香蕉不同生育期根际微生物生物量及土壤酶活的变化研究

2022-08-10孙建波畅文军李文彬张世清李春强彭明

生态环境学报 2022年6期

孙建波，畅文军，李文彬，张世清，李春强，彭明

中国热带农业科学院热带生物技术研究所/农业部热带作物生物学与遗传资源利用重点实验室，海南海口 571101

土壤微生物是土壤生态系统的重要组分，在土壤有机质的分解、土壤养分的转化和循环等方面发挥重要作用（Jackson et al.，2012；Torres et al.，2014）。微生物生物量库的变化会影响到土壤生态系统中养分的流动，因此是土壤肥力的重要影响因子（Yao et al.，2000；朱海平等，2003）。

土壤酶是土壤营养代谢的重要驱动力，酶活性能直接反映土壤养分转化强度、方向及土壤生化过程强度（Trasar et al.，2000；Zhao et al.，2009；张志丹等，2006；王理德等，2016）。脲酶能促进尿素水解为氨，为植物提供氮素营养。蔗糖酶能催化土壤中低聚糖水解为植物可利用的葡糖糖和果糖等单糖，参与土壤有机碳循环。磷酸酶能够催化土壤中有机磷转化为无机磷，为植物提供有效磷素（Ros et al.，2006；Hosseini et al.，2017）。土壤微生物生物量和土壤酶对土壤肥力具有重要的作用（Gu et al.，2009；Li et al.，2009；Zhang et al.，2017）。关于作物不同生长期土壤微生物量及土壤酶活的研究，前人的结果不尽相同。曾路生等（2005）研究了水稻不同生长阶段的土壤微生物量碳、微生物量氮及土壤酶活性的变化特征。结果表明，随着水稻生育期的延长，土壤微生物量碳和氮的变化规律为先升后降，到成熟期又回升的变化规律。土壤脲酶活性表现为先升后降，在分蘖期达到最高值。而酸性磷酸酶活性表现为先降后升再降的变化规律。廖佳元等（2019）研究表明，在施用控释氮肥条件下，油菜生长后期土壤微生物氮和土壤脲酶活性显著提高。李茜等（2019）研究了宁夏葡萄不同生长期壤酶的变化规律，发现土壤脲酶、蔗糖酶活性随生长期表现出先降低后升高的变化趋势，而土壤磷酸酶的活性则为先升高后降低。

由此可见，土壤微生物生物量和土壤酶极易受到种植和耕作方式、施肥制度和土壤环境等的影响，近年来已成为评价不同农业生态条件下土壤肥力的一个重要指标。然而，有关热带地区作物根际土壤生物学特性的研究还不多见。

香蕉（Musaspp.）是热带地区重要的经济作物，在香蕉种植过程中，土壤肥力和质量的下降会给香蕉产量和品质带来影响。本实验通过对香蕉不同生育期根际土壤微生物生物量和土壤酶活性动态变化的研究，揭示土壤生物学特性的演变规律，为采取相应的农业措施来有效保持和改良土壤肥力和土壤质量，保持土地的可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2013年4—11月在中国热带农业科学院试验基地塑料大棚内（海南省海口市）进行。该基地位于 20°05′N，110°10′E，属典型的亚热带季风气候。试验地土壤为热带红壤土。0—20 cm土层有机质质量分数为 12.74 g·kg-1，碱解氮 98.18 mg·kg-1，速效磷 13.35 mg·kg-1，速效钾 65.50 mg·kg-1，pH 值为5.93。

1.2 实验设计和取样

供试香蕉品种为巴西蕉（Musasp.Cavendish subgroup cv.Brazil）。试验采用盆栽法，用普通复合肥（15% N，15% P2O5，15% K2O）作为基肥，在6叶期香蕉苗移栽前一次性施入耕作层（3月底）。在香蕉生长期视土壤含水量情况用叶面喷洒方法补充水分，采用 0.5%复合肥溶液叶面喷洒补充肥力。其他管理措施同常规大田生产。需采样时在补充水分和肥力3个星期后进行，以减少人为因素对土壤性状的影响。实验共设置4个不同生长时期采样处理，分别为（1）：种植前（4月下旬），（2）：壮苗期（7月底），（3）孕蕾期（9月底），（4）生长后期（11月底）。种植前采集0—20 cm耕层土样。以不种植香蕉样地为对照，土壤采样时间和水肥管理同种植香蕉处理，每次采集0—20 cm耕层土样。种植香蕉的处理采用抖落法收集根际土壤：每次采样时，随机采取4株长势一致的植株，去掉根部外围土壤，收集附着在根系的土壤，混匀为一次土壤样品（李倩等，2017；巩晓芳等，2017），重复3次。将采集的土壤样品过2 mm筛，存放于4 ℃用于测定根际土壤微生物量碳、氮和土壤酶活性。

1.3 根际土壤微生物生物量和酶活的测定

根际土壤生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法（Vance et al.，1987；贾淑霞等，2009）。土壤微生物生物量碳和氮值均以熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中全碳、全氮含量的差值乘以转换系数得到，其中微生物生物量碳系数为0.45，生物量氮系数为0.54（Joergensen et al.，2005）。

土壤酶采用比色法测定（关松荫，1986）。其中土壤脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，以 1 g土样在37 ℃条件下，经过24 h反应后生成的NH4+-N的质量（mg·g-1·24 h-1）表示脲酶活性。土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定，以1 g土样37 ℃条件下培养 24 h后产生的葡萄糖质量（mg·g-1·24 h-1）表示活性。土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠法测定，以1 g土样37 ℃条件下培养24 h后释放出的酚的质量（mg·g-1·24 h-1）表示活性。

1.4 数据分析

应用Excel 2003和SPSS 17.0进行数据处理和统计分析。采用单因素方法分析（One way ANOVA）检验组间差异，LSD法进行多重比较；Pearson相关系数分析根际土壤生物量以及酶活之间的相关关系。所有数据重复3次。

2 实验结果

2.1 不同生长期微生物生物量的变化

从图1可知，MBC和MBN值随生育期的延长呈现出逐渐升高的趋势，于孕蕾期（9月）达到最高，分别为 271.64 mg·kg-1和 63.09 mg·kg-1，此阶段是香蕉生长速度最快和营养生长最旺盛的时期。孕蕾期 MBC值显著高于壮苗期和生长后期（P<0.05），而孕蕾期MBN值与壮苗期和生长后期无显著差异。9月之后香蕉进入生长后期阶段，此后MBC与MBN值呈现下降趋势。相比之下，对照中MBC和MBN从种植至生长后期一直呈增加趋势，但明显低于相应的处理，且壮苗期（7月）显著低于孕蕾期（9月）和生长后期（11月底）。对照中微生物生物量碳和氮在孕蕾期和生长后期无显著差别。

图1 香蕉不同生长期根际土壤微生物生物量碳（a）和生物量氮（b）的变化Figure 1 Variation of rhizosphere soil microbial biomass at different growth stages of banana

2.2 不同生长期土壤酶活性的变化

香蕉不同生长期土壤酶活性的变化如表 1所示。土壤脲酶活性从种植到生长后期呈现先升高后降低的趋势，最大值出现在孕蕾期，为 2.38 mg·g-1·24 h-1。与处理不同，对照中脲酶随生育期的延长呈一直增加趋势，从壮苗期到生长后期，对照活性一直低于处理。与脲酶变化趋势不同的是，蔗糖酶活性随着生育期的延长呈一直上升趋势，与对照的变化趋势一致。与处理相比，对照活性一直低于处理。统计分析表明，土壤脲酶和蔗糖酶活性都从种植开始显著高于种植前。土壤酸性磷酸酶的活性从种植至孕蕾期一直降低，最低值出现在孕蕾期，为 0.54 mg·g-1·24 h-1，然后又呈上升趋势。然而对照中酸性磷酸酶活性呈一直降低趋势。酸性磷酸酶是一种诱导酶，当土壤P素不足时可诱导酶活的增强。所以生长后期酸性磷酸酶活性的增强预示此时期土壤中P素含量减少。

表1 不同生长期土壤酶活性的变化Table 1 Variation of rhizosphere soilenzyme activities at different growth stages of banana

结果表明，在特定的香蕉生育期，根际土壤微生物生物量、土壤脲酶和酸性磷酸酶活性呈现出与对照不一样的变化趋势，尤其是孕蕾期微生物生物量碳（MBC）显著高于壮苗期和生长后期，能比较敏感地反映出土壤生物学性质发生了变化。

2.3 不同生长期土壤各测量性状之间的相关性分析

为了进一步了解香蕉不同生长期土壤性状之间的相互关系，对土壤各测量性状变量进行了相关性分析（表2）。结果表明，MBC分别与MBN、土壤脲酶和蔗糖酶呈显著正相关。

表2 根际土壤微生物生物量与酶活性之间的相关关系Table 2 Correlations between soil microbial biomass and enzyme activities

3 讨论

土壤微生物生物量受土壤水分、温度等因素的影响。海南地处热带北缘地区，从香蕉定植到9月这段时间，温度逐渐升高，雨量也逐渐充沛，高温多雨的环境有利于微生物大量生长和繁殖。邱梅等（2014）在不同季节苹果园土壤的研究中也表明夏季微生物生物量大于秋季和春季。唐海明等（2015）研究结果也表明，施肥条件下，大麦土壤微生物生物量碳、氮随着生育期的延长而增加，最大值出现在齐穗期然后又呈下降趋势。本研究中的结果与其一致。

土壤微生物生物量是土壤有效养分的重要来源。是衡量农田土壤质量和可持续发展的重要生物学指标。本实验结果表明，微生物生物量碳和氮的变化趋势相同，这说明这段时期内土壤中碳素和氮素的变化趋势是一致的。从定植后至9月，香蕉微生物生物量碳和氮呈逐渐上升趋势。这一时期处于苗期生长阶段，蕉苗较小，而前期施入的肥料除了满足蕉苗生长外，还为土壤微生物的生长繁殖提供了大量养分，因此微生物生物量呈现增加趋势。9月后香蕉进入旺盛生长期，香蕉的生长需要大量养分，因此加剧了和微生物对养分需求的竞争，这在一定程度上抑制了根际土壤微生物的生长，导致微生物生物量碳和氮的下降。

根际土壤酶的活性随季节的变化而不同。海南夏季雨热充足，土壤微生物活跃，本研究中香蕉处于孕蕾期，根系分泌的营养物质较多。这些都促进了土壤酶活性的提高。裴丙等（2018）研究表明，侧柏人工林土壤脲酶的活性在夏季达到最高，在秋季又降低。这与本研究中脲酶的活性变化一致。研究表明，土壤微生物和土壤酶活性关系密切，微生物生物量的变化会导致酶活的变化（Acosta-Martínez et al.，2010）。本研究中，脲酶活性从种植到孕蕾期都呈上升趋势，然后又缓慢下降。这与根际土壤微生物生物量的变化趋势一致，说明脲酶与土壤微生物的关系密切。

马晓霞等（2012）对玉米土壤酶活性研究表明，土壤蔗糖酶、脲酶都随玉米生育期的延长而逐渐升高，在玉米抽雄期达到活性高峰。这种变化趋势与本研究结果一致。磷酸酶活性呈现先减少后增加的趋势。磷酸酶是一种诱导酶，当土壤磷素亏缺时磷酸酶活性会增强。香蕉生长前期植株需肥较少，然而前期肥料的施入使得土壤中磷素较为充足，所以磷酸酶活性减少，到了香蕉生长后期，香蕉的旺盛生长消耗掉大量的土壤养分，土壤磷素变得不足所以诱导了土壤磷酸酶活性的增强。然而兰宇等（2011）在玉米土壤上的研究表明酸性磷酸酶活性随生育期的延长一直增加，在玉米大喇叭口期达到最高。不同的土壤酶其季节活性动态存在差异。产生这种差异的原因有土壤性质、水热条件、植被组成以及土壤微生物种类等多种因素（唐玉姝等，2008；李茜等，2019；王丽君等，2021）。

与对照相比，各处理的根际土壤微生物生物量、土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性都高于对照。造成这种结果的原因可能是植物旺盛生长造成的根系分泌物也随之增多，因此向土壤中输送的大量营养物质造成微生物大量繁殖，导致土壤微生物生物量和酶活高于对照（孙鹏跃等，2016；裴丙等，2018）。

MBC与MBN都与微生物密切相关，它们以一定比例组成了微生物，所以本研究中MBC与MBN呈显著正相关。本研究结果表明，香蕉根际土壤微生物生物量和土壤酶之间存在着密切的相互作用。微生物生物量与脲酶和蔗糖酶都呈显著正相关，表明土壤中氮素和碳素的转化为微生物的生长繁殖提供必需的养分，因此相关性显著。作为土壤养分循环和转化的重要参与者，土壤酶活之间也存在一定的相关性，本研究结果表明，脲酶和蔗糖酶之间存在显著性相关，这说明土壤中氮素和碳素的转化关系密切且相互影响。脲酶和蔗糖酶均与酸性磷酸酶呈负相关，说明土壤中氮素和碳素的转化与P素转化之间存在一定的拮抗作用。

根系分泌物含有较高浓度的糖类、氨基酸和维生素等物质，为根际微生物的生存提供了所需的营养和能源物质（Rumberger et al.，2004；Orlando et al.，2007）。另外，根系和微生物的分泌物又是土壤酶的重要来源，因此，在本研究中，在种植了香蕉的处理中根际土壤微生物量和酶活比空白对照明显提高。