玉米-苹果轮作体系对苹果根际土壤酶活性和pH值的影响

范琳娟，刘奇志，*，王 合，徐振翔，李维华

(1.中国农业大学 植物保护学院，北京 100193； 2.北京市园林绿化林业保护站，北京 100029)

玉米-苹果轮作体系对苹果根际土壤酶活性和pH值的影响

范琳娟1，刘奇志1，*，王 合2，徐振翔1，李维华1

(1.中国农业大学 植物保护学院，北京 100193； 2.北京市园林绿化林业保护站，北京 100029)

研究玉米-苹果轮作体系下，玉米种植年限(1 a和2 a)对苹果花期、幼果期、膨大期、成熟期根际土壤酶活性和pH值的影响，以期阐明玉米-苹果轮作体系缓解苹果连作障碍的作用机理。结果表明，在苹果各生育期内，根际土壤中脲酶、土壤磷酸酶和土壤转化酶活性以及pH值趋势均为苹果非连作>玉米(2 a)-苹果轮作>玉米(1 a)-苹果轮作>苹果连作(未轮作玉米)。与苹果连作(未轮作玉米)相比：玉米(2 a)-苹果轮作和玉米(1 a)-苹果轮作后的根际土壤脲酶活性在成熟期增长幅度最大，分别达105.95%和78.30%；土壤磷酸酶活性在幼果期分别显著增高26.45%和23.06%，在膨大期分别显著增高37.07%和29.19%，在成熟期分别显著增高45.59%和18.77%；转化酶活性在膨大期增长幅度最大，分别达53.11%和47.29%。pH值在成熟期提高最大，玉米(2 a)-苹果轮作和玉米(1 a)-苹果轮作与苹果连作(未轮作玉米)相比，pH值由6.86分别提高到7.57与7.25。综上，苹果连作可使根际土壤酶活性和pH值显著降低；玉米-苹果轮作对苹果连作障碍有明显改善作用；轮作2 a玉米较轮作1 a玉米更能缓解连作障碍。

轮作；连作障碍；土壤酶；根际

长期在同一地块里连续种植同一种或者同一科近缘作物，即使在正常的农田管理情况下，作物生长也会受到抑制，出现生长发育变劣、产量降低、品质变差、病虫害加重等连作障碍现象[1]。近年来，苹果更新换代种植面积迅速增加，可耕种面积逐年减少，老果园不得不继续栽植新果树，从而使新树产生苹果连作障碍或再植病(apple replant disease，ASD)，严重制约了果树的可持续发展[2]。据报道，全球不同地区引起苹果连作问题的原因复杂多样，既存在生物因素，如土壤病原微生物积累[3]、病原线虫等侵害[4]，又存在非生物因素，如土壤肥力不足、营养元素的缺损失衡、土壤结构变化[5]、pH值下降、有毒物质积累等[6]。

轮作作为生产上提高产量、改善品质的有效方式，在许多作物上被广泛采用。同连作相比，它具有调养地力、抑制病虫害[7]、改善土壤酶活性[8]和微生物活性[9]等显著的优势。在轮作过程中，因为前茬作物不同，吸收营养物质的种类和数量不同，收获后土壤中残留的有效养分不同，根系分泌物也不尽相同，所以不同前茬作物对后茬作物的影响也不同。在同一地块上，合理的轮作方式可以避免前茬作物的残茬和根系分泌物对后茬的危害，在一定程度上还会改善作物生长发育，从而有效缓解单一作物连续种植产生的连作障碍问题。玉米生产施肥量大，中耕次数多，地净杂草少，土质疏松，在轮作体系中是许多作物的良好前茬[10]。据张立猛等[11]研究，在玉米-烟草的轮作生产体系中，玉米根系分泌物能够吸引烟草疫霉菌游动孢子，有效抑制能够引发大规模病害的烟草疫霉菌的生长和繁殖，从而有效控制后茬烟草的土传病害。Bjostad等[12]研究发现，玉米根系分泌物中的丁布类化合物具有很强的抗虫活性，能够显著影响叶甲幼虫的生长发育，降低食植物短体线虫的数量，从而降低后茬作物生长发育过程中虫害的发生。同时，有如玉米这种禾本科作物参与的轮作系统，土壤肥力状况能够得到有效改善，如小麦-玉米-豌豆轮作系统与小麦持续连作相比，土壤有机质、全氮、速效钾均显著增加。

有关禾本科草本作物玉米与辣椒[13]、甜菜[14]、丹参[15]等作物轮作以及和水稻水旱轮作[16]对连作障碍的缓解作用均已有较多报道，但有关草本植物与木本植物轮作方面的文献很少。本文以玉米与苹果轮作为例，研究玉米不同轮作年限对再植或重茬苹果根际土壤酶活性和pH值的影响，为缓解连作障碍提供方法参考，为果树可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验土样取自北京市顺义区苹果种植基地，地理坐标34°11′56″N，116°53′56″E。该地气候属暖温带半湿润大陆季风性气候，年平均气温11.5 ℃。年均日照2 750 h，年无霜期195 d左右，年均相对湿度50%，年均降雨量约625 mm，为华北地区降水量较均衡的地区之一。试验地土壤为沙壤土，土壤养分性质如下：有机质4.38 g·kg-1，速效磷202.13 mg·kg-1，速效钾30.71 mg·kg-1，铵态氮9.79 mg·kg-1。

1.2 试验设计

本试验着重探讨前茬1 a或2 a玉米对连作苹果根际土壤酶活性及pH的影响。试验共设4个组别：CK，苹果非连作，前茬荒地，苹果树2013年定植，直至2015年，2013年苹果定植前为荒地，无作物种植；MR-0，苹果连作，前茬荒地，苹果树2013年定植，2014年刨根后再植苹果树，2013年定植前为荒地；MR-1，玉米(1 a)-苹果轮作，苹果树2013年定植，2014年刨根后再植苹果树，2013年定植前茬1 a玉米；MR-2，玉米(2 a)-苹果轮作，苹果树2013年定植，2014年刨根后再植苹果树，2013年定植前茬2 a玉米。

富士苹果行距2.5 m，株距1 m，果树1～2龄。各处理的试验区在同一苹果园区域内，苹果园种植面积约10 hm2，土壤质地、气候条件、施肥、灌水、喷药等基本一致。

1.3 取样方法

分别于富士苹果花期(4月7日)、幼果期(6月8日)、膨大期(8月10日)、成熟期(10月4日)采集土样。采用对角线取样法，在每个试验小区内选取9株果树。在每株果树周围0.5 m以内均匀选取不同方向的3个点，共27个样点，每3株为1个重复，共3个重复。用铁锹去除树盘内表土及凋谢物和碎石，用直径3 cm、长40 cm的取土器在每株幼树根际周围各样点取土，每个样点挖取2～20 cm土层土壤，同一区域的每组重复土样混匀后取出约500 g放入同一个自封袋中，带回实验室，样品分装风干后过1 mm筛，进行土壤酶活性和pH值测定。

1.4 测定方法

土壤pH测定采用土水质量体积比1: 2.5浸提-酸度计法(型号SX620)；土壤速效磷的检测方法为钼锑抗比色法；土壤速效钾的检测方法为氢氧化钠熔融—火焰光度法(型号AP1200)；土壤有机质的检测方法为重铬酸钾氧化-外加热法[18]。

1.5 数据处理

所有数据用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据整理和方差分析，对有显著差异的处理采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 根际土壤酶活性

2.1.1 对苹果根际土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶酶促反应产物——氨是植物利用氮源的方式之一，其活性高低在一定程度上可灵敏地反映有机态氮向有效态氮的转化能力和土壤无机态氮素的供给状况，与土壤肥力、有机质含量、理化性质密切相关。由图1可见，在整个生长季，各组处理的苹果树根际土壤脲酶活性逐渐下降，花期土壤脲酶活性最高，成熟期最低。MR-0的根际土壤脲酶活性在各生长期均显著(P<0.05)低于CK，在花期和膨大期脲酶活性分别为CK的65.11%和63.45%，在成熟期不足CK的50%。经前茬种植2 a或1 a玉米，即轮作2 a或1 a玉米后，根际土壤脲酶活性相较于MR-0显著(P<0.05)上升，在花期分别增长35.42%和21.53%，在幼果期分别增长22.61%和18.96%，在果实膨大期分别增长53.66%和23.79%，在成熟期分别增长105.95%和78.30%，尤其是经过连续2 a种植玉米的轮作处理(MR-2)，从幼果期至成熟期，土壤脲酶活性达到了非连作组(CK)的水平。

同一时期各处理柱上无相同小写字母的表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同Bars marked by no same letters during the same growth stage indicated significant difference at P<0.05. The same as below图1 各处理对苹果根际土壤脲酶活性的影响Fig.1 Effects of different treatments on urease activity in rhizosphere soil of apple trees

2.1.2 对苹果根际土壤中性磷酸酶活性的影响

土壤中磷酸酶的酶促作用能够加速有机磷的脱磷速度，提高土壤磷素的有效性，释放出的无机磷可供植物和微生物利用，是评价土壤磷素生物转化方向和强度的指标。如图2所示，苹果树从花期到幼果期根际土壤中性磷酸酶活性逐渐升高，至果实膨大期达到最高峰，果实成熟期酶活性降低。MR-0根际土壤中性磷酸酶活性在各生育期均显著(P<0.05)低于CK。经2 a或1 a玉米轮作后，土壤中性磷酸酶活性在苹果幼果期、膨大期和成熟期均相较MR-0显著(P<0.05)上升，幼果期分别提高26.45%和23.06%，膨大期分别提高37.07%和29.19%，成熟期分别提高45.59%和18.77%。幼果期和膨大期是果实生长和发育过程中对营养需求最高的时期，尤其是对根际土壤磷素的摄取和吸收，而磷素的摄取又对果实生长中营养和能量的提供具有重要作用。本研究发现，前茬种植玉米后，果树的根际土壤中性磷酸酶活性显著提高，说明前茬种植玉米对连作苹果从坐果到果实成熟阶段土壤磷酸酶活性的增强有明显促进作用，但前茬玉米处理对花期土壤磷酸酶活性无显著影响。

2.1.3 对苹果根际土壤转化酶活性的影响

土壤转化酶主要参与碳水化合物的转化，水解蔗糖形成的产物——葡萄糖和果糖是能够被植物和微生物利用的营养物质，与土壤中腐殖质、易溶性有机质以及土壤微生物量有着密切的关系，是表征土壤熟化程度和肥力的指标。由图3可知，在整个生长季，前茬玉米处理的根际土壤转化酶与脲酶活性变化趋势相似，花期酶活性最高，幼果期和膨大期酶活性逐渐下降，到成熟期酶活性达到最低。与CK相比，MR-0处理根际土壤转化酶活性在花期—膨大期均显著(P<0.05)降低，尤其是在膨大期，转化酶活性还不足CK的1/2。经2 a或1 a玉米轮作后，根际土壤转化酶活性在花期—膨大期均显著增加，在膨大期酶活增长率最高，分别增加53.11%和47.29%。转化酶活性的高低与根际土壤有机质、土壤地力密切相关，并受耕作、作物自身生长、施肥情况及其他生产活动的影响。与苹果树相比，玉米自身的生长条件不同，代谢方式也不同，因此可能前茬玉米种植过程中生物质等的残留对土壤有机质等能源物质的积累有一定的影响，为微生物和酶活性的提高创造了良好的条件，从而提高土壤转化酶的活性，改善了由苹果连作引发的酶活性降低的问题，减缓连作障碍。

图2 各处理对苹果根际土壤中性磷酸酶活性的影响Fig.2 Effects of different treatments on neutral phosphatase activity in rhizosphere soil of apple trees

图3 各处理对苹果根际土壤转化酶活性的影响Fig.3 Effects of different treatments on invertase activity in rhizosphere soil of apple trees

2.2 根际土壤pH值

图4 各处理对苹果根际土壤pH值的影响Fig.4 Effects of different treatments on pH value in rhizosphere soil of apple trees

如图4所示，随着果树生育期的推进，根际土壤pH值呈现缓慢上升的趋势，土壤理化性质也逐渐由弱酸性变为中性。与CK相比，MR-0处理的根际土壤pH值在各生育期均显著(P<0.05)降低。这说明苹果连作会使根际土壤pH值降低变酸，致使土壤根际有益微生物减少，有害微生物增加，从而诱发根际毒害和土壤酸化。经2 a或1 a玉米轮作后，根际土壤pH值相较MR-0在各生育期均显著(P<0.05)增长，至成熟期pH达到最大。MR-2和MR-1处理根际土壤的pH值分别升高至7.57与7.25，较MR-0的6.86分别升高0.71和0.39。玉米(2 a)-苹果轮作处理(MR-2)的土壤pH值甚至接近于非连作苹果园(CK)，两者无显著差异。由此可见，玉米-苹果轮作对于防治由苹果连作引起的土壤酸化有积极作用。

3 小结与讨论

本研究显示，前茬未种玉米的连作苹果园(MR-0)根际土壤中脲酶、中性磷酸酶和土壤转化酶活性均显著(P<0.05)低于非连作对照(CK)，各个生育期土壤pH值均显著降低，土壤环境由中性改变为弱酸性。玉米(2 a)-苹果轮作(MR-2)和玉米(1 a)-苹果轮作(MR-1)与连作苹果(MR-0)相比，根际土壤酶活性均显著增高，pH值亦显著升高。同时，玉米(2 a)-苹果轮作(MR-2)的各测试指标均优于玉米(1 a)-苹果轮作。

许多研究表明，轮作后可以改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进作物的生长发育。王尚明等[19]研究发现，在菠萝-桉树农林复合轮作系统中，种植草本植物菠萝可有效提高林地土壤养分，改善土壤结构，促进木本林木桉树的生长，对改善林地生态环境和实现林地可持续发展有重要意义。肖宏[20]的研究表明，在盆栽条件下，连作土分别轮作草本作物大豆、高粱和玉米后，木本科平邑甜茶幼苗的根际土壤脲酶和中性磷酸酶活性均显著提高，其中玉米作为前茬参与轮作后对土壤酶活性的提高幅度最大。本试验亦发现，玉米-苹果轮作后，苹果各个生长季的根际土壤酶活性均显著提高。玉米是一种能源物质含量高的作物，且地下根系庞大，在果树更替时土壤会残留较多的生物质，可以大大提高土壤有机质的含量。有机质的增加会为微生物的代谢和活动提供基础，提高土壤转化酶的活性，这与刘术新等[21]在研究连作长豇豆时的结果相一致。同时这些残留物给予微生物充分的营养源，微生物代谢活动旺盛，土壤呼吸强度加大，从而使土壤聚集了较高的土壤酶活性。苹果多年连续种植，其根系酚酸类分泌物质会不断积累，这种单一且有毒害作用的分泌物的累加会对后茬果树的生长和发育产生强烈的抑制作用[22]。玉米根系分泌物中含有较多的不同于苹果自毒作用的有机酸[23]，玉米-苹果轮作体系下玉米和苹果根系分泌物的更替能够有效打破连作苹果单一有自毒作用的酚酸类根系分泌物的积累环境，控制后茬果树的连作障碍发生。此外，苹果连作土壤中酚酸类物质含量的过度积累会引起土壤酸化，导致土壤pH值降低，而玉米-苹果轮作对连作苹果土壤pH值有一定程度的提高作用，可使根际土壤微环境从弱酸性逐渐转变为中性，更有利于苹果生长。

果树常年连作导致根系分泌物质大量积累，改变原有的土壤微生态群落，有害微生物滋生，导致果树某些专一性的病原微生物病害、伴生虫害发生，从而影响果树的生长发育，甚至导致减产或绝收。为避免连作障碍对作物的影响，一方面，应将苹果树的种植控制在一定的年限内，降低复种指数，另一方面在苹果种植过程中应与玉米等具有良好茬口的草本作物进行轮作，以保护和改善种植区土壤的生态环境。本研究发现，2 a玉米-苹果轮作比1 a玉米-苹果轮作能够更有效地改善连作障碍的土壤环境，增加土壤地力。但前茬种植更长年限的玉米与苹果轮作对连作障碍的缓解作用是否更强，仍有待进一步研究。

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Effectsofcorn-applerotationonenzymeactivityandpHvalueinrhizospheresoilofappletrees

FAN Linjuan1， LIU Qizhi1，*， WANG He2， XU Zhenxiang1， LI Weihua1

(1.CollegeofPlantProtection，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100193，China; 2.ForestProtectionStationofBeijing’sGardenAfforestation，Beijing100029，China)

In order to clarify the functional mechanism for alleviating the apple continuous cropping obstacles under corn-apple rotation system，the impact of corn plantation years (1 a or 2 a) on rhizosphere soil enzyme activities and pH value of continuous cropping apple orchards were studied. Rhizosphere soil of apple orchard in flowering stage， fruitlet stage， expanding stage and maturity stage was collected， respectively. It was shown that rhizosphere soil urease activity， phosphatase activity， invertase activity and soil pH value all showed a trend of non-continuous cropping of apple>corn (2 a)-apple rotation>corn (1 a)-apple rotation>continuous cropping of apple in all tested apple growth stages. Compared with apple continuous cropping， rhizosphere soil urease activity in the treatment of corn (2 a)-apple rotation and corn (1 a)-apple rotation increased the most in the maturity stage， which were 105.95% and 78.30%， respectively. The activity of soil phosphatase in the treatment of corn (2 a)-apple rotation and corn (1 a)-apple rotation was significantly increased by 26.45% and 23.06%， respectively， in fruitlet stage， and by 37.07% and 29.19%， respectively， in expanding stage， and by 45.59% and 18.77%， respectively， in maturity stage. The activity of soil invertase increased the most in expanding stage， reaching 53.11% and 47.29%， respectively. Meanwhile， compared with apple continuous cropping， of which pH value was 6.86， the rhizosphere soil pH in corn (2 a)-apple rotation and corn (1 a)-apple rotation was increased to 7.57 and 7.25， respectively. In summary， apple continuous cropping reduced soil enzyme activities and pH value， yet corn-apple rotation could remarkably increase soil enzyme activities and pH value. Corn (2 a)-apple rotation had better alleviation effect than that of corn (1 a)-apple rotation on obstacles of apple continuous cropping.

rotation; continuous cropping obstacle; soil enzyme; rhizosphere

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(12): 2084-2090

http://www.zjnyxb.cn

范琳娟，刘奇志，王合，等. 玉米-苹果轮作体系对苹果根际土壤酶活性和pH值的影响[J]. 浙江农业学报，2017，29(12)： 2084-2090.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.17

2017-04-11

国家科技支撑计划(2014BAD16B0702)

范琳娟(1991—)，女，河南三门峡人，硕士研究生，从事作物重茬研究。E-mail: fljx99@163.com

*通信作者，刘奇志，E-mail：lqzzyx163@163.com

S153

A

1004-1524(2017)12-2084-07

(责任编辑高 峻)