輪作模式對日光溫室土壤特性影響的研究

王文嬌，曹晶晶，呂思琪，李梅蘭，侯雷平

(山西農業大學 園藝學院，山西 太谷 030801)

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輪作模式對日光溫室土壤特性影響的研究

王文嬌，曹晶晶，呂思琪，李梅蘭，侯雷平*

(山西農業大學 園藝學院，山西 太谷 030801)

[目的]篩選可有效緩解土壤鹽漬化及改善土壤酶活性的輪作模式。[方法]本試驗以不同輪作模式的溫室土壤為研究對象，分析土壤的pH值、EC值及4種主要酶(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶(酸性、堿性)、過氧化氫酶)的酶活性。[結果]4種輪作模式中，茄子-番茄-草莓輪作模式的土壤pH值最高且土壤EC值最低，表明這種輪作模式緩解土壤的鹽堿化程度的效果較好；不同輪作模式的4種土壤酶的酶活性各不相同，其中茄子-番茄-草莓輪作模式的溫室土壤的酶活性均較高，與深土層相比，溫室淺土層的土壤酶活性較高。[結論]比較幾種輪作模式，茄子-番茄-草莓輪作有利于降低土壤鹽漬化程度，土壤酶活性也保持在一定水平，可作為較為理想的短期輪作模式。

日光溫室； 輪作； 土壤酶活性； pH； EC

連作障礙作為各個作物生產中都會發生的一種危害，已成為世界性難題，給農業生產造成了嚴重損失[1]。不同作物間輪作是連作障礙的最佳防范措施[2]。輪作可有效改善連作引起土壤養分不均衡、酶活改變和土壤理化性狀不良。

土壤次生鹽漬化是導致設施土壤連作障礙的原因之一[3,4]。土壤pH值和EC值是評價土壤鹽漬化的直接指標。土壤pH值與土壤中營養元素能否被植物吸收利用密切相關。EC值表示溶液中的可溶性鹽濃度，其值越高表示土壤鹽漬化越嚴重，根系受到的傷害越大。景宇鵬等研究表明，土壤的鹽漬化程度是影響土壤酶活性的關鍵因素之一[5]。土壤酶的主要來源是土壤微生物及土壤中原生動物的分泌物，是土壤中有機物轉化的重要的催化劑[6]。土壤酶活性是反映土壤肥力的一項重要指標，酶活性較高的土壤，其生化過程較活躍、生產性能也較好[7,8]。土壤中脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶等活性水平，以及酶活性之間的關系對于評價土壤肥力有著重要意義[9]。前人研究表明，土壤中脲酶、過氧化氫酶以及磷酸酶的酶活性提高會顯著增加黃瓜產量[10]。其中，脲酶的酶促反應產物可以供給植物利用的氮源，其活性可以用來表征土壤的供氮能力[11]。蔗糖酶屬于水解酶類，它參與碳水化合物的轉化，其酶促反應產物可以為植物、微生物提供碳源[7]；土壤蔗糖酶的酶活性在一定程度上反映了土壤的呼吸強度[11]。磷酸酶的作用是參與進入土壤中或累積在土壤中的含磷化合物的磷素循環，其酶促作用的產物是有效磷，為植物提供磷素營養源[7],其活性能夠表示土壤的有機磷的轉化狀況及其生物有效性，反映土壤中的磷素營養狀況[11]。過氧化氫酶作為氧化還原酶中的一種，其活性與土壤中腐殖質化強度相關，同時與土壤中的有機質的轉化速度有著密切關系[7]。

為了篩選出可有效緩解土壤鹽漬化及改善土壤酶活性的輪作模式，于2015 年4月對4種不同輪作模式的溫室土壤以及露地土壤進行取樣，分析土壤的pH值、EC值以及4種主要酶的酶活性，旨在為緩解日光溫室土壤鹽漬化，生產提質增效提供參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以4種輪作模式(I西葫蘆-番茄-黃瓜輪作、II黃瓜-草莓-番茄輪作、III茄子-番茄-草莓輪作、IV西葫蘆-番茄-茄子輪作)的種植土壤為供試土壤，并利用露地土壤作為對照(CK)進行土壤分析測定。供試黃瓜品種為“98”，番茄品種為“北斗皇妃”，草莓品種為“紅顏”，茄子品種為“盛園一號”，西葫蘆品種為“冬圣”。

1.2 試驗地點

本試驗于2015 年4月在山西省呂梁市交城縣宏禾園中的7號(西葫蘆-番茄-黃瓜輪作)、15號(黃瓜-草莓-番茄輪作)、29號(茄子-番茄-草莓輪作)、37號(西葫蘆-番茄-茄子輪作)日光溫室內進行，溫室為鋼架結構，長88 m，跨度9 m，脊高3.8 m，種植年限為5年，連續采用相同的輪作模式。

1.3 試驗方法

土壤采集采用S型五點取樣法，分別在露地土壤及四個輪作模式的溫室中取樣。每個取樣點分別選取0～20 cm、20～40 cm土層的土樣。將土樣中的碎石塊、植物根系等雜物剔除，待土樣自然風干后，用100目篩子過篩備用。

土壤pH用雷磁 PHS-3C pH儀(水土比2.5∶1)測定。

土壤EC值用實驗室臺式電導率測試儀(水土比5∶1)測定。

土壤脲酶活性運用苯酚鈉比色法測定[12]。

土壤蔗糖酶活性運用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[10]。

土壤磷酸酶活性運用磷酸苯二鈉比色法測定[12]。

土壤過氧化氫酶活性測定采用紫外分光光度法，酶活性以20 min內每克土壤分解的過氧化氫的毫克數表示[12]。

1.4 數據分析

本試驗由Excel軟件處理試驗數據并繪圖，采用SAS 軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式土壤pH值及EC值比較

由表1可見，4種輪作模式的土壤pH值均低于露地土壤。露地土壤在0～20 cm土層和20～40 cm土層的pH值顯著高于西葫蘆-番茄-黃瓜輪作、西葫蘆-番茄-茄子輪作，與其它2個輪作模式差異不顯著。不同土層深度相比，0～20 cm土層的pH值均比20～40 cm土層低。4個模式輪作土壤pH相比，黃瓜-草莓-番茄輪作和茄子-番茄-草莓輪作在0～20 cm土層和20～40 cm土層中土壤pH值均高于其它2種輪作模式。

4種輪作模式的土壤EC值均高于露地土壤。0～20 cm土層，西葫蘆-番茄-黃瓜輪作、西葫蘆-番茄-茄子輪作、茄子-番茄-草莓輪作、黃瓜-草莓-番茄輪作的土壤EC值分別為露地土壤的3.33倍、2.35倍、1.63倍、1.57倍。20～40 cm土層，西葫蘆-番茄-黃瓜輪作、西葫蘆-番茄-茄子輪作、黃瓜-草莓-番茄輪作、茄子-番茄-草莓輪作的土壤EC值分別為露地土壤的2.56倍、1.99倍、1.87倍、1.30倍。不同土層深度相比，0～20 cm土層土壤EC值均比20～40 cm土層高。4種輪作模式的土壤EC值相對比，西葫蘆-番茄-黃瓜輪作土壤EC值極顯著高于其它輪作模式。

表1 供試土壤pH值及EC值

注：CK為對照，表中大寫字母和小寫字母分別表示1%和5%水平的差異顯著性

Note：CK is control, different capital letters and case letters show significant difference at the 0.01 and 0.05 level in the same row

綜合來看，4種輪作模式的土壤均為微堿性。4種輪作模式的土壤EC值均比露地土壤高，其中西葫蘆-番茄-黃瓜輪作的土壤鹽漬化程度最高，西葫蘆-番茄-茄子輪作次之。黃瓜-草莓-番茄輪作和茄子-番茄-草莓輪作的土壤鹽漬化程度較低。

2.2 不同輪作模式下土壤酶活性比較

2.2.1 土壤脲酶活性

不同輪作模式土壤的脲酶活性如圖1所示。與露地土壤相對比，在0～20 cm土層中， 黃瓜-草莓-番茄輪作的土壤脲酶活性比露地土壤低，其余3種輪作模式的土壤脲酶活性比露地土壤高。西葫蘆-番茄-茄子輪作的土壤脲酶活性顯著高于露地土壤。20～40 cm土層中，西葫蘆-番茄-黃瓜輪作模式低于露地土壤，其余3種輪作模式的脲酶活性高于露地土壤。其中茄子-番茄-草莓輪作、西葫蘆-番茄-茄子輪作的土壤脲酶活性極顯著高于露地土壤。

圖1 不同輪作模式土壤脲酶活性Fig.1 Urease activity of different rotation patterns 注: 柱上大寫字母和小寫字母分別表示1%和5%水平的差異顯著性。下同Note：Different capital letters and case letters show significant difference at the 0.01 and 0.05 level. The same below

不同土層深度相對比，0～20 cm土層的脲酶活性均比20～40 cm土層的高。

綜合來看，茄子-番茄-草莓輪作與西葫蘆-番茄-茄子輪作的土壤脲酶活性較高，反映出這兩個溫室的土壤的供氮能力較高。

2.2.2 土壤蔗糖酶活性

由圖2可見，與露地土壤相對比，在0～20 cm土層中，茄子-番茄-草莓輪作模式中的土壤蔗糖酶活性極顯著高于露地土壤，其余3個溫室蔗糖酶活性低于露地土壤。在20～40 cm土層中，茄子-番茄-草莓輪作和西葫蘆-番茄-茄子輪作土壤蔗糖酶活性極顯著高于露地土壤，西葫蘆-番茄-黃瓜輪作和黃瓜-草莓-番茄輪作低于露地土壤。

圖2 不同輪作模式土壤蔗糖酶活性Fig.2 Invertase activity of different rotation patterns

不同土層深度相對比，0～20 cm土層的土壤蔗糖酶活性均比20～40 cm土層的高。

綜合來看，茄子-番茄-草莓輪作的蔗糖酶活性最高，反映出其土壤的呼吸強度最高，而黃瓜-草莓-番茄輪作的蔗糖酶活性最低，反映出其土壤的呼吸強度最低。

2.2.3 土壤磷酸酶活性

由圖3可見，與露地土壤相對比，0～20 cm土層中，茄子-番茄-草莓輪作、西葫蘆-番茄-黃瓜輪作和西葫蘆-番茄-茄子輪作的酸性磷酸酶活性極顯著高于露地土壤。露地土壤酸性磷酸酶活性極顯著高于黃瓜-草莓-番茄輪作。20～40 cm土層中，4個溫室土壤的酸性磷酸酶活性均高于露地土壤。西葫蘆-番茄-茄子輪作、西葫蘆-番茄-黃瓜輪作和茄子-番茄-草莓輪作土壤酸性磷酸酶活性極顯著高于露地土壤。黃瓜-草莓-番茄輪作溫室土壤酸性磷酸酶活性顯著高于露地土壤。

圖3 不同輪作模式土壤酸性磷酸酶活性Fig.3 Acid phosphatase activity of different rotation patterns

不同土層深度相對比，0～20 cm土層的酸性磷酸酶活性均比20～40 cm土層的高。

綜合來看，黃瓜-草莓-番茄輪作溫室的土壤酸性磷酸酶活性最低，反映出該土壤的磷素營養狀況較其他溫室低。

由圖4可見，與露地土壤相對比，0～20 cm土層中， 西葫蘆-番茄-黃瓜輪作土壤的堿性磷酸酶活性極顯著高于露地土壤。露地土壤堿性磷酸酶活性顯著高于黃瓜-草莓-番茄輪作。20～40 cm土層中， 西葫蘆-番茄-黃瓜輪作、西葫蘆-番茄-茄子輪作土壤堿性磷酸酶活性極顯著高于露地土壤，茄子-番茄-草莓輪作土壤堿性磷酸酶活性顯著高于露地土壤。黃瓜-草莓-番茄輪作土壤的堿性磷酸酶活性與露地土壤差異不顯著。

圖4 不同輪作模式土壤堿性磷酸酶活性Fig.4 Alkaline phosphatase activity of different rotation patterns

不同深度土層相比，0～20 cm土層的堿性磷酸酶活性均比20～40 cm土層的較高。

綜合來看，西葫蘆-番茄-黃瓜輪作的堿性磷酸酶活性最高，反映出該輪作模式的土壤磷素營養狀況較高，而黃瓜-草莓-番茄輪作的堿性磷酸酶活性最低，反映出該溫室土壤的磷素營養狀況較低。

2.2.4 土壤過氧化氫酶活性

由圖5可見，與露地土壤相對比，0～20 cm土層中，露地土壤的過氧化氫酶活性極顯著高于西葫蘆-番茄-茄子輪作。20～40 cm土層中，露地土壤的過氧化氫酶活性極顯著高于西葫蘆-番茄-茄子輪作和西葫蘆-番茄-黃瓜輪作，顯著高于黃瓜-草莓-番茄輪作。

圖5 不同輪作模式土壤過氧化氫酶活性Fig.5 Catalase activity of different rotation patterns

不同深度土層相比，黃瓜-草莓-番茄輪作溫室0～20 cm土層比20～40 cm土層高。而其他3種輪作模式的過氧化氫酶活性在0～20 cm土層均比20～40 cm土層低。

綜合來看，西葫蘆-番茄-茄子輪作和西葫蘆-番茄-黃瓜輪作的過氧化氫酶活性較低，反映出其溫室土壤有機質的轉化速度相對較慢。

3 討論與結論

輪作在一定程度上可降低土壤鹽漬化，其原理是利用不同作物對養分的需求不同，從而可以均衡土壤養分，避免單一鹽分的大量積累[13]。由于不同植物根系生長所需的適宜土壤pH值和吸收利用的養分不同，可能導致所測得的4種輪作模式土壤與露地土壤pH及EC值不同。由結果可以看出，茄子-番茄-草莓的輪作模式在一定程度上可避免土壤次生鹽漬化的發生。

4種輪作模式的土壤酶活性各不相同。每個輪作模式下0～20cm土層的土壤酶活性(除過氧化氫酶外)比20～40cm土層的土壤酶活性高。其中茄子-番茄-草莓輪作模式的溫室土壤的酶活性均較高，反映出該溫室土壤的肥力狀況較高，土壤質量較好。西葫蘆-番茄-黃瓜輪作模式(除堿性磷酸酶活性最高外)和西葫蘆-番茄-茄子輪作模式(除過氧化氫酶活性最低外)的土壤酶活性次之。黃瓜-草莓-番茄輪作模式土壤的酶活性除過氧化氫酶活性最高外，其余3種酶的活性均較低，反映出該輪作模式的土壤肥力狀況較低，土壤質量較差。土壤酶主要來源于土壤中的植物根系分泌、土壤中微生物的分解以及動植物殘體的分解等[14]。土壤酶是一個非常復雜的系統，對其活性的影響因素(如土壤理化性質，土壤微生物、動物，土壤類型，農業管理措施等)也較復雜[15]。有研究認為土壤空氣狀況對土壤酶活性有直接影響[16]，本研究中溫室淺土層土壤酶活性比深土層高，可能是淺層土壤中的空氣較深層充足所致。何君研究認為，土壤中酶的種類和活性受栽培作物的種類影響，由于植物種類不同，根系、微生物種群及數量不同，從而導致土壤中酶的種類及活性也不同[6]，這與本試驗結果一致。茄子-番茄-草莓輪作模式的土壤酶活性較高，其原因可能是相對于其他作物，草莓的根系、微生物種群及數量豐富，使得種植草莓土壤中的酶活性較高。

輪作是防治設施蔬菜連作障礙的有效方式之一[17,18]，針對目前設施蔬菜土壤鹽堿化的生產現狀，可以在采用輪作栽培方式下，采用生態肥與有機肥配合施用的方法來增強土壤中關鍵酶的活性，改良土壤微生態環境[11,19～21]；同時采取病蟲害綜合防控、改進栽培制度等措施以提高作物產量，增加收益。

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(編輯：梁文俊)

Effects of crop rotation on soil characteristics of solar greenhouse

Wang Wenjiao, Cao Jingjing, Lv Siqi, Li Meilan, Hou Leiping*

(CollegeofHorticulture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective] In this experiment, the samples of greenhouse soil in different crop rotations were studied to identify the rotation that could effectively alleviate soil salinization and improve soil enzyme activities. [Methods] The pH , EC and activities of 4 main enzymes (urease, sucrose, phosphatase (acid, alkaline), and catalase) of soil were analyzed. [Results] Among four rotations, soil from tomato and strawberry rotation had the highest pH and the lowest EC, which indicated that this rotation could alleviate soil salinization. Enzyme activities differed between each rotation. The soil from tomato and strawberry rotation had superior enzyme activities that were higher in shallow layer than in deep layer. [Conclusion] Comparing these rotations, we identified that tomato and strawberry rotations were conducive to reduce soil salinity and keep soil enzyme activities at a certain level, so it could be used as an ideal short-term rotation system.

Solar greenhouse, Rotation, Enzyme activities of soil, pH, EC

2017-03-05

2017-06-17

王文嬌(1988-)，女(漢)，山西太原人，講師，博士，研究方向：設施園藝蔬菜栽培

*通信作者：侯雷平，教授，Tel：0354-6289929；E-mail：sxndhlp@126.com

山西省農業科技攻關項目(20150311010-2)；山西省煤基重大科技攻關資助項目(FT201402)；山西農業大學博士科研啟動項目(2015YJ14)

S151.9+2

A

1671-8151(2017)09-0644-05