伴生芹菜和紫背天葵對(duì)連作豇豆生長(zhǎng)發(fā)育及根際土壤環(huán)境的影響

陳 昱，張福建，楊有新，王 強(qiáng)，王 豐，吳才君

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江西南昌 330045）

豇豆 (Vigna unguiculata L. Walp.) 營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，富含維生素和植物蛋白質(zhì)，且適應(yīng)性強(qiáng)，是我國(guó)重要的蔬菜之一，種植面積約為226萬畝 (據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料統(tǒng)計(jì))。為了追求經(jīng)濟(jì)效益，以及土地種植面積有限，連年單一種植豇豆不可避免，連作障礙問題日益嚴(yán)重。目前連作障礙是制約我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一[1]，豇豆連年種植易導(dǎo)致土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)失衡，病原菌增多，土傳病害加重；豇豆根系分泌的自毒物質(zhì)會(huì)直接抑制其根系的生長(zhǎng)，最終豇豆生長(zhǎng)發(fā)育受阻、產(chǎn)量減少、品質(zhì)下降、經(jīng)濟(jì)效益低[2]。大量研究表明利用不同植物間的化學(xué)他感作用原理，合理安排間作、輪作、套作和伴生等栽培模式是解決連作障礙的比較環(huán)保、有效的途徑，通過多種植物的相互作用，改善根際微生態(tài)環(huán)境，抑制在單作中易感染的有害病菌，從而達(dá)到減輕病蟲害，提高蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)的效果[3–6]。研究表明，三種豆科植物分別伴生甜玉米與單作相比，均能提高葉片面積、相對(duì)葉綠素含量、甜玉米生物量以及產(chǎn)量[7]。吳鳳芝等[8–9]研究表明，伴生分蘗洋蔥能夠顯著提高番茄對(duì)灰霉病及黃萎病的抗性，達(dá)到緩解番茄連作障礙的目的。小麥伴生西瓜能提高土壤脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性，同時(shí)提高西瓜根際細(xì)菌、放線菌數(shù)量及細(xì)菌和放線菌的比例，并降低真菌的比例[10]。

芹菜 (Apium graveolens L.) 屬傘形科，含有豐富的維生素、蛋白質(zhì)和膳食纖維，此外還有多種礦質(zhì)元素等成分。研究發(fā)現(xiàn)，芹菜含有檸檬烯、α-蒎烯、β-月桂烯等揮發(fā)物質(zhì)對(duì)煙粉虱起驅(qū)避作用，其伴生或間套作黃瓜、辣椒、番茄等蔬菜，可以有效地控制煙粉虱蟲害[11–12]。芹菜伴生黃瓜還能顯著降低霜霉病發(fā)病率和病情指數(shù)，且發(fā)病率降低42.8%[13]；同時(shí)還能顯著提高黃瓜根際土壤過氧化物酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性，以及改變土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，修復(fù)連作土壤環(huán)境[14]。紫背天葵 (Gynura bicolor D.C) 屬菊科三七草屬多年生草本蔬菜，其含豐富的蛋白質(zhì)、粗纖維、多種維生素和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)功能成分，并具有抗氧化、抗腫瘤、消炎、降血糖和血脂、提高造血功能、調(diào)節(jié)免疫力、抗衰老等多種保健功能[15]。此外，紫背天葵水提取物對(duì)細(xì)菌有明顯抑制作用[16]。因此，選擇有益的伴生材料，進(jìn)行合理的間套混作可能是一種有效緩解連作障礙的措施。因?yàn)榘樯魑锲涓捣置谖锬艽龠M(jìn)主茬作物生長(zhǎng)及改善土壤微生態(tài)環(huán)境，保持微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性，誘導(dǎo)主茬作物提高抗性[7,10]。但是目前利用芹菜和紫背天葵作為豇豆伴生植物緩解豇豆連作障礙的研究仍未見報(bào)道。

本試驗(yàn)以豇豆為材料，芹菜和紫背天葵為伴生作物，通過盆栽試驗(yàn)研究了伴生芹菜和紫背天葵對(duì)連作豇豆生理指標(biāo)及根際土壤環(huán)境的影響，旨在尋找安全有效的緩解豇豆連作障礙的途徑，為緩解豇豆連作障礙提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試豇豆品種‘華贛彩蝶·綠帥’，芹菜品種為本地芹，購于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)菜市場(chǎng)；紫背天葵購于山東壽光。供試土壤為旱地連作5年紅壤土，豇豆種子和連作土壤均由江西華農(nóng)種業(yè)有限公司提供，土壤基本理化性質(zhì)為pH 4.50、堿解氮80.7 mg/kg、有效磷5.7 mg/kg、速效鉀322 mg/kg、有機(jī)質(zhì)28.5 g/kg。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-2600島津紫外可見分光光度計(jì)，島津企業(yè)管理有限公司；HI-2315型電導(dǎo)率儀，HANNA instruments；Five Easy Plus pH儀，梅特勒托利多儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

試驗(yàn)于2017年4月始在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)園蔬菜試驗(yàn)基地進(jìn)行，將連作土壤與有機(jī)肥按50∶1混勻并分別均勻裝入盆中 (30 cm × 25 cm)。每盆土壤重量約為9 kg，有機(jī)肥養(yǎng)分含量為總養(yǎng)分 (N + P2O5+K2O) ≥ 5%、有機(jī)質(zhì) ≥ 45%。試驗(yàn)采用盆栽方式，共設(shè)三個(gè)處理：豇豆單作 (對(duì)照)、紫背天葵伴生豇豆、芹菜伴生豇豆，分別標(biāo)記為CK、T1和T2。每個(gè)處理10盆，每盆2株，3次重復(fù)。豇豆直播生長(zhǎng)20 d后，開始伴生處理，每盆伴生一株10 cm左右高的芹菜小苗或一株10 cm左右高的紫背天葵小苗，進(jìn)行常規(guī)管理。長(zhǎng)到30 cm左右時(shí)割去上部 (留10 cm茬)，割2～3次后任其生長(zhǎng)。伴生20 d后測(cè)量豇豆生長(zhǎng)指標(biāo)，并采用剝落分離法采集豇豆根際土，4℃保存鮮土用于細(xì)菌、放線菌、真菌分離計(jì)數(shù)，風(fēng)干土用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。伴生40 d采集豇豆植株中上部葉片用于測(cè)定抗氧化酶指標(biāo)及葉綠素含量，最后統(tǒng)計(jì)豇豆產(chǎn)量。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

1.4.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 用卷尺測(cè)定株高 (以莖根底部到生長(zhǎng)點(diǎn))；用游標(biāo)卡尺測(cè)定莖粗 (子葉下方1 cm處)，用天平測(cè)定植株鮮重、干重和產(chǎn)量。

1.4.2 土壤中微生物計(jì)數(shù) 微生物計(jì)數(shù)采用稀釋平板法[17]，細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；放線菌采用高氏1號(hào)培養(yǎng)基；真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基。

1.4.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法 土壤pH值按土水比1∶5用酸度計(jì)法測(cè)定；土壤電導(dǎo)率值按土水比1∶5用電導(dǎo)率儀測(cè)定。土壤酶測(cè)定采用關(guān)松蔭[18]方法：采用靛酚比色法測(cè)定脲酶，結(jié)果以反應(yīng)24 h后1 g土壤中NH4+-N的毫克數(shù)表示；采用鄰苯三酚比色法測(cè)定多酚氧化酶，結(jié)果以2 h后1 g土壤中生成的紫色沒食子素的毫克數(shù)表示；采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定蔗糖酶，結(jié)果以24 h后1 g土壤葡萄糖毫克數(shù)表示；采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定酸性磷酸酶，結(jié)果以24 h后1 g土壤中釋放出的酚的毫克數(shù)表示。

1.4.4 生理指標(biāo)測(cè)定方法 葉綠素含量測(cè)定參照李合生[19]方法；CAT和POD活性的測(cè)定均采用Cakmak和Marschner等[20]的方法；GR活性測(cè)定參照Foyer和Halliwell[21]的方法；DHAR活性測(cè)定參照Nakano和Asada[22]的方法。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2013整理，利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 20.0進(jìn)行相關(guān)性分析，并運(yùn)用Duncan新復(fù)極差法對(duì)差異 (P ＜ 0.05) 進(jìn)行多重比較，用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 伴生芹菜和紫背天葵對(duì)連作豇豆生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

如表1所示，伴生芹菜處理各生長(zhǎng)指標(biāo)都最高，與單作相比，其豇豆株高、莖粗、地上鮮重和地上干重分別顯著增加了23.98%、9.07%、16.14%和16.00%。伴生紫背天葵處理其株高、莖粗與單作無顯著差異，但地上鮮重和地上干重顯著低于單作，分別降低了15.35%、16.27%。

2.2 伴生芹菜和紫背天葵對(duì)連作豇豆根際土壤微生物數(shù)量的影響

如表2所示，伴生芹菜處理放線菌數(shù)量最高，較單作處理顯著升高了10.06%；真菌數(shù)量最低，較單作處理顯著降低了41.51%；細(xì)菌數(shù)量與單作處理之間無顯著差別。與單作相比，伴生紫背天葵處理其放線菌、真菌和細(xì)菌數(shù)量均無顯著差異。

2.3 伴生芹菜和紫背天葵對(duì)豇豆根際土壤酶活性的影響

圖1所示，伴生紫背天葵處理其土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性最高，與單作處理相比，土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性分別顯著增加了7.07%、381.00%、21.63%和42.79%。伴生芹菜處理其蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性較單作處理分別顯著增加了162.48%、30.75%和35.27%；而脲酶活性與單作處理相比無顯著差別。

2.4 伴生芹菜和紫背天葵對(duì)豇豆根際土壤pH和電導(dǎo)率的影響

如圖2所示，與單作相比，伴生芹菜和紫背天葵均能提高豇豆根際土壤pH，分別提升了0.98%、1.23%；同時(shí)能顯著降低土壤電導(dǎo)率，分別降低了9.48%、8.34%。

2.5 伴生芹菜和紫背天葵對(duì)連作豇豆葉片葉綠素含量的影響

表3表明，伴生芹菜處理豇豆葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a + b含量均顯著高于其他處理，與單作處理相比分別顯著增加了12.55%、10.87%、12.15%；伴生紫背天葵處理與單作處理相比，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a + b含量均不存在顯著差異。

2.6 伴生芹菜和紫背天葵對(duì)連作豇豆葉片抗氧化酶活性的影響

圖3顯示，伴生芹菜處理POD、GR和DHAR活性最高，與單作相比，分別顯著增加了16.20%、73.49%和17.76%；而CAT活性和單作處理之間不存在顯著差異。伴生紫背天葵處理CAT、GR活性顯著高于單作處理，分別增加了97.12%、58.79%；POD、DHAR活性與單作之間無顯著差別。

表1 伴生芹菜和紫背天葵豇豆生長(zhǎng)和地上部鮮重、干重指標(biāo)Table 1 Growth and shoot fresh and dry weight of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

表2 伴生芹菜、紫背天葵豇豆土壤微生物數(shù)量Table 2 Soil microbial population of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

圖1 伴生芹菜和紫背天葵豇豆根際土壤酶活性Fig. 1 Rhizosphere soil enzymes activities of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

圖2 伴生芹菜和紫背天葵豇豆根際土壤pH和電導(dǎo)率Fig. 2 Soil pH and conductivity of cowpea rhizosphere soil companied grown with celery and gynura bicolor

2.7 伴生芹菜和紫背天葵對(duì)連作豇豆產(chǎn)量的影響

表4表明，伴生芹菜和紫背天葵處理均能顯著提升豇豆產(chǎn)量，與單作處理相比，前期分別增加了19.87%、19.61%，中期分別增加了18.22%、15.33%，后期分別增加了8.44%、12.70%。

3 討論

表3 伴生芹菜和紫背天葵豇豆葉片葉綠素含量Table 3 Chlorophyll contents in leaves of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

圖3 伴生芹菜和紫背天葵豇豆葉片抗氧化酶活性Fig. 3 Antioxidant activity of cowpea leaves companied grown with celery and gynura bicolor

表4 伴生芹菜和紫背天葵豇豆連作產(chǎn)量Table 4 Yield of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

蔬菜的連作障礙是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大問題，易造成微生物區(qū)系和土壤酶活性紊亂，土壤微生態(tài)環(huán)境改變；作物的生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用、保護(hù)酶活性等生理過程都受其影響，解決連作障礙已成為蔬菜可持續(xù)發(fā)展的棘手問題[23]。通過伴生可以合理地利用作物間化感作用，調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育和改善土壤理化性質(zhì)，達(dá)到生態(tài)平衡。生長(zhǎng)指標(biāo)可以反映植株生長(zhǎng)狀況，是評(píng)價(jià)種苗質(zhì)量的有效指標(biāo)。吳瑕等[9]研究分蘗洋蔥伴生對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)與單作相比，伴生處理顯著增加了番茄株高、地上部及地下部干重。本試驗(yàn)研究也得到類似結(jié)果，伴生芹菜處理能顯著提高豇豆株高、莖粗、地上鮮重和地上干重等生長(zhǎng)指標(biāo)；而紫背天葵處理其豇豆生長(zhǎng)趨勢(shì)反而較弱，說明伴生芹菜處理有利于豇豆的生長(zhǎng)發(fā)育。

土壤微生物與土壤養(yǎng)分循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能密切相關(guān)[24]，其與某些酶活性之間存在顯著相關(guān)性[10]。隨著豇豆連作年限增長(zhǎng)，土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)會(huì)由高肥的“細(xì)菌型”向低肥的“真菌型”轉(zhuǎn)化，會(huì)破壞根際土壤微生物種群平衡，有害菌大量繁殖，有益菌明顯減少，最終表現(xiàn)出連作障礙[25]。本研究結(jié)果表明，伴生芹菜處理能顯著提高放線菌數(shù)量，降低真菌數(shù)量，細(xì)菌數(shù)量則與單作無顯著差異；而伴生紫背天葵處理其細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量與單作均無顯著差異，說明伴生芹菜處理更有利于改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。類似結(jié)果在其他作物的研究中也得到了證實(shí)，如楊瑞娟等[26]研究表明大麥、小麥伴生番茄處理能顯著增加土壤中放線菌數(shù)量，而顯著降低真菌數(shù)量；徐偉慧等[10]通過小麥伴生西瓜處理，土壤中放線菌數(shù)量顯著增加，而真菌數(shù)量顯著降低。芹菜伴生使豇豆根際土壤放線菌數(shù)量增加的原因可能與芹菜根系分泌物的種類和數(shù)量有關(guān)；根系分泌物可為根際微生物生長(zhǎng)、繁殖提供碳和能源，分泌物的種類和數(shù)量影響著根際微生物的種類和數(shù)量，以及微生物群落結(jié)構(gòu)[27]。伴生紫背天葵處理對(duì)豇豆根際土壤微生物的影響與單作之間無顯著差異，這可能與紫背天葵根系生長(zhǎng)環(huán)境不同有關(guān)。

土壤酶是由植物根系、微生物以及土壤動(dòng)物和動(dòng)植物殘?bào)w釋放[18]，它參與土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝過程，并與土壤微生物和養(yǎng)分含量息息相關(guān)[28–29]。根際土壤酶活性的增強(qiáng)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化具有重要作用[28]。本試驗(yàn)表明，伴生芹菜和紫背天葵處理均提高了土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性，其中土壤酶活性以紫背天葵伴生效果最好。這與前人證實(shí)合理的伴生栽培模式能提高根區(qū)土壤酶活性的結(jié)論相一致[10,14]。有研究表明，蔗糖酶、脲酶活性在連作2年時(shí)有所上升，之后隨著種植年限的增加，土壤酶活性呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)[30]。土壤酶活性與土壤中各營(yíng)養(yǎng)元素的釋放和貯存、土壤中腐殖質(zhì)的形成與發(fā)育、以及土壤的結(jié)構(gòu)和物理狀況都是密切相關(guān)的；換言之，它們參與了土壤的發(fā)生和發(fā)育以及土壤肥力的形成和演化的全過程[18]。因此，伴生芹菜和紫背天葵處理均能提高土壤酶活性，改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤肥力，更利于植物生長(zhǎng)發(fā)育，這可能是伴生芹菜和紫背天葵緩解豇豆連作障礙的原因之一。適宜的土壤pH和電導(dǎo)率更有利于蔬菜植物的生長(zhǎng)發(fā)育。伴生芹菜和紫背天葵均能提高土壤pH和降低土壤電導(dǎo)率。這與韓哲等[31]研究的利用D123小麥殘茬處理緩解西瓜連作障礙能提高連作西瓜土壤pH而降低土壤電導(dǎo)率的結(jié)論一致。原因可能是芹菜和紫背天葵根系分泌的有機(jī)物質(zhì)被土壤微生物利用，進(jìn)而活化了土壤中的養(yǎng)分所致。

逆境脅迫會(huì)打破植物細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)環(huán)境平衡，促使植物細(xì)胞內(nèi)活性氧大量積累從而引發(fā)植物細(xì)胞內(nèi)的防御響應(yīng)，其中包括酶類活性氧清除系統(tǒng)[32]。酶類活性氧系統(tǒng)清除體內(nèi)的活性氧需依賴抗氧化酶，其中包括POD、CAT、GR和DHAR等，它能達(dá)到保護(hù)植物自身以減輕環(huán)境脅迫對(duì)植物的傷害的目的，抗氧化酶是植物抗逆性保護(hù)機(jī)制的一個(gè)重要組成部分[33]。試驗(yàn)結(jié)果表明，伴生芹菜處理能顯著提高POD、GR和DHAR活性，但CAT活性和單作相比無顯著差異；伴生紫背天葵處理其CAT、GR活性顯著提高，而POD、DHAR活性與單作處理無顯著差異?？寡趸富钚蕴岣呖梢杂行宄贵w內(nèi)的活性氧，以伴生芹菜處理效果最好，說明伴生芹菜處理更有助于提高豇豆抵抗逆境脅迫的能力。類似結(jié)果在高春琦研究伴生小麥延緩黃瓜葉片衰老機(jī)理中發(fā)現(xiàn)，與黃瓜單作相比，伴生小麥在一定程度上提高了葉綠素含量、減緩了蛋白降解速度、增加了超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性，增強(qiáng)了黃瓜的抗逆性，從而減緩黃瓜葉片的衰老速度[34]。高等植物葉綠體中的葉綠素主要有葉綠素a和葉綠素b兩種，它在光合作用的光吸收中起核心作用。研究發(fā)現(xiàn)，D125小麥伴生西瓜處理，葉片葉綠素a含量和葉綠素a/b值能顯著提高，凈光合速率也提高[35]。玉米花生間作能顯著提高玉米葉綠素含量，從而使光反應(yīng)中心吸收較多的光能進(jìn)行光反應(yīng)，提升凈光合速率，最終與單作玉米相比，間作模式能顯著增加玉米產(chǎn)量[36]。本試驗(yàn)與以上研究結(jié)果類似，伴生芹菜處理其豇豆葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a + b含量均顯著增加，最后豇豆單株產(chǎn)量也顯著高于單作豇豆。而伴生紫背天葵處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a +b含量與單作相比均無顯著差異，但是最后豇豆單株產(chǎn)量顯著提高，這可能和紫背天葵處理能顯著提高豇豆土壤酶活性有關(guān)。

4 結(jié)論

芹菜伴生處理能顯著提高連作豇豆株高、莖粗和生物量；芹菜和紫背天葵伴生連作豇豆均可以提高葉片抗氧化酶活性和根際土壤酶活性，以及提高土壤pH值和降低土壤電導(dǎo)率，改善根際土壤理化性質(zhì)；芹菜伴生處理還能改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，使根際土壤環(huán)境向著有益的方向發(fā)展；芹菜和紫背天葵伴生都能提高豇豆產(chǎn)量。伴生處理均有利于緩解豇豆連作障礙，其中以芹菜伴生處理的效果較佳。