问荆根茎水浸液对大豆根际土壤性质、微生物及酶活性的化感效应

王慧一1，岳中辉1，隋海霞1，焦浩1，刘宝林2

（1哈尔滨师范大学生命科学与技术学院/黑龙江省普通高等学校植物生物学重点实验室，哈尔滨150025；2中储粮北方农业开发有限公司，黑龙江嫩江161400）

摘要：为评价问荆对大豆生长后根际土壤微生态环境的化感效应，研究了不同浓度问荆水浸液处理下大豆根际土壤性质、微生物数量及酶活性的变化。结果表明，不同浓度问荆水浸液处理下，土壤碱解氮、速效磷、有机质含量随问荆水浸液浓度增加而减少，其中品种BD土壤碱解氮含量由60.30 mg/kg 降至55.16 mg/kg，品种DK3土壤速效磷含量由18.84 mg/kg 降至15.64 mg/kg，品种DK1土壤有机质含量由67.26 g/kg 降至56.23 g/kg；土壤细菌、真菌、放线菌数量随问荆水浸液浓度增加而减少，其中品种BD土壤细菌数量由69.91×104 cfu/g 降至11.19×104 cfu/g，品种DK1 土壤真菌数量由43.53×104 cfu/g 降至16.79×104 cfu/g，同时土壤放线菌数量由67.50×104 cfu/g 降至13.08×104 cfu/g；土壤过氧化氢酶活性随问荆水浸液浓度增加而升高，其中品种BJ 土壤过氧化氢酶活性由1.02 mL/g 上升至1.26 mL/g，脲酶活性随问荆水浸液浓度增加而降低，其中品种DK1土壤脲酶活性由0.67 mg/100 g 降至0.39 mg/100 g，磷酸酶、转化酶活性未发生变化。说明问荆产生的化感物质使土壤养分下降，而土壤酶对外来物质有缓冲作用。

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关键词：问荆水浸液；化感作用；土壤

中图分类号：S174.2 文献标志码：A 论文编号：cjas15010020

基金项目：黑龙江省高校科技创新团队研究计划“哈尔滨师范大学科技创新团队研究计划”(KJTD-2011-2)。哈尔滨师范大学国家级预研项目“土壤酶活指标对农田黑土质量的指示作用”(12XYG-10)。

第一作者简介：王慧一，女，1989 年出生，黑龙江大庆人，硕士，研究方向为土壤生态学。通信地址：150025 哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，Tel：0451-88060576，E-mail：whyhjs@126.com。

通讯作者：岳中辉，女，1971 年出生，黑龙江讷河人，副教授，博士，研究方向为土壤生态学。通信地址：150025 哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，Tel：0451-88060576，E-mail：yuezhonghui@163.com。

收稿日期：2015-01-13，修回日期：2015-03-15。

0 引言

植物与土壤之间的生物化学相互作用是土壤生态学领域研究中的重要科学问题之一。在农业生态系统中，农田杂草是影响农作物生长的重要因素，在长期与作物的协同进化过程中，杂草不仅与作物竞争养分、水分、光照、生存空间等环境条件，某些种类还会通过调节自身代谢过程合成特定的次生化学物质（化感物质）并通过淋溶、挥发、根际释放以及植物残株的腐解等形式进入环境中从而对作物生长产生有利或有害的影响（化感作用）[1]。

多年生杂草根际释放以及植物残株的腐解释放的化感物质是以土壤为媒介移动到作物的根部从而影响作物的生长及生理生化过程的[2]。化感物质在土壤中还会经历不同类型的迁移和生物降解过程，直接或间接地影响土壤理化性质、土壤微生物活性、土壤酶活性等，如用香草酸处理辣椒幼苗后，根际土壤有机质、有效磷和速效钾含量随香草酸浓度增加而降低[3]；黄顶菊生长后，使土壤全磷和全钾含量降低，全氮、铵态氮、硝态氮、速效钾含量增加[4]；用火炬树叶浸提液处理土壤后，土壤全碳、全钾、速效氮、有效磷、速效钾含量随浸提液浓度增加而增加[5]。用三列叶豚草挥发油饱和液处理小麦和玉米后，土壤细菌数量明显减少[6]；加拿大一枝黄花生长后的土壤质量与裸地相比，土壤反硝化细菌、嫌气性纤维素分解菌和反硫化细菌数量降低，亚硝酸细菌、好气性自生固氮菌、硫化细菌、氨化细菌和好气性纤维素分解菌数量增加[7]。用花椒叶浸提液浇灌盆栽花椒幼苗后，根际土壤蛋白酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性降低，过氧化氢酶和多酚氧化酶活性升高[8]；稗草与水稻共生后，水稻根际土壤脱氢酶、转化酶活性降低[9]。这些研究都表明，不同化感物质进入土壤后，对土壤性质、微生物数量及酶活性都有不同的影响，这是由于不同杂草分泌化感物质的多少及种类不同。

问荆(Equisetum arvense L.)属木贼科问荆属，是豆田常见的多年生杂草[10]，通过多年生地下根茎和地上春枝孢子进行繁殖，其根茎常年深埋于地下[11]。有研究表明，问荆根茎会产生酚酸、糖苷、生物碱类、茚满酮等化感物质[12]，这些物质通过本身腐解或直接释放到土壤中会对作物生长产生不利影响，前期的研究已经发现，问荆水浸液处理抑制了小麦根系的生长，使小麦的吸收能力受阻，导致小麦株高降低[13]；问荆水浸液处理后，大豆幼苗光合能力下降、渗透性调节物质的合成受到抑制、保护酶活性下降，从而使大豆幼苗生长受到抑制[14]。问荆化感物质释放到土壤影响作物生长的同时，必然会对土壤的性质产生一定影响，因此在前期研究的基础上，利用盆栽试验进一步研究问荆水浸液对土壤理化性质、微生物数量及酶活性的影响，探讨问荆与大豆共生时对土壤的化感效应，以期为评价问荆对大豆生长的根际土壤微生态环境的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 问荆水浸液的制备试验供体材料问荆根茎采自黑龙江省中储粮北方公司科技园区内，该区地理位置为北纬49°55′，东经125°25′，采集时间为2012 年3 月。

将采集到的问荆根茎用蒸馏水冲洗后阴干剪碎，准确称取50 g 定容到500 mL。在25℃下浸提24 h，用双层无菌纱布过滤后稀释成0.01 g/mL(T1)、0.02 g/mL(T2)、0.04 g/mL(T3)、0.07 g/mL(T4)浓度的问荆浸提液，pH 分别为6.2、6.2、5.8 及5.8，以蒸馏水作为对照(T0)。

1.1.2 土壤样品处理选取5 个大豆品种，分别为‘北交8032’(BJ)、‘北豆42’(BD)、‘登科3 号’(DK3)、‘登科1号’(DK1)和‘黑河43’(HH)，分别栽种在温室1 m×1 m的样池内，样池内土壤厚度60 cm，各栽种大豆种子10颗，室内温度25℃，光照强度200 μmol/(m2· s)，光照时间14 h。每个品种从苗期到花期每隔10 天分别用5 种浓度问荆水浸液进行浇灌，各浇灌5 次，每种处理进行3 次重复。大豆收获后，取表层0~20 cm 土壤，充分混合，剔除杂质，使用十字形分割法去除多余土壤，取新鲜土样进行微生物数量测定，其余土样风干后过筛，进行土壤养分及酶活性测定。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 土壤性质、微生物数量及酶活性测定碱解氮含量测定采用应用扩散法，速效磷含量测定采用Olsen法，有机质含量测定采用重铬酸钾容量法[15]。微生物数量测定采用平板涂布法[16]。过氧化氢酶活性的测定用高锰酸钾滴定法，磷酸酶活性的测定用苯磷酸二钠法，脲酶活性的测定用奈氏比色法，转化酶活性的测定用3,5-二硝基水杨酸比色法[17]。

1.2.2 化感效应指数化感效应指数RI=1-C/T(T≥C)或T/C-1(T<C)（C为对照值，T 为处理值）。RI>0 为促进，RI<0为抑制。

1.3 数据分析

用SAS 9.2 统计分析软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 问荆水浸液处理后土壤理化性质的变化

2.1.1 问荆水浸液处理后土壤pH 的变化问荆水浸液处理后，品种BJ、HH的土壤pH 与对照相比都未达到差异显著水平（表1）。品种BD、DK3、DK1 在低浓度T1、T2处理下土壤pH与对照相比无显著差异，在高浓度T3、T4 处理下土壤pH 与对照相比显著下降(P<0.05)，化感效应指数都为负值，说明问荆水浸液对土壤pH有化感作用。问荆水浸液对不同品种大豆土壤pH的化感效应指数不同，表现为DK3>DK1>BD。

2.1.2 问荆水浸液处理后土壤碱解氮含量的变化问荆水浸液处理后，品种BJ 和DK1 土壤碱解氮含量在各浓度处理后与对照相比均显著下降(P<0.05)，化感效应指数都为负值，但不同浓度处理间碱解氮含量差异不显著（表2）；品种BD、HH 土壤碱解氮含量在T1、T2、T3 浓度处理下与对照相比无显著差异，T4 浓度处理下与对照相比显著下降(P<0.05)，化感效应指数为负值；品种DK3 土壤碱解氮含量在T1 浓度处理下与对照相比差异不显著，当浓度达到T2 以上时，碱解氮含量与对照相比显著下降(P<0.05)，说明问荆对土壤碱解氮含量有化感作用。问荆水浸液对不同品种大豆土壤碱解氮含量的化感效应指数不同，表现为DK1>BJ>DK3>HH>BD。

2.1.3 问荆水浸液处理后土壤速效磷含量的变化问荆水浸液处理后，品种BD土壤速效磷含量在各浓度处理后与对照相比无显著差异（表3）。品种BJ、DK3土壤速效磷含量在低浓度T1、T2处理下与对照相比差异不显著，在高浓度T3、T4 处理下与对照相比显著下降(P<0.05)，化感效应指数都为负值；品种DK1和HH土壤速效磷含量在各浓度处理下与对照相比均显著下降(P<0.05)，化感效应指数都为负值，说明问荆对大豆土壤速效磷含量有化感作用。问荆水浸液对不同品种大豆土壤速效磷含量的化感效应指数不同，表现为HH>DK3>DK1>BJ。

2.1.4 问荆水浸液处理后土壤有机质含量的变化问荆水浸液处理后，品种BJ 土壤有机质含量在T4 处理下与对照相比显著下降(P<0.05)，化感效应指数为负值（表4）；品种BD、DK3 土壤有机质含量在低浓度T1、T2 处理下与对照相比差异不显著，在高浓度T3、T4 处理下与对照相比显著下降(P<0.05)，化感效应指数为负值；品种DK1 土壤有机质含量在浓度达到T2 以上时，有机质含量与对照相比显著下降(P<0.05)，化感效应指数为负值；品种HH的土壤有机质含量在各浓度处理下与对照相比均达到差异显著水平(P<0.05)，化感效应指数为负值，说明问荆对土壤有机质含量有化感作用。问荆水浸液对不同品种大豆土壤有机质含量的化感效应指数不同，表现为DK1>HH>BD>DK3>BJ。2.2 问荆水浸液处理后大豆土壤微生物数量的变化2.2.1 问荆水浸液处理后大豆土壤细菌数量的变化问荆水浸液处理后，品种DK3土壤细菌数量在各浓度处理后与对照相比显著下降(P<0.05)，化感效应指数为负值（表5），但各浓度处理间差异不显著；品种BJ、BD、DK1和HH在各浓度处理后与对照相比显著下降(P<0.05)，化感效应指数都为负值，说明问荆对土壤细菌数量有化感作用，但品种BJ、DK1 和HH 在低浓度T1、T2处理间土壤细菌数量差异不显著，品种BD在高浓度T3、T4处理间土壤细菌数量差异不显著。问荆水浸液对不同品种大豆土壤细菌数量的化感效应指数不同（表5），表现为BD>BJ>DK1>DK3>HH。

2.2.2 问荆水浸液处理后大豆土壤真菌数量的变化问荆水浸液处理后，品种BJ、BD和DK3土壤真菌数量在低浓度T1、T2 处理下与对照相比差异不显著，高浓度T3、T4处理下与对照相比均显著下降(P<0.05)，化感效应指数为负值（表6）；品种DK1 和HH土壤真菌数量在各浓度处理下与对照相比均达到差异显著水平(P<0.05)，化感效应都为负值，说明问荆对土壤真菌数量有化感作用。问荆水浸液对不同品种大豆土壤真菌数量的化感效应指数不同，表现为HH>DK1>DK3>BD>BJ。

2.2.3 问荆水浸液处理后大豆土壤放线菌数量的变化问荆水浸液处理后，各品种的土壤放线菌数量在各浓度处理后与对照相比均达到差异显著水平(P<0.05)，化感效应都为负值，说明问荆对土壤放线菌数量有化感作用。其中品种BJ 土壤放线菌数量在各浓度处理间差异不显著，品种BD、DK3 和HH土壤放线菌数量在低浓度T1、T2 处理时差异不显著，品种DK1土壤放线菌数量在各浓度处理间均达到差异显著水平(P<0.05)。问荆水浸液对不同品种大豆土壤放线菌数量的化感效应指数不同（表7），表现为BJ>DK1>HH>DK3>BD。

2.3 问荆水浸液处理后大豆土壤酶活性的变化

2.3.1 问荆水浸液处理后大豆土壤过氧化氢酶活性变化问荆水浸液处理后，品种DK1 的土壤过氧化氢酶活性在各浓度处理下与对照相比未达到差异显著水平（表8），说明品种DK1的土壤过氧化氢酶活性对问荆水浸液化感作用不敏感；品种BD、HH的土壤过氧化氢酶活性在T4浓度处理下与对照相比差异显著，化感效应指数为正值(P<0.05)；品种DK3 的土壤过氧化氢酶活性在浓度达到T2以上时，土壤过氧化氢酶活性与对照相比差异显著(P<0.05)，化感效应指数为正值；品种BJ 的土壤过氧化氢酶活性在各浓度处理下与对照相比差异显著(P<0.05)，化感效应指数都为正值；说明除品种DK1外，问荆对大豆土壤过氧化氢酶活性有化感作用。问荆水浸液对不同品种大豆土壤过氧化氢酶活性的化感效应指数不同（表8），表现为BJ>DK3>HH>BD。

2.3.2 问荆水浸液处理后大豆土壤磷酸酶活性变化问荆水浸液处理后，各品种大豆的土壤磷酸酶活性与对照相比未达到显著差异水平（表9）。说明各品种大豆土壤磷酸酶活性对问荆水浸液化感作用不敏感。

2.3.3 问荆水浸液处理后大豆土壤脲酶活性变化问荆水浸液处理后，品种BD、DK3 和HH的土壤脲酶活性在各浓度处理下与对照相比均未达到差异显著水平（表10），说明品种BD、DK3和HH的土壤脲酶活性对问荆水浸液化感作用不敏感；品种BJ 和DK1 的土壤脲酶活性在低浓度T1、T2处理下与对照相比差异不显著，高浓度T3、T4 处理下与对照相比显著下降(P<0.05)，化感效应指数为负值，说明问荆水浸液对品种BJ和DK1的土壤脲酶活性有化感作用，但问荆水浸液对不同品种土壤脲酶活性的化感效应指数不同（表10），表现为DK1>BJ。

2.3.4 问荆水浸液处理后大豆土壤转化酶活性变化问荆水浸液处理后，品种BJ 的土壤转化酶活性在T1 浓度处理下与对照相比差异不显著（表11），当浓度达到T2时，土壤转化酶活性与对照相比显著降低(P<0.05)，化感效应指数为负值，说明问荆水浸液对品种BJ 的土壤转化酶活性有化感作用；品种BD、DK3、DK1和HH的土壤转化酶活性在各浓度处理下与对照相比均未达到差异显著水平，说明其土壤转化酶活性对问荆水浸液化感效应不敏感。

3 结论与讨论

杂草与作物之间的竞争关系一直是植物学家关注的重点问题，其中，化感作用是杂草与作物竞争的重要机理。已有研究表明，杂草释放的化感物质以土壤为载体影响作物根部进而影响作物生长，同时化感物质在土壤中也会经历迁移和转化过程。问荆根状茎生长于地下，入土可深达2 m，繁殖能力极强，并可多年不死[18]，问荆根茎会释放大量化感物质进入土壤，问荆生长后的土壤微生态环境变化与问荆根茎释放的化感物质存在一定的关联性。本研究中土壤pH下降，土壤养分含量降低，微生物数量减少，与李春龙[3]和王朋[6]对土壤养分和微生物数量的研究结果相符。说明问荆根茎分泌的化感物质可能通过影响土壤酸碱平衡，减慢碳氮转化速度，影响土壤养分循环，降低土壤肥力，进而影响作物对养分的吸收。这可能与问荆的次生代谢产物酚酸有关。已有研究表明，酚酸类化感物质会影响生态系统中营养元素的循环[19-20]。土壤过氧化氢酶活性升高，脲酶活性降低，磷酸酶和转化酶活性未发生变化，与吕可[8]对花椒浸提液处理后的土壤酶活性研究结果略有不同，这可能与化感物质种类不同有关，也可能与问荆体内化感物质的种类和含量间可能存在协同或拮抗效应有关。本研究中土壤速效养分含量和微生物数量规律性下降，土壤酶活性变化并不明显，说明土壤速效养分和微生物对问荆化感物质较为敏感，而土壤酶对外来化感物质有缓冲作用。

目前已有许多豆田问荆的危害与防治[21]、问荆的形态及药理特性的相关研究[22-23]，但关于不同大豆品种对问荆抗性的研究还未见报道。本研究探究问荆对不同品种大豆的化感作用，评价问荆对大豆生长的根际土壤微生态环境的化感效应，可为进一步开展对问荆具有抗性的大豆品种研究提供依据，对大豆的育种工作也同样具有积极的意义。但问荆的化感作用源于其自身的化感物质，而这些物质是否都对大豆的生长产生一定的影响，它们以何种方式释放到环境中以及其作用的机理等问题还需进一步研究。