1. 引言
百合(Lilium)是百合科百合属多年生草本球根植物 [1]，种类广泛。美国、日本、荷兰等国对百合的培育做了较多研究，百合栽培要求疏松、透气、偏酸性的土壤 [2]。我国具有丰富的百合资源，兰州百合(Lilium davidii var. unicolor)是特有种质之一，其栽培历史可追溯到明代万历年间，以其优良的品质和美味闻名于世。兰州百合也是甘肃兰州南部重要的优势产业 [3]，它不仅可以食用，有“甜百合”之称，而且药用价值极高，润肺止咳，养胃，借此也被誉为“药中人参”。
兰州百合主要通过无性繁殖，即利用鳞茎分化获得的小磷茎种球所实现，并且其生长期长。随着兰州百合的种植规模越来越大，导致连作障碍频发，也伴随着一些问题的出现，如病害增多、土壤营养失衡所致的土质劣化、百合品质下降所致的产量降低等，从而引起兰州百合的生长和发育受到抑制。目前，众多学者对兰州百合的种植栽培、细胞学、组织培养、贮存保鲜、杂交育种、化学成分、保健食品开发等方面进行了研究 [4]。土壤酶活性是探究土壤质量和土壤肥力的重要生物指标之一 [5]，植物与根际土壤可以直接进行物质交换 [6]，而根际土壤酶在物质交换过程中起着非常重要的作用。因此，从根际和非根际土壤酶活性的角度探究兰州百合生长年限对土壤作用具有重要意义，本研究选用一年、两年和三年生长年限的兰州百合根际和非根际土壤作为研究对象，旨在为兰州百合的种植与栽培提供理论基础。
2. 材料与方法
2.1. 试验地概况
本试验地设在兰州市七里河区西果园镇百合种植基地(东经103˚45′~103˚75′，北纬35˚57′~35˚94′)，属于大陆性季风气候，气候冰冷，空气潮湿，年均平均降水量460 mm，年平均气温7.4℃，无霜期153 d。土壤类型是灰钙土和黄绵土，质地是轻壤和中壤。土壤有机质含量12.5 g∙kg−1，速效氮76 mg∙kg−1，有效磷19.4 mg∙kg−1，速效钾174 mg∙kg−1。
2.2. 土样的采集与制备
试验地分别选择2019~2021年百合生产田，即为一年、两年和三年生长年限的兰州百合田。供试土样采自兰州市西果园镇百合种植基地不同种植年限的百合生产田。本试验在土样的采集与制备过程中，布点采样依据“S”形的方法进行，保证采集过程不会出现偶然性，取样深度大致在10~20 cm，并且不会破坏周围生态。为确保试验样品的均一性，每采集5~15个样点，将其混合后作为一个土样，再使用四分法将其分至500 g左右。重复取生长年限为一年、两年以及三年的兰州百合生产田土样各3次。通过选取极其具有代表性的土样以致了解实际情况，为了减少人为因素和自然因素对土壤酶活性的影响，应保持百合在自然状态下进行采样，以减少采样误差。
非根际土(Y)：任意选取若干株百合，挖出其鳞茎，为避免非根际土被杂菌污染，将非根际土扫入提前灭完菌的自封袋中，再将选取样点的土样混匀，同时，取约100 g土样用冰袋保存，以保证土壤中的酶不失去活性。
根际土(J)：用刷子将鳞茎下主根上的根际土扫入提前灭完菌的自封袋中，保存方法与保存非根际土的方法相同。将土样带回实验室后，每个生长年限土样弃去砂石和植物残体混匀、晾干、过筛、保存至4℃冰箱，待测定土壤酶活性。
2.3. 土壤酶活性的测定
土壤蔗糖酶活性的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法，活性单位以1 g土样在37℃条件下，经24 h生成葡萄糖的毫克数来表示；土壤纤维素酶活性的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法，活性单位以1 g土样在37℃条件下，经72 h生成葡萄糖的毫克数来表示；脲酶活性的测定采用苯酚钠—次氯酸钠比色法，活性单位以1 g土样在37℃条件下，经过24 h反应后水解生成氨基氮的毫克数来表示 [7]。
2.4. 数据处理与统计分析
试验数据采用Microsoft Excel 2019软件进行原始数据处理及图表绘制，用SPSS 22.0统计软件进行方差分析，利用Duncan’s多重比较法进行差异显著性检测(P < 0.05)，各处理间平均值采用LSD法进行多重比较。
3. 结果与分析
3.1. 不同生长年限兰州百合根际与非根际土壤酶活性的变化
3.1.1. 蔗糖酶
土壤有机质代谢及土壤的氮磷含量能够极大程度影响到土壤蔗糖酶的活性，土壤蔗糖酶的活性反映了土壤生物活性和土壤肥力的大小，并且其酶促反应产物与微生物的数量和作物的生长是息息相关的 [8] [9]。
从图1可知，兰州百合种植田在不同生长年限土壤蔗糖酶活性强弱各有不同。不同生长年限根际与非根际土壤蔗糖酶的活性的变化趋势基本一致，根际蔗糖酶活性大于非根际蔗糖酶活性。随着生长年限的增加，土壤蔗糖酶的活性逐渐增高后降低，不同生长年限的兰州百合种植田中蔗糖酶有明显差异。二年生长年限的根际土壤蔗糖酶活性最高，比一年期根际土显著升高了29.5%，比三年期升高了66.4% (P < 0.05)。
注：同一列中不同字母表示差异显著(P < 0.05)。
Figure 1. Rhizosphere and non-rhizosphere sucrase activities of Lilium davidii var. unicolor in different growth years
图1. 兰州百合在不同生长年限根际与非根际蔗糖酶活性
3.1.2. 纤维素酶
在土壤微生物中可以追溯到土壤纤维素酶，其作用是催化碳水化合物的分解 [10]。因此土壤纤维素酶是土壤碳素代谢中的一种重要酶。
从图2可知，兰州百合种植田中，在生长年限逐渐增加的情况下，根际与非根际土纤维素酶活性变化趋势一致，根际土中纤维素酶的活性均比非根际土中纤维素酶的活性高，三年期根际纤维素酶较非根际纤维素酶活性显著高165% (P < 0.05)，非根际土的纤维素酶活性在三年期达到最大值0.047 mL∙g−1∙h−1。根际和非根际土纤维素酶的活性随着生长年限的增加呈升高趋势。三年生长年限的根际土壤纤维素酶活性最高，比一年期根际土显著升高了145%，比二年期显著升高了52.9% (P < 0.05)。
注：同一列中不同字母表示差异显著(P < 0.05)。
Figure 2. Rhizosphere and non-rhizosphere cellulase activities of Lilium davidii var. unicolor in different growth years
图2. 兰州百合在不同生长年限根际与非根际纤维素酶活性
3.1.3. 脲酶
土壤中的微生物可以产生土壤脲酶。从结构来看，土壤脲酶结构简单，是由简单蛋白质构成的；从作用来看，土壤脲酶可以作为生物催化剂使用，其性质高度专一，在土壤中能够催化尿素水解，属于一类好氧性水解酶 [11]。
从图3可知，相同生长年限兰州百合种植田中，虽然根际与非根际土壤脲酶的活性变化趋势相同，但是脲酶的活性差异却很大，在相同年限的条件下，根际脲酶活性高于非根际脲酶活性。通过试验得出的数据可知，在生长年限增加的过程中，脲酶的活性趋势为先增高后降低。从图3中还可以得知，二年生长年限的根际土壤脲酶活性最高，比一年期显著升高了46.7%，比三年期显著升高了269.3% (P < 0.05)。
注：同一列中不同字母表示差异显著(P < 0.05)。
Figure 3. Rhizosphere and non-rhizosphere urease activities of Lilium davidii var. unicolor in different growth years
图3. 兰州百合在不同生长年限根际与非根际脲酶活性
3.2. 不同生长年限兰州百合根际与非根际土壤酶的根际效应
酶的根际效应
植物对土壤酶活性的影响极大，其最主要的两个影响因素为根际土壤酶活性和非根际土壤酶活性，这种影响即土壤酶的根际效应 [12] (用R/S值表示)。
由表1可以看出：百合种植地土壤蔗糖酶活性R/S值在一年期最大，为1.29，其次为二年期，三年期的R/S值最小，为1.18。在不同生长年限百合种植田中，蔗糖酶的R/S值差异不显著。
百合种植地土壤纤维素酶活性R/S值在三年期最大，为2.37，其次为二年期，一年期R/S值最小，为1.82。在不同生长年限百合种植田中，纤维素酶的R/S值差异不显著。
百合种植地土壤脲酶活性R/S值在二年期最大，为4.37，其次为一年期，三年期R/S值最小，为3.35。一年期和三年期百合种植田中，脲酶的R/S值差异不显著；二年期百合种植田中，脲酶的R/S值差异显著。
对于蔗糖酶、纤维素酶和脲酶，R/S平均值分别为：1.24、2.05和3.73，均 > 1，表明不同生长年限兰州百合在根际对各酶的活性均为正效应。
Table 1. The R/S values of enzymatic activity in the lily ehizosphere soil in different growth years (R/S)
表 1. 不同生长年限兰州百合根际土壤酶活性的根际效应值(R/S)
注：*表示差异显著(P < 0.05)。数据为平均数 ± 标准差。
4. 讨论
土壤酶在土壤生态系统中是不可缺少的，它可以参与物质循环、有机质转化、能量流动、腐殖质和有机无机胶体的形成 [13]。在衡量土壤质量的指标中，土壤酶的活性是极其重要的参考依据，并且土壤物质循环和能量代谢的活跃程度，通常可用土壤酶活性指标来表示。妙佳源等人 [14] 发现，土壤碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性先增加后降低的走向是随着年限的增加而变化的。张亮 [12] 经试验发现，若以连作的方式种植观赏百合，那么其根际土壤中脲酶的活性升高，而过氧化氢酶的活性变化却与之相反，呈现出降低的走向。本研究表明，纤维素酶的活性随兰州百合生长年限的增加而逐渐升高，而蔗糖酶和脲酶的活性先升高后降低，均在二年期土壤酶活性达到峰值。若土壤酶的土壤环境发生改变，那么土壤酶会自发地维持稳定性，起初活性会降低，但是由于环境干扰会越来越强，最终土壤酶的生物适应性也逐渐增强，此时土壤酶的活性便会升高 [15]。而本试验中蔗糖酶和脲酶活性最终降低，可能会导致土壤肥力下降，从而会影响兰州百合部分营养元素的吸收，并且会削弱土壤中自毒物质的代谢。
目前，已有许多报道表明，植物根际土壤酶活性高于非根际土壤。李传涵等人 [16] 在对杉木根际土壤的研究中发现，脲酶、土壤磷酸化酶、过氧化氢酶、转化酶和过氧化物酶的活性高于非根际土壤，但多酚氧化酶的活性低于非根际土壤。周国英 [17] 对油茶林地的研究表明，根际土壤中过氧化氢酶、脲酶、蛋白酶和纤维素酶的活性高于非根际土壤。本研究中，在同一生长年限内，蔗糖酶、纤维素酶和脲酶的根际土壤酶活性均显著高于非根际土壤。造成根际土壤酶活性比非根际土壤酶活性高的原因可能是，靠近根际土壤处的微生物受到环境因素的刺激时，它们会不断向周围的介质分泌酶，使得根际酶活性和非根际酶活性产生较大的差异 [18]。
兰州百合对土壤蔗糖酶、纤维素酶和脲酶活性有较强的根际效应，平均R/S值 > 1。在生长过程中，各种植物根系为微生物创造了一个特殊的栖息地，根际微生物腐解植物残体的过程中释放酶进入土壤 [19]，也就是说，土壤酶范围也会直接受到植物根系的影响。一方面，这可能是因为一些被植物根系所分泌的不同种类的酶释放迁移至植物根际；另一方面，这可能是由于植物根际微生物数量的多少及其生理代谢活动程度间接地影响到根际土壤中蔗糖酶和纤维素酶的活性 [20]。土壤酶活性对于肥料、除草剂、杀虫剂等也具有一定的敏感性，土壤环境会进行自我修复和调节，在这个过程中，植物根际的环境会遭到破坏，从而导致土壤酶活性出现了紊乱 [21]。因此，土壤酶活性也被作为土壤污染的重要生物活性指标之一，在农业生态环境保护及土壤修复的过程中，土壤酶活性的升高也具有积极的影响 [19]。
5. 结论
兰州百合的生长年限会影响土壤根际和非根际的蔗糖酶、纤维素酶和脲酶活性。随着生长年限的增加，土壤蔗糖酶的活性逐渐增高后降低，纤维素酶的活性逐渐增高，脲酶的活性先增高后降低，土壤蔗糖酶和土壤脲酶活性在二年期达到峰值。
兰州百合根际土壤酶活性均高于非根际土壤酶活性，且土壤蔗糖酶、纤维素酶和脲酶有较强的根际效应，根际效应 > 1。
基金项目
2021年甘肃省大学生创新创业训练计划项目“兰州百合根际促生菌的研究与开发”(202110737002)。
NOTES
*通讯作者。