熊 湖，鄭順林 ，張德銀 ，向竹清，杜勇利，廖霏霏

（1. 宜賓市農業(yè)科學院高粱薯類研究所，四川 宜賓 644000；2. 四川農業(yè)大學農學院/農業(yè)農村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，四川 成都 611130；3. 農業(yè)農村部薯類作物遺傳育種重點實驗室/成都久森農業(yè)科技有限公司，四川 新都 610500）

0 引言

【研究意義】馬鈴薯作為我國除水稻、小麥、玉米外的第四大主要糧食作物，種植面積廣泛，并且種植規(guī)模還在不斷擴大，然而由于我國耕地面積限制，馬鈴薯集約化種植越來越普遍，導致馬鈴薯連作現象日益嚴重[1]。馬鈴薯長期連作會產生嚴重的連作障礙，土壤環(huán)境發(fā)生惡化，影響馬鈴薯正常的生長發(fā)育，從而導致馬鈴薯塊莖產量下降，品質劣化[2]。探討輪作與連作對馬鈴薯生長及土壤酶活性的影響對馬鈴薯健康種植具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】導致連作障礙的原因有很多，伊承苗等[3]在對連作蘋果研究中認為酚酸是類物質是引起蘋果連作障礙的一個重要原因，熊湖等[4]也證明了減少酚酸有利于馬鈴薯的生長發(fā)育。候乾等[5]研究發(fā)現馬鈴薯長期連作會導致土壤中酶活性顯著下降，降低馬鈴薯對土壤養(yǎng)分的吸收利用效率，認為這是導致馬鈴薯產量下降的重要原因之一。也有大量研究表明土壤理化結構被破壞同樣是引起連作障礙的重要原因之一，數據顯示長期連作引起土壤養(yǎng)分失調，土壤pH下降，限制作物對土壤養(yǎng)分和水分的吸收，最終導致作物品質與產量下降[6,7]?！颈狙芯壳腥朦c】輪作被認為是緩解連作障礙最有效的措施之一，有研究報道表明大蒜和烤煙輪作可以通過大蒜的根系分泌抑菌物降低煙草黑脛病[8]，而玉米-水稻輪作可以提高根際與非根際土壤的脲酶活性及硝態(tài)氮含量，有利于氮素有效性的提高[9]。然而目前馬鈴薯輪作相關研究較少，關于輪作對馬鈴薯生長發(fā)育與土壤酶活性影響的機理尚不明確。【擬解決的關鍵問題】通過長期定點輪作與連作試驗，研究長期連作對各生育期馬鈴薯生長發(fā)育的影響，分析不同栽培模式下馬鈴薯土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量變化，以期為實際生產中通過輪作緩解馬鈴薯連作障礙提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試馬鈴薯品種為原種川芋117，玉米品種為正紅6號。

1.2 試驗方法

試驗在四川農業(yè)大學實驗基地進行，前茬未栽培過茄科類作物。土壤類型為水稻土，基礎肥力為全氮2.68 g·kg-1，堿 解 氮142.16 mg·kg-1，全 磷0.58 g·kg-1，有效磷17.42 mg·kg-1，全鉀13.22 g·kg-1，速效鉀109.24 mg·kg-1，有 機 質20.86 g·kg-1，pH 5.32。于2015年春季開始種植，按照表1方法連續(xù)種植至2019年取樣測定，其中各小區(qū)面積3 m×4 m，馬鈴薯種植密度為90 000 株·hm-2，玉米45 000 株·hm-2，栽培管理按照常規(guī)方法進行。取樣時期為馬鈴薯前期、花期、塊莖膨大期與成熟期，每個處理取樣重復3次，土壤選擇根際土壤，用抖土法收集[10]并將各土壤混勻后風干過1.00 mm篩保存待測。

表 1 試驗處理Table 1 Tested crop cultivation treatments

1.3 測定項目與方法

選擇長勢一致的植株測定其單株的株高、莖粗、總葉面積和根長。土壤酶活性測定參考關松蔭[10]的方法，其中脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法測定；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉法測定；過氧化氫酶采用紫色分光光度法測定，FDA水解酶采用熒光素法測定。

土壤養(yǎng)分含量的測定參照土壤農化分析[11]的方法。其中，土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤全磷采用磷鉬藍比色法，土壤全鉀測定采用火焰光度計法，堿解氮測定采用堿解擴散法，速效磷采用NH4FHCl法測定，速效鉀測定采用NH4OAc浸提后的火焰分光光度法。

采用Excel2010軟件對數據進行處理和繪圖；采用DPS7.05軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 輪作與連作對馬鈴薯形態(tài)特征的影響

2.1.1 株高 輪作與連作對馬鈴薯株高的影響結果如圖1，在整個生育期期間，馬鈴薯平均株高均為正茬薯作＞馬鈴薯和玉米輪作＞普通連作＞強化連作，正茬薯作在前期和花期株高分別比馬鈴薯和玉米輪作高4.58%、4.59%，兩者差異不顯著，在塊莖膨大期和成熟期分別高于馬鈴薯和玉米輪作5.91%、6.01%，兩者達到顯著差異；正茬薯作和馬鈴薯和玉米輪作的株高顯著高于普通連作與強化連作，而普通連作在四個生育期內株高分別高于強化連作4.08%、3.14%、1.48%、6.89%，但差異均不顯著。整體上，不同栽培方式下株高隨著生育期推進差異逐漸增大。

圖 1 輪作與連作對馬鈴薯株高的影響Fig. 1 Effects of rotation and continuous cropping on potato plant height

2.1.2 莖粗 如圖2所示，在馬鈴薯整個生育期內莖粗均以正茬薯作最高，在成熟期之前與馬鈴薯和玉米輪作莖粗差異不顯著，至成熟期時有顯著性差異，前期與花期普通連作莖粗大于強化連作，塊莖膨大期與成熟期則相反，除前期外兩者均差異顯著；馬鈴薯和玉米輪作、強化連作、正茬薯作均在前期至花期間莖粗提升幅度最大，分別上升了17.04%、9.44%、15.22%，而強化連作在花期至塊莖膨大期之間提升最高，為16.34%，后期時也有較強上升趨勢，表明在強化連作下馬鈴薯植株莖桿長勢較弱，生長旺盛期向后推移。

圖 2 輪作與連作對馬鈴薯莖粗的影響Fig. 2 Effects of rotation and continuous cropping on potato stem girth

圖 3 輪作與連作 對馬鈴薯總葉面積的影響Fig. 3 Effects of rotation and continuous cropping on potato leaf area

2.1.3 總葉面積 在整個生育期間，馬鈴薯平均株總葉面積均為正茬薯作＞馬鈴薯和玉米輪作＞普通連作＞強化連作，同時，從圖3可以發(fā)現，隨著生育期推進各組栽培方式總葉面積大小差距增大。在前期，正茬薯作比其他三種栽培方式總葉面積大小高4.58%、13.12%、17.93%，成熟期為6.02%、18.01%、26.75%，除前期外，正茬薯作與馬鈴薯和玉米輪作差異均不顯著，普通連作與強化連作除成熟期外差異均不顯著，表明普通連作與強化連作均導致馬鈴薯總葉面積減少。

2.1.4 根長 如圖4所示，隨著生育期推進，各組馬鈴薯根長成熟期比前期提高25.44%、23.25%、29.99%、21.61%，以強化連作模式下根系提升幅度最大，同時在整個生育期根長也是最長，除花期外均與其他3組達到顯著性差異。普通連作根長在前期、花期、成熟期均為最低，至成熟期時與其他各組差異顯著，而馬鈴薯和玉米輪作與正茬薯作在整個生育期除塊莖膨大期之外差異不顯著，表現為普通連作導致馬鈴薯根長縮短，而強化連作條件下根長顯著增長。

圖 4 輪作與連作對馬鈴薯根長的影響Fig. 4 Effects of rotation and continuous cropping on potato root length

2.2 輪作與連作對馬鈴薯土壤酶活性的影響

2.2.1 抗逆性酶 過氧化氫酶對過氧化氫有促進加速分解的作用，土壤中積累過量的過氧化氫會對馬鈴薯產生毒害作用[12]。在整個生育期內，馬鈴薯和玉米輪作與普通連作過氧化氫酶酶活性如表2所示，整體表現為先降后升，強化連作為一直下降，而正茬薯作酶活性表現為一直上升；前期4種栽培方式下土壤過氧化氫酶活性接近，無顯著性差異，至成熟期馬鈴薯和玉米輪作過氧化氫酶活性與普通連作間無顯著差異，強化連作酶活性顯著低于其他栽培方式，正茬薯作顯著高于其他栽培方式，說明3種連作方式下土壤過氧化氫酶活性均降低，而強化連作下降幅度更大。

4種栽培方式土壤FDA水解酶活性在前期差異顯著，前期至花期酶活性分別提高了20.85%、37.26%、92.45%、16.15%，花期至成熟期提高-8.10%、6.74%、2.16%、22.51%，除正茬薯作外均以前期至花期提升幅度最大，而花期至成熟期變化幅度則較小，表明在連作條件下，馬鈴薯生育前期對土壤FDA酶活性影響較強，而后期影響較小。在馬鈴薯整個生育期內正茬薯作土壤FDA水解酶活性均顯著高于其他栽培方式，而其他三種栽培方式酶活性大小差值較小，差異變化也不明顯。

表 2 輪作與連作對馬鈴薯土壤抗逆性酶活性的影響Table 2 Effects of rotation and continuous cropping on potato resistance enzyme activities in soil

在馬鈴薯整個生育期內，多酚氧化酶活性除正茬薯作一直上升外，馬鈴薯和玉米輪作、普通連作、強化連作均為先增后降，在塊莖膨大期酶活性達到最大值。前期酶活性大小為強化連作＞普通連作＞馬鈴薯和玉米輪作＞正茬薯作，成熟期為正茬薯作＞馬鈴薯和玉米輪作＞普通連作＞強化連作，前后期表現相反，同時隨著生育期推進，各組間的差異性也逐漸顯著。前期至成熟期各組酶活性分別上升63.63%、29.66%、6.82%、156.87%，整個生育期內酶活性整體上均為上升趨勢，但各組上升幅度差異明顯，表現為受連作影響越強上升幅度越低。

2.2.2 轉化酶 輪作與連作對馬鈴薯土壤轉化酶活性的影響如表3所示，強化連作土壤中的磷酸酶活性在前期顯著低于其余三組，而其余各組間差異較小，整個生育期內各組土壤磷酸酶活性均呈上升趨勢，其中以馬鈴薯和玉米輪作與正茬薯作上升幅度最大，前期至成熟期提升了40.43%和44.68%，成熟期時顯著高于普通連作與強化連作。除正茬薯作在前期至花期酶活性提升最大外，其余各組均在花期至塊莖膨大期提升最大，磷酸酶活性在塊莖膨大期至成熟期變化幅度均較小。4種栽培方式下土壤蔗糖酶活性載前期差異均不顯著，整體上酶活性表現為隨生育期先降后升的趨勢，馬鈴薯和玉米輪作在前期與花期酶活性低于普通連作與強化連作，之后則顯著高于普通連作與強化連作，正茬薯作下蔗糖酶活性至花期后均高于其余各組，正茬薯作與馬鈴薯和玉米輪作成熟期相較前期酶活性上升22.93%和54.00%；普通連作與強化連作則下降25.61%和26.88%，兩種栽培方式在整個生育期內差異均不顯著，表明連作導致土壤蔗糖酶活性受到抑制，而馬鈴薯和玉米輪作下抑制作用得到緩解。四種栽培方式土壤脲酶活性隨著生育期推進表現出的變化趨勢均為先降后升，前期至塊莖膨大期酶活性下降，至成熟期酶活性有一定回升，整體上為降低，但各組變化幅度差異較大，成熟期酶活性相較前期分別下降8.09%、34.55%、21.96%、11.40%，大小為正茬薯作＞馬鈴薯和玉米輪作＞普通連作＞強化連作，且相互差異顯著。

表 3 輪作與連作對馬鈴薯土壤轉化酶活性的影響Table 3 Effects of rotation and continuous cropping on potato invertase activity in soil

2.3 輪作與連作對馬鈴薯土壤養(yǎng)分的影響

馬鈴薯前期成熟期根際土壤養(yǎng)分如表4所示，全氮、全磷、全鉀在前期受到不同栽培方式的影響較小，各組間差異較小，規(guī)律不明顯，可能是因為前期土壤中養(yǎng)分受施肥影響，此時作物對土壤養(yǎng)分影響較小。成熟期土壤中全氮與堿解氮相較前期均為下降，不同栽培模式下降幅度不同，正茬薯作全氮和堿解氮下降12.94%、9.75%，下降幅度最大，但含量仍顯著高于其他栽培方式，兩個時期馬鈴薯和玉米輪作全氮與堿解氮均高于普通連作與強化連作。前期至成熟期土壤全磷小幅度上升，前后大小規(guī)律一致，普通連作與強化連作速效磷上升30.82%、28.11%，相較馬鈴薯和玉米輪作與正茬薯作提升幅度高20%以上。前期正茬薯作中全鉀顯著低于其他三種栽培方式，馬鈴薯和玉米輪作、普通連作、強化連作之間全鉀含量無顯著性差異，至成熟期后除正茬薯作全鉀含量提高5.32%，其他三種栽培方式全鉀含量不同程度下降；前期強化土壤中速效鉀含量大小為強化連作＞普通連作＞馬鈴薯和玉米輪作＞正茬薯作，各組之間均達到顯著差異，至成熟期后除馬鈴薯和玉米輪作速效鉀含量上升33.04%外，其他各組含量均不同程度下降，普通連作與強化連作之間差異不顯著，馬鈴薯和玉米輪作顯著高于其他各組。

表 4 輪作與連作對馬鈴薯土壤養(yǎng)分的影響Table 4 Effects of rotation and continuous cropping on potato nutrients in soil

3 討論

研究表明，輪作和連作對作物的生長發(fā)育影響顯著，在玉米[13]、大豆[14]、番茄[15]中均有報道表明輪作處理干物質積累，總葉面積，葉面積指數及產量方面均優(yōu)于連作處理，也有報道表明連作明顯降低了馬鈴薯地上和地下部生物量，增加了總根長、根表面積、根尖數和根冠比，且隨著連作年限的延長，生物量下降越大[16]。植物的形態(tài)指標直觀反映了自身生長發(fā)育的狀況[17]，本次試驗中輪作與連作對馬鈴薯株高、莖粗、總葉面積以及根長影響顯著，其中株高、莖粗、總葉面積大小均以正茬薯作最大，馬鈴薯和玉米輪作次之，而普通連作與強化連作顯著低于馬鈴薯和玉米輪作，這與徐雪風[18]試驗結果相似，表明連作抑制了馬鈴薯地上部整體生長發(fā)育，這可能與長期連作導致土壤養(yǎng)分結構單一化有關，作物對土壤養(yǎng)分吸收是一個相互的過程，不同作物對土壤養(yǎng)分需求有所差異[19]，長期連作馬鈴薯導致土壤中有利物質減少，自毒物質增加，從而抑制了馬鈴薯正常生長，而在本試驗中通過輪作玉米，使得土壤養(yǎng)分結構豐富化，馬鈴薯株高、莖粗以及總葉面積相較連作有所提高，說明在一定程度上輪作緩解了連作障礙。馬鈴薯和玉米輪作處理下馬鈴薯根長與正茬薯作差異不顯著，強化連作下馬鈴薯根長長度顯著增加，這可能是由于長期連作導致土壤中氮、磷、鉀等大量元素缺失引起的現象[20]，馬鈴薯需要更加發(fā)達的根系來吸收土壤的中養(yǎng)分以滿足生長需求，這是植物對逆境的自然反應，但本研究成熟期普通連作馬鈴薯根長相較正茬薯作下降，與他們的結果不同，原因可能與連作年限有關，同時土壤的肥力保存能力、松散程度、黏結性也對根系生長有一定的影響[21]。

土壤酶活性可以揭示土壤中生化代謝作用強度以及對外界環(huán)境的適應能力[22]，輪作與連作導致土壤酶活性發(fā)生變化，是引起作物生長發(fā)育改變的重要因素之一[23]。土壤酶活性具體變化與土壤酶自身功能有很大的關系，在本試驗中，成熟期6種土壤酶活性均以正茬薯作最高，其余三組整體上以強化連作酶活性最低，前后變化幅度也較小，說明長期連作會導致土壤酶活性降低，這可能與土壤中微生物族群構成有關[24]，在長期連作條件下，土壤環(huán)境單一化，土壤有益菌如硝化細菌等向有害菌轉化[25]，該類微生物的減少導致脲酶等轉化酶的活性降低，使得土壤養(yǎng)分轉化效率降低，引起土壤養(yǎng)分結構單一化，而這又可能引起作物自毒物質的大量積累，導致氨化細菌等數量降低，從而使過氧化氫酶等抗逆性酶活性降低，導致土壤清除有害物質的能力下降，兩者交互作用進一步加重了連作逆境效應，最終抑制了馬鈴薯的生長發(fā)育。馬鈴薯和玉米輪作中各土壤酶活性相較普通連作有所提高，說明輪作可以修復土壤酶的活性，但是通過同一輪作模式恢復土壤酶活性的能力有限，并沒有恢復到正茬薯作水平。

各組栽培方式下土壤全氮、全磷、全鉀前期差異較小，至成熟期全氮與全鉀下降，全磷上升，但變化幅度均較小，這可能是因為馬鈴薯是塊莖播種，前期生長發(fā)育養(yǎng)分主要來源于自身塊莖轉化，前期對于土壤養(yǎng)分需求較少，土壤養(yǎng)分主要來源于施肥，因此養(yǎng)分的變化不明顯。馬鈴薯和玉米輪作模式下全量養(yǎng)分均高于兩種連作模式，速效養(yǎng)分變化也更加強烈，表明馬鈴薯和玉米輪作模式下馬鈴薯對土壤養(yǎng)分吸收更加活躍，但是整體水平仍高于連作，表明輪作模式下土壤由全量養(yǎng)分向可被作物直接吸收的速效養(yǎng)分轉化的速率更高，更有利于馬鈴薯正常生長發(fā)育，這可能與作物連作引起的自毒作用有關[26]，植物殘體在土壤中分解產生有毒物質[27]，導致土壤環(huán)境惡化，長期連作導致土壤中酚酸等致毒物質大量積累，造成土壤微生物結構失調，土壤酶活性降低，使得土壤養(yǎng)分無法轉化為可被作物直接吸收利用的速效養(yǎng)分。

4 結論

在馬鈴薯不同栽培模式試驗中，普通連作與強化連作降低了馬鈴薯株高、莖粗、總葉面積大小，提高了根長，土壤酶活性受到抑制，土壤養(yǎng)分轉化換率下降，強化連作比普通連作表現更加顯著。馬鈴薯和玉米輪作通過提高土壤酶活性，促進土壤養(yǎng)分的轉化，在一定程度減輕連作對馬鈴薯生長發(fā)育的抑制作用，從而緩解連作障礙。