沟垄覆膜对连作马铃薯土壤酶活性、理化性状及产量的影响

要 凯 赵章平 康益晨 张卫娜 石铭福 杨昕宇 范艳玲 秦舒浩



沟垄覆膜对连作马铃薯土壤酶活性、理化性状及产量的影响

要 凯 赵章平 康益晨 张卫娜 石铭福 杨昕宇 范艳玲 秦舒浩*

甘肃农业大学园艺学院, 甘肃兰州 730070

以当地主栽品种“新大坪”为试验材料, 采用大田定位试验,研究了平畦不覆膜(CK)、平畦覆膜(T1)、全膜垄播(T2)、全膜沟播(T3)、半膜垄播(T4)、半膜沟播(T5) 6种栽培模式对连作马铃薯土壤酶活性、理化性状及产量的影响。结果表明, 沟垄覆膜栽培可不同程度提高马铃薯连作田土壤过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶的活性, 其中T2对3种酶活性的提高效果最为显著; 沟垄覆膜可降低土壤pH, 从而改善马铃薯根际土壤的理化性状, 且以T2对土壤化学性质的改善最为明显, 沟垄覆膜可不同程度提高土壤电导率; 此外, 沟垄覆膜栽培还可以显著提高马铃薯块茎的产量, 其中T2增产幅度最高可达75%。本研究以期为半干旱地区马铃薯连作障碍的克服及提高马铃薯产量提供理论依据。

沟垄覆膜; 连作马铃薯; 土壤理化特性; 土壤酶活性; 产量

马铃薯(L.)是典型的粮菜兼用型作物[1]。陇中半干旱地区降水量稀少、栽培技术和配套设施落后、水肥等资源利用效率不高、生产力低下, 极大地限制了马铃薯产业的稳定和可持续发展[2-4]。随该区马铃薯种植面积不断扩大, 可耕地面积逐年减少, 再加上其他作物的争地, 陇中半干旱地区马铃薯连作现象已极其普遍[5-6]。有研究表明, 长期连作使马铃薯田酶活性及理化性质改变, 从而产生连作障碍, 导致马铃薯植株生长发育不良[7], 产量严重下降, 抗病能力减弱, 病害频发[8-9]。

近年来, 覆膜种植方式在小麦、玉米及大豆等多种作物上广泛应用[10-12], 可起到改良土壤性状、抗旱增收的效果。在旱作马铃薯覆膜种植方面, 研究主要集中在覆膜对马铃薯田土壤水分及马铃薯品质影响[13-14]。但有关不同栽培方式对短期连作旱区马铃薯土壤性质影响的报道较为少见。研究不同栽培模式对马铃薯连作过程中土壤酶活性、理化性质及产量的影响以改善马铃薯根际土壤健康状况, 对于陇中半干旱地区克服马铃薯连作障碍极其重要。本研究采用大田定位试验, 研究不同沟垄覆膜栽培模式对连作马铃薯土壤酶活性、土壤理化性质及产量的影响, 以期为陇中半干旱地区马铃薯连作障碍的克服及提高马铃薯产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

甘肃农业大学定西市农业科学研究院试验站(104°35′E, 35°33′N), 海拔1950 m, 年平均气温6.4°C, 年降水量391 mm, 积温2239.1°C, 年蒸发量1531 mm, 干燥度2.53; 土壤类型为黄绵土, 土层深厚, 肥力中等, 凋萎系数为7.3%, 为典型的半干旱雨养农业区[15]。前茬作物为菊芋。2016年3月测定土壤理化性状如表1所示。

表1 试验地土壤化学性质

1.2 试验设计

2016年3月—2018年11月大田定位连作试验设平畦不覆膜(CK)、平畦覆膜(T1)、全膜垄播(T2)、全膜沟播(T3)、半膜垄播(T4)、半膜沟播(T5) 6种种植模式。以当地主栽品种‘新大坪’为试验材料, 3次重复, 随机排列; 区组间距2 m, 小区间距1.5 m, 小区面积6.6 m × 10.0 m, 株距35 cm, 平均行距55 cm (图1)。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤化学性质 采用雷磁DDSJ-308A电导率仪测定[16]土壤电导率, 采用雷磁PHS-30E pH计测定pH。

1.3.2 土壤酶活性 用KMnO4滴定法测定过氧化氢酶活性, 结果以单位土重消耗0.02 mol L-1KMnO4的体积表示, 单位为mL g-1; 采用苯酚钠次氯酸钠比色法测定脲酶活性, 结果以每100 g土的NH4+-N毫克数表示, 单位为mg g-1; 用磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶活性, 结果以每100 g土壤中酚毫克数表示, 单位为mg g-1[17]。

1.3.3 产量 按各小区单收计产, 并根据小区面积换算成每公顷产量。

1.4 数据处理

应用Origin 2018软件作图, SPSS 19.0分析数据, LSD法检验处理间差异性。

2 结果与分析

2.1 沟垄覆膜栽培对马铃薯连作田土壤酶活性的影响

2.1.1 土壤过氧化氢酶活性 由表2可知, 随连作年限的增加, 各种植模式土壤过氧化氢酶活性均呈下降趋势。种植前2年, 土壤过氧化氢酶略有降低; 从第3年起, 土壤过氧化氢酶活性大幅降低。2016年苗期除T5外, 其他各处理均与CK差异显著, 其中T2比CK高出5.85%。盛花期T2酶活性最高, 达20.86 mL g-1, 但各处理之间酶活性并无显著差异。收获前T1与CK间差异显著, T2处理过氧化氢酶活性最高, 达20.58 mL g-1。2017年, 盛花期时过氧化氢酶活性表现为T2>T5>T4>T3>T1>CK, 其中T2与CK间差异显著。收获前各处理过氧化氢酶活性均高于CK, 其中T2与CK间有显著差异, 增幅为1.54%。2018年, 苗期T1、T2、T3、T4、T5分别是CK的1.36、2.31、2.01、1.86和1.72倍, 其中T2显著高于CK。盛花期时T1、T2、T3、T4、T5分别比CK提高18.04%、80.86%、76.39%、67.29%和58.34%, 其中T2与CK间差异显著。收获前T1、T2、T3、T4、T5分别比CK提高7.42%、89.57%、42.18%、73.77%和26.77%, 其中T2、T4与CK间有显著性差异。由上可知, 沟垄覆膜可提高马铃薯根际土壤过氧化氢酶活性, 其中全膜垄播(T2)栽培模式对过氧化氢酶活性提高效果最为明显。

图1 沟垄覆膜栽培模式示意图

表2 沟垄覆膜连作种植马铃薯对土壤过氧化氢酶活性的影响

CK: 平畦不覆膜; T1: 平畦覆膜; T2: 全膜垄播; T3: 全膜沟播; T4: 半膜垄播; T5: 半膜沟播。不同小写字母表示在0.05水平下不同处理差异显著。

CK: including flat plot without mulching; T1: flat plot with mulching; T2: planting on-ridge with full mulching; T3: planting on-furrow with full mulching; T4: planting on-ridge with half mulching; T5: planting on-furrow with half mulching. Value within the same column followed by different letters are significant by different at< 0.05.

2.1.2 土壤脲酶活性 由表3可知, 2016年各处理马铃薯全生育期内土壤脲酶活性均呈先升高后降低的趋势, 且升降幅度较大, 从苗期到收获前土壤脲酶活性均为T2最高, CK最低。苗期各处理与CK间均有显著差异, 各处理是CK的1.23、5.16、4.10、4.34和3.78倍。盛花期时各处理脲酶活性与CK相比分别提高15.55%、29.77%、10.52%、19.63%和13.51%, 其中T2与CK间有显著差异。收获前土壤脲酶活性表现为T2>T4>T3>T5>CK>T1, T2比对照高出41.58%。2017年土壤脲酶活性与2016年相比有下降趋势, 在盛花期分别是CK的1.74、1.89、1.34、1.91和1.57倍, 其中T1、T2、T4与对照间有显著差异。到收获前沟垄覆膜处理与CK相比分别提高26.16%、28.19%、16.86%、20.93%和8.43%, 沟垄覆膜处理与对照间均有显著差异。2018年马铃薯全生育期内土壤脲酶活性与2016年相似, 呈现出先升高后降低趋势, 各时期均以T2活性最大。苗期沟垄覆膜处理与CK间均有显著差异, 各处理分别是CK的1.37、2.49、2.36、1.70和2.32倍。盛花期时沟垄覆膜处理与CK相比提高25.71%~90.34%, T4与CK间差异显著。收获前各处理分别比CK提高4.62%、54.91%、47.39%、43.93%和45.08%。综上可知, 脲酶活性随连作年限的增加而逐渐降低, 在马铃薯全生育期内呈现出先升高后降低的趋势。沟垄覆膜处理可以有效提高马铃薯脲酶活性, 从而有效抑制连作障碍, 其中以T2抑制效果最为明显。

表3 沟垄覆膜连作种植马铃薯对土壤脲酶活性的影响

处理同表2。Treatments are the same as those given in Table 2.

2.1.3 土壤碱性磷酸酶活性 由表4可知, 前2年马铃薯田碱性磷酸酶呈现升高趋势, 栽培马铃薯至第3年时, 土壤碱性磷酸酶活性出现降低趋势, 但降低幅度不大。2016年苗期除T5外其余各处理与对照差异达均达显著水平, 沟垄覆膜处理相比CK分别高出7.62%、31.06%、17.97%、30.19%和2.14%。盛花期各处理脲酶活性与CK相比提高幅度为0.50%~8.86%, 收获前酶活性表现为T2>T4>T5>T1>T3>CK, 其中T2土壤碱性磷酸酶活性达28.85 mg g-1。2017年, 苗期各处理脲酶活性与CK相比提高幅度为8.48%~26.19%。盛花期表现为T2>T4>T5> T1>T3>CK, 其中T2、T3、T4分别比CK高出22.40%、17.72%和23.16%。收获前酶活性从高到低依次为T2、T4、T1、T3、T5和CK, 其中T2、T4与CK间有显著差异。与2017年相比, 2018年土壤碱性磷酸酶活性开始降低, 苗期T2显著高于CK, 达26.64 mg g-1。在盛花期时各处理间无显著差异。收获前表现为T2>T4>T3>T5>T1>CK, 其中T2和T4与对照间差异达显著水平。综上, 在3年种植过程中, 各时期土壤碱性磷酸酶活性均是CK最低、T2最高。沟垄覆膜处理可以有效提高连作马铃薯田土壤碱性磷酸酶活性, 其中全膜垄播种植方式对脲酶活性提高效果最为明显。

表4 沟垄覆膜连作种植马铃薯对土壤碱性磷酸酶活性的影响

处理同表2。Treatments are the same as those given in Table 2.

2.2 沟垄覆膜栽培对马铃薯连作土壤理化性状的影响

2.2.1 沟垄覆膜对马铃薯连作土壤pH的影响 由图2可知, 在2年连续种植过程中, 马铃薯田土壤pH有一定的降低趋势。2016年马铃薯全生育期CK与T2处理下pH表现出先升高后降低的趋势, 其余各处理均表现出降低趋势。苗期处理T2与CK间有显著差异, 各处理下酸碱度表现为T1>T4>T5>CK>T3>T2; 盛花期各处理与CK显著差异, 各处理酸碱度分别比CK降低2.31%、3.58%、2.87%、1.45%和1.45%; 收获前各处理酸碱度分别比CK降低2.05%、2.18%、0.42%、0.75%和1.93%, 沟垄覆膜处理均与CK间差异显著。2017年各处理pH呈现出先升高后降低的趋势, 苗期各处理间pH差异未达显著水平。盛花期时沟垄覆膜处理均与CK有显著差异, 分别比CK降低2.52%、3.88%、3.21%、5.18%和5.61%。

2.2.2 沟垄覆膜栽培对马铃薯连作土壤电导率的影响

由图3可知, 2016年苗期, 各处理间根际土壤电导率无显著差异, 表现为T2>T5>T4>T1>CK>T3。盛花期各处理电导率比CK提高6.22%、26.54%、12.28%、8.13%和5.23%, 其中T2与对照有显著差异。收获前各处理电导率比CK提高14.81%~38.50%, 其中T2与CK间有显著差异; 2017年马铃薯全生育期内, 沟垄覆膜处理电导率均高于CK。苗期各处理电导率分别比CK提高4.53%、30.44%、4.63%、22.90%和12.90%, 其中T2与CK有显著差异, 盛花期电导率表现为T3>T2>T1>T4>T5>CK, 其中T1、T2、T3与对照间有显著差异。收获前各处理电导率分别是CK的1.48、1.56、1.47、1.37和1.54倍, 沟垄覆膜处理均与对照间有显著性差异。

2.3 沟垄覆膜栽培对连作马铃薯产量的影响

由图4可知, 前2年间产量没有明显变化, 第3年种植过程中产量大幅度下降; 3年均以平畦不覆膜产量最低。2016年产量表现为T2>T1>T4>T5>T3>CK, 各处理均与CK间差异显著, 增产幅度为32.39%~51.70%。次年各处理产量分别是CK的1.48、1.75、1.63、1.65和1.66倍, 除T1外其余各处理均与CK间差异显著, 其中以T2增产幅度最高, 达75%。2018年种植过程中产量从高到低为T2、T3、T5、T4、T1、CK, 各处理均与对照间有显著差异, T1、T2、T3、T4、T5增产百分比为35.29%、67.65%、57.84%、51.30%和52.94%。

图2 2016−2017年沟垄覆膜连作种植马铃薯对土壤pH的影响

标以不同小写字母的柱值在0.05水平下不同处理差异显著, 误差线指标准误。处理同表2。

Values followed by different lowercase letters are significant by different at< 0.05, the error line is the standard error. Treatments are the same as those given in Table 2.

图3 2016−2017年沟垄覆膜连作种植马铃薯对土壤电导率的影响

标以不同小写字母的柱值在0.05水平下不同处理差异显著, 误差线指标准误。处理同表2。

Values followed by different lowercase letters are significant by different at< 0.05, the error line is the standard error. Treatments are the same as those given in Table 2.

图4 沟垄覆膜连作对马铃薯块茎产量的影响

标以不同小写字母的柱值在0.05水平下不同处理差异显著, 误差线指标准误。处理同表2。

Values followed by different lowercase letters are significant by different at< 0.05, the error line is the standard error. Treatments are the same as those given in Table 2.

3 讨论

有关土壤酶与连作障碍之间关系的探索, 在棉花、烟草、花生、草莓和黄瓜等作物[18-22]上已经有了一定的研究。但由于作物种类、栽培方式、土壤理化性状和土壤养分之间的差异, 其研究结果也不尽相同。土壤中的过氧化氢对生物体有毒害作用, 过氧化氢酶能够分解土壤中过多的过氧化氢, 使植物避免受到过氧化物的伤害, 另外, 分解的产物可以为生物提供必要的生长发育物质。脲酶在土壤中广泛存在, 直接参与土壤有机氮的转化, 一定程度上可以反映出土壤供氮水平的状况。碱性磷酸酶是土壤中最为活跃的酶之一, 可以促进土壤中无机磷酸盐或有机磷酸化合物转化为无机态磷, 更好地被植物利用[22]。本研究表明, 连作会使土壤过氧化氢酶活性、脲酶活性和碱性磷酸酶活性降低, 但沟垄覆膜种植方式可以有效抑制其降低趋势, 这与王东[23]、许丽婷[24]的研究结果一致。现条件下关于土壤化感物质和微生物的分离鉴定一直是个难点, 将其与土壤酶、土壤养分状况等指标结合研究连作对土壤微环境的影响, 以探明连作条件下土壤生理生态变化是今后研究的方向[18]。

土壤理化性质受多种因素的影响, 是土壤养分含量、有机质含量、气候条件和土壤微生物活性等因素综合作用的结果[25-27], 沟垄覆膜通过改善植物生长发育的微环境, 进而改良土壤理化性质。张文明等[28]研究发现, 随着马铃薯连作年限的增加, 有机酸类物质有增加的趋势, 而有机酸会将其H+释放, 导致土壤酸化。本研究表明, 土壤pH随着马铃薯连作年限的增加有一定程度降低。在连续3年种植过程中均以全膜垄播pH最低, 平畦不覆膜处理pH最高, 沟垄覆膜处理可以降低马铃薯根际土壤pH, 从而有效抑制旱作地区马铃薯土壤的盐碱化。电导率为0.40 ms cm-1是马铃薯的耐盐极限, 此时马铃薯减产幅度可达到48%[29]。本研究表明, 在马铃薯全生育期未达马铃薯的耐盐极限。在连续2年种植过程中, 各时期均是平畦不覆膜的电导率最低, 沟垄覆膜模式提高了土壤电导率。因此, 沟垄覆膜可以有效提高马铃薯根际土壤电导率, 从而改善土壤理化性质, 促进马铃薯增产。刘妍等[30]、段萌等[31]研究发现地膜覆盖种植方式会使花生和玉米增产。本研究结果表明, 沟垄覆膜连作方式可显著提高马铃薯产量, 这与孙梦媛等[32]的研究结果一致, 其中以全膜垄播种植方式增产最为显著, 增幅最高可达75%。

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Effects of ridge-furrow mulching on soil enzyme activity, physicochemical properties and yield in continuous cropping potato field

YAO Kai, ZHAO Zhang-Ping, KANG Yi-Chen, ZHANG Wei-Na, SHI Ming-Fu, YANG Xin-Yu, FAN Yan-Ling, and QIN Shu-Hao*

College of Horticulture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China

A local variety “Xindaping” was planted in the yield for three-year continuous cropping under six planting patterns, including flat plot without mulching (CK), flat plot with mulching (T1), planting on-ridge with full mulching (T2), planting on-furrow with full mulching (T3), planting on-ridge with half mulching (T4) and planting on-furrow with half mulching (T5). The catalase activity, urease activity and alkaline phosphatase activity were improved under T2, and ridge-furrow plastic-mulching planting pattern reduced soil pH. Especially, T2 has the most obvious effect on the improvement of physicochemical properties of potato rhizosphere soil, and the conductivity was raised by ridge-furrow mulching cultivation pattern. Compared with CK, ridge-furrow plastic-mulching planting pattern significantly increased potato yield, which was up to 75% in T2. This study aims to provide a theoretical basis for overcoming potato continuous cropping obstacles and increasing potato yield in semi-arid areas.

ridge-furrow and film mulching; continuous cropping potato; soil physicochemical properties; soil enzyme activity; yield

2019-01-10;

2019-04-15;

2019-05-08.

10.3724/SP.J.1006.2019.94007

秦舒浩, E-mail: qinsh@gsau.edu.cn

E-mail: 2023195594@qq.com

本研究由国家重点研发计划项目子课题(2018YFD020080308-1), 国家自然科学基金项目(31260311), 甘肃省自然科学基金项目(1606RJZA034)和国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-09-P14)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFD020080308-1), the National Natural Science Foundation of China (31260311), the Natural Science Foundation of Gansu Province (1606RJZA034), and the China Agriculture Research System (CARS-09-P14).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190506.0950.004.html