土壤添加西蘭花殘體對棉花根際土壤酶活性的影響及其與碳代謝特征的關(guān)系

趙衛(wèi)松，郭慶港，李社增，鹿秀云，勾建軍，馬平

土壤添加西蘭花殘體對棉花根際土壤酶活性的影響及其與碳代謝特征的關(guān)系

趙衛(wèi)松1，郭慶港1，李社增1，鹿秀云1，勾建軍2，馬平

1河北省農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)研究所/河北省農(nóng)業(yè)有害生物綜合防治工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北北部作物有害生物綜合治理重點實驗室，河北保定 071000；2河北省植保植檢總站，石家莊 050031

【目的】研究土壤添加西蘭花殘體（broccoli residues，BR）對棉花根際土壤酶活性的影響及其與根際土壤微生物碳源利用能力之間的關(guān)系，為揭示土壤添加西蘭花殘體對棉花防病、促生的生態(tài)機(jī)制提供理論依據(jù)?！痉椒ā吭O(shè)置棉田土壤添加西蘭花殘體和未添加西蘭花殘體（CK）兩個處理，以不同處理的棉花根際土壤為研究對象，測定土壤過氧化物酶、中性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、幾丁質(zhì)酶、脲酶、-葡萄糖苷酶和N-乙酰--D-葡萄糖苷酶活性；利用Biolog-ECO平板研究不同處理的Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)、McIntosh指數(shù)及豐富度指數(shù)，揭示微生物群落結(jié)構(gòu)的功能多樣性；采用主成分分析比較不同處理的根際土壤微生物代謝活性特征，冗余分析土壤酶活性與不同類型碳源利用能力之間的相關(guān)性?！窘Y(jié)果】與空白對照相比，BR處理的棉花株高、果枝數(shù)和結(jié)鈴數(shù)顯著增加，增幅分別為12.73%、16.95%和10.36%；棉花黃萎病病情指數(shù)顯著降低，達(dá)64.19%。BR處理顯著提高了棉花根際土壤pH、硝態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)含量。BR處理對根際土壤微生物功能多樣性指數(shù)不存在顯著影響，但改變了根際土壤微生物的代謝活性。同時，BR處理顯著提高了不同營養(yǎng)元素循環(huán)相關(guān)酶活性，其中在碳循環(huán)方面，過氧化物酶和-葡萄糖苷酶的活性分別為對照的2.70和1.95倍；在氮循環(huán)方面，脲酶、幾丁質(zhì)酶和N-乙酰--D-葡萄糖苷酶的活性分別為對照的1.42、1.59和1.52倍；在磷循環(huán)方面，中性磷酸酶的活性為對照的1.33倍；在硫循環(huán)方面，芳基硫酸酯酶的活性為對照的1.22倍。冗余分析表明，BR處理的土壤酶活性與L-苯基丙氨酸、L-蘇氨酸、肝糖、2-羥基苯甲酸、衣康酸和D-蘋果酸的利用能力均存在正相關(guān)性?！窘Y(jié)論】土壤添加西蘭花殘體顯著提高了營養(yǎng)元素循環(huán)相關(guān)酶的活性，改變了棉花根際土壤微生物的碳代謝活性，并提高了根際土壤pH、硝態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)含量。同時，土壤酶活性與微生物碳代謝特征存在不同程度的相關(guān)性。

西蘭花殘體；棉花；營養(yǎng)循環(huán)；土壤酶；根際微生物；Biolog-ECO；碳代謝特征

0 引言

【研究意義】棉花（spp.）是世界上重要的天然纖維作物和戰(zhàn)略物資，我國是重要的棉花生產(chǎn)國和原棉消費國。因此，保證其高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)對于國計民生和經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定至關(guān)重要。棉花黃萎病是棉花生產(chǎn)中最為嚴(yán)重的病害，是導(dǎo)致棉花減產(chǎn)和纖維品質(zhì)下降的原因之一，已成為限制我國棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸[1-2]。本團(tuán)隊前期研究發(fā)現(xiàn)，土壤添加西蘭花殘體（broccoli residues，BR）不僅能夠有效降低大麗輪枝菌（）數(shù)量并延緩病原菌的侵染過程[3-4]，而且能夠改善土壤微生物群落組成結(jié)構(gòu)和功能，最終有效減少棉花黃萎病的發(fā)生[5-6]。土壤微生物及土壤酶是根際生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它們共同參與土壤中重要的生物化學(xué)過程[7-8]。因此，研究添加西蘭花殘體對棉花根際土壤酶活性的影響及其與根際微生物代謝特征關(guān)系，對于揭示土壤添加西蘭花殘體對棉花防病、促生的生態(tài)機(jī)制具有重要科學(xué)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】作物秸稈或殘體還田不僅能夠有效解決秸稈焚燒、亂放腐爛等環(huán)境問題，而且能夠改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，顯著提高作物產(chǎn)量[9-10]。土壤酶和土壤微生物是土壤中活躍的有機(jī)組分，是反映土壤生物學(xué)性質(zhì)的兩個重要指標(biāo)[11]。土壤酶主要由植株凋落物、植物根系和微生物產(chǎn)生，對土壤物質(zhì)循環(huán)和能量代謝起著重要的作用[12]。添加小麥、燕麥及其混合殘茬能提高土壤酶活性，改善土壤微生物環(huán)境，促進(jìn)黃瓜生長[13]。添加玉米秸稈可顯著提高土壤有機(jī)碳含量，促進(jìn)微生物數(shù)量增加和土壤酶活性增強(qiáng)[10]。秸稈還田時，可以增加土壤氮和碳的供應(yīng)，從而增加脲酶和蔗糖酶活性[14]。西蘭花（var.）在河北省種植面積占我國西蘭花總種植面積的1/4，是河北省蔬菜行業(yè)重要的經(jīng)濟(jì)來源。然而西蘭花種植、加工、銷售過程中，產(chǎn)生大量的廢棄物（莖葉產(chǎn)量可占整個植株的50%—70%），對環(huán)境和西蘭花產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展產(chǎn)生不良影響。已有研究表明，土壤添加西蘭花殘體能夠降低茄子、花椰菜、棉花和馬鈴薯黃萎病的發(fā)生，其防病機(jī)理主要是通過向環(huán)境中釋放具有抑菌功能的次生代謝物質(zhì)，改變土壤微生物多樣性，降低土壤病原菌或微菌核數(shù)量，增加土壤中有益微生物菌群豐度[15-19]?！颈狙芯壳腥朦c】在前期明確土壤添加西蘭花殘體能夠有效降低棉花黃萎病的基礎(chǔ)上，關(guān)于添加西蘭花殘體對棉花根際土壤酶活性及微生物代謝特征的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以添加西蘭花殘體處理的棉花根際土壤為研究對象，通過探究添加西蘭花殘體對營養(yǎng)元素循環(huán)相關(guān)土壤酶和根際微生物代謝特征的影響，明確兩者之間的關(guān)系，為揭示土壤添加西蘭花殘體對棉花防病、促生的生態(tài)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試西蘭花品種‘炎秀’，購自北京鳳鳴雅世種業(yè)有限公司；供試棉花品種‘冀棉11’，由河北省農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計與根際土壤樣品的采集

2020—2021年在河北省邯鄲市曲周縣銀絮棉花種植專業(yè)合作社，選擇連作棉田開展試驗。試驗區(qū)域概況同文獻(xiàn)[20]。試驗設(shè)計參考趙衛(wèi)松等[4]方法進(jìn)行，具體如下：將供試西蘭花種子在溫室育苗，待長至2葉1心時，2020年8月初進(jìn)行移栽，行距70 cm，株距35 cm，種植密度約為40 800株/hm2；10月中旬收獲西蘭花可食用部分后，將剩余的新鮮植物組織經(jīng)粉碎機(jī)粉碎、旋耕機(jī)深翻25—30 cm（土壤添加西蘭花殘體量約為57 000 kg·hm-2，折合成質(zhì)量百分比約為2.5%），作為西蘭花處理區(qū)；未種植且未添加西蘭花殘體的相鄰地塊作為空白對照區(qū)。每個處理區(qū)面積為2 667 m2。次年的4月25日在不同處理區(qū)域播種棉花，行距75 cm，株距35 cm。在棉花生長期間，按照當(dāng)?shù)厣a(chǎn)技術(shù)進(jìn)行肥水和蟲草害管理。采集土壤按照W形進(jìn)行，在吐絮期采集不同處理根際土壤樣品，每個處理選擇3個取樣點，每取樣點選擇5株棉花植株采集根際土壤混合而成。詳細(xì)方法如下：用取樣鏟將棉株整個根系完整挖出，輕敲根系，棄去與根系結(jié)合較松的土壤，將與根系緊密結(jié)合的土壤用毛刷清理并收集，即為根際土壤[20]。土壤樣品裝入低溫保溫箱中帶回實驗室，過2 mm篩后分為2份，1份保存于4 ℃冰箱用于根土壤微生物代謝特征分析，1份于室溫風(fēng)干后用于土壤養(yǎng)分和土壤酶活性測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤添加西蘭花殘體對棉花植株生長的影響 按照Zhao等[19]方法對棉花植株株高、地徑、植株鮮重、植株干重、地下鮮重、地下干重進(jìn)行測定，在結(jié)鈴期對果枝數(shù)和結(jié)鈴數(shù)進(jìn)行調(diào)查，在霜降前人工收獲霜前花進(jìn)行測產(chǎn)，系統(tǒng)研究土壤添加西蘭花殘體對棉花植株生長的影響。

1.3.2 黃萎病發(fā)生調(diào)查 按照李社增等[21]分級標(biāo)準(zhǔn)在棉花吐絮期調(diào)查不同處理的黃萎病發(fā)病情況，調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)如下，0級：棉株健康，無病葉，生長正常；1級：棉株1/4以下葉片發(fā)病，變黃萎蔫；2級：棉株1/4以上，1/2以下葉片發(fā)病，變黃萎蔫；3級：棉株1/2以上，3/4以下葉片發(fā)病，變黃萎蔫；4級：棉株3/4以上葉片發(fā)病，或葉片全部脫落，棉株枯死。按照如下公式計算病情指數(shù)（disease index，DI）。病情指數(shù)=∑[（相應(yīng)病級×各級病株數(shù)）/（最高病級×總株數(shù)）]×100。

1.3.3 根際土壤微生物代謝特征分析 為了探究添加西蘭花殘體對根際土壤微生物代謝特征的影響，利用Biolog-ECO方法比較不同處理樣品的土壤微生物對不同類型碳源的利用能力[22]。具體操作步驟：首先將過篩4 ℃保存的土壤樣品25 ℃活化24 h，分別取3 g樣品加入27 mL無菌NaCl溶液（0.85 mol·L-1）中，180 r/min振蕩培養(yǎng)45 min，用無菌水稀釋至1﹕1 000，將制備的接種液轉(zhuǎn)移至儲液槽中。然后，向ECO板孔中加入150 μL的接種液，對照孔加入相同體積的無菌水。將微孔板置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱，在培養(yǎng)的0、1、2、3、4、5、6和7 d使用ELxS08-Biolog微孔板讀數(shù)儀（Bio-Tek Instruments Inc，USA）測定樣品在590 nm（顏色+濁度）和750 nm（濁度）的吸收值。試驗重復(fù)3次。采用培養(yǎng)7 d計算下列參數(shù)，對不同處理根際土壤微生物代謝特征進(jìn)行分析，公式如下：

（1）平均顏色變化率（average well color development，AWCD），用來評價土壤微生物對碳源利用總能力。微生物代謝活性采用OD590-OD750表示，若數(shù)值＜0.06則按0處理。

式中，Ci表示每孔的OD590-OD750的值；K為對照孔的光密度值；n為碳源種類數(shù)（n=31）。

（2）Simpson（D）優(yōu)勢度指數(shù)用來評估土壤微生物群落的物種優(yōu)勢度。

式中，Pi表示每孔的相對吸光值/31孔相對吸光值之和。

（3）Shannon-wiener（H）多樣性指數(shù)用來評估群落中物種的多樣性。H=-∑（Pi×lnPi）。

（4）McIntosh（U）指數(shù)是基于群落物種多維空間上的Euclidian距離多樣性指數(shù)。

式中，ni為第i孔的相對吸光值（Ci-R）。

（5）Pielou（J）為均勻度指數(shù)。J=H/lnS，式中，S為被利用的碳源總數(shù)。

（6）豐富度指數(shù)（R），R值表示可被利用的碳源總數(shù)目，本研究中為相對吸光值大于0.06的孔數(shù)。

（7）土壤微生物對碳源相對利用率，以土壤添加西蘭花殘體處理和空白處理中不同類型碳源的最大AWCD值為基準(zhǔn)，各類碳源的AWCD與基準(zhǔn)值之比。

1.3.4 土壤養(yǎng)分測定 按照文獻(xiàn)[19]方法對不同處理的根際土壤pH、銨態(tài)氮（ammonium nitrogen，NH4+-N）、硝態(tài)氮（nitrate nitrogen，NO3--N）、無機(jī)磷（inorganic phosphorus，IP）和有機(jī)質(zhì)（organic matter，OM）含量進(jìn)行測定。采用酸度計測定土壤pH；采用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量；采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定無機(jī)磷含量；以硫酸亞鐵為標(biāo)準(zhǔn)溶液采用分光光度法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.3.5 棉花根際土壤酶活性測定 采用鄰苯三酚比色法測定不同處理的土壤過氧化物酶（peroxidase，POD）活性[23]；以磷酸苯二鈉為底物測定不同處理的土壤中性磷酸酶（neutral phosphatase，NP）活性[23]；以對-硝基苯硫酸鉀為底物測定不同處理的土壤芳基硫酸酯酶（arylsulfatase，ASF）活性[24]；采用N-乙酰-葡糖胺比色法，以幾丁質(zhì)為底物測定幾丁質(zhì)酶（chitinase）活性[23]；采用靛酚藍(lán)比色法，以尿素為底物測定土壤脲酶（urease，Urea）活性[23]；采用對硝基酚比色法，以對-硝基苯--D-吡喃葡萄糖苷和-N-乙酰氨基葡萄糖苷為底物分別測定土壤-葡萄糖苷酶（-glucosidase，-GC）和N-乙酰--D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl--D-glucosaminidase，NAG）活性[24]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行整理，Origin 8.6進(jìn)行作圖，利用SPSS 17.0軟件對多樣本采用單因素方差分析、兩樣本采用獨立樣本檢驗進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用Canoco 4.5軟件對根際土壤微生物的碳源代謝特征進(jìn)行主成分分析（PCA），并利用CanoDraw軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤添加西蘭花殘體對棉花黃萎病發(fā)生及植株生物量的影響

在棉花吐絮期調(diào)查棉花黃萎病的發(fā)生情況，結(jié)果表明，添加西蘭花殘體處理的病情指數(shù)為11.04，顯著低于空白對照的病情指數(shù)（30.83），下降幅度為64.19%。對棉花株高、果枝數(shù)、結(jié)鈴數(shù)等9個農(nóng)藝性狀進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明，與空白對照相比，土壤添加西蘭花殘體處理的植株株高、果枝數(shù)和結(jié)鈴數(shù)均顯著增加，提高幅度分別為12.73%、16.95%和10.36%；而其他生長指標(biāo)在處理間不存在顯著差異。產(chǎn)量方面結(jié)果表明，土壤添加西蘭花殘體棉花籽棉產(chǎn)量為349.57 kg/667 m2，增產(chǎn)率為6.95%（表1）。

表1 土壤添加西蘭花殘體對棉花生物量的影響

同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（＜0.05）

Different lowercase letters afterthedata in the same row indicate significant difference between treatments at＜0.05 level

2.2 添加西蘭花殘體對土壤養(yǎng)分的影響

與空白對照相比，除了無機(jī)磷含量不存在顯著差異外，添加西蘭花殘體處理的土壤pH、硝態(tài)氮（NO3--N）和有機(jī)質(zhì)（OM）含量顯著上升，而銨態(tài)氮（NH4+-N）含量顯著下降（表2）。表明添加西蘭花殘體改變了土壤養(yǎng)分情況，進(jìn)而對棉花植株生長產(chǎn)生影響。

表2 添加西蘭花殘體處理對土壤養(yǎng)分的影響

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（＜0.05）。表3同

Different lowercase letters afterthedata in the same column indicate significant difference between treatments at＜0.05 level. The same as Table 3

2.3 添加西蘭花殘體對土壤酶活性的影響

土壤添加西蘭花殘體顯著提高了不同元素（碳、氮、磷和硫）循環(huán)相關(guān)酶活性。在碳循環(huán)相關(guān)酶活性方面，添加西蘭花殘體均顯著提高了過氧化物酶（POD）和-葡萄糖苷酶（-GC）活性，分別為對照的2.70和1.95倍；在氮循環(huán)相關(guān)酶活性方面，添加西蘭花殘體顯著提高了脲酶、幾丁質(zhì)酶和N-乙酰--D-葡萄糖苷酶（NAG）活性，分別為對照的1.42、1.59和1.52倍；在磷循環(huán)相關(guān)酶活性方面，添加西蘭花殘體顯著提高了中性磷酸酶的活性，為對照的1.33倍；在硫循環(huán)相關(guān)酶活性方面，添加西蘭花殘體顯著提高了芳基硫酸酯酶（ASF）的活性，為對照的1.22倍（圖1）。

圖1 添加西蘭花殘體對土壤酶活性的影響

2.4 添加西蘭花殘體對土壤微生物代謝活性的影響

土壤微生物代謝活性結(jié)果表明，培養(yǎng)1 d時代謝活性較低，之后AWCD呈指數(shù)上升，6 d后微生物代謝活性趨于穩(wěn)定。不同樣本培養(yǎng)2 d后，添加西蘭花殘體處理的土壤微生物代謝活性均顯著高于空白對照（圖2）。

2.5 添加西蘭花殘體對棉花根際土壤微生物功能多樣性指數(shù)的影響

根際土壤微生物功能多樣性分析結(jié)果表明，添加西蘭花殘體處理的土壤優(yōu)勢度指數(shù)、香濃指數(shù)、McIntosh指數(shù)、豐富度指數(shù)及均勻度指數(shù)與空白對照之間不存在顯著性差異（表3）。

2.6 不同處理的根際土壤微生物對碳源物質(zhì)利用的主成分分析

主成分分析結(jié)果表明，土壤添加西蘭花殘體與空白對照在主成分坐標(biāo)中位于不同的象限，說明不同處理對碳源物質(zhì)利用存在差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）分別可以解釋所有變量的78.7%和15.1%，兩個主成分方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)到93.8%，說明其能夠表征對碳源利用特征（圖3）。

表3 添加西蘭花殘體對棉花根際土壤微生物功能多樣性指數(shù)的影響

圖2 添加西蘭花殘體對棉花根際土壤微生物代謝活性的影響

2.7 土壤添加西蘭花殘體后碳源利用特征

添加西蘭花殘體和空白對照的棉花根際土壤微生物對氨基酸類、羧酸類和碳水化合物類物質(zhì)均具有較高的相對利用率，對聚合物類、胺類和雙親類化合物的利用率較低（圖4）。添加西蘭花殘體處理對羧酸類物質(zhì)的利用能力最高，但與空白對照差異不顯著；對氨基酸類和碳水化合物類碳源的利用能力顯著低于空白對照；對其他類碳源的利用能力差異不顯著。

2.8 土壤添加西蘭花殘體對主要類型碳源物質(zhì)的利用能力

分析比較了添加西蘭花殘體處理后根際土壤微生物對氨基酸類、碳水化合物類和羧酸類碳源的利用情況（圖5）。顯著性差異分析表明，與空白對照相比，在氨基酸類碳源方面，添加西蘭花殘體顯著降低了根際土壤微生物對D4（L-絲氨酸）和F4（甘氨酰-L-谷氨酸）碳源的利用能力，而對其他氨基酸類碳源（A4（L-精氨酸）、B4（L-天冬酰胺酸）、C4（L-苯基丙氨酸）、E4（L-蘇氨酸））的利用能力處理間差異不顯著；在碳水化合物類碳源方面，添加西蘭花殘體顯著降低了根際土壤微生物對A2（-甲基-D-葡萄糖苷）、C2（i-赤藻糖醇）和D2（D-甘露醇）碳源的利用能力，顯著增加了對F1（肝糖）的利用能力，而對其他碳水化合物類碳源（G1（D-纖維二糖）、H1（-D-乳糖）和B2（D-木糖））的利用能力處理間差異不顯著；在羧酸類碳源方面，添加西蘭花殘體顯著增加了根際土壤微生物對C3（2-羥基苯甲酸）、F3（衣康酸）和H3（D-蘋果酸）碳源的利用能力，而對其他羧酸類碳源（A3（D-半乳糖內(nèi)酯）、B3（D-半乳糖醛酸）、D3（4-羥基苯甲酸）、E3（-羥基丁酸）、G3（-丁酮酸）、B1（丙酮酸甲酯）和F2（D-葡萄胺酸））的利用能力處理間差異不顯著。

圖3 添加西蘭花殘體處理的根際土壤微生物的碳源利用主成分分析

圖4 添加西蘭花殘體的根際土壤微生物對不同碳源的相對利用率

圖5 不同處理的根際土壤微生物對主要碳源的利用比較

Fig. 5 Comparison of utilization for major carbon sources by rhizosphere soil microorganisms of different treatments

2.9 不同處理的土壤酶活性與碳源利用能力的相關(guān)性分析

進(jìn)一步研究了添加西蘭花殘體處理的土壤酶活性與氨基酸類、碳水化合物類和羧酸類碳源利用能力的相關(guān)性。冗余分析結(jié)果表明，在氨基酸類方面，土壤酶活性與C4（L-苯基丙氨酸）和E4（L-蘇氨酸）存在正相關(guān)性，而與D4（L-絲氨酸）和F4（甘氨酰-L-谷氨酸）存在負(fù)相關(guān)性（圖6-A）；在碳水化合物類方面，土壤酶活性與F1（肝糖）存在正相關(guān)性，與H1（-D-乳糖）不存在相關(guān)性，與其他化合物存在負(fù)相關(guān)性（圖6-B）；在羧酸類方面，土壤酶活性與C3（2-羥基苯甲酸）、F3（衣康酸）和H3（D-蘋果酸）存在正相關(guān)性，與E3（-羥基丁酸）不存在相關(guān)性，與B3（D-半乳糖醛酸）和G3（-丁酮酸）存在負(fù)相關(guān)性（圖6-C）。

A：氨基酸類amino acids；B：碳水化合物類Carbohydrate；C：羧酸類Carboxylic acids

3 討論

3.1 土壤添加植物殘體或秸稈對農(nóng)作物生長及農(nóng)藝性狀的影響

作物殘體或秸稈還田是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的重要組成部分，是秸稈綜合利用的最主要措施之一。Paudel等[25]利用水葫蘆植物殘體能夠改善豇豆的葉面積指數(shù)和生物量，表現(xiàn)增產(chǎn)作用；鄧云穎等[26]研究發(fā)現(xiàn)菜籽餅?zāi)軌蝻@著促進(jìn)辣椒生長，并降低根結(jié)線蟲的種群密度；李增亮等[27]研究發(fā)現(xiàn)將一定量分蘗毛蔥秸稈添加至番茄連作土壤中，可顯著促進(jìn)番茄生長，改善土壤環(huán)境，并對根結(jié)線蟲有一定的防治效果；張奎等[28]研究表明玉米秸稈還田能夠提高小麥旗葉葉綠素含量和開花期旗葉凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，并降低丙二醛積累量，延緩小麥旗葉衰老并延長籽粒灌漿期；馬超等[29]研究表明小麥秸稈全量還田后釋放的低分子量有機(jī)酸、硫化物等可能會抑制水稻根系的生長，延緩水稻活棵立苗，抑制前期分蘗和延緩葉齡進(jìn)程；GONG等[30]研究發(fā)現(xiàn)土壤中加入2%大蒜秸稈不僅有效抑制根結(jié)線蟲的發(fā)生，且促進(jìn)番茄植株的生長，而過量施用大蒜秸稈降低了番茄植株的生長。十字花科蕓薹屬植物（油菜、芥菜和西蘭花等）可作為綠肥改善后茬農(nóng)作物生長狀況。Zhao等[19]研究表明西蘭花殘體還田能夠提高馬鈴薯生物量并增加產(chǎn)量，減少黃萎病的發(fā)生；Wang等[31]研究表明馬鈴薯連作土壤中加入芥菜和甘藍(lán)殘體能夠顯著降低田間黃萎病病原菌數(shù)量和根結(jié)線蟲數(shù)量，且促進(jìn)植物生長；李淑敏等[32]研究表明茄子連作土壤中添加芥菜殘體不僅能夠提高茄子產(chǎn)量，還可降低黃萎病發(fā)生；柳瑞冰等[33]研究表明芥菜作為綠肥可以有效減少棉田土壤中大麗輪枝菌數(shù)量，并且減輕黃萎病的發(fā)生；趙衛(wèi)松等[4]溫室試驗研究表明，土壤中添加過量（質(zhì)量比大于5%）的西蘭花殘體對棉花出苗具有明顯的抑制作用，但隨著腐解時間的延長，其出苗率與空白對照不存在顯著差異。前期研究表明，土壤添加西蘭花殘體對夏播棉花黃萎病具有很好的防治效果[6]，然而其對春播棉花黃萎病及其植株農(nóng)藝性狀產(chǎn)生的影響尚不清楚。本研究結(jié)果表明，土壤添加西蘭花殘體能夠顯著減少春播棉花黃萎病的發(fā)生，影響棉花的生物量并改變其農(nóng)藝性狀，如顯著提高棉花植株株高、增加果枝數(shù)量和結(jié)鈴數(shù)量，具有良好的防病效果和一定的增產(chǎn)潛力。

3.2 土壤添加植物殘體或秸稈對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤微生物活性及肥力的評價標(biāo)準(zhǔn)，在土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)變過程中起著重要的促進(jìn)作用，其影響土壤營養(yǎng)元素的有效性水平，可以反映土壤生理生化反應(yīng)的強(qiáng)弱[34]。已有大量研究證明，秸稈還田能夠為土壤微生物提供可供利用的有機(jī)質(zhì)，從而促進(jìn)土壤微生物的繁殖，進(jìn)一步提高土壤酶的分泌，秸稈還田對耕作層土壤溫度的調(diào)節(jié)作用和對水分的保持作用保證了土壤酶在化學(xué)反應(yīng)過程中的合理環(huán)境條件，從而使酶活性得到提高[35]。土壤添加玉米秸稈能夠顯著提高-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、脫氫酶和熒光素二乙酸酯水解酶活性，原因在于玉米秸稈為土壤微生物提供了豐富的能源原料，增強(qiáng)新陳代謝，進(jìn)而提高土壤酶活性[10,35]；過量施用大蒜秸稈降低了根際土壤脲酶和磷酸酶活性，抑制了番茄植株對氮素和磷素的吸收和利用，對番茄植株的生長表現(xiàn)出抑制作用[36]；李文廣等[37]研究發(fā)現(xiàn)飼料油菜還田能夠提高麥田耕層土壤蔗糖酶活性；李增亮等[27]研究認(rèn)為，不同作物秸稈對土壤酶活性產(chǎn)生不同程度的影響，如萬壽菊秸稈處理的土壤中性磷酸酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于空白對照，而分蘗毛蔥和大蒜秸稈處理的轉(zhuǎn)化酶和中性磷酸酶活性低于空白對照；小麥秸稈還田后土壤中脲酶、過氧化氫酶及堿性磷酸酶活性增強(qiáng)[38]。本研究結(jié)果表明，土壤添加西蘭花殘體顯著提高了不同元素（碳、氮、磷和硫）循環(huán)相關(guān)酶活性，與前人研究結(jié)果較為一致。然而，前期研究已發(fā)現(xiàn)，添加過量的西蘭花殘體顯著抑制棉花出苗[4]，其是否顯著降低土壤酶活性有待于進(jìn)一步研究。

3.3 土壤添加植物殘體或秸稈對土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是物質(zhì)循環(huán)和能量流動的主要驅(qū)動力，能夠反映土壤肥力，進(jìn)而直接或間接地影響土壤微生物群落組成、代謝和作物生長[39-40]。土壤養(yǎng)分與土壤酶關(guān)系密不可分，不僅作為土壤肥力狀況的重要表現(xiàn)，也是土壤活力的重要體現(xiàn)[41]。蕓薹屬植物（如油菜）作為綠肥還田具有很好的土壤培肥優(yōu)勢，可以改善土壤理化性質(zhì)，補(bǔ)充土壤養(yǎng)分[42-43]；添加不同作物秸稈均可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH，同時降低土壤電導(dǎo)率值，有利于改善土壤環(huán)境[27]；李文廣等[37]研究發(fā)現(xiàn)飼料油菜還田能夠提高麥田耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量；徐國偉等[38]研究認(rèn)為小麥秸稈還田后能夠增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)含量，顯著提升土壤全磷和可溶性鉀含量，但pH、Na+、Mg2+及Ca2+含量降低，從而提高土壤肥力；冬小麥-夏大豆輪作系統(tǒng)下小麥秸稈長期還田顯著提高了土壤全磷含量，但秸稈還田對土壤速效磷的含量影響不明顯[44]。秸稈還田對土壤磷有效性的影響方面，相關(guān)研究得出的結(jié)果存在差異，如油菜秸稈還田當(dāng)季或短期內(nèi)可明顯提高土壤有效磷含量[45]，而水稻秸稈全量還田3年對土壤有效磷含量的提升效果不明顯[46]。本研究結(jié)果表明，土壤添加西蘭花殘體提高了土壤pH、有機(jī)質(zhì)、無機(jī)磷、硝態(tài)氮含量，降低了銨態(tài)氮含量，與常芳娟等[40]、Koron等[47]研究結(jié)果相似。因此，推測西蘭花殘體作為一種豐富的養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)來源，不僅能夠改變土壤養(yǎng)分，而且能夠為土壤微生物的生長和繁殖提供碳源和能源。

3.4 土壤添加植物殘體或秸稈對微生物碳代謝特征的影響

Biolog-Eco微平板能快捷、敏感地反映環(huán)境微生物群落特征的變化[48]。平均顏色變化率（AWCD）是反映土壤微生物碳源利用能力與其代謝活力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，其值的高低與微生物群落代謝活性呈正相關(guān)，可從功能代謝方面表示微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[49-50]。已有研究表明，作物秸稈或殘體還田能夠改變土壤微生物群落功能多樣性，且其與秸稈或殘體類型、數(shù)量等存在顯著相關(guān)性[51-53]。本研究結(jié)果表明，在培養(yǎng)2 d后添加西蘭花殘體處理的土壤微生物AWCD值均顯著高于空白對照，表明添加西蘭花殘體增加了土壤微生物的代謝活性（圖2）。作物殘體或秸稈還田后導(dǎo)致碳源利用能力發(fā)生變化，能夠直接影響微生物的種類和數(shù)量[54]。通過對不同類型碳源物質(zhì)的整體相對利用率分析表明，土壤添加西蘭花殘體處理顯著降低對氨基酸類和碳水化合物類碳源的利用能力，而對羧酸類、胺類、聚合物類和雙親類化合物碳源的利用能力差異不顯著（圖3）。進(jìn)一步分析表明，添加西蘭花殘體顯著增加了根際土壤微生物對肝糖、2-羥基苯甲酸（水楊酸）、衣康酸和D-蘋果酸碳源的利用能力，而對L-絲氨酸、甘氨酰-L-谷氨酸、-甲基-D-葡萄糖苷、i-赤藻糖醇、D-甘露醇碳源的利用能力顯著降低（圖5）。鄧云穎等[26]研究認(rèn)為，作物殘體（蓖麻桿和菜籽餅）與脂肪酸組合使用能夠顯著改善辣椒生長，并且顯著降低根結(jié)線蟲的種群密度。因此，基于添加西蘭花殘體對土壤微生物碳代謝特征的影響，將西蘭花殘體與肝糖、2-羥基苯甲酸（水楊酸）、衣康酸或D-蘋果酸聯(lián)合使用是否改變棉花農(nóng)藝性狀以及黃萎病的發(fā)生，有待于進(jìn)一步研究。

通過Biolog-Eco技術(shù)方法培養(yǎng)的微生物不能完全反映土壤中所有微生物群落變化信息[55-56]。該方法表征的僅是環(huán)境中快速生長或富營養(yǎng)微生物的代謝活性，而不能代表環(huán)境中生長緩慢的微生物的代謝活性[57]。因此，今后將采用宏基因組高通量測序法，有助于全面認(rèn)識添加西蘭花殘體對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響，為生產(chǎn)中改良土壤與生態(tài)功能提供更為可靠的依據(jù)。同時，通過代謝組學(xué)明確土壤添加西蘭花殘體如何對棉花根系分泌物產(chǎn)生影響也有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

土壤添加西蘭花殘體能夠改善棉花生長相關(guān)農(nóng)藝性狀并提高產(chǎn)量，提高根際土壤pH、硝態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)含量。同時，顯著提高土壤酶活性，且土壤酶活性與L-苯基丙氨酸、L-蘇氨酸、肝糖、2-羥基苯甲酸、衣康酸和D-蘋果酸的利用能力呈正相關(guān)。因此，添加西蘭花殘體是一種提升棉田土壤酶活性和土壤肥力的較優(yōu)措施。

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Effect of Broccoli Residues on Enzyme Activity of Cotton Rhizosphere Soil and Relationships Between Enzyme Activity and Carbon Metabolism Characteristics

ZHAO Weisong1, GUO Qinggang1, LI Shezeng1, LU Xiuyun1, GOU Jianjun2, MA Ping

1Plant Protection Institute, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences/IPM Centre of Hebei Province/Key Laboratory of IPM on Crops in Northern Region of North China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Baoding 071000, Hebei;2Hebei Plant Protection and Inspection Station, Shijiazhuang 050031

【Objective】The objective of this study is to research the effect of broccoli residues (BR) on enzyme activity of cotton rhizosphere soil and relationships between enzyme activity and carbon source utilization capacity, and to provide a theoretical basis for revealing the ecological mechanism of BR to preventwilt disease and promote the growth of cotton.【Method】In this study, soil treated with BR and soil treated without BR (CK) were set, and the activities of peroxidase, neutral phosphatase, arylsulfatase, chitinase, urease,-glucosidase and N-acetyl--D-glucosaminidase in the rhizosphere soil of different treatments were determined, respectively. Shannon-Wiener index, Simpson index, Pielou index, McIntosh index, and richness index of different treatments were studied by Biolog-ECO technology. Principal component analysis (PCA) was used to compare the characteristics of microbial metabolic activity in rhizosphere soil under different treatments, and redundancy analysis (RDA) was used to analyze the correlations between soil enzyme activity and the utilization capacity of different types of carbon sources.【Result】Compared with the CK, the plant height, branch and boll numbers treated with BR significantly increased by 12.73%, 16.95%, and 10.36%, respectively. The disease index of cottonwilt treated with BR decreased by 64.19%. BR treatment significantly increased pH, nitrate nitrogen (NO3--N) and organic matter (OM) contents in rhizosphere soil. Meanwhile, there was no significant difference in the functional diversity index of rhizosphere microorganisms between treatments. However, BR changed the metabolic activities of rhizosphere microorganisms. BR treatment significantly increased the activity of enzymes related to cycles of different nutrient elements. In the aspect of carbon cycle, the activity of peroxidase and-glucosidase was 2.70and 1.95 times that of the control, respectively. In the nitrogen cycle, the activity of urease, chitinase and N-acetyl-β-D-glucosidase was 1.42, 1.59 and 1.52 times that of the control, respectively. In the phosphorus cycle, the activity of neutral phosphatase was 1.33times that of the control. In the sulfur cycle, the activity of arylsulfatase was 1.22 times that of the control. RDA showed that soil enzyme activities under the treatment of BR were positively correlated with the utilization capacity of L-phenylalanine, L-threonine, glycogen, 2-hydroxybenzoic acid, itaconic acid, and D-malic acid, respectively.【Conclusion】BR changed the carbon metabolic activity of rhizosphere soil microorganisms, significantly increased the activity of soil nutrient cycling-related enzymes, pH, nitrate nitrogen, and organic matter contents in rhizosphere soil. Meanwhile, different degrees of correlations were found between soil enzyme activity and carbon metabolism characteristics.

broccoli residues; cotton; nutrient cycle; soil enzyme; rhizosphere microorganism; Biolog-ECO; carbon metabolism characteristics

2023-03-01；

2023-04-03

河北省重點研發(fā)計劃（22326509D）、國家棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-15-19）、河北省自然科學(xué)基金（C2022301036）

趙衛(wèi)松，Tel：0312-5927076；E-mail：zhaoweisong1985@163.com。通信作者馬平，Tel：0312-5915678；E-mail：pingma88@126.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.005

（責(zé)任編輯 岳梅）