常 浩,李文學(xué),徐志鵬,欒倩倩,周 琦,汪亮芳,吳之濤,楊克澤,馬金慧,任寶倉

(甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院/甘肅省玉米病蟲害綠色防控工程研究中心/武威市玉米病蟲害綠色防控技術(shù)創(chuàng)新中心,甘肅 武威 733006)

【研究意義】甘肅省河西走廊是我國重要的玉米種子生產(chǎn)基地,近年來,隨著玉米種植面積的穩(wěn)定,玉米連作面積越來越大[1]。據(jù)統(tǒng)計,張掖市連作年限15年以上有3.3×104hm2,其中超過20年的有近6700 hm2;連作年限10～15年有1.67×104hm2;10年以下有1.67×104hm2。玉米是耐連作作物,但長期連作導(dǎo)致土壤退化趨勢逐步加重、土傳病蟲危害日益嚴(yán)重、生態(tài)污染問題逐步突顯以及作物農(nóng)藝經(jīng)濟(jì)性狀降幅明顯等問題[2]。這些問題已嚴(yán)重影響我國玉米種子的質(zhì)量和產(chǎn)量,威脅河西地區(qū)國家級玉米制種基地的持續(xù)健康發(fā)展,解決連作障礙問題刻不容緩?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前,國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了關(guān)于連作對土壤影響的研究,認(rèn)為連作導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞,土壤比重、體積質(zhì)量增大,孔隙度和良好團(tuán)聚體的比例下降[3],以及土壤養(yǎng)分含量不均衡,土壤有機(jī)質(zhì)、鉀含量下降,而氮、磷含量增加[4];另外,連作使微生物多樣性水平降低,造成細(xì)菌型土壤向真菌型土壤轉(zhuǎn)化[5-7]。土壤酶是土壤生物學(xué)活性的重要組成部分,催化土壤有機(jī)物的礦化并釋放無機(jī)養(yǎng)分,參與土壤腐殖質(zhì)的形成和分解[8],反映土壤各種生物化學(xué)過程的動向和強(qiáng)度,其活性的高低離不開土壤微生物的作用,因此是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[9]。研究表明,連作會使土壤酶活性下降,如蔗糖酶和脲酶活性[10],并影響土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮、速效磷的含量。此外,土壤溫度、酸堿度、土壤水分狀況、土壤容重等對土壤酶活性都有一定影響[11]。土壤脲酶活性能將尿素水解成氨和碳酸,反映土壤供應(yīng)氮素的能力,是土壤氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶[10]。土壤蔗糖酶廣泛存在于土壤中,對于土壤碳水化合物的轉(zhuǎn)化和作物營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)有一定作用,是土壤生物學(xué)活性的重要指標(biāo)之一[12]。土壤過氧化氫酶可以將對作物生長發(fā)育有毒害作用的過氧化氫物質(zhì)分解成水和氧氣,是一種重要的土壤氧化還原酶[13]。劉建國等[4]通過對新疆棉花連作研究,發(fā)現(xiàn)土壤脲酶、過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶和中性磷酸酶活性隨著連作年限增加呈先下降后上升趨勢,過氧化物酶活性隨著連作時間延長而增加?！颈狙芯壳腥朦c】以輪作1年、連作5、11、25和50年的玉米根際土壤為切入點,通過研究連作對玉米生長發(fā)育的影響,探明不同連作年限下玉米根際土壤理化性質(zhì)、土壤酶活以及玉米農(nóng)藝性狀的相互關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過測量不同連作年限下玉米農(nóng)藝性狀和根際土壤理化性質(zhì)及酶活,了解連作對玉米生長發(fā)育的主要影響,以期為河西制種玉米緩解生產(chǎn)連作問題提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點位于張掖市甘州區(qū)興隆村(100°14′48.66″ E,39°9′43.78″ N),當(dāng)?shù)睾０?395 m,試驗地土壤為沙土,周邊開闊、地勢平坦、灌溉方便,適合玉米生長發(fā)育。種植玉米品種為恒基利馬格蘭制種公司制種玉米,所有試驗地塊種植品種一致,田間株距25 cm,行距45 cm,膜間距55 cm,4月15日隨覆膜播種,田間使用化肥種類和用量一致,其中基肥施二胺225 kg/hm2,復(fù)合肥225 kg/hm2,硫酸鋅15 kg/hm2,后期追施尿素150 kg/hm2,復(fù)合肥150 kg/hm2,其他栽培管理措施同大田一致。本研究中A為輪作1年,B為連作5年,C為連作11年,D為連作25年,E為連作50年。

1.2 玉米的生物量和形態(tài)學(xué)指標(biāo)測定

玉米苗期挖出根系用清水沖洗干凈后利用根系掃描分析系統(tǒng)(Epson Perfection V850 Pro)測定根系長度、表面積、根系受損體積和根尖數(shù)等指標(biāo)。在玉米大喇叭口期隨機(jī)選取不同連作年限地塊中連續(xù)的玉米25株,測量其株高、莖粗和根系重量等指標(biāo);在玉米八葉期,于天氣晴朗的9:00—11:00隨機(jī)選取不同連作年限的地塊中長勢基本一致的5株玉米植株進(jìn)行光合參數(shù)的測定(無風(fēng),室溫穩(wěn)定在30 ℃左右)。具體選取倒數(shù)第3片功能葉,用便攜式光合儀(LI-6400XT)測定凈光合速率(Net photosynthetic rate,Pn)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance,Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate,Tr)、胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration,Ci)等參數(shù),測定時設(shè)定室內(nèi)光強(qiáng)為 1200 μmol/(m2·s)。

1.3 土壤樣品采集

玉米成熟期后,挖出玉米根系,抖落根系周圍土壤,用毛刷刷下黏附在根系表面的土壤裝入無菌袋中,貼上標(biāo)簽,并用冰袋保存,帶回實驗室。將采集的新鮮土樣一部分儲存在-80 ℃冰箱中,用于土壤酶活測定,另一部分自然風(fēng)干,用于測定土壤理化性質(zhì),不同連作年限各自3次重復(fù)。

1.4 土壤理化性質(zhì)測定

有機(jī)質(zhì)、水解性氮、有效磷、速效鉀、pH的測定分別采用重鉻酸鉀容量法、外加熱法、堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉法、醋酸銨火焰光度計法、水土比5∶1法[14]。

1.5 酶活測定方法

采用試劑盒法測定土壤脲酶(S-UE)、土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤過氧化氫酶(S-CAT)、土壤堿性磷酸酶(S-AKP/ALP)、土壤脲酶(貨號 SUE-2-Y)、土壤過氧化氫酶(貨號 SCAT-2-Y)、土壤蔗糖酶(貨號 SSC-2-Y)、土壤堿性磷酸酶(貨號 SAKP-2-W)(南京集思慧遠(yuǎn)生物科技有限公司)。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均采用 Microsoft Excel 2010 軟件分析與處理,運(yùn)用 SPSS 22.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 連作對玉米根際土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知,玉米連作土壤中的速效磷、速效鉀和pH隨著連作年限延長呈先上升后下降趨勢,水解性氮隨連作年限的延長先下降后上升。在連作50年的土壤中含量最高(46.10 mg/kg),在連作11年的土壤中含量最低(44.22 mg/kg);有效磷含量在不同年份的連作土壤中差異顯著(P< 0.05),在連作1年的土壤中含量最高(52.30 mg/kg),在連作5年的土壤中含量最低(12.92 mg/kg);速效鉀在不同年份的連作土壤中差異顯著(P<0.05),在連作11年的土壤中含量最高(94.00 mg/kg),在連作50年的土壤中含量最低(81.67 mg/kg);有機(jī)質(zhì)含量在不同年份的連作土壤中差異顯著(P< 0.05),在連作50年的土壤中含量最高(13.14 mg/kg),在連作1年的土壤中含量最低(11.41 mg/kg);pH在不同連作年限的土壤中差異顯著(P< 0.05),連作25年的土壤pH最高(pH 8.9),連作50年的土壤pH最低(pH 8.46)。

表1 不同連作年限下玉米根際土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of rhizosphere soil under different continuous cropping years of maize

2.2 連作對玉米根際土壤酶活性的影響

由表2可知,玉米不同連作年限下根際土壤中的土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤脲酶(S-UE)、土壤堿性磷酸酶(S-AKP/ALP)和土壤過氧化氫酶的含量差異顯著(P<0.05),隨著連作年限的延長呈先升后降趨勢。其中土壤過氧化氫酶(S-CAT)在連作50年的根際土壤中含量最高[33.51 μmol/(d·g)],在連作1年的根際土壤中含量最低[20.94 μmol/(d·g)];土壤蔗糖酶在連作50年的根際土壤中含量最高[43.38 mg/(d·g)],在連作5年的根際土壤中含量最低[37.16 mg/(d·g)];土壤堿性磷酸酶在連作1年的根際土壤中含量最高[4.28 μmoL/(d·g)];土壤脲酶(S-UE)在連作50年的玉米根際土壤中含量最高[1025.44 μg/(d·g)]。

表2 不同連作年限下玉米根際土壤中酶的活性Table 2 Enzyme activities in rhizosphere soil of maize under different continuous cropping years

2.3 連作對玉米生物學(xué)特性的影響

由表3可知,連作導(dǎo)致玉米植株生物學(xué)特性差異顯著(P< 0.05),其中連作25年時玉米生長較好(109 cm),連作50年時生長較弱(70 cm);連作1年時葉綠素含量最高(36.79),連作11年時最低(31.27);連作11年時玉米莖稈最粗(18.22 mm),連作50年時玉米莖稈最細(xì)(16.57 mm);連作11年時根系鮮重最重(0.32 kg),連作25年時最輕(0.13 kg)。利用便攜式光合儀測量不同連作條件下玉米葉片的光合作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)玉米葉片的光合在不同連作條件下差異顯著(P< 0.05),其中葉片胞間CO2濃度連作5年時最高(144.25),連作11年時最低(78.51);葉片蒸騰速率在連作50年時最高(3.21),連作11年時最低(1.91);葉片凈光合速率連作5年時最高(25.33),連作11年時最低(16.61);葉片的氣孔導(dǎo)度連作5年時最高(0.22),連作11年時最低(0.09)。

表3 連作對玉米生物學(xué)特性的影響Table 3 Effects of continuous cropping on biological characteristics of maize

2.4 不同連作年限下土壤理化性質(zhì)與玉米葉片光合作用的相關(guān)性

由表4可知,連作玉米根際土壤理化性質(zhì)與玉米光合葉片作用具有相關(guān)性,其中土壤中水解性氮含量與玉米葉片光合作用呈正相關(guān),速效磷和速效鉀的含量與玉米葉片光合作用呈負(fù)相關(guān);有機(jī)質(zhì)含量與玉米葉片的胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與植株葉片的凈光合速率(Pn)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與植株葉片的氣孔導(dǎo)度(Gs)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);土壤酸堿度與玉米光合作用呈正相關(guān)。

表4 土壤理化性質(zhì)與植株光合參數(shù)的相關(guān)性Table 4 Correlation between soil physical and chemical properties and plant photosynthetic parameters

2.5 連作對玉米根系的影響

利用根系掃描儀對玉米的植株根系進(jìn)行掃描,發(fā)現(xiàn)不同連作年限下玉米根系發(fā)育差異明顯,玉米根部毛根隨著連作年限的延長而減少,連作1年的玉米根部毛根濃密,但毛根短,主根系發(fā)育不良,毛根主要分布在主根系的根基部和根尖部,主根系的中間部位毛根較少;連作5年的玉米根部毛根較多,但毛根發(fā)育不良,主根系基部份毛根長,靠近根尖部的毛根短;連作11年的玉米根部毛根發(fā)育好,毛根長,在主根沿根基部到根尖,分布均勻;連作25年的玉米根系毛根主要集中在主根中部,主根細(xì);連作50年的玉米根部毛根較長,但是毛根稀少(圖1)。

A～E分別表示輪作1年和連作5、11、25、50年下玉米根系發(fā)育情況。A-E represent the development of maize root system under rotation for 1 year and continuous cropping for 5, 11, 25 and 50 years respectively.圖1 不同連作年限下玉米根系發(fā)育情況Fig.1 Maize root development under different years of continuous cropping

由表5可知,通過根系掃描儀觀察,發(fā)現(xiàn)不同年限連作下玉米根系在長度、表面和損體積方面差異顯著(P<0.05),根系長度發(fā)育依次為:連作11年>5年>1年>25年>50年;根系表面積依次為:連作11年>1年>5年>25年>50年;根系受損體積依次為:連作11年>1年>5年>25年>50年。

表5 連作對玉米根系發(fā)育的影響Table 5 Effect of continuous cropping on maize root development

綜合分析,連作11年的土壤中種植的玉米根系發(fā)育最好,根系長134.43 cm,表面積25.81 cm2,受損體積0.40 cm3,連作50年的土壤中種植的玉米根系生長最差,根系長28.71 cm,表面積5.72 cm2,受損體積0.09 cm3。

2.6 不同連作年限下玉米根際土壤理化性質(zhì)、酶活及根系的相關(guān)性

由表6可知,土壤水解氮與玉米根系長度、表面積和受損體積、土壤蔗糖酶(S-SC)呈負(fù)相關(guān),與土壤脲酶(S-UE)、土壤堿性磷酸酶(S-AKP/ALP)、土壤過氧化氫酶(S-CAT)呈正相關(guān);土壤速效磷含量與土壤過氧化氫酶呈顯著負(fù)相關(guān),與土壤堿性磷酸酶呈顯著正相關(guān),與土壤蔗糖酶呈負(fù)相關(guān),與土壤脲酶呈正相關(guān);土壤速效鉀含量與土壤脲酶、土壤蔗糖酶、土壤過氧化氫酶呈負(fù)相關(guān),與土壤堿性磷酸酶呈正相關(guān),與玉米的根系長度、表面積和受損體積呈正相關(guān);土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤蔗糖酶、土壤過氧化氫酶、土壤脲酶呈正相關(guān),與土壤堿性磷酸酶呈負(fù)相關(guān),與玉米根系長度、表面積呈負(fù)相關(guān),與玉米根系受損體積呈正相關(guān);土壤pH與土壤水解性氮、速效磷和速效鉀呈負(fù)相關(guān),與速效磷呈顯著負(fù)相關(guān),與土壤過氧化氫酶、土壤堿性磷酸酶和土壤脲酶呈負(fù)相關(guān),與土壤蔗糖酶呈正相關(guān),與玉米根系長度、表面積呈正相關(guān),與玉米根系受損體積呈負(fù)相關(guān);土壤過氧化氫酶與玉米根系長度、表面積和根系受損體積呈顯著正相關(guān);土壤蔗糖酶與玉米根系長度、根系表面和根系受損體積呈正相關(guān);土壤堿性磷酸酶與玉米根系長度呈負(fù)相關(guān),與玉米根系表面和根系受損體積呈正相關(guān);土壤脲酶與玉米根系長度、根系表面和根系受損體積呈負(fù)相關(guān)。

表6 玉米不同連作下根際土壤理化性質(zhì)、酶活及玉米根系的相關(guān)性Table 6 Correlation of rhizosphere soil physical and chemical properties, enzyme activity and maize root system under different continuous cropping of maize

3 討 論

3.1 連作對玉米農(nóng)藝性狀的影響

玉米連作土壤中水解性氮含量差異不顯著,有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和pH差異顯著(P<0.05),這一結(jié)果與程玉紅等[15]的研究一致。連作對玉米植株生物學(xué)特性的影響調(diào)查顯示,隨著連作年限的延長,玉米植株的生物學(xué)特性表現(xiàn)越來越弱,連作50年的玉米植株生長發(fā)育情況較其他連作年限明顯降低,這可能與玉米根際土壤中的微生物含量密切相關(guān),因為隨著連作年限的延長玉米根際土壤中的細(xì)菌群落越來越單一,相應(yīng)的真菌群落會隨著某種病原菌的積累而越來越多,導(dǎo)致玉米植株的生物學(xué)特性存在明顯差異。

3.2 連作玉米根際土壤的理化性質(zhì)與植株葉片光合參數(shù)之間的相關(guān)性

分析玉米連作根際土壤的理化性質(zhì)與植株葉片光合參數(shù)之間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)土壤理化性質(zhì)與玉米植株的光合作用具有明顯的相關(guān)性,其中土壤水解性氮含量與玉米葉片光合作用呈正相關(guān),速效磷和速效鉀含量與玉米葉片光合作用呈負(fù)相關(guān),這與張朝軒等[16]和彭然等[17]的研究結(jié)果一致,有機(jī)質(zhì)含量可以促進(jìn)植株葉片的呼吸作用,降低光合速率。分析主要原因是葉片在養(yǎng)分缺乏時碳分配不均勻,導(dǎo)致葉片細(xì)胞發(fā)生形態(tài)變化,降低光合效率[18]。

3.3 連作對玉米根際土壤酶活的影響

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)交換過程和能量循環(huán)的重要生物活性物質(zhì),土壤酶活性的大小是衡量土壤肥力以及養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)[19]。本研究表明土壤過氧化氫酶(S-CAT)、土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤堿性磷酸酶(S-AKP/ALP)和土壤脲酶(S-UE)隨著連作年限的延長呈先上升后降低趨勢,這與臧逸飛等[20]的研究結(jié)果一致,但該趨勢較弱,其原因可能是本研究僅選擇了5個不同連作年限的數(shù)據(jù),并且連作年限跨度較大,所以難以明顯地反映土壤理化性質(zhì)與酶活性之間的關(guān)系,同時玉米根系分泌物積累過多影響了土壤微生物種群的變化,從而抑制了土壤酶活性,而隨著連作年限的延長,生物適應(yīng)性增強(qiáng),使土壤酶的保護(hù)容量在新環(huán)境下又逐步恢復(fù)[15]。

3.4 連作玉米根際土壤理化性質(zhì)、酶活及玉米根系發(fā)育的相關(guān)性

土壤酶活性的變化與土壤各養(yǎng)分含量的變化有關(guān),連作栽培改變了根系對土壤各養(yǎng)分含量的吸收利用,進(jìn)而改變土壤中酶活性的大小。土壤理化性質(zhì)對土壤過氧化氫酶(S-CAT)、土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤堿性磷酸酶(S-AKP/ALP)和土壤脲酶(S-UE)的活性均有不同程度的影響,過氧化氫酶活性主要受堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全磷含量的影響,這與熊應(yīng)彪等[21]研究結(jié)果一致;土壤蔗糖酶(S-SC)活性主要受有機(jī)質(zhì)含量和pH的影響;土壤脲酶(S-UE)活性主要受有機(jī)質(zhì)、堿解氮和全氮含量的影響;土壤堿性磷酸酶(S-AKP/ALP)活性主要受有效磷和全鉀含量的影響。

4 結(jié) 論

連作導(dǎo)致玉米植株農(nóng)藝性狀下降,根系長度、毛根數(shù)和根系表面積隨著連作年限的延長而減少,根系受損體積隨著連作年限的延長而增加。根際土壤中速效磷、速效鉀和pH隨著連作年限延長呈先上升后下降趨勢,水解性氮隨連作年限的延長先下降后上升。土壤速效磷、速效鉀和弱堿性土壤以及土壤堿性磷酸酶(S-AKP/ALP)、土壤蔗糖酶(S-SC)可以促進(jìn)玉米根系發(fā)育,水解性氮、土壤脲酶(S-UE)和土壤過氧化氫酶(S-CAT)含量升高不利于玉米根系發(fā)育。