不同作物伴生育苗对西瓜根际土壤微生态环境的影响

赵卫星，康利允，高宁宁，程志强，赵光华，常高正，梁慎，李海伦，王慧颖，徐小利，李晓慧

（1．河南省农业科学院园艺研究所，河南 郑州 450002；2．开封市农林科学研究院，河南 开封 475004；3．河南省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，河南 郑州 450002）

伴生作为作物种间相互影响保持生态平衡的一种栽培方式，已成为缓解作物连作障碍的研究热点之一［1，2］。牛四坤［3］研究认为不同作物伴生栽培可有效缓解黄连连作障碍，促进黄连生长；赵晓翠［4］研究表明伴生栽培可调控黄瓜根区土壤环境，有效克服连作障碍；张福建等［5］研究认为伴生大麦和芥菜栽培均可改善辣椒根际土壤环境；李伶俐等［6］研究认为不同作物互作育苗可提高棉花秧苗质量和土壤微生物数量和结构。因此，利用不同作物进行种间伴生对改善目标作物根际土壤微生态环境、缓解土壤连作障碍具有重要意义。

我国是世界上西瓜生产和消费第一大国，2018年全国播种面积189．08万hm2，总产量6 153．69万t［7］。近年来，随西瓜种植面积扩大，土壤连作障碍日益严重，已成为制约我国西瓜产业可持续发展的瓶颈。目前，国内相关学者相继开展种间伴生或间作对土壤酶、微生物等方面影响的研究［8，9］，对克服西瓜连作障碍起到了明显的效果。但这些研究多集中在西瓜的田间生长期，而西瓜与不同作物伴生育苗调控其根际生态环境条件的研究鲜有报道。本试验选取茼蒿、大葱、小麦与西瓜同盘伴生育苗，探讨不同作物对西瓜根际微生物群落及酶活性的影响，以期探明种间伴生改善根际生态环境的作用机理，为西瓜合理伴生育苗模式的应用及连作障碍的克服提供理论参考。

1 材料与方法

1．1 供试材料

供试西瓜品种：圣达尔，大果型中晚熟品种，由河南省农业科学院园艺研究所选育；开美1号，中果型早熟品种，由开封市农林科学研究院选育。

供试茼蒿、大葱、小麦品种分别为香菊三号、日本钢葱、郑麦9023，均从种子市场购买。

1．2 试验设计

试验于2018年6—7月在河南省农业科学院试验基地（原阳）塑料大棚内进行。将连续种植过3年西瓜的粘质土壤过筛后装入营养钵（规格：170 mm×140 mm×110 mm）中，浇透水，再将1粒西瓜和3粒伴生作物的种子催芽后播种。播种时尽量将西瓜种子放于营养钵中央，伴生作物距西瓜2 cm左右均匀分布，然后盖上1 cm厚细土，以西瓜单作为对照。试验处理如表1，每处理10钵。

待西瓜幼苗子叶展开后，每3 d浇1次营养液（磷酸二氢钾200 mg/L、尿素500 mg/L、硫酸亚铁10 mg/L、硫酸锌1．0 mg/L、硝酸钙500 mg/L）。棚内自然光照，温度控制在25～30℃，各处理苗期其他管理措施一致。

表1 试验处理

1．3 测定项目与方法

当西瓜幼苗长到四叶一心时，先将根系从土壤中整体挖出，采用“抖土法”抖掉与根系松散结合的土壤，然后将与根系紧密结合的土壤刷下来作为根际土样。每处理取3钵根际土壤混合为1个样品，再将土样分为两部分，一部分自然风干过筛用于土壤酶分析和pH、EC值测定，另一半保存于4℃冰箱用于土壤微生物数量测定。

1．3．1 土壤微生物测定 细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂平板表面涂布法，真菌采用马丁氏（Martin）培养基平板表面涂布法，放线菌采用改良高氏一号合成培养基平板表面涂布法，均参考李振高等［10］的方法略有改动。结果以每克鲜土所含菌落数量表示（cfu/g）。

微生物多样性指数（H′）采用Shannon-Wiener指数法［11］计算，公式如下：

H′＝-Σ（ni/N）ln（ni/N）。

式中，ni为第i个物种的个体数；N为群落中所有物种的个体数。

1．3．2 土壤酶活性测定 脱氢酶活性采用TTC

还原法，转化酶采用硫代硫酸钠滴定法，脲酶采用苯酚钠比色法，多酚氧化酶采用邻苯三酚比色法，均参考关松荫［12］的方法测定。

1．3．3 土壤pH、EC值测定 将土样用去离子水（水∶土＝5∶1）浸提，用pH 计和电导率仪测定［13］。

1．4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7．05软件进行数据处理和作图，利用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2．1 不同作物伴生育苗对西瓜根际土壤pH、EC值的影响

不同作物伴生育苗可提高西瓜幼苗根际土壤pH值，降低根际土壤EC值（图1）。由图1A可见，中晚熟品种与小麦、大葱、茼蒿伴生pH值分别比单作育苗提高33．33%、14．28%、69．05%，其中茼蒿伴生与对照差异达显著水平，小麦和大葱伴生与对照间差异不显著；早熟品种与小麦、大葱、茼蒿伴生pH 值分别比单作育苗提高12．96%、22．22%、25．93%，但各伴生处理与对照间差异均未达显著水平。

由图1B可以看出，中晚熟品种与小麦、大葱、茼蒿伴生育苗EC值分别比单作育苗降低23．81%、14．28%、47．62%，早熟品种与小麦、大葱、茼蒿伴生EC值分别比单作育苗降低21．05%、36．84%、47．37%。两种基因型西瓜和茼蒿伴生与对照差异均达显著水平，小麦和大葱伴生与对照间差异均不显著。

以上结果表明，与单作相比，不同伴生育苗模式均可改变西瓜根际土壤的酸碱性和电导率，从而创造有利于西瓜幼苗生长的根际环境，其中茼蒿的改良作用明显优于小麦和大葱。

图1 伴生育苗对西瓜根际土壤pH、EC值的影响

2．2 不同作物伴生育苗对根际土壤微生物群落的影响

由表2可见，与不同作物伴生育苗均可改变西瓜根际土壤细菌、真菌、放线菌的数量及微生物多样性。与单作相比，不同基因型西瓜与小麦、大葱和茼蒿伴生育苗均可显著增加土壤细菌、放线菌的数量及微生物总量，显著降低土壤真菌数量。其中，中晚熟品种与小麦、大葱和茼蒿伴生育苗土壤细菌分别提高43．42%、101．97%、61．18%，真菌数量分别减少23．55%、36．18%、25．36%，放线菌数量分别提高43．18%、86．85%、113．15%，微生物总量分别提高36．49%、115．11%、57．40%。早熟品种与小麦、大葱和茼蒿伴生育苗土壤细菌分别提高28．57%、65．08%、46．03%，真菌数量分别减少12．11%、7．00%、8．75%，放线菌数量分别提高13．19%、17．68%、26．03%，微生物总量分别提高5．15%、26．78%、18．58%。从微生物多样性来看，两种基因型西瓜与大葱、茼蒿伴生育苗均可显著提高根际微生物多样性指数，其中中晚熟品种及早熟品种与茼蒿伴生的H′较单作育苗分别提高37．77%和11．98%，与小麦伴生根际微生物多样性指数与单作差异未达显著水平。说明伴生育苗可以促进根际土壤细菌和放线菌的生长，降低真菌数量，改善根际微生物多样性，从而有利于减轻土传病害的发生。

表2 不同作物伴生育苗对根际微生物数量及多样性的影响

2．3 不同作物伴生育苗对根际土壤酶活性的影响

由表3可见，不同基因型西瓜与小麦、大葱和茼蒿伴生育苗均可提高根际土壤脱氢酶、转化酶、脲酶及多酚氧化酶活性。中晚熟品种与小麦、大葱、茼蒿伴生土壤脱氢酶活性分别提高7．85%、70．25%、105．79%，茼蒿伴生处理与单作育苗差异显著；土壤转化酶活性分别提高3．51%、31．58%、24．56%，茼蒿、大葱伴生与单作差异达显著水平；脲酶活性分别提高18．87%、19．19%和15．89%，但与单作间差异均未达显著水平；多酚氧化酶活性分别提高22．73%、15．91%和18．18%，且均与单作育苗差异显著。早熟品种与小麦、大葱、茼蒿伴生土壤脱氢酶活性分别提高48．71%、77．16%、160．78%，其中茼蒿伴生与单作差异达显著水平；土壤转化酶活性分别提高14．93%、16．42%、14．93%，且均与单作差异达显著水平；脲酶活性分别提高16．70%、42．26%、86．66%，其中茼蒿伴生与单作差异达显著水平；多酚氧化酶分别提高4．35%、27．17%、22．83%，其中茼蒿、大葱伴生与和单作差异达显著水平。这充分说明伴生育苗在活化土壤酶活性方面具有一定优势，但不同作物伴生有明显差异，整体而言，茼蒿伴生的效果要优于小麦和大葱。

表3 伴生育苗对西瓜根际土壤酶活性影响 （mg·g-1·d-1）

2．4 不同作物伴生育苗下根际土壤微生物数量与酶活性的相关性

结果（表4）显示，土壤脱氢酶与细菌、放线菌数量呈显著正相关；土壤转化酶与细菌、放线菌和生物总量呈极显著正相关，与真菌数量呈显著负相关；多酚氧化酶与细菌数量呈显著正相关。从土壤微生物间的相关性来看，土壤细菌与真菌、放线菌呈显著或极显著负相关，真菌数量与放线菌呈显著负相关。以上说明土壤脱氢酶、转化酶和多酚氧化酶活性受与其相关的微生物数量的影响；土壤微生物数量受土壤脱氢酶、转化酶和多酚氧化酶和其他微生物数量的双重调节。

表4 伴生育苗土壤微生物数量与酶活性的相关性

3 讨论

两种植物伴生时，其生态系统中种间促进和竞争作用并存，从而改变其根际生态环境，以满足植物生长的需要［14］。本研究结果表明，茼蒿、大葱、小麦与西瓜伴生育苗后，西瓜根际土壤pH值均高于单作，EC值均低于单作。说明这3种伴生育苗系统中种间促进作用占优势，对缓解西瓜根际土壤酸化和次生盐渍化均具有一定效果，与吴瑕等［15］对番茄-分蘖洋葱伴生及徐宁等［16］对大葱和苦瓜轮作的研究结果一致。这可能与伴生改变了西瓜根系分泌有机酸的种类和数量以及降低难溶性养分的溶解度有关。相关研究表明不同作物伴生对其生态系统土壤环境的改善作用有明显差异［17］。从伴生作物的差异上来看，茼蒿对缓解西瓜连作土壤酸化和次生盐渍化的作用效果明显优于小麦和大葱，充分说明茼蒿更适合作为伴生作物改善西瓜生态系统的土壤环境，这也是很多学者将茼蒿作为西瓜伴生的首选作物预防枯萎病的重要原因之一。

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，植物的相互作用是通过相关微生物直接或间接的影响来实现［18］。本研究发现不同基因型西瓜与小麦、大葱和茼蒿伴生育苗均可促进根际土壤细菌和放线菌的生长，降低真菌数量，改善根际微生物多样性。说明不同基因型西瓜与3种作物伴生改善根际土壤细菌和放线菌的生长环境，恶化真菌的生存条件，与李伶俐等［19］对棉花与不同作物互作育苗的研究结果一致。这可能是由于伴生作物的根系存在互作效应，为根际细菌和放线菌生长提供更多的能源物质，根际土壤pH值的升高抑制了真菌的生长。而韦持章［20］、沈雪峰［21］等则认为不同作物间作可不同程度增加根际土壤细菌、真菌、放线菌数量及微生物总量；郭平林等［22］研究认为互作对花柴根际微生物群落没有显著影响。造成与本研究结果略有差异的原因可能与本试验育苗采用的连作土壤中积累较多的引起土传病害的真菌有关。本研究还发现，西瓜与大葱、茼蒿伴生育苗根际微生物多样性指数高于其与小麦伴生，可能与不同作物根系物质友好互补程度有关，这也在茼蒿［23］、大葱［24］对瓜类作物化感作用研究中得到了证实。根际土壤生态系统是一个复杂的有机体，微生物数量和种类受根系分泌物、环境条件等多种因素的影响，其具体原因还有待进一步研究。

土壤酶是生态系统的物质循环和能量流动等生态过程中最活跃的生物活性物质，其活性的高低和微生物数量的多少反映土壤中物质代谢的旺盛程度［25］。相关研究表明，不同作物间作均可提高根际脲酶、过氧化氢酶、转化酶等土壤酶的活性［26，27］。本研究也发现，与西瓜单作相比，不同基因型西瓜与小麦、大葱和茼蒿伴生育苗均可提高根际土壤脱氢酶、转化酶、脲酶及多酚氧化酶活性，充分说明这3种作物与西瓜伴生有助于激化土壤酶活性。这可能是由于伴生加快了西瓜根系有机物的转化，增加了根系和微生物向土壤中释放酶的数量。从3种作物伴生对西瓜根际酶活性影响的差异上来看，茼蒿的作用效果要优于小麦和大葱，可能是茼蒿根系分泌物更能促进西瓜对土壤中营养物质的吸收和利用，从而提高土壤酶的活性，与李森［28］对不同作物与黄瓜伴生的研究结果一致。此外，土壤脱氢酶、转化酶和多酚氧化酶活性与相关的微生物数量呈显著或极显著相关，而土壤脲酶与微生物数量相关性不显著，这与张昱等［29］对玉米/蒜苗套作系统土壤微生物数量与土壤酶活性关系的研究结果相似。以上说明西瓜根际微生物与土壤脱氢酶、转化酶和多酚氧化酶活性关系密切，这也为通过人为改变土壤相关酶活性调节根际土壤微生物数量和种类来克服西瓜连作障碍提供了理论依据。

4 结论

与单作相比，不同伴生育苗模式均可改变西瓜根际土壤的酸碱性和电导率，促进根际土壤细菌和放线菌的生长，降低真菌数量，改善根际微生物多样性，提高根际土壤脱氢酶、脲酶、转化酶及多酚氧化酶的活性，其中以茼蒿伴生育苗效果最好。相关分析结果显示，土壤微生物数量与土壤脱氢酶、转化酶和多酚氧化酶活性及其他相关微生物数量之间存在显著相关关系。因此，可以通过人为改变土壤相关酶活性调节根际土壤微生物数量和种类以降低西瓜土传病害的发生。