连作对马铃薯生长和土壤健康的影响及机制研究

焦润安，徐雪风，杨宏伟，冯焕琴，张舒涵，张俊莲，李朝周，李 健

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070; 2.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃 兰州 730070; 3.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070; 4.甘肃农垦条山集团，甘肃 白银 730400)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是全球种植面积最大的蔬菜型作物之一[1]。随着产业结构调整，马铃薯已成为我国西部地区稳产高效的优势作物，栽培面积不断扩大，并导致马铃薯连作种植越来越广泛，连作现象日益突出[2]。马铃薯连作引起了土壤氮、磷、钾养分比例失衡[3-4]、马铃薯生长发育减弱、病虫害现象加剧[5-6]等一系列问题；究其原因，连作对土壤的影响为其根本原因，但连作对马铃薯土壤健康的影响及其机制还缺乏系统研究。

土壤健康是保证生态体系健康的基础，是农产品安全和人类健康的必要条件[7]。目前国际上比较通用的土壤健康概念为土壤生态系统维持生物生产力、改善环境质量和促进动植物健康的能力[8]。澳大利亚学者Pankhurst等提出了表征土壤健康的生态指标体系，主要包括微生物量、土壤病原菌、中型土壤动物区系、大型土壤动物区系、土壤酶和植物。这些评价土壤健康的生态指标为进一步研究土壤健康提供了更大的空间[9-11]。Anderson指出土壤健康应主要集中在土壤的生物成分上[12-13]。康奈尔土壤健康评价系统则从物理指标、生物指标、化学指标3个方面评价农田土壤的综合健康状况[14]。

自毒作用是作物自身的分泌物，茎、叶的淋溶物及残体分解产物所产生的有毒物质(化感物质)抑制根系生长发育，降低根系活力，改变土壤微生物环境，提高病原菌的繁殖速度，引起作物生长不良、发病、甚至死亡的效应。从大量的研究中得出，酚酸类物质是引起连作障碍的重要的自毒物质[15]。当前主要研究的自毒物质有对羟基苯甲酸、香草酸[16]、阿魏酸[17]等。

本试验以马铃薯不同连作年限的土壤为主要研究对象，结合不同连作年限马铃薯的农艺性状和幼苗的抗性生理，探讨了马铃薯不同连作年限土壤健康各因素的变化，分析了连作影响马铃薯生长发育及土壤健康的机制，旨在了解马铃薯连作过程中土壤健康各因素的变化规律及其与连作马铃薯生长发育的关系，为有效减轻马铃薯连作障碍，提高马铃薯块茎的产量、品质和改善土壤健康状况提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯主栽品种大西洋，由甘肃省景泰县条山农场提供。

1.2 试验设计

试验在甘肃省景泰县条山集团马铃薯种植基地进行。实验选取马铃薯连作0 a(前茬种植玉米)、连作3 a和连作6 a的大田进行种植，各连作田按“V”字型选取3个样方(即3次重复)，各样方面积为27 m2(1.35 m×10 m×2垄)，在种植前，各样方采用5点取样法，采集0～30 cm土层根区耕层土，将所得5个土样混匀后，仔细剔除植物残体、石头和其他杂物，带回实验室用于土壤相关指标的测定；待马铃薯幼苗出土后45 d，在各样方内取马铃薯幼苗基部第二、第三叶片进行相关生理指标测定。在收获前一周进行马铃薯农艺性状的测定。每个实验指标测定重复3次。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤理化性质测定 参照关松荫[18]的方法，土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤速效磷采用NaHCO3浸提，分光光度法测定；土壤pH值用酸度计法测定。

1.3.2 土壤肥力相关酶活性分析 参照关松荫[18]的方法，脲酶活性采用苯酚钠—次氯酸钠比色法测定，结果以24 h后每克土壤(干重)中NH4+-N的毫克数表示；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠法测定，结果以24 h后每克土壤中释放出酚的毫克数表示；蔗糖酶的活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，结果以24 h后每克土壤葡萄糖毫克数表示；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，其活性以每克土壤所消耗的0.1 mol·L-1KMnO4溶液的毫升数表示。

1.3.3 土壤酚酸类化感物质含量测定 土壤总酚酸含量测定采用磷钼酸—磷钨酸盐比色法测定[19]；对羟基苯甲酸、香草酸和阿魏酸含量采用高效液相色谱法测定[20]。

1.3.4 土壤微生物数量分析 采用李坤[21]的方法，稍作修改，测定土壤微生物数量：采用牛肉膏蛋白胨培养基培养细菌，改良后的高氏1号培养基培养放线菌(每300 mL培养基加3%的重铬酸钾1 mL，以抑制细菌和霉菌的生长)，改良马丁氏培养基培养真菌(每100 mL培养基中加1%孟加拉红水溶液0.33 mL、1%链霉素0.3 mL)，每个处理的土样称取5 g，加入装有90 mL无菌水的三角瓶中，振荡45 min，即为10-1浓度的土壤样液，静置1 min，再逐次稀释(细菌稀释至10-5，放线菌稀释至10-4，真菌稀释至10-3)，每个平板重复3次，平板涂布法接种，在恒温培养箱中培养，细菌在28℃下培养3 d，放线菌在30℃下培养7 d，真菌在25℃下培养5 d。

微生物数量计算公式：

菌数/土重=(同一稀释度N次重复的菌落平均数×稀释倍数n)/土干重

1.3.5 光合生理指标和MDA含量测定 相对叶绿素含量：采用SPAD-502叶绿素仪测定；净光合速率、气孔导度：采用美国便携式LI-6400光合仪于上午9∶00—11∶00进行测定；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[22]。

1.3.6 农艺性状测定 株高：植株茎的最高部位距离土面的高度；茎粗：植株与土面交界处地上茎直径，用游标卡尺测量；根长：收获后用卷尺测量5条最长根，取平均值；生物量：收获时将完整植株整株挖出，120℃杀青40 min后，80℃恒温干燥箱中烘烤12 h，称重；块茎产量：收获时用电子天平测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2007软件进行数据处理和绘图，SPSS 17.0软件进行处理间差异显著性分析，采用Ducan法进行处理间差异的多重比较，取P<0.05为显著性差异。

2 结果与分析

2.1 马铃薯连作对土壤理化性质的影响

随马铃薯连作年限增加，连作后土壤碱解氮含量升高，在连作3 a和6 a时，碱解氮分别比对照升高了84.62%和169.23%；pH值分别比对照下降了3.45%和8.68%；速效磷和有机质含量显著下降，在连作3 a和6 a时，速效磷分别比对照下降了19.69%和34.10%，有机质分别比对照下降了27.46%和50.72%，可见土壤的养分比例失衡，理化性质变劣，尤其在连作6 a时较为严重(表1)。

2.2 马铃薯连作对土壤肥力相关酶活性的影响

结果显示(图1)，随马铃薯连作年限增加，土壤中碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均呈现显著下降(P<0.05)。在连作3 a和6 a时，碱性磷酸酶活性分别比对照下降了18.21%和36.34%，脲酶活性分别比对照下降了19.24%和35.72%，蔗糖酶活性分别比对照下降了18.30%和29.83%，过氧化氢酶活性分别为对照的44.96%和74.16%。

2.3 马铃薯连作对土壤酚酸类化感物质含量的影响

不同连作年限土壤中对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和总酚酸的含量测定的结果显示对羟基苯甲酸含量在连作3 a时大幅度升高，比对照高73.77%，连作6 a时比对照高33.61%；香草酸含量在连作3 a时比对照下降29.01%，在连作6 a时高于对照31.30%；阿魏酸和总酚酸含量随着连作年限的增长而增加，阿魏酸在连作3 a时含量增加，但与对照无显著差别，在连作6 a时都达到了显著差异水平，土壤中阿魏酸和总酚酸的含量分别比对照高51.64%、40.57%(图2A～D)。说明马铃薯连作后土壤中酚酸物质增加可能会对马铃薯产生自毒作用，影响马铃薯的生长。

表1 马铃薯连作对土壤理化性质的影响Table 1 Effects of potato continuous cropping on the soil chemical and physical properties

注:表中数据为平均值±标准差，同列不同小写字母表示在P<0. 05下差异显著，下同。

Note: The data indicates mean±SD. Different small letters in the same column mean significant difference atP<0.05.The same below.

图1 马铃薯连作对土壤肥力相关酶活性的影响Fig.1 Effects of potato continuous cropping on soil fertility-related enzymes activity

图2 马铃薯连作对土壤酚酸类化感物质含量的影响Fig.2 Effects of potato continuous cropping on soil phenolic acids contents

2.4 马铃薯连作对土壤微生物数量的影响

连作对马铃薯土壤微生物群落结构影响较大，土壤中细菌数量和放线菌数量呈下降趋势，细菌数量在连作3、6 a时比对照降低了80.61%、88.59%；放线菌数量在连作3、6 a时比对照降低了50.00%，84.21%，土壤生物活性下降。真菌数量随连作年限增加显著上升，在连作3 a和6 a时分别比对照升高了96.15%和253.85%(表2)。

土壤中细菌与真菌数量的比值(B/F)可以表征土壤肥力大小[23]，随着连作年限的增加，B/F值呈降低的趋势，连作6 a时最小，是对照(最大值)的3.224%。由此看来连作年限增加相对抑制细菌繁殖，改变了土壤微生物群落结构，削减了土壤肥力。

2.5 连作对马铃薯幼苗相对叶绿素含量、净光合速率、气孔导度和MDA含量的影响

连作显著影响了马铃薯幼苗的光合效率(P<0.05)，随着连作年限的增加，相对叶绿素含量、净光合速率、气孔导度均呈下降趋势，尤其在连作6 a 时分别比对照降低了13.30%、13.98%和50.00%(表3)。连作后的马铃薯叶片MDA含量呈上升趋势。统计分析显示，与对照相比，连作3 a和6 a马铃薯的MDA含量分别增加了41.93%和142.47%，膜脂过氧化程度加重，对马铃薯植株产生危害(表3)。

表2 马铃薯连作对土壤微生物数量的影响Table 2 Effects of potato continuous cropping on soil microorganism quantities

表3 连作对马铃薯幼苗相对叶绿素含量、净光合速率、气孔导度和丙二醛含量的影响Table 3 Effect of continuous cropping on SPAD value, net photosynthetic rate, stomatal conductance and the content of MDA of potato seedling

2.6 连作对马铃薯农艺性状的影响

马铃薯株高、茎粗、地上生物量和块茎产量随连作年限的增加都有所下降，在连作3 a和6 a时马铃薯株高、茎粗、地上生物量和块茎产量分别比对照下降了8.17%、29.13%、28.04%、17.07%和42.49%、54.40%、58.35%、61.79%。根长在连作3年时比对照显著增加了14.46%，但在连作6年时比对照下降了17.21%,达显著水平(表4)。

表4 连作对马铃薯农艺性状的影响Table 4 Effect of continuous cropping on agronomic characters of potato

3 讨 论

植物生长的首要条件是拥有良好的土壤环境，土壤肥力的高低体现在土壤肥力相关酶活性的强弱、理化性质的优劣及土壤微生物群落的多样性等方面[24]，这些指标是衡量土壤是否健康的关键指标。有研究得出连作会导致土壤理化性质和生物学活性的改变[25]，长期连作会导致土壤容重增大，土体紧实板结，结构性变差；还导致土壤孔隙度下降，透气性减弱，不利于农业生产实践。本文研究结果表明，随马铃薯连作年限的增加，土壤碱解氮含量上升(表1)，玉苏甫·买买提等[26]研究得出碱解氮随着棉花连作年限的增加而有规律性的增加，与本文结果基本一致，究其原因可能与施肥措施密切相关；土壤pH值与土壤中微生物区系的变化密切相关，进而影响多种营养元素的转化方向、转化过程、形态及养分的有效性[27]，本文结果表明随着连作年限的增加，土壤pH值减小，说明土壤出现了酸化趋势。刘来等[28]研究发现，长期连作会造成土壤pH值显著下降，引起土壤酸化，与本文结论一致，土壤pH值降低主要是由土壤酚酸含量的升高造成的，而土壤酚酸含量的增加会抑制土壤中磷元素转化的一些微生物的活动，降低土壤中磷酸酶活性，使得有效磷含量也随着pH值降低而降低。速效磷含量随着连作年限的增加明显下降，这与徐文修等[25]在棉田土壤进行的试验结果一致，速效磷的含量下降还与连作条件下马铃薯对磷的吸收有关，连作时间越长，马铃薯对土壤营养元素的吸收越多，为了试验对照的需要，每年的施肥量一致，马铃薯对土壤营养元素的需求增加速率大于土壤中磷的有效化速率，导致速效磷含量随连作年限的增加而降低。本试验表明随连作年限增加，有机质含量明显下降。这些指标的变化使得土壤的养分比例失调，理化性质变劣，土壤健康状况下降，尤其在连作6 a时较为严重(表1)。

连作条件下根系分泌物中的酚酸类化感物质在土壤中不断积累，引发自毒作用，影响种子萌发、植株生长、病原菌活性和土壤微生物组成[17]，本试验表明当马铃薯连作年限延长至6 a时，土壤酚酸类化感物质含量(除对羟基苯甲酸外)显著升高(图2)，造成土壤酸化，影响土壤肥力相关酶和微生物活性，这对土壤健康可能会带来一系列不良影响。

连作明显改变了土壤微生物量和种群分布，植物生长发育将做出适应性应答。有研究表明随着烟草连作年限的延长，细菌数量下降，青枯病病原菌数量减少，真菌数量增加[27]。马铃薯连作表现出与烟草连作相似的变化，即随连作年限的增加，土壤细菌和放线菌数量下降，真菌数量升高(表2)，表明连作促使土壤微生物环境从高肥的“细菌型”土壤向低肥的“真菌型”土壤转化。

由于连作导致根系生长的环境即土壤恶化，根系生长不良，从而导致矿质养分吸收受到影响，因而导致叶绿素含量下降。叶绿素含量降低会影响马铃薯在生长过程中叶片对光能的吸收转换利用，导致光合能力下降，从而使马铃薯叶片成熟较早、同化物积累量下降，造成植株生长下降，这是连作减产的原因之一[33]。本研究表明，连作后马铃薯幼苗叶片的净光合速率下降，叶绿素相对含量、气孔导度也随之下降(表3)，这些变化可能与较长年限的连作造成土壤肥力下降、营养供应缺乏有关，并由于土壤健康状况的恶化导致马铃薯幼苗受到胁迫作用。化感物质能够降低植物叶片中叶绿素含量和光合速率，特别是净光合速率，Patterson[34]研究表明酚酸类物质会引起大豆叶片光合作用的能力与叶绿素含量的下降，显著地抑制大豆的生长；杉木的化感物质抑制幼苗营养生长期叶绿素的合成代谢，降低净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，抑制幼苗生长[35]，本文中马铃薯表现出的随连作年限增加叶片净光合速率下降与连作过程中土壤化感物质积累可能具有密切的关联，这也是土壤健康影响马铃薯生长发育的一个方面。MDA含量通常反映细胞膜脂过氧化程度和植物遭受逆境伤害的程度；本研究发现，连作后马铃薯幼苗叶片MDA含量显著上升(表3)，表明连作年限的增加会加重脂质过氧化程度。

农艺性状的高低能够最直观地反映植物受到胁迫程度。本研究结果表明，随着连作年限增加，马铃薯株高、茎粗、地上生物量和块茎产量逐渐下降；在连作6 a时，土壤健康状况的重度恶化减弱了马铃薯幼苗对逆境的防御性反应及抗逆境能力，从而抑制了马铃薯的生长发育，造成马铃薯株高、茎粗、地上部分重、块茎产量均显著低于对照(表4)。

综上所述，马铃薯连作通过影响土壤理化性质、降低土壤肥力相关酶活性、增加土壤中酚酸类物质含量，改变土壤微生物组成，从而从整体上降低了土壤的健康状况，严重影响马铃薯生长发育。