甘南州臨潭縣青稞根際土壤養分含量、酶活性和微生物數量與根腐病的關系研究

漆永紅， 曹素芳， 李雪萍， 李敏權*

(1.甘肅省農業科學院植物保護研究所， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省農業科學院林果花卉研究所， 甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農業大學草業學院， 甘肅 蘭州 730070)

青稞(HordeumvulgareL.‘nudum Hook.f.’)即裸大麥，是栽培大麥(HordeumvulgareL.) 的變種。青稞不僅是我國藏區人民的主食，還具有卓越的藥用價值和食療保健價值。《晶珠本草》中記載，青稞是傳統的藏藥材，可祛風寒、清熱化濕、寧肺定喘和治陽虛腎虧等。現代研究發現，青稞富含多種氨基酸[1]、膳食纖維、維生素、β-葡聚糖以及鈣、鎂、磷、鋅、錳、硒等礦質元素，在降低血脂、增加胃動力、防治高原病、糖尿病等方面有獨特的保健作用[2]。

在實際生產中，根腐病造成了大麥類作物的嚴重減產[3]，一旦大麥感染根腐病，根和芽的鮮重、干重和每株谷粒數均減少，導致總產量下降[4]。青稞在我國西部藏區低溫高濕的地方種植，該環境條件下生長緩慢，抵抗病原菌侵染的能力弱，導致病害大面積發生。我們調查發現，近年來青稞根腐病發生很普遍，目前對青稞根腐病的研究和報道甚少，李雪萍等對卓尼縣青稞根際微生物進行了報道[5]。

微生物在土壤生態系統中發揮著核心作用[6-10]，微生物可以敏感地反應土壤生態系統的變化，表征土壤的健康水平。土壤酶活性是土壤中復雜化學過程的催化劑，對外界因素的變化十分敏感[11]，極易受到環境條件的影響[12]，在土壤有機質降解、土壤營養循環、能量傳遞、環境質量和作物產量中起著重要的作用[13]。關于青藏高原高寒陰濕條件下，青稞根際土壤養分含量、酶活性和微生物對根腐病發生的影響報道甚少，因此，本試驗以甘南州臨潭縣10個青稞主產區為研究對象，調查根腐病發生情況，同時采集健株和病株根際土壤，旨在探討其土壤養分、酶活性和微生物數量的變化特征以及他們與根腐病之間的相互關系，為青稞根腐病的防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

甘南州臨潭縣地處青藏高原東北邊緣，103°10′～103°52′ E，34°30′～35°05′ N，是藏區與漢區、牧區與農區的結合部。屬高山丘陵地區，地形東低西高，西南向東北傾斜，海拔在2 200～3 926 m之間，平均海拔2 825 m。氣候寒冷、陰濕、四季不分明，降水東北多西南少。年平均氣溫3.2℃，年降水量383.2～668.2 mm，蒸發量93～356 mm，日照時數2 314 d，年平均無霜期僅65 d左右。青稞為該地區的主要糧食作物之一，種植面積約占境內糧食作物種植總面積的30%。

1.2 樣品采集與預處理

2015年6月調查甘南州臨潭縣城關鎮上高崖村(T1)，古戰鄉古戰村(T2)和包家寺村(T3)，長川鄉長川村(T4)、沙巴村(T5)、敏家嘴村(T6)和千家寨村(T7)，羊永鄉羊永村(T8)，新城鎮紅崖村(T9)和羊房村(T10)10個地區的青稞根腐病，參考方中達的《植病研究法》[14]，同時采用5點取樣法采集根腐病發病特征典型的青稞病株和健康植株根際0～10 cm土壤，收集到無菌采樣袋中，每個樣品3個重復。將土壤樣品分成兩部分：一部分放入4℃冰箱保存，用來測定三大類群微生物數量；另一部分在室內風干，將風干土過1.00 mm篩，進行土壤養分含量和酶活性測定[15]。

1.3 測定與分析方法

土壤養分含量測定：有效磷采用碳酸氫鈉浸提法，速效鉀采用火焰光度法，銨態氮采用靛酚藍比色法，硝態氮采用雙波長紫外分光光度法[16]。

土壤酶活性測定：脲酶活性采用靛酚藍比色法測定[17]，其活性以24 h后每克風干土壤中NH3-N的毫克數來表示；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[15]，其活性以24 h后1 g土壤中釋出的酚的毫克數表示；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[17]，其活性以培養24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數表示；纖維素酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法[15]，其活性以培養24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數表示；土壤過氧化氫酶采用容量法測定[18]，用于滴定土壤濾液所消耗的KMnO4量(毫克數)為B，用于滴定25 mL原始的過氧化氫混合液所消耗的KMnO4量(毫克數)為A，(A-B)×T即為過氧化氫酶活性。

土壤三大類群微生物數量測定：采用平板涂布計數，細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，接種稀釋度為10-4～10-6，30 ℃培養1 d；真菌采用馬丁-孟加拉紅培養基，接種稀釋度為10-1～10-3，25℃培養3 d后；放線菌采用改良高氏Ⅰ號培養基，接種稀釋度為10-3～10-5，28℃培養4 d。細菌和放線菌選取菌落數為20～200的培養皿進行計數，而真菌選菌落數為10～100。平板菌落計數：每1 g干土的菌落數=同一稀釋度幾次重復的菌落平均數×10×稀釋倍數/(1-鮮土含水量)。

1.4 數據分析

采用唐啟義等[19]的實用統計分析及其DPS數據處理系統軟件，用Duncan氏新復極差法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 青稞根腐病田間發病率調查

甘南州臨潭縣10個青稞主產區均有根腐病發生(表1)，表明該地區青稞根腐病發生普遍。田間發病率5%～20%，不同的地區發病率不同。西部海拔較高、氣溫較低、物候期晚的T1、T2和T3三個地區發病率最低為5%，而東部海拔相對較低、氣溫較高、物候期早的T9和T10兩個地區發病率最高達到20%。結合調查區的地理位置和氣候狀況，青稞根腐病呈現西部低，東部高的特點，表明該病的發生與不同地域的海拔和氣候等環境因素有關。

表1 青稞根腐病田間發病率Table 1 Incidence rate of naked barley root rot disease in field

2.2 不同青稞根腐病發生區根際土壤養分含量分析

同一青稞種植區，健株和病株根際土壤養分含量差異不大，但不同青稞種植區間土壤養分含量有差異(表2)。健株與病株根際土壤有效磷含量36.8～114.4 mg·kg-1，T1和T2兩個地區土壤有效磷含量差異不顯著，其他各地區差異顯著；土壤速效鉀含量208.8～278.2 mg·kg-1，T1、T2和T3三個地區土壤速效鉀含量差異不顯著，其他各地區差異顯著；土壤銨態氮含量12.0～16.3 mg·kg-1，除T10外，其他9個地區土壤銨態氮含量差異不顯著；土壤硝態氮含量39.0～62.7 mg·kg-1，T1、T4和T6，T5和T9，T7和T8不同地區間土壤硝態氮含量差異不顯著，其他各地區差異顯著。

2.3 不同青稞根腐病發生區土壤酶活性的變化

土壤脲酶是與土壤氮素代謝相關的酶，健株和病株根際土壤脲酶活性不同，健株為0.76～0.82 mL·g-1·24 h-1，而病株達到0.76～0.80 mL·g-1·24 h-1。除T4地區健株和病株根際土壤脲酶活性差異不顯著外，其他各地區差異顯著(圖1a)。土壤堿性磷酸酶是與土壤磷素代謝相關的酶，健株和病株根際土壤堿性磷酸酶活性也不同，健株為0.73 ～1.85 mg·g-1·24 h-1，而病株達到0.73～1.75 mg·g-1·24 h-1。T6、T7、T8和T10四個地區病株根際土壤堿性磷酸酶活性高于健株，表明根腐病的發生會影響土壤磷素的代謝。T5、T6、T8和T10四個地區健株與病株根際土壤堿性磷酸酶活性差異不顯著，其他各地區差異顯著(圖1b)。與健株相比，病株根際土壤蔗糖酶活性普遍降低，健株為1.18～1.22 mg·g-1·24 h-1，而病株達到1.13～1.17 mg·g-1·24 h-1，表明根腐病對土壤蔗糖酶活性影響很大。除T1、T4和T5三個地區健株與病株根際土壤蔗糖酶活性差異不顯著外，其他各地區差異顯著(圖1c)。各地區病株的纖維素酶活性均高于健株，健株為7.49～13.16 mg·g-1·24 h-1，而病株高達7.63～13.31 mg·g-1·24 h-1，表明青稞根腐病的發生使其根際土壤纖維素酶的活性有所上升。T5、T8、T9和T10四個地區健株與病株根際土壤纖維素酶活性差異不顯著，其他各地區差異顯著(圖1d)。健株和病株根際土壤過氧化氫酶活性不同，健株為0.76～0.82 mL·g-1·24 h-1，而病株達到0.76～0.83 mL·g-1·24 h-1。除T2、T3和T5三個地區健株和病株根際土壤過氧化氫酶活性差異顯著外，其他各地區差異不顯著(圖1e)。從以上看出，不同地區健株和病株根際土壤酶活性不同，這與根腐病發生有直接的關系。

表2 土壤養分含量Table 2 Soil nutrient content

注：同列數據后不同小寫字母表示經Duncan氏新復極差法檢驗在P<0.05水平上差異顯著。下同

Note:Different lowercase letters within the same column show significant differences at the 0.05 level by Duncan new multiple range test. The same as below

2.4 不同青稞根腐病發生區土壤三大微生物數量

不同的青稞種植區，土壤微生物數量呈現細菌>放線菌>真菌，細菌和放線菌的數量因根腐病發生而減少，而真菌的數量增加(圖2)。健株根際細菌數量為1.9×106～2.2×106cfu·g-1，而病株達到1.6×106～2.0×106cfu·g-1，表明青稞根腐病的發生使其根際土壤細菌數量減少。T1、T5、T7、T8和T10五個地區健株與病株根際細菌數量差異顯著，其他各地區差異不顯著(圖2a)。青稞病株根際真菌的數量均高于健株，健株為3.1×103～4.6×103cfu·g-1，而病株高達3.2×103～5.0×103cfu·g-1，表明根腐病對青稞根際真菌的數量影響很大。同時，各地區健株與病株根際真菌的數量差異均顯著(圖2b)。土壤放線菌數量的變化規律與細菌的類似，病株青稞根際土壤放線菌數量少于健株，健株達到0.9×105～2.0×105cfu·g-1，而病株為0.8×105～1.8×105cfu·g-1。除T4和T6兩地區健株與病株根際放線菌數量差異不顯著外，其他各地區差異顯著(圖2c)。

圖1 土壤酶活性Fig.1 Soil enzyme activities注:同組數據后不同小寫字母表示經Duncan氏新復極差法檢驗在P<0.05水平上差異顯著。下同Note:Different lowercase letters within the same group show significant differences at the 0.05 levels by Duncan new multiple range test. The same as below

圖2 土壤微生物數量Fig.2 Soil microbial biomass注：同組數據后不同小寫字母表示經Duncan氏新復極差法檢驗在P<0.05水平上差異顯著。下同Note:Different lowercase letters within the same group show significant differences at the 0.05 levels by Duncan new multiple range test. The same as below

2.5 土壤養分含量、酶活性、微生物數量與發病的相互關系

2.5.1土壤養分含量與發病的相關性分析 有效磷、速效鉀、銨態氮和硝態氮與青稞發病差異不顯著，表明青稞根際土壤養分對根腐病的影響較小。有效磷和速效鉀與發病率呈正相關，而銨態氮和硝態氮呈負相關(表3)。

表3 土壤養分含量與發病的相關性Table 3 Correlation analysis between soil nutrient content and disease

注 **表示在P<0.01極顯著相關。下同

Note:** indicates highly significant correlation at the 0.01 level by Duncan new multiple range test. The same as below

2.5.2土壤酶活性、土壤微生物數量與青稞根腐病的相關性分析 從表4看出，土壤細菌的數量與纖維素酶呈負相關，而與過氧化氫酶、堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶呈正相關；土壤真菌的數量與纖維素酶呈負相關，而與過氧化氫酶、堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶呈正相關，其中與堿性磷酸酶呈極顯著的正相關(P<0.01)；土壤放線菌的數量與過氧化氫酶呈負相關，而與堿性磷酸酶、脲酶、纖維素酶和蔗糖酶呈正相關，其中與脲酶呈顯著的正相關(P<0.05)。青稞根腐病的發生與土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶呈負相關，其中與堿性磷酸酶呈極顯著的負相關(P<0.01)，而與纖維素酶呈正相關，表明根腐病的發生與土壤磷素代謝有密切的關系。青稞根腐病的發生與土壤細菌和放線菌呈負相關，而與真菌呈顯著的正相關(P<0.05)，表明根腐病的發生與土壤真菌有關，真菌是引起根腐病的主要病原菌。

表4 土壤酶活性、微生物量與青稞根腐病的相關性Table 4 Correlation analysis among soil enzyme activities,microbial biomass and naked barley root rot disease

注:*表示經Duncan新復極差法檢驗在P<0.05顯著相關，**表示在P<0.01極顯著相關

Note:* indicates significant correlation at the 0.05 level by Duncan new multiple range test;** indicates highly significant correlation at the 0.01 level by Duncan new multiple range test,respectively

3 討論

根腐病是一種土傳病害，病原菌生活史的大部分階段都在土壤中，當條件適宜時，病原物會侵染植物的根部導致根腐病發生[20]。本試驗得出，青稞根腐病呈現西部發病率低，而東部高的特點，進一步表明病害的發生不僅與植被、土壤類型有關，還與地理位置和氣候狀況等因素有密切的關系。

土壤酶是土壤的有機成分之一，在土壤養分循環以及植物生長所需養分的供給過程中起重要的作用，其活性是反應土壤環境質量的靈敏指標[13]。通過測定植株根際土壤酶活性的變化來預測或檢測根腐病等土傳病害的發生。廖梓良等[21]對設施栽培香石竹根際土壤酶活與土傳病害的相關性研究表明，酶活性在健康與發病植株之間存在顯著差異，脫氫酶和磷酸酶的影響因子最大，可作為土傳病害預測預報的指征。本試驗得出，青稞根際土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶的活性因根腐病的發生而降低，青稞根腐病的發生與土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶呈負相關，其中與堿性磷酸酶呈極顯著的負相關，這些結論與國內一些學者的研究結果一致[21-26]，進一步表明這四種酶對植物土傳病害的發生具有普遍性，不同植物上表現出相同的規律。本試驗還發現，纖維素酶活性與前面四種酶的變化趨勢相反[22,24]，因根腐病的發生而升高，呈正相關，這個結論與一些學者的研究結果不同，這可能與試驗區不同作物對土壤酶活性的影響不同有關。

甄文超等[27]發現，草莓根際病害發生后，真菌數量增加，而細菌和放線菌數量減少。Benizri等[28]對桃樹根部病害的研究也發現，發病根際土壤中拮抗細菌的種類和數量減少，而病原真菌的種類和數量增加。Arancon等[29]研究表明，土壤微生物的數量和活性與植物發病率之間有密切的關系。本試驗得出，青稞健株和病株根際土壤微生物數量呈現細菌>放線菌>真菌，這與國內一些學者的研究結果一致[26]，同時，細菌和放線菌的數量因根腐病發生而減少，而真菌的數量增加，表明根腐病的發生與土壤真菌有關，真菌是引起根腐病的主要病原菌，它的發生大多由鐮孢菌等絲狀真菌引起，具體原因還需進一步驗證。植物根際土壤病原菌會產生酶，病原菌數量的變化會導致土壤酶活性的變化[30]。本試驗得出，土壤細菌和真菌的數量與纖維素酶呈負相關，而與過氧化氫酶、堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶呈正相關；土壤放線菌的數量與過氧化氫酶呈負相關，而與堿性磷酸酶、脲酶、纖維素酶和蔗糖酶呈正相關。

土壤是生態系統的基礎環境，土壤的穩定性是支持生態系統結構功能穩定性和生態系統恢復的重要因素。土壤系統是一個統一的整體，其內部的養分含量、酶活性和微生物數量等因子之間相互影響、相互作用來維持整個土壤生態系統。一些研究表明，連作作物的發病與其根際微生物群落結構失衡有關[31]，尤其與根際有益微生物和有害微生物的比例失衡有直接的關系[32]。植物根部病害的發生和土壤微生物群落結構的失衡過程密切相關，這一過程涉及環境、土壤、植物及其根際微生物等多個因子之間復雜的相互作用，根際土壤微生物在這一系統中發揮著關鍵作用，這也證實了微生物群落結構的穩定對預防土壤病害的重要性。綜合所述，在研究植物根腐病害時，應考慮從植物根際土壤微生態系統的角度來闡明病害的發生機制，并采取相應的調控措施進行防治。

4 結論

甘南州臨潭縣青稞根際土壤養分含量對根腐病的影響較小，土壤酶活性和微生物數量對其影響較大。土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶的活性因根腐病的發生而降低，纖維素酶的活性則升高。細菌和放線菌的數量因根腐病發生而減少，真菌的數量則增加。