芝麻连作土壤养分含量和酶活性的变化及其对芝麻发芽的影响

崔彦芹，李思达，徐桂真，侯少锋，关中波，郭元章

（河北省农林科学院粮油作物研究所/河北省作物遗传育种实验室，石家庄 050035）

0 引言

芝麻(Sesamum indicumL.)是中国重要的优质油料作物，富含不饱和脂肪酸以及芝麻素、芝麻酚等天然抗氧化类物，具有突出的保健功能[1]。随着生活水平的提高，人们对芝麻的需求量也不断增加，但随着耕地面积的逐年减少，导致芝麻连作现象普遍存在，连作障碍造成的减产问题日趋严重[2]。因此，研究芝麻连作土壤酶活和养分含量的变化，是优化芝麻种植模式、缓解芝麻连作障碍的重要前提。连作障碍是指在同一土壤连续栽培同种或近缘作物时，作物出现生长发育变差、产量降低、品质下降、病虫害发生加重的现象[3]。连作障碍是多种因素综合作用的结果，目前国内外研究学者普遍认同的观点包括土壤养分的缺乏、土壤酶活性的变化、自毒物质积累以及土壤微生物群落结构的变化等[2,4-6]。连作会导致作物对土壤中肥料的选择性吸收，导致土壤中某种营养元素的缺乏，从而引起作物的生理障碍[7]。土壤酶参与有机质的分解和腐殖质的形成，是土壤生物活性的综合表现，其活性在一定程度上反映土壤肥力、物质转化和环境的变化，可作为衡量土壤生物学活性和土壤生产力的指标[8]。目前，有关芝麻连作障碍的报道集中在连作对芝麻农艺性状、产量、病害和根系分泌物等方面的影响[9-13]，芝麻连作对土壤养分、土壤酶活等方面的研究、以及土壤养分和酶活对种子发芽的影响研究鲜有报道。通过对不同连作年限连作芝麻土壤养分含量、土壤酶活性变化以及土壤浸提液对芝麻种子发芽的影响及其相关性，旨在为进一步缓解芝麻连作障碍提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试芝麻品种为‘冀航芝1 号’，由河北省农林科学院粮油作物研究所选育。试验土壤样本采自河北省农林科学院粮油作物研究所堤上试验站(N 37°51′，E 114°38′45″)正茬(CK)和连作1～6年定位试验田。

1.2 研究方法

1.2.1 连作芝麻土壤浸提液的制备 取河北省农林科学院粮油作物研究所堤上试验站正茬、连作1～6 年的土壤，将新鲜土样过1 mm 筛，按土:水体积比1:1 加水浸提，振荡1 h，静置24 h，用双层滤纸过滤得土壤浸提液，保存于4℃冰箱中备用。

1.2.2 种子发芽试验 选取籽粒饱满、无病虫害的芝麻种子，经0.1%过氧化氢表面消毒10 min，蒸馏水冲洗3次，置于铺有发芽滤纸的培养皿中，选用直径9 cm 的培养皿，双层滤纸，每皿100 粒种子，3 次重复，分别加入等量不同连作年限的土壤浸提液，并以等量蒸馏水作对照，将培养皿置于光照培养箱中，培养箱温度设置为25℃、相对湿度为75%，在黑暗条件下培养，每天补充适量浸提液或蒸馏水以保持滤纸湿度。3天统计发芽势，7天统计发芽率[14]。计算公式如式(1)～(2)所示。

1.2.3 土壤养分测定 全氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用硫酸-高氯酸消煮法，碱解氮采用丙三醇替代碱性胶液测定，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，有机质采用重铬酸钾容量法。

1.2.4 土壤酶活测定 脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，脱氢酶采用TTC 还原法测定，过氧化物酶采用比色法测定，酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定，蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[15]。

1.3 数据处理

采用Excel 2007 进行数据基本统计量分析，通过SPSS 20.0进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 连作对芝麻种子发芽的影响

由表1 可以看出，不同连作年限土壤浸提液对芝麻种子发芽势和发芽率有不同程度的影响，发芽势和发芽率随着连作年限的增加呈现减小后增加然后又减小的变化趋势。连作1年处理的发芽势和发芽率均为最高，与CK无显著性差异。连作3年处理的发芽势和发芽率均为最低，且显著低于其他处理。连作4～6 年处理的发芽势和发芽率均与CK无显著性差异。

表1 不同连作年限土壤浸提液对芝麻种子发芽的影响

表1 不同连作年限土壤浸提液对芝麻种子发芽的影响

注：小写字母表示达到0.05差异显著水平。下同。

2.2 芝麻不同连作年限对土壤养分的影响

由表2 可以看出，除对照外，连作土壤的全氮、碱解氮、速效钾和有机质含量随着连作年限增加呈现先减少再增加，然后又减少的变化趋势，全磷和速效磷含量随着连作年限的增加呈现先减少再增加的变化趋势。连作1 年的全氮含量、速效钾和有机质显著高于CK，连作2～6 年的全氮含量、速效钾和有机质均显著低于CK。连作1 年的全磷含量显著高于CK，其他连作年限的全磷含量与CK 无显著差异。连作1 年和5年的碱解氮显著高于CK，其他连作年限的碱解氮显著低于CK。连作1 年和2 年的速效磷显著高于CK，连作3～6年的速效磷显著低于CK。

表2 芝麻不同连作年限的土壤养分变化

2.3 芝麻不同连作年限对土壤酶活的影响

由表3可以看出，不同连作年限土壤的脱氢酶、脲酶、过氧化物酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性与CK比，均呈显著性差异。不同连作年限的脱氢酶活性均显著低于CK，在连作1～6 年时分别较CK 下降5.95%、25.16%、38.31%、37.30%、20.65%、28.72%。脲酶活性在连作1 年时较CK 增加5.59%，在连作2～6 年时分别较CK下降22.05%、39.45%、31.82%、18.88%、26.50%，均为显著差异。过氧化物酶活性在连作1～3年和6年时分别较CK 下降18.98%、14.48%、19.06%、0.98%、19.65%，在连作4年时较CK增加2.20%，差异显著；在连作5年时较CK降低0.98%，差异不显著。蔗糖酶活性在连作1 年时较CK 增加7.04%，在连作2～6 年时分别 较CK 下 降8.12%、27.41%、11.35%、14.83%、21.95%，且差异显著。酸性磷酸酶活性在连作1 年时较CK 增加16.87%，在连作2～6 年时分别较CK 下降27.61%、42.53%、25.01%、16.92%、12.20%，差异显著。

表3 芝麻不同连作年限的土壤酶活分析

2.4 土壤酶活与土壤养分相关性分析

由表4 可以看出，发芽势与土壤养分和酶活均无显著相关性。发芽率与脲酶、全磷、发芽势呈极显著正相关，与蔗糖酶、酸性磷酸酶、碱解氮、速效钾呈显著正相关。5 种土壤酶活性之间，仅有酸性磷酸酶和过氧化物酶之间为不显著负相关，其他酶活之间均为正相关。脱氢酶、脲酶和蔗糖酶之间为显著/极显著正相关，酸性磷酸酶与脱氢酶、土脲酶为显著正相关。土壤养分之间均为正相关关系。全氮与碱解氮、速效钾、有机质为显著正相关；全磷与碱解氮、速效磷、速效钾为显著正相关，与有机质为极显著正相关；碱解氮与速效磷、速效钾为显著正相关，与有机质为极显著正相关；速效钾与有机质为显著正相关。除过氧化物酶外，其他酶活性与土壤养分之间均为正相关。脱氢酶与全氮、碱解氮、速效钾、有机质为显著正相关；脲酶与速效磷为显著正相关，全氮、碱解氮、速效钾、有机质为极显著正相关；蔗糖酶与速效磷、速效钾为显著正相关，与全氮、有机质为极显著正相关；酸性磷酸酶与全氮、全磷、速效钾、有机质为显著正相关；过氧化物酶与全氮、全磷、速效磷、有机质为不显著负相关，与碱解氮、速效钾为不显著正相关。

表4 土壤酶活、养分、发芽势及发芽率的相关性分析

3 结论

芝麻连作会引起土壤养分和酶活整体的变化，而且各指标之间的变化具有显著的相互影响；连作1 年对芝麻和耕地的影响较小，连作3 年对芝麻和耕地的影响最大；土壤养分和酶活对芝麻的发芽率有显著的正向效应，脲酶和全磷的影响最大。

4 讨论

连作障碍是芝麻生产的重要问题，因连作障碍造成的芝麻减产、降质问题严重限制了芝麻产业的高质量发展[9]。研究表明，连作1～3 年的芝麻产量显著下降，病害程度显著增加、导致土壤微生物环境恶化[10]。引起连作障碍的主要因素有4 个方面：土壤和植株营养元素匮乏，土壤微生物区系失衡，土壤某些酶活性降低，以及自毒物质积累[4]。

研究表明，花生和糜子连作会导致土壤养分和酶活的逐年下降，且品种间具有一定差异[16-17]，甘薯连作会引起土壤真菌和细菌群落的变化[5-6]，党参连作导致土壤养分和酶活呈现先上升后下降趋势[18]。由此说明，不同作物或品种连作对土壤产生的影响不同。本研究采用6年定位小区试验，测定土壤养分及酶活的变化趋势，分析土壤浸提液对芝麻种子发芽的影响。结果显示，除脱氢酶和过氧化物酶外，连作1年的芝麻发芽势、发芽率、土壤养分和其他土壤酶活均为最高；随着连作年限的增加，各指标均呈现先下降、后升高的趋势，连作3年时各指标均达到最低值，脱氢酶、脲酶和酸性磷酸酶下降的幅度大于过氧化物酶和蔗糖酶。该结果表明，多年的连作不利于芝麻生产和耕地利用，而连作1年对芝麻和耕地的影响较小，连作3年对耕地的影响最大；连作3年后，由于连作地芝麻群体数量显著减少，使得土壤得到一定时空的闲置，养分及酶活逐渐恢复。

本研究分析了发芽势、发芽率、土壤养分、土壤酶活之间的相关性。结果表明，发芽率与脲酶、全磷呈极显著正相关，与蔗糖酶、酸性磷酸酶、碱解氮、速效钾呈显著正相关，与其他指标呈不显著正相关。说明土壤养分和酶活对芝麻的发芽率有显著的正向效应，脲酶和全磷的影响最大。土壤养分和酶活各指标之间，仅有过氧化物酶与酸性磷酸酶、全氮、全磷、速效磷、有机质为不显著负相关，其他指标之间均为正相关。刘广深等[19]研究表明全氮、有机质是影响磷酸酶活性的2个最重要的指标，本研究也显示酸性磷酸酶与全氮、有机质呈显著正相关。黄书涛[20]研究表明土壤脲酶与有机质、速效磷、速效钾的相关系数达到显著水平，本研究也得出相似的结果。由此说明，芝麻连作会引起土壤养分和酶活整体的变化，而且各指标之间的变化具有显著的相互影响。