不同改良措施对连作色素万寿菊生长发育及根际土壤环境的影响

刘 皓, 安晓芹, 史宗源, 孙永民, 韩文杰

(1.新疆农业大学林学与风景园林学院,新疆乌鲁木齐 830052; 2.新疆维吾尔自治区花卉业管理中心,新疆乌鲁木齐830052;3.晨光生物科技集团莎车有限公司,新疆莎车 844700)

万寿菊(TageteserectaL.)为菊科万寿菊属一年生草本植物,应用中主要分为观赏品种、色素品种。色素万寿菊主要用于叶黄素的提取,在食品、医药、化妆品和饲料添加剂等方面应用广泛。近年来,国内外对叶黄素的需求量逐年增加,市场供不应求[1],我国色素万寿菊的种植面积也逐年扩大。但是随着种植年限的增加以及长期过量施用化肥等因素影响,色素万寿菊连作障碍问题日渐突出,主要表现为植株长势衰退,病虫害日趋严重,产量和质量降低,土壤环境劣变等。目前,连作障碍已成为制约色素万寿菊产业可持续发展的重要因素之一。研究表明,造成菊科植物连作障碍的影响因子主要包括土壤微生物区系的变化、土壤理化性质恶化、土壤酶活性改变、土壤养分失衡以及化感自毒作用等[2-4]。据报道,轮作、有机肥、秸秆还田、生物肥[5-7]均可有效改善土壤环境、提升菊花品质和产量,是克服菊科植物连作障碍的有效途径,然而关于缓解色素万寿菊连作障碍方面的研究未见报道。本研究以连作区域色素万寿菊为试材,探究不同调控措施对色素万寿菊生长发育的影响以及根际土壤环境的改良效果,以期为色素万寿菊连作障碍缓解提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与材料

试验于2021年4—9月在新疆莎车县恰热克镇库木阿格孜村(38°37′N,76°97′E)进行,种植区域海拔1 241.8 m,属大陆荒漠性气候;年平均降水量56.6 mm,年平均蒸发量2 289.5 mm;日照长,昼夜温差大,热量充足,无霜期长达220 d左右。土壤类型为灌淤土。

田间定植采用的色素万寿菊幼苗于3月初在塑料大棚内播种育苗。田间施用的菊花渣滓、颗粒有机肥、微生物菌剂均为莎车晨晓农业科技有限公司生产。其中颗粒有机肥,成分含量为有机质≥45%,N+P2O5+K2O≥20%,微生物菌剂有效活菌数≥2.0亿/mL,氮磷钾总量≥20%。基肥与追肥所采用的复合肥均为新疆新投农业科技开发有限公司生产,总养分≥45%,N、P2O5、K2O含量分别为2%、15%、5%。

1.2 试验方法

选择色素万寿菊连作7年的栽培区域和前茬为小麦的色素万寿菊轮作栽培区域设置6组处理,各处理组合及有机质、肥料用量如表1所示。

表1 各处理土壤改良及施肥方案

施有机质及基肥:春季依据表1土壤改良及施肥方案,将各处理所需的复合肥、颗粒有机肥、农家肥以及自然风干后粉碎的色素万寿菊秸秆、玉米秸秆均匀撒施在土壤表面,翻耕30 cm入土。

定植:整地起垄,垄高20 cm,宽60 cm,垄沟宽40 cm,2021年4月12日挑选长势一致的色素万寿菊幼苗定植,单垄双行错位种植,株行距为30 cm×60 cm,密度为40 500株/hm2,各处理设5个重复小区,随机区组排列,每个小区定植20株幼苗。

追肥:于现蕾期、初花期、盛花期、末花期各追复合肥1次,共计4次,每次施肥量为 150 kg/hm2,追肥方式为距离色素万寿菊根部25 cm处打穴追施。此外,微生物菌剂追肥方式为漫灌时在水流入口处均匀缓慢倒入。

定植后管理:灌溉采用大水漫灌,摘花前浇水频率为15 d 1次,6月中旬开始摘花,每采摘1次花浇1次水。

1.3 指标观测

1.3.1 生长发育指标观测 各处理随机选取10株色素万寿菊挂牌标记用于花期及农艺性状观测。

花期观测:植株现蕾后,依次记录各处理单株现蕾期(主花序开始现蕾)、初花期(10%花朵开放)、盛花期(40%花朵开放)、末花期(70%花朵开放)的持续时间。

产量测定:自初花期(6月17日)开始,每10 d统计1批次各处理单株开花数,同时,随机选取10朵花测定单花鲜质量,采用紫外-可见分光光度计法测定花朵叶黄素含量,共计测7批次,计算单花平均鲜质量、叶黄素平均含量,采用下列公式计算产量。

单株产量(t)=∑(各次单株开花数×各次单花平均鲜质量);

鲜花产量(t/hm2)=单株产量×40 500;

叶黄素产量(kg/hm2)=叶黄素含量×鲜花产量。

农艺性状观测:于盛花期(7月17日)测量各处理冠幅、株高、茎粗、叶长,采用SPAD-2便携式叶绿素测定仪测定叶绿素相对含量(SPAD值),统计植株各级分枝数、叶数,随机选取10朵花测定花径、单花干质量。

1.3.2 土壤指标测定 土壤样品采集与贮藏:生长期结束后各处理分别随机选取5株植株,将植株整株挖起并去除根系外围土,采用抖根法[8]收集须根2 mm范围内土壤,去杂,一部分土壤经自然风干、磨碎、过筛后制备成干样于4 ℃冷藏,用于测定土壤化学特性、土壤酶活性;一部分土壤鲜样在4 ℃下贮藏运输,用于测定微生物数量和类群。

土壤化学性质测定:pH值采用土∶水=1∶5酸度计法测定;含盐量采用残渣烘干-质量法测定;有机质含量采用重铬酸钾容量法测定;碱解氮含量采用碱解扩散法测定;速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。

土壤酶活性测定:脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定;过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定;蔗糖酶活性釆用3,5-二硝基水杨酸比色法测定。

土壤微生物数量统计:细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基平板表面涂布法;放线菌采用改良高氏1号琼脂培养基平板表面涂布法;真菌采用马丁氏培养基平板表面涂布法。

1.3.3 病害观测 于盛花期调查各小区色素万寿菊枯萎病、褐斑病等病害发生状况,枯萎病[9]、褐斑病[10]病害分级如表2所示,计算各处理植株发病率和病情指数。

表2 色素万寿菊主要病害分级

发病率=(染病株数/调查总株数)×100%;

病情指数=[∑(各级病株数×相应级数)/调查总株数×最高级别值]×100。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理并作图,利用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同改良措施对连作色素万寿菊生长发育的影响

2.1.1 营养生长 如表3所示,轮作处理色素万寿菊冠幅最大,达82.00 cm,极显著高于CK等5组处理,且其余处理间差异不显著,玉米秸秆还田处理冠幅最小,为61.33 cm;各处理中生物有机肥处理植株最高,达68.08 cm,轮作处理次之,为 64.58 cm,二者间无显著差异,但生物有机肥处理显著高于其余处理;茎粗以轮作处理最粗,达 22.28 cm,虽与生物有机肥处理间差异不显著,但显著或极显著粗于其余处理;各处理一级分枝数差异不大,生物有机肥处理最多,达18.83个,轮作处理最少,为16.83个,二者间差异极显著,但均与CK无显著性差异;二级分枝数、三级分枝数均为轮作处理最多,达105.00、86.67个,且均极显著多于其余处理,生物有机肥处理次之,各处理中玉米秸秆还田处理二级分枝数最少,为65.33个,显著少于生物有机肥处理,但与CK、农家肥、色素万寿菊秸秆还田等3组处理间差异不显著,各处理三级分枝数差异较大,色素万寿菊秸秆还田处理最少,为29.33个,极显著少于除玉米秸秆还田处理外的其余各组处理。

表3 不同改良措施对色素万寿菊植株生长的影响

如表4所示,色素万寿菊叶长、叶数、叶绿素相对含量均以轮作处理最大,达20.88 cm、1 699.50个、57.50,且均显著或极显著高于其余处理,生物有机肥处理次之。各处理中玉米秸秆还田处理叶最短,为17.18 cm,极显著短于生物有机肥处理,但与CK、农家肥、色素万寿菊秸秆还田等3组处理间差异不显著,叶数以2种秸秆还田处理较少,两者间虽然差异不显著,但均极显著少于其余处理;叶绿素相对含量以玉米秸秆还田处理最低,为49.47,显著或极显著低于除CK外的其余4组处理。

表4 不同改良措施对色素万寿菊叶片生长的影响

2.1.2 开花 由图1可知,各处理色素万寿菊现蕾期持续时间差异较小,在12.00～13.00 d,CK、轮作处理持续时间相等且最长,仅显著长于色素万寿菊秸秆还田处理;各处理初花期持续时间在14.17～21.83 d,色素万寿菊秸秆还田处理持续时间最长,但与CK、生物有机肥、玉米秸秆还田等3组处理间差异不显著,轮作处理持续时间最短,显著短于其余5组处理;盛花期持续时间以轮作处理最长,达52.83 d,显著长于其余各处理,而其余处理间均差异不显著;末花期持续时间亦以轮作处理最长,达27.67 d,显著长于其余处理,以玉米秸秆还田处理最短,为17.83 d,与CK和生物有机肥处理间差异不显著,显著短于其余3组处理。

如表5所示,各处理花径差异较小,轮作处理最大,达8.82 cm,显著大于CK、玉米秸秆还田处理、农家肥处理,其中CK处理最小,为8.21 cm,但与除轮作外其余处理间差异不显著;鲜质量以轮作处理最大,达15.42 g,显著大于2组秸秆还田处理,其余处理间差异不显著;干质量亦以轮作处理最大,达2.35 g,显著或极显著大于其余处理,而其余处理间差异不显著;各处理间叶黄素含量均无显著差异;开花数以轮作处理最多,达60.17个,农家肥处理次之,二者间差异不显著,但均极显著多于其余各处理,玉米秸秆还田处理开花数最少,为41.00个,极显著少于除色素万寿菊秸秆还田处理外的其余4组处理。

表5 不同改良措施对色素万寿菊植株花朵的影响

2.1.3 产量 如表6所示,各处理色素万寿菊鲜花产量、叶黄素产量均以轮作处理最高,生物有机肥处理次之,农家肥位列第3,与CK相比,3组处理的鲜花产量依次提升了47.83%、23.01%、4.86%,叶黄素产量依次提升了52.98%、21.76%、0.81%,色素万寿菊秸秆还田处理、玉米秸秆还田处理则相反,鲜花产量分别降低了1.03%、5.95%,叶黄素含量分别降低了6.35%、3.64%。

表6 不同改良措施对色素万寿菊产量的影响

2.2 不同改良措施对连作色素万寿菊根际土壤环境的影响

2.2.1 土壤化学性质 从表7可以看出,轮作处理植株根际土壤pH值为7.26,显著高于其余处理,农家肥、玉米秸秆还田处理分别为6.27、6.28,2个处理间差异不显著,但均极显著低于其余处理;土壤含盐量以农家肥处理最高,达0.299 4%,轮作处理最低,为0.099 4%,二者均与其余处理间差异极显著;生物有机肥处理的土壤有机质含量最高,达214.02 g/kg,极显著高于其余处理,而其余各处理间差异不显著;生物有机肥处理土壤碱解氮含量最高,达63.29 mg/kg,极显著高于其余处理,色素万寿菊秸秆还田处理最低,为36.77 mg/kg,显著或极显著低于其余各处理;各处理土壤速效磷含量差异相对较大,色素万寿菊秸秆还田处理最高,达 11.21 mg/kg,极显著高于其余处理,CK最低,为1.85 mg/kg,极显著低于除农家肥处理外的其余各组处理;生物有机肥处理土壤速效钾含量最高,达61.33 mg/kg,玉米秸秆还田处理最低,为 40.20 mg/kg,二者均与其余处理间差异极显著,但其余4组处理间则差异不显著。

表7 不同改良措施对色素万寿菊根际土壤化学性质的影响

2.2.2 土壤酶活性 如图2所示,轮作处理植株根际土壤脲酶活性最高,达1.72 mg/(g·24 h),显著高于其余处理,农家肥处理次之,色素万寿菊秸秆还田处理最低,为1.22 mg/(g·24 h),显著低于除CK外的其余各组处理;农家肥处理土壤过氧化氢酶活性最高,达1.28 mL/(g·h),显著高于其余处理,CK最低,为0.76 mL/(g·h),显著低于除生物有机肥处理外的其余各组处理;土壤蔗糖酶活性以玉米秸秆还田处理最高,达301.49 mg/(g·24 h),显著高于其余处理,轮作处理次之,CK最低,为136.07 mg/(g·24 h),显著低于其余处理。

2.2.3 土壤微生物数量 如表8所示,植株根际土壤细菌数量以轮作处理最多,达7.41×106CFU/g,但与玉米秸秆还田处理、生物有机肥处理间差异不显著,但三者均显著或极显著多于其余处理,色素万寿菊秸秆还田处理细菌数量为2.49×106CFU/g,极显著少于其余5组处理;土壤放线菌数量以玉米秸秆还田处理最多,达6.29×105CFU/g,但其与农家肥处理、生物有机肥处理间差异均不显著,而三者均显著或极显著多于其余处理,CK为2.87×105CFU/g,极显著少于其余5组处理;土壤真菌数量以CK最多,达8.69×104CFU/g,显著或极显著多于其余处理,农家肥处理最少,为6.14×104CFU/g,显著或极显著少于CK、轮作、色素万寿菊秸秆还田等3组处理。

表8 不同改良措施对色素万寿菊根际土壤微生物数量的影响

玉米秸秆还田处理土壤微生物总量最多,达8.08×106CFU/g,但其与轮作处理、生物有机肥处理间差异不显著,均极显著多于其余处理,色素万寿菊秸秆还田处理最少,为3.09×106CFU/g,极显著少于其余处理;土壤B/F值以轮作处理最高,达111.42,极显著高于CK和色素万寿菊秸秆还田处理,其中色素万寿菊秸秆还田处理为32.62,极显著低于其余处理。

2.3 不同改良措施对连作色素万寿菊病害发生的影响

如表9所示,玉米秸秆还田处理色素万寿菊枯萎病发病率最高,达84.12%,色素万寿菊秸秆还田处理次之,两者间差异不显著,但均显著高于农家肥和轮作处理,其中轮作处理未发生枯萎病,与其余处理间差异极显著;各处理枯萎病病情指数的差异与枯萎病发病率相似,玉米秸秆还田处理达44.56,极显著高于其余处理,色素万寿菊秸秆还田处理次之,轮作处理仅为0.00,极显著低于其余处理;褐斑病发病率以玉米秸秆还田处理最高,达99.00%,但其与CK、农家肥、生物有机肥、色素万寿菊秸秆还田等4组处理差异不显著,轮作处理仅为46.67%,极显著低于其余处理; 褐斑病病情指数以农家肥处理最高,达20.00,与CK、生物有机肥、色素万寿菊秸秆还田、玉米秸秆还田等4组处理差异不显著,轮作处理仅为9.33,极显著低于其余处理。

表9 不同改良措施对色素万寿菊病害发生的影响

3 讨论与结论

研究表明,轮作、施入生物有机肥、农家肥均可在一定程度上改善作物的连作障碍,促进植株生长,最终提升作物产量及质量[11-13]。本研究结果表明,与对照及其他处理相比,进行色素万寿菊-小麦轮作显著或极显著促进了色素万寿菊营养生长,提升了农艺性状,达到了明显的增产效果,生物有机肥处理效果次之,农家肥处理效果位列第3。另外值得注意的是,轮作处理的盛花期较对照延长了21.58 d。相反,2组秸秆还田处理特别是玉米秸秆还田处理对色素万寿菊的生长发育有不同程度的抑制作用,相比于对照,2个处理植株矮小,各级分枝数少,花朵数减少,花朵干鲜质量及鲜花产量降低,最终叶黄素产量分别下降6.35%和3.64%。这与苹果连作障碍修复研究中万寿菊秸秆施用量过大不利于苹果幼苗生长的结果[14]相似。同样,据报道,玉米秸秆腐解液中的苯甲酸、对羟基苯甲酸等化感物质对玉米幼苗造成了逆境胁迫,抑制植株生长并加速植株衰老[15]。但也有相关研究表明,玉米、万寿菊秸秆对连作辣椒的生长具有促进作用[16]。因此,推测色素万寿菊秸秆、玉米秸秆对色素万寿菊生长发育产生抑制作用的原因可能源于化感作用,但其生理效应与秸秆用量、色素万寿菊发育阶段之间的关系有待进一步研究。

土壤酸化是引起连作障碍的主要原因之一。肖新等研究表明,菊麦轮作可在一定程度上提高连作土壤pH值,对减轻连作障碍具有积极作用[17]。本试验中,与对照相比,轮作处理同样极显著提高了土壤pH值,但农家肥和玉米秸秆还田处理则极显著降低了土壤pH值。这与赵凤艳等得出的施入牛粪后降低连作土壤pH值的研究结果[18]一致。

土壤有机质是评价土壤肥力高低的重要指标之一。本试验中,采用菊花渣滓还田结合基施颗粒有机肥的生物有机肥处理,不仅较对照极显著提高了土壤有机质含量以及碱解氮、速效磷、速效钾含量,这与柳玲玲等的研究结果[19]一致。并且其提高土壤有效养分的改良效果整体优于农家肥及2种秸秆还田处理,今后可作为色素万寿菊栽培中提高土壤肥力的推荐措施。此外,2组秸秆还田处理土壤速效磷含量均极显著高于其他处理,但色素万寿菊秸秆还田处理的碱解氮含量以及玉米秸秆还田处理的速效钾含量却显著或极显著低于其他处理,这可能与植物秸秆由于本身碳氮比较高,在腐熟降解时会消耗氮素等速效养分从而降低土壤的氮元素含量[20],今后使用中应注意补充氮素等速效养分。

土壤酶参与土壤的物质循环,其活性是表征土壤质量的重要指标。本试验中不同改良措施特别是轮作、农家肥处理对土壤中脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均起到一定程度的提升作用,这与肖新等[11]、施娴等[21]的研究结果一致。值得注意的是,本试验中色素万寿菊秸秆还田后土壤脲酶活性有降低趋势,高晶霞等也指出万寿菊秸秆对土壤脲酶有降解作用[16],进一步推测较低的脲酶活性也是施入色素万寿菊秸秆后土壤碱解氮含量不高的原因之一。

土壤微生物发生改变是导致连作障碍的重要原因,作物连作后土壤微生物区系比例失衡,多样性降低,导致地力衰竭,土壤肥力变差,研究普遍认为这种失衡表现为土壤细菌、放线菌数量减少,真菌数量增多,土壤从细菌型向真菌型转化,因此土壤细菌与真菌数量的比值被认为是表征土壤健康的重要指标[22-25]。本试验轮作、生物有机肥、农家肥以及玉米秸秆还田处理均显著提高土壤细菌、放线菌数量,同时显著降低真菌数量,显著增大土壤B/F值,改善了连作色素万寿菊土壤环境。但是色素万寿菊秸秆还田后土壤细菌数量和微生物总量却显著下降,其土壤B/F值较对照降低了50.52%,可进一步探讨色素万寿菊秸秆中的化感物质是否会对土壤有益微生物产生抑制效应,进而发生自毒作用。

本试验中轮作处理植株抗病性最强,不但极显著降低了褐斑病的发病率和病情指数,且未见枯萎病发生,农家肥处理虽然未降低枯萎病发病率但显著降低了其病情指数,而玉米秸秆还田后却提高了枯萎病病情指数,其余处理植株2种病害发生状况与对照接近,并未发挥提升植株抗病性的积极作用。但也有研究表明,施入生物有机肥促进了土壤有益微生物的生长,改善了土壤生态环境,有效缓解了西瓜枯萎病和番茄青枯病的发生[26-27],可进一步筛选对色素万寿菊枯萎病和褐斑病具有防治效果的生物有机肥。

轮作、生物有机肥和农家肥处理不同程度提高了土壤酶活性,增加了土壤微生物数量,平衡了微生物区系,提升了土壤肥力及速效养分,从而促进了色素万寿菊的生长发育,实现了增产增收,其中色素万寿菊—小麦轮作处理改良效果最优,起到缓解色素万寿菊连作障碍的作用。