马铃薯是位列水稻、小麦及玉米之后的世界第四大粮食作物^[1]。相较于其他粮食作物，马铃薯适应性较强，能够广泛种植，因而成为贫困地区促进粮食生产和脱贫致富的优势农作物。甘肃省马铃薯种植面积占全国总种植面积的14%，是全国重要的马铃薯种薯、商品薯生产基地以及淀粉加工基地^[2-3]，由于有限的农耕面积和马铃薯集约化生产，连作种植越来越广泛。长期连作会使土壤微生物群落多样性降低、生物学环境恶化、养分比例失调，从而影响作物生长发育及产量^[4-5]。因此，探索如何有效减轻马铃薯连作障碍，提高马铃薯产量及品质已迫在眉睫。

藜麦具有完美的氨基酸组成和丰富的矿物质营养^[6]，不含胆固醇，低脂、低糖、低热量，已成为三高人群、糖尿病患者、孕婴的理想食品^[7-8]。近年来，随着人们对藜麦的关注和深入的研究，证明藜麦具有良好的耐寒、耐旱、耐盐碱等特性^[9-13]，这与甘肃省气候干旱、土壤偏碱性、贫瘠、昼夜温差大的环境条件相适应^[14]。玉米是甘肃省重要的第二大经济粮食作物，近年来，全省玉米种植面积和产量连年攀升，2014年全膜玉米面积达到100.87万hm²，总产量达到577.15万t^[15]，可见藜麦及玉米已成为甘肃重要的粮食和经济作物。已有研究发现，轮作是缓解土壤连作障碍的有效措施：王丽红等^[16]和Trabelsi等^[17]分别用小麦、豌豆以及菜豆、大豆与连作马铃薯进行轮作，探究其对于连作马铃薯田土壤微生物菌群及酶活性的影响；徐雪风等^[18]研究了轮作油葵对马铃薯生长发育及抗性生理的影响，但关于轮作藜麦和玉米对连作马铃薯根际土壤微环境改良作用的研究鲜见报道。国内目前尚无关于轮作藜麦和玉米对马铃薯田土壤与根系互作机制的相关研究。

本试验针对甘肃省景泰县马铃薯大田的生产现状，将藜麦和玉米作为轮作作物用于马铃薯连作的调控措施，通过测定马铃薯根际土壤与根系生理的相关指标，探究轮作藜麦、玉米对马铃薯生长发育的影响机制，以期为减轻马铃薯连作障碍、筛选较好的轮作模式提供理论依据，进一步优化马铃薯田间管理技术。

试验用马铃薯（Solanum tuberosum L.）品种为“大西洋”；藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）品种为“条藜2号”；玉米（Zea mays L.）品种为“正德305”。试验地土壤类型为灰钙土。

试验田于2015年、2016年种植马铃薯。2017年将试验田分为3块，分别连作马铃薯、轮作藜麦和轮作玉米。马铃薯播种的株距35 cm，每垄行距40 cm，垄宽20 cm，播种密度约为每公顷56 250株；藜麦播种密度每公顷6 kg；玉米定苗后的密度在每公顷60 000株左右。采用相同的施肥措施和大田管理方法，通过滴灌及土壤水分检测系统自动补水，将土壤含水量控制在适宜范围内。于2018年4月底全部种植马铃薯种薯，种植及管理与2017年连作马铃薯相同。连作马铃薯记做“M”；前茬轮作藜麦记做“L”；前茬轮作玉米记做“Y”，通过滴灌控制土壤含水量在相同水平，正常施肥，直至生长发育期结束。连作马铃薯、前茬藜麦、前茬玉米均设3个小区，小区面积4 m×8 m=32 m²。

于2018年4月底播种种薯前，在连作马铃薯、轮作玉米、轮作藜麦的各小区同时取土样，各小区随机选5个取样点，采用分层取样法，各取3个土层0~15 cm、15~30 cm、30~45 cm，测定土壤理化性质及生物学性质。

2018年7月中旬取各处理马铃薯植株，各小区分别取6株带回实验室，测定根系的生长发育指标以及根系生理指标。收获前测定马铃薯株高、茎粗、分支数及块茎产量。

参照鲍士旦^[19]的方法，土壤pH采用酸度计法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼蓝比色法测定。

脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，结果以24 h后每克土壤（干物质量）中NH₄⁺-H的毫克数表示^[20]；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，其活性以每克土所消耗的0.1 mol·L^–1 KMnO₄溶液的毫升数表示^[20]；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠法测定，结果以24 h后每克土壤中释放出酚的毫克数表示^[20]；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，以24 h后每克土葡萄糖毫克数表示^[20]。

土壤微生物数量测定参照文献[21]的方法，微生物数量计算公式：菌数/土重=（同一稀释度N次重复的菌落平均数×稀释倍数）/土干重。

参照Spychalla和Desborough^[22]的方法，测定超氧阴离子产生速率、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性和过氧化氢酶（CAT）活性，以及脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量。

使用根系扫描仪（EPSON Perfection V700 Photo/V750 Pro，日本）和Win-RHIZO^TM 2008a根系图像分析软件对各处理的根系分别进行扫描和形态指标的分析^[23]。

在收获时进行以下生长发育指标测定：株高采用卷尺测量；茎粗采用游标卡尺测量马铃薯近地面处地上茎的直径；地上部及根系干物质量（以单株计算）、块茎产量以电子天平称量。

利用SPSS 19.0统计分析软件进行数据差异显著性进行分析，采用邓肯（Ducan）法进行各指标间差异的显著性比较；采用Excel 2013软件处理数据并绘图。

由表 1可知，3种处理下的土壤pH随土层加深呈增大趋势，连作马铃薯土壤pH整体上高于轮作藜麦和玉米。轮作藜麦、玉米在一定程度上增加了土壤中有机质、碱解氮和有效磷含量。3个土层中，有机质和有效磷含量在15~30 cm土层最高，在轮作藜麦、玉米处理下有机质含量较连作分别增加了3.67%、5.39%，有效磷含量在轮作藜麦、玉米处理下分别较连作增加了3.05%、18.69%；碱解氮含量在0~15 cm土层最高，轮作藜麦、玉米较连作分别增加了7.02%、17.06%。整体上，轮作玉米的效果最佳。

表 1 Table 1

表 1 不同种植模式下的土壤理化性质 Table 1 Soil physical and chemical properties relative to planting pattern 处理 Treatment 土层 Soil lay/cm pH 有机质 Organic matter /（g·kg–1） 碱解氮 Alkaline N /（mg·kg–1） 有效磷 Available P /（mg·kg–1） M 0~15 8.13±0.25Ba 29.89±0.04Cb 69.77±2.88Ab 16.49±0.81Aa 15~30 8.32±0.08ABa 36.77±0.27Ac 57.05±2.62Bb 18.48±1.47Ab 30~45 8.61±0.06Aa 31.56±0.26Bc 28.23±2.58Cc 9.28±0.90Bb L 0~15 7.78±0.05Ba 31.89±0.21Ca 74.67±3.30Ab 19.21±1.38Aa 15~30 7.56±0.02Bb 38.12±0.09Ab 64.75±1.43Bb 19.04±1.51Ab 30~45 8.47±0.02Ab 32.51±0.09Bb 38.50±2.86Cb 11.37±1.32Bab Y 0~15 7.29±0.01Bb 33.33±1.03Ca 81.67±1.19Aa 21.25±0.63Ba 15~30 7.34±0.06Bc 38.75±0.27Aa 73.50±4.95Ba 21.93±0.73Aa 30~45 8.17±0.06Ac 35.78±0.34Ba 49.82±1.95Ca 14.63±1.25Ca 注：表中“M”表示连作马铃薯处理，“L”、“Y”分别表示轮作藜麦、玉米；不同小写字母表示相同土层下不同轮作处理间指标差异显著（P < 0.05），不同大写字母表示相同轮作处理不同土层间指标差异显著（P < 0.01）。下同。Note：In the table，“M” stands for mono-cropping of potato，and “L” or “Y” for rotation of potato with quinoa or maize. Different lowercase letters in the table indicate significant differences between the treatments in the same soil layer（P < 0.05）and different uppercase letters does significant difference between soil layers（P < 0.01）under the same rotation pattern. The same below.

表 1 不同种植模式下的土壤理化性质 Table 1 Soil physical and chemical properties relative to planting pattern

轮作藜麦、玉米均提高了马铃薯土壤中碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶及过氧化氢酶活性（图 1a）~图 1d）），整体上，除了连作马铃薯时蔗糖酶活性随着土壤深度加深持续降低，4种土壤酶在3个土层均为先升高后降低的变化趋势，在15~30 cm土层活性最高。在15~30 cm土层中，轮作藜麦、玉米处理的碱性磷酸酶活性较连作处理分别提高了15.29%、47.78%（图 1a））；轮作藜麦、玉米处理的脲酶活性较连作提高了42.54%、73.75%（图 1b））；轮作藜麦、玉米处理的蔗糖酶活性较连作提高了48.87%、164.2%（图 1c））；轮作藜麦、玉米处理的过氧化氢酶活性分别较连作提高了26.89%、64.99%（图 1d））。整体上，轮作玉米对4种土壤酶活性的促进效果最明显。

注：图中不同小写字母表示相同土层下不同轮作处理间指标差异显著（P < 0.05），不同大写字母表示相同轮作处理不同土层间指标差异显著（P < 0.01）。下同。  Note:Different lowercase letters in the figure indicate significant differences between the treatments in the same soil layer(P < 0.05), and different uppercase letters does significant difference between soil layers(P < 0.01)under the same rotation treatment. The same below. 图 1 不同种植模式下土壤酶活性 Fig. 1 Soil enzymes activities relative to planting pattern

由表 2可知，相较于连作马铃薯，轮作藜麦及轮作玉米处理下土壤根际细菌数量和放线菌数量均有明显增加。三种不同处理下，细菌、放线菌数量皆在15~30 cm土层有最大值。15~30 cm土层中，细菌、放线菌数量在轮作藜麦处理中较连作马铃薯分别提高了97.35%、34.01%；轮作玉米处理的细菌和放线菌数量较连作分别提高了201.8%、58.50%。从表中可知，轮作藜麦及玉米整体降低了土壤真菌数量，且在15~30 cm土层降低幅度最大，轮作藜麦和玉米处理的真菌数量较连作马铃薯分别降低了29.63%、48.15%。土壤肥力大小可用细菌与真菌的比值（B/F）表示，从表 2可以看出，随着土层加深，B/F值呈先升后降趋势，三种处理均在15~30 cm土层达到峰值，在此土层中，轮作藜麦、玉米处理B/F值分别为连作的2.80倍、5.82倍。整体上，轮作玉米处理对于连作马铃薯土壤的改善作用最好。

表 2 Table 2

表 2 不同种植模式下土壤微生物数量 Table 2 Population of soil microorganisms relative to planting pattern 处理 Treatment 土层 Soil layer /cm 真菌 Fungi /（103 CFU·g–1 DW） 细菌 Bacteria /（106 CFU·g–1 DW） 放线菌 Actinomycetes /（105 CFU·g–1 DW） 细菌/真菌 Bacteria/Fungi（B/F） M 0~15 7.01±1.03Aa 0.87±0.04Bc 1.23±0.14Bc 124.2±64.0ABc 15~30 8.14±0.65Aa 1.14±0.15Ac 1.48±0.07Ac 134.0±12.8Ac 30~45 2.14±0.22Ba 0.23±0.21Ca 0.83±0.07Cb 108.0±98.1Bb L 0~15 6.25±0.58Aa 1.63±0.12Bb 1.55±0.12Bb 260.8±61.3Bb 15~30 5.77±1.12Ab 2.23±0.11Ab 1.98±0.17Ab 386.5±77.1Ab 30~45 1.71±0.35Ba 0.38±0.12Ca 0.99±0.11Ca 216.4±9.9Cb Y 0~15 5.14±0.62Ab 2.18±0.04Ba 1.80±0.10Ba 423.0±41.1Ba 15~30 4.24±0.32Ac 3.41±0.12Aa 2.33±0.12Aa 806.2±57.1Aa 30~45 1.38±0.28Ba 0.44±0.07Ca 1.03±0.06Ca 318.9±52.0Ca

表 2 不同种植模式下土壤微生物数量 Table 2 Population of soil microorganisms relative to planting pattern

由图 2可知，轮作藜麦、玉米后O₂^·-产生速率明显下降，轮作藜麦和轮作玉米处理分别较连作处理下降了24.06%和52.53%（图 2a）），说明轮作藜麦、玉米可以降低连作马铃薯O₂^·-产生速率。连作马铃薯幼苗根系MDA含量显著高于轮作处理，轮作藜麦和玉米处理的MDA含量较连作处理分别降低了24.06%和52.53%，轮作玉米处理下马铃薯根系MDA含量下降幅度明显较轮作藜麦高，马铃薯幼苗根系受伤害较轻（图 2b））。

图 2 不同种植模式下马铃薯根系超氧阴离子产生速率和丙二醛含量 Fig. 2 Superoxide anion production rate and malondialdehyde(MDA)content in potato root system relative to planting pattern

SOD是一种源于生命体的活性物质，能够催化超氧阴离子发生歧化反应，生成H₂O₂和O₂，是抵御氧自由基造成生物体氧化损伤的第一道防线；CAT和POD主要的作用是清除不同细胞中积累的H₂O₂。由图 3可知，轮作藜麦、玉米均提高了SOD、POD和CAT活性，轮作藜麦、玉米处理SOD活性较连作处理分别提高了64.72%、91.94%（图 3a））；轮作藜麦、玉米处理POD活性较连作分别提高了18.71%、45.81%（图 3b））；轮作藜麦和轮作玉米处理较连作处理的CAT活性分别提高了101.5%和135.3%（图 3c））。总体而言，轮作玉米对连作马铃薯幼苗根系抗氧化酶活性提升较为显著。

图 3 不同种植模式下马铃薯根系抗氧化酶活性 Fig. 3 Antioxidant enzyme activity(SOD:Superoxide dismutase, POD:Peroxidase, CAT:Catalase)of the potato root system relative to planting pattern

由图 4可知，轮作藜麦、玉米均提高了马铃薯根系脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和可溶糖含量，但提升效果不同。轮作藜麦、玉米处理的脯氨酸含量较连作分别增加了77.71%、138.2%（图 4a））；轮作藜麦处理的可溶性蛋白含量和可溶糖含量分别较连作增加了49.70%和14.52%，轮作玉米处理的可溶性蛋白含量和可溶糖含量分别较连作增加了121.23%和35.44%（图 4b）、图 4c））。可以看出，轮作能够增强马铃薯根系渗透调节功能，且轮作玉米的调节能力最好。

图 4 不同种植模式下马铃薯幼苗根系渗透调节物质含量 Fig. 4 Content of osmosis regulating substances in potato root system relative to planting pattern

由表 3可知，连作马铃薯的总根长、根表面积、根体积、根平均直径、根尖数均较轮作低，轮作对连作马铃薯根系生长发育的促进效果明显。轮作藜麦、玉米处理的马铃薯总根长分别较连作提高了32.90%、125.9%；轮作藜麦处理的马铃薯根表面积、根体积及根平均直径分别较连作提高了122.1%、38.74%、46.29%，而轮作玉米较连作提高了163.4%、73.68%、126.8%；马铃薯根系根尖数在轮作藜麦、玉米处理下较连作分别增加了58.80%、104.2%。以上数据表明，轮作藜麦、玉米对于提升马铃薯根系的空间分布具有明显促进作用，而根系在土壤的空间分布影响着根系吸收土壤中养分和水分的能力。整体上，轮作玉米处理根系生长发育较好。

表 3 Table 3

表 3 不同种植模式下马铃薯根系形态 Table 3 Potato root morphology relative to planting pattern 处理 Treatment 总根长 Total root length/cm 根表面积 Surface area/cm2 根体积 Volume/cm3 平均直径 Average diameter/mm 根尖数 Root tip number M 1 791±151c 386.1±45.7c 13.97±1.64c 0.66±0.08c 3 837±262c L 2 380±67b 857.4±26.8b 19.39±1.16b 0.97±0.08b 6 094±215b Y 4 044±295a 1017±9.7a 24.27±1.23a 1.50±0.17a 7 835±512a

表 3 不同种植模式下马铃薯根系形态 Table 3 Potato root morphology relative to planting pattern

从表 4可知，连作马铃薯的株高、茎粗、地上部干物质量、根干物质量及单株薯物质量均较轮作处理低。轮作藜麦、玉米均提高了马铃薯植株的株高，使其茎粗增加，促进了植株地上部分的生长，轮作藜麦处理的马铃薯株高、茎粗分别较连作增加了10.36%、14.41%，而轮作玉米处理的株高、茎粗分别较连作增加了33.53%、33.27%。轮作处理下的地上部干物质量和根干物质量也显著高于连作，促进了马铃薯植株干物质积累，轮作藜麦、玉米处理的地上部干物质量较连作分别增加了81.19%、158.6%，轮作藜麦、玉米处理的根干物质量较连作分别增加了44.87%、65.94%。马铃薯单株产量在轮作藜麦、玉米处理下较连作分别增加了148.7%、216.9%。这表明，轮作藜麦、玉米对于提高马铃薯植株的株高、茎粗、地上部干物质量、根干物质量和单株产量较连作马铃薯处理相对效果好，促进了马铃薯植株的生长发育，且轮作玉米处理的促进效果最好。

表 4 Table 4

表 4 不同种植模式下马铃薯地上部分生长发育指标 Table 4 Growth and development of potato relative to planting pattern 处理 Treatment 株高 Plant height/cm 茎粗 Stem diameter/mm 地上部干物质量 Shoot dry biomass/g 根干物质量 Root dry biomass/g 块茎产量 Tuber yield/g M 86.26±3.33b 9.83±0.86c 22.86±1.22c 2.88±0.02c 323.8±51.8c L 95.20±5.58b 11.24±0.54b 41.42±0.57b 4.17±0.05b 805.3±21.8b Y 115.2±10.53a 13.10±1.16a 59.11±4.13a 4.77±0.01a 1 026±21.0a

表 4 不同种植模式下马铃薯地上部分生长发育指标 Table 4 Growth and development of potato relative to planting pattern

良好的土壤环境是作物生长发育的重要条件，土壤pH、有机质、氮磷钾含量等土壤理化性质是评价土壤质量的重要指标^[24]。土壤酶活性（Soil enzyme activities，SEA）被认为是土壤物质和能量代谢旺盛程度及土壤质量的重要反映，土壤中各种生化反应均是在相应酶参与下完成的^[25-26]。多数研究表明轮作显著提高了马铃薯连作田有机质、碱解氮、有效磷含量^[18]，增强土壤脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性^{[16, 27]}。但张智勇等^[28]研究发现，轮作降低了土壤中有效磷含量。本研究结果与前者相似，轮作藜麦、玉米均增加了土壤中有机质、碱解氮和有效磷含量（表 1），提高了4种土壤肥力相关酶活性，且在15~30 cm土层速效养分含量最大，酶活性最高（图 1）。相较于轮作藜麦处理，轮作玉米对于土壤酶活性提升幅度最大，效果最好（图 1）。土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性的上升，使得土壤中有机物质代谢加快，促进了土壤中有机质和有机磷的分解，使得土壤中可有效利用的营养物质和磷素含量上升，有机质和有效磷含量也随之上升，土壤肥力上升。本研究中，土壤有效磷含量上升，这可能是由于轮作降低了土壤pH，土壤中被固定的磷素得到释放所致。

微生物是土壤生态系统的重要组成部分，而连作会导致土壤微生物多样性降低，有益微生物减少，病原微生物增加^[29-30]。前人在对马铃薯田^[16-17]、黄瓜田^[31-32]不同轮作模式的研究表明，不同作物轮作改善了微生物群落的组成，明显提高土壤细菌和放线菌数量，减少真菌数量。本试验结果表明，轮作藜麦、玉米使得土壤根际真菌数量降低，有益细菌、放线菌数量以及B/F值明显增加（表 2），促进微生物生长和繁殖，加速有机物质分解，提高土壤养分，这与前人研究结果相似。在3个土层中，15~30 cm土层细菌、放线菌数量及B/F值最大（表 2）。可能由于不同土层土壤的温度和湿度存在差异，也可能因为各土层根系分布不同，使各土层土壤微生物环境发生改变。整体上，轮作玉米处理对连作马铃薯土壤微生物环境的改善效果最好。

高等植物生命活动过程中均会产生活性氧自由基，但是其能够被抗氧化酶如SOD、POD和CAT有效地消除^[33-34]。抗氧化酶系统、O₂^·-产生速率和MDA含量以及渗透调节物质含量受到多种因素的影响，如不同作物本身的差异，外部土壤环境的改变，均会使其发生变化。有研究显示，轮作显著提高了根系抗氧化酶活性和渗透调节物质含量^[35-36]。也有研究表明轮作使马铃薯叶片SOD活性增强，而O₂^·-产生速率和MDA含量下降，减轻了膜脂过氧化作用和自由基伤害，促进了马铃薯生长发育^[18]。本研究结果显示，相较于连作，轮作藜麦、玉米处理下马铃薯幼苗根系SOD、POD和CAT活性均有一定程度的提升（图 3），O₂^·-产生速率明显下降，MDA含量减小（图 2），说明轮作处理下的马铃薯根系抗氧化保护酶系统具有更积极的防御性和保护性反应。从图 2中可知，MDA含量与O^2·-产生速率之间存在相关性，即胞内O^2·-的产生越活跃，MDA的累积量也会相应增多。轮作藜麦、玉米能够明显提高马铃薯根系脯氨酸、可溶性蛋白和可溶糖的含量（图 4），增强其渗透调节功能。总体而言，轮作玉米对马铃薯幼苗根系抗氧化酶活性提升更为显著，O^2·-产生速率和MDA含量下降幅度较大，渗透调节能力更强，对于减轻马铃薯连作障碍效果更好。而关于是否还有其他因素能够引起根系生理变化尚有待进一步研究。

根系、土壤和微生物的相互作用决定了根际土壤微环境，当外界土壤环境发生变化时，植物根系会在形态上产生一系列变化，这直接影响着根系吸收土壤中养分和水分的能力^[37-38]。王劲松等^[38]研究发现，轮作显著提高了高粱根系的总根长、根表面积、根体积，促进了根系在10 cm以下土壤中的分布。本文研究结果显示，轮作藜麦、玉米处理的马铃薯总根长、根表面积、根体积、根平均直径、根尖数皆显著高于连作（表 3）。可能是因为轮作处理的马铃薯根系对根际土壤微环境的有益变化作出了积极响应，进而促进了马铃薯根系生长发育，优化其在土壤中的空间分布，增强了根系对土壤水分和养分的吸收利用能力。结合马铃薯生长发育指标，轮作藜麦、玉米明显提高了马铃薯植株的株高、茎粗、单株产量，以及地上部干物质量和根干物质量（表 4），说明轮作可有效提高马铃薯的产量，对农业生产具有重大意义，且整体上轮作玉米处理下的马铃薯产量最高（表 4）。

轮作藜麦、玉米一定程度上改善土壤理化性质和生物学性质（土壤酶活性、土壤微生物组成），增强了马铃薯根系抗氧化能力及渗透调节能力、降低膜脂过氧化程度，促进根系的生长发育及地上部分的发育，具体表现在马铃薯植株的株高、茎粗、单株块茎产量增加。比较轮作藜麦及轮作玉米的整体表现，以轮作玉米调控马铃薯连作障碍的效果较好。