大蒜化感对连作西瓜叶片膜氧化系统及土壤生物学特性影响

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)

化感作用是植物通过释放化学物质到环境中，进而影响自身或其他植物、动物、微生物的生长发育。化感作用在农业生产中具有非常重要的作用，无论是单作，还是连作、轮作、间套作、地表覆盖、翻压填闲，都要考虑化感作用对作物的影响[1]。利用植物化感作用可以减轻病虫害，改善作物生长及周边环境。对黄瓜枯萎病[2]、辣椒疫病[3]、甘蓝枯萎病菌[4]、甘蓝菜青虫和蚜虫[5]等有所抑制或缓解。巴茅草叶片和茎秆水浸提液能降低白菜发芽指数和植株生物量[6]。不同浓度的谷子浸提液可以抑制杂草的生长、降低光合速率和蒸腾速率[7]。小麦的根系分泌物能促进西瓜种子的萌发和增加西瓜幼苗的生长量[8]。银木凋落叶的腐解物能降低黄瓜叶片的光合速率和气孔导度，降低叶片的氧化酶活性，减缓黄瓜的生长发育[9]。核桃凋落叶分解物可抑制小麦叶片氧化酶活性、减少叶片可溶性糖、增加MDA含量，最终影响小麦的生长，从而导致产量降低[10]。由此可见，利用植物的化感作用可以充分利用光、水、气、肥等资源，提高作物根系的吸收能力，改善土壤理化性质和土壤微生态，减缓植株病虫害，提高作物抗逆性。它已成为有害生物控制、增加作物产量和促进环境可持续性发展的重要途径之一。

大蒜为百合科葱属植物，由于其营养物质丰富而兼有杀菌杀虫的作用，常用来与一些忌连作的作物间套轮作，抑制作物病虫害的发生，改善根际土壤的理化性质[11]。利用大蒜化感防治病虫害改、良土壤等已开展了相关研究。大蒜套作能够增加番茄植株根际的各种土壤酶活性[12]；促进番茄生物量和产量的增加、改善果实品质和土壤菌群数量，提高根际微环境生态质量，减少根结线虫数量，降低真菌数量，改善土壤肥力和酸碱度[13]；改善小麦根际菌落平衡，增强根际土壤酶活性[14]。

西瓜忌连作，尤其是枯萎病，可导致西瓜死亡和减产，西瓜连作障碍已成为亟待解决的难题，前人针对这一问题开展了一系列研究，或多或少都存在一定的问题。目前，关于大蒜化感作用对连作西瓜影响的研究较少，大多集中在实验室，关于大田的研究较少且不系统，因此，本试验以迁丽2号为试验材料，利用间套作大蒜的化感作用，研究其对西瓜连作障碍的缓解效果，开展大蒜间套作对西瓜枯萎病发病率、叶片酶保护系统和土壤生物学特性的影响研究，旨在探寻大蒜化感对西瓜连作障碍防控机理，以期为西瓜生态优质可持续栽培提供理论依据和技术支持。

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。供试土壤为壤土。2018年11月12日种植大蒜，2019年2月27日西瓜浸种，3月1日播种，4月5日移栽，6月5日西瓜收获。

1.2 试验设计

试验于2018年10月至2019年6月在江苏省农业科学院宿迁农科所大棚内进行。试验设3个处理：处理1(CK)为西瓜+空白对照；处理2(T1)为西瓜+大蒜(大蒜苗期伴生，大蒜抽薹前拔除)；处理3(T2)为西瓜+大蒜(大蒜全生育期伴生，西瓜收获时收蒜头)，每个处理3个重复，每个重复40株。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3.0 m×0.3 m栽植西瓜，其他参考正常管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 枯萎病统计 坐瓜后20 d，统计枯萎病的发病率，以后每隔5 d统计1次，累计统计4次。

1.3.2 叶片生理指标 坐瓜后20 d，取第10片叶(从基部数)，采用氮蓝四唑法测定测定叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性，采用紫外分光光度法测定过氧化氢酶(CAT)的活性，采用硫代巴比妥酸加热显色法[15]测定叶片丙二醛(MDA)的含量，参照林植芳等[16]的方法测定叶片过氧化氢含量，采用磺基水杨酸法测定叶片脯氨酸含量，采用苯酚硫酸方法测定叶片可溶性糖含量，采用考马斯亮兰方法测定叶片可溶性蛋白含量。

1.3.3 土壤微生物 西瓜定植前和收获后，采用取土器在土壤10 cm处分别取土样。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[17]。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的选择性培养基。

1.3.4 土壤酶活性 土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化物酶和多酚氧化酶活性参照关松荫等[18]的方法测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2003软件进行数据处理，利用SAS软件对数据进行方差分析和Duncan’s多重比较。

2 结果与分析

2.1 大蒜化感对连作西瓜枯萎病发病率的影响

大蒜化感对连作西瓜枯萎病发病率影响如图1所示。西瓜坐瓜后，5月25日至6月9日，各处理的枯萎病发病率逐渐增加，但大蒜伴生处理始终显著低于对照，且CK>T1>T2。6月9日发病率达到高峰，T1、T2的发病率比对照分别显著减少39.73%、61.00%。5月25日，CK的发病率为25.81%，T1与T2的发病率为0。5月30日，CK的发病率55.38%，T2、T1与对照相比差异显著。6月4日各处理发病率继续呈增加的趋势，T1、T2与对照相比分别减少46.00%、66.80%。

图1 大蒜化感对连作西瓜枯萎病发病率的影响

2.2 大蒜化感对连作西瓜叶片抗氧化酶的影响

大蒜化感对连作西瓜叶片抗氧化酶的影响如表1所示。大蒜伴生提高了西瓜叶片保护酶的活性。与单作相比，T1处理的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶的活性分别比对照增加了46.12%、2.73%、13.95%，与对照相比差异显著。T2处理显著提高了超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶的活性，与对照相比分别增加了59.85%、18.72%、22.53%，与T1相比分别显著增加了9.40%、15.57%、7.53%。

表1 大蒜化感对连作西瓜叶片抗氧化酶的影响

2.3 大蒜化感对连作西瓜叶片膜氧化产物的影响

大蒜化感对连作西瓜叶片膜氧化产物的影响如表2所示。大蒜伴生减少了膜氧化产物的含量。在丙二醛方面，T2>T1>CK，T2和T1分别比对照减少了15.47%、11.40%。在过氧化氢方面，T2的含量最低，对照则最高，T2比对照减少13.38%。在超氧阴离子清除能力方面，T2>T1>CK，T2、T1分别比对照提高了21.80%、18.36%。

表2 大蒜伴生对连作西瓜叶片膜氧化产物的影响

2.4 大蒜化感对连作西瓜叶片渗透调节物质的影响

大蒜化感对连作西瓜叶片渗透调节物质影响如表3所示。大蒜伴生减少了西瓜叶片的脯氨酸含量，增加了西瓜叶片的可溶性蛋白、可溶性糖的含量。T2和T1处理显著降低了叶片的脯氨酸含量，其中T2的降幅最大，降幅达21.74%。T2处理的可溶性蛋白和可溶性糖含量均最大，分别比对照增加3.17%、13.75%，且差异显著。

表3 大蒜化感对连作西瓜叶片渗透调节物质的影响

2.5 大蒜化感对连作西瓜根际土壤微生物数量的影响

大蒜化感对连作西瓜根际土壤微生物影响如表4所示。大蒜伴生显著增加了西瓜根际细菌和放线菌的数量，均表现为T2>T1，T2、T1的根际细菌和放线菌的数量分别比对照增加46.64%、187.18%和14.88%、169.23%。大蒜伴生后西瓜根际的真菌、尖孢镰刀菌数量显著减少，且3各处理之间的差异均达到了显著水平，其中以T2的降幅最大，分别减少70.00%、67.86%。

表4 大蒜化感对连作西瓜根际土壤微生物数量的影响

2.6 大蒜化感对连作西瓜根际土壤酶活性的影响

大蒜化感对连作西瓜根际土壤酶活性影响如表5所示。大蒜伴生增加了土壤多酚氧化酶、过氧化物酶、脲酶的活性，降低了土壤蔗糖酶的活性。在多酚氧化酶方面，其酶活性表现为T2>T1>CK，其中T1和T2比对照分别显著增加8.11%、12.81%。在过氧化物酶方面，伴生增加了其活性，以T2最高，比对照增加29.86%。在脲酶方面，T2与T1均比对照增加，增加幅度分别为17.04%、35.33%。大蒜伴生后降低了土壤蔗糖酶的活性，T1、T2比对照分别降低44.40%、40.72%。

表5 大蒜化感对连作西瓜根际土壤酶活性的影响

3 讨论与结论

3.1 大蒜化感对西瓜枯萎病发病率及土壤微生物的影响

利用植物化感作用可以驱虫防草抗病、改良土壤理化性质，增加作物产量和提高品质，伴生植物种类及作物品种决定化感作用的强弱[19]。伴生小麦可减缓西瓜叶片衰老，提高叶片光合作用，进而增加西瓜生长量，提高其抗病性[20]。西芹鲜根浸提液显著抑制黄瓜枯萎病及分泌镰刀菌酸的产生[21]。冬小麦和夏玉米秸秆还田增加土壤中有机酸含量，加速小麦病原菌生长，小麦根系生理活性降低，小麦纹枯病的发生率增加[22]。本试验研究结果表明:大蒜伴生化感可以显著减缓西瓜枯萎病发病率，缓解西瓜连作障碍。这一点与秦立金等[23]的研究结果一致。可能是大蒜根系分泌物含有杀菌成分或者活化了土壤理化性质，促进了西瓜植株本身的生长，提高了抗病性，减少了枯萎病发病率[24]。

土壤微生物对矿质元素的吸收、有机物的分解具有重要作用，由于其是土壤质量和健康状况的重要指标，故常用来作为衡量土壤生态变化的重要因子，对植株吸收养分和土壤酶活性有较大关联性[25]。张晓晓等[26]发现，小麦伴生化感改变了真菌的群落组成和结构，降低了真菌的Shannon指数(P<0.05)和Sobs指数(P<0.05)，对细菌群落及其多样性影响不大。大麦、芥菜两种伴生化感处理辣椒后土壤中放线菌、细菌数量增加，真菌数量显著降低[27]。小麦伴生化感处理番茄土壤真菌数量显著减少，有益菌放线菌和细菌数量显著增加，改善了土壤菌落和丰度[28]。本试验研究结果表明:大蒜套作化感显著增加了西瓜根际土壤细菌、放线菌含量，降低了土壤真菌、尖孢镰刀菌含量，一定程度改善了连作土壤的质量。这一点在陈昱等[29]的研究结果上得到验证。可能是大蒜根系分泌的各种物质，促进物质转化，增加了水分和矿质元素的吸收，或者根系分泌的糖类等物质，为微生物活动提供了能量，并与之形成了相适应的菌群菌落结构，各种微生物丰度，改善了根际微生物群落，提高了土壤质量[30]。可见合理的种植方式可有效改善土壤微环境。

3.2 大蒜化感对连作西瓜叶片氧化酶、膜氧化产物和渗透调节物质的影响

正常情况下，植物体内的酶促保护系统是处于平衡状态，当受到外界逆境胁迫时，保护功能在信号调控下，立即启动。细胞内各种保护酶会协同作用，清除细胞内过多的活性氧，避免细胞膜脂过氧化。具体工作流程是:首先SOD催化超氧阴离子，让其生成H2O2和O2，之后在POD和CAT的作用下，被转化为水，彻底地清除活性氧。3种酶共同作用清除细胞内活性氧的含量，改变活性氧在细胞内的积累，因此抗氧化酶活性在一定程度上反映了抗逆性的强弱[31]。丙二醛是作物细胞逆境下膜脂过氧化的主要产物，MDA含量的积累加剧膜脂过氧化程度，在一定含量范围内，MDA是膜脂伤害程度的重要指标，积累过多会破坏膜结构，引起一系列生理生化紊乱，导致植物死亡。张福建等[27]研究发现:伴生大麦和芥菜化感处理提高辣椒叶片POD和CAT活性，显著降低辣椒叶片H2O2含量。邱秋金等[32]研究发现化感小麦根系分泌物显著提高看麦娘叶片的SOD活性、POD活性、PAL活性，其中MDA含量分别比对照提高了30.0%～78.0%。小麦伴生化感栽培西瓜，增强了叶片SOD和PPO活性，降低了西瓜叶片MDA含量[20]。本试验研究结果表明:大蒜化感栽培后，西瓜叶片SOD、POD和CAT活性显著提高，叶片MDA、H2O2含量显著降低，超氧阴离子清除能力增加。这一点与陈潇等[33]的结果一致，类似的结果在草莓上[34]也得到验证，但与肖雪梅[35]的研究结果相反。可能是大蒜的根系分泌物活化了土壤，减少了连作土对西瓜的抑制作用，进而提高了酶活性及减少有害物质的积累[24]。

植物受到逆境胁迫时，体内会产生大量渗透调节物质，维持细胞渗透平衡，维护细胞正常功能[36]。脯氨酸是植株内最重要的一类渗透调节物质，其在植株体内含量的多少，代表植物渗透调节能力的大小。可溶性蛋白可缓解逆境条件对植物细胞的伤害，其含量的积累可以协调细胞与外界渗透压的平衡，从而缓解盐离子的伤害[37]。可溶性糖是有机物质合成的能量来源，对细胞膜和原生质胶体有重要的作用，可缓解盐胁迫带来的伤害。本试验研究结果表明:大蒜化感栽培后，西瓜叶片脯氨酸含量减少，可溶性糖和可溶性蛋白含量增加。张云起等[38]发现盐处理后植株体内游离脯氨酸含量增加，与本试验研究结果相反，可能与品种及逆境胁迫时间有关。可见，在盐胁迫等逆境条件下，脯氨酸的大量积累对降低植物的渗透胁迫起到积极作用，有助于维持细胞的正常代谢，也可能是逆境胁迫的产物，是植物受到逆境伤害的反应[39]。可能是大蒜化感栽培减少了西瓜受伤害程度，降低叶片脯氨酸的积累。

3.3 大蒜化感对连作西瓜土壤酶影响

土壤酶主要来源于动植物残体及其分泌物，是一类具有催化功能的生物活性物质。其活性与土壤微生物数量、有机质含量及土壤养分含量有一定相关性，是土壤质量重要指示剂[40]。大麦化感伴生增强了番茄根际土壤脲酶、蛋白酶和蔗糖酶活性[28]。分蘖洋葱提高了番茄根际土壤脱氢酶、多酚氧化酶、脲酶的活性[41]。紫背天葵化感伴生栽培，提高了豇豆根际土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性[29]。本试验结果表明:大蒜化感增加了根际土壤多酚氧化酶、过氧化物酶和脲酶的活性，降低了土壤中蔗糖酶的活性。这一点与韩哲等[42]研究的芹菜对黄瓜上的化感结果一致。究其原因可能是大蒜伴生根系分泌物更加丰富，而根系分泌物可通过为根际土壤微生物提供纤维素、糖类等物质来改变根际微生态环境，间接提高土壤酶活性[35]。

总的来说，大蒜伴生化感栽培西瓜后，抑制了西瓜枯萎病发病率；提高了西瓜叶片抗氧化酶活性，增加了西瓜叶片可溶性糖和可溶性蛋白含量，降低了脯氨酸含量；增加了西瓜根际细菌和放线菌数量，减少了真菌和尖孢镰刀菌数量；增加了西瓜根际多酚氧化酶、过氧化物酶和脲酶活性，降低了蔗糖酶活性，一定程度上缓解了西瓜连作障碍，具体机理还有待进一步研究。