羅 密， 鄧仁菊*， 尹 旺， 楊 航， 付 梅， 王洪亮， 宋吉軒， 吳巧玉

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學院 生物技術研究所， 貴州 貴陽 550006；2.貴州省農(nóng)作物技術推廣總站， 貴州 貴陽 550000； 3.貴州省農(nóng)業(yè)科技發(fā)展中心，貴州 貴陽 550000)

0 引言

【研究意義】甘薯是貴州省主要的旱地作物之一，常年種植面積約25萬hm2。貴州甘薯栽培歷史悠久，由于耕地面積的限制以及農(nóng)戶種植經(jīng)營習慣等因素的影響，甘薯主要產(chǎn)地連作障礙問題十分突出。連作不僅使甘薯的產(chǎn)量和品質下降、病蟲害頻繁發(fā)生，還會使土壤養(yǎng)分失衡、生物學特性以及土壤微生物環(huán)境發(fā)生改變[1-2]。合理輪作作為解決作物連作障礙的有效措施，能夠改善土壤理化性質，最終提高作物產(chǎn)量，減少病蟲害發(fā)生。因此，研究甘薯輪作條件下土壤理化性質的變化對促進甘薯種植具有重要現(xiàn)實意義。【前人研究進展】近年來，科研工作者對作物合理輪作進行了大量研究。喬月靜等[3]研究發(fā)現(xiàn)，與甘薯連作相比，輪作能夠顯著降低根際土壤甘薯莖線蟲數(shù)量，提高甘薯產(chǎn)量42.08%～55.83%，降低病情指數(shù)22.72%～30.79%。秦舒浩等[4]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯與豆科植物輪作較馬鈴薯連作土壤中脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均顯著提高，并且從連作第2年開始，輪作豆科植物使后茬馬鈴薯產(chǎn)生明顯增產(chǎn)效應。【研究的切入點】土壤肥力是土壤為植物生產(chǎn)供應和協(xié)調營養(yǎng)的能力，是土壤養(yǎng)分、酶活性、微生物量等因素的綜合表現(xiàn)[5]。土壤養(yǎng)分是農(nóng)作物養(yǎng)分吸收的主要來源，養(yǎng)分含量的高低對作物正常生長發(fā)育起著關鍵作用[6]。土壤微生物量是植物營養(yǎng)物質的源和庫，并且積極地參與養(yǎng)分循環(huán)，代表土壤養(yǎng)分的活性部分[7]。土壤酶是土壤微生態(tài)環(huán)境中物質運動和能量交換等活動的活躍物質，酶活性是衡量土壤肥力以及養(yǎng)分轉化能力的重要指標[8]。除此之外，土壤中的重金屬元素，如Hg、Pb、Cd、Cr的積累造成重金屬元素含量超標，重金屬污染會對土壤性質產(chǎn)生一定的負面影響，從而抑制作物生長發(fā)育，降低作物的產(chǎn)量和品質，最終威脅人體健康[9]。土壤肥力受諸多因素影響，但以上因素對土壤肥力的影響較為明顯。目前，關于甘薯不同輪作模式對土壤養(yǎng)分、微生物量、酶活性以及有害重金屬含量等影響研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】設置甘薯連作、甘薯-辣椒輪作、甘薯-萵苣輪作、甘薯-玉米輪作以及休耕共5種處理，研究不同輪作模式下土壤養(yǎng)分、微生物量、土壤酶活性以及重金屬含量的變化，明確不同輪作模式對土壤理化特性的影響，為制定貴州省甘薯合理栽培措施提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗地理化性質 試驗于2019年在貴州省農(nóng)業(yè)科學院基地進行。土壤已連作甘薯3年，試驗地有機質38.55 g/kg、有效磷32.3 mg/kg、速效鉀92 mg/kg、堿解氮126.25 mg/kg、有效態(tài)鐵44 mg/kg、交換性鈣 90.37 cmol/kg、交換性鎂 2.21 cmol/kg、有效態(tài)銅10.43 mg/kg、有效態(tài)錳123.41 mg/kg、鉻(Cr)124.195 mg/kg、砷(As)10.433 mg/kg、鎘(Cd)0.466 mg/kg、鉛(Pb)34.752 mg/kg、汞(Hg)0.151 mg/kg。

1.1.2 植物品種 甘薯品種為紫云紅芯薯，由貴州省生物技術研究所提供。辣椒品種為線椒，萵苣品種為青翠尖鋒，玉米品種為金科糯，均為市購。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 以甘薯與其他作物的輪作或休耕方式為處理對象，設置5個種植模式處理：甘薯連作(對照)、甘薯-辣椒輪作、甘薯-萵苣輪作、甘薯-玉米輪作、休耕，每小區(qū)面積18 m2(3 m×6 m)，每處理設置3次重復，隨機區(qū)組排列。為保證試驗的有效性和一致性，所有處理均在2019年5月28日進行，肥料均采用貴州中亞生物有機肥業(yè)發(fā)展股份有限公司生產(chǎn)的活性腐殖酸多元素有機肥(有機質≥45%，N+P+N≥10%)，甘薯、辣椒、萵苣采用苗移栽方式，玉米采用點播方式。

1.2.2 土樣取樣 待所有的作物收獲完畢，于10月8日采集土樣。分別在每個小區(qū)內按照S形選取采樣點，每小區(qū)取6個點土樣并混為1個樣，剔除混雜物后自然風干并過篩備用。

1.2.3 土壤養(yǎng)分含量測定 參照《土壤農(nóng)化分析》[10]，采用重鉻酸鉀容量法測定有機質，0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷，火焰光度計法測定速效鉀，堿解擴散法測定堿解氮，用比色法分別測定土壤有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅、有效態(tài)錳和有效態(tài)鐵的含量，用電位法pH-3B型pH計測定土壤pH。

1.2.4 土壤微生物生物量測定 土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)和微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen，MBN)采用氯仿熏蒸浸提法測定[11]，其中熏蒸處理為 25℃真空條件下培養(yǎng) 48 h，采用 0.5 mol /L K2SO4浸提液提取。采用全有機碳自動分析儀(TOC-VCPH，日本島津)測定抽提液中的有機碳和全氮含量。

1.2.5 土壤酶活性測定 土壤脲酶活性測定方法按照關松蔭[12]的方法進行。硝酸還原酶參照史云峰等[13]的專利方法。酸性磷酸酶(AP)、貝塔葡萄糖苷酶(BG)、多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)、貝塔N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、纖維二塘水解酶(CBH)、亮氨酸酶(LAP)參考SINSABAUGH等的方法[14]并加以改進。

1.2.6 土壤金屬含量測定 參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[15]分析土壤重金屬含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019整理數(shù)據(jù)，用SPSS 20.0對所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan’s法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 甘薯不同輪作模式土壤的養(yǎng)分含量

由表1可知，不同輪作模式土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)出不同的變化。各處理土壤pH在6.48～6.84，差異不顯著。與對照土壤相比，甘薯-辣椒輪作和休耕2種模式土壤有機質含量顯著降低，分別降低4.1%和6.2%，而其他輪作模式有機質含量與對照差異未達顯著水平；甘薯-萵苣輪作模式土壤有效磷、速效鉀、有效態(tài)錳和交換性鈣的含量均顯著高于對照，分別較對照提高159.6%、26.1%、25.8%和10.1%，堿解氮、有效態(tài)銅、有效態(tài)鐵和交換性鎂的含量均顯著低于對照；甘薯-玉米輪作模式土壤有效磷、速效鉀、有效態(tài)銅、有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳和交換性鈣的含量顯著高于對照，而堿解氮和交換性鎂的含量顯著低于對照；休耕方式土壤有效態(tài)鋅的含量與對照無明顯變化，土壤有機質、有效態(tài)鐵和交換性鎂含量顯著降低，有效磷、速效鉀、有效態(tài)銅、有效態(tài)錳和交換性鈣含量均顯著高于對照?？傮w看，不同輪作模式對土壤養(yǎng)分均有一定程度的改善和提高。

表1 甘薯不同輪作模式土壤的養(yǎng)分含量

2.2 甘薯不同輪作模式土壤的微生物生物量碳和微生物生物氮

從表2看出，不同輪作模式之間土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)差異均達顯著水平。休耕模式土壤的MBC含量最高，為262.796 mg/kg，較對照增加55.7%；其次為甘薯-辣椒輪作模式，MBC含量為257.511 mg/kg，較對照增加52.6%；甘薯-玉米輪作模式土壤的MBC較對照增加12.2%，而甘薯-萵苣輪作模式土壤的MBC含量較對照降低37.6%。土壤MBN含量以甘薯-辣椒輪作模式最高，為3.354 mg/kg，較對照增加68.2%；其次為休耕模式，土壤MBN含量2.269 mg/kg，較對照增加13.8%；而甘薯-玉米輪作和甘薯-萵苣輪作模式的土壤MBN含量則顯著低于對照，分別較對照降低33.0%和42.4%。微生物生物量碳氮比(C/N)以甘薯-玉米輪作模式最高，除甘薯-辣椒模式外，其余處理均顯著高于對照。

表2 甘薯不同輪作模式土壤的微生物生物量碳和微生物生物量氮含量

2.3 甘薯不同輪作模式土壤酶活性

土壤酶一般是指土壤中具有生物催化能力的一些特殊蛋白質類化合物的總稱，其活性的高低，可以作為判斷土壤肥力的指標之一。由表3可知，不同輪作模式之間土壤酶活性均存在顯著差異。與對照相比，不同輪作模式土壤脲酶活性顯著升高，較對照增加40.5%～79.1%；多酚氧化酶、酸性磷酸酶和纖維二糖水解酶活性則顯著降低，分別較對照降低10.2%～58.1%、31.8%～68.5%和3.7%～38.1%。經(jīng)過休耕后的土壤硝酸還原酶、過氧化物酶、β-N-乙酰葡萄糖苷酶活性均顯著高于對照和其他輪作模式，分別較對照增加95.5%、25.7%和94.2%；甘薯-辣椒輪作模式的土壤β-葡萄糖苷酶顯著高于其他處理，較對照增加61.3%；甘薯-萵苣輪作的土壤脲酶和亮氨酸酶活性顯著高于其他處理，較對照分別增加79.1%和4.0%；而甘薯-玉米輪作的土壤酶活性總體上處于中間水平。不同作物土壤中根系的分泌物有所差異，造成土壤酶活性高低發(fā)生變化。

表3 甘薯不同輪作模式土壤的酶活性

2.4 甘薯不同輪作模式土壤的重金屬含量

從表4看出，與連作相比，休耕模式顯著降低土壤的鎘含量，而提高土壤的鉻和鉛含量，但對土壤的砷和汞含量的影響不明顯。甘薯-辣椒輪作模式對5種重金屬的含量均有顯著降低作用，鉻、砷、鎘、鉛和汞含量分別較對照降低13.3%、6.3%、10.9%、1.4%和16.5%。甘薯-萵苣輪作模式顯著提高土壤中鉻、鉛和汞的含量，分別較對照提高5.0%、2.5%和18.9%；而明顯降低砷和鎘含量，分別較對照降低2.5%和3.6%。甘薯-玉米輪作模式與甘薯-辣椒輪作模式相似，土壤中的鉻、砷、鎘、鉛和汞含量分別較對照降低12.0%、6.2%、6.3%、5.1%和18.1%。總體看，不同輪作模式和休耕均對降低土壤重金屬有一定積極作用，但不同作物對重金屬的吸附作用存在較大差異，其中以甘薯-辣椒輪作和甘薯-玉米輪作模式效果相對較好。

表4 甘薯不同輪作模式土壤的重金屬含量

3 討論

在同一塊土地上長期連續(xù)種植同一種作物，容易造成作物產(chǎn)量降低、品質變差等連作障礙[16]。甘薯的長期連作引起產(chǎn)量降低、薯形變差、食味品質變劣、病蟲害頻發(fā)等問題，造成嚴重經(jīng)濟損失，制約甘薯產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。而土壤理化性質變差、有害重金屬元素積累、養(yǎng)分比例不協(xié)調、微生物環(huán)境失衡引發(fā)土傳病害和養(yǎng)分不足是造成連作障礙的主要因素[17]。大量研究表明，合理輪作能夠有效改善土壤環(huán)境、消減有害物質積累，減輕病害發(fā)生[18]。因此，研究不同輪作模式對甘薯土壤肥力的影響具有十分重要的意義。在本研究中，與休耕方式相比，甘薯連作方式土壤pH和有機質含量較高，而有效磷、速效鉀和堿解氮含量較低，與今芝[19]關于輪作馬鈴薯對土壤養(yǎng)分的影響的研究結果具有一定相似性。甘薯連作土壤微生物生物量碳和氮的含量以及碳氮比相對于休耕方式降低，說明合理輪作和休耕能有效改善土壤微生物特性，但與臧逸飛[20]研究輪作施肥土壤微生物學特性的結果存在一定差異，可能是由于地理環(huán)境和作物種類不同所導致。譚雪蓮[21]通過研究輪作模式下馬鈴薯土壤微生物多樣性以及酶活性發(fā)現(xiàn)，輪作和休耕馬鈴薯土壤脲酶活性高于連作土壤，并且在馬鈴薯生長的大多數(shù)時期，連作模式下土壤多酚氧化酶活性高于休耕，與本研究結果具有共同之處。除此之外，輪作和休耕重金屬含量低于甘薯連作，與前人對水稻[22]的研究結果一致。

4 結論

通過比較甘薯與不同作物輪作(或休耕)模式土壤的理化特性可知，休耕土壤有7種養(yǎng)分含量顯著高于甘薯連作，并且休耕土壤微生物生物量碳顯著高于其他輪作模式，微生物生物量氮含量僅次于甘薯-辣椒輪作模式，居第2位，二者較甘薯連作分別增加55.7%和13.8%。對于土壤酶活性，休耕土壤硝酸還原酶、過氧化物酶、β-N-乙酰葡萄糖苷酶活性顯著高于其他輪作模式，分別較甘薯連作增加95.5%、25.7%和94.2%；甘薯-辣椒輪作的土壤β-葡萄糖苷酶顯著高于其他處理，較甘薯連作增加61.3%；而甘薯-萵苣輪作的土壤脲酶和亮氨酸酶活性顯著高于其他處理，較甘薯連作增加79.1%和4.0%。各種輪作模式均降低土壤鎘和汞的含量，甘薯-辣椒輪作和甘薯-玉米輪作模式能夠顯著降低土壤鉻和鉛含量，但休耕模式則增加土壤重金屬含量。綜上，休耕有利于增加土壤養(yǎng)分含量，提高土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮，而不同輪作模式對土壤酶活性影響差異較大，甘薯-辣椒、甘薯-玉米輪作可有效降低重金屬污染。該結果可為貴州甘薯輪作模式提供一定的參考依據(jù)。