甘薯玉米間作對(duì)土壤性質(zhì)與作物產(chǎn)量的影響

儲(chǔ)鳳麗，李淑敏，劉亞軍，王明乾，王文靜，胡啟國(guó)，石 靜，楊愛梅

（1.商丘市農(nóng)林科學(xué)院，河南商丘476000；2.商丘市睢陽區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河南商丘476000；3.商丘市睢陽區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南商丘476000）

甘薯因具有多種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還有抗癌作用，被人們廣泛接受[1]。近年來，隨著糧食安全概念的提出，甘薯被選作重要糧食安全和經(jīng)濟(jì)能源作物[2]。隨著甘薯產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，甘薯常年連作種植，造成產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低，連作障礙問題日益突出，而有研究表明，合理的間套作是緩解連作障礙的有效途徑[3-4]。間套作是一種集約化生產(chǎn)方式，其分別利用不同作物種間促進(jìn)和互利共生原理，使不同作物在不同時(shí)間、空間上更加有效地對(duì)水肥氣熱等自然資源進(jìn)行利用，直接或間接地影響作物地上地下部的生長(zhǎng)發(fā)育[5]。已有學(xué)者研究表明，合理的間套作具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，分析認(rèn)為，間作種植提高了作物光合作用能力，促進(jìn)光合產(chǎn)物向營(yíng)養(yǎng)器官的運(yùn)輸及分配，從而表現(xiàn)出優(yōu)于單作種植的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)[6-8]；也有學(xué)者研究表明，合理間套作可以提高作物根系對(duì)土壤礦質(zhì)元素的吸收能力，改善土壤生物學(xué)特性，優(yōu)化土壤微生態(tài)環(huán)境，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[9-11]。

甘薯間作在我國(guó)西南地區(qū)廣泛流行，并取得了較好的成績(jī)，但我國(guó)地域遼闊，氣候差異較大，不同地區(qū)甘薯間作作物種類選擇有較大不同。

本研究結(jié)合本地黃淮海氣候條件和作物生長(zhǎng)習(xí)性，期望通過甘薯間作玉米種植，提高土壤養(yǎng)分含量、改善土壤生物學(xué)特性、提高土地產(chǎn)能，為緩解黃淮海地區(qū)甘薯連作障礙提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018—2019年在商丘市農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)示范基地進(jìn)行。地處東經(jīng)116°38′、北緯39°93′，海拔53 m。試驗(yàn)地屬于典型的暖溫帶季風(fēng)氣候，日照時(shí)長(zhǎng)大約2 200 h，無霜期大約210 d，年降水量686.5～872.9 mm，降水集中在6—10月，年平均積溫（≥10℃）4 187～5 155℃。供試土壤為黃潮土，質(zhì)地為沙質(zhì)土。基礎(chǔ)土壤肥力：全氮0.38 g/kg、全磷0.54 g/kg、堿解氮28.22 mg/kg、速效磷39.68 mg/kg、速效鉀142.6 mg/kg、有機(jī)質(zhì)2.63 g/kg、pH值8.12。

1.2 試驗(yàn)材料

供試甘薯、玉米品種分別為商薯18號(hào)、鄭單958。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地選在連續(xù)種植2 a的甘薯地塊，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。設(shè)3個(gè)處理，分別為甘薯單作、玉米單作、甘薯間作玉米，4次重復(fù)。甘薯株距26 cm，行距80 cm；玉米株距26 cm，行距60 cm；小區(qū)長(zhǎng)5.4 m，小區(qū)面積27 m2，試驗(yàn)地周圍設(shè)置3 m保護(hù)行，甘薯平栽。甘薯生育期為6月10日至10月10日，玉米生育期為6月12日至9月25日。試驗(yàn)基施復(fù)合肥750 kg/hm2、過磷酸鈣450 kg/hm2。在甘薯收獲期通過土鉆利用5點(diǎn)取樣法采集2種作物之間的土壤樣品。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤理化性狀的測(cè)定 土壤全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、pH值的測(cè)定分別采用半微量凱氏法、高氯酸-濃硫酸法、重鉻酸鉀容量法－外加熱法、堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉法、醋酸銨－火焰光度計(jì)法、水土比5∶1法[12]。

1.4.2 土壤呼吸強(qiáng)度、酶活性的測(cè)定 土壤呼吸強(qiáng)度、土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶的測(cè)定分別采用靜態(tài)氣室法、苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法、高錳酸鉀滴定法[13]。

1.4.3 產(chǎn)量及其測(cè)算方法 甘薯、玉米全部收獲測(cè)產(chǎn)，計(jì)算土地當(dāng)量比（LER）和種間競(jìng)爭(zhēng)能力（Asc）。

式中，Yis和Yic分別為間作甘薯產(chǎn)量和間作玉米產(chǎn)量，Yms和Ymc分別為單作甘薯產(chǎn)量和單作玉米產(chǎn)量；LER為土地當(dāng)量比，是衡量作物是否有間作優(yōu)勢(shì)的重要指標(biāo)，當(dāng)LER＞1時(shí)，表明間作有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，當(dāng)LER＜1時(shí)，表明間作有產(chǎn)量劣勢(shì)。

式中，Ps和Pc分別為間作處理甘薯、玉米所占面積比例。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)，表明甘薯競(jìng)爭(zhēng)能力弱于玉米[14]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 17.0最小顯著性差異法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯玉米間作栽培對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

表1甘薯間作對(duì)土壤理化性狀的影響

在甘薯收獲期時(shí)進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量測(cè)定時(shí)發(fā)現(xiàn)，間作處理土壤各養(yǎng)分含量與單作處理相比發(fā)生了較大變化。從表1可以看出，間作處理中土壤全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量最低，有機(jī)質(zhì)含量最高，土壤全磷含量低于單作甘薯處理，高于單作玉米處理。其中，間作處理土壤全氮、速效氮、速效磷含量較單作甘薯分別顯著（P＜0.05）下降13.33% 、10.39% 、16.84% （P＜0.05），間作處理速效鉀含量較單作玉米顯著下降11.27% （P＜0.05），而土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較單作甘薯、單作玉米顯著增加5.76% 、12.37% （P＜0.05）。說明甘薯間作改變了作物對(duì)土壤養(yǎng)分的需求及利用能力。間作處理土壤全速效養(yǎng)分降低，有機(jī)質(zhì)含量增加，原因可能是玉米是喜磷作物，甘薯間作玉米種植時(shí)促進(jìn)了作物對(duì)磷的利用，而甘薯需氮肥較少、需鉀肥較多，因此，甘薯間作玉米種植時(shí)促進(jìn)了間作體系不同根系對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的利用及吸收，從而促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)發(fā)育。由此可知，甘薯間作栽培從根本上解決了土壤中養(yǎng)分吸收的不均衡，提高了土壤養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)化效率。

2.2 甘薯玉米間作對(duì)土壤酶活性及呼吸強(qiáng)度的影響

從表2可以看出，間作處理土壤生物酶活性及土壤呼吸強(qiáng)度較單作處理表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。間作處理堿性磷酸酶含量最高，過氧化氫酶含量最低，脲酶含量低于單作甘薯處理、高于單作玉米處理，土壤呼吸強(qiáng)度最高。其中，間作處理堿性磷酸酶較單作甘薯顯著（P＜0.05）增加25.00% （P＜0.05），過氧化氫酶顯著降低24.62% （P＜0.05）。間作處理脲酶含量低于單作甘薯處理、高于單作玉米處理，分析認(rèn)為，甘薯間作玉米時(shí)不同作物根系的相互交錯(cuò)及分泌物的相互侵染，促進(jìn)了根系對(duì)土壤速效氮的利用，提高了土壤中脲酶含量。間作處理過氧化氫酶的降低、呼吸強(qiáng)度的增加均說明間作栽培時(shí)提高了土壤的疏松度，改善了根系的呼吸能力，減弱了根系的無氧呼吸。由此可知，間作栽培對(duì)土壤生物學(xué)特性的改善具有一定的促進(jìn)作用。

表2甘薯玉米間作對(duì)土壤生物學(xué)特性及呼吸強(qiáng)度的影響

2.3 甘薯玉米間作對(duì)作物產(chǎn)量的影響

從表3可以看出，間作處理中作物產(chǎn)量較各單作處理表現(xiàn)出不同的變化特點(diǎn)。其中，間作甘薯產(chǎn)量較單作甘薯降低2.04% ，間作玉米產(chǎn)量較單作玉米增加9.76% ，間作處理土地當(dāng)量比為1.12，表明甘薯間作玉米具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，而種間競(jìng)爭(zhēng)能力-0.26，表明間作體系中甘薯的競(jìng)爭(zhēng)能力弱于玉米。分析認(rèn)為，玉米是喜磷作物，而甘薯對(duì)鉀肥需求較多，對(duì)氮肥需求較少，二者間作栽培時(shí)可促進(jìn)作物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用，從而表現(xiàn)出產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。由于玉米是長(zhǎng)勢(shì)較高作物，后期生長(zhǎng)時(shí)對(duì)相鄰的甘薯有明顯的遮陰作用，造成甘薯光合作用減弱，運(yùn)輸?shù)礁鳡I(yíng)養(yǎng)部位的干物質(zhì)減少，造成甘薯產(chǎn)量降低，表現(xiàn)出甘薯種間競(jìng)爭(zhēng)能力弱于玉米。

表3間作對(duì)作物產(chǎn)量的影響

2.4 間作甘薯產(chǎn)量與土壤速效養(yǎng)分、生物學(xué)特性之間的相關(guān)性分析

從表4可以看出，對(duì)間作甘薯產(chǎn)量與土壤速效養(yǎng)分及生物學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，甘薯產(chǎn)量與土壤中各因子之間的相關(guān)性均有所差異，其中，甘薯產(chǎn)量與土壤速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、磷酸酶呈正相關(guān)關(guān)系，與其中的土壤速效磷、速效鉀、磷酸酶呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與土壤速效氮、過氧化氫酶、脲酶呈負(fù)相關(guān)。速效氮與速效鉀呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與脲酶呈極顯著負(fù)相關(guān)。速效磷與磷酸酶呈極顯著正相關(guān)；有機(jī)質(zhì)與磷酸酶呈極顯著負(fù)相關(guān)。由以上結(jié)果可知，作物產(chǎn)量與土壤速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、磷酸酶呈正相關(guān)性，因此，土壤速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、磷酸酶含量的增多會(huì)促進(jìn)甘薯產(chǎn)量的提升，尤其是土壤速效磷、速效鉀、磷酸酶含量的變化。而土壤速效氮、過氧化氫酶、脲酶含量的增加反而抑制甘薯產(chǎn)量的提升。由此可知，甘薯間作栽培時(shí)作物產(chǎn)量的變化與土壤養(yǎng)分含量、生物學(xué)特性存在著緊密的聯(lián)系。

表4間作甘薯產(chǎn)量與土壤速效養(yǎng)分、生物學(xué)特性之間的相關(guān)關(guān)系

3 討論

3.1 甘薯玉米間作對(duì)土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性的影響

土壤養(yǎng)分是絕大多數(shù)農(nóng)作物通過根系攝取營(yíng)養(yǎng)的主要來源之一，土壤養(yǎng)分含量的高低關(guān)系著植株能否健康生長(zhǎng)或生存[15]。有大量的研究表明，合理的間套作能夠促進(jìn)作物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收及利用，改善土壤養(yǎng)分質(zhì)量，進(jìn)而提高土壤的持續(xù)供肥能力[16-18]。本研究結(jié)果表明，由于間作體系不同作物具有不同的生長(zhǎng)習(xí)性和需肥特性，以及地下根部根系的相互交叉作用，改善了土壤微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)化的有效性，平衡根系對(duì)土壤各養(yǎng)分的需求，提高了間作體系中根系對(duì)土壤中各養(yǎng)分的利用能力，減少土壤中養(yǎng)分的無效淋失浪費(fèi)。而有機(jī)質(zhì)含量的增加說明間作栽培有利于保持土壤的肥沃。

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)交換過程和能量循環(huán)的重要生物活性物質(zhì)，土壤酶活性的大小是衡量土壤肥力以及養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)[19]。土壤磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性能夠分別反映出土壤磷素供應(yīng)狀況、土壤氮素轉(zhuǎn)化水平和土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度[20]。已有研究證明，間作能有效地改善土壤中的酶活性，進(jìn)而影響作物根系對(duì)土壤各養(yǎng)分的吸收及利用[21-22]。本研究結(jié)果表明，間作栽培提高了磷酸酶活性，降低了過氧化氫酶活性，提高了土壤根系呼吸強(qiáng)度。分析認(rèn)為，土壤酶活性的變化可能與土壤各養(yǎng)分含量的變化有關(guān)，間作栽培改變了根系對(duì)土壤各養(yǎng)分含量的吸收利用，進(jìn)而改變土壤中酶活性的大小。而呼吸強(qiáng)度的增加說明間作栽培時(shí)有利于提高土壤疏松度，改善了根系的呼吸能力，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有著良好的促進(jìn)作用。由此可知，甘薯玉米間作栽培促進(jìn)了土壤酶活性的變化，使得酶活性與土壤環(huán)境因子變化更為緊密。

3.2 甘薯玉米間作對(duì)作物產(chǎn)量及其產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的影響

合理的作物選擇及搭配是發(fā)揮間作優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)[23]。間套作不僅能從根系上解決養(yǎng)分吸收的不均衡，更能因?yàn)樽魑锷L(zhǎng)習(xí)性的不同和養(yǎng)分需求的互補(bǔ)，提高作物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[24]。有研究表明，合理的間套作有利于增加作物產(chǎn)量及產(chǎn)值[5，25]。本研究結(jié)果表明，間作栽培時(shí)甘薯產(chǎn)量降低，玉米產(chǎn)量增高，甘薯間作玉米具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，但甘薯的種間競(jìng)爭(zhēng)能力弱于玉米。甘薯、玉米間作具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，分析認(rèn)為，間作體系的根系由于相互交錯(cuò)及分泌物的相互侵染，改變了根系對(duì)土壤各養(yǎng)分的需求及利用能力，促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)發(fā)育，從而表現(xiàn)出產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。甘薯競(jìng)爭(zhēng)力弱于間作體系的玉米，是由于玉米是較高長(zhǎng)勢(shì)作物，生長(zhǎng)后期對(duì)相鄰作物甘薯有明顯的遮陰作用，使得甘薯光合作用明顯減弱，干物質(zhì)累積減少，甘薯產(chǎn)量下降，表現(xiàn)出弱于單作處理，而玉米產(chǎn)量高于單作處理。從甘薯產(chǎn)量與土壤速效養(yǎng)分、生物學(xué)特性的相關(guān)分析來看，甘薯的生長(zhǎng)發(fā)育受多種外界環(huán)境因子的影響，間作栽培時(shí)，由于間作體系不同作物具有不同的生長(zhǎng)習(xí)性和需肥特性，對(duì)土壤各養(yǎng)分有不同的需求，改善了作物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的利用能力，減少了土壤養(yǎng)分的淋失浪費(fèi)，從而促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)發(fā)育。由此可知，甘薯、玉米間作種植具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，能夠促進(jìn)作物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用，改變土壤生物學(xué)特性，但對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境的改善仍缺乏探討，值得進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

甘薯玉米間作提高了根系對(duì)土壤各種養(yǎng)分的吸收利用，提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量；間作較單作甘薯提高了土壤堿性磷酸酶的活性，降低了脲酶、過氧化氫酶活性，提高了土壤呼吸強(qiáng)度；甘薯、玉米間作具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，但甘薯的競(jìng)爭(zhēng)能力弱于玉米。由此可知，玉米是甘薯通過間作緩解連作障礙的一種較適宜的作物。