赵卫松，郭庆港，李社增，鹿秀云，勾建军，马平
土壤添加西兰花残体对棉花根际土壤酶活性的影响及其与碳代谢特征的关系
赵卫松1，郭庆港1，李社增1，鹿秀云1，勾建军2，马平
1河北省农林科学院植物保护研究所/河北省农业有害生物综合防治工程技术研究中心/农业农村部华北北部作物有害生物综合治理重点实验室，河北保定 071000；
2河北省植保植检总站，石家庄 050031
【目的】研究土壤添加西兰花残体（broccoli residues，BR）对棉花根际土壤酶活性的影响及其与根际土壤微生物碳源利用能力之间的关系，为揭示土壤添加西兰花残体对棉花防病、促生的生态机制提供理论依据。【方法】设置棉田土壤添加西兰花残体和未添加西兰花残体（CK）两个处理，以不同处理的棉花根际土壤为研究对象，测定土壤过氧化物酶、中性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、几丁质酶、脲酶、-葡萄糖苷酶和N-乙酰--D-葡萄糖苷酶活性；
利用Biolog-ECO平板研究不同处理的Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Pielou指数、McIntosh指数及丰富度指数，揭示微生物群落结构的功能多样性；
采用主成分分析比较不同处理的根际土壤微生物代谢活性特征，冗余分析土壤酶活性与不同类型碳源利用能力之间的相关性。【结果】与空白对照相比，BR处理的棉花株高、果枝数和结铃数显著增加，增幅分别为12.73%、16.95%和10.36%；
棉花黄萎病病情指数显著降低，达64.19%。BR处理显著提高了棉花根际土壤pH、硝态氮和有机质含量。BR处理对根际土壤微生物功能多样性指数不存在显著影响，但改变了根际土壤微生物的代谢活性。同时，BR处理显著提高了不同营养元素循环相关酶活性，其中在碳循环方面，过氧化物酶和-葡萄糖苷酶的活性分别为对照的2.70和1.95倍；
在氮循环方面，脲酶、几丁质酶和N-乙酰--D-葡萄糖苷酶的活性分别为对照的1.42、1.59和1.52倍；
在磷循环方面，中性磷酸酶的活性为对照的1.33倍；
在硫循环方面，芳基硫酸酯酶的活性为对照的1.22倍。冗余分析表明，BR处理的土壤酶活性与L-苯基丙氨酸、L-苏氨酸、肝糖、2-羟基苯甲酸、衣康酸和D-苹果酸的利用能力均存在正相关性。【结论】土壤添加西兰花残体显著提高了营养元素循环相关酶的活性，改变了棉花根际土壤微生物的碳代谢活性，并提高了根际土壤pH、硝态氮和有机质含量。同时，土壤酶活性与微生物碳代谢特征存在不同程度的相关性。
西兰花残体；
棉花；
营养循环；
土壤酶；
根际微生物；
Biolog-ECO；
碳代谢特征
【研究意义】棉花（spp.）是世界上重要的天然纤维作物和战略物资，我国是重要的棉花生产国和原棉消费国。因此，保证其高产、稳产对于国计民生和经济社会稳定至关重要。棉花黄萎病是棉花生产中最为严重的病害，是导致棉花减产和纤维品质下降的原因之一，已成为限制我国棉花产业可持续发展的重要瓶颈[1-2]。本团队前期研究发现，土壤添加西兰花残体（broccoli residues，BR）不仅能够有效降低大丽轮枝菌（）数量并延缓病原菌的侵染过程[3-4]，而且能够改善土壤微生物群落组成结构和功能，最终有效减少棉花黄萎病的发生[5-6]。土壤微生物及土壤酶是根际生态系统的重要组成部分，它们共同参与土壤中重要的生物化学过程[7-8]。因此，研究添加西兰花残体对棉花根际土壤酶活性的影响及其与根际微生物代谢特征关系，对于揭示土壤添加西兰花残体对棉花防病、促生的生态机制具有重要科学意义。【前人研究进展】作物秸秆或残体还田不仅能够有效解决秸秆焚烧、乱放腐烂等环境问题，而且能够改善土壤理化性质，促进农田生态系统良性循环，显著提高作物产量[9-10]。土壤酶和土壤微生物是土壤中活跃的有机组分，是反映土壤生物学性质的两个重要指标[11]。土壤酶主要由植株凋落物、植物根系和微生物产生，对土壤物质循环和能量代谢起着重要的作用[12]。添加小麦、燕麦及其混合残茬能提高土壤酶活性，改善土壤微生物环境，促进黄瓜生长[13]。添加玉米秸秆可显著提高土壤有机碳含量，促进微生物数量增加和土壤酶活性增强[10]。秸秆还田时，可以增加土壤氮和碳的供应，从而增加脲酶和蔗糖酶活性[14]。西兰花（var.）在河北省种植面积占我国西兰花总种植面积的1/4，是河北省蔬菜行业重要的经济来源。然而西兰花种植、加工、销售过程中，产生大量的废弃物（茎叶产量可占整个植株的50%—70%），对环境和西兰花产业的健康发展产生不良影响。已有研究表明，土壤添加西兰花残体能够降低茄子、花椰菜、棉花和马铃薯黄萎病的发生，其防病机理主要是通过向环境中释放具有抑菌功能的次生代谢物质，改变土壤微生物多样性，降低土壤病原菌或微菌核数量，增加土壤中有益微生物菌群丰度[15-19]。【本研究切入点】在前期明确土壤添加西兰花残体能够有效降低棉花黄萎病的基础上，关于添加西兰花残体对棉花根际土壤酶活性及微生物代谢特征的影响尚缺乏系统的研究。【拟解决的关键问题】以添加西兰花残体处理的棉花根际土壤为研究对象，通过探究添加西兰花残体对营养元素循环相关土壤酶和根际微生物代谢特征的影响，明确两者之间的关系，为揭示土壤添加西兰花残体对棉花防病、促生的生态机制提供理论依据。
1.1 试验材料
供试西兰花品种‘炎秀’，购自北京凤鸣雅世种业有限公司；
供试棉花品种‘冀棉11’，由河北省农林科学院植物保护研究所提供。
1.2 试验设计与根际土壤样品的采集
2020—2021年在河北省邯郸市曲周县银絮棉花种植专业合作社，选择连作棉田开展试验。试验区域概况同文献[20]。试验设计参考赵卫松等[4]方法进行，具体如下：将供试西兰花种子在温室育苗，待长至2叶1心时，2020年8月初进行移栽，行距70 cm，株距35 cm，种植密度约为40 800株/hm2；
10月中旬收获西兰花可食用部分后，将剩余的新鲜植物组织经粉碎机粉碎、旋耕机深翻25—30 cm（土壤添加西兰花残体量约为57 000 kg·hm-2，折合成质量百分比约为2.5%），作为西兰花处理区；
未种植且未添加西兰花残体的相邻地块作为空白对照区。每个处理区面积为2 667 m2。次年的4月25日在不同处理区域播种棉花，行距75 cm，株距35 cm。在棉花生长期间，按照当地生产技术进行肥水和虫草害管理。采集土壤按照W形进行，在吐絮期采集不同处理根际土壤样品，每个处理选择3个取样点，每取样点选择5株棉花植株采集根际土壤混合而成。详细方法如下：用取样铲将棉株整个根系完整挖出，轻敲根系，弃去与根系结合较松的土壤，将与根系紧密结合的土壤用毛刷清理并收集，即为根际土壤[20]。土壤样品装入低温保温箱中带回实验室，过2 mm筛后分为2份，1份保存于4 ℃冰箱用于根土壤微生物代谢特征分析，1份于室温风干后用于土壤养分和土壤酶活性测定。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 土壤添加西兰花残体对棉花植株生长的影响 按照Zhao等[19]方法对棉花植株株高、地径、植株鲜重、植株干重、地下鲜重、地下干重进行测定，在结铃期对果枝数和结铃数进行调查，在霜降前人工收获霜前花进行测产，系统研究土壤添加西兰花残体对棉花植株生长的影响。
1.3.2 黄萎病发生调查 按照李社增等[21]分级标准在棉花吐絮期调查不同处理的黄萎病发病情况，调查标准如下，0级：棉株健康，无病叶，生长正常；
1级：棉株1/4以下叶片发病，变黄萎蔫；
2级：棉株1/4以上，1/2以下叶片发病，变黄萎蔫；
3级：棉株1/2以上，3/4以下叶片发病，变黄萎蔫；
4级：棉株3/4以上叶片发病，或叶片全部脱落，棉株枯死。按照如下公式计算病情指数（disease index，DI）。病情指数=∑[（相应病级×各级病株数）/（最高病级×总株数）]×100。
1.3.3 根际土壤微生物代谢特征分析 为了探究添加西兰花残体对根际土壤微生物代谢特征的影响，利用Biolog-ECO方法比较不同处理样品的土壤微生物对不同类型碳源的利用能力[22]。具体操作步骤：首先将过筛4 ℃保存的土壤样品25 ℃活化24 h，分别取3 g样品加入27 mL无菌NaCl溶液（0.85 mol·L-1）中，180 r/min振荡培养45 min，用无菌水稀释至1﹕1 000，将制备的接种液转移至储液槽中。然后，向ECO板孔中加入150 µL的接种液，对照孔加入相同体积的无菌水。将微孔板置于25 ℃的恒温培养箱，在培养的0、1、2、3、4、5、6和7 d使用ELxS08-Biolog微孔板读数仪（Bio-Tek Instruments Inc，USA）测定样品在590 nm（颜色+浊度）和750 nm（浊度）的吸收值。试验重复3次。采用培养7 d计算下列参数，对不同处理根际土壤微生物代谢特征进行分析，公式如下：
（1）平均颜色变化率（average well color development，AWCD），用来评价土壤微生物对碳源利用总能力。微生物代谢活性采用OD590-OD750表示，若数值＜0.06则按0处理。
式中，Ci表示每孔的OD590-OD750的值；
K为对照孔的光密度值；
n为碳源种类数（n=31）。
（2）Simpson（D）优势度指数用来评估土壤微生物群落的物种优势度。
式中，Pi表示每孔的相对吸光值/31孔相对吸光值之和。
（3）Shannon-wiener（H）多样性指数用来评估群落中物种的多样性。H=-∑（Pi×lnPi）。
（4）McIntosh（U）指数是基于群落物种多维空间上的Euclidian距离多样性指数。
式中，ni为第i孔的相对吸光值（Ci-R）。
（5）Pielou（J）为均匀度指数。J=H/lnS，式中，S为被利用的碳源总数。
（6）丰富度指数（R），R值表示可被利用的碳源总数目，本研究中为相对吸光值大于0.06的孔数。
（7）土壤微生物对碳源相对利用率，以土壤添加西兰花残体处理和空白处理中不同类型碳源的最大AWCD值为基准，各类碳源的AWCD与基准值之比。
1.3.4 土壤养分测定 按照文献[19]方法对不同处理的根际土壤pH、铵态氮（ammonium nitrogen，NH4+-N）、硝态氮（nitrate nitrogen，NO3--N）、无机磷（inorganic phosphorus，IP）和有机质（organic matter，OM）含量进行测定。采用酸度计测定土壤pH；
采用KCl浸提-靛酚蓝比色法测定硝态氮和铵态氮含量；
采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定无机磷含量；
以硫酸亚铁为标准溶液采用分光光度法测定土壤有机质含量。
1.3.5 棉花根际土壤酶活性测定 采用邻苯三酚比色法测定不同处理的土壤过氧化物酶（peroxidase，POD）活性[23]；
以磷酸苯二钠为底物测定不同处理的土壤中性磷酸酶（neutral phosphatase，NP）活性[23]；
以对-硝基苯硫酸钾为底物测定不同处理的土壤芳基硫酸酯酶（arylsulfatase，ASF）活性[24]；
采用N-乙酰-葡糖胺比色法，以几丁质为底物测定几丁质酶（chitinase）活性[23]；
采用靛酚蓝比色法，以尿素为底物测定土壤脲酶（urease，Urea）活性[23]；
采用对硝基酚比色法，以对-硝基苯--D-吡喃葡萄糖苷和-N-乙酰氨基葡萄糖苷为底物分别测定土壤-葡萄糖苷酶（-glucosidase，-GC）和N-乙酰--D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl--D-glucosaminidase，NAG）活性[24]。
1.4 数据分析
试验数据采用Microsoft Excel 2010进行整理，Origin 8.6进行作图，利用SPSS 17.0软件对多样本采用单因素方差分析、两样本采用独立样本检验进行统计分析。采用Canoco 4.5软件对根际土壤微生物的碳源代谢特征进行主成分分析（PCA），并利用CanoDraw软件进行作图。
2.1 土壤添加西兰花残体对棉花黄萎病发生及植株生物量的影响
在棉花吐絮期调查棉花黄萎病的发生情况，结果表明，添加西兰花残体处理的病情指数为11.04，显著低于空白对照的病情指数（30.83），下降幅度为64.19%。对棉花株高、果枝数、结铃数等9个农艺性状进行了调查，结果表明，与空白对照相比，土壤添加西兰花残体处理的植株株高、果枝数和结铃数均显著增加，提高幅度分别为12.73%、16.95%和10.36%；
而其他生长指标在处理间不存在显著差异。产量方面结果表明，土壤添加西兰花残体棉花籽棉产量为349.57 kg/667 m2，增产率为6.95%（表1）。
表1 土壤添加西兰花残体对棉花生物量的影响
同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05）
Different lowercase letters afterthedata in the same row indicate significant difference between treatments at＜0.05 level
2.2 添加西兰花残体对土壤养分的影响
与空白对照相比，除了无机磷含量不存在显著差异外，添加西兰花残体处理的土壤pH、硝态氮（NO3--N）和有机质（OM）含量显著上升，而铵态氮（NH4+-N）含量显著下降（表2）。表明添加西兰花残体改变了土壤养分情况，进而对棉花植株生长产生影响。
表2 添加西兰花残体处理对土壤养分的影响
同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05）。表3同
Different lowercase letters afterthedata in the same column indicate significant difference between treatments at＜0.05 level. The same as Table 3
2.3 添加西兰花残体对土壤酶活性的影响
土壤添加西兰花残体显著提高了不同元素（碳、氮、磷和硫）循环相关酶活性。在碳循环相关酶活性方面，添加西兰花残体均显著提高了过氧化物酶（POD）和-葡萄糖苷酶（-GC）活性，分别为对照的2.70和1.95倍；
在氮循环相关酶活性方面，添加西兰花残体显著提高了脲酶、几丁质酶和N-乙酰--D-葡萄糖苷酶（NAG）活性，分别为对照的1.42、1.59和1.52倍；
在磷循环相关酶活性方面，添加西兰花残体显著提高了中性磷酸酶的活性，为对照的1.33倍；
在硫循环相关酶活性方面，添加西兰花残体显著提高了芳基硫酸酯酶（ASF）的活性，为对照的1.22倍（图1）。
图1 添加西兰花残体对土壤酶活性的影响
2.4 添加西兰花残体对土壤微生物代谢活性的影响
土壤微生物代谢活性结果表明，培养1 d时代谢活性较低，之后AWCD呈指数上升，6 d后微生物代谢活性趋于稳定。不同样本培养2 d后，添加西兰花残体处理的土壤微生物代谢活性均显著高于空白对照（图2）。
2.5 添加西兰花残体对棉花根际土壤微生物功能多样性指数的影响
根际土壤微生物功能多样性分析结果表明，添加西兰花残体处理的土壤优势度指数、香浓指数、McIntosh指数、丰富度指数及均匀度指数与空白对照之间不存在显著性差异（表3）。
2.6 不同处理的根际土壤微生物对碳源物质利用的主成分分析
主成分分析结果表明，土壤添加西兰花残体与空白对照在主成分坐标中位于不同的象限，说明不同处理对碳源物质利用存在差异。进一步分析发现，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）分别可以解释所有变量的78.7%和15.1%，两个主成分方差累积贡献率达到93.8%，说明其能够表征对碳源利用特征（图3）。
表3 添加西兰花残体对棉花根际土壤微生物功能多样性指数的影响
图2 添加西兰花残体对棉花根际土壤微生物代谢活性的影响
2.7 土壤添加西兰花残体后碳源利用特征
添加西兰花残体和空白对照的棉花根际土壤微生物对氨基酸类、羧酸类和碳水化合物类物质均具有较高的相对利用率，对聚合物类、胺类和双亲类化合物的利用率较低（图4）。添加西兰花残体处理对羧酸类物质的利用能力最高，但与空白对照差异不显著；
对氨基酸类和碳水化合物类碳源的利用能力显著低于空白对照；
对其他类碳源的利用能力差异不显著。
2.8 土壤添加西兰花残体对主要类型碳源物质的利用能力
分析比较了添加西兰花残体处理后根际土壤微生物对氨基酸类、碳水化合物类和羧酸类碳源的利用情况（图5）。显著性差异分析表明，与空白对照相比，在氨基酸类碳源方面，添加西兰花残体显著降低了根际土壤微生物对D4（L-丝氨酸）和F4（甘氨酰-L-谷氨酸）碳源的利用能力，而对其他氨基酸类碳源（A4（L-精氨酸）、B4（L-天冬酰胺酸）、C4（L-苯基丙氨酸）、E4（L-苏氨酸））的利用能力处理间差异不显著；
在碳水化合物类碳源方面，添加西兰花残体显著降低了根际土壤微生物对A2（-甲基-D-葡萄糖苷）、C2（i-赤藻糖醇）和D2（D-甘露醇）碳源的利用能力，显著增加了对F1（肝糖）的利用能力，而对其他碳水化合物类碳源（G1（D-纤维二糖）、H1（-D-乳糖）和B2（D-木糖））的利用能力处理间差异不显著；
在羧酸类碳源方面，添加西兰花残体显著增加了根际土壤微生物对C3（2-羟基苯甲酸）、F3（衣康酸）和H3（D-苹果酸）碳源的利用能力，而对其他羧酸类碳源（A3（D-半乳糖内酯）、B3（D-半乳糖醛酸）、D3（4-羟基苯甲酸）、E3（-羟基丁酸）、G3（-丁酮酸）、B1（丙酮酸甲酯）和F2（D-葡萄胺酸））的利用能力处理间差异不显著。
图3 添加西兰花残体处理的根际土壤微生物的碳源利用主成分分析
图4 添加西兰花残体的根际土壤微生物对不同碳源的相对利用率
图5 不同处理的根际土壤微生物对主要碳源的利用比较
Fig. 5 Comparison of utilization for major carbon sources by rhizosphere soil microorganisms of different treatments
2.9 不同处理的土壤酶活性与碳源利用能力的相关性分析
进一步研究了添加西兰花残体处理的土壤酶活性与氨基酸类、碳水化合物类和羧酸类碳源利用能力的相关性。冗余分析结果表明，在氨基酸类方面，土壤酶活性与C4（L-苯基丙氨酸）和E4（L-苏氨酸）存在正相关性，而与D4（L-丝氨酸）和F4（甘氨酰-L-谷氨酸）存在负相关性（图6-A）；
在碳水化合物类方面，土壤酶活性与F1（肝糖）存在正相关性，与H1（-D-乳糖）不存在相关性，与其他化合物存在负相关性（图6-B）；
在羧酸类方面，土壤酶活性与C3（2-羟基苯甲酸）、F3（衣康酸）和H3（D-苹果酸）存在正相关性，与E3（-羟基丁酸）不存在相关性，与B3（D-半乳糖醛酸）和G3（-丁酮酸）存在负相关性（图6-C）。
A：氨基酸类amino acids；
B：碳水化合物类Carbohydrate；
C：羧酸类Carboxylic acids
3.1 土壤添加植物残体或秸秆对农作物生长及农艺性状的影响
作物残体或秸秆还田是传统农业生产过程中的重要组成部分，是秸秆综合利用的最主要措施之一。Paudel等[25]利用水葫芦植物残体能够改善豇豆的叶面积指数和生物量，表现增产作用；
邓云颖等[26]研究发现菜籽饼能够显著促进辣椒生长，并降低根结线虫的种群密度；
李增亮等[27]研究发现将一定量分蘖毛葱秸秆添加至番茄连作土壤中，可显著促进番茄生长，改善土壤环境，并对根结线虫有一定的防治效果；
张奎等[28]研究表明玉米秸秆还田能够提高小麦旗叶叶绿素含量和开花期旗叶净光合速率、气孔导度、蒸腾速率，并降低丙二醛积累量，延缓小麦旗叶衰老并延长籽粒灌浆期；
马超等[29]研究表明小麦秸秆全量还田后释放的低分子量有机酸、硫化物等可能会抑制水稻根系的生长，延缓水稻活棵立苗，抑制前期分蘖和延缓叶龄进程；
GONG等[30]研究发现土壤中加入2%大蒜秸秆不仅有效抑制根结线虫的发生，且促进番茄植株的生长，而过量施用大蒜秸秆降低了番茄植株的生长。十字花科芸薹属植物（油菜、芥菜和西兰花等）可作为绿肥改善后茬农作物生长状况。Zhao等[19]研究表明西兰花残体还田能够提高马铃薯生物量并增加产量，减少黄萎病的发生；
Wang等[31]研究表明马铃薯连作土壤中加入芥菜和甘蓝残体能够显著降低田间黄萎病病原菌数量和根结线虫数量，且促进植物生长；
李淑敏等[32]研究表明茄子连作土壤中添加芥菜残体不仅能够提高茄子产量，还可降低黄萎病发生；
柳瑞冰等[33]研究表明芥菜作为绿肥可以有效减少棉田土壤中大丽轮枝菌数量，并且减轻黄萎病的发生；
赵卫松等[4]温室试验研究表明，土壤中添加过量（质量比大于5%）的西兰花残体对棉花出苗具有明显的抑制作用，但随着腐解时间的延长，其出苗率与空白对照不存在显著差异。前期研究表明，土壤添加西兰花残体对夏播棉花黄萎病具有很好的防治效果[6]，然而其对春播棉花黄萎病及其植株农艺性状产生的影响尚不清楚。本研究结果表明，土壤添加西兰花残体能够显著减少春播棉花黄萎病的发生，影响棉花的生物量并改变其农艺性状，如显著提高棉花植株株高、增加果枝数量和结铃数量，具有良好的防病效果和一定的增产潜力。
3.2 土壤添加植物残体或秸秆对土壤酶活性的影响
土壤酶是土壤微生物活性及肥力的评价标准，在土壤物质和能量转变过程中起着重要的促进作用，其影响土壤营养元素的有效性水平，可以反映土壤生理生化反应的强弱[34]。已有大量研究证明，秸秆还田能够为土壤微生物提供可供利用的有机质，从而促进土壤微生物的繁殖，进一步提高土壤酶的分泌，秸秆还田对耕作层土壤温度的调节作用和对水分的保持作用保证了土壤酶在化学反应过程中的合理环境条件，从而使酶活性得到提高[35]。土壤添加玉米秸秆能够显著提高-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、脱氢酶和荧光素二乙酸酯水解酶活性，原因在于玉米秸秆为土壤微生物提供了丰富的能源原料，增强新陈代谢，进而提高土壤酶活性[10,35]；
过量施用大蒜秸秆降低了根际土壤脲酶和磷酸酶活性，抑制了番茄植株对氮素和磷素的吸收和利用，对番茄植株的生长表现出抑制作用[36]；
李文广等[37]研究发现饲料油菜还田能够提高麦田耕层土壤蔗糖酶活性；
李增亮等[27]研究认为，不同作物秸秆对土壤酶活性产生不同程度的影响，如万寿菊秸秆处理的土壤中性磷酸酶、脲酶和转化酶活性显著高于空白对照，而分蘖毛葱和大蒜秸秆处理的转化酶和中性磷酸酶活性低于空白对照；
小麦秸秆还田后土壤中脲酶、过氧化氢酶及碱性磷酸酶活性增强[38]。本研究结果表明，土壤添加西兰花残体显著提高了不同元素（碳、氮、磷和硫）循环相关酶活性，与前人研究结果较为一致。然而，前期研究已发现，添加过量的西兰花残体显著抑制棉花出苗[4]，其是否显著降低土壤酶活性有待于进一步研究。
3.3 土壤添加植物残体或秸秆对土壤养分的影响
土壤养分是物质循环和能量流动的主要驱动力，能够反映土壤肥力，进而直接或间接地影响土壤微生物群落组成、代谢和作物生长[39-40]。土壤养分与土壤酶关系密不可分，不仅作为土壤肥力状况的重要表现，也是土壤活力的重要体现[41]。芸薹属植物（如油菜）作为绿肥还田具有很好的土壤培肥优势，可以改善土壤理化性质，补充土壤养分[42-43]；
添加不同作物秸秆均可增加土壤有机质含量和pH，同时降低土壤电导率值，有利于改善土壤环境[27]；
李文广等[37]研究发现饲料油菜还田能够提高麦田耕层土壤有机质含量；
徐国伟等[38]研究认为小麦秸秆还田后能够增强土壤有机质含量，显著提升土壤全磷和可溶性钾含量，但pH、Na+、Mg2+及Ca2+含量降低，从而提高土壤肥力；
冬小麦-夏大豆轮作系统下小麦秸秆长期还田显著提高了土壤全磷含量，但秸秆还田对土壤速效磷的含量影响不明显[44]。秸秆还田对土壤磷有效性的影响方面，相关研究得出的结果存在差异，如油菜秸秆还田当季或短期内可明显提高土壤有效磷含量[45]，而水稻秸秆全量还田3年对土壤有效磷含量的提升效果不明显[46]。本研究结果表明，土壤添加西兰花残体提高了土壤pH、有机质、无机磷、硝态氮含量，降低了铵态氮含量，与常芳娟等[40]、Koron等[47]研究结果相似。因此，推测西兰花残体作为一种丰富的养分和有机质来源，不仅能够改变土壤养分，而且能够为土壤微生物的生长和繁殖提供碳源和能源。
3.4 土壤添加植物残体或秸秆对微生物碳代谢特征的影响
Biolog-Eco微平板能快捷、敏感地反映环境微生物群落特征的变化[48]。平均颜色变化率（AWCD）是反映土壤微生物碳源利用能力与其代谢活力强弱的重要指标，其值的高低与微生物群落代谢活性呈正相关，可从功能代谢方面表示微生物群落结构多样性[49-50]。已有研究表明，作物秸秆或残体还田能够改变土壤微生物群落功能多样性，且其与秸秆或残体类型、数量等存在显著相关性[51-53]。本研究结果表明，在培养2 d后添加西兰花残体处理的土壤微生物AWCD值均显著高于空白对照，表明添加西兰花残体增加了土壤微生物的代谢活性（图2）。作物残体或秸秆还田后导致碳源利用能力发生变化，能够直接影响微生物的种类和数量[54]。通过对不同类型碳源物质的整体相对利用率分析表明，土壤添加西兰花残体处理显著降低对氨基酸类和碳水化合物类碳源的利用能力，而对羧酸类、胺类、聚合物类和双亲类化合物碳源的利用能力差异不显著（图3）。进一步分析表明，添加西兰花残体显著增加了根际土壤微生物对肝糖、2-羟基苯甲酸（水杨酸）、衣康酸和D-苹果酸碳源的利用能力，而对L-丝氨酸、甘氨酰-L-谷氨酸、-甲基-D-葡萄糖苷、i-赤藻糖醇、D-甘露醇碳源的利用能力显著降低（图5）。邓云颖等[26]研究认为，作物残体（蓖麻杆和菜籽饼）与脂肪酸组合使用能够显著改善辣椒生长，并且显著降低根结线虫的种群密度。因此，基于添加西兰花残体对土壤微生物碳代谢特征的影响，将西兰花残体与肝糖、2-羟基苯甲酸（水杨酸）、衣康酸或D-苹果酸联合使用是否改变棉花农艺性状以及黄萎病的发生，有待于进一步研究。
通过Biolog-Eco技术方法培养的微生物不能完全反映土壤中所有微生物群落变化信息[55-56]。该方法表征的仅是环境中快速生长或富营养微生物的代谢活性，而不能代表环境中生长缓慢的微生物的代谢活性[57]。因此，今后将采用宏基因组高通量测序法，有助于全面认识添加西兰花残体对土壤微生物群落结构和功能的影响，为生产中改良土壤与生态功能提供更为可靠的依据。同时，通过代谢组学明确土壤添加西兰花残体如何对棉花根系分泌物产生影响也有待于进一步研究。
土壤添加西兰花残体能够改善棉花生长相关农艺性状并提高产量，提高根际土壤pH、硝态氮和有机质含量。同时，显著提高土壤酶活性，且土壤酶活性与L-苯基丙氨酸、L-苏氨酸、肝糖、2-羟基苯甲酸、衣康酸和D-苹果酸的利用能力呈正相关。因此，添加西兰花残体是一种提升棉田土壤酶活性和土壤肥力的较优措施。
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Effect of Broccoli Residues on Enzyme Activity of Cotton Rhizosphere Soil and Relationships Between Enzyme Activity and Carbon Metabolism Characteristics
ZHAO Weisong1, GUO Qinggang1, LI Shezeng1, LU Xiuyun1, GOU Jianjun2, MA Ping
1Plant Protection Institute, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences/IPM Centre of Hebei Province/Key Laboratory of IPM on Crops in Northern Region of North China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Baoding 071000, Hebei;2Hebei Plant Protection and Inspection Station, Shijiazhuang 050031
【Objective】The objective of this study is to research the effect of broccoli residues (BR) on enzyme activity of cotton rhizosphere soil and relationships between enzyme activity and carbon source utilization capacity, and to provide a theoretical basis for revealing the ecological mechanism of BR to preventwilt disease and promote the growth of cotton.【Method】In this study, soil treated with BR and soil treated without BR (CK) were set, and the activities of peroxidase, neutral phosphatase, arylsulfatase, chitinase, urease,-glucosidase and N-acetyl--D-glucosaminidase in the rhizosphere soil of different treatments were determined, respectively. Shannon-Wiener index, Simpson index, Pielou index, McIntosh index, and richness index of different treatments were studied by Biolog-ECO technology. Principal component analysis (PCA) was used to compare the characteristics of microbial metabolic activity in rhizosphere soil under different treatments, and redundancy analysis (RDA) was used to analyze the correlations between soil enzyme activity and the utilization capacity of different types of carbon sources.【Result】Compared with the CK, the plant height, branch and boll numbers treated with BR significantly increased by 12.73%, 16.95%, and 10.36%, respectively. The disease index of cottonwilt treated with BR decreased by 64.19%. BR treatment significantly increased pH, nitrate nitrogen (NO3--N) and organic matter (OM) contents in rhizosphere soil. Meanwhile, there was no significant difference in the functional diversity index of rhizosphere microorganisms between treatments. However, BR changed the metabolic activities of rhizosphere microorganisms. BR treatment significantly increased the activity of enzymes related to cycles of different nutrient elements. In the aspect of carbon cycle, the activity of peroxidase and-glucosidase was 2.70and 1.95 times that of the control, respectively. In the nitrogen cycle, the activity of urease, chitinase and N-acetyl-β-D-glucosidase was 1.42, 1.59 and 1.52 times that of the control, respectively. In the phosphorus cycle, the activity of neutral phosphatase was 1.33times that of the control. In the sulfur cycle, the activity of arylsulfatase was 1.22 times that of the control. RDA showed that soil enzyme activities under the treatment of BR were positively correlated with the utilization capacity of L-phenylalanine, L-threonine, glycogen, 2-hydroxybenzoic acid, itaconic acid, and D-malic acid, respectively.【Conclusion】BR changed the carbon metabolic activity of rhizosphere soil microorganisms, significantly increased the activity of soil nutrient cycling-related enzymes, pH, nitrate nitrogen, and organic matter contents in rhizosphere soil. Meanwhile, different degrees of correlations were found between soil enzyme activity and carbon metabolism characteristics.
broccoli residues; cotton; nutrient cycle; soil enzyme; rhizosphere microorganism; Biolog-ECO; carbon metabolism characteristics
2023-03-01；
2023-04-03
河北省重点研发计划（22326509D）、国家棉花产业技术体系（CARS-15-19）、河北省自然科学基金（C2022301036）
赵卫松，Tel：0312-5927076；
E-mail：zhaoweisong1985@163.com。通信作者马平，Tel：0312-5915678；
E-mail：pingma88@126.com
10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.005
（责任编辑 岳梅）
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