轮作模式对日光温室土壤特性影响的研究

王文娇，曹晶晶，吕思琪，李梅兰，侯雷平

(山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801)



轮作模式对日光温室土壤特性影响的研究

王文娇，曹晶晶，吕思琪，李梅兰，侯雷平*

(山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801)

[目的]筛选可有效缓解土壤盐渍化及改善土壤酶活性的轮作模式。[方法]本试验以不同轮作模式的温室土壤为研究对象，分析土壤的pH值、EC值及4种主要酶(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶(酸性、碱性)、过氧化氢酶)的酶活性。[结果]4种轮作模式中，茄子-番茄-草莓轮作模式的土壤pH值最高且土壤EC值最低，表明这种轮作模式缓解土壤的盐碱化程度的效果较好；不同轮作模式的4种土壤酶的酶活性各不相同，其中茄子-番茄-草莓轮作模式的温室土壤的酶活性均较高，与深土层相比，温室浅土层的土壤酶活性较高。[结论]比较几种轮作模式，茄子-番茄-草莓轮作有利于降低土壤盐渍化程度，土壤酶活性也保持在一定水平，可作为较为理想的短期轮作模式。

日光温室； 轮作； 土壤酶活性； pH； EC

连作障碍作为各个作物生产中都会发生的一种危害，已成为世界性难题，给农业生产造成了严重损失[1]。不同作物间轮作是连作障碍的最佳防范措施[2]。轮作可有效改善连作引起土壤养分不均衡、酶活改变和土壤理化性状不良。

土壤次生盐渍化是导致设施土壤连作障碍的原因之一[3,4]。土壤pH值和EC值是评价土壤盐渍化的直接指标。土壤pH值与土壤中营养元素能否被植物吸收利用密切相关。EC值表示溶液中的可溶性盐浓度，其值越高表示土壤盐渍化越严重，根系受到的伤害越大。景宇鹏等研究表明，土壤的盐渍化程度是影响土壤酶活性的关键因素之一[5]。土壤酶的主要来源是土壤微生物及土壤中原生动物的分泌物，是土壤中有机物转化的重要的催化剂[6]。土壤酶活性是反映土壤肥力的一项重要指标，酶活性较高的土壤，其生化过程较活跃、生产性能也较好[7,8]。土壤中脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶等活性水平，以及酶活性之间的关系对于评价土壤肥力有着重要意义[9]。前人研究表明，土壤中脲酶、过氧化氢酶以及磷酸酶的酶活性提高会显著增加黄瓜产量[10]。其中，脲酶的酶促反应产物可以供给植物利用的氮源，其活性可以用来表征土壤的供氮能力[11]。蔗糖酶属于水解酶类，它参与碳水化合物的转化，其酶促反应产物可以为植物、微生物提供碳源[7]；土壤蔗糖酶的酶活性在一定程度上反映了土壤的呼吸强度[11]。磷酸酶的作用是参与进入土壤中或累积在土壤中的含磷化合物的磷素循环，其酶促作用的产物是有效磷，为植物提供磷素营养源[7],其活性能够表示土壤的有机磷的转化状况及其生物有效性，反映土壤中的磷素营养状况[11]。过氧化氢酶作为氧化还原酶中的一种，其活性与土壤中腐殖质化强度相关，同时与土壤中的有机质的转化速度有着密切关系[7]。

为了筛选出可有效缓解土壤盐渍化及改善土壤酶活性的轮作模式，于2015 年4月对4种不同轮作模式的温室土壤以及露地土壤进行取样，分析土壤的pH值、EC值以及4种主要酶的酶活性，旨在为缓解日光温室土壤盐渍化，生产提质增效提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验以4种轮作模式(I西葫芦-番茄-黄瓜轮作、II黄瓜-草莓-番茄轮作、III茄子-番茄-草莓轮作、IV西葫芦-番茄-茄子轮作)的种植土壤为供试土壤，并利用露地土壤作为对照(CK)进行土壤分析测定。供试黄瓜品种为“98”，番茄品种为“北斗皇妃”，草莓品种为“红颜”，茄子品种为“盛园一号”，西葫芦品种为“冬圣”。

1.2 试验地点

本试验于2015 年4月在山西省吕梁市交城县宏禾园中的7号(西葫芦-番茄-黄瓜轮作)、15号(黄瓜-草莓-番茄轮作)、29号(茄子-番茄-草莓轮作)、37号(西葫芦-番茄-茄子轮作)日光温室内进行，温室为钢架结构，长88 m，跨度9 m，脊高3.8 m，种植年限为5年，连续采用相同的轮作模式。

1.3 试验方法

土壤采集采用S型五点取样法，分别在露地土壤及四个轮作模式的温室中取样。每个取样点分别选取0～20 cm、20～40 cm土层的土样。将土样中的碎石块、植物根系等杂物剔除，待土样自然风干后，用100目筛子过筛备用。

土壤pH用雷磁 PHS-3C pH仪(水土比2.5∶1)测定。

土壤EC值用实验室台式电导率测试仪(水土比5∶1)测定。

土壤脲酶活性运用苯酚钠比色法测定[12]。

土壤蔗糖酶活性运用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[10]。

土壤磷酸酶活性运用磷酸苯二钠比色法测定[12]。

土壤过氧化氢酶活性测定采用紫外分光光度法，酶活性以20 min内每克土壤分解的过氧化氢的毫克数表示[12]。

1.4 数据分析

本试验由Excel软件处理试验数据并绘图，采用SAS 软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式土壤pH值及EC值比较

由表1可见，4种轮作模式的土壤pH值均低于露地土壤。露地土壤在0～20 cm土层和20～40 cm土层的pH值显著高于西葫芦-番茄-黄瓜轮作、西葫芦-番茄-茄子轮作，与其它2个轮作模式差异不显著。不同土层深度相比，0～20 cm土层的pH值均比20～40 cm土层低。4个模式轮作土壤pH相比，黄瓜-草莓-番茄轮作和茄子-番茄-草莓轮作在0～20 cm土层和20～40 cm土层中土壤pH值均高于其它2种轮作模式。

4种轮作模式的土壤EC值均高于露地土壤。0～20 cm土层，西葫芦-番茄-黄瓜轮作、西葫芦-番茄-茄子轮作、茄子-番茄-草莓轮作、黄瓜-草莓-番茄轮作的土壤EC值分别为露地土壤的3.33倍、2.35倍、1.63倍、1.57倍。20～40 cm土层，西葫芦-番茄-黄瓜轮作、西葫芦-番茄-茄子轮作、黄瓜-草莓-番茄轮作、茄子-番茄-草莓轮作的土壤EC值分别为露地土壤的2.56倍、1.99倍、1.87倍、1.30倍。不同土层深度相比，0～20 cm土层土壤EC值均比20～40 cm土层高。4种轮作模式的土壤EC值相对比，西葫芦-番茄-黄瓜轮作土壤EC值极显著高于其它轮作模式。

表1 供试土壤pH值及EC值

注：CK为对照，表中大写字母和小写字母分别表示1%和5%水平的差异显著性

Note：CK is control, different capital letters and case letters show significant difference at the 0.01 and 0.05 level in the same row

综合来看，4种轮作模式的土壤均为微碱性。4种轮作模式的土壤EC值均比露地土壤高，其中西葫芦-番茄-黄瓜轮作的土壤盐渍化程度最高，西葫芦-番茄-茄子轮作次之。黄瓜-草莓-番茄轮作和茄子-番茄-草莓轮作的土壤盐渍化程度较低。

2.2 不同轮作模式下土壤酶活性比较

2.2.1 土壤脲酶活性

不同轮作模式土壤的脲酶活性如图1所示。与露地土壤相对比，在0～20 cm土层中， 黄瓜-草莓-番茄轮作的土壤脲酶活性比露地土壤低，其余3种轮作模式的土壤脲酶活性比露地土壤高。西葫芦-番茄-茄子轮作的土壤脲酶活性显著高于露地土壤。20～40 cm土层中，西葫芦-番茄-黄瓜轮作模式低于露地土壤，其余3种轮作模式的脲酶活性高于露地土壤。其中茄子-番茄-草莓轮作、西葫芦-番茄-茄子轮作的土壤脲酶活性极显著高于露地土壤。

图1 不同轮作模式土壤脲酶活性Fig.1 Urease activity of different rotation patterns 注: 柱上大写字母和小写字母分别表示1%和5%水平的差异显著性。下同Note：Different capital letters and case letters show significant difference at the 0.01 and 0.05 level. The same below

不同土层深度相对比，0～20 cm土层的脲酶活性均比20～40 cm土层的高。

综合来看，茄子-番茄-草莓轮作与西葫芦-番茄-茄子轮作的土壤脲酶活性较高，反映出这两个温室的土壤的供氮能力较高。

2.2.2 土壤蔗糖酶活性

由图2可见，与露地土壤相对比，在0～20 cm土层中，茄子-番茄-草莓轮作模式中的土壤蔗糖酶活性极显著高于露地土壤，其余3个温室蔗糖酶活性低于露地土壤。在20～40 cm土层中，茄子-番茄-草莓轮作和西葫芦-番茄-茄子轮作土壤蔗糖酶活性极显著高于露地土壤，西葫芦-番茄-黄瓜轮作和黄瓜-草莓-番茄轮作低于露地土壤。

图2 不同轮作模式土壤蔗糖酶活性Fig.2 Invertase activity of different rotation patterns

不同土层深度相对比，0～20 cm土层的土壤蔗糖酶活性均比20～40 cm土层的高。

综合来看，茄子-番茄-草莓轮作的蔗糖酶活性最高，反映出其土壤的呼吸强度最高，而黄瓜-草莓-番茄轮作的蔗糖酶活性最低，反映出其土壤的呼吸强度最低。

2.2.3 土壤磷酸酶活性

由图3可见，与露地土壤相对比，0～20 cm土层中，茄子-番茄-草莓轮作、西葫芦-番茄-黄瓜轮作和西葫芦-番茄-茄子轮作的酸性磷酸酶活性极显著高于露地土壤。露地土壤酸性磷酸酶活性极显著高于黄瓜-草莓-番茄轮作。20～40 cm土层中，4个温室土壤的酸性磷酸酶活性均高于露地土壤。西葫芦-番茄-茄子轮作、西葫芦-番茄-黄瓜轮作和茄子-番茄-草莓轮作土壤酸性磷酸酶活性极显著高于露地土壤。黄瓜-草莓-番茄轮作温室土壤酸性磷酸酶活性显著高于露地土壤。

图3 不同轮作模式土壤酸性磷酸酶活性Fig.3 Acid phosphatase activity of different rotation patterns

不同土层深度相对比，0～20 cm土层的酸性磷酸酶活性均比20～40 cm土层的高。

综合来看，黄瓜-草莓-番茄轮作温室的土壤酸性磷酸酶活性最低，反映出该土壤的磷素营养状况较其他温室低。

由图4可见，与露地土壤相对比，0～20 cm土层中， 西葫芦-番茄-黄瓜轮作土壤的碱性磷酸酶活性极显著高于露地土壤。露地土壤碱性磷酸酶活性显著高于黄瓜-草莓-番茄轮作。20～40 cm土层中， 西葫芦-番茄-黄瓜轮作、西葫芦-番茄-茄子轮作土壤碱性磷酸酶活性极显著高于露地土壤，茄子-番茄-草莓轮作土壤碱性磷酸酶活性显著高于露地土壤。黄瓜-草莓-番茄轮作土壤的碱性磷酸酶活性与露地土壤差异不显著。

图4 不同轮作模式土壤碱性磷酸酶活性Fig.4 Alkaline phosphatase activity of different rotation patterns

不同深度土层相比，0～20 cm土层的碱性磷酸酶活性均比20～40 cm土层的较高。

综合来看，西葫芦-番茄-黄瓜轮作的碱性磷酸酶活性最高，反映出该轮作模式的土壤磷素营养状况较高，而黄瓜-草莓-番茄轮作的碱性磷酸酶活性最低，反映出该温室土壤的磷素营养状况较低。

2.2.4 土壤过氧化氢酶活性

由图5可见，与露地土壤相对比，0～20 cm土层中，露地土壤的过氧化氢酶活性极显著高于西葫芦-番茄-茄子轮作。20～40 cm土层中，露地土壤的过氧化氢酶活性极显著高于西葫芦-番茄-茄子轮作和西葫芦-番茄-黄瓜轮作，显著高于黄瓜-草莓-番茄轮作。

图5 不同轮作模式土壤过氧化氢酶活性Fig.5 Catalase activity of different rotation patterns

不同深度土层相比，黄瓜-草莓-番茄轮作温室0～20 cm土层比20～40 cm土层高。而其他3种轮作模式的过氧化氢酶活性在0～20 cm土层均比20～40 cm土层低。

综合来看，西葫芦-番茄-茄子轮作和西葫芦-番茄-黄瓜轮作的过氧化氢酶活性较低，反映出其温室土壤有机质的转化速度相对较慢。

3 讨论与结论

轮作在一定程度上可降低土壤盐渍化，其原理是利用不同作物对养分的需求不同，从而可以均衡土壤养分，避免单一盐分的大量积累[13]。由于不同植物根系生长所需的适宜土壤pH值和吸收利用的养分不同，可能导致所测得的4种轮作模式土壤与露地土壤pH及EC值不同。由结果可以看出，茄子-番茄-草莓的轮作模式在一定程度上可避免土壤次生盐渍化的发生。

4种轮作模式的土壤酶活性各不相同。每个轮作模式下0～20cm土层的土壤酶活性(除过氧化氢酶外)比20～40cm土层的土壤酶活性高。其中茄子-番茄-草莓轮作模式的温室土壤的酶活性均较高，反映出该温室土壤的肥力状况较高，土壤质量较好。西葫芦-番茄-黄瓜轮作模式(除碱性磷酸酶活性最高外)和西葫芦-番茄-茄子轮作模式(除过氧化氢酶活性最低外)的土壤酶活性次之。黄瓜-草莓-番茄轮作模式土壤的酶活性除过氧化氢酶活性最高外，其余3种酶的活性均较低，反映出该轮作模式的土壤肥力状况较低，土壤质量较差。土壤酶主要来源于土壤中的植物根系分泌、土壤中微生物的分解以及动植物残体的分解等[14]。土壤酶是一个非常复杂的系统，对其活性的影响因素(如土壤理化性质，土壤微生物、动物，土壤类型，农业管理措施等)也较复杂[15]。有研究认为土壤空气状况对土壤酶活性有直接影响[16]，本研究中温室浅土层土壤酶活性比深土层高，可能是浅层土壤中的空气较深层充足所致。何君研究认为，土壤中酶的种类和活性受栽培作物的种类影响，由于植物种类不同，根系、微生物种群及数量不同，从而导致土壤中酶的种类及活性也不同[6]，这与本试验结果一致。茄子-番茄-草莓轮作模式的土壤酶活性较高，其原因可能是相对于其他作物，草莓的根系、微生物种群及数量丰富，使得种植草莓土壤中的酶活性较高。

轮作是防治设施蔬菜连作障碍的有效方式之一[17,18]，针对目前设施蔬菜土壤盐碱化的生产现状，可以在采用轮作栽培方式下，采用生态肥与有机肥配合施用的方法来增强土壤中关键酶的活性，改良土壤微生态环境[11,19～21]；同时采取病虫害综合防控、改进栽培制度等措施以提高作物产量，增加收益。

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(编辑：梁文俊)

Effects of crop rotation on soil characteristics of solar greenhouse

Wang Wenjiao, Cao Jingjing, Lv Siqi, Li Meilan, Hou Leiping*

(CollegeofHorticulture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective] In this experiment, the samples of greenhouse soil in different crop rotations were studied to identify the rotation that could effectively alleviate soil salinization and improve soil enzyme activities. [Methods] The pH , EC and activities of 4 main enzymes (urease, sucrose, phosphatase (acid, alkaline), and catalase) of soil were analyzed. [Results] Among four rotations, soil from tomato and strawberry rotation had the highest pH and the lowest EC, which indicated that this rotation could alleviate soil salinization. Enzyme activities differed between each rotation. The soil from tomato and strawberry rotation had superior enzyme activities that were higher in shallow layer than in deep layer. [Conclusion] Comparing these rotations, we identified that tomato and strawberry rotations were conducive to reduce soil salinity and keep soil enzyme activities at a certain level, so it could be used as an ideal short-term rotation system.

Solar greenhouse, Rotation, Enzyme activities of soil, pH, EC

2017-03-05

2017-06-17

王文娇(1988-)，女(汉)，山西太原人，讲师，博士，研究方向：设施园艺蔬菜栽培

*通信作者：侯雷平，教授，Tel：0354-6289929；E-mail：sxndhlp@126.com

山西省农业科技攻关项目(20150311010-2)；山西省煤基重大科技攻关资助项目(FT201402)；山西农业大学博士科研启动项目(2015YJ14)

S151.9+2

A

1671-8151(2017)09-0644-05