香蕉-甘蔗轮作对土壤养分含量及酶活性的影响

刘文清，崔广娟，王 芳，曾莉莎，吕 顺，杜彩娴，范镇夷，黄秉智

（1.东莞市香蕉蔬菜研究所，广东 东莞 523061；2.广东省农业科学院果树研究所，广东 广州 510640）

【研究意义】香蕉（Musaspp.）是芭蕉科芭蕉属草本植物，不仅是世界上最重要的水果之一，而且是一些发展中国家的主要食物来源，是仅次于水稻、小麦和玉米的世界第四大粮食作物［1］。据统计，2017年全国香蕉种植面积35.103万hm2，香蕉产量达1 116.98万t，占水果总产量的4.43%［2］。但在香蕉生产中，由于长期连作种植，造成土壤质量退化，土壤营养元素失衡，土壤酶活性降低，作物生育期延长，产量降低，品质变差等连作障碍［3］；同时，由于土壤中病原菌不断积累，香蕉枯萎病等土传病害加重，严重制约了香蕉产业的发展［4］。

【前人研究进展】目前，已报道选用抗病品种或砧木、改善栽培制度（轮作）、生物防治、调节土壤pH、增施有机肥或有机物料等多种克服连作障碍有效措施［5］，其中轮作是一种可以有效避免连作障碍的种植模式，可以增加生物多样性，维持土壤生境平衡，改善土壤肥力和土壤结构，提高土壤酶活性，减少虫害以及土传病害，提高作物产量等作用［6］。黄光荣［7］、阳显斌［8］研究表明蒜烟轮作烤烟根际土壤养分有效性升高，土壤酶活性增加，增加烟叶产量，改善烟叶质量；盖志佳等［9］发现大豆-玉米轮作提高了0～30 cm土层土壤养分含量；Laura等［10］的试验同样证明了大豆与小麦轮作之后，显著增加了土壤中有机碳的含量；王涛等［11］研究表明不同作物轮作对土壤理化性质的影响和缓解连作障碍的效果不同；符建平等［12］试验了5种不同蔬菜轮作体系，其中葱-萝与番茄轮作处理积累的有机质和全氮最多，花椰菜与番茄轮作处理的速效养分含量最高；孙展新［13］研究表明，随棉花连作年限的增加，棉田土壤中总酚含量不断增加，棉花轮作小麦、苜蓿能够调节长期连作土壤中的酶活性，降低土壤的生物毒性，而以轮作小麦对土壤过氧化物酶活性和蔗糖酶活性影响较大，小麦轮作棉花处理中过氧化氢酶和脲酶活性最高，中性磷酸酶活性在棉花和苜蓿轮作处理中最高。而香蕉与韭菜、水稻、木薯、茄子、菠萝等作物轮作，均有效改善了土壤中的连作障碍［14-18］。其中香蕉-韭菜、香蕉-水稻水旱轮作对香蕉枯萎病防效最好，但是韭菜、茄子等蔬菜作物市场需求量相对较小，且栽培模式与香蕉差异大，水稻、木薯效益较低，菠萝适宜种植区域窄，这些作物难以满足香蕉连片大规模生产，阻碍其大面积推广。

【本研究切入点】甘蔗是喜温喜光作物，也是华南地区广泛种植的农作物之一，与香蕉种植模式相近，且需求量大，种植经济效益较好，适合规模化生产。据清代屈大均著的《广东新语》记载：“增城之西洲，人多种蕉，种至三四年，即尽伐以种白蔗。白蔗得种蕉地，益繁盛甜美。而白蔗种至二年，又复种蕉”［19］。文中记载的香蕉与甘蔗轮作模式，为种植香蕉3～4年后再轮作甘蔗2年再复种香蕉，周而复始。前期的研究表明［20-21］，该轮作模式对香蕉枯萎病有良好的控制效果，香蕉-甘蔗轮作可调控土壤中酸杆菌目、假单胞菌目和土壤红杆菌目等特定种类细菌的变化，降低病原尖孢镰刀菌数量，从而减轻香蕉枯萎病的发生，结合此结果，本研究试图探明香蕉-甘蔗轮作后土壤养分含量、根系分泌自毒物质和土壤酶类活性的变化。【拟解决的关键问题】研究连作蕉地轮作甘蔗不同年限及回种不同年限的香蕉后，土壤养分元素和酶活性的变化，进一步从土壤养分层面探索香蕉-甘蔗轮作模式缓解连作障碍机制，为建立合理的香蕉轮作体系提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

田间试验位于广东省东莞市沙田镇中围村（113°9′E，23°8′N），该地属南亚热带季风气候，光照时间长，雨量充足，地势以冲积平原为主，土壤质地为轻黏壤土且较疏松，土层深厚，有机质丰富。供试甘蔗品种为广东黄皮果蔗；香蕉品种为农科1号，该品种为广州市农业科学研究院选育的中抗香蕉枯萎病品种。

1.2 试验方法

试验一：连作蕉地轮作甘蔗试验，与曾莉莎等［20］的研究为同一试验。即在东莞沙田选择连片香蕉地，分别种植多年香蕉后轮作1～3年甘蔗，包括连作香蕉多年（CK）、多年连作香蕉地-轮作甘蔗1年（GZ1）、多年连作香蕉地-轮作甘蔗2年（GZ2）、多年连作香蕉地-轮作甘蔗3年（GZ3）4个处理。

试验二：连作蕉地轮作甘蔗后回植香蕉试验，与林威鹏等［21］的研究为同一试验。即在东莞沙田连片香蕉地，连作多年香蕉轮作甘蔗2年后回种1～3年香蕉，包括香蕉连作地-轮作甘蔗2年（GZ2）、香蕉连作地-轮作甘蔗2年-回种农科1号1年（XJ1）、香蕉连作地-轮作甘蔗2年-回种农科1号2年（XJ2）、香蕉连作地-轮作甘蔗2年-回种农科1号3年（XJ3）4个处理。

每个处理3次重复，随机区组排列，每个处理小区长50 m、宽5 m，面积250 m2，小区之间由畦沟分隔开。

栽培方式：香蕉高畦深沟，双行种植，行距2.6 m，株距2.4 m，畦面宽4.5 m，畦深0.7 m，沟宽0.5 m，常规方法种植管理。甘蔗每米植蔗沟约种12个芽，每公顷有效茎约75 000条，以品字形或双轨窄幅排放，种茎与土壤紧贴，芽向排向两侧。种前施足基肥，常规方法种植管理。

1.3 土壤样品采集及测定

2013年10月在香蕉抽蕾挂果期(甘蔗收获期)，于试验地每个小区内采用五点取样法取样，在距植株20～30 cm的根围，采表层0～20 cm土壤（去掉0～5 cm的表土），室内风干过筛备用。

土壤样品送到中国农业科学院测试，采用ASI［22-23］方法测定土壤的pH值、有机质（OM）、交换性酸（AA）、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、总氮（N）、交换性钙（Ca）、交换性镁（Mg），有效磷（P）、有效钾（K）、有效硫（S）、有效铁（Fe）、有效铜（Cu）、有效锰（Mn）、有效锌（Zn）、有效硼（B）。

土壤含水量测定参照GB7172-87。土壤中总酚酸（Phenolic acid，PHA）含量测定采用磷钼酸-磷钨酸盐比色法［24］。土壤酶活性测定方法按照李振高的方法［25］，其中过氧化氢酶（Catalase，CAT）采用高锰酸钾滴定法，多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）采用没食子素比色法，转化酶（Invertase，Inv）采用硫代硫酸钠比色法、脲酶（Urease，Ure）采用比色法、碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase，ALP）采用比色法、纤维素分解酶（Cellulase，Cel）采用比色法。

试验数据采用EXCEL2003、SPSS21.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 香蕉地轮作甘蔗不同年限后土壤养分含量和酶活性的变化

2.1.1 香蕉地轮作甘蔗不同年限后养分含量、pH和交换性酸的变化 由图1可知，连作蕉地轮作甘蔗1年后土壤部分养分含量发生较剧烈变化。其中轮作甘蔗1年的土壤（GZ1）与多年连作的香蕉地（CK）相比，土壤中硝态氮（NO3--N）、总氮、有效硼含量小幅下降，分别下降25.87%、17.57%和14.63%；而交换性钙、交换性镁、有效铜、有效锰、有效锌含量大幅上升，比CK分别上升66.46%、102.08%、25.00%、79.25%、123.53%。

从图1可以看出，多年连作的香蕉地轮作甘蔗后土壤有效养分含量总体升高。其中土壤中有效磷、有效钾、有效硫含量均呈现随轮作甘蔗年限的增加而升高的趋势，GZ1、GZ2、GZ3有效磷含量比CK分别增加20.10%、18.61%、81.39%，有效硫含量比CK分别增加18.22%、45.48%、114.02%，而有效钾含量GZ1基本保持不变，GZ2、GZ3比CK分别增加22.70%、24.70%；土壤中NO3--N、N、B含量和Ca/Mg随着轮作甘蔗年限的增加呈先降后升的趋势，GZ2和GZ3土壤NO3--N、N、B含量和Ca/Mg比CK分别增加 146.13%和 224.80%、95.83%和 125.72%、214.63%和407.32%、37.04%和105.56%；土壤中Ca含量随着轮作甘蔗年限的增加呈先升高后回落再升高的趋势，GZ2和GZ3土壤Ca含量比CK分别增加37.04%、105.56%；土壤中Mg含量随着轮作甘蔗年限的增加呈先升后降趋势，GZ2和GZ3土壤Mg含量比CK降低22.92%和39.41%；而Zn含量随着轮作甘蔗年限的增加呈先升后降趋势，但均高于连作地；土壤中NH4+-N、OM、Fe、Cu、Mn含量在轮作地与连作地之间没有明显变化趋势。土壤pH值随着轮作甘蔗年限的增加呈现下降的趋势；而土壤交换性酸含量相反，随着轮作甘蔗年限的增加呈上升的趋势。

图1 香蕉地轮作不同年限甘蔗后土壤因子的变化Fig.1 Changes of soil factors after sugarcane rotation in banana field for different years

2.1.2 香蕉地轮作甘蔗不同年限后土壤酶活性和酚酸含量的变化 土壤酶一般是指土壤中具有生物催化能力的一些特殊蛋白质类化合物的总称，其活性的高低，可作为判断土壤肥力的指标之一。由表1可知，连作蕉地土壤与轮作甘蔗土壤不同酶之间活性存在显著差异。与连作蕉地土壤相比，土壤转化酶、脲酶活性在轮作甘蔗1年后基本保持不变，但在轮作甘蔗2年（GZ2）和3年（GZ3）后，均显著增加，比CK分别增加48.05%和118.94、50.71%和124.46%，两种酶随着轮作甘蔗年限的增加而呈增加的趋势。多酚氧化酶活性GZ1比CK显著降低41.62%，而GZ2和GZ3多酚氧化酶活性比CK分别增加42.55%和44.45%，总体呈现先降低后增加的趋势。而轮作甘蔗地土壤过氧化氢酶活性与连作蕉地差异并不明显。土壤碱性磷酸酶活性在轮作甘蔗1年显著升高，但随着甘蔗种植年限的增加，酶活性又下降到香蕉连作的水平。土壤纤维素酶活性轮作甘蔗地显著高于连作蕉地。土壤总酚酸含量波动较大，除GZ2与CK相比变化不明显外，GZ1和GZ3均显著低于连作蕉地。

表1 香蕉-甘蔗轮作不同年限后土壤酶活性和酚酸含量变化Table 1 Changes of soil enzyme activity and phenolic acid content after banana-sugarcane rotation for different years

2.2 蕉地轮作甘蔗2年后回种香蕉不同年限后土壤养分含量和酶活性变化

2.2.1 蕉地轮作甘蔗2年后回种香蕉不同年限后土壤养分含量、pH和交换性酸的变化 由图2可知，多年连作蕉地轮作甘蔗2年后回种香蕉不同年限后，土壤养分有效含量总体上呈现降低的趋势，不同指标变化有所不同。与甘蔗地（GZ2）相比，有机质（OM）、氨态氮（NH4+-N）随着回种香蕉年限的增加呈升高的趋势，其中回种3年的香蕉地（XJ3）比GZ2分别增加27.63%、500.63%；土壤中硝态氮（NO3--N）、有效磷、有效钾、有效硼、有效硫、有效锰、有效锌含量和Ca/Mg均呈下降的趋势，XJ3比GZ2分别下降 45.18%、9.41%、6.41%、72.09%、38.97%、28.85%、19.05%和9.46%。土壤pH值随着回种香蕉年限的增加呈升高的趋势；而土壤交换性酸含量相反，随着回种香蕉年限的增加呈降低的趋势。

图2 轮作2年甘蔗与回种不同年限香蕉土壤因子的变化Fig.2 Changes of soil factors after two years of sugarcane rotation and banana replanting for different years

2.2.2 蕉地轮作甘蔗2年后回种香蕉不同年限后土壤酶活性和酚酸含量的变化 由表2可知，与甘蔗地GZ2相比，回种香蕉2年（XJ2）后土壤中转化酶、脲酶、多酚氧化酶和纤维素酶活性显著下降，继续回种香蕉，土壤酶的活性继续下降，XJ3比GZ2分别降低41.08%、42.26%、59.24%、68.84%。而过氧化氢酶与碱性磷酸酶在回种香蕉前后无明显变化。土壤的酚酸含量在XJ1和XJ2与GZ2无显著差异，但在XJ3时显著上升，比GZ2增加22.06%。

表2 蕉地轮作甘蔗两年后回种香蕉不同年限后土壤酶和酚酸的变化Table 2 Changes of soil enzymes and phenolic acids after two years of sugarcane rotation in banana fields and of bananas replanting for different years

2.3 香蕉-甘蔗不同土壤指标及枯萎病发病率相关性分析

2.3.1 香蕉-甘蔗轮作土壤不同理化指标之间相关性分析 连作香蕉地轮作甘蔗及轮作甘蔗后回种香蕉土壤不同指标的Pearson相关性分析结果见表3。从表3可以看出，不同土壤酶活性之间存在一定相关性。Inv、Ure、PPO活性之间呈显著或极显著正相关，CAT活性与ALP活性存在极显著正相关（r=0.96，P=0.002），Cel活性与其他5种酶的活性之间不存在显著相关。

土壤养分含量与土壤酶活性之间存在一定相关性。如硝态氮（NO3--N）、有效硫、有效硼含量与Inv、Ure、PPO活性之间存在显著或极显著正相关，有效磷含量与Inv、Ure活性之间存在显著正相关，有效钾含量与PPO活性呈显著正相关，Ca/Mg与Inv、Ure活性之间存在极显著正相关。

不同养分含量之间也存在一定相关性。硝态氮（NO3--N）含量与总氮、有效钾、有效硫含量呈显著正相关，与有效硼含量及Ca/Mg之间存在极显著正相关，有效钾含量与总氮、有效硼含量呈显著正相关，有效磷含量与有效硫、有效硼含量呈显著或极显著正相关，有效硫含量还与Ca/Mg、有效硼含量呈显著或极显著正相关。

土壤pH值、AA含量与其他指标之间有密切联系。土壤pH值与土壤酶中Inv、Ure、PPO活性之间存在显著或极显著负相关，与土壤养分中硝态氮（NO3--N）、总氮、有效钾、有效硫、有效硼含量及Ca/Mg比值之间存在显著或极显著负相关。土壤AA含量与土壤酶中Inv、Ure、Cel活性之间存在显著正相关，与土壤养分中有效硫含量呈显著相关。

酚酸是根系主要分泌物，土壤中PHA与土壤酶中ALP活性和土壤中AA含量呈显著负相关，与土壤养分中OM、NH4+-N含量呈显著正相关。

2.3.2 香蕉-甘蔗轮作土壤不同理化指标与香蕉枯萎病发病率之间相关性分析 根据我们前期同一研究可知［20-21］，连作蕉地枯萎病平均发病率为49.15%；连作蕉地分别轮作甘蔗1年、2年和3年后，下茬香蕉枯萎病发病率分别为17.86%、1.79%和1.79%；轮作甘蔗2年后及回种香蕉1年、2年和3年后，下茬香蕉枯萎病发病率分别为1.79%、21.93%、25.80%。香蕉枯萎病发病率与土壤不同指标的Pearson相关性分析结果见表3。从表3可以看出，香蕉枯萎病发病率（DI）与土壤酶中Cel活性呈极显著负相关（r=-0.89，P=0.003），与土壤AA含量呈极显著负相关（r=-0.86，P=0.006），与土壤pH值呈显著正相关（r=0.77，P=0.027），与土壤养分中NO3--N、有效钾、有效硫、有效硼含量圼显著负相关（相关系数和显著性分别 为：r=-0.71，P=0.049；r=-0.76，P=0.030；r=-0.74，P=0.034；r=-0.74，P=0.038）。

表3 香蕉-甘蔗轮作土壤指标及发病率间相关性Table 3 Correlation between soil indicators and incidence during banana - sugarcane rotation

3 讨论

同一块土地上长期连续种植同一种作物或近缘作物，容易造成产量降低、品质变劣、生育状况变差等连作障碍［5］。其中香蕉长期连作易引起香蕉产量下降、质量降低、植株生长缓慢、生育期延长、枯萎病发病率持续增加等状况，造成严重经济损失，制约了香蕉产业的发展。引起连作障碍的原因多种多样，其中土壤理化性状劣变、自毒物质作用、微生态环境失衡引起土传病害等及其协同作用是造成连作障碍主要因子［26］。轮作是避免和减少连作障碍及土传病害发生的一种传统而有效的农业种植模式，合理轮作可以调节土壤养分有效性等土壤理化性状，消减自毒物质积累，改善微生态环境，减轻病害发生［11，27-29］。

土壤理化性状劣变主要体现在土壤养分有效性降低、土壤养分失衡和土壤酶的活性降低，前人研究表明，香蕉多年连作易引起土壤养分失衡，合理轮作可提高土壤质量。赵艳等［3］、钟爽等［30］、陈明智等［31］研究发现，随着连作年限的增加，土壤有机质和pH值出现不同程度的下降，土壤速效磷、速效钾等大量元素含量出现强烈的富集，土壤交换性钙和有效铜出现不同程度的富集，有效硼、有效硫、有效锌出现不同程度的亏缺，香蕉长期连作改变了蕉园土壤中的养分比例，导致土壤中营养元素比例失调，从而影响了香蕉生长。香蕉轮作木薯、茄子、菠萝、甘蔗、辣椒、冬瓜可有效提高土壤养分有效性，改善土壤质量［14，18，32-33］。本研究结果表明，土壤pH随着甘蔗轮作年限增加而降低，随着回种香蕉年限的增加呈升高趋势；相反，土壤交换性酸、硝态氮、有效磷、有效钾、有效硫、有效锌、有效硼含量和Ca/Mg比值随着甘蔗轮作年限增加而增加，随着回种香蕉年限的增加呈降低的趋势。这些指标能较好地反映了香蕉-甘蔗轮作和连作土壤质量的变化和效果。

土壤酶是土壤中的重要组成成分之一，其活性的高低在植物生长过程中发挥着重要的作用［34］，土壤酶活性在一定程度上反映了土壤所处的状况，且对环境等外界因素引起的变化较敏感，是反映土壤生态系统变化的敏感指标，可作为衡量土壤肥力水平的指标［35-36］。之前有研究发现，随着连作年限的增加，土壤中的酶活性存在下降的趋势［37］。杨威等研究发现，与黄瓜单一种植相比，轮作条件下土壤酶活性及养分含量均明显提高，脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性在3个采样时间点分别提高20%以上［38］。刘敏等研究丹参栽培地轮作期间土壤酶的变化，发现不同酶种类变化趋势存在差异，碱性磷酸酶和多酚氧化酶活性均有降低的趋势，而碱性磷酸酶则是先降低后升高，脲酶和过氧化氢酶活性呈上升趋势［39］。陈明智等［31］研究了连栽香蕉园土壤酶活性的变化，发现多年连作蕉园土壤过氧化氢酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性呈现先降后升的趋势。而蕉地轮作韭菜后，磷酸酶、转化酶、脲酶及纤维素酶活性显著升高［40］；轮作木薯3年后土壤过氧化氢酶和脲酶活性均显著增加，而蔗糖酶活性却显著降低［14］。本研究结果表明，在香蕉-甘蔗轮作土壤中转化酶、脲酶、多酚氧化酶、纤维素酶活性随着甘蔗轮作年限增加而增加，随着回种香蕉年限的增加而呈降低的趋势。这些酶指标也较好地反映了香蕉-甘蔗轮作和连作土壤质量的变化和效果。

土传病害加重是连作主要障碍之一，轮作可通过调节某些土壤酶和理化指标，调控某些土传病害发生。董鲜研究表明，NO3--N处理可增加植株抗病相关的Ca、Mg、Fe、Mo矿质元素的吸收，诱导香蕉苗木质素形成，使其木质化程度增加，从而维持较高的光合作用，保持较高的抗病水平［41］。姬华伟等研究表明，锌离子可能通过降低香蕉尖孢镰刀菌镰刀菌酸产量有效降低香蕉枯萎病的发病率［42］。赖朝圆等研究表明，土壤pH值、速效磷含量和可培养细菌数量均与可培养尖孢镰刀菌数量呈显著负相关关系［33］。本研究结果表明，香蕉枯萎病发病率与土壤pH值呈正相关，与土壤酶中纤维素酶活性、交换性酸含量、与土壤养分中硝态氮（NO3--N）、有效钾、有效硫、有效硼含量呈负相关。结果印证了与董鲜、赖朝圆等的发现，但与赖朝圆［33］的结果土壤pH值与可培养尖孢镰刀菌数量呈显著负相关关系相反。充分说明枯萎病的危害程度与土壤养分含量和酶的活性有密切关系。

本研究中，连作蕉地轮作甘蔗2、3年后，pH值逐年下降，土壤中转化酶、脲酶、多酚氧化酶、纤维素酶活性呈持续升高趋势，交换性酸、硝态氮、有效磷、有效钾、有效硫、有效锌、有效硼等养分含量和Ca/Mg比值呈持续增大的趋势，说明轮作甘蔗有效地提高了土壤质量。相对连作蕉地，轮作甘蔗2年（GZ2）后，硝态氮、有效磷、有效钾、有效硫、有效锌、有效硼含量和Ca/Mg比值等指标已得到较大改善；土壤中转化酶、脲酶、多酚氧化酶、纤维素酶活性GZ2比连作蕉地（CK）显著升高，并且GZ2对香蕉枯萎病已取得较好防控效果。因此，多年连作蕉地轮作甘蔗2年即可取得较好提高土壤质量的效果。由于香蕉的效益相对甘蔗高，在以香蕉为主的香蕉-甘蔗轮作中，结合香蕉抗病品种，轮作甘蔗2年是一个较好的选择。这与古人的实践一致［19］，与香蕉-菠萝［18］轮作年限相近，比香蕉-木薯［14］轮作效果好。

本研究中，轮作甘蔗2年回种香蕉2年（XJ2）后土壤转化酶、脲酶、纤维素酶活性和交换性酸含量、Ca/Mg比值仍高于连作蕉地，但多酚氧化酶、pH值和硝态氮、有效磷、有效钾、有效硫、有效硼等养分含量低于或接近于连作蕉地水平，土壤质量开始恶化；回种香蕉3年（XJ3）后除纤维素酶活性和交换性酸含量及Ca/Mg比值高于连作蕉地水平外，其他指标低于或接近于连作蕉地水平，香蕉枯萎病发病率也升高［20］，土壤质量已严重恶化，再继续种植严重影响香蕉生长和发育。因此，轮作甘蔗2年后回种香蕉以3年为宜。

4 结论

综上所述，土壤中转化酶、脲酶、多酚氧化酶、纤维素酶活性，pH值、交换性酸含量和硝态氮、有效磷、有效钾、有效硫、有效锌、有效硼等养分含量及Ca/Mg比值等能比较客观反映香蕉-甘蔗轮作土壤质量变化的指标；根据这些指标的变化，多年连作蕉地轮作甘蔗2年即可较好地改善土壤质量，减轻连作障碍；轮作甘蔗2年后，回种香蕉以3年为宜。本研究为香蕉-甘蔗轮作模式的进一步研究和生产上香蕉枯萎病防控提供参考。