不同農業改良措施對老參地土壤酶活性及微生物群落的影響

劉瑩 孫文松 李玲 李旭 王新雅 劉兵

摘要：連作障礙是限制人參產業高質量發展的關鍵因素。通過不同改良措施對老參地土壤養分、土壤酶活性及土壤微生物種類豐富度的影響研究，解析不同農業措施對連作人參地的改良作用機制。本研究以輪作水稻、殺菌劑+高溫悶地、高溫悶地、淹水等為處理，以老參地不處理土壤為對照，測定了土壤基礎理化指標、酶活及土壤微生物，并分析了其間的相關性。結果表明，與對照相比，不同處理均對土壤養分、土壤酶活性和微生物多樣性產生不同程度影響，綜合多指標分析結果表明，輪作水稻改良效果突出，提高了老參地土壤過氧化酶活性、中性磷酸酶活性、脲酶活性，增加了土壤真菌多樣性，降低了多酚氧化酶活性。相關性分析結果表明，土壤多酚氧化酶與速效氮呈顯著正相關，微生物多樣性真菌ACE指數、Chao1指數、香農指數均與脲酶活性呈正相關，其中ACE指數、Chao1指數呈顯著水平，而香農指數呈極顯著水平，細菌Chao1指數與多酚氧化酶活性呈顯著正相關。老參地輪作水稻，這項改良措施通過提升多種土壤酶活性及微生物豐富度能夠起到改良土壤的作用，為老參地土壤改良提供有效措施和理論基礎。

關鍵詞：人參；連作障礙；土壤養分；改良措施；土壤酶活；土壤微生物

中圖分類號：S567.5⁺10.6；S154.3? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）06-0235-07

收稿日期：2023-04-06

基金項目：遼寧省應用基礎研究計劃（編號：2022JH2/101300284）；遼寧省農業科學院協同創新“揭榜掛帥”專項（編號：2022XTCX0503）；國家現代農業產業技術體系建設專項；遼寧省科技廳鄉村振興聯合計劃（編號：2021JH2/10200044）；遼寧省科技廳創新平臺建設項目（編號：2021JH13/10200007）。

作者簡介：劉瑩（1986—），女，遼寧燈塔人，博士，副研究員，主要從事中藥材育種與栽培研究。E-mail：357237261@qq.com。

通信作者：孫文松，碩士，研究員，從事中藥材資源收集與利用、中藥材新品種選育及綠色生態栽培技術研究。E-mail：sunwensong12@126.com。

人參（Panax ginseng）是多年生草本植物，連年種植人參的土地俗稱老參地，人參忌地性極強，一般認為老參地需要經過33年以上的休耕還林才能再種參，老參地如未經改良處理直接栽參極易導致病蟲害多、出苗率低、須根褐變腐爛等問題^[1]。目前除野山參及林下撫育栽參外，生產上都是采用伐林栽參模式，然而由于伐林栽參易破壞大量的森林資源，造成嚴重的水土流失，生態環境失衡等問題，因此伐林栽參并不能長久之計。同時，隨著我國退耕還林、平原綠化、天然林保護三大工程的實施，已明令禁止開墾林地栽參，致使人參主產區遼寧、吉林、黑龍江等東北三省適宜栽參的土地嚴重不足，因此，老參地土壤改良是目前人參產業發展中迫切需要解決的首要問題之一。此前，國內外學者研究認為人參連作制約因素主要有：（1）土壤理化性質劣變；（2）土壤微生物群落變化，人參根際土壤中細菌和放線菌數量連年減少，真菌數量連年增多，有益菌數量減少；（3）根際周圍自毒物質不斷積累聚集土壤微生態環境發生劣變，影響植株正常代謝，最終產生連作障礙^[2-11]。本研究通過各種調控措施輪作、淹水、高溫悶地等方式對老參地進行改良，著重研究不同改良措施對老參地土壤養分、酶活性及微生物群落結構影響，以期為老參地改良提供理論基礎和技術支撐，進而促進東北參業可持續健康發展。

1? 材料與方法

1.1? 供試材料

試驗在撫順新賓縣長沙村連續（2014—2018年）種植人參的老參地進行，前茬為玉米，土壤為黃壤土。

1.2? 試驗設計

2019年開展老參地土壤處理，試驗共設置7個處理，處理1：輪作水稻（5月移栽水稻，按常規管理）；處理2：殺菌劑+高溫悶地，5月末6月初施用多菌靈殺菌劑（蘇農生物科技有限公司，用量為 1 500 g/hm²）后旋耕深翻35 cm，澆透水后覆蓋黑地膜，9月撤掉地膜，再次旋耕并裸曬1周，以備人參播種（移栽）；處理3：高溫悶地，5月末6月初旋耕深翻35 cm，澆透水后覆蓋黑地膜，9月撤掉地膜，再次旋耕并裸曬1周，以備人參播種（移栽）；處理4：對照，老參地不做任何處理；處理5：淹水3個月；處理6：淹水2個月；處理7：淹水1個月。隨機區組設計，重復3次，每個小區面積20 m²。

1.3? 測定項目和方法

2019年9月10日分別采集試驗地各試驗小區土壤樣品，采用5點采樣法采集耕層（0～30 cm）土樣50 g，去除雜質后進行混勻，用5 mL取樣管盛裝3 mL土壤樣品并置于干冰中運輸至實驗室，將樣品保存于-80 ℃冰箱用于測定微生物多樣性；同樣采用5點采樣法采集耕層（0～30 cm）土樣500 g，自然風干后研磨，過60目篩用于土壤理化性質及土壤酶活測定。

1.3.1? 土壤化學性質測定

土壤酸堿度（pH值）通過pH計（梅特勒Seven2Go）測定，土壤有機質含量采用K₂Cr₂O₇容量法測定，土壤有效氮含量利用堿解擴散法測定，土壤有效磷含量的測定采用NaHCO₃-鉬銻抗分光光度法，土壤速效鉀含量的測定利用乙酸銨（CH₃COONH₄）浸提法。

1.3.2? 土壤酶活性測定

土壤酶活試劑盒購于北京索萊寶公司，各種酶活性的測定根據試劑盒說明書進行，其中參照脲酶活性檢測試劑盒（BC0120，北京索萊寶科技有限公司）說明書測定脲酶活性；參照過氧化氫酶活性檢測試劑盒（BC0100，北京索萊寶科技有限公司）說明書測定土壤過氧化氫酶活性；參照土壤中性磷酸酶活性檢測試劑盒（BC0465，北京索萊寶科技有限公司）說明書測定中性磷酸酶活性；參照土壤多酚氧化酶活性檢測試劑盒（BC0115，北京索萊寶科技有限公司）說明書測定土壤多酚氧化酶活性。

1.3.3? 土壤微生物的測定

土壤微生物多樣性測定委托北京百邁客生物科技有限公司，提取土壤總DNA后，利用末端帶有測序接頭的特異性引物進行PCR擴增、純化、定量及均一化構建小片段文庫，再用Illumina NovaSeq 6000進行測序，通過Reads進行拼接、聚類及去噪，進行豐度分析。

1.4? 數據分析與處理

土壤微生物數據系統分析使用北京百邁客生物科技有限公司。用SPSS 17.0進行單因素方差分析及多重比較，使用Excel 2013進行數據處理及制圖。

2? 結果與分析

2.1? 不同改良措施對老參地土壤養分及土壤酶活的影響

2.1.1 土壤養分

從表1可以看出，經不同改良措施處理后土壤理化性狀發生改變。與對照相比，輪作水稻、殺菌劑+高溫悶地處理土壤pH值提高至7.58、7.63，高溫悶地處理土壤pH值顯著降低，為7.02；淹水處理1個月顯著降低土壤pH值，隨著淹水時間延長，pH值顯著上升，淹水3個月處理土壤pH值為8.43，顯著高于對照。與對照相比，除殺菌劑+高溫悶地和輪作水稻處理外，各處理均提高了土壤有機質含量；除殺菌劑+高溫悶地處理外，各處理均降低了有效磷含量。與對照相比，輪作水稻、殺菌劑+高溫悶地處理顯著降低了土壤速效氮含量，高溫悶地處理顯著提高了速效氮含量，比對照高17.75%；淹水1個月、淹水2個月處理速效氮含量與對照相比顯著降低4.40%、2.27%，但淹水處理3個月處理速效氮含量比對照顯著提高4.45%。各處理土壤速效鉀含量均降低，排序為對照＞淹水3個月＞淹水1個月＞高溫悶地＞淹水2個月＞殺菌劑+高溫悶地＞輪作水稻處理。

2.1.2? 土壤酶活性

不同土壤樣品的酶活性見圖1，輪作水稻土壤過氧化氫酶活性最高，顯著高于其他處理，高于對照37.70%，殺菌劑+高溫悶地、高溫悶地處理分別高于對照12.11%、0.67%。另外，過氧化氫酶活性隨著淹水時間的延長而降低，淹水1個月和淹水2個月分別比對照增大10.92%和5.92%。而淹水3個月比對照降低了9.66%。不同改良技術對土壤過氧化氫酶影響大小排序為輪作水稻＞殺菌劑+高溫悶地＞淹水1個月＞淹水2個月＞高溫悶地＞對照＞淹水3個月處理。

不同土壤改良措施對土壤中性磷酸酶活性影響較大。輪作水稻土壤中性磷酸酶活性仍然最高，顯著高于對照15.70%，殺菌劑+高溫悶地、高溫悶地處理分別高于對照1.55%和5.88%。另外，中性磷酸酶活性隨著淹水時間的延長同樣也降低，淹水1個月和淹水2個月處理分別比對照增大7.27%和0.39%。而淹水3個月比對照降低了0.62%。不同改良技術對土壤中性磷酸酶活性影響大小排序為輪作水稻＞淹水1個月＞高溫悶地＞殺菌劑+高溫悶地＞對照＞淹水2個月＞淹水3個月處理。輪作水稻、淹水1個月、高溫悶地中性磷酸酶活性增加，與對照差異顯著；殺菌劑+高溫悶地和高溫悶地之間，以及與對照、淹水2個月和淹水3個月處理間差異不顯著。

不同土壤改良措施對土壤脲酶活性影響差異顯著。輪作水稻土壤脲酶活性最高，顯著高于對照3.03%；淹水3個月最低，比對照減小了9.76%。其他4個處理（殺菌劑+高溫悶地、淹水1個月、高溫悶地和淹水2個月）脲酶活性均低于對照，分別減少了1.92%、4.73%、5.28%和8.14%。

同樣，不同土壤改良措施對土壤多酚氧化酶活性影響差異顯著。輪作水稻處理土壤多酚氧化酶活性最低，顯著低于對照22%；除殺菌劑+高溫悶地處理，高溫悶地和淹水1個月、淹水2個月、淹水3個月處理多酚氧化酶活性均低于對照，分別降低了8.79%、8.30%、13.93%、12.40%。

2.1.3? 土壤養分與土壤酶活相關性分析

相關性分析結果（表2）表明，土壤多酚氧化酶活性與速效氮含量有顯著的正相關（P<0.05）；土壤過氧化氫酶、脲酶、中性磷酸酶活性與有機質含量等養分均無顯著相關性。

2.2? 不同改良措施對土壤微生物多樣性及群落結構的影響

2.2.1? 土壤微生物多樣性土壤微生物豐富度和多樣性的評價結果（表3）表明，在真菌群落中輪作水稻種的數量顯著高于其他處理，其次是對照、 高溫悶地、殺菌劑+高溫悶地，這3個處理顯著高于淹水3個月、淹水1個月和淹水2個月。香農指數和Chao1指數輪作水稻高于其他處理，與處理2、處理3、處理4差異不顯著，而顯著高于處理5、處理6、處理7。然而在細菌群落中種的數量、香農指數及Chao1指數各處理間差異不顯著。

2.2.2? 土壤微生物群落結構

不同處理土壤的真菌群落在門水平的豐度排序（前10名）結果（圖2）表明，在土壤真菌群落中注釋到3個主要的門，球囊菌門（Mortierellomycota）在淹水3個月、淹水2個月、淹水1個月中均是最豐富的門，相對豐度在46.1%～47.4%之間；子囊菌門（Ascomycota）是高溫悶地及對照樣品中最豐富的門，相對豐度分別為33.5%和36.4%；而在輪作水稻和殺菌劑+高溫悶地樣品中其他真菌門相對豐度最大，分別為31.1%和29.5%，其次是子囊菌門（Ascomycota），分別為29.8%和28.6%；擔子菌門（Basidiomycota）為第3個被注釋到的主要門類，各處理相對豐度在 2.9%～ 19.5%之間。

不同處理土壤的細菌群落在門水平的豐度排序（前10名）結果（圖3）表明，其中變形菌門（Proteobacteria）豐度大小順序為淹水1個月＞ 對照＞高溫悶地＞淹水2個月＞殺菌劑+高溫悶地＞淹水3個月＞輪作水稻處理；酸桿菌門（Acidobacteriota）相對豐度大小排序為水稻輪作＞對照＞殺菌劑+高溫悶地＞高溫悶地＞淹水3個月＞淹水2個月＞淹水1個月處理；擬桿菌門（Bacteroidetes）各處理均高于對照。

2.3? 土壤酶活性與土壤微生物豐富度的相關性分析

2.3.1? 土壤酶活性與土壤微生物多樣性相關性分析

由表4可知，脲酶活性與真菌ACE指數、Chao1指數呈顯著正相關，與香農指數呈極顯著正相關；多酚氧化酶與細菌Chao1指數呈顯著正相關。而過氧化氫酶和中性磷酸酶活性與真菌、細菌多樣性也具有一定相關性，但均未達到顯著水平。

2.3.2? 土壤酶活性與微生物組成的相關性分析

土壤酶活性與微生物優勢門類的相關性結果（表5）表明，脲酶活性與真菌的被孢霉門（Mortierellomycota）、細菌的厚壁菌門（Firmicutes）呈負相關，其中與被孢霉門呈顯著水平，與厚壁菌門呈極顯著水平，而脲酶與細菌的酸桿菌門（Acidobacteria）呈極顯著正相關。過氧化氫酶與細菌的厚壁菌門呈顯著負相關。中性磷酸酶和多酚氧化酶與真菌、細菌優勢門類具有一定相關性，但均未達到顯著水平。

3? 討論與結論

土壤養分含量是衡量土壤肥力的重要指標。吳艾軒等通過分析總結出適合栽種人參土壤的養分條件為含有機質16～30 g/kg、有效氮10～150 mg/kg、速效磷20～50 mg/kg、速效鉀200～300 mg/kg^[12]。多項研究證實，多年連續種植土壤養分失衡，且土壤理化性質發生改變，土壤微生物群落多樣性降低^[13]。本研究結果發現，不同改良方式對老參地土壤酸堿度無明顯作用，處理間差異不大；然而，不同改良措施改變了土壤養分，與老參地（對照）相比，輪作、悶地及淹水處理絕大部分降低了土壤養分含量，這一結果同王克磊等關于番茄與水稻輪作的結果^[14]相同，分析原因為各處理均為澆透水或淹水處理，可有效調節土壤EC值，影響氮磷鉀養分的積累量和元素有效性，改善土壤養分狀況的效果。進一步分析發現，與對照相比，通過輪作水稻、殺菌劑+高溫悶地、淹水1個月處理，可降低土壤有機質和速效氮含量，在一定程度上緩解了土壤鹽漬化及養分失衡，改良后土壤中有機質和速效氮含量介于人參生長的適宜范圍；然而輪作水稻、殺菌劑高溫悶地改良后的土壤速效磷、速效鉀含量仍未達到適宜人參生長的標準，仍需進一步優化改進，以創造出適宜人參生長的土壤環境^[2]。

土壤酶在土壤中發揮著至關重要的作用，它的活性大小決定了能量轉化的強度，進而影響著土壤質量及植物的生長情況，是判斷土壤生化過程強度和評價土壤肥力的重要依據^[15-16]。張澤錦等的研究表明，與旱地連作相比，水旱輪作提高了土壤中3種酶活性，分別為蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性^[17]。周勃等研究發現，以棉花連作地為對照，通過輪作水田處理土壤脲酶活性大幅降低，而土壤磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性有效增加，土壤質量得到大幅度改善^[18]。劉永亮等研究認為，水旱輪作、淹水處理均提高了土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性^[19]。本試驗選取過氧化氫酶、脲酶、中性磷酸酶和多酚氧化酶4種重要土壤酶，用于評價土壤修復效果。通過研究得到了相似的結果，與對照相比，除淹水3個月外，其他改良方法均增強了土壤中過氧化氫酶活性，其中輪作水稻處理的過氧化氫酶活性最高，該酶與H₂O₂清除系統密切相關，能有效防止過氧化氫對連作植物的毒害，是土壤微生物代謝的重要酶類，是評價土壤微生境優劣的重要標志；同樣，水稻輪作、殺菌劑高溫悶地、高溫悶地、淹水1個月提高了土壤中性磷酸酶活性，以水稻輪作處理下活性最高，土壤磷酸酶與土壤有機磷分解與轉化及生物有效性密切相關，是催化土壤有機磷礦化的酶類，是評估土壤磷素生物轉化與強弱的關鍵指標；同時與對照相比，輪作水稻提高了土壤脲酶活性，土壤脲酶能將有機物分解成氨和二氧化碳，其活性在一定程度上反映了土壤的供氮能力^[20-21]。土壤多酚氧化酶能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，醌與土壤中蛋白質、氨基酸、糖類、礦物等物質反應生成有機質和色素，完成土壤芳香族化合物循環，是土壤修復的重要參考指標，然而，除殺菌劑高溫悶地外，其余處理土壤多酚氧化酶均低于對照，分析原因可能是土壤多酚氧化酶同其他土壤酶有著共同的底物，在分解底物過程中存在拮抗競爭，抑制了多酚氧化酶活性^[21]。盡管如此，由于影響土壤酶活性的因子較多，在不同研究中所得結論也不盡相同，需要進一步全面綜合考慮土壤pH值、有機質、速效氮、有效磷、有效鉀含量等土壤理化性質對酶活性的影響。

在一定程度上，土壤理化特性和土壤微生境影響著微生物豐度和群落組成結構，致使微生物多樣性表現出非常大的不同。Breidenbach等發現蓄水水稻地和干旱玉米地的土壤微生物群落呈現顯著性差異，驗證了差異的地塊生境條件決定了土壤微生物群落結構和組成^[22]。本研究發現，與對照相比，輪作水稻提高了土壤真菌多樣性和豐度，降低了土壤細菌多樣性及豐度；而殺菌劑高溫悶地、高溫悶地及淹水處理對土壤微生物的影響則呈現相反的作用，分析原因可能為輪作水稻處理的土壤生境與其他處理存在差異所致，進一步分析認為可能是由于真菌和細菌對淹水種植水稻的響應不同，在作物水稻的影響下，土壤微生物結構發生改變，產生更適宜水稻生長的微生物結構組成。而不同改良措施下優勢菌門大致相似，其中真菌微生物為子囊菌門、球囊菌門、擔子菌門；細菌微生物為變形菌門、酸桿菌門等。進一步分析土壤微生物優勢門類與土壤酶活的相關性顯示，兩者間的相關性卻存在較大差異，表現在不同處理中不同酶活性可與不同門類菌存在極顯著、顯著或一般性的正向或反向相關，不一定是相同的趨勢。由于人參、根際土與微生物間的關系極其繁雜，既密不可分，又相互影響，不同改良措施對土壤微生物種類、數量和組成結構等多樣性的影響不盡相同，同時又受土壤理化性狀及酶活性的影響。

綜上所述，不同改良措施均對老參地土壤養分、土壤酶活、土壤微生物結構豐度產生不同程度的影響。與對照相比，水旱輪作降低了土壤中速效氮、速效磷、速效鉀及有機質含量，有效緩解了土壤鹽漬化；土壤中中性磷酸酶、過氧化氫酶、脲酶活性顯著提升。土壤微生物分析結果亦顯示，土壤真菌豐度顯著提高，細菌豐富降低，土壤微生物總體呈現豐度和多樣性提高。綜合以上研究結果，認為水旱輪作可減輕老參地常年集約化種植而產生的土壤惡化問題，改善人參連作障礙。同時，結合土地生產經濟效益，種植水稻是比較理想的改良模式，因此研究認為水旱輪作有望在平整老參地上得到應用，通過改善土壤基礎結構、提升酶活性和豐富土壤微生物多樣性來發揮積極有效的緩解連作障礙作用，為土壤改良及土地高效利用奠定理論基礎。

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