牡丹不同連栽年限對土壤酶活性的影響

周艷冰，崔寧潔，郭翼欣，肖 敏，蔣 羅，胡 坤，張貴亮，楊禮通*

(1.成都市彭州市規(guī)劃和自然局,成都 611930；2.四川省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃院,成都 610084；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué),成都 611130)

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)，別名鹿韭、白術(shù)、富貴花[1]，為芍藥科芍藥屬多年生落葉灌木[2]，花色艷麗，因其多樣化的價值如觀賞、藥用、食用等而得到廣泛栽種[3-4]。中國牡丹資源特別豐富，栽培集中于菏澤、洛陽、四川等地。四川彭州是我國現(xiàn)代三大牡丹聚集區(qū)之一，也是我國牡丹西南品種群的分布中心[5]。連栽是指在同一地區(qū)連續(xù)種植多年后，導(dǎo)致相關(guān)植物生長不良、病蟲害嚴(yán)重、減產(chǎn)、品質(zhì)差。此外，還會導(dǎo)致植株死亡[6-7]。如茄子、黃瓜、番茄、辣椒等作物連栽后耕層土壤氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素積累，鹽分增加，土壤酸化[8-11]，土壤酶活性下降，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)受阻[11-12]。目前的研究結(jié)果表明，牡丹種植年限越長其根際微生物種群結(jié)構(gòu)就越趨于簡單，有益菌的數(shù)量逐漸減少[13]。

土壤酶在土壤生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用，它和土壤微生物是土壤中重要的生物活性物質(zhì)。土壤中的生化反應(yīng)都是在酶催化下進(jìn)行的[13-14]，研究表明，土壤酶活性可以反映土壤中各種生化過程的強(qiáng)度和方向，是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[15]。土壤中的微生物數(shù)量與土壤酶活性有一定的相關(guān)性；土壤微生物越多，土壤酶活性越高[16]。目前有關(guān)牡丹連栽的土壤酶活性變化尚無研究，本試驗以連栽牡丹根際和非根際酶活性的變化為基礎(chǔ)，旨在為牡丹種植和生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于彭州市天彭牡丹保育中心(103°10′E～103°40′E，30°54′N～31°26′N)，該研究區(qū)位于四川盆地亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣候溫潤，季節(jié)性明顯。年均氣溫15.9 ℃，無霜期長，雨量充沛，年均降水量為867 mm，降水季節(jié)分配不均，多集中于7～9月份，雨熱同期，日照偏少，日照時數(shù)為1131h。以種植1年(F1)、2年(F2)、3年(F3)和4年(F4)的根際和非根際土壤為研究對象。

表1 樣地基本情況

1.2 土樣采集和處理

2022年3月12日進(jìn)行樣品采集，在4個年限的研究樣方地中，將每一個年限的樣地劃分為3個取樣點(diǎn)，再在每個取樣點(diǎn)中去除表面枯落物，以地面為基準(zhǔn)，采用五點(diǎn)取樣法用土鉆采集非根際土樣混合均勻后放置于無菌封口袋中密封保存。再從每個取樣定中取出5株牡丹將根際表面土壤輕刷下混合均勻。封口袋中密封保存。將采集后的土樣，放入冷藏泡沫盒送至實驗室。在無菌環(huán)境下土樣自然風(fēng)干，過0.2mm網(wǎng)篩，進(jìn)行土壤酶活性的相關(guān)測定。

1.3 土壤性質(zhì)及酶活性測定方法

土壤脲酶：采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法。土壤蔗糖酶：采用3，5-二硝基水楊酸比色法。土壤酸性磷酸酶：采用磷酸苯二鈉比色法。土壤過氧化氫酶：采用容量法。土壤pH：使用pH計測量。土壤含水量：采用稱重法。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 26.0和Excel 2019對酶活性的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析，借助Origin2018作出標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線和測定樣品中的分光光度計讀數(shù)測出酶活性。并對5種酶活性借助柱狀圖進(jìn)行分析。土壤酶活性之間的相關(guān)性采用Person雙尾顯著性檢測(顯著性水平設(shè)置為P=0.05)，對酶活性的根際與非根際。同一種酶不同時間活性差異差異采用單因素方差分析 (One-way) ANOVA及最小顯著差異法(LSD)檢驗，顯著性水平設(shè)為P=0.05。

2 試驗結(jié)果

2.1 不同連栽年限下土壤蔗糖酶活性特征

根際與非根際土壤蔗糖酶的活性大小分布在0.01～0.30的區(qū)間之中(圖1)，多數(shù)集中在0.10～0.25的區(qū)間之中。土壤中的非根際蔗糖酶活性大于土壤中的根際蔗糖酶活性的39.64%，尤其是連栽的2年(F2)、3年(F3)和4年(F4)分別高出了41.9%、72.6%和26.1%。在牡丹連栽4年后土壤蔗糖酶活性在根際降低了54.8%，非根際降低了59.9%。隨著連栽的年限增加土壤中蔗糖酶在非根際呈現(xiàn)先增后減的變化，在根際出現(xiàn)先減后增的變化。在同一部位下1年(F1)、2年(F2)和3年(F3)的土壤酶活性差異顯著，根際土壤酶活性差異顯著，非根際土壤酶活性差異不顯著。

圖1 不同年限土壤根際與非根際蔗糖酶活性

2.2 連栽模式下土壤過氧化氫酶活性比較

土樣中的土壤過氧化氫酶活性分布在0.05～0.50的區(qū)間之中，多數(shù)集中在0.20～0.35的區(qū)間之中(圖2)。土壤中根際的過氧化氫酶活性整體大于非根際過氧化氫酶活性。在連栽年限的1年(F1)、2年(F2)、3年(F3)和4年(F4)年分別高出了11.3%、6.4%、54.4%和39.8%。在牡丹連栽4年后土壤過氧化氫酶活性在根際降低了29.1%，非根際降低了51.9%。隨著連栽的年限增加土壤中過氧化氫酶在根際和非根際酶活性降低。

圖2 不同年限土壤根際與非根際過氧化氫酶活性

2.3 連栽模式下土壤脲酶活性比較

土樣中的土壤脲酶活性分布在0.01～0.30的區(qū)間之中，多數(shù)集中在0.10～0.25的區(qū)間之中(圖3)。土壤中的脲酶活性在根際土的活性大于非根際土壤中的34.99%，在連栽年限的1年(F1)、2年(F2)、3年(F3)和4年(F4)年分別高出了11.3%、6.4%、54.4%和39.8%。隨著種植的年限的增加根際土壤酶活性呈現(xiàn)出減少的趨勢，非根際土壤酶活性呈現(xiàn)出現(xiàn)減少后增的趨勢，在連栽4年后土壤酶活性在根際土壤與非根際土壤分別降低了59.9%和72.8%。

圖3 不同年限土壤根際與非根際脲酶活性

2.4 連栽模式下土壤酸性磷酸酶活性比較

土樣中的土壤酸性磷酸酶活性分布在0.01～0.30的區(qū)間之中，多數(shù)集中在0.10～0.25的區(qū)間之中(圖3)。土壤中非根際酸性磷酸酶大于根際土壤酸性磷酸酶，在連栽1年(F1)、2年(F2)、3年(F3)和4年(F4)年分別高出了11.3%、6.4%、54.4%和39.8%。根際酶活性先增加后減少，非根際土酶活性一直增加，在連栽4年后土壤酶活性在非根際與根際分別降低了29.1%和51.9%。在同一部位下1年(F1)和2年(F2)的土壤酶活性差異顯著，且在根際與非根際酶活性差異顯著。

2.5 連栽模式下土壤纖維素酶活性比較

土樣中的土壤纖維素酶酶活性分布在0.1～0.90的區(qū)間之中(圖5)，多數(shù)集中在0.30～0.70的區(qū)間之中。土壤中根際纖維素酶活性總體大于非根際土壤，在連栽年限的1年(F1)、2年(F2)、3年(F3)和4年(F4)年分別高出了5.8%、36.7%、28.9%和14.6%。隨著種植的年限的增加根際和非根際酶活性都呈現(xiàn)出增加的趨勢，在連栽4年后土壤酶活性在非根際與根際分別增加了64.1%和67.4%。在同一部位下2年(F2)和3年(F3)的土壤酶活性差異顯著，且在根際與非根際酶活性差異顯著。

圖5 不同年限土壤的纖維素酶活性

2.6 連栽模式下土壤酶活性相關(guān)性分析

連栽條件下，牡丹土壤纖維素酶與酸性磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.51和0.16(表2)。土壤纖維素和蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶，酸性磷酸酶和蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶，蔗糖酶和脲酶之間呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.63、-0.60和-0.70，-0.06、-0.56、-0.68，-0.03。在連栽模式下牡丹的土壤脲酶和過氧化氫酶之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系，顯著系數(shù)為0.81(P<0.05)。

表2 土壤微生物生物量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

3 討論

蔗糖酶催化蔗糖水解為果糖和葡萄糖，存在于動物、植物和微生物中[20-21]。實驗得出，土壤中酶活性在非根際先升高后降低，在根際酶活性降低。與前人[22]對不高寒草原土壤退化中對土壤酶活性測定的結(jié)果相似，土壤酶活性的降低會出現(xiàn)在在草甸退化之后才會發(fā)生，而并不是在一開始降低，因為土壤具有一定穩(wěn)定性，和抗退化能力，所以植被演變往往與土壤變化不同步，而本實驗也有相同的結(jié)果。

過氧化氫酶在一定程度上，其活性表征土壤氧化能力[24-26]。根際過氧化氫酶活性整體高于非根際，連栽4年后土壤過氧化氫酶活性下降，說明土壤微生物呼吸強(qiáng)度與植物分布有關(guān)，土壤根際氧化能力減弱。

土壤脲酶催化尿素水解產(chǎn)生氨和碳酸，土壤脲酶可以反應(yīng)土壤的氮素狀況[27-28]。連栽種植模式下牡丹土壤中的土壤脲酶活性隨著年限的增加脲酶也隨之減少。前人在連栽研究中張麗娜[29]等對5年甜瓜連栽土壤的脲酶活性發(fā)現(xiàn)，脲酶活性下降31.25%，牡丹連栽導(dǎo)致土壤中脲酶活性降低，這也與前人得出的結(jié)論相似說明連栽使土壤中氮循環(huán)受阻，養(yǎng)分供應(yīng)能力下降。

土壤蔗糖酶能夠直接影響作物的生長[30-31]。連栽種植模式下牡丹土壤中的蔗糖酶活性有較大的變化，隨著種植的年限的增加根際酶活性呈現(xiàn)出減少的變化趨勢，非根際土酶活性呈現(xiàn)出現(xiàn)減少后增的變化趨勢。

纖維素酶能夠直接影響土壤中有機(jī)碳的分解和含量[33-34]。在連栽種植模式下，牡丹土壤纖維素酶活性隨年限的增加而明顯增加，土壤表層活性低于土壤根際活性。張麗華和馬利平的研究表明[35-37]，土壤纖維素分解菌的分布與植株有密切的關(guān)系。土壤纖維素分解菌在植物附近數(shù)量較多。前人在連栽研究中對土壤理化性質(zhì)分析中[38-39]，根系附近的土壤，有機(jī)碳含量也高，所以出現(xiàn)了根際酶活性大于非根際酶活性的趨勢。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

(1)牡丹連年種植下5種土壤酶活性總體上酸性磷酸酶>過氧化氫酶>纖維素酶>蔗糖酶>脲酶。

(2)在土壤酶根際和非根際酶活性對比中發(fā)現(xiàn)，過氧化氫酶根際比非根際高32.71%，脲酶根際比非根際高34.99%，酸性磷酸酶根際比非根際低3.55%，纖維素酶根際比非根際低29.45%，蔗糖酶根際比非根際低39.64%。

(3)牡丹4年連栽年后與第一年的酶活性比較酸性磷酸酶活性在非根際與根際降低了29.1%，51.9%。過氧化氫酶活性在根際與非根際分別降低了54.8%和59.9%、纖維素酶在非根際與根際分別增加了64.1%和67.4%。蔗糖酶在在根際與非根際分別降低了5.7%和59.7%。脲酶在根際與非根際分別降低了59.9%和72.8%。

(4)連栽條件下牡丹的土壤纖維素酶與酸性磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶兩兩之間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.51、0.16。土壤纖維素和蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶，酸性磷酸酶和蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶，蔗糖酶和脲酶兩兩之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.63、-0.60、-0.70，-0.06、-0.56、-0.68，-0.03。在連栽模式下牡丹的土壤脲酶和過氧化氫酶之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系，顯著系數(shù)為0.81。

4.2 展望

土壤酶在土壤生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用，土壤酶活性是評價土壤質(zhì)量的重要參數(shù)之一。文章從連栽4年的牡丹的土壤根際與非根際酶活性的比較中初步分析了連栽對牡丹土壤質(zhì)量的影響，但要更加深入探索牡丹連栽對土壤的影響，還需對牡丹連栽(研究的時間、增加微生物生物量和土壤理化性質(zhì))作更進(jìn)一步研究。