3 種作物幼嫩莖葉干粉對連作辣椒幼苗生長及根際土壤生物特性的影響

張福建，王馨悅，陳 昱，王 豐，范淑英，吳才君*

（1 江西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，江西南昌 330045；2 上海市農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所，上海 201106）

辣椒(Capsicum annuumL.)是我國重要的經(jīng)濟作物。隨著辣椒種植面積的逐年擴大，在獲得高效益的同時也帶來了嚴重的連作障礙問題[1]。研究表明，將農(nóng)作物莖葉直接或間接的翻埋到土壤中能夠緩解連作障礙的發(fā)生[2-3]。玉米莖葉還田可以改善烤煙農(nóng)藝性狀，提高煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值，降低煙葉含梗率[4]。小麥莖葉覆蓋能有效促進雜交稻各生育時期的根系生長、改善根系形態(tài)、增加各時期的干物質(zhì)與氮素積累，提高氮肥的利用效率及稻米產(chǎn)量[5]。研究表明，增加土壤中細菌和放線菌數(shù)量，降低真菌數(shù)量，土傳病害發(fā)生概率就會下降，連作障礙進而減輕[6]。大多放線菌能產(chǎn)生抗菌素，拮抗病原微生物，增加植物抵抗病害的能力[7]。農(nóng)作物莖葉腐解能夠提高土壤中細菌、真菌和放線菌的數(shù)量，形成新的微生物群落結(jié)構(gòu)[8]。翻埋小麥、水稻和芥菜莖葉可以提高土壤各菌群PLFA含量和微生物物種豐富度指數(shù)[9]。耕翻作物可以使土壤真菌和嫌氣性細菌數(shù)量減少，放線菌和好氣性細菌數(shù)量增加[10]。在不同水稻栽培模式下，小麥莖葉腐解還田能夠提高土壤微生物數(shù)量和酶活性，增加土壤有機碳和養(yǎng)分含量[11]。

十字花科蕓薹屬植物經(jīng)常被作為生物熏蒸和綠肥使用，其體內(nèi)含有大量硫代葡萄糖苷，并在芥子酶的作用下，分解成異硫氰酸酯類似物，利用其殘茬覆膜熏蒸能夠殺死土壤中的有害蟲卵，減少土傳病害的發(fā)生[12-13]。如利用蕓薹屬植物殘體進行生物熏蒸能夠調(diào)節(jié)辣椒土壤微生物菌落以及減輕辣椒疫病的發(fā)生率[14]。而甘藍、芥藍和芥菜殘渣加入土壤中可以顯著降低豌豆根腐病[15]。將油菜作為綠肥還田可以抑制稻田里的病菌，有利于克服稻田連作障礙[16]。此外，蕓薹屬作物在抑制根結(jié)線蟲方面也有很好的效果[17]。曹素芳[18]研究發(fā)現(xiàn)球莖甘藍、甘藍、大白菜、小白菜、芥蘭、油菜和菠菜7種蔬菜生物熏蒸對南方根結(jié)線蟲均有一定防效，其中球莖甘藍的熏蒸效果最好。而將芥菜、甘藍等蕓薹屬植物粉碎混入土壤中，發(fā)現(xiàn)這些植物能顯著降低馬鈴薯田間黃萎病病菌和根結(jié)線蟲的數(shù)量[19]。

本試驗以辣椒為種植材料，芥菜、大麥、芹菜幼嫩莖葉為施入材料，通過盆栽試驗探討了3種作物幼嫩莖葉干粉施入對連作辣椒幼苗生長及根際土壤的影響，旨為今后緩解辣椒連作障礙和實現(xiàn)辣椒增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試辣椒品種為線椒‘辛香8號’，芥菜品種為本地芥菜筍，均由江西華農(nóng)種業(yè)有限公司饋贈；大麥品種為帶皮大麥，購買自鄭州華豐草業(yè)科技有限公司；芹菜品種為本地芹，購買自江西農(nóng)業(yè)大學菜市場。供試有機肥為湖北吉順磷化有限公司生產(chǎn)的果蔬專用有機肥。

供試土壤取自江西省農(nóng)業(yè)科學院試驗基地辣椒連作5年的土壤，土壤基本理化性質(zhì)為：pH 5.52、堿解氮80.7 mg/kg、有效磷16.7 mg/kg、速效鉀393 mg/kg、有機質(zhì)36.5 g/kg。

1.2 試驗方法

試驗于2017年9月在江西農(nóng)業(yè)大學生態(tài)園蔬菜試驗基地進行。試驗以不加作物干粉為對照(CK)，設置加芥菜干粉(M)、大麥干粉(B)和芹菜干粉(C)，共四個處理。將新鮮芥菜、芹菜和大麥殺青烘干后，用高速粉碎機將其粉碎，分別與準備好的有機肥和辣椒連作土壤按照1∶50的干重比例充分混均，裝入塑料箱(54 cm × 42 cm × 26.5 cm)中，每個塑料箱中加入蒸餾水，調(diào)節(jié)土壤濕度為田間最大持水量的50%，黑暗條件下進行分解培養(yǎng)試驗，每隔7天對塑料箱進行稱重，補充水分，保持土壤濕度基本不變，塑料箱外依次包裹黑色薄和遮陽膜，放在生態(tài)園進行腐解處理。

30 天后將土壤均勻裝入11 cm × 10 cm規(guī)格的盆中，每個處理60盆，每盆種植1株辣椒，隨機排列，放入溫室內(nèi)進行常規(guī)管理。試驗期間，不噴施任何藥劑。辣椒定植30 天后收獲，進行分析測定，同時分析土壤性狀指標。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長指標 用卷尺測定株高，用游標卡尺測定莖粗；用電子天平測定植株生物量；利用根系掃描系統(tǒng)(WinRHIZO)分析測定根系指標。其中壯苗指數(shù)計算公式為：

壯苗指數(shù)=(莖粗/株高 + 根干重/地上部干重)×總干重[20]

1.3.2 葉片葉綠素含量及葉綠素熒光參數(shù)指標 葉綠素含量參照李合生[21]的方法測定。辣椒葉片葉綠素熒光的測定，每個處理任意選取5株辣椒，每株選取位置一致完全展開葉片的中間復葉，用上海澤泉科技股份有限公司提供的便攜式葉綠素熒光儀(MINI-PAM-II)測定Fv/Fm(PSII最大量子產(chǎn)量)、Y(II)(PSII實際量子產(chǎn)量)、qP(光化學淬滅系數(shù))以及NQP(非化學淬滅系數(shù))相關參數(shù)。測定過程中，用暗反應夾夾住葉片，讓葉片充分暗反應15 min后獲得暗反應數(shù)據(jù)，隨后進行光反應，光反應5 min中后獲得數(shù)據(jù)。

1.3.3 土壤指標 每個處理在辣椒根系周邊10 cm處隨機多點采集土樣，均勻拌成混合基礎土樣，將一部分新鮮土樣放置4℃保存用測定土壤微生物數(shù)量和酶活性；另一部分土樣放置于陰涼通風處進行風干，2 天后用2 mm篩處理。測定土壤pH、電導率、土壤微生物以及酶活性。其中電導率、pH利用電導率儀和pH計測定，其水土比均為5∶1。土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板法計數(shù)，放線菌采用高氏一號培養(yǎng)基、細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌采用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基[22]。土壤酶活性采用關松蔭的方法[23]測定，其中脲酶采用靛酚比色法；多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法；酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 17.0 進行整理和分析，分析方法采用Duncan法；用GrapHPad軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對連作辣椒生長的影響

由表1可以看出，3個處理的辣椒株高和莖粗均高于對照。其中芥菜粉處理效果較好，與對照相比，辣椒株高和莖粗分別增加了23.6%和19.5%，差異達到顯著水平。不同處理對連作辣椒生物量及壯苗指數(shù)影響較大，處理后的辣椒總干重、地上部和根部干重和鮮重均高于對照，與對照相比存在顯著性差異。壯苗指數(shù)是衡量植株健康生長的重要指標，可以反映植株生長潛力，各處理均能夠提高辣椒的壯苗指數(shù)，芥菜粉、大麥苗粉和芹菜粉處理分別較對照增加了117%、133%和72.2%。

2.2 不同處理對連作辣椒根系形態(tài)的影響

表2表明，3個處理促進了連作辣椒根系的生長發(fā)育，各處理的辣椒根系長度、根系表面積和根系體積均與對照存在顯著差異；其中芥菜粉處理效果最好，其根長度、根系表面積和根體積較對照分別增加了71.53%、131.32%和202.56%。芥菜粉和大麥苗粉處理后辣椒的根尖數(shù)較對照增加了54.64%和68.15%，但芹菜粉處理與對照處理的根尖數(shù)差異不明顯。

2.3 不同處理對連作辣椒葉綠素熒光參數(shù)的影響

葉綠素熒光可以反映植物光合能力的變化，如表3所示，各處理對辣椒葉片熒光參數(shù)的影響差異較大，芥菜粉處理后辣椒葉片PSⅡ最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm)最高，與對照相比，增加了3.7%。從辣椒葉Y(Ⅱ)和qP看，大麥苗和芹菜粉處理對Y(Ⅱ)參數(shù)影響最大；芹菜粉處理的qP參數(shù)最高，與對照相比，增加了14.89%。各處理對辣椒葉片NQP差異不大，且與對照均沒有顯著性差異。

表1 不同作物干粉處理對辣椒生長的影響Table1 Effects of different crop powder treatments on the growth of pepper

表2 不同作物干粉處理對辣椒根系形態(tài)的影響Table2 Effects of different crop powder treatments on root morphology of pepper

表3 不同作物干粉處理辣椒葉片葉綠素熒光參數(shù)Table3 Effects of different crop powder treatments on chlorophyll fluorescence parameters of pepper leaves

2.4 不同處理對連作辣椒葉片葉綠素含量的影響

表4顯示，芥菜粉處理的辣椒葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a +b含量均高于其他處理，較對照分別增加了25.3%、45.4%和30.6%。但大麥苗和芹菜粉處理的辣椒葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a + b含量與對照相比均無顯著差異。

2.5 不同處理對辣椒連作土壤pH和電導率的影響

從表5可以看出，處理后，辣椒根際土壤pH值顯著升高，與對照相比，芥菜粉、大麥苗粉和芹菜粉處理分別增加了27.6%、24.5%和25.4%。從各處理的土壤電導率來看，CK處理的土壤電導率值最高，達到了1.54 mS/cm，其次為大麥苗粉和芥菜粉處理，芹菜粉處理的辣椒土壤電導率值最低，與對照相比，降低了48.0%。

表4 不同作物干粉處理辣椒葉片葉綠素含量(mg/g)Table4 Effects of different crop powder treatments on chlorophyll content in pepper leaves

表5 不同作物干粉處理辣椒根際土壤pH和電導率Table5 Effects of different crop powder treatments on pH and conductivity of rhizosphere soil of pepper

2.6 不同處理對連作辣椒根際土壤微生物的影響

如表6所示，3個處理對辣椒根際土壤放線菌數(shù)量影響顯著，分別較對照增加了71.9%、73.8%和67.5%。大麥苗粉和芹菜粉處理后，辣椒根際土壤細菌和總菌數(shù)均高于其他處理，與對照存在顯著差異。從真菌數(shù)量來看，3個處理均能降低辣椒根際土壤真菌數(shù)量，與對照相比，分別降低了69.8%、68.1%和75.8%。

表6 不同作物干粉處理辣椒根際土壤微生物數(shù)量Table6 Effects of different crop powder treatments on microbes in rhizosphere soil of pepper

2.7 不同處理對連作辣椒根際土壤酶活性的影響

如表7所示，經(jīng)過處理后，辣椒的根際土壤酶活性得到顯著提高。大麥苗粉處理后土壤酸性磷酸酶顯著高于其他處理，與對照相比，增加了186%。大麥苗粉和芥菜粉處理后，土壤蔗糖酶活性均高于對照，存在顯著性差異。3個處理的辣椒根際土壤多酚氧化酶活性顯著增高，與對照相比，分別增加了較對照分別增加了143%、158%和125%，但3個處理的土壤脲酶活性均低于對照。

3 討論

植物根區(qū)土壤環(huán)境對蔬菜生長發(fā)育具有重要的作用，良好的土壤環(huán)境條件是蔬菜高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎。研究表明，作物莖葉含有大量的有機質(zhì)以及植物所必須的氮、磷、鉀等元素，隨著莖葉腐解，有機質(zhì)和礦物質(zhì)被釋放到土壤中，進而提高土壤有機碳和微生物數(shù)量，增加土壤肥力，提高作物產(chǎn)量[24]。楊瑞平[25]研究發(fā)現(xiàn)，將大蒜、三葉草、茼蒿、小麥、萬壽菊和芹菜6種作物莖葉粉碎加入到西瓜連作土中，可以促進西瓜幼苗生長，提高幼苗的生物量。本研究也得到類似結(jié)果，在辣椒連作土中添加不同作物粉碎物后能夠顯著提高辣椒株高、莖粗、生物量以及壯苗指數(shù)，其中芥菜和大麥處理效果最好。可能是幼嫩莖葉干粉施入后改善了土壤理化性質(zhì)和根際環(huán)境，增強了土壤供肥能力所致。本研究中，不同處理的辣椒根系長度、體積、表面積、以及根尖數(shù)均顯著提高，說明土壤中施入幼嫩莖葉干粉后促進了根系對養(yǎng)分的吸收，這與翻壓蕓薹屬綠肥顯著提高烤煙根系活力，改善烤煙各生育期根系指標的結(jié)果類似[26]。

表7 不同作物干粉處理辣椒根際土壤酶活性[mg/(g·h)]Table7 Effects of different crop powder treatments on enzyme activity in rhizosphere soil of pepper

葉綠素熒光能夠反映逆境因子對光合作用的影響[27-29]。在本研究中，3個處理能不同程度提高辣椒葉片F(xiàn)v/Fm、Y(Ⅱ)和qP，說明處理后可以增加辣椒葉片對光能的利用效率[30]。但各處理對辣椒葉片NQP影響不大，這可能是辣椒在長期連作條件下，辣椒葉片葉綠素熒光系統(tǒng)對連作脅迫的適應，并且開啟了自我保護機制所致，具體的機理還有待研究[31]。3種處理在一定程度上提高了辣椒葉片葉綠素含量，其中芥菜處理效果最好，這與張玉方[32]在棗園旋施麥殼和埋施玉米秸稈可以提高靈武長棗葉片的葉綠素含量結(jié)果類似，說明作物莖葉腐解處理能夠活化土壤養(yǎng)分，增強辣椒根系活力，進而增加了葉片葉綠素含量。

適宜的土壤pH值和較低的電導率有利于蔬菜的生長發(fā)育。本試驗中，各處理均顯著提高了辣椒根際土壤pH值，降低了電導率，這與潘明陽[33]通過芥菜生物熏蒸處理能顯著提高連作黃瓜土壤的pH，降低土壤電導率結(jié)論一致。原因可能是芥菜、大麥和芹菜莖葉干粉處理后釋放進土壤的有機物質(zhì)被土壤微生物利用，進而活化了土壤中的養(yǎng)分所致。土壤微生物是土壤生命活體中最活躍的有機體。研究發(fā)現(xiàn)[34]，經(jīng)過甘藍粉碎組織生物熏蒸后能夠改善草莓土壤環(huán)境，與連作相比，細菌數(shù)量增加了1.24～3.06倍，真菌數(shù)量則降低了1.8～1.46倍。楊瑞平[21]通過翻埋不同作物莖葉對西瓜連作土壤影響的試驗發(fā)現(xiàn)，隨著腐解時間的增加，西瓜連作土壤中的細菌和放線菌數(shù)量均呈增加的趨勢，真菌數(shù)量都隨著腐解時間的延長而呈顯著降低的趨勢。本試驗結(jié)果表明，3個處理增加了辣椒根際土壤放線菌、細菌和總菌數(shù)量，顯著降低了真菌數(shù)量。這進一步證明了作物莖葉腐解能夠增調(diào)整土壤微生物結(jié)構(gòu)，增加土壤中有益微生物數(shù)量，從而改善土壤微環(huán)境。土壤酶的功能多樣性與土壤功能的多樣性緊密相關，土壤生態(tài)系統(tǒng)退化都伴隨著不同土壤酶活性的下降[2]。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，處理后的辣椒根際土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和多酚氧化酶活性均顯著提高，但3個處理的土壤脲酶顯著低于對照處理。這可能與植株生理代謝和養(yǎng)分吸收有關，這還有待進一步研究。

4 結(jié)論

將芥菜、大麥和芹菜幼嫩莖葉干粉加入到辣椒連作土中，可以顯著促進辣椒的生長發(fā)育以及辣椒根系生長；提高土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶以及多酚氧化酶活性，增加土壤細菌和放線菌數(shù)量，降低土壤真菌數(shù)量，進而改善辣椒根區(qū)環(huán)境，其中以芥菜幼嫩莖葉干粉處理效果最好，可作為今后緩解辣椒連作障礙，實現(xiàn)辣椒穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的有效措施。