甜菜重茬种植对土壤理化性质及微生物数量的影响

李 泰, 路正禹, 崔汝菲, 耿 贵, 於丽华, 王宇光

(黑龙江大学 现代农业与生态环境学院, 哈尔滨 150080)

0 引 言

甜菜属二年生草本植物，是我国重要的制糖原料之一，具有很高的经济价值。甜菜在我国主要分布于内蒙古、新疆和黑龙江等地[1]，这些地区具有土壤肥沃和昼夜温差大的独特环境优势。然而，目前我国甜菜仍存在单位面积产量不高、总产量不稳和含糖率低等问题[2]，其中部分原因与甜菜轮作面积有限、重茬种植现象越来越严重相关[3]，研究发现，甜菜重茬种植会导致甜菜产量以及含糖量降低[4]。

重茬种植是指在一块地上连续不间断栽培同一种作物的种植方式[5]。重茬种植通常可提高土地利用效率，短期内满足农民的产量收益。但长期重茬种植会导致作物减产、降低农产品质量、增加积累潜在病原菌的风险[6]，甚至会影响作物的生长发育。李继红等研究发现，重茬种植花生会造成土壤养分不平衡、土壤酶活性逐年降低和土壤微生物群落失调等不良现象[7]。尤艳蓉等研究发现，长期重茬种植玉米会使玉米根系分泌物大量积累，破坏根际微生物平衡，导致玉米发育不良[8]。

重茬障碍是土壤与植物两个系统中多个因素造成的结果[9]。为了探究重茬种植对甜菜植株表型、土壤理化性质以及微生物数量的影响，本研究设置了轮作和重茬两组对照试验，通过对比轮作和重茬两种种植制度对甜菜土壤理化性质及土壤微生物数量的影响，分析重茬种植抑制甜菜生长的原因，为进一步探究重茬种植的栽培调控措施提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试甜菜品种“KWS1176”购自德国KWS公司，为丸粒化的包衣种子。试验于黑龙江大学呼兰校区甜菜试验基地进行。

1.2 试验方法和设计

试验设计轮作和重茬两个处理，两个种植区域地块选择、水肥管理保持一致，轮作区前茬为玉米，现茬为甜菜，重茬区现茬和前茬都为甜菜。分别采集甜菜收获期0～20 cm和20～40 cm的土层样本，利用H2SO4-H2O2-扩散法测定植株全氮含量，利用H2SO4-H2O2-消煮法测定植株全磷含量，利用火焰光度计法测定植株全钾含量[10]。土壤理化性质测定方法参照《土壤农业化学分析方法》[11]，并根据耿贵的方法[12]计算并统计平板中真菌、细菌以及放线菌的数量。利用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性[13]，利用3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性[14]。

1.3 数据分析

利用Excel 2019和SPSS 20.0数据分析软件的LSD法进行数据处理。利用单因素试验统计分析方法，对试验数据进行差异显著性分析，其中P≤0.05视为差异显著。

图1 甜菜轮作与重茬种植甜菜收获期表型差异Fig.1 Phenotypic difference between rotation and continuous cropping of postharvest sugar beet

2 结果与分析

2.1 重茬区与轮作区甜菜植株表型和养分差异

为探索重茬种植对甜菜生长的影响，比较分析了收获期重茬区与轮作区甜菜的产量和质量。本实验室束安琦等前期对收获期重茬区与轮作区甜菜的鲜重、干重和株高进行了研究，发现重茬种植会抑制甜菜生长[15]，与本试验中收获期重茬区甜菜生长情况与轮作区差异较大、生长受到抑制的结果一致。收获期表型如图1所示。

植株各生长部位的养分积累量与其生长发育动态密切相关[16]。重茬与轮作两组处理对甜菜植株叶、叶柄、根的N、P、K含量均有影响，甜菜叶、叶柄、根的N、P、K含量差异如图2所示。研究发现，重茬区甜菜根和叶的N含量与轮作区相比显著下降(P<0.05)，分别降低了56.03%和10.71%。重茬区甜菜叶柄的P元素含量与轮作区相比显著降低(P<0.05)，降低了22.16%。同时，重茬区叶片的K元素含量与轮作区相比降低了58.20%，达到显著差异水平(P<0.05)。由此可知，重茬区甜菜叶、叶柄、根的N、P、K元素含量与轮作区相比均有不同程度降低。

注： 图中误差线表示标准差大小，不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同

2.2 重茬区与轮作区土壤理化性质差异

甜菜重茬区与轮作区土壤的理化性质差异如图3所示。甜菜重茬区0～20 cm与20～40 cm土层的pH，与轮作区相比均有不同程度的降低。通过图3(a)发现，甜菜重茬区20～40 cm土层的pH与轮作区具有显著差异(P<0.05)，重茬区比轮作区降低了5.94%。由图3(b)可知，重茬区0～20 cm、20～40 cm土层的相对含水量与轮作区差异不显著，变化趋势大致相同。

图3 收获期甜菜重茬区与轮作区不同土层pH (a)和相对含水量(b)差异

土壤有效N、P、K元素是土壤肥力的重要组成部分。如图4(a)所示，甜菜重茬区与轮作区20～40 cm土层的N元素含量较0～20 cm土层显著(P<0.05)降低，分别降低了28.79%和28.67%。由图4(b)可知，甜菜重茬区与轮作区20～40 cm土层的有效P元素含量较0～20 cm土层显著(P<0.05)降低，分别降低了26.87%和62.67%。同时发现，甜菜重茬区0～20 cm和20～40 cm土层的有效P元素含量分别较轮作区降低了40.67%和69.72%，且达到显著差异(P<0.05)水平。在图4(c)中，甜菜重茬区与轮作区20～40 cm土层的有效K元素含量较0～20 cm土层显著(P<0.05)降低，分别降低了17.70%和12.57%。甜菜重茬区与轮作区0～20 cm和20～40 cm土层的有效K元素含量差异显著(P<0.05)，其中0～20 cm、20～40 cm重茬区分别较轮作区降低了23.91%和20.22%。由此推测，重茬区0～20 cm、20～40 cm土层中P和K元素未得到有效利用，导致其含量显著高于轮作区。

图4 收获期甜菜重茬区与轮作区不同土层有效N (a)、P (b)和 K (c)元素含量差异Fig.4 Difference of effective N (a), P (b) and K (c) element contents between continuous cropping area and rotation area of suger beet during harvest

2.3 重茬区与轮作区土壤酶活性差异

土壤蔗糖酶活性与土壤N、P含量以及土壤有机质代谢相关[17]。如图5(a)所示，甜菜重茬区与轮作区0～20 cm土层蔗糖酶活性差异显著(P<0.05)，其中重茬区土壤蔗糖酶活性与轮作区相比下降了16.05%。随着土层的深入，甜菜重茬区与轮作区20～40 cm土层土壤蔗糖酶活性与轮作区相比下降了9.63%，达到显著差异水平(P<0.05)。土壤脲酶活性与土壤微生物含量和土壤有机质含量密切相关[18]。通过图5(b)发现，重茬区与轮作区不同土层土壤脲酶活性与蔗糖酶活性差异结果相似，甜菜重茬区0～20 cm土层土壤脲酶活性相对轮作区下降了16.99%，达到显著差异(P<0.05)水平。20～40 cm土层土壤脲酶活性在重茬区和轮作区差异显著(P<0.05)，重茬区土壤脲酶活性相对轮作区下降了30.16%。此外，重茬区0～20 cm和20～40 cm土层土壤脲酶活性差异不显著。

图5 收获期甜菜重茬区与轮作区不同土层蔗糖酶(a)和脲酶(b)活性差异Fig.5 Difference of invertase (a) and urease (b) activities in different soil layers between continuous cropping area and rotation area of suger beet during harvest

2.4 重茬区与轮作区土壤微生物数量差异

微生物对土壤物质转化具有重要作用，其数量变化与土壤质量密切相关[19]。土壤细菌数量可以作为衡量土壤活性的指标[20]。由图6(a)可知，甜菜轮作区0～20 cm土层细菌数量与重茬区0～20 cm、20～40 cm土层以及轮作区20～40 cm土层显著(P<0.05)增加，分别增加了61.36%、82.05%和73.17%。由图6(b)可知，甜菜重茬区0～20 cm土层与重茬区20～40 cm、轮作区0～20 cm、20～40 cm土层相比增长29.31%、59.58%和127.27%，且达到差异显著(P<0.05)水平。由图6(c)可知，甜菜重茬区0～20 cm与20～40 cm土层放线菌数量具有显著差异(P<0.05)，其中0～20 cm土层放线菌数量较20～40 cm土层增长了36.37%。

图6 收获期甜菜重茬区与轮作区不同土层细菌(a)、真菌(b)、放线菌(c)数量差异

3 讨 论

试验发现，重茬区甜菜叶、叶柄、根的N、P、K元素含量低于轮作区。N元素在植物体生长发育中起着重要的作用，当N含量充足时，植物可以自身合成蛋白质养分，叶片N元素还与植物光合作用密切相关。P元素促进根系的生长，根系的生长情况关乎甜菜的产量高低，K元素对植株具有增强叶柄韧性的作用[21]。本试验中重茬区甜菜根、叶N元素、叶柄P元素、叶K元素的含量与轮作区相比显著下降。由此推测，重茬种植会造成甜菜对营养元素的吸收减少，甜菜的营养生长阶段受到抑制，进而不利于甜菜的生长。甜菜不同营养元素之间并不是单独调控的，有研究表明，甜菜的N、P、K存在协同调控机制，以实现不同营养之间的调控。沙红研究发现，甜菜缺素症会导致甜菜植株较小，叶片较暗且狭窄[22-23]。结合甜菜表型分析发现，重茬种植可能会导致甜菜出现养分缺乏。

土壤pH是衡量土壤肥力的重要指标之一[24],同时，它在决定土壤微生物多样性变化方面也非常重要[25]。试验发现，甜菜重茬区同一土层土壤pH比轮作区低，轮作区土壤pH更接近中性，而重茬区pH值偏酸性，轮作区与重茬区土壤相对含水量差异不显著。杨继权研究发现，土壤pH越接近中性对甜菜的生长发育越有利[26]。结合所得数据及表型推测，重茬种植可能会导致土壤pH降低，对土壤相对含水量影响较小。甜菜轮作区不同土层土壤有效N、P、K元素含量相对重茬区均有不同程度的降低，有效N元素含量与土壤有机质含量呈正比，土壤有效P、K元素含量均是土壤潜在的供P、K元素量。结合试验所得表型推测，重茬种植可能会导致甜菜根系吸收养分能力减弱。因此，甜菜表现出生长受到抑制的现象。

本研究发现，甜菜轮作区同一土层土壤蔗糖酶活性相对重茬区显著升高(P<0.05)。谢洪宝等研究发现，蔗糖酶活性具有使土壤养分均衡、平衡根部与地上部分发育的作用[27]。甜菜轮作区同一土层土壤脲酶活性相对重茬区显著降低(P<0.05)。土壤脲酶活性通常与土壤中氮素转化有关，可以在一定程度上反映土壤对无机氮的转运能力[28]。因此推测，甜菜重茬种植导致土壤养分不平衡，蔗糖酶活性降低。此外，重茬种植导致根系对养分吸收不足，土壤中有害物质过多，进而使脲酶活性上升。姚有华研究发现，重茬种植年份的增加可能会导致危害甜菜病害的真菌和放线菌种群数量增多，而有益细菌数量减少[29]。本试验所得重茬区同一土层真菌和放线菌数量相对轮作区增加，细菌数量减少，与前人研究结果相符。重茬障碍对甜菜养分吸收和土壤理化性质都造成了不利影响。因此，建议在大田种植中适当进行轮作换茬种植，科学地施肥以调理土壤的营养结构，选用抗逆能力强的甜菜品种应对重茬障碍。

4 结 论

重茬与轮作两种种植方式会影响甜菜叶、叶柄、根的N、P、K元素含量以及不同土层土壤理化性质、微生物数量。重茬种植可能会降低甜菜必须营养元素的含量，影响根系对外界养分的吸收，产生有害物质，破坏土壤养分均衡，导致脲酶活性升高、蔗糖酶活性下降，进而表现缺素症状，还可能会减少有益细菌的数量，增加有害真菌和放线菌的数量，使甜菜生长受到抑制。