赵庆芳，张逸醒，李海燕，李巧峡

(西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州　730070)



当归种植地土壤微生物数量及土壤酶活性的动态变化研究

赵庆芳，张逸醒，李海燕，李巧峡

(西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州730070)

通过对当归连作种植地和轮作地土壤微生物数量和几种常见土壤酶活性的测定，分析当归种植地土壤微生物数量及土壤酶活性的动态变化特征，探讨当归连作障碍发生的相关因素.用稀释平板计数法测定土壤中微生物数量，用比色法和滴定法测定土壤酶活性.结果显示采样地土壤微生物总数当归-大豆轮作地最多，当归连作地次之，荒地最少；细菌数量和放线菌数量的变化和微生物总数量的变化一致；土壤中真菌数量当归连作地最多，其次为轮作地，荒地最少.土壤过氧化氢酶和脲酶活性呈现降—增—降的变化趋势；中性磷酸酶和纤维素酶活性呈现先增后降的趋势；碱性磷酸酶和多酚氧化酶活性随季节的变化逐渐降低.表明当归连作使土壤中细菌和放线菌数量减少，真菌数量增多；当归不同种植方式会影响土壤酶的活性；土壤中性磷酸酶和纤维素酶活性与土壤中微生物总数和细菌数量变化趋势相一致，而过氧化氢酶的活性则与真菌数量的变化趋势一致.

当归;土壤微生物;土壤酶;动态变化

当归(Angelica sinensis(Oliv)Diels)是伞形科当归属多年生草本植物，其根为常用中药材，有补血、活血、调经止血、润肠滑肠之功效[1].甘肃省定西地区是其主产区，由于对产量的要求人们长期连作，导致当归产量降低、品质变差，连作障碍是制约其规模化生产的主要因素.目前对其连作障碍原因的研究主要针对当归自身的作用、根系分泌物、根际土壤水浸液等，涉及当归种植地微生物数量和土壤酶的作用比较少.土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，是调控凋落物分解、碳氮矿化、土壤养分转化和循环等土壤生态过程必不可少的生物因素[2].土壤酶包括游离酶、胞内酶和胞外酶，主要来源于微生物的活动、植物根系分泌物和动植物残体的腐解过程.土壤酶参与土壤的许多重要生物化学过程和物质循环，可以反映土壤的肥力状况[3-4].土壤过氧化氢酶能有效促进有害物质过氧化氢分解,降低其对生物体的毒害，是一种保护酶[5]；脲酶活性的高低可反映土壤中氮素的丰度；土壤磷酸酶活性高低与土壤有机磷的生物有效性直接相关；纤维素酶主要参与简单易分解含碳化合物的转化；土壤多酚氧化酶主要参与芳香族有机碳的代谢等[6-7].本研究测定了几种不同种植方式下当归土壤微生物的数量变化，同时测定了几种土壤常见酶的活性，对于深入探讨当归种植连作障碍的发生机理以及控制技术有一定的理论与实际意义.

1　材料与方法

1.1采样地概况

渭源县会川镇(甘肃省定西市西南部，海拔1 930～3 941m，属大陆性气候高寒阴湿，年平均气温6.1 ℃)有“千年药乡”的美誉，主要种植当归、党参、黄芪等中药材.该地区种植的当归质量已达到国际标准，成为该地区的支柱产业之一.

1.2土壤样品采集

本实验以渭源县会川镇当年5月、7月、9月、10月的当归-大豆轮作地(采样地1)土壤、周边连续3年以上的当归种植地(采样地2)土壤和周边闲置耕地(简称荒地)(采样地3)土壤为研究对象.在田间采样时，由于土壤本身存在着空间分布的不均一性，为了更好的代表取样区域土壤性状，以地块为单位，采用五点采样法.采耕层0～20cm，取混合样2～5kg.将所采土样装入灭菌的纸袋，内外均附标签，表明采样编号、采样地点、日期、采集人.

1.3样品测定项目及方法

1.3.1土壤理化性质的测定按文献[8]方法测定土壤理化性质:① 水土以2.5∶1混合，用pH计测定土壤pH;② 用重铬酸钾容量法测定土壤有机质;③ 用半微量凯氏法测定全氮;④ 0.5mol·L-1的碳酸氢钠提取土壤样品后，用钥蓝比色法测速效P;⑤ 用1mol·L-1的中性醋酸钠提取土壤样品后，用火焰光度计测速效K.各重复三次.

1.3.2土壤微生物数量的测定参照文献[6]用稀释平板计数方法测定土壤微生物数量.细菌、放线菌、真菌的培养基分别是牛肉膏蛋白胨、改良高氏Ⅰ号、马丁-孟加拉红.土壤微生物数量的计算采用如下公式：菌数(cfu·g-1干土)=(菌落平均数×稀释倍数×10)/干土质量(g).

1.3.3土壤酶活性的测定按文献[2]测定土壤酶活性:① 用高锰酸钾(KMnO4)滴定法测定过氧化氢酶，用1g土壤的0.1N高锰酸钾的毫升数(20min后)表示其酶活性；② 用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶，酶活性值以24h后1g土壤中释放出酚的毫克数表示；③ 用苯酚钠比色法测定脲酶，酶活性以24h后1g土壤中NH3-N的毫克数表示；④ 用蒽酮比色法测定纤维素酶，酶活性以72h后，10g土壤生成的葡萄糖的毫克数表示；⑤ 用碘量滴定法测定多酚氧化酶，酶活性用滤液(滴定相当于1g土壤的滤液)的0.01NI2的毫升数表示.

2　结果与分析

2.1土壤理化性质

各采样地土壤理化性质见表1.

表1　土壤样品主要理化性质

从表1可以看出测定的土壤主要理化性质均表现为当归-大豆轮作地高于当归连作地，其原因可能是轮作的种植方式可以使土壤肥力增强；有机质、全氮和速效钾的含量都是荒地土壤中最高，可能是因为作物的种植消耗了土壤中的养分；速效磷的含量则是荒地中最低，这可能与磷酸酶的活性有关；此外，种植作物后土壤由偏碱性转变为基本中性.

2.2土壤微生物数量的变化

2.2.1土壤微生物总数量的变化在土壤生态系统中，微生物是最具活力的组分，其总数量被认为是土壤肥力、生物活性水平及土壤物质代谢旺盛程度的表征.当归种植地土壤微生物总数量的变化呈现出先增后减的趋势，即5—7月微生物总数量逐渐升高，到7月数量达到最高，9—10月有所下降，到10月时数量降到最低，且7月当归-大豆轮作地土壤微生物总数达3.65×107cfu·g-1，约为9月的2倍、10月的3倍.采样地土壤微生物总数的变化大致表现为轮作地最高，其次是当归连作地(3.20×107cfu·g-1)，荒地最低(2.50×107cfu·g-1,图1).

2.2.2可培养的土壤微生物数量的变化三种采样地细菌数量的变化表现为先增后降，细菌在微生物数量中占绝对优势.各采样地中当归-大豆轮作地细菌数量最多，其次为当归连作地，荒地细菌数量最少.其中7月轮作地细菌数量最高(3.40×107cfu·g-1)，占该地微生物总数的94%；其次是当归连作地(2.98×107cfu·g-1)，占该地微生物总数的90.5%；最后是荒地(2.37×107cfu·g-1)，占微生物总数的91.4%(图2).

图1　土壤微生物总数量的变化Fig 1The dynamics of total soil microorganism quantity

图2　土壤细菌数量的变化Fig 2The dynamics of bacteria quantity in sampled soil

土壤放线菌的数量表现为当归-大豆轮作地和当归连作地中先增后减，并在7月达到峰值(2.48×106cfu·g-1)，占微生物总数的5.6%；荒地放线菌的数量则在5月最高(1.83×106cfu·g-1)，占微生物总数的11.1%，之后随月份的变化则呈现递减的趋势.总体趋势也表现为当归-大豆轮作地最高，当归连作地次之(1.90×106cfu·g-1)，占微生物总数的9.1%.荒地最低(1.35×106cfu·g-1)，占微生物总数的8.2%(图3).

图3　土壤放线菌数量的变化Fig 3　The dynamics of actinomycete quantityin sampled soil

土壤真菌的数量也呈先增后减的趋势；不同的是当归连作地真菌数量较多，总体趋势是当归连作地>当归-大豆轮作地>荒地.真菌数量峰值出现在9月当归连作地(为0.95×105cfu·g-1)，占微生物总数的0.29%，是轮作地(0.7×105cfu·g-1)的1.36倍；荒地真菌数量的变化很小，在0.45～0.5×105cfu·g-1之间(图4).

图4　土壤真菌数量的变化Fig 4The dynamics of fungi quantity in sampled soil

2.3土壤酶活性的变化

2.3.1过氧化氢酶活性的变化过氧化氢酶可以促进有害物质过氧化氢分解，防止其对生物体的毒害.从图5看出，过氧化氢酶活性从7月开始上升，9月达到最高，之后不断下降，这可能与植物掉落物的增加有关.三种采样地中过氧化氢酶活性表现为当归连作地>轮作地>荒地.

2.3.2脲酶的活性变化脲酶是唯一对尿素转化具有影响的酶，常用其活性表征土壤氮素情况.从图6看出，5—7月轮作地脲酶活性逐渐降低，当归连作地中则相反，脲酶活性在9月达到最高，各采样地中脲酶活性的变化在7—10月和过氧化氢酶活性趋势相一致，即当归连作地>轮作地>荒地.

图5　土壤过氧化氢酶活性的变化Fig 5The dynamics of catalase activities in sampled soil

图6　土壤脲酶活性的变化Fig 6The dynamics of urease activities in sampled soil

2.3.3磷酸酶的活性变化土壤磷酸酶可以催化土壤中有机磷化合物水解.从图7看出，不同采样地土壤中性磷酸酶活性在整个生长季节内呈现先升后降的趋势，在 7月达到最高，10月最低.各采样地该酶活性表现为当归连作地>轮作地>荒地.从图8可以看出，就整个生长季来说，碱性磷酸酶随季节的变化逐渐降低，10月最低.其活性在采样地中表现为荒地>当归连作地>轮作地.其中7月当归种植地的磷酸酶活性较其他两个样地低，9月则相反.

2.3.4纤维素酶的活性变化纤维素酶能水解简单有机物中的纤维素为纤维二糖和葡萄糖.本实验所测定的纤维素酶活性在7月达到最高值，到9—10月逐渐降低，各采样地中纤维素酶活性表现为荒地>当归连作地>轮作地(图9).

2.3.5多酚氧化还原酶活性的变化土壤多酚氧化酶主要参与芳香族复杂有机物的代谢，其活性在种植周期内从5月到10月逐渐降低，其活性高峰值在5月，低谷值在10月.就各采样地来说，三种采样地土壤多酚氧化还原酶活性表现为荒地>当归连作地>轮作地(图10).

图7　土壤中性磷酸酶活性的变化Fig 7　The dynamics of neutral phosphataseactivities in sampled soil

图8　土壤碱性磷酸酶活性的变化Fig 8　The dynamics of alkaline phosphataseactivities in sampled soil

图9　土壤纤维素酶活性的变化Fig 9　The dynamics of cellulase activities in sampled soil

3　讨论

3.1不同种植方式对土壤微生物数量的影响

实验结果显示，三种采样地土壤微生物总数的变化为轮作地高于连作地，荒地中微生物总数最少；细菌数量和放线菌数量的变化和微生物总数一致；而真菌总数为当归种植地最多，轮作地其次，荒地最少.张丽红等[9]在研究不同蔬菜轮作对日光温室土壤微生物的影响中发现，轮作可以促进土壤中有生防作用的芽孢杆菌属、有氮素转化能力的固氮菌属、对土壤有机质和养分转化及循环有积极意义的微球菌属、有利于土壤中污染物降解的假单胞菌属等土壤有益细菌数量增加.轮作地放线菌的数量也较连作地更多，欧阳永长等[10]研究表明放线菌可以使致害真菌如镰孢菌、炭疽菌的生长繁殖受到抑制，使因连作而加重的真菌性土传病害诸如根腐病等得到有效防治.真菌在当归-大豆轮作地中的数量较当归连作地有所减少，真菌中木霉属、镰孢菌和青霉属在许多药用植物根际土壤真菌中有大量报道[11]；而且，木霉属、毛霉属和根霉属都是促进土壤有机质分解和营养物质循环的腐生菌，木霉属还是重要的生防作用类群[12]，在作物土传病害的生物防治方面发挥重要作用.真菌还包括大量作物土传病害病原真菌.贺字典等[13]在秋冬季保护地土壤真菌种类和数量的研究中发现随着作物连作年限的延长，土壤病原菌如镰孢菌、疫霉菌、链格孢属真菌、丝核菌等的数量得到累积，在一定条件下会诱发病害的发生和流行，给作物种植造成经济损失.郭玉霞等[14]的研究表明镰孢菌是引发苜蓿根腐病的主要病原菌，并且镰孢菌还易侵染小麦等多种粮食及经济作物，引起根、茎、穗的腐烂等多种病害，给作物种植带来严重破坏[15].Trabelsi等[16]的研究显示，豆科植物与土豆轮作可使土壤微生物组成更为复杂.贺字典等[13]的研究也表明轮作与连作对土壤细菌、真菌和放线菌数量均有较大影响，轮作有利于土壤微生物群落的多样性、稳定性的提高和土壤生态环境的改善.本研究结果也表明与豆科作物轮作对当归连作障碍有一定的抑制作用.

图10　土壤多酚氧化还原酶活性的变化Fig 10　The dynamics of polyphenol oxidase activitiesin sampled soil

3.2不同种植方式对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤生态系统中最活跃的组分，在凋落物分解、碳氮矿化、土壤养分转化和循环过程中具有不可替代的作用[17].当归-大豆轮作时土壤过氧化氢酶和脲酶的活性比当归连作条件下降低，表明轮作方式可减少有害物质过氧化氢的累积，还可以提高作物对氮素的利用效率.张萌萌等[18]在研究间作桑树苜蓿根际土壤脲酶和过氧化氢酶活性时，发现单作的桑树均有所减弱.中性磷酸酶活性在当归轮作条件下低于当归连作，说明轮作方式土壤有机磷含量较高.碱性磷酸酶活性在荒地和轮作地逐渐降低，但在当归种植地其活性在7月上升直到9月才下降，这可能与连续种植单一作物有关[19].土壤多酚氧化酶主要参与复杂含碳化合物的代谢，研究结果显示多酚氧化酶活性在荒地中最高，其次是当归种植地，在轮作地中最低，表明轮作方式使土壤有机碳和氮含量提高，土壤微生物群落结构发生改变，其酶活性有所降低.

土壤酶主要来源于土壤微生物代谢、植物根系分泌物和动植物残体腐解过程.土壤酶促进有机物分解，为微生物提供繁殖所需的养份，而微生物的活动又影响酶的活性.研究结果显示土壤中性磷酸酶和纤维素酶活性的变化趋势与土壤中微生物总数和细菌数量的变化趋势一致，这与杨凤娟等[20]研究轮作与休闲对日光温室黄瓜连作土壤微生物和酶活性的影响中土壤中性磷酸酶和纤维素酶活性与土壤细菌数量相关性显著的结果一致.杨招弟等[21]研究不同耕作方式对旱地土壤酶活性的影响时发现土壤过氧化氢酶活性与土壤真菌数量有关，杨江山等[22]研究也发现脲酶活性与土壤的微生物数量呈正相关，可用于表示土壤的氮素供应状况；花生连作土壤中真菌能显著抑制土壤碱性磷酸酶和脲酶活性;土壤细菌和放线菌则对碱性磷酸酶和脲酶活性有显著促进作用[23].陈慧等[24]研究发现连作地黄土壤中纤维素分解菌大量减少，影响纤维素酶活性.综上表明当归连作对土壤微生物的数量和组成产生了显著影响，导致土壤微生物区系由细菌型向真菌型转变，并导致致病真菌累积，同时连作使有害物质累积，土壤肥力变差从而对土壤酶的活性造成影响.当归合理轮作有利于改善连作导致的土壤微生物中致病真菌累积，改善脲酶、磷酸酶、纤维素酶等的活性，增加土壤肥力，提高当归的产量和品质.

[1]赵庆芳，陈玉萍，李巧峡，等.黄芪感染根腐病菌后抗氧化系统的变化规律研究[J].西北师范大学学报(自然科学版),2013，49(2)：71.

[2]谭波，吴福忠，秦嘉励，等.川西亚高山、高山森林土壤微生物生物量和酶活性动态特征[J].生态环境学报，2014，23(8)：1265.

[3]惠竹梅,岳泰新,张瑾,等.西北半干旱区葡萄园生草体系中土壤生物学特性与土壤养分的关系[J].中国农业科学，2011，44(11)：2310.

[4]WANGCY，CAOZ，WANGL，etal.Eologicaleffectsofleguminousplantsonmicroorganismcommunityinrhizospheresoils[J].Ecology and Environmental Sciences，2013，22(1):85.

[5]赵庆芳，张玉芳，唐文菊，等.当归感染根腐病菌后生理活性变化的研究[J].西北师范大学学报(自然科学版),2014，50(2)：82.

[6]李君剑，刘峰，周小梅，等.矿区植被恢复方式对土壤微生物和酶活性的影响[J].环境科学，2015，36(5)：1836.

[7]宋影，辜夕容，严海元，等.中亚热带马尾松林凋落物分解过程中的微生物与酶活性动态[J].环境科学，2014，35(3)：1151.

[8]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，2000.

[9]张丽红，符建平，高丽红，等.不同蔬菜轮作对日光温室土壤微生物的影响[J].中国农学通报，2010，26(1)：140.

[10]欧阳永长，陈泽平，区俊豪.玉龙雪山土壤样品放线菌分离和研究[J].湖北农业科学，2013，52(12)：2810.

[11]潘争艳，傅俊范，周如军，等.辽宁省14种药用植物根际土壤真菌种类及数量分析[J].沈阳农业大学学报，2009，40(4)：481.

[12]李兰，曾旭，叶玉龙.木霉菌对香蕉枯萎病菌的抑制作用研究[J].植物保护学，2011，3(6)：160.

[13]贺字典，高增贵，高玉峰等.秋冬季保护地土壤真菌种类和数量的研究[J].河南农业科学，2009，3(11)：77.

[14]郭玉霞，管永卓，张金锋，等.根腐病原镰孢菌一苜蓿品种一土壤水分互作对种苗生长的影响[J].草业学报，2015,23(3)：623.

[15]张岳平.反向遗传学及在稻瘟菌和镰孢菌功能基因研究中的应用[J].湖南农业科学，2011(3)：1.

[16]TRABELSID，AMMARBHB，MENGONIA，etal.Appraisalofthecrop-rotationeffectofrhizobialinoculationonpotatocroppingsystemsinrelationtosoilbacterialcommunties[J].Soil Biology & Biochemistry，2012,54(3)：1.

[17]熊莉，徐振锋，吴福忠，等.雪被斑块对川西亚高山冷杉林土壤氮转化酶活性的影响田[J].应用生态学报，2014，25(5)：1293.

[18]张萌萌，敖红，李鑫，等.桑树/首蓓间作对根际土壤酶活性和微生物群落多样性的影响[J].草业学报，2015，3(2)：302.

[19]杨文英，邵学新，梁威，等.杭州湾湿地土壤酶活性分布特征及其与活性有机碳组分的关系[J].湿地科学与管理，2011，7(2):54.

[20]杨凤娟，吴焕涛，魏珉，等轮作与休闲对日光温室黄瓜连作土壤微生物和酶活性的影响应[J].用生态学报，2009，20(12)：2983.

[21]杨招弟，蔡立群.不同耕作方式对旱地土壤酶活性的影响[J].土壤通报,2008，39(3)：514.

[22]杨江山，张恩和，黄高宝，等.保护性耕作对麦药轮作土壤酶活性和微生物数量的影响[J].生态学报,2010，30(3)：824.

[23]孙秀山，封海胜，万书波，等.连作花生田主要微生物类群与土壤酶活性变化及交互作用[J].作物学报,2001，27(5)：617.

[24]陈慧，郝慧荣，熊君，等.地黄连作对根际微生物区系及土壤酶活性的影响[J].应用生态学报，2007，18(12)：2755.

(责任编辑俞诗源)

The research on the dynamic change of soil microbial quantityandenzymeactivityinAngelica sinensiscultivationlands

ZHAOQing-fang,ZHANGYi-xing，LIHai-yan,LIQiao-xia

(SchoolofLifeScience，NorthwestNormalUniversity，Lanzhou730070，Gansu，China)

ThispaperaimstouncoverthefactorswhichledtocontinuouscroppingobstaclesinAngelica sinensisbythedynamicalchangecharactersandinterrelationbetweenmicroorganismandenzymeactivityinAngelica sinensiscultivationsoil.Thenumbersofmicroorganismsinthesoilaredeterminedbydilutionplatecounting,andmicrobialspeciesareidentifiedbythemorphologicalobservationofmicroscope,physiologicalandbiochemicaltestsandPDAmediumselection.Soilenzymeisdeterminedbycorrespondingcolorimetryandtitration.Thetotalnumberofmicroorganismsindifferentsamplesoilsarecomparedasfollows:rotationalcroppingsoil>Angelica sinensisplantingland>uncultivatedland.Thevarietyofbacterianumberisconsistentwiththetrendoftotalnumberofmicroorganisms.Forthefungi,thenumbervariationis:Angelica sinensisplantingland>rotationalcroppingsoil>uncultivatedland.TheMicrococcus,BacillusandAzotobacterhavealargeproportioninthesoil.TheStreptomycesandNocardia，havingalargeproportion,arefoundfromactinomycete;Infungi,MucorandTrichod-ermaaccountforalargeproportion.Besides,thechangetrendofseveralenzymesinAngelica sinensisplantinglandsisasfollows:catalaseandureaseactivitypresentedthetrendof“down-up-down”;Thetrendofneutralphosphataseandcellulaseactivityinitiallyincreaseandsubsequentlydecreaseindifferentseasons,Thealkalinephosphataseandpolyphenoloxidaseactivitygraduallydecreasetoo.

Angelica sinensiscontinuouscroppingmakesthequantityofbacteriaandactinomycetesdecreasedinthesoil,butthequantityoffungusisincreasing.SothedifferentwaysofplantingforAngelica sinensiswilleffecttheactivityofsoilenzyme.Theneutralphosphataseandcellulaseactivityinthesoilareconsistentsinensiswiththetotalnumberofsoilmicroorganismsandchangetrendofbacterianumber.However,catalaseactivityinthesoilisconformitywiththequantityoffunguschange.

Angelica sinensis；soilmicrobial；soilenzyme；dynamicchanges

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.03.017

2016-01-13;修改稿收到日期:2016-03-25

甘肃省科技攻关计划资助项目(31160088,31360094)

赵庆芳(1962—)，女，山东莱芜人，教授，博士.主要研究方向为植物生理生态学.

E-mail:zhaoqingfang2001@163.com

S154.3

A

1001-988Ⅹ(2016)03-0090-06