甘薯轮作模式对土壤理化特性的影响

罗 密， 邓仁菊*， 尹 旺， 杨 航， 付 梅， 王洪亮， 宋吉轩， 吴巧玉

(1.贵州省农业科学院 生物技术研究所， 贵州 贵阳 550006；2.贵州省农作物技术推广总站， 贵州 贵阳 550000； 3.贵州省农业科技发展中心，贵州 贵阳 550000)

0 引言

【研究意义】甘薯是贵州省主要的旱地作物之一，常年种植面积约25万hm2。贵州甘薯栽培历史悠久，由于耕地面积的限制以及农户种植经营习惯等因素的影响，甘薯主要产地连作障碍问题十分突出。连作不仅使甘薯的产量和品质下降、病虫害频繁发生，还会使土壤养分失衡、生物学特性以及土壤微生物环境发生改变[1-2]。合理轮作作为解决作物连作障碍的有效措施，能够改善土壤理化性质，最终提高作物产量，减少病虫害发生。因此，研究甘薯轮作条件下土壤理化性质的变化对促进甘薯种植具有重要现实意义。【前人研究进展】近年来，科研工作者对作物合理轮作进行了大量研究。乔月静等[3]研究发现，与甘薯连作相比，轮作能够显著降低根际土壤甘薯茎线虫数量，提高甘薯产量42.08%～55.83%，降低病情指数22.72%～30.79%。秦舒浩等[4]研究发现，马铃薯与豆科植物轮作较马铃薯连作土壤中脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均显著提高，并且从连作第2年开始，轮作豆科植物使后茬马铃薯产生明显增产效应。【研究的切入点】土壤肥力是土壤为植物生产供应和协调营养的能力，是土壤养分、酶活性、微生物量等因素的综合表现[5]。土壤养分是农作物养分吸收的主要来源，养分含量的高低对作物正常生长发育起着关键作用[6]。土壤微生物量是植物营养物质的源和库，并且积极地参与养分循环，代表土壤养分的活性部分[7]。土壤酶是土壤微生态环境中物质运动和能量交换等活动的活跃物质，酶活性是衡量土壤肥力以及养分转化能力的重要指标[8]。除此之外，土壤中的重金属元素，如Hg、Pb、Cd、Cr的积累造成重金属元素含量超标，重金属污染会对土壤性质产生一定的负面影响，从而抑制作物生长发育，降低作物的产量和品质，最终威胁人体健康[9]。土壤肥力受诸多因素影响，但以上因素对土壤肥力的影响较为明显。目前，关于甘薯不同轮作模式对土壤养分、微生物量、酶活性以及有害重金属含量等影响研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】设置甘薯连作、甘薯-辣椒轮作、甘薯-莴苣轮作、甘薯-玉米轮作以及休耕共5种处理，研究不同轮作模式下土壤养分、微生物量、土壤酶活性以及重金属含量的变化，明确不同轮作模式对土壤理化特性的影响，为制定贵州省甘薯合理栽培措施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验地理化性质 试验于2019年在贵州省农业科学院基地进行。土壤已连作甘薯3年，试验地有机质38.55 g/kg、有效磷32.3 mg/kg、速效钾92 mg/kg、碱解氮126.25 mg/kg、有效态铁44 mg/kg、交换性钙 90.37 cmol/kg、交换性镁 2.21 cmol/kg、有效态铜10.43 mg/kg、有效态锰123.41 mg/kg、铬(Cr)124.195 mg/kg、砷(As)10.433 mg/kg、镉(Cd)0.466 mg/kg、铅(Pb)34.752 mg/kg、汞(Hg)0.151 mg/kg。

1.1.2 植物品种 甘薯品种为紫云红芯薯，由贵州省生物技术研究所提供。辣椒品种为线椒，莴苣品种为青翠尖锋，玉米品种为金科糯，均为市购。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 以甘薯与其他作物的轮作或休耕方式为处理对象，设置5个种植模式处理：甘薯连作(对照)、甘薯-辣椒轮作、甘薯-莴苣轮作、甘薯-玉米轮作、休耕，每小区面积18 m2(3 m×6 m)，每处理设置3次重复，随机区组排列。为保证试验的有效性和一致性，所有处理均在2019年5月28日进行，肥料均采用贵州中亚生物有机肥业发展股份有限公司生产的活性腐殖酸多元素有机肥(有机质≥45%，N+P+N≥10%)，甘薯、辣椒、莴苣采用苗移栽方式，玉米采用点播方式。

1.2.2 土样取样 待所有的作物收获完毕，于10月8日采集土样。分别在每个小区内按照S形选取采样点，每小区取6个点土样并混为1个样，剔除混杂物后自然风干并过筛备用。

1.2.3 土壤养分含量测定 参照《土壤农化分析》[10]，采用重铬酸钾容量法测定有机质，0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷，火焰光度计法测定速效钾，碱解扩散法测定碱解氮，用比色法分别测定土壤有效态铜、有效态锌、有效态锰和有效态铁的含量，用电位法pH-3B型pH计测定土壤pH。

1.2.4 土壤微生物生物量测定 土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)和微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen，MBN)采用氯仿熏蒸浸提法测定[11]，其中熏蒸处理为 25℃真空条件下培养 48 h，采用 0.5 mol /L K2SO4浸提液提取。采用全有机碳自动分析仪(TOC-VCPH，日本岛津)测定抽提液中的有机碳和全氮含量。

1.2.5 土壤酶活性测定 土壤脲酶活性测定方法按照关松荫[12]的方法进行。硝酸还原酶参照史云峰等[13]的专利方法。酸性磷酸酶(AP)、贝塔葡萄糖苷酶(BG)、多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)、贝塔N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、纤维二塘水解酶(CBH)、亮氨酸酶(LAP)参考SINSABAUGH等的方法[14]并加以改进。

1.2.6 土壤金属含量测定 参照《土壤农业化学分析方法》[15]分析土壤重金属含量。

1.3 数据处理

采用Excel 2019整理数据，用SPSS 20.0对所得数据进行统计分析，采用Duncan’s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 甘薯不同轮作模式土壤的养分含量

由表1可知，不同轮作模式土壤养分含量表现出不同的变化。各处理土壤pH在6.48～6.84，差异不显著。与对照土壤相比，甘薯-辣椒轮作和休耕2种模式土壤有机质含量显著降低，分别降低4.1%和6.2%，而其他轮作模式有机质含量与对照差异未达显著水平；甘薯-莴苣轮作模式土壤有效磷、速效钾、有效态锰和交换性钙的含量均显著高于对照，分别较对照提高159.6%、26.1%、25.8%和10.1%，碱解氮、有效态铜、有效态铁和交换性镁的含量均显著低于对照；甘薯-玉米轮作模式土壤有效磷、速效钾、有效态铜、有效态铁、有效态锰和交换性钙的含量显著高于对照，而碱解氮和交换性镁的含量显著低于对照；休耕方式土壤有效态锌的含量与对照无明显变化，土壤有机质、有效态铁和交换性镁含量显著降低，有效磷、速效钾、有效态铜、有效态锰和交换性钙含量均显著高于对照。总体看，不同轮作模式对土壤养分均有一定程度的改善和提高。

表1 甘薯不同轮作模式土壤的养分含量

2.2 甘薯不同轮作模式土壤的微生物生物量碳和微生物生物氮

从表2看出，不同轮作模式之间土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)差异均达显著水平。休耕模式土壤的MBC含量最高，为262.796 mg/kg，较对照增加55.7%；其次为甘薯-辣椒轮作模式，MBC含量为257.511 mg/kg，较对照增加52.6%；甘薯-玉米轮作模式土壤的MBC较对照增加12.2%，而甘薯-莴苣轮作模式土壤的MBC含量较对照降低37.6%。土壤MBN含量以甘薯-辣椒轮作模式最高，为3.354 mg/kg，较对照增加68.2%；其次为休耕模式，土壤MBN含量2.269 mg/kg，较对照增加13.8%；而甘薯-玉米轮作和甘薯-莴苣轮作模式的土壤MBN含量则显著低于对照，分别较对照降低33.0%和42.4%。微生物生物量碳氮比(C/N)以甘薯-玉米轮作模式最高，除甘薯-辣椒模式外，其余处理均显著高于对照。

表2 甘薯不同轮作模式土壤的微生物生物量碳和微生物生物量氮含量

2.3 甘薯不同轮作模式土壤酶活性

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，可以作为判断土壤肥力的指标之一。由表3可知，不同轮作模式之间土壤酶活性均存在显著差异。与对照相比，不同轮作模式土壤脲酶活性显著升高，较对照增加40.5%～79.1%；多酚氧化酶、酸性磷酸酶和纤维二糖水解酶活性则显著降低，分别较对照降低10.2%～58.1%、31.8%～68.5%和3.7%～38.1%。经过休耕后的土壤硝酸还原酶、过氧化物酶、β-N-乙酰葡萄糖苷酶活性均显著高于对照和其他轮作模式，分别较对照增加95.5%、25.7%和94.2%；甘薯-辣椒轮作模式的土壤β-葡萄糖苷酶显著高于其他处理，较对照增加61.3%；甘薯-莴苣轮作的土壤脲酶和亮氨酸酶活性显著高于其他处理，较对照分别增加79.1%和4.0%；而甘薯-玉米轮作的土壤酶活性总体上处于中间水平。不同作物土壤中根系的分泌物有所差异，造成土壤酶活性高低发生变化。

表3 甘薯不同轮作模式土壤的酶活性

2.4 甘薯不同轮作模式土壤的重金属含量

从表4看出，与连作相比，休耕模式显著降低土壤的镉含量，而提高土壤的铬和铅含量，但对土壤的砷和汞含量的影响不明显。甘薯-辣椒轮作模式对5种重金属的含量均有显著降低作用，铬、砷、镉、铅和汞含量分别较对照降低13.3%、6.3%、10.9%、1.4%和16.5%。甘薯-莴苣轮作模式显著提高土壤中铬、铅和汞的含量，分别较对照提高5.0%、2.5%和18.9%；而明显降低砷和镉含量，分别较对照降低2.5%和3.6%。甘薯-玉米轮作模式与甘薯-辣椒轮作模式相似，土壤中的铬、砷、镉、铅和汞含量分别较对照降低12.0%、6.2%、6.3%、5.1%和18.1%。总体看，不同轮作模式和休耕均对降低土壤重金属有一定积极作用，但不同作物对重金属的吸附作用存在较大差异，其中以甘薯-辣椒轮作和甘薯-玉米轮作模式效果相对较好。

表4 甘薯不同轮作模式土壤的重金属含量

3 讨论

在同一块土地上长期连续种植同一种作物，容易造成作物产量降低、品质变差等连作障碍[16]。甘薯的长期连作引起产量降低、薯形变差、食味品质变劣、病虫害频发等问题，造成严重经济损失，制约甘薯产业的健康持续发展。而土壤理化性质变差、有害重金属元素积累、养分比例不协调、微生物环境失衡引发土传病害和养分不足是造成连作障碍的主要因素[17]。大量研究表明，合理轮作能够有效改善土壤环境、消减有害物质积累，减轻病害发生[18]。因此，研究不同轮作模式对甘薯土壤肥力的影响具有十分重要的意义。在本研究中，与休耕方式相比，甘薯连作方式土壤pH和有机质含量较高，而有效磷、速效钾和碱解氮含量较低，与今芝[19]关于轮作马铃薯对土壤养分的影响的研究结果具有一定相似性。甘薯连作土壤微生物生物量碳和氮的含量以及碳氮比相对于休耕方式降低，说明合理轮作和休耕能有效改善土壤微生物特性，但与臧逸飞[20]研究轮作施肥土壤微生物学特性的结果存在一定差异，可能是由于地理环境和作物种类不同所导致。谭雪莲[21]通过研究轮作模式下马铃薯土壤微生物多样性以及酶活性发现，轮作和休耕马铃薯土壤脲酶活性高于连作土壤，并且在马铃薯生长的大多数时期，连作模式下土壤多酚氧化酶活性高于休耕，与本研究结果具有共同之处。除此之外，轮作和休耕重金属含量低于甘薯连作，与前人对水稻[22]的研究结果一致。

4 结论

通过比较甘薯与不同作物轮作(或休耕)模式土壤的理化特性可知，休耕土壤有7种养分含量显著高于甘薯连作，并且休耕土壤微生物生物量碳显著高于其他轮作模式，微生物生物量氮含量仅次于甘薯-辣椒轮作模式，居第2位，二者较甘薯连作分别增加55.7%和13.8%。对于土壤酶活性，休耕土壤硝酸还原酶、过氧化物酶、β-N-乙酰葡萄糖苷酶活性显著高于其他轮作模式，分别较甘薯连作增加95.5%、25.7%和94.2%；甘薯-辣椒轮作的土壤β-葡萄糖苷酶显著高于其他处理，较甘薯连作增加61.3%；而甘薯-莴苣轮作的土壤脲酶和亮氨酸酶活性显著高于其他处理，较甘薯连作增加79.1%和4.0%。各种轮作模式均降低土壤镉和汞的含量，甘薯-辣椒轮作和甘薯-玉米轮作模式能够显著降低土壤铬和铅含量，但休耕模式则增加土壤重金属含量。综上，休耕有利于增加土壤养分含量，提高土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮，而不同轮作模式对土壤酶活性影响差异较大，甘薯-辣椒、甘薯-玉米轮作可有效降低重金属污染。该结果可为贵州甘薯轮作模式提供一定的参考依据。