CFU/g,但其與農家肥處理、生物有機肥處理間差異均不顯著,而三者均顯著或極顯著多于其余處理,CK為2.87×105CFU/g,極顯著少于其余5組處理;土壤真菌數量以CK最多,達8.69×104CFU/g,顯著或極顯著多于其余處理,農家肥處理最少,為6.14×104CFU/g,顯著或極顯著少于CK、輪作、色素萬壽菊秸稈還田等3組處理。

表8 不同改良措施對色素萬壽菊根際土壤微生物數量的影響

玉米秸稈還田處理土壤微生物總量最多,達8.08×106CFU/g,但其與輪作處理、生物有機肥處理間差異不顯著,均極顯著多于其余處理,色素萬壽菊秸稈還田處理最少,為3.09×106CFU/g,極顯著少于其余處理;土壤B/F值以輪作處理最高,達111.42,極顯著高于CK和色素萬壽菊秸稈還田處理,其中色素萬壽菊秸稈還田處理為32.62,極顯著低于其余處理。

2.3 不同改良措施對連作色素萬壽菊病害發生的影響

如表9所示,玉米秸稈還田處理色素萬壽菊枯萎病發病率最高,達84.12%,色素萬壽菊秸稈還田處理次之,兩者間差異不顯著,但均顯著高于農家肥和輪作處理,其中輪作處理未發生枯萎病,與其余處理間差異極顯著;各處理枯萎病病情指數的差異與枯萎病發病率相似,玉米秸稈還田處理達44.56,極顯著高于其余處理,色素萬壽菊秸稈還田處理次之,輪作處理僅為0.00,極顯著低于其余處理;褐斑病發病率以玉米秸稈還田處理最高,達99.00%,但其與CK、農家肥、生物有機肥、色素萬壽菊秸稈還田等4組處理差異不顯著,輪作處理僅為46.67%,極顯著低于其余處理; 褐斑病病情指數以農家肥處理最高,達20.00,與CK、生物有機肥、色素萬壽菊秸稈還田、玉米秸稈還田等4組處理差異不顯著,輪作處理僅為9.33,極顯著低于其余處理。

表9 不同改良措施對色素萬壽菊病害發生的影響

3 討論與結論

研究表明,輪作、施入生物有機肥、農家肥均可在一定程度上改善作物的連作障礙,促進植株生長,最終提升作物產量及質量[11-13]。本研究結果表明,與對照及其他處理相比,進行色素萬壽菊-小麥輪作顯著或極顯著促進了色素萬壽菊營養生長,提升了農藝性狀,達到了明顯的增產效果,生物有機肥處理效果次之,農家肥處理效果位列第3。另外值得注意的是,輪作處理的盛花期較對照延長了21.58 d。相反,2組秸稈還田處理特別是玉米秸稈還田處理對色素萬壽菊的生長發育有不同程度的抑制作用,相比于對照,2個處理植株矮小,各級分枝數少,花朵數減少,花朵干鮮質量及鮮花產量降低,最終葉黃素產量分別下降6.35%和3.64%。這與蘋果連作障礙修復研究中萬壽菊秸稈施用量過大不利于蘋果幼苗生長的結果[14]相似。同樣,據報道,玉米秸稈腐解液中的苯甲酸、對羥基苯甲酸等化感物質對玉米幼苗造成了逆境脅迫,抑制植株生長并加速植株衰老[15]。但也有相關研究表明,玉米、萬壽菊秸稈對連作辣椒的生長具有促進作用[16]。因此,推測色素萬壽菊秸稈、玉米秸稈對色素萬壽菊生長發育產生抑制作用的原因可能源于化感作用,但其生理效應與秸稈用量、色素萬壽菊發育階段之間的關系有待進一步研究。

土壤酸化是引起連作障礙的主要原因之一。肖新等研究表明,菊麥輪作可在一定程度上提高連作土壤pH值,對減輕連作障礙具有積極作用[17]。本試驗中,與對照相比,輪作處理同樣極顯著提高了土壤pH值,但農家肥和玉米秸稈還田處理則極顯著降低了土壤pH值。這與趙鳳艷等得出的施入牛糞后降低連作土壤pH值的研究結果[18]一致。

土壤有機質是評價土壤肥力高低的重要指標之一。本試驗中,采用菊花渣滓還田結合基施顆粒有機肥的生物有機肥處理,不僅較對照極顯著提高了土壤有機質含量以及堿解氮、速效磷、速效鉀含量,這與柳玲玲等的研究結果[19]一致。并且其提高土壤有效養分的改良效果整體優于農家肥及2種秸稈還田處理,今后可作為色素萬壽菊栽培中提高土壤肥力的推薦措施。此外,2組秸稈還田處理土壤速效磷含量均極顯著高于其他處理,但色素萬壽菊秸稈還田處理的堿解氮含量以及玉米秸稈還田處理的速效鉀含量卻顯著或極顯著低于其他處理,這可能與植物秸稈由于本身碳氮比較高,在腐熟降解時會消耗氮素等速效養分從而降低土壤的氮元素含量[20],今后使用中應注意補充氮素等速效養分。

土壤酶參與土壤的物質循環,其活性是表征土壤質量的重要指標。本試驗中不同改良措施特別是輪作、農家肥處理對土壤中脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均起到一定程度的提升作用,這與肖新等[11]、施嫻等[21]的研究結果一致。值得注意的是,本試驗中色素萬壽菊秸稈還田后土壤脲酶活性有降低趨勢,高晶霞等也指出萬壽菊秸稈對土壤脲酶有降解作用[16],進一步推測較低的脲酶活性也是施入色素萬壽菊秸稈后土壤堿解氮含量不高的原因之一。

土壤微生物發生改變是導致連作障礙的重要原因,作物連作后土壤微生物區系比例失衡,多樣性降低,導致地力衰竭,土壤肥力變差,研究普遍認為這種失衡表現為土壤細菌、放線菌數量減少,真菌數量增多,土壤從細菌型向真菌型轉化,因此土壤細菌與真菌數量的比值被認為是表征土壤健康的重要指標[22-25]。本試驗輪作、生物有機肥、農家肥以及玉米秸稈還田處理均顯著提高土壤細菌、放線菌數量,同時顯著降低真菌數量,顯著增大土壤B/F值,改善了連作色素萬壽菊土壤環境。但是色素萬壽菊秸稈還田后土壤細菌數量和微生物總量卻顯著下降,其土壤B/F值較對照降低了50.52%,可進一步探討色素萬壽菊秸稈中的化感物質是否會對土壤有益微生物產生抑制效應,進而發生自毒作用。

本試驗中輪作處理植株抗病性最強,不但極顯著降低了褐斑病的發病率和病情指數,且未見枯萎病發生,農家肥處理雖然未降低枯萎病發病率但顯著降低了其病情指數,而玉米秸稈還田后卻提高了枯萎病病情指數,其余處理植株2種病害發生狀況與對照接近,并未發揮提升植株抗病性的積極作用。但也有研究表明,施入生物有機肥促進了土壤有益微生物的生長,改善了土壤生態環境,有效緩解了西瓜枯萎病和番茄青枯病的發生[26-27],可進一步篩選對色素萬壽菊枯萎病和褐斑病具有防治效果的生物有機肥。

輪作、生物有機肥和農家肥處理不同程度提高了土壤酶活性,增加了土壤微生物數量,平衡了微生物區系,提升了土壤肥力及速效養分,從而促進了色素萬壽菊的生長發育,實現了增產增收,其中色素萬壽菊—小麥輪作處理改良效果最優,起到緩解色素萬壽菊連作障礙的作用。