種植地黃對土壤中脲酶、多酚氧化酶及堿性磷酸酶活性的影響

李玉華，鄧培淵，雷志華，趙 奇(.鄭州師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450044；.鄭州師范學(xué)院 鄭州市生物物種資源研究中心，河南 鄭州 450044)

【研究意義】地黃[Rehmanniaglutinosa(Gaertn.) Libosch.]是玄參科地黃屬草本植物，其塊根是我國一種常用的大宗中藥材。地黃作為最重要的藥用植物之一，其栽培歷史悠久，經(jīng)濟價值高，種植面積也越來越大，產(chǎn)自河南焦作的懷地黃被稱為中國的“四大懷藥”之一。然而，地黃的種植卻存在非常嚴重的連作障礙問題。若連作，地黃地下部將形成很多須狀根、不能正常膨大形成塊根，其經(jīng)濟效益大大降低，每茬收獲后須間隔8～10 年才能再種植[1]。但因經(jīng)濟利益的驅(qū)使，地黃連作將不可避免，很多農(nóng)民采取輪作的方式來改善土壤生態(tài)系統(tǒng)。目前,研究學(xué)者對揭示藥用植物及多種果蔬連作障礙問題產(chǎn)生的機理仍存在較大分歧,因植物的連作障礙涉及土壤養(yǎng)分、土壤理化性狀、病害、根際微生物、根系分泌物等土壤整個生態(tài)系統(tǒng)的變化。土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化又可以直接或間接影響植物根部對營養(yǎng)成分的吸收和轉(zhuǎn)運,最終影響植物的生長發(fā)育及整個生命進程[2]。【前人研究進展】土壤酶是土壤中具有高度催化和突出專一性的生物化學(xué)反應(yīng)催化劑，主要來源于土壤中動植物和微生物活細胞的分泌物以及殘體的分解物。研究發(fā)現(xiàn)土壤中各營養(yǎng)元素的釋放與貯存、腐殖質(zhì)的形成與發(fā)育、以及土壤的結(jié)構(gòu)和物理狀況與土壤酶的種類和活性是密切相關(guān)的[3]。因此，測定土壤中的多種酶活性可以間接表征土壤的多種理化性質(zhì)，其活性也可作為評價土壤健康和肥力的重要指標(biāo)[4-5]。關(guān)松蔭等[6]研究表明，同種作物對土壤酶活性影響差異較小，但栽培不同種類的作物中土壤酶活性存在明顯差異。農(nóng)藥、重金屬、除草劑等對土壤酶活性的影響已有較多研究報道[3,7-8]，而對種植地黃的土壤酶活性研究報道較少。【本研究切入點】本文通過在田間試驗條件下測定相應(yīng)的酶活性，初步分析種植地黃的土壤和經(jīng)過輪作后土壤中相應(yīng)酶活性的差異，探討種植地黃的土壤理化性質(zhì)和肥力狀況。【擬解決的關(guān)鍵問題】以期為緩解地黃連作障礙及合理輪作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)計

供試土壤材料取自河南省焦作武陟農(nóng)科種業(yè)公司的藥材田地，土壤為潮土，選用的試驗地為緊挨著的4塊田地，中間間隔帶寬1 m的小路。這4塊田地分別為：未種植過地黃的空白地(去年種上葡萄樹苗，作對照，CK)；上茬種玉米而改種地黃的頭茬土壤(GR)；上茬種地黃而改種菊花(CS)，以及上茬種地黃而改種玉米的土壤(MZ)。這4塊田地采用同樣的田間管理技術(shù)，并隨機區(qū)組排列，在每塊地里選定小區(qū)面積25 m2(5 m×5 m)的采樣區(qū)。在2014年4月20日栽種地黃和菊花，在6月10日播種玉米。在地黃栽種后75 d(苗期)、155 d(膨大期)、205 d(收獲期)這3個時間點采集土壤。用五點取樣法，距各植株主干10 cm處采集0～15 cm土層的土壤，每個樣區(qū)5個點的土壤混勻為一個土樣，3 次重復(fù)，土樣放在陰涼通風(fēng)處晾1 d后過1 mm篩，用無菌塑料袋密封好放4 ℃冰箱保存，盡快測試土壤酶活性。

1.2 測定指標(biāo)與方法

土壤脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法[9]測定，其活性以37 ℃下培養(yǎng)24 h后1 g土中NH3-N的mg數(shù)表示；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[6]測定，其活性以37 ℃下培養(yǎng)24 h后1 g土壤中釋放出酚的mg數(shù)表示；多酚氧化酶采用鄰苯三酚顯色法[6]測定，活性以1 g土壤中生成紫色沒食子素的mg數(shù)來表示。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

用Excel 2007錄入數(shù)據(jù)，采用 SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

由表1可以看出：脲酶活性，在各個采樣時間點，其他3種土壤中脲酶活性均比對照高。對種植地黃的土壤，隨著地黃生長期的推進，土壤中脲酶活性顯著升高(P<0.05)，且在205 d時比75 d時升高56.1 %。對種菊花的土壤，隨著菊花生長期的推進，土壤中脲酶活性在采樣時間點也是顯著升高的。而對于種玉米土壤中的脲酶活性，其在155 d時比75 d時升高17.9 %，而在205 d時比155 d時降低10.2 %，差異也達到顯著水平。

由表2可知，對堿性磷酸酶來說：不同土壤類型，其變化情況較復(fù)雜。在種植地黃土壤中，其堿性磷酸酶活性和對照比，差異不顯著。對種植菊花土壤，在75和155 d時，其堿性磷酸酶活性均比對照降低37.1 %和35.0 %；在205 d時比對照升高23.3 %，差異達顯著水平。對種植玉米土壤，在75和155 d時，其堿性磷酸酶活性均比對照降低33.9 %和28.8 %，差異達顯著水平；在205 d時堿性磷酸酶活性和對照差異不顯著。

注：同列不同小寫字母、同行不同大寫字母分別表示樣品間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters in the same column and different uppercase letters in the same row are significantly different between samples at 0.05 level.The same as below.

表2 不同種植地黃土壤中堿性磷酸酶活性Table 2 Aalkaline phosphatase activity of different soils growing Rehmannia glutinosa (mg·phenol·g-1 soil)

由表3可以看出，在種植地黃土壤中，多酚氧化酶活性隨著地黃生長期的推進顯著升高(P<0.05)，且在75、155和205 d時，分別比對照升高68.0 %、92.6 %和2.57倍，差異達顯著水平。對種植菊花土壤，隨著菊花生長期推進，土壤中多酚氧化酶活性是降低的；在155 d時比75 d時降低36.0 %，在205 d時比155 d時降低45.5 %；但在75 和155 d時分別比對照高2.44 和1.04倍，差異達顯著水平。對于種玉米土壤中的多酚氧化酶活性，在155 d時比75 d時降低31.0 %，在205和155 d時差異不顯著。在75 和155 d時分別比對照高2.48 和1.22倍，差異達顯著水平。

3 討 論

脲酶是土壤中的主要酶類之一，它能加速土壤有機質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，是唯一可轉(zhuǎn)化尿素肥料的酰胺酶，活性高低與土壤營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力、肥力水平、污染狀況密切相關(guān)。尿素施入土壤后，在脲酶的催化作用下，迅速水解成 CO2和NH3，從而導(dǎo)致土壤pH值的升高和氨的釋出，能夠產(chǎn)生亞硝酸鹽和氨的毒害，傷害幼苗，并引起尿素氮以氨形式的氣體損失，所以脲酶活性過高對土壤肥力及作物的生長是不利的。彭星[10]等研究發(fā)現(xiàn)除草劑對土壤脲酶活性有激活作用；陳慧[11]等發(fā)現(xiàn)，種植地黃的土壤和連作地黃的土壤中脲酶活性都顯著高于對照；張潔瑩等[12]發(fā)現(xiàn)套作糯玉米可以提高連作菜田土壤中的脲酶活性。本試驗中種植過地黃的土壤脲酶活性是顯著高于對照的，其他3種土壤隨著作物生育期的推進脲酶活性是逐漸增加的，這種現(xiàn)象可能與作物生長期施肥、灌排等措施有關(guān)，從而使土壤養(yǎng)分增加，更有利于微生物的代謝活動。本實驗中還發(fā)現(xiàn)，在種植過地黃而下茬分別輪作菊花和玉米的土壤中，種菊花的土壤脲酶活性高于種植玉米土壤中脲酶活性，分析其主要原因可能是輪作菊花增加了土壤中的根系分泌物，提高了土壤中微生物的活性和根系分泌的胞外酶，導(dǎo)致土壤中的脲酶活性升高[13]。

研究發(fā)現(xiàn)，堿性磷酸酶、多酚氧化酶這兩種酶也參與土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程。堿性磷酸酶活性與土壤微生物呼吸量和總生物量顯著相關(guān)，其活性高低直接與土壤氮、磷、鉀元素的有效性相關(guān)[14]。本實驗中，種植地黃和玉米的土壤中堿性磷酸酶活性在各取樣時間差異不顯著，但種菊花的土壤中堿性磷酸酶活性在205 d時比155 d時是顯著升高的，和脲酶的變化趨勢一致。閆偉明[15]等研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)套作大蒜或青蒜可提高大棚番茄土壤脲酶和堿性磷酸酶的活性。李威[16]等試驗證明，輪作不同蔬菜可以顯著增加大棚番茄連作基質(zhì)中的堿性磷酸酶活性。分析原因可能是輪作作物的土壤相比于連作作物的土壤，是輪作不同的作物向土壤中輸入了更多的物質(zhì)數(shù)量和種類，生物的多樣性增加，土壤中的酶活性也顯著升高，這有利于土壤的良性發(fā)育[17]。

表3 不同種植地黃土壤中多酚氧化酶活性Table 3 Polyphenol oxidase activities of different soils growing Rehmannia glutinosa (μg·g-1 soil)

多酚氧化酶是復(fù)合性酶，可降解土壤中酚類物質(zhì)，減緩植物間的化感作用。研究報道，當(dāng)土壤中水溶性酚含量升高時，多酚氧化酶活性也隨之增強，可以起到制約水溶性酚類物質(zhì)在土壤中積累的作用[18]。本試驗中，種植地黃造成土壤中多酚氧化酶活性升高，種植地黃后下茬分別輪作菊花和玉米的土壤中多酚氧化酶活性，前者低于后者，這說明玉米在生長發(fā)育過程中土壤中積累了較多的水溶性酚，使得多酚氧化酶活性增強，進而可以抑制或減緩?fù)寥乐兴苄苑雍康倪^多積累。這可能是菊花和玉米這兩種不同的作物，在生長發(fā)育過程中不同程度地影響了土壤中微生物的特性和土壤的酶活性。反過來，土壤微生物特性和酶活性也會影響作物的生長發(fā)育。張超等[19]提出，植物殘體腐殖化過程中土壤多酚氧化酶的變化可以分成2類：一類是隨分解過程而降低；另一類則是隨著分解過程而升高，其原因與不同環(huán)境下植物殘體的化學(xué)組成以及植物根系分泌特征有關(guān)。因土壤酶的底物與產(chǎn)物存在互為利用的關(guān)系，至今，一些學(xué)者對土壤酶活性與土壤肥力間的關(guān)系看法仍不一。

4 結(jié) 論

總之，通過本試驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種植地黃后輪作菊花的土壤中，其脲酶、堿性磷酸酶活性高于，但多酚氧化酶活性卻低于輪作玉米的土壤中酶活性。經(jīng)以上分析，可得出結(jié)論種植地黃后輪作玉米比輪作菊花更有利于土壤的良性演化。酶是表征土壤中物質(zhì)、能量代謝旺盛程度和土壤質(zhì)量水平的一個重要生物指標(biāo)，但本研究認為，測定3種相應(yīng)的土壤酶活性，只能間接地了解或預(yù)測某些營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化情況以及土壤肥力的演變趨勢。只用3種土壤酶活性來解釋種植地黃后輪作菊花還是輪作玉米更有利于土壤演化是不夠合理，也不夠科學(xué)。土壤酶活性受環(huán)境、肥料、根際分泌物等多種因素的影響，種植地黃后輪作菊花或輪作玉米對土壤酶活性影響作用的效應(yīng)及機理需要進一步通過生物評價、環(huán)境條件控制試驗及更長期的觀測進行驗證和研究。

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