不同耕作方式对半夏产量和品质及根际土壤酶活性的影响

安艳，杨丹，李鑫，晋小军

(甘肃农业大学农学院，甘肃省中药材规范化生产技术创新重点实验室，甘肃 兰州 730070；)

半夏为天南星科植物半夏(Pinelliaternata(Thunb.)Breit.)的干燥块茎[1]，是一种常用的大宗药材.甘肃省西和县是我国半夏人工种植的主产区之一，半夏种植面积大，其产值占全县中药材总产值的90%左右，总产量约占到我国市场份额的2/3，具有“中国半夏之乡”之称[2].半夏连作会导致其病虫草害严重、产量及品质下降，因此半夏种植需要进行轮作倒茬.但西和县能用于半夏种植的耕地面积有限，而半夏轮作周期长，轮作倒茬困难，严重制约了半夏的生产发展，因此连作障碍已成为制约当地半夏生产发展的严重问题.

连作障碍是指同一作物或近缘植物在相同土地上连续种植，会出现植株长势变弱、病虫害严重、产量品质降低等的现象[3].研究发现，大多数药用植物连作会产生连作障碍[4-12].连作障碍的形成是多种因素作用的结果[13].土壤酶活性是衡量土壤肥力水平和生理状况的重要指标，参与土壤中各种生物化学过程，影响着土壤的代谢过程，在一定程度上可以表征土壤肥力的大小[14-15].有研究表明，作物不同的种植方式和茬口对土壤酶活性有影响[16-18]；也有研究认为，土壤酶活性的改变是作物产生连作障碍的主要因素[19-22].因此，本试验以半夏为研究对象，分析轮作及连作对半夏产量、品质及根际土壤酶活性的影响，探讨造成半夏连作障碍产生的原因，以期为克服半夏连作障碍提高其产量品质提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品半夏种茎均来自于湖北天门，经甘肃农业大学农学院晋小军研究员鉴定为天南星科植物半夏(Pinelliaternate(Thunb.)Breit.)的块茎.

1.2 研究方法

试验于2016年3～9月在西和县卢河乡王堡村庙子沟进行，采用对比试验.选择轮作(玉米-小麦-马铃薯-玉米-半夏)和连作(玉米-小麦-马铃薯-半夏-半夏)不同茬口的试验地，两地相邻，自然环境一致，两地分别按坡向划分为3个小区，小区面积为3 m×4 m.选择无病、无伤痕、无腐烂，大小均匀一致的半夏种茎进行种植，株距8 cm，行距15 cm，小区间距50 cm，不同小区田间管理措施相同.

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤样品的制备 于5月下旬至9月上旬，每隔50 d取样，在每一样地按五点取样法随机选取半夏植株，采用抖根法[23]，轻轻抖掉根系外围土，再用毛刷轻刷黏附在根表面的土壤，混合均匀，作为根际土样，用无菌的封口带密封，置于冰盒中带回实验室进行土壤酶活性的测定.

1.3.2 酶活性测定 土壤酶活性指标的测定参考关松荫[24]的方法.

1.3.3 产量的测定 于半夏收获期，测定半夏块茎直径、百粒质量及其产量.块茎直径：每小区随机选取100粒半夏块茎，用游标卡尺进行测定；百粒质量：每小区随机选取100粒块茎用百分之一的电子天平进行称质量，测定5次；产量：采用对角线取样法，每一样地取3个样方，每个样方2 m2，进行测定计产.

1.3.4 品质的测定 将半夏样品粉碎，按照2015版《中华人民共和国药典》方法，测定其水分、灰分以及浸出物含量.水分按中国药典规定(通则0832第二法)烘干法测定，取供试品2～5 g，平铺于干燥至恒质量的扁形称量瓶中，厚度不超过5 mm，疏松供试品不超过10 mm，精密称定，开启瓶盖在100～105 ℃干燥5 h，将瓶盖盖好，移置干燥器中，放冷30 min，精密称定，再在上述温度干燥1 h，放冷，称质量，至连续两次称质量的差异不超过5 mg为止.根据减失的质量，计算供试品中含水量(%).灰分按中国药典规定(通则2302)方法测定，总灰分测定法：测定用的供试品须粉碎，使能通过二号筛，混合均匀后，取供试品2～3 g，置炽灼至恒质量的坩埚中，称定质量(准确至0.0l g)，缓缓炽热，注意避免燃烧，至完全炭化时，逐渐升高温度至500～600 ℃，使完全灰化并至恒质量.根据残渣质量，计算供试品中总灰分的含量(%).浸出物参照水溶性浸出物测定法(通则2201)下的冷浸法测定，测定用的供试品需粉碎，使能通过二号筛，并混合均匀.冷浸法：取供试品约4 g，精密称定，置250～300 mL的锥形瓶中，精密加水100 mL，密塞，冷浸，前6 h内时时振摇，再静置18 h，用干燥滤器迅速过滤，精密量取滤液20 mL，置已干燥至恒质量的蒸发皿中，在水浴上蒸干后，于105 ℃干燥3 h，置干燥器中冷却30 min，迅速精密称定质量.除另有规定外，以干燥品计算供试品中水溶性浸出物的含量(%).

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Microsort Excel处理，SPSS 19.0软件进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对半夏根际土壤酶活性的影响

2.1.1 不同耕作方式对半夏根际土壤过氧化氢酶活性的影响 将不同时期轮作及连作半夏根际土壤过氧化氢酶活性测定结果绘于图1.结果表明，连作降低了半夏根际土壤中过氧化氢酶活性，除9月3日轮作与连作两处理间差异不显著外，其余各时期轮作均显著高于连作，5月21日和7月10日连作较轮作分别降低24.89%和20.36%，由此可知，连作使土壤中过氧化氢酶活性降低，过氧化氢的分解受到抑制.对不同时期轮作及连作半夏根际土壤多酚氧化酶活性变化进行分析可知，轮作及连作半夏根际土壤过氧化氢酶活性均随半夏的生长呈升高趋势；其中，轮作半夏根际土壤过氧化氢酶活性9月3日较5月21日和7月10日分别高28.74%和13.71%，连作半夏9月3日较5月21日和7月10日分别高60.74%和33.91%.

*表示各处理间差异显著(P<0.05).* means significant differences between each treatment (P<0.05).图1 不同耕作方式对半夏根际土壤过氧化氢酶活性的影响Figure 1 Effects of different cropping on catalase activity in rhizosphere soil ofPinellia ternata

2.1.2 不同耕作方式对半夏根际土壤脲酶活性的影响 对不同时期轮作及连作半夏根际土壤脲酶活性进行分析，由图2可见，连作半夏根际土壤脲酶活性均显著低于同一时期轮作，其中，5月21日、7月10日和9月3日连作较轮作分别降低17.11%、17.62%和18.80%，说明连作土壤中脲酶活性低.进一步分析不同时期轮作及连作半夏根际土壤脲酶活性变化可知，轮作及连作半夏根际土壤脲酶活性均随半夏的生长呈先增后降的趋势，在7月10日达到最大.其中，轮作半夏根际土壤脲酶活性在7月10日较5月21日和9月3日分别高21.71%和32.86%，连作半夏7月10日较5月21日和9月3日分别高20.96%和34.79%.

*表示各处理间差异显著(P<0.05).* means significant differences between each treatment (P<0.05).图2 不同耕作方式对半夏根际土壤脲酶活性的影响Figure 2 Effects of different cropping on urease activity in rhizosphere soil ofPinellia ternata

2.1.3 不同耕作方式对半夏根际土壤中性磷酸酶活性的影响 由图3可以看出，在半夏生长的各时期连作半夏根际土壤磷酸酶活性均显著低于同一时期轮作，其中，5月21日、7月10日及9月3日连作较轮作分别降低24.58%、24.01%和21.49%，由此可知连作抑制了半夏根际土壤磷酸酶活性.进一步分析可知，轮作及连作半夏根际土壤中性磷酸酶活性随半夏的生长均呈先增后降的趋势，在7月10日达到最大，其中，轮作半夏根际土壤磷酸酶活性7月10日较5月21日和9月3日分别高29.32%和17.20%，连作半夏根际土壤磷酸酶活性7月10日较5月21日和9月3日分别高30.31%和13.44%.

*表示各处理间差异显著(P<0.05).* means significant differences between each treatment (P<0.05).图3 不同耕作方式对半夏根际土壤中性磷酸酶活性的影响Figure 3 Effects of different cropping on neutral phosphatase activity in rhizosphere soil ofPinellia ternata

2.1.4 不同耕作方式对半夏土壤多酚氧化酶活性的影响 由图4可以看出，连作使半夏根际土壤多酚氧化酶活性升高，且各个时期连作均高于轮作，在各时期两处理间均达到显著差异水平，分别比同一时期轮作高29.73%、65.00%和62.96%.对不同时期轮作及连作半夏根际土壤多酚氧化酶活性变化进行分析可知，随半夏的生长，轮作及连作半夏根际土壤多酚氧化酶活性均呈先降后增的趋势，在7月10日轮作及连作半夏根际土壤多酚氧化酶活性最低，轮作半夏根际土壤多酚氧化酶活性7月10日较5月21日和9月3日分别低45.95%和25.93%，连作半夏7月10日较5月21日和9月3日分别低31.25%和25.00%.

*表示各处理间差异显著(P<0.05).* means significant differences between each treatment (P<0.05).图4 不同耕作方式对半夏根际土壤多酚氧化酶活性的影响Figure 4 Effects of different cropping on polyphenol oxidase activity in rhizosphere soil ofPinellia ternata

2.2 不同耕作方式对半夏产量和品质的影响半夏收获后测定其水分、灰分、浸出物含量、块茎直径、百粒质量及其产量，将测定结果列于表1.由表1可知，轮作和连作半夏水分含量无显著差异；灰分连作较轮作低2.93%，差异显著；浸出物含量轮作为15.76%，连作为12.49%，连作显著低于轮作，较轮作下降 20.75%；块茎直径轮作为1.76 cm，连作为1.32 cm，连作较轮作降低25.00%，且两处理间差异显著；半夏块茎百粒质量连作显著低于轮作，较轮作降低32.82%；轮作半夏的产量为20 806.40 kg/hm2，连作半夏的产量为2 544.61 kg/hm2，连作较轮作降低了87.77%，且两处理间达到显著差异水平.由此可知，连作显著降低了半夏块茎的百粒质量和块茎直径，进而直接影响到半夏产量，使半夏产量降低；连作半夏浸出物含量显著低于轮作，说明连作使半夏品质下降.

3 讨论

土壤中的过氧化氢对生物体有毒害作用，过氧化氢酶能催化分解土壤中累积的过氧化氢，减轻过氧化氢对植物的毒害作用[25-26]，同时，作为分解产物的氧能促进各种化合物的氧化分解，为生物生长发育提供必要的营养物质[18].研究表明，连作半夏根际土壤过氧化氢酶活性低于轮作，说明连作半夏根际土壤中过氧化氢的分解受到抑制，造成过氧化氢在土壤中大量累积，进而对半夏生长产生毒害作用.而随半夏的生长，连作半夏根际土壤过氧化氢酶活性逐渐增加，这可能是因为土壤中过氧化氢含量高，通过增加土壤中过氧化氢酶活性，来减轻过氧化氢对半夏的毒害作用.脲酶在土壤中存在于大多数细菌和真菌里，直接参与土壤有机氮的转化，其作用极为专一，只能够水解尿素，水解后的最终产物是氨和碳酸[27].脲酶活性在一定程度上可以反映土壤中有机态氮转化为有效态氮的能力以及土壤无机氮的供应能力[25].连作半夏根际土壤脲酶活性显著低于轮作，说明连作土壤中氮素代谢水平低于轮作，连作半夏脲酶活性水平较低，这就影响了土壤养分的转化及半夏对养分的有效吸收，最终导致半夏生长发育受到不利影响.土壤脲酶随半夏的生长呈先增后降的趋势，这可能是因为7月上旬半夏生长旺盛，土壤微生物活性强，因而土壤脲酶活性最强.土壤磷酸酶主要来自于真菌，磷酸酶能促进土壤中有机磷化合物或无机磷酸盐转化为植物能够利用的无机态磷[25]，通过其活性可判断土壤的有机磷转化能力，是评价土壤磷素生物转化方向和强度的指标[28-31].在半夏生育期内根际土壤中性磷酸酶活性连作均显著低于轮作，这直接影响了土壤养分的转化及半夏对养分的有效吸收，进而导致半夏植株生长不良，对其产量和品质造成影响.多酚氧化酶是一种专一性很强的酶，其活性高时会对有机质矿化时产生的酚类中间产物合成腐殖质产生阻碍作用，导致酚类化合物的积累[32]，从而引起中毒.有研究认为，连作后的黄瓜[33]，其根系分泌的酚酸类物质会导致黄瓜产生自毒作用，多酚氧化酶活性显著高于轮作[34].研究结果表明，随半夏的生长根际土壤中多酚氧化酶逐渐升高且在各个时期连作显著高于轮作，这可能是由于半夏的根系分泌物诱发了多酚氧化酶活性.妙佳源等[35]研究发现，谷子根际土壤脲酶和磷酸酶活性随谷子生长呈先增后降的趋势，随谷子连作年限的延长呈降低趋势；王喜枝等[20]研究发现，不同连作年限的大蒜根际土壤过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性均显著低于轮作土壤；孙雪婷等[21]研究发现随三七种植年限的增加，根际土壤脲酶和磷酸酶活性显著下降；陈慧等[36]研究发现，随着地黄种植年限的延长其根际土壤多酚氧化酶活性增加，这些结果与本试验土壤酶活性的变化结果相一致.

表1 不同耕作方式对半夏产量品质的影响

表中同列数据肩标不同小写字母表示同一时期不同处理差异显著性(P<0.05).

The same column with different lowercase letters indicate significant difference among various treatments in the same period atP<0.05.

产量是农业生产者关注的焦点，产量的高低直接影响农业生产力的发展；品质是中药材生产的关键，品质的高低直接影响人民用药安全.马小奇[12]研究发现，连作会对半夏产量、品质产生影响，连作1年半夏较4年轮作产量降低84.92%，较2年轮作降低34.80%；连作1年半夏较4年轮作浸出物含量低19.90%，较2年轮作低8.68%.本研究发现，连作半夏的百粒质量、块茎直径、产量和浸出物含量均显著低于轮作，说明连作会导致半夏产量下降，品质降低.该试验结果与马小奇的研究结果一致.

4 结论

半夏连作降低了其根际土壤过氧化氢酶、脲酶和中性磷酸酶活性，而使多酚氧化酶活性升高；在半夏生长后期，连作较轮作半夏根际土壤过氧化氢酶、脲酶和中性磷酸酶活性分别降低了6.21%、18.80%和21.49%，多酚氧化酶活性连作较轮作高62.96%.半夏连作会对其产量和品质造成影响，连作半夏的百粒质量、块茎直径、产量和浸出物含量显著低于轮作，分别较轮作降低了32.82%、25.00%、87.77%和20.75%.综上所述，半夏连作会造成其根际土壤酶活性发生改变，进而影响土壤微生态环境，从而影响到半夏植株的生长发育，导致其产量降低，品质下降.因此连作导致半夏根际土壤酶活性发生变化，也是半夏产生连作障碍的原因.