糜子不同種植方式對土壤酶活性及養(yǎng)分的影響

崔雯雯， 宋全昊， 高小麗， 賈志寬

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

糜子不同種植方式對土壤酶活性及養(yǎng)分的影響

崔雯雯， 宋全昊， 高小麗*， 賈志寬

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

【目的】土壤酶參與土壤中多種生化活動，是衡量土壤生產(chǎn)力的指標(biāo)之一。本文比較分析了不同種植方式下糜子生育期間土壤酶活性的動態(tài)變化以及成熟期土壤養(yǎng)分含量和糜子產(chǎn)量，旨在探明糜子連作障礙和連作減產(chǎn)的產(chǎn)生機制，為糜子高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳晕鞅鞭r(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站小雜糧輪作連作長期定位試驗為平臺，設(shè)輪作(T1)、隔年種植(T2)、連作2年(T3)、連作3年(T4)4個處理，在糜子播種期、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期測定0—20 cm根際土壤中過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性以及成熟期0—20 cm根際土壤養(yǎng)分含量，對同一時期不同處理間的酶活性和成熟期不同處理間土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀含量以及土壤pH值進(jìn)行方差分析，并分析土壤養(yǎng)分和酶活性以及糜子產(chǎn)量之間的相關(guān)性。【結(jié)果】1)土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶活性隨著連作年限的增加而降低；堿性磷酸酶在連作2年處理的活性較低。2)隨著連作年限的增加土壤pH值升高，土壤速效鉀嚴(yán)重積累，速效磷消耗較多，說明連作導(dǎo)致土壤鹽堿化。3)過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性與糜子籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，土壤pH值與籽粒產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)；蔗糖酶活性、有機質(zhì)含量與產(chǎn)量具有一定的相關(guān)性?！窘Y(jié)論】糜子連作改變了土壤酶活性及土壤養(yǎng)分含量，導(dǎo)致土壤腐殖化和熟化程度減慢，土壤次生鹽漬化加重，土壤養(yǎng)分不均衡，植株生長發(fā)育受到影響，造成籽粒產(chǎn)量的下降。因此，在糜子生產(chǎn)上要進(jìn)行合理的輪作倒茬，從而減緩連作障礙，實現(xiàn)糜子高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。

糜子； 連作； 土壤酶； 土壤養(yǎng)分； 產(chǎn)量

土壤酶參與土壤中各種生物化學(xué)過程，如腐殖質(zhì)的分解與合成、動植物和微生物殘體的分解、有機化合物的水解與轉(zhuǎn)化、某些無機化合物的氧化、還原反應(yīng)等，其活性不僅能反映土壤微生物活性的高低，而且能表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運移能力的強弱，是評價土壤肥力的重要參數(shù)之一[1]，它能夠快速響應(yīng)土地利用方式和管理方式的改變，可作為土壤質(zhì)量評價的指標(biāo)[2-4]；不同栽培方式和作物茬口會對土壤酶的活性產(chǎn)生影響[5-8]。因此，研究糜子連作條件下土壤酶活性的變化規(guī)律，對衡量土壤生產(chǎn)力、掌握糜子連作減產(chǎn)機制具有重要意義。

糜子(PanicummiliaceumL.)屬禾本科黍?qū)?Panicum)，生育期短，耐旱、耐瘠薄，是干旱半干旱地區(qū)的主要糧食作物，也是中國主要制米作物之一，因其具有較高的營養(yǎng)價值和藥用價值而受到了廣泛關(guān)注，但是糜子產(chǎn)區(qū)的經(jīng)濟(jì)條件相對較差，土地面積有限，栽培技術(shù)落后，導(dǎo)致糜子連作現(xiàn)象嚴(yán)重，糜子產(chǎn)量低而不穩(wěn)。目前，對糜子連作后土壤的生物性狀和土壤酶活性方面缺乏系統(tǒng)研究。本研究利用小雜糧輪作連作長期定位試驗平臺，對糜子不同種植方式下的土壤酶活性變化做了初步探討，旨在揭示糜子連作障礙機理，為制定合理的耕作栽培措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2010_2012年在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站進(jìn)行。該站地處渭河三級階地，海拔520 m左右，多年平均氣溫12.9℃，降水量550.8 mm，年均蒸發(fā)量為1400 mm，屬于半濕潤易旱地區(qū)。2010年播前土壤有機質(zhì)含量21.0 g/kg，全氮 1.24 g/kg，速效氮87.1 mg/kg，全磷1.05 g/kg，有效磷32.8 mg/kg，全鉀20.4 g/kg，速效鉀158.8 mg/kg；pH 8.30。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)輪作(T1，蕎麥—蕓豆—糜子)、隔年種植(T2，糜子—蕎麥—糜子)、連作2年(T3，糜子—糜子)、連作3年(T4，糜子—糜子—糜子)4個處理，每處理4次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m)，隨機區(qū)組排列。供試品種為目前生產(chǎn)上普遍種植的內(nèi)糜5號，每年6月中上旬播種，作物全生育期不灌溉，傳統(tǒng)翻耕不施肥，生育期間進(jìn)行常規(guī)的田間管理。10月中下旬作物收獲后將植株整株清除，土地進(jìn)入休閑期。2012年在糜子生育期內(nèi)各處理分別取0—20 cm根際土樣測定土壤酶活性，成熟期測定土壤養(yǎng)分含量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集 分別于播種期、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期利用內(nèi)徑4 cm的土鉆采集0—20 cm根區(qū)土壤樣品，多點采樣并混合，土壤樣品采回后，放在蔭涼處，攤開晾干，然后剔出植物殘體、石塊和其他的雜物，將風(fēng)干的土樣磨碎過1 mm篩，4℃保存，分析土壤過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性。成熟期采集的部分樣品按土壤養(yǎng)分分析的要求處理，用于土壤養(yǎng)分含量的分析。

1.3.2 測定方法 過氧化氫酶采用紫外分光光度計法測定[9]，以每20 min內(nèi)每克土壤分解的過氧化氫的毫克數(shù)表示；脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法[10]，以24 h后每克土產(chǎn)生的NH3-N的毫克數(shù)表示；堿性磷酸酶(由于試驗地土壤為堿性，所以對堿性磷酸單酯酶活性進(jìn)行了測定)活性的測定采用磷酸苯二鈉法[10]，用24 h后每克干土中釋放的酚的毫克數(shù)表示；蔗糖酶活性測定采用硝基水楊酸比色法[11]，以24 h后每克干土中產(chǎn)生的葡萄糖的毫克數(shù)表示。土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀含量以及土壤pH值參照隋方功[12]的方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，Origin 75制圖，DPS 7.05進(jìn)行方差分析，多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植方式對土壤酶活性的影響

2.1.1 對過氧化氫酶活性的影響 生物體和土壤中存在的過氧化氫酶能夠酶促過氧化氫分解為水，從而解除過氧化氫的積累對生物和土壤的毒害作用[13]。由圖1A可以看出，在糜子同一生育期內(nèi)不同處理土壤過氧化氫酶活性有明顯差異。在播種期，各處理間的過氧化氫酶活性無顯著差異；在成熟期，各處理間的過氧化氫酶活性差異又變小。總體來看，在糜子生育期內(nèi)連作對土壤過氧化氫酶活性的影響較輪作大，出苗后各生育時期連作土壤的過氧化氫酶活性顯著低于輪作。

2.1.2 對土脲酶活性的影響 脲酶是一種專性酰胺酶，脲酶的酶促反應(yīng)產(chǎn)物氮是植物氮源之一，脲酶活性的高低在一定程度上反映了土壤的供氮水平。由圖1C可以看出，不同種植方式對土壤脲酶活性的影響不同。各生育時期土壤脲酶活性的方差分析結(jié)果表明，T1處理各時期的土壤脲酶活性顯著高于其他各處理(P<0.05)，這可能是蕓豆屬豆科固氮植物使土壤中的氮素含量增加，而土壤中氮素含量與土壤脲酶活性呈正相關(guān)[14]。T2與T1處理的變化趨勢大致相同，表現(xiàn)為隨生育期的推進(jìn)先增加后降低、之后又上升的變化趨勢，這與賀麗娜等的研究結(jié)果一致[15]。T2處理各時期脲酶活性顯著低于T1處理。T3和T4處理一直呈下降趨勢，且脲酶活性一直保持在較低的水平。T3、T4兩處理之間各時期的脲酶活性無差異，但顯著低于T1、T2處理?？傮w而言，各處理對土壤脲酶活性的影響為T1>T2>T3>T4，表明與豆科作物輪作可以大幅度地提高糜子田土壤的脲酶活性，而單一糜子連作會降低土壤脲酶的活性。

2.1.3 對堿性磷酸酶活性的影響 磷酸酶能酶促有機磷化合物的水解，即可加速有機磷的脫磷速度，在pH 4_9的土壤中均有磷酸酶，積累的磷酸酶對土壤磷素的有效性具有重要作用[11]。圖1B顯示，各處理堿性磷酸酶活性的變化趨勢大致相同，均呈隨糜子生育期的推進(jìn)先升高后降低的趨勢，但是各處理出現(xiàn)最大值時間不同。T1、T2、T3、T4處理土壤磷酸酶活性的平均值依次為4.85、4.27、3.79、3.90 Phenol mg/(g·h)，糜子整個生育期間不同處理對土壤堿性磷酸酶活性影響的大小為T1>T2>T4>T3；T3處理的土壤磷酸酶活性平均比T1下降了21.9%，表明糜子連作一年的土壤堿性磷酸酶活性最差。

2.1.4 對蔗糖酶活性的影響 蔗糖酶又稱轉(zhuǎn)化酶，能酶促水解成葡萄糖和果糖，它不僅能夠表征土壤生物學(xué)活性的強度，也可以作為評價土壤熟化程度和土壤肥力水平的一個指標(biāo)。由圖1D可知，T1、T2處理的蔗糖酶活性變化趨勢大致相同，均呈隨糜子生育期先升高后下降，在生育后期又升高的變化趨勢；T3、T4處理的蔗糖酶活性則一直呈下降趨勢。T1、T2、T3、T4處理糜子整個生育期間土壤蔗糖酶活性的平均值依次為47.66、48.59 、42.10、39.78 Glucose mg/(g·h)。在成熟期其差異最顯著，與T2相比，T3和T4兩個處理的酶活性分別降低了43.4%和50.4%，表明連作3年的土壤蔗糖活性較低。

2.2 不同種植方式對成熟期土壤養(yǎng)分的影響

作物不同的種植方式會改變土壤微環(huán)境，對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生一定的影響。由表1可以看出，糜子成熟期各處理之間的土壤有機質(zhì)含量、全氮、全磷無顯著差異；但T2、T3、T4各處理的堿解氮、速效鉀都較T1輪作處理高，其中連作方式下土壤速效鉀的積累更為嚴(yán)重，T3、T4處理的土壤速效鉀較T1分別高138%、133%；在糜子收獲期時T2、T3、T4處理的土壤全鉀、有效磷均顯著低于T1處理；連作方式下的有效磷消耗較為明顯，T3、T4處理的土壤有效磷較T1分別降低了21.6%、29.9%；各處理土壤pH的表現(xiàn)為T1

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

2.3 不同種植方式的糜子產(chǎn)量性狀及相關(guān)性分析

2.3.1 糜子產(chǎn)量性狀比較 糜子單株有效穗數(shù)、小穗數(shù)、主穗長和千粒重是構(gòu)成糜子籽粒產(chǎn)量的重要因素。由表2可以看出，各處理間糜子單株有效穗數(shù)及小穗數(shù)無顯著差異；但T1處理的糜子主穗長顯著高于其他各處理；T1、T2處理的千粒重顯著高于T3、T4處理；籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為T1>T2>T3>T4，與T1處理相比，T2、T3及T4處理的籽粒產(chǎn)量分別下降11.3%、27.2%和39.1%。

2.3.2 土壤理化性狀與糜子籽粒產(chǎn)量相關(guān)性分析 表3顯示，在糜子整個生育期間各處理土壤脲酶活性與籽粒產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；蔗糖酶活性與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)性；過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性、有機質(zhì)含量與糜子籽粒產(chǎn)量正相關(guān)；土壤pH值與籽粒產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)。堿性磷酸酶與脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶之間，脲酶與蔗糖酶之間呈顯著正相關(guān)；pH值與堿性磷酸酶、過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶之間達(dá)顯著負(fù)相關(guān)性。

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.

注(Note): *—P<0.05; **—P<0.01.

3 討論

關(guān)于土壤酶活性、土壤理化性狀等與作物產(chǎn)量的相關(guān)性很多學(xué)者也做了大量的研究[16-24]，但是在不同作物上的結(jié)論存在較大差異。

張翼[16]和丁海兵等研究認(rèn)為[17]，土壤脲酶活性隨煙草種植年限的增加而升高。黃玉茜等[18]則認(rèn)為，土壤脲酶在花生連作2年時其活性較正茬低。陳慧[19]研究表明，地黃連作對蔗糖酶具有促進(jìn)作用。白艷茹卻認(rèn)為[20]，馬鈴薯根際土壤蔗糖酶活性隨連作年限的增加呈下降趨勢。本試驗中糜子連作3年土壤蔗糖酶活性較正茬和連作兩年的都低，可見連作時間越長蔗糖酶活性越低。蔗糖酶活性降低，土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)減少，植物根系可吸收利用的物質(zhì)就被迫減少，從而影響植物的生長發(fā)育，同時蔗糖酶活性低說明土壤的腐殖化程度和熟化程度都低，不利于作物的生長。本研究中糜子連作2年和連作3年的堿性磷酸單酯酶活性較正茬下降了21.9%和19.5%。這與王樹起等[22]在寒地大豆上的研究結(jié)果基本一致，認(rèn)為堿性磷酸單酯酶在連作2年時的下降幅度最大。從本試驗結(jié)果可以看出，土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶活性均隨著連作年限的增加而降低。土壤過氧化氫酶主要來源于細(xì)菌、真菌和作物根系分泌物，連作條件下土壤過氧化氫酶活性在糜子出苗到成熟期間下降較輪作顯著，造成這種結(jié)果的原因可能是連續(xù)種植影響了生育期內(nèi)的根系分泌物，進(jìn)而影響到過氧化氫酶活性，從而使根系的毒害作用加重而引起連作障礙的發(fā)生[24]。

土壤酶活性、土壤養(yǎng)分及理化性狀、作物生長發(fā)育三者之間有較大的相關(guān)性，土壤酶活性、土壤理化性狀的變化必然反映到土壤生產(chǎn)力的改變上，土壤生產(chǎn)力的改變最終影響作物的生長發(fā)育，而作物生長發(fā)育狀況又會反過來作用于土壤。但是土壤的具體理化性狀和酶活性的表現(xiàn)是一個復(fù)雜的過程，其影響因素較多，再加上田間管理措施及氣候條件的不同，勢必會造成結(jié)果的差異。本試驗結(jié)果表明，除了蔗糖酶外，其他土壤酶活性均與產(chǎn)量存在顯著的相關(guān)性，說明這些酶活性的變化會影響糜子產(chǎn)量的形成。

4 結(jié)論

隨著糜子連作年限的增加，土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性均降低，從而導(dǎo)致土壤中氧化作用降低，土壤腐殖化和熟化程度減慢，使土壤中過氧化氫等有害物質(zhì)積累。連作還會導(dǎo)致土壤pH值升高，土壤速效鉀過度積累，有效磷消耗過多，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不平衡，土壤的次生鹽漬化加重，土壤肥力下降，植株生長發(fā)育受到影響，最終導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量下降。因此，在糜子生產(chǎn)上要進(jìn)行合理的輪作倒茬，并通過合理施肥等措施改善土壤環(huán)境，從而減緩連作障礙，實現(xiàn)糜子的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。

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Influence of different cropping patterns on soil enzyme activities and yield of broomcorn millet

CUI Wen-wen, SONG Quan-hao, GAO Xiao-li*, JIA Zhi-kuan

(CollegeofAgronomyofNorthwestA&FUniversity/StateKeyLaboratoryofCropStressBiologyforAridAreas,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objectives】 Soil enzymes involve in a variety of biological processes in soil, their activities are one of soil quality evaluation index. In this paper, the dynamic changes of soil enzyme activities at different growing stages of broomcorn millet, soil nutrients’ contents at the maturity and the crop yields under different cropping patterns were analysed, to provide a theoretical basis for high-yield broomcorn millet. 【Methods】 A long-term experiment of minor grain crops was carried out at the First Station of Northwest A & F University. Broomcorn millet was planted by rotation (T1), every two years (T2), continuously two years (T3) and continuously three years (T4). Soil catalase, urease, alkaline phosphatase and invertase activities in 0-20 cm rhizosphere soil layer were measured at sowing stage, seeding stage, jointing stage, heading stage, filling stage and maturing stage, and soil nutrient contents were determined at maturing stage. Soil organic matter, total nitrogen, alkali solution nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, total potassium, available potassium content and pH value at the maturing stage were determined. 【Results】 The activities of soil catalase, urease and invertase were decreased with the elongation of the continuous-cropping year, while the polyphenol oxidase activity was reverse, and the alkaline phosphatase activity was the lowest in the second year of the continuous-cropping. With the increase of the continuous-cropping year, soil pH was increased, soil available-potassium was obviously accumulated and soil available-phosphorus was consumed much. The catalase, urease, and alkaline phosphatase activities were significantly and positively correlated with the grain yield, while soil pH is negatively correlated with the grain yield. The correlations between soil invertase, organic matter content and the yield were not significant. 【Conclusions】The continuous cropping of millet affects the activities of soil enzymes and soil nutrients’ contents, slows down the soil humification and amelioration degree, aggravates soil secondary salinization and soil nutrient imbalance, and decreases the grain yields as a result. So the reasonable rotation for millet is very important, for slowing the succession cropping obstacle and achieving a high yield and quality on broomcorn millet.

broomcorn millet; continuous cropping; soil enzyme; soil nutrients; yield

2013-12-08 接受日期： 2014-03-06

國家科技支撐計劃項目“糜黍豐產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究集成與示范”(2014BAD07B03)資助。

崔雯雯(1987—)， 女， 陜西榆林人， 博士研究生， 主要從事作物高效栽培研究。 E-mail: lovefly2811@163.com * 通信作者 E-mail: gao2123@nwsuaf.edu.cn

S156.047； S154.2

A

1008-505X(2015)01-0234-07