菠萝[Ananas comosus（L.）Merr.] 是世界著名的第三大热带水果作物，具有独特的营养价值与经济价值，也是我国热带、亚热带地区的重要经济作物之一^[1]。近年来，菠萝产业发展迅速，但由于菠萝传统的连作栽培模式及施肥管理不当^[2-3]，致使土壤质量恶化、产量与品质大幅度下降^[4]，同时伴随着土壤微生物群落结构失衡、病虫害加剧^[5] 等诸多现象的出现。因此，连作障碍已成为我国菠萝产业可持续发展的重要限制因素之一。

大量的生产实践表明，作物合理轮作是克服连作障碍的有效措施之一^[6-7]。相对于简单的连作模式，合理轮作能够显著降低土壤中病原菌数量，改善土壤微生物群落结构与多样性，减轻连作障碍的发生，如三七-茴香^[8]、香蕉-菠萝^[9]等轮作体系；轮作还可以有效地改善连作土壤的理化性质，促进土壤养分的循环，如绿肥-烤烟^[10]、玉米-大豆^[11]等轮作体系。此外，肖新等^[12]和 Zhong等^[13]研究也表明，生物有机肥能够激发连作土壤中有益微生物的活性，改善土壤微生物群落结构，明显缓解连作障碍的发生。上述研究均表明，轮作与施用生物有机肥可以有效减轻连作障碍的发生。

近年来，国内学者对甘蔗-菠萝轮作的研究发现，轮作菠萝能显著改善甘蔗连作土壤理化特性，并显著增加土壤微生物数量^[14-15]。但是在菠萝-甘蔗轮作模式下，菠萝连作土壤理化特性与微生物群落会产生哪些变化，尤其在配施生物有机肥条件下尚不十分明确。因此，本研究通过田间试验，研究菠萝-甘蔗轮作和生物有机肥施用对菠萝连作土壤理化特性、酶活性、微生物量碳、微生物量氮、微生物群落的影响，探究轮作与施肥条件下菠萝连作土壤微生物特性的变化规律，旨在为生产上利用轮作配施生物有机肥缓解菠萝连作障碍提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于 2018—2020 年在广西南亚热带农业科学研究所菠萝试验基地进行。该区属典型的南亚热带季风气候，年平均温度在 22℃以上，年降水量在 1273.6 mm 以上。供试土壤为菠萝连作 6 年土壤。土壤为典型的旱地红壤，基本理化性状如下：全氮 1.32 g/kg，全磷 0.78 g/kg，全钾 16.27 g/kg，硝态氮 14.38 mg/kg，铵态氮 3.62 mg/kg，有效磷 12.07 mg/kg，速效钾 90.04 mg/kg，有机质 18.02 g/kg， pH 值 5.12。

供试作物品种：菠萝[Ananas comosus（Linn.）Merr.] 品种为‘台农 4 号’，健康腋芽苗；甘蔗（Saccharum officinarum L.）品种为‘桂糖 42 号’，健康双芽苗。

1.2 试验设计

田间试验采用完全随机设计，设 3 个处理：菠萝-菠萝连作（P-P）、菠萝-甘蔗轮作（P-S）和菠萝-甘蔗轮作配施生物有机肥（P-S-B），每个处理 3 个重复，共 9 个小区，每个小区面积为 1 hm²。甘蔗于 2018 年 3 月 12 日种植，2019 年 1 月 18 日收获，每个小区甘蔗下种量为 7000 芽；菠萝采用双行种植，于 2019 年 3 月 2 日种植，2020 年 7 月 28 日收获，每个小区种植 2500 株。菠萝种植前每公顷基施三元复合肥 25 kg，20 kg 磷肥（过磷酸钙 14% P₂O₅）；于生长 6 个月后，每公顷追施 10 kg 三元复合肥。生物有机肥作基肥一次性施入，施用量为 3000 kg/hm²。全生长期各处理氮、磷、钾肥施用量保持一致，病虫害防治、除草等栽培管理同当地田间菠萝生产。供试生物有机肥产自广西沃加沃生物科技有限公司，其生物化学指标如下：枯草芽孢杆菌有效活菌数≥ 10⁸ CFU/g，有机质≥ 60%，N+P₂O₅+K₂O ≥ 5%；供试化肥为三元复合肥，N∶P₂O₅∶K₂O=15∶15∶15。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

试验于 2020 年 7 月 28 日菠萝采收结束后采集土壤样品，按照“S”形 5 点取样法，每个小区采集 0～20 cm 耕层土壤混匀，一部分置于 4℃冰箱保存，用于检测土壤微生物群落代谢功能和微生物量碳、氮含量，一部分风干过筛用于土壤理化特性测定。在收获时，每个小区随机抽取 15 株，测量单果重；同时测量各小区菠萝产量。

1.3.2 测定方法

（1）土壤化学特性：土壤全氮含量用凯氏定氮法测定；土壤全磷含量用 NaOH 熔融-钼锑抗比色法测定；土壤全钾含量用 NaOH 熔融-火焰光度法测定；土壤硝态氮和铵态氮含量用 KCl 浸提-连续流动分析仪法测定；土壤有效磷含量用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量用火焰光度法测定；土壤有机质含量用重铬酸钾容量法测定；土壤 pH 值用电位法（土水比为 1∶2.5）测定^[16]。

（2）土壤微生物量碳、微生物量氮：土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提-重铬酸钾容重法测定；土壤微生物量氮含量采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提-定氮蒸馏法测定。

（3）土壤微生物群落：土壤微生物数量采用平板稀释涂布法进行分离测定^[17]；土壤微生物代谢功能采用 Biolog ECO 微平板方法测定^[18]。

（4）土壤酶活性：土壤蔗糖酶活性用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定；土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定；土壤酸性磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法测定；土壤过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定。酶活性均按照苏州格锐思生物技术有限公司（www. geruisi-bio.com）提供的试剂盒中的操作步骤测定。

1.4 数据处理与统计分析

平均颜色变化率（AWCD）用来描述微生物代谢活性，计算公式如下：AWCD=Σ（C_i-R_i）/n，式中，C_i 为每一个微孔的光密度值，R_i 为对照孔的吸光值，n 为 ECO 板上碳源的种类，n=31。

试验数据采用 Excel 2016 进行处理与制图。不同处理间的差异显著性采用 SPSS 20.0 进行单因素方差分析，多重比较用 LSD 法，显著性水平 α=0.05。

2 结果与分析

2.1 轮作与施肥对菠萝产量的影响

如图1 所示，轮作与施用生物有机肥可以显著增加连作土壤的菠萝产量。与 P-P 处理相比，P-S 和 P-S-B 处理的菠萝单果重分别显著提高 27.02% 和 50.00%，产量分别显著提高 18.56% 和 39.07%； 且 P-S-B 处理的菠萝单果重和产量也较 P-S 处理分别显著提高 18.09% 和 17.30%。

2.2 轮作与施肥对菠萝连作土壤理化特性的影响

从表1 中可以看出，轮作与施用生物有机肥可以显著促进菠萝连作土壤有效养分的释放。与 P-P 处理相比，P-S 处理的土壤有机质、硝态氮、有效磷和速效钾含量分别显著提高 10.38%、 28.49%、20.49% 和 20.78%，P-S-B 处理的土壤有机质、硝态氮、有效磷和速效钾含量也分别显著增加 23.10%、57.67%、39.77% 和 45.23%，且 P-S-B 处理比 P-S 处理的土壤有机质、硝态氮、有效磷和速效钾含量分别提高 11.52%、22.70%、16.00% 和 20.24%，差异达到显著水平（P<0.05）。而 P-S 处理与 P-S-B 处理的土壤全氮、全磷、全钾及铵态氮含量较 P-P 处理均无显著变化（P>0.05）。

注：图柱上不同小写字母表示各处理间的差异显著（P<0.05）。下同。

注：同一列不同小写字母表示各处理间的差异显著（P<0.05）。下同。

轮作与施肥均显著减轻了菠萝连作土壤的酸化状况。与 P-P 处理相比，P-S 处理的土壤 pH 值升高 0.50，P-S-B 处理的土壤 pH 值升高 0.66，2 个处理 pH 值的升高效果显著。此外，P-S-B 处理的土壤 pH 值高于 P-S 处理，但差异不显著（P>0.05）。

2.3 轮作与施肥对菠萝连作土壤微生物群落的影响

2.3.1 土壤微生物数量

从表2 中可以看出，不同处理间土壤微生物数量差异达到显著水平（P<0.05）。与 P-P 处理相比，P-S 和 P-S-B 处理的土壤细菌数量分别增加 21.87% 和 42.12%，放线菌数量分别增加 39.65% 和 76.83%，且 P-S-B 处理的土壤细菌、放线菌较 P-S 处理分别显著提高 16.61% 和 26.62%。而 P-S 和 P-S-B 处理的土壤真菌数量较 P-P 处理分别显著降低 14.48% 和 23.76%，其中 P-S-B 处理的土壤真菌数量低于 P-S 处理，但差异不显著（P>0.05）。

从微生物总量及其组成上来看（表2），P-S 和 P-S-B 处理的土壤微生物总量较 P-P 处理分别提高 21.94% 和 42.32%，且 P-S-B 处理的土壤微生物总量较 P-S 处理也显著提高 16.71%。此外，各处理土壤微生物总量均以细菌为主，占总量的 95.00% 以上，放线菌次之，占 3.00% 左右，真菌最少，仅占 0.68%～1.28%。从菌群的增加量来看，土壤细菌数量的增加量明显高于放线菌。

2.3.2 土壤微生物碳源综合利用

AWCD 是衡量土壤微生物对碳源利用能力的重要指标，反映土壤微生物代谢活性^[19]。由图2 可知，各处理的 AWCD 值在 24 h之前变化很小；培养 24 h 后，AWCD 值迅速升高，随后缓慢增加直至趋于稳定。在微生物培养对数生长期 （24～120 h）时，P-S 和 P-S-B 处理的 AWCD 值均显著高于 P-P 处理，以 P-S-B 处理的 AWCD 值最高。在培养进入稳定期（120 h） 时，P-S 处理的 AWCD 值比 P-P 处理显著增加 31.44%， P-S-B 处理的 AWCD 值比 P-P 处理也显著增加 60.10%，且 P-S-B 处理的 AWCD 值显著高于 P-S 处理 21.81%。

2.3.3 土壤微生物各类碳源利用

由图3 可知，轮作与轮作配施生物有机肥模式下土壤微生物对 6 类碳源的利用能力不同。与 P-P 处理相比，P-S 处理中土壤微生物对糖类、羧酸类、聚化合物和酚酸类的利用能力分别显著提升 10.79%、111.31%、202.38% 和 68.15%，P-S-B 处理中土壤微生物对糖类、氨基酸类、羧酸类、聚化合物类、酚酸类和胺类的利用能力分别显著提升 31.94%、25.21%、179.46%、194.91%、200.31% 和 83.25%，且 P-S-B 处理中土壤微生物对糖类、氨基酸类、羧酸类、酚酸类和胺类的利用能力分别显著高于 P-S 处理 19.09%、19.02%、32.25% 和 78.60%。而 P-S 处理中土壤微生物对氨基酸类、胺类的利用能力与 P-P 处理无显著差异（P>0.05），P-S-B 处理中土壤微生物对聚化合物类的利用能力也与 P-S 处理无明显差异（P>0.05）。

2.4 轮作与施肥对菠萝连作土壤涉及碳、氮、磷循环相关酶活性的影响

土壤酶活性变化如图4 所示，轮作与施肥显著影响菠萝连作土壤的酶活性。与 P-P 处理相比， P-S 处理的土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分别显著提高 16.82%、7.48% 和 19.76%，P-S-B 处理的土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性也分别显著提高 39.57%、27.66% 和 47.87%，且 P-S-B 处理的土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分别显著高于 P-S 处理 19.47%、18.78% 和 23.47%。此外，P-S-B 处理的土壤过氧化氢酶活性较 P-P 处理也显著升高了 69.44%，而 P-S 处理对土壤过氧化氢酶活性无显著影响（P>0.05）。

2.5 轮作与施肥对菠萝连作土壤微生物量碳、微生物量氮含量的影响

由表3 可知，轮作与施肥可显著改善菠萝连作土壤微生物量碳、氮含量。与 P-P 处理相比， P-S 和 P-S-B 处理的土壤微生物量碳含量分别提高 12.10% 和 29.56%，土壤微生物量氮含量分别增加 17.99% 和 61.45%（P<0.05）。与 P-S 处理相比， P-S-B 处理的土壤微生物量碳、微生物量氮含量分别增加 15.58%、36.83%，且差异达到显著水平 （P<0.05）。

研究表明，土壤的微生物量碳 / 微生物量氮 （MBC/MBN）为 3～5 时，土壤微生物种类以细菌为主；而土壤的 MBC/MBN 为 5.5～15 时，则土壤微生物种类以真菌为主^[20]。从表3 可以看出，P-P 处理的土壤 MBC/MBN 值为 6.02，P-S 处理的土壤 MBC/MBN 值为 5.72，P-S-B 处理的土壤 MBC/MBN 值为 4.84，且 P-S-B 处理的土壤 MBC/MBN 值分别显著低于 P-P 和 P-S 处理 19.60% 和 15.38%。以上说明，菠萝-甘蔗轮作可降低连作菠萝土壤 MBC/ MBN 值，而配施生物有机肥可促使土壤微生物群落结构由“真菌型”转变为“细菌型”。

3 讨论

3.1 菠萝-甘蔗轮作及施用生物有机肥对产量、土壤理化特性的影响

长期的单一连作模式导致菠萝土壤酸化加剧、土壤养分失衡及产量严重降低^[4-5，21]，而合理轮作可以显著改善连作土壤的理化特性，提高土壤肥力与作物产量^[22-23]。本研究中，菠萝-甘蔗轮作、菠萝-甘蔗轮作配施生物有机肥处理均显著提高了菠萝产量，这与李万星等^[24]在番茄-西葫芦、番茄-秋葵等轮作体系上的研究结果基本一致。本试验条件下，甘蔗-菠萝轮作配施生物有机肥处理的菠萝产量增加效果最佳。

土壤有机质是衡量土壤肥力高低的重要标志，本试验中，菠萝-甘蔗轮作显著提高了连作土壤有机质含量，尤其在菠萝-甘蔗轮作配施生物有机肥处理下土壤有机质含量进一步增加，究其原因可能是生物有机肥施入土壤后，部分在土壤微生物的作用下逐渐分解转化为腐殖质，继而增加了土壤中的有机质含量。这与李炳韵等^[25]、邱吟霜等^[26]施用有机肥在菠萝、玉米等作物上的研究结果一致。

就土壤养分而言，本试验条件下，菠萝-甘蔗轮作可显著提高菠萝连作土壤中的硝态氮、有效磷及速效钾含量，而对连作土壤的铵态氮、全氮、全磷与全钾含量影响不显著，这与谭玉兰等^[27]在烤烟-牧草轮作模式上的研究结果基本一致。另外，与菠萝-甘蔗轮作相比，菠萝-甘蔗轮作配施生物有机肥可以进一步显著提高土壤中的硝态氮、有效磷及速效钾含量，主要原因可能是生物有机肥的施入改善了土壤微生物的群落结构并提高了其多样性，促进了土壤有效养分的转化，进而提高了土壤肥力。

土壤酸化是土壤连作障碍发生的主要原因之一。在本试验条件下，菠萝-甘蔗轮作显著提高了土壤 pH 值，而轮作配施生物有机肥处理的效果更显著，这与肖新等^[12]、范业赓等^[28]在滁菊-小麦、甘蔗-玉米等轮作体系中的研究结果基本一致。可见，在菠萝生产中，通过采取轮作和增施生物有机肥可以改善连作菠萝土壤的酸化状况，从而减轻菠萝连作障碍的发生。

3.2 菠萝-甘蔗轮作及生物有机肥施用对土壤微生物量碳、氮的影响

土壤微生物量碳、微生物量氮是土壤微生物躯体中所固定的碳素与氮素，是土壤养分的储存库。已有研究表明，土壤微生物量碳、微生物量氮含量受轮作种植制度的显著影响^[29]。杨尚东等^[30]研究也发现，相对于连作，番茄轮作显著提高土壤微生物量碳、微生物量氮含量，其中以轮作菜豆的效果更显著。本试验中也发现，菠萝-甘蔗轮作、菠萝-甘蔗轮作配施生物有机肥处理均可以显著提高菠萝连作土壤中微生物量碳、微生物量氮的含量，这主要是由于菠萝-甘蔗轮作改变了土壤微生物群落结构，加速了土壤中有机质的分解而促进腐殖质的形成，为土壤微生物生长提供了充足的营养物质，从而显著增加连作菠萝土壤微生物量碳、微生物量氮含量。此外，在本试验条件下，菠萝-甘蔗轮作配施生物有机肥可进一步有效提高土壤微生物量碳、微生物量氮含量，并显著降低 MBC/MBN 值，这与肖新等^[12]、李银科等^[31]的研究结果相符，说明在菠萝-甘蔗轮作的基础上，增施生物有机肥不仅为土壤微生物提供了丰富的有机物质，还提高了土壤 pH 值，有效调控了土壤微生物群落结构，进而提高了菠萝连作土壤微生物量碳、微生物量氮含量。

3.3 菠萝-甘蔗轮作及生物有机肥施用对土壤微生物群落组成与代谢活性的影响

土壤微生物是土壤的重要组成部分，其种群数量与活性等可以作为评价土壤质量和健康状况的重要指标^[32]。研究表明，合理轮作能够提高土壤中的细菌数量及丰富度，抑制病原真菌的增长，增强土壤微生物群落活性和碳源利用能力^[33-34]。张笑宇等^[35]研究表明，轮作玉米提高了连作烤烟土壤中细菌、放线菌数量以及细菌群落多样性，而降低了土壤中真菌数量。本试验条件下，与菠萝连作相比，轮作甘蔗也显著提高了菠萝连作土壤中细菌、放线菌数量，并显著降低了土壤中真菌数量，说明菠萝-甘蔗轮作也可以促进土壤微生物群落结构从 “真菌型”向“细菌型”的转化。在菠萝-甘蔗轮作基础上配施生物有机肥进一步显著提高了连作土壤中细菌、放线菌数量而降低真菌数量，主要原因在于生物有机肥的施入能够改善根际微生态环境，显著增加了土壤有益细菌数量，抑制了病原真菌的数量。

本研究还发现，菠萝-甘蔗轮作显著提高了土壤微生物的代谢活性，并显著提高微生物对糖类、羧酸类、聚化合物及酚酸类 4 类碳源的利用能力，而在菠萝-甘蔗轮作配施生物有机肥处理下土壤微生物对糖类、氨基酸类、羧酸类、聚化合物类、酚酸类及胺类 6 类碳源的利用能力均显著增强，说明生物有机肥投入土壤后为微生物提供了充足的养分，提高了微生物的代谢活性，并增强了微生物利用各种碳源的能力。同时，胡启国等^[36]也发现甘薯-小麦轮作提高了土壤微生物代谢活性，并显著增强了土壤微生物对碳水化合物、氨基酸化合物、胺类化合物 3 类碳源的利用能力，这一研究结果与本试验的结果基本一致。

此外，由于土壤酶主要来自土壤微生物，因此，土壤微生物种群数量与活性的变化趋势必导致土壤酶活性的变化。本研究结果表明，菠萝-甘蔗轮作、菠萝-甘蔗轮作配施生物有机肥处理均可以显著提高土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶及过氧化氢酶的活性，这与范业赓等^[28]、李万星等^[37]在甘蔗-玉米 / 花生、番茄-豆角-花生-番茄等轮作体系上的研究结果基本一致。在本试验中，甘蔗-菠萝轮作配施生物有机肥处理的酶活性提升效果最好，这可能是由于生物有机肥的施入增加了土壤中有机物质含量，促进土壤微生物生长与活性显著增强，从而提高了土壤中的酶活性。本研究结果与曲成闯等^[38]得出的施用生物有机肥可以提高黄瓜连作土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性的结论具有相似性。

4 结论

轮作和施用生物有机肥均能够显著增加菠萝产量，改善菠萝连作土壤酸化状况，显著增加土壤有效养分的供给以及土壤微生物量碳、微生物量氮含量，并降低土壤 MBC/MBN 值。轮作与轮作配施生物有机肥处理显著增加了土壤中细菌与放线菌数量，促进了土壤微生物对碳源的利用，而显著降低了土壤中的真菌数量。此外，轮作与轮作配施生物有机肥处理的土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶及过氧化氢酶活性均显著增强。本试验条件下，以菠萝-甘蔗轮作配施生物有机肥（3000 kg/hm²）处理下的土壤质量和微生物环境最佳。

参考文献