黃土高原半干旱區(qū)馬鈴薯連作對農(nóng)田土壤生化性質(zhì)及產(chǎn)量的影響

胡新元，孫小花，柳永強，謝奎忠，陸立銀

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

馬鈴薯（Solanum tuberosum）是中國繼水稻、小麥、玉米和豆類之后的第五大糧食作物，也是重要的糧菜飼兼用型作物[1]。甘肅省是西北地區(qū)乃至全國非常重要的馬鈴薯生產(chǎn)基地，而甘肅省中部的黃土高原半干旱區(qū)又有著得天獨厚的自然優(yōu)勢，是中國最佳的馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一[2]。但由于農(nóng)業(yè)合作社、種薯企業(yè)為了滿足市場的需求，盲目擴大生產(chǎn)導致馬鈴薯連作障礙問題已經(jīng)非常嚴重地影響了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。前人們從馬鈴薯植株的生長發(fā)育、生理生化反應對土壤環(huán)境因子的響應來闡釋馬鈴薯連續(xù)種植引起作物、土壤不良反應的形成原因，闡釋了由于馬鈴薯植株生長發(fā)育水平的降低和物質(zhì)代謝、能量轉化的失衡從而致使連作馬鈴薯產(chǎn)量下降[3,4]。不僅如此，馬鈴薯長期連作還會導致土壤團粒結構改變，進而引發(fā)土壤頹敗，并對馬鈴薯植株生長發(fā)育和塊莖產(chǎn)量形成產(chǎn)生不良的影響[5,6]。然而究竟這些負反饋影響具體是由哪些因子引起的，目前仍存在較大爭議。有專家試圖從馬鈴薯農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的變化進行研究[7-11]，認為馬鈴薯連續(xù)種植可以導致土壤養(yǎng)分吸收失衡、微生態(tài)環(huán)境破壞等現(xiàn)象；還有學者從土壤酶學方向進行研究[12]，指出馬鈴薯連作嚴重影響了馬鈴薯農(nóng)田土壤中相關酶活性，進而影響作物對養(yǎng)分的吸收和利用。

雖然馬鈴薯連作障礙問題的研究受諸多因子的影響，比如氣候環(huán)境、肥料狀況、土壤質(zhì)地以及供試品種等，但毋庸置疑的是馬鈴薯連續(xù)種植引發(fā)土壤退化、產(chǎn)量下降以及品質(zhì)不良是眾多因子驅動的綜合體現(xiàn)。因此，研究連作障礙問題的形成原因并探索有效的解決措施成為當下馬鈴薯生產(chǎn)發(fā)展亟待解決的問題。目前，關于黃土高原半干旱地區(qū)作物連續(xù)種植引發(fā)的各種障礙問題更多的是在設施蔬菜、經(jīng)濟類作物以及中藥材上開展研究，對馬鈴薯連作問題的研究相對較少。本研究依托布置在甘肅省定西市的田間定位試驗，試圖從時間尺度上探討馬鈴薯農(nóng)田土壤生化性質(zhì)的變化，進而研究連作對馬鈴薯農(nóng)田土壤的影響，探究可能存在的馬鈴薯連作農(nóng)田土壤障礙因子，為明確馬鈴薯連作障礙機理的形成原因及其解決技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗布置在甘肅省定西市安定區(qū)寧遠鎮(zhèn)紅土窯村中川社（N 35°26.714′，E 104°50.886′）。試驗地為肥力均等的平坦川地，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，為黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，一年一熟，土壤為典型的黃綿土。

1.2 試驗設計

2018 年為定位試驗第9 年，試驗設5 個處理。處理1：撂荒（CK1）；處理2：輪作（CK2），小麥/碗豆/馬鈴薯輪作；處理3：連作2 年馬鈴薯（2010～2015年依次種植馬鈴薯-豌豆-馬鈴薯-胡麻-馬鈴薯-小麥，2016～2018年連續(xù)種植3年馬鈴薯）；處理4：連作4年馬鈴薯（2010～2013年依次種植馬鈴薯-胡麻-馬鈴薯-小麥，2014～2018年連續(xù)種植5年馬鈴薯）；處理5：連作6年馬鈴薯（2010～2011年依次種植馬鈴薯-小麥，2012～2018 年連續(xù)種植7 年馬鈴薯）。每處理3次重復，小區(qū)面積23.814 m2（長5.67 m×寬4.20 m）。馬鈴薯每個小區(qū)種植7行，株距37 cm，行距60 cm。輪作處理每年3月下旬播種小麥，4月下旬播種馬鈴薯。小麥播種量為187.50 kg/hm2，施純N、P2O5各105.00 kg/hm2、農(nóng)家肥30 000 kg/hm2。馬鈴薯在4月下旬播種，播種密度為67 500株/hm2，施肥參照當?shù)貥藴?，施P2O5108.00 kg/hm2、純N 135.00 kg/hm2、農(nóng)家肥30 000 kg/hm2，其中1/4的氮肥在現(xiàn)蕾期培土追施，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?。供試材料為當?shù)刂髟缘娜奂庸ぁⅤr食菜用型馬鈴薯品種‘隴薯7號’，一級種，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學院馬鈴薯研究所提供。

1.3 取 樣

在馬鈴薯主要生育期每小區(qū)按5點法取樣。根據(jù)試驗要求分別取：（1）播前0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層土樣，分成兩部分，一部分測土壤基礎養(yǎng)分（土壤化學因子），另一部分自然風干后研磨過0.15 mm 篩，測土壤總有機碳（TOC）；（2）播前、苗期、盛花期、塊莖膨大期、成熟期分別在馬鈴薯壟上行間靠近植株根系的部位取樣，保鮮冷藏，測土壤酶活性及土壤微生物數(shù)量。所有土樣均去掉土壤中可見的植物根系和瓦礫殘體。

1.4 測定項目和方法

1.4.1 土壤化學因子

土壤pH值用電位法；全N用凱氏法；堿解N用擴散法；有效P 用Olsen 法；速效K 用l mol/L NH4OAc浸體-火焰光度法[13]。

1.4.2 土壤總有機碳

采用重鉻酸鉀氧化法[13]。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0.1～1.0 g，滴加0.800 mol/L K2Cr2O7標準，再加入5 mL 濃H2SO4。油浴鍋中加熱5 min，后將溶液倒入250 mL三角瓶中，定容至100 mL，加入鄰菲羅啉指示劑，用標準的0.2 mol/L FeSO4滴定，計算土壤有機碳含量。

1.4.3 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[14]。土壤平均酶活性根據(jù)Zhang等[15]的方法計算：土壤平均酶活性＝（脲酶×蔗糖酶×過氧化氫酶）1/3。

1.4.4 土壤微生物數(shù)量

采用平板計數(shù)法[16]。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。

微生物生物量碳測定采用氯仿熏蒸法[17]，0.5mol/L K2SO4溶液浸提，重鉻酸鉀消化，F(xiàn)eSO4滴定。

1.4.5 馬鈴薯產(chǎn)量指標

在馬鈴薯達到完全成熟時進行測產(chǎn)，測定每小區(qū)的實際產(chǎn)量（小區(qū)面積23.814 m2）。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有試驗數(shù)據(jù)的計算、圖表繪制使用Microsoft Excel 2010軟件進行統(tǒng)計，并采用SPSS 16.0軟件進行方差分析、相關性分析，采用Duncan's法進行多重比較，文中表內(nèi)數(shù)據(jù)以‘平均數(shù)±標準誤’表示。

2 結果與分析

2.1 不同連作年限對馬鈴薯農(nóng)田土壤化學性質(zhì)的影響

不同連作年限馬鈴薯農(nóng)田土壤化學性質(zhì)的測定結果如表1所示。結果表明，連作4年處理土壤pH與其余各處理差異顯著。各處理有機質(zhì)含量差異顯著，連作6年高出輪作處理41.61%，堿解氮含量也是連作6 年高于其他處理，分別高出撂荒、連作4年、輪作、連作2 年11.26%、45.05%、76.88%、122.81%；輪作較連作處理顯著增加了土壤有效磷和全氮的含量，且輪作處理（CK2）有效磷、全氮含量與連作2年、連作4年處理差異顯著。

2.2 不同連作年限馬鈴薯土壤總有機碳的變化

馬鈴薯農(nóng)田耕層土壤總有機碳含量的變化會顯著影響馬鈴薯的生長發(fā)育狀況，土壤總有機碳是土壤的生產(chǎn)潛力和土壤質(zhì)量狀況的直接表現(xiàn)。為了研究不同處理馬鈴薯農(nóng)田土壤垂直剖面上總有機碳含量的變化特征，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1所示，各處理土壤總有機碳積累量為5.38～9.97 g/kg；撂荒處理80～100 cm 土層土壤總有機碳積累量最高，達9.97 g/kg，較連作6年處理5.38 g/kg高出85.31%；各處理（撂荒除外）0～20 cm土層土壤總有機碳積累量顯著高于其他層次，其中連作4年處理較其他4種處理土壤總有機碳積累量偏低?？梢娙藶閿_動對土壤總有機碳積累的影響很大，即雖然土壤中總有機碳的含量在短期內(nèi)是相對穩(wěn)定的，但人類長期的耕作活動會破壞土壤中總有機碳的積累，也就是說撂荒處理更有利于土壤總有機碳的積累。

表1 馬鈴薯連作年限對土壤化學性質(zhì)的影響Table 1 Effect of potato continuous monoculture on soil chemical properties

圖1 馬鈴薯農(nóng)田不同處理各層次土壤總有機碳含量Figure 1 Total organic carbon content of soil at different levels under different treatments of potato farmland

2.3 不同連作年限對馬鈴薯農(nóng)田土壤酶活性的影響

各個處理馬鈴薯農(nóng)田土壤酶活性分析結果如表2所示。結果表明，連續(xù)種植2年和4年馬鈴薯使得土壤脲酶活性較輪作（小麥/豌豆/馬鈴薯）、撂荒有不同程度的增加，差異顯著?？傮w而言，隨著連作年限的增加蔗糖酶活性顯著下降，連作6年處理土壤蔗糖酶活性低于連作2年的10.55%；除過氧化氫酶含量是連作6年處理最高外，脲酶（連作4年除外）、蔗糖酶以及酶活性的平均值均是連作2年顯著高于其他處理。

在馬鈴薯農(nóng)田土壤各基礎養(yǎng)分和土壤酶活性的共同作用下，土壤中進行著復雜的生物、化學反應和物質(zhì)能量的代謝、循環(huán)。由表3可知，土壤中的蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶3種酶活性與土壤養(yǎng)分因子均呈極顯著正相關，表明這3種土壤酶活性促進土壤養(yǎng)分的轉化吸收，對土壤的理化性狀的改良等方面具有重要作用。而且土壤酶的活性不只是在某一種土壤養(yǎng)分因子轉化中發(fā)揮著促進作用，而是參與了眾多土壤養(yǎng)分因子間的轉化，他們之間發(fā)生著復雜多變的物理、化學、生物學反應，共同影響著土壤中物質(zhì)和能量的轉化。

2.4 不同連作年限馬鈴薯土壤微生物活性的變化

馬鈴薯農(nóng)田土壤中微生物是其養(yǎng)分的重要組成部分，本研究對不同連作年限0～20 cm土層的土壤微生物活性進行了分析。由表4可知，連作2年的細菌數(shù)量顯著高于撂荒、連作4年和連作6年；輪作真菌數(shù)量顯著高于撂荒（CK1）、連作2年、連作4年和連作6 年；撂荒處理放線菌數(shù)量顯著高于輪作（CK2）、連作2年、連作4年和連作6年。各處理土壤中微生物的數(shù)量大致由大到小排序依次為細菌＞放線菌＞真菌，且細菌數(shù)量占95%以上，說明細菌是土壤中的優(yōu)勢菌。細菌數(shù)量的大小順序為連作2年＞輪作＞連作4年＞連作6年＞撂荒；放線菌數(shù)量為撂荒＞連作2年＞輪作＞連作4年＞連作6年。由于土壤中微生物的數(shù)量直接影響著土壤生物學性狀的表現(xiàn)，進而影響馬鈴薯植株的生長發(fā)育和塊莖形成。

表2 馬鈴薯連作年限對土壤酶活性的影響Table 2 Effects of continuous potato monoculture on soil enzyme activities

表3 土壤主要養(yǎng)分與土壤酶活性的相關性分析Table 3 Correlation analyses of soil main nutrients and soil enzyme activities

2.5 不同處理土壤生化因子與產(chǎn)量的相關

為了研究不同處理土壤生化因子與馬鈴薯產(chǎn)量的相關關系，以馬鈴薯塊莖產(chǎn)量、土壤基礎養(yǎng)分以及土壤酶活性為研究對象，探討不同處理土壤生化因子與產(chǎn)量的相關性（表5）。結果表明土壤有機質(zhì)、堿解氮與產(chǎn)量呈極顯著負相關（P ＜0.01），全氮與產(chǎn)量呈顯著正相關（P ＜0.05）。過氧化氫酶與有機質(zhì)、堿解氮呈極顯著正相關（P ＜0.01），過氧化氫酶與脲酶、速效鉀呈顯著負相關（P ＜0.05）。

表4 不同處理土壤微生物數(shù)量變化Table 4 Changes in soil microbial quantities under different treatments

表5 不同處理土壤生化因子與產(chǎn)量的相關性分析Table 5 Correlation analyses of soil biochemical factors and yields under different treatments

3 討 論

3.1 連續(xù)種植馬鈴薯對農(nóng)田土壤化學性質(zhì)的影響

土壤有機碳的含量高低是衡量土壤健康狀況的主要指標之一，雖然土壤總有機碳在短期內(nèi)呈現(xiàn)一種比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是其與土壤的可持續(xù)發(fā)展和作物的生產(chǎn)力有著重要的關系。本研究表明，輪作較連作處理顯著增加了土壤有效磷和全氮的含量，且與連作2年、連作4年處理差異顯著，故輪作顯著增加了土壤有效磷、全氮的含量；各處理馬鈴薯農(nóng)田土壤總有機碳積累量在5.38～9.97 g/kg；0～20 cm（撂荒除外）土層土壤總有機碳積累量顯著高于其他層次，這可能是由于前茬作物殘體的凋落、根茬的殘留從而加速了土壤微生物的分解，使得農(nóng)田土壤碳庫表現(xiàn)出差異。且通常情況下，表土層的養(yǎng)分，特別是有機碳含量是高于底層土壤的，而本研究中的撂荒地不同土層有機碳含量分布特征出現(xiàn)特殊情況，即80～100 cm 土層土壤總有機碳積累量最高，達9.97 g/kg，較連作6年處理5.38 g/kg高出85.31%，這可能是由于多年的閑置撂荒，加之人為擾動較少，土壤中有機碳的沉降形成或該地塊早期翻壓時使富含有機質(zhì)的物質(zhì)在底層。也有學者針對長期連續(xù)種植棉花的現(xiàn)象研究表明，連作能導致其農(nóng)田0～40 cm 土層內(nèi)土壤有機碳的活性指數(shù)顯著增加[18]，還有學者研究發(fā)現(xiàn)長期連作土壤的有機碳含量高于非連作或短期連作的現(xiàn)象[19,20]，這些結果與本研究有不同之處，可能是由于作物、氣候條件等的不同致使作物根系對土壤養(yǎng)分的吸收規(guī)律亦不盡相同，進而影響土壤微生態(tài)環(huán)境的變化。

3.2 連續(xù)種植馬鈴薯對農(nóng)田土壤酶活性的影響

本研究連作2年土壤酶活性普遍高于輪作，這說明在馬鈴薯連作初期，土壤中各微生物種群、菌群在進行活躍的運動，土壤微生態(tài)系統(tǒng)的平衡被打破，故土壤酶活性在短期內(nèi)出現(xiàn)較活躍的現(xiàn)象。但隨著連作年限的繼續(xù)增加，土壤蔗糖酶活性顯著降低，這可能與馬鈴薯連作農(nóng)田土壤有機碳含量下降，土壤微生物活動受到影響有關，進而影響農(nóng)田土壤中微生物種群對土壤酶活性的響應，對土壤養(yǎng)分的消耗減少有關，具體影響機理還有待進一步研究。

3.3 連續(xù)種植馬鈴薯對農(nóng)田土壤微生物的影響

連續(xù)種植馬鈴薯能顯著改變土壤微生物種群結構。本研究表明，連作馬鈴薯農(nóng)田土壤微生物的數(shù)量大致由大到小排序依次為細菌＞放線菌＞真菌，細菌是土壤中的優(yōu)勢菌，數(shù)量占95%以上。有專家通過土壤高通量測序研究表明，長期連續(xù)種植馬鈴薯可以顯著的降低土壤中細菌群落的結構變化和種群豐富度[21,22]，這與本研究結果一致，進一步說明了馬鈴薯連作障礙的發(fā)生實際上是由于土壤微生物種群、數(shù)量的變化而引起的。

3.4 不同處理土壤生化因子與產(chǎn)量的相關性分析

土壤有機質(zhì)、堿解氮與產(chǎn)量呈極顯著負相關（P ＜0.01），全氮與產(chǎn)量呈顯著正相關（P ＜0.05）；過氧化氫酶與有機質(zhì)、堿解氮呈極顯著正相關（P ＜0.01），過氧化氫酶與脲酶、速效鉀呈顯著負相關（P ＜0.05）。這是由于連續(xù)種植馬鈴薯會干擾土壤中微生物群落的結構，各種微生物種群間就呈現(xiàn)出了無序、弱化狀態(tài)。因此，土壤生化因子的變化可能是甘肅中部半干旱區(qū)馬鈴薯連作障礙形成的主要因素。

綜上所述，在本研究的基礎上明確連作馬鈴薯農(nóng)田土壤化學性質(zhì)和微生物學性狀之間的關系，將是未來厘清黃土高原半干旱區(qū)馬鈴薯連作障礙機理和形成高效連作土壤障礙因子消減技術的關鍵。