伴生芹菜和紫背天葵对连作豇豆生长发育及根际土壤环境的影响

陈 昱，张福建，杨有新，王 强，王 丰，吴才君

（江西农业大学农学院，江西南昌 330045）

豇豆 (Vigna unguiculata L. Walp.) 营养价值高，富含维生素和植物蛋白质，且适应性强，是我国重要的蔬菜之一，种植面积约为226万亩 (据中国农业统计资料统计)。为了追求经济效益，以及土地种植面积有限，连年单一种植豇豆不可避免，连作障碍问题日益严重。目前连作障碍是制约我国设施农业健康可持续发展的瓶颈之一[1]，豇豆连年种植易导致土壤养分结构失衡，病原菌增多，土传病害加重；豇豆根系分泌的自毒物质会直接抑制其根系的生长，最终豇豆生长发育受阻、产量减少、品质下降、经济效益低[2]。大量研究表明利用不同植物间的化学他感作用原理，合理安排间作、轮作、套作和伴生等栽培模式是解决连作障碍的比较环保、有效的途径，通过多种植物的相互作用，改善根际微生态环境，抑制在单作中易感染的有害病菌，从而达到减轻病虫害，提高蔬菜的产量和品质的效果[3–6]。研究表明，三种豆科植物分别伴生甜玉米与单作相比，均能提高叶片面积、相对叶绿素含量、甜玉米生物量以及产量[7]。吴凤芝等[8–9]研究表明，伴生分蘖洋葱能够显著提高番茄对灰霉病及黄萎病的抗性，达到缓解番茄连作障碍的目的。小麦伴生西瓜能提高土壤脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性，同时提高西瓜根际细菌、放线菌数量及细菌和放线菌的比例，并降低真菌的比例[10]。

芹菜 (Apium graveolens L.) 属伞形科，含有丰富的维生素、蛋白质和膳食纤维，此外还有多种矿质元素等成分。研究发现，芹菜含有柠檬烯、α-蒎烯、β-月桂烯等挥发物质对烟粉虱起驱避作用，其伴生或间套作黄瓜、辣椒、番茄等蔬菜，可以有效地控制烟粉虱虫害[11–12]。芹菜伴生黄瓜还能显著降低霜霉病发病率和病情指数，且发病率降低42.8%[13]；同时还能显著提高黄瓜根际土壤过氧化物酶、脲酶和转化酶活性，以及改变土壤细菌群落结构，修复连作土壤环境[14]。紫背天葵 (Gynura bicolor D.C) 属菊科三七草属多年生草本蔬菜，其含丰富的蛋白质、粗纤维、多种维生素和矿物质等营养功能成分，并具有抗氧化、抗肿瘤、消炎、降血糖和血脂、提高造血功能、调节免疫力、抗衰老等多种保健功能[15]。此外，紫背天葵水提取物对细菌有明显抑制作用[16]。因此，选择有益的伴生材料，进行合理的间套混作可能是一种有效缓解连作障碍的措施。因为伴生作物其根系分泌物能促进主茬作物生长及改善土壤微生态环境，保持微生物群落结构多样性，诱导主茬作物提高抗性[7,10]。但是目前利用芹菜和紫背天葵作为豇豆伴生植物缓解豇豆连作障碍的研究仍未见报道。

本试验以豇豆为材料，芹菜和紫背天葵为伴生作物，通过盆栽试验研究了伴生芹菜和紫背天葵对连作豇豆生理指标及根际土壤环境的影响，旨在寻找安全有效的缓解豇豆连作障碍的途径，为缓解豇豆连作障碍提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试豇豆品种‘华赣彩蝶·绿帅’，芹菜品种为本地芹，购于江西农业大学菜市场；紫背天葵购于山东寿光。供试土壤为旱地连作5年红壤土，豇豆种子和连作土壤均由江西华农种业有限公司提供，土壤基本理化性质为pH 4.50、碱解氮80.7 mg/kg、有效磷5.7 mg/kg、速效钾322 mg/kg、有机质28.5 g/kg。

1.2 仪器与设备

UV-2600岛津紫外可见分光光度计，岛津企业管理有限公司；HI-2315型电导率仪，HANNA instruments；Five Easy Plus pH仪，梅特勒托利多仪器有限公司。

1.3 试验设计及样品采集

试验于2017年4月始在江西农业大学生态园蔬菜试验基地进行，将连作土壤与有机肥按50∶1混匀并分别均匀装入盆中 (30 cm × 25 cm)。每盆土壤重量约为9 kg，有机肥养分含量为总养分 (N + P2O5+K2O) ≥ 5%、有机质 ≥ 45%。试验采用盆栽方式，共设三个处理：豇豆单作 (对照)、紫背天葵伴生豇豆、芹菜伴生豇豆，分别标记为CK、T1和T2。每个处理10盆，每盆2株，3次重复。豇豆直播生长20 d后，开始伴生处理，每盆伴生一株10 cm左右高的芹菜小苗或一株10 cm左右高的紫背天葵小苗，进行常规管理。长到30 cm左右时割去上部 (留10 cm茬)，割2～3次后任其生长。伴生20 d后测量豇豆生长指标，并采用剥落分离法采集豇豆根际土，4℃保存鲜土用于细菌、放线菌、真菌分离计数，风干土用于土壤理化性质测定。伴生40 d采集豇豆植株中上部叶片用于测定抗氧化酶指标及叶绿素含量，最后统计豇豆产量。

1.4 测定指标

1.4.1 生长指标 用卷尺测定株高 (以茎根底部到生长点)；用游标卡尺测定茎粗 (子叶下方1 cm处)，用天平测定植株鲜重、干重和产量。

1.4.2 土壤中微生物计数 微生物计数采用稀释平板法[17]，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；放线菌采用高氏1号培养基；真菌采用马丁氏培养基。

1.4.3 土壤理化性质测定方法 土壤pH值按土水比1∶5用酸度计法测定；土壤电导率值按土水比1∶5用电导率仪测定。土壤酶测定采用关松荫[18]方法：采用靛酚比色法测定脲酶，结果以反应24 h后1 g土壤中NH4+-N的毫克数表示；采用邻苯三酚比色法测定多酚氧化酶，结果以2 h后1 g土壤中生成的紫色没食子素的毫克数表示；采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶，结果以24 h后1 g土壤葡萄糖毫克数表示；采用磷酸苯二钠比色法测定酸性磷酸酶，结果以24 h后1 g土壤中释放出的酚的毫克数表示。

1.4.4 生理指标测定方法 叶绿素含量测定参照李合生[19]方法；CAT和POD活性的测定均采用Cakmak和Marschner等[20]的方法；GR活性测定参照Foyer和Halliwell[21]的方法；DHAR活性测定参照Nakano和Asada[22]的方法。

1.5 数据分析

试验数据用Microsoft Office Excel 2013整理，利用统计软件SPSS 20.0进行相关性分析，并运用Duncan新复极差法对差异 (P ＜ 0.05) 进行多重比较，用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 伴生芹菜和紫背天葵对连作豇豆生长指标的影响

如表1所示，伴生芹菜处理各生长指标都最高，与单作相比，其豇豆株高、茎粗、地上鲜重和地上干重分别显著增加了23.98%、9.07%、16.14%和16.00%。伴生紫背天葵处理其株高、茎粗与单作无显著差异，但地上鲜重和地上干重显著低于单作，分别降低了15.35%、16.27%。

2.2 伴生芹菜和紫背天葵对连作豇豆根际土壤微生物数量的影响

如表2所示，伴生芹菜处理放线菌数量最高，较单作处理显著升高了10.06%；真菌数量最低，较单作处理显著降低了41.51%；细菌数量与单作处理之间无显著差别。与单作相比，伴生紫背天葵处理其放线菌、真菌和细菌数量均无显著差异。

2.3 伴生芹菜和紫背天葵对豇豆根际土壤酶活性的影响

图1所示，伴生紫背天葵处理其土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性最高，与单作处理相比，土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性分别显著增加了7.07%、381.00%、21.63%和42.79%。伴生芹菜处理其蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性较单作处理分别显著增加了162.48%、30.75%和35.27%；而脲酶活性与单作处理相比无显著差别。

2.4 伴生芹菜和紫背天葵对豇豆根际土壤pH和电导率的影响

如图2所示，与单作相比，伴生芹菜和紫背天葵均能提高豇豆根际土壤pH，分别提升了0.98%、1.23%；同时能显著降低土壤电导率，分别降低了9.48%、8.34%。

2.5 伴生芹菜和紫背天葵对连作豇豆叶片叶绿素含量的影响

表3表明，伴生芹菜处理豇豆叶片的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a + b含量均显著高于其他处理，与单作处理相比分别显著增加了12.55%、10.87%、12.15%；伴生紫背天葵处理与单作处理相比，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a + b含量均不存在显著差异。

2.6 伴生芹菜和紫背天葵对连作豇豆叶片抗氧化酶活性的影响

图3显示，伴生芹菜处理POD、GR和DHAR活性最高，与单作相比，分别显著增加了16.20%、73.49%和17.76%；而CAT活性和单作处理之间不存在显著差异。伴生紫背天葵处理CAT、GR活性显著高于单作处理，分别增加了97.12%、58.79%；POD、DHAR活性与单作之间无显著差别。

表1 伴生芹菜和紫背天葵豇豆生长和地上部鲜重、干重指标Table 1 Growth and shoot fresh and dry weight of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

表2 伴生芹菜、紫背天葵豇豆土壤微生物数量Table 2 Soil microbial population of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

图1 伴生芹菜和紫背天葵豇豆根际土壤酶活性Fig. 1 Rhizosphere soil enzymes activities of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

图2 伴生芹菜和紫背天葵豇豆根际土壤pH和电导率Fig. 2 Soil pH and conductivity of cowpea rhizosphere soil companied grown with celery and gynura bicolor

2.7 伴生芹菜和紫背天葵对连作豇豆产量的影响

表4表明，伴生芹菜和紫背天葵处理均能显著提升豇豆产量，与单作处理相比，前期分别增加了19.87%、19.61%，中期分别增加了18.22%、15.33%，后期分别增加了8.44%、12.70%。

3 讨论

表3 伴生芹菜和紫背天葵豇豆叶片叶绿素含量Table 3 Chlorophyll contents in leaves of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

图3 伴生芹菜和紫背天葵豇豆叶片抗氧化酶活性Fig. 3 Antioxidant activity of cowpea leaves companied grown with celery and gynura bicolor

表4 伴生芹菜和紫背天葵豇豆连作产量Table 4 Yield of cowpea companied grown with celery and gynura bicolor

蔬菜的连作障碍是制约农业可持续发展的一个重大问题，易造成微生物区系和土壤酶活性紊乱，土壤微生态环境改变；作物的生长发育、光合作用、保护酶活性等生理过程都受其影响，解决连作障碍已成为蔬菜可持续发展的棘手问题[23]。通过伴生可以合理地利用作物间化感作用，调控植物生长发育和改善土壤理化性质，达到生态平衡。生长指标可以反映植株生长状况，是评价种苗质量的有效指标。吴瑕等[9]研究分蘖洋葱伴生对番茄生长的影响，发现与单作相比，伴生处理显著增加了番茄株高、地上部及地下部干重。本试验研究也得到类似结果，伴生芹菜处理能显著提高豇豆株高、茎粗、地上鲜重和地上干重等生长指标；而紫背天葵处理其豇豆生长趋势反而较弱，说明伴生芹菜处理有利于豇豆的生长发育。

土壤微生物与土壤养分循环和生态系统功能密切相关[24]，其与某些酶活性之间存在显著相关性[10]。随着豇豆连作年限增长，土壤中微生物群落结构会由高肥的“细菌型”向低肥的“真菌型”转化，会破坏根际土壤微生物种群平衡，有害菌大量繁殖，有益菌明显减少，最终表现出连作障碍[25]。本研究结果表明，伴生芹菜处理能显著提高放线菌数量，降低真菌数量，细菌数量则与单作无显著差异；而伴生紫背天葵处理其细菌、真菌和放线菌数量与单作均无显著差异，说明伴生芹菜处理更有利于改善土壤微生物群落结构。类似结果在其他作物的研究中也得到了证实，如杨瑞娟等[26]研究表明大麦、小麦伴生番茄处理能显著增加土壤中放线菌数量，而显著降低真菌数量；徐伟慧等[10]通过小麦伴生西瓜处理，土壤中放线菌数量显著增加，而真菌数量显著降低。芹菜伴生使豇豆根际土壤放线菌数量增加的原因可能与芹菜根系分泌物的种类和数量有关；根系分泌物可为根际微生物生长、繁殖提供碳和能源，分泌物的种类和数量影响着根际微生物的种类和数量，以及微生物群落结构[27]。伴生紫背天葵处理对豇豆根际土壤微生物的影响与单作之间无显著差异，这可能与紫背天葵根系生长环境不同有关。

土壤酶是由植物根系、微生物以及土壤动物和动植物残体释放[18]，它参与土壤生态系统代谢过程，并与土壤微生物和养分含量息息相关[28–29]。根际土壤酶活性的增强对土壤有机质的分解转化具有重要作用[28]。本试验表明，伴生芹菜和紫背天葵处理均提高了土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性，其中土壤酶活性以紫背天葵伴生效果最好。这与前人证实合理的伴生栽培模式能提高根区土壤酶活性的结论相一致[10,14]。有研究表明，蔗糖酶、脲酶活性在连作2年时有所上升，之后随着种植年限的增加，土壤酶活性呈现逐年降低的趋势[30]。土壤酶活性与土壤中各营养元素的释放和贮存、土壤中腐殖质的形成与发育、以及土壤的结构和物理状况都是密切相关的；换言之，它们参与了土壤的发生和发育以及土壤肥力的形成和演化的全过程[18]。因此，伴生芹菜和紫背天葵处理均能提高土壤酶活性，改善土壤理化性质，增强土壤肥力，更利于植物生长发育，这可能是伴生芹菜和紫背天葵缓解豇豆连作障碍的原因之一。适宜的土壤pH和电导率更有利于蔬菜植物的生长发育。伴生芹菜和紫背天葵均能提高土壤pH和降低土壤电导率。这与韩哲等[31]研究的利用D123小麦残茬处理缓解西瓜连作障碍能提高连作西瓜土壤pH而降低土壤电导率的结论一致。原因可能是芹菜和紫背天葵根系分泌的有机物质被土壤微生物利用，进而活化了土壤中的养分所致。

逆境胁迫会打破植物细胞内的稳态环境平衡，促使植物细胞内活性氧大量积累从而引发植物细胞内的防御响应，其中包括酶类活性氧清除系统[32]。酶类活性氧系统清除体内的活性氧需依赖抗氧化酶，其中包括POD、CAT、GR和DHAR等，它能达到保护植物自身以减轻环境胁迫对植物的伤害的目的，抗氧化酶是植物抗逆性保护机制的一个重要组成部分[33]。试验结果表明，伴生芹菜处理能显著提高POD、GR和DHAR活性，但CAT活性和单作相比无显著差异；伴生紫背天葵处理其CAT、GR活性显著提高，而POD、DHAR活性与单作处理无显著差异。抗氧化酶活性提高可以有效清除豇豆体内的活性氧，以伴生芹菜处理效果最好，说明伴生芹菜处理更有助于提高豇豆抵抗逆境胁迫的能力。类似结果在高春琦研究伴生小麦延缓黄瓜叶片衰老机理中发现，与黄瓜单作相比，伴生小麦在一定程度上提高了叶绿素含量、减缓了蛋白降解速度、增加了超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性，增强了黄瓜的抗逆性，从而减缓黄瓜叶片的衰老速度[34]。高等植物叶绿体中的叶绿素主要有叶绿素a和叶绿素b两种，它在光合作用的光吸收中起核心作用。研究发现，D125小麦伴生西瓜处理，叶片叶绿素a含量和叶绿素a/b值能显著提高，净光合速率也提高[35]。玉米花生间作能显著提高玉米叶绿素含量，从而使光反应中心吸收较多的光能进行光反应，提升净光合速率，最终与单作玉米相比，间作模式能显著增加玉米产量[36]。本试验与以上研究结果类似，伴生芹菜处理其豇豆叶片的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a + b含量均显著增加，最后豇豆单株产量也显著高于单作豇豆。而伴生紫背天葵处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a +b含量与单作相比均无显著差异，但是最后豇豆单株产量显著提高，这可能和紫背天葵处理能显著提高豇豆土壤酶活性有关。

4 结论

芹菜伴生处理能显著提高连作豇豆株高、茎粗和生物量；芹菜和紫背天葵伴生连作豇豆均可以提高叶片抗氧化酶活性和根际土壤酶活性，以及提高土壤pH值和降低土壤电导率，改善根际土壤理化性质；芹菜伴生处理还能改善土壤微生物群落结构，使根际土壤环境向着有益的方向发展；芹菜和紫背天葵伴生都能提高豇豆产量。伴生处理均有利于缓解豇豆连作障碍，其中以芹菜伴生处理的效果较佳。