甘薯/玉米不同間作方式對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性及作物產(chǎn)量的影響

張 艷，郭書亞，尚 賞，盧廣遠(yuǎn)，劉亞軍

（商丘市農(nóng)林科學(xué)院，河南商丘476000）

甘薯是我國重要的糧食作物和能源作物。近年來，隨著甘薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甘薯種植面積逐年加大。但是甘薯多年連續(xù)種植，會(huì)造成甘薯連作障礙嚴(yán)重發(fā)生，不僅使得甘薯產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低、病蟲害頻繁發(fā)生，還會(huì)造成土壤養(yǎng)分失衡、生物學(xué)特性降低以及土壤微生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變等[1-5]。有很多研究表明，合理的間套作是解決連作障礙的有效方法，劉廣才等[6]研究得出，大麥、玉米間作具有明顯的間作優(yōu)勢(shì)。唐明明等[7]研究表明，玉米/馬鈴薯、玉米/油菜、大豆/馬鈴薯和大豆/油菜間作栽培時(shí)在土壤養(yǎng)分吸收方面明顯優(yōu)于單作栽培。宋亞娜等[8]研究發(fā)現(xiàn)，間作栽培能夠改變作物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成，并得出間作栽培時(shí)物種多樣性與土壤微生態(tài)多樣性存在緊密聯(lián)系。間作栽培能影響土壤微生態(tài)環(huán)境、改變土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)及功能多樣性[9]。

土壤養(yǎng)分是農(nóng)作物養(yǎng)分吸收的主要來源，養(yǎng)分含量的高低對(duì)作物能否正常生長發(fā)育起著關(guān)鍵作用[10]；土壤酶是土壤微生態(tài)環(huán)境中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和能量交換等活動(dòng)中的活躍物質(zhì)，酶活性是衡量土壤肥力及養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)[11]。合理的間、套作能夠利用不同作物生長發(fā)育在時(shí)間和空間上的差異及根系之間分泌物的交互作用，彌補(bǔ)作物對(duì)土壤養(yǎng)分吸收的不均勻，避免土壤養(yǎng)分含量的閑置及流失，促進(jìn)土壤養(yǎng)分吸收，提高土壤酶活性，并能有效改善土壤微生態(tài)環(huán)境，較連作栽培表現(xiàn)出更強(qiáng)的根際效應(yīng)[12-13]。以往研究大多集中在甘薯/玉米間作栽培對(duì)生理及經(jīng)濟(jì)效益方面的探討[14-16]，而對(duì)甘薯、玉米間作栽培能否緩解甘薯連作障礙方面的研究并不多。

本試驗(yàn)研究甘薯/玉米間作不同條帶比對(duì)土壤中養(yǎng)分吸收、酶活性改變及產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)方面的影響，以找到甘薯/玉米間作合理的條帶比，從而能夠促進(jìn)養(yǎng)分吸收，提高土壤生物學(xué)特性及作物產(chǎn)量，為緩解華中地區(qū)甘薯連作障礙提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試甘薯品種為商薯9 號(hào)，由商丘市農(nóng)林科學(xué)院糧食作物所甘薯室選育；供試玉米品種為鄭單958，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所選育。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017—2019 年在河南省商丘市夏邑縣會(huì)亭鎮(zhèn)崔樓村（34°06′N，116°04′E）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)常年平均日照 2 200～2 400 h、氣溫14 ℃、降雨量680 mm 左右。供試土壤為黃潮土，質(zhì)地中壤，耕層（0～30 cm）土壤含有機(jī)質(zhì)7.82 g/kg、堿解氮49.25 mg/kg、速效磷 32.21 mg/kg、速效鉀 138 mg/kg、全氮 0.58 g/kg、全磷 0.45 g/kg、pH 值 8.21。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地選在連續(xù)單作2 a 甘薯的地塊，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)4 個(gè)處理：連作甘薯（CK）；單作玉米；甘薯、玉米間作條帶比 4∶1；甘薯、玉米間作條帶比4∶2。其中，甘薯、玉米間作的條帶比是在他人研究[15-16]的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)的。小區(qū)面積為7.8 m×8.8 m，甘薯株行距26 cm×80 cm，玉米株行距0.26 cm×60 cm，甘薯、玉米間距70 cm，間作處理每個(gè)小區(qū)2 個(gè)條帶比，3 m 甘薯保護(hù)行，4 次重復(fù)。

甘薯 6 月 10 日種植，10 月 10 日收獲；玉米 6 月15 日種植，9 月25 日收獲。甘薯栽培前土地均勻翻耕，甘薯、玉米均施復(fù)合肥（N∶P∶K＝15∶15∶15）675 kg/hm2、過磷酸鈣 375 kg/hm2；肥料全部作為底肥施入，生育期內(nèi)不追肥，翻地之前進(jìn)行補(bǔ)充墑情，生育期內(nèi)不灌水。收獲時(shí)，間作處理小區(qū)在甘薯和玉米毗鄰的一行隨機(jī)選取5 個(gè)點(diǎn)采集0～20 cm土樣，單作處理小區(qū)隨機(jī)選取5 個(gè)點(diǎn)采集0～20 cm土樣，甘薯、玉米全部測(cè)產(chǎn)。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤養(yǎng)分測(cè)定 土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、pH 值分別采用重鉻酸鉀容量- 外加熱法、堿解擴(kuò)散法、0.5 mol/L NaHCO3法、NH4OAc 浸提火焰光度法、半微量凱氏法、HClO4-H2SO4法、水土比法測(cè)定[17]。

1.4.2 土壤酶活性測(cè)定 土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性分別采用苯酚鈉- 次氯酸鈉比色法、高錳酸鉀滴定法、磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[18]。

1.4.3 產(chǎn)量測(cè)定 收獲期進(jìn)行測(cè)產(chǎn)時(shí)，需要進(jìn)行土地當(dāng)量比、產(chǎn)量競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)計(jì)算。

土地當(dāng)量比（LER）是衡量產(chǎn)量是否具有間作優(yōu)勢(shì)的重要指標(biāo)[19]，其計(jì)算公式如下。

式中，Yis代表間作處理甘薯產(chǎn)量、Yic代表間作處理玉米產(chǎn)量、Yms代表單作甘薯產(chǎn)量、Ymc代表單作玉米產(chǎn)量。當(dāng)LER＞1 時(shí)，表明間作有優(yōu)勢(shì)；LER≤1 時(shí)，表明間作無優(yōu)勢(shì)。

式中，間作體系產(chǎn)量為間作甘薯產(chǎn)量與間作玉米產(chǎn)量之和。當(dāng)產(chǎn)量競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)＞0 時(shí)，表明間作有產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)；當(dāng)產(chǎn)量競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)≤0 時(shí)，表明間作無產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)。

種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力是間作種植時(shí)衡量一種作物相對(duì)于另一種作物的資源競(jìng)爭(zhēng)能力大小的指標(biāo)[20]，甘薯相對(duì)玉米的資源競(jìng)爭(zhēng)能力計(jì)算公式如下。

式中，Asc為甘薯相對(duì)玉米的資源競(jìng)爭(zhēng)能力，Ps代表間作處理甘薯所占面積比，Pc代表間作處理玉米所占面積比，其余符號(hào)的意義同LER計(jì)算公式。當(dāng)Asc＞0 時(shí)，表明甘薯競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于玉米；當(dāng)Asc＝0 時(shí)，玉米、甘薯競(jìng)爭(zhēng)力相當(dāng)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 17.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用新復(fù)極差法（Duncan）進(jìn)行處理間各參數(shù)差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯/玉米不同間作方式對(duì)土壤養(yǎng)分含量變化的影響

由表1 可知，甘薯/玉米不同條帶比栽培對(duì)土壤中養(yǎng)分含量變化有較大的影響。與連作甘薯相比，間作4∶1 條帶比和4∶2 條帶比處理中的堿解氮、速效磷、速效鉀、全磷含量均顯著下降（P＜0.05），全氮、有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，pH 值無顯著變化，由此可知，甘薯、玉米間作栽培改變了作物的養(yǎng)分吸收和利用效率。在甘薯、玉米間作不同條帶比對(duì)比中，4∶1 條帶比處理中的速效磷、全氮、全磷含量較4∶2 條帶比處理分別顯著提高10.84%、11.25%、24.05%，堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量分別降低4.89%、9.69%、8.61%，其中，速效磷含量差異達(dá)到顯著水平，pH 值無顯著變化。說明甘薯、玉米間作栽培條帶比的不同會(huì)導(dǎo)致種間競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生變化，從而在養(yǎng)分吸收和利用方面表現(xiàn)出明顯的差異。

表1 甘薯/玉米不同間作方式對(duì)土壤養(yǎng)分含量變化的影響

2.2 甘薯/玉米不同間作方式對(duì)土壤酶活性變化的影響

土壤酶是土壤微生態(tài)環(huán)境生化反應(yīng)的重要參與者，堿性磷酸酶、脲酶活性與土壤中磷含量、尿素轉(zhuǎn)化有密切聯(lián)系，過氧化氫酶能夠影響土壤中微環(huán)境氧化還原反應(yīng)，從而減弱根系氧化反應(yīng)的危害[21]。從表2 可以看出，間作處理中脲酶、過氧化氫酶活性顯著高于對(duì)照連作甘薯處理（P＜0.05），堿性磷酸酶活性顯著降低，可知甘薯、玉米間作栽培時(shí)，由于不同作物的相互作用，改變了土壤中原有的生化反應(yīng)，建立起新的物質(zhì)交換和能量流動(dòng)體系。在甘薯、玉米間作不同條帶比對(duì)比中，4∶1 條帶比處理中的脲酶、過氧化氫酶活性較4∶2 條帶比處理分別提高2.46%、8.42%，堿性磷酸酶活性顯著提高13.43%。說明隨著甘薯、玉米間作條帶比的變化，根系土壤中的分泌物及交互作用有所差異，造成根系土壤中各種酶活性大小發(fā)生改變。

表2 甘薯/玉米不同間作方式對(duì)土壤酶活性變化的影響

2.3 甘薯/玉米不同間作方式對(duì)作物產(chǎn)量及產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)的影響

從表3 可以看出，不同間作處理中甘薯產(chǎn)量較連作甘薯產(chǎn)量表現(xiàn)出不同的變化，而不同間作處理中玉米產(chǎn)量均顯著高于單作玉米產(chǎn)量（P＜0.05），可見，甘薯、玉米間作栽培有利于提高玉米產(chǎn)量。從土地當(dāng)量比（LER）看，間作處理4∶1 條帶比和4∶2 條帶比中的塊莖或籽粒產(chǎn)量LER 分別為1.04、1.05，但是從產(chǎn)量競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)來看，間作4∶1 條帶比處理有間作優(yōu)勢(shì)，4∶2 條帶比處理無間作優(yōu)勢(shì)；從種間競(jìng)爭(zhēng)能力看，間作處理2 種條帶比中的甘薯種間競(jìng)爭(zhēng)能力均弱于玉米，且4∶2 條帶比中的甘薯種間競(jìng)爭(zhēng)力明顯弱于4∶1 條帶比中的甘薯種間競(jìng)爭(zhēng)力。

分析認(rèn)為，由于玉米植株高，對(duì)甘薯具有一定的遮擋，造成甘薯光合作用減弱，干物質(zhì)累積減少，甘薯的種間資源競(jìng)爭(zhēng)能力弱于玉米，隨著玉米種植行數(shù)的增多，甘薯的種間競(jìng)爭(zhēng)能力明顯弱于玉米，甘薯產(chǎn)量顯著降低，使得4∶1 條帶比較4∶2 條帶比具有明顯間作優(yōu)勢(shì)。

表3 甘薯/玉米不同間作方式對(duì)作物產(chǎn)量及產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)的影響

2.4 間作體系中甘薯產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分及生物學(xué)特性之間的相互關(guān)系

由表4 可知，甘薯產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分、酶活性大小有著密切關(guān)系，而土壤養(yǎng)分與土壤酶活性存在著相互轉(zhuǎn)化、相互制約的關(guān)系。甘薯產(chǎn)量與磷酸酶、堿解氮、速效磷、全磷、全氮呈正相關(guān)，與過氧化氫酶、脲酶、速效鉀、有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，分析認(rèn)為，間作體系中甘薯的種間資源競(jìng)爭(zhēng)力弱于玉米，隨著過氧化氫酶、脲酶、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量的增加，促進(jìn)了間作體系中玉米產(chǎn)量增加，甘薯產(chǎn)量下降，但間作系統(tǒng)具有產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)，這與甘薯和過氧化氫酶、脲酶、速效鉀、有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)并不矛盾。磷酸酶與速效磷、全磷呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與有機(jī)質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)；過氧化氫酶與堿解氮、速效鉀呈極顯著負(fù)相關(guān)、與全氮呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；脲酶與堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)，與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)?？梢?，土壤中養(yǎng)分含量與酶活性存在緊密的聯(lián)系。

表4 甘薯產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分及酶活性之間的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

有研究表明，間作系統(tǒng)中根際土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化的有效性高于單一作物，且能有效改善間作系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和養(yǎng)分吸收環(huán)境[22-23]。胡桂萍等[24]研究表明，間作栽培可以提高土壤中全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量，并表明茶葉產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分有著密切聯(lián)系。張洪勇等[25]研究表明，間作栽培土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量顯著高于單作。王鵬等[26]研究表明，桔梗、大蔥間作栽培土壤有效氮含量較桔梗單作增加22.3%～50.0%。本研究結(jié)果表明，甘薯、玉米間作栽培能夠顯著提高土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量，顯著降低堿解氮、速效磷、速效鉀、全磷含量。其中，堿解氮、速效磷、速效鉀、全磷含量的降低表明甘薯和玉米間作時(shí)，由于根系的相互交錯(cuò)和分泌物的相互反應(yīng)，以及生長周期、需肥特性的不同，促進(jìn)了間作體系對(duì)土壤養(yǎng)分含量的吸收與利用。間作體系4∶1 條帶比處理中的速效磷、全磷、全氮含量顯著高于4∶2 條帶比處理，速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量顯著降低。分析認(rèn)為，由于玉米是高大喜磷作物，隨著玉米種植行數(shù)的增加，間作體系加大對(duì)磷元素的吸收利用，影響甘薯光合作用的進(jìn)行，改變了間作體系中作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用，從而使土壤中的養(yǎng)分含量表現(xiàn)出不同的變化。

土壤酶作為土壤生化反應(yīng)中一類具有高度催化作用的催化劑，能夠參與土壤微生態(tài)環(huán)境中各種生化反應(yīng)過程，是物質(zhì)交換和能量流動(dòng)中最為活躍的生物活性物質(zhì)，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[19，27]。有研究表明[28]，玉米、甘薯間作時(shí)土壤堿性磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性均高于相應(yīng)的單作處理。也有研究表明[29]，甘薯、玉米間套作栽培時(shí)土壤過氧化氫酶含量顯著高于單作處理，而脲酶活性沒有顯著性變化。本研究結(jié)果表明，甘薯、玉米間作栽培時(shí)會(huì)提高土壤中的脲酶、過氧化氫酶活性，降低了堿性磷酸酶活性。間作體系4∶1 條帶比處理中的脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性均高于4∶2 條帶比處理，其中，堿性磷酸酶活性達(dá)到顯著性差異。分析認(rèn)為，土壤脲酶、過氧化氫酶活性增高可能與間作栽培時(shí)促進(jìn)了土壤中氮素的轉(zhuǎn)化以及不同根系分泌物的相互作用和微生物向土壤中釋放的酶的數(shù)量增加有關(guān)，但隨著玉米行數(shù)的增加，土壤中的微生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，造成土壤脲酶、過氧化氫酶活性發(fā)生變化。堿性磷酸酶活性的降低可能是，甘薯、玉米間作栽培時(shí)加速了土壤中速效養(yǎng)分與全磷的消耗，土壤速效養(yǎng)分和全磷的急劇下降，造成堿性磷酸酶活性下降。酶活性高低可以在一定程度上反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力和土壤供應(yīng)植物根系養(yǎng)分的潛在能力[30]。相關(guān)分析表明，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量存在緊密的相關(guān)性。

從產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)來看，本研究甘薯、玉米4∶1 條帶比較4∶2 條帶比表現(xiàn)出間作優(yōu)勢(shì)，分析認(rèn)為，甘薯、玉米間作栽培由于根系的相互作用及根系分泌物的交互作用，改善了土壤中的微環(huán)境，進(jìn)而改變了土壤中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力，從而較單作處理表現(xiàn)不同的變化；從種間競(jìng)爭(zhēng)力來看，甘薯的競(jìng)爭(zhēng)力明顯弱于玉米，而隨著玉米種植行數(shù)的增加，玉米對(duì)甘薯的遮陰效應(yīng)更加顯著，造成甘薯產(chǎn)量明顯下降，從而使得4∶2 條帶比沒有表現(xiàn)出間作優(yōu)勢(shì)。從相關(guān)分析可以看出，間作體系產(chǎn)量優(yōu)勢(shì)與土壤養(yǎng)分、酶活性密切相關(guān)。由此可知，甘薯、玉米間作栽培改變了甘薯生長發(fā)育中土壤養(yǎng)分供應(yīng)和轉(zhuǎn)化能力，改善了土壤生物特性，對(duì)緩解甘薯連作障礙起到一定的積極作用。

間作栽培改善了土壤養(yǎng)分供應(yīng)和轉(zhuǎn)化能力，提高了土壤中脲酶和過氧化氫酶活性、降低了堿性磷酸酶活性，甘薯、玉米間作4∶1 條帶比具有間作優(yōu)勢(shì)，4∶2 條帶比無間作優(yōu)勢(shì)，間作體系中甘薯的種間競(jìng)爭(zhēng)力明顯弱于玉米?？芍?，甘薯、玉米間作4∶1 條帶比為適宜的種植模式。