硅肥及油菜素内酯对茄子连作障碍的缓解作用及土壤生物化学效应

吕海龙，师桂英，贾喜霞，李亚娟，黄炜，张立彭，高启发

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070；3.白银区现代农业科技示范园管理委员会，甘肃 白银 730900)

茄子(SolanummelongenaL.)是我国北方日光温室反季节栽培的主要蔬菜之一.随着专业化、规模化生产迅速发展，设施茄子连作障碍发生较为普遍.连作障碍治理的理论与实践均表明：合理轮作、土壤改良、增强植株抗性是减轻连作障碍的基本思路[1-3].近年来随着肥料科学的发展，特种肥料为连作障碍治理提供了新方法.生物有机肥、硅肥及油菜素内酯(BR)是重要的特种肥料种类.大量研究表明：生物有机肥可以增加土壤有机质含量，改善土壤微生物区系，提高肥效[4-7]；BR能诱导植物产生抗性，减轻各种生物胁迫和非生物胁迫对植物生长发育的危害，提高作物产量与品质[8-10]；硅具有活化土壤中磷的作用，是作物生长所必须的第四大元素[11].硅肥具有改良土壤结构、促进有机肥分解、调节土壤pH以及抑制土壤病原菌发生的作用.它对农作物产量、品质、安全性具有重要作用[12].植物种类、土壤类型、栽培技术对土壤理化性状和微生物区系有很大影响[13-15].增施生物有机肥对连作作物根际土壤的生物化学环境良性效应得到广泛证明[16].关于硅肥及BR的研究多集中于常规条件下其作用机理及施肥方法的探讨[17-18]，对于设施连作栽培条件下作物根际土壤的生物化学环境效应研究未见报道.

甘肃省白银市地处黄河灌溉农业区，光热资源丰富，日光温室反季节茄果类蔬菜生产已成规模.其中以水川镇大坪科技示范园区为中心，形成了较大的茄子种植片带.该区日光温室茄子普遍采用一大茬、高肥水、自根苗的栽培方式.连茬栽培成为常态，连作障碍严重.基于以上生产现状及研究应用现状，本课题组确定在常规施肥的基础上，以生物有机肥处理为参照，开展商品硅肥及BR克服连作障碍的试验研究.通过分析设施连作茄子根际土壤的生物化学环境效应，以期评估硅肥与BR对设施茄子连作障碍的缓解作用.

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017年9月在白银区水川镇大坪村现代农业科技示范园92号温室内进行.施肥前土壤基础养分含量为：有机质26.1 g/kg，碱解氮148.4 mg/kg，有效磷275.0 mg/kg，速效钾154.0 mg/kg.供试肥料：(1)生物有机肥(N+P2O5+K2O≥5%，有机质含量≥45%)，由甘肃农业大学资源与环境学院研制，与白银鑫昊生物科技有限公司联合生产；(2)硅肥(SiO2(70±3)%)，由廊坊五和农业科技有限公司生产；(3)油菜素内酯(BR)，纯度≥95%，购自上海源叶生物科技有限公司.供试茄子品种为‘黑龙长茄’.

1.2 试验设计

试验为随机区组试验设计.设6个处理，每个处理3次重复，各处理在常规施肥的基础上施入上述肥料.具体处理如下：T1：生物有机肥300 kg/667m2；T2：硅肥5 kg/667m2；T3：BR(0.1 μmol/L叶面喷施)；T4：生物有机肥300 kg/667m2+硅肥5 kg/667m2；T5：生物有机肥300 kg/667m2+BR(0.1 μmol/L叶面喷施)，以常规施肥(不增施特种肥料)为CK.定植前施入腐熟羊粪15 m3/667m2作基肥(即CK)，生物有机肥与硅肥随基肥在定植前起垄开沟后条施.垄长8 m，宽1 m，垄高15 cm，沟宽20 cm.垄上覆黑膜，每垄种植两行.幼苗于9月28日定植，株行距为50 cm×70 cm.供试植株采用单干整枝方式，吊蔓栽培(当地茄子产区以单干整枝为主，少数情况下采用双干整枝).BR于花期每隔7 d喷施一次，连续喷施5次.化肥随水追施，常规管理.

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤微生物数量及土壤酶活性测定 定植后20 d(苗期2017-10-17)、50 d(结果前期2017-11-15)、80 d(盛果期2017-12-14)、110 d(结果后期2018-1-12)，采用五点取样法在垄上茄子行间进行土壤样品采集，土层深度为0～20 cm.真菌、细菌和

放线菌培养分别采用马丁氏培养基、牛肉膏蛋白胨培养基和高氏1号培养基.采用稀释涂布平板法测定真菌、细菌和放线菌的数量[19].过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶等土壤酶活性参照关松荫[20]的方法测定.

1.3.2 植株产量和茄子果实品质测定 产量测定为整个结果期(2017.12.2～2018.3.31).品质测定在盛果期(2017.12.15)进行，每处理随机选择3株，每株选择一个符合商品要求的果实进行测定.测定指标及方法如下：可溶性糖含量用蒽酮法；维生素C含量用2,6-二氯酚靛酚钠染色法；可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝G-250染色法；硝酸盐含量用5%水杨酸-硫酸法[21].

1.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2010作图，利用SPSS 22.0数据处理软件进行单因素方差分析和多重比较.

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤微生物数量的影响

2.1.1 不同处理对土壤细菌数量的影响 茄子土壤细菌数量与生育期密切相关，增施生物有机肥、硅肥、BR可以提高茄子连作田土壤细菌数量(图1).在定植后80d，与对照相比各处理的细菌数量显著增加.该时期T1、T4处理细菌数量显著高于CK和其他处理，较CK分别显著增加181.0%、160.9%(P<0.05)；定植110 d时，各处理细菌数量有所下降.T4、T1处理的细菌数量仍显著高于CK，分别较CK增加167.1%、141.3%；其次为T2、T5、T3处理，较CK分别显著增加了80.2%、34.7%、17.4%.从整个试验期的变化情况来看，土壤细菌数量在前期波动较小，变化不明显，到后期快速上升.由此说明生物有机肥与硅肥配施更有利于细菌数量的繁殖.

图1 各时期不同处理对土壤细菌数量的影响Figure 1 Effects of different treatments on the number of soil bacteria

2.1.2 不同处理对土壤真菌数量的影响 茄子土壤真菌数量也与生育期密切相关.增施生物有机肥、硅肥、BR可以降低茄子连作田土壤真菌数量(图2).在植株定植后50 d，包括CK在内的所有处理真菌数量下降，定植后80 d有所回升，110 d数量与80 d基本持平.不同肥料处理对土壤真菌数量有显著的影响.与对照相比，各处理在每个时期均不同程度地降低了土壤真菌数量.与CK相比，除第80天的T1处理，其他处理均在各时期显著降低了土壤真菌的数量.在定植第110天时，T4、T5处理真菌数量最低，较CK分别显著降低了63.2%和42.2%.说明生物有机肥处理后能显著降低土壤中的真菌数量，且以硅肥和BR配施的处理效果最好.

图2 各时期不同处理对土壤真菌数量的影响Figure 2 Effects of different treatments on the number of soil fungi

2.1.3 不同处理对土壤放线菌数量的影响 放线菌数量同样与茄子的生育期密切相关(图3).定植50 d后，包括CK在内的所有处理放线菌数量增加，定植后80 d有所下降，至110 d各处理放线菌数量持续下降.增施生物有机肥、硅肥、BR可以提高茄子连作田土壤放线菌数量.定植后50 d，各处理放线菌观察值均达到最大值.此时T4、T5处理放线菌数量最高，较CK分别显著增加了588.3%、507.8%；其次为T1、T2、T3处理，较CK分别显著增加了309.1%、209.1%、162.3%.定植80 d时，各处理中以T1、T4、T5处理的放线菌数量最大，较CK分别

显著增加了372.1%、550.0%、416.2%(P<0.05).放线菌数量整体变化趋势与细菌相似，即各处理前期数量较少，到50d时达到最大值，较前一时期数量快速上升，后期开始逐渐降低.因此，生物有机肥中有益微生物与拮抗菌进入茄子根际后，显著提高了土壤中放线菌的数量，与硅肥和BR配施能进一步改善连作茄子的土壤微生物区系.

2.2 不同处理对土壤酶活性的影响

增施生物有机肥、硅肥、BR可以提高茄子连作土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶以及碱性磷酸酶的活性(表1).过氧化氢酶在茄子定植后50 d，T1、T2、T4、T5处理均显著高于CK和T3处理.定植后80 d，T4处理的过氧化氢酶显著高于CK和T3处理，较其增加225.2%、87.1%；定植后110 d，T1、T4、T5处理显著高于CK，较对照增加69.1%、134.3%、80.3%.土壤脲酶活性与茄子的生育期密切相关，随着生育期的推进，呈现先上升后下降的趋势.与CK相比，以T4、T5处理的效果最为显著.定植后20 d、50 d、80 d、110 d，T4处理的脲酶活性分别较CK显著增加了57.9%、39.0%、125.4%、69.5%；T5处理的脲酶活性较CK分别显著增加了48.3%、26.3%、97.0%、51.3%.土壤蔗糖酶活性与茄子的生育期也密切相关，随着生育期的推进，酶活性先上升，至80 d后达到最大值，之后有所下降.与CK相比，T2处理作用效果不显著.而T4处理在定植50 d、80 d、110 d时，蔗糖酶活性比CK分别显著增加了10.4%、153.1%、398.2%.土壤碱性磷酸酶活性也与茄子的生育期密切相关，随着生育期的推进，酶活性呈现先上升后下降的趋势.其中以T4、T5处理的效果最为显著.与CK相比，定植后80 d，T4、T5处理的磷酸酶活性分别增加了47.5%、39.0%；定植后110 d，T4、T5处理的磷酸酶活性分别增加了90.1%、85.3%.

图3 各时期不同处理对土壤放线菌数量的影响Figure 3 Effects of different treatments on the number of soil actinomycetes

表1 各时期不同处理对土壤酶活性的影响

2.3 不同处理对茄子产量与品质的影响

增施生物有机肥、硅肥、BR均能显著提高茄子的产量(表2).以T4、T5处理的增产效果最好，二者产量分别为6 683.9、6 592.2 kg/m2，较CK相比显著增加了8.8%、7.3%(P<0.05)；T1、T2、T3处理间差异不显著，产量较CK显著增加，分别增加了4.6%、3.3%、4.5%.同时，增施3种肥料后均能显著增加果实中维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白的含量，且有效降低硝酸盐含量.其中以T4、T5处理提质效果最好.与CK相比，T4、T5处理的可溶性蛋白分别显著增加3.4%、2.9%，硝酸盐含量分别显著降低31.3%、18.3%；T5处理的维生素C含量最高，比CK显著增加了6.5%；T4处理的可溶性糖含量最高，较CK显著增加8.2%.因此生物有机肥配施硅肥和BR对提高茄子产量和改善果实品质有重要的作用.

表2 不同处理对茄子产量及果实品质的影响

3 讨论

3.1 外源硅及BR对连作土壤生物学性状的影响

长期连作导致土壤微生物区系平衡破坏，土壤中的病原真菌增加.土壤微生态结构由“细菌型”向“真菌型”转变，是连作障碍产生的机理之一[22].生物有机肥中含有大量的有益微生物，其优化土壤微生物区系的作用在大量理论及实践应用中被证实[23-24].前人研究表明，BR可使植物细胞壁松弛，扩大植物对水分和养分的吸收，促进根系生长，进而有利于根际土壤微生物的生长并参与直接或间接降解土壤中石油污染物[25].本研究结果表明，连作茄子喷施外源BR，其根际土壤细菌、放线菌数量增加，真菌数量降低.一定程度上缓解土壤微生态结构，有利于茄子生长发育.类似结论在豇豆叶片喷施外源BR的研究中也有报道[17].而施用硅肥能增加土壤毛管孔隙度、土壤总孔隙度，进而提高土壤通透性[11].该方式可能是缓解土壤微生态结构劣化的重要机理之一.

3.2 外源硅及BR对连作土壤理化性状的影响

土壤盐渍化是设施栽培连作障碍发生的重要原因之一.外源硅缓解番茄盐胁迫的研究表明，硅可以通过调控响应盐胁迫的转录因子、抗氧化酶相关基因和硅转运体等一系列基因的表达，调控激素含量和抗氧化酶活性，缓解盐胁迫带来的伤害[26].BR可以通过保护叶片细胞器结构的完整和叶片PSⅡ反应中心功能来提高黄瓜幼苗的耐盐性[27].因此，通过BR及硅肥的诱导作用以提高植株的耐盐性，是设施连作茄子克服连作障碍的另一重要机理.

土壤酶参与土壤中的物质转化和能量代谢，其活性大小是衡量土壤肥力的重要指标[16，28].连作可使土壤酶活性持续降低[14-15].脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶是土壤中最主要的几种酶，与土壤呼吸强度、磷和有机质含量等养分状况以及微生物数量密切相关[29-30].前人研究表明，连作豇豆叶片喷施外源BR处理可提高土壤脲酶和蔗糖酶的活性[17].本研究结果表明，增施生物有机肥、硅肥及BR，可以提高脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性.因此有利于促进土壤有机成分的转化，改善茄子连作土壤的生物化学环境.硅元素具有活化土壤中磷的作用[11]，硅肥配施氮肥和磷肥可以调节辣椒营养元素吸收等功能，提高辣椒产量和品质[18].本研究结果也显示，硅肥处理比对照能显著提高土壤碱性磷酸酶的活性.大量文献报道BR在提高蔬菜抵抗干旱、低氧、温度、盐离子、病害、重金属等环境胁迫方面具有重要作用[8-10].但是，叶面喷施外源BR提高土壤酶活力、提高土壤肥力的作用机理尚不明晰.

4 结论

均可以延缓连作土壤微生态结构由“细菌型”向“真菌型”转变的劣化过程.改善土壤微生物区系，增加土壤酶活性，进而改善土壤理化性状.提高土壤肥力，促进植株生长，缓解茄子连作障碍.单施上述3种肥料，设施茄子产量增幅在3.3%～4.6%，而生物有机肥配施硅肥或BR，茄子产量增幅分别达到8.8%和7.3%，增产效果明显.该类肥料不仅可以提高茄子产量，而且可以提高茄子的营养品质与安全品质.茄子维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白的含量增加，硝酸盐含量降低.硝酸盐含量是无公害蔬菜生产最重要的安全指标之一，生物有机肥[1]、硅肥[29]及BR[30-31]对于提高蔬菜安全品质的作用已为诸多研究所证实.本研究所有处理(包括CK)，硝酸盐含量在220.29～320.63 mg/kg，低于无公害蔬菜硝酸盐含量600 mg/kg的国家限量标准(GB18406.1-2001).大量研究表明，在菜田土壤增施生物有机肥的条件下，将化肥施肥量减少20%～30%，有利于改善土壤的微生物区系及土壤肥力.在不影响产量的条件下，可以使蔬菜营养及安全品质得到改善[32-33].过量使用化肥所引起的土壤盐渍化是设施作物栽培连作障碍发生的重要成因之一[34].以本试验结果为基础，在该区开展生物有机肥配施硅肥或BR，化肥减量的环境友好型施肥技术试验，将是本研究的后续工作内容.