连作对胡椒园土壤和植株中微量元素含量的影响及相关特征分析

李志刚 王灿 杨建峰 祖超 郑维全 鱼欢

中国热带农业科学院香料饮料研究所农业部香辛饮料作物遗传资源利用重点实验室海南省热带香辛饮料作物遗传改良与品质调控重点实验室 海南万宁 571533

摘 要 为探讨胡椒园土壤、根系和叶片的中微量元素含量与连作年限、产量、品质和根际土壤微生物区系的关系，选取连作12、18、28和38 a的胡椒园，测定土壤、根系和葉片中Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn等中微量元素的全量含量，分析其随种植年限增加的变化规律，并探讨土壤中微量元素与胡椒产量、品质和土壤微生物区系的相关关系。研究发现，长期连作的胡椒园土壤Ca、Mg含量显著降低，B、Zn、Fe表现出不同程度的降低；土壤Ca、Mg含量与根际土壤细菌菌门相对丰度关系密切，而B、Fe含量与胡椒产量和品质以及Actinobacteria、Ascomycota、Verrucomicrobia菌门相对丰度显著或极显著相关。连作胡椒长期定位施肥等原因会造成土壤中微量元素含量降低，因此生产中应注意中微量元素肥料的平衡施用。

关键词 胡椒；中微量元素；种植年限；连作障碍；土壤微生物

中图分类号 S573.9 文献标识码 A

Abstract The samples in 4 different black pepper fields were collected in 2015. Soil and plant medium and micro element contents were analyzed to investigate the medium and micro element contents of the different planting age black pepper fields and plants. The results indicated that long-term black pepper cropping lead to the soil Ca and Mg significantly declined， as well as the soil B， Zn and Fe， and the soil Mn showed no significant changes. The soil Ca， Mg contents was close related to the relative abundance of rhizosphere soil bacteria. Soil B， Fe had close relationship with the yield， quality and the relative abundance of Actinobacteria， Ascomycota and Verrucomicrobia. Therefore， long-term black pepper cropping lead to the soil medium and micro element contents reduced. In the black pepper production， more attention should be paid to in the medium and micro element fertilizer application.

Key words Black pepper（Piper nigrum L.）； medium and micro element； planting age； consecutive cropping obstacle； soil microbial

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.12.003

胡椒（Piper nigrum L.）是胡椒属多年生、常绿、攀援藤本植物，是世界重要的香辛料作物之一[1-2]。胡椒有“香料之王”的美称，除用做调味品外，还具有重要的医药价值[3-4]，已发展成为世界热带经济作物优势产业之一。越南、印度、印尼、巴西和中国是世界胡椒主产国和主要出口国[5]。海南是我国最主要的胡椒产区，种植面积为2.2万hm2，年产量3.6万t，占我国胡椒产量的90%以上。目前已发展成为海南省年产值近20亿元的重要热带经济产业之一[6]。

然而，由于胡椒生物学特性和栽培技术特点，我国胡椒种植一直以单一品种传统连作栽培模式为主，连作障碍现象严重制约了我国胡椒产业的健康可持续发展[7-8]。连作障碍现象在农业生产中普遍存在，长期连作会导致土壤质量下降[9]，作物减产[10]，易发生病虫害[11]。近年来，随着种植年限的增加，各地胡椒园均出现不同程度的连作障碍现象，主要表现在：土壤质量下降，植株长势减弱，发病率增加，产量下降，退化死亡，补种的幼苗生长受限，甚至过早死亡。目前，针对胡椒连作障碍的研究主要集中在胡椒果实质量[12]，土壤理化性质[13]和土壤微生物区系分析[14]，尚未见连作胡椒园土壤与植株中微量元素含量变化的研究报道。虽然中微量元素在土壤中的含量较少，但对植物的生命活动却不可或缺。中微量元素多是组成酶、维生素和生长激素的成分，直接参与有机体的代谢活动，影响着植物体的生长和发育[15]。长期以来，胡椒生产中不施用或盲目施用中微量元素肥料的现象普遍存在，导致胡椒园土壤中微量元素缺乏或者流失问题严重。本研究主要探讨胡椒园土壤、根系和叶片的中量元素钙、镁和微量元素硼、铁、锰、锌等随种植年限增加的变化规律，并探讨胡椒园土壤中微量元素含量与胡椒产量、品质和土壤微生物区系的相关关系，以期探讨土壤的中微量元素含量变化在胡椒连作障碍形成中的作用，并为指导胡椒生产的中微量元素肥料的施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验以中国热带农业科学院香料饮料研究所胡椒园（18°1'N，110°13'E）内的热引1号胡椒（Piper nigrum L. cv. Reyin No.1）投产胡椒为试验材料。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验小区均为中国热带农业科学院香料饮料研究所胡椒试验示范基地，各处理园块之间距离较近，成土母质、土壤类型基本一致，土壤类型为砖红壤，土壤母质为花岗岩风化物。各试验小区连作年限分别为12、18、28和38 a。且各园块管理统一按照农业行业标准NY/T 969-2013《胡椒栽培技术规程》[16]要求进行，各小区施肥量一致。

1.2.2 取样与测定方法 取样时间为8月份，即胡椒完成一个结果周期，采果完成半个月后，且未施攻花肥之前进行。在胡椒植株冠幅内部挖开0～20 cm土层，取得土壤和根系样品；取对应植株第二叶位的完全稳定叶作为叶片样品[17]。土壤样品在室温条件下风干后研磨、过筛待测，植物样品烘干后待测。中微量元素钙、镁、硼、锌、铁、锰（Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn）的全量含量采用微波消解-电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法测定[18-19]。相关性分析中胡椒产量、品质、微生物多样性及菌门相对丰度等均为近1～3 a数据平均值，其中胡椒产量以白胡椒平均单产计，即试验小区胡椒鲜果浸泡去皮所得白胡椒干燥后总重÷试验小区投产胡椒株数；品质指标选取胡椒碱、挥发油进行分析；微生物多样性及菌门相对丰度采用李志刚等[20]同年的研究数据。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2007和SPSS 18.0（SPSS Inc， Chicago）进行数据整理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限胡椒园土壤理化性质

不同种植年限胡椒土壤理化性质如表1、2所示。由表1可见，胡椒园土壤有机质、pH、有效钾含量均随连作年限的增加而表现出下降趋势，而有效氮含量逐渐增加，有效磷含量无明显变化。说明，连作导致胡椒园土壤酸化、有机质与有效钾亏缺，而有效氮含量表现出不断累积的现象，因此生产中应该注意土壤pH调节，有机质和钾元素的补充，以及控制氮肥的施用量。

不同种植年限胡椒土壤中微量元素（Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn）含量如表2所示。除Mn外，其余元素含量均随种植年限的增加而发生显著变化，说明长期连续单一种植胡椒会导致椒园土壤的中微量元素含量发生明显的变化；其中B、Zn、Fe含量均随种植年限的增加而显著降低，而Ca、Mg含量均为18、28 a最高，12及38 a时含量较低。

2.2 土壤、植株的中量元素含量的变化

连作12、18、28和38 a的胡椒园土壤、根系、叶片的Ca、Mg含量如图1所示。结果表明：随种植年限的增加，胡椒园土壤Ca、Mg含量均表现出先增加后减少的趋势，叶片Ca含量上升、Mg含量下降，根系中Ca、Mg含量随种植年限增加未发生显著变化。

2.3 土壤、植株的微量元素含量的变化

不同连作年限的胡椒园土壤、根系、叶片的微量元素B、Fe、Mn和Zn含量如图2所示。结果表明：随种植年限的增加，胡椒园土壤B、Fe、Mn和Zn含量均表现出下降趋势，其中B、Fe含量变化差异显著； 而根系、叶片B、Fe、Mn和Zn含量变化不显著。

2.4 土壤中微量元素含量与胡椒产量、品质和土壤微生物的相关性分析

胡椒园土壤中微量元素与产量、品质和土壤微生物的相关性如表3所示。可见，土壤B、Fe含量与胡椒产量和品质相关性较大：产量与B、Fe极显著相关，与Zn显著相关；而品质指标挥发油含量与B极显著相关，胡椒碱含量与Fe极显著相关；其余元素与胡椒产量、品质相关性不显著。胡椒根际土壤微生物多样性指标与中微量元素的相关性不显著，但是个别细菌、真菌菌门的相对丰度与土壤中微量元素显著相关，如：与土壤B、Fe含量呈显著或极显著负相关关系的有细菌Actinobacteria、真菌Ascomycota，其中，Ascomycota还与Zn、Mn含量显著相关，与Fe含量呈极显著负相关的还有Verrucomicrobia。土壤中Ca、Mg含量与细菌菌门相对丰度关系密切，其中，二者均与Acidobacteria、Nitrospira显著负相关，与Proteobacteria极显著正相关；Ca还与Chloroflexi、Gemmatimonadetes显著正相关。而对于真菌，Mg与Zygomycota极显著正相关。

3 讨论

3.1 连作导致胡椒园土壤中微量元素含量降低

Ca、Mg元素能起到促进植物光合作用、活化土壤磷素、提高植物抗性等积极作用[21-22]，缺Ca导致胡椒叶缘组织坏死、缺Mg会导致叶片叶脉间变黄，严重时叶片大量脱落，植株生长受到影响[23]。胡椒对Ca、Mg需求较多，本研究中胡椒根系、叶片中Ca、Mg含量是土壤中的2～5倍，也证明了这一论述。研究发现，连作28 a后胡椒园土壤Ca、Mg含量均表现出显著下降趋势，相关研究结果也证明了这一结果：随着种植年限的增加，胡椒园土壤pH显著降低，从而降低了土壤中Ca、Mg的有效性[24]，甚至低于植物生长的适宜范围（Ca：1.5%～3.5%，Mg：0.3%～0.5%）[25]。长期定位施用农家肥，会导致土壤交换性钙、镁含量降低[26-27]，施用氮肥导致土壤pH值下降，进而造成土壤镁的淋溶[28-29]。綜上所述，胡椒生产中牛粪肥、氮肥和钾肥施用量较高，是连作胡椒园土壤钙、镁含量降低的原因，另外氮肥的长期大量施用还会导致土壤pH值降低，进而造成土壤钙、镁淋溶现象严重。

微量元素B、Zn、Fe、Mn也是作物正常生长发育所必需的营养元素。生产中出现的B、Zn、Fe等微量元素缺乏症，不一定是土壤中微量元素含量太少，而是土壤中微量元素有效性过低，不能满足作物的需要。影响土壤中微量元素的有效性的重要因子是土壤pH值，B、Zn、Fe的有效性常随土壤pH值的升高而降低，但pH过低也会导致元素淋洗。本研究中连作胡椒园土壤pH从适宜生长的5.5～6.0范围降低到4.5左右[16]，因此土壤B、Zn含量随种植年限的增加表现出先增加后明显降低的趋势。

3.2 中微量元素与胡椒产量、品质和土壤微生物密切相关

中微量元素对作物产量及品质的形成都起到十分重要的作用[31]。本研究结果表明，长期以来，由于在胡椒生產中只注重施用大量元素，对中微量元素的补充不够重视，造成连作胡椒土壤中微量元素不足。同时，胡椒生长发育的适宜土壤pH范围为5.7～7.0[32]，而祖超等的试验表明，随着种植年限的增加，土壤pH从5.8（10 a）显著降低到5.2（28 a），低pH及由此造成的根际土壤有机质和Ca、Mg等营养元素降低是导致植株生长受限的重要原因[6，24]。杨建峰等开展的不同种植年限胡椒园土壤养分变化状况的研究同样发现，随着种植年限的推移，胡椒园土壤pH和有机质含量下降，同时土壤有效B、交换性Ca、Mg等部分养分表现出下降趋势[13]。因此，连作导致胡椒土壤理化性质恶化，中微量元素含量或有效性下降，从而对胡椒产量和品质造成影响。

胡椒根际土壤微生物菌门相对丰度与中微量元素关系密切，如：土壤中Ca、Mg含量均与Acidobacteria、Nitrospira等细菌菌门显著负相关，与Proteobacteria极显著正相关；Ca还与Chloroflexi、Gemmatimonadetes显著正相关。而对于真菌，Mg与Zygomycota极显著正相关。另外，与土壤B、Fe含量呈显著或极显著负相关关系的有细菌Actinobacteria、真菌Ascomycota，Fe还与Verrucomicrobia呈极显著负相关，Zn、Mn也与Ascomycota显著相关。因此，土壤中微量元素中Ca、Mg、B和Fe与胡椒土壤质量、产量和品质的关系密切。但本研究只考虑在相同肥料投入的条件下，不同种植年限胡椒土壤中微量元素含量变化，并没有设置不同施用量处理，因此，仍需深入开展土壤中微量元素肥料与土壤理化性质、微生物生态环境以及产量品质的影响研究。

3.3 胡椒连作障碍调控应注意中微量元素的平衡施用

土壤中微量元素的组成受成土母质、土壤类型、土壤物化性状、水分动态、自然环境特点及人类活动等共同影响[30]。本研究中的不同年限处理小区均为中国热带农业科学院香料饮料研究所试验示范基地，各处理间距离较近，可排除土壤母质不同导致的中微量元素含量的差异；且各试验小区长期以来均采用相同的施肥、灌溉、耕作方法与技术，尤其是各小区施用的有机肥，均为统一沤制管理，且施用量一致，也可排除肥料施用及管理措施等对土壤中微量元素含量的影响，因此，是研究胡椒土壤特性随种植年限变化的优良材料及场所。但本研究只分析了Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn等在胡椒园土壤和植株中的全量含量，后续研究中需对有效态含量进行深入研究，尤其是连作胡椒园根际土壤pH以及胡椒根系分泌物对根际土壤中微量元素有效态的影响。中微量元素过少和过多均会对作物生长产生不良影响，对于连作胡椒园土壤中微量元素亏缺问题，不能盲目的增施，应根据作物的需求规律及土壤中的元素状况，进行平衡施肥。综上所述，为缓解或避免胡椒连作障碍的发生，以及连作胡椒园土壤质量修复工作中，应重视Ca、Mg、B、Zn、Fe、Mn等中微量元素肥料的平衡施用。

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