棉花—孜然间作模式对土壤微生物数量及酶活性的影响

谢利　王燕芳　马超　吴瑛

摘要：采用棉花单作、孜然单作、棉花和孜然间作3种种植模式，研究其土壤微生物数量和土壤酶活性的变化。结果表明，间作与棉花单作相比，土壤细菌、放线菌、真菌数量及脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性显著降低，间作不能有效调节土壤的微生物区系，不能很好地改善棉田的土壤环境。

关键词：棉花；孜然；间作；土壤；微生物；酶活性

中图分类号： S562.04 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0103-02

间套作是农作物时间生态位和空间生态位互补扩大的集约种植方式，生态位分离是间套作优势产生的主要生态机制，是2种作物充分利用地上部光热和地下部水土资源，实现资源最大限度的利用，从而在单位面积上获得更高的产量[1-2]。目前，有关棉花高产栽培技术及间作套种对生态条件的改善等研究较多[3-4]。棉花-孜然间作是新疆维吾尔自治区南疆地区广泛应用的一种种植模式[5]，而该种植模式对土壤生态的影响迄今未见报道。本试验对棉花与孜然不同种植方式下的微生物群落数量和土壤酶活性进行研究，以探索土壤生态环境的变化，为筛选棉花最佳的种植模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在新疆维吾尔自治区阿拉尔市12团农田内，该地区属于暖温带大陆性干旱荒漠气候，年均气温10.7 ℃，极端最高气温35 ℃，极端最低气温-28 ℃；年均太阳辐射为133.7～146.3 kcal/cm2，年均日照时间为2 556.3～2 991.8 h；雨量稀少，冬季少雪，地表蒸发强烈，年均降水量为40.1～82.5 mm，年均蒸发量为1 876.6～2 558.9 mm；试验地为单作棉花种植地，沙质壤土，土层深度为10～30 cm，有机质含量为13.76 g/kg，速效氮、速效磷、速效钾含量分别为65.41、15.23、82.33 mg/kg。

1.2 试验材料

供试棉花品种为新陆早13号，孜然为农田主自留种。

1.3 试验方法

试验在大田条件下进行，设棉花单作、孜然单作和棉花间作孜然3个种植模式。单作棉花采用窄膜1膜3行模式，膜上株行距为25 cm×25 cm，交接行行距为55～60 cm；单作孜然株行距为30 cm×10 cm；棉花间作孜然是在单作棉花的交接行中间种植2行孜然，株行距为30 cm×10 cm。生长期间管理同常规；当年6月，采用5点取样法用土钻取根际土，钻取深度为20 cm；将土样合并，装袋封口并做好标签；研磨，过2 mm筛，一部分装袋放入4 ℃冰箱中保存，用于测定土壤微生物数量，另一部分自然风干，用于测定土壤酶活性。

1.4 测定内容和方法

土壤微生物数量用平板涂抹法测定，细菌、真菌、放线菌分别用牛肉膏蛋白胨培养基、马丁氏培养基、改良的高氏1号培养基[6]培养；土壤脲酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、蛋白酶分别采用靛酚蓝比色法、邻苯三酚比色法、高锰酸钾滴定法、3，5-二硝基水杨酸比色法、茚三酮比色法测定[7]。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对土壤微生物的影响

土壤微生物参与多种生化反应，对土壤环境结构的形成和改良等起着十分重要的作用。由表1可见，棉花和孜然间作，其土壤微生物数量比单作孜然有所增加，细菌、真菌、放线菌分别增加了50.1%、6.2%、29.9%，且细菌和放线菌数量差异达到显著水平；棉花和孜然间作与棉花单作相比，间作地块的土壤细菌、真菌、放线菌数量分别比孜然单作降低了24.4%、17.6%、14.3%，且差异显著。有研究表明，当土壤中真菌数量及其组成比例提高时，会增加土传病害的发生，而细菌和放线菌数量及其组成比例增加时，土传病害发生概率则会下降[8]。因此，棉花和孜然间作不能很好地改善土壤环境。

2.2 不同种植模式对土壤酶活性的影响

土壤酶主要来自微生物和根系的分泌物，反映土壤有机质的分解和转化情况，是评价土壤肥力水平的重要指标。由表2可见，与棉花单作和孜然单作相比，棉花和孜然间作的土壤酶活性均有不同程度的降低和升高；间作的脲酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和蛋白酶活性比棉花单作分别降低了20.4%、3.1%、16.9%、41.0%、7.9%，且脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性差异达到显著水平；与孜然单作相比，间作土壤除过氧化氢酶活性降低了12.3%，脲酶、过氧化物酶、蔗糖酶、蛋白酶活性分别增加了22.7%、45.2%、37.1%、385.1%，差异均达到显著水平。可见棉花和孜然间作不利于棉花的生长。

2.3 不同种植模式土壤微生物数量与酶活性的相关性分析

由表3可见，土壤酶活性与微生物数量呈正相关关系，相关性大小表现为： 脲酶>蔗糖酶>蛋白酶>过氧化物酶>过氧化氢酶；过氧化氢酶与微生物数量未达到显著相关水平，脲酶、蔗糖酶与微生物数量达到极显著相关水平；过氧化物酶、蛋白酶与真菌数量达到显著相关水平，与细菌、放线菌数量达到极显著相关水平。

3 结论与讨论

大多数作物都存在化感物质的他感和自毒作用，其中自毒作用是作物产生连作障碍的主要原因之一[9-11]。根系分泌物积累会产生化感抑制作用，导致土壤微生物数量下降，群落功能多样性被破坏，土壤酶活性降低，土壤生态环境恶化，从而抑制植物的生长，表现为叶绿素含量、酶活性下降，MDA含量、细胞膜透性增加，植物的抗病性降低[12]。植物一般不会无缘无故地产生根系分泌物[13]，但由于生境的异质性，植物将时常面对各种逆境，既有来自自身资源的争夺，又有其他生物的侵扰，通过物理手段提高植物抗逆性的能力大为下降，化学方法上升为主要手段[14]。植物释放的化感物质不仅可以通过根系分泌，还有茎叶挥发如萜类、雨露淋洗和植物残体腐解等[15-18]，当化感物质积累到一定浓度，就会对不同植物生长代谢表现为低促高抑的现象[16]，同时也在土壤环境中得以体现。

棉花单作和孜然单作的土壤环境简单，植物只面对自身种群内资源的竞争。棉花和孜然间作，土壤环境变复杂，植物不仅要面对种内资源竞争，还要面对种外生物的侵扰。此时，植物一方面通过地上部分产生的化感物质作用于同种或异种植物来影响其生长发育；另一方面，则通过根系分泌物来影响根际微生物的种类和数量，进而改变土壤酶活性来改善土壤的理化性质，并对其他植物种子或根系产生影响以改善自身的生存条件。孜然是一种具有特殊气味的植物，具有抑菌性[19]，其含有的大量醛、萜类物质[20]均属于化感物质，经过茎叶挥发、雨露淋洗及根系分泌物释放，可造成化感物质的大量积累，从而抑制土壤微生物的生长，对棉花产生化感作用，使土壤酶活性降低，影响棉花的正常生长发育，而棉花产生的化感物质浓度较低，促进了孜然土壤微生物种群的生长，使土壤酶活性升高。棉花和孜然间作，棉花对孜然的化感作用表现为低浓度促进，孜然对棉花则表现为高浓度抑制且影响更大，使土壤整体酶活性下降，微生物数量降低，棉花和孜然间作不能有效改善土壤的环境质量，这与前人研究结论[21]有所不同。需指出的是，本试验仅针对土壤环境进行了部分研究，将来还应对棉花和孜然间作所获得的作物品质和产量开展进一步研究，综合其微观环境与宏观产量，为棉花种植筛选出最佳模式提供理论依据。

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