轮作和有机肥对连作小白菜生长及土壤微生物特性的影响
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摘要：为研究轮作和有机肥处理对连作土壤的修复作用，以小白菜（Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var. communis Tsen et Lee）连作土壤为对照，比较玉米轮作，玉米秸秆还田，玉米秸秆有机肥等对连作土壤酶活性、微生物活性、活性有机碳含量及小白菜光合速率、根系活力、根系生长的影响。结果表明，轮作和有机肥处理不同程度地增加了连作小白菜光合速率、干物重、根系活力和根系ATPase活性，降低了根系MDA含量，同时提高了连作土壤酸性磷酸酶、脲酶、转化酶活性和微生物对碳源的利用能力，其中长期轮作及施用发酵有机肥的促进作用较大。相关分析表明，土壤酶活性、根系活力、活性有C碳含量、碳源利用AWCD值之间存在极显著正相关关系，说明采用合适的有机肥投入方式可以缓解连作对作物生长造成的抑制。
关键词：小白菜（Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var. communis Tsen et Lee）；轮作；连作；有机肥；土壤微生物特性
中图分类号：S634.3/.1+5 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）24-6498-06
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.24.044
连作障碍是指在同一土壤中连续种植同一种或科的植物时，即便给予正常的栽培管理也会出现植物生长势变弱、产量和品质下降的现象[1]；一般作物在连作5 a以后连作障碍会比较严重。连作障碍主要表现为幼苗死亡率高、植株生长不良、发病率增加、产量下降等[2]。研究表明，轮作是有效修复连作土壤、缓解连作障碍的措施之一[3]，但是轮作有效缓解连作障碍需要3～5 a的时间[4]。在种植业已经日益产业化、规模化的今天，长时间的轮作并不能完全实现，尤其是在设施蔬菜种植区，由于经济利益的驱动和种植习惯的原因，有效轮作受到限制，因此必须寻找一种在短时间内可以调控连作障碍的措施来替代轮作。研究表明，连作会引起土壤微生物多样性降低、细菌数量减少、真菌数量增加，土壤线虫的结构也会趋向于不利于土壤质量的方向发展；而长期轮作有助于提高土壤微生物多样性、增加细菌数量、减少真菌数量，使土壤线虫结构得到改善[5]，土壤生物学特性的改善将改进连作土壤物理特性和化学性状。分析轮作改善连作土壤性状的机理可以看出，轮作与连作的区别是轮作对土壤输入了轮作作物的根系分泌物和残茬，而连作输入的连作作物根系分泌物和残茬；轮作提供了多样性植物、有机物质，对微生物群落及其功能产生了良性影响，提高了微生物群体多样性和功能多样性[6]，更多能源物质的投入也增加了微生物数量[7]，进而增加了土壤酶活性，催化了土壤中生化反应。嫁接、间作、套作等栽培方式也是通过改变土壤中有机物的组成来提高土壤微生物群体活性和酶活性[8，9]。对连作土壤投入有机物料也可以改变土壤有机物组成、微生物活性、土壤酶活性[10]；然而怎样投入有机物料才能达到轮作的效果，其对土壤的改变关键是什么鲜有研究。试验以蔬菜连作土壤为对照，比较轮作模式、不同有机物投入方式对连作土壤及其作物的影响，试图揭示有效的有机物投入模式及其对连作土壤微生物的影响机理，从而为蔬菜生产提供更加有效的连作障碍缓解措施。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2011～2015年在武汉市农业科学技术研究院北部园区蔬菜科学研究所基地进行。供试土壤为砂壤土，小白菜（Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var. communis Tsen et Lee）在其中连作6 a，试验地pH为5.8，有机质含量15.64 g/kg、碱解氮含量122.79 mg/kg、速效磷含量62.53 mg/kg、速效钾含量87.92 mg/kg。
试验设6个处理，处理A，小白菜连作6 a土壤，在6 a里全年种植小白菜；处理B，玉米轮作1 a，小白菜连作5 a后玉米轮作1 a；处理C，玉米、黄瓜、生菜、辣椒轮作3 a，小白菜连作3 a后种植其他作物（玉米-黄瓜-生菜-辣椒-玉米）；处理D，小白菜连作土壤施商品有机肥100 kg/667 m2；处理E，秸秆还田，小白菜连作土壤加入玉米秸秆4 500 kg/667 m2；处理F，施发酵生物有机肥，小白菜连作土壤施用自制生物发酵有机肥，其制作方法为用新鲜的牛粪，玉米秸秆和微生物制成[11]，用量为4 500 kg/667 m2。
采取露地试验，每个处理3次重复，小区面积1.2 m×10.0 m，条播种植；于种植年的10月28日播种。小白菜播种前，D、E、F处理分别施相应的商品有机肥、秸秆和发酵生物有机肥；田间除草和防治病虫害等栽培管理措施同正常大田生产。
1.2 样品采集与处理
试验于2015年11月2日采集土壤和植株样品，土壤样品按5点取样法，每小区随机采取0～20 cm层土样，剔出大的植株残体和石粒等杂物，混合均匀后带回武汉市蔬菜科学研究所实验室，风干，研磨，过100目筛后直接装入密封袋，放入4 ℃冰箱备用；植株从子叶节处剪断，并取作物根系，将其冲洗干净后，置于低温取样盒内带回实验室。
1.3 测定方法
土壤微生物生物量碳含量（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定，参考熏蒸提取-容量分析法[12]；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法[13]测定；小白菜干物质重测定于105 ℃下烘干后称重；小白菜根系活力用氯化三苯基四氮唑（TTC）法[13]测定，根系质膜P-H+-ATPase水解活性采用文献[14]的方法测定；根系MDA含量用文献[15]的方法测定，土壤脲酶活性测定用比色法，以1 g土中NH3-N的含量表示；土壤转化酶活性测定用3，5-二硝基水杨酸比色法，以1 g土样（24 h）所产生葡萄糖的质量来表示；土壤磷酸酶活性测定用磷酸苯二钠比色法，以1 g风干土壤中的酚含量来表示[16，17]；光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）测定采用Li-6400便携式全自动光合测定系统（美国LI-COR公司），于晴天无风上午9：00～11：00进行测定；土壤碳源利用AWCD值采用Biolog Eco微平板对土壤微生物功能进行测定[18]，首先称取10 g新鲜土壤，加入90 mL的去离子水，180次/min振荡10 min，然后在4 ℃条件下静置30 min；再吸取1 mL土壤悬浮液到999 mL去离子水中，摇匀，配成浓度10-3的稀释液体；将稀释液倒入灭菌的培养皿中，接种于Biolog Eco微平板，每孔125 μL样品；每24 h利用读板仪在590 nm下读数1次，连续读数7 d。
1.4 数据分析
试验数据采用Microsoft Office Excel 2003程序处理并绘图，应用SAS 8.1系统软件进行差异显著性比较；对连作小白菜的根系活力与小白菜种植地的土壤酶活性、土壤微生物生物量碳含量（MBC）、土壤碳源利用AWCD值进行相关分析。
2 结果与分析
2.1 不同处理对小白菜干物质重与光合速率的影响
6个处理对小白菜干物质重的影响情况见图1，对小白菜光合速率的影响情况见图2。从图1、图2可以看出，各处理不同程度地提高了小白菜的干物质重和光合速率。与处理A小白菜连作6 a相比，其他处理的干物质重分别比处理A增加了32.0%、83.5%、4.1%、55.7%、92.8%，光合速率分别增加了28.9%、76.3%、6.3%、52.7%、88.6%；其中添加发酵生物肥处理和玉米-黄瓜-生菜-辣椒-玉米轮作3 a处理对小白菜干物质的积累及光合作用的影响最大。这表明长期连作抑制了小白菜干物质的累积以及光合作用；而采用轮作或施发酵生物肥能有效提高其干物质重和光合速率。
2.2 不同处理对小白菜根系活力、根系质膜P-H+-ATPase活性、MDA含量的影响
6个处理对小白菜根系活力的影响情况见图3，对小白菜根系质膜P-H+-ATPase活性。的影响情况见图4。从图3、图4可以看出，各处理不同程度地提高了小白菜的根系活力及根系质膜P-H+-ATPase活性，与处理A相比，根系活力分别增加了23.0%、66.1%、6.2%、50.6%、75.9%；根系质膜P-H+-ATPase活性分别增加了29.1%、84.0%、3.4%、53.8%、78.2%；这表明长期连作显著降低了作物自身的根系活力和根系质膜P-H+-ATPase活性。根系MDA含量可反映细胞膜的伤害程度，6个处理对小白菜根系MDA含量的影响情况见图5。从图5可以看出，各处理不同程度地降低了根系的MDA含量，与处理A相比，根系的MDA含量分别降低了21.8%、46.2%、10.2%、36.7%、48.4%。这表明长期连作后导致土壤环境恶化，作物积累了大量自由基，造成一定的氧胁迫，加重了根系质膜的伤害，使根系MDA含量增加；而添加发酵生物肥处理和玉米-黄瓜-生菜-辣椒-玉米轮作3 a处理对小白菜根系活力、根系质膜P-H+-ATPase活性、根系MDA含量产生了积极的影响。
2.3 不同处理对小白菜种植地土壤酶活性的影响
6个处理对小白菜种植地土壤酶活性的影响情况分别见图6、图7、图8。从图6、图7、图8可以看出，多数处理增加了土壤酶活性，其中玉米-黄瓜-生菜-辣椒-玉米轮作3 a处理的土壤脲酶活性较小白菜连作6 a处理增加了1.05倍；土壤酸性磷酸酶活性各处理较小白菜连作6 a处理分别增加了33.8%、30.8%、2.3%、60.9%、48.9%；添加发酵生物肥处理和玉米-黄瓜-生菜-辣椒-玉米轮作3 a处理的转化酶活性较小白菜连作6 a处理分别增加了107%、111%。这表明长期连作使土壤微生物生态恶化，理化性质变劣，土壤营养水平下降；而采用轮作或施发酵生物肥能有效改善土壤理化性质，促进土壤微生物生长，产生更多土壤酶，使营养元素有效性提高。
2.4 不同处理对小白菜种植地土壤有机质、MBC含量和碳源利用AWCD值的影
6个处理对小白菜种植地土壤有机质含量的影响情况见图9。从图9可以看出，各处理的有机质含量具有一定的差异，与小白菜连作6 a处理相比，其他处理的土壤有机质含量分别增加了10.7%、32.1%、0.9%、21.4%、33.0%，其中玉米-黄瓜-生菜-辣椒-玉米轮作3 a处理与添加发酵生物肥处理的效果显著。
6个处理对小白菜种植地土壤MBC含量的影响情况见图10。从图10可以看出，各处理的MBC含量变化差异较大，与小白菜连作6 a处理相比，其他处理的土壤MBC含量分别增加了1.80倍、5.39倍、0.049倍、4.18倍、5.66倍，差异悬殊。这说明栽培方式的改变以及生物有机肥的施用为土壤微生物提供了有机营养保障，促进了微生物的活动与繁殖。
6个处理对小白菜种植地土壤碳源利用AWCD值的影响情况见图11。从图11可以看出，各处理的AWCD值在刚开始的24 h内增长很小，在24～132 h时段中增长明显，这个时间段微生物活性最高，132～168 h趋于稳定状态。对比不同处理的土壤碳源利用AWCD值可以看出，在132 h前，玉米-黄瓜-生菜-辣椒-玉米轮作3 a处理与添加发酵生物肥处理的AWCD值一直处于相对较高水平，说明这2个处理的微生物代谢旺盛；施商品有机肥处理和小白菜连作6 a处理的变化几乎一致，处于相对较低水平，说明长期连作明显影响土壤微生物活动，而商品有机肥的使用对微生物的代谢影响不明显。
2.5 连作小白菜根系活力与土壤微生物特性的相关分析
对连作小白菜的根系活力与小白菜种植地的土壤酶活性、土壤微生物生物量碳含量（MBC）、土壤碳源利用AWCD值进行相关分析，结果见表1。从表1分析可见，连作小白菜根系活力与土壤脲酶、酸性磷酸酶、转化酶活性之间存在极显著的相关关系，与MBC及AWCD之间也存在极显著的相关关系。而土壤酶活性与土壤MBC之间，MBC与AWCD之间均存在极显著的相关关系。
3 讨论
3.1 轮作及有机肥对小白菜生长及生理的影响
设施小白菜连作障碍在形态上表现为死株、植株整体生长不良、早衰，在生理上表现为根系活力下降、地上部光合速率下降；生产上调控连作障碍的措施有轮作和施用有机肥[19，20]。尽管轮作对连作障碍的缓解效果影响很大，但由于生产需求和设施不可移动的限制，通常轮作时间未能达到3～5 a的需求，甚至只有1 a的轮作时间。试验结果表明，相对于长期连作，轮作1 a处理的干物质累积及光合速率显著提高，但是显著低于轮作3年的处理，说明轮作1 a处理未能完全消除连作障碍；有机肥也是缓解连作障碍的有效措施，但是不同有机肥的施用效果并不一致。现在生产上施用的有机肥主要有商品有机肥、利用秸秆还田、发酵生物有机肥等。本试验结果表明，不同有机肥对于连作的缓解效果不一。商品有机肥处理下小白菜干物质重和光合速率与连作处理的差异不大，这个结果与万菲菲等[21]的研究结果不一致，可能原因是试验连作施肥水平不一致造成的。而秸秆还田和发酵生物有机肥的施用均显著提高了连作小白菜干物质重及光合速率，这与徐萌等[22]、邓接楼等[23]的研究结果一致。不过秸秆还田处理的效果低于相同使用量的发酵生物有机肥处理，说明不同有机肥处理方式及其水平对作物生长的影响较大。根系是植株摄取养分和水分的主要器官，其生长状况和活力水平直接影响着植株地上部分的营养状况及产量水平；根系的生理活性可以影响植株吸收水分和养分的能力，尤其是在逆境胁迫下，强壮和庞大的根系是保证植株正常生长的基础[24]。轮作和有机肥处理对连作障碍的缓解可能与其对连作植株根系活力的提高有一定的关系[25，26]，本试验轮作和有机肥处理对根系活力的提高及缓解连作对根系的伤害与干物质累积、光合速率的提高有相同的影响趋势就旁证了这一观点。
3.2 轮作及有机肥对连作土壤酶活性的影响
土壤酶来源于土壤微生物代谢、植物根系分泌物以及动植物残体的腐解过程[27]，在土壤有机物转化及养分循环中发挥着重要作用[28]。脲酶是土壤中最活跃的水解酶类之一，可以水解施入土壤中的尿素，释放供作物利用的铵离子[29]；磷酸酶是一种催化土壤中有机磷化合物的酶，活性的高低直接影响土壤中有机磷的分解转化和其生物有效性[30]；转化酶可以提高土壤生物学活性，参与碳水化合物转化为植物、微生物可以利用的营养物质过程[31]。试验中，轮作、秸秆还田、生物发酵有机肥处理均显著提高了土壤酶活性，这与杜社妮等[32]、Bastida等[33]的研究结果一致。可能是轮作和发酵有机肥处理向土壤输入了大量有机质后改善了土壤理化性质、促进了土壤微生物生长、产生出更多土壤酶的缘故。
3.3 作及有机肥对连作土壤微生物生物量及碳源利用的影响
土壤微生物活性是土壤质量的重要指标[34]。相比连作作物长期对土壤输入相对单一碳源，轮作和有机肥处理补充了大量有机碳源，更加有利于维持土壤微生物活性及多样性。试验结果表明，轮作显著提高了有机质含量及土壤微生物生物量碳含量（MBC），同时土壤碳源利用AWCD值显著提高，AWCD值反映了微生物对不同碳源代谢的总体利用能力及微生物活性强弱[35]。其中3年轮作处理土壤微生物数量及活性显著高于1年轮作处理，表明多样性增加及大量碳源的施入提高了土壤微生物活性。商品有机肥虽然含有大量活性生物菌，但是由于对土壤碳源施入得很少，其微生物活性相比连作处理提高不显著，这导致商品有机肥缓解连作障碍的效果有限。秸秆还田和发酵生物有机肥显著提高了土壤微生物数量及活性，这与它们对土壤酶活性及连作作物根系活力、光合速率的影响相一致，土壤微生物活性、酶活性、根系活力可能存在一定的联系。
3.4 土壤酶活性、根系活力、微生物活性的相关关系
试验结果表明，土壤酶活性、小白菜根系活力、土壤微生物生物量碳含量（MBC）之间存在显著正相关关系，这与李明静等[10]的研究结果一致。这是土壤肥力、土壤微生物与土壤酶协同发展的结果。土壤酶的高活性来源于土壤微生物大量繁殖[36]，土壤养分的循环依托土壤酶对底物的转化。
总的来看，采用合理轮作及适宜的有机肥施入方式，可以显著改善连作土壤酶活性及微生物活性，促进连作小白菜提高根系活力、加快生长，要是较长时间轮作和大量施入发酵有机肥，则缓解连作障碍的效果更好。
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