燕麥與豆科作物間作對土壤酶活和微生物量的影響

喬月靜，郭來春，葛軍勇，劉琪,楊珍平，高志強

(1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西 太谷 030801；2.白城市農(nóng)業(yè)科學院，吉林 白城 137000； 3.張家口市農(nóng)業(yè)科學院，河北 張家口 075032)

燕麥(AvenaL.) 屬禾本科燕麥屬一年生草本植物，是世界第七大栽培作物，我國燕麥種植面積約 60 萬 hm2，主要分布在東北、內(nèi)蒙、張北壩上及山西西北部地區(qū).近年來，人們對功能性農(nóng)產(chǎn)品的需求增加，燕麥蛋白質水平高，氨基酸含量均衡，含有高β-葡聚糖和豐富的膳食纖維，具有較高的保健功能，因此燕麥愈來愈受到重視，具有巨大的產(chǎn)業(yè)前景.燕麥的種植模式主要有燕麥單作和燕麥間作豆科作物，燕麥與豆科作物間作包括大豆/燕麥、綠豆/燕麥、花生/燕麥和箭筈豌豆/燕麥等.禾豆間作使得地上部以及地下部的時間、空間生態(tài)位互補[1]，從而提高資源利用效率[2]，禾本科作物還可以利用豆科作物固定的氮素，降低氮肥的施用，同時具有增產(chǎn)、增加土壤微生物量和農(nóng)田生物多樣性等作用[3-4]，提高產(chǎn)量[5].因此，禾豆間作兼具生態(tài)和集約的特征，是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術[6].

土壤酶是土壤中植物根系及其殘體、土壤動物及其遺骸和微生物分泌的活性物質，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分[7]，在其物質循環(huán)和能量流動中的作用十分關鍵[8].土壤酶活性能反映土壤微生物活性高低、養(yǎng)分轉化和運轉能力強弱以及土壤生化反應的強度，是評價土壤肥力、質量及健康狀況的重要指標之一[9].間作可以改變土壤微生物群落[10]，禾本科與豆科作物間作顯著改變了作物根際細菌、真菌、固氮微生物等群落結構[11-12].燕麥與豆科作物間作可提升燕麥光合性能以及產(chǎn)量形成[3]，提高燕麥土壤微生物群落多樣性[11]，增加豆類的固氮效率，有效改善根際的微生物環(huán)境[11]，而間作條件下，土壤酶活與微生物量的相互關系與變化情況，及其對間作產(chǎn)量優(yōu)勢的相對貢獻研究較少，本研究設燕麥/大豆，燕麥/豌豆間作和燕麥、大豆、豌豆單作處理，分析燕麥根際土壤4種酶的活性，及其與土壤微生物量的相關性，為進一步揭示間作的微生態(tài)機制,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境,構建可持續(xù)的間套作模式提供技術指導和理論支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于山西省晉中市榆次區(qū)東白試驗基地(N 37°37′，E 112°48′)，屬于典型的暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，年降水量418～483 mm，年平均氣溫9.8 ℃，無霜期158 d，年日照時數(shù)2 662 h.土壤是壤性土，pH為7.85，土壤有機質24.49 g/kg，總氮0.89 g/kg，有效氮50.36 mg/kg，有效磷24.55 mg/kg，有效鉀126.26 mg/kg.

1.2 試驗設計

試驗隨機區(qū)組設計，設5個處理，燕麥單作(TO)，大豆單作(TB)，豌豆單作(TP)，燕麥/大豆(TOB)，燕麥/豌豆間作(TOP)，每個處理3個重復，共15個小區(qū)，每個小區(qū)面積6 m ×10 m.單作燕麥播種行距30 cm,播量 150 kg/hm2；單作大豆行距為40 cm，株距為10 cm；單作豌豆行距為40 cm，株距為10 cm；間作體系中種植比例為 2∶2 即 2 行燕麥和 2 行豆科作物,間作燕麥、大豆、豌豆行距、播量同單作,燕麥豆科作物行間距為 25 cm.供試材料為燕麥(‘壩莜1號’)，大豆(‘晉豆53’)和豌豆(‘晉豌豆2號’).試驗于 2018年5月2日播種，9月25日收獲，全生育期無施肥，灌水1次，人工除雜2次.土壤采集于燕麥苗期(5月15日)、抽穗期(7月30日)和收獲期(9月25日)進行，每次每小區(qū)取5個點，采集0～20 cm耕層土壤，同時在非種植區(qū)域的裸地上取3點同樣深度的土壤作為對照，混合后用保鮮箱帶回實驗室，一部分新鮮土樣測定土壤微生物，剩余土樣自然風干后過篩，用于土壤酶活性的測定.

1.3 試驗方法

采用稀釋平板計數(shù)法統(tǒng)計微生物數(shù)量.細菌用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基[14]，以干土計.

土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定.酶活性以24 h后1 g干土中NH3-N的毫克數(shù)表示.土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，酶活性以24 h后1 g干土中釋出的酚的毫克數(shù)表示.土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，酶活性以1 g干土37 ℃培養(yǎng)24 h生成的葡萄糖毫克數(shù)表示.土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法，酶活性以20 min后1 g土壤中0.02 mol/L的KMnO4的毫升數(shù)表示[8].

籽粒產(chǎn)量：燕麥、大豆、豌豆成熟期,取每小區(qū)燕麥 2行 2 m樣段,風干后測籽粒產(chǎn)量.取每小區(qū)大豆、豌豆 2 行 2 m 樣段,測大豆籽粒產(chǎn)量和豌豆籽粒產(chǎn)量.

土地當量比(land equivalent ratio,LER)用于衡量間作優(yōu)勢.通過下式計算.

LER=Yoi/Yom+Yli/Ylm

式中，Yoi和Yli分別指在間作總面積上燕麥和豆科作物的籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；Yom和Ylm分別指單作燕麥和豆科作物的籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；當LER>1 時,表示有間作優(yōu)勢；當LER<1則無間作優(yōu)勢.

1.4 數(shù)據(jù)處理

間作對土壤酶的影響采用土壤酶相對活性指數(shù)(relative enzymes activity index，REAI)和土壤酶相對活性綜合指數(shù)(relative enzymes activity comprehensive index，REACI)表示[15]：

REAI=EAt/EAck,REACI=(REAIUre+REAICat+

REAIAlp+REAIGlu)/4

式中，REAI表示土壤酶相對活性指數(shù)；EAt表示不同種植方式下的土壤酶活性；EAck表示各處理對應生長季裸地對照土壤酶活性；REACI表示土壤酶相對活性綜合指數(shù)； Ure、Alp、Cat和Glu分別表示脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶.試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行方差分析( LSD 法) 及相關性分析，顯著性水平α=0.05.

2 結果與分析

2.1 間作模式對土壤酶活性的影響

如表1所示，5種種植模式及裸地土壤在燕麥苗期、抽穗期和成熟期3個生育時期的4種土壤酶活性變化情況.土壤脲酶是土壤酶中唯一催化尿素水解的酶，也是決定土壤中氮轉化的關鍵酶，其活性反映土壤有機態(tài)氮向有效態(tài)氮轉化和供應無機態(tài)氮的能力[16]，可以作為評價土壤肥力狀況的重要指標.不同種植方式下土壤脲酶活性均為抽穗期>成熟期>苗期，苗期無顯著差異，只有裸地CK土壤脲酶活性抽穗期顯著低于成熟期和苗期.抽穗期和成熟期不同處理間均差異顯著,呈現(xiàn)為TOP>TP>TOB>TB>TO>CK，脲酶活性在抽穗期TOP、TP、TOB、TB和TO分別比裸地對照提高325.71%，293.11%，190.11%，130.90%，98.60%，在成熟期TOP、TP、TOB、TB和TO分別比裸地對照提高151.37%，126.29%，99.54%，77.79%，46.75%.

過氧化氫酶是直接參與土壤中物質和能量轉化的一種重要的氧化還原酶，其活性能夠表征土壤腐殖化強度的大小和有機質積累的程度，與土壤中的能量變動和物質轉化直接相關，具有分解土壤中對植物有害物質過氧化氫的作用[17].TB和TOB的過氧化氫酶活性呈現(xiàn)為抽穗期>成熟期>苗期，TOP則是成熟期>抽穗期>苗期，其他處理的3個時期差異不顯著.在抽穗期，過氧化氫酶活性TOB>TB>TO>TOP>TP,分別比CK提高了8.18%，5.37%， 4.60%， 3.58%， 3.32%；成熟期TOP最高(比CK高5.06%)，與TOB差異不顯著，其次是TP、TO、TB差異不顯著，CK顯著低于各處理.

土壤磷酸酶來源于土壤微生物和植物根系，能夠水解催化有機磷化合物為無機磷，為植物提供可靠的磷素營養(yǎng).磷酸酶的催化作用可以將土壤中的難以被植物利用的磷轉化為植物可以利用的形式，以便植物生長發(fā)育[18].不同處理的3個時期均呈現(xiàn)苗期>抽穗期>成熟期，即隨生育期推進出現(xiàn)下降趨勢，且各種植方式比裸地土壤的堿性磷酸酶活性都有不同程度的下降，抽穗期CK>TB>TP>TO>TOB>TOP；成熟期CK>TO>TOB>TB>TP>TOP；TOP最低，在抽穗期和成熟期分別比CK降低24.72%和57.89%.

蔗糖酶將蔗糖分解為D-葡萄糖和D-果糖進入植物細胞，作為能源物質或滲透調(diào)節(jié)物質等.蔗糖酶也可快速的分解土壤中的蔗糖作為土壤中的微生物的能量來源，改善土壤的物理化學性狀和微生物狀態(tài)，為作物生長提供良好的土壤環(huán)境.不同處理的3個時期的蔗糖酶活性均無顯著差異，只有間作處理TOB和TOP的苗期略低于抽穗和成熟期.抽穗期TOP和TP顯著高于CK(12.48%和11.98%)，其他處理差異不顯著；成熟期TOB顯著高于TB和CK(6.37%和8.12%)，其他處理差異不顯著.

表1 燕麥生育期間不同種植方式下土壤酶活性

2.2 不同種植模式下土壤酶相對活性指數(shù)的變化

土壤酶相對活性指數(shù)(REAI)將4種土壤酶活性對種植方式的響應剔除了對照的影響，可以更直觀地反映出各種植方式對酶活性的影響強弱.由圖1可知，各種植方式對脲酶活性的影響強弱隨生育期的推進均呈先增后降的變化，抽穗期達到最高，之后開始下降，其中TOP始終保持較高的脲酶相對活性指數(shù)，且變化劇烈，抽穗期和成熟期比苗期分別提高69.40%和316.53%；燕麥單作(TO)始終最低，且波動不大，抽穗期和成熟期比苗期分別提高，35.38%和93.37%.過氧化氫酶相對活性指數(shù)則隨生育期的推進多數(shù)處理仍呈先增后降的變化，只有TOP呈上升趨勢，且間作方式TOP和TOB有較高的酶活性，TOP抽穗期和成熟期比苗期分別提高3.94%和5.39%，TOB分別提高9.22%和5.24%.堿性磷酸酶相對活性指數(shù)則隨生育期的推進則全部呈下降趨勢，TOP下降幅度最大，成熟期比苗期下降了59.24%.蔗糖酶相對活性指數(shù)也呈先增后降的變化，TOB則在成熟期略有上升，但不顯著.

土壤酶相對活性綜合指數(shù)(REACI)表征了不同種植方式對4種酶活性影響的整體效果.由圖2可以看出，隨生育期的推進，不同處理土壤酶的REACI均呈先增后降的變化，抽穗期REACI最高，苗期最低；各處理土壤酶的REACI大小順序為TOP>TP>TOB>TB>TO.

2.3 間作模式對土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和有機質分解利用等過程，是土壤微生態(tài)環(huán)境變化的敏感生物指示，也是土壤最活躍的肥力因子之一.土壤微生物組成和數(shù)量的變化與作物根系的生長發(fā)育、營養(yǎng)物質的吸收、病害控制等密切相關[19].由圖3-A可知，各處理土壤細菌數(shù)量都隨生育期的推進而顯著增加，即成熟期>抽穗期>苗期，其中TOP成熟期顯著最高，其次是TOB，單作方式中TO>TB>TP，抽穗期TOP、TOB、TO、TB和TP分別比CK增加了42.86%、35.71%、25.00%、14.28%和7.14%，成熟期分別增加了50.11%、40.01%、26.37%、16.67%和10.00%.圖3-B顯示各處理土壤真菌數(shù)量也大致呈現(xiàn)成熟期>抽穗期>苗期的趨勢，只有TP在成熟期出現(xiàn)下降，TO和TOP前期差異不顯著，CK始終無顯著差異，抽穗期TB和TP顯著高于其他處理，成熟期TO和TB顯著高于其他處理.圖3-C顯示在間作模式TOB和TOP條件下，細菌和真菌比顯著高于所有單作模式，裸地條件次之，且抽穗期和成熟期比苗期顯著提高，說明間作模式使土壤向“細菌型”土壤轉變.

圖1 燕麥生育期間不同種植方式下土壤酶相對活性指數(shù)REAIFigure 1 Relative enzymes activity index under different cropping patterns during oat growth stage

圖2 燕麥生育期間不同種植方式下土壤酶相對活性綜合指數(shù)REACIFigure 2 Relative enzymes activity comprehensive index under different cropping patterns during oat growth stage

2.4 土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性的相關性

大多數(shù)土壤酶來自微生物和其他有機組織(動植物、生物及其殘留物)，因此土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性密切相關.如表2所示，土壤細菌和真菌的數(shù)量與4種土壤酶活性的相關關系.土壤細菌數(shù)量與脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶極顯著正相關，與堿性磷酸酶呈極顯著負相關；土壤真菌數(shù)量也與堿性磷酸酶呈極顯著負相關，但與其他土壤酶無顯著相關性.

2.5 間作模式對作物籽粒產(chǎn)量的影響

由表3可知,同大豆間作燕麥的產(chǎn)量為單作的

53%,同豌豆間作燕麥的產(chǎn)量為單作的 61%，燕麥/大豆、燕麥/豌豆間作均具有產(chǎn)量優(yōu)勢，燕麥/大豆間作的LER為1.43，燕麥/豌豆間作的LER為1.51.

3 討論

間作作為我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精髓，具有增產(chǎn)、提高養(yǎng)分資源利用效率、增加土壤微生物多樣性以及持續(xù)控制病、蟲、草害的優(yōu)勢[20-22].燕麥和豆科混播均能顯著提高土壤酶活性[23]，玉米大豆間作作物的土壤酶活性顯著高于相應單作[24]，甘蔗與花生間作能提高間作作物根際土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性[25]，木薯與花生間作可以增加根際土壤細菌、真菌數(shù)量以及土壤過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性[26]，棉花與不同作物間作后土壤中細菌和放線菌數(shù)量顯著增加，真菌數(shù)量顯著降低，中性磷酸酶和脲酶活性顯著提高[27]，而柴強等[28]發(fā)現(xiàn)玉米與鷹嘴豆間作的土壤脲酶和酸性磷酸酶活性都低于單作玉米.

表2 土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的相關性分析

圖3 燕麥生育期間不同種植方式下土壤細菌(A)、真菌(B)數(shù)量及比率(C)Figure 3 The bacterial (A) and fungal (B) abundances and relative ratio of them (C) in different cropping patterns during oat growth stage

表3 間作對各作物籽粒產(chǎn)量和土地當量比的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，燕麥與豆科作物間作條件下，土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶顯著高于相應的單作方式和裸地對照，如燕麥與豌豆間作TOP的脲酶活性在抽穗期和成熟期比裸地對照分別提高了325.71%、151.37%；間作TOP與TOB的過氧化氫酶活性顯著高于單作TP、TO、TB；TOP的蔗糖酶活性比CK顯著提高了12.48%，TOB顯著高于TB 6.37%，說明燕麥與豆科作物間作在不施肥情況下，仍具有活化土壤的作用.但是各種種植方式的土壤堿性磷酸酶均顯著低于裸地CK，且隨生育期推進呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，尤其TOP成熟期比苗期降低65.96%，比CK降低56.58%，應該是由于全生育期不施肥，土壤磷素消耗過多.土壤酶相對活性綜合指數(shù)(REACI)隨生育期的推進，均呈先增后降的變化，即抽穗期最高，這可能是因為中間時期的氣溫降水、植物根系的生長、有機質腐殖質的增多，為微生物活動提供了良好的土壤生態(tài)環(huán)境，使土壤酶活性發(fā)生變化.REACI大小順序為TOP>TP>TOB>TB>TO，說明燕麥/豌豆間作模式中對土壤酶活的影響效果更顯著.

間作模式下的土壤細菌數(shù)量顯著高于單作，而真菌相反，且細菌的數(shù)量與土壤酶活相關性更高，細菌可以活化土壤，使土壤健康有活力[29].前人研究也得出相似結果，丁建麗等[30]發(fā)現(xiàn)施用有機肥提高了細菌比真菌比例，有利于土壤由“真菌型”向健康的“細菌型”轉變.周曉光等[31]研究指出有機蔬菜生產(chǎn)與常規(guī)生產(chǎn)方式相比，顯著增加了 0～20 cm耕層土壤中細菌數(shù)量、減少了土壤真菌的數(shù)量，改善了土壤微環(huán)境.此外，細菌型土壤向真菌型土壤轉變也是連作障礙發(fā)生的主要特征[32-33].

由于間作作物在復合群體中具有不同的時間生態(tài)位和空間生態(tài)位，使間作能夠充分利用自然資源，獲取綜合產(chǎn)量優(yōu)勢.本研究顯示，燕麥與大豆、豌豆間作的土地當量比LER分別為1.43和1.51，表現(xiàn)出明顯的間作優(yōu)勢.馮曉敏等[3]研究顯示,燕麥與豆科作物間作模式的LER是1.31～1.63,Dhima等[34]發(fā)現(xiàn)豌豆與燕麥間作LER為1.09,與本研究結果一致.

4 結論

相比單作模式和裸地土壤對照，燕麥與豆科作物間作在不施肥條件下可顯著提高土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性，降低堿性磷酸酶活性，同時有利于形成“細菌型”土壤，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，且在產(chǎn)量上表現(xiàn)出明顯的間作優(yōu)勢.