李雪萍,李建宏,漆永紅,郭 煒,李 瀟,李敏權,*

1 甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院, 蘭州 730070 2 甘肅省農業(yè)科學院, 蘭州 730070

青稞根腐病對根際土壤微生物及酶活性的影響

李雪萍1,2,李建宏1,漆永紅1,2,郭 煒1,李 瀟1,李敏權1,2,*

1 甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院, 蘭州 730070 2 甘肅省農業(yè)科學院, 蘭州 730070

選取甘肅省卓尼縣青稞種植區(qū)為研究地點,調查青稞根腐病的發(fā)病情況,并分別采集其健康植株和發(fā)病株根際的土壤,對比分析其土壤微生物生物量(碳、氮、磷)、微生物數量(細菌、真菌、放線菌)以及過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶、纖維素酶5種酶活性。結果發(fā)現,研究區(qū)10個采樣點均有青稞根腐病的發(fā)生,發(fā)病率在5%—20%之間,不同地點發(fā)病率不同。根腐病的發(fā)生,會顯著影響青稞根際微生物生物量,導致微生物生物量碳、氮、磷的含量發(fā)生變化,其中微生物生物量氮和磷含量整體降低,且不同采樣點微生物量不同。土壤微生物數量總體呈現細菌>放線菌>真菌的趨勢,但不同微生物對根腐病發(fā)病的響應不同,細菌和放線菌數量因根腐病的發(fā)生而減少,真菌的數量則增多；不同采樣點土壤微生物數量不相同,細菌和真菌呈現區(qū)域性特征,放線菌的數量不呈現地域性。根腐病的發(fā)生還造成土壤酶活性的改變,其中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶的含量因根腐病的發(fā)生而降低,而纖維素酶則升高,過氧化氫酶的變化沒有規(guī)律?？偠灾?根腐病的發(fā)生會使青稞根際土壤微生物組成發(fā)生改變,碳、氮、磷等物質代謝受到抑制,而能量代謝發(fā)生紊亂。因此,研究和防治青稞根腐病就必須重視土壤微生物及土壤酶的作用。

青稞；根腐??；土壤微生物量；細菌；真菌；放線菌；土壤酶

Abstract： Naked barley is one of the major crops of western China. Root rot causes a serious reduction in naked barley. However, study of the rhizosphere soil microorganisms and enzyme activity of naked barley experiencing root rot may yet find ways to mitigate the damage. This study selected a naked barley growing area in Zhuoni county of the Gannan state in Gansu Province as its research site. Naked barley root rot was chosen as the object of study. Rhizosphere soil samples from healthy naked barley and naked barley infected with root rot were collected separately. Then microbial (bacteria, actinomyces, fungi) quantity was determined using the plate count method. Microbial biomass carbon was determined using the potassium dichromate sulfuric acid heating method. Microbial biomass nitrogen was determined using the Kjeldahl method. Microbial biomass phosphorus was determined using the molybdenum blue colorimetric method. Catalase activity was determined using the volumetry method. Sucrase and cellulase activity were determined using 3, 5-dinitrosalicylic acid colorimetry. Urease activity was determined using the indophenol blue colorimetric method. Alkaline phosphatase was determined using the phenyl phosphate disodium colorimetric method. Finally, we analyzed rhizosphere soil sampled from healthy naked barley and from naked barley infected with root rot to compare microbial biomass, microbial numbers in soil, and soil enzyme activity. The results showed that root rot occurred in naked barley at all 10 of the sampled areas with an incidence of 5% to 20%, though the morbidity differed between plots. The presence of root rot dramatically affected the microbial biomass of naked barley rhizosphere soil, which led to changes in the carbon, nitrogen, and phosphorus levels of the microbial biomass. The reduction in microbial biomass nitrogen and phosphorus levels and in microbial biomass differed between sampling sites. The total number of microorganisms varied, but showed a general population trend of bacteria>actinomyces>fungi. Different microorganisms have different responses to naked barley root rot, as the number of bacteria and actinomyces decreased when root rot was present, while the number of fungi increased. The total number of microorganisms varied between different sample areas, with bacteria and fungi showing rationality, while actinomyces did not. The presence of naked barley root rot also changed the enzyme activity of rhizosphere soil. Enzyme activity around sucrose, urease, and alkaline phosphatase decreased in the presence of root rot, while enzyme activity around cellulose increased. Changes in catalase activity did not appear to be correlated with the presence of root rot. Enzyme activity differed between samples of naked barley rhizosphere soil different samples to a significant degree. Correlation analysis showed a significant positive correlation between soil microbial biomass carbon and soil microbial biomass nitrogen levels. The number of soil bacteria and actinomyces showed a significant positive correlation with both soil microbial biomass carbon and biomass nitrogen levels. Soil fungi numbers showed significant positive correlation with both soil microbial biomass phosphorus and sucrose levels, and with enzyme activity around cellulose. Alkaline phosphatase activity showed significant positive correlation with both soil microbial biomass carbon and actinomyces numbers, but also showed significant negative correlation with catalase activity. In general, the presence of naked barley root rot was found to influence various factors of rhizosphere soil. These various factors are connected to and influence each other. The root rot changed the soil microbial flora composition of naked barley rhizosphere soil by restricting the presence of materials such as carbon, nitrogen, and phosphorus, and by disrupting energy metabolism. Therefore, research into the control of naked barley root rot must take the role of soil microorganisms and enzymes into account.

KeyWords: naked barley; root rot; soil microbial biomass; bacteria; fungi; actinomyces; soil enzyme

青稞 (HordeumvulgareL. var. nudum Hook.f.) 即裸大麥,是栽培大麥(HordeumvulgareL.) 的變種。在我國,青稞主要分布在西藏、甘肅、青海、云南、四川等省區(qū)的高海拔地區(qū),具有耐寒性強、成熟期短等特點,在海拔超過4200m的高寒地區(qū),青稞是唯一能夠正常成熟的谷物[1],成為該地區(qū)人民的主食,藏區(qū)人民經常將其做成糌粑食用。因此,青稞對于我國藏區(qū)的經濟發(fā)展和社會安定具有無可替代的作用。但是,根腐病等植物病害給該地區(qū)的青稞種植帶來了很大的困難,有調查顯示,根腐病造成了大麥類作物減產近10%[2]。筆者在甘肅省甘南州青稞種植區(qū)調查發(fā)現,在該地區(qū),青稞根腐病的發(fā)生十分普遍,且近些年來有加重之勢。然而,限于該地區(qū)較為落后的經濟和科技條件,青稞根腐病未得到應有的重視,對其的研究很少見諸報道。

傳統上對于根腐病的防治多是利用農藝措施或化學農藥進行防治[3],但農藝措施防治效果有限；而化學農藥防治多用多菌靈、百菌清、敵克松、代森錳鋅、咪鮮胺、苯醚甲環(huán)唑、惡霉靈與甲基托布津等有毒性的藥物[4],這些化學農藥不僅會造成農作物農藥殘留,危害人畜健康,還會影響土壤生態(tài)平衡,造成土壤質量下降甚至土壤退化,對于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來很不利的影響,尤其在高寒地區(qū),農藥降解過程緩慢,其造成的危害也更大。20世紀80年代我國陳延熙教授提出“植物微生態(tài)學”概念,從此,學者們注意到了微生物在植物病害防治方面的巨大作用,并于1986 年5月在北京召開的中國植物病理學會第三次全國代表大會上首次提出了“植物生態(tài)病理學”,以微生態(tài)學為依據,土壤微生物在植物病害防治方面的作用才逐漸被人們所認識[5]。

微生物是土壤生態(tài)系統最重要的組成部分,在土壤有機質轉化、養(yǎng)分循環(huán)、肥力形成、污染物降解以及能量流動方面具有重要的作用[6- 8],是土壤的活性部分。土壤微生物系統是長期適應土壤環(huán)境的結果,因此,與土壤其他成分相比,微生物對土壤環(huán)境的變化更為敏感,能較早的表征土壤質量和生態(tài)功能的變化。Arancon等研究表明土壤微生物的數量和活性與植物發(fā)病率之間有很密切的關系[9]。李紅麗等[10]分析認為調節(jié)土壤微生態(tài)可以很好的防治煙草青枯病的發(fā)生；而呂恒等[11]研究發(fā)現,植物根際的某些真菌對黃瓜土傳病害有防治作用。而土壤酶也可以作為土傳病害預測的一個重要指征[12]。如何川等[13]對植煙土壤酶活性與土傳病害的關系研究表明,煙草青枯病和黑脛病的病情指數與土壤有機碳量、土壤淀粉酶、蔗糖酶、纖維素酶活性呈負相關。廖梓良等[14]研究表明,脫氫酶和磷酸酶可以作為設施栽培土傳病害預測預報指征。

綜上,研究土壤酶和土壤微生物對于了解根腐病的發(fā)生和危害機理,進而提出防治措施具有重要的意義,但目前青稞根腐病方面,尚沒有此方面的報道。因此,我們通過研究甘肅青稞主要分布區(qū)甘南州卓尼縣青稞根腐病病健植株根際土壤理化性質及酶活性,明確根腐病發(fā)生與青稞根際土壤酶活性及土壤微生物的變化規(guī)律,為青稞的生產及進一步研究提供良好的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省甘南藏族自治州卓尼縣,域內地貌大部分為中低山地形,地勢西南高,東北低。海拔在4920—2000 m之間,年均氣溫4.6 ℃,年均降水量580 mm,無霜期119 d,屬高原性大陸氣候,寒冷濕潤,四季不明。玉米、小麥等常規(guī)糧食作物無法成熟或產量及品質較低,青稞為其主要糧食作物之一,種植面積約占境內糧食作物種植總面積的48.5%。

1.2 調查采樣

于2015年6月5日至6月7日在研究區(qū)選取木耳鎮(zhèn)塔古村和七車村、柳林鎮(zhèn)上卓尼村和官磊村、申藏鄉(xiāng)小溝村、申藏村和左拉村、阿子灘鄉(xiāng)麻乍村、上阿子灘村和下阿子灘村等4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)10個村青稞種植地為調查采樣點,參考《植病研究法》[15]對該區(qū)域青稞根腐病發(fā)病率進行調查統計,并采用多點采樣法采集根腐病發(fā)病特征典型的青稞植株和同一樣地健康植株及其根際土壤,共采得苗期青稞根腐病發(fā)病株和健康株樣品各10份,然后將各樣品低溫運輸至實驗室并盡快進行實驗。

1.3 土壤樣品預處理

收集青稞樣品根際土壤,一部分直接用于三大微生物的計數,另一部分風干后過2mm篩,再將其置于25℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7d,待測[16]。

1.4 土壤酶活性研究

1.4.1 過氧化氫酶活性的測定

土壤過氧化氫酶活性采用容量法測定[17],結果用1 g土壤消耗的0.02 mol/L KMnO4的毫升數表示。

1.4.2 蔗糖酶活性的測定

蔗糖酶活性的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[18],結果以24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數表示。

1.4.3 脲酶活性的測定

脲酶活性測定采用靛酚藍比色法[18],結果用24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數來表示。

1.4.4 堿性磷酸酶活性的測定

堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定,結果用24 h后1 g土壤中釋出的酚的毫克數來表示。

1.4.5 纖維素酶活性的測定

纖維素酶采用3, 5-二硝基水楊酸比色法,結果用1 g土壤所生成葡萄糖的質量來表。

1.5 土壤微生物數量測定

1.5.1 細菌數量

細菌數量測定采用平板涂布計數法,用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基在30℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h后計數。

1.5.2 真菌數量

真菌數量測定采用平板涂布計數法,用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基在25℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h后計數。

1.5.3 放線菌數量

放線菌數量測定采用平板涂布計數法,用改良高氏一號培養(yǎng)基在28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)96h后計數。

1.6 土壤微生物生物量測定

1.6.1 土壤微生物生物量碳(SMBC)測定

先用氯仿熏蒸法[19]處理土樣,然后用0.5 mol/L K2SO4溶液提取,采用重鉻酸鉀硫酸外加熱法測定浸提液中的碳,計算公式[20]如下：

土壤微生物生物量碳 (mg/kg)=(Ec-Ec0)/0.38

式中,Ec為熏蒸土壤浸提液中有機碳量；Ec0為不熏蒸土壤浸提液中有機碳量；0.38為校正系數。

1.6.2 土壤微生物生物量氮(SMBN)測定

先用氯仿熏蒸法[19]處理土樣,然后用0.5 mol/L K2SO4溶液提取,浸提液中氮采用凱氏定氮法測定,計算公式[20]如下：

土壤微生物生物量氮 (mg/kg)=(Ec-Ec0)/0.54

式中,Ec為熏蒸土壤浸提液中有機氮量；Ec0為不熏蒸土壤浸提液中有機氮量；0.54為校正系數。

1.6.3 土壤微生物生物量磷(SMBP)測定

先用氯仿熏蒸法[19]處理土樣,然后用0.5 mol/L NaHCO3溶液提取,提取液中磷測定采用鉬藍比色法,計算公式[20]如下：

土壤微生物生物量磷 (mg/kg)=(Ec-Ec0)/0.40

式中,Ec為熏蒸土壤浸提液中有機磷量；Ec0為不熏蒸土壤浸提液中有機磷量；0.40為校正系數。

1.7 數據處理與分析

實驗數據整理與處理采用Excel 2007完成,統計分析采用DPS 15.10進行,并采用Duncan新復極差法進行差異顯著性分析(P<0.05表示差異顯著,圖中用字母表示),Pearson相關進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 調查結果

如表1所示,研究區(qū)卓尼縣的木耳鎮(zhèn)、柳林鎮(zhèn)、申藏鄉(xiāng)、阿子灘鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的各樣點青稞都有根腐病發(fā)生,發(fā)病率在5%—20%之間,說明在該地區(qū)根腐病是青稞種植中普遍發(fā)生的一種病害。但不同樣點的發(fā)病率不同,如柳林鎮(zhèn)官磊村發(fā)病率高達20%,而申藏鄉(xiāng)申藏村和阿子灘鄉(xiāng)上阿子灘村則僅為5%,發(fā)病率沒有明顯的地域性規(guī)律。

表1 青稞根腐病發(fā)病率

2.2 土壤微生物生物量

土壤微生物生物量是土壤中活性養(yǎng)分的儲存庫,能非常靈敏的反應環(huán)境因子對土壤的影響,如圖1—3所示,不同樣地土壤微生物生物量不同,根腐病發(fā)病與否對土壤微生物生物量碳也有明顯的影響,此外,不同種類的微生物生物量對環(huán)境因子響應的規(guī)律也不同。

圖1 各樣品土壤微生物生物量碳含量Fig.1 Each sample soil microbial biomass carbon 圖中“a,b”表示差異顯著性,字母相同則表示差異不顯著

如圖1所示,土壤微生物生物量碳會隨青稞根腐病的發(fā)生而改變,但其變化沒有明顯的規(guī)律,如M2、M5、M6、M10等4個樣地的樣品是隨發(fā)病株根際土壤樣品微生物生物量碳顯著高于健康株根際土壤樣品,而其余6個樣地樣品則是發(fā)病株樣品的微生物生物量碳低于健康株,顯著性分析的結果顯示,各樣品健康株和發(fā)病株都有明顯差異,說明青稞根腐病的發(fā)生對青稞根際土壤微生物碳代謝有影響。不同樣地樣品土壤微生物生物量碳含量不同,且地理位置上相近的采樣點其土壤微生物生物量碳含量相近,如木耳鎮(zhèn)的塔古村和七車村,地理位置接近,小氣候相似,其微生物生物量碳含量也很接近,整體較高。還有如柳林鎮(zhèn)的上卓尼村和官磊村也是如此,略偏低。其余申藏和阿子灘兩個鄉(xiāng)地理位置相鄰,氣候條件相似,其土壤微生物生物量碳含量也接近。

如圖2所示,青稞根腐病的發(fā)生會顯著影響其根際土壤微生物生物量氮的含量,各樣品都是健康株根際土壤微生物生物量氮高于發(fā)病株,健康株根際樣品比發(fā)病株樣品高出2%—8%,且除M5、M7、M10外都存在顯著差異,說明根腐病的發(fā)生會影響青稞根際土壤微生物的氮代謝,降低土壤微生物量氮的含量。就樣地間的差別來看,不同樣地樣品土壤微生物氮含量不同,與微生物生物量碳的分布規(guī)律相似,都是木耳鎮(zhèn)七車村和塔古村的樣品數值居高,柳林鎮(zhèn)上卓尼村和官磊村的樣品數值較低,而阿子灘、申藏兩個鄉(xiāng)的樣品數值居中,說明土壤微生物氮代謝和碳代謝具有統一性。

如圖3所示,青稞根際土壤微生物生物量磷的含量也會隨根腐病的發(fā)生而改變,與微生物生物量氮的變化規(guī)律相似,根腐病的發(fā)生會使土壤中微生物生物量磷的含量下降,下降幅度在2.75%—11.54%,10份樣品都呈下降趨勢,且均差異顯著,說明根腐病的發(fā)生會抑制青稞根際土壤微生物磷代謝。不同樣地樣品之間對比發(fā)現其規(guī)律與微生物生物量碳氮的不相同,含量最高的是柳林鎮(zhèn)兩個樣地的樣品(M3、M4)以及申藏鄉(xiāng)小溝村的樣品(M5),而較低的是阿子灘鄉(xiāng)3個樣地的樣品(M8、M9、M10),但是,地理位置上接近的樣地間微生物生物量磷的數值也較為接近。

圖2 各樣品土壤微生物生物量氮含量Fig.2 Each sample soil microbial biomass nitrogen

圖3 各樣品土壤微生物生物量磷含量Fig.3 Each sample soil microbial biomass phosphorus

2.3 土壤三大微生物數量

土壤中細菌、真菌、放線菌等三大微生物的數量是反應土壤活性和土壤健康的重要指標。如圖4—圖6所示,不同微生物在土壤中的分布規(guī)律不同,總體而言,土壤中的微生物數量呈細菌>放線菌>真菌的規(guī)律。無論是細菌、真菌還是放線菌,其數量都受根腐病發(fā)生的影響,不同的微生物受到的影響不同。

圖4 各樣品土壤細菌數量Fig.4 Each sample soil bacterial numbers

如圖4所示,根腐病的發(fā)生會導致青稞根際土壤細菌數量發(fā)生變化,10份樣品中,除M8外,其余9份樣品的土壤細菌數量因根腐病的發(fā)生而減少,減少幅度為0.9%—8.8%,且除M2外,均差異顯著。不同樣地土壤細菌數量不同,但地理位置相近的采樣點,細菌數量較為接近,如木耳鎮(zhèn)塔古村和七車村的樣品(M1、M2)數量較高,而柳林鎮(zhèn)的上卓尼和官磊兩地的樣品(M3、M4)中細菌的數量則較低。因此,土壤細菌的數量具有地域性。

如圖5所示,除M6、 M8和M10外,其余7份樣品都是根腐病發(fā)病植株根際土壤真菌數量高于健康植株根際土壤真菌數量,這一現象與土壤細菌相反。但不同樣地樣品發(fā)病后土壤真菌數量的增加幅度不同,如M4增幅較大,統計分析表明差異顯著,而M1和M5則增幅很小,差異不顯著。另外,不同樣地土壤真菌數量也各不相同,但地理位置相近的采樣點,土壤真菌數量也較為接近,呈現地域性,這一規(guī)律與土壤細菌數量的規(guī)律類似。

如圖6所示,土壤放線菌數量的變化規(guī)律與土壤細菌的變化規(guī)律類似。除M5外,發(fā)病植株根際土壤中的數量低于健康植株根際土壤中的數量,且均差異顯著。而不同采樣地點樣本其數量沒有明顯的規(guī)律,不呈現地域性,與細菌和真菌有差別。

圖5 各樣品土壤真菌數量Fig.5 Each sample soil fungus numbers

2.4 土壤酶活性

土壤過氧化氫酶與土壤氮素循環(huán)和有機質轉化等過程有著密切的關系,并直接反應著土壤能量代謝過程的強弱。

如圖7所示,根腐病的發(fā)生會顯著改變青稞根際土壤過氧化氫酶的活性,10份樣品過氧化氫酶活性都有不同程度的改變。但不同樣品對其響應不同,10份樣品中,有5份樣品表現為發(fā)病株根際過氧化氫酶活性高于健康株,而另5份則相反。這說明根腐病的發(fā)生會導致土壤能量代謝過程的改變或紊亂。分析不同樣地樣品的情況可以發(fā)現,土壤過氧化氫酶隨根腐病的改變方式在一定程度上與采樣地點相關,如木耳鎮(zhèn)的兩份樣品(M1、M2)都是發(fā)病后活性降低,而阿子灘鄉(xiāng)的3份樣品(M8、M9、M10)則是發(fā)病后升高。

如圖8所示,根腐病的發(fā)生會顯著影響青稞根際土壤堿性磷酸酶的活性。除M3外,其余9份樣品都是發(fā)病后植株與健康植株相比根際土壤的堿性磷酸酶活性有所下降,但不同樣品下降幅度不同, M1、M4、M6、M10等樣品下降幅度較大,差異顯著,M5、M7、M8下降幅度較小,差異不顯著。這一結果與土壤微生物量磷的結果是一致的,說明根腐病的發(fā)生會影響青稞根際土壤磷代謝。就不同樣地來看,不同樣地土壤堿性磷酸酶活性差別很大,如M3和M6相比,相差超過2倍。

圖7 各樣品土壤過氧化氫酶活性Fig.7 Each sample soil catalase activities

圖8 各樣品土壤堿性磷酸酶活性Fig.8 Each sample soil alkaline phosphatase activities

如圖9所示,青稞根際土壤蔗糖酶活性受根腐病發(fā)病與否的影響顯著,不同樣地土壤蔗糖酶活性不同,下降幅度也不一。除M3外,試驗采集的其余9份樣品都是健康植株的根際土壤蔗糖酶活性高于發(fā)病株根際土壤蔗糖酶活性,與健康植株相比,根腐病發(fā)病植株根際土壤蔗糖酶活性普遍下降2%—7%,差異均顯著。說明根腐病的發(fā)生會顯著影響青稞根際土壤碳代謝。

脲酶是反應土壤氮素代謝水平的一種酶,如圖10所示,根腐病的發(fā)生會顯著影響青稞根際土壤脲酶的活性,10份樣品中,除M2、M4、M10份樣品外,其余7份樣品都是健康植株根際土壤脲酶活性高于發(fā)病植株,且差異顯著,說明根腐病的發(fā)生會改變土壤氮代謝,這一結果與土壤微生物生物量氮的測定結果是相一致的。就樣地間來看,不同樣地土壤脲酶活性不同。從整體而言,土壤脲酶的活性不僅因采樣地點的不同而不同,還因青稞根腐病的發(fā)生與否而不同。

圖9 各樣品土壤蔗糖酶活性 Fig.9 Each sample soil invertase activities

圖10 各樣品土壤脲酶活性Fig.10 Each sample soil urease activities

圖11 各樣品土壤纖維素酶活性Fig.11 Each sample soil cellulase activities

如圖11所示,青稞根際土壤纖維素酶的變化規(guī)律與其他4種酶相反,除M1外,與健康植株相比,青稞根腐病的發(fā)生使其根際土壤纖維素酶的活性上升,且除M2和M5外均差異顯著。不同樣地青稞健康植株根際土壤樣品纖維素酶活性各不相同,且存在顯著差異。

2.5 土壤微生物數量、微生物量及酶活性的相關性

對甘南州卓尼縣青稞發(fā)病株與健康株根際土壤微生物量、三大微生物數量和土壤酶活性進行相關性分析結果如表2所示,微生物量碳、氮、磷之間相關性分析表明,微生物量碳和微生物量氮呈極顯著相關,說明碳代謝和氮代謝具有關聯性,碳元素在微生物體內通常是為其提供能源和有機質合成過程中的碳架,而氮素則是合成蛋白質和核酸的必須物質,因此,碳素和氮素的代謝具有關聯性；而對土壤微生物數量和微生物量之間的相關性分析表明,土壤細菌和放線菌數量與微生物生物量碳和微生物生物量氮呈顯著或極顯著相關,土壤真菌數量與微生物生物量磷呈顯著相關。細菌和放線菌是土壤中最為重要的兩類微生物,而碳和氮則是生物體最重要的兩種元素,因此,土壤中細菌和放線菌的數量決定著土壤微生物生物量碳、氮的含量；土壤酶纖維素酶和蔗糖酶與土壤真菌的數量呈顯著相關,堿性磷酸酶的活性與土壤微生物生物量碳和放線菌數量呈顯著相關。發(fā)病率和各因子的相關性分析表明,發(fā)病率與土壤過氧化氫酶的活性呈極顯著負相關,過氧化氫酶是土壤中與能量代謝相關的酶,與土壤氧含量關系緊密,這一說明在本研究區(qū),土壤的氧含量和土壤的能量代謝影響著青稞根腐病的發(fā)病率。綜上,結合表2及圖1—圖11的結果可以看出,青稞根腐病的發(fā)生與其根際土壤各因子都有一定的關系,各因子之間也相互關聯、相互影響。

表2青稞根際土壤微生物量、三大微生物數量、土壤酶活性與根腐病發(fā)生率的相關性分析

Table2Barleyrhizospheresoilmicrobialbiomass,microbialnumbers,soilenzymeactivityandthecorrelationanalysisofincidenceofrootrot

相關系數Correlationcoefficient微生物量碳MicrobialbiomassC微生物量氮MicrobialbiomassN微生物量磷MicrobialbiomassP細菌Bacteria真菌Fungus放線菌Actinomyces過氧化氫酶Catalase堿性磷酸酶Alkalinephosphatase脲酶Urease纖維素酶Cellulase蔗糖酶Invertase發(fā)病率Morbidity微生物量碳1.00000.94**-0.48000.63*-0.02000.81**0.19000.69*0.36000.0900-0.0100-0.4700微生物量氮1.0000-0.54000.74**-0.16000.79**0.15000.50000.2200-0.16000.0300-0.3500微生物量磷1.0000-0.35000.71*-0.4200-0.3400-0.10000.33000.4300-0.38000.5100細菌1.0000-0.18000.40000.29000.13000.3200-0.14000.0700-0.1900真菌1.0000-0.1400-0.55000.30000.29000.63*-0.63*0.3500放線菌1.00000.26000.66*0.3200-0.1000-0.0600-0.4400過氧化氫酶1.00000.04000.5000-0.14000.4800-0.80**堿性磷酸酶1.00000.51000.65*-0.0100-0.4800脲酶1.00000.5200-0.1500-0.5300纖維素酶1.0000-0.0700-0.1600蔗糖酶1.0000-0.3100發(fā)病率1.0000

*P<0.05,**P<0.01

3 討論

3.1 青稞根腐病植株根際土壤微生物量的變化特征

土壤微生物生物量(碳、氮、磷)雖在土壤營養(yǎng)(碳、氮、磷)中所占的比例較小(10%以下),但其是土壤營養(yǎng)中最為活躍的部分,調節(jié)土壤養(yǎng)分的生物有效性和利用率,能較早的反應出土壤系統生態(tài)功能的變化,是土壤質量評價的指示性和先導性指標[21]。近年來,越來越多的研究者用微生物生物量來作為指標評價土壤質量及土壤抗病能力[20,22- 23],但對土壤微生物生物量與根腐病發(fā)生率之間的研究尚不多見。本研究結果顯示,青稞根腐病的發(fā)生與土壤微生物量具有密切的關系,根腐病的發(fā)生會使土壤微生物生物量氮和磷下降,微生物生物量碳含量也發(fā)生改變。蔡燕飛等[21]的研究也支持這一結論。這顯示根腐病的發(fā)生會使土壤的物質循環(huán)發(fā)生變化,尤其是降低了氮代謝和磷代謝的效率,而氮元素和磷元素恰好是我國北方土壤中缺少的元素,氮、磷元素的缺乏會使植物生長受到抑制,這又進一步導致了植物抗病能力的降低,根腐病進一步加重,形成惡性循環(huán)。因此,要防治植物的根腐病,就必須重視土壤微生物生物量,土壤微生物生物量也可以作為預測根腐病發(fā)生的指標。

3.2 青稞根腐病植株根際土壤微生物的變化特征

植物土傳病害發(fā)生后,其根際土壤的微生物組成和優(yōu)勢微生物會發(fā)生一定程度的改變[24- 25],從而使得土壤微生態(tài)發(fā)生變化。一般而言,植物感染土傳病害后,根際土壤放線菌和細菌的數量會減少,真菌數量會增加。本研究結果顯示,青稞根腐病發(fā)病植株與健康株相比,其根際土壤細菌、放線菌的數量有所下降,而真菌的數量上升。這一結果與前人在其他作物上得出的結論吻合,甄文超等[26]的研究表明草莓根際病害發(fā)生后,根際真菌增加,細菌和放線菌數量減少。另有Benizri等[27]對桃樹根部病害的研究也表明其發(fā)病與根際土壤中拮抗細菌的數量和種類降低、病原真菌的種類和數量提高有密切關系。導致植物土傳病害發(fā)生的特殊土壤環(huán)境為病原菌提供了較為適宜的生存空間,從而使病原菌的數量增多,引起土傳病害發(fā)生。Shin和Lee等[28-29]研究表明,正常土壤放線菌數量多,真菌數量少,從而使真菌孢子萌發(fā)受抑制,而發(fā)病土壤則真菌數量多,細菌和放線菌數量少。因此,要全面的認識植物根腐病發(fā)生的機理,就必須深入到土壤微生物的角度。

3.3 青稞根腐病植株根際土壤酶活性的變化特征

土壤酶反應土壤生化反應的強度和方向,是土壤生態(tài)系統的重要組分[30]。本研究發(fā)現,青稞根腐病的發(fā)生與其根際土壤酶活性有顯著的相關性,具體為,根腐病發(fā)生后,土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性降低,而纖維素酶活性升高,過氧化氫酶活性變化沒有明顯規(guī)律。蔗糖酶的作用主要是增加土壤中可溶性營養(yǎng)物質的含量,是與土壤碳代謝相關的酶,也是表征土壤肥力的指標；而脲酶的作用主要是促進氮素的循環(huán)與轉化,表征土壤的氮素水平；磷酸酶的作用是促進磷素的循環(huán)和轉化,表征土壤磷素的水平[12]。本研究中,蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶的下降說明根腐病的發(fā)生會阻礙土壤營養(yǎng)元素的流動與循環(huán),這一結果與土壤微生物量的結果是相對應的,其他一些研究者在不同作物的研究中也得出了相似的結論,如尋路路[31]、姜飛[32]、游春梅[12]、廖梓良[14]及何川[13]等人的報道。這說明堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等四種酶與植物土傳病害的響應規(guī)律具有普遍性,在不同植物上都是相同的。本研究的纖維素酶與部分研究者的研究結果相反[12-14],但與Shin和Lee等[28-29]人的結果相似,推測其可能的原因是不同試驗區(qū)的土壤狀況不同,且不同作物對土壤酶活性的影響也不同。綜上,土壤酶是表征土壤健康水平,預測病害發(fā)生的重要指標,但不同的土壤環(huán)境中土壤酶的變化規(guī)律會有所不同。

4 結論

通過對甘肅省甘南州卓尼縣青稞根腐病發(fā)病率的調查,以及對發(fā)病植株與健康植株根際土壤微生物生物量、三大微生物數量和土壤酶活性的研究得出：研究區(qū)內青稞根腐病的發(fā)生具有普遍性,發(fā)病率在5%—20%之間。不同樣地發(fā)病率不同。根腐病的發(fā)生會導致青稞根際土壤微生物生物量發(fā)生變化,微生物生物量氮和磷含量整體降低,微生物生物量碳含量也有變化但沒有一定的規(guī)律；不同樣地微生物生物量不同,地理位置相近的樣地微生物生物量接近。土壤微生物數量總體呈現細菌>放線菌>真菌的趨勢,不同微生物對根腐病發(fā)病的響應不同,細菌和放線菌數量因根腐病的發(fā)生而減少,真菌的數量則增多；不同樣地之間土壤微生物數量不相同,細菌和真菌呈現區(qū)域性特征,放線菌的數量不呈現地域性。根腐病的發(fā)生還造成土壤酶活性的改變,其中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶的含量因根腐病的發(fā)生而降低,纖維素酶則升高,過氧化氫酶的變化沒有規(guī)律。

[1] 龔凌霄. 青稞全谷物及其防治代謝綜合征的作用研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2013.

[2] Zhong S B, Ali S, Leng Y Q, Wang R, Garvin D F.Brachypodiumdistachyon-CochliobolussativusPathosystem is a new model for studying plant-fungal interactions in cereal crops. Phytopathology, 2015, 105(4): 482- 489.

[3] 穆向榮, 馬逾英, 楊枝中, 馬羚, 蔣運斌. 藥用植物根腐病防治的研究進展. 中藥與臨床, 2014, 5(2): 5- 8, 52- 52.

[4] 何晨. 寧夏黃芪根腐病病原鑒定及藥劑防治研究[D]. 銀川: 寧夏大學, 2015.

[5] 李寶聚, 王莉, 陳捷. 植物病害微生態(tài)防治研究. 北方園藝, 2005, (6): 89- 91.

[6] Pratscher J, Dumont M G, Conrad R. Ammonia oxidation coupled to CO2fixation by archaea and bacteria in an agricultural soil. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108(10): 4170- 4175.

[7] Kluge B, Peters A, Krüger J, Wessolek G. Detection of soil microbial activity by infrared thermography (IRT). Soil Biology and Biochemistry, 2015, 57: 383- 389.

[8] Petersen D G, Blazewicz S J, Firestone M, Herman D J, Turetsky M, Waldrop M. Abundance of microbial genes associated with nitrogen cycling as indices of biogeochemical process rates across a vegetation gradient in Alaska. Environmental Microbiology, 2012, 14(4): 993- 1008.

[9] Arancon N Q, Edwards C A, Bierman P, Welch C, Metzger J D. Influences of vermicomposts on field strawberries: 1. Effects on growth and yields. Bioresource Technology, 2004, 93(2): 145- 153.

[10] 李紅麗, 李清飛, 郭夏麗, 王巖, 劉國順, 郭橋燕. 調節(jié)土壤微生態(tài)防治煙草青枯病. 河南農業(yè)科學, 2006, (2): 57- 60.

[11] 呂恒, 牛永春, 鄧暉, 林曉民, 金春麗. 根際真菌對黃瓜土傳病害的抑制作用. 應用生態(tài)學報, 2015, 26(12): 3759- 3765.

[12] 游春梅, 陸曉菊, 官會林. 三七設施栽培根腐病害與土壤酶活性的關聯性. 云南師范大學學報: 自然科學版, 2014, 34(6): 25- 29.

[13] 何川, 劉國順, 李祖良, 喬保明, 董寧禹, 蔣士君. 連作對植煙土壤有機碳和酶活性的影響及其與土傳病害的關系. 河南農業(yè)大學學報, 2011, 45(6): 701- 705.

[14] 廖梓良, 孫世中, 劉建香, 賈秋鴻, 楊泮川, 官會林. 設施栽培香石竹根際土壤酶活與土傳病害相關性研究. 云南師范大學學報: 自然科學版, 2009, 29(3): 59- 63.

[15] 方中達. 植病研究方法(第三版). 北京: 中國農業(yè)出版社, 1998.

[16] 魯如坤. 土壤農業(yè)化學分析方法. 北京: 中國農業(yè)科技出版社, 2000.

[17] 關松蔭. 土壤酶及其研究法. 北京: 農業(yè)出版社, 1986.

[18] 姚槐應, 黃昌勇. 土壤微生物生態(tài)學及其實驗技術. 北京: 科學出版社, 2006.

[19] 許光輝, 鄭洪元. 土壤微生物分析方法手冊. 北京: 農業(yè)出版社, 1986.

[20] 王理德, 姚拓, 王方琳, 魏林源, 郭春秀, 吳春榮, 李發(fā)明. 石羊河下游退耕地土壤微生物變化及土壤酶活性. 生態(tài)學報, 2016, 36(15), 4769-4779.

[21] 蔡燕飛, 廖宗文, 羅潔, 李鋒. 不同質地土壤抑病性和微生物特征. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 2003, 22(5): 553- 556.

[22] 譚宏偉, 楊尚東, 吳俊, 劉永賢, 熊柳梅, 周柳強, 謝如林, 黃國勤, 趙其國. 紅壤區(qū)桉樹人工林與不同林分土壤微生物活性及細菌多樣性的比較. 土壤學報, 2014, 51(3): 575- 584.

[23] 馬文文, 姚拓, 靳鵬, 王國基, 張玉霞. 荒漠草原2種植物群落土壤微生物及土壤酶特征. 中國沙漠, 2014, 34(1): 176- 183.

[24] Laurent A S, Merwin I A, Fazio G, Thies J E, Brown M G. Rootstock genotype succession influences apple replant disease and root-zone microbial community composition in an orchard soil. Plant and Soil, 2010, 337(1/2): 259- 272.

[25] Aranda S, Montes-Borrego M, Jiménez-Díaz R M, Landa B B. Microbial communities associated with the root system of wild olives (OleaeuropaeaL. subsp.europaeavar.sylvestris) are good reservoirs of bacteria with antagonistic potential againstVerticilliumdahliae. Plant and Soil, 2011, 343(1/2): 329- 345.

[26] 甄文超, 曹克強, 代麗, 胡同樂. 利用藥用植物源土壤添加物控制草莓再植病害的研究. 中國農業(yè)科學, 2005, 38(4): 730- 735.

[27] Benizri E, Piutti S, Verger S, Pagès L, Vercambre G, Poessel J L, Michelot P. Replant diseases: bacterial community structure and diversity in peach rhizosphere as determined by metabolic and genetic fingerprinting. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(9): 1738- 1746.

[28] Shin H S, Lee M W. Environmental factors and the distribution of soil microorganisms in ginseng field. The Korean Journal of Microbiology, 1986, 24(2): 184- 193.

[29] Lee M W, Shin H S, Choi H J. Spore germination of some fungi under different soil conditions in relation to fungistasis. The Korean Journal of Mycology, 1985, 13(4): 195- 201.

[30] 趙其國. 土壤科學發(fā)展的戰(zhàn)略思考. 土壤, 2009, 41(5): 681- 688.

[31] 尋路路, 趙宏光, 梁宗鎖, 韋美膛, 劉峰華, 韓蕊蓮. 三七根腐病病株和健株根域土壤微生態(tài)研究. 西北農業(yè)學報, 2013, 22(11): 146- 151.

[32] 姜飛, 劉業(yè)霞, 艾希珍, 鄭楠, 王洪濤. 嫁接辣椒根際土壤微生物及酶活性與根腐病抗性的關系. 中國農業(yè)科學, 2010, 43(16): 3367- 3374.

Effectsofnakedbarleyrootrotonrhizospheresoilmicroorganismsandenzymeactivity

LI Xueping1, 2, LI Jianhong1, QI Yonghong1,2, GUO Wei1, LI Xiao1, LI Minquan1, 2,*

1CollegeofPrataculture,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070,China

國家公益性行業(yè)(農業(yè))計劃項目(201503112)

2016- 05- 31; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201605311049

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lmq@gsau.edu.cn

李雪萍,李建宏,漆永紅,郭煒,李瀟,李敏權.青稞根腐病對根際土壤微生物及酶活性的影響.生態(tài)學報,2017,37(17):5640- 5649.

Li X P, Li J H, Qi Y H, Guo W, Li X, Li M Q.Effects of naked barley root rot on rhizosphere soil microorganisms and enzyme activity.Acta Ecologica Sinica,2017,37(17):5640- 5649.