基于逐步回归模型的连作植烟土壤化学性状和酶活性关系分析

白羽祥 蔺忠龙 邓小鹏 徐照丽 杨成翠 史普酉 杨焕文 王戈

摘要：【目的】探討不同连作年限植烟土壤化学性状和酶活性的变化规律及其相互关系，为探明烤烟连作障碍机理及制定调控措施提供理论依据。【方法】以同一植烟区域不同连作年限（4、6、8、14和16年）的土壤为研究对象，在相关性分析的基础上，利用逐步回归模型对植烟土壤的化学性状和酶活性进行测定分析。【结果】随连作年限增加，土壤pH、有机质和全钾含量逐渐降低，全磷、全钾、水解性氮和有效磷含量呈先升高后降低的变化趋势，而有效钾含量呈增加趋势;过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性均表现为先升高后降低的变化趋势，过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性峰值出现在连作8年处理，脲酶和蔗糖酶活性峰值出现在连作6年处理。逐步回归分析结果表明，全磷、全钾和速效钾含量分别受酸性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性的抑制，过氧化氢酶和蔗糖酶活性均受全钾含量的抑制，酸性磷酸酶活性受速效钾含量的抑制。【结论】随连作年限的增加，植烟土壤环境恶化，养分失衡，酶活性呈先升高后降低趋势;部分化学性状指标与酶活性间存在密切的相互影响关系。

关键词： 连作;植烟土壤;化学性状;酶活性;逐步回归模型

中图分类号： S572.06                        文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2018）12-2387-07

Analysis of relationships between chemical properties and enzyme activity in continuous cropping tobacco-planted

soil based on stepwise regression model

BAI Yu-xiang1， LIN Zhong-long2， DENG Xiao-peng3， XU Zhao-li3*， YANG Cheng-cui1，SHI Pu-you1， YANG Huan-wen1， WANG Ge1

（1College of Tobacco Science， Yunnan Agricultural University， Kunming  650201， China; 2Yunnan Tobacco Company，Kunming  650011， China; 3Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Science， Kunming  650021， China）

Abstract：【Objective】The changes of chemical traits and enzyme activities of tobacco-planted soils with different continuous cropping years and their relationship were discussed， which provided theoretical basis for exploring the mechanism of continuous cropping obstacles and drawing up adjustment measures. 【Method】On the basis of correlation analysis， the stepwise regression model was used to study and analyze the chemical properties and enzyme activities of the soils with different continuous cropping years（4， 6， 8， 14 and 16 years） in the same tobacco-growing area. 【Result】The soil pH， organic matter and total potassium（K） content decreased with the increase of continuous cropping years. The total phosphorus（P）， total K， hydrolyzable nitrogen and available P content increased first and then decreased， while the effective K content increased. Hydrogen peroxide enzyme， urease， acid phosphatase and sucrase activities all increased first and then decreased. Peaks of hydrogen peroxide enzyme and acid phosphatase activities occurred at eight continuous cro-pping years， while those of urease and sucrase activities occurred at six continuous cropping years. Stepwise regression analysis showed that the total P， total K and effective K contents were inhibited by acid phosphatase， sucrase and catalase activities respectively， and catalase and sucrase activities were inhibited by total K content. Acid phosphatase activity was inhibited by the effective K content. 【Conclusion】Under the conditions of this experiment， with the increase of continuous cropping years， the soil environment of tobacco planting deteriorates， nutrient is imbalanced， enzyme activities increase first and then decrease. Some chemical traits show close interaction with enzyme activity.

Key words： continuous cropping; tobacco-planted soil; chemical properties; enzyme activity; stepwise regression model

0 引言

【研究意义】烤烟是典型的忌连作作物，长期连作会导致植烟土壤理化性质恶化及酶活性发生改变，进一步导致烤烟病虫害加剧和产质量下降（郭亚利，2006;张科等，2010;古战朝等，2011;李鑫等，2012;高峰，2014）。由于土地资源和栽培条件等因素的制约，我国烤烟连作现象十分普遍，严重制约了植烟土壤的可持续利用。因此，探讨连作条件下植烟土壤理化性状和酶活性的变化规律及其作用关系，能够为研究烤烟连作障碍提供一定的理论依据。【前人研究进展】近年来，已有不少研究表明连作可导致植烟土壤理化性质恶化和酶活性发生改变，且二者间具有相互影响关系。烤烟的长期连作可导致土壤pH下降和养分失衡（Aparicio and Costa，2007;Samadi et al.，2008），土壤的pH下降和养分失衡进一步导致烟株对养分的吸收和转化能力下降（Tsadilas，2000;王连君和谷思玉，2004）。邓阳春和黄建国（2010）、邓红艳（2015）研究表明，当达到一定连作年限时，土壤pH显著下降，有机质、全氮、全钾和有效磷含量有不同程度的降低，全磷、有效钾和水解性氮却呈现一定的积累现象。连作对土壤酶活性也有明显影响，随连作年限增加，植烟土壤酶活性升高，但当连作达一定年限时，土壤酶活性反而下降（张翼等，2007;盘莫谊等，2008;李鑫等，2012;陈继峰等，2016）。由于土壤酶能加快土壤代谢进程，有效促进土壤养分的释放和循环，因此土壤酶活性的改变可使烟株对矿质元素的利用率降低，导致其生长发育进程受到抑制（李鑫等，2012）。在土壤理化性质和酶活性相互作用关系方面，陶宝先等（2009）研究发现，脲酶与有机质和全磷含量呈显著正相关，蔗糖酶和酸性磷酸酶分别与全氮和有效磷含量呈显著正相关;葛晓改等（2012）研究发现，土壤理化性状对酶活性的影响顺序依次为总氮、有机质、pH、铵态氮和有效磷，而且转化酶和过氧化物酶活性与土壤有机质、全氮和全磷含量呈显著正相关，过氧化物酶活性与有机质、全氮和全磷含量呈显著负相关。【本研究切入点】前人对连作植烟土壤的研究主要是针对理化性质和酶活性的变化趋势（Aparicio and Costa，2007;Samadi et al.，2008;李鑫等，2012;陈继峰等，2016），由于土壤理化性质和酶活性间关系复杂且互相影响，双变量相关性分析不能完全反映二者间的真实关系。逐步回归分析可剔除无关变量和影响力可忽略的变量，从而筛选出具有真正影响作用的自变量，即影响因素，如果筛选不出因变量的回归方程，则说明相应的自变量对该因变量无影响或影响不显著（李亮亮等，2010）。因此，利用逐步回归模型可更准确地分析土壤化学性状和酶活性间的相互影响关系，但目前尚无相关研究报道。【拟解决的关键问题】以连作4、6、8、14和16年的植烟土壤为对象，在其他条件一致的情况下，测定不同处理植烟土壤的化学性状和酶活性，分析连作对植烟土壤化学性状和酶活性的影响，并在Mantel Test和相关性分析的基础上利用逐步回归模型探究土壤化学性状和酶活性的相互影响，为探明烤烟连作障碍机理及制定调控措施提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 土样采集

试验地位于云南省保山市施甸县姚关镇陡坡村的连片烤烟种植示范区，该区域土地植烟历史可考，除连作年限外，其他因素基本一致。土壤质地为砂壤土，种植烤烟品种为K326，采用“大麦—烤烟→大麦—烤烟→大麦—烤烟”的复种连作模式，每年烤烟施氮量（纯N）为120 kg/ha，施磷量（P2O5）为90 kg/ha、施钾量（K2O）为321 kg/ha，肥料由当地烟草公司提供，栽培管理措施统一按当地优质烟叶生产技术规范进行。

利用五點取样法采集分别种植4年（T4）、6年（T6）、8年（T8）、14年（T14）和16年（T16）烤烟的土壤0～20 cm土样2 kg，每处理采集5个土壤样品，除去表层后混合，共取3份平行土壤样品。所取土样风干后用于土壤理化性状和酶活性的测定。

1. 2 测定项目及方法

土壤pH采用电位计法（水土比为2.5∶1）测定（NY/T 1377—2007）;有机质含量采用重铬酸钾—硫酸外加热法测定（NY/T 1121.6—2006）;全氮含量采用高氯酸—浓硫酸消化、半微量开氏蒸馏法测定（NY/T 53—1987）;全磷含量采用高氯酸—浓硫酸消化、钼蓝比色法测定（NY/T 88—1988）;全钾含量采用NaOH熔融、火焰光度计测定（NY/T 87—1988）;碱解氮含量采用碱解扩散法测定（LY/T 1229—1999）;有效磷含量采用NaHCO3浸提、钼锑抗比色法测定（NY/T 1121.7—2006）;速效钾含量采用醋酸铵浸提、火焰光度计测定（NY/T 889—2004）。

土壤酶活性测定参照孙甜田等（2015）的方法。过氧化氢酶活性采用KMnO4滴定法测定，脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定。所有土样的测定均设3次重复。

1. 3 统计分析

采用Excel 2013对试验数据进行整理并制图，采用SPSS 22.0进行差异显著性、相关性及土壤化学性状和酶活性的逐步回归模型分析。

2 结果与分析

2. 1 连作对植烟土壤化学性状的影响

从图1可看出，随连作年限的增加，植烟土壤的pH、有机质和全氮含量均呈降低趋势，其中在连作8年后，pH降低趋势明显加快（图1-A），有机质和全氮含量降低趋势减缓（图1-B和图1-C）;全磷、全钾、水解性氮和有效磷含量均呈先降低后升高的变化趋势（图1-D、图1-E、图1-F和图1-G），且连作6年和8年的全磷和全钾含量显著低于其他连作处理（P<0.05，下同），连作14年处理的水解性氮和有效磷含量最低;速效钾含量则逐渐升高，且连作8年后升高的趋势明显加快（图1-H）。

2. 2 连作对植烟土壤酶活性的影响

从图2可看出，随连作年限的增加，植烟土壤的过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性均呈先升高后降低的变化趋势，但不同酶活性峰值出现的连作年限存在差异，其中，过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性的峰值出现在连作8年处理，脲酶和蔗糖酶活性的峰值出现在连作6年处理。

2. 3 植烟土壤化学性状和酶活性的相关性分析结果

分别以化学性状和酶活性为一个矩阵，利用Mantel Test对二者进行相关性分析。皮尔逊系数（r）在一定程度上能反应两个变量间相关性的强度，当|r|<0.3时呈低度相关，当0.3≤|r|<0.8时呈中度相关，当|r|≥0.8时呈高度相关（Song，2016）。由表1可知，土壤化学性状与酶活性间的相关系数为0.444，且达极显著水平（P<0.01，下同）。各土壤化学性状指标与不同酶活性间的相关性有所不同，其中过氧化氢酶活性与pH、全钾和速效钾呈高度相关（|r|≥0.8），且与全钾和速效钾的负相关达显著水平;脲酶活性与pH和全钾呈高度相关（|r|≥0.8）;酸性磷酸酶活性和蔗糖酶活性与全磷、全钾均呈高度相关（|r|≥0.8），且相关性也达极显著水平。

2. 4 植烟土壤化学性状与酶活性间的逐步回归分析结果

逐步回归分析中偏回归方程标准化系数的大小代表对应自变量影响力的强弱，标准化系数的正负值分别代表该自变量对因变量起到促进或抑制的影响作用（李亮亮等，2010）。由表2中的逐步回归方程可看出，以土壤化学性状为因变量、酶活性为自变量，通过逐步回归分析，剔除无关变量后，筛选出全磷、全钾和速效钾的回归方程，说明除这3项化学性状外，酶活性对其余化学性状指标无影响或影响不显著。其中，影响土壤全磷含量的因素为酸性磷酸酶活性，标准化系数为-0.968，表明酸性磷酸酶活性对全磷含量具有抑制作用;影响土壤全钾含量的因素为蔗糖酶活性，准化系数为-0.979，表明蔗糖酶活性对全钾含量具有抑制作用;影响土壤速效钾含量的因素为过氧化氢酶活性，标准化系数为-0.927，表明过氧化氢酶活性对速效钾含量具有抑制作用。

由表3中的逐步回归方程可看出，以土壤酶活性为因变量、化学性状为自变量，通过逐步回归分析，剔除无关变量后，筛选出过氧化氢酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性的回归方程，说明除这3种土壤酶活性外，化学性状对脲酶活性无影响或影响不显著。其中，影响土壤过氧化氢酶活性的因素为速效钾和全钾，标准化系数分别为-0.555和-0.518，表明两者对过氧化氢酶活性具有抑制作用，且全钾的影响力较速效钾大;影响土壤酸性磷酸酶活性的因素为速效钾、pH和全磷，标准化系数分别为-1.119、-0.305和0.003，表明有效磷和pH对酸性磷酸酶活性具有抑制作用，而全磷对其具有促进作用，且速效钾对酸性磷酸酶活性影响最大，其次为pH，全磷最小;影响土壤蔗糖酶活性的因素为全钾，标准化系数为0.979，表明全磷对蔗糖酶活性具有促进作用。

3 讨论

长期连作可导致植烟土壤缓解pH的能力下降（晋艳等，2004;何俊瑜等，2013）、有效养分比例发生非均衡变化（邓阳春和黄建国，2010;邓红艳，2015）;当连作达一定年限时，土壤pH显著下降，有机质、全氮、全钾和有效磷含量也出现不同程度的降低，而全磷、速效钾和水解性氮含量出现富集现象（邓阳春和黄建国，2010;邓红艳，2015）。因此，pH变化和土壤养分失衡是导致土壤理化性质恶化的主要原因（Tsadilas，2000;王连君和谷思玉，2004;Samadi and Dovlati，2008;贾志红等，2011）。本研究也得出相似结论，即随连作年限的增加，植烟土壤的pH和有机质含量均呈明显降低趋势。可能是由于烟草专用复合肥为生理酸性肥料，烤烟在生长过程中吸收大量阳离子的同时将细胞内的氢离子外排，再加上根系分泌物中的有机酸，最终导致连作条件下植烟土壤的酸化，又因烤烟为喜钾作物，在烤烟生长中人为追施大量硫酸钾，钾离子与钙镁等离子的交换导致土壤板结，使植烟土壤有机质含量降低。本研究中，各处理全氮含量随连作年限的增加呈下降趋势，可能是烤烟需氮较多且在同一地块连年种植所导致;而土壤速效钾含量随连作年限延长有所增加，说明连作导致烤烟对钾素的吸收能力减弱;对于全磷、全钾、水解性氮和有效磷而言，均随连作年限的增加呈先降低后升高趋势，表明烤烟连作超过一定年限后（连作8年左右），对以上几种养分的吸收利用能力减弱，最终导致植烟土壤养分状况失衡。可见，连作导致植烟土壤酸化和养分失衡，進一步影响植株对矿质元素的吸收，从而使产质量受到影响。因此，在今后的烤烟生产中，要合理施用化肥，适当增施有机肥以改善植烟土壤环境。

前人研究表明，随连作年限的增加，植烟土壤酶活性呈升高趋势，但当连作达一定年限时，酶活性反而出现下降趋势（张翼等，2007;盘莫谊等，2008;李鑫等，2012;陈继峰等，2016）。土壤酶活性直接影响植株对土壤养分的转化、吸收和利用，土壤酶活性发生变化，会导致烤烟对土壤养分的利用率发生改变。本研究结果也表明，随着连作年限的增加，4种土壤酶活性均表现出先升高后降低的变化趋势，但不同酶活性的峰值出现在不同的连作年限。其原因可能是在连作未达酶活性峰值年限时，表层土壤中烟株和根系残留物逐年积累，为土壤酶提供了足够的底物，因此酶活性升高;当连作超过酶活性峰值年限后，土壤中病菌和有毒物质等的积累导致酶活性降低。可见，连作导致土壤酶活性发生变化，又因土壤酶对土壤中养分的转化效率有直接影响，因此，连作对植烟土壤酶活性的影响最终表现为土壤养分的转化效率改变，进一步影响烟株对矿质元素的吸收，形成发生连作障碍的一个因子。

土壤理化性质和酶活性间存在相互影响，且不同性状间的影响程度也存在差异（陶宝先等，2009;葛晓改等，2012）。本研究利用逐步回归模型，在Mantel Test分析和相关性分析的前提下，确认化学性状与酶活性间具有一定相关性，在此基础上，分别以化学性状和酶活性为因变量，剔除相应的无关变量后，进一步得出土壤化学性状与酶活性间的相互影响关系，结果表明，土壤酶活性对全磷、全钾和速效钾均有一定的影响，其中，影响土壤全磷含量的因素为酸性磷酸酶活性，影响全钾含量的因素为蔗糖酶活性，影响速效钾含量的因素为过氧化氢酶活性，且以上影响均呈抑制作用。其原因可能是酶活性的改变导致土壤养分转化效率发生变化，进一步加剧土壤养分失衡。同时，部分土壤化学性状指标对过氧化氢酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性有一定影响，其中，影响土壤过氧化氢酶活性的因素为速效钾和全钾，两者均为抑制作用，且全钾的影响力较速效钾大;影响土壤酸性磷酸酶活性的因素为速效钾、pH和全磷，前两者为抑制作用，后者为促进作用，且速效钾对酸性磷酸酶活性影响最大，其次为pH，全磷最小;影响土壤蔗糖酶活性的因素为全钾，表现为促进作用。以上结果产生的原因可能是土壤养分失衡改变了土壤酶的底物组成，直接或间接影响酶活性。但本研究仅从统计分析的角度初步探讨了土壤酶活性和化学性状间的相互关系，受研究手段和方法的限制，连作植烟土壤中化学性状和酶活性间的相互影响机制尚不完全清楚，尚有待进一步探究。

4 结论

随连作年限的增加，植烟土壤环境恶化，养分失衡，酶活性呈先升高后降低的变化趋势，部分土壤化学性状与酶活性间存在密切的相互影响关系。其中，全磷、全钾和速效钾含量分别受酸性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性抑制;过氧化氢酶和蔗糖酶活性均受全钾含量抑制，酸性磷酸酶活性受速效钾含量抑制。

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