玉米夏季填闲对连作黄瓜土壤的影响研究

单 敏，秦立金,*，刘利红，王丹丹，龙千千，陈 晶，张美玲，李亚如，刘 悦，庞慧敏

（1.赤峰学院化学与生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000；2.赤峰学院农业科学研究院，内蒙古 赤峰 024000；3.赤峰学院资源环境与建筑工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

黄瓜（Cucumis sativusL.）是我国主要的设施栽培蔬菜，尤其在我国北方设施蔬菜生产中，黄瓜种植面积占设施蔬菜的60%以上[1]。近年来，内蒙古赤峰市宁城县设施农业“单一化、规模化”的种植特点，导致日光温室黄瓜土壤生态环境日益恶化，土壤质量严重下降，由此引发的土壤连作障碍突出、土传病害频发，尤其是根结线虫病的发生严重制约了当地设施黄瓜的高质量发展和大范围农户的经济效益。探索一种经济、有效、绿色、安全的防治方法，已成为当地设施蔬菜可持续发展亟需解决的问题。

夏季土地休闲是我国北方设施蔬菜生产中改良土壤环境的传统措施，但作用十分有限。研究表明，在夏季土地休闲期种植一些生长周期短、耐热的深根系作物可以改善土壤环境，是取代传统休闲的有效途径之一。现阶段对填闲作物种类的研究主要集中在高粱、大葱、小麦、玉米、黑麦、苏丹草、鼠尾草、油菜、燕麦、豌豆、苋菜、菜豆等禾本科、豆科作物上[2-6]。有关夏季填闲处理改善土壤环境的研究也有报道，如李元等[7]研究表明，夏季填闲作物能够降低土壤中盐离子含量，其中，甜玉米可显著降低土壤中氮、磷、钾含量；吴凤芝等[1]研究表明，小麦等6 种夏季填闲作物能增加土壤中脲酶含量；也有研究表明，选择玉米作为设施连作黄瓜的夏季填闲作物，可以缓解或降低保护地土壤理化性状的劣化程度[3]，有效降低土壤硝态氮残留[8-9]。而关于夏季填闲作物对设施连作黄瓜根结线虫病影响的研究则未见报道。鉴于此，本研究通过夏季填闲玉米的处理方式，并测定了玉米填闲前后设施连作黄瓜土壤基本理化性状和土壤酶活性的变化，同时调查了根结线虫病的发病情况和防控效果，明确夏季玉米填闲处理的作用及其生物学机理，这对设施蔬菜土传病害绿色防控和高产优质栽培具有重要的实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古赤峰市宁城县必斯营子镇设施黄瓜种植区（118°26′～119°25′E、41°17′～41°57N），土壤为壤土，平均气温2.8～7.5 ℃，年日照时数2 800～2 900 h，年均积温2 100～3 200 ℃，无霜期110～150 d，年平均降水量430～500 mm，温带大陆性季风气候。上茬黄瓜拉秧后采集土样，土壤0～20 cm 基本性质见表1。此棚区连年年种植黄瓜，造成土壤连作障碍，土传病害发生严重，尤其是黄瓜根结线虫病呈“暴发式”发展，严重时发病率达100%，减产60%～70%，经济损失巨大。

表1 试验土壤基本性质Table 1 Basic properties of test soil

1.2 试验材料

供试黄瓜品种为‘津春四号’，由天津科润黄瓜研究所提供。

供试玉米品种为‘白糯2088’，由新疆维多利种业有限公司提供。

1.3 试验方法

前茬黄瓜于2019 年6 月25 日拉秧，拉秧后进行夏季玉米填闲处理，填闲采用玉米直播方法，以不种植玉米的处理为对照。待玉米长至50 d（9 月15 日）后拔除，旋地、做畦、覆膜，定植下茬连作黄瓜。

供试日光温室长度为90 m，宽度为8 m，温室内靠近门口1/2 位置为试验对照，不种植玉米，靠里侧另外1/2位置种植玉米。分别在玉米直播区和对照区选择3 个小区进行各项指标的测定，小区面积24 m2。

试验共2 个处理，每个处理重复3 次。在上茬黄瓜拉秧后、玉米填闲后连茬黄瓜种植前、连茬黄瓜拉秧时采集土样测定土壤基本理化指标和不同处理土壤的各种酶活性。在黄瓜幼苗期、初花期、结果初期、盛果期和拉秧期调查根结线虫发病率、100 g 土中根结线虫数和病情指数，计算防效。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土样采集及处理方法

土样采用“W”型5 点取样法，去除地表植株残体后，使用土钻取黄瓜根际0～20 cm 土层土壤，充分混匀后，装入自封袋，标记，带回实验室。在实验室通风处阴干后，过1 mm 筛，测定土壤基本理化性状和土壤酶活性指标。测定根线虫数需用采集回的鲜土样于3 日内完成检测。

1.4.2 土壤酶活性测定方法

脲酶活性：采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定[10]。

1．3 技术培训与质量控制 本研究的6名测查人员均经过北京妇幼保健院的Gesell神经心理发育测查的技能培训并取得证书，临床测查经验丰富。实验前6名测查员测查结果一致性检验合格。

蔗糖酶活性和淀粉酶活性：采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[10]。

蛋白酶活性：采用加勒斯江法测定[10]。

过氧化氢酶活性：采用高锰酸钾滴定法测定[10]。

多酚氧化酶活性和过氧化物酶活性：采用邻苯三酚比色法测定[10]。

1.4.3 土壤线虫分离方法

采用贝曼浅盘法，具体步骤如下：将筛子放在小盆中，然后在筛子上铺一层面巾纸。土壤压碎混匀，取100 g土壤放在面巾纸上。从筛子和小盆的缝隙中加入水，水量要没过土壤，但不没过面巾纸；在室温下静置24～48 h后，将小盆中的水过500 目的筛网，此时线虫留在筛网上，用少量清水将线虫冲洗到玻璃皿中，静置1～2 min，在体视镜（或显微镜）下计数。

1.4.4 田间发病及防治效果

根结线虫病病情指数分级标准见表2。

表2 根结线虫病病情指数分级标准Table 2 Criteria for classification of disease index of rootknot nematode disease

病情指数和防治效果计算公式见式（2）（3）。土壤、黄瓜根中的线虫减退率计算公式见式（4）。

1.5 数据处理

数据采用SPSS 17.0 进行方差分析、采用Duncan 进行多重比较，用Excel 软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 夏季玉米填闲对连作黄瓜土壤基本理化性状的影响

土壤是作物生长的基础环境，其基本理化性状与作物产量息息相关[7]，而氮磷钾是作物生长所需的大量元素，其含量的高低直接影响作物生长发育[8]。

表3 显示，玉米夏季填闲处理改变了下茬连作黄瓜土壤的基本理化性状，除土壤有机质含量、pH 值、全磷和有效磷外，其余指标均与对照差异显著（P＜0.05）。填闲土壤电导率、全氮、全钾、硝态氮、氨态氮和速效钾含量相比对照下降，分别降低了18.75%、35.71%、17.73%、6.76%、6.38%和17.88%。相反，填闲处理增加了有机碳含量，比对照增加了18.99%。

表3 夏季玉米填闲对连作黄瓜土壤基本理化性状的影响Table 3 Effects of summer corn planting on basic physical and chemical properties of continuous cropping cucumber soil

2.2 玉米填闲对土壤微量元素及重金属含量的影响

钙、镁、硫、铁、锰等中微量元素大多是植物体内促进光合作用、呼吸作用以及物质转化等作用的酶或辅酶的组成成分，在植物体内非常活跃[6]。夏季玉米填闲后对连作黄瓜土壤中微量元素及重金属含量的影响如表4 所示。由表知，夏季玉米填闲后黄瓜土壤中的中量元素Ca、Mg、S 含量降低，与对照未达到差异显著水平，同时降低了8种微量元素含量，其中，Fe、Mn、Cu、Zn、Mo 与对照达到显著差异（P＜0.05），分别比对照降低了29.34%、9.62%、15.97%、11.70%和30.21%，其余3 种不显著。7 种重金属含量均降低，其中，Cd 和Pb 与对照达到显著差异水平（P＜0.05），分别比对照降低了29.63%和21.21%，其余5种未达到显著差异。

表4 玉米填闲对土壤微量元素及重金属含量的影响Table 4 Effects on contents of microelements and heavy metals in continuous cropping cucumber soil of summer corn planting

2.3 夏季玉米填闲对连作黄瓜不同生育期土壤酶活性的影响

夏季玉米填闲对连作黄瓜不同生育期土壤酶活性的影响见表5。由表知，除过氧化氢酶外，其余6 种酶均随黄瓜生育期的延长而增加。在黄瓜幼苗期，7 种土壤酶活性均与对照差异不显著。在黄瓜初花期，土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶与多酚氧化酶均与对照达到显著差异（P＜0.05），比对照增加了18.00%～48.53%。在黄瓜结果初期，除过氧化氢酶外，其余6 种酶均与对照达到显著差异（P＜0.05），比对照增加了12.50%～41.46%。在黄瓜盛果期，7 种酶均与对照达到显著差异（P＜0.05），比对照增加了11.72%～38.71%。在黄瓜拉秧期，除土壤脲酶外，其余6 种酶均与对照达到显著差异（P＜0.05），比对照增加了10.67%～38.71%。

表5 夏季玉米填闲对连作黄瓜不同生育期土壤酶活性的影响Table 5 Effects on soil enzyme activity of cucumber in continuous cropping of summer corn planting at different growth stages

2.4 夏季玉米填闲对连作黄瓜根结线虫发病率及防效的影响

表6 显示了夏季玉米填闲对连作黄瓜根结线虫发病率及防效的影响。由表知，填闲处理黄瓜根结线虫的发病率、病情指数、100 g 土壤和黄瓜根中线虫条数与对照均达到显著差异（P＜0.05），发病率和病情指数相比对照降低了47.93%和35.19%，预防效果可达35.19%。降低了100 g 土壤和黄瓜根中的根结线虫条数，线虫减退率分别达到53.32%和52.91%。可见夏季玉米填闲后降低了黄瓜田间根结线虫的发病率，对根结线虫病的发生起到了一定的预防效果。

表6 夏季玉米填闲对连作黄瓜根结线虫发病率及防效的影响Table 6 Effects on incidence and control effectiveness of rootknot nematode of summer corn planting in continuous cropping cucumber

3 讨论与结论

3.1 夏季玉米填闲对连作黄瓜土壤修复机理分析

设施蔬菜高投入、高产出、高效益的种植特征，导致我国设施菜田土壤质量急剧下降，土壤质量的好坏与设施农田生产投入特点密切相关。王廷峰等[11]发现连作草莓土壤套作玉米提高了土壤有机质、碱解氮、有效钙和铁含量，降低了有效镁含量。本研究表明，玉米填闲后虽增加了土壤有机质含量，但与对照未达到显著差异，可能是由于本试验中未将玉米秸秆进行还田，两个实验的处理方法不同所致。张雪艳等[12]研究表明，夏季填闲大豆能够显著增加不同土层pH，降低土壤可溶性盐浓度和速效氮含量。本试验选择在夏季进行玉米填闲处理，改变了连作土壤的基本理化性状，降低了EC 值，增加了碳氮比，与张雪艳等[12]的研究结果一致，但对土壤pH 值的影响不显著。我国北方设施农田以有机肥为底肥，大多以牛粪、猪粪、鸡粪等为主，这些肥的共同点为碳氮比低，约在6.5～10.8 之间[12]。同时，大量化肥的使用尤其是氮肥的使用，导致设施菜田土壤碳氮比下降，因此，补充碳物料的投入是改善土壤质量的一个有效途径。本试验中玉米填闲处理增加了土壤的碳氮比，原因是空闲期玉米的种植吸收了土壤中过多的氮素，碳含量的增加和氮含量的下降，使得土壤碳氮比增加。已有研究证实，夏季种植玉米不仅可以减少氮素损失，而且其根茬还田可作为一个很好的碳源补充，不仅改善菜田土壤环境，还可提高菜田土壤生物肥力[8]。本研究中夏季玉米填闲处理降低了土壤全钾和有效钾含量，因为有研究表明，玉米属于喜钾作物[13]，需钾量高，因此生产上应注意钾肥的增施。玉米苗期根系不发达，对磷素的吸收量很少[13]，因此，夏季玉米填闲处理后对土壤中全磷和有效磷的影响不显著。玉米在生长过程中，对Mg、S、Fe、Mn、B、Zn 都有一定的需求，缺少上述中微量元素会导致相应的缺素症状。夏季玉米填闲处理降低了土壤的中量元素Ca、Mg、S 含量，但与对照未达到显著差异，同时，降低了8 种微量元素含量，其中，Fe、Mn、Cu、Zn、Mo 与对照达到显著差异（P＜0.05），这与玉米生长过程中对中微量元素的需求有关。其中，Ca、Mn、B 含量的变化与前人研究结果不一致[11]，原因为本试验的研究对象为黄瓜，前人研究对象为草莓，二者的需肥规律不同所致。

重金属污染引发的农产品质量安全问题已成为全社会关注的焦点[14]，参照国家标准（GB 15618—1995）和欧盟标准（EU2002），本试验中土壤中Hg、Pb、Cd、Cr、As、Cu、Zn 等7 种重金属均未超出其安全限制，且玉米夏季填闲处理后，降低了填闲土壤的重金属含量，其中，Cd 和Pb 与对照达显著差异（P＜0.05），分别比对照降低了29.63%和21.21%。有研究表明，玉米是Ni、Pb、Zn 污染土壤修复有潜力的植物[15]。对于本试验种植的黄瓜，其土壤中Cr、Ni、Cu、As、Cd、Pb、Se、Hg 等未超出菜地土壤无机污染物的环境质量第二级标准值限量。对于Mo 没有标准，暂未规定其限量要求。

积累在土壤中的酶参与元素的生物循环、腐殖质的合成和分解，有机化合物的分解，以及微生物的增殖。土壤酶的活性强弱是表征土壤熟化程度高低和肥力水平的一项重要指标。植物种类、根系、微生物种群及数量、农业技术措施不同，导致分泌的酶类有很大变化。吴凤芝等[1]研究发现苏丹草、黑麦和小麦处理的土壤脲酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶活性显著高于对照；油菜处理的土壤多酚氧化酶活性显著高于其他处理；除油菜外，各个填闲处理脱氢酶活性均显著高于对照。李敏[16]发现青葱和不结球白菜在短期内有助于土壤中的中性磷酸酶和脲酶活性的提高，但随种植茬次增加，小麦比青葱和不结球白菜更有助于提高土壤中的脲酶、转化酶和中性磷酸酶的活性。填闲能显著改变土壤酶活性，其中，小麦对于改变土壤脲酶活性效果比较明显，油菜对于改变土壤多酚氧化酶活性比较明显，苏丹草对于改变脱氢酶和过氧化氢酶活性比较明显[17]。本试验结果表明，除过氧化氢酶外，其余6种酶活性均随着黄瓜生育期的延后呈现逐渐增加趋势，脲酶[1,16-17]、多酚氧化酶[17]与前人研究结果一致。对过氧化氢酶活性的影响，本试验结果与吴凤芝等[1]一致，与郭晓[17]不一致，产生不一致的原因是可能是选择的填闲作物不同所致，郭晓采用的是苏丹草，而本试验采用的是玉米，两种作物对土壤过氧化氢酶活性的影响是不同的。

3.2 夏季玉米填闲对根结线虫病发生及防效的影响

根结线虫（Meloidogyne incognita）在世界各地广泛分布，可寄生于3 000 多种植物，尤以葫芦科、茄科和十字花科等植物受害严重，近年来，随着设施黄瓜复种指数的提高和种植面积的扩大，根结线虫病已成为设施黄瓜生产的主要障碍之一。关于填闲作物与病害发生的关系及对黄瓜根结线虫病的防治已有相关报道，有研究表明，黄瓜与水稻、空心菜、水芹和草菇轮作可以减轻根结线虫病的发生[18]。王宏宝等[19]发现，不同深度土壤肥力指标与黄瓜根结线虫病具有一定相关性，土壤上中下各土层全磷和全氮变化与黄瓜根结线虫病情指数呈显著负相关。而有关夏季填闲对黄瓜根结线虫病发生的研究未见报道，本研究结果表明，夏季玉米填闲后，降低了黄瓜田间根结线虫病的发生和病情指数，对根结线虫病具有一定预防效果，防效可达35.19%，同时，减少了黄瓜土壤和根中的根结线虫数，对根结线虫的减退率达到50%以上，分析原因可能是与玉米填闲处理改变了黄瓜土壤的肥力水平有关。