韓海蓉，李 屹，陳來(lái)生，杜中平，熊榮波，趙怡文，韓 睿

（青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016）

連作障礙又稱再植病，是指同一作物在同一塊土地連續(xù)種植兩茬或者兩茬以上之后，土壤失去支持不同作物生長(zhǎng)能力的現(xiàn)象［1-2］。連作會(huì)導(dǎo)致土壤出現(xiàn)次生鹽漬化、作物根系分泌物和鹽分積累、養(yǎng)分失衡、土傳病害加重及生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問(wèn)題，形成對(duì)作物生長(zhǎng)不良的逆環(huán)境，導(dǎo)致作物品質(zhì)和產(chǎn)量降低［3-5］。連作障礙形成的原因復(fù)雜，是土壤系統(tǒng)內(nèi)多種因子綜合作用的結(jié)果［6］。Gao等［7］研究表明，土壤微生物與甘薯常見(jiàn)的連作障礙有一定的關(guān)系。Nicola 等［8］發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果的連作障礙是由影響微生物代謝及其與寄主相互作用的某些主要環(huán)境條件引起的。Li 等［9］通過(guò)研究穿心蓮的連作現(xiàn)象后表明，連作會(huì)抑制參與代謝產(chǎn)物生物合成途徑基因的表達(dá)水平，導(dǎo)致其活性的合成下降。

辣椒為茄科辣椒屬一年或多年生草本植物，也是不宜連作的蔬菜作物之一，因其獨(dú)特的辣味和豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值深受世界各國(guó)消費(fèi)者的歡迎［10］。辣椒是青海省種植面積最大的蔬菜作物之一，也是青海省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著菜籃子工程的實(shí)施和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，辣椒的栽培面積不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已達(dá)到1.81 萬(wàn)hm2，占青海省蔬菜栽培總面積的35%。特別是設(shè)施辣椒面積，現(xiàn)已達(dá)到青海設(shè)施栽培蔬菜總面積的50%。然而，由于辣椒種植基地較為集中且連作較為普遍，從而導(dǎo)致土壤退化，土傳病害增加，產(chǎn)量和品質(zhì)下降。連作障礙嚴(yán)重影響和制約著青海辣椒產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，成為辣椒栽培亟需解決的問(wèn)題。因此，本研究通過(guò)開(kāi)展青海設(shè)施辣椒連作對(duì)土壤理化性狀、酶活性及微生物區(qū)系的影響，探索設(shè)施辣椒連作障礙與土壤理化性狀、酶活性及微生物區(qū)系之間的關(guān)系，為解決青海省設(shè)施辣椒連作障礙問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)取材于尖扎縣農(nóng)業(yè)科技園區(qū)——青海省省級(jí) 農(nóng)業(yè)科技園區(qū)（101°52′41.37″E，36°6′2.06″N）種植辣椒的日光溫室。尖扎縣位于青海省東南部，屬于高原大陸性氣候，光照充足，晝夜溫差大，年均氣溫較青海省部分地區(qū)高，適宜辣椒的栽培。

1.2 樣品采集

試驗(yàn)選取的日光溫室長(zhǎng)68 m，寬10 m，辣椒采用起壟覆膜種植，一壟雙行。每年基肥施用量為：商品有機(jī)肥10000 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣750 kg/hm2，復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）375 kg/hm2，氯化鉀112.5 kg/hm2。于2016～2019 年每年8 月中旬連續(xù)采樣，采集連作1、2、3 和4 年辣椒根際土壤的土樣，分別用SC1、SC2、SC3 和SC4 表示。同時(shí)，連作第0 年的土樣于2016 年1 月下旬辣椒定植前采集，記為對(duì)照，用CK 表示。按照5 點(diǎn)取樣法采集辣椒根際0～20 cm的土壤，取3 個(gè)重復(fù)，置于無(wú)菌袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，過(guò)2 mm 土篩后于-80℃保存，用于酶活性的測(cè)定。同時(shí)按照5 點(diǎn)取樣法另取同樣的土壤樣品裝于無(wú)菌12#自封袋（34 cm×45 cm），每個(gè)樣品取3 袋，4℃保存，過(guò)2 mm 土篩后用于土壤理化性狀和微生物區(qū)系的測(cè)定。

1.3 土壤理化性狀測(cè)定

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；電導(dǎo)率采用浸提法測(cè)定；全氮采用半微量凱氏法測(cè)定；全磷采用碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用火焰光度法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀容量法測(cè)定；pH 采用電位法測(cè)定。

1.4 土壤酶活性測(cè)定

采用脲酶試劑盒測(cè)定脲酶，結(jié)果以24 h 后1 g土樣中產(chǎn)生銨態(tài)氮的毫克數(shù)表示；用過(guò)氧化氫酶試劑盒測(cè)定過(guò)氧化氫酶，結(jié)果以24 h 后1 g 土樣催化過(guò)氧化氫降解的微摩爾數(shù)表示；用堿性磷酸酶試劑盒測(cè)定堿性磷酸酶，結(jié)果以24 h 后1 g 土樣釋放酚的微摩爾數(shù)表示；用蔗糖酶試劑盒測(cè)定蔗糖酶，結(jié)果以24 h 后1 g 土樣中產(chǎn)生還原糖的毫克數(shù)表示；用淀粉酶試劑盒測(cè)定淀粉酶，結(jié)果以24 h 后1 g 土樣中產(chǎn)生還原糖的毫克數(shù)表示；用堿性蛋白酶試劑盒測(cè)定堿性蛋白酶，結(jié)果以24 h 后1 g 土樣中產(chǎn)生酪氨酸的毫克數(shù)表示。

1.5 土壤微生物數(shù)量測(cè)定

微生物數(shù)量采用稀釋平板法測(cè)定，其中細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌采用改良高氏1 號(hào)培養(yǎng)基。

1.6 土壤微生物量測(cè)定

土壤微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）均采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定；土壤微生物熵（qMB）按照Anderson 等［11］的方法計(jì)算，即微生物量碳與有機(jī)碳的比值。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用DPS 7.05 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的Tukey 法進(jìn)行方差分析；利用Origin 2018 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 連作對(duì)設(shè)施辣椒產(chǎn)量及土壤理化性狀的影響

由表1 可知，設(shè)施辣椒總產(chǎn)量（629 m2生產(chǎn)面積）和小區(qū)（約210 m2）產(chǎn)量隨連作年限增加均呈顯著下降趨勢(shì)，SC4的總產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量分別較SC1 下降52.74%和52.57%。連作對(duì)設(shè)施辣椒土壤理化性狀的影響見(jiàn)表2。隨著連作年限的增加，土壤容重和電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)，pH 呈下降趨勢(shì)；SC4 相比CK，容重和電導(dǎo)率分別顯著增加了1.86 和2.45 倍，pH 顯著減少了10.79%；隨連作年限的增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀呈先上升后下降的趨勢(shì)；有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀的峰值均在SC1 時(shí)出現(xiàn)，SC4 較SC1 分別下降了31.65%、23.81%和58.19%，而有效磷峰值在SC2 時(shí)出現(xiàn)，SC4 較SC2 下降了84.65%。不同連作年限對(duì)全磷、全鉀和堿解氮影響不顯著。

表1 連作對(duì)設(shè)施辣椒產(chǎn)量的影響

表2 不同連作年限土壤理化性狀的變化

2.2 設(shè)施辣椒連作對(duì)土壤酶活性的影響

連作對(duì)設(shè)施辣椒土壤酶活性的影響見(jiàn)圖1。隨著連作年限增加，土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶、淀粉酶和過(guò)氧化氫酶均呈下降趨勢(shì)，SC4 較CK 分別顯著下降了75.10%、66.68%、53.23%和33.77%（圖1A、B、C、D）。土壤脲酶和堿性蛋白酶隨連作年限增加呈先上升后下降趨勢(shì)，其中脲酶峰值（SC3）分別較CK 和SC4 顯著增加25.95%和24.10%；堿性蛋白酶峰值（SC2）分別較CK 和SC4 顯著增加132.08%和134.10%（圖1E、F）。

2.3 設(shè)施辣椒連作對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

微生物數(shù)量是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，直接影響土壤的生物化學(xué)活性和土壤養(yǎng)分的組成和轉(zhuǎn)化。由表3 可知，各連作年限土壤樣品的細(xì)菌和真菌數(shù)量均與CK 呈顯著性差異，而放線菌數(shù)量與CK 無(wú)顯著性差異。隨著連作年限的增加，細(xì)菌數(shù)量先增加后減少，其中SC1 細(xì)菌數(shù)量最多，達(dá)到20.15×106cfu/g，顯著高出CK 6.33%；SC4 數(shù)量最少，顯著低于CK 4.27%。真菌數(shù)量隨連作年限的增加逐漸增加，其中SC4 最高，達(dá)到13.65×103cfu/g，顯著高出CK 68.10%。從土壤微生物總數(shù)及其組成上來(lái)看，微生物總數(shù)與細(xì)菌變化規(guī)律一致，其中SC1 總數(shù)最多，為20.31×106cfu/g，比CK 和SC4分別多6.28%和10.98%。

細(xì)菌與真菌數(shù)量的比值（B/F）是衡量細(xì)菌型土壤和真菌型土壤的一個(gè)主要標(biāo)志。隨著連作年限的增加，B/F 值明顯降低，SC4 較CK 顯著下降了43.06%（表3）。土壤微生物發(fā)生了從“細(xì)菌型”向“真菌型”的轉(zhuǎn)變，而真菌數(shù)量的升高則會(huì)增加土傳病害發(fā)生的概率，從而引起辣椒的連作障礙。

表3 設(shè)施辣椒連作對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

2.4 設(shè)施辣椒連作對(duì)土壤微生物量的影響

土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）和微生物熵（qMB）是反映土壤肥力及土壤對(duì)環(huán)境響應(yīng)的指示指標(biāo)，而微生物量碳氮比（MBC/MBN）的值能夠反映土壤中主要的微生物類群。據(jù)相關(guān)報(bào)道，MBC/MBN 若為3～5 時(shí)，比值較低，則土壤微生物種類以細(xì)菌為主；反之則以真菌為主，其MBC/MBN 通常為5.5～15［12］。

由表4 可知，各連作年限土壤樣品的MBC、MBN 和qMB 與CK 呈顯著性差異。隨著連作年限的增加，MBC、MBN 和qMB 均呈下降趨勢(shì)，SC4 較CK 分別下降了47.99%、89.74%和32.94%。說(shuō)明連作使設(shè)施辣椒根際土壤的肥力下降，土壤微生物對(duì)碳、氮等物質(zhì)的利用率下降。同時(shí)，MBC/MBN 顯著升高，在SC3 時(shí)，比值為8.82，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)由“細(xì)菌型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢婢汀薄?/p>

表4 設(shè)施辣椒連作對(duì)微生物量的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 連作對(duì)設(shè)施辣椒土壤理化性狀的影響

土壤水溶性鹽含量是表征土壤鹽化的一個(gè)重要指標(biāo)，土壤的電導(dǎo)率和水溶性鹽存在明顯的相關(guān)關(guān)系，目前國(guó)內(nèi)主要以測(cè)定土壤電導(dǎo)率來(lái)反映土壤水溶性鹽含量的多少，即土壤鹽分越高，電導(dǎo)率就越高［13］。土壤容重是反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、入滲性能、透水性能以及持水能力高低的指標(biāo)，容重?cái)?shù)值本身可以作為土壤肥力的重要指標(biāo)之一，容重越小表明土壤透氣透水性能越好［14-15］。本研究表明隨連作年限的增加，土壤容重和電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明連作會(huì)使土壤鹽分過(guò)度積累，導(dǎo)致土壤含水率下降，緊實(shí)度增加，透氣透水性能降低。這可能是導(dǎo)致辣椒產(chǎn)量及品質(zhì)急劇下降的關(guān)鍵因素之一，即在緊實(shí)土壤中可能產(chǎn)生辣椒根伸長(zhǎng)速度減慢、根變短變粗等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致辣椒產(chǎn)量急劇下降。大量研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期連作會(huì)造成土壤pH值顯著下降，引起土壤酸化，甚至改變土壤有效成分，引起植株養(yǎng)分吸收異常，進(jìn)而影響蔬菜生長(zhǎng)［16］。土壤pH 是研究精細(xì)農(nóng)業(yè)不可缺少的重要參數(shù)，設(shè)施辣椒連作會(huì)導(dǎo)致土壤pH 顯著下降，說(shuō)明土壤出現(xiàn)了酸化趨勢(shì)［17］。曹勝等［18］研究表明，調(diào)節(jié)土壤酸堿性有利于柑橘生長(zhǎng)。連作年限的增加會(huì)使土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀差異顯著，且呈先上升后下降的趨勢(shì)。土壤營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)化學(xué)變化是影響土壤質(zhì)量和健康的重要因素之一。Jones等［19］研究發(fā)現(xiàn)土壤氮素穩(wěn)定性對(duì)土壤肥力和結(jié)構(gòu)有較大影響。

3.2 連作對(duì)設(shè)施辣椒土壤酶活性的影響

土壤酶活性的研究是土壤生物化學(xué)中重要的研究課題之一，土壤中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、累積和分解幾乎都是通過(guò)酶的作用來(lái)完成的。因此，土壤酶活性是評(píng)價(jià)土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)［20-21］。土壤磷酸酶是一類催化土壤有機(jī)磷化合物礦化的酶，其活性的高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性。土壤蔗糖酶可以反映土壤中有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和呼吸強(qiáng)度［22］。淀粉酶是催化淀粉水解的一類酶，土壤中的淀粉酶主要來(lái)自于微生物。土壤過(guò)氧化氫的積累會(huì)對(duì)生物和土壤產(chǎn)生毒害作用，過(guò)氧化氫酶能酶促過(guò)氧化氫分解為水和氧氣，解除過(guò)氧化氫的毒害作用［23］；脲酶是土壤中主要的水解酶類之一，對(duì)尿素在土壤中的水解及作物對(duì)尿素氮的利用有重要的影響［22］；土壤蛋白酶參與土壤中氨基酸、蛋白質(zhì)以及其它含氮有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化。本研究中，隨連作年限的增加，土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶及淀粉酶活性降低，脲酶活性和堿性蛋白酶活性先增加后降低。這和前人的研究結(jié)果相符，劉素慧等［24］發(fā)現(xiàn)大蒜土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性隨連作年限的增加均呈先上升后下降的趨勢(shì)；周艷麗等［25］的研究表明，隨著連作年限增加，甜瓜土壤脲酶含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，而蔗糖酶呈下降趨勢(shì)；馬云華等［26］研究黃瓜連作對(duì)土壤酶活性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)多數(shù)土壤酶活性隨連作年限增加呈先升高后降低的變化趨勢(shì)；劉姣姣等［27］發(fā)現(xiàn)，隨著連作年限的增加，花椒根際土壤酶活性總體表現(xiàn)為先降低后緩慢升高的趨勢(shì)。

3.3 連作對(duì)設(shè)施辣椒土壤微生物區(qū)系的影響

土壤微生物對(duì)土壤環(huán)境因子的變化極為敏感，土壤微小變動(dòng)均會(huì)引起其活性變化，可作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，成為近年來(lái)土壤學(xué)界研究的熱點(diǎn)［28］。土壤微生物量碳反映了土壤微生物的活動(dòng)狀態(tài)，受土壤溫度、水分、營(yíng)養(yǎng)狀況等因素的影響。土壤微生物量氮的含量是土壤微生物對(duì)氮素礦化與固持作用的綜合反映［29］。

細(xì)菌是土壤微生物中數(shù)量最多的一個(gè)微生物類群，主要參與有機(jī)質(zhì)的分解和氨化作用［30］；真菌是土壤中氮、碳循環(huán)不可缺少的動(dòng)力，但真菌與作物土傳病害的發(fā)生直接相關(guān)，放線菌與土壤肥力以及有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化密切相關(guān)［31］。MBC 對(duì)于土壤變化非常敏感，其大小反映了微生物利用土壤碳源的能力［32］；MBN 反映土壤氮素的有效性［33］；qMB 是微生物量碳與總有機(jī)碳的比值，它充分反映了土壤中活性有機(jī)碳所占的比例及土壤肥力狀況。因?yàn)殪厥且粋€(gè)比值，它能夠避免在使用絕對(duì)量或?qū)Σ煌袡C(jī)質(zhì)含量的土壤進(jìn)行比較時(shí)出現(xiàn)的一些問(wèn)題［34］。通常情況下，連作會(huì)導(dǎo)致B/F 降低，MBC/MBN 升高［20，35］。本研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施辣椒連作對(duì)土壤微生物數(shù)量和微生物量影響顯著，連作4 年，細(xì)菌數(shù)量顯著降低了4.27%，真菌數(shù)量顯著增加了68.10%，B/F 明顯下降；MBC、MBN 和qMB 均呈下降趨勢(shì)，MBC/MBN 明顯升高，說(shuō)明土壤質(zhì)量逐漸下降，土壤微生物群落由“細(xì)菌型”變?yōu)椤罢婢汀薄?/p>