水氮配合對(duì)不同耐旱性紅小豆根際土壤酶活性的影響

王 慧 ，李 鑫 ，陳夢(mèng)妮

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所，山西運(yùn)城044000；2.山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西臨汾041004）

水資源短缺是我國目前面臨的一個(gè)重要難題，干旱脅迫作為限制農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素成為近年來的研究熱點(diǎn)。眾所周知，作物在生長發(fā)育過程中會(huì)受到多種因子的綜合影響，其中，水、肥2 個(gè)因子的影響尤為重要[1-2]。前人的研究結(jié)果表明，氮肥可以一定程度地改善干旱脅迫對(duì)作物造成的危害，對(duì)作物生長和營養(yǎng)吸收都有顯著效果[3-4]。而不恰當(dāng)?shù)氖┓什粌H達(dá)不到效果，還可能會(huì)加劇環(huán)境污染。只有科學(xué)合理的施肥才有可能既提高作物產(chǎn)量，又將污染降到最低[5]。

根系在作物生長過程中往往起著主導(dǎo)作用，是作物吸收水分和養(yǎng)分等營養(yǎng)物質(zhì)的主要器官。根際土壤是養(yǎng)分進(jìn)入根系前的必經(jīng)之路，也是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化最為活躍的區(qū)域。研究證實(shí)，根際土壤中酶的活性對(duì)養(yǎng)分的吸收及植物的生長具有巨大的影響，而大部分的根際土壤酶來又自于根系分泌物[6]，因此，作物種類與品種的不同，可能會(huì)影響根際土壤酶的活性。MANTENS 等[7]的研究表明，土壤酶的活性可以作為衡量土壤肥力的指標(biāo)之一。研究不同作物對(duì)土壤酶活性的影響，還有利于揭示作物對(duì)逆境土壤的生物有機(jī)化改良影響機(jī)制。

紅小豆（Phaseolus angularis Wight）又名赤小豆，是我國原產(chǎn)雜糧作物之一。已有的研究結(jié)果表明，紅小豆具有一定的藥用價(jià)值，富含賴氨酸[8]，且適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，并有豆科特有的固氮能力，在黃土高原治理過程中新形成的生土地上具有明顯的區(qū)位優(yōu)勢(shì)[9]。有關(guān)紅小豆的研究多集中在品質(zhì)特性與栽培技術(shù)[9-10]、食用價(jià)值[11]以及逆境脅迫[12-13]等方面，但有關(guān)紅小豆根際土壤酶等方面的研究不多，關(guān)于不同品種紅小豆根際土壤酶的比較更是鮮有報(bào)道[14]。

本研究以2 種不同抗旱性的紅小豆為供試材料，研究不同水、氮配合對(duì)其根際土壤酶活性的影響，旨在揭示紅小豆抗旱與根際土壤酶活性的相關(guān)性，并為生產(chǎn)上合理施肥、提高氮素利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試紅小豆品種為JN-2 和B-876-16，均由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供，分別為前期篩選出來的耐旱性和敏感性紅小豆品種[14]。供試肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O515%）和氯化鉀（含K2O 52%）。

1.2 試驗(yàn)地概況

為了模擬黃土高原治理過程中新形成的生土地，供試土壤取自地下深處養(yǎng)分含量較低的生土，其田間持水量為21.4%，基礎(chǔ)肥力為：有機(jī)質(zhì)含量2.37 g/kg、全氮含量 0.03 g/kg、有效磷含量 4.2 mg/kg、有效鉀含量 92.6 mg/kg，pH 值為 7.47。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016 年5—10 月在山西師范大學(xué)室外防雨棚進(jìn)行。選取上口徑為30 cm、下口徑為21 cm、高度為27 cm 的塑料盆為盆栽用盆。試驗(yàn)為3 因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，其中，灌水量設(shè)干旱脅迫（田間持水量的35%～45%）和正常對(duì)照（田間持水量的70%～80%）2 個(gè)水平，記作 W1 和 W2；氮肥用量設(shè)置 4 個(gè)水平，分別為：純氮含量 0、0.1、0.2、0.3 g/kg，分別記作 N0、N1、N2、N3；品種共 2 個(gè)，分別為耐旱性紅小豆品種JN-2 和旱敏感性紅小豆品種B-876-16。試驗(yàn)共16 個(gè)處理組合，每個(gè)處理重復(fù)6 次。

試驗(yàn)實(shí)施時(shí)每千克風(fēng)干土中分別施0.2 g P2O5和0.3 g K2O 作底肥，所有肥料均以基肥形式一次性施入。試驗(yàn)實(shí)施時(shí)，選取健康成熟、飽滿均一的紅小豆種子，先用蒸餾水沖洗干凈，浸泡8 h 后，于5 月19 日播種，等量澆水，待幼苗第一片真葉完全展開時(shí)進(jìn)行間苗，每盆定苗7 株。三葉期進(jìn)行控水，除水分處理不同外，其他處理不調(diào)整，每7 d 對(duì)其放置位置加以變換，每天在18：00 測(cè)量土壤含水量，并補(bǔ)充不足的水分[15]，此操作一直進(jìn)行至試驗(yàn)結(jié)束，試驗(yàn)期間要注意防雨，避免降水影響結(jié)果。于苗期和開花結(jié)莢期分別用抖土法采集根際土壤，風(fēng)干處理并過1 mm 土壤篩，用于測(cè)定根際土壤酶活性。

土壤中脲酶活性的測(cè)定采用苯酚- 次氯酸鈉比色法[16]；過氧化氫酶活性的測(cè)定選用高錳酸鉀滴定法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并作圖；采用SPSS 軟件進(jìn)行方差分析，并用Duncan 氏多重比較法對(duì)各處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮配合對(duì)不同耐旱性紅小豆根際土壤過氧化氫酶活性的影響

土壤過氧化氫酶可以分解土壤中因生物呼吸作用而產(chǎn)生的過氧化氫，降低其對(duì)土壤的毒害[17]。由表1 可知，在水分處理相同的前提條件下，2 種供試紅小豆品種的根際土壤過氧化氫酶活性在苗期和開花結(jié)莢期均表現(xiàn)為隨氮肥用量的增加而呈先上升后下降的單峰曲線，且均在低氮（N1）處理下達(dá)到最大值。比較不同水分條件下施氮對(duì)紅小豆根際土壤過氧化氫酶活性的影響程度可以看出，在干旱脅迫條件（W1）下，無論是耐旱性紅小豆品種還是旱敏感性紅小豆品種，均表現(xiàn)為施氮對(duì)根際土壤過氧化氫酶的影響大于正常水分條件（W2），如耐旱性品種JN-2 在W1 條件下，苗期和開花結(jié)莢期N1處理比N0 處理分別提高了5.2%和3.6%，而在W2條件下，苗期和開花結(jié)莢期N1 處理比N0 處理分別提高了2.8%和0.9%。旱敏感性品種B-876-16 也顯示出相似的趨勢(shì)，W1 和W2 條件下，N1 處理比N0 處理分別提高2.6%、2.0%和0.1%、0.8%。表明在干旱條件下更應(yīng)該注意紅小豆氮肥的施用，以提高根際土壤過氧化氫酶的活性，降低其可能對(duì)土壤的毒害。

從表1 還可以看出，在相同施氮條件下，無論紅小豆的抗旱性高低，干旱脅迫均能使其根際土壤過氧化氫酶活性升高。但比較不同品種的升高幅度可以發(fā)現(xiàn)，無論是苗期還是開花結(jié)莢期，耐旱性紅小豆品種JN-2 的升高幅度均高于旱敏感性紅小豆品種 B-876-16。苗期，在 N0、N1、N2 和 N3 施氮處理?xiàng)l件下，干旱脅迫W1 使得耐旱性紅小豆品種JN-2和旱敏感性紅小豆品種B-876-16 的根際土壤過氧化氫酶活性分別比正常水分條件（W2） 提高13.73%、16.41%、13.61%、15.05%和13.62%、16.37%、13.02%、12.02%；而在開花結(jié)莢期，相應(yīng)的升幅分別為2.86%、5.55%、1.32%、2.06%和 2.41%、3.58%、1.09%、1.98%。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，在苗期，無論施氮水平高低，2 個(gè)供試紅小豆品種的不同水分處理間差異均達(dá)到了顯著水平。在開花結(jié)莢期，只有在對(duì)照（N0）和較低施氮水平（N1）條件下，2 個(gè)參試紅小豆品種的根際土壤過氧化氫酶活性在不同水分處理間達(dá)到了顯著差異。除此之外，通過2 個(gè)品種間差異比較還可以看出，耐旱性紅小豆品種JN-2各處理的根際土壤過氧化氫酶活性均高于相應(yīng)處理?xiàng)l件下旱敏感性紅小豆品種B-876-16 的根際土壤過氧化氫酶活性，且在低氮（N1）處理下達(dá)顯著差異。

2.2 水氮配合對(duì)不同耐旱性紅小豆根際土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶是一種由植物根系分泌的一類酶，可以水解土壤中的尿素，為作物生長提供養(yǎng)分，是土壤中作物吸收氮素能力的一個(gè)重要指標(biāo)[18]。由表1可知，無論耐旱性高低，2 個(gè)供試紅小豆品種的根際土壤脲酶活性均表現(xiàn)為隨著生育期的推后而不斷增加的趨勢(shì)，開花結(jié)莢期明顯高于苗期，且在所有試驗(yàn)處理組合中均表現(xiàn)為低水、低氮組合（W1N1）的根際土壤脲酶活性最高。在水分相同處理?xiàng)l件下，2 個(gè)供試紅小豆品種根際土壤脲酶活性均隨施氮量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，均為單峰曲線，且均在低氮（N1）處理下達(dá)到峰值。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，在苗期，2 個(gè)供試品種N1 處理與其他施氮處理間的紅小豆根際土壤脲酶活性差異均達(dá)到了顯著水平；而在開花結(jié)莢期，對(duì)照（N0）與低氮（N1）處理的紅小豆根際土壤脲酶活性均顯著高于高氮（N3）處理，可見，中、低量施氮有利于提高紅小豆根際土壤脲酶活性，且在苗期效果更為明顯。

當(dāng)施氮量一定時(shí)，無論品種的抗旱性如何，干旱脅迫處理均導(dǎo)致紅小豆JN-2 和B-876-16 的根際土壤脲酶活性升高，但品種的抗旱性不同，根際土壤脲酶活性升高的幅度有所不同。苗期，在N0、N1、N2 和N3 施氮處理?xiàng)l件下，干旱脅迫W1 使得耐旱性紅小豆品種JN-2 和旱敏感性紅小豆品種B-876-16 的根際土壤脲酶活性分別比正常水分條件（W2）提高了 39.53%、10.61%、51.97%、39.47%和23.57%、10.19%、22.42%、34.43%；而在開花結(jié)莢期，相應(yīng)的升幅分別為10.61%、2.38%、9.43%、7.48%和9.67%、1.89%、8.76%、6.91%?？梢钥闯觯秃敌约t小豆品種JN-2 在各施氮處理?xiàng)l件下，根際土壤脲酶活性隨干旱脅迫而升高的幅度均高于旱敏感性紅小豆品種B-876-16。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，在苗期，相同供氮條件下2 個(gè)供試的不同耐旱性品種在不同水分處理間根際土壤脲酶活性差異均達(dá)到顯著水平，表明苗期適當(dāng)減少灌溉有利于提高紅小豆根際土壤中脲酶的活性。通過品種間差異比較還可以看出，耐旱性紅小豆品種JN-2 各處理的根際土壤脲酶活性均高于相應(yīng)處理?xiàng)l件下的旱敏感性紅小豆品種B-876-16，且在苗期的干旱脅迫處理下，差異達(dá)到了顯著水平，表明根際土壤脲酶活性也可能與土壤的抗旱性高低有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

前人的研究已證明，土壤酶主要來自土壤中的動(dòng)、植物殘?bào)w分解過程和微生物細(xì)胞的代謝。土壤酶活性可作為評(píng)價(jià)土壤肥力的指標(biāo)[19-20]。根際土壤脲酶在氮素轉(zhuǎn)化中起重要作用，可以在一定程度上代表土壤供氮能力的高低[21]。當(dāng)土壤灌溉量大或土壤濕度高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤脲酶活性下降[21]，這與本試驗(yàn)所得結(jié)果一致。本試驗(yàn)結(jié)果表明，2 個(gè)不同耐旱性紅小豆品種的根際土壤脲酶活性在不同生育期均表現(xiàn)為隨著灌水量的增加而降低，抗旱性品種JN-2 的根際脲酶活性值更高，且較旱敏感品種B-876-16 的變幅更大。表明紅小豆的抗旱性可能也與其根際土壤的酶活性有關(guān)，根際土壤酶活性高可能也是紅小豆抗旱的機(jī)制之一。本試驗(yàn)結(jié)果還表明，在相同水分條件下，紅小豆苗期和開花結(jié)莢期根際土壤脲酶活性均隨施氮量的增多呈先增多后降低的趨勢(shì)，低氮（N1）處理（施氮0.1 g/kg）時(shí)最高，說明適當(dāng)增施氮肥確實(shí)能夠使紅小豆根際土壤脲酶活性增加，但過量施氮反而使紅小豆根際土壤脲酶的活性降低，這種效果在苗期表現(xiàn)的更加明顯。這與前人在小麥[22]上的研究結(jié)果，以及在紅小豆[23]上的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)結(jié)果還表明，隨著生育期的推進(jìn)，紅小豆根際土壤脲酶活性增加。這可能是由于在開花結(jié)莢期紅小豆對(duì)養(yǎng)分的需求大，根系迅速生長，根系分泌物也迅速增多有關(guān)。較多的根系分泌物通過與土壤微生物的共同作用，進(jìn)而對(duì)脲酶活性的提高有顯著作用[24]。

過氧化氫酶是一種重要的氧化還原酶，可以分解土壤中因生物呼吸作用而產(chǎn)生的過氧化氫，降低其對(duì)土壤的毒害。本研究表明，在相同水分處理下，根際土壤過氧化氫酶活性隨施氮量的增加表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì)，施氮量為0.1 g/kg 時(shí)，過氧化氫酶活性最強(qiáng)，說明氮素施用確實(shí)對(duì)土壤過氧化氫酶具有促進(jìn)作用，這與張學(xué)林等[25]的研究結(jié)果一致。在施氮量一致的情況下，同一品種紅小豆根際土壤過氧化氫酶的活性均表現(xiàn)為干旱脅迫高于正常水分處理，這可能是紅小豆的一種適應(yīng)性表現(xiàn)。表明當(dāng)紅小豆遇到干旱脅迫時(shí)，可以通過自身的調(diào)節(jié)，在一定程度上減輕脅迫的影響，以應(yīng)對(duì)輕度的干旱或其他脅迫。過度的灌溉尤其是過度的施氮，既造成了資源的浪費(fèi)也給環(huán)境帶來了負(fù)擔(dān)，這與趙海禎等[26]的研究成果相似。

綜上所述，通過模擬研究在各種水氮組合下紅小豆根際酶活性的試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)黃土高原干旱地區(qū)的生土地裸露的特殊栽培條件，可以通過適量地施加肥料以獲得增產(chǎn)，起到以肥促水的效果。本試驗(yàn)還表明，在田間持水量在35%～45%和70%～80%的生土中，施純氮含量在0.1 g/kg 的紅小豆肥料利用效率最高，根際土壤酶活性也最強(qiáng)，最有利于養(yǎng)分的吸收與轉(zhuǎn)化。