等高反坡阶措施下玉米苗期根系分泌物特征及其对根际土壤酶活性的响应

刘晓微， 王克勤*， 赵洋毅， 段 旭， 张 洋

（1.西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224；2.西南林业大学林学院，昆明 650224）

坡耕地是我国山区的主要耕地类型，也是水土流失的主要发生地，由于人口的剧增，大量坡面林地被开垦成坡耕地，加之耕作管理方式的不合理，已经引起耕作层变薄，土壤养分流失、保水保肥能力下降，作物产量大幅减少，农业面源污染加剧[1-2]。因此，如何进行坡耕地水土保持，减少其危害，是山区农业可持续发展的关键之举[3]。目前国内外常见的坡耕地水土保持措施主要包括坡改梯工程、垄作区田技术、保护性耕作和秸秆还田等，不同的措施可以增加土壤的肥力，提高作物的产量[3-4]。除此之外，等高反坡阶作为一种水土保持措施，保水保土显著，坡面径流、泥沙拦截调控作用明显，能降低土壤中氮、磷元素的减少速率，有效提高土壤酶活性[3，5-7]，研究已证明坡耕地布设等高反坡阶措施尤其适用于降雨不均的云南山区[8]。

根系分泌物作为植物根系为适应根际微环境和自身生长需要而释放出来的特殊物质，对土壤结构形成、改善土壤理化性质、植物养分吸收和转化利用、化感作用、土壤微生物分布和环境胁迫缓解等方面都具有重要的作用[9]。相关研究表明玉米根系分泌的化合物能加快大豆根瘤的形成，也可以改善花生对铁的吸收，进而提高玉米和花生的产量[10]。土壤酶是土壤新陈代谢的重要因素，其活性反映了各养分代谢的强度，在土壤肥力与土壤发育过程中作用显著，但易受土壤理化性质、根系分泌物和微生物的影响，是一个敏感的土壤生物学指标[11]。当前有关根系分泌物与土壤酶活性的研究主要集中在土壤结构、阳离子交换量（CEC）、土壤理化性质及微生物群落等方面[11-13]，或是大多集中在北方土石山区的沟垄种植[14]、秸秆还田[15-16]和覆膜垄播[17-18]等对土壤改良的影响方面，然而针对南方红壤坡耕地水土保持措施下作物根系分泌物及与根际土壤酶活性关系的影响研究还鲜见开展。此外，玉米在中国的播种面积和总产量仅次于水稻和小麦，在农业中占有重要位置，特别在云南山区，其种植面积非常广泛[19]。苗期是玉米生长发育过程的关键时期，可直接影响后期的吸水吸肥效果，进而影响玉米的产量[20]。因此，本研究以田间原位采集和室内试验相结合的方法来分析坡耕地实施等高反坡阶水土保持耕作措施后苗期玉米根系分泌物特征及与根际土壤酶活性的关系，从而揭示等高反坡阶措施对玉米根系分泌物和根际土壤酶活性的影响，以期为区域坡耕地综合治理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省昆明市盘龙区松华坝水库水源区的迤者小流域（24°14′43″～25°12′48″N，102°48′37″～102°44′51″E），属于滇池水系盘龙江一级支流源头区，地势总体西北高东南低，全长6.7 km，最高海拔2 589.5 m，最低海拔2 010 m，相对高度相差479.5 m，平均海拔2 220 m。该流域呈不规则纺锤形，是松华坝水源区典型农业小流域，土地总面积21.56 km2，耕地面积约占25%，以坡耕地为主，林地约占66%，以灌木林和疏林地居多。该流域属于北亚热带和暖温带混合型气候，夏秋温热，冬春干凉，年平均气温13.8℃，年平均降雨量785.1 mm，年蒸发量1 341 mm，雨季降雨量占全年的80%以上。该流域土壤主要是地带性黏性红壤，约占土地总面积的85%。

1.2 试验设计

1.2.1 试验样地布设

试验地位于松华坝水源区迤者小流域水土保持监测站内，选取2块原状坡耕地和2块等高反坡阶样地，水平投影面积100 m2（20 m×5 m），坡度均为15°，南北坡向。等高反坡阶沿等高线自上而下里切外垫，修成一个台面，反坡5°，阶长5 m，阶宽1.2 m，2条反坡台阶之间距离7.5 m（图1）。每年雨季前会对样地进行重新整修，其特征和土壤理化性质见表1。

图1 样地示意图Figure 1 Schematic diagram of the experimental plot

表1 样地基本情况Table 1 Basic of experimental plot

1.2.2 供试材料、作物与根际土壤采集

供试玉米为本地主栽品种“云瑞668”。2020年6月13日，在原状坡耕地、等高反坡阶上坡位、等高反坡阶中坡位和等高反坡阶下坡位（以下简称上坡位、中坡位和下坡位）等行距打塘种植玉米，行距40cm，株距25 cm，穴内施加基肥（尿素；氮磷钾复合肥，总养分≥30%，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶1 ∶1.2），每穴播种 2～3粒，后期除苗。2020年7月13日，于玉米苗期（3～4叶）在原状坡耕地和等高反坡阶上坡位、中坡位、下坡位用5点法分别选取5株长势均匀并具有代表性的玉米，挖出带土体植株，尽量避免根系损坏，“抖土法”收集根际土壤，分别取每株玉米的根际土壤均匀混合后用四分法收集，去除土样杂质，取少量装入铝盒，测定土壤含水率[21]27-28；其余用冰袋保持土样0～4℃，迅速运回实验室，过2 mm筛后分两部分，一部分放入4℃冰箱保存，用于土壤酶活性的测定[22]274-323，另一部分风干研磨过0.25 mm筛后测定土壤化学性质[21]33-135。

1.2.3 根系分泌物收集

将1.2.2收集完根际土壤的玉米植株带回实验室，自来水少量多次反复清洗根部，去离子水冲洗2～3遍，根系分泌物收集液（H3BO35 μmol/L、CaCl2600 μmol/L、KCl 100 μmol/L、MgCl2200 μmol/L、pH 5.6）冲洗2～3次，将玉米植株移至装有1 L根系分泌物收集液的容器中进行培养收集，并及时加入微生物抑制剂2～3滴，用黑色塑料袋将容器包裹，对根部进行遮光处理，持续向收集液中通入空气，在室温且光照良好的条件下培养4 h（9:00—13:00），将植株取出，立即用CH2Cl2萃取根系分泌物收集液，得到根系分泌物萃取液，在38℃、40 r/min条件下的真空旋转蒸发仪蒸发浓缩，加入分析纯CH2Cl2充分摇荡溶解，注射器抽出，过0.45 μm有机相滤膜，装入小棕瓶，4℃冷藏保存[23]。

1.3 试验测定分析

1.3.1 根系分泌物测定

检测仪器为气相色谱/质谱联用仪（GC-MS，安捷伦7890 B型）。色谱条件[24]：HP-5 MS毛细管柱（30 m×250 μm×0.25 μm）；260 ℃进样口，载气为 He（纯度≥99.999%），流速 1 mL/min，进样量 1 μL，不分流进样；起始温度的柱程序为50℃，保持2 min；程序升温至 150℃（20℃/min），220℃（5℃/min），250 ℃（6 ℃/min），依次保持 15 min。质谱条件[23]：电子轰击源轰击，电压70 eV，离子源温度200℃，接口温度280℃，四极杆温度150℃，溶液延迟时间3.75 min，在 M/Z33～453AMU 的全扫描模式（SCAN）下扫描，主要调谐文件为标准模式。

1.3.2 土壤酶活性测定

脲酶活性测定用苯酚-次氯酸钠比色法[22]294-297；蔗糖酶活性用3，5-二硝基水杨酸比色法[22]274-276；过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法[22]320-323；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[22]309-312。

1.3.3 土壤化学性质测定

土壤的pH值用酸度计直接测定[21]135；土壤含水率采用铝盒烘干法[21]27-28；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-油浴加热法测定[21]33-36；土壤全氮测定采用自动型定氮仪[21]41-44；土壤全磷用硫酸-高氯酸消煮法检测[21]68-70；土壤速效磷采用比色法测定[21]74-76；土壤全钾和速效钾用火焰光度法进行测定[21]85-90。

1.4 数据处理与统计方法

采用Excel 2010和SPSS 17.0进行数据处理和统计分析，Origin 2018制图。与标准图谱对比进行人工分析，全文各物质的相对含量（%）均根据色谱图检出成分的峰面积计算。

2 结果与分析

2.1 等高反坡阶措施玉米苗期根系分泌物GC-MS的特征图谱

由图2知，特征峰明显且密集分布，图谱差异明显，特征峰相差较大。在相同时间段，原状坡耕地与等高反坡阶玉米苗期根系分泌的物质峰面积差异明显，6.02～9.72 min，等高反坡阶 1-十四碳烯、1-十四烷醇和环十四烷等物质峰面积高于原状坡耕地；12.36 min，1-十五碳烯和1-十九碳烯只在等高反坡阶被检测到；19.19 min，等高反坡阶二十烷和二十二烷醇的峰面积低于原状坡耕地；28.16 min，原状坡耕地邻苯二甲酸二异辛酯峰面积高于等高反坡阶（图2）。与原状坡耕地相比，等高反坡阶措施明显改变了根系分泌物峰谱。

图2 等高反坡阶措施下玉米苗期根系分泌物扫描图Figure 2 Scanning image of maize root exudates at the seedling stage under the measures of contour reverse-slope terrace

2.2 等高反坡阶措施对玉米苗期根系分泌物的影响

2.2.1 玉米苗期根系分泌的共同成分

等高反坡阶和原状坡耕地玉米苗期相同根系分泌化合物共8类，包括烃类、酸类、醇类、醛类、酮类、酚类、酯类和其他类（图3）。由图3可知，不同化合物类别占比均有所差异，酸类物质相对含量最高，其次是烃类物质。酸类物质在下坡位的相对含量与上坡位、中坡位和原状坡耕地相比，增幅分别为9.83%、0.22%和8.53%；烃类物质相对含量的变化趋势为中坡位＞下坡位＞原状坡耕地＞上坡位。

图3 等高反坡阶措施下玉米苗期根系分泌物化合物类别Figure 3 Types of root exudation compounds in maize seedling stage under the measures of contour reverseslope terrace

等高反坡阶和原状坡耕地鉴定出玉米苗期相同根系分泌物共88种（表2），其中，酸类物质中的戊二酸、邻苯二甲酸、三氯乙酸和苯甲酸等相对含量较高；烃类物质多为简单的直链和支链烷烃，以1-十八碳烯和硅烷居多；醇类物质主要是二十二烷醇和1-二十七烷醇；醛类物质主要是E-14-十六烯醛；酮类物质中苯乙酮的相对含量最高；酚类物质相对含量较高的是2，4-双（1，1-二甲基乙基）-苯酚；酯类物质以邻苯二甲酸二异辛酯为主。等高反坡阶措施对玉米苗期根系分泌物的类别影响不大，但同种化合物的相对含量均有一定的差别。

表2 等高反坡阶措施下玉米苗期根系分泌物共有成分Table2 Common components of root exudates of maize seedling under the measures of contour reverse-slope terrace

2.2.2 玉米苗期根系分泌的特有成分

由表3可知，六甲基-环三硅氧烷、苯丙酸和苯丁酸等物质仅在原状坡耕地被检测到；十七醛只存在上坡位；癸酸、十八酸和1-（1，1-二甲基乙基）-3-甲基-苯等物质在下坡位被检测出。在原状坡耕地与上坡位检测出八甲基-环四硅氧烷、2-氯丙酸和硅酸等物质，且这些物质在原状坡耕地相对含量均显著大于上坡位（P＜0.05）。布设等高反坡阶措施后，玉米根系分泌物增加了十三烷、Z-5-正癸烯和环十二烷醇等物质，这些物质的相对含量变化趋势为下坡位＞中坡位＞上坡位，均达到显著水平（P＜0.05）。说明等高反坡阶措施改变了玉米根系分泌物质的种类和含量。

表3 等高反坡阶措施下玉米苗期根系分泌物特有成分Table 3 Peculiar components of root secretion of maize seedling under the measures of contour reverse-slope terrace

2.3 等高反坡阶措施对玉米根际土壤酶活性的影响

等高反坡阶措施对4种根际土壤酶活性提高均有一定的促进作用，4种酶活性均表现为下坡位＞中坡位＞上坡位＞原状坡耕地（图4）。不同根际土壤酶活性之间呈现出不同的变化规律，脲酶和蔗糖酶活性在等高反坡阶措施下随坡位的下移其活性逐渐增强，且均显著高于原状坡耕地（P＜0.05），增幅分别为14.28%～78.57%、9.58%～56.16%；过氧化氢酶活性的变化规律与蔗糖酶一致，增幅为23.11%～33.09%；等高反坡阶不同坡位磷酸酶活性差异不明显（P＞0.05），但与原状坡耕地均达到显著水平（P＜0.05），增幅为44.94%～92.92%。可见，等高反坡阶措施能明显增强根际土壤酶活性。此外，玉米根际土壤4种酶活性相互之间均呈极显著正相关（P＜0.01）（表4），表明过氧化氢酶（还原酶）活性与其他3种酶（水解酶）活性之间存在密切关系。

图4 等高反坡阶措施下玉米根际土壤酶活性Figure 4 Soil enzyme activities in the maize rhizosphere under the measures of contour reverse-slope terrace

表4 玉米苗期根系分泌物与根际土壤酶活性间的相关系数矩阵Table 4 Correlation coefficient matrix between maize seedling root exudates and rhizosphere soil enzyme activities

2.4 等高反坡阶措施下玉米苗期根系分泌物与根际土壤酶活性的关系

由表4可知，脲酶活性与根系分泌化合物类别的酸类、苯酚类和酯类呈极显著的正相关（P＜0.01），与烃类、醇类呈显著正相关（P＜0.05）。蔗糖酶活性与酸类、醇类呈极显著正相关（P＜0.01）；过氧化氢酶活性与酸类、醇类和酯类呈极显著正相关性（P＜0.01）；磷酸酶活性与过氧化氢酶活性表现出大致相同的规律，但还与苯酚类呈显著正相关（P＜0.05）。此外，根际土壤4种酶活性均与根系分泌物总量之间呈极显著正相关关系（P＜0.01），说明玉米苗期根系分泌物与根际土壤酶活性间存在显著的关系。

3 讨论

3.1 等高反坡阶措施对玉米苗期根系分泌物的影响

本研究通过CH2Cl2萃取和GC-MS检测玉米苗期根系分泌物，鉴定出烃类、酸类、酮类、醇类、酚类和酯类等化合物，这与马凤鸣等[25]研究大致相同，但柴强等[26]检测出酰胺类物质，韩旭等[27]检测出肟类和萘胺类物质，与本研究有所差异，可能是不同植物引起，也可能是同一植物在不同生长发育期根系分泌不同的化合物造成[28]。

根系分泌物是植株与根际微生态系统的重要枢纽，根际环境的变化使植物根系分泌物含量和种类差异明显[9]，王婷等[12]研究表明玉米在不同种植模式下根系分泌物种类和含量存在差异；彭钰洁等[29]在不同氮肥减施试验中发现玉米苗期根系分泌物种类和含量明显不同。本研究结果表明，等高反坡阶措施和原状坡耕地玉米苗期根系分泌物化合物类别大致相同；布设等高反坡阶措施后，玉米苗期根系分泌物的种类和相对含量发生改变。徐国伟等[15，17]研究表明不同整地措施影响根系分泌物的种类和相对含量，本研究与此大致相同，不同整地措施增加土壤有机质含量，促进作物对土壤速效养分的吸收，进而改变作物根系分泌模式[14]。玉米在等高反坡阶和原状坡耕地共鉴定出相同根系分泌物88种，其中大部分物质均与柴强等[26]研究相同，但本试验还检测出三氯乙酸，这与前人有所差异，主要原因是他们大多采用实验室水培法收集根系分泌物[26，30]，而本试验的玉米是在自然环境下种植，栽种过程中人们会使用农药（农药中含有三氯乙酸）抑制病虫害[31]。在该试验中，在布设等高反坡阶措施后，玉米苗期根系分泌物增加十三烷、Z-5-正癸烯和环十二烷醇等物质，引起这种差异的原因是等高反坡阶措施可以改变土体结构，减少土壤蒸散发，提高土壤水分，改善土壤理化性质，改变玉米根际土壤微环境，进而引起玉米根系分泌更多的化合物[3，5-6]。

3.2 等高反坡阶措施对根际土壤酶活性的影响

土壤酶推动着土壤的生化过程，影响着土壤肥力水平，其活性高低可以衡量土壤肥力[11]。土壤中广泛存在脲酶，可直接参与有机氮转化，为植物生长提供可利用氮[18]。蔗糖酶活性多用来反映土壤肥力，提高土壤生物活性，增加土壤可溶性养分含量[32]。过氧化氢酶活性高低标志着土壤氧化还原能力的大小，影响土壤有机质的转化速度和有效性[18]。磷酸酶活性直接影响土壤有机磷的分解转化，影响土壤磷素有效性[16]。本研究得出，布设等高反坡阶措施后，根际土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性均得到显著提高，且随着坡位的下移，酶活性呈增加趋势。等高反坡阶措施对根际土壤酶活性有一定的促进作用，改善土壤肥力状况，利于作物生长，这与前人研究结果一致[7]。此外，在本研究中4种根际土壤酶活性彼此之间呈极显著正相关，说明它们在参与土壤物质能量转化过程不是单独发挥作用，而是存在共性关系，共同影响土壤养分状况，彼此之间改善土壤环境[33]。

3.3 等高反坡阶措施下玉米根系分泌物与根际土壤酶活性的关系

植物根系分泌物是根部长期进化产生的，而且是一种适应环境的体现，所以植物能够根据环境的改变不断地调整自身的分泌模式[9]，根际土壤酶的种类和活性可以改变土壤养分的有效性，进而影响作物的吸收利用[34]。本研究表明4种根际土壤酶活性与玉米苗期根系分泌物中某些类别的化合物之间呈显著相关关系，与其总量呈极显著的正相关。此外，布设等高反坡阶措施后，玉米根系分泌物含量呈增加趋势，4种根际土壤酶活性也表现出相同的规律。刘守伟等[35]研究表明分蘖洋葱根系分泌物可以促进黄瓜根际土壤酶活性的提高，张立芙等[36]研究提出黄瓜根系分泌物可以增加土壤酶活性，这说明根系分泌物与土壤酶活性之间确实存在着一种活化促进作用，本研究与此大致相同。根系分泌物作为土壤酶的主要来源，利于土壤酶活性的提高，同时有助于微生物的生长繁殖，而微生物分泌物又是土壤酶来源的重要渠道，进而间接提高土壤酶活性，这可能也是本研究根际土壤酶活性增加的原因[37]。

4 结论

等高反坡阶措施下玉米苗期根系分泌物检测出的化合物主要以低分子有机酸和结构较简单的直链或支链烷烃为主，还包括酮类、醛类、醇类、酚类和酯类等化合物。布设等高反坡阶措施后增加玉米苗期根系分泌物的种类，改变根系分泌物的相对含量，有效提高根系分泌物中酸类化合物的含量；该措施提高玉米根际土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶的活性，土壤酶相互之间呈极显著正相关，共同影响着土壤养分的转化。该措施下的根系分泌物相对含量增加，土壤酶也呈增加趋势，且二者之间表现出极显著的正相关，说明二者存在着一种活化促进效应。因此，生产实践中可通过布设等高反坡阶措施来增加土壤酶活性和根系分泌物含量，改善土壤理化性状，以提高土壤肥力，促进作物的生长。