基于逐步回歸模型的連作植煙土壤化學(xué)性狀和酶活性關(guān)系分析

白羽祥 藺忠龍 鄧小鵬 徐照麗 楊成翠 史普酉 楊煥文 王戈

摘要：【目的】探討不同連作年限植煙土壤化學(xué)性狀和酶活性的變化規(guī)律及其相互關(guān)系，為探明烤煙連作障礙機(jī)理及制定調(diào)控措施提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳酝恢矡焻^(qū)域不同連作年限（4、6、8、14和16年）的土壤為研究對(duì)象，在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，利用逐步回歸模型對(duì)植煙土壤的化學(xué)性狀和酶活性進(jìn)行測(cè)定分析?！窘Y(jié)果】隨連作年限增加，土壤pH、有機(jī)質(zhì)和全鉀含量逐漸降低，全磷、全鉀、水解性氮和有效磷含量呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，而有效鉀含量呈增加趨勢(shì);過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性均表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)，過氧化氫酶和酸性磷酸酶活性峰值出現(xiàn)在連作8年處理，脲酶和蔗糖酶活性峰值出現(xiàn)在連作6年處理。逐步回歸分析結(jié)果表明，全磷、全鉀和速效鉀含量分別受酸性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性的抑制，過氧化氫酶和蔗糖酶活性均受全鉀含量的抑制，酸性磷酸酶活性受速效鉀含量的抑制?！窘Y(jié)論】隨連作年限的增加，植煙土壤環(huán)境惡化，養(yǎng)分失衡，酶活性呈先升高后降低趨勢(shì);部分化學(xué)性狀指標(biāo)與酶活性間存在密切的相互影響關(guān)系。

關(guān)鍵詞： 連作;植煙土壤;化學(xué)性狀;酶活性;逐步回歸模型

中圖分類號(hào)： S572.06 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：2095-1191（2018）12-2387-07

Analysis of relationships between chemical properties and enzyme activity in continuous cropping tobacco-planted

soil based on stepwise regression model

BAI Yu-xiang1， LIN Zhong-long2， DENG Xiao-peng3， XU Zhao-li3*， YANG Cheng-cui1，SHI Pu-you1， YANG Huan-wen1， WANG Ge1

（1College of Tobacco Science， Yunnan Agricultural University， Kunming? 650201， China; 2Yunnan Tobacco Company，Kunming? 650011， China; 3Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Science， Kunming? 650021， China）

Abstract：【Objective】The changes of chemical traits and enzyme activities of tobacco-planted soils with different continuous cropping years and their relationship were discussed， which provided theoretical basis for exploring the mechanism of continuous cropping obstacles and drawing up adjustment measures. 【Method】On the basis of correlation analysis， the stepwise regression model was used to study and analyze the chemical properties and enzyme activities of the soils with different continuous cropping years（4， 6， 8， 14 and 16 years） in the same tobacco-growing area. 【Result】The soil pH， organic matter and total potassium（K） content decreased with the increase of continuous cropping years. The total phosphorus（P）， total K， hydrolyzable nitrogen and available P content increased first and then decreased， while the effective K content increased. Hydrogen peroxide enzyme， urease， acid phosphatase and sucrase activities all increased first and then decreased. Peaks of hydrogen peroxide enzyme and acid phosphatase activities occurred at eight continuous cro-pping years， while those of urease and sucrase activities occurred at six continuous cropping years. Stepwise regression analysis showed that the total P， total K and effective K contents were inhibited by acid phosphatase， sucrase and catalase activities respectively， and catalase and sucrase activities were inhibited by total K content. Acid phosphatase activity was inhibited by the effective K content. 【Conclusion】Under the conditions of this experiment， with the increase of continuous cropping years， the soil environment of tobacco planting deteriorates， nutrient is imbalanced， enzyme activities increase first and then decrease. Some chemical traits show close interaction with enzyme activity.

Key words： continuous cropping; tobacco-planted soil; chemical properties; enzyme activity; stepwise regression model

0 引言

【研究意義】烤煙是典型的忌連作作物，長(zhǎng)期連作會(huì)導(dǎo)致植煙土壤理化性質(zhì)惡化及酶活性發(fā)生改變，進(jìn)一步導(dǎo)致烤煙病蟲害加劇和產(chǎn)質(zhì)量下降（郭亞利，2006;張科等，2010;古戰(zhàn)朝等，2011;李鑫等，2012;高峰，2014）。由于土地資源和栽培條件等因素的制約，我國(guó)烤煙連作現(xiàn)象十分普遍，嚴(yán)重制約了植煙土壤的可持續(xù)利用。因此，探討連作條件下植煙土壤理化性狀和酶活性的變化規(guī)律及其作用關(guān)系，能夠?yàn)檠芯靠緹熯B作障礙提供一定的理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，已有不少研究表明連作可導(dǎo)致植煙土壤理化性質(zhì)惡化和酶活性發(fā)生改變，且二者間具有相互影響關(guān)系?？緹煹拈L(zhǎng)期連作可導(dǎo)致土壤pH下降和養(yǎng)分失衡（Aparicio and Costa，2007;Samadi et al.，2008），土壤的pH下降和養(yǎng)分失衡進(jìn)一步導(dǎo)致煙株對(duì)養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化能力下降（Tsadilas，2000;王連君和谷思玉，2004）。鄧陽春和黃建國(guó)（2010）、鄧紅艷（2015）研究表明，當(dāng)達(dá)到一定連作年限時(shí)，土壤pH顯著下降，有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀和有效磷含量有不同程度的降低，全磷、有效鉀和水解性氮卻呈現(xiàn)一定的積累現(xiàn)象。連作對(duì)土壤酶活性也有明顯影響，隨連作年限增加，植煙土壤酶活性升高，但當(dāng)連作達(dá)一定年限時(shí)，土壤酶活性反而下降（張翼等，2007;盤莫誼等，2008;李鑫等，2012;陳繼峰等，2016）。由于土壤酶能加快土壤代謝進(jìn)程，有效促進(jìn)土壤養(yǎng)分的釋放和循環(huán)，因此土壤酶活性的改變可使煙株對(duì)礦質(zhì)元素的利用率降低，導(dǎo)致其生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程受到抑制（李鑫等，2012）。在土壤理化性質(zhì)和酶活性相互作用關(guān)系方面，陶寶先等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，脲酶與有機(jī)質(zhì)和全磷含量呈顯著正相關(guān)，蔗糖酶和酸性磷酸酶分別與全氮和有效磷含量呈顯著正相關(guān);葛曉改等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，土壤理化性狀對(duì)酶活性的影響順序依次為總氮、有機(jī)質(zhì)、pH、銨態(tài)氮和有效磷，而且轉(zhuǎn)化酶和過氧化物酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量呈顯著正相關(guān)，過氧化物酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人對(duì)連作植煙土壤的研究主要是針對(duì)理化性質(zhì)和酶活性的變化趨勢(shì)（Aparicio and Costa，2007;Samadi et al.，2008;李鑫等，2012;陳繼峰等，2016），由于土壤理化性質(zhì)和酶活性間關(guān)系復(fù)雜且互相影響，雙變量相關(guān)性分析不能完全反映二者間的真實(shí)關(guān)系。逐步回歸分析可剔除無關(guān)變量和影響力可忽略的變量，從而篩選出具有真正影響作用的自變量，即影響因素，如果篩選不出因變量的回歸方程，則說明相應(yīng)的自變量對(duì)該因變量無影響或影響不顯著（李亮亮等，2010）。因此，利用逐步回歸模型可更準(zhǔn)確地分析土壤化學(xué)性狀和酶活性間的相互影響關(guān)系，但目前尚無相關(guān)研究報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】以連作4、6、8、14和16年的植煙土壤為對(duì)象，在其他條件一致的情況下，測(cè)定不同處理植煙土壤的化學(xué)性狀和酶活性，分析連作對(duì)植煙土壤化學(xué)性狀和酶活性的影響，并在Mantel Test和相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上利用逐步回歸模型探究土壤化學(xué)性狀和酶活性的相互影響，為探明烤煙連作障礙機(jī)理及制定調(diào)控措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 土樣采集

試驗(yàn)地位于云南省保山市施甸縣姚關(guān)鎮(zhèn)陡坡村的連片烤煙種植示范區(qū)，該區(qū)域土地植煙歷史可考，除連作年限外，其他因素基本一致。土壤質(zhì)地為砂壤土，種植烤煙品種為K326，采用“大麥—烤煙→大麥—烤煙→大麥—烤煙”的復(fù)種連作模式，每年烤煙施氮量（純N）為120 kg/ha，施磷量（P2O5）為90 kg/ha、施鉀量（K2O）為321 kg/ha，肥料由當(dāng)?shù)責(zé)煵莨咎峁耘喙芾泶胧┙y(tǒng)一按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。

利用五點(diǎn)取樣法采集分別種植4年（T4）、6年（T6）、8年（T8）、14年（T14）和16年（T16）烤煙的土壤0～20 cm土樣2 kg，每處理采集5個(gè)土壤樣品，除去表層后混合，共取3份平行土壤樣品。所取土樣風(fēng)干后用于土壤理化性狀和酶活性的測(cè)定。

1. 2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤pH采用電位計(jì)法（水土比為2.5∶1）測(cè)定（NY/T 1377—2007）;有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀—硫酸外加熱法測(cè)定（NY/T 1121.6—2006）;全氮含量采用高氯酸—濃硫酸消化、半微量開氏蒸餾法測(cè)定（NY/T 53—1987）;全磷含量采用高氯酸—濃硫酸消化、鉬藍(lán)比色法測(cè)定（NY/T 88—1988）;全鉀含量采用NaOH熔融、火焰光度計(jì)測(cè)定（NY/T 87—1988）;堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定（LY/T 1229—1999）;有效磷含量采用NaHCO3浸提、鉬銻抗比色法測(cè)定（NY/T 1121.7—2006）;速效鉀含量采用醋酸銨浸提、火焰光度計(jì)測(cè)定（NY/T 889—2004）。

土壤酶活性測(cè)定參照孫甜田等（2015）的方法。過氧化氫酶活性采用KMnO4滴定法測(cè)定，脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定。所有土樣的測(cè)定均設(shè)3次重復(fù)。

1. 3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2013對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并制圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行差異顯著性、相關(guān)性及土壤化學(xué)性狀和酶活性的逐步回歸模型分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 連作對(duì)植煙土壤化學(xué)性狀的影響

從圖1可看出，隨連作年限的增加，植煙土壤的pH、有機(jī)質(zhì)和全氮含量均呈降低趨勢(shì)，其中在連作8年后，pH降低趨勢(shì)明顯加快（圖1-A），有機(jī)質(zhì)和全氮含量降低趨勢(shì)減緩（圖1-B和圖1-C）;全磷、全鉀、水解性氮和有效磷含量均呈先降低后升高的變化趨勢(shì)（圖1-D、圖1-E、圖1-F和圖1-G），且連作6年和8年的全磷和全鉀含量顯著低于其他連作處理（P<0.05，下同），連作14年處理的水解性氮和有效磷含量最低;速效鉀含量則逐漸升高，且連作8年后升高的趨勢(shì)明顯加快（圖1-H）。

2. 2 連作對(duì)植煙土壤酶活性的影響

從圖2可看出，隨連作年限的增加，植煙土壤的過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，但不同酶活性峰值出現(xiàn)的連作年限存在差異，其中，過氧化氫酶和酸性磷酸酶活性的峰值出現(xiàn)在連作8年處理，脲酶和蔗糖酶活性的峰值出現(xiàn)在連作6年處理。

2. 3 植煙土壤化學(xué)性狀和酶活性的相關(guān)性分析結(jié)果

分別以化學(xué)性狀和酶活性為一個(gè)矩陣，利用Mantel Test對(duì)二者進(jìn)行相關(guān)性分析。皮爾遜系數(shù)（r）在一定程度上能反應(yīng)兩個(gè)變量間相關(guān)性的強(qiáng)度，當(dāng)|r|<0.3時(shí)呈低度相關(guān)，當(dāng)0.3≤|r|<0.8時(shí)呈中度相關(guān)，當(dāng)|r|≥0.8時(shí)呈高度相關(guān)（Song，2016）。由表1可知，土壤化學(xué)性狀與酶活性間的相關(guān)系數(shù)為0.444，且達(dá)極顯著水平（P<0.01，下同）。各土壤化學(xué)性狀指標(biāo)與不同酶活性間的相關(guān)性有所不同，其中過氧化氫酶活性與pH、全鉀和速效鉀呈高度相關(guān)（|r|≥0.8），且與全鉀和速效鉀的負(fù)相關(guān)達(dá)顯著水平;脲酶活性與pH和全鉀呈高度相關(guān)（|r|≥0.8）;酸性磷酸酶活性和蔗糖酶活性與全磷、全鉀均呈高度相關(guān)（|r|≥0.8），且相關(guān)性也達(dá)極顯著水平。

2. 4 植煙土壤化學(xué)性狀與酶活性間的逐步回歸分析結(jié)果

逐步回歸分析中偏回歸方程標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的大小代表對(duì)應(yīng)自變量影響力的強(qiáng)弱，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的正負(fù)值分別代表該自變量對(duì)因變量起到促進(jìn)或抑制的影響作用（李亮亮等，2010）。由表2中的逐步回歸方程可看出，以土壤化學(xué)性狀為因變量、酶活性為自變量，通過逐步回歸分析，剔除無關(guān)變量后，篩選出全磷、全鉀和速效鉀的回歸方程，說明除這3項(xiàng)化學(xué)性狀外，酶活性對(duì)其余化學(xué)性狀指標(biāo)無影響或影響不顯著。其中，影響土壤全磷含量的因素為酸性磷酸酶活性，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為-0.968，表明酸性磷酸酶活性對(duì)全磷含量具有抑制作用;影響土壤全鉀含量的因素為蔗糖酶活性，準(zhǔn)化系數(shù)為-0.979，表明蔗糖酶活性對(duì)全鉀含量具有抑制作用;影響土壤速效鉀含量的因素為過氧化氫酶活性，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為-0.927，表明過氧化氫酶活性對(duì)速效鉀含量具有抑制作用。

由表3中的逐步回歸方程可看出，以土壤酶活性為因變量、化學(xué)性狀為自變量，通過逐步回歸分析，剔除無關(guān)變量后，篩選出過氧化氫酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性的回歸方程，說明除這3種土壤酶活性外，化學(xué)性狀對(duì)脲酶活性無影響或影響不顯著。其中，影響土壤過氧化氫酶活性的因素為速效鉀和全鉀，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)分別為-0.555和-0.518，表明兩者對(duì)過氧化氫酶活性具有抑制作用，且全鉀的影響力較速效鉀大;影響土壤酸性磷酸酶活性的因素為速效鉀、pH和全磷，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)分別為-1.119、-0.305和0.003，表明有效磷和pH對(duì)酸性磷酸酶活性具有抑制作用，而全磷對(duì)其具有促進(jìn)作用，且速效鉀對(duì)酸性磷酸酶活性影響最大，其次為pH，全磷最小;影響土壤蔗糖酶活性的因素為全鉀，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為0.979，表明全磷對(duì)蔗糖酶活性具有促進(jìn)作用。

3 討論

長(zhǎng)期連作可導(dǎo)致植煙土壤緩解pH的能力下降（晉艷等，2004;何俊瑜等，2013）、有效養(yǎng)分比例發(fā)生非均衡變化（鄧陽春和黃建國(guó)，2010;鄧紅艷，2015）;當(dāng)連作達(dá)一定年限時(shí)，土壤pH顯著下降，有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀和有效磷含量也出現(xiàn)不同程度的降低，而全磷、速效鉀和水解性氮含量出現(xiàn)富集現(xiàn)象（鄧陽春和黃建國(guó)，2010;鄧紅艷，2015）。因此，pH變化和土壤養(yǎng)分失衡是導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化的主要原因（Tsadilas，2000;王連君和谷思玉，2004;Samadi and Dovlati，2008;賈志紅等，2011）。本研究也得出相似結(jié)論，即隨連作年限的增加，植煙土壤的pH和有機(jī)質(zhì)含量均呈明顯降低趨勢(shì)?？赡苁怯捎跓煵輰Ｓ脧?fù)合肥為生理酸性肥料，烤煙在生長(zhǎng)過程中吸收大量陽離子的同時(shí)將細(xì)胞內(nèi)的氫離子外排，再加上根系分泌物中的有機(jī)酸，最終導(dǎo)致連作條件下植煙土壤的酸化，又因烤煙為喜鉀作物，在烤煙生長(zhǎng)中人為追施大量硫酸鉀，鉀離子與鈣鎂等離子的交換導(dǎo)致土壤板結(jié)，使植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。本研究中，各處理全氮含量隨連作年限的增加呈下降趨勢(shì)，可能是烤煙需氮較多且在同一地塊連年種植所導(dǎo)致;而土壤速效鉀含量隨連作年限延長(zhǎng)有所增加，說明連作導(dǎo)致烤煙對(duì)鉀素的吸收能力減弱;對(duì)于全磷、全鉀、水解性氮和有效磷而言，均隨連作年限的增加呈先降低后升高趨勢(shì)，表明烤煙連作超過一定年限后（連作8年左右），對(duì)以上幾種養(yǎng)分的吸收利用能力減弱，最終導(dǎo)致植煙土壤養(yǎng)分狀況失衡?？梢姡B作導(dǎo)致植煙土壤酸化和養(yǎng)分失衡，進(jìn)一步影響植株對(duì)礦質(zhì)元素的吸收，從而使產(chǎn)質(zhì)量受到影響。因此，在今后的烤煙生產(chǎn)中，要合理施用化肥，適當(dāng)增施有機(jī)肥以改善植煙土壤環(huán)境。

前人研究表明，隨連作年限的增加，植煙土壤酶活性呈升高趨勢(shì)，但當(dāng)連作達(dá)一定年限時(shí)，酶活性反而出現(xiàn)下降趨勢(shì)（張翼等，2007;盤莫誼等，2008;李鑫等，2012;陳繼峰等，2016）。土壤酶活性直接影響植株對(duì)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、吸收和利用，土壤酶活性發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致烤煙對(duì)土壤養(yǎng)分的利用率發(fā)生改變。本研究結(jié)果也表明，隨著連作年限的增加，4種土壤酶活性均表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，但不同酶活性的峰值出現(xiàn)在不同的連作年限。其原因可能是在連作未達(dá)酶活性峰值年限時(shí)，表層土壤中煙株和根系殘留物逐年積累，為土壤酶提供了足夠的底物，因此酶活性升高;當(dāng)連作超過酶活性峰值年限后，土壤中病菌和有毒物質(zhì)等的積累導(dǎo)致酶活性降低?？梢姡B作導(dǎo)致土壤酶活性發(fā)生變化，又因土壤酶對(duì)土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化效率有直接影響，因此，連作對(duì)植煙土壤酶活性的影響最終表現(xiàn)為土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化效率改變，進(jìn)一步影響煙株對(duì)礦質(zhì)元素的吸收，形成發(fā)生連作障礙的一個(gè)因子。

土壤理化性質(zhì)和酶活性間存在相互影響，且不同性狀間的影響程度也存在差異（陶寶先等，2009;葛曉改等，2012）。本研究利用逐步回歸模型，在Mantel Test分析和相關(guān)性分析的前提下，確認(rèn)化學(xué)性狀與酶活性間具有一定相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上，分別以化學(xué)性狀和酶活性為因變量，剔除相應(yīng)的無關(guān)變量后，進(jìn)一步得出土壤化學(xué)性狀與酶活性間的相互影響關(guān)系，結(jié)果表明，土壤酶活性對(duì)全磷、全鉀和速效鉀均有一定的影響，其中，影響土壤全磷含量的因素為酸性磷酸酶活性，影響全鉀含量的因素為蔗糖酶活性，影響速效鉀含量的因素為過氧化氫酶活性，且以上影響均呈抑制作用。其原因可能是酶活性的改變導(dǎo)致土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效率發(fā)生變化，進(jìn)一步加劇土壤養(yǎng)分失衡。同時(shí)，部分土壤化學(xué)性狀指標(biāo)對(duì)過氧化氫酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性有一定影響，其中，影響土壤過氧化氫酶活性的因素為速效鉀和全鉀，兩者均為抑制作用，且全鉀的影響力較速效鉀大;影響土壤酸性磷酸酶活性的因素為速效鉀、pH和全磷，前兩者為抑制作用，后者為促進(jìn)作用，且速效鉀對(duì)酸性磷酸酶活性影響最大，其次為pH，全磷最小;影響土壤蔗糖酶活性的因素為全鉀，表現(xiàn)為促進(jìn)作用。以上結(jié)果產(chǎn)生的原因可能是土壤養(yǎng)分失衡改變了土壤酶的底物組成，直接或間接影響酶活性。但本研究?jī)H從統(tǒng)計(jì)分析的角度初步探討了土壤酶活性和化學(xué)性狀間的相互關(guān)系，受研究手段和方法的限制，連作植煙土壤中化學(xué)性狀和酶活性間的相互影響機(jī)制尚不完全清楚，尚有待進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

隨連作年限的增加，植煙土壤環(huán)境惡化，養(yǎng)分失衡，酶活性呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，部分土壤化學(xué)性狀與酶活性間存在密切的相互影響關(guān)系。其中，全磷、全鉀和速效鉀含量分別受酸性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性抑制;過氧化氫酶和蔗糖酶活性均受全鉀含量抑制，酸性磷酸酶活性受速效鉀含量抑制。

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