香蕉不同生育期根際微生物生物量及土壤酶活的變化研究

孫建波，暢文軍，李文彬，張世清，李春強，彭明

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所/農(nóng)業(yè)部熱帶作物生物學(xué)與遺傳資源利用重點實驗室，海南 ?？?571101

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，在土壤有機質(zhì)的分解、土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán)等方面發(fā)揮重要作用（Jackson et al.，2012；Torres et al.，2014）。微生物生物量庫的變化會影響到土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的流動，因此是土壤肥力的重要影響因子（Yao et al.，2000；朱海平等，2003）。

土壤酶是土壤營養(yǎng)代謝的重要驅(qū)動力，酶活性能直接反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化強度、方向及土壤生化過程強度（Trasar et al.，2000；Zhao et al.，2009；張志丹等，2006；王理德等，2016）。脲酶能促進尿素水解為氨，為植物提供氮素營養(yǎng)。蔗糖酶能催化土壤中低聚糖水解為植物可利用的葡糖糖和果糖等單糖，參與土壤有機碳循環(huán)。磷酸酶能夠催化土壤中有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷，為植物提供有效磷素（Ros et al.，2006；Hosseini et al.，2017）。土壤微生物生物量和土壤酶對土壤肥力具有重要的作用（Gu et al.，2009；Li et al.，2009；Zhang et al.，2017）。關(guān)于作物不同生長期土壤微生物量及土壤酶活的研究，前人的結(jié)果不盡相同。曾路生等（2005）研究了水稻不同生長階段的土壤微生物量碳、微生物量氮及土壤酶活性的變化特征。結(jié)果表明，隨著水稻生育期的延長，土壤微生物量碳和氮的變化規(guī)律為先升后降，到成熟期又回升的變化規(guī)律。土壤脲酶活性表現(xiàn)為先升后降，在分蘗期達(dá)到最高值。而酸性磷酸酶活性表現(xiàn)為先降后升再降的變化規(guī)律。廖佳元等（2019）研究表明，在施用控釋氮肥條件下，油菜生長后期土壤微生物氮和土壤脲酶活性顯著提高。李茜等（2019）研究了寧夏葡萄不同生長期壤酶的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土壤脲酶、蔗糖酶活性隨生長期表現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢，而土壤磷酸酶的活性則為先升高后降低。

由此可見，土壤微生物生物量和土壤酶極易受到種植和耕作方式、施肥制度和土壤環(huán)境等的影響，近年來已成為評價不同農(nóng)業(yè)生態(tài)條件下土壤肥力的一個重要指標(biāo)。然而，有關(guān)熱帶地區(qū)作物根際土壤生物學(xué)特性的研究還不多見。

香蕉（Musaspp.）是熱帶地區(qū)重要的經(jīng)濟作物，在香蕉種植過程中，土壤肥力和質(zhì)量的下降會給香蕉產(chǎn)量和品質(zhì)帶來影響。本實驗通過對香蕉不同生育期根際土壤微生物生物量和土壤酶活性動態(tài)變化的研究，揭示土壤生物學(xué)特性的演變規(guī)律，為采取相應(yīng)的農(nóng)業(yè)措施來有效保持和改良土壤肥力和土壤質(zhì)量，保持土地的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2013年4—11月在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地塑料大棚內(nèi)（海南省?？谑校┻M行。該基地位于 20°05′N，110°10′E，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。試驗地土壤為熱帶紅壤土。0—20 cm土層有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 12.74 g·kg-1，堿解氮 98.18 mg·kg-1，速效磷 13.35 mg·kg-1，速效鉀 65.50 mg·kg-1，pH 值為5.93。

1.2 實驗設(shè)計和取樣

供試香蕉品種為巴西蕉（Musasp.Cavendish subgroup cv.Brazil）。試驗采用盆栽法，用普通復(fù)合肥（15% N，15% P2O5，15% K2O）作為基肥，在6葉期香蕉苗移栽前一次性施入耕作層（3月底）。在香蕉生長期視土壤含水量情況用葉面噴灑方法補充水分，采用 0.5%復(fù)合肥溶液葉面噴灑補充肥力。其他管理措施同常規(guī)大田生產(chǎn)。需采樣時在補充水分和肥力3個星期后進行，以減少人為因素對土壤性狀的影響。實驗共設(shè)置4個不同生長時期采樣處理，分別為（1）：種植前（4月下旬），（2）：壯苗期（7月底），（3）孕蕾期（9月底），（4）生長后期（11月底）。種植前采集0—20 cm耕層土樣。以不種植香蕉樣地為對照，土壤采樣時間和水肥管理同種植香蕉處理，每次采集0—20 cm耕層土樣。種植香蕉的處理采用抖落法收集根際土壤：每次采樣時，隨機采取4株長勢一致的植株，去掉根部外圍土壤，收集附著在根系的土壤，混勻為一次土壤樣品（李倩等，2017；鞏曉芳等，2017），重復(fù)3次。將采集的土壤樣品過2 mm篩，存放于4 ℃用于測定根際土壤微生物量碳、氮和土壤酶活性。

1.3 根際土壤微生物生物量和酶活的測定

根際土壤生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法（Vance et al.，1987；賈淑霞等，2009）。土壤微生物生物量碳和氮值均以熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中全碳、全氮含量的差值乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)得到，其中微生物生物量碳系數(shù)為0.45，生物量氮系數(shù)為0.54（Joergensen et al.，2005）。

土壤酶采用比色法測定（關(guān)松蔭，1986）。其中土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，以 1 g土樣在37 ℃條件下，經(jīng)過24 h反應(yīng)后生成的NH4+-N的質(zhì)量（mg·g-1·24 h-1）表示脲酶活性。土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定，以1 g土樣37 ℃條件下培養(yǎng) 24 h后產(chǎn)生的葡萄糖質(zhì)量（mg·g-1·24 h-1）表示活性。土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測定，以1 g土樣37 ℃條件下培養(yǎng)24 h后釋放出的酚的質(zhì)量（mg·g-1·24 h-1）表示活性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Excel 2003和SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。采用單因素方法分析（One way ANOVA）檢驗組間差異，LSD法進行多重比較；Pearson相關(guān)系數(shù)分析根際土壤生物量以及酶活之間的相關(guān)關(guān)系。所有數(shù)據(jù)重復(fù)3次。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同生長期微生物生物量的變化

從圖1可知，MBC和MBN值隨生育期的延長呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，于孕蕾期（9月）達(dá)到最高，分別為 271.64 mg·kg-1和 63.09 mg·kg-1，此階段是香蕉生長速度最快和營養(yǎng)生長最旺盛的時期。孕蕾期 MBC值顯著高于壯苗期和生長后期（P<0.05），而孕蕾期MBN值與壯苗期和生長后期無顯著差異。9月之后香蕉進入生長后期階段，此后MBC與MBN值呈現(xiàn)下降趨勢。相比之下，對照中MBC和MBN從種植至生長后期一直呈增加趨勢，但明顯低于相應(yīng)的處理，且壯苗期（7月）顯著低于孕蕾期（9月）和生長后期（11月底）。對照中微生物生物量碳和氮在孕蕾期和生長后期無顯著差別。

圖1 香蕉不同生長期根際土壤微生物生物量碳（a）和生物量氮（b）的變化Figure 1 Variation of rhizosphere soil microbial biomass at different growth stages of banana

2.2 不同生長期土壤酶活性的變化

香蕉不同生長期土壤酶活性的變化如表 1所示。土壤脲酶活性從種植到生長后期呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最大值出現(xiàn)在孕蕾期，為 2.38 mg·g-1·24 h-1。與處理不同，對照中脲酶隨生育期的延長呈一直增加趨勢，從壯苗期到生長后期，對照活性一直低于處理。與脲酶變化趨勢不同的是，蔗糖酶活性隨著生育期的延長呈一直上升趨勢，與對照的變化趨勢一致。與處理相比，對照活性一直低于處理。統(tǒng)計分析表明，土壤脲酶和蔗糖酶活性都從種植開始顯著高于種植前。土壤酸性磷酸酶的活性從種植至孕蕾期一直降低，最低值出現(xiàn)在孕蕾期，為 0.54 mg·g-1·24 h-1，然后又呈上升趨勢。然而對照中酸性磷酸酶活性呈一直降低趨勢。酸性磷酸酶是一種誘導(dǎo)酶，當(dāng)土壤P素不足時可誘導(dǎo)酶活的增強。所以生長后期酸性磷酸酶活性的增強預(yù)示此時期土壤中P素含量減少。

表1 不同生長期土壤酶活性的變化Table 1 Variation of rhizosphere soilenzyme activities at different growth stages of banana

結(jié)果表明，在特定的香蕉生育期，根際土壤微生物生物量、土壤脲酶和酸性磷酸酶活性呈現(xiàn)出與對照不一樣的變化趨勢，尤其是孕蕾期微生物生物量碳（MBC）顯著高于壯苗期和生長后期，能比較敏感地反映出土壤生物學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。

2.3 不同生長期土壤各測量性狀之間的相關(guān)性分析

為了進一步了解香蕉不同生長期土壤性狀之間的相互關(guān)系，對土壤各測量性狀變量進行了相關(guān)性分析（表2）。結(jié)果表明，MBC分別與MBN、土壤脲酶和蔗糖酶呈顯著正相關(guān)。

表2 根際土壤微生物生物量與酶活性之間的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlations between soil microbial biomass and enzyme activities

3 討論

土壤微生物生物量受土壤水分、溫度等因素的影響。海南地處熱帶北緣地區(qū)，從香蕉定植到9月這段時間，溫度逐漸升高，雨量也逐漸充沛，高溫多雨的環(huán)境有利于微生物大量生長和繁殖。邱梅等（2014）在不同季節(jié)蘋果園土壤的研究中也表明夏季微生物生物量大于秋季和春季。唐海明等（2015）研究結(jié)果也表明，施肥條件下，大麥土壤微生物生物量碳、氮隨著生育期的延長而增加，最大值出現(xiàn)在齊穗期然后又呈下降趨勢。本研究中的結(jié)果與其一致。

土壤微生物生物量是土壤有效養(yǎng)分的重要來源。是衡量農(nóng)田土壤質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展的重要生物學(xué)指標(biāo)。本實驗結(jié)果表明，微生物生物量碳和氮的變化趨勢相同，這說明這段時期內(nèi)土壤中碳素和氮素的變化趨勢是一致的。從定植后至9月，香蕉微生物生物量碳和氮呈逐漸上升趨勢。這一時期處于苗期生長階段，蕉苗較小，而前期施入的肥料除了滿足蕉苗生長外，還為土壤微生物的生長繁殖提供了大量養(yǎng)分，因此微生物生物量呈現(xiàn)增加趨勢。9月后香蕉進入旺盛生長期，香蕉的生長需要大量養(yǎng)分，因此加劇了和微生物對養(yǎng)分需求的競爭，這在一定程度上抑制了根際土壤微生物的生長，導(dǎo)致微生物生物量碳和氮的下降。

根際土壤酶的活性隨季節(jié)的變化而不同。海南夏季雨熱充足，土壤微生物活躍，本研究中香蕉處于孕蕾期，根系分泌的營養(yǎng)物質(zhì)較多。這些都促進了土壤酶活性的提高。裴丙等（2018）研究表明，側(cè)柏人工林土壤脲酶的活性在夏季達(dá)到最高，在秋季又降低。這與本研究中脲酶的活性變化一致。研究表明，土壤微生物和土壤酶活性關(guān)系密切，微生物生物量的變化會導(dǎo)致酶活的變化（Acosta-Martínez et al.，2010）。本研究中，脲酶活性從種植到孕蕾期都呈上升趨勢，然后又緩慢下降。這與根際土壤微生物生物量的變化趨勢一致，說明脲酶與土壤微生物的關(guān)系密切。

馬曉霞等（2012）對玉米土壤酶活性研究表明，土壤蔗糖酶、脲酶都隨玉米生育期的延長而逐漸升高，在玉米抽雄期達(dá)到活性高峰。這種變化趨勢與本研究結(jié)果一致。磷酸酶活性呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。磷酸酶是一種誘導(dǎo)酶，當(dāng)土壤磷素虧缺時磷酸酶活性會增強。香蕉生長前期植株需肥較少，然而前期肥料的施入使得土壤中磷素較為充足，所以磷酸酶活性減少，到了香蕉生長后期，香蕉的旺盛生長消耗掉大量的土壤養(yǎng)分，土壤磷素變得不足所以誘導(dǎo)了土壤磷酸酶活性的增強。然而蘭宇等（2011）在玉米土壤上的研究表明酸性磷酸酶活性隨生育期的延長一直增加，在玉米大喇叭口期達(dá)到最高。不同的土壤酶其季節(jié)活性動態(tài)存在差異。產(chǎn)生這種差異的原因有土壤性質(zhì)、水熱條件、植被組成以及土壤微生物種類等多種因素（唐玉姝等，2008；李茜等，2019；王麗君等，2021）。

與對照相比，各處理的根際土壤微生物生物量、土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性都高于對照。造成這種結(jié)果的原因可能是植物旺盛生長造成的根系分泌物也隨之增多，因此向土壤中輸送的大量營養(yǎng)物質(zhì)造成微生物大量繁殖，導(dǎo)致土壤微生物生物量和酶活高于對照（孫鵬躍等，2016；裴丙等，2018）。

MBC與MBN都與微生物密切相關(guān)，它們以一定比例組成了微生物，所以本研究中MBC與MBN呈顯著正相關(guān)。本研究結(jié)果表明，香蕉根際土壤微生物生物量和土壤酶之間存在著密切的相互作用。微生物生物量與脲酶和蔗糖酶都呈顯著正相關(guān)，表明土壤中氮素和碳素的轉(zhuǎn)化為微生物的生長繁殖提供必需的養(yǎng)分，因此相關(guān)性顯著。作為土壤養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化的重要參與者，土壤酶活之間也存在一定的相關(guān)性，本研究結(jié)果表明，脲酶和蔗糖酶之間存在顯著性相關(guān)，這說明土壤中氮素和碳素的轉(zhuǎn)化關(guān)系密切且相互影響。脲酶和蔗糖酶均與酸性磷酸酶呈負(fù)相關(guān)，說明土壤中氮素和碳素的轉(zhuǎn)化與P素轉(zhuǎn)化之間存在一定的拮抗作用。

根系分泌物含有較高濃度的糖類、氨基酸和維生素等物質(zhì)，為根際微生物的生存提供了所需的營養(yǎng)和能源物質(zhì)（Rumberger et al.，2004；Orlando et al.，2007）。另外，根系和微生物的分泌物又是土壤酶的重要來源，因此，在本研究中，在種植了香蕉的處理中根際土壤微生物量和酶活比空白對照明顯提高。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在香蕉生長后期，以根際土壤微生物生物量、脲酶和酸性磷酸活性為指示劑的土壤肥力呈現(xiàn)下降趨勢，因此生產(chǎn)上應(yīng)采取措施加強土壤微生物、N素和P素肥力的管理，有針對性地采取措施，消除或者減輕由于土壤肥力下降所帶來的生產(chǎn)上的損失。