设施西瓜连作障碍治理措施对比

张曼，郝科星，张焕，侯东颖，侯富恩，张涛

（1.山西农业大学 农业经济管理学院，山西 太原 030006；2.临猗县气象局，山西 临猗 044100）

西瓜作为一种经济作物，在我国的种植面积与总产量均居世界首位，西瓜产业已成为提高农民收入、促进农村经济发展的重要产业[1]。但因轮作倒茬的限制，西瓜的连作障碍严重影响着其持续稳定的种植[2]，设施栽培已成为西瓜及其他瓜果蔬菜的重要栽培模式，但由于设施栽培土壤长期处于高集约化、高复种指数状态，加上不合理的水肥管理措施，缺少雨水淋洗，淋溶作用弱，导致土壤理化性质恶化，土壤微生物种群结构异常，连作障碍问题愈发凸显，严重制约着设施西瓜生产的可持续发展。因此，如何环保、经济、高效的治理西瓜连作障碍已成为亟需解决的关键问题。

多年来各国学者对连作障碍开展了大量的研究工作，设施西瓜连作障碍的主要问题有土壤养分失衡、土壤理化性质劣化、微生物种群变化、化感自毒作用以及真菌土传病害等[3]。在防控治理措施上，轮作和间作是解决西瓜连作障碍最传统的有效措施之一，但土地资源有限，土地流转难，导致轮作已无法满足西瓜可持续生产对土地的需求。土壤化学熏蒸剂曾被生产上广泛应用[4]，但化学药剂长期使用易导致病原菌产生抗药性，且造成生态环境恶化和农药残留，危害人类健康，难以从根本上解决问题。国内外应用最多的是嫁接技术，早在20世纪20年代日本就开始使用南瓜砧木嫁接西瓜[5]，经多年实践研究，嫁接技术已在日本、中国、美国、土耳其等国家广泛应用。在日本和韩国，近90%西瓜生产应用的是嫁接苗。贾联红[6]研究认为，西瓜主要自毒物质是酯类和酮类，而嫁接苗和自根苗相比，酯类和酮类含量降低，胺类含量升高，因此，在生产中可通过嫁接栽培克服西瓜连作障碍。微生物菌肥作为一种新型肥料，能改善土壤微生态环境，提高土壤养分含量[7]，在缓解连作障碍上具有较为广泛的应用。李双喜等[8]通过研究发现,有机菌肥能有效提高重茬土壤中有益微生物活性，因此，将具有拮抗作用的细菌[9]、芽孢杆菌[10]和放线菌[11]等施入土壤，可在土壤中形成生物屏障，降低土传病害的发病率。但微生物菌肥在生产上防治效果不太稳定，与土壤环境及有益微生物能否稳定的在作物根际存活有关，未来仍需进一步研究。施加生物炭改良剂是近年来新兴的连作病害防治方法，生物炭作为一种富碳难溶性固态物质，其吸附性能强、比表面积大、有较多的含氧活性基团、且成本低，被应用于土壤改良和农业生产领域[12]。张猛等[13]等利用生物炭搭载生防微生物防治西瓜苗期枯萎病有显著效果。束秀玉[14]研究发现，外施生物质炭可显著降低西瓜枯萎病发病率，提高防治效果，施用量以0.2%生物炭效果最佳。还有研究显示，生物质炭已成功应用于黄瓜猝倒病[15]和小麦根腐病[16]等土传病害防治。

综上，西瓜连作障碍治理措施大体可总结为以下四大类：耐连作品种的选择、嫁接技术、轮作和间套作、土壤环境调控等农业防治措施；土壤温湿消毒等物理防治法；施用碳酸氢铵、威百亩等化学药剂的化学防治法；通过向土壤中引入有益微生物或绿肥翻压等生物防治法。这些治理措施在试验研究上以单项或多项综合取得了较大进展，但在实际应用中，农民对各治理措施了解不够全面，在生产中对各类治理技术随意选择，甚至盲目对多项治理措施叠加使用，造成了成本提高、资源大量浪费、投入和产出不成正比等问题。因此，筛选出环境友好、高效、低成本、能普遍推广且适合当地设施西瓜连作障碍的治理措施有迫切的现实意义。笔者就各类治理措施进行纵向比较，研究实际生产中不同治理方式对设施西瓜长势、连作病害防效、产量及品质的影响，以期为当地瓜农在实际生产上选择低成本、高产出且保证西瓜高品质的连作障碍治理措施提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2020年4—8月在山西农业大学东阳试验示范基地（东经112°40′，北纬37°33′）进行。该地海拔800 m，四季分明，年平均日照2 662 h，年平均气温9.7℃，年降雨量为418～483 mm。试验前0～20 cm土层的基本理化性质如表1所示。

表1 土壤基本理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of soil

1.2 试验材料

供试西瓜品种为双抗8号，由山西省农业科学院生物技术中心提供，属中熟品种，抗性较强。嫁接砧木品种为日本南瓜；竹炭由浙江丽水遂昌潘氏炭厂生产；石灰和碳酸氢铵由金沂蒙集团有限公司生产；微生物菌肥由山东聊城福田生物科技开发公司生产。

1.3 试验设计

本试验设6个施肥处理：常规施肥（牛粪75 m3/hm2、三元复合肥300 kg/hm2，作为对照）；然后在常规施肥的基础上配合不同治理措施，即常规施肥+农业治理法（N，南瓜砧木嫁接）；常规施肥+物理吸附治理法（W，施加竹炭颗粒1 875 kg/hm2）；常规施肥+化学治理法（H，施加石灰150 kg/hm2、NH4HCO31 500 kg/hm2）；常规施肥+生物治理法（S，施加微生物菌肥3 750 kg/hm2）；常规施肥+综合治理法（Z，在嫁接的基础上施加竹炭、石灰、碳酸氢铵和菌肥）。

采用设施大棚内划分小区试验方法，每小区长7.8 m，宽3.5 m，每个处理重复3次，随机区组排列，共18个小区。各处理以基肥的方式统一施入牛粪75 m3/hm2和三元复合肥300 kg/hm2，翻耕整地作畦，试验小区采用沟垄覆膜种植模式，植株采取对爬，株距45 cm。定植前14 d，各小区按照不同处理设置，将土壤添加物以沟施方式撒入对应小区内，再用旋耕机耕入土壤。西瓜2020年3月20日播种育苗，4月17日定植，每小区定植34株，定植后各处理栽培管理措施均一致，灌溉和追肥采用施肥器和滴灌水肥一体化模式，7月7日收自根瓜，7月11日收嫁接瓜。

1.4 测定指标及方法

土壤基本理化性质即全氮、速效磷、速效钾、有机质和pH值的测定方法参见文献[17]。于膨瓜期用游标卡尺测第4节位茎粗（mm）；西瓜中心和边缘可溶性固形物含量（%）用TD-45数字折射计测定；采收时分小区收获，每小区采收所有西瓜，用电子天平称质量计算小区总产量。西瓜初采期测定枯萎病的发病率。

1.5 数据分析

采用Excel 2007软件进行相关数据的计算、处理和作图。采用SPSS 22.0软件进行比较和数据差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同连作治理措施对设施西瓜长势及枯萎病发病率的影响

由表2可知，N（嫁接）处理西瓜的平均茎粗最大，为11.13 mm，与CK相比差异达到显著水平，且N处理的防治效果最为明显，高达96.55%，与CK相比，N处理对西瓜枯萎病发病率产生显著差异；Z（综合）处理次之，平均茎粗为11.02 mm，与CK相比差异也达显著水平，且Z处理的防治效果也较为明显，为87.93%，与CK相比，其对西瓜枯萎病发病率也产生显著差异，可见西瓜抗病性与茎粗存在正相关，茎粗越大，输送至地上部的营养越充足，西瓜长势越旺，抗性就越强；其余不同土壤处理（W、H、S）对西瓜茎粗均无显著影响，且对西瓜枯萎病防效也无显著效果。S（生物）处理的平均茎粗略高于其他3种土壤处理，W（物理）处理西瓜发病率最高，对西瓜枯萎病的防治效果最不显著。

表2 不同连作治理措施对设施西瓜长势及发病率的影响Tab.2 Effects of different continuous cropping managements on the growth and incidence rate of facility watermelon

2.2 不同连作治理措施对设施西瓜果实品质的影响

由表3可知，S（生物）处理西瓜的中心可溶性固形物含量最高，为10.85%，比对照提高15.1%，与CK相比差异达显著水平；W（物理）处理西瓜的中心可溶性固形物含量次之，为10.76%，比对照显著提高14.1%；H（化学）处理为10.48%，比对照提高11.1%，即3种不同土壤连作处理均与对照形成显著差异，在提升西瓜品质上效果明显；N（嫁接）和Z（综合）处理差异均不显著，Z（综合）处理西瓜中心可溶性固形物含量仅比CK提高0.32%。由边际可溶性固形物含量分析可见，仍是S处理最高，为8.70%，W处理次之，为8.63%，2个处理和CK相比差异均达到显著水平；Z处理为最低，且Z处理西瓜边际可溶性固形物含量低于CK，说明多种连作处理叠加使用未必会提高果实品质，反而使品质下降，投入和产出不成正比。从中边差来看，不同连作障碍处理对中边差影响不显著。

表3 不同连作治理措施对设施西瓜果实品质的影响Tab.3 Effects of different continuous cropping managements on the quality of facility watermelon

2.3 不同连作治理措施对设施西瓜产量的影响

从图1可以看出，嫁接处理（N和Z）的产量与自根苗（W、H、S、CK）产量差异达显著水平，即嫁接处理可显著提高连作西瓜产量，N处理西瓜产量为最高，比对照提高41.0%，Z处理次之，比对照提高36.7%；3个土壤处理（W、H、S）相比较，S（生物）处理下连作西瓜产量高于W和H处理，比CK提高27.8%，H（化学）处理连作西瓜产量为最低，仅比对照提高0.61%，S处理比H处理产量提高27.1%，比W（物理）处理提高23.4%。即从产量结果来看，对连作土壤添加微生物菌剂和竹炭改良剂效果均好于添加石灰、碳酸氢铵化学物质，单纯的化学药剂处理已不能满足提升产量的需求。

2.4 不同连作治理措施对设施西瓜治理成本和产值的影响

从图2可以看出，S（生物）处理连作西瓜的产值为最大，收入最高，每公顷可收入73 710元，比CK提高27.8%；其次为N（嫁接）处理，每公顷可收入62 527.5元；H（化学）处理的收入为最低。治理成本最高的为Z（综合）处理，每公顷高达39 414元，显著高于CK；其次为H处理，治理成本为11 451元；治理成本最低的为W（物理）处理。投入和产出差值最大的为S处理，低治理成本得到高收入，即与其他连作治理措施相比，土壤中添加微生物菌肥处理的治理成本低，收入最高，治理效果最好；投入和产出差值最小的为Z处理，高投入并未产生高收入，即叠加运用不同性质的治理措施并不能提高产量和收入，反而造成人力、物力和资源的严重浪费。

3 结论与讨论

西瓜是生产上利用嫁接技术最普遍的瓜菜作物，DAVIS等[18]研究表明，南瓜作为砧木有更强的抗性，能够提高西瓜产量，但却导致了西瓜品质的下降。本试验中，嫁接处理（N和Z）的产量与其他处理（W、H、S、CK）产量差异达显著水平，即嫁接处理可显著提高连作西瓜产量。嫁接对于提高西瓜长势效果显著，可改善光合作用和光合产物的输出，但控制糖分积累的关键是光合产物在果实韧皮部卸出、卸出后的运输以及跨膜进入储藏细胞等综合作用的结果[19]。这也解释了为何本试验嫁接处理的西瓜含糖量和长势未呈正相关。此外，不同南瓜砧木品种对嫁接西瓜果实中糖分积累及相关酶活性变化的影响机制,还有待进一步深入的研究。

随着连作障碍治理技术的更新与推进，传统的化学药剂很难从根本上解决问题，人们开始对生物防治、植物调控防治及土壤改良剂等多种防治措施[20]进行研究。生物炭作为弱碱性土壤改良剂，比表面积大，改良土壤孔隙度和容重有较好的效果[21]，可提高土壤保肥保水性能，为微生物提供更多附着点和生存空间，提高放线菌和细菌数量，降低尖孢镰刀菌和真菌数量，使土壤过渡为细菌型土壤[16]，进而改善土壤微生态环境。乔光等[22]研究表明，当每株玛瑙红樱桃生物炭施加量达10 kg时，可溶性固形物、可溶性糖和维生素C含量均达到最大，与本试验添加生物炭处理显著提高西瓜可溶性固形物含量的研究结果一致。ZWART等[23]研究发现，土壤中添加适量的生物炭可降低橡树、枫树和芦笋的土传病害。本研究发现，生物炭处理对西瓜抗性影响不大，对西瓜枯萎病防效无显著效果，推断其原因可能与试验中生物炭的添加量有关，施入土壤中的竹炭浓度过低，不足以发挥出最佳效果，需要在后续的试验中进一步研究不同浓度生物炭对设施西瓜枯萎病的防治效果。JAISWAL等[15]研究发现，添加高浓度生物炭反而促进了枯丝核菌引起的黄瓜立枯病的发生；邱岭军等[24]研究也发现，不同生物炭用量对烤烟产量、产值影响不同，烤烟产量产值不与生物炭施用量呈正相关。由此可见，生物炭在土传病害防治应用中具有两面性，只有科学合理的施用适量生物炭，才能发挥出最佳效果。后续试验可以以生物炭的添加量为变量，对土壤理化性质和生物指标进一步分析研究，以期为生物炭在西瓜连作障碍治理应用上提供更严谨的科学指导。

根际微生物群落与作物生长及土传病害有很大的关系，提高微生物种群多样性、改变微生物结构、改善土壤微环境[22]等措施均可缓解连作障碍。LING等[25]研究发现，西瓜重茬地施入含有多黏类芽孢杆菌的微生物菌肥，可使西瓜枯萎病发病率大幅下降，推测可能是因为根系区的酚酸类物质发生了改变，进而抑制了枯萎病菌孢子活力；李双喜等[8]研究得出，施用微生物有机肥可使西瓜可溶性固形物含量增加，与本研究结果相一致。此外，本研究得出添加微生物菌肥处理西瓜产值为最高，治理成本和收入差值为最大，在提高瓜农收入上治理效果最佳。

综合本试验结果可知，西瓜连作治理方式的不同对西瓜长势、产量和品质的影响程度也有差异。嫁接处理可显著提高西瓜产量，枯萎病防治效果最为明显，但品质却低于施加土壤改良剂处理；物理、化学、生物治理法均显著提高西瓜含糖量，但对西瓜枯萎病防效无显著效果，结合经济及生态效益，最终筛选出治理效果最佳的为微生物菌肥，且施加微生物菌肥符合人们对优质、安全、无公害农产品的强烈需求，不存在农药残留、病原菌抗药性增强、西瓜遗传品质下降等问题。在实际生产中，建议农民可在嫁接的基础上施加微生物菌肥，在保证产量的前提下，既可控制治理成本也提高了西瓜品质。