不同类型砧木对西瓜连作障碍消减的影响

孟佳丽，吴绍军，余 翔，王夏雯

(江苏省农业科学院 宿迁农科所，江苏宿迁 223800)

西瓜[Citrulluslanatus(Thunb.)Matsum.et Nakai]起源于非洲，最早从埃及传入小亚细亚地区，一部分从该地区沿地中海北岸传入欧洲，19世纪中期由欧洲传入美国，又流传至南美；另一部分由波斯向东传播到印度，向北经过阿富汗，跨过帕米尔高原，沿着中国古代的丝绸之路传入西域、回纥，来到中国。唐朝时期，西瓜出现在中国的新疆，五代和宋辽时期，西瓜才传入中国内地[1]。

中国目前西瓜生产面积和消费量稳居世界第一。联合国粮食及农业组织(www.fao.org)统计数据表明，2016年中国西瓜种植面积为189万hm2，占世界西瓜生产总面积351万hm2的53.85%；总产量7924万t，占世界总产量11702万t的67.71%。中国西瓜生产主要有两大片区，北方片区包含华北平原和西北高原地区在内，该地区面积广阔，中国45%左右的西瓜均产自此处；南方片区为长江中下游地区，该区气候适宜，中国30%的西瓜产自此处[2]。

为了提早西瓜上市时间，获得较高的经济效益，保护地栽培技术在生产中应用越来越广泛。由于设施的不可移动性，加上多年持续生产，设施内部土壤长期超负荷使用，土壤盐渍化问题日益严重，病虫害加剧，西瓜枯萎病(Fusariumorysporum)[3]、根结线虫(Meloidogyne incognita)[4]大面积发生，连作障碍凸显。连作障碍的主要表现有：植株大面积死亡，生长发育迟缓，植株龙头不展，无果或小果，果实品质劣化等。其中最为严重的是导致植株死亡的枯萎病，由尖孢镰刀菌引起，多在伸蔓期及开花坐果期发病[5]。

连作障碍主要有3个原因：(1)土传病虫害。病原菌在重茬土壤中具有更好的繁殖条件，从植物根系分泌物和残茬腐解物吸收营养，数量不断增加。病原拮抗菌受到恶劣环境的抑制，数量迅速减少，导致土传病虫害的爆发。土壤病害不仅与植株的抗性有关，还与土壤的种类有关，例如在酸性土壤上番茄青枯病的发病率高于中性和碱性土壤[6]。(2)土壤理化性状劣化。保护地栽培施肥量巨大，加上常年覆盖塑料膜，土壤得不到雨水淋洗，土壤次生盐渍化加剧。农药化肥残留导致土壤中的离子浓度升高，缓冲能力变弱， pH下降，团粒结构受到破坏，土壤板结。(3)自毒作用。植物根系在生长过程中释放出化感物质，对下茬作物产生不利的影响。有研究表明茄果类、瓜类作物容易产生自毒作用[7]，例如茄子、番茄、黄瓜、西瓜和甜瓜等，但也有少数瓜类作物不容易产生自毒作用，例如丝瓜、南瓜和瓠瓜等。目前，已发现的自毒物质有苯甲酸、肉桂酸和水杨酸等，这些物质影响植株的离子、水分吸收及光合作用等，从而影响植株的正常生长。

连作障碍产生原因错综复杂，是作物-土壤系统内部诸多因素综合作用的结果，目前，没有彻底根治的方法，可通过3大类措施减缓连作障碍：(1)合理轮作套作。例如大棚西瓜-水稻轮作，草莓-西瓜轮作，大蒜-西瓜套作等。(2)土壤改良。添加土壤有益微生物例如芽孢杆菌，提高土壤中有益微生物质量分数；撒施消石灰或石灰氮调节土壤pH；增施有机肥，保持较好的土壤团粒结构等。(3)选用抗病品种或者嫁接。目前，嫁接已成为解决连作障碍的一项方便可行的技术。

20世纪20年代，日本及朝鲜地区最先出现了蔬菜嫁接技术，主要用于解决西瓜连作障碍。后来逐渐应用于其他瓜类和茄果类蔬菜的生产。50年代末期，蔬菜嫁接技术开始大面积的推广应用。20世纪70年代，嫁接技术出现在中国，主要用于解决西瓜连作问题[8]，10a之后西方国家才开始逐步引进。经过几十年的发展，嫁接栽培技术已经非常成熟，在日本和韩国，90%的西瓜生产应用的是嫁接苗；在美国，70%的番茄生产应用的是嫁接苗[9]。随着嫁接技术的普及，研究人员对植物嫁接过程中发生的一系列变化产生了兴趣，各类研究层出不穷。作为一种特殊的植物-植物互作共生现象，嫁接后砧木与接穗是如何进行细胞识别、物质运输及信息传递，砧木与接穗是如何防御病毒侵染及调控开花结果的机制等等问题引起了广泛的讨论[10]。

嫁接解决连作障碍的主要原因有3点：(1)砧木品种比接穗根系更强大，根系活力强，增强了养分吸收能力，提高植株的光合能力，这是砧木对接穗生长影响的主要表现。(2)抗病品种砧木的木质部比接穗的组织更厚，细胞结构更强，增强了根系的抗病性。(3)接穗和砧木之间有遗传物质的交流，一些小分子mRNA从砧木转移到接穗顶端，从而调控接穗的生长发育，提高植株防御酶的活性。

本研究采用红瓤中果型西瓜品种‘迁丽1号’为接穗，葫芦和南瓜分别作为砧木，通过比较新茬与连作条件下植株的生长状况、生理生化指标、土壤理化性状及微生物质量分数等，全面分析葫芦和南瓜2种不同类型的砧木对西瓜连作障碍消减的影响，初步探讨不同类型砧木对连作障碍的消减机制。

1 材料与方法

1.1 材料与处理

试验分别于2017年和2018年春季在宿迁市运河湾试验基地的日光温室大棚内进行。2017年春季的土地为新茬，2018年为去年种植过西瓜的连作土壤。

接穗品种为红瓤中果型西瓜‘迁丽1号’；砧木品种为南瓜砧木‘思壮’，葫芦砧木‘甬砧’；以‘迁丽1号’、葫芦、南瓜自根苗为对照。

选取饱满整齐一致的砧木和接穗种子，经过浸种催芽后，播种在穴盘中，昼夜温度分别控制在25 ℃左右和15 ℃左右。待砧木出现第1片真叶时，接穗出现2片子叶时，采用劈接法进行嫁接。前3 d进行遮光保湿，之后逐渐通风见光，成活后按照正常苗管理。

幼苗3叶1心时，挑选整齐的植株定植于钢架大棚内，采用随机区组设计，重复3次，共15个小区，每小区10株，株距55 cm，爬蔓栽培，田间管理参照本地早春设施西瓜管理方法进行。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 植株生长状况 移栽2个月后，统计蔓长。地上部及地下部干物质量：105 ℃烘干0.5 h后，80 ℃烘干2 h，称取干质量。叶绿素质量分数用手持式叶绿素测量仪SPAD-502Plus测定。每个处理重复3次。

1.2.2 生理生化指标 脱落酸(ABA)：样品提取和测定采用Bollmark等[11]方法，酶联免疫(ELISA)分析试剂盒由苏州科铭生物技术有限公司提供，参照Zhao等[12]方法进行。超氧化物歧化酶(SOD)：采用氮蓝四唑光化还原法测定。过氧化物酶(POD)采用愈创木酚法，测定方法参考《植物生理学实验技术》[13]。可溶性蛋白采用考马斯亮蓝法测定。均测定3次。

1.2.3 土壤理化指标 土壤电导率采用Mettler Toledo电导率仪SG3测定。土壤酸碱度采用Sartorius pH计PB-10测定。速效氮用碱解扩散法测定。速效磷采用钼锑抗比色法。速效钾采用火焰光度法测定。均测定3次。

1.2.4 土壤微生物检测 采用稀释平板法， 28 ℃恒温培养计数，每个稀释度重复3次。细菌、真菌和放线菌的培养基分别为牛肉膏蛋白胨培养基、马丁氏培养基及高氏1号培养基。

1.3 数据统计与分析

采用IBM SPSS Statistics 22软件对试验数据进行差异显著性及相关性分析，采用Microsoft Excel 2010绘图。

2 结果与分析

2.1 植株生长状况的变化

对比表1中西瓜自根苗在新茬与连作土壤上的生长情况可知，迁丽的蔓长、叶片数、干物质量、叶绿素质量分数等指标第2年连作种植时均有所降低，其中地上部干物质量、叶绿素质量分数指标差异显著，说明连作的确引起了西瓜植株长势的衰弱；经过嫁接之后，植株生长势变化减缓，第2年连作种植的迁丽嫁接苗在蔓长、叶片数、干物质量、叶绿素质量分数等方面与新茬西瓜自根苗之间差异不显著，说明嫁接对消减连作障碍确实起到一定的作用。表1表明，在新茬栽培条件下，嫁接植株比自根苗的生长势更加旺盛，迁丽-葫芦、迁丽-南瓜嫁接株的各项指标均值超过迁丽自根苗，但迁丽-葫芦与自根苗之间总体上无显著性差异，迁丽-南瓜嫁接苗的蔓长、地下部干物质量与迁丽-葫芦、自根苗差异显著，表明在新茬土壤中南瓜砧木的根系更为发达，具有更好的吸收能力。连作的迁丽-葫芦与新茬的迁丽-葫芦相比，叶片数和叶绿素质量分数等指标呈显著性差异；而连作的迁丽-南瓜与新茬的迁丽-南瓜相比，蔓长、地下部干物质量和叶绿素质量分数等指标均大幅度下降，呈显著性差异，这从另一方面印证了连作对瓜类产生的不良影响。迁丽-葫芦与迁丽-南瓜相比，每组数据变化幅度不大，未出现极显著差异，受到连作的影响较小，具有较强的稳定性。

茬口Crops类型Types品种Variety蔓长/cmVine length叶片数Number of blades地上部干物质量/gPlant dry mass地下部干物质量/gRoot dry mass叶绿素质量分数/(mg/g)Chlorophyll mass fraction新茬 自根Self-root迁丽Qianli112.00±14.93 bcB19.67±1.53 abA395.01±68.28 aAB20.10±1.91 bcB4.86±1.12 abcABCNew crop嫁接 Grafting迁丽-葫芦 Qianli-gourd130.67±5.03 bB21.00±2.65 aA410.87±32.13 aAB24.37±2.62 bB6.46±1.16 abAB迁丽-南瓜Qianli-squash176.67±15.82 aA20.67±2.08 aA414.72±57.07 aAB32.63±3.77 aA7.59±1.63 aA连作 自根Self-root迁丽Qianli102.67±7.02 cB18.00±2.00 abA281.66±19.30 bB16.18±2.69 cB2.57±1.05 dCContinuous嫁接 Grafting迁丽-葫芦Qianli-gourd110.67±3.06 bcB17.00±1.00 bA371.90±47.96 abAB21.98±3.83 bB3.23±1.01 cdBC迁丽-南瓜Qianli-squash130.00±13.00 bB18.00±1.00 abA436.98±75.88 aA23.40±3.03 bB4.20±1.35 bcdABC

注：不同小写字母表示0.05水平差异显著，不同大写字母表示0.01水平差异极显著，下同。

Note:Different lowercase letters indicate significant differences in 0.05 levels,and different uppercase letters indicate extremely significant differences in 0.01 levels,the same below.

2.2 植株生理生化指标的变化

脱落酸(ABA)是平衡植物内源激素和有关生长活性物质代谢的关键因子，具有促进植物水肥平衡和协调体内代谢的能力，能够有效调控植物的根冠比、营养生长和生殖生长。在不良环境下，植物体内的ABA质量分数会迅速增加，诱导酶的合成，增加植物的抗逆性。对比图1-A和E可知，在新茬和连作2种栽培条件下，嫁接苗与自根苗叶片中的ABA质量分数均高于根系。连作的植株叶片ABA质量分数高于新茬，根系ABA质量分数除了迁丽-葫芦外，自根苗和迁丽-南瓜嫁接苗也是均高于新茬。表明连作条件下，植物体内的ABA质量分数增加，通过与不同的激素协调互作，促进蛋白表达提高蛋白活性，达到抗逆的目的。超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)作为植物体内的保护酶，有清除活性氧和保护细胞膜结构的作用。对比图1-B和F可知，连作的迁丽自根苗中叶片和根系的SOD活性均低于新茬；连作的迁丽-葫芦叶片和根系的SOD活性均高于新茬；连作的迁丽-南瓜的叶片SOD活性低于新茬，根系SOD活性高于新茬。对比自根苗和嫁接苗可知，在连作条件下，自根苗的叶片和根系SOD活性均低于嫁接苗。迁丽-葫芦、迁丽-南瓜的根系SOD活性与自根苗差异显著，迁丽-葫芦的叶片SOD活性与自根苗差异显著。这一发现表明，与自根植株相比，嫁接株SOD活性更强，清除自由基的能力更强，活力更加持久，生存能力更强。

比较图1-C和G可知，在新茬栽培条件下，嫁接株的叶片及根系POD活性均高于自根苗，差异显著；在连作栽培条件下，无论嫁接苗还是自根苗，植株叶片及根系POD的活性均呈下降趋势，嫁接苗与自根苗叶片的POD活性差异不显著，但在根系中仍为极显著差异。由此可知，连作会导致植物体内POD活性下降，植物清除体内自由基的能力减弱，连作的植株将会比新茬的植株更快地走向衰亡。植物体内的可溶性蛋白多为酶类，是细胞的重要成分，参与细胞的各种代谢，其质量分数反映植物总代谢的能力。可溶性蛋白的增加能够提高细胞的保水性，保护细胞的生命物质及生物膜。由图1-D和H可知，新茬的自根苗叶片与连作的自根苗相比，可溶性蛋白质量分数几乎无差异，根系可溶性蛋白质量分数下降较多。新茬的迁丽-葫芦叶片中可溶性蛋白质量分数低于连作的迁丽-葫芦，差异不显著；根系可溶性蛋白质量分数高于连作的迁丽-葫芦，差异不显著。新茬的迁丽-南瓜叶片可溶性蛋白质量分数高于连作的迁丽-南瓜，差异显著；根系可溶性蛋白质量分数低于连作的迁丽-葫芦，差异不显著。从总体趋势上看，新茬的植株中叶片及根系的可溶性蛋白质量分数略高于连作的植株。笔者发现，嫁接苗中叶片和根系中的可溶性蛋白质量分数始终高于同等条件下的自根苗，进而可得出嫁接苗在生长过程中可溶性蛋白质量分数较高，有机物积累较多，有效减缓了植株衰老的结论。

图上不同小写字母代表差异显著(P<0.05) Lowercase letters represent significant differences(P<0.05)；不同大写字母代表差异极显著(P<0.01) Uppercase letters represent significant differences(P<0.01).下图同 The same below

图1 植株生理指标的变化
Fig.1 Changes of physiological indicators in plant

2.3 根际土壤理化性状的变化

由图2-A可知，连作导致葫芦、南瓜、迁丽-南瓜根际土壤的pH降低，其中迁丽-南瓜pH降低最为明显，达到极显著水平；迁丽自根苗及迁丽-葫芦嫁接苗pH则略有升高，但未达到显著水平。据唐小付等[14]研究报道，设施土壤pH随着设施种植年限的增加而逐渐降低，设施土壤出现酸化趋势。本研究的观察年限为连续2 a，仅有一处土壤出现差异显著性变化。由图2-B可知，连作土壤的电导率明显高于新茬，5组数据均达到差异显著水平。土壤电导率过高表明土壤中可溶性盐质量分数过高，离子浓度高时会阻碍植物根系对养分的吸收，导致植株根系受损甚至死亡。

由图2-C可知，连作土壤中的有机质质量分数普遍高于新茬土壤，其中葫芦根际土壤有机质质量分数略有降低，西瓜、南瓜根际土壤有机质质量分数略有升高，总体差异不显著；迁丽-葫芦、迁丽-南瓜根际土壤中有机质质量分数升高，差异极显著。这一现象可能与试验后期施肥管理有极大关系。由图2-D、E、F可知，土壤中速效氮、磷、钾元素变化有所不同。5种处理的连作土壤中氮元素质量分数均高于新茬土壤，但未出现显著差异；磷元素质量分数，南瓜根际土壤中略有降低，其他处理升高；钾元素质量分数，西瓜自根苗、迁丽-葫芦、迁丽-南瓜根际土壤升高，葫芦、南瓜低于新茬土壤。由此可以看出，葫芦、南瓜根系吸收钾的能力强于西瓜自根苗和嫁接苗。经过嫁接换根之后，增强了西瓜植株对钾元素的吸收，促进植物的光合作用及碳水化合物代谢，使植物提高了水分利用率和抗性。

图2 根际土壤理化性状的变化Fig.2 Changes in physical and chemical properties of rhizosphere soil

2.4 嫁接后根际微生物的变化

目前，土壤微生物指标被公认为是土壤生态系统变化的预警及敏感指标[15]，土壤微生物参与土壤有机质的分解，对土壤的修复起着重要的作用[16-17]。由表2可知，连作引起了土壤中细菌、放线菌和真菌数量下降。其中细菌总量迁丽自根苗由76.33×105cfu/g下降到20.00×105cfu/g，差异极显著；葫芦和南瓜分别由60.33×105cfu/g和57.67×105cfu/g下降到25.67×105cfu/g和44.00×105cfu/g，差异显著；嫁接后，迁丽-葫芦和迁丽-南瓜分别由38.67×105cfu/g、47.67×105cfu/g下降到 28.00×105cfu/g和38.00×105cfu/g，差异不显著。真菌数量未出现极显著差异，迁丽自根苗和迁丽-南瓜根际土壤真菌数量由24.33×104cfu/g和27.00×104cfu/g下降到10.67×104cfu/g和12.67×104cfu/g，差异显著，其余组别无显著差异。放线菌数量，最低为连作自根西瓜，仅有19.67×104cfu/g，与其他处理差异显著。

表2 西瓜连作种植对土壤微生物多样性的影响Table 2 Effect of continuous cropping of watermelon on soil microbial diversity

3 结论与讨论

在目前的研究中，不同砧木嫁接西瓜导致植株在蔓长、叶片数、干物质量、叶绿素质量分数等产生显著变化。本试验表明，迁丽-葫芦、迁丽-南瓜在连作条件下确实表现不尽相同。本试验不仅比较了西瓜自根苗在新茬与连作土壤中的表现，还对比了葫芦、南瓜砧木自根苗及迁丽-葫芦、迁丽-南瓜嫁接苗在新茬与连作土壤中的表现，从而更全面地研究不同砧木对西瓜生长的影响，进一步揭示不同类型的砧木如何影响西瓜接穗生长及提高西瓜抗病性。目前，相比葫芦砧木，南瓜更为广泛地被应用于西瓜嫁接生产中[18]。

在新茬栽培条件下，嫁接植株比自根植株生长势更加旺盛，迁丽-葫芦、迁丽-南瓜嫁接株的各项指标均值均超过了迁丽自根苗，其中迁丽-葫芦与自根苗之间各项指标无显著性差异，迁丽-南瓜嫁接苗蔓长、地下部干质量与迁丽-葫芦、自根苗差异显著，表明新茬的南瓜根系更为发达，具有更好的吸收能力。连作的迁丽-葫芦与新茬的迁丽-葫芦相比，叶片数、叶绿素质量分数等指标具有显著差异，连作的迁丽-南瓜的与新茬迁丽-南瓜相比，蔓长、地下部干质量和叶绿素质量分数等指标均大幅度下降，差异显著。迁丽-葫芦与迁丽-南瓜相比，每组数据变化幅度不大，未出现极显著差异。综上所述，与新茬栽培相比，连作的迁丽-葫芦有2组指标受到了不良环境的影响，未出现极显著差异；连作的迁丽-南瓜有3组指标受到了影响，并且其中的2组指标蔓长和地下部干质量出现极显著差异。由此可以推断，经过葫芦砧木嫁接后的植株比南瓜嫁接株受到连作的影响更小，具有更强的稳定性。

ABA被认为是植物应对逆境的主要调节激素[19]，本试验观察到，连作的植物叶片ABA质量分数均高于新茬的植物，连作的根系ABA质量分数除了迁丽-葫芦外，自根苗及迁丽-南瓜也是均高于新茬。无论在新茬还是连作条件下，迁丽-南瓜植株叶片及根系中ABA的质量分数均高于迁丽-葫芦嫁接株。表明在连作条件下，植物体内的ABA质量分数增加，通过与不同的激素协调互作，促进蛋白表达和提高蛋白活性，达到抗逆的目的。有研究[20]报道，在干旱条件下，ABA在根中产生并转移到叶片中。本研究的数据同样表明，连作条件刺激植物叶片中产生ABA，导致植物体内ABA质量分数增加，抗逆性增强。

可溶性蛋白作为一种植物体内重要的渗透调节物质和营养物质，起到保护细胞膜及提高植物细胞的保水性的目的，可溶性蛋白的质量分数体现了植物总代谢的水平[21]。本试验发现，连作的迁丽-葫芦叶片可溶性蛋白质量分数与新茬的迁丽-葫芦相比有较小幅度的提高，但差异不显著，根系可溶性蛋白质量分数减少，差异不显著；连作的迁丽-南瓜叶片可溶性蛋白质量分数比新茬的迁丽-南瓜少，差异显著，根系可溶性蛋白质量分数略有增加，差异不显著。总体来看，迁丽-葫芦的蛋白质量分数变化幅度小于迁丽-南瓜。

连作栽培中，土壤次生盐渍化和酸化的问题普遍存在[22]。本研究表明连作土壤的电导率明显高于新茬土壤，5组数据均达到差异显著水平。土壤电导率过高说明土壤中的可溶性盐质量分数过高，高离子浓度阻碍了植物根系对养分的吸收，致使植株根系受损。连作还导致葫芦、南瓜、迁丽-南瓜3种处理根际土壤pH降低，其中迁丽-南瓜的pH降低最为明显，达到极显著水平；迁丽自根苗及迁丽-葫芦嫁接株pH则略有升高，未达到显著水平。设施种植多年后，可能会导致电导率增加，pH下降，出现更为严重的土壤问题。

土壤微生物能够促进有机质分解和养分转化，微生物的组成和数量反映了土壤的生物活性水平[23]。土壤微生物的组成和数量受到土壤养分质量分数、作物类型以及作物感病与否等理化及生态因素的影响[24]。本研究表明，同一种作物的连续种植，特别是自根西瓜，引起了土壤中细菌、真菌和放线菌数量的降低。嫁接后，有效地减缓了这种趋势，但是微生物质量分数仍在减少。说明连作之后由于大量施肥和植物根系分泌物等形成了特殊的土壤环境，导致有益微生物的生长繁殖受到抑制，土壤的微生物区系发生变化，导致土传病害严重。