榆林沙土區(qū)馬鈴薯根層土壤因子、微生物數(shù)量及酶活性特征

謝 奎，張 騰，李卓遠(yuǎn)，密菲瑤，李 源，張 帆，王秀康

(延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)屬茄科,一年生草本植物,是全球第四大重要的糧食作物,僅次于小麥、稻谷和玉米[1]。馬鈴薯是比小麥、水稻、玉米能獲得更多的碳水化合物、蛋白質(zhì)、纖維素、胡蘿卜素、抗壞血酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),且具有很大增產(chǎn)潛力的高產(chǎn)作物。其本身含有豐富的礦質(zhì)元素,每100 g馬鈴薯中含Ca 11～60 mg,P 15～68 mg,Fe 0.4～4.8 mg, 硫胺素0.03～0.07 mg, 核黃素0.03～0.11 mg, 尼克酸0.4～1.1 mg[2],通過(guò)食用馬鈴薯來(lái)補(bǔ)充人體所需營(yíng)養(yǎng)成為更多人的選擇[3]。馬鈴薯除了食用之外,還可廣泛用于化工、醫(yī)藥、動(dòng)物飼料和生物燃料等領(lǐng)域[4-5]。中國(guó)是馬鈴薯生產(chǎn)第一大國(guó),全球馬鈴薯產(chǎn)量的23%都來(lái)自中國(guó),對(duì)保障糧食安全、貧困地區(qū)脫貧增收及振興地區(qū)經(jīng)濟(jì)而言,保障馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

植物的生長(zhǎng)與土壤質(zhì)量密切相關(guān),根際微生物是土壤的重要成分,參與了根際微系統(tǒng)的許多生物化學(xué)反應(yīng),對(duì)土壤中的肥力演變、有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分的分解、循環(huán)和轉(zhuǎn)化起到了關(guān)鍵性作用[7]。良好的土壤環(huán)境是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件,土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等土壤因子和土壤微生物是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。Velasquez等[8]研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期施肥可降低土壤微生物數(shù)量,這可能與土壤肥料殘余量有關(guān)。譚周進(jìn)等[9]研究表明,植物會(huì)將5%～20%的光合作用產(chǎn)物釋放到土壤中,用于建立植物與微生物的相互作用,這些相互作用可以增加植物對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的利用率或促進(jìn)植物激素的產(chǎn)生。Turner等[10]研究發(fā)現(xiàn),微生物通過(guò)固氮及溶磷、解鉀等作用可有效改善土壤中的養(yǎng)分條件,有利于植物的生長(zhǎng)。譚雪蓮等[11]研究表明,土壤中細(xì)菌和放線(xiàn)菌數(shù)量隨馬鈴薯連作年限的增加呈下降趨勢(shì),真菌呈上升趨勢(shì)。王桂紅等[12]研究發(fā)現(xiàn),玉米和牧草典型種植模式下，隨著土層加深土壤微生物量呈下降趨勢(shì)。土壤酶活性是土壤中生物活性的綜合指標(biāo),反映了土壤酶催化物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力,能夠反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及土壤環(huán)境變化狀況[13]。王麗紅等[14]研究發(fā)現(xiàn),馬鈴薯輪作時(shí),土壤過(guò)氧化氫酶活性有增加的趨勢(shì),蔗糖酶活性提高,且在馬鈴薯成熟期提高幅度最大。Baldrian等[15]研究發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)碳可以作為酶的載體,較高有機(jī)碳可以促進(jìn)土壤中微生物的活動(dòng)和酶的合成。Feng等[16]研究發(fā)現(xiàn),在土壤垂直方向上,土壤酶活性普遍隨著土壤深度的增加而降低,在有機(jī)質(zhì)含量高、根系多、土壤微生物及動(dòng)物活躍的土層,土壤酶活性高,而在有機(jī)質(zhì)含量低、根系少、微生物及動(dòng)物少的土層,土壤酶活性低。Sardans等[17]研究表明,當(dāng)土壤濕度降低21%,脲酶活性降低10%～67%。綜上表明,土壤微生物和土壤酶在植物生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用,土壤水分、pH值、氮磷鉀、有機(jī)質(zhì)等土壤因子和土壤微生物、土壤酶密切相關(guān),它們共同作用、相互影響[18]，共同促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)。因此,探明馬鈴薯根層土壤因子、微生物分布、土壤酶活性特征意義重大。

目前,對(duì)馬鈴薯土壤微生物生態(tài)結(jié)構(gòu)的研究已有一些報(bào)道,但多集中在不同種植方式、施肥等對(duì)微生物的影響,而我國(guó)沙土區(qū)馬鈴薯根層土壤因子與微生物數(shù)量以及酶活性特征相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。本研究以榆林沙土區(qū)16個(gè)馬鈴薯品種為研究對(duì)象,揭示馬鈴薯土壤因子、土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性的變化特征,并分析土壤因子、土壤微生物、土壤酶活性、塊莖產(chǎn)量與品質(zhì)的相關(guān)性,為優(yōu)化馬鈴薯田間管理和優(yōu)良種質(zhì)資源開(kāi)發(fā)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在陜西省榆林市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園馬鈴薯試驗(yàn)站進(jìn)行,試驗(yàn)站位于東經(jīng)109°45′30″,北緯38°22′37″,海拔高度1 100 m,試驗(yàn)地所在區(qū)域?qū)俑珊蛋敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,全年降水集中在6、7、8月份,年平均降水量400 mm,蒸發(fā)量1 900 mm,年日照時(shí)數(shù)2 900 h,年均氣溫8.6℃。試驗(yàn)區(qū)土壤為沙質(zhì)土壤,土壤pH值為8,土壤容重為1.38 g·cm-3,土壤有機(jī)質(zhì)含量為3.46 g·kg-1，土壤堿解氮含量為14.32 mg·kg-1，土壤銨態(tài)氮含量為5.8 mg·kg-1,土壤硝態(tài)氮含量為2.1 mg·kg-1,土壤有效磷含量為6.2 mg·kg-1，土壤速效鉀含量為67.4 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為16個(gè)馬鈴薯品種,分別為1014(T1)、沙雜15號(hào)(T2)、青薯5號(hào)(T3)、麗薯6號(hào)(T4)、中薯20號(hào)(T5)、希森6號(hào)(T6)、隴薯3號(hào)(T7)、華頌11號(hào)(T8)、莊薯3號(hào)(T9)、華頌7號(hào)(T10)、中薯10號(hào)(T10)、華頌33號(hào)(T12)、華頌35號(hào)(T13)、隴薯10號(hào)(T14)、Shepody(T15)、華頌34號(hào)(T16)，馬鈴薯于2020年4月28日種植，9月20日收獲。

田間馬鈴薯滴灌施肥設(shè)備采用液壓比例施肥泵裝置控制,設(shè)備主要由水源 、水泵、比例施肥泵和輸配水管道系統(tǒng)等組成,滴灌施肥時(shí)將肥料溶于水中,通過(guò)施肥罐進(jìn)行施肥。根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)選用滴灌所用肥料,分別選用尿素、磷酸二銨和硝酸鉀混合配比施用,含量為N 46.4%；N 18%、P2O546%；N 13.5%、K2O 18%。施肥采用同一施肥水平滴管,根據(jù)當(dāng)?shù)赝扑]施肥水平設(shè)N-P2O5-K2O為200-80-300 kg·hm-2。根據(jù)馬鈴薯生長(zhǎng)特性,在苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期施肥量分別為0%、20%、50%、30%和0%。

本試驗(yàn)統(tǒng)一使用機(jī)械起壟種植,每小區(qū)2壟,小區(qū)長(zhǎng)20 m,寬1.8 m,壟底寬90 cm,株距25 cm,種植密度為45 000株·hm-2。各處理土壤狀況、種植密度、施肥水平、田間管理均相同。播種時(shí)用70%乙醇消毒過(guò)的刀切開(kāi)馬鈴薯塊莖,每塊留2～4個(gè)芽眼,種植深度8～10 cm,植株成熟后統(tǒng)一收獲。

1.3 樣品采集和測(cè)定

1.3.1 塊莖產(chǎn)量和品質(zhì) 馬鈴薯于2020年9月20日采樣，每個(gè)品種隨機(jī)選取5株,稱(chēng)量塊莖重量后計(jì)算產(chǎn)量。選擇各處理中無(wú)病害的塊莖,部分樣品用于測(cè)定鮮樣指標(biāo)，部分樣品殺青烘干至恒重后打粉,過(guò)篩待用。塊莖淀粉含量采用蒽酮法測(cè)定，可溶性總糖含量采用蔥酮比色法測(cè)定,粗蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定,維生素C含量采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

1.3.2 土壤理化性質(zhì) 收獲馬鈴薯塊莖當(dāng)天采取土壤樣品，每個(gè)馬鈴薯種植區(qū)中隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn),取6個(gè)深度土樣,每個(gè)深度為10 cm,采土深度為0～60 cm,樣品陰干,過(guò)篩后待用。土壤pH值采用雷磁PHB-4便攜式pH計(jì)測(cè)定,堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,速效磷采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法,速效鉀采用NH4OAc浸提火焰光度法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測(cè)定[19]。

1.3.3 土壤酶及微生物 土壤過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定；土壤蔗糖酶活性采用3-5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定; 脲酶活性采用苯酚鈉比色法測(cè)定[20]。

土壤微生物數(shù)量的測(cè)定采用稀釋涂布平板計(jì)數(shù)法。細(xì)菌數(shù)量采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基; 真菌數(shù)量采用馬丁-孟加拉紅瓊脂培養(yǎng)基; 放線(xiàn)菌數(shù)量采用高氏一號(hào)瓊脂培養(yǎng)基。接種后,用無(wú)菌涂布器均勻涂布,細(xì)菌培養(yǎng)皿于37℃恒溫培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng) 2～3 d后進(jìn)行計(jì)數(shù)，真菌培養(yǎng)皿于28℃恒溫培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)3～4 d進(jìn)行計(jì)數(shù)，放線(xiàn)菌培養(yǎng)皿于28℃恒溫培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)5～7 d后進(jìn)行計(jì)數(shù)并計(jì)算結(jié)果[20]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,用SPSS 25.0、Canoco 5軟件進(jìn)行分析處理,用Origin 2021進(jìn)行圖像繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯根層土壤酶活性特征

馬鈴薯土壤酶活性在0～20、20～40 cm和40～60 cm土層分布特征如表1～3所示。過(guò)氧化氫酶活性隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)(表1),0～20、20～40、40～60 cm土層過(guò)氧化氫酶活性平均值分別為5.42、5.26、4.21 ml·g-1，0～20 cm土層比40～60 cm土層高28.74%。在0～20 cm土層,T1土壤過(guò)氧化氫酶活性最高,為6.10 ml·g-1, T14最低,為4.73 ml·g-1,T1比T14高了28.96%,差異達(dá)顯著水平,T1與T2、T3無(wú)顯著性差異。在20～40 cm土層,T3土壤過(guò)氧化氫酶活性最高,為6.16 ml·g-1,T1最低,為4.43 ml·g-1。在40～60 cm土層,T6土壤過(guò)氧化氫酶活性最低,其他處理無(wú)顯著性差異。土壤過(guò)氧化氫含量平均值，T3最高，T5最低，T3比T5高25.83%。

表1 馬鈴薯根層土壤H2O2酶活性/(ml·g-1)Table 1 H2O2 enzyme activity in potato root layer

脲酶活性隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)(表2),0～20 cm土層脲酶活性平均值為0.89 mg·g-1·24h-1,20～40 cm土層為0.78 mg·g-1·24h-1,40～60 cm土層為0.33 mg·g-1·24h-1，0～20 cm土層比20～40、40～60 cm土層分別高14.10%、169.70%。在0～20 cm土層,T4土壤脲酶活性最高,為1.13 mg·g-1·24h-1,T13最低,為0.63 mg·g-1·24h-1,T1比T13高79.37%,T1和T13土壤脲酶具有顯著性差異。在20～40 cm土層,T14土壤脲酶活性最高,為1.40 mg·g-1·24h-1,T13最低,為0.52 ml·g-1。在40～60 cm土層,T6土壤脲酶活性最低,其他處理無(wú)顯著性差異。在0～60 cm土層，T14脲酶活性最高，比T13高89.90%。

表2 馬鈴薯根層土壤脲酶活性/(mg·g-1·24h-1)Table 2 Urease activity in potato root layer

蔗糖酶活性隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)(表3),0～20 cm土層脲酶活性平均值為5.61 mg·g-1·24h-1,20～40 cm土層為6.86 mg·g-1·24h-1,40～60 cm土層為4.30 mg·g-1·24h-1，0～20、20～40 cm土層比40～60 cm土層分別高30.47%、59.53%。在0～20 cm土層,T10土壤蔗糖酶活性最高,為12.40 mg·g-1·24h-1,其次為T(mén)4,T7最低,為3.51 mg·g-1·24h-1,T10比T7高253.28%,T10和T7具有顯著性差異。在20～40 cm土層,T4土壤蔗糖酶活性最高(12.26 mg·g-1·24h-1),其次為T(mén)2、T7、T10,T15和T11含量較低,與T2、T7和T10具有顯著性差異。在40～60 cm土層,T2土壤蔗糖酶活性最高,為7.15 mg·g-1·24h-1,其次為T(mén)6、T4,T14最低,為1.33 mg·g-1·24h-1。在0～60 cm土層中，T10蔗糖酶活性最高，比T11高218.30%。

表3 馬鈴薯根層土壤蔗糖酶活性/(mg·g-1·24h-1)Table 3 Invertase activity in potato root layer

2.2 馬鈴薯根層土壤微生物數(shù)量特征

由圖1可知, 0～20 cm和20～40 cm土層土壤中細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量具有差異性。隨著土壤深度的增加土壤細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),0～20 cm土層土壤中細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌的數(shù)量分別為107.23×104cfu·g-1、23.48×102cfu·g-1、6.31×104cfu·g-1,20～40 cm土層分別為49.02×104cfu·g-1、11.69×102cfu·g-1、3.80×104cfu·g-1,土壤中細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌的數(shù)量0～20 cm土層比20～40 cm土層分別高29.89%、100.85%、66.05%。由表4可知,在土壤細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌中,土壤細(xì)菌的數(shù)量占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量相對(duì)較少，細(xì)菌數(shù)量占微生物總數(shù)的83.11%～97.28% ,其次是放線(xiàn)菌,占微生物總量的2.49%以上,真菌在三類(lèi)微生物中占比最少,占比為0.13%～0.44%。微生物總數(shù)最多的是T11,其次是T6,最少的為T(mén)14。

表4 馬鈴薯根層0～40 cm土層土壤微生物數(shù)量Table 4 Number of soil microorganisms in potato root layer 0～40 cm soil

由圖1(A)可知,在0～20 cm土層,T11、T4、T5土壤中細(xì)菌數(shù)量平均值較大,分別為150.33×104cfu·g-1、143.67×104cfu·g-1、142.67×104cfu·g-1。在20～40 cm土層,T10土壤中細(xì)菌數(shù)量平均值最大,為76.67×104cfu·g-1。在0～40 cm土層,T11土壤中細(xì)菌數(shù)量最多,在三類(lèi)微生物數(shù)量中占比94.70%，其次為T(mén)6,T16土壤中細(xì)菌數(shù)量最少,T16與T11有顯著性差異,T11比T16高172.83%。

由圖1(B)可知,在0～20 cm土層,T11、T9、T16土壤中真菌數(shù)量較大,分別為44.67×102、40.00×102、36.00×102cfu·g-1,T7、T8較小,與T11、T9、T16具有顯著性差異。在20～40 cm土層,T9土壤中真菌數(shù)量最大,為18.00×102cfu·g-1,與其他處理有顯著性差異。在0～40 cm土層,T9 、T11土壤中真菌數(shù)量較多,為29.00×102cfu·g-1和27.00×102cfu·g-1, 占比分別為0.44%、0.24%，T8最少,T9 、T11比T8高167.77%、140.07%。

由圖1(C)可知,在0～20 cm土層,T4、T16土壤中土壤放線(xiàn)菌數(shù)量較大,分別為11.73×104cfu·g-1、12.67×104cfu·g-1,其次為T(mén)9、T8,T1土壤中放線(xiàn)菌數(shù)量較小,為3.00×104cfu·g-1。在20～40 cm土層,T9土壤中真菌數(shù)量最大,為9.30×102cfu·g-1,T2、T3、T7較小,與其他處理有顯著性差異。在0～40 cm土層,T9土壤中放線(xiàn)菌數(shù)量最多,為19.13×104cfu·g-1，占比為14.42%，T1、T3、T5、T7較少,與其他處理有顯著性差異。

圖1 馬鈴薯根層土壤微生物數(shù)量Fig.1 Number of microorganisms of soil in potato root layer

2.3 馬鈴薯根層土壤因子分布特征

2.3.1 土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率 不同品種馬鈴薯根層土壤水分分布規(guī)律如圖2所示。隨著土壤深度的增加,土壤含水量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在0～20 cm土層土壤含水量呈遞增趨勢(shì),20～40 cm土層土壤含水量普遍較高,40～60 cm土層出現(xiàn)下降趨勢(shì)。T7處理30～40 cm土層含水量最大,為9.48%,T4處理50～60 cm土層含水量最小,為2.16%。

圖2 馬鈴薯根層土壤含水量Fig.2 Soil water content in potato root layer

T13土壤含水量平均值最高,其次是T7、T13,T4土壤含水量平均值最低。馬鈴薯土壤含水量平均值在0～20 cm土層為5.46%,20～40 cm土層為7.01%,在40～60 cm土層為5.93%,20～40 cm土層比0～20 cm土層高28.39%,20～40 cm土層比40～60 cm土層高18.21%。

不同品種馬鈴薯根層pH值分布規(guī)律如表5所示。隨土層深度的增加土壤pH值呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì),0～20 cm土層pH值最高,比20～40 cm土層高2.02%,比40～60 cm土層高0.12%。在0～60 cm土層,16個(gè)馬鈴薯品種土壤pH值在8.30～8.79范圍內(nèi),T9土壤pH最高,為8.79,其次是T10、T8,T11土壤pH值相對(duì)較低。

表5 馬鈴薯根層土壤pH值特征Table 5 Characteristics of soil pH value in potato root layer

不同品種馬鈴薯根層土壤電導(dǎo)率分布規(guī)律如表6所示。隨土層深度的增加土壤電導(dǎo)率值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì), 20～40 cm土層電導(dǎo)率比0～20、40～60 cm土層電導(dǎo)率分別高45.21%、40.48%。T2土壤電導(dǎo)率的平均值最高,T9最低,T2比T9高93.03%。

表6 馬鈴薯根層土壤電導(dǎo)率/(μS·cm-1)Table 6 Soil conductivity in potato root layer

2.3.2 土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量 由圖3A可知, T2在0～60 cm土層堿解氮累積值最高,為90.43 mg·kg-1,T3次之,為82.83 mg·kg-1,T9最低,為49.41 mg·kg-1,T2比 T9高83.02%。土壤堿解氮含量隨土壤深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),土壤堿解氮主要積累于土壤0～40 cm土層,在40～60 cm土層出現(xiàn)最低值。0～20 cm土層堿解氮含量平均值為25.35 mg·kg-1,20～40 cm土層堿解氮含量平均值為25.24 mg·kg-1,40～60 cm土層堿解氮含量平均值為16.68 mg·kg-1,0～20 cm土層比20～40 cm土層堿解氮含量高0.43%,0～20 cm土層比40～60 cm土層堿解氮含量高51.98%。

由圖3B可知，馬鈴薯根層土壤有效磷含量隨土層深度增加而下降,0～20 cm土層有效磷含量平均值為28.85 mg·kg-1,比20～40 cm土層高50.97%,比40～60 cm土層高117.74%。T12土層有效磷含量累積值最高,其次是T14,T4、T5、T6、T7和T11累積含量較低。

由圖3C可知，在0～20 cm土層中，T16速效鉀含量平均值最高，為263.30 mg·kg-1,T4最低，為138.30 mg·kg-1,T16比T4高了90.38%。在20～40 cm土層中，T16速效鉀含量平均值最高，為152.40 mg·kg-1,T4土層速效鉀含量平均值最低,T16比T4高了68.77%。在40～60 cm土層中，T1、T15速效鉀含量平均值較高，T4土層速效鉀含量平均值最低。土壤速效鉀含量隨土壤深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),0～20 cm土層速效鉀含量平均值為178.93 mg·kg-1,比20～40 cm和40～60 cm土層分別高35.93%和126.15%。在0～60 cm土層中，T16土壤速效鉀含量累積值最高,為490.80 mg·kg-1, T4土壤速效鉀含量累積值最低,為287.50 mg·kg-1, T16比T4高70.71%。

由圖3D可知，馬鈴薯根層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量平均值為5.05 g·kg-1,20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量平均值為4.42 g·kg-1,40～60 cm土層有機(jī)質(zhì)含量平均值為2.35 g·kg-1,0～20 cm土層比20～40、 40～60 cm土層分別高14.51%、114.89%,有機(jī)質(zhì)主要集中分布在0～40 cm土層。從不同品種馬鈴薯來(lái)看,T9在0～60 cm土層有機(jī)質(zhì)含量累積值最高,為16.30 g·kg-1，T13最低，T9比T13高90.87%。

圖3 馬鈴薯根層土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量Fig.3 Contents of alkali hydrolyzable nitrogen, available phosphorus, available potassium and organic matter in potato root layer soil

2.4 不同品種馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)差異

不同品種馬鈴薯塊莖的產(chǎn)量和品質(zhì)差異如圖4所示。不同品種馬鈴薯的產(chǎn)量具有差異性,T5產(chǎn)量最高,為77.97 t·hm-2,其次是T11。T5產(chǎn)量比T1高333.16%,比T2、T3、 T4、 T6、 T7、T8、 T9、 T10、 T11、 T12、T13、T14、T15、T16分別高183.42%、264.68%、43.91%、11.85%、141.92%、38.05%、200.86%、70.05%、8.53%、183.42%、139.76%、95.22%、61.63%、123.54%。T1和T3產(chǎn)量較低,與其他處理有顯著性差異。T11蛋白質(zhì)含量最高,為1.36 g·100g-1，其次是T 2 、T 8 、T 9、 T15,分別為1.29、1.27、1.19、1.15 g·100g-1,T13最低,T11比 T13高277.78%。T11淀粉含量最高,為13.35%,其他馬鈴薯品種塊莖淀粉含量在7.82%～10.14%,T11與其他品種具有顯著性差異。T4 、T8、T13可溶性總糖含量較高,與其他品種有顯著性差異,其中T13最高，其次為T(mén)4、T8, T13比T2高477.78%。T15維生素C含量最高,為11.54 mg·100g-1，其次是T11、T2,T4、T9含量較低, T4、T9與其他品種有顯著性差異。不同品種馬鈴薯塊莖褐變強(qiáng)度具有差異性,T1褐變強(qiáng)度最大,其次為T(mén)11,T12、T13、T16較小,T1比T11高47.35%,比T16高347.12%。

圖4 馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和品質(zhì)Fig.4 Potato tuber yield and quality

2.5 馬鈴薯根層土壤養(yǎng)分與土壤酶活性、微生物的關(guān)系

2.5.1 土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤因子相關(guān)性分析 由表7可知，馬鈴薯根層土壤過(guò)氧化氫酶與土壤電導(dǎo)率、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、脲酶、細(xì)菌、真菌之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與土壤含水量、蔗糖酶、放線(xiàn)菌呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤脲酶與土壤電導(dǎo)率、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、蔗糖酶、細(xì)菌、真菌之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤蔗糖酶與土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤細(xì)菌與土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、真菌、放線(xiàn)菌之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤真菌與土壤有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、放線(xiàn)菌之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤放線(xiàn)菌與土壤有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。馬鈴薯塊莖淀粉含量與蔗糖酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)?？扇苄钥偺呛颗c放線(xiàn)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。褐變強(qiáng)度與pH值、細(xì)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與土壤含水量、放線(xiàn)菌數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與蔗糖酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。塊莖產(chǎn)量與細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與含水量、電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

2.5.2 馬鈴薯根層土壤因子與土壤酶活性、微生物數(shù)量冗余分析 不同品種馬鈴薯土壤酶活性與土壤因子冗余分析結(jié)果(圖5、表8、表9)表明,RDA排序的前兩軸保留了土壤酶數(shù)據(jù)總方差的23.39%,共解釋了土壤酶活性與土壤因子關(guān)系總方差的99.73%,堿解氮的貢獻(xiàn)率最高,為55.0%,其次為有機(jī)質(zhì)。土壤因子對(duì)土壤酶活性的影響大小為：堿解氮>有機(jī)質(zhì)>有效磷>pH值>速效鉀>含水量>電導(dǎo)率,土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)對(duì)過(guò)氧化氫酶、脲酶影響較大,土壤電導(dǎo)率對(duì)土壤蔗糖酶影響較大,pH值與3種酶活性均呈負(fù)相關(guān)。土壤中堿解氮和有機(jī)質(zhì)是土壤過(guò)氧化氫酶和脲酶活性變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

注：SW-土壤含水量,SC-土壤電導(dǎo)率,AHN-土壤堿解氮,AP-土壤有效磷,AK-土壤速效鉀,OM-土壤有機(jī)質(zhì)，CA-土壤過(guò)氧化氫酶，UA-脲酶，IA-蔗糖酶。下同。Note:SW-soil water content, SC-soil conductivity, AHN-soil alkali hydrolyzable nitrogen, AP-soil available phosphorus, AK-soil available potassium, OM-soil organic matter, CA-soil H2O2 enzyme, UA-urease， IA-invertase. The same below.圖5 馬鈴薯根層土壤酶活性與土壤因子RDA排序Fig.5 Ranking of soil enzyme activity and soil factor RDA

表8 馬鈴薯根層土壤因子與土壤酶RDA分析結(jié)果Table 8 RDA analysis results of soil factors and soil enzymes

表9 馬鈴薯根層土壤酶相關(guān)土壤因子RDA結(jié)果Table 9 RDA results of soil enzyme related soil factors

不同品種馬鈴薯土壤微生物數(shù)量與土壤因子冗余分析結(jié)果(圖6、表10、表11)表明,RDA排序的前兩軸保留了土壤微生物數(shù)據(jù)總方差的36.6%,共解釋了土壤微生物數(shù)量與土壤因子關(guān)系總方差的99.94%。有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)率最高,為75.1%。土壤細(xì)菌與土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷顯著相關(guān),土壤真菌和放線(xiàn)菌之間呈顯著相關(guān),土壤真菌、放線(xiàn)菌與速效鉀顯著相關(guān)。土壤中有機(jī)質(zhì)和有效磷是土壤細(xì)菌數(shù)量變化的主要驅(qū)動(dòng)因子,速效鉀是土壤真菌、放線(xiàn)菌數(shù)量變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

注：SB-土壤細(xì)菌, SF-土壤真菌, SA-土壤放線(xiàn)菌。Note: SB-soil bacteria, SF-soil fungi， SA-soil actinomycetes.圖6 馬鈴薯根層土壤微生物數(shù)量與土壤因子RDA排序Fig.6 The number of soil microorganisms in potato root layer and the ranking of soil factors by RDA

表10 馬鈴薯根層土壤因子與土壤微生物RDA分析結(jié)果Table 10 RDA analysis results of soil factors and soil microorganisms in potato root layer

表11 馬鈴薯根層土壤微生物相關(guān)土壤因子RDA結(jié)果Table 11 RDA results of soil microbial related factors in potato root layer

3 討 論

在沙質(zhì)土壤中,土壤養(yǎng)分利用效率低,土壤理化性質(zhì)、酶活性、微生物數(shù)量能夠在一定程度上反映土壤質(zhì)量狀況,從而可以更準(zhǔn)確地為農(nóng)田管理提供參考。 有研究表明,土壤酶主要來(lái)源于土壤微生物、植物和動(dòng)物,土壤酶是土壤質(zhì)量的生物活性指標(biāo), 可以用來(lái)評(píng)價(jià)土壤肥力[21]。土壤酶、土壤微生物作為評(píng)價(jià)土壤肥力的指標(biāo), 比單純通過(guò)土壤養(yǎng)分來(lái)評(píng)價(jià)土壤肥力更加全面和靈敏[22]。本研究表明,不同品種馬鈴薯土壤過(guò)氧化氫酶活性均隨土壤深度的增加呈降低的趨勢(shì),與孫慧等[23]的研究結(jié)果相似，土壤脲酶活性呈下降趨勢(shì),這與溫曉霞等[24]研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn),相比0～20 cm土層,在20～40 cm土層T2 、T3、 T4、 T5 、T8、 T12、 T13 、T14 、T16土壤蔗糖酶活性均出現(xiàn)不同程度升高，土壤蔗糖酶活性隨土壤深度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),這與溫曉霞等[24]的研究結(jié)果不同,這可能與不同品種馬鈴薯對(duì)土壤蔗糖酶的影響有關(guān)。土壤酶活性的高低,可以直接反映土壤中生物活性以及土壤化學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)化能力[25]。土壤中不同酶的活性與土壤的理化性質(zhì)顯著相關(guān),但影響土壤酶活性的主要土壤因子卻各不相同[26-27]。本研究發(fā)現(xiàn),土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶與土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)均極顯著相關(guān),土壤蔗糖酶與土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)極顯著相關(guān)。

土壤氮磷鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量、pH值等化學(xué)性狀是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),土壤微生物數(shù)量、酶活性和土壤理化指標(biāo)密切相關(guān),土壤微生物數(shù)量、酶活性對(duì)土壤氮磷鉀的循環(huán)有著重要作用。細(xì)菌是土壤微生物中數(shù)量最多的一個(gè)微生物類(lèi)群,參與有機(jī)質(zhì)的分解,氨化作用等[28]。真菌在土壤碳素和氮素循環(huán)過(guò)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[29]。放線(xiàn)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[14]。本研究表明,無(wú)論馬鈴薯品種是否有差異,土壤細(xì)菌數(shù)量在三類(lèi)微生物中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其次是放線(xiàn)菌,最后為真菌,這一結(jié)論與譚宏偉等[30]的研究結(jié)論相一致。不同品種馬鈴薯的三類(lèi)微生物之間有顯著性差異,這說(shuō)明不同品種馬鈴薯和土壤養(yǎng)分共同決定了土壤微生物數(shù)量的多少。馬鈴薯土壤細(xì)菌、真菌的數(shù)量與過(guò)氧化氫酶、脲酶活性呈極顯著相關(guān),與土壤有機(jī)質(zhì)有效磷、有效鉀呈極顯著相關(guān),說(shuō)明這些因素之間相互影響共同促進(jìn)了馬鈴薯的生長(zhǎng)[31]。馬鈴薯屬于喜鉀作物,生長(zhǎng)發(fā)育、塊莖中淀粉的積累以及光合產(chǎn)物的運(yùn)輸?shù)榷茧x不開(kāi)鉀。本研究發(fā)現(xiàn),馬鈴薯土壤速效鉀的含量與土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶、細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌均呈極顯著相關(guān),而榆林沙土區(qū)土壤中鉀含量不足,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,建議應(yīng)考慮土壤鉀素輸入與輸出之間的平衡。

本研究表明,馬鈴薯塊莖產(chǎn)量與土壤細(xì)菌呈極顯著正相關(guān),可溶性總糖與土壤放線(xiàn)菌呈顯著正相關(guān),即較高的土壤細(xì)菌、土壤放線(xiàn)菌有利于塊莖產(chǎn)量、可溶性總糖含量的提高,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可通過(guò)改變土壤細(xì)菌、放線(xiàn)菌的數(shù)量的方式來(lái)提高土壤養(yǎng)分,從而影響馬鈴薯塊莖品質(zhì)。本研究中,T11土壤細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌數(shù)量相對(duì)較多,產(chǎn)量、淀粉、蛋白質(zhì)、維生素含量也較高,是一個(gè)綜合指標(biāo)較好的馬鈴薯品種。馬鈴薯塊莖褐變強(qiáng)度與土壤細(xì)菌呈正相關(guān),其中的原因可能是土壤細(xì)菌增多,對(duì)土壤質(zhì)量影響較大,影響馬鈴薯塊莖的褐變強(qiáng)度,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)該綜合考慮土壤細(xì)菌豐度的范圍。馬鈴薯品質(zhì)和土壤微生物、酶的關(guān)系是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題,在以后的研究中,應(yīng)著重考慮馬鈴薯塊莖元素含量與土壤養(yǎng)分、土壤酶、土壤微生物之間的關(guān)系。

4 結(jié) 論

從酶活性和微生物數(shù)量的來(lái)看,在0～60 cm土層中,榆林沙土區(qū)馬鈴薯土壤過(guò)氧化氫酶和脲酶活性隨著土壤深度的增加均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),蔗糖酶活性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在0～40 cm土層中,土壤細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌數(shù)量隨著土壤深度的增加均呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),0～20 cm土層細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌數(shù)量比20～40 cm土層高了29.89%、100.85%、66.05%。土壤過(guò)氧化氫酶活性與土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量呈極顯著正相關(guān);土壤脲酶與土壤電導(dǎo)率、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；土壤蔗糖酶活性與土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；土壤細(xì)菌數(shù)量與土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、堿解氮含量呈極顯著正相關(guān),土壤真菌數(shù)量與速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷含量呈極顯著正相關(guān),放線(xiàn)菌數(shù)量與土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷含量呈極顯著正相關(guān)。榆林沙土區(qū)馬鈴薯根層土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量隨土層的加深呈下降趨勢(shì),0～20 cm土層堿解氮含量平均值為25.35 mg·kg-1,比20～40、40～60 cm土層含量高0.43%、51.98%。有效磷、速效鉀含量前三的品種分別為：T16>T12>T1、T15>T9>T14。不同品種馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤微生物之間存在相互關(guān)系，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量與土壤細(xì)菌呈極顯著正相關(guān),可溶性總糖與土壤放線(xiàn)菌呈顯著正相關(guān)。