連作對谷子土壤酶活性及養(yǎng)分的影響

妙佳源，李　夏，周　達(dá)，高　揚(yáng)，高小麗，王鵬科，高金鋒，楊　璞，馮佰利

(旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室/西北農(nóng)林科技大學(xué)， 陜西 楊凌 712100)

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連作對谷子土壤酶活性及養(yǎng)分的影響

妙佳源，李夏，周達(dá)，高揚(yáng)，高小麗，王鵬科，高金鋒，楊璞，馮佰利

(旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室/西北農(nóng)林科技大學(xué)， 陜西 楊凌 712100)

摘要：為探明谷子連作對土壤環(huán)境的影響，分析不同連作年限對谷子土壤養(yǎng)分和酶活性的影響，本研究在4 a不施肥定位試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)置連作2 a(T1)、連作3 a(T2)、連作4 a(T3)和輪作(CK)4個處理，分別測定了土壤養(yǎng)分、土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性及其變化。試驗結(jié)果表明，與輪作(CK)相比，連作2 a(T1)、連作3 a(T2)和連作4 a(T3)分別減產(chǎn)6.9%、12.7%和35.6%，隨著連作年限增加，減產(chǎn)幅度加大；連作土壤氮、磷含量降低，其中速效氮含量降低最為顯著(P<0.05)，速效鉀含量變化不顯著(P>0.05)，土壤pH升高。連作條件下，土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，且隨著連作年限增加，降低越顯著，連作4 a(T3)顯著低于其它處理(P<0.05)。

關(guān)鍵詞：連作；土壤酶；土壤養(yǎng)分；谷子；連作障礙

谷子(Setariaitalica)耐旱、耐貧瘠，主要分布在我國的西北、華北和東北的干旱、半干旱地區(qū)[1]，是我國北方主要的糧食作物。但栽培技術(shù)落后，連作現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致病、蟲、草害發(fā)生，影響谷子生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，探索谷子的茬口特性及其對土壤環(huán)境的影響，提高谷子的產(chǎn)量和品質(zhì)，對維護(hù)區(qū)域糧食平衡，增加人們食物多樣性具有重要意義。

大量的生產(chǎn)實踐表明，多年連作會引起連作障礙，導(dǎo)致作物病蟲害加重[2]，長勢變差，土壤肥效下降，土壤酶活性降低，引起作物產(chǎn)量和品質(zhì)的下降[3-4]。國內(nèi)外研究者對部分大田作物連作障礙進(jìn)行了研究，一些研究認(rèn)為，連作不利于營養(yǎng)循環(huán)，會改變土壤理化性質(zhì)[5]。劉建國等[6]、柴仲平等[7]和Aparicio V等[8]研究表明，長期連作會嚴(yán)重破壞棉花土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失調(diào)，容重增大，孔隙度下降。崔瑞等[9]研究結(jié)果表明，連作嚴(yán)重降低花生產(chǎn)量，病蟲害加重，早衰率提高，植株變矮，嚴(yán)重抑制生長發(fā)育。也有些研究認(rèn)為，土壤酶活性的改變是作物多年連作產(chǎn)生連作障礙的主要因素，烤煙連作5 a，明顯降低了土壤脲酶活性[10]；唐江華等[11]研究表明，隨著棉花連作年限的增加，其土壤堿性磷酸酶活性降低；馬海燕[12]等研究表明，連作5～7 a非洲菊土壤真菌數(shù)量上升，細(xì)菌和放線菌數(shù)量和土壤酶活性下降，連作障礙明顯。然而，目前國內(nèi)針對谷子等雜糧作物連作土壤酶活性變化的研究尚未見相關(guān)報道。本試驗旨在通過定位試驗，研究谷子不同連作年限對土壤養(yǎng)分、酶活性和谷子產(chǎn)量的影響，為揭示谷子連作障礙提供一定的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地設(shè)在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站。該地海拔520 m左右，年平均氣溫12.9℃，年平均降水量550.8 mm。主要降水集中在7—9月份，降水量約占年降水量的60%以上，年均蒸發(fā)量為1 400 mm，屬于半濕潤易旱地區(qū)。

1.2試驗設(shè)計

2010—2013年進(jìn)行了連續(xù)定位試驗，試驗設(shè)4種種植方式，分別為谷子連作2 a T1(2012年和2013年，每年均種一季谷子)、連作3 a T2(2011—2013年每年均種一季谷子)和連作4 a T3(2010—2013年連續(xù)種植4 a谷子)，以輪作為對照CK(2010—2013年種植，輪作模式為谷子-蕎麥-蕓豆-谷子)。谷子品種為“晉谷29號”，蕎麥品種為西農(nóng)9940，蕓豆品種為小黑蕓豆。小區(qū)面積10 m2(2 m×5 m)，設(shè)4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，于6月上、中旬種植，種植采用傳統(tǒng)翻耕不施肥，全生育期不灌溉，進(jìn)行常規(guī)的田間管理。

1.3土樣采集

在2013年，分別于播種期、苗期、抽穗期、灌漿期、成熟期、收獲后6次采集各個處理土樣，收獲后采樣用于測定土壤常規(guī)理化性質(zhì)，其余樣用于測定土壤酶活性。每個小區(qū)隨機(jī)3點采集0～20 cm根際土并混合均勻，自然風(fēng)干剔除雜物后用“四分法”形成1.5 kg土樣。研磨過0.8 mm和0.16 mm篩孔，4℃保存。

1.4測定方法

土壤基本理化性質(zhì)的測定[13]：全氮采用凱氏法消解-連續(xù)流動分析儀測定；速效氮采用1.0 mol·L-1KCl浸提-AA3連續(xù)流動分析儀測定，所測速效氮為銨態(tài)氮；全磷用H2SO4-HClO4消解-硫酸鉬銻抗比色法測定；速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-硫酸鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法測定；pH采用1∶2.5土水比浸提-電位法測定。

土壤酶的測定：堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定[14]，蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[14]，脲酶活性的測定采用苯酚鈉比色法[15]，過氧化氫酶采用紫外分光光度法[16]。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013和SPSS 22.0進(jìn)行整理和統(tǒng)計分析。多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法測驗。

2結(jié)果與分析

2.1連作對谷子產(chǎn)量的影響

由圖1可知，隨著連作年限的增加，谷子產(chǎn)量顯著降低，與輪作(CK)相比，連作2 a(T1)、連作3 a(T2)和連作4 a(T3)分別減產(chǎn)6.9%、12.7%和35.6%。隨著連作年限的增加，減產(chǎn)幅度增大。各處理間差異達(dá)顯著性水平(P<0.05)。

圖1連作對谷子產(chǎn)量的影響

Fig.1Effects of continuous cropping on yields of foxtail millet

2.2連作對根際土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表1可見，隨著谷子連作年限的增加，全氮、速效氮、全磷和速效磷含量均有所降低，但不同連作年限各處理間全磷含量無顯著差異(P>0.05)，各連作處理間速效氮含量差異顯著(P<0.05)。CK處理的全氮、速效氮和速效磷含量顯著高于T2和T3處理，但與T1處理差異不顯著(P>0.05)；CK處理的速效鉀含量略低于T1處理(P>0.05)，顯著低于T2和T3處理(P<0.05)。

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異在P<0.05水平顯著。

Note： Different small letters in the same column means significant difference at 0.05 probability.

2.3連作對土壤酶活性的影響

不同連作年限及輪作谷子土壤脲酶活性隨生育期均呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(圖2)，CK處理的脲酶活性持續(xù)增大到灌漿期，而各連作處理在開花期后便開始降低。T3處理各時期脲酶活性顯著低于其它處理(P<0.05)，CK處理在各生育期顯著高于連作處理(P<0.05)。除播種期T2處理略高于T1外，在其它生育期各處理對土壤脲酶的影響表現(xiàn)為：CK>T1>T2>T3。

圖2連作對土壤脲酶活性的影響

Fig.2Effects of continuous cropping on urease activities in soil

不同種植處理下土壤堿性磷酸酶活性變化趨勢大致相同，隨著生育期的推進(jìn)，不同年限連作及輪作谷子土壤堿性磷酸酶活性均呈現(xiàn)先升后降的變化過程(圖3)。T1處理在各生育期均高于CK處理，而T3處理在各生育期均比CK處理低。隨著連作年限的增加，土壤堿性磷酸酶活性呈逐漸降低趨勢，即T1>T2>T3。各處理間差異達(dá)顯著性水平(P<0.05)。

由圖4可知，T1和T2處理蔗糖酶活性變化趨勢與CK變化趨勢大致相同，都呈現(xiàn)先降后升，在開花期以后又下降的變化趨勢；T3處理蔗糖酶活性則與CK不同，一直呈下降趨勢。各生育時期T2和T3處理較CK處理之間差異顯著(P<0.05)。在谷子整個生育期間土壤蔗糖酶平均活性依次為T1：47.35 mg·g-1·h-1、T2：35.28 mg·g-1·h-1、T3：30.53 mg·g-1·h-1、CK：47.92 mg·g-1·h-1，隨著連作年限的增加，土壤蔗糖酶的活性逐漸降低，且均低于對照輪作(CK)處理。

圖4連作對土壤蔗糖酶活性的影響

Fig.4Effects of continuous cropping on sucrase activities in soil

由圖5可知，從播種到成熟，不同種植處理土壤過氧化氫酶活性變化不同。T1和CK處理變化趨勢一致，前期升高，自開花期后開始下降；T2和 T3處理在出苗期過氧化氫酶活性升高然后一直保持下降趨勢，直到成熟期略有上升。在整個谷子生育期T1較CK處理間無顯著差異(P>0.05)，T1和CK處理土壤過氧化氫酶活性均高于T2和T3，在開花期差異尤為顯著，相對于CK，T2和T3分別降低20.2%和29.0%。

圖5連作對土壤過氧化氫酶活性的影響

Fig.5Effects of continuous cropping on catalase activities in soil

3結(jié)論與討論

本研究表明，谷子連作會降低產(chǎn)量，且連作時間越長減產(chǎn)越明顯；連作對土壤養(yǎng)分和酶活性有顯著影響。土壤養(yǎng)分和土壤酶活性是衡量土壤肥力水平和生理狀況的重要指標(biāo)，兩者之間也存在著顯著相關(guān)性，土壤酶參與土壤中的各種生物化學(xué)過程，如腐殖質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化、土壤中化合物的氧化還原、水解轉(zhuǎn)化等[17]，因此，土壤酶活性可以在一定程度上表征土壤肥力的大小，影響著土壤的代謝過程，是表征與評價土壤肥力的重要參數(shù)之一[18]。

連作會改變土壤微環(huán)境，對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生一定的影響[19]，在不施肥情況下，谷子連作土壤氮、磷含量均呈降低趨勢，且氮素降低更快。由于輪作CK處理中有豆科植物，在一定程度上減輕了土壤氮素的消耗，輪作CK處理土壤氮含量相對高于連作處理。連作3 a(T2)和連作4 a(T3)土壤速效鉀含量顯著高于輪作(CK)，速效鉀包括水溶性鉀和交換性鉀，當(dāng)土壤中速效鉀積累時會對土壤環(huán)境的滲透壓產(chǎn)生改變，影響作物對K+離子以及其它營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而影響作物的生長發(fā)育。谷子連作還顯著增加了土壤的pH值，土壤pH經(jīng)過4 a谷子連作后，pH從8.3提升到8.6，使土壤鹽堿化，這可能與谷子根系對酸性陰離子元素的吸收和根系分泌物有關(guān)。

本研究表明，隨著連作年限的增加，土壤脲酶活性逐年降低。土壤脲酶是一種專性酰胺酶，能酶促肽鍵的水解反應(yīng)，脲酶活性在一定程度上反映了土壤供氮狀況[20]。連作使其活性降低可能是因為土壤脲酶主要來源于微生物[21]，而多年連作使土壤微生物種群發(fā)生變化，使脲酶活性降低。對照輪作處理的土壤脲酶活性在各個生育期均高于連作處理，這可能是對照處理的前茬作物為蕓豆，而豆科植物的固氮作用使土壤氮素含量增加，而土壤中氮素含量與土壤脲酶活性呈正相關(guān)[10]。

本研究表明，隨著谷子連作年限的增加，土壤堿性磷酸酶活性呈逐漸降低趨勢，其中T3相比于T1顯著降低，而T1與T2處理的磷酸酶活性在全生育期的均值都大于CK處理。土壤堿性磷酸酶可以催化降解土壤中多種磷酸化合物，加速有機(jī)磷的脫磷速度，因此土壤磷酸酶活性對土壤的供磷水平具有關(guān)鍵作用[22]。谷子短期連作對土壤磷酸酶的活性影響不大，而長期連作會顯著降低磷酸酶活性。

本研究表明，谷子連作會降低土壤蔗糖酶的活性，且連作年限越長活性越低。蔗糖酶是催化蔗糖水解成為葡萄糖和果糖的一種酶，可以增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)，提高土壤的生物活性，反映土壤熟化程度[23]。蔗糖酶活性的降低使得土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)減少，土壤熟化程度減低，不利于作物的生長發(fā)育，這可能是谷子連作產(chǎn)量降低的原因之一。

本研究表明，連作會降低過氧化氫酶活性，與輪作(CK)相比，連作2 a(T1)略有降低，連作3 a(T2)和連作4 a(T3)的降低程度更為顯著。土壤過氧化氫酶能催化分解過氧化氫形成水和氧氣，解除由于植物或微生物代謝產(chǎn)生的過氧化氫對于生物和土壤的毒害作用[24-25]。隨著谷子長期連作使過氧化氫水解反應(yīng)受到抑制，根際土壤中過氧化氫毒害作用加重，這可能是谷子連作障礙發(fā)生的原因之一，短期連作對過氧化氫酶活性的抑制作用不顯著；輪作能有效加強(qiáng)土壤氧化能力，提升過氧化氫分解能力。

連作障礙是土壤-微生物-植物-氣候綜合相互作用的結(jié)果，各類土壤酶的反應(yīng)地物和產(chǎn)物之間也存在相互利用的關(guān)系[26]。因此僅從土壤酶活性這一單一指標(biāo)變化還很難從機(jī)理上全面解釋可能發(fā)生的連作障礙，且單一因素的研究很難全面完整地解釋田間試驗狀況，谷子長期連作對土壤微生物類群、土壤物理化學(xué)性質(zhì)及土壤酶活性的影響還需進(jìn)一步深入研究。本研究表明，在連作不施肥條件下，谷子產(chǎn)量會逐年降低；連作影響土壤酶活性和主要養(yǎng)分含量，為維持地力，提高谷子產(chǎn)量，還需施用化肥；與豆科植物的輪作倒茬能在一定程度上補(bǔ)充土壤氮素虧缺，因此在谷子生產(chǎn)上應(yīng)盡可能采用與豆科作物輪作倒茬。

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Effects of foxtail millet continuous cropping on soil enzyme activities and nutrients

MIAO Jia-yuan, LI Xia, ZHOU Da, GAO Yang, GAO Xiao-li,WANG Peng-ke, GAO Jin-feng, YANG Pu, FENG Bai-li

(StateKeyLaboratoryofCropStressBiologyforAridAreas,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,ShaanxiChina)

Keywords:continuous cropping; soil enzyme; soil nutrient; foxtail millet; continuous cropping obstacle

Abstract：In order to explore the effects of foxtail millet continuous cropping on soil environment, a 4-year located field experiment based on different continuous cropping years (T1:2 years, T2:3 years and T3:4 years) of foxtail millet without fertilization was conducted in the north semi-arid region. Foxtail millet rotated with legume crops was set as the control (CK). The soil nutrient, the enzyme activities of urease, alkaline phosphatase (ALP), sucrase and catalase were determined in the experiment. The results showed that compared with CK, the yields of T1, T2 and T3 were decreased by 6.9%, 12.7% and 35.6%, respectively. With the increase of the foxtail millet continuous cropping years, the yield of foxtail millet became decreased and soil pH went increased. Compared with CK, the contents of N and P were decreased, in particular the content of available N (P<0.05). The changes of available K were not significantly (P>0.05). The enzyme activities of urease, alkaline phosphatase (ALP), sucrase and catalase became decreased year after year under the continuous cropping, and the activity of each enzyme in T3 was significantly lower than that in other treatments (P<0.05).

文章編號：1000-7601(2016)03-0123-04

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.19

收稿日期：2015-12-04

基金項目：國家谷子、糜子產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-07-12.5-A9)；科技支撐計劃(2014BAD07B03)；陜西省科技廳難題攻關(guān)項目(2014KTZB02-03-03)；陜西省小雜糧產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助。

作者簡介：妙佳源(1992—)，男，陜西岐山人，碩士，主要從事作物高效栽培研究。 E-mail：miaojiayuan@foxmail.com。 通信作者：馮佰利(1966—)，男，陜西耀縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事作物高產(chǎn)生態(tài)生理技術(shù)及小雜糧栽培、育種研究。 E-mail:7012766@163.com。

中圖分類號：S344.4; S154.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A