摘要
山药连作会导致产量和土壤元素含量下降，种植不同前茬作物成为一种有效的解决方案；而种植不同的前茬作物对山药土壤中、微量元素的影响尚不清楚。为探究不同前茬作物对山药土壤中、微量元素的影响，找到更合适山药生长的前茬作物。以新疆维吾尔自治区五家渠市山药种植区内 3 种不同前茬作物（西瓜、棉花、山药）的耕地土壤为研究对象，探究不同前茬作物对山药种植区土壤养分和有效态中、微量元素（铁、锰、锌、铜、钙、镁）的影响。结果表明：（1）与棉花和山药为前茬作物相比，西瓜作为前茬作物时土壤 pH 分别显著降低了 0.75% 和 2.38%；而有机质和速效钾含量分别显著增加了 21.19% ～ 24.77% 和 23.62% ～ 47.99%。（2）与山药作为前茬作物相比，西瓜和棉花作为前茬作物时显著增加了土壤有效镁含量，分别增加了 8.80% 和 7.46%。（3）不同前茬作物显著影响山药种植区土壤中、微量元素的综合性指数，山药作为前茬作物时土壤中、微量元素综合性指数最低，而西瓜作为前茬作物时最高。主成分综合得分模型发现前茬作物为西瓜时山药种植区土壤中、微量元素综合得分最高。总之，与棉花和山药相比，西瓜作为前茬作物时土壤有机质、速效钾和有效镁元素增幅最大； 因此西瓜更适合作为西北干旱区山药种植的前茬作物。研究结果可在西北干旱区山药种植过程中，在其前茬作物的选择，土壤中、微量元素施肥的科学管理和土地资源的可持续利用上提供基础数据支持。
Abstract
Continuous cropping of yam leads to a decrease in yield and soil elemental content，and different previous crops planting become an effective solution. However，the effects of different previous crops planting on soil medium and trace elements under yam cropping is not clear. In order to investigate the effect of different previous crops on the soil medium and trace elements under yam cropping，and to find more suitable previous crops for yam growth，the arable soils of three different previous crops（watermelon，cotton，yam）in the yam growing area of Wujiaqu city were taken as the research object to investigate the effects of different previous crops on the soil nutrients and available state of medium and trace elements（Fe，Mn，Zn，Cu，Ca，Mg）. The results showed that：（1）Compared with cotton and yam as previous crops，soil pH significantly decreased by 0.75% and 2.38%，respectively，while organic matter and available potassium content significantly increased by 21.19%–24.77% and 23.62%–47.99%，respectively，when watermelon was used as previous crop.（2）When compared with yam as a previous crop，watermelon and cotton as previous crops significantly increased soil available magnesium content by 8.80% and 7.46%，respectively.（3）Different previous crops significantly affected soil trace element composite index of yam planting area，which was the lowest when yam was used as previous crop and the highest when watermelon was used as previous crop. The principal component composite score model found that the highest micronutrient scores were found in yam when the previous crop was watermelon. In conclusion，watermelon showed the highest increase in soil nutrients and available magnesium when it was the previous crop compared to cotton and yam； therefore，watermelon was more suitable as a previous crop for yam cultivation in the arid zone of Northwest China. The results of the study could provide basic data support in the selection of yam crops，scientific management of soil medium and trace nutrient fertilization and sustainable use of land resources during yam cultivation in the arid zone of Northwest China.
Keywords
山药（Dioscorea oppositifolia L.）是薯蓣科薯蓣属的多年生草本蔓生植物，其以根茎入药，营养丰富，是一种药食同源的作物[1]。新疆作为西北地区山药栽培新兴区，发展较快[2]。目前，新疆山药种植呈现出区域化、集中化和规模化的趋势；但在山药种植产业快速发展的过程中长期连作会出现山药产量下降、品质显著降低等现象。这主要是由于山药栽培以无性繁殖为主，种薯自身常带病毒，连年种植将会导致其毒素不断累积，易造成病虫害多发且出现减产[3]。
针对这种情况，常以休耕或与其他作物轮作的方法来应对连作带来的危害，以期减缓养分消耗、防止土壤病害、调节土壤结构。例如有研究表明，作物轮作对三七自身所携带的病毒具有缓解作用[4]；而大白菜轮作栽植时，轮作则起到互补性吸收土壤养分的效果，提高了土壤酶活性，调酸补钙，为大白菜的生长发育创造良好的土壤理化条件[5]。不同前茬作物影响了烟草种植区的土壤养分，改变了土壤 pH[6]；而在不同前茬作物对新疆麦田土壤养分的影响研究中也发现，轮作有效减缓了土壤碱解氮和有效磷的损失，增加全氮、全磷含量，降低了土壤电导率[7]。因此，轮作成为改善作物连作所带来危害的主要解决手段。
轮作能够缓解山药毒害问题的原因，主要可能是通过调节了土壤中量和微量元素，间接改善了土壤环境，缓解了作物的毒害问题[8]。土壤微量元素在作物生长发育过程中起着不可或缺的作用，同时也是表征土壤质量的重要因子[9]。其中，存在于土壤中能被植物吸收利用的部分称为有效态微量元素，其丰缺状况直接影响植物的正常生长和发育[10]。有研究表明，土壤中钾、镁、铁、锰和锌含量是影响河北省主栽山药根茎矿质营养品质差异的主要元素[11]；而对华北平原山药主产区的研究也发现，土壤中适宜的中、微量元素可以提高作物产量和品质，但含量过高反而可能导致重金属污染，影响食品安全和营养品质[12]。由这种轮作模式导致的前茬作物的不同，或将导致山药耕地土壤有效态微量元素的改变，进而影响山药的正常生长和发育。但针对我国西北干旱区内的山药种植区，不同前茬作物对山药耕地土壤中、微量元素的影响尚不清楚。
因此，本研究以大面积种植山药的新疆五家渠市山药种植区为研究对象，通过对土壤有效态中量和微量元素的变化进行观测，探究不同前茬作物对山药耕地土壤质量的影响，进行土壤中、微量元素的丰缺评价。以期在西北干旱区山药种植过程中，在其前茬作物的选择、土壤中微量元素施肥的科学管理和土地资源的可持续利用上提供基础数据支持。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于新疆维吾尔自治区五家渠市 （43 °59 ′25 ″—44 °39 ′00 ″N，87 °17 ′42 ″— 87°43′15″E）。研究区地处博格达峰北麓、准噶尔盆地南缘，属于温带大陆性气候，海拔为 380～410 m，年均气温为 6～7℃，无霜期为 158 d，日照率为 60%～70%，年平均降水量约为 190 mm，年蒸发量约为 2000 mm[13-14]。
1.2 试验设计与样品采集
在五家渠市山药种植区内，通过走访调查确定了 3 种常作为山药前茬的作物，分别为西瓜、棉花、山药。试验区为新疆生产建设兵团 2002 年统一开垦的棉花耕地，2013 年建立山药种植基地，选取每种前茬作物的山药耕地各 5 块，每个地块面积 3～4 hm2，在管理水平和管理情况一致的情况下，进行了至少连续 5 年的种植；随后，在每个地块使用土钻，采用“S”形采样法，采集 15 个 0～20 cm 土层的土壤样品并混合为 1 个组合样品； 即每个前茬作物处理进行了 5 次重复。最后，将土壤样品带回实验室自然阴干，分别过 1 和 0.25 mm 标准尼龙筛用于测定土壤基础性质和中、微量元素。
1.3 指标测定
土壤 pH 使用 pH 计（METTLER TOLE DOFE28，中国）测定（水土比 5∶1），土壤电导率采用电导率仪（DDSJ-308F，上海仪电科学仪器股份有限公司，中国）测定（水土比 5∶1）。土壤有机质采用硫酸-重铬酸钾外加热法测定，土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定，土壤速效钾使用火焰光度计测定，土壤中量元素和土壤微量元素采用原子吸收法测定[15-16]。
1.4 数据分析
采用 Excel 2010 对数据进行统计整理，SPSS 26.0 对数据进行单因素方差分析和 LSD 法多重比较[17]；采用 Origin 2018 对土壤中、微量元素的含量进行柱状图绘制。
对不同耕地土壤中量元素和微量元素进行有效态养分的评价，采用单项指数（Ei）和综合指数 （Et）相结合的方法，先计算各元素有效性指数，再采用均方根法计算综合有效性指数。计算公式如下：
(1)
(2)
式中，Ci 为实际测定的第 i 种土壤元素有效态含量；Si 为第 i 种土壤元素有效态含量的临界值[18]。
2 结果与分析
2.1 耕地土壤化学性质的变化
如表1所示，与山药作为前茬作物相比，西瓜作为前茬作物时显著降低了山药土壤 pH，降低了 2.38%；显著增加了山药土壤有机质、土壤速效钾含量，分别增加了 21.19%、47.99%。
与棉花作为前茬作物相比，西瓜作为前茬作物时，也显著增加了山药土壤有机质、土壤速效钾含量，分别增加了 24.77%、23.62%。不同前茬作物不影响山药耕地土壤碱解氮、有效磷含量和电导率，组间无显著差异（P>0.05）。
表1不同前茬作物对山药耕地土壤化学性质的影响
注：不同小写字母代表同一测定值组间差异显著，P<0.05。下同。
2.2 耕地土壤中微量元素的变化
如图1及表2所示，与山药作为前茬作物相比，西瓜和棉花作为前茬作物显著增加了土壤有效镁含量，分别增加了 8.80% 和 7.46%。而3种前茬作物在山药耕地土壤有效铁、有效锰、有效锌和有效铜的含量变化进行对比时，组间无显著差异 （P>0.05）。
图1不同前茬作物对山药耕地土壤微量元素的影响
注：不同小写字母代表同一测定值组间差异显著，P<0.05。
表2不同前茬作物对山药耕地土壤中量元素的影响
2.3 耕地土壤中、微量元素有效态养分评价
如表3所示，在不同前茬作物影响下的山药耕地土壤中、微量元素实测值中，只有有效铜、有效镁含量大于临界值，而有效铁、有效锰、有效锌、有效钙含量均小于临界值。
表3不同前茬作物影响下的山药耕地土壤中、微量元素实测值和临界值
如表4所示，耕地土壤中、微量元素 Ei 较低，以西瓜作为前茬作物时的土壤有效镁最高，Ei 为 2.68；以棉花作为前茬作物时的土壤有效锰最低，Ei 为 0.32；而棉花和山药作为前茬作物时，土壤有效钙 Ei 达到一致，均为 0.5。但与棉花相比，山药作为前茬作物时，土壤有效铜 Ei 有明显降低，降低了 0.5。
如表4所示，山药作为前茬作物时山药耕地土壤中、微量元素 Et 最低，西瓜作为前茬作物时最高，棉花作为前茬作物时土壤微量元素 Et 居中，为 1.46。
表4不同前茬作物影响下的山药耕地土壤中、微量元素单项指数和综合指数
2.4 耕地土壤中、微量元素指标主成分分析
对不同前茬作物影响下的山药耕地土壤中、微量元素指标主成分分析结果进行数据标准化，然后参与主成分分析，选取特征值大于 1 的主成分 （表5）。以该主成分对不同前茬作物影响下的山药耕地土壤中、微量元素指标进行综合评价，达到降维目的。根据主成分综合得分模型，可计算出不同前茬作物影响下的综合得分和排序结果（表6），西瓜、棉花、山药的综合得分依次降低。
表5不同前茬作物影响下的山药耕地土壤中、微量元素指标主成分分析结果
表6不同前茬作物影响下的山药耕地土壤中、微量元素的主成分分析综合得分及排序
3 讨论
有研究指出，山药连作导致土壤全氮、pH、有效磷和碱解氮含量减少[19]，而与山药单作相比，间作豆科植物提高了 0～40 cm 土层硝态氮、有效磷和速效钾含量，降低了山药根茎膨大初期和膨大盛期土壤 pH 和电导率[20]。本研究发现，西瓜作为前茬作物时降低了土壤 pH，增加了土壤有机质和速效钾的含量。类似的研究也发现了轮作西瓜增加了土壤速效钾、速效氮、有效磷和有机质含量[21]。有研究表明土壤 pH 为 7.92 时，山药植株正常生长，但 pH 超过 8.0 时，植株开始出现黄化，说明土壤 pH 超过适宜范围会导致山药植株叶片黄化[22]；这说明以西瓜作为前茬作物时土壤 pH 更适宜山药的生长。这是由于山药连作会导致土壤 pH 的升高[23]，而西瓜轮作可以降低土壤 pH[24]。其次，山药作为典型的喜钾作物，其块根的生长需要大量的钾元素作为支撑；因此山药连作降低了土壤钾元素含量[25]。
当山药作为前茬作物时，耕地土壤有效镁含量显著低于其他两组，这说明山药的种植对土壤有效镁的需求较高；而西瓜作为前茬作物时对有效镁的消耗最低，更有利于下茬山药的种植。前人在不同前茬作物影响下对山药土壤中、微量元素影响的研究发现，有效铁、有效锰、有效锌、有效钙含量均显著降低；这说明山药种植对中、微量元素的需求较大[26]。因此，山药连作不利于中、微量元素的累积，而西瓜作为前茬作物可补充有效镁的消耗。
不同前茬作物影响下的山药耕地土壤中、微量元素 Et 在山药作为前茬作物时最低，在西瓜作为前茬作物时最高。类似的研究也发现连作导致中、微量元素 Et 的降低[27-28]。这说明山药连作将会影响下茬山药的种植，土壤中、微量元素含量不足，造成山药减产；而西瓜作为前茬作物时，土壤中、微量元素含量充分，可以为下茬山药的种植营造更加优良的土壤条件，更有利于下茬山药的种植。
值得注意的是，山药一般不作为前茬作物出现，山药作为前茬作物将会改变土壤孔隙结构[29]，种植过程中容易导致下茬山药塌方，直接影响山药产量的降低。此外，前茬山药作为喜钾作物，大量吸取土壤中的速效钾，将直接加大下茬山药种植过程中对钾肥的需求[30]。并且山药连作，将会加大土壤和植物病毒传播的风险[31-32]。因此，山药是最不宜作为山药的前茬作物，前茬种植西瓜成为解决这些问题的有效解决方案。
4 结论
3 种不同前茬作物影响了土壤 pH，但组间差异不显著。西瓜作为前茬作物时，山药耕地土壤有机质、速效钾含量显著高于棉花和山药 2 组；与山药作为前茬作物相比，西瓜和棉花作为前茬作物显著增加了土壤有效镁含量。
不同前茬作物影响下的山药耕地土壤中、微量元素 Et 在山药作为前茬作物时最低，西瓜作为前茬作物时最高。主成分综合得分模型发现前茬为西瓜时山药中、微量元素得分最高。这些结果说明西瓜更适合作为西北干旱区山药种植的前茬作物。