棉花—孜然間作模式對(duì)土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響

謝利　王燕芳　馬超　吳瑛

摘要：采用棉花單作、孜然單作、棉花和孜然間作3種種植模式，研究其土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的變化。結(jié)果表明，間作與棉花單作相比，土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量及脲酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶活性顯著降低，間作不能有效調(diào)節(jié)土壤的微生物區(qū)系，不能很好地改善棉田的土壤環(huán)境。

關(guān)鍵詞：棉花；孜然；間作；土壤；微生物；酶活性

中圖分類號(hào)： S562.04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0103-02

間套作是農(nóng)作物時(shí)間生態(tài)位和空間生態(tài)位互補(bǔ)擴(kuò)大的集約種植方式，生態(tài)位分離是間套作優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的主要生態(tài)機(jī)制，是2種作物充分利用地上部光熱和地下部水土資源，實(shí)現(xiàn)資源最大限度的利用，從而在單位面積上獲得更高的產(chǎn)量[1-2]。目前，有關(guān)棉花高產(chǎn)栽培技術(shù)及間作套種對(duì)生態(tài)條件的改善等研究較多[3-4]。棉花-孜然間作是新疆維吾爾自治區(qū)南疆地區(qū)廣泛應(yīng)用的一種種植模式[5]，而該種植模式對(duì)土壤生態(tài)的影響迄今未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)對(duì)棉花與孜然不同種植方式下的微生物群落數(shù)量和土壤酶活性進(jìn)行研究，以探索土壤生態(tài)環(huán)境的變化，為篩選棉花最佳的種植模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在新疆維吾爾自治區(qū)阿拉爾市12團(tuán)農(nóng)田內(nèi)，該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，年均氣溫10.7 ℃，極端最高氣溫35 ℃，極端最低氣溫-28 ℃；年均太陽(yáng)輻射為133.7～146.3 kcal/cm2，年均日照時(shí)間為2 556.3～2 991.8 h；雨量稀少，冬季少雪，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發(fā)量為1 876.6～2 558.9 mm；試驗(yàn)地為單作棉花種植地，沙質(zhì)壤土，土層深度為10～30 cm，有機(jī)質(zhì)含量為13.76 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為65.41、15.23、82.33 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試棉花品種為新陸早13號(hào)，孜然為農(nóng)田主自留種。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在大田條件下進(jìn)行，設(shè)棉花單作、孜然單作和棉花間作孜然3個(gè)種植模式。單作棉花采用窄膜1膜3行模式，膜上株行距為25 cm×25 cm，交接行行距為55～60 cm；單作孜然株行距為30 cm×10 cm；棉花間作孜然是在單作棉花的交接行中間種植2行孜然，株行距為30 cm×10 cm。生長(zhǎng)期間管理同常規(guī)；當(dāng)年6月，采用5點(diǎn)取樣法用土鉆取根際土，鉆取深度為20 cm；將土樣合并，裝袋封口并做好標(biāo)簽；研磨，過(guò)2 mm篩，一部分裝袋放入4 ℃冰箱中保存，用于測(cè)定土壤微生物數(shù)量，另一部分自然風(fēng)干，用于測(cè)定土壤酶活性。

1.4 測(cè)定內(nèi)容和方法

土壤微生物數(shù)量用平板涂抹法測(cè)定，細(xì)菌、真菌、放線菌分別用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基、改良的高氏1號(hào)培養(yǎng)基[6]培養(yǎng)；土壤脲酶、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、蛋白酶分別采用靛酚藍(lán)比色法、鄰苯三酚比色法、高錳酸鉀滴定法、3，5-二硝基水楊酸比色法、茚三酮比色法測(cè)定[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物參與多種生化反應(yīng)，對(duì)土壤環(huán)境結(jié)構(gòu)的形成和改良等起著十分重要的作用。由表1可見(jiàn)，棉花和孜然間作，其土壤微生物數(shù)量比單作孜然有所增加，細(xì)菌、真菌、放線菌分別增加了50.1%、6.2%、29.9%，且細(xì)菌和放線菌數(shù)量差異達(dá)到顯著水平；棉花和孜然間作與棉花單作相比，間作地塊的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量分別比孜然單作降低了24.4%、17.6%、14.3%，且差異顯著。有研究表明，當(dāng)土壤中真菌數(shù)量及其組成比例提高時(shí)，會(huì)增加土傳病害的發(fā)生，而細(xì)菌和放線菌數(shù)量及其組成比例增加時(shí)，土傳病害發(fā)生概率則會(huì)下降[8]。因此，棉花和孜然間作不能很好地改善土壤環(huán)境。

2.2 不同種植模式對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶主要來(lái)自微生物和根系的分泌物，反映土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化情況，是評(píng)價(jià)土壤肥力水平的重要指標(biāo)。由表2可見(jiàn)，與棉花單作和孜然單作相比，棉花和孜然間作的土壤酶活性均有不同程度的降低和升高；間作的脲酶、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和蛋白酶活性比棉花單作分別降低了20.4%、3.1%、16.9%、41.0%、7.9%，且脲酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性差異達(dá)到顯著水平；與孜然單作相比，間作土壤除過(guò)氧化氫酶活性降低了12.3%，脲酶、過(guò)氧化物酶、蔗糖酶、蛋白酶活性分別增加了22.7%、45.2%、37.1%、385.1%，差異均達(dá)到顯著水平?？梢?jiàn)棉花和孜然間作不利于棉花的生長(zhǎng)。

2.3 不同種植模式土壤微生物數(shù)量與酶活性的相關(guān)性分析

由表3可見(jiàn)，土壤酶活性與微生物數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性大小表現(xiàn)為： 脲酶>蔗糖酶>蛋白酶>過(guò)氧化物酶>過(guò)氧化氫酶；過(guò)氧化氫酶與微生物數(shù)量未達(dá)到顯著相關(guān)水平，脲酶、蔗糖酶與微生物數(shù)量達(dá)到極顯著相關(guān)水平；過(guò)氧化物酶、蛋白酶與真菌數(shù)量達(dá)到顯著相關(guān)水平，與細(xì)菌、放線菌數(shù)量達(dá)到極顯著相關(guān)水平。

3 結(jié)論與討論

大多數(shù)作物都存在化感物質(zhì)的他感和自毒作用，其中自毒作用是作物產(chǎn)生連作障礙的主要原因之一[9-11]。根系分泌物積累會(huì)產(chǎn)生化感抑制作用，導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量下降，群落功能多樣性被破壞，土壤酶活性降低，土壤生態(tài)環(huán)境惡化，從而抑制植物的生長(zhǎng)，表現(xiàn)為葉綠素含量、酶活性下降，MDA含量、細(xì)胞膜透性增加，植物的抗病性降低[12]。植物一般不會(huì)無(wú)緣無(wú)故地產(chǎn)生根系分泌物[13]，但由于生境的異質(zhì)性，植物將時(shí)常面對(duì)各種逆境，既有來(lái)自自身資源的爭(zhēng)奪，又有其他生物的侵?jǐn)_，通過(guò)物理手段提高植物抗逆性的能力大為下降，化學(xué)方法上升為主要手段[14]。植物釋放的化感物質(zhì)不僅可以通過(guò)根系分泌，還有莖葉揮發(fā)如萜類、雨露淋洗和植物殘?bào)w腐解等[15-18]，當(dāng)化感物質(zhì)積累到一定濃度，就會(huì)對(duì)不同植物生長(zhǎng)代謝表現(xiàn)為低促高抑的現(xiàn)象[16]，同時(shí)也在土壤環(huán)境中得以體現(xiàn)。

棉花單作和孜然單作的土壤環(huán)境簡(jiǎn)單，植物只面對(duì)自身種群內(nèi)資源的競(jìng)爭(zhēng)。棉花和孜然間作，土壤環(huán)境變復(fù)雜，植物不僅要面對(duì)種內(nèi)資源競(jìng)爭(zhēng)，還要面對(duì)種外生物的侵?jǐn)_。此時(shí)，植物一方面通過(guò)地上部分產(chǎn)生的化感物質(zhì)作用于同種或異種植物來(lái)影響其生長(zhǎng)發(fā)育；另一方面，則通過(guò)根系分泌物來(lái)影響根際微生物的種類和數(shù)量，進(jìn)而改變土壤酶活性來(lái)改善土壤的理化性質(zhì)，并對(duì)其他植物種子或根系產(chǎn)生影響以改善自身的生存條件。孜然是一種具有特殊氣味的植物，具有抑菌性[19]，其含有的大量醛、萜類物質(zhì)[20]均屬于化感物質(zhì)，經(jīng)過(guò)莖葉揮發(fā)、雨露淋洗及根系分泌物釋放，可造成化感物質(zhì)的大量積累，從而抑制土壤微生物的生長(zhǎng)，對(duì)棉花產(chǎn)生化感作用，使土壤酶活性降低，影響棉花的正常生長(zhǎng)發(fā)育，而棉花產(chǎn)生的化感物質(zhì)濃度較低，促進(jìn)了孜然土壤微生物種群的生長(zhǎng)，使土壤酶活性升高。棉花和孜然間作，棉花對(duì)孜然的化感作用表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)，孜然對(duì)棉花則表現(xiàn)為高濃度抑制且影響更大，使土壤整體酶活性下降，微生物數(shù)量降低，棉花和孜然間作不能有效改善土壤的環(huán)境質(zhì)量，這與前人研究結(jié)論[21]有所不同。需指出的是，本試驗(yàn)僅針對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行了部分研究，將來(lái)還應(yīng)對(duì)棉花和孜然間作所獲得的作物品質(zhì)和產(chǎn)量開(kāi)展進(jìn)一步研究，綜合其微觀環(huán)境與宏觀產(chǎn)量，為棉花種植篩選出最佳模式提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖焱波，李 隆，張福鎖.小麥/蠶豆間作體系中的種間相互作用及氮轉(zhuǎn)移研究[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（5）：965-973.

[2]肖焱波，李 隆，張福鎖.根瘤菌菌株NM353 對(duì)小麥/蠶豆間作體系中作物生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2006，12（1）：89-96.

[3]黨小燕，劉建國(guó)，帕尼古麗，等. 棉花間作模式中作物養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)吸收和積累動(dòng)態(tài)的研究[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2013，19（1）：166-173.

[4]趙慶龍.蒜棉、麥棉套作對(duì)棉田土壤微生物及相關(guān)酶活性的影響[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[5]買(mǎi)熱木·吾守，艾尼瓦爾·巴吾東，熱沙來(lái)提·熱西甫. 孜然套種棉花高效栽培技術(shù)總結(jié)[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科技，2011（3）：13-14.

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

[7]劉建國(guó).新疆棉花長(zhǎng)期連作的土壤環(huán)境效應(yīng)及其化感作用的研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[8]周寶利，孫傳齊，韓 琳，等. 鄰苯二甲酸二丁酯對(duì)茄子根際土壤黃萎菌數(shù)量及土壤微生物組成的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2010，25（6）：150-153.

[9]吳鳳芝，趙鳳艷.根系分泌物與連作障礙[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，34（1）：114-118.

[10]王樹(shù)起，韓曉增，喬云發(fā).根系分泌物的化感作用及其對(duì)土壤微生物的影響[J]. 土壤通報(bào)，2007，38（6）：1219-1226.

[11]范麗娜，孫東玲，秦小萍，等. 腫柄菊水浸提液對(duì)3種作物的化感作用研究[J]. 雜草科學(xué)，2013，31（2）：26-30.

[12]李雪利，李 正，李彥濤，等. 植物化感作用研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25（23）：142-146.

[13]Gershenzon J. Metabolic costs of terpenoid accumulation in higher plants[J]. Journal of Chemical Ecology，1994，20（6）：1281-1328.

[14]孔垂華，徐 濤，胡 飛，等. 環(huán)境脅迫下植物的化感作用及其誘導(dǎo)機(jī)制[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20（5）：849-854.

[15]朱 強(qiáng)，張得懷，王雪劍，等. 狗尾草水提取物對(duì)6種植物的化感作用[J]. 雜草科學(xué)，2013，31（4）：25-30.

[16]孔垂華，胡 飛.植物化感 （相生相克） 作用及其應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2001.

[17]李彥斌，劉建國(guó)，程相儒，等. 秸稈還田對(duì)棉花生長(zhǎng)的化感效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（9）：4942-4948.

[18]李艷賓，張 琴，萬(wàn)傳星，等. 棉稈腐解物的化感作用及其主要化學(xué)成分分析[J]. 棉花學(xué)報(bào)，2009，21（6）：497-502.

[19]索菲婭，茍 萍，生 光，等. 維藥孜然不同提取物抑菌作用的研究[J]. 食品科學(xué)，2006，27（4）：99-102.

[20]陳芹芹，李淑燕，甘芝霖，等. 孜然精油成分分析及其功能研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué)，2011，32（3）：301-304.

[21]胡競(jìng)輝.梨園間作芳香植物對(duì)土壤微生物、土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的影響[D]. 北京：北京農(nóng)學(xué)院，2010.趙 凌，趙春芳，周麗慧，等. 中國(guó)水稻生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：105-107.