连作障碍是农业生产中常见的栽培问题,合理的轮作可以有效缓解连作障碍现象,通常认为高粱属于不耐连作作物之一,连作会影响作物长势、降低产量、导致土壤环境恶化。山西以高粱为原料酿造的老陈醋及汾酒名扬海外,受栽培条件的限制及经济利益的趋势,使得高粱连作障碍现象频发。诸多学者对番茄、黄瓜等设施蔬菜,以及大豆、花生等经济类作物和玉米、小麦等大田粮食作物的连作障碍问题进行了研究,但是针对高粱连作障碍的研究较少。本研究位于山西榆次东阳试验基地,在大田条件下设置2011-2015年连作与轮作定位试验,以玉米-高粱轮作为对照,研究了高粱连作3年、4年、5年对高粱株高、茎粗叶面积及收获后籽粒产量的影响,并对不同连作年限土壤养分含量及酶活性动态变化进行了分析;使用BIOLOG技术,对连作第5年(2015年)根际土壤微生物的功能多样性进行了详细的分析。旨在明确不同连作年限高粱的连作障碍效应以及其对土壤环境产生的影响,为探究高粱连作障碍机制提供依据。主要研究结果与结论有:1.连作处理在2013年(连作3年)对高粱生长产生明显的抑制作用,且对生长前期的生长抑制作用更为显著,2014年(连作4年)与2015年(连作5年)也表现出相同的趋势。与同一年份轮作处理,茎粗、株高、叶面积和生物量都明显降低,在连作5年拔节期这四个指标分别是轮作的15.18%、21.67%、43.31%、40.30%,差异显著。连作降低了高粱的籽粒产量,连作处理在2013年(连作3年)、2014年(连作4年)、2015年(连作5年)的籽粒产量分别是轮作的85.58%、84.48%、95.34%,差异显著。这说明连作抑制高粱生长,而合理轮作可以减缓连作障碍,增加作物长势、提高产量。2.使用BIOLOG技术分析连作与轮作根际微生物群落功能多样性,在穗花期和成熟期连作处理根际土壤微生物群落整体的代谢活性值显著低于轮作,对分类碳源的数据可以看出,在微生物活动较为旺盛的穗花期与玉米-高粱轮作处理相比,连作对糖类、氨基酸类、酯类、醇类、酸类和胺类的利用分别降低了 20.93%、24.83%、31.77%、31.33%、32.14%、3.82%。通过对31种不同单一碳源的主成分分析结果显示,在穗花期连作与轮作的分异是由于以氨基酸、羧酸类为主的多种碳源综合代谢差异导致的;收获期连作与轮作主要是由于对糖类等碳源代谢差异造成的。3.随着连作年限的增加,连作土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶均呈现上升的趋势。连作处理土壤过氧化氢酶活性在2015年(连作第5年)时比2011年(正茬)、2013年(连作3年)分别增加了 49.44%、57.77%(P<0.05),而轮作处理年际间差异不大;与轮作相比,连作处理2015年土壤中过氧化氢酶活性比轮作增加了 53.25%(P<0.05)。随着连作年限的增加,连作与轮作磷酸酶活性均呈现升高的趋势,但连作的增加幅度明显小于轮作处理,连作处理在2015年(连作5年)比2011年(正茬)、2013年(连作3年)分别增加了 49.76%、18.14%(P<0.05),轮作处理2015年土壤磷酸酶活性分别比2011年、2013年分别增加了 96.57%、32.88%。与轮作相比,连作土壤磷酸酶活性在2015年(连作5年)降低了 12.05%。连作与轮作处理对蔗糖酶与脲酶都呈随连作年限增加的趋势,但同一年份连作与轮作处理间的差异不显著。