木薯叶化感作用对土壤养分、酶活性的影响研究

李 静，何时雨，刘世伟，林希昊，郑永清，刘 青

（1.中国热带农业科学院广州实验站，广东 广州 510140；2.华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642）

【研究意义】 土壤是植物生长的基本基质，也是植物种间关系的介质，土壤的分解活动能够改变养分矿化速率，影响内部养分含量及酶活性，进而影响整个植物群落[1]。杂草会造成生态系统破坏，降低作物产量，造成经济损失，土壤环境影响农田杂草的种类和数量[2]。植物分泌化感物质会改变土壤理化性质、酶活性和微生物群落结构，进而影响周边其他植物的吸收和生长[3-5]，研究化感作用对土壤养分、酶活性的影响对于揭示植物之间的相互作用及利用作为杂草控制具有重要意义。【前人研究进展】 研究发现，酚酸类化感物质会直接影响土壤生态系统营养元素的循环[6-7]，土壤中化感物质阿魏酸浓度增加，会降低土壤微生物数量，土壤酶活性以及土壤养分包括有机质、铵态氮、有效磷和速效钾含量[8]。香草醛和对羟基苯甲酸能够降低土壤有效氮和速效钾的含量，萜类化感物质也能改变营养循环速率，特别是氮和碳源物质的循环速率[9-10]。邰凤娇等[11]发现，外来入侵植物苍耳水提液处理能够显著提高土壤速效氮和速效钾的含量，并且增加土壤脲酶和蔗糖酶的活性；吕可等[12]研究发现，花椒叶水浸液会使根际土蛋白酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性明显低于非根际土相应的酶活性，而过氧化氢酶和多酚氧化酶活性则显著升高。香樟凋落物分解能够明显改变土壤氮营养状况，对受体植物辣椒的生长、生殖光合生理和活性氧代谢起到明显的干扰作用[13]。广藿香连作化感作用对土壤产生的影响会进一步影响其本身扦插苗不定根的形成和发展[14]；地黄的连作障碍是一个涉及植物、土壤、微生物等多种生物及环境因素共同作用的过程[15]。化感作用可以改变土壤微生物群落结构，影响土壤酶的种类、活性以及土壤养分的有效性，从而进一步影响植物的吸收利用[16]。

【本研究切入点】 木薯叶具有化感作用[17]，而化感作用是植物通过向环境释放化学物质而对其他植物产生影响，利用化感作用能够进行自然杂草控制[18]。木薯种植过程中会产生大量的木薯叶，而这些木薯叶大部分以凋落物形式进入土壤，为此，本研究就木薯化感作用对土壤养分、酶活性的影响进行研究。【拟解决的关键问题】 本研究设计不同的木薯叶浸提液浓度处理木薯园土壤，在不同的处理期采集土壤，选择土壤养分（pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾）和酶活性（脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶）评价木薯叶化感对土壤的影响，旨在揭示化感作用通过影响土壤指标在杂草控制上起作用的可能性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验木薯园种植品种为可食用木薯品种华南9号，由中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所培育，于2018年4月底开始种植于避雨大棚，试验地点设在广州市花都区花东镇四联村中国热带农业科学院广州实验站基地，种植前土壤打碎混匀，保证种植起始条件均匀一致。

1.2 试验方法

选取植株中部生长无虫瘿的成熟叶片，将收获的木薯叶片于阴凉处放置，随时翻动，直至阴干。设置3种不同浓度的水提液（0.025、0.05、0.1 g/mL）（以干重计）处理，以不浇浸提液为对照。3次重复，小区面积9 m2（ 3 m×3 m），种植株行距（1 m×1 m）每个小区均为4株（3 m）×4株（3 m）。小区土壤上层20 cm打碎混匀，太阳能高温暴晒2周消毒。每个地块底层于40 cm处埋入防雨布用于防止各地块间水提液渗透。将木薯叶片用剪刀剪成2 cm×2 cm以下大小，于蒸馏水中浸提24 h，然后用纱布过滤，制作0.025、0.05、0.1 g/mL 3种浓度浸提液。在木薯生长期7月中旬开始进行水提液处理，整个处理期为4个月，每周浇灌浸提液1次，每株浇灌500 mL。处理1个月（8月17日）、2个月（9月17日）、4个月（11月20日）分别采集3次土壤样品进行测定。

土壤采集采用传统挖掘法，采集小区中央4株木薯根围附近土壤（0～20 cm）五点混合，避开边际株，每个小区土壤混合作为一个样品。参照《土壤农业化学分析方法》[19]土壤pH值用pH计测定；有机质用重铬酸钾容量法-外加热法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷采用盐酸-氟化铵提取-钼锑抗比色法；速效钾采用乙酸铵提取-火焰原子吸收分光光度法；土壤脲酶采用比色法；土壤磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法；过氧化氢酶活性采用容量法测定。

数据统计采用SPSS11.5一元方差分析（LSD法），采用Microsoft Excel 2000软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 木薯叶化感对木薯根际土壤养分的影响

2.1.1 土壤pH和有机质含量 土壤pH能影响植物对其他养分的吸收，进而影响其他植物生长及整个群落组成。整体来看，施用木薯叶浸提液pH稍微有所增高，但差异不显著。可见，木薯叶化感作用对土壤pH影响不大（表1）。

表1 木薯叶化感作用对土壤pH的影响Table 1 Effects of cassava leaf allelopathy on soil pH

木薯根际土壤在施用木薯叶浸提液处理后，有机质含量随木薯叶浸提液浓度的增加产生变化，有机质含量随浓度的升高整体呈现先升高后降低的趋势（表2）。土壤有机质是评价土壤质量的重要指标，从测定结果可以看到，适当浓度（0.05 mg/mL）的木薯叶浸提液化感作用有助于土壤有机质的释放，有机质含量要显著高于对照，处理1、2、4个月分别比对照高223%、165%和145%。而高浓度（0.1 mg/mL）的化感浸提液处理则会对有机质的释放起到阻碍作用。

表2 木薯叶化感作用对土壤有机质含量的影响Table 2 Effects of cassava leaf allelopathy on soil organic content（g/kg）

2.1.2 土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量 土壤碱解氮表现出与有机质含量相似的结果（表3），适当浓度（0.05 mg/mL）的木薯叶浸提液化感作用能够增加土壤碱解氮含量，高浓度（0.1 mg/mL）的浸提液则会降低土壤碱解氮含量。处理1个月0.025、0.05、0.1 mg/mL浓度浸提液处理土壤碱解氮含量分别比对照高28.99%、135.09%和129.87%。处理2个月低浓度（0.025 mg/mL）处理碱解氮含量有所降低，但0.05、0.1 mg/mL处理比对照分别高70.77%和23.76%。处理4个月表现与处理2个月相似的趋势，0.025 mg/mL处理碱解氮含量稍微有所下降，但与对照差异不显著。0.05、0.1 mg/mL处理比对照分别高65.41%和39.09%。

表3 木薯叶化感作用对土壤碱解氮含量的影响Table 3 Effects of cassava leaf allelopathy on soil alkaline nitrogen content（mg/kg）

土壤有效磷能够反映土壤的供磷水平，整体来看，木薯浸提液化感作用能够显著提高土壤的供磷水平（表4），在浸提液浓度为0.05 mg/mL时，处理1个月和2个月有效磷含量分别比对照高307.52%和47.85%。处理4个月各处理与对照之间差异不显著，有效磷含量基本处于稳定。因此，在木薯的特定生长期，木薯叶化感作用能够影响土壤的有效磷含量。

表4 木薯叶化感作用对土壤有效磷含量的影响Table 4 Effects of cassava leaf allelopathy on soil effective phosphorus content（mg/kg）

木薯叶化感作用整体上提高土壤速效钾含量，无论是处理1个月、2个月还是4个月，化感作用对土壤速效钾含量影响显著（表5）。处理1个月土壤速效钾含量随木薯叶浸提液浓度的升高而升高，且达到显著差异，0.025、0.05、0.1 mg/mL浓度浸提液处理分别比对照高147.25%、206.81%和264.88%。处理2个月土壤速效钾含量随浸提液浓度呈先升高后下降的趋势，各浓度处理分别比对照高41.28%、71.69%和34.73%。处理4个月各浓度处理之间土壤速效钾含量差异显著，但比处理2个月速效钾含量要低，可能是由于木薯生长吸收土壤养分导致土壤速效钾含量降低。

表5 木薯叶化感作用对土壤有效钾含量的影响Table 5 Effects of cassava leaf allelopathy on soil effective potassium content（mg/kg）

2.2 木薯叶化感对土壤酶活性的影响

2.2.1 土壤脲酶活性 土壤脲酶能够促进肽键的水解，脲酶活性与土壤微生物数量，有机质含量和速效氮呈正相关关系，参与土壤含氮有机化合物的转化，活性强度常用来表示土壤氮素供应强度和氮素的有效化水平。因此，测定土壤脲酶活性具有重要的意义。由表6可知，脲酶活性在用木薯叶浸提液处理1个月、2个月、4个月表现出来的趋势不同，但整体看来，化感作用提高土壤脲酶活性。低浓度（0.025 mg/mL）浸提液对土壤脲酶活性影响不大，随浸提液浓度升高脲酶活性增强。0.05和0.1 mg/mL浓度下脲酶活性在处理1个月时分别比对照高74.49%和155.56%；处理2个月时比对照高82.13%和243.69%；处理4个月时分别比对照高163.08%和235.82%。

表6 木薯叶化感作用对土壤脲酶NH4+-N活性的影响Table 6 Effects of cassava leaf allelopathy on soil urease NH+-N activity（mg/kg）

2.2.2 土壤酸性磷酸酶活性 酸性磷酸酶活性与土壤有效磷含量呈正相关关系，能够酶促分解土壤含磷化合物。从表7可以看出，木薯叶浸提液处理1个月对土壤酸性磷酸酶活性影响不大，各处理之间差异不显著。处理2个月和4个月其化感作用整体促进土壤酸性磷酸酶活性，并且处理结果显著高于对照。中浓度（0.05 mg/mL）和高浓度（0.1 mg/mL）浸提液处理能够显著提高土壤酸性磷酸酶活性。

表7 木薯叶化感作用对土壤酸性磷酸酶P2O5活性的影响Table 7 Effects of cassava leaf allelopathy on soil acid phosphatase P2O5 activity（mg/kg）

2.2.3 土壤过氧化氢酶活性 土壤过氧化氢酶能够促进土壤多种化合物的氧化，有利于防止过氧化氢积累对生物体的毒害。整体来讲，随着化感作用增强，土壤过氧化氢酶活性增强（表8）。处理1个月3种浓度木薯叶浸提液能显著提高土壤过氧化氢酶活性，且浓度越大，活性越强，3种浓度处理后过氧化氢酶活性分别比对照高74.56%、244.55%和242.33%。处理2个月低浓度（0.025 mg/mL） 处理过氧化氢酶活性与对照差异不大，中高浓度（0.05、0.1 mg/mL）处理显著增强土壤过氧化氢酶活性，分别比对照高468.89%、327.32%。处理4个月后，浸提液浇灌土壤的过氧化氢酶活性中高浓度（0.05、0.1 mg/mL）分别比对照高142.58%、135.97%。

表8 木薯叶化感作用对土壤过氧化氢酶活性的影响Table 8 Effects of cassava leaf allelopathy on catalase activity（mL/g）

3 讨论

植物所生长的环境因素与土壤化感作用密切相关，化感作用能够影响土壤养分和其他因素的的有效性[20]。本研究中木薯叶片浸提液处理土壤能够对土壤养分、酶活性产生影响，浸提液浓度变化对土壤指标也起到较大作用，因而木薯叶化感作用对土壤养分及酶活性的影响有可能被利用成为木薯园生态系统杂草控制的潜力因素。植物分泌化感物质能够进行着各种生物化学过程，改变土壤微生物区系，影响土壤微生物酶活性[21]，整体改变土壤环境因素，进而影响与其共生的其他植物生长乃至整个生态系统的组成。已有大量的研究结果证实，如花椒凋落物释放的酚酸类化感物质会改变土壤微生态环境和化学性质，降低土壤铵态氮的含量，加速土壤有机磷和碳素的循环[22]。豆科植物也能被土壤化感作用影响，根系微生物种类的共生和结瘤，对豆科植物氮固定具有很大的影响。木薯生长过程中产生大量木薯叶，所含的化感物质属于一种天然的除草剂，来自于植物体，是环境长期选择的结果，通过植物化感作用影响土壤环境对杂草的控制效果是进行农业生态系统管理的重要方法，不会对环境造成不利影响，是农业中极具开发价值的环保型农药[23-24]。

4 结论

本研究结果表明，木薯浸提液化感作用对土壤养分指标除pH外，对其他指标均有不同程度影响。其中有机质和碱解氮含量随着浸提液浓度的大小先升高后降低，中高浓度浸提液能显著提高土壤有效磷和速效钾含量。木薯叶浸提液化感作用会提高土壤酶活性，中高浓度整体上能显著提高土壤脲酶，酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性。因此，木薯叶化感作用能够对土壤环境产生影响，有可能进一步在农田杂草控制上具有一定的应用潜能。