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作者简介:

刘垠霖(1995-),女,甘肃宕昌人,硕士研究生,主要从事农业生态系统生态学研究。E-mail:1191429441@qq.com。

通讯作者:

蔡立群,E-mail:cailq@gsau.edu.cn。

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目录contents

    摘要

    哈密瓜(Cucumis melo var. saccharinus)连作障碍已经成为制约其产业发展的重要因素,为探明哈密瓜连作年限对土壤养分及酶活性的影响,以吐鲁番鄯善县不同连作年限哈密瓜田为研究对象,分析了不同连作年限哈密瓜农田根际土壤及非根际土壤的养分含量及酶活性特征。结果表明:1)随连作年限的递增,哈密瓜根际土壤和非根际土壤中有机质、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量均呈现先升高后降低的趋势,且在 6 ~ 10 年达到最大值;2)随连作年限的递增,哈密瓜根际土壤和非根际土壤中酶活性的变化趋势基本一致,过氧化氢酶活性在不同连作年限之间无显著差异,碱性磷酸酶活性呈现先下降后升高的趋势,硝酸还原酶活性呈现逐年下降的趋势,脲酶、蔗糖酶、纤维素酶活性呈先升高后降低的趋势,且在 6 ~ 10 年达到最大值;3)土壤养分元素含量、 酶活性均受到连作年限及土壤采样部位的双重影响,但连作年限对土壤养分元素含量及酶活性的影响较强。总体上在连作年限为 6 ~ 10 年时,土壤中养分含量与总体酶活性均呈现较高的水平,而后逐年递减。

    Abstract

    The continuous cropping obstacle of Hami melon(Cucumis melo var. saccharinus)has become an important factor restricting its industrial development.In order to find out the effect of continuous cropping years on soil nutrients and enzyme activities,the characteristics of nutrients and enzyme activities in the rhizosphere soil and non-rhizosphere soil of Hami melon fields with different continuous cropping years in Eastern Turpan were analyzed.The results showed that: 1)With the increase of continuous cropping years,the contents of organic matter,total nitrogen,total phosphorus, microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen in Hami melon rhizosphere soil and non-rhizosphere soil increased first and then decreased,and reached the maximum value in 6 to 10 years;2)With the increase of continuous cropping years,there was no significant difference in the activity of catalase between different continuous cropping years,and the activity of alkaline phosphatase decreased first and then increased.The activities of urease,sucrase and cellulase increased first and then decreased,and reached the maximum in 6 to 10 years;3)Soil nutrients and enzyme activities are affected by continuous cropping years and soil sampling area,among which continuous cropping years account for a large proportion. When continuous cropping years are 6 ~ 10 years,soil nutrient content and overall enzyme activity remain at a high level, and then decrease year by year.

    关键词

    哈密瓜连作土壤养分酶活性

  • 吐鲁番盆地是中国优质哈密瓜的主要产地,哈密瓜适生地区域性强,种植历史悠久,因单价较高而经济效益显著,瓜农连作现象十分普遍。长期连作致使哈密瓜出现植株发育差、发病率增高、果实产量和品质下降等不良后果,对该地区哈密瓜种植业带来严重的负面影响[1]。已有研究表明,土壤养分亏缺与结构失衡、微生物环境恶化以及酶活性的失调是连作障碍产生的主导因素[2]。土壤C、N、 P对土壤有机质组成及土壤肥力质量具有指示性作用[3]。土壤微生物量碳氮对生态系统养分循环起到重要的调控作用,是反映土壤质量与肥力的重要参数之一[4]。土壤酶则是微生物参与土壤生物化学反应的载体,承担土壤生态系统物质转化的作用[5]

  • 长期连作导致土壤养分失调、酶活性变化,对土壤肥力质量具有显著的影响[6]。研究表明微生物碳氮、酶活性可作为衡量土壤状况和健康的重要指标[4];作物长期连作导致根际微域生态平衡失调、微生物群落结构失衡,进而导致土壤养分含量下降、养分元素比例失衡[7-8];土壤养分(C、N和P)含量水平直接影响瓜果产量[9],对果实品质也有显著的影响[8]。目前关于哈密瓜的相关研究多集中于新品种选育、栽培种植技术以及病虫害防治等方面,对于连作情况下哈密瓜田土壤养分及酶活性方面的研究则鲜见报道。

  • 本文选取新疆吐鲁番鄯善县不同连作年限的哈密瓜田为研究对象,探讨哈密瓜土壤养分及酶活性对连作年限的响应,分析土壤C、N、P以及微生物碳氮与土壤酶之间的联系。以期为该地区哈密瓜合理栽培、种植提供理论支持。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 研究区概况

  • 研究区位于新疆维吾尔族自治区鄯善县(42°42′57″~42°45′28″N,89°37′40″~89°49′04″E),海拔-86.3 ~-15.5 m,平均气温11.4℃,年积温4548.9℃,无霜期202 d,日照时数2950 ~ 3150 h,年平均降水量25 mm,蒸发量2751 mm。土壤质地为砂壤土,是我国优质哈蜜瓜栽培种植区域之一。

  • 1.2 采样方法与测定指标

  • 1.2.1 样品采集与处理

  • 于2018 年9 月中旬哈密瓜坐果期,选择农田土壤质地和水肥管理条件一致的连作年限分别为1(对照)、4、6、10、12、14 年的哈密瓜种植田。在每个样地设置6 个样方(长5 m× 宽5 m),每个样方采用“S”型五点采样法分别采取哈密瓜的根际土(RS)和非根际土(NRS),平均称取混合后作为一个重复,一部分新鲜土样捡去其中动植物残体以及碎石、沙砾后用于测定土壤中微生物量碳和氮;另一部分土样标记带回实验室,拣去其中的碎石、沙砾以及动植物残体后自然风干,研磨过0.25 mm筛后,用于测定土壤理化性质和酶活性[10]

  • 1.2.2 测定指标及方法

  • 土壤pH值采用pH计(水土比5∶1)测定; 土壤有机碳(SOC)含量采用重铬酸钾-外加热法测定;全氮(TN)采用半微量凯氏定氮法测定;全磷(TP)采用HClO4-H2SO4 法测定[11];土壤微生物量碳(SMBC)、土壤微生物量氮(SMBN)采用氯仿熏蒸法测定[12]。土壤过氧化氢酶(CAT) 活性采用高锰酸钾滴定法测定;土壤碱性磷酸酶(ALP)活性采用磷酸苯二钠比色法测定;土壤蔗糖酶(INV)活性、纤维素酶(CEL)活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定;土壤脲酶(URE) 活性采用靛酚蓝比色法测定;土壤硝酸还原酶(NR)活性采用酚二磺酸比色法测定[13-16]

  • 1.3 数据处理与分析

  • 采用Excel2016 进行数据统计计算,采用SPSS 22.0 软件进行描述统计、单因素方差分析(One-way ANOVA)及相关性分析,显著性水平设为0.05;采用origin 9.0 软件作图。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 连作年限对土壤C、N、P含量及其化学计量比的影响

  • 随着连作年限的增加,根际土壤、非根际土壤中SOC、TN、TP含量均呈先升高后降低的趋势(表1)。根际土、非根际土中SOC含量均在连作年限为10 年时达到最大值(分别为8.96、10.93 g/kg),且根际土壤在10 年时与1、12、14 年差异显著(P<0.05),与4、6 年无显著差异;非根际土壤在10 年时与其他年限处理差异显著。根际土中TN含量在连作年限为6 年时达到最大值(1.12 g/kg),且显著高于其他年限(P<0.05);非根际土中TN含量在连作年限为1 年时达到最大值(1.09 g/kg),且显著高于4、10、12、14 年。根际土、非根际土中TP含量均在连作年限为6 年时达到最大值(分别为1.84、1.85 g/kg),根际土中TP含量在6 年时显著高于1、4、10、14 年,非根际土TP含量在6 年时显著高于其他年限。根际土、非根际土pH值均呈先升高后降低的趋势,且在连作年限为6 年时达到最大值(分别为8.45、8.55),但随着连作年限增加,根际土、非根际土中pH值差异不显著。总体来看,随着连作年限的增加,土壤SOC、TN、TP、pH呈现先增加后降低的趋势,且在连作年限为6 或10 年时达到最大值。

  • 表1 不同连作年限对土壤理化性质的影响

  • 注:同一列中不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分别代表土壤中养分含量很高、高、中上、中下、低、很低,养分等级划分依据全国第二次土壤普查养分分级标准。

  • 从表2 可见,连作年限对根际、非根际土壤的C、N、P化学计量特征有显著的影响(P<0.05)。根际、非根际土壤C∶N在连作年限为10 年时达到最大值(分别为11.94、14.11),且不同年限之间差异显著;根际土壤C∶P在连作年限为4 年时达到最大值(8.44),且与1、6、12 年存在显著差异,非根际土壤C∶P在连作年限为10 年时达到最大值(10.95),且不同年限之间差异显著;根际土壤N∶P在连作年限为4 年时达到最大值(1.03),且与6、10、12、14 年存在显著差异,非根际土壤N∶P在连作年限为1 年时达到最大值(1.43),且不同年限之间差异显著。

  • 表2 不同连作年限对土壤C∶N、C∶P、N∶P的影响

  • 2.2 连作年限对土壤微生物量碳、氮的影响

  • 连作年限对根际土壤和非根际土壤的SMBC和SMBN有显著影响,SMBC、SMBN随着连作年限的增加总体呈现先增加后降低的趋势(图1)。根际土、非根际土中SMBC含量均在连作年限为10 年时达到最大值(分别为32.61、25.27 mg/kg),且根际土中SMBC含量在10 年时显著高于其他年限(P<0.05),非根际土中SMBC含量在10 年时显著高于1、4、12、14 年。根际土、非根际土中SMBN含量均在连作年限为10 年时达到最大值( 分别为15.6、10.63 mg/kg),且不同年限之间差异显著。根际土SMBC∶SMBN在连作年限为6 年时达到最大值(3.73),但不同年限之间无显著性差异;非根际土壤SMBC∶SMBN在连作年限为1 年时达到最大值(3.66),且不同年限之间差异显著。

  • 图1 不同连作年限对土壤微生物量碳、氮的影响

  • 注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。

  • 2.3 连作年限对土壤酶活性的影响

  • 如图2 所示,随着连作年限的增加,根际土、非根际土中CAT、INV、CEL活性均呈现先升高后降低的趋势,其中根际土、非根际土中CAT活性均在连作年限为6 年时达到最大值[分别为9.49、9.51 mL/(g·24 h)],且显著高于4、14 年(P<0.05)。根际土、非根际土中INV活性均在连作年限为10 年时达到最大值[分别为64.85、60.07 mg/(g·24 h)],且不同年限之间差异显著;根际土、非根际土中CEL活性均在连作年限为6 年时达到最大值[分别为9.49、7.75 mg/(g·72 h)],且显著高于1、10、12、14 年。根际土、非根际土中URE活性均在连作年限为12 年时达到最大值[分别为33.78、29.54 mg/(g·24 h)],且不同年限之间差异显著。随连作年限的增加,根际土、非根际土中NR活性总体呈现逐渐降低的趋势,根际土中NR活性在连作年限为4 年时达到最大值[79.85 mg/(g·24 h)],且显著高于6、10、12、14 年;非根际土中NR活性在连作年限为1 年时达到最大值[80.50 mg/(g·24 h)],且不同年限之间差异显著。随连作年限的增加,根际土、非根际土中ALP活性呈现先降低后升高的趋势,均在连作年限为14 年时达到最大值 [分别为1.98、1.55 mg/(g·24 h)],且不同年限之间差异显著。

  • 图2 不同连作年限对土壤酶活性的影响

  • 2.4 连作年限、采样部位及其交互作用对土壤理化性状、酶活性的影响

  • 双因素方差分析(表3)表明,连作年限对SMBC∶SMBN的影响显著(P<0.05),对其他指标的影响极显著(P<0.01);采样部位对pH和URE的影响极显著,对其他指标影响不显著;连作年限、采样部位的交互作用对TN、NR的影响显著,对SOC、C∶P、N∶P、SMBC、SMBN、URE、ALP的影响极显著,对pH、TP、C∶N、SMBC∶SMBN、 CAT、INV、CEL的影响不显著。从贡献度上看,连作年限对各指标的影响最大(pH除外),贡献度明显高于采样部位及连作年限与采样部位的交互作用,其中对pH贡献度最小,为8.33%,对CEL贡献度最大,为88.50%。

  • 表3 连作年限、采样部位及其交互作用对土壤理化性质、酶活性的影响

  • 注:Y、S分别代表连作年限、采样部位,Y×S表示两者之间的交互作用;* 和 ** 分别表示在 P<0.05 和 P<0.01 水平下达到显著差异水平。

  • 2.5 土壤养分、微生物量碳氮与酶活性的相关性

  • 如表4 所示,土壤pH与CEL呈显著正相关(P<0.05),与ALP呈极显著负相关(P<0.01);土壤TN含量与CAT、INV显著正相关,与N∶P、 CEL、NR极显著正相关;TP含量与CAT显著正相关,与URE极显著正相关,与C∶P、N∶P、ALP、 NR极显著负相关;SOC与C∶N、C∶P、SMBC、 SMBN、INV均极显著正相关;土壤C∶N与SMBC显著正相关,与SOC、C∶P、SMBN、INV极显著正相关,与TN、N∶P、SMBC∶SMBN、CEL极显著负相关;土壤C∶P与NR显著正相关,与INV极显著正相关,与N∶P、N∶P、URE极显著负相关; 土壤N∶P与TN、C∶P、NR极显著正相关,与SMBN显著负相关,与TP、C∶N、URE极显著负相关;SMBC与SOC、SMBN、CAT、INV极显著正相关,与C∶N、URE显著正相关,与CEL极显著负相关;SMBN与CAT、URE显著正相关,与SOC、C∶N、SMBC、INV极显著正相关,与SMBC∶SMBN、CEL极显著负相关;SMBC∶SMBN与CEL显著正相关。

  • 表4 土壤养分、土壤微生物量碳氮与土壤酶活性相关性分析

  • 注:* 和 ** 分别表示显著相关(P<0.05)和极显著相关(P<0.01)。

  • 3 讨论

  • 土壤养分含量是衡量土壤肥力质量的核心指标[17]。本研究中,土壤SOC含量随连作年限的增加呈现先升高后降低的变化趋势,在连作6 年后养分等级由四级降至五级,可能是因为在连作条件下,作物为获取生长所需养分而产生激发土壤SOC矿化的根系分泌物,短期连作时矿化速率较低,SOC形成一定程度的积累,当连作达到6 ~ 10 年时,矿化速率开始高于积累速率,导致土壤SOC含量急剧下降[18],这与赵如梦等[19]的研究结果一致;土壤TN、TP含量也随连作年限的增加呈现先升高后降低的变化趋势,TN含量在连作6 年后,养分等级由三级降至五级,TP含量在连作10 年后,养分等级变化不大,可能是因为施用N、 P肥等农业管理措施的干预,在短时间增加了土壤中N、P的积累,而这种累积作用存在一定的时间阈值,长期连作后,连作障碍达到最大水平,土壤N、P含量将减少乃至停止累积,难以满足作物对营养元素的需求,导致土壤中N、P含量急剧下降,这与王菲等[20]对压砂瓜连作的研究结果一致。

  • 对土壤酸碱度状况分析结果显示,随连作年限增加,pH变化幅度不大,可能是施肥措施使土壤形成酸碱平衡,这与张丽娜等[21]对甜瓜连作的研究结果一致。土壤C、N、P化学计量比反映土壤养分的维持状况,可作为衡量土壤肥力的重要指标[22]。本研究中,根际土壤C∶N、C∶P、N∶P平均值分别为8.87、6.20、0.74,非根际土壤C∶N、 C∶P、N∶P平均值分别为8.57、5.92、0.76,均低于全国平均水平(11.9、61、5.2)[23],一方面说明研究区土壤整体C、P有效性较高,因为砂壤土通透性强,在适宜水热条件下生理生化活动活跃,土壤母质中营养元素能够及时释放,有效性也较高; 另一方面说明研究区经过长期连作,土壤养分比例已严重失衡,不利于土壤肥力的维持。

  • SMBC和SMBN含量受土壤温度、水分、肥力、微生物环境等因素影响[24-25]。在本研究中,随着连作年限的增加SMBC和SMBN含量均呈现先升高后降低的趋势,在连作10 年时达到最大值,随后逐年降低,潘佳颖等[4]对甜瓜连作的研究成果表明,SMBC和SMBN随连作年限的增加而不断降低。可能是因为短期连作时土壤中SOC含量上升,为土壤微生物提供了适宜的生存环境,SMBC、 SMBN含量也随之升高;在连作10 年后土壤肥力开始衰减,土壤中SOC含量下降,微生物环境恶化,SMBC、SMBN含量也随之降低;本研究还表明连作年限与根系的交互作用,对土壤养分也造成显著影响。相关性分析表明SMBC和SMBN的含量均与SOC含量极显著正相关,这与薛菁芳等[27]的研究结果一致。

  • 土壤酶活性受土壤养分转化能力及土壤微生物活性的影响[27],是表征土壤质量的重要生物学指标之一[13]。本研究发现,不同土壤酶活性对连作年限的响应不同。在短期连作时(1 ~ 6 年)土壤CAT、INV、CEL活性呈逐年上升趋势,在连作6 年后,由于土壤养分结构失衡、微生物环境恶化等原因酶活性开始逐年下降,这与霍琳等[28]对黄瓜连作的研究成果一致。随着连作年限的增加,土壤ALP活性呈先下降后上升趋势,这与刘鑫慧等[29]的研究结果不同。可能是因为短期连作对ALP有一定的抑制作用,而连作年限超过6 年时,由于微生物通过协调和适应而形成一定的抗逆性,使ALP活性保持了一个趋于稳定的水平[14],微生物适应性随连作年限的增加逐渐增强,ALP活性又呈现上升趋势。土壤NR活性的增强与保持需要土壤养分提供适宜环境[30],本研究中,随着连作年限的增加NR活性逐渐下降,这与周艳丽等[31]对甜瓜连作的研究结果一致。这可能是因为土壤养分的供应不足,导致根系及根际的微域环境发生恶化,进而导致NR活性的失调[32]。总的来说,土壤酶在长期连作下,受连作年限和根系的交互作用影响,总体呈现活性逐渐降低的趋势。

  • 土壤养分的循环转化有赖于土壤酶的催化,两者之间存在密切联系[33]。本研究中,土壤养分含量随连作年限的总体变化趋势,与土壤酶活性具有一定的趋同性。土壤TN含量与CAT、INV、NR活性显著正相关,与CEL活性极显著正相关;土壤TP含量与CAT活性显著正相关,与URE活性极显著正相关,而与ALP、NR活性极显著负相关;土壤SOC含量与INV活性极显著正相关,这与刘鑫慧等[29]、吴杨潇影等[34]对土壤酶与土壤养分关系的研究结果一致,这可能是因为土壤酶与土壤养分之间存在相互影响相互制约的关系[28]。土壤养分的供应给土壤微生物提供了适宜的生存环境,作物连作导致土壤养分含量的下降以及比例的失衡很大程度削弱了土壤酶的分泌,导致了总体酶活性的下降,土壤酶活性的下降也制约了土壤养分循环与转化速率,从而影响土壤养分的含量与结构。

  • 4 结论

  • 随着哈密瓜连作年限的增加,土壤的SOC、 TN、TP、SMBC、SMBN含量及pH值先增加后降低,在连作年限为6 ~ 10 年时达到最高;土壤CAT活性受连作年限影响相对较弱,NR活性呈现逐年下降的趋势,ALP活性呈先下降后升高的趋势,URE、INV、CEL活性随着连作年限增加先升高后降低,6 ~ 10 年时达到最高;土壤养分含量、酶活性受连作年限及土壤采样部位的双重影响,但连作年限对土壤养分含量及酶活性的贡献度较大,土壤采样部位对其贡献度较小;在长期连作条件下,土壤系统多种因子相互作用造成生物环境的恶化,直接或间接影响理化性状及酶活性水平,从而造成土壤肥力的下降,连作障碍不断显现和加重。因此,哈密瓜在适生区砂壤土上连作期限应在6 ~ 10 年为宜,10 年之后应该进行轮作换茬以维持当地农业系统的可持续发展。随连作年限的增加,土壤酶活性与土壤养分的变化趋势呈现一定的趋同性,存在显著或极显著的相关关系,表明土壤酶活性与养分之间存在协同或拮抗作用,土壤酶活性在一定程度上对土壤肥力有一定的指示作用。

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