种植地黄对土壤中脲酶、多酚氧化酶及碱性磷酸酶活性的影响

李玉华，邓培渊，雷志华，赵 奇(.郑州师范学院 生命科学学院，河南 郑州 450044；.郑州师范学院 郑州市生物物种资源研究中心，河南 郑州 450044)

【研究意义】地黄[Rehmanniaglutinosa(Gaertn.) Libosch.]是玄参科地黄属草本植物，其块根是我国一种常用的大宗中药材。地黄作为最重要的药用植物之一，其栽培历史悠久，经济价值高，种植面积也越来越大，产自河南焦作的怀地黄被称为中国的“四大怀药”之一。然而，地黄的种植却存在非常严重的连作障碍问题。若连作，地黄地下部将形成很多须状根、不能正常膨大形成块根，其经济效益大大降低，每茬收获后须间隔8～10 年才能再种植[1]。但因经济利益的驱使，地黄连作将不可避免，很多农民采取轮作的方式来改善土壤生态系统。目前,研究学者对揭示药用植物及多种果蔬连作障碍问题产生的机理仍存在较大分歧,因植物的连作障碍涉及土壤养分、土壤理化性状、病害、根际微生物、根系分泌物等土壤整个生态系统的变化。土壤生态系统的变化又可以直接或间接影响植物根部对营养成分的吸收和转运,最终影响植物的生长发育及整个生命进程[2]。【前人研究进展】土壤酶是土壤中具有高度催化和突出专一性的生物化学反应催化剂，主要来源于土壤中动植物和微生物活细胞的分泌物以及残体的分解物。研究发现土壤中各营养元素的释放与贮存、腐殖质的形成与发育、以及土壤的结构和物理状况与土壤酶的种类和活性是密切相关的[3]。因此，测定土壤中的多种酶活性可以间接表征土壤的多种理化性质，其活性也可作为评价土壤健康和肥力的重要指标[4-5]。关松荫等[6]研究表明，同种作物对土壤酶活性影响差异较小，但栽培不同种类的作物中土壤酶活性存在明显差异。农药、重金属、除草剂等对土壤酶活性的影响已有较多研究报道[3,7-8]，而对种植地黄的土壤酶活性研究报道较少。【本研究切入点】本文通过在田间试验条件下测定相应的酶活性，初步分析种植地黄的土壤和经过轮作后土壤中相应酶活性的差异，探讨种植地黄的土壤理化性质和肥力状况。【拟解决的关键问题】以期为缓解地黄连作障碍及合理轮作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验设计

供试土壤材料取自河南省焦作武陟农科种业公司的药材田地，土壤为潮土，选用的试验地为紧挨着的4块田地，中间间隔带宽1 m的小路。这4块田地分别为：未种植过地黄的空白地(去年种上葡萄树苗，作对照，CK)；上茬种玉米而改种地黄的头茬土壤(GR)；上茬种地黄而改种菊花(CS)，以及上茬种地黄而改种玉米的土壤(MZ)。这4块田地采用同样的田间管理技术，并随机区组排列，在每块地里选定小区面积25 m2(5 m×5 m)的采样区。在2014年4月20日栽种地黄和菊花，在6月10日播种玉米。在地黄栽种后75 d(苗期)、155 d(膨大期)、205 d(收获期)这3个时间点采集土壤。用五点取样法，距各植株主干10 cm处采集0～15 cm土层的土壤，每个样区5个点的土壤混匀为一个土样，3 次重复，土样放在阴凉通风处晾1 d后过1 mm筛，用无菌塑料袋密封好放4 ℃冰箱保存，尽快测试土壤酶活性。

1.2 测定指标与方法

土壤脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法[9]测定，其活性以37 ℃下培养24 h后1 g土中NH3-N的mg数表示；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法[6]测定，其活性以37 ℃下培养24 h后1 g土壤中释放出酚的mg数表示；多酚氧化酶采用邻苯三酚显色法[6]测定，活性以1 g土壤中生成紫色没食子素的mg数来表示。

1.3 数据分析方法

用Excel 2007录入数据，采用 SPSS 20.0软件进行统计分析和显著性检验。

2 结果与分析

由表1可以看出：脲酶活性，在各个采样时间点，其他3种土壤中脲酶活性均比对照高。对种植地黄的土壤，随着地黄生长期的推进，土壤中脲酶活性显著升高(P<0.05)，且在205 d时比75 d时升高56.1 %。对种菊花的土壤，随着菊花生长期的推进，土壤中脲酶活性在采样时间点也是显著升高的。而对于种玉米土壤中的脲酶活性，其在155 d时比75 d时升高17.9 %，而在205 d时比155 d时降低10.2 %，差异也达到显著水平。

由表2可知，对碱性磷酸酶来说：不同土壤类型，其变化情况较复杂。在种植地黄土壤中，其碱性磷酸酶活性和对照比，差异不显著。对种植菊花土壤，在75和155 d时，其碱性磷酸酶活性均比对照降低37.1 %和35.0 %；在205 d时比对照升高23.3 %，差异达显著水平。对种植玉米土壤，在75和155 d时，其碱性磷酸酶活性均比对照降低33.9 %和28.8 %，差异达显著水平；在205 d时碱性磷酸酶活性和对照差异不显著。

注：同列不同小写字母、同行不同大写字母分别表示样品间差异显著(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 不同种植地黄土壤中碱性磷酸酶活性Table 2 Aalkaline phosphatase activity of different soils growing Rehmannia glutinosa (mg·phenol·g-1 soil)

由表3可以看出，在种植地黄土壤中，多酚氧化酶活性随着地黄生长期的推进显著升高(P<0.05)，且在75、155和205 d时，分别比对照升高68.0 %、92.6 %和2.57倍，差异达显著水平。对种植菊花土壤，随着菊花生长期推进，土壤中多酚氧化酶活性是降低的；在155 d时比75 d时降低36.0 %，在205 d时比155 d时降低45.5 %；但在75 和155 d时分别比对照高2.44 和1.04倍，差异达显著水平。对于种玉米土壤中的多酚氧化酶活性，在155 d时比75 d时降低31.0 %，在205和155 d时差异不显著。在75 和155 d时分别比对照高2.48 和1.22倍，差异达显著水平。

3 讨 论

脲酶是土壤中的主要酶类之一，它能加速土壤有机质的化学反应，是唯一可转化尿素肥料的酰胺酶，活性高低与土壤营养物质转化能力、肥力水平、污染状况密切相关。尿素施入土壤后，在脲酶的催化作用下，迅速水解成 CO2和NH3，从而导致土壤pH值的升高和氨的释出，能够产生亚硝酸盐和氨的毒害，伤害幼苗，并引起尿素氮以氨形式的气体损失，所以脲酶活性过高对土壤肥力及作物的生长是不利的。彭星[10]等研究发现除草剂对土壤脲酶活性有激活作用；陈慧[11]等发现，种植地黄的土壤和连作地黄的土壤中脲酶活性都显著高于对照；张洁莹等[12]发现套作糯玉米可以提高连作菜田土壤中的脲酶活性。本试验中种植过地黄的土壤脲酶活性是显著高于对照的，其他3种土壤随着作物生育期的推进脲酶活性是逐渐增加的，这种现象可能与作物生长期施肥、灌排等措施有关，从而使土壤养分增加，更有利于微生物的代谢活动。本实验中还发现，在种植过地黄而下茬分别轮作菊花和玉米的土壤中，种菊花的土壤脲酶活性高于种植玉米土壤中脲酶活性，分析其主要原因可能是轮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，导致土壤中的脲酶活性升高[13]。

研究发现，碱性磷酸酶、多酚氧化酶这两种酶也参与土壤有机质的转化过程。碱性磷酸酶活性与土壤微生物呼吸量和总生物量显著相关，其活性高低直接与土壤氮、磷、钾元素的有效性相关[14]。本实验中，种植地黄和玉米的土壤中碱性磷酸酶活性在各取样时间差异不显著，但种菊花的土壤中碱性磷酸酶活性在205 d时比155 d时是显著升高的，和脲酶的变化趋势一致。闫伟明[15]等研究发现，连续套作大蒜或青蒜可提高大棚番茄土壤脲酶和碱性磷酸酶的活性。李威[16]等试验证明，轮作不同蔬菜可以显著增加大棚番茄连作基质中的碱性磷酸酶活性。分析原因可能是轮作作物的土壤相比于连作作物的土壤，是轮作不同的作物向土壤中输入了更多的物质数量和种类，生物的多样性增加，土壤中的酶活性也显著升高，这有利于土壤的良性发育[17]。

表3 不同种植地黄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)

多酚氧化酶是复合性酶，可降解土壤中酚类物质，减缓植物间的化感作用。研究报道，当土壤中水溶性酚含量升高时，多酚氧化酶活性也随之增强，可以起到制约水溶性酚类物质在土壤中积累的作用[18]。本试验中，种植地黄造成土壤中多酚氧化酶活性升高，种植地黄后下茬分别轮作菊花和玉米的土壤中多酚氧化酶活性，前者低于后者，这说明玉米在生长发育过程中土壤中积累了较多的水溶性酚，使得多酚氧化酶活性增强，进而可以抑制或减缓土壤中水溶性酚含量的过多积累。这可能是菊花和玉米这两种不同的作物，在生长发育过程中不同程度地影响了土壤中微生物的特性和土壤的酶活性。反过来，土壤微生物特性和酶活性也会影响作物的生长发育。张超等[19]提出，植物残体腐殖化过程中土壤多酚氧化酶的变化可以分成2类：一类是随分解过程而降低；另一类则是随着分解过程而升高，其原因与不同环境下植物残体的化学组成以及植物根系分泌特征有关。因土壤酶的底物与产物存在互为利用的关系，至今，一些学者对土壤酶活性与土壤肥力间的关系看法仍不一。

4 结 论

总之，通过本试验的结果发现，种植地黄后轮作菊花的土壤中，其脲酶、碱性磷酸酶活性高于，但多酚氧化酶活性却低于轮作玉米的土壤中酶活性。经以上分析，可得出结论种植地黄后轮作玉米比轮作菊花更有利于土壤的良性演化。酶是表征土壤中物质、能量代谢旺盛程度和土壤质量水平的一个重要生物指标，但本研究认为，测定3种相应的土壤酶活性，只能间接地了解或预测某些营养物质的转化情况以及土壤肥力的演变趋势。只用3种土壤酶活性来解释种植地黄后轮作菊花还是轮作玉米更有利于土壤演化是不够合理，也不够科学。土壤酶活性受环境、肥料、根际分泌物等多种因素的影响，种植地黄后轮作菊花或轮作玉米对土壤酶活性影响作用的效应及机理需要进一步通过生物评价、环境条件控制试验及更长期的观测进行验证和研究。

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