榆林沙土區馬鈴薯根層土壤因子、微生物數量及酶活性特征

謝 奎，張 騰，李卓遠，密菲瑤，李 源，張 帆，王秀康

(延安大學生命科學學院，陜西 延安 716000)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)屬茄科,一年生草本植物,是全球第四大重要的糧食作物,僅次于小麥、稻谷和玉米[1]。馬鈴薯是比小麥、水稻、玉米能獲得更多的碳水化合物、蛋白質、纖維素、胡蘿卜素、抗壞血酸等營養物質,且具有很大增產潛力的高產作物。其本身含有豐富的礦質元素,每100 g馬鈴薯中含Ca 11～60 mg,P 15～68 mg,Fe 0.4～4.8 mg, 硫胺素0.03～0.07 mg, 核黃素0.03～0.11 mg, 尼克酸0.4～1.1 mg[2],通過食用馬鈴薯來補充人體所需營養成為更多人的選擇[3]。馬鈴薯除了食用之外,還可廣泛用于化工、醫藥、動物飼料和生物燃料等領域[4-5]。中國是馬鈴薯生產第一大國,全球馬鈴薯產量的23%都來自中國,對保障糧食安全、貧困地區脫貧增收及振興地區經濟而言,保障馬鈴薯產業的發展有著十分重要的現實意義[6]。

植物的生長與土壤質量密切相關,根際微生物是土壤的重要成分,參與了根際微系統的許多生物化學反應,對土壤中的肥力演變、有機質分解、養分的分解、循環和轉化起到了關鍵性作用[7]。良好的土壤環境是作物生長發育的重要條件,土壤pH值、有機質、氮磷鉀等土壤因子和土壤微生物是評價土壤質量的重要指標。Velasquez等[8]研究發現,長期施肥可降低土壤微生物數量,這可能與土壤肥料殘余量有關。譚周進等[9]研究表明,植物會將5%～20%的光合作用產物釋放到土壤中,用于建立植物與微生物的相互作用,這些相互作用可以增加植物對礦質養分的利用率或促進植物激素的產生。Turner等[10]研究發現,微生物通過固氮及溶磷、解鉀等作用可有效改善土壤中的養分條件,有利于植物的生長。譚雪蓮等[11]研究表明,土壤中細菌和放線菌數量隨馬鈴薯連作年限的增加呈下降趨勢,真菌呈上升趨勢。王桂紅等[12]研究發現,玉米和牧草典型種植模式下，隨著土層加深土壤微生物量呈下降趨勢。土壤酶活性是土壤中生物活性的綜合指標,反映了土壤酶催化物質轉化的能力,能夠反映土壤養分轉化及土壤環境變化狀況[13]。王麗紅等[14]研究發現,馬鈴薯輪作時,土壤過氧化氫酶活性有增加的趨勢,蔗糖酶活性提高,且在馬鈴薯成熟期提高幅度最大。Baldrian等[15]研究發現,土壤有機碳可以作為酶的載體,較高有機碳可以促進土壤中微生物的活動和酶的合成。Feng等[16]研究發現,在土壤垂直方向上,土壤酶活性普遍隨著土壤深度的增加而降低,在有機質含量高、根系多、土壤微生物及動物活躍的土層,土壤酶活性高,而在有機質含量低、根系少、微生物及動物少的土層,土壤酶活性低。Sardans等[17]研究表明,當土壤濕度降低21%,脲酶活性降低10%～67%。綜上表明,土壤微生物和土壤酶在植物生長過程中發揮著重要的作用,土壤水分、pH值、氮磷鉀、有機質等土壤因子和土壤微生物、土壤酶密切相關,它們共同作用、相互影響[18]，共同促進了植物的生長。因此,探明馬鈴薯根層土壤因子、微生物分布、土壤酶活性特征意義重大。

目前,對馬鈴薯土壤微生物生態結構的研究已有一些報道,但多集中在不同種植方式、施肥等對微生物的影響,而我國沙土區馬鈴薯根層土壤因子與微生物數量以及酶活性特征相關研究還未見報道。本研究以榆林沙土區16個馬鈴薯品種為研究對象,揭示馬鈴薯土壤因子、土壤微生物數量、土壤酶活性的變化特征,并分析土壤因子、土壤微生物、土壤酶活性、塊莖產量與品質的相關性,為優化馬鈴薯田間管理和優良種質資源開發提供科學的理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在陜西省榆林市現代農業科技示范園馬鈴薯試驗站進行,試驗站位于東經109°45′30″,北緯38°22′37″,海拔高度1 100 m,試驗地所在區域屬干旱半干旱大陸性季風氣候,全年降水集中在6、7、8月份,年平均降水量400 mm,蒸發量1 900 mm,年日照時數2 900 h,年均氣溫8.6℃。試驗區土壤為沙質土壤,土壤pH值為8,土壤容重為1.38 g·cm-3,土壤有機質含量為3.46 g·kg-1，土壤堿解氮含量為14.32 mg·kg-1，土壤銨態氮含量為5.8 mg·kg-1,土壤硝態氮含量為2.1 mg·kg-1,土壤有效磷含量為6.2 mg·kg-1，土壤速效鉀含量為67.4 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗材料為16個馬鈴薯品種,分別為1014(T1)、沙雜15號(T2)、青薯5號(T3)、麗薯6號(T4)、中薯20號(T5)、希森6號(T6)、隴薯3號(T7)、華頌11號(T8)、莊薯3號(T9)、華頌7號(T10)、中薯10號(T10)、華頌33號(T12)、華頌35號(T13)、隴薯10號(T14)、Shepody(T15)、華頌34號(T16)，馬鈴薯于2020年4月28日種植，9月20日收獲。

田間馬鈴薯滴灌施肥設備采用液壓比例施肥泵裝置控制,設備主要由水源 、水泵、比例施肥泵和輸配水管道系統等組成,滴灌施肥時將肥料溶于水中,通過施肥罐進行施肥。根據當地經驗選用滴灌所用肥料,分別選用尿素、磷酸二銨和硝酸鉀混合配比施用,含量為N 46.4%；N 18%、P2O546%；N 13.5%、K2O 18%。施肥采用同一施肥水平滴管,根據當地推薦施肥水平設N-P2O5-K2O為200-80-300 kg·hm-2。根據馬鈴薯生長特性,在苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期施肥量分別為0%、20%、50%、30%和0%。

本試驗統一使用機械起壟種植,每小區2壟,小區長20 m,寬1.8 m,壟底寬90 cm,株距25 cm,種植密度為45 000株·hm-2。各處理土壤狀況、種植密度、施肥水平、田間管理均相同。播種時用70%乙醇消毒過的刀切開馬鈴薯塊莖,每塊留2～4個芽眼,種植深度8～10 cm,植株成熟后統一收獲。

1.3 樣品采集和測定

1.3.1 塊莖產量和品質 馬鈴薯于2020年9月20日采樣，每個品種隨機選取5株,稱量塊莖重量后計算產量。選擇各處理中無病害的塊莖,部分樣品用于測定鮮樣指標，部分樣品殺青烘干至恒重后打粉,過篩待用。塊莖淀粉含量采用蒽酮法測定，可溶性總糖含量采用蔥酮比色法測定,粗蛋白質含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定,維生素C含量采用鉬藍比色法測定。

1.3.2 土壤理化性質 收獲馬鈴薯塊莖當天采取土壤樣品，每個馬鈴薯種植區中隨機選取5個點,取6個深度土樣,每個深度為10 cm,采土深度為0～60 cm,樣品陰干,過篩后待用。土壤pH值采用雷磁PHB-4便攜式pH計測定,堿解氮采用堿解擴散法測定,速效磷采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法,速效鉀采用NH4OAc浸提火焰光度法測定,有機質含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定[19]。

1.3.3 土壤酶及微生物 土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；土壤蔗糖酶活性采用3-5-二硝基水楊酸比色法測定; 脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定[20]。

土壤微生物數量的測定采用稀釋涂布平板計數法。細菌數量采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基; 真菌數量采用馬丁-孟加拉紅瓊脂培養基; 放線菌數量采用高氏一號瓊脂培養基。接種后,用無菌涂布器均勻涂布,細菌培養皿于37℃恒溫培養箱倒置培養 2～3 d后進行計數，真菌培養皿于28℃恒溫培養箱倒置培養3～4 d進行計數，放線菌培養皿于28℃恒溫培養箱倒置培養5～7 d后進行計數并計算結果[20]。

1.4 數據統計與分析

使用Excel軟件進行數據整理,用SPSS 25.0、Canoco 5軟件進行分析處理,用Origin 2021進行圖像繪制。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯根層土壤酶活性特征

馬鈴薯土壤酶活性在0～20、20～40 cm和40～60 cm土層分布特征如表1～3所示。過氧化氫酶活性隨著土壤深度的增加呈現降低的趨勢(表1),0～20、20～40、40～60 cm土層過氧化氫酶活性平均值分別為5.42、5.26、4.21 ml·g-1，0～20 cm土層比40～60 cm土層高28.74%。在0～20 cm土層,T1土壤過氧化氫酶活性最高,為6.10 ml·g-1, T14最低,為4.73 ml·g-1,T1比T14高了28.96%,差異達顯著水平,T1與T2、T3無顯著性差異。在20～40 cm土層,T3土壤過氧化氫酶活性最高,為6.16 ml·g-1,T1最低,為4.43 ml·g-1。在40～60 cm土層,T6土壤過氧化氫酶活性最低,其他處理無顯著性差異。土壤過氧化氫含量平均值，T3最高，T5最低，T3比T5高25.83%。

表1 馬鈴薯根層土壤H2O2酶活性/(ml·g-1)Table 1 H2O2 enzyme activity in potato root layer

脲酶活性隨著土壤深度的增加呈現降低的趨勢(表2),0～20 cm土層脲酶活性平均值為0.89 mg·g-1·24h-1,20～40 cm土層為0.78 mg·g-1·24h-1,40～60 cm土層為0.33 mg·g-1·24h-1，0～20 cm土層比20～40、40～60 cm土層分別高14.10%、169.70%。在0～20 cm土層,T4土壤脲酶活性最高,為1.13 mg·g-1·24h-1,T13最低,為0.63 mg·g-1·24h-1,T1比T13高79.37%,T1和T13土壤脲酶具有顯著性差異。在20～40 cm土層,T14土壤脲酶活性最高,為1.40 mg·g-1·24h-1,T13最低,為0.52 ml·g-1。在40～60 cm土層,T6土壤脲酶活性最低,其他處理無顯著性差異。在0～60 cm土層，T14脲酶活性最高，比T13高89.90%。

表2 馬鈴薯根層土壤脲酶活性/(mg·g-1·24h-1)Table 2 Urease activity in potato root layer

蔗糖酶活性隨著土壤深度的增加呈現先增加后降低的趨勢(表3),0～20 cm土層脲酶活性平均值為5.61 mg·g-1·24h-1,20～40 cm土層為6.86 mg·g-1·24h-1,40～60 cm土層為4.30 mg·g-1·24h-1，0～20、20～40 cm土層比40～60 cm土層分別高30.47%、59.53%。在0～20 cm土層,T10土壤蔗糖酶活性最高,為12.40 mg·g-1·24h-1,其次為T4,T7最低,為3.51 mg·g-1·24h-1,T10比T7高253.28%,T10和T7具有顯著性差異。在20～40 cm土層,T4土壤蔗糖酶活性最高(12.26 mg·g-1·24h-1),其次為T2、T7、T10,T15和T11含量較低,與T2、T7和T10具有顯著性差異。在40～60 cm土層,T2土壤蔗糖酶活性最高,為7.15 mg·g-1·24h-1,其次為T6、T4,T14最低,為1.33 mg·g-1·24h-1。在0～60 cm土層中，T10蔗糖酶活性最高，比T11高218.30%。

表3 馬鈴薯根層土壤蔗糖酶活性/(mg·g-1·24h-1)Table 3 Invertase activity in potato root layer

2.2 馬鈴薯根層土壤微生物數量特征

由圖1可知, 0～20 cm和20～40 cm土層土壤中細菌、真菌和放線菌數量具有差異性。隨著土壤深度的增加土壤細菌、真菌和放線菌數量呈現減少的趨勢,0～20 cm土層土壤中細菌、真菌、放線菌的數量分別為107.23×104cfu·g-1、23.48×102cfu·g-1、6.31×104cfu·g-1,20～40 cm土層分別為49.02×104cfu·g-1、11.69×102cfu·g-1、3.80×104cfu·g-1,土壤中細菌、真菌、放線菌的數量0～20 cm土層比20～40 cm土層分別高29.89%、100.85%、66.05%。由表4可知,在土壤細菌、真菌和放線菌中,土壤細菌的數量占據絕對優勢,真菌和放線菌數量相對較少，細菌數量占微生物總數的83.11%～97.28% ,其次是放線菌,占微生物總量的2.49%以上,真菌在三類微生物中占比最少,占比為0.13%～0.44%。微生物總數最多的是T11,其次是T6,最少的為T14。

表4 馬鈴薯根層0～40 cm土層土壤微生物數量Table 4 Number of soil microorganisms in potato root layer 0～40 cm soil

由圖1(A)可知,在0～20 cm土層,T11、T4、T5土壤中細菌數量平均值較大,分別為150.33×104cfu·g-1、143.67×104cfu·g-1、142.67×104cfu·g-1。在20～40 cm土層,T10土壤中細菌數量平均值最大,為76.67×104cfu·g-1。在0～40 cm土層,T11土壤中細菌數量最多,在三類微生物數量中占比94.70%，其次為T6,T16土壤中細菌數量最少,T16與T11有顯著性差異,T11比T16高172.83%。

由圖1(B)可知,在0～20 cm土層,T11、T9、T16土壤中真菌數量較大,分別為44.67×102、40.00×102、36.00×102cfu·g-1,T7、T8較小,與T11、T9、T16具有顯著性差異。在20～40 cm土層,T9土壤中真菌數量最大,為18.00×102cfu·g-1,與其他處理有顯著性差異。在0～40 cm土層,T9 、T11土壤中真菌數量較多,為29.00×102cfu·g-1和27.00×102cfu·g-1, 占比分別為0.44%、0.24%，T8最少,T9 、T11比T8高167.77%、140.07%。

由圖1(C)可知,在0～20 cm土層,T4、T16土壤中土壤放線菌數量較大,分別為11.73×104cfu·g-1、12.67×104cfu·g-1,其次為T9、T8,T1土壤中放線菌數量較小,為3.00×104cfu·g-1。在20～40 cm土層,T9土壤中真菌數量最大,為9.30×102cfu·g-1,T2、T3、T7較小,與其他處理有顯著性差異。在0～40 cm土層,T9土壤中放線菌數量最多,為19.13×104cfu·g-1，占比為14.42%，T1、T3、T5、T7較少,與其他處理有顯著性差異。

圖1 馬鈴薯根層土壤微生物數量Fig.1 Number of microorganisms of soil in potato root layer

2.3 馬鈴薯根層土壤因子分布特征

2.3.1 土壤含水量、pH值、電導率 不同品種馬鈴薯根層土壤水分分布規律如圖2所示。隨著土壤深度的增加,土壤含水量呈現先增大后減小的趨勢,在0～20 cm土層土壤含水量呈遞增趨勢,20～40 cm土層土壤含水量普遍較高,40～60 cm土層出現下降趨勢。T7處理30～40 cm土層含水量最大,為9.48%,T4處理50～60 cm土層含水量最小,為2.16%。

圖2 馬鈴薯根層土壤含水量Fig.2 Soil water content in potato root layer

T13土壤含水量平均值最高,其次是T7、T13,T4土壤含水量平均值最低。馬鈴薯土壤含水量平均值在0～20 cm土層為5.46%,20～40 cm土層為7.01%,在40～60 cm土層為5.93%,20～40 cm土層比0～20 cm土層高28.39%,20～40 cm土層比40～60 cm土層高18.21%。

不同品種馬鈴薯根層pH值分布規律如表5所示。隨土層深度的增加土壤pH值呈現先減小后增加的趨勢,0～20 cm土層pH值最高,比20～40 cm土層高2.02%,比40～60 cm土層高0.12%。在0～60 cm土層,16個馬鈴薯品種土壤pH值在8.30～8.79范圍內,T9土壤pH最高,為8.79,其次是T10、T8,T11土壤pH值相對較低。

表5 馬鈴薯根層土壤pH值特征Table 5 Characteristics of soil pH value in potato root layer

不同品種馬鈴薯根層土壤電導率分布規律如表6所示。隨土層深度的增加土壤電導率值呈現先增大后減小的趨勢, 20～40 cm土層電導率比0～20、40～60 cm土層電導率分別高45.21%、40.48%。T2土壤電導率的平均值最高,T9最低,T2比T9高93.03%。

表6 馬鈴薯根層土壤電導率/(μS·cm-1)Table 6 Soil conductivity in potato root layer

2.3.2 土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質含量 由圖3A可知, T2在0～60 cm土層堿解氮累積值最高,為90.43 mg·kg-1,T3次之,為82.83 mg·kg-1,T9最低,為49.41 mg·kg-1,T2比 T9高83.02%。土壤堿解氮含量隨土壤深度的增加呈現下降趨勢,土壤堿解氮主要積累于土壤0～40 cm土層,在40～60 cm土層出現最低值。0～20 cm土層堿解氮含量平均值為25.35 mg·kg-1,20～40 cm土層堿解氮含量平均值為25.24 mg·kg-1,40～60 cm土層堿解氮含量平均值為16.68 mg·kg-1,0～20 cm土層比20～40 cm土層堿解氮含量高0.43%,0～20 cm土層比40～60 cm土層堿解氮含量高51.98%。

由圖3B可知，馬鈴薯根層土壤有效磷含量隨土層深度增加而下降,0～20 cm土層有效磷含量平均值為28.85 mg·kg-1,比20～40 cm土層高50.97%,比40～60 cm土層高117.74%。T12土層有效磷含量累積值最高,其次是T14,T4、T5、T6、T7和T11累積含量較低。

由圖3C可知，在0～20 cm土層中，T16速效鉀含量平均值最高，為263.30 mg·kg-1,T4最低，為138.30 mg·kg-1,T16比T4高了90.38%。在20～40 cm土層中，T16速效鉀含量平均值最高，為152.40 mg·kg-1,T4土層速效鉀含量平均值最低,T16比T4高了68.77%。在40～60 cm土層中，T1、T15速效鉀含量平均值較高，T4土層速效鉀含量平均值最低。土壤速效鉀含量隨土壤深度的增加呈現下降趨勢,0～20 cm土層速效鉀含量平均值為178.93 mg·kg-1,比20～40 cm和40～60 cm土層分別高35.93%和126.15%。在0～60 cm土層中，T16土壤速效鉀含量累積值最高,為490.80 mg·kg-1, T4土壤速效鉀含量累積值最低,為287.50 mg·kg-1, T16比T4高70.71%。

由圖3D可知，馬鈴薯根層土壤有機質含量隨土層深度增加呈現下降趨勢,0～20 cm土層有機質含量平均值為5.05 g·kg-1,20～40 cm土層有機質含量平均值為4.42 g·kg-1,40～60 cm土層有機質含量平均值為2.35 g·kg-1,0～20 cm土層比20～40、 40～60 cm土層分別高14.51%、114.89%,有機質主要集中分布在0～40 cm土層。從不同品種馬鈴薯來看,T9在0～60 cm土層有機質含量累積值最高,為16.30 g·kg-1，T13最低，T9比T13高90.87%。

圖3 馬鈴薯根層土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質含量Fig.3 Contents of alkali hydrolyzable nitrogen, available phosphorus, available potassium and organic matter in potato root layer soil

2.4 不同品種馬鈴薯產量和品質差異

不同品種馬鈴薯塊莖的產量和品質差異如圖4所示。不同品種馬鈴薯的產量具有差異性,T5產量最高,為77.97 t·hm-2,其次是T11。T5產量比T1高333.16%,比T2、T3、 T4、 T6、 T7、T8、 T9、 T10、 T11、 T12、T13、T14、T15、T16分別高183.42%、264.68%、43.91%、11.85%、141.92%、38.05%、200.86%、70.05%、8.53%、183.42%、139.76%、95.22%、61.63%、123.54%。T1和T3產量較低,與其他處理有顯著性差異。T11蛋白質含量最高,為1.36 g·100g-1，其次是T 2 、T 8 、T 9、 T15,分別為1.29、1.27、1.19、1.15 g·100g-1,T13最低,T11比 T13高277.78%。T11淀粉含量最高,為13.35%,其他馬鈴薯品種塊莖淀粉含量在7.82%～10.14%,T11與其他品種具有顯著性差異。T4 、T8、T13可溶性總糖含量較高,與其他品種有顯著性差異,其中T13最高，其次為T4、T8, T13比T2高477.78%。T15維生素C含量最高,為11.54 mg·100g-1，其次是T11、T2,T4、T9含量較低, T4、T9與其他品種有顯著性差異。不同品種馬鈴薯塊莖褐變強度具有差異性,T1褐變強度最大,其次為T11,T12、T13、T16較小,T1比T11高47.35%,比T16高347.12%。

圖4 馬鈴薯塊莖產量和品質Fig.4 Potato tuber yield and quality

2.5 馬鈴薯根層土壤養分與土壤酶活性、微生物的關系

2.5.1 土壤酶活性、微生物數量與土壤因子相關性分析 由表7可知，馬鈴薯根層土壤過氧化氫酶與土壤電導率、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、脲酶、細菌、真菌之間呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤含水量、蔗糖酶、放線菌呈顯著正相關(P<0.05)。土壤脲酶與土壤電導率、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、蔗糖酶、細菌、真菌之間呈極顯著正相關(P<0.01)。土壤蔗糖酶與土壤堿解氮、有機質之間呈極顯著正相關(P<0.01)。土壤細菌與土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、真菌、放線菌之間呈極顯著正相關(P<0.01)。土壤真菌與土壤有效磷、速效鉀、有機質、放線菌之間呈極顯著正相關(P<0.01)。土壤放線菌與土壤有效磷、速效鉀、有機質之間呈極顯著正相關(P<0.01)。馬鈴薯塊莖淀粉含量與蔗糖酶活性呈顯著負相關(P<0.05)。可溶性總糖含量與放線菌數量呈顯著正相關(P<0.05)。褐變強度與pH值、細菌數量呈顯著正相關(P<0.05),與土壤含水量、放線菌數量呈極顯著負相關(P<0.01),與蔗糖酶活性呈顯著負相關(P<0.05)。塊莖產量與細菌數量呈極顯著正相關(P<0.01),與含水量、電導率呈極顯著負相關(P<0.01)。

2.5.2 馬鈴薯根層土壤因子與土壤酶活性、微生物數量冗余分析 不同品種馬鈴薯土壤酶活性與土壤因子冗余分析結果(圖5、表8、表9)表明,RDA排序的前兩軸保留了土壤酶數據總方差的23.39%,共解釋了土壤酶活性與土壤因子關系總方差的99.73%,堿解氮的貢獻率最高,為55.0%,其次為有機質。土壤因子對土壤酶活性的影響大小為：堿解氮>有機質>有效磷>pH值>速效鉀>含水量>電導率,土壤堿解氮、有機質對過氧化氫酶、脲酶影響較大,土壤電導率對土壤蔗糖酶影響較大,pH值與3種酶活性均呈負相關。土壤中堿解氮和有機質是土壤過氧化氫酶和脲酶活性變化的主要驅動因子。

注：SW-土壤含水量,SC-土壤電導率,AHN-土壤堿解氮,AP-土壤有效磷,AK-土壤速效鉀,OM-土壤有機質，CA-土壤過氧化氫酶，UA-脲酶，IA-蔗糖酶。下同。Note:SW-soil water content, SC-soil conductivity, AHN-soil alkali hydrolyzable nitrogen, AP-soil available phosphorus, AK-soil available potassium, OM-soil organic matter, CA-soil H2O2 enzyme, UA-urease， IA-invertase. The same below.圖5 馬鈴薯根層土壤酶活性與土壤因子RDA排序Fig.5 Ranking of soil enzyme activity and soil factor RDA

表8 馬鈴薯根層土壤因子與土壤酶RDA分析結果Table 8 RDA analysis results of soil factors and soil enzymes

表9 馬鈴薯根層土壤酶相關土壤因子RDA結果Table 9 RDA results of soil enzyme related soil factors

不同品種馬鈴薯土壤微生物數量與土壤因子冗余分析結果(圖6、表10、表11)表明,RDA排序的前兩軸保留了土壤微生物數據總方差的36.6%,共解釋了土壤微生物數量與土壤因子關系總方差的99.94%。有機質的貢獻率最高,為75.1%。土壤細菌與土壤有機質、有效磷顯著相關,土壤真菌和放線菌之間呈顯著相關,土壤真菌、放線菌與速效鉀顯著相關。土壤中有機質和有效磷是土壤細菌數量變化的主要驅動因子,速效鉀是土壤真菌、放線菌數量變化的主要驅動因子。

注：SB-土壤細菌, SF-土壤真菌, SA-土壤放線菌。Note: SB-soil bacteria, SF-soil fungi， SA-soil actinomycetes.圖6 馬鈴薯根層土壤微生物數量與土壤因子RDA排序Fig.6 The number of soil microorganisms in potato root layer and the ranking of soil factors by RDA

表10 馬鈴薯根層土壤因子與土壤微生物RDA分析結果Table 10 RDA analysis results of soil factors and soil microorganisms in potato root layer

表11 馬鈴薯根層土壤微生物相關土壤因子RDA結果Table 11 RDA results of soil microbial related factors in potato root layer

3 討 論

在沙質土壤中,土壤養分利用效率低,土壤理化性質、酶活性、微生物數量能夠在一定程度上反映土壤質量狀況,從而可以更準確地為農田管理提供參考。 有研究表明,土壤酶主要來源于土壤微生物、植物和動物,土壤酶是土壤質量的生物活性指標, 可以用來評價土壤肥力[21]。土壤酶、土壤微生物作為評價土壤肥力的指標, 比單純通過土壤養分來評價土壤肥力更加全面和靈敏[22]。本研究表明,不同品種馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性均隨土壤深度的增加呈降低的趨勢,與孫慧等[23]的研究結果相似，土壤脲酶活性呈下降趨勢,這與溫曉霞等[24]研究結果一致。本研究發現,相比0～20 cm土層,在20～40 cm土層T2 、T3、 T4、 T5 、T8、 T12、 T13 、T14 、T16土壤蔗糖酶活性均出現不同程度升高，土壤蔗糖酶活性隨土壤深度的增加呈現先升高后降低的趨勢,這與溫曉霞等[24]的研究結果不同,這可能與不同品種馬鈴薯對土壤蔗糖酶的影響有關。土壤酶活性的高低,可以直接反映土壤中生物活性以及土壤化學性質的轉化能力[25]。土壤中不同酶的活性與土壤的理化性質顯著相關,但影響土壤酶活性的主要土壤因子卻各不相同[26-27]。本研究發現,土壤過氧化氫酶、脲酶與土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質均極顯著相關,土壤蔗糖酶與土壤堿解氮、有機質極顯著相關。

土壤氮磷鉀含量、有機質含量、pH值等化學性狀是評價土壤質量的重要指標,土壤微生物數量、酶活性和土壤理化指標密切相關,土壤微生物數量、酶活性對土壤氮磷鉀的循環有著重要作用。細菌是土壤微生物中數量最多的一個微生物類群,參與有機質的分解,氨化作用等[28]。真菌在土壤碳素和氮素循環過程中起著巨大作用,主要參與土壤中有機質的分解、腐殖質的形成、氨化作用以及團聚體的形成等[29]。放線菌與土壤肥力以及有機質轉化和植物病害防治有著密切關系[14]。本研究表明,無論馬鈴薯品種是否有差異,土壤細菌數量在三類微生物中占絕對優勢,其次是放線菌,最后為真菌,這一結論與譚宏偉等[30]的研究結論相一致。不同品種馬鈴薯的三類微生物之間有顯著性差異,這說明不同品種馬鈴薯和土壤養分共同決定了土壤微生物數量的多少。馬鈴薯土壤細菌、真菌的數量與過氧化氫酶、脲酶活性呈極顯著相關,與土壤有機質有效磷、有效鉀呈極顯著相關,說明這些因素之間相互影響共同促進了馬鈴薯的生長[31]。馬鈴薯屬于喜鉀作物,生長發育、塊莖中淀粉的積累以及光合產物的運輸等都離不開鉀。本研究發現,馬鈴薯土壤速效鉀的含量與土壤過氧化氫酶、脲酶、細菌、真菌、放線菌均呈極顯著相關,而榆林沙土區土壤中鉀含量不足,在農業生產中,建議應考慮土壤鉀素輸入與輸出之間的平衡。

本研究表明,馬鈴薯塊莖產量與土壤細菌呈極顯著正相關,可溶性總糖與土壤放線菌呈顯著正相關,即較高的土壤細菌、土壤放線菌有利于塊莖產量、可溶性總糖含量的提高,農業生產上可通過改變土壤細菌、放線菌的數量的方式來提高土壤養分,從而影響馬鈴薯塊莖品質。本研究中,T11土壤細菌、真菌、放線菌數量相對較多,產量、淀粉、蛋白質、維生素含量也較高,是一個綜合指標較好的馬鈴薯品種。馬鈴薯塊莖褐變強度與土壤細菌呈正相關,其中的原因可能是土壤細菌增多,對土壤質量影響較大,影響馬鈴薯塊莖的褐變強度,農業生產上應該綜合考慮土壤細菌豐度的范圍。馬鈴薯品質和土壤微生物、酶的關系是一個相對復雜的問題,在以后的研究中,應著重考慮馬鈴薯塊莖元素含量與土壤養分、土壤酶、土壤微生物之間的關系。

4 結 論

從酶活性和微生物數量的來看,在0～60 cm土層中,榆林沙土區馬鈴薯土壤過氧化氫酶和脲酶活性隨著土壤深度的增加均呈現降低的趨勢,蔗糖酶活性呈現先增加后降低的趨勢。在0～40 cm土層中,土壤細菌、真菌、放線菌數量隨著土壤深度的增加均呈現減少的趨勢,0～20 cm土層細菌、真菌、放線菌數量比20～40 cm土層高了29.89%、100.85%、66.05%。土壤過氧化氫酶活性與土壤堿解氮、有機質、有效磷、速效鉀含量呈極顯著正相關;土壤脲酶與土壤電導率、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質含量呈極顯著正相關；土壤蔗糖酶活性與土壤堿解氮、有機質含量呈極顯著正相關；土壤細菌數量與土壤有機質、有效磷、速效鉀、堿解氮含量呈極顯著正相關,土壤真菌數量與速效鉀、有機質、有效磷含量呈極顯著正相關,放線菌數量與土壤速效鉀、有機質、有效磷含量呈極顯著正相關。榆林沙土區馬鈴薯根層土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質含量隨土層的加深呈下降趨勢,0～20 cm土層堿解氮含量平均值為25.35 mg·kg-1,比20～40、40～60 cm土層含量高0.43%、51.98%。有效磷、速效鉀含量前三的品種分別為：T16>T12>T1、T15>T9>T14。不同品種馬鈴薯產量、品質和土壤微生物之間存在相互關系，馬鈴薯塊莖產量與土壤細菌呈極顯著正相關,可溶性總糖與土壤放線菌呈顯著正相關。