不同连作年限土壤对栝楼幼苗生理性状的影响研究

徐筋燕 何晓兰 邵明灿 郭书巧

（江苏省农业科学院经济作物研究所，江苏南京 210014）

连作障碍是作物种植和生长发育过程中遇到的较严重的土壤问题之一，全世界范围内均面临这一问题。连作障碍是指在同一地块土壤中连续栽培同种或同科作物时，即使在正常的栽培管理条件下，也会出现植株生长发育能力变弱、抗逆性降低、产量和品质下降等的现象。连作障碍主要的形成原因包括土壤养分失调、土壤相关酶活性发生改变、土壤pH值改变，土壤微生物生态失衡以及植物根系分泌物的自毒作用等[1]。连作障碍的发生会导致当季作物产量损失20%～80%，甚至绝产。在各类作物中，以根茎或根部入药的宿根类中药材受土壤环境的影响最大，受连作障碍的影响也最为明显[2]。连作对药用植物的影响具体表现为植株生长发育受阻、抗逆性和产质量降低、叶绿素含量降低、根系活力减弱等。连作障碍除了会对作物造成影响，还会严重降低农民的经济收入。为了减少损失，部分农民会盲目地大量施用农药或肥料、更换或扩张地块等，这些行为不仅会造成巨大的浪费，还会对自然环境造成破坏。因此，利用科学的方法解决连作障碍至关重要。目前，解决连作障碍的方法包括采用化学调控方法和科学的种植制度。虽然有很多抗重茬药剂开始推广，但研究发现，轮作仍然是解决连作障碍的最佳方案[3]。相比于一年生作物，多年生药用作物需要考虑投入费用和产量效益，寻找最佳的轮作换茬时间。

栝楼（Trichosanthes kirilowii Maxim.），亦称瓜蒌，属于葫芦科，是一种多年生藤本植物。栝楼是我国传统的中药材，其根、茎、叶、果皮和种子均可入药，具有扩张冠状动脉、抗肿瘤、抗衰老等作用[4-5]。栝楼的种子又称瓜蒌籽，具有独特的口感，且富含人体所需的多种营养元素，近年来已被开发为一种新的大众休闲食品。随着瓜蒌薤白半夏汤等中药制剂被多省市推荐作为新冠肺炎诊疗方案[6]，栝楼产业呈现逐渐扩大的发展趋势。江苏省是我国栝楼主栽区，近几年栝楼种植规模不断扩大，苏北地区甚至将栝楼作为脱贫帮困项目，引导经济薄弱村和低收入户种植，目前种植面积约占全国种植面积的50%[7]。随着栝楼产业蓬勃发展，连作障碍问题也越来越突出。栝楼属于典型的宿根类多年生作物，种植后可以连续收获3～4年甚至更久，但连作障碍的产生导致部分地区栝楼减产30%～80%，部分严重地块甚至绝产。因此，缓解连作障碍问题已经刻不容缓。目前，关于栝楼连作障碍相关的研究较少。李婧[8]研究发现：连作障碍会导致种植栝楼的土壤酶活性下降；利用连作6年的栝楼根系的化感物质进行处理，会导致栝楼植株超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）等酶活性受到影响，部分品种根系受损、种子萌发率降低以及幼苗株高增长受到限制等。刘 丹等[9]通过外源施用脱落酸发现，施用适当浓度的脱落酸可以提高栝楼抗氧化酶系活性，从而缓解连作障碍。

本研究通过收集不同连作年限的栝楼根际土壤开展试验，检测不同连作年限土壤中养分含量以及栝楼幼苗生长发育情况，以期评价连作土壤对栝楼幼苗生长的影响。通过分析研究结果，找出栝楼适宜的轮作换茬时间，为平衡经济效益和轮作换茬时间提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验植株为栝楼品种苏蒌1号。试验土样取自江苏省栝楼种植主栽区盐城市阜宁县正在生长的栝楼植株根际土壤，取样田田间管理措施和施肥情况基本相同。L2为连作2年土壤；L4为连作4年土壤；L6为连作6年土壤。根际土壤的搜集：同一连作年限随机收集10株栝楼根际土作为一个土壤样品，每个连作年限3次重复，共采集9个土壤样品。

1.2 种植条件

将栝楼种子播种于蛭石内，并放在江苏省农业科学院智能温室中。出苗2周后，选取大小一致的栝楼幼苗种植于花盆内，每个土壤样品种植10盆栝楼，每盆种植3株。于2021年5月30日在江苏省农业科学院智能温室中开始种植试验，6月30日对所有植株进行数据测定。

1.3 测定内容及方法

1.3.1 土壤养分含量测定。土壤养分含量测定内容包括土壤氮、磷和钾的含量。采用凯氏定氮法进行全氮测定；采用钼锑抗比色法测定磷含量；采用ICP-aes法测定钾含量；根据《土壤 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定 氯化钾溶液提取-分光光度法》（HJ 634—2012）进行土壤硝态氮和铵态氮的测定；根据《土壤检测 第7部分：土壤有效磷的测定》（NY/T 1121.7—2014）进行土壤有效磷测定；根据《土壤速效钾和缓效钾含量的测定》（NY/T 889—2004）进行土壤速效钾的测定。

1.3.2 栝楼幼苗生理指标测定。栝楼幼苗测定内容包括株高、根长、地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重、地下部干重和叶绿素含量等指标。

叶绿素含量测定：叶绿素含量使用叶绿素测定仪（Chlorophyll Meter SPAD-502 plus）进行测定。每个土壤样品测30株栝楼幼苗，每个植株在同一位置进行测定，重复3次。

植株性状测定：将栝楼幼苗从花盆中取出，用清水小心洗净根部的土壤，并尽量收集所有根部组织，对所有植株的株高和对应的主根根长进行测定；用吸水纸吸干植株表面的水分，以花盆为单位，分别测定每盆土样中所有栝楼幼苗的地上部和对应的地下部鲜重；采用烘干法，将植株鲜样分别置于105℃烘箱内杀青1 h，80℃烘干至恒重，待样品冷却后称量所有植株的地上部干重和对应的地下部干重。

1.4 数据分析

采用IBM SPSS Statistics进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同连作年限土壤养分含量分析

土壤养分含量可以评价土壤肥力状况和土壤质量。对L2、L4和L6土壤样品的氮、磷和钾含量进行测定，分析不同连作年限土壤质量。从表1可以看出，L4土样的全氮、全磷和全钾含量显著低于L2土样，L6土样的全氮、全钾含量显著低于L2土样。L4土样的全氮、全磷和全钾含量分别为L2土样的0.54、0.62和0.20；L6土样的全氮、全磷和全钾含量分别为L2土样的0.74、0.94和0.23。此外，L4和L6土样中的硝态氮、铵态氮和速效钾含量也低于L2土样。L4土样的硝态氮、铵态氮、速效磷和速效钾含量分别为L2土样的0.38、0.94、1.02和 0.59；L6土样的硝态氮、铵态氮、速效磷和速效钾含量分别为L2土样的 0.35、0.63、0.91和0.43，差异均显著。 与 L6土样相比，L4土样全氮、全磷和全钾含量均略低，但是硝态氮、铵态氮、速效磷和速效钾含量均略高。根据全国土壤养分含量分级标准，除L4和L6土样的全氮含量处于中级水平、L2和L6土样的全磷含量处于中上水平以及L4土样的全磷含量处于低级水平外，其余养分含量均处于较高的水平。以上结果说明，随着连作时间的延长，土壤养分含量逐渐降低，但是土壤肥力和质量仍处于较高的水平。

表1 不同连作年限土壤养分含量

2.2 不同连作年限土壤对栝楼幼苗生长发育的影响

试验研究发现，连作土壤对栝楼幼苗的地上部分生长有着明显的抑制作用，随着连作时间的延长，抑制作用明显。从表2可以看出，L2、L4、L6土样中生长的栝楼幼苗平均株高分别是22.14 cm、19.35 cm和18.80 cm。其中，L2土样中生长的栝楼幼苗株高相比L4和L6土样中生长的栝楼幼苗分别高14.4%和17.8%，差异显著。地下部分根长出现了相反的表型，L2、L4、L6土样中生长的栝楼幼苗根长分别是14.56、15.98、17.68 cm，种植于连作6年土壤中的栝楼幼苗平均根长最长。虽然根长的结果未表现出显著差异，但是可以观测到随着连作时间的延长，土壤中栝楼幼苗根长有增加的趋势。

表2 栝楼幼苗在不同连作年限土壤中植株的株高和根长比较

2.3 不同连作年限土壤对栝楼幼苗生物量的影响

对在不同连作年限土壤中生长1个月的栝楼幼苗进行生物量检测，检测结果显示，随着连作时间的延长，栝楼幼苗地上部和地下部生物量都有所降低。由表3可知：与L2土样中生长的栝楼幼苗相比，L4土样中生长的栝楼幼苗地上部分平均鲜重减少了2.8%，平均干重减少了5.4%；地下部分平均鲜重减少了2.2%，平均干重减少了1.8%。与L2土样中生长的栝楼幼苗相比，L6土样中生长的栝楼幼苗地上部分平均鲜重减少了6.3%，平均干重减少了14.9%；地下部分平均鲜重减少了11.0%，平均干重减少了12.3%。以全株幼苗干重计算总生物量变化情况可知：L4土样中生长的栝楼幼苗生物量比L2土样中生长的栝楼幼苗减少3.82%；而L6土样中生长的栝楼幼苗生物量比L2土样中生长的栝楼幼苗减少13.74%，变化幅度较大。

表3 不同连作土壤内种植栝楼幼苗生物量检测

2.4 不同连作年限土壤对栝楼幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素含量是反应植株叶片生理活性变化的重要指标之一，与植物光合能力和产量具有密切的相关性。试验观察发现，不同连作年限土壤中生长的栝楼幼苗在叶片色泽上有少许差异。对这些幼苗进行叶绿素含量测定，结果表明，随着连作年限的延长，幼苗叶绿素含量表现出显著的降低趋势。从表4可以看出：L2土样中种植的栝楼幼苗叶片叶绿素含量平均为34.62；L4土样中种植的栝楼幼苗叶片平均叶绿素含量为32.73，相比L2土样中种植的栝楼幼苗下降了5.5%；在L6土样中种植的栝楼幼苗叶片平均叶绿素含量仅为29.45，与L2土样中种植的栝楼幼苗相比下降14.9%。以上结果说明，栝楼幼苗在连作4年和连作6年的土壤中生长发育均受限，该结果与栝楼表型测定结果一致。

表4 不同连作年限土壤内种植栝楼幼苗的叶绿素含量

3 结论与讨论

栝楼是一种多年生宿根类中药材，其根即天花粉，广泛用于消肿排脓以及耳鼻喉疾病、妇科疾病等的治疗[10]。为了高效产出和节约成本，农民通常会连作多年。但在连作3～4年以后，即会表现出植株生长受抑制、产量下降和病虫害高发等现象。为了减少损失，农民会大量施用化肥和农药。但是，过量施用肥料会导致土壤盐分过量，产生土壤次生盐渍化，进一步加剧栝楼病害的发生和抑制生长发育；同时，过量施用农药会造成严重的环境污染。连作障碍成为影响我国栝楼生产的主要问题之一。近年来，多位研究者从不同角度出发，对作物连作障碍产生的原因和缓解方法进行了研究。但迄今为止，轮作仍是解决连作障碍最有效的方法。作为宿根类作物以及重要的中药材，栝楼根系的生长对其经济价值有着至关重要的意义；且栝楼在种植前期需要耗费大量的人力和物力进行开沟、起高垄、搭棚架和铺设滴灌带等，投入成本较高。种种原因导致其无法通过采取每年轮作的措施来缓解连作障碍。因此，在综合考虑品质、产量和成本等因素的前提下寻找最合适的换茬时间，既保证综合产量，又减少连作损失，是国内栝楼种植面临的重要问题。

本试验通过收集连作2年、4年和6年的栝楼根际土样，研究不同连作年限土壤养分含量和栝楼幼苗在不同连作年限土壤中的生长发育情况。土壤养分含量检测结果说明，虽然随着连作时间的延长，土壤养分含量呈下降趋势，但是土壤的肥力状况和质量仍处于较高的水平；而栝楼幼苗试验结果表明，土壤连作年限越长，植株生长发育受到的抑制越严重。以上研究结果说明，土壤养分含量的变化可能并不是栝楼连作障碍产生的主要因素。与在连作2年土壤中生长的栝楼幼苗相比，在连作4年和6年土壤中生长4周的栝楼幼苗生长发育受到了显著的抑制，具体表现为植株株高显著降低、幼苗地上部和地下部的鲜重和干重下降。除了生长发育外，在连作6年土壤中生长的栝楼幼苗叶绿素含量也显著低于在连作2年和4年土壤中生长的栝楼幼苗。说明随着连作年限的延长，栝楼幼苗的光合能力受到了抑制。这与在连作6年和4年土壤中生长的栝楼幼苗生物量下降的研究结果相符，可能是导致常年连作的栝楼植株产量降低的原因之一。

试验还发现，栝楼幼苗的根长随着土壤连作年限的延长呈增加的趋势。根系是植物获取养分和水分的重要器官，也是最先感受到土壤环境胁迫的器官。在植株受到土壤环境胁迫时，根系首先作出反应并发生相应的改变，包括改变根系形态和分布，以适应胁迫。多项研究表明，植株在胁迫条件下会促使根系数量增多且根系分布于深层土壤中，作物根密度和根长度增加[11-12]。根据前人的研究结果推测，连作4年和连作6年土壤中种植的栝楼幼苗可能受到了一定的胁迫，导致其根系长度高于连作2年土壤中种植的植株。这些胁迫的产生可能是导致栝楼连作障碍的重要因素，对其进行深入研究对于缓解栝楼连作障碍具有重要的参考意义。

试验结果还显示，虽然连作4年和连作6年土壤中生长的栝楼幼苗生物量都比连作2年土壤中生长的栝楼幼苗降低，但连作4年土壤中生长的栝楼幼苗生物量降低幅度为3.82%，叶绿素含量降低幅度为5.5%；而连作6年土壤中生长的栝楼幼苗生物量降低幅度达到了13.74%，叶绿素含量降低了14.9%，严重影响了栝楼幼苗的正常生长。根据该结果可以推测，连续种植栝楼4年左右的土壤对其植株生长机能影响不大，植株的生长量下降幅度不大；但连作6年的土壤对栝楼的生长发育已经产生较为严重的抑制现象。因此，建议生产过程中栝楼连作种植不能超过6年，最好控制在4～5年轮作一次。这样既能保证栝楼植株的正常生长，又可以降低生产成本，提高经济效益。