玉米连作农艺性状与土壤理化性质及酶的相关性分析

常 浩,李文学,徐志鹏,栾倩倩,周 琦,汪亮芳,吴之涛,杨克泽,马金慧,任宝仓

(甘肃省农业工程技术研究院/甘肃省玉米病虫害绿色防控工程研究中心/武威市玉米病虫害绿色防控技术创新中心,甘肃 武威 733006)

【研究意义】甘肃省河西走廊是我国重要的玉米种子生产基地,近年来,随着玉米种植面积的稳定,玉米连作面积越来越大[1]。据统计,张掖市连作年限15年以上有3.3×104hm2,其中超过20年的有近6700 hm2;连作年限10～15年有1.67×104hm2;10年以下有1.67×104hm2。玉米是耐连作作物,但长期连作导致土壤退化趋势逐步加重、土传病虫危害日益严重、生态污染问题逐步突显以及作物农艺经济性状降幅明显等问题[2]。这些问题已严重影响我国玉米种子的质量和产量,威胁河西地区国家级玉米制种基地的持续健康发展,解决连作障碍问题刻不容缓。【前人研究进展】目前,国内外众多学者开展了关于连作对土壤影响的研究,认为连作导致土壤结构遭到严重破坏,土壤比重、体积质量增大,孔隙度和良好团聚体的比例下降[3],以及土壤养分含量不均衡,土壤有机质、钾含量下降,而氮、磷含量增加[4];另外,连作使微生物多样性水平降低,造成细菌型土壤向真菌型土壤转化[5-7]。土壤酶是土壤生物学活性的重要组成部分,催化土壤有机物的矿化并释放无机养分,参与土壤腐殖质的形成和分解[8],反映土壤各种生物化学过程的动向和强度,其活性的高低离不开土壤微生物的作用,因此是反映土壤质量的重要指标之一[9]。研究表明,连作会使土壤酶活性下降,如蔗糖酶和脲酶活性[10],并影响土壤有机质和速效氮、速效磷的含量。此外,土壤温度、酸碱度、土壤水分状况、土壤容重等对土壤酶活性都有一定影响[11]。土壤脲酶活性能将尿素水解成氨和碳酸,反映土壤供应氮素的能力,是土壤氮素转化的关键酶[10]。土壤蔗糖酶广泛存在于土壤中,对于土壤碳水化合物的转化和作物营养物质的供应有一定作用,是土壤生物学活性的重要指标之一[12]。土壤过氧化氢酶可以将对作物生长发育有毒害作用的过氧化氢物质分解成水和氧气,是一种重要的土壤氧化还原酶[13]。刘建国等[4]通过对新疆棉花连作研究,发现土壤脲酶、过氧化氢酶、转化酶、蛋白酶和中性磷酸酶活性随着连作年限增加呈先下降后上升趋势,过氧化物酶活性随着连作时间延长而增加。【本研究切入点】以轮作1年、连作5、11、25和50年的玉米根际土壤为切入点,通过研究连作对玉米生长发育的影响,探明不同连作年限下玉米根际土壤理化性质、土壤酶活以及玉米农艺性状的相互关系。【拟解决的关键问题】通过测量不同连作年限下玉米农艺性状和根际土壤理化性质及酶活,了解连作对玉米生长发育的主要影响,以期为河西制种玉米缓解生产连作问题提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点位于张掖市甘州区兴隆村(100°14′48.66″ E,39°9′43.78″ N),当地海拔1395 m,试验地土壤为沙土,周边开阔、地势平坦、灌溉方便,适合玉米生长发育。种植玉米品种为恒基利马格兰制种公司制种玉米,所有试验地块种植品种一致,田间株距25 cm,行距45 cm,膜间距55 cm,4月15日随覆膜播种,田间使用化肥种类和用量一致,其中基肥施二胺225 kg/hm2,复合肥225 kg/hm2,硫酸锌15 kg/hm2,后期追施尿素150 kg/hm2,复合肥150 kg/hm2,其他栽培管理措施同大田一致。本研究中A为轮作1年,B为连作5年,C为连作11年,D为连作25年,E为连作50年。

1.2 玉米的生物量和形态学指标测定

玉米苗期挖出根系用清水冲洗干净后利用根系扫描分析系统(Epson Perfection V850 Pro)测定根系长度、表面积、根系受损体积和根尖数等指标。在玉米大喇叭口期随机选取不同连作年限地块中连续的玉米25株,测量其株高、茎粗和根系重量等指标;在玉米八叶期,于天气晴朗的9:00—11:00随机选取不同连作年限的地块中长势基本一致的5株玉米植株进行光合参数的测定(无风,室温稳定在30 ℃左右)。具体选取倒数第3片功能叶,用便携式光合仪(LI-6400XT)测定净光合速率(Net photosynthetic rate,Pn)、气孔导度(Stomatal conductance,Gs)、蒸腾速率(Transpiration rate,Tr)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration,Ci)等参数,测定时设定室内光强为 1200 μmol/(m2·s)。

1.3 土壤样品采集

玉米成熟期后,挖出玉米根系,抖落根系周围土壤,用毛刷刷下黏附在根系表面的土壤装入无菌袋中,贴上标签,并用冰袋保存,带回实验室。将采集的新鲜土样一部分储存在-80 ℃冰箱中,用于土壤酶活测定,另一部分自然风干,用于测定土壤理化性质,不同连作年限各自3次重复。

1.4 土壤理化性质测定

有机质、水解性氮、有效磷、速效钾、pH的测定分别采用重铬酸钾容量法、外加热法、碱解扩散法、碳酸氢钠法、醋酸铵火焰光度计法、水土比5∶1法[14]。

1.5 酶活测定方法

采用试剂盒法测定土壤脲酶(S-UE)、土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤过氧化氢酶(S-CAT)、土壤碱性磷酸酶(S-AKP/ALP)、土壤脲酶(货号 SUE-2-Y)、土壤过氧化氢酶(货号 SCAT-2-Y)、土壤蔗糖酶(货号 SSC-2-Y)、土壤碱性磷酸酶(货号 SAKP-2-W)(南京集思慧远生物科技有限公司)。

1.6 数据处理与分析

所有数据均采用 Microsoft Excel 2010 软件分析与处理,运用 SPSS 22.0 软件对试验数据进行方差分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 连作对玉米根际土壤理化性质的影响

由表1可知,玉米连作土壤中的速效磷、速效钾和pH随着连作年限延长呈先上升后下降趋势,水解性氮随连作年限的延长先下降后上升。在连作50年的土壤中含量最高(46.10 mg/kg),在连作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连作土壤中差异显著(P< 0.05),在连作1年的土壤中含量最高(52.30 mg/kg),在连作5年的土壤中含量最低(12.92 mg/kg);速效钾在不同年份的连作土壤中差异显著(P<0.05),在连作11年的土壤中含量最高(94.00 mg/kg),在连作50年的土壤中含量最低(81.67 mg/kg);有机质含量在不同年份的连作土壤中差异显著(P< 0.05),在连作50年的土壤中含量最高(13.14 mg/kg),在连作1年的土壤中含量最低(11.41 mg/kg);pH在不同连作年限的土壤中差异显著(P< 0.05),连作25年的土壤pH最高(pH 8.9),连作50年的土壤pH最低(pH 8.46)。

表1 不同连作年限下玉米根际土壤的理化性质Table 1 Physicochemical properties of rhizosphere soil under different continuous cropping years of maize

2.2 连作对玉米根际土壤酶活性的影响

由表2可知,玉米不同连作年限下根际土壤中的土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤脲酶(S-UE)、土壤碱性磷酸酶(S-AKP/ALP)和土壤过氧化氢酶的含量差异显著(P<0.05),随着连作年限的延长呈先升后降趋势。其中土壤过氧化氢酶(S-CAT)在连作50年的根际土壤中含量最高[33.51 μmol/(d·g)],在连作1年的根际土壤中含量最低[20.94 μmol/(d·g)];土壤蔗糖酶在连作50年的根际土壤中含量最高[43.38 mg/(d·g)],在连作5年的根际土壤中含量最低[37.16 mg/(d·g)];土壤碱性磷酸酶在连作1年的根际土壤中含量最高[4.28 μmoL/(d·g)];土壤脲酶(S-UE)在连作50年的玉米根际土壤中含量最高[1025.44 μg/(d·g)]。

表2 不同连作年限下玉米根际土壤中酶的活性Table 2 Enzyme activities in rhizosphere soil of maize under different continuous cropping years

2.3 连作对玉米生物学特性的影响

由表3可知,连作导致玉米植株生物学特性差异显著(P< 0.05),其中连作25年时玉米生长较好(109 cm),连作50年时生长较弱(70 cm);连作1年时叶绿素含量最高(36.79),连作11年时最低(31.27);连作11年时玉米茎秆最粗(18.22 mm),连作50年时玉米茎秆最细(16.57 mm);连作11年时根系鲜重最重(0.32 kg),连作25年时最轻(0.13 kg)。利用便携式光合仪测量不同连作条件下玉米叶片的光合作用,结果发现玉米叶片的光合在不同连作条件下差异显著(P< 0.05),其中叶片胞间CO2浓度连作5年时最高(144.25),连作11年时最低(78.51);叶片蒸腾速率在连作50年时最高(3.21),连作11年时最低(1.91);叶片净光合速率连作5年时最高(25.33),连作11年时最低(16.61);叶片的气孔导度连作5年时最高(0.22),连作11年时最低(0.09)。

表3 连作对玉米生物学特性的影响Table 3 Effects of continuous cropping on biological characteristics of maize

2.4 不同连作年限下土壤理化性质与玉米叶片光合作用的相关性

由表4可知,连作玉米根际土壤理化性质与玉米光合叶片作用具有相关性,其中土壤中水解性氮含量与玉米叶片光合作用呈正相关,速效磷和速效钾的含量与玉米叶片光合作用呈负相关;有机质含量与玉米叶片的胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)呈显著正相关(P<0.01),与植株叶片的净光合速率(Pn)呈显著负相关(P<0.05),与植株叶片的气孔导度(Gs)呈显著负相关(P<0.01);土壤酸碱度与玉米光合作用呈正相关。

表4 土壤理化性质与植株光合参数的相关性Table 4 Correlation between soil physical and chemical properties and plant photosynthetic parameters

2.5 连作对玉米根系的影响

利用根系扫描仪对玉米的植株根系进行扫描,发现不同连作年限下玉米根系发育差异明显,玉米根部毛根随着连作年限的延长而减少,连作1年的玉米根部毛根浓密,但毛根短,主根系发育不良,毛根主要分布在主根系的根基部和根尖部,主根系的中间部位毛根较少;连作5年的玉米根部毛根较多,但毛根发育不良,主根系基部份毛根长,靠近根尖部的毛根短;连作11年的玉米根部毛根发育好,毛根长,在主根沿根基部到根尖,分布均匀;连作25年的玉米根系毛根主要集中在主根中部,主根细;连作50年的玉米根部毛根较长,但是毛根稀少(图1)。

A～E分别表示轮作1年和连作5、11、25、50年下玉米根系发育情况。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.图1 不同连作年限下玉米根系发育情况Fig.1 Maize root development under different years of continuous cropping

由表5可知,通过根系扫描仪观察,发现不同年限连作下玉米根系在长度、表面和损体积方面差异显著(P<0.05),根系长度发育依次为:连作11年>5年>1年>25年>50年;根系表面积依次为:连作11年>1年>5年>25年>50年;根系受损体积依次为:连作11年>1年>5年>25年>50年。

表5 连作对玉米根系发育的影响Table 5 Effect of continuous cropping on maize root development

综合分析,连作11年的土壤中种植的玉米根系发育最好,根系长134.43 cm,表面积25.81 cm2,受损体积0.40 cm3,连作50年的土壤中种植的玉米根系生长最差,根系长28.71 cm,表面积5.72 cm2,受损体积0.09 cm3。

2.6 不同连作年限下玉米根际土壤理化性质、酶活及根系的相关性

由表6可知,土壤水解氮与玉米根系长度、表面积和受损体积、土壤蔗糖酶(S-SC)呈负相关,与土壤脲酶(S-UE)、土壤碱性磷酸酶(S-AKP/ALP)、土壤过氧化氢酶(S-CAT)呈正相关;土壤速效磷含量与土壤过氧化氢酶呈显著负相关,与土壤碱性磷酸酶呈显著正相关,与土壤蔗糖酶呈负相关,与土壤脲酶呈正相关;土壤速效钾含量与土壤脲酶、土壤蔗糖酶、土壤过氧化氢酶呈负相关,与土壤碱性磷酸酶呈正相关,与玉米的根系长度、表面积和受损体积呈正相关;土壤有机质含量与土壤蔗糖酶、土壤过氧化氢酶、土壤脲酶呈正相关,与土壤碱性磷酸酶呈负相关,与玉米根系长度、表面积呈负相关,与玉米根系受损体积呈正相关;土壤pH与土壤水解性氮、速效磷和速效钾呈负相关,与速效磷呈显著负相关,与土壤过氧化氢酶、土壤碱性磷酸酶和土壤脲酶呈负相关,与土壤蔗糖酶呈正相关,与玉米根系长度、表面积呈正相关,与玉米根系受损体积呈负相关;土壤过氧化氢酶与玉米根系长度、表面积和根系受损体积呈显著正相关;土壤蔗糖酶与玉米根系长度、根系表面和根系受损体积呈正相关;土壤碱性磷酸酶与玉米根系长度呈负相关,与玉米根系表面和根系受损体积呈正相关;土壤脲酶与玉米根系长度、根系表面和根系受损体积呈负相关。

表6 玉米不同连作下根际土壤理化性质、酶活及玉米根系的相关性Table 6 Correlation of rhizosphere soil physical and chemical properties, enzyme activity and maize root system under different continuous cropping of maize

3 讨 论

3.1 连作对玉米农艺性状的影响

玉米连作土壤中水解性氮含量差异不显著,有效磷、速效钾、有机质和pH差异显著(P<0.05),这一结果与程玉红等[15]的研究一致。连作对玉米植株生物学特性的影响调查显示,随着连作年限的延长,玉米植株的生物学特性表现越来越弱,连作50年的玉米植株生长发育情况较其他连作年限明显降低,这可能与玉米根际土壤中的微生物含量密切相关,因为随着连作年限的延长玉米根际土壤中的细菌群落越来越单一,相应的真菌群落会随着某种病原菌的积累而越来越多,导致玉米植株的生物学特性存在明显差异。

3.2 连作玉米根际土壤的理化性质与植株叶片光合参数之间的相关性

分析玉米连作根际土壤的理化性质与植株叶片光合参数之间的相关性,发现土壤理化性质与玉米植株的光合作用具有明显的相关性,其中土壤水解性氮含量与玉米叶片光合作用呈正相关,速效磷和速效钾含量与玉米叶片光合作用呈负相关,这与张朝轩等[16]和彭然等[17]的研究结果一致,有机质含量可以促进植株叶片的呼吸作用,降低光合速率。分析主要原因是叶片在养分缺乏时碳分配不均匀,导致叶片细胞发生形态变化,降低光合效率[18]。

3.3 连作对玉米根际土壤酶活的影响

土壤酶是土壤生态系统中物质交换过程和能量循环的重要生物活性物质,土壤酶活性的大小是衡量土壤肥力以及养分吸收转化的重要指标[19]。本研究表明土壤过氧化氢酶(S-CAT)、土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤碱性磷酸酶(S-AKP/ALP)和土壤脲酶(S-UE)随着连作年限的延长呈先上升后降低趋势,这与臧逸飞等[20]的研究结果一致,但该趋势较弱,其原因可能是本研究仅选择了5个不同连作年限的数据,并且连作年限跨度较大,所以难以明显地反映土壤理化性质与酶活性之间的关系,同时玉米根系分泌物积累过多影响了土壤微生物种群的变化,从而抑制了土壤酶活性,而随着连作年限的延长,生物适应性增强,使土壤酶的保护容量在新环境下又逐步恢复[15]。

3.4 连作玉米根际土壤理化性质、酶活及玉米根系发育的相关性

土壤酶活性的变化与土壤各养分含量的变化有关,连作栽培改变了根系对土壤各养分含量的吸收利用,进而改变土壤中酶活性的大小。土壤理化性质对土壤过氧化氢酶(S-CAT)、土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤碱性磷酸酶(S-AKP/ALP)和土壤脲酶(S-UE)的活性均有不同程度的影响,过氧化氢酶活性主要受碱解氮、有机质、全磷含量的影响,这与熊应彪等[21]研究结果一致;土壤蔗糖酶(S-SC)活性主要受有机质含量和pH的影响;土壤脲酶(S-UE)活性主要受有机质、碱解氮和全氮含量的影响;土壤碱性磷酸酶(S-AKP/ALP)活性主要受有效磷和全钾含量的影响。

4 结 论

连作导致玉米植株农艺性状下降,根系长度、毛根数和根系表面积随着连作年限的延长而减少,根系受损体积随着连作年限的延长而增加。根际土壤中速效磷、速效钾和pH随着连作年限延长呈先上升后下降趋势,水解性氮随连作年限的延长先下降后上升。土壤速效磷、速效钾和弱碱性土壤以及土壤碱性磷酸酶(S-AKP/ALP)、土壤蔗糖酶(S-SC)可以促进玉米根系发育,水解性氮、土壤脲酶(S-UE)和土壤过氧化氢酶(S-CAT)含量升高不利于玉米根系发育。