人工营养基质对黄瓜连作土壤酸化和酚类物质积累的影响

余朝阁，吕亭辉，解智慧，何瑞法，姚梦蝶

(沈阳农业大学 园艺学院/设施园艺省部共建教育部重点实验室/北方园艺设施设计与应用技术国家地方联合工程研究中心，辽宁 沈阳 110866)

黄瓜是仅次于番茄的第二大设施主栽蔬菜，栽培面积约占全国设施蔬菜总面积的20%[1]。由于长期在同一温室乃至同一地区连续种植黄瓜，导致连作障碍发生普遍而严重。目前生产上克服黄瓜连作障碍的途径有轮作、嫁接、土壤处理等途径。但是，随着设施蔬菜生产专业化程度越来越高，在设施黄瓜主产区种植其他作物，给产品销售和栽培技术等方面带来一系列问题。当前嫁接防治连作障碍应用较为普遍，而嫁接往往会影响产品的品质，不符合人们对蔬菜品质越来越高的要求。土壤处理对于连作障碍程度较轻的土壤具有一定的防治效果，而对于连作障碍严重的土壤效果不佳，同时应用化学农药进行土壤处理会带来农药残留和污染等问题[2]。应用人工营养基质缓解连作障碍不仅不存在上述问题，还利于农业废弃物再利用、土壤改良、产品品质提高等，符合生态农业和可持续发展的要求。

人工营养基质对黄瓜连作土壤的理化性质、营养物质、酶活性和微生物群落结构等指标的影响已有系统研究[3-4]，但对土壤酸化和酚类物质积累的作用尚不清楚，而土壤酸化和酚类物质积累是连作障碍发生的重要原因[5-6]。鉴于此，以黄瓜连作1～19茬的土壤和人工营养基质为对象，分析不同连作茬次的土壤和基质的pH值变化，以及苯甲酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸、香草醛4种酚类物质及总酚含量的积累情况，最后探索不同连作茬次的土壤和基质浸提液对黄瓜种子萌发的抑制情况，以期探明黄瓜连作土壤pH值和酚类物质含量的变化规律，为应用人工营养基质缓解黄瓜连作障碍提供依据和技术支持。

1 材料和方法

1.1 供试材料

连作土壤和基质于2016年1月取自沈阳农业大学园艺学院科研基地20号日光温室。2006—2015年，每年8月于该温室挖6个南北走向栽培槽(长×宽×深为7.00 m×0.65 m×0.30 m)，装填营养基质和园田土各3槽，营养基质制备参考武春成[3]的方法，营养基质和园田土初始理化性质见表1。每年9月和翌年3月，分别进行秋冬茬和春茬黄瓜栽培，每槽定植2行，株距35 cm、行距50 cm。2016年1月，该温室土壤和基质栽培黄瓜连作茬次均有1、3、5、7、9、11、13、17、19茬，每茬基质和土壤栽培各3槽。连作和种子萌发试验所用黄瓜品种均为津优30。

表1 营养基质和园田土基础理化性质Tab.1 Initial physicochemical properties of nutrition substrate and soil

1.2 取样及测定方法

1.2.1 基质和土壤取样及处理 于每栽培槽中部、距中部南北两侧各1.2 m和2.4 m处，5点法取基质和土壤，取样范围长宽均为20 cm、深度25 cm，将上述样品风干、磨碎、混合均匀，过2 mm筛后备用。

1.2.2 pH值的测定 分别将上述土壤和基质溶于装有2.5倍质量去离子水的三角瓶中，置于摇床充分振荡1 h，静置后转入离心管中以5 000 r/min离心10 min，用pH仪测定上清液的pH值[7-8]。

1.2.3 酚类物质含量的测定 总酚含量测定采用硫酸溶液提取-Folin试剂显色法[9]，苯甲酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸、香草醛等含量测定采用高效液相色谱法(HPLC)[10]。上述各种酚类物质标样均为国产分析纯，溶解标样的甲醇为优级纯。总酚和单一酚类物质含量最终均换算为每克干土相应酚的含量。

1.3 种子萌发率的测定

漂洗干净黄瓜种子包衣，晾干后用1.2.1中制备的基质和土壤浸提液浸种10 min，然后将种子均匀置于直径为9 cm的培养皿中，培养皿底部铺设同样浸提液浸湿的滤纸，每培养皿放25粒种子，放于28 ℃培养箱内催芽，催芽期间每天向培养皿内加入相应的浸提液，使铺设的滤纸始终保持湿润。对照以清水(蒸馏水)进行相同处理，每处理4个培养皿，设3次重复。催芽第5天统计不同茬次的土壤和基质浸提液处理种子的萌发率。

1.4 数据处理

试验数据于Excel进行基本运算和统计后，采用SPSS 19软件邓肯法对其进行差异显著性分析(均为P<0.05水平)。

2 结果与分析

2.1 黄瓜连作对土壤和基质pH值的影响

由图1可以看出，无论是土壤栽培还是基质栽培，其pH值均随着黄瓜连作茬次的增加而降低，且在第1～7茬二者pH值几乎无差异。但是，连作第9茬以后，土壤栽培pH值迅速下降，至第17茬pH值降至5.43；而基质栽培，虽然pH值也随着黄瓜连作茬次的增加有降低趋势，但至第11茬pH值仍然保持6.5以上，至第13茬以后pH值才开始迅速下降，而且在第9～17茬，栽培基质的pH值均高于相同茬次土壤的pH值，其中第11茬，二者pH差值达到0.72；但各茬土壤和基质pH值差异均未达到显著水平。上述结果表明，黄瓜长期连作导致土壤酸化，人工营养基质可在一定程度上延缓或减轻土壤酸化。

不同小写字母表示在0.05水平差异显著,下同Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level,the same below图1 黄瓜不同连作茬次的土壤和基质的pH值Fig.1 pH in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

2.2 黄瓜连作对土壤和基质中酚酸类物质积累的影响

2.2.1 总酚含量 土壤和基质中总酚含量整体上均随连作茬次的增加而增加，且于第1～3茬和第17～19茬，土壤和基质中的总酚含量几乎无差别；但是在第5～13茬，基质中的总酚含量整体上低于相同连作茬次土壤中的总酚含量，且于第9～13茬二者间差异达到显著水平，在此期间，基质中总酚含量低于相同茬次土壤中总酚含量27.0%～29.5%(图2)。说明相对于土壤而言，人工营养基质能够缓解黄瓜连作所致的酚类物质的积累。

2.2.2 苯甲酸含量 土壤和基质中的苯甲酸含量均随着连作茬次的增加而增加，且均在第17茬达到最高水平，整体各茬次基质中的苯甲酸含量低于相同茬次土壤中的苯甲酸含量，在第11茬二者苯甲酸含量差异达26.3%，达到显著水平(图3)。说明应用土壤或基质栽培黄瓜，其中苯甲酸含量均随连作茬次的增加而增加，且人工营养基质在一定程度上能够缓解黄瓜连作所致的苯甲酸的积累。

图2 黄瓜不同连作茬次的土壤和基质中总酚含量Fig.2 Total phenols contents in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

图3 黄瓜不同连作茬次的土壤和基质中苯甲酸含量Fig.3 Benzoic acid contents in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

2.2.3 对羟基苯甲酸含量 土壤和基质中对羟基苯甲酸含量也均随着黄瓜连作茬次的增加而积累，第7茬以后基质中对羟基苯甲酸含量低于相同茬次土壤中对羟基苯甲酸含量，且于第17和19茬基质中对羟基苯甲酸含量比土壤中对羟基苯甲酸含量分别低23.5%、26.8%，二者差异均达到显著水平(图4)。说明2种栽培方式对羟基苯甲酸含量也随着连作茬次的增加而积累，人工营养基质具有缓解黄瓜连作所致的对羟基苯甲酸的积累。

2.2.4 阿魏酸含量 土壤和基质中阿魏酸含量也均随连作茬次的增加而增加，第1～7茬土壤和基质中的阿魏酸含量相近；第9～17茬，基质中的阿魏酸含量低于相应茬次土壤中含量的27.5%～24.5%，且于第9茬和第17茬二者差异达到显著水平(图5)。说明连作导致土壤中阿魏酸积累，人工营养基质在一定程度上可缓解黄瓜连作所致的阿魏酸的积累。

图4 黄瓜不同连作茬次的土壤和基质中对羟基苯甲酸含量Fig.4 p-hydroxybenzoic acid contents in soil and substrate of differents continuous cropping times of cucumber

图5 黄瓜不同连作茬次的土壤和基质中阿魏酸含量Fig.5 Ferulic acid contents in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

2.2.5 香草醛含量 无论是土壤栽培还是基质栽培，黄瓜连作均未导致香草醛的积累，其中,基质中香草醛含量整体上略高于相应茬次土壤中的含量，但是各茬二者差异均未达到显著水平(图6)。

图6 黄瓜不同连作茬次的土壤和基质中香草醛含量Fig.6 Vanillic contents in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

2.3 连作黄瓜的土壤和基质浸提液对种子萌发的影响

用连作第1～9茬黄瓜的土壤和基质浸提液处理黄瓜种子，二者及清水处理之间种子萌发率均无显著差异；用连作第11茬黄瓜的土壤浸提液处理种子，萌发率低于基质浸提液和清水处理，但三者间差异未达到显著水平；而用连作第13～19茬黄瓜的土壤浸提液处理种子，萌发率显著低于基质浸提液处理，但二者与清水处理之间均无显著差异(图7)。说明黄瓜连作11茬后，土壤中积累了抑制种子萌发的某种物质，而人工营养基质可以缓解这种物质的积累或其对黄瓜种子萌发的抑制作用。

图7 不同连作茬次土壤和基质的浸提液处理黄瓜种子萌发率Fig.7 Germination percentage of cucumber seeds treated by water extract of different continuous cropping times of soil and substrate

3 结论与讨论

黄瓜连作导致土壤酸化，前人研究也表明，黄瓜和辣椒连作均导致土壤pH值下降，从而引起土壤酸化[5-6]。本研究进一步发现，利用人工营养基质栽培黄瓜，可以在一定程度上延缓或减轻土壤酸化，该研究结果为解决黄瓜连作土壤酸化问题提供一条可选择途径。

黄瓜长期连作导致土壤中苯甲酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸等酚类物质及总酚积累，这一结果与前人众多研究结果一致[10-11]。本研究发现，黄瓜基质栽培时上述酚类物质及总酚在基质中的积累量低于相同连作茬次土壤中的积累量，说明人工营养基质栽培也可以降低某些酚类物质和总酚在栽培介质中的积累。

众多研究表明，酚类物质对植物的生长及其抗病性具有一定的抑制作用[11-12]。本研究发现，黄瓜连作11茬后，土壤浸提液对种子萌发的抑制作用随着连作茬次的增加而增强，而用人工营养基质浸提液处理种子，种子萌发率则未见下降趋势，且显著高于同茬次土壤浸提液处理的种子萌发率。推测长期连作的土壤浸提液对种子萌发的抑制作用可能与其酚类物质积累有关；而长期连作黄瓜的人工营养基质提取液对种子萌发未表现抑制作用，可能与其酚类物质积累量较少有关。

武春成[3]研究认为，人工营养基质延缓黄瓜连作障碍主要有两方面原因：一是营养基质相对于土壤具有优良的理化性状及生物特性，能为黄瓜生长提供更好的营养和根区生物环境；二是连作栽培过程中营养基质理化性状和生物学特性恶化速度相对土壤缓慢，减轻了连作对黄瓜生长的影响。由本研究结果可见，与土壤栽培相比，人工营养基质栽培可以有效减缓连作黄瓜栽培介质的pH值下降和某些酚类物质的积累。