人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)對(duì)黃瓜連作土壤酸化和酚類(lèi)物質(zhì)積累的影響

余朝閣，呂亭輝，解智慧，何瑞法，姚夢(mèng)蝶

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院/設(shè)施園藝省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北方園藝設(shè)施設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110866)

黃瓜是僅次于番茄的第二大設(shè)施主栽蔬菜，栽培面積約占全國(guó)設(shè)施蔬菜總面積的20%[1]。由于長(zhǎng)期在同一溫室乃至同一地區(qū)連續(xù)種植黃瓜，導(dǎo)致連作障礙發(fā)生普遍而嚴(yán)重。目前生產(chǎn)上克服黃瓜連作障礙的途徑有輪作、嫁接、土壤處理等途徑。但是，隨著設(shè)施蔬菜生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)化程度越來(lái)越高，在設(shè)施黃瓜主產(chǎn)區(qū)種植其他作物，給產(chǎn)品銷(xiāo)售和栽培技術(shù)等方面帶來(lái)一系列問(wèn)題。當(dāng)前嫁接防治連作障礙應(yīng)用較為普遍，而嫁接往往會(huì)影響產(chǎn)品的品質(zhì)，不符合人們對(duì)蔬菜品質(zhì)越來(lái)越高的要求。土壤處理對(duì)于連作障礙程度較輕的土壤具有一定的防治效果，而對(duì)于連作障礙嚴(yán)重的土壤效果不佳，同時(shí)應(yīng)用化學(xué)農(nóng)藥進(jìn)行土壤處理會(huì)帶來(lái)農(nóng)藥殘留和污染等問(wèn)題[2]。應(yīng)用人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)緩解連作障礙不僅不存在上述問(wèn)題，還利于農(nóng)業(yè)廢棄物再利用、土壤改良、產(chǎn)品品質(zhì)提高等，符合生態(tài)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展的要求。

人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)對(duì)黃瓜連作土壤的理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)等指標(biāo)的影響已有系統(tǒng)研究[3-4]，但對(duì)土壤酸化和酚類(lèi)物質(zhì)積累的作用尚不清楚，而土壤酸化和酚類(lèi)物質(zhì)積累是連作障礙發(fā)生的重要原因[5-6]。鑒于此，以黃瓜連作1～19茬的土壤和人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)為對(duì)象，分析不同連作茬次的土壤和基質(zhì)的pH值變化，以及苯甲酸、對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸、香草醛4種酚類(lèi)物質(zhì)及總酚含量的積累情況，最后探索不同連作茬次的土壤和基質(zhì)浸提液對(duì)黃瓜種子萌發(fā)的抑制情況，以期探明黃瓜連作土壤pH值和酚類(lèi)物質(zhì)含量的變化規(guī)律，為應(yīng)用人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)緩解黃瓜連作障礙提供依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 供試材料

連作土壤和基質(zhì)于2016年1月取自沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院科研基地20號(hào)日光溫室。2006—2015年，每年8月于該溫室挖6個(gè)南北走向栽培槽(長(zhǎng)×寬×深為7.00 m×0.65 m×0.30 m)，裝填營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和園田土各3槽，營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)制備參考武春成[3]的方法，營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和園田土初始理化性質(zhì)見(jiàn)表1。每年9月和翌年3月，分別進(jìn)行秋冬茬和春茬黃瓜栽培，每槽定植2行，株距35 cm、行距50 cm。2016年1月，該溫室土壤和基質(zhì)栽培黃瓜連作茬次均有1、3、5、7、9、11、13、17、19茬，每茬基質(zhì)和土壤栽培各3槽。連作和種子萌發(fā)試驗(yàn)所用黃瓜品種均為津優(yōu)30。

表1 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和園田土基礎(chǔ)理化性質(zhì)Tab.1 Initial physicochemical properties of nutrition substrate and soil

1.2 取樣及測(cè)定方法

1.2.1 基質(zhì)和土壤取樣及處理 于每栽培槽中部、距中部南北兩側(cè)各1.2 m和2.4 m處，5點(diǎn)法取基質(zhì)和土壤，取樣范圍長(zhǎng)寬均為20 cm、深度25 cm，將上述樣品風(fēng)干、磨碎、混合均勻，過(guò)2 mm篩后備用。

1.2.2 pH值的測(cè)定 分別將上述土壤和基質(zhì)溶于裝有2.5倍質(zhì)量去離子水的三角瓶中，置于搖床充分振蕩1 h，靜置后轉(zhuǎn)入離心管中以5 000 r/min離心10 min，用pH儀測(cè)定上清液的pH值[7-8]。

1.2.3 酚類(lèi)物質(zhì)含量的測(cè)定 總酚含量測(cè)定采用硫酸溶液提取-Folin試劑顯色法[9]，苯甲酸、對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸、香草醛等含量測(cè)定采用高效液相色譜法(HPLC)[10]。上述各種酚類(lèi)物質(zhì)標(biāo)樣均為國(guó)產(chǎn)分析純，溶解標(biāo)樣的甲醇為優(yōu)級(jí)純?？偡雍蛦我环宇?lèi)物質(zhì)含量最終均換算為每克干土相應(yīng)酚的含量。

1.3 種子萌發(fā)率的測(cè)定

漂洗干凈黃瓜種子包衣，晾干后用1.2.1中制備的基質(zhì)和土壤浸提液浸種10 min，然后將種子均勻置于直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿底部鋪設(shè)同樣浸提液浸濕的濾紙，每培養(yǎng)皿放25粒種子，放于28 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)催芽，催芽期間每天向培養(yǎng)皿內(nèi)加入相應(yīng)的浸提液，使鋪設(shè)的濾紙始終保持濕潤(rùn)。對(duì)照以清水(蒸餾水)進(jìn)行相同處理，每處理4個(gè)培養(yǎng)皿，設(shè)3次重復(fù)。催芽第5天統(tǒng)計(jì)不同茬次的土壤和基質(zhì)浸提液處理種子的萌發(fā)率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)于Excel進(jìn)行基本運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)后，采用SPSS 19軟件鄧肯法對(duì)其進(jìn)行差異顯著性分析(均為P<0.05水平)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃瓜連作對(duì)土壤和基質(zhì)pH值的影響

由圖1可以看出，無(wú)論是土壤栽培還是基質(zhì)栽培，其pH值均隨著黃瓜連作茬次的增加而降低，且在第1～7茬二者pH值幾乎無(wú)差異。但是，連作第9茬以后，土壤栽培pH值迅速下降，至第17茬pH值降至5.43；而基質(zhì)栽培，雖然pH值也隨著黃瓜連作茬次的增加有降低趨勢(shì)，但至第11茬pH值仍然保持6.5以上，至第13茬以后pH值才開(kāi)始迅速下降，而且在第9～17茬，栽培基質(zhì)的pH值均高于相同茬次土壤的pH值，其中第11茬，二者pH差值達(dá)到0.72；但各茬土壤和基質(zhì)pH值差異均未達(dá)到顯著水平。上述結(jié)果表明，黃瓜長(zhǎng)期連作導(dǎo)致土壤酸化，人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)可在一定程度上延緩或減輕土壤酸化。

不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平差異顯著,下同Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level,the same below圖1 黃瓜不同連作茬次的土壤和基質(zhì)的pH值Fig.1 pH in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

2.2 黃瓜連作對(duì)土壤和基質(zhì)中酚酸類(lèi)物質(zhì)積累的影響

2.2.1 總酚含量 土壤和基質(zhì)中總酚含量整體上均隨連作茬次的增加而增加，且于第1～3茬和第17～19茬，土壤和基質(zhì)中的總酚含量幾乎無(wú)差別；但是在第5～13茬，基質(zhì)中的總酚含量整體上低于相同連作茬次土壤中的總酚含量，且于第9～13茬二者間差異達(dá)到顯著水平，在此期間，基質(zhì)中總酚含量低于相同茬次土壤中總酚含量27.0%～29.5%(圖2)。說(shuō)明相對(duì)于土壤而言，人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)能夠緩解黃瓜連作所致的酚類(lèi)物質(zhì)的積累。

2.2.2 苯甲酸含量 土壤和基質(zhì)中的苯甲酸含量均隨著連作茬次的增加而增加，且均在第17茬達(dá)到最高水平，整體各茬次基質(zhì)中的苯甲酸含量低于相同茬次土壤中的苯甲酸含量，在第11茬二者苯甲酸含量差異達(dá)26.3%，達(dá)到顯著水平(圖3)。說(shuō)明應(yīng)用土壤或基質(zhì)栽培黃瓜，其中苯甲酸含量均隨連作茬次的增加而增加，且人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)在一定程度上能夠緩解黃瓜連作所致的苯甲酸的積累。

圖2 黃瓜不同連作茬次的土壤和基質(zhì)中總酚含量Fig.2 Total phenols contents in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

圖3 黃瓜不同連作茬次的土壤和基質(zhì)中苯甲酸含量Fig.3 Benzoic acid contents in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

2.2.3 對(duì)羥基苯甲酸含量 土壤和基質(zhì)中對(duì)羥基苯甲酸含量也均隨著黃瓜連作茬次的增加而積累，第7茬以后基質(zhì)中對(duì)羥基苯甲酸含量低于相同茬次土壤中對(duì)羥基苯甲酸含量，且于第17和19茬基質(zhì)中對(duì)羥基苯甲酸含量比土壤中對(duì)羥基苯甲酸含量分別低23.5%、26.8%，二者差異均達(dá)到顯著水平(圖4)。說(shuō)明2種栽培方式對(duì)羥基苯甲酸含量也隨著連作茬次的增加而積累，人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)具有緩解黃瓜連作所致的對(duì)羥基苯甲酸的積累。

2.2.4 阿魏酸含量 土壤和基質(zhì)中阿魏酸含量也均隨連作茬次的增加而增加，第1～7茬土壤和基質(zhì)中的阿魏酸含量相近；第9～17茬，基質(zhì)中的阿魏酸含量低于相應(yīng)茬次土壤中含量的27.5%～24.5%，且于第9茬和第17茬二者差異達(dá)到顯著水平(圖5)。說(shuō)明連作導(dǎo)致土壤中阿魏酸積累，人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)在一定程度上可緩解黃瓜連作所致的阿魏酸的積累。

圖4 黃瓜不同連作茬次的土壤和基質(zhì)中對(duì)羥基苯甲酸含量Fig.4 p-hydroxybenzoic acid contents in soil and substrate of differents continuous cropping times of cucumber

圖5 黃瓜不同連作茬次的土壤和基質(zhì)中阿魏酸含量Fig.5 Ferulic acid contents in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

2.2.5 香草醛含量 無(wú)論是土壤栽培還是基質(zhì)栽培，黃瓜連作均未導(dǎo)致香草醛的積累，其中,基質(zhì)中香草醛含量整體上略高于相應(yīng)茬次土壤中的含量，但是各茬二者差異均未達(dá)到顯著水平(圖6)。

圖6 黃瓜不同連作茬次的土壤和基質(zhì)中香草醛含量Fig.6 Vanillic contents in soil and substrate of different continuous cropping times of cucumber

2.3 連作黃瓜的土壤和基質(zhì)浸提液對(duì)種子萌發(fā)的影響

用連作第1～9茬黃瓜的土壤和基質(zhì)浸提液處理黃瓜種子，二者及清水處理之間種子萌發(fā)率均無(wú)顯著差異；用連作第11茬黃瓜的土壤浸提液處理種子，萌發(fā)率低于基質(zhì)浸提液和清水處理，但三者間差異未達(dá)到顯著水平；而用連作第13～19茬黃瓜的土壤浸提液處理種子，萌發(fā)率顯著低于基質(zhì)浸提液處理，但二者與清水處理之間均無(wú)顯著差異(圖7)。說(shuō)明黃瓜連作11茬后，土壤中積累了抑制種子萌發(fā)的某種物質(zhì)，而人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)可以緩解這種物質(zhì)的積累或其對(duì)黃瓜種子萌發(fā)的抑制作用。

圖7 不同連作茬次土壤和基質(zhì)的浸提液處理黃瓜種子萌發(fā)率Fig.7 Germination percentage of cucumber seeds treated by water extract of different continuous cropping times of soil and substrate

3 結(jié)論與討論

黃瓜連作導(dǎo)致土壤酸化，前人研究也表明，黃瓜和辣椒連作均導(dǎo)致土壤pH值下降，從而引起土壤酸化[5-6]。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，利用人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)栽培黃瓜，可以在一定程度上延緩或減輕土壤酸化，該研究結(jié)果為解決黃瓜連作土壤酸化問(wèn)題提供一條可選擇途徑。

黃瓜長(zhǎng)期連作導(dǎo)致土壤中苯甲酸、對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸等酚類(lèi)物質(zhì)及總酚積累，這一結(jié)果與前人眾多研究結(jié)果一致[10-11]。本研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜基質(zhì)栽培時(shí)上述酚類(lèi)物質(zhì)及總酚在基質(zhì)中的積累量低于相同連作茬次土壤中的積累量，說(shuō)明人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)栽培也可以降低某些酚類(lèi)物質(zhì)和總酚在栽培介質(zhì)中的積累。

眾多研究表明，酚類(lèi)物質(zhì)對(duì)植物的生長(zhǎng)及其抗病性具有一定的抑制作用[11-12]。本研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜連作11茬后，土壤浸提液對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用隨著連作茬次的增加而增強(qiáng)，而用人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)浸提液處理種子，種子萌發(fā)率則未見(jiàn)下降趨勢(shì)，且顯著高于同茬次土壤浸提液處理的種子萌發(fā)率。推測(cè)長(zhǎng)期連作的土壤浸提液對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用可能與其酚類(lèi)物質(zhì)積累有關(guān)；而長(zhǎng)期連作黃瓜的人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)提取液對(duì)種子萌發(fā)未表現(xiàn)抑制作用，可能與其酚類(lèi)物質(zhì)積累量較少有關(guān)。

武春成[3]研究認(rèn)為，人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)延緩黃瓜連作障礙主要有兩方面原因：一是營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)相對(duì)于土壤具有優(yōu)良的理化性狀及生物特性，能為黃瓜生長(zhǎng)提供更好的營(yíng)養(yǎng)和根區(qū)生物環(huán)境；二是連作栽培過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)理化性狀和生物學(xué)特性惡化速度相對(duì)土壤緩慢，減輕了連作對(duì)黃瓜生長(zhǎng)的影響。由本研究結(jié)果可見(jiàn)，與土壤栽培相比，人工營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)栽培可以有效減緩連作黃瓜栽培介質(zhì)的pH值下降和某些酚類(lèi)物質(zhì)的積累。