3 种作物幼嫩茎叶干粉对连作辣椒幼苗生长及根际土壤生物特性的影响

张福建，王馨悦，陈 昱，王 丰，范淑英，吴才君*

（1 江西农业大学农学院，江西南昌 330045；2 上海市农业科学院生物技术研究所，上海 201106）

辣椒(Capsicum annuumL.)是我国重要的经济作物。随着辣椒种植面积的逐年扩大，在获得高效益的同时也带来了严重的连作障碍问题[1]。研究表明，将农作物茎叶直接或间接的翻埋到土壤中能够缓解连作障碍的发生[2-3]。玉米茎叶还田可以改善烤烟农艺性状，提高烟叶产量和产值，降低烟叶含梗率[4]。小麦茎叶覆盖能有效促进杂交稻各生育时期的根系生长、改善根系形态、增加各时期的干物质与氮素积累，提高氮肥的利用效率及稻米产量[5]。研究表明，增加土壤中细菌和放线菌数量，降低真菌数量，土传病害发生概率就会下降，连作障碍进而减轻[6]。大多放线菌能产生抗菌素，拮抗病原微生物，增加植物抵抗病害的能力[7]。农作物茎叶腐解能够提高土壤中细菌、真菌和放线菌的数量，形成新的微生物群落结构[8]。翻埋小麦、水稻和芥菜茎叶可以提高土壤各菌群PLFA含量和微生物物种丰富度指数[9]。耕翻作物可以使土壤真菌和嫌气性细菌数量减少，放线菌和好气性细菌数量增加[10]。在不同水稻栽培模式下，小麦茎叶腐解还田能够提高土壤微生物数量和酶活性，增加土壤有机碳和养分含量[11]。

十字花科芸薹属植物经常被作为生物熏蒸和绿肥使用，其体内含有大量硫代葡萄糖苷，并在芥子酶的作用下，分解成异硫氰酸酯类似物，利用其残茬覆膜熏蒸能够杀死土壤中的有害虫卵，减少土传病害的发生[12-13]。如利用芸薹属植物残体进行生物熏蒸能够调节辣椒土壤微生物菌落以及减轻辣椒疫病的发生率[14]。而甘蓝、芥蓝和芥菜残渣加入土壤中可以显著降低豌豆根腐病[15]。将油菜作为绿肥还田可以抑制稻田里的病菌，有利于克服稻田连作障碍[16]。此外，芸薹属作物在抑制根结线虫方面也有很好的效果[17]。曹素芳[18]研究发现球茎甘蓝、甘蓝、大白菜、小白菜、芥兰、油菜和菠菜7种蔬菜生物熏蒸对南方根结线虫均有一定防效，其中球茎甘蓝的熏蒸效果最好。而将芥菜、甘蓝等芸薹属植物粉碎混入土壤中，发现这些植物能显著降低马铃薯田间黄萎病病菌和根结线虫的数量[19]。

本试验以辣椒为种植材料，芥菜、大麦、芹菜幼嫩茎叶为施入材料，通过盆栽试验探讨了3种作物幼嫩茎叶干粉施入对连作辣椒幼苗生长及根际土壤的影响，旨为今后缓解辣椒连作障碍和实现辣椒增产稳产提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试辣椒品种为线椒‘辛香8号’，芥菜品种为本地芥菜笋，均由江西华农种业有限公司馈赠；大麦品种为带皮大麦，购买自郑州华丰草业科技有限公司；芹菜品种为本地芹，购买自江西农业大学菜市场。供试有机肥为湖北吉顺磷化有限公司生产的果蔬专用有机肥。

供试土壤取自江西省农业科学院试验基地辣椒连作5年的土壤，土壤基本理化性质为：pH 5.52、碱解氮80.7 mg/kg、有效磷16.7 mg/kg、速效钾393 mg/kg、有机质36.5 g/kg。

1.2 试验方法

试验于2017年9月在江西农业大学生态园蔬菜试验基地进行。试验以不加作物干粉为对照(CK)，设置加芥菜干粉(M)、大麦干粉(B)和芹菜干粉(C)，共四个处理。将新鲜芥菜、芹菜和大麦杀青烘干后，用高速粉碎机将其粉碎，分别与准备好的有机肥和辣椒连作土壤按照1∶50的干重比例充分混均，装入塑料箱(54 cm × 42 cm × 26.5 cm)中，每个塑料箱中加入蒸馏水，调节土壤湿度为田间最大持水量的50%，黑暗条件下进行分解培养试验，每隔7天对塑料箱进行称重，补充水分，保持土壤湿度基本不变，塑料箱外依次包裹黑色薄和遮阳膜，放在生态园进行腐解处理。

30 天后将土壤均匀装入11 cm × 10 cm规格的盆中，每个处理60盆，每盆种植1株辣椒，随机排列，放入温室内进行常规管理。试验期间，不喷施任何药剂。辣椒定植30 天后收获，进行分析测定，同时分析土壤性状指标。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长指标 用卷尺测定株高，用游标卡尺测定茎粗；用电子天平测定植株生物量；利用根系扫描系统(WinRHIZO)分析测定根系指标。其中壮苗指数计算公式为：

壮苗指数=(茎粗/株高 + 根干重/地上部干重)×总干重[20]

1.3.2 叶片叶绿素含量及叶绿素荧光参数指标 叶绿素含量参照李合生[21]的方法测定。辣椒叶片叶绿素荧光的测定，每个处理任意选取5株辣椒，每株选取位置一致完全展开叶片的中间复叶，用上海泽泉科技股份有限公司提供的便携式叶绿素荧光仪(MINI-PAM-II)测定Fv/Fm(PSII最大量子产量)、Y(II)(PSII实际量子产量)、qP(光化学淬灭系数)以及NQP(非化学淬灭系数)相关参数。测定过程中，用暗反应夹夹住叶片，让叶片充分暗反应15 min后获得暗反应数据，随后进行光反应，光反应5 min中后获得数据。

1.3.3 土壤指标 每个处理在辣椒根系周边10 cm处随机多点采集土样，均匀拌成混合基础土样，将一部分新鲜土样放置4℃保存用测定土壤微生物数量和酶活性；另一部分土样放置于阴凉通风处进行风干，2 天后用2 mm筛处理。测定土壤pH、电导率、土壤微生物以及酶活性。其中电导率、pH利用电导率仪和pH计测定，其水土比均为5∶1。土壤微生物数量采用稀释平板法计数，放线菌采用高氏一号培养基、细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基、真菌采用马丁-孟加拉红培养基[22]。土壤酶活性采用关松荫的方法[23]测定，其中脲酶采用靛酚比色法；多酚氧化酶采用邻苯三酚比色法；蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法；酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法。

1.4 数据统计分析

试验数据用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 17.0 进行整理和分析，分析方法采用Duncan法；用GrapHPad软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对连作辣椒生长的影响

由表1可以看出，3个处理的辣椒株高和茎粗均高于对照。其中芥菜粉处理效果较好，与对照相比，辣椒株高和茎粗分别增加了23.6%和19.5%，差异达到显著水平。不同处理对连作辣椒生物量及壮苗指数影响较大，处理后的辣椒总干重、地上部和根部干重和鲜重均高于对照，与对照相比存在显著性差异。壮苗指数是衡量植株健康生长的重要指标，可以反映植株生长潜力，各处理均能够提高辣椒的壮苗指数，芥菜粉、大麦苗粉和芹菜粉处理分别较对照增加了117%、133%和72.2%。

2.2 不同处理对连作辣椒根系形态的影响

表2表明，3个处理促进了连作辣椒根系的生长发育，各处理的辣椒根系长度、根系表面积和根系体积均与对照存在显著差异；其中芥菜粉处理效果最好，其根长度、根系表面积和根体积较对照分别增加了71.53%、131.32%和202.56%。芥菜粉和大麦苗粉处理后辣椒的根尖数较对照增加了54.64%和68.15%，但芹菜粉处理与对照处理的根尖数差异不明显。

2.3 不同处理对连作辣椒叶绿素荧光参数的影响

叶绿素荧光可以反映植物光合能力的变化，如表3所示，各处理对辣椒叶片荧光参数的影响差异较大，芥菜粉处理后辣椒叶片PSⅡ最大量子产量(Fv/Fm)最高，与对照相比，增加了3.7%。从辣椒叶Y(Ⅱ)和qP看，大麦苗和芹菜粉处理对Y(Ⅱ)参数影响最大；芹菜粉处理的qP参数最高，与对照相比，增加了14.89%。各处理对辣椒叶片NQP差异不大，且与对照均没有显著性差异。

表1 不同作物干粉处理对辣椒生长的影响Table1 Effects of different crop powder treatments on the growth of pepper

表2 不同作物干粉处理对辣椒根系形态的影响Table2 Effects of different crop powder treatments on root morphology of pepper

表3 不同作物干粉处理辣椒叶片叶绿素荧光参数Table3 Effects of different crop powder treatments on chlorophyll fluorescence parameters of pepper leaves

2.4 不同处理对连作辣椒叶片叶绿素含量的影响

表4显示，芥菜粉处理的辣椒叶片叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a +b含量均高于其他处理，较对照分别增加了25.3%、45.4%和30.6%。但大麦苗和芹菜粉处理的辣椒叶片叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a + b含量与对照相比均无显著差异。

2.5 不同处理对辣椒连作土壤pH和电导率的影响

从表5可以看出，处理后，辣椒根际土壤pH值显著升高，与对照相比，芥菜粉、大麦苗粉和芹菜粉处理分别增加了27.6%、24.5%和25.4%。从各处理的土壤电导率来看，CK处理的土壤电导率值最高，达到了1.54 mS/cm，其次为大麦苗粉和芥菜粉处理，芹菜粉处理的辣椒土壤电导率值最低，与对照相比，降低了48.0%。

表4 不同作物干粉处理辣椒叶片叶绿素含量(mg/g)Table4 Effects of different crop powder treatments on chlorophyll content in pepper leaves

表5 不同作物干粉处理辣椒根际土壤pH和电导率Table5 Effects of different crop powder treatments on pH and conductivity of rhizosphere soil of pepper

2.6 不同处理对连作辣椒根际土壤微生物的影响

如表6所示，3个处理对辣椒根际土壤放线菌数量影响显著，分别较对照增加了71.9%、73.8%和67.5%。大麦苗粉和芹菜粉处理后，辣椒根际土壤细菌和总菌数均高于其他处理，与对照存在显著差异。从真菌数量来看，3个处理均能降低辣椒根际土壤真菌数量，与对照相比，分别降低了69.8%、68.1%和75.8%。

表6 不同作物干粉处理辣椒根际土壤微生物数量Table6 Effects of different crop powder treatments on microbes in rhizosphere soil of pepper

2.7 不同处理对连作辣椒根际土壤酶活性的影响

如表7所示，经过处理后，辣椒的根际土壤酶活性得到显著提高。大麦苗粉处理后土壤酸性磷酸酶显著高于其他处理，与对照相比，增加了186%。大麦苗粉和芥菜粉处理后，土壤蔗糖酶活性均高于对照，存在显著性差异。3个处理的辣椒根际土壤多酚氧化酶活性显著增高，与对照相比，分别增加了较对照分别增加了143%、158%和125%，但3个处理的土壤脲酶活性均低于对照。

3 讨论

植物根区土壤环境对蔬菜生长发育具有重要的作用，良好的土壤环境条件是蔬菜高产稳产的基础。研究表明，作物茎叶含有大量的有机质以及植物所必须的氮、磷、钾等元素，随着茎叶腐解，有机质和矿物质被释放到土壤中，进而提高土壤有机碳和微生物数量，增加土壤肥力，提高作物产量[24]。杨瑞平[25]研究发现，将大蒜、三叶草、茼蒿、小麦、万寿菊和芹菜6种作物茎叶粉碎加入到西瓜连作土中，可以促进西瓜幼苗生长，提高幼苗的生物量。本研究也得到类似结果，在辣椒连作土中添加不同作物粉碎物后能够显著提高辣椒株高、茎粗、生物量以及壮苗指数，其中芥菜和大麦处理效果最好。可能是幼嫩茎叶干粉施入后改善了土壤理化性质和根际环境，增强了土壤供肥能力所致。本研究中，不同处理的辣椒根系长度、体积、表面积、以及根尖数均显著提高，说明土壤中施入幼嫩茎叶干粉后促进了根系对养分的吸收，这与翻压芸薹属绿肥显著提高烤烟根系活力，改善烤烟各生育期根系指标的结果类似[26]。

表7 不同作物干粉处理辣椒根际土壤酶活性[mg/(g·h)]Table7 Effects of different crop powder treatments on enzyme activity in rhizosphere soil of pepper

叶绿素荧光能够反映逆境因子对光合作用的影响[27-29]。在本研究中，3个处理能不同程度提高辣椒叶片Fv/Fm、Y(Ⅱ)和qP，说明处理后可以增加辣椒叶片对光能的利用效率[30]。但各处理对辣椒叶片NQP影响不大，这可能是辣椒在长期连作条件下，辣椒叶片叶绿素荧光系统对连作胁迫的适应，并且开启了自我保护机制所致，具体的机理还有待研究[31]。3种处理在一定程度上提高了辣椒叶片叶绿素含量，其中芥菜处理效果最好，这与张玉方[32]在枣园旋施麦壳和埋施玉米秸秆可以提高灵武长枣叶片的叶绿素含量结果类似，说明作物茎叶腐解处理能够活化土壤养分，增强辣椒根系活力，进而增加了叶片叶绿素含量。

适宜的土壤pH值和较低的电导率有利于蔬菜的生长发育。本试验中，各处理均显著提高了辣椒根际土壤pH值，降低了电导率，这与潘明阳[33]通过芥菜生物熏蒸处理能显著提高连作黄瓜土壤的pH，降低土壤电导率结论一致。原因可能是芥菜、大麦和芹菜茎叶干粉处理后释放进土壤的有机物质被土壤微生物利用，进而活化了土壤中的养分所致。土壤微生物是土壤生命活体中最活跃的有机体。研究发现[34]，经过甘蓝粉碎组织生物熏蒸后能够改善草莓土壤环境，与连作相比，细菌数量增加了1.24～3.06倍，真菌数量则降低了1.8～1.46倍。杨瑞平[21]通过翻埋不同作物茎叶对西瓜连作土壤影响的试验发现，随着腐解时间的增加，西瓜连作土壤中的细菌和放线菌数量均呈增加的趋势，真菌数量都随着腐解时间的延长而呈显著降低的趋势。本试验结果表明，3个处理增加了辣椒根际土壤放线菌、细菌和总菌数量，显著降低了真菌数量。这进一步证明了作物茎叶腐解能够增调整土壤微生物结构，增加土壤中有益微生物数量，从而改善土壤微环境。土壤酶的功能多样性与土壤功能的多样性紧密相关，土壤生态系统退化都伴随着不同土壤酶活性的下降[2]。本试验研究发现，处理后的辣椒根际土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和多酚氧化酶活性均显著提高，但3个处理的土壤脲酶显著低于对照处理。这可能与植株生理代谢和养分吸收有关，这还有待进一步研究。

4 结论

将芥菜、大麦和芹菜幼嫩茎叶干粉加入到辣椒连作土中，可以显著促进辣椒的生长发育以及辣椒根系生长；提高土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶以及多酚氧化酶活性，增加土壤细菌和放线菌数量，降低土壤真菌数量，进而改善辣椒根区环境，其中以芥菜幼嫩茎叶干粉处理效果最好，可作为今后缓解辣椒连作障碍，实现辣椒稳产增产的有效措施。