保護性耕作對蠶豆根際土壤微生物數(shù)量和酶活性的影響

黃召存，陳 嬌，熊 瑛，2，王龍昌，張小短，邢 毅，馬淑敏

(1. 西南大學農(nóng)學與生物科技學院，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400716；2. 河南科技大學農(nóng)學院，河南 洛陽 471003)

我國西南地區(qū)旱作農(nóng)田土層淺薄、水土流失嚴重，受季節(jié)性干旱影響嚴重，不利于農(nóng)作物生長發(fā)育[1]。保護性耕作能改善土壤的物理化學性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量[2-3]。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成及活性變化是衡量土壤質(zhì)量、維持土壤肥力和作物生產(chǎn)力的一個重要指標[4]。土壤酶活性是土壤生物學活性的總體現(xiàn)，它表征了土壤的綜合肥力特征及其變化狀況、土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化進程，可以作為評價土壤肥力水平的指標[5]。近年來，關(guān)于保護性耕作對西南地區(qū)旱作農(nóng)田土壤影響的研究發(fā)現(xiàn)，壟作、秸稈覆蓋等保護性耕作措施能有效控制水土流失[6]、提高農(nóng)田水分利用效率和產(chǎn)量[7]、提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力[8-9]。然而對西南旱地保護性耕作措施下土壤微生物和酶活性的影響報道較少。本試驗選擇紫色土丘陵區(qū)蠶豆/玉米/甘薯旱三熟模式中的蠶豆為研究對象，比較不同耕作方式對蠶豆土壤微生物(細菌、真菌、放線菌)、酶活性(多酚氧化酶、轉(zhuǎn)化酶、酸性磷酸酶)的影響以及它們之間的相關(guān)關(guān)系，旨在明確蠶豆與其根際土壤微生物和酶活性之間的相互作用，從而為蠶豆生產(chǎn)實踐中選擇合理的耕作方式奠定科學基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

試驗地位于重慶市北碚區(qū)西南大學教學試驗農(nóng)場，北緯29°51′，東經(jīng)106°27′,海拔244m，屬亞熱帶季風濕潤氣候，年均太陽總輻射量為87108 kJ·cm-2，年均總?cè)照諘r數(shù)1276.7 h，多年平均氣溫18℃，≥10℃積溫5979.5℃，夏季最高氣溫達40℃左右，無霜期達359d，多年平均降雨量1133.7 mm。試驗地土壤為旱地紫色土，坡度較緩，地力相對均勻。土壤容重1.21 g·cm-3，pH為6.47，土壤有機質(zhì)含量28.00 g·kg-1，全氮含量1.68 g·kg-1，全磷含量1.46 g·kg-1，全鉀含量34.54 g·kg-1，速效磷含量18.13 mg·kg-1，速效鉀含量270.23 mg·kg-1，堿解氮含量35.23 mg·kg-1。

試驗地已連續(xù)6年開展旱三熟種植模式下的壟作和秸稈覆蓋保護性耕作研究，每年的耕作處理保持一致。于2013年11月至2014年5月以“蠶豆/玉米/甘薯”旱三熟種植模式中蠶豆農(nóng)田為研究對象設置田間試驗。其中參試作物為蠶豆(ViciafabaL.)，品種為“陵西一寸”；于2013年11月初種植，2014年5月收獲；蠶豆采取撬窩點播，種植在壟上，每條帶2行，每行12窩，每窩3株，各處理均施復合肥225 kg·hm-2(含N15%、P2O515%、K2O15%)，作為基肥在播種的同時施入。試驗共設6個處理(如表1)，采用隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)的面積為28.8 m2，長8.0m，寬3.6m。每個小區(qū)均分四廂共八個條帶，每個條帶寬度為1.0m，長度為3.6m。每個處理重復3次。覆蓋處理所用的玉米秸稈，收獲后直接覆蓋于小區(qū)內(nèi)，半量覆蓋處理下的小區(qū)覆蓋秸稈10.8kg(折合3750 kg·hm-2)，全量覆蓋處理下的小區(qū)覆蓋秸稈21.6kg(折合7500 kg·hm-2)。田間管理措施同常規(guī)。

1.2 樣品采集及指標測定

在蠶豆的苗期(2013年12月3日)、分枝期(2014年1月3日)、開花期(2014年2月3日)、結(jié)莢期(2014年3月6日)、成熟期(2014年5月1日)，按照5點法取樣，每個處理3個重復，以植株為中心，以15 cm為半徑將整個植株從土壤中挖出，帶回實驗室后，抖掉與根系松散結(jié)合的土壤，然后用經(jīng)火焰滅菌的鑷子刮取附在根系上的一薄層(<10 mm)土壤作為根際土壤[10]。并將取得的土樣弄碎混勻，按四分法取樣，用無菌塑料袋包好，除去雜物后，取15～20 g根際土保存在 4 ℃冰箱內(nèi)用于微生物分離、計數(shù)；其余部分自然風干，取一部分研磨，過1mm篩，測土壤酶活性。

細菌、放線菌和真菌數(shù)量均采用稀釋平板法計數(shù)[11]。土壤轉(zhuǎn)化酶活性(以葡萄糖質(zhì)量計，mg·g-1，24h，37 ℃)采用3，5-二硝基水楊酸比色法[12]，土壤多酚氧化酶(以紫色沒食子素質(zhì)量計，mg·g-1，24h，37 ℃)，土壤酸性磷酸酶(以酚質(zhì)量計，μmol·g-1，24h，37 ℃)則采用蘇州科銘生物科技有限公司提供的土壤多酚氧化酶(PPO)及土壤酸性磷酸酶(S-ACP)試劑盒測定。

表1 試驗處理描述

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)記錄與處理，并制作圖表，用SPSS 17.0軟件進行顯著性分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蠶豆根際土壤微生物數(shù)量變化

細菌、真菌、放線菌是構(gòu)成土壤微生物的主要生物量，它們的類群組成和數(shù)量變化通常能反映出土壤生物活性水平，顯示土壤中生命物質(zhì)的旺盛程度。在蠶豆根際土壤微生物中，細菌居優(yōu)勢(1.80×105～22.93×105個/g)，放線菌次之(1.15×105～4.39×104個/g)，真菌最少(2.20×103～10.00×103個/g)(表2，表3，表4)。

由表2可知，在蠶豆的整個生育期間，其根際土壤細菌數(shù)量呈先增加后減少的趨勢，在結(jié)莢期達到最大值；根際細菌數(shù)量在各生育期大致呈現(xiàn)RS2>TS2> RS1>TS1>R>T的趨勢。在苗期， RS2、TS2、RS1處理的根際土壤細菌數(shù)量都顯著高于T處理(P<0.05)，分別是T處理的6.25倍、4.25倍和3.38倍；在分枝期，各處理間的趨勢與苗期一致；其后，隨著蠶豆的生長，各處理細菌數(shù)量迅速增加，在結(jié)莢鼓粒期達到最大值后到成熟期又急劇下降。結(jié)莢期，在RS2處理下的細菌數(shù)量達到最高值，是苗期其處理的1.83倍，達到22.93×105個/g， TS2、 RS1、TS1、R、T分別比苗期各提高了7.39倍、3.42倍、1.46倍、1.39倍、0.66倍，各處理間無顯著差異；成熟期根際細菌數(shù)量在整個生育期內(nèi)最小。除結(jié)莢期，TS2和RS2處理下的蠶豆根際土壤細菌數(shù)量均顯著高于T、R處理(P<0.05)； RS2和TS2、 RS1和TS1、R和T處理之間的根際土壤細菌數(shù)量差異不顯著。說明全量秸稈覆蓋能顯著增加蠶豆根際土壤細菌數(shù)量，壟作也能增加，但是效果顯著；全量秸稈覆蓋下的壟作耕作方式對增加蠶豆根際土壤細菌數(shù)量效果最為明顯。

真菌參與土壤中有機質(zhì)的分解，對土壤腐殖質(zhì)的合成、氨化作用以及團聚體的形成有促進作用，并直接影響土壤肥力。在不同生育時期，不同耕作方式對蠶豆根際土壤真菌的影響不同(表3)。以T為對照，R能增加蠶豆根際土壤真菌的數(shù)量，在苗期、分枝期、開花期、結(jié)莢期、成熟期分別增加15.2%，26.5%，3.8%，19.1%，27.3%，但差異均不顯著。以T為對照，RS2、TS2能增加蠶豆根際土壤真菌的數(shù)量，RS2在苗期、分枝期、結(jié)莢期較T分別提高27.2%，69.4%，48.1%，但差異不顯著，在開花期、成熟期分別提高156.4%，79.5%，差異達顯著水平(P<0.05)；TS2在苗期、分枝期、結(jié)莢期較T分別提高15.0%，52.0%，34.4%，差異未達顯著水平，在開花期、成熟期分別提高126.9%，47.7%，差異達顯著水平(P<0.05)。說明全量秸稈覆蓋能增加蠶豆根際土壤細菌數(shù)量，在開花期和成熟期效果最為明顯；壟作也一定程度能增加蠶豆根際土壤細菌數(shù)量，但是效果不顯著。

放線菌參與土壤有機質(zhì)的分解，是形成土壤腐殖質(zhì)的最穩(wěn)定的有機化合物，與土壤肥力以及植物病蟲害防治有著非常緊密的關(guān)系。從苗期到成熟期，蠶豆根際土壤放線菌的數(shù)量先增加后減少，在結(jié)莢期達到最大值，到成熟期迅速減少(表4)。整個生育期蠶豆根際土壤放線菌數(shù)量大致呈現(xiàn)RS2>TS2> RS1>TS1>R>T的趨勢，但不同生育期不同處理間的差異量有所不同。以T為對照，R能增加蠶豆根際土壤放線菌的數(shù)量，在苗期和成熟期分別增加56.6%和45.7%，差異達顯著水平(P<0.05)，在分枝期、開花期、結(jié)莢期分別增加11.3%、30.3%、9.1%，差異均不顯著；RS2、TS2較T在各生育期均能顯著增加根際土壤放線菌的數(shù)量(P<0.05)，其中RS2處理下的根際土壤放線菌數(shù)量在各生育期較T均增加1倍以上，在分枝期增加約1.8倍。說明壟作和秸稈覆蓋在整個生育期均能增加蠶豆根際土壤放線菌數(shù)量，其中秸稈覆蓋效果更為顯著。

表2 不同耕作方式對蠶豆根際土壤細菌的影響

注: 同列中不同小寫字母表示P<0.05水平差異顯著.下同。

Notes: Different little letters show significant difference atP<0.05， the same as below.

表3 不同耕作方式對蠶豆根際土壤真菌的影響

表4 不同生長時期蠶豆根際土壤放線菌數(shù)量的變化

2.2 蠶豆根際土壤酶活性的變化

土壤多酚氧化酶主要來源于土壤微生物、植物根系分泌物及動植物殘體分解釋放，催化土壤中芳香族化合物氧化成醌，醌與土壤中蛋白質(zhì)、氨基酸、糖類、礦物等物質(zhì)反應生成有機質(zhì)和色素，完成土壤芳香族化合物循環(huán)，用于土壤環(huán)境修復。在蠶豆生長期內(nèi)，不同處理土壤根際多酚氧化酶活性的變化趨勢相似，苗期到分枝期多酚氧化酶活性下降，到開花期多酚氧化酶活性迅速升高，到結(jié)莢期出現(xiàn)高峰值，成熟期又迅速降低(表5)。在苗期、分枝期、結(jié)莢期、成熟期，RS2、TS2處理下的蠶豆根際多酚氧化酶活性分別顯著高于處理R、T(P<0.05)，R處理下的酶活性高于T，但是差異不顯著。在開花期，RS2、TS2處理下的酶活性高于T，但只有RS2與T差異達到顯著水平(P<0.05)；R處理下的酶活性低于T，差異不顯著。說明RS2、TS2能顯著提高蠶豆根際多酚氧化酶的活性，TS1、RS1、R能一定程度提高蠶豆根際多酚氧化酶活性，但是效果不顯著。

土壤轉(zhuǎn)化酶能夠水解蔗糖變成相應的單糖而被機體吸收，其酶促作用產(chǎn)物與土壤中有機質(zhì)、氮、磷含量，微生物數(shù)量及土壤呼吸強度密切關(guān)，是評價土壤肥力的重要指標。由表6可知，不同處理下轉(zhuǎn)化酶活性變化規(guī)律基本一致，即隨著蠶豆生育時期的推進，各處理根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性從苗期到分枝期下降，到開花期后迅速上升，到結(jié)莢期出現(xiàn)高峰值，成熟期又迅速降低。在不同生育期，以T處理為對照，各處理均能提高蠶豆根際土壤轉(zhuǎn)化酶的活性，但是不同處理之間的增加量有差異。在苗期，除了RS2處理與T處理達到顯著性差異外(P<0.05)，其它處理間無顯著差異；在分枝期，各處理都和T處理達到了顯著性差異(P<0.05)，但其之間無顯著差異；在開花期，RS2處理與T、R處理達到顯著性差異(P<0.05)，TS2、RS1處理的酶活性顯著高于T處理(P<0.05)；在結(jié)莢期，除了RS2處理與T、R處理達到顯著性差異外(P<0.05)，其它處理間無顯著差異；成熟期，RS2、TS2的酶活性顯著高于T、R、TS1、RS1的酶活性(P<0.05)，其它處理間未達到顯著性差異。說明在整個生育期，RS2、TS2、RS1、TS1、R處理均能提高蠶豆根際土壤轉(zhuǎn)化酶的活性，其中RS2的效果最為顯著。

土壤磷酸酶是一類催化土壤有機磷化合物礦化的酶，其活性的高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性，是評價土壤磷素生物轉(zhuǎn)化方向與強度的指標。從表7可以看出，土壤根際酸性磷酸酶活性隨著蠶豆生育期呈現(xiàn)出雙峰趨勢，在結(jié)莢期達到酶活性高峰。在蠶豆整個生育期，RS2、TS2、RS1、TS1、R處理下的蠶豆根際土壤酸性磷酸酶的活性均高于T，并呈現(xiàn)RS2> TS2，RS1> TS1，R>T，RS2>RS1>R， TS2>TS1>T的趨勢。以T為對照，在苗期、分枝期和成熟期，各處理酶活性之間無顯著性差異；在開花期和結(jié)莢期，RS2處理下的根際土壤酸性磷酸酶活性顯著高于對照處理(P<0.05)，比對照增加20.20%和21.80%，其它處理與對照無顯著差異。說明RS2在開花期和結(jié)莢期能顯著提高蠶豆根際土壤磷酸酶的活性，TS2、RS1、TS1、R也能提高蠶豆根際土壤磷酸酶的活性，但是效果不顯著。

表5 根際土壤多酚氧化酶活性動態(tài)變化

表6 根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性動態(tài)變化

表7 根際土壤酸性磷酸酶活性動態(tài)變化

2.3 土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性相關(guān)性分析

土壤酶參與土壤的各種代謝過程和能量轉(zhuǎn)化，與土壤的微生物數(shù)量有較好的相關(guān)關(guān)系。對土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性進行皮爾遜相關(guān)性分析表明，兩者存在一定的相關(guān)性(表8)。其中，細菌與酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、多酚氧化酶均呈極顯著正相關(guān)；真菌與酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶呈極顯著正相關(guān)，與多酚氧化未達到顯著相關(guān)；放線菌與酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、多酚氧化酶均呈極顯著正相關(guān)。

表8 不同耕作方式下土壤微生物數(shù)量和土壤酶相關(guān)系數(shù)

注：**表示P<0.01 水平下極顯著相關(guān); *表示P<0.05 水平下顯著相關(guān)。下同。

Note：**correlation is significant at the 0.01 level, and * correlation is significant at the 0.05 level. The same as below.

3 討 論

土壤微生物的數(shù)量分布，不僅可以反映土壤環(huán)境質(zhì)量的變化，而且也是土壤中生物活性的具體體現(xiàn)。本研究表明蠶豆根際土壤中微生物以細菌數(shù)量最多，其次為放線菌，再次為真菌。蠶豆農(nóng)田土壤中細菌、真菌和放線菌的數(shù)量呈雙峰變化趨勢，在分枝期最低，在結(jié)莢期達到最大值。這是因為在分枝期時，土壤溫度最低，消弱了微生物的活動；而進入結(jié)莢期，土壤溫度比較適宜，植株的代謝活動比較活躍，微生物的活動隨之增強；到成熟期，植株停止生長，根葉開始變枯衰老退化，不能為微生物的活動提供足夠的養(yǎng)分。前人研究表明，壟作和秸稈覆蓋能增加土壤微生物數(shù)量。其原因：一是因為壟作后地表微地形發(fā)生了變化，土表面積增大，土層處于浸潤狀態(tài)，土壤通透性好，保溫性強，水、熱、氣均衡，有利于土壤微生物的繁育[14]；二是因為秸稈覆蓋為微生物提供了豐富的碳源，能夠改善土壤物理性狀，增加土壤腐殖質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分[15]。本研究表明壟作和秸稈覆蓋相互作用下能增加土壤微生物數(shù)量，但是壟作效果并不顯著，這是因為在我國西南地區(qū)，冬季和春季陰雨天氣較多，太陽輻射較差，壟作保溫效果差。

土壤酶總體活力大小在一定程度上可以反映土壤肥力大小[13]，土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換與土壤酶活力緊密相關(guān)[14,15]。研究表明，作物不同耕作、施肥制度和種植方式等因素可引起土壤酶活力發(fā)生變化[16,17]。本研究發(fā)現(xiàn)蠶豆根際土壤中多酚氧化酶、轉(zhuǎn)化酶、酸性磷酸酶的活性在整個生育期呈雙峰變化趨勢，在分枝期活性最低，結(jié)莢期活性最高。這主要是因為酶活性受溫度和土壤性質(zhì)的影響。土壤溫度較低時酶活性較弱，土壤溫度適宜時酶活性增強；到成熟期，微生物活動減少，酶的活性也降低。同時本研究結(jié)果表明，壟作和秸稈覆蓋均能不同程度提高土壤酶活性，在壟作和秸稈覆蓋同時作用下效果最為顯著，且全量秸稈覆蓋處理比半量秸稈覆蓋處理活性更強。這是因為秸稈覆蓋既對土壤溫度有調(diào)節(jié)作用，也對土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分有較大影響，而且能夠增加土壤微生物數(shù)量，增加了可供微生物轉(zhuǎn)化的底物，所以土壤酶活性會增加[18]。李倩和賈志寬等[19]的研究結(jié)果認為，秸稈覆蓋能提高土壤酶活性。蔡大義等[20]研究結(jié)果表明不同量秸稈覆蓋提高了土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性。

土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在自然界營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中起著重要作用，同時土壤酶是土壤進行物質(zhì)交換的中介，絕大多數(shù)土壤酶來源于土壤微生物，所以土壤酶、土壤微生物之間存在著一定的相關(guān)性[21-22]。本研究也發(fā)現(xiàn)，細菌與酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、多酚氧化酶均呈極顯著正相關(guān)，真菌與酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶呈極顯著正相關(guān)，放線菌與酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、多酚氧化酶均呈極顯正相關(guān)。這是因為微生物在其生命活動過程中釋放分泌酶[23]；在土壤酶的作用下，土壤有機物質(zhì)和有機殘體分解成不同的中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物，為微生物提供了營養(yǎng)物質(zhì)和能量[24]。

4 結(jié) 論

在不同耕作方式下蠶豆根際土壤微生物中以細菌的數(shù)量最多，其次為放線菌，再次為真菌。不同微生物的數(shù)量在蠶豆各個生長階段其變化規(guī)律存在差異，以平作為對照，各處理均能在不同程度上提高細菌、真菌、放線菌的數(shù)量，其中RS2效果最為顯著。RS2處理下根際土壤細菌在苗期、分枝期、開花期、結(jié)莢期、成熟期較T處理分別提高525.00%、132.55%、294.44%、23.85%、175.00%，真菌較T處理分別提高27.00%、69.39%、156.41%、48.09%、79.55%，放線菌較T處理分別提高138.01%、178.26%、134.29%、100.23%、130.36%。壟作和秸稈覆蓋能提高土壤各種酶的活性，其中RS2效果最為顯著，RS2處理下根際土壤多酚氧化酶在苗期、分枝期、結(jié)莢期、成熟期較T處理分別提高38.34%、43.24%、1.44%、48.96%、123.89%，轉(zhuǎn)化酶較T處理分別提高79.13%、99.66%、50.95%、24.06%、63.00%，酸性磷酸酶較T處理分別提高26.32%、22.65%、25.32%、21.81%、22.38%。土壤微生物數(shù)量與土壤酶均呈正相關(guān)，細菌、放線菌與酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、多酚氧化酶均呈極顯著正相關(guān)，真菌與酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶呈極顯著正相關(guān)。因此選擇壟作和全量秸稈覆蓋耕作方式，有助于提高土壤微生物數(shù)量和酶活性，為蠶豆生長創(chuàng)造良好的微生態(tài)環(huán)境，對保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)生產(chǎn)能力具有十分重要的意義。

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