甜菜重茬種植對土壤理化性質(zhì)及微生物數(shù)量的影響

李 泰, 路正禹, 崔汝菲, 耿 貴, 於麗華, 王宇光

(黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150080)

0 引 言

甜菜屬二年生草本植物，是我國重要的制糖原料之一，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值。甜菜在我國主要分布于內(nèi)蒙古、新疆和黑龍江等地[1]，這些地區(qū)具有土壤肥沃和晝夜溫差大的獨(dú)特環(huán)境優(yōu)勢。然而，目前我國甜菜仍存在單位面積產(chǎn)量不高、總產(chǎn)量不穩(wěn)和含糖率低等問題[2]，其中部分原因與甜菜輪作面積有限、重茬種植現(xiàn)象越來越嚴(yán)重相關(guān)[3]，研究發(fā)現(xiàn)，甜菜重茬種植會導(dǎo)致甜菜產(chǎn)量以及含糖量降低[4]。

重茬種植是指在一塊地上連續(xù)不間斷栽培同一種作物的種植方式[5]。重茬種植通?？商岣咄恋乩眯剩唐趦?nèi)滿足農(nóng)民的產(chǎn)量收益。但長期重茬種植會導(dǎo)致作物減產(chǎn)、降低農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、增加積累潛在病原菌的風(fēng)險[6]，甚至?xí)绊懽魑锏纳L發(fā)育。李繼紅等研究發(fā)現(xiàn)，重茬種植花生會造成土壤養(yǎng)分不平衡、土壤酶活性逐年降低和土壤微生物群落失調(diào)等不良現(xiàn)象[7]。尤艷蓉等研究發(fā)現(xiàn)，長期重茬種植玉米會使玉米根系分泌物大量積累，破壞根際微生物平衡，導(dǎo)致玉米發(fā)育不良[8]。

重茬障礙是土壤與植物兩個系統(tǒng)中多個因素造成的結(jié)果[9]。為了探究重茬種植對甜菜植株表型、土壤理化性質(zhì)以及微生物數(shù)量的影響，本研究設(shè)置了輪作和重茬兩組對照試驗(yàn)，通過對比輪作和重茬兩種種植制度對甜菜土壤理化性質(zhì)及土壤微生物數(shù)量的影響，分析重茬種植抑制甜菜生長的原因，為進(jìn)一步探究重茬種植的栽培調(diào)控措施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試甜菜品種“KWS1176”購自德國KWS公司，為丸?；陌路N子。試驗(yàn)于黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)甜菜試驗(yàn)基地進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)輪作和重茬兩個處理，兩個種植區(qū)域地塊選擇、水肥管理保持一致，輪作區(qū)前茬為玉米，現(xiàn)茬為甜菜，重茬區(qū)現(xiàn)茬和前茬都為甜菜。分別采集甜菜收獲期0～20 cm和20～40 cm的土層樣本，利用H2SO4-H2O2-擴(kuò)散法測定植株全氮含量，利用H2SO4-H2O2-消煮法測定植株全磷含量，利用火焰光度計(jì)法測定植株全鉀含量[10]。土壤理化性質(zhì)測定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[11]，并根據(jù)耿貴的方法[12]計(jì)算并統(tǒng)計(jì)平板中真菌、細(xì)菌以及放線菌的數(shù)量。利用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性[13]，利用3,5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性[14]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019和SPSS 20.0數(shù)據(jù)分析軟件的LSD法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用單因素試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，其中P≤0.05視為差異顯著。

圖1 甜菜輪作與重茬種植甜菜收獲期表型差異Fig.1 Phenotypic difference between rotation and continuous cropping of postharvest sugar beet

2 結(jié)果與分析

2.1 重茬區(qū)與輪作區(qū)甜菜植株表型和養(yǎng)分差異

為探索重茬種植對甜菜生長的影響，比較分析了收獲期重茬區(qū)與輪作區(qū)甜菜的產(chǎn)量和質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)室束安琦等前期對收獲期重茬區(qū)與輪作區(qū)甜菜的鮮重、干重和株高進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)重茬種植會抑制甜菜生長[15]，與本試驗(yàn)中收獲期重茬區(qū)甜菜生長情況與輪作區(qū)差異較大、生長受到抑制的結(jié)果一致。收獲期表型如圖1所示。

植株各生長部位的養(yǎng)分積累量與其生長發(fā)育動態(tài)密切相關(guān)[16]。重茬與輪作兩組處理對甜菜植株葉、葉柄、根的N、P、K含量均有影響，甜菜葉、葉柄、根的N、P、K含量差異如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn)，重茬區(qū)甜菜根和葉的N含量與輪作區(qū)相比顯著下降(P<0.05)，分別降低了56.03%和10.71%。重茬區(qū)甜菜葉柄的P元素含量與輪作區(qū)相比顯著降低(P<0.05)，降低了22.16%。同時，重茬區(qū)葉片的K元素含量與輪作區(qū)相比降低了58.20%，達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。由此可知，重茬區(qū)甜菜葉、葉柄、根的N、P、K元素含量與輪作區(qū)相比均有不同程度降低。

注： 圖中誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差大小，不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 重茬區(qū)與輪作區(qū)土壤理化性質(zhì)差異

甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)土壤的理化性質(zhì)差異如圖3所示。甜菜重茬區(qū)0～20 cm與20～40 cm土層的pH，與輪作區(qū)相比均有不同程度的降低。通過圖3(a)發(fā)現(xiàn)，甜菜重茬區(qū)20～40 cm土層的pH與輪作區(qū)具有顯著差異(P<0.05)，重茬區(qū)比輪作區(qū)降低了5.94%。由圖3(b)可知，重茬區(qū)0～20 cm、20～40 cm土層的相對含水量與輪作區(qū)差異不顯著，變化趨勢大致相同。

圖3 收獲期甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)不同土層pH (a)和相對含水量(b)差異

土壤有效N、P、K元素是土壤肥力的重要組成部分。如圖4(a)所示，甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)20～40 cm土層的N元素含量較0～20 cm土層顯著(P<0.05)降低，分別降低了28.79%和28.67%。由圖4(b)可知，甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)20～40 cm土層的有效P元素含量較0～20 cm土層顯著(P<0.05)降低，分別降低了26.87%和62.67%。同時發(fā)現(xiàn)，甜菜重茬區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層的有效P元素含量分別較輪作區(qū)降低了40.67%和69.72%，且達(dá)到顯著差異(P<0.05)水平。在圖4(c)中，甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)20～40 cm土層的有效K元素含量較0～20 cm土層顯著(P<0.05)降低，分別降低了17.70%和12.57%。甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層的有效K元素含量差異顯著(P<0.05)，其中0～20 cm、20～40 cm重茬區(qū)分別較輪作區(qū)降低了23.91%和20.22%。由此推測，重茬區(qū)0～20 cm、20～40 cm土層中P和K元素未得到有效利用，導(dǎo)致其含量顯著高于輪作區(qū)。

圖4 收獲期甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)不同土層有效N (a)、P (b)和 K (c)元素含量差異Fig.4 Difference of effective N (a), P (b) and K (c) element contents between continuous cropping area and rotation area of suger beet during harvest

2.3 重茬區(qū)與輪作區(qū)土壤酶活性差異

土壤蔗糖酶活性與土壤N、P含量以及土壤有機(jī)質(zhì)代謝相關(guān)[17]。如圖5(a)所示，甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)0～20 cm土層蔗糖酶活性差異顯著(P<0.05)，其中重茬區(qū)土壤蔗糖酶活性與輪作區(qū)相比下降了16.05%。隨著土層的深入，甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)20～40 cm土層土壤蔗糖酶活性與輪作區(qū)相比下降了9.63%，達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。土壤脲酶活性與土壤微生物含量和土壤有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)[18]。通過圖5(b)發(fā)現(xiàn)，重茬區(qū)與輪作區(qū)不同土層土壤脲酶活性與蔗糖酶活性差異結(jié)果相似，甜菜重茬區(qū)0～20 cm土層土壤脲酶活性相對輪作區(qū)下降了16.99%，達(dá)到顯著差異(P<0.05)水平。20～40 cm土層土壤脲酶活性在重茬區(qū)和輪作區(qū)差異顯著(P<0.05)，重茬區(qū)土壤脲酶活性相對輪作區(qū)下降了30.16%。此外，重茬區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層土壤脲酶活性差異不顯著。

圖5 收獲期甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)不同土層蔗糖酶(a)和脲酶(b)活性差異Fig.5 Difference of invertase (a) and urease (b) activities in different soil layers between continuous cropping area and rotation area of suger beet during harvest

2.4 重茬區(qū)與輪作區(qū)土壤微生物數(shù)量差異

微生物對土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化具有重要作用，其數(shù)量變化與土壤質(zhì)量密切相關(guān)[19]。土壤細(xì)菌數(shù)量可以作為衡量土壤活性的指標(biāo)[20]。由圖6(a)可知，甜菜輪作區(qū)0～20 cm土層細(xì)菌數(shù)量與重茬區(qū)0～20 cm、20～40 cm土層以及輪作區(qū)20～40 cm土層顯著(P<0.05)增加，分別增加了61.36%、82.05%和73.17%。由圖6(b)可知，甜菜重茬區(qū)0～20 cm土層與重茬區(qū)20～40 cm、輪作區(qū)0～20 cm、20～40 cm土層相比增長29.31%、59.58%和127.27%，且達(dá)到差異顯著(P<0.05)水平。由圖6(c)可知，甜菜重茬區(qū)0～20 cm與20～40 cm土層放線菌數(shù)量具有顯著差異(P<0.05)，其中0～20 cm土層放線菌數(shù)量較20～40 cm土層增長了36.37%。

圖6 收獲期甜菜重茬區(qū)與輪作區(qū)不同土層細(xì)菌(a)、真菌(b)、放線菌(c)數(shù)量差異

3 討 論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，重茬區(qū)甜菜葉、葉柄、根的N、P、K元素含量低于輪作區(qū)。N元素在植物體生長發(fā)育中起著重要的作用，當(dāng)N含量充足時，植物可以自身合成蛋白質(zhì)養(yǎng)分，葉片N元素還與植物光合作用密切相關(guān)。P元素促進(jìn)根系的生長，根系的生長情況關(guān)乎甜菜的產(chǎn)量高低，K元素對植株具有增強(qiáng)葉柄韌性的作用[21]。本試驗(yàn)中重茬區(qū)甜菜根、葉N元素、葉柄P元素、葉K元素的含量與輪作區(qū)相比顯著下降。由此推測，重茬種植會造成甜菜對營養(yǎng)元素的吸收減少，甜菜的營養(yǎng)生長階段受到抑制，進(jìn)而不利于甜菜的生長。甜菜不同營養(yǎng)元素之間并不是單獨(dú)調(diào)控的，有研究表明，甜菜的N、P、K存在協(xié)同調(diào)控機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)不同營養(yǎng)之間的調(diào)控。沙紅研究發(fā)現(xiàn)，甜菜缺素癥會導(dǎo)致甜菜植株較小，葉片較暗且狹窄[22-23]。結(jié)合甜菜表型分析發(fā)現(xiàn)，重茬種植可能會導(dǎo)致甜菜出現(xiàn)養(yǎng)分缺乏。

土壤pH是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一[24],同時，它在決定土壤微生物多樣性變化方面也非常重要[25]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，甜菜重茬區(qū)同一土層土壤pH比輪作區(qū)低，輪作區(qū)土壤pH更接近中性，而重茬區(qū)pH值偏酸性，輪作區(qū)與重茬區(qū)土壤相對含水量差異不顯著。楊繼權(quán)研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH越接近中性對甜菜的生長發(fā)育越有利[26]。結(jié)合所得數(shù)據(jù)及表型推測，重茬種植可能會導(dǎo)致土壤pH降低，對土壤相對含水量影響較小。甜菜輪作區(qū)不同土層土壤有效N、P、K元素含量相對重茬區(qū)均有不同程度的降低，有效N元素含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正比，土壤有效P、K元素含量均是土壤潛在的供P、K元素量。結(jié)合試驗(yàn)所得表型推測，重茬種植可能會導(dǎo)致甜菜根系吸收養(yǎng)分能力減弱。因此，甜菜表現(xiàn)出生長受到抑制的現(xiàn)象。

本研究發(fā)現(xiàn)，甜菜輪作區(qū)同一土層土壤蔗糖酶活性相對重茬區(qū)顯著升高(P<0.05)。謝洪寶等研究發(fā)現(xiàn)，蔗糖酶活性具有使土壤養(yǎng)分均衡、平衡根部與地上部分發(fā)育的作用[27]。甜菜輪作區(qū)同一土層土壤脲酶活性相對重茬區(qū)顯著降低(P<0.05)。土壤脲酶活性通常與土壤中氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)，可以在一定程度上反映土壤對無機(jī)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)能力[28]。因此推測，甜菜重茬種植導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不平衡，蔗糖酶活性降低。此外，重茬種植導(dǎo)致根系對養(yǎng)分吸收不足，土壤中有害物質(zhì)過多，進(jìn)而使脲酶活性上升。姚有華研究發(fā)現(xiàn)，重茬種植年份的增加可能會導(dǎo)致危害甜菜病害的真菌和放線菌種群數(shù)量增多，而有益細(xì)菌數(shù)量減少[29]。本試驗(yàn)所得重茬區(qū)同一土層真菌和放線菌數(shù)量相對輪作區(qū)增加，細(xì)菌數(shù)量減少，與前人研究結(jié)果相符。重茬障礙對甜菜養(yǎng)分吸收和土壤理化性質(zhì)都造成了不利影響。因此，建議在大田種植中適當(dāng)進(jìn)行輪作換茬種植，科學(xué)地施肥以調(diào)理土壤的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，選用抗逆能力強(qiáng)的甜菜品種應(yīng)對重茬障礙。

4 結(jié) 論

重茬與輪作兩種種植方式會影響甜菜葉、葉柄、根的N、P、K元素含量以及不同土層土壤理化性質(zhì)、微生物數(shù)量。重茬種植可能會降低甜菜必須營養(yǎng)元素的含量，影響根系對外界養(yǎng)分的吸收，產(chǎn)生有害物質(zhì)，破壞土壤養(yǎng)分均衡，導(dǎo)致脲酶活性升高、蔗糖酶活性下降，進(jìn)而表現(xiàn)缺素癥狀，還可能會減少有益細(xì)菌的數(shù)量，增加有害真菌和放線菌的數(shù)量，使甜菜生長受到抑制。