不同輪作方式對(duì)馬鈴薯土壤酶活性及微生物數(shù)量的影響

王麗紅，郭曉冬,2，譚雪蓮，郭天文

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所, 甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所, 甘肅 蘭州 730070)

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不同輪作方式對(duì)馬鈴薯土壤酶活性及微生物數(shù)量的影響

王麗紅1，郭曉冬1,2，譚雪蓮3，郭天文3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所, 甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所, 甘肅 蘭州 730070)

在連續(xù)種植2年馬鈴薯的土壤上進(jìn)行不同輪作方式田間試驗(yàn)，探討輪作方式對(duì)馬鈴薯土壤酶活性及土壤微生物數(shù)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：與對(duì)照(裸地)相比，小麥-豌豆-馬鈴薯輪作時(shí)土壤過氧化氫酶活性有增加的趨勢；豌豆-馬鈴薯-豌豆輪作條件下，土壤的蔗糖酶活性提高，且在馬鈴薯成熟期提高幅度最大，為47.95%。輪作條件下土壤多酚氧化酶活性低于連作；輪作方式不同，土壤脲酶活性變化明顯，在馬鈴薯塊莖膨大期，豌豆-馬鈴薯-豌豆輪作方式的土壤脲酶活性比小麥-馬鈴薯-小麥高14.73%。馬鈴薯塊莖膨大期根區(qū)土壤微生物數(shù)量測定結(jié)果顯示：隨著連作年限的增加，細(xì)菌數(shù)量及微生物總量降低，真菌數(shù)量升高了54.66%；小麥-豌豆-馬鈴薯輪作后，土壤中的細(xì)菌、放線菌數(shù)量最高，分別為6.40×106CFU·g-1和2.22×106CFU·g-1。

馬鈴薯；輪作方式；土壤酶活性；微生物數(shù)量

馬鈴薯是位居小麥、水稻和玉米之后的世界第四大糧食作物[1]。甘肅省定西地區(qū)是馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)，至2014年，全市馬鈴薯的種植面積達(dá)19.47萬hm2，總產(chǎn)量為520.07萬t。但是由于土地資源的限制，該地區(qū)馬鈴薯連作現(xiàn)象非常普遍，導(dǎo)致作物生長發(fā)育不良，抗病能力降低，品質(zhì)及產(chǎn)量下降，即連作障礙[2]。以往的研究表明，引起作物連作障礙的原因是復(fù)雜的，是作物-土壤兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部諸多因素綜合作用的結(jié)果：土壤病原微生物數(shù)量和種類增加、土壤酶活性降低、土壤理化性質(zhì)下降、土壤養(yǎng)分比例失調(diào)、作物根系分泌物的自毒作用等[3]。

土壤酶活性反映了土壤中各種生物化學(xué)過程的動(dòng)向和強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)土壤肥力的參數(shù)之一[4]，能夠快速響應(yīng)土地利用方式和管理方式的改變[5]。例如，輪作條件下的土壤轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶和脲酶活性常高于單作方式下的土壤[6-7]；吳鳳芝等[8]認(rèn)為：大棚黃瓜、番茄和菜豆輪作土壤的過氧化氫酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于黃瓜連作7年的土壤。土壤微生物在土壤肥力的形成及其植物營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中起到積極的作用[9]。已有報(bào)道稱，土壤微生物種群結(jié)構(gòu)的失衡，導(dǎo)致了土壤質(zhì)量的下降和作物的減產(chǎn)[10]。曹莉等[11]研究表明：與種植豆科牧草前相比，輪作牧草后土壤中真菌/細(xì)菌最高可降低50.72%。因此，不同作物茬口和栽培方式對(duì)土壤酶活性及微生物數(shù)量的變化具有十分重要的影響[12-13]。本試驗(yàn)通過探討馬鈴薯不同輪作方式下土壤酶活性及微生物數(shù)量的變化，旨在揭示馬鈴薯連作障礙產(chǎn)生的機(jī)理，為制定合理的栽培措施提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2012—2014年在定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村進(jìn)行，該區(qū)域海拔2 056～2 447 m，年平均氣溫6.3℃，年無霜期140 d，年平均降水量415.2 mm，屬黃土高原半干旱區(qū)。試驗(yàn)前連續(xù)種植2年馬鈴薯土壤(0～20 cm土層)的理化性質(zhì)見表1。

表1　基礎(chǔ)土壤的理化性質(zhì)

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)馬鈴薯連作、輪作及裸地對(duì)照等6個(gè)處理，試驗(yàn)處理見表2，3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為54 m2(9 m×6 m)。所有處理統(tǒng)一施肥量，每公頃N∶P2O5∶K2O=210∶90∶60(每小區(qū)施尿素、磷酸二銨、氯化鉀分別為2.0、1.0、0.5 kg)。供試馬鈴薯品種為新大坪，小麥為定西40，豌豆為隴豌1號(hào)。從2012年開始3月下旬種植小麥、豌豆，小麥種植密度為15萬苗·667m-2，穴播機(jī)播種；豌豆種植密度為2.5～3.0萬苗·667m-2，行距30 cm，開溝撒播；4月中下旬種植馬鈴薯，密度4 000 株·667m-2。供試材料不進(jìn)行藥劑拌種，整個(gè)試驗(yàn)過程不打農(nóng)藥、除草劑等，其余田間管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3測定項(xiàng)目與方法

1.3.1土樣采集2014年分別于馬鈴薯幼苗期、塊莖膨大期、淀粉積累期、成熟期采集0～20 cm根區(qū)土壤樣品，將土樣放在蔭涼處自然風(fēng)干，過1 mm篩，4℃保存，用于測定土壤酶活性。在馬鈴薯塊莖膨大期，各處理隨機(jī)選取植株，采集0～20 cm根區(qū)土，將土樣過1 mm篩，放入4℃冰箱保存，用于微生物數(shù)量的測定。

表2　試驗(yàn)處理

1.3.2測定方法酶活性的測定參照關(guān)松蔭的方法[14]。過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；多酚氧化酶采用碘量滴定法；脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法；蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸法。

細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基；放線菌的測定采用改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基。采用稀釋平板計(jì)數(shù)法[15]測定細(xì)菌(10-4)、真菌(10-2)、放線菌(10-4)的數(shù)量，每個(gè)稀釋度重復(fù)3次，28℃恒溫培養(yǎng)，細(xì)菌培養(yǎng)36 h，真菌培養(yǎng)3 d，放線菌培養(yǎng)5 d，取出計(jì)數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；采用SPSS 19.0進(jìn)行顯著性分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同輪作方式對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響

土壤中過氧化氫的積累會(huì)對(duì)作物和土壤產(chǎn)生毒害作用，而過氧化氫酶能夠促進(jìn)過氧化氫分解為水和氧氣，解除過氧化氫的毒害作用[16]。由圖1可知：在整個(gè)生育期，各處理土壤過氧化氫酶呈現(xiàn)先升高再降低又升高的變化趨勢：在馬鈴薯塊莖膨大期各處理的過氧化氫酶活性達(dá)到最大值，而在淀粉積累期，土壤過氧化氫酶活性最小。在馬鈴薯苗期，T1、T4、T5處理的過氧化氫酶活性顯著高于CK，T2、T3土壤中的過氧化氫酶活性較CK降低了54.29%、48.82%。在馬鈴薯塊莖膨大期，各處理差異顯著，過氧化氫酶活性的大小關(guān)系為：T4>T1>T5>T3>T2>CK。在馬鈴薯淀粉積累期，T2、T4與對(duì)照差異不顯著，T1、T3和T5處理的過氧化氫酶活性顯著低于CK。在馬鈴薯成熟期，除T5與CK差異不顯著外，其他處理的值均低于CK。總體來看，在整個(gè)生育期，與對(duì)照(裸地)相比，小麥-豌豆-馬鈴薯輪作時(shí)土壤過氧化氫酶活性有增加的趨勢；豌豆-馬鈴薯-豌豆輪作條件下，土壤的過氧化氫酶活性降低。

圖1不同輪作方式對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響

Fig.1The impacts of different crop rotations on soil catalase activities

2.2不同輪作方式對(duì)土壤多酚氧化酶活性的影響

土壤多酚氧化酶參與有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和腐殖質(zhì)的形成，活性過高會(huì)阻礙有機(jī)質(zhì)礦化過程中產(chǎn)生的酚類中間產(chǎn)物進(jìn)一步合成腐殖質(zhì)，導(dǎo)致酚類化合物的積累，引起中毒。由圖2可見，在馬鈴薯苗期，T1處理的多酚氧化酶活性最高，較CK升高了57.76%，T3、T4處理與CK相比顯著降低了27.59%和17.24%。在馬鈴薯塊莖膨大期，各處理的多酚氧化酶活性均低于CK，T1、T4處理較CK顯著降低了74.58%和21.33%，可能原因是：在此生育期，植株吸收的養(yǎng)分最大，導(dǎo)致酶活性大幅度降低。在馬鈴薯淀粉積累期，T3處理的多酚氧化酶活性顯著低于CK 37.78%，T1、T2和T5的酶活性較CK升高了30.03%、16.64%和12.67%。在馬鈴薯成熟期，與CK相比，T2、T3處理的多酚氧化酶活性顯著降低了23.61%和18.06%。總體而言，馬鈴薯輪作土壤的多酚氧化酶活性顯著低于連作，輪作有利于降低土壤的多酚氧化酶活性。

圖2不同輪作方式對(duì)土壤多酚氧化酶活性的影響

Fig.2The impacts of different crop rotations on soil polyphenol oxidase activities

2.3不同輪作方式對(duì)土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶促進(jìn)土壤氮素的轉(zhuǎn)化，土壤脲酶活性的高低直接反映土壤的供氮能力。從圖3可以看出，在馬鈴薯苗期，T1、T4處理的脲酶活性較CK顯著高出24.11%、5.99%，T5處理較CK顯著降低了3.67%。在馬鈴薯塊莖膨大期，除T2處理外，其他處理的脲酶活性均顯著高于CK，且T4處理的脲酶活性最高，較CK升高了17.71%。在馬鈴薯淀粉積累期，各處理脲酶活性的大小為：T3>T2>T1>T4>T5>CK。在馬鈴薯成熟期，各處理的脲酶活性均較CK升高，其中T3處理顯著升高了10.34%，升高幅度最大。總體來看，T3(豌豆-馬鈴薯-豌豆)土壤的脲酶活性顯著高于T2(小麥-馬鈴薯-小麥)，在馬鈴薯塊莖膨大期升高了14.73%。

2.4不同輪作方式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶是土壤碳代謝的關(guān)鍵酶，可以增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)，能夠表征土壤生物學(xué)活性的強(qiáng)度。由圖4可見，在馬鈴薯苗期，T3處理的蔗糖酶活性最大，較對(duì)照顯著升高了13.62%，T1、T2、T4和T5分別較CK顯著降低了15.57%、6.71%、24.20%和10.86%。在馬鈴薯塊莖膨大期，T2、T3、T4與CK差異不顯著，T1和T5處理的蔗糖酶活性分別較CK提高了11.59%和29.22%。在馬鈴薯淀粉積累期，各處理差異顯著，蔗糖酶活性的大小為：T3>T4>T2>T1>T5>CK。在馬鈴薯成熟期，各處理的蔗糖酶活性顯著高于CK，T3處理與CK相比顯著提高了47.95%，各處理蔗糖酶活性的大小關(guān)系為：T3>T2>T4>T1>T5>CK?？傮w而言，豌豆-馬鈴薯-豌豆輪作后，土壤的蔗糖酶活性顯著提高。

圖3不同輪作方式對(duì)土壤脲酶活性的影響

Fig.3The impacts of different crop rotations on soil urease activities

2.5不同輪作方式對(duì)馬鈴薯塊莖膨大期土壤微生物數(shù)量的影響

由表3可知，各處理馬鈴薯塊莖膨大期根區(qū)土壤中細(xì)菌的數(shù)量均高于CK，除T2處理與CK差異不顯著外，T1、T3、T4和T5處理分別較CK顯著升高175.90%、280.12%、285.54%和239.16%；各處理細(xì)菌數(shù)量的大小關(guān)系為：T4>T3>T5>T1>T2。土壤中真菌數(shù)量的變化差異較大，與CK相比，各處理的真菌數(shù)量均有不同程度的升高，除T2處理外，其他處理的真菌數(shù)量均顯著高于CK，各處理真菌數(shù)量的大小依次是T1>T5>T4>T3>T2，T1處理較T5處理顯著升高了54.66%。與CK相比，馬鈴薯塊莖膨大期根際土壤中各處理放線菌的數(shù)量均有不同程度的顯著升高，其中T4處理的升高幅度最大，比CK顯著升高了76.19%，T2、T3與T5之間差異不顯著。各處理微生物總量的大小關(guān)系為：T4>T3>T5>T1>T2>CK?？傮w而言，與小麥-馬鈴薯-馬鈴薯相比，馬鈴薯連作三年的細(xì)菌數(shù)量及微生物總量顯著降低，真菌數(shù)量顯著升高了54.66%。小麥-豌豆-馬鈴薯輪作條件下，土壤的細(xì)菌、放線菌數(shù)量最高，分別為6.40×106CFU·g-1和2.22×106CFU·g-1。

圖4　不同輪作方式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

3　結(jié)論與討論

土壤酶具有加速土壤生化反應(yīng)速率的功能，是土壤中的生物催化劑[17]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)土壤酶活性做了大量研究，但是不同的作物酶活性的變化規(guī)律不同。

黃玉茜等[18]研究表明：隨著花生連作年限的增加，過氧化氫酶活性下降。白艷茹[19]等認(rèn)為，土壤蔗糖酶和脲酶活性隨連作年限的增加呈下降趨勢。本試驗(yàn)研究表明：與對(duì)照(裸地)相比，小麥-豌豆-馬鈴薯輪作時(shí)土壤過氧化氫酶有增加的趨勢，豌豆-馬鈴薯-豌豆輪作條件下，土壤的過氧化氫酶活性降低。這與吳鳳芝等[8]在設(shè)施蔬菜輪作和連作土壤酶活性中的研究結(jié)論不符，這可能與輪作方式及種植作物的種類不同有關(guān)。在本試驗(yàn)中，豌豆-馬鈴薯-豌豆輪作后土壤的脲酶活性顯著高于小麥-馬鈴薯-小麥，豌豆-馬鈴薯-豌豆輪作后，土壤的蔗糖酶活性顯著提高。這與樊軍，郝明德[13]的研究結(jié)論一致，他們認(rèn)為豆科作物苜蓿、豌豆、紅豆草等對(duì)土壤酶活性的影響大于小麥、玉米等禾本科作物。這說明馬鈴薯與豌豆輪作可以提高土壤的酶活性，使土壤中易溶性的營養(yǎng)物質(zhì)增加，使植物根系更好地吸收與利用。

土壤微生物從群落結(jié)構(gòu)上分為細(xì)菌、真菌和放線菌。細(xì)菌是土壤微生物中數(shù)量最多的一個(gè)微生物類群，參與有機(jī)質(zhì)的分解，氨化作用等[20]；真菌在土壤碳素和氮素循環(huán)過程中起著巨大作用,主要參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、氨化作用以及團(tuán)聚體的形成等[21]，放線菌與土壤肥力以及有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和植物病害防治有著密切關(guān)系。

譚雪蓮等[22]研究表明：隨馬鈴薯連作年限的增加，土壤中細(xì)菌和放線菌數(shù)量呈下降趨勢，真菌呈上升趨勢。董艷等[23]認(rèn)為，與連作相比，輪作有利于增加土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量而降低真菌數(shù)量。豆科植物因有根瘤，所以常被認(rèn)為是可以分泌改善土壤微生物結(jié)構(gòu)的物質(zhì)的作物，Alvey等也指出谷物與豆科植物輪作對(duì)根際微生物群落的結(jié)構(gòu)有顯著影響[24]。本試驗(yàn)研究表明：馬鈴薯連作三年的細(xì)菌數(shù)量及微生物總量顯著低于小麥-馬鈴薯-馬鈴薯，而真菌數(shù)量較小麥-馬鈴薯-馬鈴薯顯著升高35.34%，說明隨著連作年限的增加，細(xì)菌數(shù)量及微生物總量降低，真菌數(shù)量顯著升高了54.66%；小麥-豌豆-馬鈴薯輪作后，土壤中的細(xì)菌、放線菌數(shù)量最高；輪作條件下，真菌數(shù)量顯著降低，微生物總量有不同程度的升高，這與上述研究結(jié)果一致。也進(jìn)一步說明，連作降低了微生物的數(shù)量，使土壤質(zhì)量下降，而與豆科作物輪作以后，可以改善土壤微生物的結(jié)構(gòu)，使土壤有利于馬鈴薯的生長。

由以上可見，不同作物、不同生育期土壤酶活性及微生物數(shù)量的變化規(guī)律不同。本試驗(yàn)僅對(duì)不同輪作方式對(duì)土壤酶活性及微生物數(shù)量的影響做了初步的分析，最佳種植模式的確定還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

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Effects of different crop rotations on enzyme activities and microbial quantities in potato soil

WANG Li-hong1, GUO Xiao-dong1,2, TAN Xue-lian3, GUO Tian-wen3

(1.College of Horticulture, Gansu Agricultural University, Lanzhou, Gansu 730070, China;2.InstituteofSoil,FertilizerandWater-savingAgriculture,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070,China;3.InstituteofDrylandAgriculture,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070,China)

Field experiments with different rotations were conducted in the soil where potato had been grown for two years. Soil enzyme activities and the number of microorganisms were tested and calculated during 4 growing periods. The results showed that compared with the control (bare), there was an increasing trend in soil catalase activity by the wheat-peas-potatoes crop rotation. Soil invertase activity was increased by the peas-potatoes-peas crop rotation and the largest increase was 47.95% at the potato maturing stage. Soil polyphenol oxidase activity by crop rotations was lower than that by continuous cropping. Soil urease activity was changed obviously under different crop rotations. The urease activity by the peas-potatoes-peas crop rotation was 14.73% higher than that by wheat-potatoes-wheat rotation during the potato tuber expansion period. The results of root zone soil microorganisms quantities during potato tuber expansion period showed that with the increase of continuous cropping years, the number of bacteria and total microorganisms went declined and fungi quantities were increased by 54.66%. The number of bacteria and actinomyces were the highest by the wheat-peas-potatoes crop rotation reaching values of 6.40×106CFU·g-1and 2.22×106CFU·g-1, respectively.

Potato; crop rotation; soil enzyme activity; microorganism quantity

1000-7601(2016)05-0109-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.17

2015-07-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41161042)；國家科技支持計(jì)劃(2012BAD05B03)；甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開放基金項(xiàng)目(GSCS-2012-13)

王麗紅(1988—)，女，甘肅白銀人，碩士研究生，研究方向?yàn)樵O(shè)施蔬菜。 E-mail:1136908692@qq.com。

郭曉冬，研究員，研究方向?yàn)槭卟嗽耘嗌砩鷳B(tài)。 E-mail:guoxd11651@163.com。

S154.3

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