不同轮作方式对马铃薯土壤酶活性及微生物数量的影响

王丽红，郭晓冬,2，谭雪莲，郭天文

(1.甘肃农业大学园艺学院, 甘肃 兰州 730070； 2.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所, 甘肃 兰州 730070；3.甘肃省农业科学院旱地农业研究所, 甘肃 兰州 730070)



不同轮作方式对马铃薯土壤酶活性及微生物数量的影响

王丽红1，郭晓冬1,2，谭雪莲3，郭天文3

(1.甘肃农业大学园艺学院, 甘肃 兰州 730070； 2.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所, 甘肃 兰州 730070；3.甘肃省农业科学院旱地农业研究所, 甘肃 兰州 730070)

在连续种植2年马铃薯的土壤上进行不同轮作方式田间试验，探讨轮作方式对马铃薯土壤酶活性及土壤微生物数量的影响。试验结果表明：与对照(裸地)相比，小麦-豌豆-马铃薯轮作时土壤过氧化氢酶活性有增加的趋势；豌豆-马铃薯-豌豆轮作条件下，土壤的蔗糖酶活性提高，且在马铃薯成熟期提高幅度最大，为47.95%。轮作条件下土壤多酚氧化酶活性低于连作；轮作方式不同，土壤脲酶活性变化明显，在马铃薯块茎膨大期，豌豆-马铃薯-豌豆轮作方式的土壤脲酶活性比小麦-马铃薯-小麦高14.73%。马铃薯块茎膨大期根区土壤微生物数量测定结果显示：随着连作年限的增加，细菌数量及微生物总量降低，真菌数量升高了54.66%；小麦-豌豆-马铃薯轮作后，土壤中的细菌、放线菌数量最高，分别为6.40×106CFU·g-1和2.22×106CFU·g-1。

马铃薯；轮作方式；土壤酶活性；微生物数量

马铃薯是位居小麦、水稻和玉米之后的世界第四大粮食作物[1]。甘肃省定西地区是马铃薯的主产区，至2014年，全市马铃薯的种植面积达19.47万hm2，总产量为520.07万t。但是由于土地资源的限制，该地区马铃薯连作现象非常普遍，导致作物生长发育不良，抗病能力降低，品质及产量下降，即连作障碍[2]。以往的研究表明，引起作物连作障碍的原因是复杂的，是作物-土壤两个系统内部诸多因素综合作用的结果：土壤病原微生物数量和种类增加、土壤酶活性降低、土壤理化性质下降、土壤养分比例失调、作物根系分泌物的自毒作用等[3]。

土壤酶活性反映了土壤中各种生物化学过程的动向和强度，是评价土壤肥力的参数之一[4]，能够快速响应土地利用方式和管理方式的改变[5]。例如，轮作条件下的土壤转化酶、磷酸酶和脲酶活性常高于单作方式下的土壤[6-7]；吴凤芝等[8]认为：大棚黄瓜、番茄和菜豆轮作土壤的过氧化氢酶、脲酶和转化酶活性显著高于黄瓜连作7年的土壤。土壤微生物在土壤肥力的形成及其植物营养物质转化过程中起到积极的作用[9]。已有报道称，土壤微生物种群结构的失衡，导致了土壤质量的下降和作物的减产[10]。曹莉等[11]研究表明：与种植豆科牧草前相比，轮作牧草后土壤中真菌/细菌最高可降低50.72%。因此，不同作物茬口和栽培方式对土壤酶活性及微生物数量的变化具有十分重要的影响[12-13]。本试验通过探讨马铃薯不同轮作方式下土壤酶活性及微生物数量的变化，旨在揭示马铃薯连作障碍产生的机理，为制定合理的栽培措施提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验于2012—2014年在定西市安定区团结镇唐家堡村进行，该区域海拔2 056～2 447 m，年平均气温6.3℃，年无霜期140 d，年平均降水量415.2 mm，属黄土高原半干旱区。试验前连续种植2年马铃薯土壤(0～20 cm土层)的理化性质见表1。

表1　基础土壤的理化性质

1.2试验设计

试验采用随机区组设计，共设马铃薯连作、轮作及裸地对照等6个处理，试验处理见表2，3次重复，共18个小区，小区面积为54 m2(9 m×6 m)。所有处理统一施肥量，每公顷N∶P2O5∶K2O=210∶90∶60(每小区施尿素、磷酸二铵、氯化钾分别为2.0、1.0、0.5 kg)。供试马铃薯品种为新大坪，小麦为定西40，豌豆为陇豌1号。从2012年开始3月下旬种植小麦、豌豆，小麦种植密度为15万苗·667m-2，穴播机播种；豌豆种植密度为2.5～3.0万苗·667m-2，行距30 cm，开沟撒播；4月中下旬种植马铃薯，密度4 000 株·667m-2。供试材料不进行药剂拌种，整个试验过程不打农药、除草剂等，其余田间管理同当地大田。

1.3测定项目与方法

1.3.1土样采集2014年分别于马铃薯幼苗期、块茎膨大期、淀粉积累期、成熟期采集0～20 cm根区土壤样品，将土样放在荫凉处自然风干，过1 mm筛，4℃保存，用于测定土壤酶活性。在马铃薯块茎膨大期，各处理随机选取植株，采集0～20 cm根区土，将土样过1 mm筛，放入4℃冰箱保存，用于微生物数量的测定。

表2　试验处理

1.3.2测定方法酶活性的测定参照关松荫的方法[14]。过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法；多酚氧化酶采用碘量滴定法；脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法；蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸法。

细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；真菌采用马丁氏培养基；放线菌的测定采用改良高氏1号培养基。采用稀释平板计数法[15]测定细菌(10-4)、真菌(10-2)、放线菌(10-4)的数量，每个稀释度重复3次，28℃恒温培养，细菌培养36 h，真菌培养3 d，放线菌培养5 d，取出计数。

1.4数据处理

试验数据采用Excel 2007进行数据统计；采用SPSS 19.0进行显著性分析。

2　结果与分析

2.1不同轮作方式对土壤过氧化氢酶活性的影响

土壤中过氧化氢的积累会对作物和土壤产生毒害作用，而过氧化氢酶能够促进过氧化氢分解为水和氧气，解除过氧化氢的毒害作用[16]。由图1可知：在整个生育期，各处理土壤过氧化氢酶呈现先升高再降低又升高的变化趋势：在马铃薯块茎膨大期各处理的过氧化氢酶活性达到最大值，而在淀粉积累期，土壤过氧化氢酶活性最小。在马铃薯苗期，T1、T4、T5处理的过氧化氢酶活性显著高于CK，T2、T3土壤中的过氧化氢酶活性较CK降低了54.29%、48.82%。在马铃薯块茎膨大期，各处理差异显著，过氧化氢酶活性的大小关系为：T4>T1>T5>T3>T2>CK。在马铃薯淀粉积累期，T2、T4与对照差异不显著，T1、T3和T5处理的过氧化氢酶活性显著低于CK。在马铃薯成熟期，除T5与CK差异不显著外，其他处理的值均低于CK。总体来看，在整个生育期，与对照(裸地)相比，小麦-豌豆-马铃薯轮作时土壤过氧化氢酶活性有增加的趋势；豌豆-马铃薯-豌豆轮作条件下，土壤的过氧化氢酶活性降低。

图1不同轮作方式对土壤过氧化氢酶活性的影响

Fig.1The impacts of different crop rotations on soil catalase activities

2.2不同轮作方式对土壤多酚氧化酶活性的影响

土壤多酚氧化酶参与有机质的转化和腐殖质的形成，活性过高会阻碍有机质矿化过程中产生的酚类中间产物进一步合成腐殖质，导致酚类化合物的积累，引起中毒。由图2可见，在马铃薯苗期，T1处理的多酚氧化酶活性最高，较CK升高了57.76%，T3、T4处理与CK相比显著降低了27.59%和17.24%。在马铃薯块茎膨大期，各处理的多酚氧化酶活性均低于CK，T1、T4处理较CK显著降低了74.58%和21.33%，可能原因是：在此生育期，植株吸收的养分最大，导致酶活性大幅度降低。在马铃薯淀粉积累期，T3处理的多酚氧化酶活性显著低于CK 37.78%，T1、T2和T5的酶活性较CK升高了30.03%、16.64%和12.67%。在马铃薯成熟期，与CK相比，T2、T3处理的多酚氧化酶活性显著降低了23.61%和18.06%。总体而言，马铃薯轮作土壤的多酚氧化酶活性显著低于连作，轮作有利于降低土壤的多酚氧化酶活性。

图2不同轮作方式对土壤多酚氧化酶活性的影响

Fig.2The impacts of different crop rotations on soil polyphenol oxidase activities

2.3不同轮作方式对土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶促进土壤氮素的转化，土壤脲酶活性的高低直接反映土壤的供氮能力。从图3可以看出，在马铃薯苗期，T1、T4处理的脲酶活性较CK显著高出24.11%、5.99%，T5处理较CK显著降低了3.67%。在马铃薯块茎膨大期，除T2处理外，其他处理的脲酶活性均显著高于CK，且T4处理的脲酶活性最高，较CK升高了17.71%。在马铃薯淀粉积累期，各处理脲酶活性的大小为：T3>T2>T1>T4>T5>CK。在马铃薯成熟期，各处理的脲酶活性均较CK升高，其中T3处理显著升高了10.34%，升高幅度最大。总体来看，T3(豌豆-马铃薯-豌豆)土壤的脲酶活性显著高于T2(小麦-马铃薯-小麦)，在马铃薯块茎膨大期升高了14.73%。

2.4不同轮作方式对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶是土壤碳代谢的关键酶，可以增加土壤中易溶性营养物质，能够表征土壤生物学活性的强度。由图4可见，在马铃薯苗期，T3处理的蔗糖酶活性最大，较对照显著升高了13.62%，T1、T2、T4和T5分别较CK显著降低了15.57%、6.71%、24.20%和10.86%。在马铃薯块茎膨大期，T2、T3、T4与CK差异不显著，T1和T5处理的蔗糖酶活性分别较CK提高了11.59%和29.22%。在马铃薯淀粉积累期，各处理差异显著，蔗糖酶活性的大小为：T3>T4>T2>T1>T5>CK。在马铃薯成熟期，各处理的蔗糖酶活性显著高于CK，T3处理与CK相比显著提高了47.95%，各处理蔗糖酶活性的大小关系为：T3>T2>T4>T1>T5>CK。总体而言，豌豆-马铃薯-豌豆轮作后，土壤的蔗糖酶活性显著提高。

图3不同轮作方式对土壤脲酶活性的影响

Fig.3The impacts of different crop rotations on soil urease activities

2.5不同轮作方式对马铃薯块茎膨大期土壤微生物数量的影响

由表3可知，各处理马铃薯块茎膨大期根区土壤中细菌的数量均高于CK，除T2处理与CK差异不显著外，T1、T3、T4和T5处理分别较CK显著升高175.90%、280.12%、285.54%和239.16%；各处理细菌数量的大小关系为：T4>T3>T5>T1>T2。土壤中真菌数量的变化差异较大，与CK相比，各处理的真菌数量均有不同程度的升高，除T2处理外，其他处理的真菌数量均显著高于CK，各处理真菌数量的大小依次是T1>T5>T4>T3>T2，T1处理较T5处理显著升高了54.66%。与CK相比，马铃薯块茎膨大期根际土壤中各处理放线菌的数量均有不同程度的显著升高，其中T4处理的升高幅度最大，比CK显著升高了76.19%，T2、T3与T5之间差异不显著。各处理微生物总量的大小关系为：T4>T3>T5>T1>T2>CK。总体而言，与小麦-马铃薯-马铃薯相比，马铃薯连作三年的细菌数量及微生物总量显著降低，真菌数量显著升高了54.66%。小麦-豌豆-马铃薯轮作条件下，土壤的细菌、放线菌数量最高，分别为6.40×106CFU·g-1和2.22×106CFU·g-1。

图4　不同轮作方式对土壤蔗糖酶活性的影响

3　结论与讨论

土壤酶具有加速土壤生化反应速率的功能，是土壤中的生物催化剂[17]。目前，国内外学者已对土壤酶活性做了大量研究，但是不同的作物酶活性的变化规律不同。

黄玉茜等[18]研究表明：随着花生连作年限的增加，过氧化氢酶活性下降。白艳茹[19]等认为，土壤蔗糖酶和脲酶活性随连作年限的增加呈下降趋势。本试验研究表明：与对照(裸地)相比，小麦-豌豆-马铃薯轮作时土壤过氧化氢酶有增加的趋势，豌豆-马铃薯-豌豆轮作条件下，土壤的过氧化氢酶活性降低。这与吴凤芝等[8]在设施蔬菜轮作和连作土壤酶活性中的研究结论不符，这可能与轮作方式及种植作物的种类不同有关。在本试验中，豌豆-马铃薯-豌豆轮作后土壤的脲酶活性显著高于小麦-马铃薯-小麦，豌豆-马铃薯-豌豆轮作后，土壤的蔗糖酶活性显著提高。这与樊军，郝明德[13]的研究结论一致，他们认为豆科作物苜蓿、豌豆、红豆草等对土壤酶活性的影响大于小麦、玉米等禾本科作物。这说明马铃薯与豌豆轮作可以提高土壤的酶活性，使土壤中易溶性的营养物质增加，使植物根系更好地吸收与利用。

土壤微生物从群落结构上分为细菌、真菌和放线菌。细菌是土壤微生物中数量最多的一个微生物类群，参与有机质的分解，氨化作用等[20]；真菌在土壤碳素和氮素循环过程中起着巨大作用,主要参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成、氨化作用以及团聚体的形成等[21]，放线菌与土壤肥力以及有机质转化和植物病害防治有着密切关系。

谭雪莲等[22]研究表明：随马铃薯连作年限的增加，土壤中细菌和放线菌数量呈下降趋势，真菌呈上升趋势。董艳等[23]认为，与连作相比，轮作有利于增加土壤细菌、放线菌数量而降低真菌数量。豆科植物因有根瘤，所以常被认为是可以分泌改善土壤微生物结构的物质的作物，Alvey等也指出谷物与豆科植物轮作对根际微生物群落的结构有显著影响[24]。本试验研究表明：马铃薯连作三年的细菌数量及微生物总量显著低于小麦-马铃薯-马铃薯，而真菌数量较小麦-马铃薯-马铃薯显著升高35.34%，说明随着连作年限的增加，细菌数量及微生物总量降低，真菌数量显著升高了54.66%；小麦-豌豆-马铃薯轮作后，土壤中的细菌、放线菌数量最高；轮作条件下，真菌数量显著降低，微生物总量有不同程度的升高，这与上述研究结果一致。也进一步说明，连作降低了微生物的数量，使土壤质量下降，而与豆科作物轮作以后，可以改善土壤微生物的结构，使土壤有利于马铃薯的生长。

由以上可见，不同作物、不同生育期土壤酶活性及微生物数量的变化规律不同。本试验仅对不同轮作方式对土壤酶活性及微生物数量的影响做了初步的分析，最佳种植模式的确定还有待进一步的试验研究。

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Effects of different crop rotations on enzyme activities and microbial quantities in potato soil

WANG Li-hong1, GUO Xiao-dong1,2, TAN Xue-lian3, GUO Tian-wen3

(1.College of Horticulture, Gansu Agricultural University, Lanzhou, Gansu 730070, China;2.InstituteofSoil,FertilizerandWater-savingAgriculture,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070,China;3.InstituteofDrylandAgriculture,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070,China)

Field experiments with different rotations were conducted in the soil where potato had been grown for two years. Soil enzyme activities and the number of microorganisms were tested and calculated during 4 growing periods. The results showed that compared with the control (bare), there was an increasing trend in soil catalase activity by the wheat-peas-potatoes crop rotation. Soil invertase activity was increased by the peas-potatoes-peas crop rotation and the largest increase was 47.95% at the potato maturing stage. Soil polyphenol oxidase activity by crop rotations was lower than that by continuous cropping. Soil urease activity was changed obviously under different crop rotations. The urease activity by the peas-potatoes-peas crop rotation was 14.73% higher than that by wheat-potatoes-wheat rotation during the potato tuber expansion period. The results of root zone soil microorganisms quantities during potato tuber expansion period showed that with the increase of continuous cropping years, the number of bacteria and total microorganisms went declined and fungi quantities were increased by 54.66%. The number of bacteria and actinomyces were the highest by the wheat-peas-potatoes crop rotation reaching values of 6.40×106CFU·g-1and 2.22×106CFU·g-1, respectively.

Potato; crop rotation; soil enzyme activity; microorganism quantity

1000-7601(2016)05-0109-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.17

2015-07-05

国家自然科学基金项目(41161042)；国家科技支持计划(2012BAD05B03)；甘肃省干旱生境作物学重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地开放基金项目(GSCS-2012-13)

王丽红(1988—)，女，甘肃白银人，硕士研究生，研究方向为设施蔬菜。 E-mail:1136908692@qq.com。

郭晓冬，研究员，研究方向为蔬菜栽培生理生态。 E-mail:guoxd11651@163.com。

S154.3

A