间套作大蒜对大棚连作西瓜生长及土壤生物学特性的影响

吴绍军，孟佳丽，沈 虹，张黎杰，周玲玲，田福发，余 翔

(江苏省农业科学院 宿迁农科所，江苏 宿迁 223800)

西瓜(Citrulluslanatus)原产于非洲，世界十大水果之一，有清热、解暑、解渴、利尿等功效，是一种重要的园艺作物[1]。2016年我国西瓜播种面积189.08万hm2，总产量7940万t，在我国经济作物中占有重要地位[2]。大棚西瓜由于易种植、周期短、效益高而受到了广大种植者的喜爱，为了追求经济效益，设施本身的封闭性和连年种植、不良的肥水习惯，大水漫灌，大量施用化肥，导致土壤酸化、盐渍化，土壤微生态失衡，导致土传病害多发，尤其是西瓜枯萎病，导致植株死亡，严重的导致大面积减产和品质下降[3]。西瓜连作障碍，尤其是枯萎病发病率和土壤生物学特性恶化已成为制约西瓜可持续栽培的关键因子，因此，如何解决西瓜连作障碍问题，已变得越来越重要。

利用植物间套作开展相关抗病研究已成为热点。作物间套作是农业生产中一种常见的种植模式，不仅可以充分利用光、水、气、肥等资源，增强根系吸收矿质营养的能力，提高单位土地面积的生产力，而且还能够改善土壤理化性质，改变土壤生物多样性，提高土壤的酶活性，最终抑制和减缓作物病虫害发生，提高植株抗病能力[4]。杨燕等[5]利用连作西蓝花套作玉米，结果发现套作后土壤团聚体稳定性增加，土壤有机碳增加，能有效提高连作西兰花田耕作层土壤水稳定性大团聚体的比例，改善土壤理化性质。汪春明等[6]研究马铃薯间作玉米、蚕豆和荞麦发现，马铃薯根际土壤pH值显著下降，改变了马铃薯根际土壤微生物群落结构，降低了根际土壤真菌的数量，改善了马铃薯根际土壤微生物群落的数量和活性。大蒜(AlliumsativaL.)是百合科葱属多年生宿根草本植物，其根系可分泌一种修养菌素，对多种细菌和真菌具有抑制作用，可作为天然的杀菌杀虫剂[7]。大蒜是公认的间套作作物，在实际生产中常用于间套作，控制土传病害[8]。前人研究表明：大蒜茎叶和根系提取物烟草炭疽病菌[9]；大蒜挥发物和浸提液辣椒疫霉菌[10]；大蒜根浸提液对番茄晚疫病菌[11]均有一定的抑制和缓解作用。刘素慧等[12]以番茄套作大蒜，结果表明：与单作番茄相比，番茄套蒜能够显著提高土壤酶活性，且套蒜时期越早越有利于根际土壤酶活性的提高，与对照达极显著差异。缪勇等[13]采用甘蓝与大蒜不同比例间作田间试验和系统调查方法，结果表明，甘蓝与大蒜间作可以降低春甘蓝主要害虫菜青虫和菜蚜的发生程度，提高节肢动物群落的多样性和有益生物与有害生物之比，有助于提高群落的稳定性和天敌的自然控制作用。

目前，关于大蒜间套作对西瓜化感作用的研究不多，尤其是关于田间大蒜与西瓜间套作的研究较少。为此本试验以“迁丽2号”间套作大蒜，开展大蒜间套作对西瓜生长、产量、发病率和土壤理化特性的影响，探寻西瓜间套作大蒜对西瓜枯萎病发病率、生长和土壤理化性质的变化规律，以期为西瓜绿色、可持续栽培提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

西瓜供试品种为“迁丽2号”，由江苏省农业科学院宿迁农科所育成。大蒜品种为“邳州白蒜”，购自宿迁当地农业大市场。供试土壤为壤土，基本理化性质：全氮3.05 g/kg、碱解氮548 mg/kg、有效磷68.1 mg/kg、有效钾369 mg/kg、有机质98.9 g/kg、pH值为7.36。

2017年10月4日种植大蒜，2018年1月部分收获蒜苗上市，2018年5月12日收获蒜头。2018年2月27日西瓜播种，4月5日移栽，6月9日西瓜收获。

1.2 试验设计

试验于2017年9月至2018年6月在江苏省农业科学院宿迁农科所大棚进行。试验设2个处理，处理1不套种大蒜(照CK)，处理2套种大蒜(简称T1)，每个处理3个重复，棚头和棚尾留2 m，作为保护行。试验大棚长60 m，宽6 m，大棚中间开一条40 cm宽25 cm深的走道，走道左侧按株行距20 cm×10 cm栽植大蒜，走道两侧60 cm处按株行距3 m×0.3 m栽植西瓜，其他正常管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标 定植后25 d，测定蔓长和叶片数。坐瓜后20 d，统计田间枯萎病发病率，以后每隔7 d统计1次，累计统计3次。

1.3.2 生理指标 坐瓜后20 d，取第10片(从基部数)，测定叶片超氧化物歧化酶SOD(采用氮蓝四唑法测定)、过氧化物酶POD(采用愈创木酚法测定)、过氧化氢酶CAT酶活性(紫外分光光度法测定)、叶片丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸加热显色法测定[14]。

1.3.3 产量 统计蒜苗和蒜头产量，坐瓜后35 d，统计西瓜产量。

1.3.4 土壤微生物 西瓜定植前和收获后，采用取土器在土壤10 cm分别取土样。分别于2017年12月25日、2018年3月30日、2018年6月10日，分3次取样测定。采用稀释平板法测定细菌、真菌、放线菌以及尖孢镰刀菌的生物量[15]。细菌含量测定采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌含量测定采用马丁氏培养基，放线菌含量测定采用改良高氏一号培养基，尖孢镰刀菌含量采用Komda H选择性培养基。

1.3.5 土壤酶活性 土壤转化酶、脲酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性参照关松荫等[16]的方法测定。

1.4 数据处理采用Excel 2003软件对数据进行处理，利用SAS软件对试验数据进行方差分析和Duncan’s多重比较。

2 结果与分析

2.1 间套作大蒜对西瓜生长和枯萎病发病率的影响

由图1可知，西瓜定植后25 d后，对照植株的蔓长1.16 m，T1蔓长1.13 m，比对照减少2.62%，但两者之间差异不显著。叶片数方面：套作大蒜后，植株叶片数14.73片，对照为14.93片，比对照减少1.34%，两者之间差异不显著。可能是间套作大蒜增加了对西瓜根际肥水的吸收和利用，与西瓜产生了竞争作用，抑制了西瓜植株的生长。

不同小写字母表示不同处理间的差异显著(P<0.05)。下同。

由图2可知，总的来说随着坐瓜后时间的推移，对照和处理T1的西瓜枯萎病发病率均逐渐增加，6月9日发病率达到高峰，且对照显著高于处理T1。5月26日，坐瓜后25 d后，对照西瓜枯萎病发病率22.0%，处理T1的发病率10.0%，处理T1的发病率比对照降低54.55%，且差异显著。6月2日，对照西瓜枯萎病发病率69.0%，处理T1的发病率20.0%，处理T1的发病率比对照降低71.15%，差异显著。6月9日，对照西瓜枯萎病发病率92.0%，处理T1的发病率30.0%，T1的发病率比对照降低67.27%，差异显著。以上分析说明，套作大蒜后抑制了西瓜枯萎病发病率，在一定程度上缓解了西瓜的连作障碍。可能是大蒜根系分泌物能抑制土壤尖孢镰刀菌增加或者杀死部分镰刀菌数量，改善了西瓜根部的微生态环境。

2.2 间套作大蒜对西瓜、青蒜和大蒜头产量的影响

由表1可知，间套作大蒜后西瓜的产量为2096.5 kg/667 m2，比对照增产30.79%，青蒜的产量为1453.4 kg/667 m2，大蒜头的产量为303 kg/667 m2。可能是西瓜间套作大蒜后，改良了西瓜根际土壤，土壤微生物数量受到影响，进而减少西瓜枯萎病发病率和植株死亡率，提高了产量，具体原因有待进一步考究。

图2 间套作大蒜对西瓜枯萎病发病率的影响

表1 间套作大蒜对西瓜、青蒜和大蒜头产量的影响

注：差异显著分析用SAS软件系统Duncan’s法进行，同列数值不同字母表示差异显著水平达0.05。下同。

2.3 间套作大蒜对西瓜叶片抗氧化酶活性和MDA含量的影响

保护酶是植物对外界逆境胁迫的一种反映。由表2可知，间套作大蒜后，西瓜叶片的SOD、POD、CAT酶活性分别为645.0 U/g、47.3 U/(g·min)、231.2 U/(g·min)，分别比对照增加12.83%、51.06%、66.33%，且与对照相比差异显著。可能是由于间套作大蒜后，改善了土壤，吸收了土壤中过多的盐分，增加了根际有益菌含量，进一步影响了西瓜植株根系生长，最终影响了西瓜叶片的酶活性。

MDA是膜氧化产物，其含量多少反映了植株受迫害程度。套作大蒜后叶片MDA含量降低，比对照减少29.13%。套作大蒜后减缓了西瓜叶片膜受害程度，极大减少了氧化产物的产生，进一步减轻植株受到伤害。以上分析说明，间套作大蒜后，改善了西瓜叶片的抗氧化酶活性，减少了膜氧化产物的积累，有效缓解了西瓜连作障碍。

表2 间套作大蒜对西瓜叶片抗氧化酶和MDA含量的影响

2.4 间套作大蒜对西瓜根际土壤微生物的影响

由表3可知，在土壤细菌方面，随着时间的推迟，细菌的含量逐渐增加，与对照相比差异显著，6月10日时，套作大蒜处理T1的细菌含量比对照增加19.44%。可能是套作大蒜后，西瓜根际土壤理化性质活化，改善了土壤菌群，加速了有益细菌的繁殖。在真菌方面，对照的真菌含量则一直增加，套作大蒜后，真菌数量一直减少，6月10日时，真菌的含量为3.58×104cfu/g，且低于对照，减少幅度为53.62%，与对照相比差异显著。说明大蒜根系分泌物抑制了土壤中真菌的活动，抑制了其增加。在放线菌方面，套作大蒜后，放线菌含量则一直增加，而对照则一直减少，除了12月25日，其余都差异显著；尖孢镰刀菌是西瓜枯萎病发生的直接诱因，套作大蒜后，尖孢镰刀菌含量一直减少，且低于对照，6月10日，尖孢镰刀菌含量比对照减少84.41%，与对照相比差异显著，而对照一直增加，可能是大蒜根系分泌物对尖孢镰刀菌的有一定的抑制作用。以上分析说明，间套作大蒜后，西瓜根际土壤中细菌、放线菌增加，真菌和尖孢镰刀菌减少，改善了植株土壤微生物群落。

表3 间套作大蒜对西瓜根际土壤微生物含量的影响

2.5 间套作大蒜对西瓜根际土壤酶活性的影响

土壤酶活性是土壤理化性质的一个重要参考指标。由图3可知，总体来说，间套作大蒜后，西瓜根际土壤酶活性提高，改善了土壤理化性质。间套作大蒜后，西瓜根际土壤脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和土壤转化酶的活性分别为182、1.26、7.2、5.9 mg/g，分别比对照增加49.18%、82.61%、38.46%、15.69%，与对照相比差异显著。可能是由于西瓜间套作大蒜后，大蒜根系分泌物改善了土壤理化性质，间接促进了土壤酶活性的提高。以上分析表明，套作大蒜有助于改善土壤环境，提高了土壤脲酶、土壤转化酶、多酚氧化酶、土壤过氧化氢酶活性，促进了蔗糖水解和碳循环，加速了氮素代谢，减轻了西瓜根际酚酸性物质和过氧化氢的累积。

3 讨论

3.1 间套作大蒜对西瓜生长及叶片抗氧化酶系统的影响

间套作能显著改善作物的矿质营养，从而促进作物生长提高产量，增强作物抗逆性，抑制或减轻某些病虫害的发生[17]。黄瓜与小麦间套作可有效降低黄瓜枯萎病的病情指数和黄瓜枯萎病发病率，间作显著降低了黄瓜根际土壤尖孢镰刀菌的数量[18]。徐伟慧等[19]采用小麦间套作西瓜，能有效控制西瓜枯萎病的发生。大蒜具有较好的杀菌抑菌作用，对辣椒疫病和炭疽病[20]、青梗菜根肿病防治[21]、黄瓜灰霉病菌[22]有较好的防控作用。孙彩菊(2014)等[23]研究大棚番茄套作大蒜发现：套蒜能促进番茄生长和提高产量，并能显著提高其品质指标，对番茄根结线虫有一定抑制作用，可明显提高土壤碱解氮和速效磷含量。本试验研究结果表明：间套作大蒜西瓜蔓长和叶片数比单作西瓜降低，但产量增加，枯萎病发病率比对照降低67.27%，有效缓解了西瓜连作障碍，这与Ren[24]结果基本一致。究其原因可能是大蒜与西瓜产生竞争，互相争肥水，导致套作大蒜后，西瓜生长受到抑制。同时大蒜根系分泌物抑制了有害菌的增加，改善了植株根际微生态，尤其是抑制了尖孢镰刀菌的生长和数量，最终影响了植株的发病率及死亡率，进而影响西瓜产量[25]。

图3 间套作大蒜对西瓜根际土壤酶活性的影响

在正常情况下，植物体内的活性氧产生、清除处于动态平衡，逆境条件下，植株体内的酶保护系统相互合作，保护细胞免受膜氧化产物的伤害。SOD能将活性氧歧化为H2O，而POD和CAT是清除细胞内低浓度和高浓度的H2O2。因此植株体内抗氧化酶活性的高低在一定程度上反映了抗逆性的强弱[26]。MDA作为活性氧毒害引发的细胞膜脂过氧化产物，其含量的多少可以表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境胁迫反应的强弱重要指标。MDA积累过多，会破坏细胞膜结构和功能，引起一系列的生理生化紊乱，导致植物死亡[27]。关玲等[28]研究结果表明：套作玉米促进了提高了草莓SOD和POD等酶活性，降低了根系MDA含量，提高草莓植株根系和叶片的可溶性糖含量。

本试验研究结果表明：套作大蒜后，叶片SOD、POD、CAT活性均显著高于对照，叶片MDA含量与西瓜单作相比显著降低，一定程度上缓解了西瓜连作障碍对叶片的伤害。姜丽等[29]发现，茼蒿水浸液能提高酚酸胁迫下的西瓜叶片保护酶SOD、POD、CAT活性，降低MDA含量和电解质渗透率，从而提高幼苗防御能力，降低膜脂过氧化程度，降低西瓜枯萎病的发生，这与笔者的研究结果一致。可能是由于间套作能通过改变田间小气候，进而改变病原菌的入侵和病害发生过程，同时引起寄主作物自身的形态学及生理上的变化，2种作物根系分泌物中的一些物质提高了一些关键基因的表达和酶活性的提高，产生传导信号，让西瓜植株产生响应，启动植株相关保护系统，使得其免受或减轻伤害[30]。

3.2 间套作大蒜对西瓜根际土壤微生物和土壤酶活性的影响

间套作通过改变作物根际土壤生物多样性、根际土壤微生物群落结构、土壤功能微生物和土壤酶活性提高改善作物的矿质营养，促进土壤营养物质转化，加速植物对土壤矿质元素的吸收，增强抗性，进而提高单位面积产量和效益[4]。植株根际微生物数量、区系组成和群落结构与土传病害的发生有密切关系。间套作引起主栽作物根际土壤中的微生物多样性增加，这有利于抑制植物土传病害的发生。当微生物群落结构越丰富，多样性越高，物种越均匀时，抗病能力就越强[31]。徐强等[32]研究了辣椒间套作玉米对线辣椒根际土壤微生物生态特征的影响：间套作玉米显著提高了线辣椒根际土壤微生物群落的Shannon-Wiener指数(P<0.05)、Simpson指数、种间相遇几率和Mcintosh指数(P<0.05)，并改变了土壤微生物对单一碳源的利用能力。孙彩菊等[33]发现连续套作大蒜或青蒜，能显著提高大棚番茄土壤可培养细菌和放线菌的数量，降低土壤中真菌的数量。一般认为土壤质量与细菌和真菌有关，细菌增加、真菌降低分别是土壤肥力提高和衰退的一个生物学标志[19]。研究表明，土壤微生物活性水平取决于土壤中细菌和真菌等主要微生物群体组成和数量，其比例的变化可作为衡量土壤肥力状况的重要指标[34]。间套作作物根系分泌物中的化感物质对病原菌有杀菌作用，或者在间套作系统中一种作物可以通过分泌特定的化感物质来抑制病原菌的生长和繁殖，从而达到抑制病害的作用[35]。

本试验研究结果表明：套作大蒜后，与单作相比，西瓜根际土壤中细菌、放线菌数量增加，真菌减少。尤其是6月10日西瓜收获后，西瓜根际土壤细菌比对照增加18.79%，放线菌增加1.35倍，真菌减少53.62%，土壤微生物指标良好这一点与吴会芹等[36]研究结果一致。可能是大蒜改善了西瓜根际土壤微环境，加速矿质元素的吸收，提高根系的吸收能力，对相关病菌有杀灭能力。或者是根系分泌糖类、氨基酸和维生素等物质为根际微生物的生存和繁殖提供了所需的碳源和氮源，并形成与之相适应的根际微生物群落，从而提高土壤微生物的整体代谢活性，促进土壤微生物群落结构多样化的形成，最终改善土壤微生物环境[37]。本研究结果表明，尖孢镰刀菌减少，与西瓜枯萎病发病率一致。尖孢镰刀菌是导致西瓜枯萎病发病的致病菌，其含量的多少与发病率有重要关系，可能是大蒜根系分泌物具有抑制尖孢镰刀菌萌发的作用[38]。

土壤酶是一类具有一定催化功能的生物活性物质，主要来源于微生物细胞。其活性与土壤微生物数量有一定相关性，是土壤肥力、土壤微生物活性及土壤健康的重要指标，也是评价各种农业措施的主要因素[39-41]。张学鹏等[42]利用连作西兰花套作糯玉米发现：套作有效提升土壤微生物生物量碳，提高土壤脲酶、蔗糖酶等活性，促进有机养分的转化和有效化，有效减缓土壤中过氧化氢的累积。秦伟等[43]以茄子套蒜研究发现，茄子植株根系氨化细菌和硝化细菌数量比对照增加，根际土壤磷酸酶活性高于对照。孟自力等[44]以商麦156套作大蒜发现：土壤中磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活力增强。本试验研究结果表明：套作大蒜后，西瓜根际土壤中转化酶、脲酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性均比对照显著增加。可能是因为大蒜间套作生长势较强，根系分泌物旺盛，而根系分泌物可通过为根际微生物提供纤维素、糖类等养分来改变根际微环境，大蒜伴生为西瓜根际土壤提供的有机物质较多，从而刺激了微生物的生长和土壤酶活性的提高[45]。抑或是间套作系统中根际微生物活性增强，分解土壤中自毒物质速度加快，减轻有毒物质对酶活性的抑制作用[46]；或者是大蒜本身的根系分泌物具有杀菌抑菌作用，杀死了有害病原菌，激活了土壤酶活性，减少了根际过氧化物和芬酸类物质的积累[27]。这一点在王梦怡[47]的研究结果上得到验证。

4 结论

西瓜种植行间套作大蒜后，西瓜枯萎病降低，产量增加，叶片抗氧化酶活性增强，MDA含量降低。西瓜根际土壤中细菌、放线菌增加，真菌和尖孢镰刀菌减少，土壤酶活性增强。一定程度上改善了土壤微生态，缓解了西瓜连作障碍。