叢枝菌根真菌對淮安紅椒連作土壤養分和酶活的影響

摘要：在分析淮安紅椒（Capsicum annuum L.）連作10年大棚土壤養分含量和土壤酶活性的基礎上，研究了根際施用不同量叢枝菌根真菌對土壤有機質、有效養分和酶活的影響，探討了叢枝菌根真菌修復淮安紅椒連作障礙的可能性及其機理。結果表明，連作土壤中有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著升高，脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、過氧化物酶、脫氫酶活性顯著降低，而過氧化氫酶活性顯著升高；每株施用3、5 g叢枝菌根真菌能夠促進紅椒對土壤有機質和有效養分的吸收，使土壤中有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著降低，能夠改善根際土壤微生態，顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、過氧化物酶和脫氫酶活性，從而降低過氧化氫酶活性；叢枝菌根真菌能夠顯著緩解淮安紅椒連作障礙。

關鍵詞：叢枝菌根真菌；淮安紅椒（Capsicum annuum L.）；連作；土壤養分；土壤酶

中圖分類號：X172 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4565-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.051

Abstract： Based on the analysis of soil nutrient content and soil enzyme activity in 10 years continuous cropping greenhouse of Huai’an red pepper（Capsicum annuum L.）， different amount of AMF were applied in rhizosphere of pepper to investigate its effect on soil organic matter，available nutrient and enzyme activity of continuous cropping soil and discussed its possibility and mechanism in repairing continuous cropping obstacle. The results showed that the soil organic matter， available nitrogen，available phosphorus and available potassium content，meanwhile，urease，saccharase，protease and peroxidase，dehydrogenase activity decreased significantly，while catalase activity increased significantly in continuous cropping greenhouse increased significantly. 3，5 g AMF per plant could promote the absorption and utilization of soil nutrients，and balancethe soil microbial ecology，result in the content of soil organic matter，available nitrogen， available phosphorus and available potassium reduced significantly，the activity of urease，peroxidase，protease，saccharase and dehydrogenase in soil increased，while the activity of catalase reduced significantly. AMF could significantly relieve soil continuous cropping obstacle in Huai’an red pepper.

Key words： Arbuscular Mycorrhizal Fungus （AMF）； Huaian’ red pepper（Capsicum annuum L.）；continuous cropping；soil nutrient； soil enzyme

淮安紅椒（Capsicum annuum L.）在全國鮮紅椒市場有著舉足輕重的地位，可以影響全國各個地區鮮紅椒市場的行情，所形成的品牌“淮安紅椒”已成為國家地理標志證明商標。淮安紅椒種植規模較大，年產量達34萬t，銷售收入達13億元，成為當地農民增收致富的主導產業。但是，淮安紅椒種植存在著嚴重的連作障礙，已成為限制紅椒產業可持續發展的主要因子。連作障礙的形成及加重是根際土壤系統內部諸多因素綜合作用的外在表現，包括土壤養分不均衡、土壤理化性狀劣變、土壤病原菌累積和根際微生態功能失調、化感物質等引起的自毒作用等[1]。研究證明，叢枝菌根真菌（AMF）在提高植物的抗逆性和抗病性，維護植物健康，改善根際生態位的養分組成和微生物群落結構等方面發揮著關鍵作用。AMF能夠與大部分高等植物的根系形成共生關系，其根外菌絲能向土壤中廣泛伸縮，形成根外菌絲網，有利于吸收土壤中的礦質養分和水分，改善土壤質地，提高土壤結構性[2，3]，增強宿主植物抗病、抗干旱、抗鹽害、抗重金屬毒害等諸多抗逆能力[4]。AMF對辣椒存在較好的侵染性，能夠形成很好的共生關系[5]，能夠調節辣椒葉片氣孔開放程度，提高光合電子傳遞效率和植株凈光合速率，優化根圍微生物區系，促進辣椒生長，提高產量[6]。因此，AMF為有效地克服連作障礙開辟了一條新的途徑。目前，叢枝菌根真菌對克服辣椒連作障礙的效果及機理研究鮮見報道。本研究在對比分析淮安紅椒連作土壤養分和酶活性變化的基礎上，研究了根際施用AMF對紅椒連作土壤中有機質、有效養分和土壤酶活性的影響，以期為克服淮安紅椒連作障礙提供技術支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

紅椒品種為中華紅巨椒，穴盤苗、復合肥（N-P2O-K2O為15-15-15）購自淮安市蔬菜研究所；叢枝菌根真菌菌劑購自淮安市柴米河農業科技有限公司；有機肥購自淮安柴米河農業科技發展有限公司。

1.2 試驗設計

試驗在淮安市清浦區淮安紅椒示范基地進行，供試大棚為連作10年的塑料大棚，連作障礙嚴重。

2014年3月20日，結合整地做畦每667 m2施入有機肥1 500 kg，復合肥50 kg，然后，辣椒幼苗6～7葉期定植，同時將AMF菌劑按株施入定植穴，株行距40 cm×50 cm，設置4個叢枝菌根真菌用量處理，分別為0、1、3、5 g，分別用J0、J1、J2、J3表示，以相鄰塑料大棚非連作土壤為對照（CK），每處理120株，3次重復。大棚常規管理。7月10日左右，采集根圍0～20 cm土樣，風干后搗碎過篩，測定土壤養分指標，同時挖取生長完好、有代表性的辣椒植株，取其根際土壤（根系抖落的土壤），用于測定土壤酶活性。

1.3 測定方法

土壤有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定[7]。土壤脲酶采用靛酚比色法測定，脫氫酶活性采用TTC還原法測定，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定，過氧化物酶采用鄰苯三酚比色法測定[8]。蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定，蔗糖酶采用二硝基水楊酸比色法測定[9]。

2 結果與分析

2.1 叢枝菌根真菌對淮安紅椒連作土壤有機質和有效養分含量的影響

由表1可知，淮安紅椒連作造成土壤中有機質含量顯著升高，這與紅椒長期連作有機肥投入量大，有機質不能被充分利用有關；AMF處理后土壤有機質含量顯著下降，與J0相比，1、3 g AMF處理對有機質含量無明顯影響，5 g AMF處理使有機質含量顯著降低，下降幅度達到24.4%，說明AMF能夠促進有機質分解轉化，增加紅椒對根圍土壤中有機質的吸收利用。

從表1可以看出，連作造成堿解氮、速效磷和速效鉀在耕層中大量富集，與對照相比，堿解氮增加58.1%，速效磷和速效鉀分別增加121.9%和72.3%，紅椒連作次數較多，肥料使用量大，肥料種類單一，不能被植株完全吸收利用，加上設施內不受雨淋，是土壤中有效養分富集的主要原因，其中速效磷富集最嚴重，這與磷肥施用量大和當季利用率低有關。研究認為，磷肥只有10%～25%能被當季作物吸收利用，加上多年種植蔬菜和連年施用有機肥和磷素化肥，磷就在土壤中迅速積累[10]。施用AMF能夠使土壤中的堿解氮含量顯著下降，與J0相比，使用1 g AMF處理對土壤堿解氮無顯著影響，但3、5 g AMF處理能使堿解氮含量分別下降14.1%和10.3%。AMF處理對速效磷含量有顯著影響，隨AMF施用量增加，土壤速效磷含量顯著下降，與J0相比，速效磷含量分別下降了12.5%、20.1%、20.3%。施用AMF后，土壤速效鉀含量也有顯著差異，與J0相比，3、5 g AMF處理能夠使土壤速效鉀含量分別下降13.3%和17.1%。總體來看，3、5 g AMF處理對促進土壤有效養分的吸收利用效果顯著，這可能是AMF能夠與根系形成共生關系，增加了根系吸收面積，促進了辣椒生長。

2.2 叢枝菌根真菌對淮安紅椒根際土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤新陳代謝過程中的催化劑，能加速土壤有機質的化學反應，土壤酶活性受多種因素影響，其活性的改變將影響土壤養分釋放，從而影響作物生長。由表2可知，連作造成土壤中脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、過氧化物酶和脫氫酶活性顯著降低，土壤過氧化氫酶活性顯著增大，說明連作降低了土壤的熟化程度和肥力水平，同時也使土壤有害物質連年累積，土壤病害普遍發生，這也是連作障礙發生的一個重要表現。AMF處理后，淮安紅椒根際土壤酶活性均有顯著變化，與J0相比，脲酶活性升高幅度達到16.4%～62.0%，蔗糖酶活性升高13.5%～46.5%，蛋白酶活性達到27.8%～39.8%，過氧化物酶活性分別升高7.4%～23.0%，過氧化氫酶活性則下降3.9%～41.6%，其中J2、J3與J0差異達到顯著水平。說明根際施用3、5 g AMF能夠改善和平衡土壤菌群結構，緩解連作障礙。

3 小結與討論

長期連作過程中，由于施肥具有相對固定性，作物對肥料和養分吸收具有選擇性，極易造成土壤養分的不均衡。范亞娜等[11]研究表明，連作使土壤養分失衡，N、P、K比失調，土壤鹽漬化程度高。高慧等[12]研究表明，大棚內土壤有效養分含量均高于露地，0～20 cm土層的含量隨種植年限的增加而增加。郭紅偉等[13]研究發現，連作6年后的大棚辣椒土壤明顯出現養分富集現象和次生鹽漬化現象。張振華等[14]研究表明，大棚土壤有機質、全氮明顯高于露地，速效磷和速效鉀呈高度富集狀況。與上述結果相似，本研究發現，紅椒連作造成耕層土壤養分失衡，有機質和有效養分含量顯著升高，這是紅椒出現連作障礙的主要原因。

AMF處理能提高作物養分利用率。研究表明，AMF是一類與土壤肥力和植物營養關系密切的重要微生物，它可與絕大多數植物的根系形成共生關系[3，15]，并能擴大宿主根系吸收范圍和吸收表面積，促進宿主對土壤中礦質元素氮、磷、鉀等的吸收[16-19]。在植物受到環境脅迫，如干旱、土壤酸化、有毒金屬和植物病原體感染等條件下，菌根能促進植物對礦物質營養元素的吸收，包括從有機高分子或礦物顆粒中吸收被釋放的N和P[20]。15N同位素示蹤技術證實，AMF菌絲可以從根外數厘米處土壤中吸收NH4+，并運送到植物根組織中[21]。AMF能夠增強植物對難溶性磷的吸收，顯著增加體內含磷量，提高磷的利用率[16-19]。本研究發現，AMF能夠緩解辣椒連作障礙，辣椒根際施用3、5 g AMF真菌后，連作土壤中的有機質含量、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著降低，說明AMF能夠促進土壤有機質的分解轉化和根系對土壤中有效養分的吸收，這可能是由于AMF與辣椒根系形成了共生關系，擴大了根際范圍、提高了養分空間有效性、改善了根際環境所致，這與相關報道[22-24]相符。劉曉捷等[22]研究表明，AMF侵染葡萄根系形成菌根共生體后，能顯著增加巨峰葡萄扦插苗的生長量，增加植株的N、P含量，但對K含量無顯著促進作用。江盼盼等[23]研究認為，辣椒接種AMF后，優化了根際土壤環境，促進了根系對礦質營養的吸收，提高了植株的抗病能力及光合作用等，達到了增產的效應。劉瀟睿等[24]認為，AMF可以從兩方面緩解連作土壤養分偏耗對作物生長的不利影響。一方面，AMF利用菌絲連接宿主植物的根皮細胞以及周圍較大范圍的根際土壤，延伸出因同一作物不斷連作導致的該作物根系吸收范圍內的營養偏耗區，增大作物根系吸收表面積，從而間接緩和連作帶來的生長障礙；另一方面，AMF可以增強作物對營養元素的吸收效率，促進宿主植物生長。但是，與本研究結果不同，尹念輔等[25]發現，接種AMF可以使Bt棉和non-Bt棉根際土壤營養物質中的土壤有機質和土壤總氮含量顯著增加，對全磷無明顯影響，推測可能與真菌種類、寄主種類及其與土壤環境的相互作用有關。

土壤酶參與包括土壤生物化學過程在內的自然界物質循環，在土壤的發生發育以及土壤肥力的形成過程中起有重要作用[26]。酶活性高低在一定程度上可反映作物對養分吸收利用與生長發育狀況等。連作會影響土壤酶活性，但是研究表明不同作物或同一作物連作后土壤酶活性的研究結果不一致[27]。董艷等[28]認為設施種植年限和栽培制度對土壤微生物多樣性和土壤酶活性產生顯著影響，隨著連作年限增加，土壤酶活性降低。隨著西瓜種植年限的增加，土壤中蛋白酶、多酚氧化酶呈先升后降的趨勢，脲酶整體呈下降趨勢，蔗糖酶呈上升趨勢[29]。辣椒連作后土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性顯著上升[30]。本研究發現，連作土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、過氧化物酶和脫氫酶活性顯著降低，過氧化氫酶活性顯著升高，連作土壤酶活性降低，有效養分利用率下降可能是造成連作障礙的重要原因[31]，這與何志剛[32]等的研究結果相符。

植物根系和土壤微生物都會分泌土壤酶，促進對土壤養分的有效利用[33]，AMF也可以分泌土壤酶，如磷酸酶、脲酶等，并提高其活性，間接平衡連作土壤的營養元素及菌群結構[24]。本研究中，AMF可使連作辣椒根際土壤中的脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、過氧化物酶、脫氫酶活力顯著升高，氧化氫酶活性顯著降低，說明AMF在一定程度上能夠克服連作障礙。這與AMF能夠減少有害生物數量，改變土壤微生物區系、改善土壤理化性狀、提高植物防御性酶活性、改變根系分泌物的種類與數量等生理功能有關[34]。AMF通過抑制病原菌發生，平衡土壤微生物種群結構和土壤酶活力，改善土壤微生態，進而提高土壤養分利用率，改善植株營養狀況，可能是其緩解淮安紅椒連作障礙的主要機制。

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