甘蔗輪作青飼玉米和花生對甘蔗生長和土壤性狀的影響

范業(yè)賡 陳榮發(fā) 閆海鋒 周慧文 翁夢苓 黃 杏 羅 霆 周忠鳳 丘立杭 吳建明

（廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廣西甘蔗生物技術(shù)與遺傳改良重點實驗室/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心，530007，廣西南寧）

廣西是我國最大的糖料蔗生產(chǎn)基地，甘蔗產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展對地方經(jīng)濟發(fā)展起著十分重要的作用[1]。我國甘蔗單產(chǎn)不高、宿根年限短和以肥換產(chǎn)量的水肥管理措施仍是影響甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。甘蔗氮肥施用量高達400～800kg/hm2，是產(chǎn)蔗大國巴西和澳大利亞的6～10倍，這不僅增加了甘蔗的生產(chǎn)成本，還加重了肥料浪費和對農(nóng)田土壤生態(tài)的破壞；廣西蔗區(qū)土壤具有酸性大、黏重和貧瘠等特點，且80%以上甘蔗種植都是單一模式的長年連作[2]。近年來，甘蔗連作障礙日益凸出，嚴(yán)重影響甘蔗的宿根性，且隨其宿根年限的增加，土壤性狀逐年惡化[3-4]，導(dǎo)致甘蔗產(chǎn)量和宿根性逐年下降[5-6]，病蟲害加重[7-8]。因此，消減連作障礙是甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題，也是甘蔗栽培研究的難點和熱點。

輪作是一種有效避免和減少連作障礙發(fā)生的生態(tài)種植模式，可均衡地利用土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，有效改善土壤理化特性和調(diào)節(jié)其微生物環(huán)境，從而提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[9-10]。輪作休耕制度是我國農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的有效手段，將已經(jīng)嚴(yán)重污染的農(nóng)田輪作休耕，可有效解決連作障礙問題，實現(xiàn)“用地”與“養(yǎng)地”相結(jié)合[11]。輪作是減輕作物連作障礙的重要技術(shù)措施，也是解決作物連作障礙的有效途徑之一。關(guān)于輪作緩解作物連作障礙的研究，國內(nèi)外已有大量相關(guān)的報道。輪作可提高作物產(chǎn)量[12-13]、改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤養(yǎng)分[14-16]、改善土壤微生物環(huán)境[17-20]、緩解作物“自毒”[21-22]、控制農(nóng)田雜草[23-27]和減少病蟲害[28-29]。前人對稻蔗輪作、甘蔗與花生輪作和甘蔗與菠蘿輪作的研究結(jié)果表明，輪作改善了農(nóng)田土壤的通氣性，促進了土壤速效養(yǎng)分的釋放，增加了土壤微生物總量[30]，同時明顯減少了農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生[31-32]。綜上，輪作可改善蔗田土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤養(yǎng)分含量以及增加土壤微生物總量，是緩解甘蔗連作障礙的重要途徑。

隨著農(nóng)作物育種和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)供給側(cè)的區(qū)域化發(fā)展，作物產(chǎn)區(qū)相對比較集中，作物連作也已成為一種普遍趨勢，連作障礙成為作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的瓶頸，也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問題之一。甘蔗是廣西的特色經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，據(jù)不完全統(tǒng)計，甘蔗種植面積占廣西70%以上，而宿根蔗占比約2/3，這意味著甘蔗種植基本上屬于多年連作。近年來，甘蔗病蟲害發(fā)生頻率和規(guī)模有逐漸加大的趨勢[33]，這與甘蔗連作障礙密切相關(guān)，且連作對甘蔗生長、產(chǎn)量構(gòu)成要素和宿根年限等的影響逐年增加[5]，即在正常的栽培和管理措施下，連作也會對甘蔗產(chǎn)量、品質(zhì)和生育狀況產(chǎn)生不利影響。間作、輪作和增施微生物肥是近年來解決連作障礙的重要措施[34]。輪作甘蔗對降低連作下香蕉枯萎病危害的持續(xù)效果顯著[35]，同時也可有效降低甘蔗梢腐病的發(fā)病率[36]，這可能由于輪作改善了酶活性和養(yǎng)分含量等土壤理化性狀，從而緩解了連作障礙[37]。輪作可提高甘蔗的產(chǎn)量和產(chǎn)值，降低生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟和生態(tài)效益[31，38]。本研究擬從土壤特性及其重要指標(biāo)的變化研究輪作青飼玉米和花生對甘蔗重要農(nóng)藝性狀的影響，分析不同輪作模式的經(jīng)濟效益，為糧食作物、油料作物和糖料作物間的輪作結(jié)構(gòu)調(diào)整提供參考，也為甘蔗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和合理甘蔗輪作體系的建立提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于廣西崇左市扶綏縣岜盆鄉(xiāng)（22°31′ N，107°54′ E）進行。該地海拔100m，年平均氣溫21.9℃，年均降水量1 122mm，為亞熱帶季風(fēng)性氣候。土壤類型為黃壤土，初始土壤理化性質(zhì)：pH值4.60，有機質(zhì)20.5g/kg、全氮0.083%、全磷0.15%、全鉀0.12%、水解性氮87.0mg/kg、有效磷32.3mg/kg和速效鉀121.0mg/kg。

1.2 試驗材料

供試材料均為廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主選育品種：甘蔗品種為桂糖42號，玉米品種為桂單166，花生品種為桂花17。

1.3 試驗設(shè)計與田間管理

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)3個處理，即甘蔗－甘蔗連作模式（A）、青飼玉米－青飼玉米－甘蔗輪作模式（B）和花生－花生－甘蔗模式輪作模式（C），每個處理設(shè)3個重復(fù)，每個小區(qū)面積200m2。于2018年1月對上茬宿根蔗進行翻耕和開行，隨后種植不同處理下的相應(yīng)作物。A：翻耕后即刻對經(jīng)過氯蟲苯甲酰胺浸種后的雙芽段健康種苗一代種莖進行連作新植蔗種植，行距1.2m，下種量為52 500芽/hm2，2018年底砍收，2019年留宿根，其他參照甘蔗常規(guī)種植方法進行田間管理；B：青飼玉米種植行距為50cm，穴距為30cm，每穴2～3株；C：花生種植行距為40cm，穴距為15cm，每穴2～3株。此外青飼玉米和花生于2018年2月同時種植，前茬收獲后均再種植一茬，于2018年底收獲。于2019年1月對收獲了兩茬的玉米和花生小區(qū)翻耕，種植甘蔗，種植和管理方式與A相同。為了確保試驗區(qū)土壤基礎(chǔ)肥力一致，所有處理均不施肥。于生長初期調(diào)查甘蔗出苗率和分蘗率，成熟期調(diào)查甘蔗產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀和蔗糖分。

1.4 樣品采集及項目測定方法

1.4.1 土壤樣品的采集 采用五點取樣法分別于2018年1月對翻耕前的宿根蔗田和2019年底輪作和連作作物收獲后的0～20cm蔗田耕作層土壤進行取樣。

1.4.2 土壤養(yǎng)分的測定 測定項目為土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、有效磷和速效鉀8個指標(biāo)。采用玻璃電極法測定土壤pH值；采用重鉻酸鉀滴定法測定有機質(zhì)含量；采用自動定氮儀法測定全氮含量；采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定全磷含量；采用NaOH熔融-火焰光度法測定全鉀含量；采用堿解擴散法測定水解性氮含量，采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定有效磷含量；采用醋酸銨-火焰光度法測定速效鉀含量。每個指標(biāo)平行測定3次。

1.4.3 土壤微生物數(shù)量和酶活性的測定 細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量的測定采用平板培養(yǎng)數(shù)法和混菌法。采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司微量法檢測試劑盒檢測分析土壤蔗糖酶、脲酶、酸性蛋白酶、酸性磷酸酶、脫氫酶、纖維素酶和過氧化氫酶活性。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用DPS v16.05進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對甘蔗生長的影響

2.1.1 甘蔗產(chǎn)量及相關(guān)重要農(nóng)藝性狀 不同輪作模式下甘蔗農(nóng)藝性狀的調(diào)查結(jié)果表明，B和C處理甘蔗的出苗率、分蘗率、株高、有效莖數(shù)及產(chǎn)量顯著高于A處理，但不同模式處理的莖徑均無顯著差異（表1）。B處理甘蔗的出苗率、分蘗率、株高、有效莖數(shù)和產(chǎn)量與A處理差異達極顯著水平，其中B處理甘蔗的分蘗率比A處理高10.3%，產(chǎn)量增加7.7%；C處理甘蔗分蘗率比A處理高5.1個百分點。

表1 不同輪作模式對甘蔗產(chǎn)量相關(guān)農(nóng)藝性狀的影響Table 1 Effects of different planting modes on agronomic characteristics of sugarcane yield

2.1.2 甘蔗品質(zhì)性狀 2019年底采樣分析了不同輪作模式下甘蔗品質(zhì)，B與C處理蔗莖錘度、蔗糖分和蔗汁視純度均高于A處理，其中蔗汁視純度均極顯著高于A處理。3個處理間蔗莖錘度差異不顯著，2種輪作模式之間的差異也不顯著（表 2）。

表2 不同輪作模式對甘蔗品質(zhì)性狀的影響Table 2 Effects of different planting modes on sugarcane quality %

2.2 不同輪作模式對蔗田土壤養(yǎng)分的影響

由表3可知，C處理能顯著提高土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀、水解性氮、有效磷和速效鉀的含量，也能提高土壤pH值，改良土壤酸堿度。與A處理相比，2種輪作模式下的有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量均顯著或極顯著提高，且輪作玉米處理顯著提高了有效磷和速效鉀含量，分別比A處理提高了29.1和82.7mg/kg；輪作花生處理的速效鉀含量達207.3mg/kg，高于輪作玉米和甘蔗連作的，分別提高41.3和124.0mg/kg。由上述可知，不同輪作模式對土壤有效磷、速效鉀、全鉀和水解性氮等含量的影響程度有所不同，說明土壤養(yǎng)分的變化與作物輪作可能存在一定的相關(guān)性。

表3 不同輪作模式對土壤養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of different planting modes on soil nutrient content

2.3 不同輪作模式對土壤微生物的影響

從表4可知，B和C處理均能提高土壤中細(xì)菌和放線菌的數(shù)量，與A處理相比分別達到顯著和極顯著差異，但2種輪作模式之間無顯著差異；從真菌/細(xì)菌比值看，B和C的比值與A的差異較大，說明輪作模式明顯降低了蔗田土壤真菌數(shù)量，改變了土壤微生物結(jié)構(gòu)，暗示輪作的作物與土壤真菌相關(guān)，表明輪作可有效緩解與抑制作物真菌病害的發(fā)生。

表4 不同輪作模式對土壤微生物數(shù)量的影響Table 4 Effects of different planting modes on number of soil microorganisms ×104/g

2.4 不同輪作模式對土壤酶活性的影響

從表5可以看出，B和C處理均能提高土壤中過氧化氫酶、脲酶、脫氫酶、蔗糖酶、酸性蛋白酶、酸性磷酸酶和纖維素酶的活性。與連作模式相比，輪作模式B和C處理土壤脲酶和酸性磷酸酶活性均極顯著提高；且輪作模式下的脲酶活性是連作模式的2倍多，并以B處理的脲酶活性最高，達928.50μg/(d·g)。同時，輪作模式B和C處理的過氧化氫酶活性顯著高于連作模式，且B處理的過氧化氫酶活性最高，為23.96μmol/(d·g)。3種種植模式間脫氫酶和蔗糖酶活性差異均不顯著。上述結(jié)果說明，輪作對蔗田土壤酶活性的影響是積極的，但與輪作的作物種類關(guān)系密切。

表5 不同輪作模式對土壤酶活性的影響Table 5 Effects of different planting modes on soil enzyme activities

2.5 不同輪作模式下土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性分析

由表6可知，不同種植模式下土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量存在正相關(guān)關(guān)系。脲酶活性與有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.854、0.851和0.798；酸性磷酸酶活性與水解性氮和速效鉀含量均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.839和0.918，而脫氫酶活性與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性不顯著。

表6 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性Table 6 Correlation between soil enzyme activities and soil nutrient contents

2.6 不同輪作模式下土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性分析

由表7可知，土壤真菌數(shù)量與土壤酸性蛋白酶和酸性磷酸酶活性之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，放線菌數(shù)量與土壤脲酶、酸性磷酸酶和纖維素酶活性呈極顯著正相關(guān)。結(jié)合表3的結(jié)果，真菌數(shù)量與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)，說明土壤酸化利于真菌生長，連作下甘蔗易發(fā)生真菌病害。

表7 土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性Table 7 Correlation between soil enzyme activities and soil microbial number

2.7 不同輪作模式的經(jīng)濟效益分析

按2018-2019年廣西蔗區(qū)平均原料蔗收購價500元/t計，A處理共收獲2茬甘蔗，新植蔗成本約15 000元/hm2，宿根蔗的種植成本7 500元/hm2。B處理的青貯玉米平均產(chǎn)量75.0t/hm2，共2茬，總產(chǎn)150.0t/hm2，價格350元/t，每茬玉米的種植成本9 000元/hm2；C處理的鮮花生平均產(chǎn)量6t/hm2，2茬為12t/hm2，價格4 000元/t，每茬花生種植成本6 000元/hm2。從表8可知，與A處理比較，C處理增效最高，B處理次之，B和C處理的效益分別增加7.0%和7.5%。由此可見，輪作可提高蔗田的產(chǎn)出，增加效益，且增收與成本密切相關(guān)，總體上輪作的成本明顯低于連作的，同時輪作還明顯提高了新植蔗的產(chǎn)量。

表8 不同輪作模式下作物的經(jīng)濟效益比較Table 8 Comparison of economic benefits of different planting models

3 討論

廣西蔗區(qū)甘蔗長年連作和過度施肥，且種植品種結(jié)構(gòu)單一，致使連作障礙越來越嚴(yán)重，造成水解性氮和速效性養(yǎng)分含量降低，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分極不均衡，降低了糖料蔗根際土壤的脲酶和過氧化氫酶的活性，致使土壤酸化嚴(yán)重，進而使甘蔗病害頻發(fā)、產(chǎn)量和品質(zhì)下降等問題[5，39-40]，嚴(yán)重制約了甘蔗產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。許多研究表明，輪作是緩解作物連作障礙的最有效途徑之一[10，41]。

甘蔗的生長發(fā)育對養(yǎng)分的需求非常大，且土壤養(yǎng)分的供應(yīng)與甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)密不可分[42]。土壤養(yǎng)分含量是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是作物生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。長年連作后，同種作物對某些營養(yǎng)元素的大量且長期吸收改變了土壤養(yǎng)分的均衡性，導(dǎo)致連作作物的抗逆性逐年降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降；同時連作還造成土壤pH值下降而使其酸性化，土壤中生物酶活性降低，影響土壤中有效養(yǎng)分的形成和釋放[43]。有研究發(fā)現(xiàn)，合理輪作可提高蔗田土壤質(zhì)量，改善作物生長狀況，增加堿解氮、速效磷和速效鉀的釋放[44]。本研究結(jié)果表明，輪作提高了土壤pH值，一定程度上緩解了土壤酸化問題，也改善了土壤有效養(yǎng)分的含量和質(zhì)量，尤其是花生與甘蔗輪作更好地加速了水解性氮、有機質(zhì)和速效鉀等的釋放，但輪作不同作物的效果存在差異。本研究還發(fā)現(xiàn)輪作后新植甘蔗的出苗率、分蘗率及有效莖數(shù)顯著高于連作，說明輪作促進了甘蔗分蘗及其成莖；且甘蔗蔗糖分平均提高了約0.5個百分點，蔗汁視純度提高10%，這些品質(zhì)的改善對糖廠制糖成本的控制意義重大。

土壤酶是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的最活躍的生物活性物質(zhì)，是土壤新陳代謝的重要促進因素，其與微生物一起推動土壤的代謝過程，在一定程度上土壤酶活性反映土壤養(yǎng)分的動態(tài)轉(zhuǎn)化[44-45]。土壤活性酶參與土壤中的生化反應(yīng)，包括土壤有機質(zhì)的形成、作物殘留的降解、營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化、土壤養(yǎng)分的循環(huán)和土壤肥力的保持等。前人研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗-菠蘿輪作提高了土壤中淀粉酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶等的活性[44]；關(guān)于其他作物的研究表明，土壤過氧化氫酶、磷酸酶、蔗糖酶、纖維素酶和蔗糖酶活性的提高也與輪作有關(guān)[19，46-49]。本研究也獲得了相似的結(jié)果，甘蔗與玉米和花生的輪作均顯著提高了土壤中脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和纖維素酶的活性，但不同作物對土壤酶活性的改善效果存在差異，而連作的結(jié)果卻相反。土壤養(yǎng)分含量的變化是影響作物正常生長發(fā)育的重要因素，甘蔗連作抑制了土壤有效養(yǎng)分的釋放，不利于甘蔗出苗和分蘗，且后期的生長發(fā)育也受抑制，從而造成宿根蔗減產(chǎn)，種植成本增加，最終導(dǎo)致總體效益和品質(zhì)降低。然而輪作很大程度地緩解了上述這些不利因素的影響，這與土壤酶活性的提高，從而改善土壤養(yǎng)分質(zhì)量密切相關(guān)。本研究的相關(guān)性分析結(jié)果表明，輪作模式下土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量呈正相關(guān)，說明土壤酶活性影響土壤養(yǎng)分的釋放。有研究表明，土壤肥力不僅與酶活性相關(guān)，也受土壤微生物的影響[50]，其中細(xì)菌和真菌是影響土壤中速效磷的主要微生物，磷酸酶是影響不同質(zhì)地土壤速效磷、堿解氮及速效鉀的主要酶[51]。還有研究表明，輪作可提高土壤細(xì)菌含量，降低真菌含量，使土壤由“真菌型”向“細(xì)菌型”轉(zhuǎn)變[35，40]。本研究表明，連作2年后的甘蔗土壤真菌含量為4.80×104/g，而2種作物輪作的真菌含量分別為3.43×104/g和2.33×104/g，連作的真菌含量遠(yuǎn)高于輪作，而輪作模式的細(xì)菌和放線菌含量高于連作，說明輪作提高了土壤微生物總量。相關(guān)性分析顯示，土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性之間存在相關(guān)關(guān)系，這可能由于輪作加快了土壤有機物轉(zhuǎn)化速度并加強了生物氧化代謝活動，改變了根際土壤的生態(tài)環(huán)境，增加了微生物數(shù)量，使作物根系和微生物向土壤中釋放酶的數(shù)量增加[50]。此外，土壤真菌數(shù)量越少，則真菌/細(xì)菌比值越小，那么土壤生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定，對作物病害的抑制能力越強[52]，這意味著輪作還可緩解甘蔗真菌病害的發(fā)生。綜上可知，輪作在改善蔗田土壤微環(huán)境和養(yǎng)分狀態(tài)方面發(fā)揮著積極的作用，而其養(yǎng)分含量與土壤微生物數(shù)量及酶活性變化密切相關(guān)。

4 結(jié)論

輪作在甘蔗提質(zhì)增效中發(fā)揮著積極作用，這可能是由于輪作后蔗田土壤的pH值、微生物總量和土壤酶活性的改善促進了土壤營養(yǎng)成分的加速釋放，提高了土壤養(yǎng)分的利用率，并最終實現(xiàn)甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。此外，土壤中微生物數(shù)量及過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶和纖維素酶活性等的變化影響土壤pH值，有機質(zhì)、全氮、全鉀、全磷、水解性氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分的平衡。