基于三七連作障礙的土壤理化性狀及酶活性研究

孫雪婷，龍光強(qiáng)，張廣輝，孟珍貴，陳中堅(jiān)，楊生超，陳軍文*

1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 云南省優(yōu)勢(shì)中藥材規(guī)范化種植工程研究中心，云南 昆明 650201；3. 文山學(xué)院三七研究所，云南 文山 663000；

基于三七連作障礙的土壤理化性狀及酶活性研究

孫雪婷1,2，龍光強(qiáng)2，張廣輝2，孟珍貴2，陳中堅(jiān)3，楊生超2，陳軍文1,2*

1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 云南省優(yōu)勢(shì)中藥材規(guī)范化種植工程研究中心，云南 昆明 650201；3. 文山學(xué)院三七研究所，云南 文山 663000；

為評(píng)價(jià)三七（Panax notoginseng (Burk) F. H. Chen）連作對(duì)土壤理化性狀及土壤酶活性的影響，分析了三七不同種植年限及連作土不同治理方法的土壤理化性狀和酶活性，從而為部分解析三七連作障礙形成機(jī)制及為緩解并克服連作障礙提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，隨著三七種植年限的增加，土壤pH呈顯著下降趨勢(shì)，土壤酸化現(xiàn)象加重；種植三七1年、2年和3年的土壤與未種植過(guò)三七的土壤相比有機(jī)質(zhì)含量分別下降73%、87%和83%，并伴隨著土壤的板結(jié)。與生土和健康土相比，大量元素氮（N）和磷（P）含量在種植三七的土壤及發(fā)病土壤中顯著下降。鐵（Fe）、硼（B）、鋁（Al）等元素在種植三七的土壤中卻顯著升高，種植三七3年的土壤與生土相比，F(xiàn)e、B、Al分別上升29%、31%、32%。土壤蛋白酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶及脲酶活性隨著三七種植年限的增加均顯著降低，種植三七3年的土壤中，其土壤蛋白酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶及磷酸酶較未種植過(guò)三七的土壤分別下降91%、56%、52%、92%、92%和69%；而發(fā)病植株根際土壤的過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶活性高于健康植株根際土壤的酶活性，其中發(fā)病土壤的蔗糖酶活性較健康土高出 42%；連作植株根際土壤與經(jīng)消毒治理后的植株根際土壤相比，脲酶、蛋白酶、多酚氧化酶及過(guò)氧化氫酶活性顯著較高。研究結(jié)果還顯示，土壤酶活性與土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、N、P、K及一些微量元素（如：鉬、銅）之間存在顯著相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果暗示，三七連作后導(dǎo)致了土壤酸化和板結(jié)現(xiàn)象加重及土壤礦質(zhì)元素組成失衡和某些元素的富集，這可能是誘導(dǎo)三七連作障礙發(fā)生的原因之一；另外，三七種植年限增加明顯抑制土壤酶活性，這將阻礙三七對(duì)某些營(yíng)養(yǎng)元素的吸收及間接加劇土壤自毒物質(zhì)的積累，從而也可能誘導(dǎo)連作障礙的發(fā)生。

三七；連作障礙；土壤酸化；礦質(zhì)元素；土壤酶

連作障礙（Continuous cropping obstacles）是指在同一塊土地中連續(xù)栽培同種或同科作物時(shí)，即使在正常的栽培管理?xiàng)l件下，也會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)勢(shì)變?nèi)?、產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降、病蟲(chóng)害嚴(yán)重的現(xiàn)象(張重義和林文雄，2009)。前人通過(guò)對(duì)糧食和牧草作物（Kong等，2004；Meriles等，2009；Chona等，2002），如水稻（Oryza.sativa L）、大豆（Giycine max(L)Merrill）、苜蓿（Medicago sativa Linn），園藝作物（Wu等，2009；Hao等，2007；Mondal等，2013），如黃瓜（Cucumis sativus Linn）、西瓜（Citrullus lanatus(Thunb)Mansfeld）、草莓（Fragaria ananassa Duchesne）的研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致作物發(fā)生連作障礙的主要因素有（尋路路, 2013）：（1）根際正常微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，病原微生物增加，有益微生物減少；（2）作物分泌的有機(jī)物對(duì)其自身產(chǎn)生毒害，即化感自毒作用；（3）土壤理化性狀的惡變，導(dǎo)致土壤肥力下降及土壤鹽漬化和酸化。目前傳統(tǒng)大田作物的連作障礙研究受到了廣泛關(guān)注，然而對(duì)藥用作物連作障礙的研究則相對(duì)較少。

近年來(lái)，大多研究主要集中從土壤微生物群落的變化（Ling等，2013；Cao等，2011；Haggag等，2008；Lang等，2011）及土壤中自毒物質(zhì)的提取和鑒定（He等，2009；Canals等，2005；Jefferson和 Pennacchio，2003；Liu等，2008）等方面解析連作障礙的成因，而土壤理化性狀變化對(duì)連作障礙影響的研究則相對(duì)受到忽視。研究發(fā)現(xiàn)，作物連作后土壤粘性增大，土壤交換性鹽基總量及鹽基飽和度降低，土壤通氣空隙降低，土壤容重增大，土壤酸化及鹽漬化現(xiàn)象加重（Lithourgidis等，2006）。同時(shí)，作物連作后土壤養(yǎng)分失衡，有機(jī)質(zhì)含量下降，磷（P）含量過(guò)剩，而鉀（K）含量不足（Lithourgidis等，2006；France，1989）。另一方面，土壤酶作為土壤體系中一切生化反應(yīng)的“催化劑”，對(duì)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及土壤生物活性起監(jiān)測(cè)作用（Asmer等，1992；Dick等，1998；Frankenberger和Dick，1983）。棉花（Gossypium hirsutum Linn.）連作后棉田土壤脲酶的活性隨著連作年限的增加，呈先升后降趨勢(shì)，過(guò)氧化氫酶活性呈先降后升趨勢(shì)（張偉等，2011）。雖然有研究證實(shí)，連作會(huì)導(dǎo)致土壤酶活性發(fā)生變化，但土壤酶在作物產(chǎn)生連作障礙過(guò)程中扮演的角色依然不是很清楚。

三七為五加科人參屬多年生草本植物，以根及根狀莖入藥，具化瘀止血、消腫定痛等功效，是我國(guó)名貴中藥材（國(guó)家藥典委員會(huì)，2005）。三七為典型的宿根植物，忌地性極強(qiáng)。據(jù)前期調(diào)查，種植過(guò)三七的農(nóng)田需要輪作玉米等作物至少 10年以上才可再種植三七。有研究表明，種植三七導(dǎo)致土壤蔗糖酶、淀粉酶、過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶和磷酸酶的活性降低，也導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)、有效K、有效Ni、有效Cu、有效Zn、有效Fe含量下降（簡(jiǎn)在友等，2009）。但相關(guān)的研究還缺乏對(duì)三七連作后植株根際土壤、健康植株根際土壤、發(fā)病植株根際土壤及經(jīng)消毒治理的植株根際土壤的理化性狀及酶活性的系統(tǒng)評(píng)估。本文通過(guò)在三七道地產(chǎn)區(qū)文山州采集三種類型的土樣：（1）種植三七1年、2年、3年的根際土樣及未種植三七的生土；（2）同一地塊種植三七兩年后未發(fā)生嚴(yán)重病害的畦面的健康土與發(fā)生嚴(yán)重病害的畦面的發(fā)病土；（3）不能重茬的連作土和相應(yīng)進(jìn)行過(guò)消毒處理的治理土；然后對(duì)比分析這些系列土樣的理化性狀和土壤酶活性及其兩者的相關(guān)性，以期為部分解析三七連作障礙形成機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)所用土樣均采自于三七傳統(tǒng)道地產(chǎn)區(qū)云南省文山州硯山縣。硯山縣位于云南省東南部，東經(jīng) 103°35～104°45、北緯 23°18～23°59之間，海拔1539 m，屬低緯北亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.1 ℃，正常年降雨量1008 mm，全年無(wú)霜期250～320 d，是三七的主產(chǎn)區(qū)之一。

1.2 土樣的采集

于2013年12月，在云南省文山州硯山縣的文山苗鄉(xiāng)三七科技園及其附近區(qū)域選點(diǎn)取土樣。樣品采集地條件：年平均氣溫 17.5 ℃，最高氣溫不高于33 ℃；降水量（年）1080 mm；海拔：1557 m；年平均濕度：75%～85%；土壤類型：紅壤。

選擇未種植過(guò)三七的地塊及種植三七 1年、2年、3年的地塊，取自未種植過(guò)三七地塊的土壤視為生土，種植三七的地塊取三七根際土壤。種植三七的地塊與未種植三七的地塊相距約50 m。據(jù)走訪調(diào)查，兩者整理為農(nóng)用地之前都為多年的棄荒地，且之前都未種植過(guò)三七。

三七播種之前，結(jié)合深耕，將鈣鎂磷肥均勻施入土壤，使其與土層混合。三七種植過(guò)程中，于 4月中旬左右，按8.1 g·m-2施磷酸二銨（(NH4)2HPO4）和普鈣，6月中旬左右按 10.8 g·m-2施硝銨（NH4NO3）、硫酸鉀、按6.8 g·m-2施磷酸二銨、按13.5 g·m-2施復(fù)合肥。3月份噴施殺蟲(chóng)藥（多抗霉素、鏈霉素等），4月針對(duì)疫病噴施噁霉靈等；后期（9月以后）針對(duì)病情在需要的時(shí)候選擇不同的農(nóng)藥進(jìn)行防治病蟲(chóng)害。晴天檢查水分狀況，并進(jìn)行補(bǔ)水；雨天根據(jù)植株發(fā)病情況，對(duì)有病的種苗及時(shí)清除，防止病情擴(kuò)散，并實(shí)時(shí)監(jiān)管，使三七免受病、蟲(chóng)、草害。

在本研究中，健康土指的是種植三七兩年但并未發(fā)生嚴(yán)重病害且符合三七生產(chǎn)要求的地塊的土壤，發(fā)病土指的是來(lái)自同一地塊的、但發(fā)病特別厲害、幾乎無(wú)健康植株存在的不同畦面的土壤。健康土和發(fā)病土都取自三七根際土壤。

連作土為來(lái)自三七連作兩年以上、在生產(chǎn)上被認(rèn)為是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不能再種植三七的地塊，治理土為上述連作土經(jīng)過(guò)人為治理消毒（主要對(duì)土壤病害微生物進(jìn)行消毒）后再種植三七的地塊的土樣。其中連作土1和連作土2為來(lái)自三七不同種植區(qū)域的土壤，相應(yīng)的治理土1和治理土2為采用不同方法消毒治理的土樣。其中，治理土1為三七采收后（12月），將氯化苦（CCl3NO2）配成一定濃度，用抽提劑注射到土壤中，薄膜覆蓋，每隔3個(gè)月做一次重復(fù)處理，連續(xù)處理3次，治理土2為相同處理不同試驗(yàn)地采集的土地，治理土1和治理土2采集地相距50 m左右。前期試驗(yàn)結(jié)果表明，在連作土 1和連作土 2的兩種連作土上種植三七一年后，存苗率都不足10%；而在兩種治理土上種植三七一年后，存苗率在70%以上。在一年試驗(yàn)周期結(jié)束后，取連作土和治理土上種植三七的根際土壤。

除未種植三七的棄荒地所采集的生土外，所有待測(cè)土樣種植管理措施、施肥量、施肥種類均相同。以上土樣均采用交叉五點(diǎn)法進(jìn)行采集，取三七植株根際0～30 cm土壤。取回的三七植株根際土壤，帶回室內(nèi)，風(fēng)干，除雜，過(guò)1～2 mm篩，測(cè)定土壤理化性狀及土壤酶活性指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤理化性狀的測(cè)定

土壤理化性狀指標(biāo)的測(cè)定與分析參照《土壤農(nóng)化分析》和《土壤理化分析》提供的方法（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)主編，1986；中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所主編，1997）。土壤pH采用土∶水=1∶5酸度計(jì)法，土壤有機(jī)質(zhì)采用 K2Cr2O7-H2SO4消煮、FeSO4容量法測(cè)定；土壤全氮用重鉻酸鉀、硫酸消化-蒸餾法，有效氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤全磷用堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定，有效磷用Olsen法測(cè)定；土壤全鉀及有效鉀分別用火焰光度法和中性 NH4Ac浸提法測(cè)定；土壤全鋁及有效鋁均用氟化鉀取代-EDTA滴定法測(cè)定；全硫測(cè)定用燃燒碘量法，有效硫測(cè)定用硫酸鋇比濁法；土壤中全硼用碳酸鈉熔融-甲亞胺法測(cè)定，有效硼用熱水回流浸提法測(cè)定；土壤中全量銅、鋅的測(cè)定用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定，有效銅、鋅用DTPA-TEA浸提-AAS法測(cè)定；全錳含量用原子吸收分光光度法測(cè)定，有效錳用 KMnO4比色法測(cè)定；土壤中全鉬含量用HClO4-HNO3消煮-催化極譜法測(cè)定，有效鉬用草酸-草酸銨浸提，催化極譜法測(cè)定；土壤中全量鈣、鎂的測(cè)定用EDTA滴定法，有效鈣、鎂的測(cè)定用原子吸收分光光度法測(cè)定；土壤中全鐵測(cè)定用原子吸收光譜法，有效鐵的測(cè)定用DTPA溶液浸提-原子吸收光譜法測(cè)定；土壤鈉的測(cè)定用火焰光度法；生土及種植土的土壤理化性狀分析由中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園生物地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，其余土壤樣品的理化性狀分析由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源研究所完成。

1.3.2 土壤酶活性的測(cè)定

土壤酶活性測(cè)定方法參照關(guān)松蔭編著的《土壤酶及其研究法》（關(guān)松蔭，1986）。

脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定，以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示酶活性。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，蔗糖酶的活性以24 h后1 g土壤生成葡萄糖的毫克數(shù)表示。用鄰苯三酚比色法測(cè)定土壤多酚氧化酶的活性，多酚氧化酶活性以2 h后1 g土壤中生成的紫色沒(méi)食子素的毫克數(shù)表示。用滴定法測(cè)定過(guò)氧化氫酶的活性，其活性以每克土所消耗的 0.1 mol·L-1KMnO4的毫升數(shù)表示。蛋白酶采用銅鹽比色法測(cè)定，土壤蛋白酶活性以每克土壤在24 h內(nèi)酶解蛋白質(zhì)釋放的NH3-N的毫克數(shù)（mg）表示；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，酶活性以24 h后1 g土壤中釋放出的中P2O5毫克數(shù)表示。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均使用Microsoft Excel 和SPSS 17.0軟件進(jìn)行整理和分析。其中種植三七1、2、3年地塊的土樣及生土，其土壤理化性狀及酶活性實(shí)驗(yàn)結(jié)果用單因素方差分析（one way ANOVA）檢驗(yàn)組間差異；其余土樣的理化性狀及酶活性數(shù)據(jù)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)（Independent Sample T test）分析其顯著性差異；用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤酶活性與土壤理化性狀間的相關(guān)關(guān)系。取自一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的土壤為一個(gè)重復(fù)。*0.01

2 結(jié)果與分析

2.1 連作對(duì)三七種植土壤理化性狀的影響

2.1.1 三七不同種植年限土壤的理化性狀比較

三七不同種植年限對(duì)土壤理化性狀有明顯影響（表1）。種植三七3年后的土壤較未種植過(guò)三七的土壤pH呈下降趨勢(shì)；且總體上看，種植三七后土壤pH呈下降趨勢(shì)。種植三七1年、2年、3年后土壤有機(jī)質(zhì)含量比未種植過(guò)三七的生土有機(jī)質(zhì)含量分別下降73%、87%和83%。

種植三七3年后土壤中全N、全P、有效N、有效P較生土分別下降73%、79%、70%和90%，且差異顯著；而隨著種植年限的增加，有效K含量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，種植三七3年后土壤全K含量增加43%。中量元素全Ca、全S的含量隨種植年限增加呈下降趨勢(shì)，而全Mg含量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。相比生土，種植三七3年后土壤中全量Fe、B、Al含量分別上升29%、31%、32%；而微量元素全量Mn、Cu、Zn、Mo的含量呈下降趨勢(shì)；隨著種植年限的增加，全Na的含量雖然呈現(xiàn)小幅度下降，但變化不顯著。

2.1.2 三七根際健康土和發(fā)病土理化性狀比較

由表2可知，健康土與發(fā)病土的pH并無(wú)明顯差異。發(fā)病土有機(jī)質(zhì)含量顯著高于健康土。發(fā)病土有效K比健康土中高33%，而有效P含量卻比健康土低48%。全N含量在發(fā)病土中顯著較高，而有效N、全P、全K兩者差異不顯著。發(fā)病土中有效Ca、有效Mg、有效S、有效Na的含量均低于健康土。而有效Fe、有效Mn、有效Cu、有效Zn、有效B、有效Mo的含量均是發(fā)病土中較高。

2.1.3 三七連作土與治理土理化性狀差異

如表3所示，連作土1的pH顯著高于治理土1；連作土1中大量元素P、K及中量元素有效Ca、有效Mg含量均比治理土1高；連作土1中的有效Cu、有效Mo含量較治理土1高，并達(dá)到極顯著水平；連作土1中大量元素全N含量低于治理土1，但差異不顯著；中量元素S含量顯著低于治理土1；微量元素有效Fe、Mn含量均較治理土1低，達(dá)到極顯著水平；連作土1中有效Na含量顯著低于治理土1。

表1 不同種植年限三七根際土壤的理化性狀Table 1 Physical-chemical properties of rhizosphere soil of Panax notoginseng cultivated by different years

表中同一行不同字母表示在P≤0.05水平上差異顯著，數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

表2 三七種植園健康土和發(fā)病土的土壤理化性狀Table 2 Physical-chemical properties of rhizosphere soil collected from healthy and diseased Panax notoginseng

表3 三七連作土1與治理土1土壤理化性狀Table 3 Physical-chemical properties of soil collected from continuous cropping system 1 and correspondingly treated system 1 for Panax notoginseng

由表4可知，治理土2中有機(jī)質(zhì)含量顯著高于連作土2；治理土2中大量元素N、P及有效K含量均顯著高于連作土 2，達(dá)到極顯著水平（P<0.001）；治理土2中的中量元素有效Ca含量高出連作土 222%，達(dá)到極顯著水平（P<0.001）；治理土2中微量元素有效Mn、有效Zn、有效B含量高于連作土 2，達(dá)到極顯著水平（P<0.001）；治理土2中全K含量比連作土2低。而pH在治理土2和連作土2中的差異不顯著，兩者呈微酸性。

表4 三七連作土2與治理土2土壤理化性狀Table 4 Physical-chemical properties of soil collected from continuous cropping system 2 and correspondingly treated system 2 for Panax notoginseng

2.2 三七連作對(duì)土壤酶活性的影響

2.2.1 三七不同種植年限土壤酶活性比較

隨著三七種植年限的增加，土壤蛋白酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶和脲酶的活性均呈顯著下降趨勢(shì)（表5）。種植三七1年、2年、3年后土壤蛋白酶活性較未種植過(guò)三七的生土其活性分別下降61%、84%和91%；在種植三七3年后，過(guò)氧化氫酶活性下降了56%，蔗糖酶和脲酶活性均下降了92%，磷酸酶下降了69%。

表5 不同種植年限三七根際土壤酶活性Table 5 Enzyme activities of soil collected from rhizosphere of Panax notoginseng cultivated by different years

2.2.2 三七根際健康土和發(fā)病土的土壤酶活性比較

三七種植園健康土和發(fā)病土的土壤酶活性分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)病土中各測(cè)定的酶活性均高于健康土（表 6）。其中發(fā)病土中磷酸酶活性較健康土高出25%，與健康土相比顯著較高；發(fā)病土的多酚氧化酶的活性高于健康土30%；發(fā)病土中過(guò)氧化氫酶及蔗糖酶活性較健康土分別高出24%和42%；發(fā)病土的蛋白酶活性和脲酶活性均高于健康土，但差異不顯著。

表6 三七種植園健康土和發(fā)病土酶活性比較Table 6 Enzyme activities of soil collected from rhizosphere of healthy and diseased Panax notoginseng

2.2.3 三七連作土與治理土土壤酶活性比較

由表7可知，連作土1中蛋白酶、多酚氧化酶、脲酶、及蔗糖酶活性均高于治理土 1，過(guò)氧化氫酶和磷酸酶活性卻低于治理土1。其中連作土1蛋白酶活性高于治理土 1達(dá) 38%；多酚氧化酶活性高15%，達(dá)到顯著水平；脲酶活性高達(dá)49%，達(dá)到極顯著水平；蔗糖酶活性高達(dá)32%；治理土1中磷酸酶活性高于連作土32%，達(dá)到極顯著水平。

連作土2中多酚氧化酶、過(guò)氧化氫酶及磷酸酶活性均高于治理土 2，蛋白酶活性、脲酶活性及蔗糖酶活性均低于治理土2（表8）。連作土2中多酚氧化酶活性高于治理土2的34%，達(dá)到顯著水平；過(guò)氧化氫酶活性在連作土2中較高，但差異不顯著；連作土2中磷酸酶活性較治理土2高48%，達(dá)到極顯著水平；治理土 2中蛋白酶活性較連作土 2高51%；連作土2中脲酶及蔗糖酶活性均顯著高于治理土2，其活性分別是治理土2的47%和40%。

2.3 土壤酶活性與土壤理化性狀的相關(guān)性

由表9可知，所測(cè)土壤酶活性與土壤理化具有一定的相關(guān)性。其中pH、有機(jī)質(zhì)、全P、有效P與蛋白酶活性呈顯著正相關(guān)，S、Mn與蛋白酶活性呈負(fù)相關(guān)；過(guò)氧化氫酶活性與Mo呈顯著正相關(guān)，與Mn呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Ca、Mg、S呈負(fù)相關(guān)，與全K及Na也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；磷酸酶活性與Na、Ca、Mg呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與B、Mo、Cu、Zn、Fe呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；蔗糖酶活性及脲酶活性與有機(jī)質(zhì)、全N、全P、有效N、有效P以及Mo、Cu含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，而Na、S、Ca、Mg、Mn與其呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表7 三七連作土1與治理土1酶活性比較Table 7 Enzyme activities of soil collected from continuous cropping system 1 and correspondingly treated system 1 for Panax notoginseng

表8 三七連作土2與治理土2酶活性比較Table 8 Enzyme activities of soil collected from continuous cropping system 2 and correspondingly treated system 2 for Panax notoginseng

表9 土壤酶活性與土壤理化性狀的相關(guān)性Table 9 Correlations between activities of soil enzyme and properties of soil physic-chemistry

3 討論

3.1 三七連作驅(qū)動(dòng)的土壤理化性狀變化

目前普遍認(rèn)為，土壤理化性狀惡變是造成作物連作障礙發(fā)生的主要因素之一。有研究表明，隨著三七連作年限的增加，土壤有效K及有效S含量呈下降趨勢(shì)，而P、Cu、Mg等元素卻逐年升高，土壤酸化及鹽漬化水平加重（劉莉等，2013）。本研究結(jié)果也表明，隨著三七種植年限的增加，土壤pH呈顯著下降趨勢(shì)。土壤pH下降說(shuō)明土壤有酸化的趨勢(shì)，土壤酸化加重將為病原真菌滋長(zhǎng)提供條件，從而可能加重病蟲(chóng)害的發(fā)生（Moharana等，2012）。種植三七后，土壤有機(jī)質(zhì)含量和大量元素氮（N）、磷（P）含量顯著下降，而全Fe、全B、全Al等卻顯著升高，K含量卻隨種植年限的增加而呈上升趨勢(shì)（表1）。三七是一種喜鉀作物，K含量增加可能與生產(chǎn)上人為追求產(chǎn)量施加硫酸鉀過(guò)量有關(guān)。K+能與土壤膠體吸附的Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子發(fā)生交換，使土壤板結(jié)，導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)含量下降，并影響植物呼吸（MOHARANA，2012）。土壤中微生物活動(dòng)與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，K含量增高而有機(jī)質(zhì)含量降低，可能會(huì)使土壤中微生物群落的多樣性遭到破壞，同時(shí)導(dǎo)致土壤板結(jié)、透氣性降低、肥力下降，這可能會(huì)加劇作物連作障礙發(fā)生（Wei等，2006）。發(fā)病土中有效Fe、有效Mn、有效Cu、有效Zn等元素含量比健康土高，連作土2也表現(xiàn)為有效Fe、有效Cu等元素含量較高。有研究表明，土壤中Fe、Al含量過(guò)高，會(huì)抑制植物質(zhì)膜ATP的活性，阻礙根系生長(zhǎng)，影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用，對(duì)植株造成傷害，使作物產(chǎn)量及質(zhì)量下降（Nicola等，2003）。

土壤理化性狀變化是植物內(nèi)在因素及人為管理措施等外在因素共同作用的結(jié)果。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)某些營(yíng)養(yǎng)元素的選擇性吸收會(huì)導(dǎo)致這些元素的缺乏，而另外一些元素卻發(fā)生富集，這將致使土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的平衡遭到破壞。有研究表明，由于人參（Panax ginseng C. A. Mey.）對(duì)土壤礦質(zhì)元素的吸收偏好，人參重茬三年土與生茬土相比 Fe、Mn、Zn、Cu、K、B的含量明顯降低，而Na、Ca含量卻恰恰相反（Diekow等，2005）。同時(shí)也有研究證實(shí)，在連作小麥（Triticum aestivum Linn.）和玉米（Zea mays）的土壤中，添施肥料（如磷肥）后，土壤中Fe、Mn、Zn的含量顯著增加，Cu含量未受到影響（Gao等，2000）。Na、Al、Mn、Fe及Cu、Zn等礦質(zhì)元素高濃度時(shí)對(duì)植物有毒害作用。在三七生產(chǎn)過(guò)程中，多用遮蔭棚進(jìn)行設(shè)施栽培，土壤中的無(wú)機(jī)元素容易富集于土壤表層，再加之化學(xué)肥料的過(guò)度施用，更容易導(dǎo)致土壤表層某些元素的集聚或缺素，這些因素都會(huì)對(duì)植株生長(zhǎng)產(chǎn)生不良影響。同時(shí)，營(yíng)養(yǎng)元素富集還會(huì)滋長(zhǎng)病原真菌積累（Asmer等，1992），導(dǎo)致土壤病害加重，進(jìn)一步加劇連作障礙的發(fā)生。

3.2 三七連作對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶主要來(lái)自于植物根系分泌物及土壤微生物的活動(dòng)，并參與土壤各種生物化學(xué)過(guò)程，是土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的敏感指標(biāo)（蘇潔瓊等，2014；趙玉濤等，2008；Bandick和Dick，1999）。尋路路（尋路路，2013）研究發(fā)現(xiàn)，栽種過(guò)三七的土壤蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶及磷酸酶活性均小于未種植三七的土壤。本研究結(jié)果也顯示，隨著三七種植年限的增加，蛋白酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶及脲酶活性均顯著降低。而發(fā)病土的過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶活性高于健康土（表6）。土壤酶在遭遇土壤環(huán)境變化的情況下，會(huì)產(chǎn)生一些抗逆機(jī)制來(lái)維持自身穩(wěn)定性，在初期表現(xiàn)為活性下降，而隨著環(huán)境干擾作用加強(qiáng)，其生物適應(yīng)性也會(huì)隨之加強(qiáng)，出現(xiàn)升高現(xiàn)象（Liu等，2002）。

蔗糖酶作為促進(jìn)蔗糖分解的重要酶，能夠提高土壤的生物活性，是表征土壤氮素循環(huán)及肥力水平的重要指標(biāo)（劉恩科等，2008）。連作土 1的蔗糖酶活性高于治理土1，而連作土2的蔗糖酶活性卻顯著低于治理土 2（表 7、8），這可能是兩種連作土樣治理方法不同所致。同時(shí)，微生物的代謝產(chǎn)物（酚酸及蔗糖類碳水化合物）也會(huì)導(dǎo)致蔗糖酶活性的變化。脲酶活性與蛋白酶活性在連作土1中顯著高于治理土 1，發(fā)病土與健康土中兩種酶活性差異不顯著，治理土2中脲酶及蛋白酶活性顯著升高（表7、8）。脲酶和蛋白酶都是參與土壤氮素循環(huán)的重要酶，對(duì)土壤中氮素的含量變化表現(xiàn)敏感（蘇潔瓊等，2014）。連作土1中全氮（N）含量是生土中的全氮（N）含量的近四倍（表1、表3）。三七連作過(guò)程中，為提高產(chǎn)量會(huì)加施氮肥，導(dǎo)致三七根際土壤中氮素含量升高，氮素循環(huán)加快，這可能是導(dǎo)致連作土1中兩種酶活性升高的原因之一。多酚氧化酶是植物根際分泌物、植物腐解及土壤微生物代謝等分解釋放的酶，能促使鄰苯三酚氧化成醌，使其與土壤中大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、糖類等反應(yīng)生成有機(jī)質(zhì)及色素，對(duì)土壤環(huán)境變化極其敏感（王延平等, 2013）。本研究結(jié)果表明，多酚氧化酶活性在連作土1與連作土2中基本一致，經(jīng)治理后其活性降低，原因可能是植物殘茬降解及根際分泌的酚酸類物質(zhì)在土壤中積聚，誘發(fā)多酚氧化酶活性上升；而治理后，土壤中微生物被大量消除，土壤分解代謝能力降低，多酚氧化酶活性降低（王延平等，2013；Tian等，2013）。過(guò)氧化氫酶作為植物抗氧化系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶，它對(duì)植物抵御逆境脅迫起到至關(guān)重要的作用（廖海兵等，2011）。而發(fā)病土及連作土 2中過(guò)氧化氫酶活性較低，這與廖海兵等（2011）對(duì)連作條件下浙貝母土壤酶活性的研究結(jié)果相關(guān)類似。這說(shuō)明三七連作后土壤的抗逆性減弱，這有可能誘發(fā)病害的發(fā)生。

蘇潔瓊等人的研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶（如：蛋白酶、脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶）活性與土壤全N、NO3-、NH4+-N及有效N均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤pH呈正相關(guān)關(guān)系（王延平等，2013）。本研究結(jié)果表明，所測(cè)的土壤酶（蛋白酶、脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶）活性與土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、有效N、有效P、有效K呈正相關(guān)，與全K呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤酶通常來(lái)自于土壤中微生物的代謝活動(dòng)、植物根系分泌和動(dòng)植物殘?bào)w腐解，所以土壤酶活性對(duì)土壤理化性狀變化響應(yīng)靈敏。土壤pH變化、有機(jī)物污染等都會(huì)引起土壤酶活性發(fā)生改變（楊紅飛等，2007）。

土壤酶對(duì)土壤環(huán)境的自我修護(hù)及調(diào)節(jié)起到重要作用，酶活性紊亂會(huì)導(dǎo)致植物根際和根系的微域環(huán)境發(fā)生改變（尋路路，2013）。蔗糖酶活性降低會(huì)導(dǎo)致土壤易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，阻礙植物對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取（Liu等，2002）。蛋白酶、磷酸酶和脲酶與土壤氮素及磷素水平息息相關(guān)，作物連作導(dǎo)致的蛋白酶及磷酸酶活性降低，會(huì)很大程度削弱土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力（劉恩科，2008）。同時(shí)，土壤酶活性變化會(huì)影響土壤解毒能力，連作導(dǎo)致的土壤酶活性失調(diào)，這可能將間接加劇土壤中自毒物質(zhì)的積累，抑制植物生長(zhǎng)，誘導(dǎo)連作障礙的發(fā)生。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，隨著三七種植年限的增加，土壤pH呈顯著下降趨勢(shì)，土壤有酸化趨勢(shì)，土壤酸化會(huì)促進(jìn)病原真菌的生長(zhǎng)，可能誘發(fā)三七連作障礙；土壤有機(jī)質(zhì)含量和N、P含量在種植三七的土壤及發(fā)病土中顯著下降，而Fe、B、Al等元素卻顯著升高，因此，種植三七后土壤有板結(jié)的趨勢(shì)，并且某些元素富集會(huì)導(dǎo)致植物中毒及土壤養(yǎng)分比例失調(diào)；同時(shí)，隨著種植年限的增加，土壤蛋白酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶和脲酶的活性均呈顯著下降趨勢(shì)，三七連作后土壤中關(guān)鍵酶活性的下降，將影響三七對(duì)某些營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，并削弱土壤對(duì)自毒物質(zhì)的代謝，可能誘導(dǎo)連作障礙發(fā)生。

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Properties of Soil Physical-Chemistry and Activities of Soil Enzymes in Context of Continuous Cropping Obstacles for Panax notoginseng

SUN Xueting1,2, LONG Guangqiang2, ZHANG Guanghui2, MENG Zhengui2, CHEN Zhongjian3, YANG Shengchao2, CHEN Junwen1,2*
1. College of Agriculture and Biotechnology, Yunnan Agriculture University, Kunming 650201, China; 2. Yunnan Agriculture University, Yunnan Provincial Research Center on Good Agricultural Practice for Dominant Chinese Medicinal Materials, Kunming 650201, China; 3. Institute of Sanqi, Wenshan University, Wenshan 663000, China

In order to evaluate the effect of continuous cropping of Panax notoginseng on soil physical-chemical and activities of soil enzymes, in this paper, physical-chemical properties and enzyme activities were analyzed in rhizosphere soil collected from plots where P. notoginseng has been cropped for different years and in soil that has been managed with different remedies. The objectives of the present study were to explain the underlying mechanism of continuous cropping obstacle and to provide a theoretical basis for a method to relieve and overcome the continuous cropping obstacle of P. notoginseng. The result shows that soil pH decreased and soil acidification increased as the cropping time increased. When compared with the uncultivated soil of organic matter, 1-, 2-, and 3-year-cultivated soil of organic matter were decreased by 73%, 87% and 83% , and the cultivated soil had a tendency for hardening. The content of N and P were significantly decreased in the cultivated soil and diseased soil when compared with the uncultivated soil and healthy soil. While the contents of Fe, B and Al were significantly increased by 29%, 31%, 32% respectively, when compared with the uncultivated soil. Acvitivies of protease, catalase, sucrase, phosphatase, and urase in soil significantly decreased as the cropping time proceeded. Activities of protease, catalase, invertase, urease and phosphatase were decreased by 91%, 56%, 52%, 92%, 92% and 69% in the 3-year-cultivated soil of P. notoginseng than in the uncultivated soil of ones. Activities of catalase, sucrase and phosphatase in diseased soil were higher than those in healthy soil, and the activity of invertase in the former was higher than in the latter even by 42%. In comparison with the continuous cropping soil, the disinfection-treated soil showed the significantly higher activities of urease, protease, polyphenol oxidase and catalase. In addition, the activities of enzyme in soil were significantly correlated with soil pH and contents of organic matter, N, P, K, and some microelements (e.g. Mo and Cu). The results obtained here indicated that continuous cropping of P. notognseng aggravate soil acidification and hardening and result in the imbalance of soil mineral elements and the enrichment of some elements, this may induce the continuous cropping obstacle of P. notoginseng. On the other hand, the activities of enzymes in soil were inhibited by the continuous cropping, this would hinder the absorption efficiency of P. notoginseng for some elements and increase the accumulation of soil autotoxic compounds, this may also induce the continuous cropping obstacle.

Panax notoginseng; continuous cropping obstacle; soil acidification; mineral element; soil enzymes

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.007

S153.6, S154.2

A

1674-5906（2015）03-0409-09

孫雪婷，龍光強(qiáng)，張廣輝，孟珍貴，陳中堅(jiān)，楊生超，陳軍文. 基于三七連作障礙的土壤理化性狀及酶活性研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(3): 409-417.

SUN Xueting, LONG Guangqiang, ZHANG Guanghui, MENG Zhengui, CHEN Zhongjian, YANG Shengchao, CHEN Junwen. Properties of Soil Physical-Chemistry and Activities of Soil Enzymes in Context of Continuous Cropping Obstacles for Panax notoginseng [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 409-417.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81360609）；云南省中青年學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人后備人才培養(yǎng)項(xiàng)目（2014HB011）；云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012CG024）

孫雪婷（1989年生），女，碩士研究生，主要從事三七自毒物質(zhì)與連作障礙的研究。E-mail: 15368783223@163.com *通信作者：陳軍文（1978年生），男，副教授，主要從事作物栽培生理生態(tài)學(xué)研究。E-mail：cjw31412@163.com

2014-12-03