土壤环境质量不仅影响作物的生长发育，而且与作物的产量、品质形成密切相关。连作常造成土壤养分失衡、土壤质量和微生物多样性下降。随着连作年限的延长，土壤pH下降^[1]，可溶性盐含量逐渐升高^[2]，土壤中的全钾、全磷和有效磷含量增加，有机质、全氮、速效氮、铵态氮和有机碳含量下降^[1-4]。

土壤微生物是土壤的重要组成部分，微生物的数量、种类、多样性以及群落结构的稳定对维持土壤系统的健康和质量非常关键^[5]，在调节土壤生态系统功能，如有机质分解、土壤结构维持、养分循环、温室气体排放和土壤环境净化等方面起着重要作用^[6]。土壤微生物群落结构的变化直接影响土壤功能的发挥，对植物生长有显著影响^[2-3]。连作则常导致土壤细菌多样性降低，真菌多样性增加^{[1, 4]}。连作后土壤过氧化氢酶活性增强^[7]，磷酸酶、蛋白酶、蔗糖酶和脲酶活性下降^[8]。植物根系分泌物的化感自毒作用常因连作而加剧^[8]，农作物品质降低，果实中的可溶性蛋白含量下降^[9]。因此，连作障碍是植物和土壤两个系统内部诸多因素综合作用的结果^[8]。

菠萝(Ananascomosus (L.) Merr.)又称凤梨，属凤梨科(Bromeliaceae)凤梨属(Ananas)多年生草本作物，是著名的热带水果。连作在我国各菠萝产区较为普遍，菠萝果实收获后，将茎叶粉碎还田再种植菠萝，并施用大量化肥，循环往复，常连续种植10余年甚至更长^[10]。随着连作年限的增加，菠萝果实大小、品质明显降低，产业发展受到影响。然而从土壤环境系统角度看，不同连作年限菠萝园土壤理化性状、微生物群落结构的变化及其规律仍不清楚。

本研究旨在通过对不同连作年限菠萝园土壤理化性状、酶活性及微生物群落结构进行研究，探讨菠萝连作对土壤环境的影响，以期揭示菠萝园土壤质量退化的原因，为我国菠萝种植的土壤管理、科学施肥及提质增效提供参考指导。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究取样区域选择在我国最大的菠萝产区广东省湛江市徐闻县。徐闻县位于广东省西南部的雷州半岛，地处109°52' ~ 110°35'E、20°13' ~ 20°43'N，东、西、南三面环海；属热带季风气候，一年四季阳光充足，年平均气温23.3 ℃，年平均降雨量1 364 mm。本次采集的土壤样品来自徐闻县菠萝的主要种植区曲界镇，土壤类型为砖红壤。

菠萝园种植品种为‘巴厘’，吸芽苗种植，每公顷种植60 000棵。每季菠萝果实收获后，茎叶经机械粉碎后全量还田；每季菠萝从种植到收获施尿素1 500 kg/hm²、复合肥(N-P₂O₅-K₂O=15-15-15)2 250 kg/hm²，分别于种植后的第4个月(尿素750 kg/hm²、复合肥750 kg/hm²)和第8个月(尿素750 kg/hm²、复合肥1 500 kg/hm²)分两次施完。

1.2 样品采集

土壤取样于2020年3月中旬进行。选择连续种植了菠萝5 a、15 a的菠萝园土壤(分别简写为TR5、TR15)及未种植菠萝的空地土壤(TR0)，其中TR0为对照。每个连作年限分别选择3个菠萝种植园作为3次重复(每个种植园间隔100 m以上，种植园坡向、坡度和种植管理措施基本一致)。取样时菠萝种植园当季菠萝未施首次肥。在每个种植园的东部、西部两处进行取样，每处随机选取两个取样点(取样点间隔5 m)。取样时先除去地表5 cm厚的表层土壤，采用内径为5 cm土钻采集0 ~ 20 cm土层样品，每个取样点平行钻取2钻。同一种植园各取样点的土样混合均匀，带回实验室。取样后，用于理化性状测定的样品经风干、研磨、过筛后备用；用于酶活性、微生物多样性测定的样品置于4 ℃冰箱保存。

1.3 测定方法 1.3.1 土壤pH、有机质和矿质元素测定

土壤pH参考标准LY/T 1239—1999^[11]采用去离子水浸提法测定；有机质参考标准LY/T 1237—1999^[12]用重铬酸钾-硫酸氧化法测定；全氮参考标准LY/T 1228— 2015^[13]用定氮法测定，铵态氮参考标准LY/T1231— 1999^[14]用氧化镁浸提–扩散法测定，硝态氮参考标准HJ/T 84—2001^[15]用酚二磺酸比色法测定；有效磷参考标准LY/T1232—2015^[16]用钼锑抗比色法测定；速效钾参考标准LY/T1234—2015^[17]用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定；有效硼(参考标准NY/T 149— 1990^[18])及交换性钙、交换性镁(参考标准LY/T 1245—1999/4^[19])用火焰原子吸收光谱仪测定；钠含量参考标准LY/T 1254—1999^[20]用火焰原子吸收光谱仪测定。

1.3.2 土壤酶活性和微生物测定

土壤脲酶参照史长青^[21]的方法用碱皿扩散法测定，酶活以1 kg土壤在37 ℃下培养1 h内分解尿素产生的NH₃-N的mg数表示。过氧化氢酶参照中国科学院南京土壤研究所微生物室的方法用高锰酸钾滴定法测定^[22]，酶活以1 g土壤1 h内消耗0.1 mol/L高锰酸钾的ml数表示。酸性磷酸酶参照赵兰坡和姜岩^[23]的方法用4–氨基–安替比林比色法测定，酶活以1 kg土壤在37 ℃下1 h内产生的酚的mg数表示。蔗糖酶和纤维素酶用硫代硫酸钠滴定法测定，蔗糖酶活性以1 kg土壤1 h内消耗0.1mol/L Na₂S₂O₃的ml数表示，纤维素酶活性以1 kg土壤1 d内消耗0.1 mol/L Na₂S₂O₃的ml数表示。蛋白酶参照蔡红和沈仁芳^[24]的方法用茚三酮比色法测定，酶活以1 g土壤1 h内产生甘氨酸的μg数表示。土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸–硫酸钾浸提–重铬酸钾容重法测定，土壤微生物生物量氮采用氯仿熏蒸–硫酸钾浸提–定氮蒸馏法测定。土壤细菌、放线菌及真菌群落丰度采用稀释平板记数法测定^[25]。

1.4 数据统计分析

用SPSS Statistics 17.0进行数据分析，采用邓肯氏新复极差法进行多重比较；用Excel 2007进行制图。

2 结果与分析 2.1 不同连作年限菠萝园土壤理化性状

表 1所示为不同连作年限菠萝园土壤理化性状。可以看出，TR0(CK)土壤pH为4.62，连续种植了菠萝5 a(TR5)、15 a(TR15)的土壤pH显著降低(P < 0.05)，分别比TR0降低了0.39和0.57个单位。表 1还显示，TR0土壤有机质含量为23.55 g/kg，TR5、TR15土壤有机质分别比TR0提高了105.61% 和77.20%，差异显著。

由表 1可见，TR5、TR15土壤全氮、铵态氮含量均高于TR0。TR5土壤全氮、铵态氮含量分别较TR0提高了86.67% 和55.38%，TR15土壤全氮、铵态氮含量分别较TR0提高了74.45% 和73.85%；TR5、TR15的全氮含量均与TR0间差异显著。TR0土壤硝态氮含量为22.57 mg/kg，TR5土壤硝态氮含量较TR0提高了54.63%，而TR15土壤硝态氮含量较TR0下降了7.00%，差异均不显著。

此外，菠萝连作后土壤有效磷含量升高，TR0的有效磷含量为2.67 mg/kg，TR5、TR15土壤有效磷含量分别为43.33 mg/kg和80.00 mg/kg，差异显著。菠萝连作后土壤速效钾含量降低，尤其是TR15土壤速效钾含量较TR0降低了68.34%，差异显著。

图 1所示为不同连作年限菠萝园土壤矿质元素B、Mg、Ca及Na含量水平。由图可知，菠萝连作后土壤有效B含量提高，其中TR5土壤的有效B含量较TR0提高了1.38倍，差异显著(P < 0.05)。与TR0相比，TR5、TR15土壤的交换性Mg和交换性Ca含量均降低。TR5土壤的交换性Mg和交换性Ca含量较TR0分别降低了28.20% 和19.94%，其中交换性Mg含量显著降低；TR15土壤的交换性Mg和交换性Ca含量较TR0分别降低了65.45% 和74.70%，差异均显著。连续种植菠萝后土壤中Na积累增多，TR5土壤中Na含量较TR0提高了3.88%，差异不显著；TR15土壤中Na含量较TR0提高了16.70%，差异显著。

2.2 不同连作年限菠萝园土壤酶活性

由表 2所示，与TR0相比，菠萝连作后土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性升高，其中TR5土壤提高的幅度更大，尤其是TR5的土壤酸性磷酸酶活性较TR0提高了1.60倍，差异显著(P < 0.05)。菠萝连作后，土壤的过氧化氢酶活性下降，TR5、TR15土壤较TR0分别下降了4.21% 和52.63%，其中TR15与TR0间差异显著。菠萝连作对土壤纤维素酶和蛋白酶活性的影响相似，TR5土壤纤维素酶和蛋白酶活性均高于TR0，而TR15均低于TR0；TR5、TR15土壤纤维素酶和蛋白酶活性与TR0间均差异不显著，但TR15土壤纤维素酶和蛋白酶活性显著低于TR5。

2.3 不同连作年限菠萝园土壤微生物生物量碳、氮含量

由图 2可知，TR5、TR15土壤微生物生物量碳、氮含量均高于TR0。其中，TR5、TR15土壤的微生物生物量碳含量分别比TR0提高了1.74倍和1.71倍，差异显著(P < 0.05)；而TR5、TR15土壤微生物生物量氮分别比TR0提高56.01% 和72.96%，差异不显著。

2.4 不同连作年限菠萝园土壤微生物群落丰度

由表 3可见，无论是TR0还是TR5、TR15，土壤中细菌总数占微生物总数的比值均最高。TR5土壤的细菌、真菌丰度均显著高于TR0(P < 0.05)；而放线菌丰度较TR0略低，差异不显著。TR15土壤细菌、放线菌丰度均低于TR0，但差异不显著；而真菌丰度显著高于TR0。

3 讨论 3.1 连作对土壤理化性状的影响

植物与土壤是一个相互作用的有机整体。同一作物连续种植年限过长引起土壤养分消耗过多，不利于保持养分供给平衡，引起土壤微生物群落结构变化，降低植物养分利用效率^{[3, 26]}。菠萝连作在我国各产区非常普遍，在一块地上连续种植多季菠萝。而且，果农为了追求产量，大量施用化肥。本研究结果显示，与对照相比，菠萝连作后土壤中全氮、铵态氮、有效磷含量增加，土壤pH下降，Na含量提高。表明菠萝连作后土壤酸化明显、Na盐积累增多，而且随着连作年限的延长，土壤酸化和盐分积累呈现加重的趋势，与张敬敏等^[27]研究结果相似。采用暗管排盐技术，增加碳源促进氮素的微生物同化作用具有缓解土壤盐渍化与酸化的作用^[28-29]。酸性土壤中B的有效性提高^[30]，这是本研究中菠萝连作后有效B含量提高的原因。与全氮、铵态氮、有效磷含量的提高不同，菠萝连作后土壤中速效钾以及交换性Ca、Mg含量降低，且连续种植了15 a菠萝的土壤中降低更严重。表明菠萝连作中，果实收获后带走了土壤中大量的K、Mg、Ca营养，土壤中可供菠萝吸收利用的K、Mg、Ca营养在减少，植株抗逆性降低，不利于菠萝果实的品质形成，生产中需增施K、Mg、Ca肥的施用以提高土壤营养供给。连作后土壤有机质含量降低，氮、磷积累增多，与连作中长期重施化肥、少施有机肥有关^[31-32]。随着种植年限的延长，植物逐年对土壤有机物质利用，使土壤肥力较低，同时较高的收获指数和树体修剪等导致土壤有机碳大量消耗，系统内部碳总量逐年减少^[4]。而本研究中，与对照相比，菠萝连作后土壤有机质以及微生物生物量碳、氮含量并未降低反而增加，这与菠萝生产中果实收获后茎叶资源还田增加了土壤有机质，土壤微生物数量增加有关^[10]。

3.2 连作对土壤微生物群落丰度的影响

土壤微生物是农田生态系统的重要组成部分，在土壤营养循环、能量转换、有机物分解转化以及养分形成中有重要作用^[4]。植物连作常引起土壤微生物的多样性发生变化，真菌种群数量增加，而细菌和放线菌数量减少，微生物区系由“细菌型”向“真菌型”转变^[33]。细菌型土壤向真菌型土壤转变是作物连作障碍的主要特征之一^[34]。本研究中，无论是对照土壤还是连续种植了5 a、15 a菠萝的土壤，细菌都是最丰富的土壤微生物。但与对照土壤相比，菠萝连作5 a的土壤真菌数量明显增多、放线菌数量减少，但同时细菌数量也增多，总体上仍属“细菌型”；而菠萝连作15 a的土壤细菌、放线菌数量减少，真菌数量显著增多，土壤向“真菌型”转变，这与连作对植烟土壤微生物群落结构的影响结果相似^[35]。土壤中细菌的多样性与K含量水平和pH密切相关^[36]，本研究中菠萝连作15 a的土壤中K含量和pH显著降低可能是细菌数量减少的重要原因。生产中应通过增施钾肥、钙镁磷肥提高土壤pH，控制土壤酸化，并通过轮作等提高土壤细菌群落丰度、降低真菌群落丰度^[7-8]。土壤微生物高通量测序研究进一步表明，连作土壤中细菌优势菌属赖氨酸芽孢杆菌属(Lysinibacillus)占比降低^[36]，有益菌属分枝杆菌属(Mycobacterium)、藤黄单胞菌属(Luteimonas)、芽单胞菌属(Gemmatimonas)和浮霉菌属(Planctomyces)的多样性减少^[37]。本研究暂未对土壤微生物进行目、属水平上的丰度与多样性研究，为更深入地了解菠萝连作对土壤微生物群落结构的影响，有待继续开展16S rDNA和18S rDNA测序相关研究。

3.3 连作对土壤酶活性的影响

土壤酶主要来自土壤微生物，种植作物的品种及年限影响着土壤微生物数量和种群多样性，从而使土壤酶活性发生变化^[7]。在枸杞^[4]上的研究表明，随着种植年限的增加，土壤脱氢酶活性未见显著变化，但土壤磷酸酶活性一直处于升高趋势，而土壤脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶以及蔗糖酶活性均呈现先降低后上升的变化。本研究结果也表明，菠萝连作后土壤酸性磷酸酶活性升高。酸性磷酸酶是催化有机磷水解转化为无机磷的关键酶，菠萝连作后土壤酸性磷酸酶活性升高与本研究中菠萝连作后土壤中有效磷含量升高的结果一致。菠萝连作5 a的土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、纤维素酶以及蛋白酶的活性总体上变化不明显。但连续种植15 a后过氧化氢酶、纤维素酶、蛋白酶活性降低，尤其是过氧化氢酶活性显著降低，这与连作15 a后土壤酸化、盐分积累加剧有关。过氧化氢酶催化土壤中的过氧化氢分解为水和氧气，从而消除和减轻过氧化氢的危害，在土壤生态系统循环中起着重要作用。菠萝连作后过氧化氢酶活性降低会加深过氧化氢在土壤中的积累，导致土壤酸化，对土壤及生物产生毒害作用^[38]，这与本研究中菠萝连作后尤其是连作15 a后的土壤pH降低一致。生产中应减少化肥的施用量，控制土壤酸化。土壤蔗糖酶、纤维素酶影响着植物残体的分解及土壤微生物活动的能源供给^[39]。本研究表明，菠萝连作5 a后土壤蔗糖酶、纤维素酶活性升高，这与本研究中菠萝连作后土壤有机质及微生物生物量碳含量升高的趋势一致。但是，菠萝连作15 a后土壤蔗糖酶、纤维素酶活性明显低于连作5 a的，表明连作年限过长，土壤蔗糖酶、纤维素酶活性降低，不利于土壤中植物残体的分解，要清除植物残体或增加有益微生物菌剂促进植物残体的分解。土壤脲酶、蛋白酶的水解产物是植物的主要氮源之一，与土壤全氮含量呈正相关^[40]。在本研究中，菠萝连作后土壤脲酶活性略提高(差异不显著)。菠萝连作5 a后土壤蛋白酶活性明显提高，但连作15 a后土壤蛋白酶活性降低。菠萝连作后土壤全氮含量也呈现相似的变化趋势，菠萝连作地土壤全氮含量升高。生产中应减施氮肥、增施有机肥，提高土壤养分有效性。

4 结论

菠萝连作引起土壤pH下降，有机质、全氮、铵态氮、有效磷、Na和微生物生物量碳、氮含量增加，速效钾及交换性Mg和交换性Ca含量下降。菠萝连作影响了土壤酶活性及微生物群落丰度，尤其是连作15 a后过氧化氢酶、纤维素酶、蛋白酶活性降低更明显，土壤细菌、放线菌数量下降，真菌数量增加。菠萝连作对土壤质量影响大，存在一定连作障碍，需加强土壤管理以消除障碍，控制土壤酸化，增施K、Ca、Mg肥。