沟垄覆膜栽培对连作马铃薯根系分泌物和土壤养分的影响

赵章平，要凯，康益晨，张卫娜，范艳玲，杨昕宇，张俊莲，秦舒浩

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)为茄科茄属作物，是甘肃省继小麦、玉米后主要粮食作物之一[1]，具有营养价值丰富、粮菜饲兼用等优点，其产业已成为带动农民致富、农业经济稳固发展的主导产业，在保障农民收益和粮食安全方面发挥着不可替代的作用[2].然而，随着马铃薯种植面积的不断扩增，使得马铃薯连作现象加剧[3].连作造成作物生长代谢受阻、品质及产量下降[4-5]，严重影响了马铃薯生产的整体经济效益.因此，如何在现有理论和技术的基础上，探索出新途径来缓解马铃薯的连作障碍，是目前马铃薯生产中亟待解决的问题.

现有研究发现，化感作用是导致马铃薯连作障碍发生的主要原因之一[6]，而根系分泌物是诱发化感作用的关键影响因子.根系分泌物是作物根系和土壤间信息传递的介质，是植物响应外界环境胁迫的途径，根系分泌物通过影响作物土壤养分状况[7-8]和微生物群落结构，从而影响作物根系对养分的吸收[9].连作时根系分泌物的积累使得化感作用增强，表现出明显连作现象，造成作物生长发育受阻[10].张文明等[11]在马铃薯根系分泌物中鉴定出棕榈酸、棕榈酸甲酯、邻苯二甲酸二丁酯为化感自毒物质，且对作物抑制随相对含量的升高而增强；耿广东等[12]研究发现，化感物质邻苯二甲酸二丁酯、2,4-二叔丁基苯酚等显著抑制了辣椒的生长；李朝婵等[13]研究证实棕榈酸是抑制野生露珠杜鹃生长的化感物质.另有研究表明，沟垄覆膜栽培能够集雨增温保墒，改善马铃薯根际土壤微环境、促进作物对养分及水分的吸收利用[14].目前，有关沟垄覆膜种植模式对马铃薯土壤水分、土壤活性酶、产量与品质等[15-16]方面的研究较多，但有关沟垄覆膜栽培对连作马铃薯根系分泌物和土壤养分方面的报道较少.因此，本试验通过连作3年的马铃薯大田，研究沟垄覆膜栽培模式对连作马铃薯根系分泌物、土壤pH、电导率以及土壤养分的影响，以期为解决陇中半干旱区马铃薯连作问题提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2016年在甘肃省定西市农科院试验田进行(E 104°35′，N 35°33′)，该地属于半干旱雨养农业区，海拔高度1 950 m，年均气温6.4 ℃，年均降雨量为415.2 mm，≥10 ℃积温为2 239.1 ℃.土壤类型为黄绵土，肥力均匀、土体较为疏松.试验田概况见表1.

1.2 试验设计

本试验共设6个处理，为大田连作试验，分别为平畦不覆膜栽培(CK)、平畦覆膜栽培(T1)、全膜垄播栽培(T2)、全膜沟播栽培(T3)、半膜垄播栽培(T4)、半膜沟播栽培(T5).2013年为第1年种植马铃薯(前茬作物是菊芋)，2016年为第3年连作，连续种植4 a.以‘新大坪’为供试材料，随机区组排列；每个处理设3次重复，小区间距40 cm，区组间距50 cm，株距35 cm，平均行距55 cm，小区面积为88.5 m2.各处理示意图如图1所示.

表1 试验地土壤的主要理化性质

图1 不同栽培方式示意图

1.3 测定指标与方法

1.3.1 根系分泌物提取 取盛花期根际土壤，自然风干后过0.2 mm筛备用.每个处理3次重复，各处理分别取100 g根际土壤和250 mL乙酸乙酯加入锥形瓶中，用恒温水浴振荡器提取6 h，振荡频率为110次/min，温度为25 ℃，在常温下静置6 h后用滤纸过滤得到根系分泌物提取液.将旋转蒸发仪的温度设定为35 ℃，依次放入各处理提取液浓缩至1 mL，将浓缩液过0.22 μm滤膜后装入专用棕色试样瓶中，放入-20 ℃冰箱以备进行GC-MS分析鉴定[17].

1.3.2 根系分泌物的GC-MS分析 采用气相色谱-质谱联用仪鉴定根系分泌物，色谱型号为6890N GC system，质谱型号为5973 Mass selective，色谱柱:ov1701(60 m×0.25 μm×0.5 μm).色谱条件：40 ℃保持1 min，2 ℃/min 升温至220 ℃后保持40 min.进样口温度为260 ℃，进样量1 μL，不分流进样，流速1 mL/min，载气为高纯氦气.质谱条件：四级杆150度，轰击电压和扫描范围分别为70 eV、15～550 amu(M/Z).通过计算机检索系统从NIST质谱数据库进行未知物色谱的鉴定.

1.3.3 根际土壤电导率、pH和养分含量的测定 电导率采用雷磁 DDSJ-308A仪测定[18]，pH采用酸度计测定.参照《土壤农化分析》[19]测定有机质、速效氮、速效磷、速效钾的含量.

1.4 数据处理

采用 SPSS 19.0 软件进行统计分析，LSD 法进行差异显著性比较.

2 结果与分析

2.1 沟垄覆膜栽培对连作马铃薯根系分泌物的影响

由表2可知，各处理根系分泌物分别鉴定出24种、26种、22种、23种、21种、23种化合物，以酯类、烃类相对含量较高，平均为56.21%、21.86%.有11种化合物在6个处理中均被鉴定出来，其中棕榈酸、邻苯二甲酸二丁酯、棕榈酸甲酯和2,4-二叔丁基苯酚均被报道是化感物质，平均相对含量为2.33%、5.76%、8.38%、2.33%.不同处理间四种化感物质相对含量表现出显著差异，以CK处理相对含量最高，T1处理次之，T2处理最低，各处理棕榈酸相对含量较CK降低15.43%～55.56%，邻苯二甲酸二丁酯含量较CK降低7.70%～51.43%，棕榈酸甲酯较CK降低29.77%～73.17%，2,4-二叔丁基苯酚相对含量较CK降低27.16%～50.61%.此外，不同覆膜方式处理下化感物质含量也表现出明显差异，表现为T2>T3>T5>T4>T1.可见，与平畦不覆膜相比，沟垄覆膜栽培可显著降低连作马铃薯根系分泌物中化感物质的相对含量，且全膜垄播栽培效果优于全膜沟播，半膜沟播优于半膜垄播处理.

与CK相比，T1处理马铃薯根系分泌物种类增加了8.33%，其余各处理根系分泌物种类分别减少了8.33%、4.16%、12.5%、4.16%，不同处理间化合物总的相对含量表现出显著差异，各处理酯类化合物总相对含量较CK降低3.15%～32.36%，酸类化合物总相对含量较CK降低了1.94%～55.22%，而不同处理间烃类和醇类化合物相对含量虽存在差异，但整体未表现出明显变化规律.这表明沟垄覆膜栽培能明显降低根系分泌物种类及酯类和酸类化合物的含量.

表2 沟垄覆膜连作马铃薯主要根系分泌物物质成分

续表2 Continuedtable2物质种类Sortofcompounds保留时间/minRetentiontime化合物Compound相对丰度/%RelativeamountaCKT1T2T3T4T5醇类Acohol4.86异丁醇2-Methyl-1-propanol0.36c1.17b0.26c1.33b2.11a2.34a5.324-甲基-1-戊醇4-Methyl-1-pentanol---0.68c1.03b1.41a53.86二十烷醇1-Eicosanol0.27b--7.48a-0.56b73.222-十六烷醇2-Hexadecanol0.39c1.93b0.26c3.34a0.43c3.50a合计Total1.02d3.10c0.52d12.83a3.57c7.81b酚类Phenols7.923,5-二叔丁基邻苯二酚3,5-Di-tert-butylcatechol0.66d2.61c0.81d4.09b4.33ab4.61a9.382,4-二叔丁基苯酚2,4-Di-tert-butylphenol3.24a2.36b1.60c1.83c2.10b2.85ab11.71十二烷基苯酚Dodecyl-Phenol-0.66b1.02a1.36a--51.62对辛氧基苯酚4-Octyloxyphenol-0.88b-1.88a0.10c0.25c合计Total3.90d6.51c3.43d9.16a6.53c7.71b

2.2 沟垄覆膜栽培对连作马铃薯根际土壤pH的影响

由表3可知，在不同生育期各处理根际土壤pH均呈下降趋势.在苗期，各处理土壤pH 均高于对照，但不同处理间均未达到显著差异；在盛花期，各处理与CK间差异均达显著水平，土壤 pH 具体表现为 T2>T4>T5>T1>T3>CK；在成熟期，T2、T3和T4处理土壤 pH均显著性高于CK,其它处理与CK 间差异不显著，表现为 T3>T2>T4>T5>T1>CK.在全生育期内，沟垄覆膜处理组根际土壤pH均高于对照.

表3 沟垄覆膜栽培对连作马铃薯根际土壤pH的影响

不同小写字母表示在0.05水平下不同处理差异显著.

The small letters in the same column means that the differences among treatments are significant atP<0.05.

2.3 沟垄覆膜栽培对连作马铃薯根际土壤电导率的影响

由图2可知，在不同生育期各处理土壤电导率均呈明显上升趋势.在苗期，除T2处理与CK差异显著外，其余各处理与CK无显著差异，具体表现为CK>T1>T5>T3>T4>T2；马铃薯盛花期，除T1处理外，其它各处理与对照间差异均达到显著水平，表现为 CK>T1>T5>T4>T2>T3；在成熟期，T2、T4处理与CK间存在显著差异，其他各处理较CK差异不显著，表现为 CK>T5>T1>T3>T4>T2.在马铃薯整个生育期内，沟垄覆膜处理组土壤电导率均低于对照，降幅为23.8%～34.1%.

图2 沟垄覆膜栽培对连作马铃薯根际土壤电导率的影响

2.4 沟垄覆膜栽培对连作马铃薯根际土壤养分的影响

由表4可知，在马铃薯不同生育期内各处理有机质含量呈上升趋势.在苗期，以T3处理含量最高，其余各处理间无显著差异；在盛花期，各处理较CK差异显著，增幅为11.7%～31.6%；马铃薯成熟期，除T1和T4处理外，其余各处理较CK差异均达显著水平，增幅为 3.9%～29.0%.在全生育期内各处理有机质含量均高于对照，且以T2处理含量最高.

随着马铃薯生育期的推进，根际土壤速效氮含量逐渐降低，各处理速效氮平均含量较CK提高了11.47%～45.91%，较T1处理提高5.94%～30.89%，沟垄覆膜处理组中，T2处理平均含量较T4提高12.82%，T3处理较T5提高23.11%.根际土壤速效磷含量呈先上升后下降的变化趋势,各处理速效磷平均含量较CK增幅为17.88%～36.96%，具体表现为T3>T2>T4>T5>T1>CK.在马铃薯生育期内，根际土壤速效钾含量逐渐降低，各处理速效钾平均含量较CK提高1.77%～16.71%，较T1处理提高1.09%～14.68%，此外，各处理速效钾含量均表现为T2高于T4处理，T3高于T5处理.由此发现，沟垄覆膜栽培可显著提高马铃薯根际土壤养分含量，且全膜覆盖效果优于半膜覆盖.

表4 沟垄覆膜栽培对连作马铃薯根际土壤养分的影响

3 讨论

沟垄覆膜栽培可通过改善作物根际土壤微环境，进而影响作物根系分泌物的释放和土壤理化性质的改变[20].本试验研究表明，不同覆膜处理根系分泌物中主要含有酯类、烃类、酸类、醇类、酚类、酰胺类化合物，这与张文明等[21]在马铃薯上的研究结果基本一致，说明连作马铃薯根系分泌物所产生的化学物质基本一致，但不同处理间化合物种类和相对含量有所差异.与平畦不覆膜相比，沟垄覆膜栽培减少了连作马铃薯根系分泌物的种类，可显著降低化感物质棕榈酸、邻苯二甲酸二丁酯、棕榈酸甲酯和2,4-二叔丁基苯酚的相对含量，减缓了因化感物质累积对作物的毒害作用.这与国外学者[22]在玉米上的研究结果基本一致，这可能是由于覆膜栽培改善了膜下土壤水分状况、温度及根际环境，减少根系分泌物中自毒物质的产生，有效缓解连作障碍对马铃薯生长的影响.Larkin[23]研究发现，连作导致土壤中有机酸类物质的积累，严重影响了马铃薯的生长发育.而本试验发现，沟垄覆膜栽培可显著减少酸类化合物的相对含量，最高降幅可达55.22%，从而减轻酸类物质对作物的毒害.

本研究发现，在不同生育期内沟垄覆膜处理组土壤pH均高于平畦不覆膜处理，且全膜覆盖高于半膜覆盖，这与王东等[24]的研究结果相同，这可能是由于全膜覆盖栽培能够改善土壤根际环境，降低根系分泌物中酸类化合物的含量有关.前人研究发现[25]，当电导率为 0.40 ms/cm时达到马铃薯的耐盐上限，而本试验发现，沟垄覆膜栽培可显著降低马铃薯根际土壤电导率，降幅达23.8%～34.1%，尤其以全膜垄播及沟播处理电导率最低，随着马铃薯生育期的推进，土壤电导率不断提高，在成熟期电导率开始接近生长极限，最高达361.67 μs/cm，这与要凯等[26]研究结果相似，这可能是由于马铃薯生长后期气温较高，降雨少，盐分随水分向土壤表层上移的缘故.本试验研究发现，在马铃薯全生育期内，沟垄覆膜栽培促进了土壤中有机质的分解，显著提高了马铃薯根际土壤中有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量，这与孙立涛等[27]的研究结果基本相似，这表明沟垄覆膜栽培有利于蓄水保墒、培肥地力，促进土壤微生物活动，改善马铃薯根际微环境，从而减轻连作障碍带来的危害，有利于马铃薯生长发育.

4 结论

不同栽培模式下连作马铃薯根系分泌物中分别鉴定出了24种、26种、22种、23种、21种、23种化合物，主要含有酯类、烃类、酸类、醇类、酚类、酰胺类化合物.沟垄覆膜栽培可明显减少连作马铃薯根系分泌物的种类，显著降低化感物质棕榈酸、邻苯二甲酸二丁酯、棕榈酸甲酯和2,4-二叔丁基苯酚的含量，有效缓解化感物质积累对马铃薯的自毒作用.同时，沟垄覆膜栽培还可提高土壤 pH，降低土壤电导率，促进土壤中有机质的分解，增加马铃薯根际土壤中速效氮、速效磷及速效钾的含量，从而提高土壤肥力.