不同連作年限土壤對栝樓幼苗生理性狀的影響研究

徐筋燕 何曉蘭 邵明燦 郭書巧

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，江蘇南京 210014）

連作障礙是作物種植和生長發(fā)育過程中遇到的較嚴重的土壤問題之一，全世界范圍內(nèi)均面臨這一問題。連作障礙是指在同一地塊土壤中連續(xù)栽培同種或同科作物時，即使在正常的栽培管理條件下，也會出現(xiàn)植株生長發(fā)育能力變?nèi)?、抗逆性降低、產(chǎn)量和品質(zhì)下降等的現(xiàn)象。連作障礙主要的形成原因包括土壤養(yǎng)分失調(diào)、土壤相關(guān)酶活性發(fā)生改變、土壤pH值改變，土壤微生物生態(tài)失衡以及植物根系分泌物的自毒作用等[1]。連作障礙的發(fā)生會導致當季作物產(chǎn)量損失20%～80%，甚至絕產(chǎn)。在各類作物中，以根莖或根部入藥的宿根類中藥材受土壤環(huán)境的影響最大，受連作障礙的影響也最為明顯[2]。連作對藥用植物的影響具體表現(xiàn)為植株生長發(fā)育受阻、抗逆性和產(chǎn)質(zhì)量降低、葉綠素含量降低、根系活力減弱等。連作障礙除了會對作物造成影響，還會嚴重降低農(nóng)民的經(jīng)濟收入。為了減少損失，部分農(nóng)民會盲目地大量施用農(nóng)藥或肥料、更換或擴張地塊等，這些行為不僅會造成巨大的浪費，還會對自然環(huán)境造成破壞。因此，利用科學的方法解決連作障礙至關(guān)重要。目前，解決連作障礙的方法包括采用化學調(diào)控方法和科學的種植制度。雖然有很多抗重茬藥劑開始推廣，但研究發(fā)現(xiàn)，輪作仍然是解決連作障礙的最佳方案[3]。相比于一年生作物，多年生藥用作物需要考慮投入費用和產(chǎn)量效益，尋找最佳的輪作換茬時間。

栝樓（Trichosanthes kirilowii Maxim.），亦稱瓜蔞，屬于葫蘆科，是一種多年生藤本植物。栝樓是我國傳統(tǒng)的中藥材，其根、莖、葉、果皮和種子均可入藥，具有擴張冠狀動脈、抗腫瘤、抗衰老等作用[4-5]。栝樓的種子又稱瓜蔞籽，具有獨特的口感，且富含人體所需的多種營養(yǎng)元素，近年來已被開發(fā)為一種新的大眾休閑食品。隨著瓜蔞薤白半夏湯等中藥制劑被多省市推薦作為新冠肺炎診療方案[6]，栝樓產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)逐漸擴大的發(fā)展趨勢。江蘇省是我國栝樓主栽區(qū)，近幾年栝樓種植規(guī)模不斷擴大，蘇北地區(qū)甚至將栝樓作為脫貧幫困項目，引導經(jīng)濟薄弱村和低收入戶種植，目前種植面積約占全國種植面積的50%[7]。隨著栝樓產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，連作障礙問題也越來越突出。栝樓屬于典型的宿根類多年生作物，種植后可以連續(xù)收獲3～4年甚至更久，但連作障礙的產(chǎn)生導致部分地區(qū)栝樓減產(chǎn)30%～80%，部分嚴重地塊甚至絕產(chǎn)。因此，緩解連作障礙問題已經(jīng)刻不容緩。目前，關(guān)于栝樓連作障礙相關(guān)的研究較少。李婧[8]研究發(fā)現(xiàn)：連作障礙會導致種植栝樓的土壤酶活性下降；利用連作6年的栝樓根系的化感物質(zhì)進行處理，會導致栝樓植株超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）等酶活性受到影響，部分品種根系受損、種子萌發(fā)率降低以及幼苗株高增長受到限制等。劉 丹等[9]通過外源施用脫落酸發(fā)現(xiàn)，施用適當濃度的脫落酸可以提高栝樓抗氧化酶系活性，從而緩解連作障礙。

本研究通過收集不同連作年限的栝樓根際土壤開展試驗，檢測不同連作年限土壤中養(yǎng)分含量以及栝樓幼苗生長發(fā)育情況，以期評價連作土壤對栝樓幼苗生長的影響。通過分析研究結(jié)果，找出栝樓適宜的輪作換茬時間，為平衡經(jīng)濟效益和輪作換茬時間提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗植株為栝樓品種蘇蔞1號。試驗土樣取自江蘇省栝樓種植主栽區(qū)鹽城市阜寧縣正在生長的栝樓植株根際土壤，取樣田田間管理措施和施肥情況基本相同。L2為連作2年土壤；L4為連作4年土壤；L6為連作6年土壤。根際土壤的搜集：同一連作年限隨機收集10株栝樓根際土作為一個土壤樣品，每個連作年限3次重復，共采集9個土壤樣品。

1.2 種植條件

將栝樓種子播種于蛭石內(nèi)，并放在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院智能溫室中。出苗2周后，選取大小一致的栝樓幼苗種植于花盆內(nèi)，每個土壤樣品種植10盆栝樓，每盆種植3株。于2021年5月30日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院智能溫室中開始種植試驗，6月30日對所有植株進行數(shù)據(jù)測定。

1.3 測定內(nèi)容及方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分含量測定。土壤養(yǎng)分含量測定內(nèi)容包括土壤氮、磷和鉀的含量。采用凱氏定氮法進行全氮測定；采用鉬銻抗比色法測定磷含量；采用ICP-aes法測定鉀含量；根據(jù)《土壤 氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測定 氯化鉀溶液提取-分光光度法》（HJ 634—2012）進行土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測定；根據(jù)《土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》（NY/T 1121.7—2014）進行土壤有效磷測定；根據(jù)《土壤速效鉀和緩效鉀含量的測定》（NY/T 889—2004）進行土壤速效鉀的測定。

1.3.2 栝樓幼苗生理指標測定。栝樓幼苗測定內(nèi)容包括株高、根長、地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重和葉綠素含量等指標。

葉綠素含量測定：葉綠素含量使用葉綠素測定儀（Chlorophyll Meter SPAD-502 plus）進行測定。每個土壤樣品測30株栝樓幼苗，每個植株在同一位置進行測定，重復3次。

植株性狀測定：將栝樓幼苗從花盆中取出，用清水小心洗凈根部的土壤，并盡量收集所有根部組織，對所有植株的株高和對應的主根根長進行測定；用吸水紙吸干植株表面的水分，以花盆為單位，分別測定每盆土樣中所有栝樓幼苗的地上部和對應的地下部鮮重；采用烘干法，將植株鮮樣分別置于105℃烘箱內(nèi)殺青1 h，80℃烘干至恒重，待樣品冷卻后稱量所有植株的地上部干重和對應的地下部干重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同連作年限土壤養(yǎng)分含量分析

土壤養(yǎng)分含量可以評價土壤肥力狀況和土壤質(zhì)量。對L2、L4和L6土壤樣品的氮、磷和鉀含量進行測定，分析不同連作年限土壤質(zhì)量。從表1可以看出，L4土樣的全氮、全磷和全鉀含量顯著低于L2土樣，L6土樣的全氮、全鉀含量顯著低于L2土樣。L4土樣的全氮、全磷和全鉀含量分別為L2土樣的0.54、0.62和0.20；L6土樣的全氮、全磷和全鉀含量分別為L2土樣的0.74、0.94和0.23。此外，L4和L6土樣中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效鉀含量也低于L2土樣。L4土樣的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量分別為L2土樣的0.38、0.94、1.02和 0.59；L6土樣的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量分別為L2土樣的 0.35、0.63、0.91和0.43，差異均顯著。 與 L6土樣相比，L4土樣全氮、全磷和全鉀含量均略低，但是硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量均略高。根據(jù)全國土壤養(yǎng)分含量分級標準，除L4和L6土樣的全氮含量處于中級水平、L2和L6土樣的全磷含量處于中上水平以及L4土樣的全磷含量處于低級水平外，其余養(yǎng)分含量均處于較高的水平。以上結(jié)果說明，隨著連作時間的延長，土壤養(yǎng)分含量逐漸降低，但是土壤肥力和質(zhì)量仍處于較高的水平。

表1 不同連作年限土壤養(yǎng)分含量

2.2 不同連作年限土壤對栝樓幼苗生長發(fā)育的影響

試驗研究發(fā)現(xiàn)，連作土壤對栝樓幼苗的地上部分生長有著明顯的抑制作用，隨著連作時間的延長，抑制作用明顯。從表2可以看出，L2、L4、L6土樣中生長的栝樓幼苗平均株高分別是22.14 cm、19.35 cm和18.80 cm。其中，L2土樣中生長的栝樓幼苗株高相比L4和L6土樣中生長的栝樓幼苗分別高14.4%和17.8%，差異顯著。地下部分根長出現(xiàn)了相反的表型，L2、L4、L6土樣中生長的栝樓幼苗根長分別是14.56、15.98、17.68 cm，種植于連作6年土壤中的栝樓幼苗平均根長最長。雖然根長的結(jié)果未表現(xiàn)出顯著差異，但是可以觀測到隨著連作時間的延長，土壤中栝樓幼苗根長有增加的趨勢。

表2 栝樓幼苗在不同連作年限土壤中植株的株高和根長比較

2.3 不同連作年限土壤對栝樓幼苗生物量的影響

對在不同連作年限土壤中生長1個月的栝樓幼苗進行生物量檢測，檢測結(jié)果顯示，隨著連作時間的延長，栝樓幼苗地上部和地下部生物量都有所降低。由表3可知：與L2土樣中生長的栝樓幼苗相比，L4土樣中生長的栝樓幼苗地上部分平均鮮重減少了2.8%，平均干重減少了5.4%；地下部分平均鮮重減少了2.2%，平均干重減少了1.8%。與L2土樣中生長的栝樓幼苗相比，L6土樣中生長的栝樓幼苗地上部分平均鮮重減少了6.3%，平均干重減少了14.9%；地下部分平均鮮重減少了11.0%，平均干重減少了12.3%。以全株幼苗干重計算總生物量變化情況可知：L4土樣中生長的栝樓幼苗生物量比L2土樣中生長的栝樓幼苗減少3.82%；而L6土樣中生長的栝樓幼苗生物量比L2土樣中生長的栝樓幼苗減少13.74%，變化幅度較大。

表3 不同連作土壤內(nèi)種植栝樓幼苗生物量檢測

2.4 不同連作年限土壤對栝樓幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素含量是反應植株葉片生理活性變化的重要指標之一，與植物光合能力和產(chǎn)量具有密切的相關(guān)性。試驗觀察發(fā)現(xiàn)，不同連作年限土壤中生長的栝樓幼苗在葉片色澤上有少許差異。對這些幼苗進行葉綠素含量測定，結(jié)果表明，隨著連作年限的延長，幼苗葉綠素含量表現(xiàn)出顯著的降低趨勢。從表4可以看出：L2土樣中種植的栝樓幼苗葉片葉綠素含量平均為34.62；L4土樣中種植的栝樓幼苗葉片平均葉綠素含量為32.73，相比L2土樣中種植的栝樓幼苗下降了5.5%；在L6土樣中種植的栝樓幼苗葉片平均葉綠素含量僅為29.45，與L2土樣中種植的栝樓幼苗相比下降14.9%。以上結(jié)果說明，栝樓幼苗在連作4年和連作6年的土壤中生長發(fā)育均受限，該結(jié)果與栝樓表型測定結(jié)果一致。

表4 不同連作年限土壤內(nèi)種植栝樓幼苗的葉綠素含量

3 結(jié)論與討論

栝樓是一種多年生宿根類中藥材，其根即天花粉，廣泛用于消腫排膿以及耳鼻喉疾病、婦科疾病等的治療[10]。為了高效產(chǎn)出和節(jié)約成本，農(nóng)民通常會連作多年。但在連作3～4年以后，即會表現(xiàn)出植株生長受抑制、產(chǎn)量下降和病蟲害高發(fā)等現(xiàn)象。為了減少損失，農(nóng)民會大量施用化肥和農(nóng)藥。但是，過量施用肥料會導致土壤鹽分過量，產(chǎn)生土壤次生鹽漬化，進一步加劇栝樓病害的發(fā)生和抑制生長發(fā)育；同時，過量施用農(nóng)藥會造成嚴重的環(huán)境污染。連作障礙成為影響我國栝樓生產(chǎn)的主要問題之一。近年來，多位研究者從不同角度出發(fā)，對作物連作障礙產(chǎn)生的原因和緩解方法進行了研究。但迄今為止，輪作仍是解決連作障礙最有效的方法。作為宿根類作物以及重要的中藥材，栝樓根系的生長對其經(jīng)濟價值有著至關(guān)重要的意義；且栝樓在種植前期需要耗費大量的人力和物力進行開溝、起高壟、搭棚架和鋪設(shè)滴灌帶等，投入成本較高。種種原因?qū)е缕錈o法通過采取每年輪作的措施來緩解連作障礙。因此，在綜合考慮品質(zhì)、產(chǎn)量和成本等因素的前提下尋找最合適的換茬時間，既保證綜合產(chǎn)量，又減少連作損失，是國內(nèi)栝樓種植面臨的重要問題。

本試驗通過收集連作2年、4年和6年的栝樓根際土樣，研究不同連作年限土壤養(yǎng)分含量和栝樓幼苗在不同連作年限土壤中的生長發(fā)育情況。土壤養(yǎng)分含量檢測結(jié)果說明，雖然隨著連作時間的延長，土壤養(yǎng)分含量呈下降趨勢，但是土壤的肥力狀況和質(zhì)量仍處于較高的水平；而栝樓幼苗試驗結(jié)果表明，土壤連作年限越長，植株生長發(fā)育受到的抑制越嚴重。以上研究結(jié)果說明，土壤養(yǎng)分含量的變化可能并不是栝樓連作障礙產(chǎn)生的主要因素。與在連作2年土壤中生長的栝樓幼苗相比，在連作4年和6年土壤中生長4周的栝樓幼苗生長發(fā)育受到了顯著的抑制，具體表現(xiàn)為植株株高顯著降低、幼苗地上部和地下部的鮮重和干重下降。除了生長發(fā)育外，在連作6年土壤中生長的栝樓幼苗葉綠素含量也顯著低于在連作2年和4年土壤中生長的栝樓幼苗。說明隨著連作年限的延長，栝樓幼苗的光合能力受到了抑制。這與在連作6年和4年土壤中生長的栝樓幼苗生物量下降的研究結(jié)果相符，可能是導致常年連作的栝樓植株產(chǎn)量降低的原因之一。

試驗還發(fā)現(xiàn)，栝樓幼苗的根長隨著土壤連作年限的延長呈增加的趨勢。根系是植物獲取養(yǎng)分和水分的重要器官，也是最先感受到土壤環(huán)境脅迫的器官。在植株受到土壤環(huán)境脅迫時，根系首先作出反應并發(fā)生相應的改變，包括改變根系形態(tài)和分布，以適應脅迫。多項研究表明，植株在脅迫條件下會促使根系數(shù)量增多且根系分布于深層土壤中，作物根密度和根長度增加[11-12]。根據(jù)前人的研究結(jié)果推測，連作4年和連作6年土壤中種植的栝樓幼苗可能受到了一定的脅迫，導致其根系長度高于連作2年土壤中種植的植株。這些脅迫的產(chǎn)生可能是導致栝樓連作障礙的重要因素，對其進行深入研究對于緩解栝樓連作障礙具有重要的參考意義。

試驗結(jié)果還顯示，雖然連作4年和連作6年土壤中生長的栝樓幼苗生物量都比連作2年土壤中生長的栝樓幼苗降低，但連作4年土壤中生長的栝樓幼苗生物量降低幅度為3.82%，葉綠素含量降低幅度為5.5%；而連作6年土壤中生長的栝樓幼苗生物量降低幅度達到了13.74%，葉綠素含量降低了14.9%，嚴重影響了栝樓幼苗的正常生長。根據(jù)該結(jié)果可以推測，連續(xù)種植栝樓4年左右的土壤對其植株生長機能影響不大，植株的生長量下降幅度不大；但連作6年的土壤對栝樓的生長發(fā)育已經(jīng)產(chǎn)生較為嚴重的抑制現(xiàn)象。因此，建議生產(chǎn)過程中栝樓連作種植不能超過6年，最好控制在4～5年輪作一次。這樣既能保證栝樓植株的正常生長，又可以降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。