李雪萍,李建宏,漆永紅,郭 煒,李 瀟,李敏權(quán),*

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 蘭州 730070 2 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 蘭州 730070

青稞根腐病對(duì)根際土壤微生物及酶活性的影響

李雪萍1,2,李建宏1,漆永紅1,2,郭 煒1,李 瀟1,李敏權(quán)1,2,*

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 蘭州 730070 2 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 蘭州 730070

選取甘肅省卓尼縣青稞種植區(qū)為研究地點(diǎn),調(diào)查青稞根腐病的發(fā)病情況,并分別采集其健康植株和發(fā)病株根際的土壤,對(duì)比分析其土壤微生物生物量(碳、氮、磷)、微生物數(shù)量(細(xì)菌、真菌、放線菌)以及過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶、纖維素酶5種酶活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),研究區(qū)10個(gè)采樣點(diǎn)均有青稞根腐病的發(fā)生,發(fā)病率在5%—20%之間,不同地點(diǎn)發(fā)病率不同。根腐病的發(fā)生,會(huì)顯著影響青稞根際微生物生物量,導(dǎo)致微生物生物量碳、氮、磷的含量發(fā)生變化,其中微生物生物量氮和磷含量整體降低,且不同采樣點(diǎn)微生物量不同。土壤微生物數(shù)量總體呈現(xiàn)細(xì)菌>放線菌>真菌的趨勢(shì),但不同微生物對(duì)根腐病發(fā)病的響應(yīng)不同,細(xì)菌和放線菌數(shù)量因根腐病的發(fā)生而減少,真菌的數(shù)量則增多；不同采樣點(diǎn)土壤微生物數(shù)量不相同,細(xì)菌和真菌呈現(xiàn)區(qū)域性特征,放線菌的數(shù)量不呈現(xiàn)地域性。根腐病的發(fā)生還造成土壤酶活性的改變,其中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶的含量因根腐病的發(fā)生而降低,而纖維素酶則升高,過氧化氫酶的變化沒有規(guī)律?？偠灾?根腐病的發(fā)生會(huì)使青稞根際土壤微生物組成發(fā)生改變,碳、氮、磷等物質(zhì)代謝受到抑制,而能量代謝發(fā)生紊亂。因此,研究和防治青稞根腐病就必須重視土壤微生物及土壤酶的作用。

青稞；根腐??；土壤微生物量；細(xì)菌；真菌；放線菌；土壤酶

Abstract： Naked barley is one of the major crops of western China. Root rot causes a serious reduction in naked barley. However, study of the rhizosphere soil microorganisms and enzyme activity of naked barley experiencing root rot may yet find ways to mitigate the damage. This study selected a naked barley growing area in Zhuoni county of the Gannan state in Gansu Province as its research site. Naked barley root rot was chosen as the object of study. Rhizosphere soil samples from healthy naked barley and naked barley infected with root rot were collected separately. Then microbial (bacteria, actinomyces, fungi) quantity was determined using the plate count method. Microbial biomass carbon was determined using the potassium dichromate sulfuric acid heating method. Microbial biomass nitrogen was determined using the Kjeldahl method. Microbial biomass phosphorus was determined using the molybdenum blue colorimetric method. Catalase activity was determined using the volumetry method. Sucrase and cellulase activity were determined using 3, 5-dinitrosalicylic acid colorimetry. Urease activity was determined using the indophenol blue colorimetric method. Alkaline phosphatase was determined using the phenyl phosphate disodium colorimetric method. Finally, we analyzed rhizosphere soil sampled from healthy naked barley and from naked barley infected with root rot to compare microbial biomass, microbial numbers in soil, and soil enzyme activity. The results showed that root rot occurred in naked barley at all 10 of the sampled areas with an incidence of 5% to 20%, though the morbidity differed between plots. The presence of root rot dramatically affected the microbial biomass of naked barley rhizosphere soil, which led to changes in the carbon, nitrogen, and phosphorus levels of the microbial biomass. The reduction in microbial biomass nitrogen and phosphorus levels and in microbial biomass differed between sampling sites. The total number of microorganisms varied, but showed a general population trend of bacteria>actinomyces>fungi. Different microorganisms have different responses to naked barley root rot, as the number of bacteria and actinomyces decreased when root rot was present, while the number of fungi increased. The total number of microorganisms varied between different sample areas, with bacteria and fungi showing rationality, while actinomyces did not. The presence of naked barley root rot also changed the enzyme activity of rhizosphere soil. Enzyme activity around sucrose, urease, and alkaline phosphatase decreased in the presence of root rot, while enzyme activity around cellulose increased. Changes in catalase activity did not appear to be correlated with the presence of root rot. Enzyme activity differed between samples of naked barley rhizosphere soil different samples to a significant degree. Correlation analysis showed a significant positive correlation between soil microbial biomass carbon and soil microbial biomass nitrogen levels. The number of soil bacteria and actinomyces showed a significant positive correlation with both soil microbial biomass carbon and biomass nitrogen levels. Soil fungi numbers showed significant positive correlation with both soil microbial biomass phosphorus and sucrose levels, and with enzyme activity around cellulose. Alkaline phosphatase activity showed significant positive correlation with both soil microbial biomass carbon and actinomyces numbers, but also showed significant negative correlation with catalase activity. In general, the presence of naked barley root rot was found to influence various factors of rhizosphere soil. These various factors are connected to and influence each other. The root rot changed the soil microbial flora composition of naked barley rhizosphere soil by restricting the presence of materials such as carbon, nitrogen, and phosphorus, and by disrupting energy metabolism. Therefore, research into the control of naked barley root rot must take the role of soil microorganisms and enzymes into account.

KeyWords: naked barley; root rot; soil microbial biomass; bacteria; fungi; actinomyces; soil enzyme

青稞 (HordeumvulgareL. var. nudum Hook.f.) 即裸大麥,是栽培大麥(HordeumvulgareL.) 的變種。在我國(guó),青稞主要分布在西藏、甘肅、青海、云南、四川等省區(qū)的高海拔地區(qū),具有耐寒性強(qiáng)、成熟期短等特點(diǎn),在海拔超過4200m的高寒地區(qū),青稞是唯一能夠正常成熟的谷物[1],成為該地區(qū)人民的主食,藏區(qū)人民經(jīng)常將其做成糌粑食用。因此,青稞對(duì)于我國(guó)藏區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安定具有無可替代的作用。但是,根腐病等植物病害給該地區(qū)的青稞種植帶來了很大的困難,有調(diào)查顯示,根腐病造成了大麥類作物減產(chǎn)近10%[2]。筆者在甘肅省甘南州青稞種植區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn),在該地區(qū),青稞根腐病的發(fā)生十分普遍,且近些年來有加重之勢(shì)。然而,限于該地區(qū)較為落后的經(jīng)濟(jì)和科技條件,青稞根腐病未得到應(yīng)有的重視,對(duì)其的研究很少見諸報(bào)道。

傳統(tǒng)上對(duì)于根腐病的防治多是利用農(nóng)藝措施或化學(xué)農(nóng)藥進(jìn)行防治[3],但農(nóng)藝措施防治效果有限；而化學(xué)農(nóng)藥防治多用多菌靈、百菌清、敵克松、代森錳鋅、咪鮮胺、苯醚甲環(huán)唑、惡霉靈與甲基托布津等有毒性的藥物[4],這些化學(xué)農(nóng)藥不僅會(huì)造成農(nóng)作物農(nóng)藥殘留,危害人畜健康,還會(huì)影響土壤生態(tài)平衡,造成土壤質(zhì)量下降甚至土壤退化,對(duì)于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來很不利的影響,尤其在高寒地區(qū),農(nóng)藥降解過程緩慢,其造成的危害也更大。20世紀(jì)80年代我國(guó)陳延熙教授提出“植物微生態(tài)學(xué)”概念,從此,學(xué)者們注意到了微生物在植物病害防治方面的巨大作用,并于1986 年5月在北京召開的中國(guó)植物病理學(xué)會(huì)第三次全國(guó)代表大會(huì)上首次提出了“植物生態(tài)病理學(xué)”,以微生態(tài)學(xué)為依據(jù),土壤微生物在植物病害防治方面的作用才逐漸被人們所認(rèn)識(shí)[5]。

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分,在土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分循環(huán)、肥力形成、污染物降解以及能量流動(dòng)方面具有重要的作用[6- 8],是土壤的活性部分。土壤微生物系統(tǒng)是長(zhǎng)期適應(yīng)土壤環(huán)境的結(jié)果,因此,與土壤其他成分相比,微生物對(duì)土壤環(huán)境的變化更為敏感,能較早的表征土壤質(zhì)量和生態(tài)功能的變化。Arancon等研究表明土壤微生物的數(shù)量和活性與植物發(fā)病率之間有很密切的關(guān)系[9]。李紅麗等[10]分析認(rèn)為調(diào)節(jié)土壤微生態(tài)可以很好的防治煙草青枯病的發(fā)生；而呂恒等[11]研究發(fā)現(xiàn),植物根際的某些真菌對(duì)黃瓜土傳病害有防治作用。而土壤酶也可以作為土傳病害預(yù)測(cè)的一個(gè)重要指征[12]。如何川等[13]對(duì)植煙土壤酶活性與土傳病害的關(guān)系研究表明,煙草青枯病和黑脛病的病情指數(shù)與土壤有機(jī)碳量、土壤淀粉酶、蔗糖酶、纖維素酶活性呈負(fù)相關(guān)。廖梓良等[14]研究表明,脫氫酶和磷酸酶可以作為設(shè)施栽培土傳病害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指征。

綜上,研究土壤酶和土壤微生物對(duì)于了解根腐病的發(fā)生和危害機(jī)理,進(jìn)而提出防治措施具有重要的意義,但目前青稞根腐病方面,尚沒有此方面的報(bào)道。因此,我們通過研究甘肅青稞主要分布區(qū)甘南州卓尼縣青稞根腐病病健植株根際土壤理化性質(zhì)及酶活性,明確根腐病發(fā)生與青稞根際土壤酶活性及土壤微生物的變化規(guī)律,為青稞的生產(chǎn)及進(jìn)一步研究提供良好的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省甘南藏族自治州卓尼縣,域內(nèi)地貌大部分為中低山地形,地勢(shì)西南高,東北低。海拔在4920—2000 m之間,年均氣溫4.6 ℃,年均降水量580 mm,無霜期119 d,屬高原性大陸氣候,寒冷濕潤(rùn),四季不明。玉米、小麥等常規(guī)糧食作物無法成熟或產(chǎn)量及品質(zhì)較低,青稞為其主要糧食作物之一,種植面積約占境內(nèi)糧食作物種植總面積的48.5%。

1.2 調(diào)查采樣

于2015年6月5日至6月7日在研究區(qū)選取木耳鎮(zhèn)塔古村和七車村、柳林鎮(zhèn)上卓尼村和官磊村、申藏鄉(xiāng)小溝村、申藏村和左拉村、阿子灘鄉(xiāng)麻乍村、上阿子灘村和下阿子灘村等4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)10個(gè)村青稞種植地為調(diào)查采樣點(diǎn),參考《植病研究法》[15]對(duì)該區(qū)域青稞根腐病發(fā)病率進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì),并采用多點(diǎn)采樣法采集根腐病發(fā)病特征典型的青稞植株和同一樣地健康植株及其根際土壤,共采得苗期青稞根腐病發(fā)病株和健康株樣品各10份,然后將各樣品低溫運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室并盡快進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3 土壤樣品預(yù)處理

收集青稞樣品根際土壤,一部分直接用于三大微生物的計(jì)數(shù),另一部分風(fēng)干后過2mm篩,再將其置于25℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7d,待測(cè)[16]。

1.4 土壤酶活性研究

1.4.1 過氧化氫酶活性的測(cè)定

土壤過氧化氫酶活性采用容量法測(cè)定[17],結(jié)果用1 g土壤消耗的0.02 mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示。

1.4.2 蔗糖酶活性的測(cè)定

蔗糖酶活性的測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[18],結(jié)果以24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數(shù)表示。

1.4.3 脲酶活性的測(cè)定

脲酶活性測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法[18],結(jié)果用24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)來表示。

1.4.4 堿性磷酸酶活性的測(cè)定

堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,結(jié)果用24 h后1 g土壤中釋出的酚的毫克數(shù)來表示。

1.4.5 纖維素酶活性的測(cè)定

纖維素酶采用3, 5-二硝基水楊酸比色法,結(jié)果用1 g土壤所生成葡萄糖的質(zhì)量來表。

1.5 土壤微生物數(shù)量測(cè)定

1.5.1 細(xì)菌數(shù)量

細(xì)菌數(shù)量測(cè)定采用平板涂布計(jì)數(shù)法,用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基在30℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h后計(jì)數(shù)。

1.5.2 真菌數(shù)量

真菌數(shù)量測(cè)定采用平板涂布計(jì)數(shù)法,用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基在25℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h后計(jì)數(shù)。

1.5.3 放線菌數(shù)量

放線菌數(shù)量測(cè)定采用平板涂布計(jì)數(shù)法,用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基在28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)96h后計(jì)數(shù)。

1.6 土壤微生物生物量測(cè)定

1.6.1 土壤微生物生物量碳(SMBC)測(cè)定

先用氯仿熏蒸法[19]處理土樣,然后用0.5 mol/L K2SO4溶液提取,采用重鉻酸鉀硫酸外加熱法測(cè)定浸提液中的碳,計(jì)算公式[20]如下：

土壤微生物生物量碳 (mg/kg)=(Ec-Ec0)/0.38

式中,Ec為熏蒸土壤浸提液中有機(jī)碳量；Ec0為不熏蒸土壤浸提液中有機(jī)碳量；0.38為校正系數(shù)。

1.6.2 土壤微生物生物量氮(SMBN)測(cè)定

先用氯仿熏蒸法[19]處理土樣,然后用0.5 mol/L K2SO4溶液提取,浸提液中氮采用凱氏定氮法測(cè)定,計(jì)算公式[20]如下：

土壤微生物生物量氮 (mg/kg)=(Ec-Ec0)/0.54

式中,Ec為熏蒸土壤浸提液中有機(jī)氮量；Ec0為不熏蒸土壤浸提液中有機(jī)氮量；0.54為校正系數(shù)。

1.6.3 土壤微生物生物量磷(SMBP)測(cè)定

先用氯仿熏蒸法[19]處理土樣,然后用0.5 mol/L NaHCO3溶液提取,提取液中磷測(cè)定采用鉬藍(lán)比色法,計(jì)算公式[20]如下：

土壤微生物生物量磷 (mg/kg)=(Ec-Ec0)/0.40

式中,Ec為熏蒸土壤浸提液中有機(jī)磷量；Ec0為不熏蒸土壤浸提液中有機(jī)磷量；0.40為校正系數(shù)。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與處理采用Excel 2007完成,統(tǒng)計(jì)分析采用DPS 15.10進(jìn)行,并采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05表示差異顯著,圖中用字母表示),Pearson相關(guān)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)查結(jié)果

如表1所示,研究區(qū)卓尼縣的木耳鎮(zhèn)、柳林鎮(zhèn)、申藏鄉(xiāng)、阿子灘鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的各樣點(diǎn)青稞都有根腐病發(fā)生,發(fā)病率在5%—20%之間,說明在該地區(qū)根腐病是青稞種植中普遍發(fā)生的一種病害。但不同樣點(diǎn)的發(fā)病率不同,如柳林鎮(zhèn)官磊村發(fā)病率高達(dá)20%,而申藏鄉(xiāng)申藏村和阿子灘鄉(xiāng)上阿子灘村則僅為5%,發(fā)病率沒有明顯的地域性規(guī)律。

表1 青稞根腐病發(fā)病率

2.2 土壤微生物生物量

土壤微生物生物量是土壤中活性養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫(kù),能非常靈敏的反應(yīng)環(huán)境因子對(duì)土壤的影響,如圖1—3所示,不同樣地土壤微生物生物量不同,根腐病發(fā)病與否對(duì)土壤微生物生物量碳也有明顯的影響,此外,不同種類的微生物生物量對(duì)環(huán)境因子響應(yīng)的規(guī)律也不同。

圖1 各樣品土壤微生物生物量碳含量Fig.1 Each sample soil microbial biomass carbon 圖中“a,b”表示差異顯著性,字母相同則表示差異不顯著

如圖1所示,土壤微生物生物量碳會(huì)隨青稞根腐病的發(fā)生而改變,但其變化沒有明顯的規(guī)律,如M2、M5、M6、M10等4個(gè)樣地的樣品是隨發(fā)病株根際土壤樣品微生物生物量碳顯著高于健康株根際土壤樣品,而其余6個(gè)樣地樣品則是發(fā)病株樣品的微生物生物量碳低于健康株,顯著性分析的結(jié)果顯示,各樣品健康株和發(fā)病株都有明顯差異,說明青稞根腐病的發(fā)生對(duì)青稞根際土壤微生物碳代謝有影響。不同樣地樣品土壤微生物生物量碳含量不同,且地理位置上相近的采樣點(diǎn)其土壤微生物生物量碳含量相近,如木耳鎮(zhèn)的塔古村和七車村,地理位置接近,小氣候相似,其微生物生物量碳含量也很接近,整體較高。還有如柳林鎮(zhèn)的上卓尼村和官磊村也是如此,略偏低。其余申藏和阿子灘兩個(gè)鄉(xiāng)地理位置相鄰,氣候條件相似,其土壤微生物生物量碳含量也接近。

如圖2所示,青稞根腐病的發(fā)生會(huì)顯著影響其根際土壤微生物生物量氮的含量,各樣品都是健康株根際土壤微生物生物量氮高于發(fā)病株,健康株根際樣品比發(fā)病株樣品高出2%—8%,且除M5、M7、M10外都存在顯著差異,說明根腐病的發(fā)生會(huì)影響青稞根際土壤微生物的氮代謝,降低土壤微生物量氮的含量。就樣地間的差別來看,不同樣地樣品土壤微生物氮含量不同,與微生物生物量碳的分布規(guī)律相似,都是木耳鎮(zhèn)七車村和塔古村的樣品數(shù)值居高,柳林鎮(zhèn)上卓尼村和官磊村的樣品數(shù)值較低,而阿子灘、申藏兩個(gè)鄉(xiāng)的樣品數(shù)值居中,說明土壤微生物氮代謝和碳代謝具有統(tǒng)一性。

如圖3所示,青稞根際土壤微生物生物量磷的含量也會(huì)隨根腐病的發(fā)生而改變,與微生物生物量氮的變化規(guī)律相似,根腐病的發(fā)生會(huì)使土壤中微生物生物量磷的含量下降,下降幅度在2.75%—11.54%,10份樣品都呈下降趨勢(shì),且均差異顯著,說明根腐病的發(fā)生會(huì)抑制青稞根際土壤微生物磷代謝。不同樣地樣品之間對(duì)比發(fā)現(xiàn)其規(guī)律與微生物生物量碳氮的不相同,含量最高的是柳林鎮(zhèn)兩個(gè)樣地的樣品(M3、M4)以及申藏鄉(xiāng)小溝村的樣品(M5),而較低的是阿子灘鄉(xiāng)3個(gè)樣地的樣品(M8、M9、M10),但是,地理位置上接近的樣地間微生物生物量磷的數(shù)值也較為接近。

圖2 各樣品土壤微生物生物量氮含量Fig.2 Each sample soil microbial biomass nitrogen

圖3 各樣品土壤微生物生物量磷含量Fig.3 Each sample soil microbial biomass phosphorus

2.3 土壤三大微生物數(shù)量

土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌等三大微生物的數(shù)量是反應(yīng)土壤活性和土壤健康的重要指標(biāo)。如圖4—圖6所示,不同微生物在土壤中的分布規(guī)律不同,總體而言,土壤中的微生物數(shù)量呈細(xì)菌>放線菌>真菌的規(guī)律。無論是細(xì)菌、真菌還是放線菌,其數(shù)量都受根腐病發(fā)生的影響,不同的微生物受到的影響不同。

圖4 各樣品土壤細(xì)菌數(shù)量Fig.4 Each sample soil bacterial numbers

如圖4所示,根腐病的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致青稞根際土壤細(xì)菌數(shù)量發(fā)生變化,10份樣品中,除M8外,其余9份樣品的土壤細(xì)菌數(shù)量因根腐病的發(fā)生而減少,減少幅度為0.9%—8.8%,且除M2外,均差異顯著。不同樣地土壤細(xì)菌數(shù)量不同,但地理位置相近的采樣點(diǎn),細(xì)菌數(shù)量較為接近,如木耳鎮(zhèn)塔古村和七車村的樣品(M1、M2)數(shù)量較高,而柳林鎮(zhèn)的上卓尼和官磊兩地的樣品(M3、M4)中細(xì)菌的數(shù)量則較低。因此,土壤細(xì)菌的數(shù)量具有地域性。

如圖5所示,除M6、 M8和M10外,其余7份樣品都是根腐病發(fā)病植株根際土壤真菌數(shù)量高于健康植株根際土壤真菌數(shù)量,這一現(xiàn)象與土壤細(xì)菌相反。但不同樣地樣品發(fā)病后土壤真菌數(shù)量的增加幅度不同,如M4增幅較大,統(tǒng)計(jì)分析表明差異顯著,而M1和M5則增幅很小,差異不顯著。另外,不同樣地土壤真菌數(shù)量也各不相同,但地理位置相近的采樣點(diǎn),土壤真菌數(shù)量也較為接近,呈現(xiàn)地域性,這一規(guī)律與土壤細(xì)菌數(shù)量的規(guī)律類似。

如圖6所示,土壤放線菌數(shù)量的變化規(guī)律與土壤細(xì)菌的變化規(guī)律類似。除M5外,發(fā)病植株根際土壤中的數(shù)量低于健康植株根際土壤中的數(shù)量,且均差異顯著。而不同采樣地點(diǎn)樣本其數(shù)量沒有明顯的規(guī)律,不呈現(xiàn)地域性,與細(xì)菌和真菌有差別。

圖5 各樣品土壤真菌數(shù)量Fig.5 Each sample soil fungus numbers

2.4 土壤酶活性

土壤過氧化氫酶與土壤氮素循環(huán)和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化等過程有著密切的關(guān)系,并直接反應(yīng)著土壤能量代謝過程的強(qiáng)弱。

如圖7所示,根腐病的發(fā)生會(huì)顯著改變青稞根際土壤過氧化氫酶的活性,10份樣品過氧化氫酶活性都有不同程度的改變。但不同樣品對(duì)其響應(yīng)不同,10份樣品中,有5份樣品表現(xiàn)為發(fā)病株根際過氧化氫酶活性高于健康株,而另5份則相反。這說明根腐病的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致土壤能量代謝過程的改變或紊亂。分析不同樣地樣品的情況可以發(fā)現(xiàn),土壤過氧化氫酶隨根腐病的改變方式在一定程度上與采樣地點(diǎn)相關(guān),如木耳鎮(zhèn)的兩份樣品(M1、M2)都是發(fā)病后活性降低,而阿子灘鄉(xiāng)的3份樣品(M8、M9、M10)則是發(fā)病后升高。

如圖8所示,根腐病的發(fā)生會(huì)顯著影響青稞根際土壤堿性磷酸酶的活性。除M3外,其余9份樣品都是發(fā)病后植株與健康植株相比根際土壤的堿性磷酸酶活性有所下降,但不同樣品下降幅度不同, M1、M4、M6、M10等樣品下降幅度較大,差異顯著,M5、M7、M8下降幅度較小,差異不顯著。這一結(jié)果與土壤微生物量磷的結(jié)果是一致的,說明根腐病的發(fā)生會(huì)影響青稞根際土壤磷代謝。就不同樣地來看,不同樣地土壤堿性磷酸酶活性差別很大,如M3和M6相比,相差超過2倍。

圖7 各樣品土壤過氧化氫酶活性Fig.7 Each sample soil catalase activities

圖8 各樣品土壤堿性磷酸酶活性Fig.8 Each sample soil alkaline phosphatase activities

如圖9所示,青稞根際土壤蔗糖酶活性受根腐病發(fā)病與否的影響顯著,不同樣地土壤蔗糖酶活性不同,下降幅度也不一。除M3外,試驗(yàn)采集的其余9份樣品都是健康植株的根際土壤蔗糖酶活性高于發(fā)病株根際土壤蔗糖酶活性,與健康植株相比,根腐病發(fā)病植株根際土壤蔗糖酶活性普遍下降2%—7%,差異均顯著。說明根腐病的發(fā)生會(huì)顯著影響青稞根際土壤碳代謝。

脲酶是反應(yīng)土壤氮素代謝水平的一種酶,如圖10所示,根腐病的發(fā)生會(huì)顯著影響青稞根際土壤脲酶的活性,10份樣品中,除M2、M4、M10份樣品外,其余7份樣品都是健康植株根際土壤脲酶活性高于發(fā)病植株,且差異顯著,說明根腐病的發(fā)生會(huì)改變土壤氮代謝,這一結(jié)果與土壤微生物生物量氮的測(cè)定結(jié)果是相一致的。就樣地間來看,不同樣地土壤脲酶活性不同。從整體而言,土壤脲酶的活性不僅因采樣地點(diǎn)的不同而不同,還因青稞根腐病的發(fā)生與否而不同。

圖9 各樣品土壤蔗糖酶活性 Fig.9 Each sample soil invertase activities

圖10 各樣品土壤脲酶活性Fig.10 Each sample soil urease activities

圖11 各樣品土壤纖維素酶活性Fig.11 Each sample soil cellulase activities

如圖11所示,青稞根際土壤纖維素酶的變化規(guī)律與其他4種酶相反,除M1外,與健康植株相比,青稞根腐病的發(fā)生使其根際土壤纖維素酶的活性上升,且除M2和M5外均差異顯著。不同樣地青稞健康植株根際土壤樣品纖維素酶活性各不相同,且存在顯著差異。

2.5 土壤微生物數(shù)量、微生物量及酶活性的相關(guān)性

對(duì)甘南州卓尼縣青稞發(fā)病株與健康株根際土壤微生物量、三大微生物數(shù)量和土壤酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示,微生物量碳、氮、磷之間相關(guān)性分析表明,微生物量碳和微生物量氮呈極顯著相關(guān),說明碳代謝和氮代謝具有關(guān)聯(lián)性,碳元素在微生物體內(nèi)通常是為其提供能源和有機(jī)質(zhì)合成過程中的碳架,而氮素則是合成蛋白質(zhì)和核酸的必須物質(zhì),因此,碳素和氮素的代謝具有關(guān)聯(lián)性；而對(duì)土壤微生物數(shù)量和微生物量之間的相關(guān)性分析表明,土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量與微生物生物量碳和微生物生物量氮呈顯著或極顯著相關(guān),土壤真菌數(shù)量與微生物生物量磷呈顯著相關(guān)。細(xì)菌和放線菌是土壤中最為重要的兩類微生物,而碳和氮?jiǎng)t是生物體最重要的兩種元素,因此,土壤中細(xì)菌和放線菌的數(shù)量決定著土壤微生物生物量碳、氮的含量；土壤酶纖維素酶和蔗糖酶與土壤真菌的數(shù)量呈顯著相關(guān),堿性磷酸酶的活性與土壤微生物生物量碳和放線菌數(shù)量呈顯著相關(guān)。發(fā)病率和各因子的相關(guān)性分析表明,發(fā)病率與土壤過氧化氫酶的活性呈極顯著負(fù)相關(guān),過氧化氫酶是土壤中與能量代謝相關(guān)的酶,與土壤氧含量關(guān)系緊密,這一說明在本研究區(qū),土壤的氧含量和土壤的能量代謝影響著青稞根腐病的發(fā)病率。綜上,結(jié)合表2及圖1—圖11的結(jié)果可以看出,青稞根腐病的發(fā)生與其根際土壤各因子都有一定的關(guān)系,各因子之間也相互關(guān)聯(lián)、相互影響。

表2青稞根際土壤微生物量、三大微生物數(shù)量、土壤酶活性與根腐病發(fā)生率的相關(guān)性分析

Table2Barleyrhizospheresoilmicrobialbiomass,microbialnumbers,soilenzymeactivityandthecorrelationanalysisofincidenceofrootrot

相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient微生物量碳MicrobialbiomassC微生物量氮MicrobialbiomassN微生物量磷MicrobialbiomassP細(xì)菌Bacteria真菌Fungus放線菌Actinomyces過氧化氫酶Catalase堿性磷酸酶Alkalinephosphatase脲酶Urease纖維素酶Cellulase蔗糖酶Invertase發(fā)病率Morbidity微生物量碳1.00000.94**-0.48000.63*-0.02000.81**0.19000.69*0.36000.0900-0.0100-0.4700微生物量氮1.0000-0.54000.74**-0.16000.79**0.15000.50000.2200-0.16000.0300-0.3500微生物量磷1.0000-0.35000.71*-0.4200-0.3400-0.10000.33000.4300-0.38000.5100細(xì)菌1.0000-0.18000.40000.29000.13000.3200-0.14000.0700-0.1900真菌1.0000-0.1400-0.55000.30000.29000.63*-0.63*0.3500放線菌1.00000.26000.66*0.3200-0.1000-0.0600-0.4400過氧化氫酶1.00000.04000.5000-0.14000.4800-0.80**堿性磷酸酶1.00000.51000.65*-0.0100-0.4800脲酶1.00000.5200-0.1500-0.5300纖維素酶1.0000-0.0700-0.1600蔗糖酶1.0000-0.3100發(fā)病率1.0000

*P<0.05,**P<0.01

3 討論

3.1 青稞根腐病植株根際土壤微生物量的變化特征

土壤微生物生物量(碳、氮、磷)雖在土壤營(yíng)養(yǎng)(碳、氮、磷)中所占的比例較小(10%以下),但其是土壤營(yíng)養(yǎng)中最為活躍的部分,調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的生物有效性和利用率,能較早的反應(yīng)出土壤系統(tǒng)生態(tài)功能的變化,是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的指示性和先導(dǎo)性指標(biāo)[21]。近年來,越來越多的研究者用微生物生物量來作為指標(biāo)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量及土壤抗病能力[20,22- 23],但對(duì)土壤微生物生物量與根腐病發(fā)生率之間的研究尚不多見。本研究結(jié)果顯示,青稞根腐病的發(fā)生與土壤微生物量具有密切的關(guān)系,根腐病的發(fā)生會(huì)使土壤微生物生物量氮和磷下降,微生物生物量碳含量也發(fā)生改變。蔡燕飛等[21]的研究也支持這一結(jié)論。這顯示根腐病的發(fā)生會(huì)使土壤的物質(zhì)循環(huán)發(fā)生變化,尤其是降低了氮代謝和磷代謝的效率,而氮元素和磷元素恰好是我國(guó)北方土壤中缺少的元素,氮、磷元素的缺乏會(huì)使植物生長(zhǎng)受到抑制,這又進(jìn)一步導(dǎo)致了植物抗病能力的降低,根腐病進(jìn)一步加重,形成惡性循環(huán)。因此,要防治植物的根腐病,就必須重視土壤微生物生物量,土壤微生物生物量也可以作為預(yù)測(cè)根腐病發(fā)生的指標(biāo)。

3.2 青稞根腐病植株根際土壤微生物的變化特征

植物土傳病害發(fā)生后,其根際土壤的微生物組成和優(yōu)勢(shì)微生物會(huì)發(fā)生一定程度的改變[24- 25],從而使得土壤微生態(tài)發(fā)生變化。一般而言,植物感染土傳病害后,根際土壤放線菌和細(xì)菌的數(shù)量會(huì)減少,真菌數(shù)量會(huì)增加。本研究結(jié)果顯示,青稞根腐病發(fā)病植株與健康株相比,其根際土壤細(xì)菌、放線菌的數(shù)量有所下降,而真菌的數(shù)量上升。這一結(jié)果與前人在其他作物上得出的結(jié)論吻合,甄文超等[26]的研究表明草莓根際病害發(fā)生后,根際真菌增加,細(xì)菌和放線菌數(shù)量減少。另有Benizri等[27]對(duì)桃樹根部病害的研究也表明其發(fā)病與根際土壤中拮抗細(xì)菌的數(shù)量和種類降低、病原真菌的種類和數(shù)量提高有密切關(guān)系。導(dǎo)致植物土傳病害發(fā)生的特殊土壤環(huán)境為病原菌提供了較為適宜的生存空間,從而使病原菌的數(shù)量增多,引起土傳病害發(fā)生。Shin和Lee等[28-29]研究表明,正常土壤放線菌數(shù)量多,真菌數(shù)量少,從而使真菌孢子萌發(fā)受抑制,而發(fā)病土壤則真菌數(shù)量多,細(xì)菌和放線菌數(shù)量少。因此,要全面的認(rèn)識(shí)植物根腐病發(fā)生的機(jī)理,就必須深入到土壤微生物的角度。

3.3 青稞根腐病植株根際土壤酶活性的變化特征

土壤酶反應(yīng)土壤生化反應(yīng)的強(qiáng)度和方向,是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組分[30]。本研究發(fā)現(xiàn),青稞根腐病的發(fā)生與其根際土壤酶活性有顯著的相關(guān)性,具體為,根腐病發(fā)生后,土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性降低,而纖維素酶活性升高,過氧化氫酶活性變化沒有明顯規(guī)律。蔗糖酶的作用主要是增加土壤中可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量,是與土壤碳代謝相關(guān)的酶,也是表征土壤肥力的指標(biāo)；而脲酶的作用主要是促進(jìn)氮素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化,表征土壤的氮素水平；磷酸酶的作用是促進(jìn)磷素的循環(huán)和轉(zhuǎn)化,表征土壤磷素的水平[12]。本研究中,蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶的下降說明根腐病的發(fā)生會(huì)阻礙土壤營(yíng)養(yǎng)元素的流動(dòng)與循環(huán),這一結(jié)果與土壤微生物量的結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的,其他一些研究者在不同作物的研究中也得出了相似的結(jié)論,如尋路路[31]、姜飛[32]、游春梅[12]、廖梓良[14]及何川[13]等人的報(bào)道。這說明堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等四種酶與植物土傳病害的響應(yīng)規(guī)律具有普遍性,在不同植物上都是相同的。本研究的纖維素酶與部分研究者的研究結(jié)果相反[12-14],但與Shin和Lee等[28-29]人的結(jié)果相似,推測(cè)其可能的原因是不同試驗(yàn)區(qū)的土壤狀況不同,且不同作物對(duì)土壤酶活性的影響也不同。綜上,土壤酶是表征土壤健康水平,預(yù)測(cè)病害發(fā)生的重要指標(biāo),但不同的土壤環(huán)境中土壤酶的變化規(guī)律會(huì)有所不同。

4 結(jié)論

通過對(duì)甘肅省甘南州卓尼縣青稞根腐病發(fā)病率的調(diào)查,以及對(duì)發(fā)病植株與健康植株根際土壤微生物生物量、三大微生物數(shù)量和土壤酶活性的研究得出：研究區(qū)內(nèi)青稞根腐病的發(fā)生具有普遍性,發(fā)病率在5%—20%之間。不同樣地發(fā)病率不同。根腐病的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致青稞根際土壤微生物生物量發(fā)生變化,微生物生物量氮和磷含量整體降低,微生物生物量碳含量也有變化但沒有一定的規(guī)律；不同樣地微生物生物量不同,地理位置相近的樣地微生物生物量接近。土壤微生物數(shù)量總體呈現(xiàn)細(xì)菌>放線菌>真菌的趨勢(shì),不同微生物對(duì)根腐病發(fā)病的響應(yīng)不同,細(xì)菌和放線菌數(shù)量因根腐病的發(fā)生而減少,真菌的數(shù)量則增多；不同樣地之間土壤微生物數(shù)量不相同,細(xì)菌和真菌呈現(xiàn)區(qū)域性特征,放線菌的數(shù)量不呈現(xiàn)地域性。根腐病的發(fā)生還造成土壤酶活性的改變,其中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶的含量因根腐病的發(fā)生而降低,纖維素酶則升高,過氧化氫酶的變化沒有規(guī)律。

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Effectsofnakedbarleyrootrotonrhizospheresoilmicroorganismsandenzymeactivity

LI Xueping1, 2, LI Jianhong1, QI Yonghong1,2, GUO Wei1, LI Xiao1, LI Minquan1, 2,*

1CollegeofPrataculture,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070,China

國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))計(jì)劃項(xiàng)目(201503112)

2016- 05- 31; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201605311049

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lmq@gsau.edu.cn

李雪萍,李建宏,漆永紅,郭煒,李瀟,李敏權(quán).青稞根腐病對(duì)根際土壤微生物及酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(17):5640- 5649.

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