不同養分條件下太子參根部土壤環境變化及綜合評價*

劉幫艷 李金玲，2 曹國璠? 鄭 聽 何 兵 趙 致，2 王華磊，2

（1 貴州大學農學院，貴陽 550025）

（2 貴州省藥用植物繁育與種植重點（工程）實驗室，貴陽 550025）

土壤環境是作物賴以生存的基本環境，其物理結構、化學成分、酶活性、微生物種群結構及水、熱條件等，無不作用于作物生長。作為根類藥材的太子參，對土壤環境要求較為嚴格，且目前太子參連作對土壤環境也有較大影響，造成太子參連作障礙問題凸顯，極大影響太子參栽培生產。也有較多研究表明，煙草、蔬菜以及多數藥用植物等因連作而改變土壤環境，制約自身生產［1-3］。目前研究將連作障礙主要原因分為三大類：（1）作物根部化感物質的自毒作用；（2）土壤微生物結構失衡，微生物種類減少，病原微生物增加；（3）土壤養分虧缺，造成作物生長不良，耐、抗性降低。太子參作為廣泛藥用根類藥材，其產量與品質受連作障礙限制這一問題日益突出［4］。

土壤養分是土壤肥力重要指標，土壤養分的虧缺導致土壤肥力退化和作物產量下降，通過合理施肥調節土壤養分的循環和平衡是提高土壤肥力的主要手段［5-6］。趙庚星等［7］研究表明，耕地利用對土壤養分種類及含量有影響；李建軍等［8］研究認為，土壤養分含量及其比例很大程度上決定水稻單產高低和水稻土土壤肥力狀況。土壤養分不同，為作物提供養分的能力及對作物消耗養分引起的養分虧缺的緩沖能力也將不同。

目前，關于太子參根部土壤環境隨其生長的動態變化情況鮮見系統研究，故本研究以不同土壤養分條件下栽培太子參的根部土為研究對象，從引起連作障礙問題的土壤養分虧缺及微生物結構失衡入手，于太子參不同生長時期測定其根部土壤有機質、堿解氮、全氮、全磷、有效磷、緩效鉀、速效鉀等化學指標含量及土壤多酚氧化酶、酸性磷酸酶等土壤酶活性與真菌、細菌等微生物群體數量變化，并進行綜合評價，探究太子參生長過程中根部土壤環境的時間動態變化情況，綜合評價土壤養分對太子參根部土壤環境的影響，擬為指導太子參高效栽培提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于貴州省六盤水鐘山區大河鎮大菁村（26°43′32″N，104°49′49.1″E）。該區域屬北亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均溫度12.3℃，最熱月（7月）平均溫度24.6℃，最冷月（1月）平均溫度-0.1℃，年平均總積溫在4 410℃～4 806℃；年均降水量1 182 mm，降水量最少月（1月）為17.6 mm，降水量最多月（6月）為243.7 mm；年均相對濕度81%；年日照時數1 200 ～1 600 h，日照百分率28%～36%。

1.2 試驗材料

試驗栽培品種為太子參施太1號，種根進行栽培，栽培材料經貴州大學農學院王華磊教授鑒定為石竹科孩兒參（Pseudostellaria heterophylla（Miq.） Pax ex Pax et Hoffm.）的種根。

所用試劑抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸氧銻鉀、HClO4、H2SO4、NaOH、NH4F、HCl、NH4OAc、HNO3及K2Cr2O7均為分析純。營養瓊脂培養基、孟加拉紅瓊脂培養基和高氏一號培養基均購自上海博微生物科技有限公司。

1.3 田間試驗設計

試驗地土壤類型為黃棕壤。試驗于同一緩坡面選取3個不同土壤養分地塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中，地塊Ⅰ土壤養分最高，地塊Ⅱ土壤養分其次，地塊Ⅲ土壤養分最低（具體土壤養分狀況見表1）。采取隨機區組設計，不同土壤養分地塊各劃分3個小區，共9個小區，小區面積為1.2 m×10 m，太子參種根用種量為1 200 kg hm-2，均勻散播。于2015年12月進行播種，底肥為有機肥1 500 kg hm-2，復合肥（N︰P︰K=15︰15︰15）600 kg hm-2，鈣鎂磷肥（P2O5≥15.0%）1 125 kg hm-2，硫酸鉀肥（K2O≥51.05%，Cl≤1.5%，S≥17.5%）150 kg hm-2，其他田間管理均一致。

表1 不同土壤養分地塊的具體狀況Table 1 Soil conditions of the 3 plots different in soil nutrient

1.4 土壤樣品采集及處理

太子參苗齊后，視太子參生長狀況，每半個月至1個月進行1次采樣。每次采樣每個小區采用五點法隨機選取5個點，挖取太子參植株0～20 cm土層；完整挖取太子參塊根后，將挖取的根部土壤完全收集，混勻，去除石頭、枯葉等雜質，作為太子參根部土壤。部分鮮土4℃儲存，做微生物測定用；部分土樣風干，研缽研磨，分別過20目、50目和100目篩，做土壤酶及土壤化學指標測定用。

1.5 測定方法

土壤化學性質測定方法：有機質采用重鉻酸鉀容量法［9］；全氮采用凱氏定氮儀法［10］；堿解氮采用堿解擴散法［9］；全磷采用HClO4-H2SO4消煮—鉬銻抗比色法測定［9］；有效磷采用 NH4FHCl浸提［12］，ICP-OES測定（OptimaTM8000型，Perkin公司，美國）；緩效鉀采用熱硝酸浸提［9］，ICP-OES測定；速效鉀采用NH4OAc浸提［9］，ICP-OES測定；pH采用電位法測定［11］。

土壤酶活性測定：土壤過氧化氫酶（S-CAT）、土壤多酚氧化酶（S-PPO）、土壤脲酶（S-UE）、土壤酸性磷酸酶（S-ACP）活性分別使用南京建成生物工程研究所土壤過氧化氫酶試劑盒、土壤多酚氧化酶試劑盒、土壤脲酶試劑盒、土壤酸性磷酸酶試劑盒進行測定，土壤酸性轉化酶（S-AI）活性使用北京索萊寶科技有限公司土壤酸性轉化酶試劑盒測定。S-CAT以每天每克風干土催化1 μmol H2O2降解定義為一個酶活性單位；S-PPO以每天每克風干土產生1 mg紫色沒食子素定義為一個酶活性單位；S-UE以每天每克土樣中產生1 μg NH3-N為一個酶活性單位；S-ACP以37℃中每克土樣每天釋放1 μmol酚為一個酶活性單位；S-AI以每天每克土樣產生1 mg還原糖定義為一個酶活性單位。

土壤微生物測定：細菌、真菌和放線菌數量均采用平板計數法進行測定［12］。細菌用營養瓊脂培養基培養，配方為（g L-1）：蛋白胨10.0，牛肉膏粉3.0，氯化鈉5.0，瓊脂15.0，pH 7.0～7.4；真菌用孟加拉紅瓊脂培養基培養，配方為（g L-1）：蛋白胨5.0，葡萄糖10.0，磷酸氫二甲1.0，硫酸鎂0.5，孟加拉紅0.0333，瓊脂20.0，氯霉素0.1，pH 7.0～7.4；放線菌用高氏一號培養基培養，配方為（g L-1）：可溶性淀粉20.0，硝酸鉀1.0，氯化鈉0.5，磷酸氫二鉀0.5，硫酸鎂0.5，硫酸亞鐵0.01，瓊脂15.0，pH 7.1～7.5。

1.6 數據處理

使用E x c e l 2 0 1 6進行數據記錄及整理，SPSS19.0進行多重比較、相關性及主成分分析，多重比較采用最小顯著差異法（LSD法）進行分析。

2 結 果

2.1 不同養分條件下太子參根部土壤化學性狀變化的時間動態

由表2知，4 — 8月，不同土壤養分條件下太子參根部土壤變異度較大的化學指標為全磷、有效磷、緩效鉀及速效鉀含量，其中地塊Ⅰ的變異系數分別為12.77%、34.22%、32.25%和47.81%，以速效鉀含量變異最大；地塊Ⅱ的變異系數分別為20.47%、24.78%、26.92%和25.89%，這4個化學指標變異度相當；地塊Ⅲ的變異系數分別為28.04%、48.73%、27.71%和26.84%，以有效磷含量變異度最大。說明土壤養分不同，對磷素與鉀素的調節及緩沖能力不同。根部土壤有機質及全氮含量在太子參生育期內的變異系數隨土壤養分的降低而增加，地塊Ⅰ～Ⅲ根部土壤有機質含量的變異系數分別為3.11%、9.96%、14.91%；全氮含量變異系數分別為4.58%、8.97%、13.51%。太子參整個生長時期，堿解氮含量和pH的變異度以低養分地塊Ⅲ為最大，地塊Ⅰ、Ⅱ相對較小，差異不顯著，地塊Ⅰ～Ⅲ土壤堿解氮含量變異系數分別為12.70%、10.80%、16.69%；pH變異系數分別為2.82%、2.68%、3.81%。綜合得知，太子參根部土壤屬酸性土，磷、鉀元素含量變異度較大，有機質、氮素含量及pH變化范圍較小。

2.2 不同養分條件下太子參根部土壤酶活性變化的時間動態

4 — 8月，各土壤養分條件下太子參根部土壤酶活性變異度大小順序均為S-AI ＞ S-CAT ＞S-PPO ＞ S-ACP ＞ S-UE，證明太子參根部土壤酶活性的變異度不受土壤養分高低的影響。由表3知，整個生長時期內，地塊Ⅰ的太子參根部土壤S-ACP 、S-AI、S-UE、S-PPO、S-CAT活性均值分別為23.44、37.60、1.34、29.36、26.05 U g-1；高土壤養分條件下，太子參根部土壤酶活性的極值集中出現在太子參生長初期及后期。地塊Ⅱ太子參根部土壤S-ACP 、S-AI、S-UE、S-PPO、S-CAT活性均值分別為22.08、35.13、1.32、30.07、20.56 U g-1；中等土壤養分下，太子參根部土壤酶活極值較集中出現在太子參生長中期。地塊Ⅲ太子參根部土壤S-ACP 、S-AI、S-UE、S-PPO、S-CAT活性均值分別為21.93、35.24、 1.28、29.95、19.53 U g-1；土壤養分低時，太子參根部土壤酶活極值主要出現在太子參生長中期及后期。綜合得知，土壤酶作為催化土壤生化反應的專一催化劑，太子參根部土壤酶活性極值在不同土壤養分條件下出現時期有差異，說明土壤酶對太子參養分需求具有較好的調節作用。

表2 太子參根部土壤化學性狀變化Table 2 Variation soil chemical properties in the rhizosphere of Pseudostellaria heterophylla

2. 3 不同養分條件下太子參根部土壤微生物變化的時間動態

由圖1可知：4—7月，地塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ太子參根部土壤細菌數量和真菌數量變化趨勢一致；7—8月，地塊Ⅰ、Ⅲ的土壤細菌菌落和真菌菌落減少，地塊Ⅱ的繼續增加。整個生長期間，地塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ太子參根部土壤細菌數量變異系數分別為117.8%、108.9%、95.9%，真菌數量變異系數分別為129.5%、124.5%、111.6%。地塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤放線菌數量在整個生長期變化趨勢均一致，均為4 — 7月份變化較為平穩，7— 8月急劇增加，變異系數分別為199.2%、208.3%、192.5%。綜合可知，太子參種植一茬后微生物種群數發生顯著變化，其變異度總體為：放線菌 ＞ 真菌 ＞ 細菌。

2.4 太子參根部土壤各環境指標間的相關性

作物生長中，土壤環境各因子間相互影響，共同作用于作物的生長，具有一定關聯性。本研究通過相關分析得出（表4）：太子參根部土壤有機質含量、全氮含量、堿解氮含量、全磷含量、pH間呈極顯著正相關；有效磷含量與全磷含量呈顯著正相關；有機質含量與速效鉀含量間呈顯著負相關；S-ACP活性與全氮含量、堿解氮含量、S-AI活性呈顯著正相關；S-UE活性與有機質含量、全氮含量、堿解氮含量、全磷含量呈顯著正相關，與速效鉀含量呈極顯著負相關；S-CAT活性與堿解氮含量呈顯著正相關；細菌數量與有效磷含量、S-UE活性、放線菌數量呈顯著正相關，與S-ACP活性呈顯著負相關；真菌數量與緩效鉀含量呈顯著正相關，與速效鉀含量呈極顯著正相關，與S-UE活性呈顯著負相關；放線菌數量與S-AI活性呈顯著負相關。可見，太子參根部土壤的化學成分含量、酶活性及微生物種群數量間較多存在顯著相關性，直接用這些指標對太子參根部土壤環境進行評價，會出現信息的重疊，影響評價結果的客觀性。因此，為進一步了解這些指標間的相關性及其對太子參根部土壤環境的貢獻，利用主成分分析方法對太子參根部土壤環境進行綜合評價。

表3 太子參根部土壤酶活性變化Table 3 Variation of soil enzymatic activity in the rhizosphere of Pseudostellaria heterophylla

2.5 太子參根部土壤環境綜合評價

將不同養分條件下太子參不同生長時期根部土壤16個環境指標：有機質含量（X1）、全氮含量（X2）、堿解氮含量（X3）、全磷含量（X4）、有效磷含量（X5）、緩效鉀含量（X6）、速效鉀含量（X7）、pH（X8）、S-ACP活性（X）、S-AI活性（X10）、S-UE活性（X11）、S-PPO活性（X12）、S-CAT活性（X13）、細菌數量（X14）、真菌數量（X15）、放線菌數量（X16）用SPSS19.0進行主成分分析，以基本特征值大于1取得5個主成分，累計貢獻率達79.35%，即抽取得到的這5個主成分涵蓋了原始數據信息總量的79.35%，能反應太子參根部土壤環境的綜合水平。可利用5個主成分作為綜合變量來評價太子參根部土壤環境狀況。

圖1 不同養分下太子參根部土壤微生物數量變化Fig.1 Variation of soil microbial community in the rhizosphere of Pseudostellariae heterophylla relative to soil nutrient condition

利用各主成分各指標相對應的特征向量值建立5個主成分的函數表達式，將經過標準化后的數據代入式中，得到不同養分下太子參不同生長時期根部土壤環境在第一主成分至第五主成分的得分；綜合得分使用權重法計算，為各成分與相對應的貢獻率乘積的總和,即F=F1×32.58%+ F2×16.89% + F3×13.76% + F4×9.35% +F5×6.77%。結果（表5）顯示，地塊Ⅰ太子參各生長時期的根部土壤綜合得分排名均較靠前，在前10名之內，綜合得分均值為1.636，說明土壤養分高，對栽培太子參的根部土壤環境具有較好的調節及緩沖作用；地塊Ⅱ太子參各生長時期的根部土壤綜合得分排名則較居中，綜合得分均值為0.0913，說明中等土壤養分對栽培太子參的根部土壤環境具有較好的保護作用；地塊Ⅲ太子參各生長時期的根部土壤綜合得分排名均較靠后，最后3名均在其中，綜合得分均值為-1.727，說明土壤養分低影響栽培太子參根部土壤環境的自我調節，不利于土壤生態系統的持續發展。依據五個主成分得到的綜合評分的均值隨土壤養分的增加而增加，證明利用抽取的五個主成分進行太子參根部土壤環境綜合評價具有可靠性，且更為簡化，客觀性及實用性強。

3 討 論

3.1 太子參根部土壤環境變化的時間動態

作物栽培生產過程中，土壤化學性狀因作物生長需耗或栽培措施處理而發生改變。朱丹等［13］研究表明，施用谷特菌肥能顯著提高土壤全氮、全磷、全鉀、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的水平；何進等［14］的研究結果顯示，免耕/深松輪耕既可改善土壤理化性狀，又可提高作物產量；王玉玲和李軍［15］研究認為免耕/深松和深松/翻耕輪耕模式可創造良好的土壤耕層結構，提高土壤養分，促進作物生長發育。綜合本研究得知，太子參根部土壤屬弱酸性土，pH總體在4.95 ～ 5.81之間，較為穩定。太子參整個生長過程中，土壤有機質、全氮及堿解氮含量變異度較小，較為穩定，但各時期間存在顯著差異，且全氮含量均約等于相應時期有機質含量的5%［9］。全磷、緩效鉀及有效磷、速效鉀含量在太子參生長過程中變異度較大，各時期差異顯著，速效鉀以高養分地塊Ⅰ變異度最大，有效磷以低養分地塊Ⅲ變異度最大，中等養分地塊Ⅱ能均衡供給和調節太子參根部土壤各種養分。

表4 太子參根部土壤各環境指標間的相關系數矩陣Table 4 Correlation coefficient matrix between various soil environmental indices in the rhizosphere of Pseudostellaria heterophylla

表5 不同土壤養分條件下太子參各時期根部土壤環境指標的各主成分、綜合得分及排名Table 5 Principal components, comprehensive scores and ranking of various soil environmental indexes in the rhizosphere of Pseudostellaria heterophylla growing in soils different in soil nutrient condition

土壤酶來源于土壤微生物及動植物活體的分泌，具有催化生物活性的能力［16］，其活性可反映土壤中碳、氮分解的方向及強度，通常被視為土壤質量和土壤生物群的指標，也可用于確定農業生態系統的可持續性，特別是土壤理化和微生物過程［17-18］。本研究得出，在太子參生長過程中，土壤S-AI活性變異度最大，變異系數均大于45%，其活性與土壤有機質、氮、磷含量及微生物數量和土壤呼吸強度有關，有效磷含量變異度較大有可能與S-AI活性的變異有關。其次為S-CAT活性變異度較大，S-CAT能促進過氧化氫的分解，利于防止過氧化氫對生物體的毒害作用［19］，由結果可知，土壤養分越高，其防止過氧化能力越強。S-PPO能催化土壤中芳香族化合物氧化成醌，醌與土壤中的蛋白質、氨基酸和糖類等反應生成分子量大小不等的有機質和色素［20］，而地塊Ⅰ～ Ⅲ土壤各時期的S-PPO活性差異不顯著，可能為各養分土壤有機質變異度不大的原因之一。S-ACP和S-UE變異度較小，均小于10%，S-ACP能催化土壤有機磷礦化形成無機磷［21-22］，結果說明太子參整個生長過程其根部土壤有機磷礦化速度較為平穩；S-UE能催化尿素分解，形成NH+4，從而有利于植物的吸收［22-23］，其活性與土壤微生物數量、有機質、全氮和堿解氮含量呈正相關，其變異度與土壤有機質及氮素含量的變異度較為一致。

土壤微生物是土壤生態系統中最活躍的成分，它對有機質分解、營養循環、植物生長的促進或抑制以及各種土壤物理過程發揮著重要作用，土壤環境的變化可改變土壤微生物的種群組成和多樣性［24］。本研究發現，土壤微生物種群數量在太子參旺盛生長期變化較小，太子參成熟后微生物種群數量發生改變， 細菌和放線菌菌群顯著增加，真菌菌群顯著減少，其可能由土壤環境隨太子參生長發生變化引起。具體菌種的菌落變化情況有待進一步研究。

3.2 太子參根部土壤環境隨時間動態變化的綜合評價

土壤環境中的礦質元素、微生物、酶活性及水、氣、熱等條件間能相互影響，彼此促進或制約，土壤環境的改變是多方面因素多方向作用的結果［25］。本研究通過相關分析得出，太子參根部土壤較多礦質元素含量、酶活性及微生物種群數間存在顯著相關性，表明所研究的各土壤環境指標間具有相互作用。其中5種土壤酶以S-UE活性對土壤養分及土壤微生物的影響最大，其活性與有機質、堿解氮、全氮、全磷、速效鉀、細菌數及真菌數均呈顯著正相關關系，這與劉來等［25］研究結果相一致。因此，人們也常用土壤脲酶活性表征土壤氮素狀況。前人研究認為，S-ACP活性與土壤有機質含量、全氮量、土壤pH和微生物數量密切相關［26］，本研究得出S-ACP活性與全氮、堿解氮及S-AI活性呈顯著正相關，與細菌數呈顯著負相關，細菌數還與有效磷呈顯著正相關。土壤養分中有機質、全氮、堿解氮、全磷及pH間互相均呈極顯著正相關關系。

主成分分析是通過降維將多個指標化為少數幾個綜合指標的統計分析方法，這些綜合指標盡可能地反映了原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關［24］。本研究通過主成分分析進行成分提取，得到5個主成分，累計方差貢獻率為79.35%，能近似地反映土壤環境的綜合情況。成分綜合評分的結果顯示，地塊Ⅰ～Ⅲ的綜合得分均值依次為1.636、0.0913、-1.727，說明土壤養分越高，綜合得分均值越大，土壤的自我調節及保護能力越強，土壤環境越佳，越利于土壤生態系統的持續性發展。

4 結 論

太子參苗齊后至太子參倒苗期間，不同養分條件下，太子參根部土壤磷、鉀元素含量變動均較大，有機質、氮素含量及pH變化范圍均較小， pH 4.95～5.81，土壤環境為酸性；太子參根部土壤酶活性的變異度不受土壤養分高低的影響，均表現為S-AI ＞ S-CAT ＞ S-PPO ＞ S-ACP ＞ S-UE；太子參苗齊后，真菌菌落數均顯著減少，倒苗后細菌和放線菌菌落數均顯著增加。太子參根部土壤的化學性狀、酶活性及微生物種群間相關性強；主成分綜合評分得出，土壤養分越高，綜合得分也越高。