引起四川彭州大蒜种植障碍（“回苗”）的土壤因素分析

柴 丹 余金阳 黄潇慧 帅正彬 杨 斌 郭江洪 陈 强*

（1 成都市农林科学院园艺研究所，四川成都 611130；2 四川农业大学资源学院，四川成都 611130）

大蒜（L.）为百合科葱属多年生草本植物，食药兼用，是重要的加工原料和出口蔬菜（贾茹 等，2014）。四川省是我国重要的蒜种生产基地，彭州市种植大蒜已有100 余年历史，彭州大蒜为国家地理标志保护产品。彭州大蒜种植制度为稻蒜轮作，年种植面积1.00 万～1.27 万hm（余金阳 等，2020），蒜头年产量保持在8 万～10 万t，主要作蒜种销往全国各地，每年调往山东、江西、湖北、浙江、云南等省市的蒜种达到6 万t。但近年来彭州大蒜出现严重的种植障碍现象，受害植株叶片从叶尖、叶缘开始变黄扩展至整叶黄化，一般从基部叶片向上部叶片扩展，地下部发根量明显减少，植株黄叶萎缩、滞长甚至死亡，当地蒜农称为大蒜“回苗”。严重的年份近40%的田块发生“回苗”，造成重大经济损失，蒜农对此束手无策，影响了彭州大蒜产业的可持续发展（帅正彬 等，2018）。目前，大量来自土壤学、栽培学和微生物学等领域的研究表明，作物种植障碍因子主要来自于土壤（乔晓荣，2011）。

随着经济和社会的发展，人们对农作物的需求量日益增加，农业生产中必然会投入大量的肥料来维持产量。现有研究表明，由于化肥的过量施用，成都平原耕作区土壤已经出现明显的酸化（Li et al.，2020；Shen et al.，2021）。土壤酸化是否是引起大蒜连作障碍的主要原因？目前，对于彭州大蒜种植土壤中障碍因子的相关研究还很缺乏，本试验从大蒜种植土壤基础化学性质入手，探究大蒜种植障碍现象是否由于土壤酸化引起，以期为成都平原大蒜产业健康发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况及样品采集

研究区域位于彭州市大蒜主要种植区（31°02′31″N～31°05′39″N，103°50′51″E～103°59′42″E），属于亚热带湿润气候区北部，年平均气温15.7 ℃，降水量960 mm左右，年日照时间1 180 h 左右，大蒜种植方式为稻蒜轮作模式，土壤类型为潴育性水稻土，该区域内气候条件、农艺措施和土壤母质无显著差异。

根据前言中所描述的种植障碍现象，于2019年4 月，选取彭州市发生大蒜种植障碍的田块（编号为D），以相邻的大蒜正常生长的田块（编号为CK）为对照田块开展研究（图1），大蒜种植障碍及正常生长的两个处理中，各选取7 个代表田块作为生物学重复，用土钻“S”形多点法采集供试田块大蒜根围10 cm 范围内0～20 cm 土层的土壤，“四分法”留取适量土样，带回实验室，干燥磨细过筛备用，测定土壤基础化学性质。

图1 大蒜种植障碍（“回苗”）及大蒜正常生长的比较

1.2 土壤基础化学性质测定

土壤pH 值采用pH 计电位法测定，有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，碱解氮含量采用扩散皿法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，有效钾含量采用火焰光度法测定，土壤水解性酸含量采用浸提法测定，土壤交换性酸、交换性H、交换性Al含量采用中和滴定法测定（鲁如坤，2000）。

1.3 不同pH 营养液及土壤浸提液对大蒜幼苗根系生长的影响

1.3.1 供试材料 供试大蒜品种为彭州早大蒜，选取大小均匀的蒜粒，表面消毒后晾干表面水分备用。

Hoagland 营养液：硝酸钙945 mg·L，硝酸钾607 mg·L，磷酸铵115 mg·L，硫酸镁493 mg·L，铁盐溶液2.5 mg·L，微量元素5 mg·L，pH为6.0。

供试土壤浸提液：称取供试土样，按照水土比2.5∶1（质量比）加入灭菌冷却的蒸馏水，充分混匀，振荡1 h，静置过夜，取上清液。

水培试验中培养液的pH 值均使用1%盐酸及NaOH 溶液调节。

1.3.2 试验设计 大蒜种植障碍主要表现为根系生长受阻，进而影响蒜苗植株生长，因此针对大蒜根系生长开展研究，试验采用水培法，2019 年11—12月在四川农业大学微生物系光照培养室中进行，分为以下2 个试验：

①不同pH 的Hoagland 营养液对大蒜根系生长的影响。试验前调整灭菌备用的Hoagland 营养液pH 至6.0、5.5、5.0、4.5、4.0 和3.5，共6 个处理。选用容量750 mL（上口径9.5 cm，下口径6.5 cm，高度16.5 cm）塑料杯作为培养容器，在圆形泡沫漂浮板（直径9 cm，厚1.8 cm）上钻取4 个直径1 cm 的圆形孔，每孔放置1 粒经过消毒的蒜种，泡沫板漂浮于塑料杯口，大蒜基部接触培养液，瓶身作避光处理，每周更换培养液，每个处理5 次重复。

② 不同pH 的培养液对大蒜根系生长的影响。相较于灭菌的Hoagland 营养液，土壤微环境更为复杂，为进一步证实土壤浸提液pH 与大蒜种植障碍的关系，进一步设置了5 个处理：T1，种植障碍土壤浸提液（pH 4.3）；T2，将T1 处理土壤浸提液调至pH 5.5；T3，正常土壤浸提液（pH 5.5）；T4，pH 4.3 的Hoagland营养液；T5，pH 5.5 的Hoagland 营养液。选用硬质玻璃管（长18 cm，口径15 mm）为培养容器，注入（30 ± 1）mL 培养液，管口覆盖开孔（直径10 mm）的封口膜，每管放置1 粒已催芽蒜种，大蒜根部接触培养液，玻璃管作避光处理，每周更换培养液，每个处理5 次重复。

大蒜培养条件：光照强度4 000 lx，光照16 h·d，（15 ± 1）℃，培养30 d 后选取各处理中长势均匀的大蒜幼苗5 株进行相关指标测定。使用扫描仪（Epson V700）扫描根系图像，再用Win RHIZO PRO 2007 根系分析系统软件（Regent Instruments Inc8，Canada）分析根系形态学参数。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2016 软件整理，采用SPSS 21.0 软件进行统计分析，2 种土壤间土壤基础化学性质及酸度特征的显著性采用检验分析；水培试验不同处理数据的差异性采用单因素方差分析（one-way ANOVA）；主成分分析（PCA）采用R（3.6.1 版本）中的vegan 软件包完成。

2 结果与分析

2.1 大蒜种植土壤基础化学性质

在测定供试土壤的基础化学性质基础上进行PCA 分析，结果表明（图2），发生大蒜种植障碍土壤和大蒜正常生长土壤在PC1 轴上出现明显的分离，各自聚类在一起，显然与大蒜正常生长土壤相比，大蒜种植障碍土壤中的某些基础化学指标发生了显著改变。

图2 供试土壤基础化学性质PCA 分析

进一步对供试土壤基础化学性质进行分析，结果显示（表1），无论是大蒜种植障碍土壤还是正常生长土壤，其土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量等主要养分含量无显著差异，而两种土壤的pH 值存在显著差异。大蒜正常生长土壤pH值介于5.64～6.69，大蒜种植障碍土壤pH 值介于4.81～5.23，显然，大蒜种植障碍土壤酸化明显；此外，大蒜种植障碍土壤有效钾含量显著高于正常生长土壤。

表1 供试土壤基础化学性质

2.2 大蒜种植土壤的酸度特征指标

土壤酸化通常为土壤内部产生和外部输入氢离子或交换性铝离子使土壤盐基离子淋失、土壤pH值下降的过程（李继红，2012）。对供试土壤的酸度特征指标进行分析，结果表明（表2），大蒜种植障碍土壤中水解性酸、交换性酸、交换性H和交换性Al含量均显著高于正常生长土壤；其中，交换性酸和交换性Al含量分别较正常生长土壤提高了1.8 倍和2.3 倍，且交换性Al为交换性酸的主要成分。

表2 供试土壤酸度特征指标 cmol·kg-1

2.3 不同pH 的Hoagland 营养液对大蒜根系生长的影响

对大蒜幼苗根系形态进行扫描，从图3 中可以看出，不同pH Hoagland 营养液条件下大蒜幼苗根系形态存在明显差异；当营养液pH ≥5.0 时，大蒜幼苗根系多、较为茂盛；当营养液pH为4.5 时，大蒜幼苗根系变得稀疏；当营养液pH ≤4.0 时，大蒜幼苗根系生长困难。

图3 不同pH 的Hoagland 营养液中大蒜根系形态 扫描结果

使用根系分析软件对上述根系扫描结果进行量化分析，从表3 可以看出，随着Hoagland 营养液pH 值逐渐下降，大蒜幼苗总根长、最大根长、根系表面积和根系体积均呈现出不断下降的趋势；当Hoagland 营养液pH 值为4.5 时，相较于pH 值5.0，大蒜幼苗总根长、最大根长、根系表面积和根系体积分别下降了6.48%、39.09%、29.29%及40.16%。当Hoagland 营养液pH 低于5.0 时，大蒜幼苗根系生长受到明显阻碍；而当Hoagland 营养液pH 值为3.5 时，大蒜幼苗根系无法生长。

表3 不同pH 的Hoagland 营养液对大蒜根系形态的影响

2.4 不同pH 的培养液对大蒜根系生长的影响

从图4 中可看出，培养液pH 对大蒜根系生长影响明显，其中，在pH 值为4.3 的大蒜种植障碍土壤浸提液（T1）和Hoagland 营养液（T4）中，大蒜幼苗根系生长受到了明显抑制；当培养液pH值为5.5 时，无论哪种培养液，大蒜幼苗根系均正常生长。

图4 不同pH 的培养液中大蒜根系生长情况

对不同pH 培养液中大蒜根系生长指标进行统计分析，结果表明（表4），pH 值为4.3 的T1 和T4 处理中大蒜幼苗只有3 条有效根，总根长与其他处理相比也显著降低，大蒜幼苗根系生长严重受阻。而pH 值为5.5 的T2、T3 与T5 处理大蒜幼苗根系生长正常，3 个处理间有效根数和最大根长无显著差异。此外，与T1 处理相比，T2 处理将pH为4.3 的大蒜种植障碍土壤浸提液调整pH 至5.5后，大蒜根系正常生长，该结果进一步证实了土壤酸化是造成彭州大蒜种植障碍的重要原因。

表4 不同pH 的培养液对大蒜根系生长的影响

3 讨论与结论

本试验通过对彭州市大蒜种植障碍土壤基础化学性质进行分析，发现供试土壤出现了明显酸化。研究表明，大蒜适宜生长在酸性至中性（pH 5.45～6.57）土壤中，且以中性条件最为适宜（pH 6.57 左右）（李冰，2003），而本试验中采集自彭州发生大蒜种植障碍的土壤，其pH 已经降至5.05 左右，严重影响了大蒜生长。研究发现，农业连作和含氮化肥的过量施用直接或间接地驱动了南方的土壤酸化（Zhu et al.，2016）。土壤酸化是土壤质量退化的重要形式，会引起土壤中养分的有效性降低，土壤理化性质恶化，土壤微生物数量、活性和多样性不断降低；另外，土壤酸化能显著提高部分重金属的生物有效性，从而导致农作物中重金属元素的累积，并通过食物链危害人类健康（王美娥 等，2015）。土壤酸化能导致土壤中交换性酸和铝增加，对作物生长造成严重的危害（余涛 等，2006）。已有研究表明，酸性土壤施用钾肥后，K会将土壤胶体上的H、Al交换下来，致使土壤溶液中H、Al浓度迅速升高（刘志华，2011）。在pH ＜5.0 的酸性土壤中，难溶性铝易转化成有毒的离子态铝（Al），从而对植物产生铝毒害（李学垣 等，1995）。作物根系是铝毒作用的直接部位，Al胁迫会使植物根系的生长受到抑制，侧根以及根尖部位会变得坚硬而短。铝元素进入植物细胞后，与细胞壁负电荷结合，纺锤丝受到破坏，有丝分裂受阻，直接影响根系生长（Guo et al.，2010）。徐晓燕等（2004）的研究表明，当土壤pH 从7.5 下降至4.5 时，烟草根系吸收面积呈降低趋势。此外，铝毒还表现为影响根系生长，破坏作物对大量元素以及对钠、钾、钙等营养物质的吸收和转运，受铝毒害的作物通常表现为植株矮小，叶片墨绿色，光合能力降低，叶尖发黄，生长点或叶柄萎蔫，甚至枯死，干物质累积受影响，导致作物减产（Zhu et al.，2016）。

彭州大蒜种植障碍表现为受害植株叶片从叶尖、叶缘开始变黄，逐渐从基部叶片扩展至整叶黄化，地下部发根量明显减少，植株黄叶萎缩、滞长甚至死亡（帅正彬 等，2018）。由于彭州市大蒜种植时间长，土壤酸化明显，引起交换性酸和交换性H、Al含量显著增加，阻碍了大蒜根系生长。水培试验进一步证实，引起彭州市大蒜出现“回苗”现象的主要原因是土壤发生酸化，低pH土壤中大蒜幼苗根系发育受阻，大蒜幼苗退母后养分供应不足，导致叶片黄化萎缩，甚至成片死亡。因此，采用土壤改良剂改良土壤酸化，合理施用有机肥，减少化肥施用量是解决彭州大蒜种植障碍、促进四川大蒜产业健康可持续发展的重要 措施。