日光温室黄瓜长期连作自毒物质累积与土壤肥力因子的关系.pdf

王爽 郑世伟 李笑 等 日光温室黄瓜长期连作自毒物质累积与土壤肥力因子的关系 应用生态学报 日光温室黄瓜长期连作自毒物质累积 与土壤肥力因子的关系 王 爽 郑世伟 李 笑 张一迪 吴 桐 富宏丹 孙周平 沈阳农业大学园艺学院 北方园艺设施设计与应用技术国家地方联合工程研究中心 设施园艺省部共建教育部重点实验 室 辽宁省设施园艺重点实验室 沈阳 摘 要 以日光温室连作第 茬次的黄瓜根际土壤为研究材料 研究了长期连作对 黄瓜根际土壤酚酸类物质的影响及其与土壤化学性质 酶活性 微生物活性的关系 结果表明 随着连作茬 次的增加 酚酸类物质含量显著增加 且茬次间的总酚增长量在连作前期 茬 和后期 茬 显著 高于连作中期 茬 土壤中养分含量富集 蔗糖酶活性和微生物活性降低 冗余分析结果表明 有机 质 全磷 全氮 碱解氮 微生物生物量碳和微生物代谢熵是与酚酸物质累积相关的主要土壤肥力因子 结构 方程模型分析发现 土壤中磷富集会直接导致酚酸物质的累积 氮富集通过影响微生物活性间接促进酚酸物 质的累积 因此 生产中合理施用氮磷肥能减少酚酸物质累积 减缓黄瓜连作障碍 关键词 日光温室 黄瓜连作 酚酸 自毒物质 土壤因子 本文由国家重点研发计划项目 辽宁省教育厅科 研项目 和现代农业产业技术体系专项 资金 资助 收稿 接受 通讯作者 由于我国设施蔬菜的专业化与规模化发展 黄 瓜连作栽培现象较多 长期连作对土壤环境的影响 主要包括以下 个方面 土壤理化性质恶化 土壤微 生态环境劣变 酶活性降低 自毒物质积累 有 大量证据表明 自毒物质的累积是引起连作障碍的 重要原因 酚酸类自毒物质 包括对羟基苯甲 酸 香草酸 阿魏酸 丁香酸等广泛存在于土壤中 并 抑制作物生长发育 酚酸通过植物叶片挥发 地 上部淋溶 根系分泌和残茬腐解等途径释放到土壤 中 自毒物质的累积导致土壤酶活性降低 损伤作物根系膜系统 降低植株光合能力 影响作物 的抗氧化系统等 自毒物质的累积会改变作物 应用生态学报 年 月 第 卷 第 期 根际土壤生态环境 促进病原微生物增殖和抑制有 益微生物生长 造成根际土壤微生物群落结构失衡 最终爆发严重的土传病害 从不同种植年限 的日光温室中分别取样 发现随着连作年限的延长 草莓 根际土壤中酚酸类自毒 物质含量增加 但是在同一温室条件下黄瓜 不同连作茬次间自毒物质的累积 规律和增长规律目前尚不明确 前人往往只针对 种酚酸物质 进行相 关研究 本课题组参考前人研究结果 使用高效液相 色谱测定了 种酚酸物质含量进行黄瓜连作障碍研 究 分别为对羟基苯甲酸 邻苯二甲酸 香草酸 丁香酸 香兰素 对香豆酸 阿魏酸 苯甲酸 其中对 羟基苯甲酸和对香豆酸含量较高 研究表明 酚酸 类自毒物质的含量受土壤理化性质的影响 例如 在 人参 连作过程中自毒物质含量与土 壤酸化呈显著的正相关性 土壤中养分含量也 是影响植物根系分泌自毒物质的主要因素之一 有 研究发现 土壤中缺乏磷素会导致某些树木和豆类 植物根系分泌更多的酚类化合物 也有研究表 明 土壤中养分富集会导致根系分泌物中酚酸类物 质含量增加 酚酸作为有机底物 在为土壤微生 物提供碳源和氮源的同时 不可避免地与土壤微生 物发生互作 尽管前人对连作条件下土壤理化性质 和微生态指标报道较多 但是关于它们之间的 相互关系研究较少 尤其是酚酸类自毒物质的累积 与土壤环境因子的关系目前仍不清楚 还需进一步 研究 为此 本试验采取日光温室黄瓜定位连作的 方法 研究连作 茬的黄瓜根际土壤中酚酸类物质 的累积规律及其与土壤化学性质 酶活性和微生物 活性的关系 探讨连作障碍的发生机制 为日光温室 的可持续发展提供理论依据和技术指导 材料与方法 试验材料与试验设计 试验地点为沈阳农业大学园艺科研基地日光温 室 自 年开始在同一个 日光温室中进行黄瓜长期定位连作试验 品种 水肥 和环境管理保持一致 供试黄瓜品种为 津优 幼苗于 叶 心时定植 供试土壤为草甸土 栽培 槽规格 长 宽 高 每槽为 个重复 定植 株黄瓜 每个连作茬次设置 次 重复 从 年秋冬茬开始试验 在每年的 月上 旬和 月上旬进行冬春茬和秋冬茬两茬黄瓜种植 于 年秋茬种植结束后取连作第 茬的根际土壤 分别表示为 每个栽培槽随机选取 株黄瓜土样混合视为一个样品 一个连作茬次共取 株黄瓜根际土壤样品 采用抖根法获得根际土 即先去除根围大部分土块 抖落根系附着的 左右的土壤为根际土 土壤混匀后过 目筛 一部 分自然风干后用于测定酚酸类物质含量和化学性 质 一部分鲜土于 保存用于测定酶活性和微生 物活性 测定方法 土壤化学性质测定 土壤化学性质测定参考 鲍士旦 的方法 土壤 值采用的水土比为 用 计测定 土壤电导率 值采用的水 土比为 用电导仪 电磁 测定 有机 质采用重铬酸钾 硫酸外加热法测定 碱解氮采用碱 解扩散法测定 速效磷采用碳酸氢钠浸提 钼锑抗比 色法测定 速效钾采用乙酸铵浸提 光焰光度计法 测定 全氮是土壤消解后 采用凯氏定氮仪 测定 全磷和全钾 是土壤经 微波消解后 钼锑抗比色 法测定全磷 火焰分光光度计测定全钾 土壤酶活性测定 土壤酶活性采用鲜土测 定 土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定 蔗糖酶活 性采用 二硝基水杨酸比色法测定 过氧化氢酶 活性采用 滴定法测定 纤维素酶活性采用 二硝基水杨酸比色法测定 多酚氧化酶活性采 用碘滴定法测定 中性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠 比色法测定 土壤微生物活性测定 土壤微生物生物量测 定采用氯仿熏蒸 提取法 取 新鲜土壤用 的 提取微生物生物量碳 和微生物生物量氮 采用总有机碳 分析仪 测定熏蒸和未熏蒸 土壤的 和 换算系数分别为 和 土壤呼吸采用静态气室法测定 称取 新鲜土壤调节土壤含水量至 田间持水量 放入 塑料瓶中 将装有 溶液的烧杯放入瓶子中 在 条件下连续培养 每隔 测定 次土样的 释放量 用 的 溶液沉淀碳酸盐 然后用 的 溶液反滴定 土壤微生物熵为 与土 壤有机碳的比值 土壤代谢熵 为土壤基础呼 吸 与 的比值 期 王 爽等 日光温室黄瓜长期连作自毒物质累积与土壤肥力因子的关系 土壤酚酸类物质测定 采用 等 的方 法提取土壤中酚酸 使用 高效液相色 谱仪测定 色谱柱为 测定条件 流速为 进样量为 柱温为 检测波 长为 流动相 为乙腈 为 值 的乙 酸水溶液 采用梯度洗脱 标准品分别为没食子酸 原儿茶酸 绿原酸 对 羟基苯甲酸 邻苯二甲酸 香草酸 丁香酸 香兰素 对香豆酸 阿魏酸 苯甲酸 水杨酸 香豆素 肉桂酸 纯标准品购自上海源叶生物科技有限公司 采用保 留时间进行定性分析 峰面积外标法定量分析 建立 的酚酸标准曲线 数据处理 采用 和 软件对数据进行 统计分析 采用单因素 和 法进行方差分析和多重比较 用 法进行相关性分析 用 对酚酸含量与土壤 酶活性 化学性质 微生物活性进行冗余 分析 采用 的结构方程模型分析酚酸物质与主 要土壤因子的关系 其中 使用主成分分析 获 得酶活性和酚酸含量的第 主成分 用于随后 的结构方程模型 分别解释了酶活性和酚酸 变化总方差的 和 利用 软件作图 图表中数据为平均值 标准误 结果与分析 连作对黄瓜根际土壤化学性质的影响 由表 可知 随着连作年限的增加 土壤 值 下降 连作第 茬的土壤 值显著低于连作第 茬 土壤 值 有机质 全氮 全磷含量均随 连作茬次增加而表现出升高趋势 碱解氮 速效磷和 速效钾含量随着连作茬次增加先显著升高后略有下 降 而全钾含量呈现波动性变化 没有明显的变化趋 势 以上结果表明 在温室环境下黄瓜连作会造成 土壤养分 主要是有机质和氮 磷 累积 连作对黄瓜根际土壤微生物特性的影响 由图 可知 连作第 茬的土壤微生物生物量 碳比第 茬显著增加 而土壤微生物生物量 氮没有明显的规律 随着连作年限的增加呈波动式 变化 微生物生物量碳氮比总体呈先升后降的变化 趋势 连作第 茬的微生物生物量碳氮比显著高于 连作第 茬和第 茬 土壤呼吸强度可表征土壤 微生物活性 随着连作年限的增加 土壤呼吸强度先 升高后降低 连作第 茬的土壤呼吸强度显著低于 连作第 茬 微生物熵 代谢熵用来描述微生物的 代谢活动 在连作期间土壤代谢熵呈显著下降趋 势 连作第 茬较连作第 茬显著降低 而 土壤微生物熵随着连作茬次的增加呈波动变化 连作对黄瓜根际土壤酶活性的影响 由图 可知 连作第 茬的黄瓜根 际土过氧化氢酶活性显著高于连作第 茬 土壤 脲酶在连作第 茬时活性最高 较连作第 茬显著 提高 蔗糖酶在连作第 茬时活性最低 连作第 茬显著低于其他茬次 多酚氧化酶 活性在连作期间呈先降低再升高后降低的变化趋 势 连作第 茬和第 茬显著低于其他茬次 土壤 中性磷酸酶活性随着连作年限的增加呈现先增加再 降低后增加的显著变化趋势 其中 连作第 茬的 活性最高 显著高于连作第 茬 纤维素酶 表 不同连作茬次对黄瓜根际土壤化学性质的影响 连作茬次 有机质 全氮 全磷 全钾 碱解氮 速效磷 速效钾 电导率 下同 表示连作 茬 同列不同小写字母表示 不同茬口差异显著 应 用 生 态 学 报 卷 C 2 UNI8fdeUNI4f5cUNI832cUNI53e3Crop round 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 B R m g C O k g h 2 1 1 C 6 C 10 C 14 C 18 C 20 C 24 C 26 C 2 C 2 15 12 9 6 3 0 6 4 2 0 q C O 2 m g C C O g M B C h 1 1 1 2 C 6 C 6 C 10 C 10 C 14 C 14 C 18 C 18 C 20 C 20 C 24 C 24 C 26 C 26 500 400 300 200 100 0 M B C m g k g 1 M B N m g k g 1 M B C M B N M B C O C 125 100 75 50 25 0 15 10 5 0 c bc b ab ab b a a ab bcd a bcd d bc cd bcd d cd d bc a cd ab bc ab a bab ab ab ab ab a b bc c bc bc bc c abc a ab c a bc abc bc 图 不同连作茬次对黄瓜根际土壤微生物活性的影响 微生物生物量碳 微生物生物量氮 基础呼吸 代谢熵 微生物熵 表示连作 茬 不同字母表示不同茬口差异显 著 下同 C 2 UNI8fdeUNI4f5cUNI832cUNI53e3Crop round 1 5 1 0 0 5 0 C 6 C 10 C 14 C 18 C 20 C 24 C 26 C 2 C 2 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 6 0 4 0 2 0 C 6 C 6 C 10 C 10 C 14 C 14 C 18 C 18 C 20 C 20 C 24 C 24 C 26 C 26 6 5 4 3 2 1 0 C A T m L g 1 P P O m L g 1 U R E m g g d 1 1 N E P m g g d 1 1 I N V m g g d 1 1 C E L m g g d 1 1 1 25 1 00 0 75 0 50 0 25 0 25 20 15 10 5 0 c b a abab a a a d bc ab a c abc ab ab d bc b a d d c c ab c bc ab b a b b d abc ab cd bcd abc a a b a ab ab ab ab a a 图 不同连作茬次对黄瓜根际土壤酶活性的影响 过氧化氢酶 脲酶 蔗糖酶 多酚氧化酶 中性磷酸酶 纤维素酶 活性呈先升后降的变化趋势 在连作第 茬 时显著高于连作第 茬 连作对黄瓜根际土壤酚酸类自毒物质的影响 由图 可知 从黄瓜根际土壤中检测到 种酚 酸类物质 分别为对羟基苯甲酸 邻苯二甲酸 香草 酸 丁香酸 香兰素 对香豆酸 阿魏酸和苯甲酸 其 中 对羟基苯甲酸 邻苯二甲酸 香草酸 丁香酸 香 兰素 对香豆酸以及酚酸总量随着连作年限的增加 而显著增加 呈线性增长趋势 基本以连作第 茬 时含量最高 而阿魏酸和苯甲酸含量呈现出先增加 再降低后增加的变化趋势 在连作第 茬土壤的所有酚酸类物质中 对羟 期 王 爽等 日光温室黄瓜长期连作自毒物质累积与土壤肥力因子的关系 图 不同连作茬次对黄瓜根际土壤酚酸类物质的影响 基苯甲酸的相对含量为 对香豆酸的相对含 量是 是本试验黄瓜根际土壤中主要的酚酸 类物质 由图 可知 在连作前 茬中 茬次间酚酸类 图 不同连作茬次间黄瓜根际土壤酚酸总量增长量 表示开始连作到连作第 茬间总酚增长量 以此类推 不同数 字表示连作茬次 物质增长量随着连作年限的增加而显著降低 连作 后 茬总体随着连作年限的增加而显著增加 总 体来说 茬次间的总酚增长量是连作前期 茬 和后期 茬 显著高于连作中期 茬 连作条件下酚酸类物质累积与土壤因子的关系 皮尔逊相关分析表明 表 除了阿魏酸外 其 他酚酸物质与土壤 值呈极显著负相关 除了丁 香酸与速效磷呈显著正相关 阿魏酸与速效钾不相 关 苯甲酸与速效磷和速效钾不相关外 酚酸物质与 有机质和速效氮 磷 钾养分基本呈现极显著正相 关 土壤酚酸含量与全氮 全磷呈极显著正相关 与 全钾不相关 酚酸含量与微生物生物量碳呈显著正 相关 与土壤代谢熵呈显著负相关 香草酸和香兰 素与过氧化氢酶呈极显著正相关 酚酸物质均与中 性磷酸酶呈极显著正相关 分析表明 图 有机质 全氮 全磷 速 效氮磷钾 值 微生物生物量碳 微生物代谢 熵对土壤中酚酸类物质的累积都有极显著影响 与 酶活性相比 土壤化学性质和微生物活性对酚酸类 应 用 生 态 学 报 卷 表 连作条件下酚酸类物质与土壤化学性质 微生物活性和酶活性的相关系数 项目 对羟基苯 甲酸 邻苯二甲酸 香草酸 丁香酸 香兰素 对香豆酸 阿魏酸 苯甲酸 总酚 有机质 碱解氮 速效磷 速效钾 全磷 全钾 全氮 微生物生物量氮 基础呼吸 微生物生物量碳 代谢熵 微生物熵 过氧化氢酶 脲酶 蔗糖酶 多酚氧化酶 中性磷酸酶 纤维素酶 物质的影响更明显 连作前期 和连作后期 在 轴上可明显区分 蒙特卡洛排序检 验表明 该模型占总变异的 第 轴和第 轴 分别解释了 和 的变异 土壤中酚酸类 物质与酶活性的 分析表明 图 该模型占 总变异的 第 轴解释了总变异的 第 个轴解释了总变异的 中性磷酸酶 过氧化 氢酶活性对土壤中酚酸类物质积累有极显著影响 根据酚酸类物质与土壤因子进行结构方程模型 的构建与检验 模型拟合度良好 其中 结构方程模型 途径图 结果表明 长期单一连作会导致设施温室中土壤养 分富集 有机质的增加对土壤酶活性有正向影响 但 对酚酸类物质的累积没有显著影响 连作本身会导 致土壤中酚酸类物质累积 全磷直接对土壤酚酸类 物质的累积有正向影响 全氮对微生物生物量碳产 生正向影响 进而间接促进酚酸类物质累积 以上 种途径共解释了土壤酚酸类物质总变化的 图 讨 论 连作障碍是日光温室栽培中亟待解决的主要问 题 本研究以在同一个日光温室中设置的长达 茬连作的黄瓜根际土壤为对象 探究长期连作对 土壤酚酸物质 化学性质 微生态活性的影响及其相 互关系 结果显示 连作导致土壤酸化和有机质 氮 磷肥富集 这与大田作物连作后的土壤化学性质 不同 可能与日光温室中习惯大量施用化肥和 有机肥有关 土壤酶活性在土壤质量和功能中 起着重要作用 前人研究发现 连作导致土壤酶活性 下降 本研究中 土壤酶活性随着连作年限的增 加先升后降 这是因为在连作前期 黄瓜根系在土壤 中的残留逐年增加 为土壤酶提供了充足的底物 导 致土壤酶活性增加 但到了连作后期 自毒物质和病 原菌累积致使酶活性下降 土壤微生物能够调 节土壤生理生化和养分循环过程 是生态系统过程 的关键因素 本研究在连作过程中土壤微生物 生物量碳总体呈增加趋势 而微生物生物量氮呈波 动式下降 导致微生物生物量碳氮比基本上是增加 期 王 爽等 日光温室黄瓜长期连作自毒物质累积与土壤肥力因子的关系 1 0 0 5 0 0 5 1 0 1 0 0 5 1 00 5 RDA1 84 8 R D A 2 5 3 0 1 0 0 5 0 0 5 1 0 1 0 0 5 1 00 5 RDA1 55 1 R D A 2 2 3 0 C C C C 18 20 24 26 C C C C 2 6 10 14 TP OM AN MBC EC AP TN AK TK BR MBN MBC OC pH q CO URE CAT NEP CEL INV PPO 2 a b 图 连作条件下酚酸物质含量与土壤化学性质 微生物活 性和酶活性的冗余 分析 酚酸物质含量与土壤化学性质和微生物活性 酚酸物质 含量与酶活性 电导 率 有机质 全氮 全磷 全钾 碱解氮 速效磷 速 效钾 下同 UNI8fdeUNI4f5c OC TN TP MBC 0 17 0 2 0 0 8 8 0 6 9 0 9 2 0 8 7 0 8 8 0 6 5 R 2 0 94 UNI9176UNI6d3bUNI6027 UNI915aUNI9178 图 连作条件下酚酸类物质与土壤因子的结构方程模型 分析 方框中表示模型的变量 接近变量的百分比表示模型解释的方差 箭头表示路径方向 实线为正相关 本模型没有负相关 箭头上 数字表示标准化的路径系数 的 前人研究发现 连作对土壤微生物生物量有负 面影响 作物与土壤微生物之间存在竞争关系 从而影响微生物的正常活动 导致土壤微生物生物 量降低 而在温室中每年都会投入大量的有机肥 和化肥 有机质进入土壤后增加了有机碳含量 为微 生物活动提供了充足的底物 进而增加了微生物生 物量碳 造成根际土壤中微生物生物量碳氮比失 衡 本研究中 随着连作茬次的增加 土壤代谢 熵先增后降 微生物熵则逐渐降低 表明黄瓜连作降 低了土壤微生物活性 不利于土壤的可持续 利用 本研究中 酚酸类物质含量总体上随着连作年 限的增加而逐年增加 每茬次增加量在连作前期和 后期大于连作中期 这可能是由于连作前期土壤微 生物逐渐适应了单一性作物栽培的环境 所以到了 连作中期时酚酸增长速率变缓 但随着连作的进行 土壤微生物群落结构恶化 病原微生物增加 降解酚 酸类物质的微生物类群衰减 最终导致连作后期酚 酸增长量增多 对温室土壤产生负面影响 连作障碍的产生是由土壤 微生物 作物相互作 用产生的综合效应 本研究相关性分析表明 种 酚酸物质的累积与土壤化学性质 酶活性 微生物活 性息息相关 冗余分析 发现 有机质 全磷 全氮 碱解氮 微生物生物量碳和微生物代谢熵与酚 酸物质的累积呈极显著相关 说明土壤养分含量和 微生物活性对酚酸物质的累积有显著影响 前人研 究发现 在烟草连作过程中土壤养分富集和土壤酸 化与酚酸类自毒物质累积显著相关 但微生物 活性对酚酸物质的影响目前尚不清楚 本研究通过 结构方程模型 进一步分析发现 除了长期连 作本身对自毒物质累积的影响外 土壤中磷富集会 直接促进酚酸类物质累积 氮富集通过影响微生物 活性对酚酸类物质累积也有正面影响 前人报道表 明 随着土壤中养分浓度增加 作物根系分泌物总量 显著增多 相应的酚酸物质含量也随之增加 同 时 土壤中养分含量富集导致土壤盐渍化 进而影响 微生物群落结构 造成分解有害物质的微生物类群 丰度下降 以上可能是氮磷养分过量富集后导 致自毒物质累积量增加的原因 结 论 综上 日光温室黄瓜长期连作导致土壤养分富 集 蔗糖酶活性和微生物活性降低 酚酸类自毒物质 逐渐累积 每茬间酚酸物质在连作前期和后期的增 应 用 生 态 学 报 卷 长量高于连作中期 冗余分析 发现 有机 质 全磷 全氮 碱解氮 微生物生物量碳和微生物代 谢熵是与酚酸物质累积相关的主要土壤肥力因子 结构方程模型 分析表明 土壤中全磷促进酚 酸物质累积 全氮通过影响微生物活性来间接影响 酚酸物质累积 总之 日光温室土壤中氮 磷肥过量 富集是除连作因素外导致自毒物质累积的一个重要 原因 因此 在日光温室中应避免氮 磷肥的过量施 用 以缓解日光温室连作障碍的发生 参考文献 安志刚 郭凤霞 陈垣 等 连作自毒物质与根际微 生物互作研究进展 土壤通报 陈玲 董坤 杨智仙 等 连作障碍中化感自毒效应 及间作缓解机理 中国农学通报 喻景权 杜尧舜 蔬菜设施栽培可持续发展中的连作 障碍问题 沈阳农业大学学报 李庆凯 郭峰 唐朝辉 等 三种酚酸类物质在花生 连作障碍中的生态效应分析 中国油料作物学报 张淑香 高子勤 连作障碍与根际微生态研究 根 系分泌物与酚酸物质 应用生态学报 刘瑜 梁永超 褚贵新 等 长期棉花连作对北疆棉 区土壤生物活性与酶学性状的影响 生态环境学报 宋旭红 谭均 潘媛 等 连作对玄参产量和根际土 壤肥力及酶活性的影响 中药材 鲍士旦 土壤农化分析 北京 中国农业出版社 关松荫 土壤酶及其研究法 北京 中国农业出版 社 期 王 爽等 日光温室黄瓜长期连作自毒物质累积与土壤肥力因子的关系 徐刚 彭天沁 高文瑞 等 不同基质含水量和钾肥 施用量对黄瓜生长及光合作用的影响 江苏农业学 报 马云华 魏珉 王秀峰 日光温室连作黄瓜根区微生 物区系及酶活性的变化 应用生态学报 陈晓芬 李忠佩 刘明 等 不同施肥处理对红壤水 稻土团聚体有机碳 氮分布和微生物生物量的影响 中国农业科学 作者简介 王 爽 女 年生 博士研究生 主要从事 设施蔬菜栽培与生理研究 责任编委 林文雄 责任编辑 张凤丽 应 用 生 态 学 报 卷