不同種植方式對苗期大豆、玉米根際土壤酶活性及微生物量碳、氮的影響

戴建軍，宋朋慧，閆暮春，徐婷婷

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

土壤酶活性不僅與土壤自身的各種條件因素有關(guān)，也與所種作物種類以及不同種植方式等農(nóng)業(yè)措施有關(guān)。不同茬口所引起的土壤性狀改變，也可能通過土壤酶活性有所反映。Hiltner提出根際(Rhizosphere)概念[1]，根際微域環(huán)境的研究日益受到重視，已成為土壤學(xué)最活躍、最敏感的研究領(lǐng)域。隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和檢測手段的改進(jìn)，根際研究不斷向土壤養(yǎng)分有效性、土壤酶、物質(zhì)循環(huán)等領(lǐng)域拓展，并在研究方法上進(jìn)行積極探索。這些研究為土壤生態(tài)系統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)與優(yōu)化提供了理論支撐和實踐依據(jù)。但是，受根際環(huán)境復(fù)雜性和研究方法的制約，已有成果基本以單作群體和間作群體為研究對象，基于輪作和混作群體根際微生態(tài)系統(tǒng)的研究還十分薄弱。

眾多研究結(jié)果表明，禾本科和豆科作物配合種植不僅能夠提高土壤酶活性，也能提高土壤微生物數(shù)量和多樣性。有研究者比較大豆連作、大豆-玉米輪作和大豆-高粱輪作三種種植制度下，大豆-玉米輪作制度對酶活性的提高作用較大[2]。張淑香等研究結(jié)果表明，大豆連作條件下土壤多酚氧化酶活性高于正茬土壤，這是由于土壤中酚酸物質(zhì)經(jīng)過誘導(dǎo)作用而使土壤中多酚氧化酶的活性增強，從而引起作物體內(nèi)生長素氧化酶的活性隨之增強，生長素因此分解，影響作物的生長發(fā)育[3]。蘇嘉欣等研究表明，大豆/黑麥草間作體系中土壤磷酸酶和蛋白酶的活性顯著提高[4]。柴強等研究表明，與單作玉米相比，玉米鷹咀豆間作后根際土壤脲酶和酸性磷酸酶活性顯著降低，間作根際微生物多樣性指數(shù)顯著高于單作[5]。王旭等以燕麥與箭筈豌豆不同種植模式的根際土壤為對象，說明禾本科和豆科作物間作混播種植方式能起到提高根際土壤微生物數(shù)量的作用[6]。劉均霞等研究表明，與單作相比，間作體系中的玉米、大豆根際土壤養(yǎng)分有效性、根際土壤微生物數(shù)量、根際土壤酶活性均顯著高于相應(yīng)單作根際土壤[7]。微生物是直接影響土壤酶活性的主要因子，Plaza等在4年的研究中發(fā)現(xiàn)，微生物量碳與脫氫酶、過氧化氫酶、BAA-蛋白酶及β-葡萄糖苷酶之間呈正相關(guān)，但與磷酸酶呈負(fù)相關(guān)[8]。

禾本科、豆科間的配合種植是我國普遍采用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。根際是受植物根系活動影響最強烈的動態(tài)微域，其在物理、化學(xué)和生物學(xué)特性等方面均不同于一般土體，是植物、土壤、微生物與環(huán)境交互作用的場所。因此，研究根際土壤的酶活性和微生物量碳氮的變化能反映兩種作物在生長期的相互作用。選擇在我國北方普遍種植的兩種作物—大豆和玉米為研究對象，通過盆栽試驗，研究在前茬作物是大豆、玉米和大豆-玉米混作的土壤上分別種植大豆、玉米以及大豆-玉米混作對其根際土壤酶活性和微生物量碳氮的影響，為探明不同種植方式下的大豆、玉米的根際微生態(tài)效應(yīng)提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

本試驗采用盆栽試驗，供試土壤為黑土，前茬作物分別為大豆，玉米和大豆-玉米混作。于2011年采自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實驗實習(xí)基地，采集0～15 cm耕層土壤。實習(xí)基地位于東經(jīng)125°42'～130°10'，北緯 44°04'～46°40'，地處中國東北北部地區(qū)，黑龍江省南部，海拔116～180 m。年平均氣溫在5℃，年降雨量480 mm，年日照時數(shù)2 500 h，年有效積溫2 300～2 700℃。三種土壤基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤的基礎(chǔ)肥力Table 1 Basis of soil fertility

盆栽試驗：將前茬分別為大豆、玉米和大豆-玉米混作的3種土壤取回風(fēng)干，過2 mm篩，分別裝入直徑8 cm、高8 cm的盆缽中，每個盆缽裝土250 g，澆水至田間持水量的60%～70%。用普通尿素（N∶46%），重過磷酸鈣（P2O5∶46%）和硫酸鉀（K2O∶50%）作基肥，用量分別為：N 60 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg hm-2。供試作物品種為玉米（豐田6號），大豆（綏農(nóng)14）。單作每盆播種兩粒，混作每盆播種大豆1粒，玉米1粒。試驗共設(shè)9個處理，每個處理5次重復(fù)。為大土豆、玉米土和混作土種植方式都為單作大豆、單作玉米、大豆-玉米混作。

盆栽于2011年5月13日播種，在室內(nèi)進(jìn)行，光照通風(fēng)良好，溫度為20～25℃，每天稱重，澆水補足含水量，保證每盆土壤的含水量一致，作物生長21 d（大豆4葉期，玉米5葉期）后，待植株根系布滿整個盆缽，把植株連同土壤從盆中取出，再輕輕抖動植物根系使附在根系上的土壤散落，剔除殘根，將其混勻即為根際土壤。

測定項目及方法：土壤酶活性的測定參照關(guān)松蔭和許光輝的方法[9-10]。脲酶活性（NH4+-N mg·g-1，37℃，24 h）采用苯酚-次氯酸鈉比色法；過氧化氫酶活性（0.1 mL·g-1NKMnO4）采用高錳酸鉀滴定法；多酚氧化酶活性（0.01mL·g-1N I2，30℃，2 min）采用鄰苯二酚滴定法；蔗糖酶活性（葡萄糖mg·g-1，37℃，24 h）采用3，5-二硝基水楊酸比色滴定法；土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1硫酸鉀浸提法，過濾后濾液中有機碳采用重鉻酸鉀常規(guī)法測定，全氮用半微量凱氏法測定。土壤微生物生物量碳、氮含量以熏蒸和未熏蒸的有機碳、全氮含量之差分別除以KEC和KEN得到，其中KEC=0.38，KEN=0.54[11-12]。

數(shù)據(jù)的分析處理采用DPS統(tǒng)計軟件和Excel軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理根際土壤酶的活性

2.1.1 不同處理根際土壤脲酶的活性

從圖1可以看出，在前茬為大豆的土壤處理中，單作玉米和大豆-玉米混作的處理要比單作大豆處理的根際土壤脲酶活性略有提高，但差異不顯著。在前茬為玉米的土壤處理中，單作大豆處理的根際土壤脲酶活性略高于單作玉米和大豆-玉米混作的處理。而前茬是大豆-玉米混作的土壤處理中，單作大豆處理的根際土壤脲酶活性顯著低于其他兩種處理，而單作玉米的處理和混作的處理間差異不顯著。說明大豆-玉米輪作處理的根際土壤脲酶的活性分別高于兩種作物連作的處理，大豆-玉米混作處理的根際土壤脲酶活性也高于連作的處理，但未達(dá)顯著水平。

圖1 不同處理對根際土壤脲酶活性的影響Fig.1 Effect of different treatments on the activity of urease in rhizosphere soil

2.1.2 不同處理根際土壤過氧化氫酶的活性

由圖2可知，前茬為大豆的土壤處理的根際土壤過氧化氫酶活性較前茬為玉米和混作的土壤處理要低。在前茬為玉米的土壤處理中，各處理的根際土壤過氧化氫酶活性由大到小的順序為：單作玉米＞單作大豆＞大豆-玉米混作。而其他兩種土壤的各處理間沒有明顯差異。說明玉米連作處理的根際土壤過氧化氫酶活性高于大豆-玉米輪作和大豆-玉米混作的處理。

圖2 不同處理對根際土壤過氧化氫酶活性的影響Fig.2 Effect of different treatments on the activity of catalase in rhizosphere soil

2.1.3 不同處理根際土壤多酚氧化酶的活性

結(jié)果見圖3。

圖3 不同處理對根際土壤多酚氧化酶活性的影響Fig.3 Effect of different treatments on the activity of polyphenol oxidase in rhizosphere soil

由圖3可知，前茬是大豆-玉米混作的處理根際土壤多酚氧化酶活性最低。在前茬為大豆的土壤處理中，單作玉米處理的根際土壤多酚氧化酶活性顯著高于其他處理。在前茬為玉米的土壤處理中，各處理的根際土壤多酚氧化酶活性差異不顯著。而在前茬大豆-玉米混作的土壤上，單作大豆處理的根際土壤多酚氧化酶活性顯著低于其他處理，單作玉米和大豆-玉米混作處理間差異不顯著。說明大豆-玉米輪作處理的根際土壤多酚氧化酶活性高于大豆連作和大豆-玉米混作處理。

2.1.4 不同處理根際土壤蔗糖酶的活性

由圖4可知，前茬為玉米的土壤處理較其他兩種土壤處理的根際土壤蔗糖酶活性要高。在前茬為大豆的土壤處理中，大豆-玉米混作處理的根際土壤蔗糖酶的活性要顯著低于單作大豆和單作玉米的處理。在前茬為玉米的土壤處理中，依然呈現(xiàn)此規(guī)律。而在前茬是大豆-玉米混作的土壤處理中，單作玉米處理的根際土壤蔗糖酶活性顯著高于單作大豆和大豆-玉米混作的處理。說明大豆-玉米混作處理的根際土壤蔗糖酶的活性低于單作大豆和單作玉米的處理，而大豆-玉米輪作處理的根際土壤蔗糖酶活性分別與兩種作物連作的處理間沒有明顯的差異。

圖4 不同處理對根際土壤蔗糖酶活性的影響Fig.4 Effect of different treatments on the activity of invertase in rhizosphere soil

2.2 不同處理土壤微生物量碳、氮的變化

由圖5可知，前茬為大豆的土壤處理土壤微生物量碳顯著低于其他兩種土壤處理，其中單作大豆的處理明顯高于單作玉米和大豆-玉米混作的處理。在前茬為玉米的土壤處理中，單作玉米處理的土壤微生物量碳顯著高于其他兩種處理，單作大豆處理的土壤微生物量碳最低。在前茬是大豆-玉米混作的土壤上，單作大豆處理的土壤微生物量碳顯著低于其他兩種處理，單作玉米和大豆-玉米混作的處理之間差異不顯著。說明兩種作物連作較大豆-玉米輪作處理的土壤微生物量碳要高。

圖5 不同處理土壤微生物量碳的變化Fig.5 Changes of the soil microbial biomass carbon in different treatments

由圖6可知，在前茬為大豆的土壤處理中，單作大豆處理的土壤微生物量氮較其他兩種處理高，但未達(dá)顯著水平。而在前茬為玉米的土壤處理中，大豆-玉米混作處理的土壤微生物量氮顯著高于單作大豆和單作玉米的處理，單作玉米處理的土壤微生物量氮比單作大豆的處理略高，但差異不顯著。在前茬是大豆-玉米混作的土壤上，各處理間差異不顯著。說明大豆連作和玉米連作都比大豆-玉米輪作的土壤微生物量氮要高，這與各處理間的土壤微生物量碳的變化規(guī)律相同，在前茬為玉米的土壤上進(jìn)行大豆-玉米混作的種植能夠提高土壤微生物量氮。

圖6 不同處理土壤微生物量氮的變化Fig.6 Changes of the soil microbial biomass nitrogen in different treatments

2.3 土壤酶與土壤微生物量碳、氮的相關(guān)性分析

從表3中可見，土壤微生物量碳與微生物量氮及其碳氮比都與土壤過氧化氫酶活性和多酚氧化酶活性呈顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)，而與其他土壤酶活性的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平。由此可見，土壤微生物量碳、氮與根際土壤過氧化氫酶活性和多酚氧化酶活性存在著顯著相關(guān)關(guān)系，因此，不同的種植方式影響根際土壤過氧化氫酶和多酚氧化酶活性的同時，也影響根際土壤微生物量碳、氮的高低，從而影響土壤碳氮的轉(zhuǎn)化。

表3 土壤酶活性與微生物量碳氮的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between soil enzyme activities and microbial biomass carbon and nitrogen

3 討論與結(jié)論

多種作物連作會產(chǎn)生連作障礙[13]，連作大豆根際土壤中的多種元素和有機質(zhì)等養(yǎng)分含量均低于正茬土壤[14]，且大豆連作也能使土壤的根際微生物群落產(chǎn)生明顯變化[15]。而禾本科和豆科輪作制度能使有益細(xì)菌數(shù)量提高[16-17]，緩解連作障礙，作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高。輪作能有效調(diào)節(jié)土壤微生物區(qū)系，有利于微生物群落的多樣性和穩(wěn)定性提高，最終改善土壤微生態(tài)環(huán)境[18]。

土壤酶是由植物根系及其殘體、土壤動物及其遺骸和微生物所分泌，能催化土壤中復(fù)雜有機物質(zhì)向簡單無機化合物的轉(zhuǎn)化，參與包括土壤生物化學(xué)過程在內(nèi)的自然物質(zhì)循環(huán)[19-23]。土壤微生物量碳是土壤有機碳的靈敏指示因子，土壤微生物量氮是土壤氮素礦化的重要組成部分[24]。近年來越來越多的研究用土壤微生物生物量碳、氮來評價某些指標(biāo)對土壤的影響。但是影響土壤微生物生物量碳氮轉(zhuǎn)化的因素很多，仍需進(jìn)一步研究。

植物的根系分泌物是土壤酶的重要來源[25]，多種植物會不斷自我改善根際的營養(yǎng)狀況，產(chǎn)生特定的土壤酶[26]，所以根際土壤酶在物質(zhì)交換過程中占據(jù)重要地位。李文革等人研究認(rèn)為，脲酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶從本質(zhì)上反映了土壤中氮、碳、磷、鉀的轉(zhuǎn)化強度[27]，因而研究不同種植方式下的作物根際土壤酶活性對于探索不同作物間的根系分泌物的相互作用過程和機理具有重要意義。

①大豆-玉米輪作與大豆連作和玉米連作相比有明顯的優(yōu)勢，能夠不同程度上提高根際土壤多酚氧化酶、脲酶和過氧化氫酶活性。②與大豆-玉米混作相比，大豆連作和玉米連作都降低了根際土壤脲酶活性，提高了根際土壤蔗糖酶的活性，根際土壤多酚氧化酶的活性變化不明顯。③大豆連作和玉米連作都比大豆-玉米輪作的土壤微生物量碳、氮要高。在前茬為玉米的土壤處理中，大豆-玉米混作的土壤微生物量氮顯著高于單作大豆和單作玉米的處理。④土壤微生物量碳與微生物量氮及其碳氮比都與土壤過氧化氫酶活性和多酚氧化酶活性呈顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)。

[1]劉芷宇.根際微域環(huán)境的研究[J].土壤,1993,25(5):225-230.

[2]張廣娜,陳利軍,陳振華,等.大豆輪作與連作對黑鈣土酶活性和動力學(xué)特性的影響[J].大豆科學(xué),2008,27(5):795-800.

[3]張淑香,高子勤,劉海玲.連作障礙與根際微生態(tài)研究-土壤酚酸物質(zhì)及其生物學(xué)效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2000,11(5):741-744.

[4]蘇嘉欣,卓勝,黎華壽,等.植物間作下根際微生物和土壤酶與土壤多氯聯(lián)苯（PCB）降解的關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2010,29(11):2114-2120.

[5]柴強,黃鵬,黃高寶.間作對根際土壤微生物和酶活性的影響研究[J].草業(yè)學(xué)報,2005,14(5):105-110.

[6]王旭,曾昭海,朱波,等.燕麥與箭筈豌豆不同混作模式對根際土壤微生物數(shù)量的影響[J].草業(yè)學(xué)報,2009,18(6):151-157.

[7]劉均霞,陸引罡,遠(yuǎn)紅偉,等.玉米、大豆間作對根際土壤微生物數(shù)量和酶活性的影響[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(2):60-61.

[8]Plaza C,Hernández D,C.García-Gil J,et al.Microbial activity in pig slurry-amended soils under semiarid conditions[J].Soil Biology and Biochemistry,2004,36(10):1577-1585.

[9]關(guān)松蔭,張德生.土壤酶及其研究法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.

[10]許光輝,鄭洪元.土壤微生物分析方法手冊[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.

[11]Ajit Varma,Ralf Oelmüller.Soil biology advanced techniques[J].Soil Microbiology,2007(11):202-207.

[12]姚槐應(yīng),黃昌勇.土壤微生物生態(tài)學(xué)及其實驗技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[13]劉金波,許艷麗.我國連作大豆土壤微生物研究現(xiàn)狀[J].中國油料作物學(xué)報,2008,30(1):132-136.

[14]孫磊.不同連作年限對大豆根際土壤養(yǎng)分的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2008,24(12):266-269.

[15]李春格,李曉鳴,王敬國.大豆連作對土體和根際微生物群落功能的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2006,26(4):1144-1150.

[16]劉新晶,許艷麗,李春杰,等.大豆輪作系統(tǒng)對土壤細(xì)菌生理菌群的影響[J].大豆科學(xué),2007,26(5):723-727.

[17]劉金波,許艷麗,呂國忠,等.黑土區(qū)不同輪作系統(tǒng)大豆根際鐮孢菌種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量[J].大豆科學(xué),2009,28(1):97-102.

[18]董艷,魯耀,董坤,等.輪作模式對設(shè)施土壤微生物區(qū)系和酶活性的影響[J].土壤通報,2010,41(1):53-55.

[19]潘學(xué)軍,張文娥,羅國華,等.不同土壤管理方式下幼齡柑橘根際土壤酶活性動態(tài)變化[J].土壤通報,2011,42(5):1116-1119.

[20]姚建華,牛德奎,李兆君,等.抗生素土霉素對小麥根際土壤酶活性和微生物生物量的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,43(4):721-728.

[21]萬忠梅,宋長春.土壤酶活性對生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)研究進(jìn)展[J].土壤通報,2009,40(4):951-956.

[22]Lei Tian,Emily Dell,Wei Shi Chemical composition of dissolved organic matter in agroecosystems:Correlations with soil enzyme activity and carbon and nitrogen mineralization[J].Applied Soil Ecology,2010,46:426-435.

[23]張昱,程智慧,徐強,等.玉米/蒜苗套作系統(tǒng)中土壤微生物和土壤酶狀況分析[J].土壤通報,2007,38(6):1136-1140.

[24]沈宏,曹志洪,徐本生.玉米生長期間土壤微生物量與土壤酶變化及其相關(guān)性研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1999,10(4):471-474.

[25]張詠梅,周國逸,吳寧.土壤酶學(xué)的研究進(jìn)展[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報,2004,12(1):83-90.

[26]Radersma S,Grierson P F.Phosphorusm obilization in agroforestry:Organic anions,phosphatase activity and phosphorus fractions in the rhizosphere[J].Plant and Soil,2004,259(1):209-219.

[27]李文革,劉志堅,譚周進(jìn).土壤酶功能的研究進(jìn)展[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,(6):34-36.