黃土高原馬鈴薯不同連作年限土壤理化性質及微生物特性

孫小花， 胡新元，陸立銀，謝奎忠，張 武

(1．甘肅省農業(yè)科學院馬鈴薯研究所，甘肅 蘭州 730070； 2．甘肅省農業(yè)科學院，甘肅 蘭州 730070)

隨著馬鈴薯產(chǎn)品價格的不斷提升和消費逐步向高附加值產(chǎn)品的轉變，一些企業(yè)及農民合作組織為滿足旺盛的訂單需求造成馬鈴薯多年連作，致使產(chǎn)量和效益下降，土壤質量退化，土壤病害連發(fā)等問題頻發(fā)[1-2]，許多優(yōu)質種薯生產(chǎn)基地馬鈴薯連作現(xiàn)象也極為普遍。因此，緩解和克服由于連作引起的土壤退化和營養(yǎng)失衡等問題已成為馬鈴薯生產(chǎn)過程中首要需解決的問題。目前，關于連作問題已經(jīng)在設施蔬菜[3-4]、瓜果[5]、花生[6]、豆類[7-8]和中藥材[9-10]等作物上進行了大量研究。馬鈴薯連作土壤障礙的形成機制及其克服與消除技術國內外已有報道，主要從連作土壤致病菌的產(chǎn)生與病蟲害作用機制[11]、植物化感與自毒作用[12]、連作對馬鈴薯光合作用的影響[13-14]、干物質積累[15]、內源激素代謝[16]，以及土壤基因組學[17]等不同角度試圖對上述問題進行理解和闡釋。而關于馬鈴薯不同連作年限土壤理化性質及微生物特性的研究報道較為少見，且連作障礙產(chǎn)生的主要原因就是土壤理化性狀的改變以及土壤微生物組成的失衡。

因此，本研究以馬鈴薯不同連作年限的土壤為主要研究對象，依托田間定位試驗，對馬鈴薯不同連作年限土壤容重、土壤結構分維的變化，土壤總有機碳的積累，馬鈴薯主要生育期土壤酶活性的動態(tài)，土壤微生物數(shù)量、菌群組成變化等方面進行了探討，試圖從時間尺度上來探討土壤物理、化學和生物學性質對馬鈴薯連作的響應，評估可能的連作土壤障礙因子，明確馬鈴薯連作障礙機理，為解決連作土壤障礙因子的消減技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗布設在甘肅省定西市安定區(qū)寧遠鎮(zhèn)紅土村，位于N35°26.714′，E104°50.886′，海拔1 991 m，試驗地為平坦川地，屬中溫帶偏旱區(qū)，平均海拔2 000 m，日照時數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4℃，≥10℃積溫2 239.1℃，無霜期140 d。多年平均降水量390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53，為典型的黃土高原半干旱雨養(yǎng)農業(yè)，屬一年一熟區(qū)。土壤為典型的黃綿土，不同連作年限土壤基礎養(yǎng)分見表1。

表1 不同連作年限土壤基礎養(yǎng)分

注：pH值根據(jù)水∶土=2.5得到。

Note: the pH value in the
Table was measured with water∶soil ratio of 2.5.

1.2 試驗設計

試驗地2009年種植小麥，2010年開始進行定位試驗，2018年為定位試驗第9年。試驗設5個處理，處理1：撂荒(CK1),2005年豌豆，2006年起撂荒；處理2：輪作(CK2),小麥/豌豆/馬鈴薯輪作；處理3：連作2 a馬鈴薯(2015-2017年連續(xù)種3 a馬鈴薯)；處理4：連作4 a馬鈴薯(2013-2017年連續(xù)種5 a馬鈴薯)；處理5：連作6 a馬鈴薯(2011-2017年連續(xù)種7 a馬鈴薯)。每個處理3次重復，每小區(qū)面積23.814 m2(寬4.2 m× 長5.67 m)。馬鈴薯每個小區(qū)種植7行，株距37 cm，行距60 cm。每年3月下旬播種小麥，4月下旬播種馬鈴薯。小麥每hm2播種量為187.50 kg，施純N 及P2O5各105.00 kg、農家肥3萬kg。馬鈴薯在4月下旬播種，播種密度為67 500株·hm-2，施肥參照當?shù)貥藴剩縣m2施P2O5108.00 kg、純N 135.00 kg、農家肥3萬kg，其中1/4的氮肥在現(xiàn)蕾期結合培土追施，其余作為基肥施入。播種和施肥均為機械化一次性完成，田間管理同當?shù)卮筇铩?/p>

1.3 取樣

在馬鈴薯主要生育期選擇地勢、肥力等生態(tài)因子基本一致的有代表性的樣地在每個樣方內按五點取樣， 根據(jù)試驗要求分別取(1)播前0～20、20～40 cm土層，測土壤容重；(2)播前、收后0～40 cm土層原狀土，測土壤結構分維；(3)播前0～20、 20～40、 40～60、 60～80、 80～100 cm土層土樣，自然風干后研磨過0.15 mm篩，測土壤總有機碳(TOC)；(4)播前、苗期、盛花期、塊莖膨大期、成熟期分別在壟上馬鈴薯行間靠近植株根系處取樣，保鮮冷藏，測土壤酶活性和土壤微生物數(shù)量。所有土樣均去掉可見的植物根系和殘體。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤化學因子[18]土壤pH值用電位法；全N用凱氏法；全P用堿熔-鉬銻抗比色法；全K用NaOH熔融-火焰光度法；堿解N用擴散法；速效P用Olsen法；速效K用1 mol·L-1NH4Ac浸提-火焰光度法。

1.4.2 土壤容重 采用環(huán)刀法[18]。

1.4.3 土壤結構分維 土壤粒徑分級采用中國科學院南京土壤研究所提出的我國土粒分級標準[19]，即砂粒粒徑為0.05～1 mm，粉粒粒徑為0.005～0.05 mm，粘粒粒徑<0.005 mm。取0～40 cm土層混合樣，過>4、4、2、1、0.5、0.25、0.15、0.125、0.055 mm篩。

1.4.4 土壤總有機碳 重鉻酸鉀氧化法[18]。采用“S”型取樣法，在馬鈴薯播前取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層混合樣。自然風干后研磨過0.15 mm篩。稱取通過0.15 mm篩孔的風干土樣0.1～1 g，滴加0.800 mol·L-1K2Cr2O7標準溶液5 mL，再加入5 mL濃H2SO4。將試管放于170℃～180℃的油浴鍋中加熱5 min，后將試管中溶液倒入250 mL三角瓶中，定容至100 mL，加入鄰菲羅啉指示劑3滴，用標準的0.2 mol·L-1FeSO4滴定，記下FeSO4滴定體積(V)，計算土壤有機碳含量。

1.4.5 土壤酶活性 土壤脲酶采用比色法，過氧化氫酶采用 KMnO4滴定法，(轉化酶)蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[20]。

1.4.6 土壤微生物數(shù)量 采用平板計數(shù)法[21]。細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基， 真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基， 放線菌采用高氏1號培養(yǎng)基。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

應用SPSS 16.0和Excel 2010等軟件對試驗所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、相關分析、顯著性檢驗，并繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯不同連作年限土壤物理性狀

2.1.1 土壤容重 土壤容重是考量土壤綜合性質的一個重要參考標準。通過對不同處理土壤0～40cm土層容重的研究表明(見表2)：5種不同處理土壤容重在1.19～1.35 g·cm-3范圍內，其中0～20 cm土層：土壤容重從小到大依次排序為連作6 a<撂荒(CK1)<連作2 a<輪作(CK2)<連作4 a；而20～40 cm土層土壤容重從小到大依次為連作6 a<輪作(CK2)<連作4 a<連作2 a<撂荒(CK1)。綜上所述，0～20 cm土層連作4 a土壤容重最大，為1.33 g·cm-3， 20～40 cm土層撂荒(CK1)處理土壤容重最大，為1.35 g·cm-3；不論哪個層次連作6 a處理土壤容重均最小，僅為1.19～1.22 g·cm-3。連作6 a土壤容重最小，說明土壤疏松多孔，結構性良好；反之，撂荒(CK1)容重大，土壤緊實板硬，缺乏團粒結構，妨礙根系伸展，不利于馬鈴薯生長發(fā)育。

綜上分析，對馬鈴薯播前土壤而言，不同土地利用方式對土壤容重影響較大，撂荒處理土壤板結嚴重；隨著連作年限的增加，人為擾動頻繁，土壤容重反而減小。

表2 不同處理土壤容重分析

注：同行數(shù)據(jù)后標以不同字母者表示在P<0.05水平上差異顯著。

Note: Different letters in the same row indicate significant difference atP<0.05 level.

2.1.2 土壤結構分維 任何一種土壤都是由粒徑不同的各種土粒組成的，從圖1可以看出，各處理>4 mm粒徑的土壤最多，占總樣的16.14%～32.49%，從小到大依次排序為輪作(CK2)<連作4 a<連作6 a<連作2 a<撂荒(CK1)；0.15 mm粒徑的土壤占百分比最小，為2.23%～3.61%，從小到大依次排序為撂荒(CK1)<連作2 a<連作6 a<連作4 a<輪作(CK2)。

土壤中各粒級的含量并非平均分配，而是以某一級或兩級顆粒的含量和影響為主，從而顯示出不同的顆粒性質。由圖2可以看出，同一種處理下土壤各粒徑含量差異很大。撂荒(CK1)處理>4 mm～0.055 mm粒徑的土壤占15.8%～32.49%、輪作(CK2)處理>4 mm～0.055 mm粒徑的土壤占3.61%～19.88%、連作2 a>4 mm～0.055 mm粒徑的土壤占2.37%～31.40%、連作4 a>4 mm～0.055 mm粒徑的土壤占3.41%～20.99%、連作6 a>4 mm～0.055 mm粒徑的土壤占3.03%～21.88%。

2.2 馬鈴薯不同連作年限土壤化學性質

2.2.1 土壤總有機碳 耕層土壤總有機碳含量變化直接影響作物的生長狀況，是土壤生產(chǎn)潛力和土壤質量的一個重要體現(xiàn)。由圖3可知，馬鈴薯連作農田土壤總有機碳的動態(tài)變化趨勢呈明顯下降趨勢，撂荒處理土壤總有機碳含量最大，為9.53 g·kg-1，連作6 a土壤總有機碳含量最低，為8.17 g·kg-1，連作6 a土壤總有機碳含量比撂荒降低了14.27%，可見連作年限對土壤總有機碳的影響很大，撂荒更有利于土壤TOC(總有機碳)的積累。

為了研究不同處理土壤垂直剖面中總有機碳的變化特征，本研究在馬鈴薯播前分別取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層混合樣，結果如圖4、圖5所示， 由于前茬作物殘體的凋落、根茬的殘留及土壤微生物的分解，使得農田土壤碳庫表現(xiàn)出動態(tài)變化。各處理土壤總有機碳積累量為5.79～8.52 g·kg-1；0～20 cm土壤TOC積累量顯著高于其它處理，說明撂荒有利于土壤TOC的積累。

圖1 不同粒徑土壤所占百分數(shù)Fig.1 Percentage of soil with different particle sizes

圖2 同一處理不同粒徑土壤所占比例Fig.2 Proportion of soil with different size in the same treatment

圖3 播前不同處理耕層土壤總有機碳含量Fig.3 Total soil organic carbon contents before sowing

注：不同字母表示在P<0.05水平上差異顯著，下同。 Note: Different letters are significant differences at P<0.05 level, the same below.圖4 馬鈴薯苗期不同處理各層次土壤總有機碳含量Fig.4 Total soil organic carbon content of potato at seedling stage with different treatments

圖5 馬鈴薯苗期不同土層各處理土壤總有機碳含量Fig.5 Total soil organic carbon content in different soil layers at seedling stage

2.2.2 土壤酶活性

轉化酶：馬鈴薯主要生育期內土壤轉化酶呈“S”型動態(tài)變化趨勢，出現(xiàn)先高后低又升高的變化過程(圖6)。峰值出現(xiàn)在苗期，為23.24～29.50 mg·g-1·d-1；塊莖膨大期最低，為23.48～26.45 mg·g-1·d-1。酶活性的提高可加快有機質的分解，從而提高土壤養(yǎng)分含量。隨著馬鈴薯生育期的推進，酶活性較理化性質的變化更加敏感，對土壤肥力的演化具有重要影響。

脲酶：馬鈴薯主要生育期內土壤脲酶的動態(tài)變化呈“M”型趨勢，出現(xiàn)雙峰變化過程(圖7)。第一個峰值出現(xiàn)在苗期，為1.55～1.91 mg·g-1·d-1；第二個峰值塊莖膨大期最低，為1.31～1.79 mg·g-1·d-1。

過氧化氫酶：馬鈴薯主要生育期內土壤過氧化氫酶的動態(tài)變化呈“S”型趨勢，出現(xiàn)先高后低的變化過程(圖8)。峰值出現(xiàn)在播前，為3.87～4.17 mL·g-1·d-1，苗期最低，為3.57～4.22 mL·g-1·d-1。

圖6 馬鈴薯主要生育期土壤轉化酶動態(tài)變化Fig.6 Dynamic changes of soil invertase in potato field at main growth stages

圖7 馬鈴薯主要生育期土壤脲酶動態(tài)變化Fig.7 Dynamic changes of soil urease in the main growth period of potato

圖8 馬鈴薯主要生育期土壤過氧化氫酶動態(tài)變化Fig.8 Dynamic changes of soil catalase in potato field at main growth stages

在土壤養(yǎng)分(氮、磷、鉀、有機質等)和土壤酶的共同作用下，土壤中進行著復雜的生化反應和物質循環(huán)。由表3可知，轉化酶、脲酶、過氧化氫酶3種土壤酶之間均呈極顯著正相關；3種酶與容重呈極顯著負相關，與其他肥力因子均呈極顯著正相關，表明3種酶在促進土壤養(yǎng)分轉化，改良土壤理化性狀方面發(fā)揮著重要作用。同一種酶不僅對特定的土壤肥力因子有顯著相關性，而且對多種土壤養(yǎng)分因子均有極顯著的相關性，說明3種土壤酶不僅在促進單一土壤養(yǎng)分因子轉化中發(fā)揮著作用，而且均參與了其他土壤養(yǎng)分因子的轉化過程，共同影響著土壤的理化性狀。

表3 土壤酶活性與主要養(yǎng)分含量的相關性分析

注：*、**分別表示在5%和1%水平相關性顯著。

Note:*, ** mean significant correlation at 5% and 1% levels respectively.

為進一步探討土壤酶活性與土壤肥力的關系，對不同連作年限的土壤酶活性與土壤肥力因子進行主成分分析，以篩選出產(chǎn)生影響的主要因子群。由表4可知，前兩個主成分的累計方差貢獻率為89.29%(>85%) ，能反映土壤肥力系統(tǒng)的變異信息。通過對供試土壤主成分的規(guī)格化特征向量分析，第一主成分土壤酶(轉化酶、脲酶、過氧化氫酶)與土壤主要養(yǎng)分(有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、pH)在全部因子中占主導地位，是土壤肥力的重要組成部分，方差貢獻率達到81.15%，在全部因子中占主導地位，是土壤肥力的最重要方面，故第一主成分代表了土壤各項指標的大小，是反映“土壤肥力水平”的綜合指標。因此，第一主成分可以近似地表示土壤的綜合肥力。

2.2.3 土壤微生物數(shù)量 土壤微生物是土壤養(yǎng)分的活性部分，用于評價土壤質量的生物學性狀。土壤微生物群落(主要有細菌、放線菌和真菌三大類)主要參與土壤生物化學過程、有機物的分解轉化。本研究對不同連作年限的土壤分為兩個層次，即0～10、10～20 cm。由表5可知，細菌：0～10 cm土層連作2 a的細菌數(shù)量顯著高于撂荒、連作4 a和連作6 a；真菌：0～10 cm土層輪作顯著高于撂荒、連作2 a、連作4 a和連作6 a；放線菌：0～10 cm土層撂荒處理顯著高于輪作、連作2 a、連作4 a和連作6 a。微生物數(shù)量隨著土壤深度的增加而減少。

各處理中的土壤中微生物數(shù)量，細菌>放線菌>真菌，且細菌數(shù)量占95%以上，占絕對優(yōu)勢，說明土

表4 供試土壤主成分特征值

表5 不同處理土壤微生物數(shù)量方差分析

注：同列數(shù)據(jù)后標以不同字母者表示在P<0.05水平上差異顯著。

Note: Different letters in the same column indicate that the difference is significant atP<0.05 level.

壤中細菌是優(yōu)勢菌，真菌和放線菌也占有一定比重。在0～10 cm土層中，細菌數(shù)量的大小順序為：連作2 a>輪作>連作4 a>連作6 a>撂荒；真菌數(shù)量以輪作0～10 cm最高，連作6 a 10～20 cm最低；放線菌數(shù)量為撂荒>連作2 a>輪作>連作4 a>連作6 a。由于微生物的數(shù)量直接影響土壤有機質的含量，因此預示著微生物群落結構也隨之改變，進而影響作物的生長狀況。

3 討 論

1)長期連作通過改變土壤中不同粒級團聚體比例而降低有機碳的穩(wěn)定性[22]。本研究以粒徑重量分布取代粒徑數(shù)量分布來描述土壤分形特征，探究黃土高原旱作區(qū)馬鈴薯連作區(qū)土壤團粒結構分維特征。結果表明，連作6 a土壤容重最小，且連作可以改變土壤中不同粒級團聚體的比例，各處理中>4 mm粒徑的土壤含量最高。徐雪風[23]等對盆栽馬鈴薯不同連作年限土壤生物和非生物環(huán)境因子的研究發(fā)現(xiàn)：土壤容重隨著連作年限的增加而逐年上升，在連作7 a時比對照高5.39%。本研究所得結論有所不同，究其原因，本研究是在田間自然條件下進行的，土壤容重受人為擾動頻率不大，只有在耕種、采樣時有翻動，而盆栽試驗土壤人為翻動更多，這也為馬鈴薯連作土壤物理性狀的研究提供了新思路、新方法。

2)有機碳是維持土壤可持續(xù)生產(chǎn)力的關鍵因素，且有機碳庫與土壤質量和作物生產(chǎn)力有密切關系。本研究表明，馬鈴薯長期連作顯著降低土壤有機碳含量，連作6 a土壤總有機碳含量比撂荒降低了14.27%，即隨著連作年限延長，土壤有機碳含量呈逐漸降低趨勢，相似結果也被早前學者報道[24]。然而，黃金花等[25]對秸稈還田下長期連作棉田土壤有機碳活性組分的變化特征研究表明，棉花長期連作導致 0～40 cm 深度內土壤有機碳的活性指數(shù)顯著增加，但降解指數(shù)則顯著降低，與本研究結果相反。本研究定位試驗雖有農家肥的投入，但對土壤總有機碳的影響不大，可能是由于農家肥對土壤活性有機碳(易氧化有機碳、顆粒有機碳等)的變化影響較大。農家肥的投入對土壤活性有機碳的動態(tài)影響還需要進一步研究。

3)土壤酶參與土壤有機質的分解、合成以及氮、磷、鉀等物質的循環(huán)，其活性強度隨土壤理化性質、有機物含量等因素的變化而變化[26-27]。本研究中，馬鈴薯主要生育期內土壤轉化酶、過氧化氫酶變化動態(tài)呈“S”型曲線，脲酶呈“M”型變化趨勢；3種酶活性與土壤肥力因子均呈極顯著正相關，與土壤容重呈極顯著負相關。農作物由于其自身營養(yǎng)特性的原因對于土壤養(yǎng)分并非均衡性吸收，有學者據(jù)此認為長此以往所帶來的土壤養(yǎng)分虧缺、比例失調或不平衡會導致連作障礙發(fā)生[28]，土壤酶在促進土壤中碳源、有機物質等的轉化中并不是孤立的，而是緊密聯(lián)系且互相影響的。這些研究結論的不一致體現(xiàn)了土壤酶活性、土壤養(yǎng)分含量與微生物之間關系的復雜性。

4)本研究表明，馬鈴薯長期連作顯著降低土壤微生物數(shù)量，土壤微生物群落結構隨連作年限明顯改變。秦越[29]等對不同連作年限馬鈴薯播種前和成熟期根際土壤微生物多樣性的研究表明，連作導致馬鈴薯根際土壤細菌多樣性水平降低，這與吳鳳芝等[3]對黃瓜連作、李春格等[30]對大豆連作的研究結果相一致。馬鈴薯連作顯著影響土壤微生物群落結構，相似的結果也在其他作物上得到證明[31-32]。而導致連作土壤微生物群落結構出現(xiàn)這種定向性變化的深層次機理尚不明確，可能與根系分泌物有關。

4 結 論

本研究不同處理土壤容重差異顯著，連作6 a土壤容重最小，連作改變了土壤中不同粒級的分配比例，>4 mm粒徑的土壤含量最高。馬鈴薯長期連作顯著降低土壤總有機碳含量，連作6 a土壤總有機碳含量較撂荒降低14.27%。馬鈴薯主要生育期內土壤轉化酶、過氧化氫酶、脲酶活性與土壤肥力因子均呈極顯著正相關，與土壤容重呈極顯著負相關。馬鈴薯長期連作顯著降低土壤微生物數(shù)量，群落結構隨連作年限明顯改變。因此，連作馬鈴薯農田土壤理化性質和土壤微生物群落結構之間的關系將是未來解決連作土壤障礙因子消減技術的關鍵點。