玉米夏季填閑對連作黃瓜土壤的影響研究

單 敏，秦立金,*，劉利紅，王丹丹，龍千千，陳 晶，張美玲，李亞如，劉 悅，龐慧敏

（1.赤峰學院化學與生命科學學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.赤峰學院農(nóng)業(yè)科學研究院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；3.赤峰學院資源環(huán)境與建筑工程學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

黃瓜（Cucumis sativusL.）是我國主要的設(shè)施栽培蔬菜，尤其在我國北方設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，黃瓜種植面積占設(shè)施蔬菜的60%以上[1]。近年來，內(nèi)蒙古赤峰市寧城縣設(shè)施農(nóng)業(yè)“單一化、規(guī)?；钡姆N植特點，導致日光溫室黃瓜土壤生態(tài)環(huán)境日益惡化，土壤質(zhì)量嚴重下降，由此引發(fā)的土壤連作障礙突出、土傳病害頻發(fā)，尤其是根結(jié)線蟲病的發(fā)生嚴重制約了當?shù)卦O(shè)施黃瓜的高質(zhì)量發(fā)展和大范圍農(nóng)戶的經(jīng)濟效益。探索一種經(jīng)濟、有效、綠色、安全的防治方法，已成為當?shù)卦O(shè)施蔬菜可持續(xù)發(fā)展亟需解決的問題。

夏季土地休閑是我國北方設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中改良土壤環(huán)境的傳統(tǒng)措施，但作用十分有限。研究表明，在夏季土地休閑期種植一些生長周期短、耐熱的深根系作物可以改善土壤環(huán)境，是取代傳統(tǒng)休閑的有效途徑之一。現(xiàn)階段對填閑作物種類的研究主要集中在高粱、大蔥、小麥、玉米、黑麥、蘇丹草、鼠尾草、油菜、燕麥、豌豆、莧菜、菜豆等禾本科、豆科作物上[2-6]。有關(guān)夏季填閑處理改善土壤環(huán)境的研究也有報道，如李元等[7]研究表明，夏季填閑作物能夠降低土壤中鹽離子含量，其中，甜玉米可顯著降低土壤中氮、磷、鉀含量；吳鳳芝等[1]研究表明，小麥等6 種夏季填閑作物能增加土壤中脲酶含量；也有研究表明，選擇玉米作為設(shè)施連作黃瓜的夏季填閑作物，可以緩解或降低保護地土壤理化性狀的劣化程度[3]，有效降低土壤硝態(tài)氮殘留[8-9]。而關(guān)于夏季填閑作物對設(shè)施連作黃瓜根結(jié)線蟲病影響的研究則未見報道。鑒于此，本研究通過夏季填閑玉米的處理方式，并測定了玉米填閑前后設(shè)施連作黃瓜土壤基本理化性狀和土壤酶活性的變化，同時調(diào)查了根結(jié)線蟲病的發(fā)病情況和防控效果，明確夏季玉米填閑處理的作用及其生物學機理，這對設(shè)施蔬菜土傳病害綠色防控和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培具有重要的實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古赤峰市寧城縣必斯營子鎮(zhèn)設(shè)施黃瓜種植區(qū)（118°26′～119°25′E、41°17′～41°57N），土壤為壤土，平均氣溫2.8～7.5 ℃，年日照時數(shù)2 800～2 900 h，年均積溫2 100～3 200 ℃，無霜期110～150 d，年平均降水量430～500 mm，溫帶大陸性季風氣候。上茬黃瓜拉秧后采集土樣，土壤0～20 cm 基本性質(zhì)見表1。此棚區(qū)連年年種植黃瓜，造成土壤連作障礙，土傳病害發(fā)生嚴重，尤其是黃瓜根結(jié)線蟲病呈“暴發(fā)式”發(fā)展，嚴重時發(fā)病率達100%，減產(chǎn)60%～70%，經(jīng)濟損失巨大。

表1 試驗土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of test soil

1.2 試驗材料

供試黃瓜品種為‘津春四號’，由天津科潤黃瓜研究所提供。

供試玉米品種為‘白糯2088’，由新疆維多利種業(yè)有限公司提供。

1.3 試驗方法

前茬黃瓜于2019 年6 月25 日拉秧，拉秧后進行夏季玉米填閑處理，填閑采用玉米直播方法，以不種植玉米的處理為對照。待玉米長至50 d（9 月15 日）后拔除，旋地、做畦、覆膜，定植下茬連作黃瓜。

供試日光溫室長度為90 m，寬度為8 m，溫室內(nèi)靠近門口1/2 位置為試驗對照，不種植玉米，靠里側(cè)另外1/2位置種植玉米。分別在玉米直播區(qū)和對照區(qū)選擇3 個小區(qū)進行各項指標的測定，小區(qū)面積24 m2。

試驗共2 個處理，每個處理重復3 次。在上茬黃瓜拉秧后、玉米填閑后連茬黃瓜種植前、連茬黃瓜拉秧時采集土樣測定土壤基本理化指標和不同處理土壤的各種酶活性。在黃瓜幼苗期、初花期、結(jié)果初期、盛果期和拉秧期調(diào)查根結(jié)線蟲發(fā)病率、100 g 土中根結(jié)線蟲數(shù)和病情指數(shù)，計算防效。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土樣采集及處理方法

土樣采用“W”型5 點取樣法，去除地表植株殘體后，使用土鉆取黃瓜根際0～20 cm 土層土壤，充分混勻后，裝入自封袋，標記，帶回實驗室。在實驗室通風處陰干后，過1 mm 篩，測定土壤基本理化性狀和土壤酶活性指標。測定根線蟲數(shù)需用采集回的鮮土樣于3 日內(nèi)完成檢測。

1.4.2 土壤酶活性測定方法

脲酶活性：采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定[10]。

1．3 技術(shù)培訓與質(zhì)量控制 本研究的6名測查人員均經(jīng)過北京婦幼保健院的Gesell神經(jīng)心理發(fā)育測查的技能培訓并取得證書，臨床測查經(jīng)驗豐富。實驗前6名測查員測查結(jié)果一致性檢驗合格。

蔗糖酶活性和淀粉酶活性：采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[10]。

蛋白酶活性：采用加勒斯江法測定[10]。

過氧化氫酶活性：采用高錳酸鉀滴定法測定[10]。

多酚氧化酶活性和過氧化物酶活性：采用鄰苯三酚比色法測定[10]。

1.4.3 土壤線蟲分離方法

采用貝曼淺盤法，具體步驟如下：將篩子放在小盆中，然后在篩子上鋪一層面巾紙。土壤壓碎混勻，取100 g土壤放在面巾紙上。從篩子和小盆的縫隙中加入水，水量要沒過土壤，但不沒過面巾紙；在室溫下靜置24～48 h后，將小盆中的水過500 目的篩網(wǎng)，此時線蟲留在篩網(wǎng)上，用少量清水將線蟲沖洗到玻璃皿中，靜置1～2 min，在體視鏡（或顯微鏡）下計數(shù)。

1.4.4 田間發(fā)病及防治效果

根結(jié)線蟲病病情指數(shù)分級標準見表2。

表2 根結(jié)線蟲病病情指數(shù)分級標準Table 2 Criteria for classification of disease index of rootknot nematode disease

病情指數(shù)和防治效果計算公式見式（2）（3）。土壤、黃瓜根中的線蟲減退率計算公式見式（4）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0 進行方差分析、采用Duncan 進行多重比較，用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季玉米填閑對連作黃瓜土壤基本理化性狀的影響

土壤是作物生長的基礎(chǔ)環(huán)境，其基本理化性狀與作物產(chǎn)量息息相關(guān)[7]，而氮磷鉀是作物生長所需的大量元素，其含量的高低直接影響作物生長發(fā)育[8]。

表3 顯示，玉米夏季填閑處理改變了下茬連作黃瓜土壤的基本理化性狀，除土壤有機質(zhì)含量、pH 值、全磷和有效磷外，其余指標均與對照差異顯著（P＜0.05）。填閑土壤電導率、全氮、全鉀、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮和速效鉀含量相比對照下降，分別降低了18.75%、35.71%、17.73%、6.76%、6.38%和17.88%。相反，填閑處理增加了有機碳含量，比對照增加了18.99%。

表3 夏季玉米填閑對連作黃瓜土壤基本理化性狀的影響Table 3 Effects of summer corn planting on basic physical and chemical properties of continuous cropping cucumber soil

2.2 玉米填閑對土壤微量元素及重金屬含量的影響

鈣、鎂、硫、鐵、錳等中微量元素大多是植物體內(nèi)促進光合作用、呼吸作用以及物質(zhì)轉(zhuǎn)化等作用的酶或輔酶的組成成分，在植物體內(nèi)非常活躍[6]。夏季玉米填閑后對連作黃瓜土壤中微量元素及重金屬含量的影響如表4 所示。由表知，夏季玉米填閑后黃瓜土壤中的中量元素Ca、Mg、S 含量降低，與對照未達到差異顯著水平，同時降低了8種微量元素含量，其中，F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn、Mo 與對照達到顯著差異（P＜0.05），分別比對照降低了29.34%、9.62%、15.97%、11.70%和30.21%，其余3 種不顯著。7 種重金屬含量均降低，其中，Cd 和Pb 與對照達到顯著差異水平（P＜0.05），分別比對照降低了29.63%和21.21%，其余5種未達到顯著差異。

表4 玉米填閑對土壤微量元素及重金屬含量的影響Table 4 Effects on contents of microelements and heavy metals in continuous cropping cucumber soil of summer corn planting

2.3 夏季玉米填閑對連作黃瓜不同生育期土壤酶活性的影響

夏季玉米填閑對連作黃瓜不同生育期土壤酶活性的影響見表5。由表知，除過氧化氫酶外，其余6 種酶均隨黃瓜生育期的延長而增加。在黃瓜幼苗期，7 種土壤酶活性均與對照差異不顯著。在黃瓜初花期，土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶與多酚氧化酶均與對照達到顯著差異（P＜0.05），比對照增加了18.00%～48.53%。在黃瓜結(jié)果初期，除過氧化氫酶外，其余6 種酶均與對照達到顯著差異（P＜0.05），比對照增加了12.50%～41.46%。在黃瓜盛果期，7 種酶均與對照達到顯著差異（P＜0.05），比對照增加了11.72%～38.71%。在黃瓜拉秧期，除土壤脲酶外，其余6 種酶均與對照達到顯著差異（P＜0.05），比對照增加了10.67%～38.71%。

表5 夏季玉米填閑對連作黃瓜不同生育期土壤酶活性的影響Table 5 Effects on soil enzyme activity of cucumber in continuous cropping of summer corn planting at different growth stages

2.4 夏季玉米填閑對連作黃瓜根結(jié)線蟲發(fā)病率及防效的影響

表6 顯示了夏季玉米填閑對連作黃瓜根結(jié)線蟲發(fā)病率及防效的影響。由表知，填閑處理黃瓜根結(jié)線蟲的發(fā)病率、病情指數(shù)、100 g 土壤和黃瓜根中線蟲條數(shù)與對照均達到顯著差異（P＜0.05），發(fā)病率和病情指數(shù)相比對照降低了47.93%和35.19%，預防效果可達35.19%。降低了100 g 土壤和黃瓜根中的根結(jié)線蟲條數(shù)，線蟲減退率分別達到53.32%和52.91%?？梢娤募居衩滋铋e后降低了黃瓜田間根結(jié)線蟲的發(fā)病率，對根結(jié)線蟲病的發(fā)生起到了一定的預防效果。

表6 夏季玉米填閑對連作黃瓜根結(jié)線蟲發(fā)病率及防效的影響Table 6 Effects on incidence and control effectiveness of rootknot nematode of summer corn planting in continuous cropping cucumber

3 討論與結(jié)論

3.1 夏季玉米填閑對連作黃瓜土壤修復機理分析

設(shè)施蔬菜高投入、高產(chǎn)出、高效益的種植特征，導致我國設(shè)施菜田土壤質(zhì)量急劇下降，土壤質(zhì)量的好壞與設(shè)施農(nóng)田生產(chǎn)投入特點密切相關(guān)。王廷峰等[11]發(fā)現(xiàn)連作草莓土壤套作玉米提高了土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效鈣和鐵含量，降低了有效鎂含量。本研究表明，玉米填閑后雖增加了土壤有機質(zhì)含量，但與對照未達到顯著差異，可能是由于本試驗中未將玉米秸稈進行還田，兩個實驗的處理方法不同所致。張雪艷等[12]研究表明，夏季填閑大豆能夠顯著增加不同土層pH，降低土壤可溶性鹽濃度和速效氮含量。本試驗選擇在夏季進行玉米填閑處理，改變了連作土壤的基本理化性狀，降低了EC 值，增加了碳氮比，與張雪艷等[12]的研究結(jié)果一致，但對土壤pH 值的影響不顯著。我國北方設(shè)施農(nóng)田以有機肥為底肥，大多以牛糞、豬糞、雞糞等為主，這些肥的共同點為碳氮比低，約在6.5～10.8 之間[12]。同時，大量化肥的使用尤其是氮肥的使用，導致設(shè)施菜田土壤碳氮比下降，因此，補充碳物料的投入是改善土壤質(zhì)量的一個有效途徑。本試驗中玉米填閑處理增加了土壤的碳氮比，原因是空閑期玉米的種植吸收了土壤中過多的氮素，碳含量的增加和氮含量的下降，使得土壤碳氮比增加。已有研究證實，夏季種植玉米不僅可以減少氮素損失，而且其根茬還田可作為一個很好的碳源補充，不僅改善菜田土壤環(huán)境，還可提高菜田土壤生物肥力[8]。本研究中夏季玉米填閑處理降低了土壤全鉀和有效鉀含量，因為有研究表明，玉米屬于喜鉀作物[13]，需鉀量高，因此生產(chǎn)上應注意鉀肥的增施。玉米苗期根系不發(fā)達，對磷素的吸收量很少[13]，因此，夏季玉米填閑處理后對土壤中全磷和有效磷的影響不顯著。玉米在生長過程中，對Mg、S、Fe、Mn、B、Zn 都有一定的需求，缺少上述中微量元素會導致相應的缺素癥狀。夏季玉米填閑處理降低了土壤的中量元素Ca、Mg、S 含量，但與對照未達到顯著差異，同時，降低了8 種微量元素含量，其中，F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn、Mo 與對照達到顯著差異（P＜0.05），這與玉米生長過程中對中微量元素的需求有關(guān)。其中，Ca、Mn、B 含量的變化與前人研究結(jié)果不一致[11]，原因為本試驗的研究對象為黃瓜，前人研究對象為草莓，二者的需肥規(guī)律不同所致。

重金屬污染引發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題已成為全社會關(guān)注的焦點[14]，參照國家標準（GB 15618—1995）和歐盟標準（EU2002），本試驗中土壤中Hg、Pb、Cd、Cr、As、Cu、Zn 等7 種重金屬均未超出其安全限制，且玉米夏季填閑處理后，降低了填閑土壤的重金屬含量，其中，Cd 和Pb 與對照達顯著差異（P＜0.05），分別比對照降低了29.63%和21.21%。有研究表明，玉米是Ni、Pb、Zn 污染土壤修復有潛力的植物[15]。對于本試驗種植的黃瓜，其土壤中Cr、Ni、Cu、As、Cd、Pb、Se、Hg 等未超出菜地土壤無機污染物的環(huán)境質(zhì)量第二級標準值限量。對于Mo 沒有標準，暫未規(guī)定其限量要求。

積累在土壤中的酶參與元素的生物循環(huán)、腐殖質(zhì)的合成和分解，有機化合物的分解，以及微生物的增殖。土壤酶的活性強弱是表征土壤熟化程度高低和肥力水平的一項重要指標。植物種類、根系、微生物種群及數(shù)量、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施不同，導致分泌的酶類有很大變化。吳鳳芝等[1]研究發(fā)現(xiàn)蘇丹草、黑麥和小麥處理的土壤脲酶、多酚氧化酶和過氧化氫酶活性顯著高于對照；油菜處理的土壤多酚氧化酶活性顯著高于其他處理；除油菜外，各個填閑處理脫氫酶活性均顯著高于對照。李敏[16]發(fā)現(xiàn)青蔥和不結(jié)球白菜在短期內(nèi)有助于土壤中的中性磷酸酶和脲酶活性的提高，但隨種植茬次增加，小麥比青蔥和不結(jié)球白菜更有助于提高土壤中的脲酶、轉(zhuǎn)化酶和中性磷酸酶的活性。填閑能顯著改變土壤酶活性，其中，小麥對于改變土壤脲酶活性效果比較明顯，油菜對于改變土壤多酚氧化酶活性比較明顯，蘇丹草對于改變脫氫酶和過氧化氫酶活性比較明顯[17]。本試驗結(jié)果表明，除過氧化氫酶外，其余6種酶活性均隨著黃瓜生育期的延后呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，脲酶[1,16-17]、多酚氧化酶[17]與前人研究結(jié)果一致。對過氧化氫酶活性的影響，本試驗結(jié)果與吳鳳芝等[1]一致，與郭曉[17]不一致，產(chǎn)生不一致的原因是可能是選擇的填閑作物不同所致，郭曉采用的是蘇丹草，而本試驗采用的是玉米，兩種作物對土壤過氧化氫酶活性的影響是不同的。

3.2 夏季玉米填閑對根結(jié)線蟲病發(fā)生及防效的影響

根結(jié)線蟲（Meloidogyne incognita）在世界各地廣泛分布，可寄生于3 000 多種植物，尤以葫蘆科、茄科和十字花科等植物受害嚴重，近年來，隨著設(shè)施黃瓜復種指數(shù)的提高和種植面積的擴大，根結(jié)線蟲病已成為設(shè)施黃瓜生產(chǎn)的主要障礙之一。關(guān)于填閑作物與病害發(fā)生的關(guān)系及對黃瓜根結(jié)線蟲病的防治已有相關(guān)報道，有研究表明，黃瓜與水稻、空心菜、水芹和草菇輪作可以減輕根結(jié)線蟲病的發(fā)生[18]。王宏寶等[19]發(fā)現(xiàn)，不同深度土壤肥力指標與黃瓜根結(jié)線蟲病具有一定相關(guān)性，土壤上中下各土層全磷和全氮變化與黃瓜根結(jié)線蟲病情指數(shù)呈顯著負相關(guān)。而有關(guān)夏季填閑對黃瓜根結(jié)線蟲病發(fā)生的研究未見報道，本研究結(jié)果表明，夏季玉米填閑后，降低了黃瓜田間根結(jié)線蟲病的發(fā)生和病情指數(shù)，對根結(jié)線蟲病具有一定預防效果，防效可達35.19%，同時，減少了黃瓜土壤和根中的根結(jié)線蟲數(shù)，對根結(jié)線蟲的減退率達到50%以上，分析原因可能是與玉米填閑處理改變了黃瓜土壤的肥力水平有關(guān)。