飼用雜交大豆與青貯玉米間作土壤特性研究

杜雨芊，王明玖，索榮臻，李淑寧，劉嘉偉，曹克璠

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼草栽培加工高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/內(nèi)蒙古自治區(qū)草地管理與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018)

間作是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華。豆科與禾本科牧草間作，可有效減少化肥使用，給家畜提供更多的飼料供應(yīng)，是一種高效可持續(xù)的農(nóng)牧業(yè)種植模式。該種植模式受到人們的廣泛重視，認(rèn)為是解決飼料供給危機(jī)有效且可行的栽培種植方式[1]。恰當(dāng)?shù)拈g作配置方式可提高土地的生產(chǎn)力，尤其適用于土地貧瘠的中、低產(chǎn)地區(qū)[2]。我國(guó)北方半干旱地區(qū)面臨著植被覆蓋率低、土地退化嚴(yán)重、生物豐度指數(shù)不斷降低等嚴(yán)峻形勢(shì)，加之對(duì)土地的不恰當(dāng)利用，導(dǎo)致了土地鹽堿化、土壤酶及微生物活性下降、土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重等一系列問(wèn)題[3]。長(zhǎng)久以來(lái)，單一作物連作，導(dǎo)致該區(qū)正常田間管理下的土地，養(yǎng)分流失同樣嚴(yán)重[4]，大部分退化的土地，均表現(xiàn)出了荒漠化特征[5]。間作可使土壤的穩(wěn)定性更強(qiáng)、微生物數(shù)量增多和酶活性增強(qiáng)[6]。豆/禾間作模式在土壤養(yǎng)分利用及分配方面具有更大優(yōu)勢(shì)，使得植物的根系分布及分泌特性發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)土壤微生物群落的構(gòu)成酶活性產(chǎn)生一定的影響[7]。眾多間作配置中，豆/禾間作因?yàn)槎箍浦参锏墓痰芰?，促使禾本科植物更好的吸收與利用氮素，土地利用效率提升，土壤生態(tài)環(huán)境的多樣性及穩(wěn)定性明顯改善[8]，在所有間作組合中，頗具研究?jī)r(jià)值。本次試驗(yàn)采用4個(gè)飼用雜交大豆與內(nèi)蒙古東部地區(qū)常用青貯玉米“寧單34”號(hào)間作，以野生大豆和栽培大豆為對(duì)照。土壤特性進(jìn)行研究，對(duì)土壤微環(huán)境的變化規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行探討，找到對(duì)土壤狀況改善最佳的間作配置組合和一種有效提高土壤養(yǎng)分的一年生飼草種植模式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市土默特右旗內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院牧草試驗(yàn)田(40°35′17.53″ N，110°34′19.77″ E)，平均海拔高度1 006 m。是較為典型大陸性半干旱氣候，年平均氣溫7.5 ℃，年均日照3 095 h，年均降水為346 mm。無(wú)霜期140 d。土壤類型為沙壤質(zhì)栗鈣土，種植前對(duì)土壤肥力進(jìn)行測(cè)定。其中，土壤pH值及有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為8.98、8.64 g/kg、55.65 g/kg、14.02 g/kg和99.20 g/kg。

1.2 供試材料

供試材料是草甸原生野生大豆與內(nèi)蒙古通遼地區(qū)栽培大豆大白眉行人工雜交形成的4個(gè)后代品種(品系)、野生大豆、開(kāi)豆17及青貯玉米“寧單34號(hào)”。其中“S001草食兼用雜交野大豆”和“內(nèi)農(nóng)S002 飼用雜交大豆”已于2013年和2017年注冊(cè)為育成新品種，品種登記號(hào)為NO21和NO71，本文以S001與S002代稱。其余供試材料編號(hào)為野生大豆、8-3黑綠、8-4-1棕、開(kāi)豆17和寧單34號(hào)(見(jiàn)表1)。

表1 供試飼用雜交大豆材料的基本特征

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)田設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，本文中Y/D1、Y/D2、Y/D3、Y/D4、Y/D5、Y/D6分別表示S001、S002、8-3黑綠、8-4-1棕、開(kāi)豆17、野生大豆與寧單34號(hào)間作種植模式；DD1、DD2、DD3、DD4、DD5、DD6、YY分別表示S001、S002、8-3黑綠、8-4-1棕、開(kāi)豆17、野生大豆和寧單34單作處理；YD1、YD2、YD3、YD4、YD5和YD6分別表示S001、S002、8-3黑綠、8-4-1棕、開(kāi)豆17和野生大豆間作處理；YJ1、YJ2、YJ3、YJ4、YJ5、YJ6分別表示“寧單34號(hào)”的間作處理。不同種植模式的每個(gè)處理重復(fù) 3次，共39個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為 6 m×5 m=30 m2，間隔2 m。飼用雜交大豆與青貯玉米的行數(shù)比例為2∶2(2行飼用雜交大豆與2行玉米相鄰間作)，行距50 cm，株距30 cm，玉米每穴1株，大豆每穴2株(后期保苗1株)。大豆單作、玉米單作行距株距與間作相同。飼用雜交大豆與青貯玉米均于5月中旬同時(shí)播種。整個(gè)生育期間均不進(jìn)行施肥處理，常規(guī)田間管理。

1.3.2土壤特性及土壤微生物

于8月中旬(玉米于乳熟期、大豆于結(jié)莢期)進(jìn)行取樣，于各飼用雜交大豆與青貯玉米間作小區(qū)與單作小區(qū)，分別取玉米及大豆的根際土壤，土樣裝入已滅菌的無(wú)菌袋中，立即置于4℃冰箱內(nèi)存放，進(jìn)行土壤細(xì)菌及真菌數(shù)量分析和土壤養(yǎng)分及酶活性測(cè)定。測(cè)定指標(biāo)與方法如下：

土壤有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀容量-外加熱法[9]；

土壤堿解氮：堿解擴(kuò)散法[9]；

土壤速效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬藍(lán)比色法[9]；

土壤速效鉀：用NH4OAc浸提-火焰光度法[9]；

脲酶：苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[10]；

堿性磷酸酶：磷酸苯二鈉比色法[10]；

過(guò)氧化氫酶：采用高錳酸鉀滴定法[10]；

蔗糖酶：3,5-二硝基水楊酸比色法[10]；

土壤微生物數(shù)量：采用稀釋平板法，細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌采用馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基。

1.3.3綜合指數(shù)計(jì)算

利用隸屬函數(shù)法，對(duì)不同間作配置組合測(cè)定的土壤特性指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，以綜合評(píng)價(jià)指數(shù)D值進(jìn)行排序。隸屬函數(shù)、權(quán)重及D值的計(jì)算公式如下:

正向隸數(shù)函數(shù)值[11]

負(fù)向隸數(shù)函數(shù)值[11]

式中，xi為第i個(gè)指標(biāo)值；xmin為某品種(系)第i個(gè)綜合指標(biāo)的最小值；xmax為第i個(gè)綜合指標(biāo)的最大值；U(xi)為第i個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。

權(quán)重[12]:

綜合評(píng)價(jià)指數(shù)D值[12]

式中，Wi代表第i個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度即權(quán)重；Pi表示第i個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，U(xi)為第i個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel 2013和SPSS 21.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA, LSD) 、主成分分析(Principal component analysis)、相關(guān)性分析(Correlation Analysis)和隸屬函數(shù)分析(Analysis of the affiliation function)。利用Origin 2019完成文中所有圖片繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 飼用大豆與青貯玉米間作對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.1.1飼用大豆根際土壤養(yǎng)分

對(duì)土壤pH測(cè)定，在不同種植模式中，除Y/D3模式外，間作飼用大豆均顯著低于相應(yīng)單作(P<0.05)；對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，除Y/D6模式外，間作飼用大豆均顯著高于相應(yīng)單作(P<0.05)；對(duì)土壤堿解氮測(cè)定發(fā)現(xiàn)，間作飼用大豆均顯著低于相應(yīng)單作(P<0.05)；對(duì)土壤速效磷測(cè)定發(fā)現(xiàn)，間作飼用大豆均顯著低于相應(yīng)單作(P<0.05)；對(duì)土壤速效鉀測(cè)定發(fā)現(xiàn)，間作飼用大豆均顯著高于相應(yīng)單作(P<0.05)(見(jiàn)表2)。

表2 不同種植模式飼用雜交大豆根際土壤養(yǎng)分變化

2.1.2青貯玉米根際土壤養(yǎng)分

對(duì)土壤pH測(cè)定，在不同種植模式中，間作青貯玉米均顯著低于相應(yīng)單作(P<0.05)；對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，除Y/D1和Y/D6模式外，間作青貯玉米均顯著高于相應(yīng)單作(P<0.05)；對(duì)土壤堿解氮測(cè)定發(fā)現(xiàn)，間作青貯玉米均顯著低于相應(yīng)單作(P<0.05)；對(duì)土壤速效磷測(cè)定發(fā)現(xiàn)，間作青貯玉米均顯著低于相應(yīng)單作(P<0.05)；對(duì)土壤速效鉀測(cè)定發(fā)現(xiàn)，間作青貯玉米均顯著高于相應(yīng)單作(P<0.05)(見(jiàn)表3)。

表3 不同種植模式青貯玉米根際土壤養(yǎng)分變化

2.2 飼用大豆與青貯玉米間作對(duì)土壤酶活性的影響

2.2.1飼用大豆根際土壤酶活性

對(duì)土壤脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性測(cè)定發(fā)現(xiàn)，不同種植模式，間作飼用大豆均顯著高于相應(yīng)單作(P<0.05)。YD2脲酶活性最高，YD5最低；YD2堿性磷酸酶活性最高，YD3最低；YD4過(guò)氧化氫酶活性最高，YD5最低；YD2蔗糖酶活性最高，YD5最低(見(jiàn)表4)。

表4 不同種植模式飼用雜交大豆根際土酶活性變化

2.2.2青貯玉米根際土壤酶活性

對(duì)土壤脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性測(cè)定發(fā)現(xiàn)，不同種植模式，間作青貯玉米均顯著高于相應(yīng)單作(P<0.05)。YJ2脲酶活性最高，YJ1最低；YJ6堿性磷酸酶活性最高，YJ3最低；YJ4過(guò)氧化氫酶活性最高，YJ5最低；YJ2蔗糖酶活性最高，YJ6最低(見(jiàn)表5)。

表5 不同種植模式青貯玉米根際土酶活性變化

2.3 飼用大豆與青貯玉米間作對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

2.3.1土壤細(xì)菌數(shù)量

對(duì)土壤細(xì)菌數(shù)量測(cè)定發(fā)現(xiàn)，不同種植模式，間作青貯玉米均顯著高于相應(yīng)單作(P<0.05)，且YJ2細(xì)菌數(shù)量最高，YJ5最低。間作飼用雜交大豆均顯著高于相應(yīng)單作，YD2土壤細(xì)菌數(shù)量最高，YD5最低(見(jiàn)圖1)。

注：Y/D1、Y/D2、Y/D3、Y/D4、Y/D5、Y/D6分別表示S001、S002、8-3黑綠、8-4-1棕、開(kāi)豆17、野生大豆與寧單34號(hào)間作的6種種植模式。YD、DD、YJ、YY分別表示不同種植模式中飼用雜交大豆間作、飼用雜交大豆單作、青貯玉米間作、青貯玉米單作，同一種植模式不同處理誤差棒上字母相同差異不顯著(P>0.05)。圖1 不同種植模式對(duì)青貯玉米與飼用雜交大豆根際土壤細(xì)菌數(shù)量的影響

2.3.2土壤真菌數(shù)量

對(duì)土壤真菌數(shù)量測(cè)定發(fā)現(xiàn)，不同種植模式，間作青貯玉米均顯著高于相應(yīng)單作(P<0.05)，且YJ2真菌數(shù)量最高，YJ5最低。間作飼用雜交大豆均顯著高于相應(yīng)單作，YD2土壤真菌數(shù)量最高，YD5最低(見(jiàn)圖2)。

注：Y/D1、Y/D2、Y/D3、Y/D4、Y/D5、Y/D6分別表示S001、S002、8-3黑綠、8-4-1棕、開(kāi)豆17、野生大豆與寧單34號(hào)間作的6種種植模式。YD、DD、YJ、YY分別表示不同種植模式中飼用雜交大豆間作、飼用雜交大豆單作、青貯玉米間作、青貯玉米單作，同一種植模式不同處理誤差棒上字母相同差異不顯著(P>0.05)。圖2 不同種植模式對(duì)青貯玉米與飼用雜交大豆根際土壤真菌數(shù)量的影響

2.4 不同種植模式土壤養(yǎng)分、土壤酶活性、微生物數(shù)量相關(guān)性分析

對(duì)不同種植模式土壤養(yǎng)分、土壤酶活性、微生物數(shù)量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤pH與土壤堿解氮含量呈負(fù)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。土壤堿解氮與土壤酶活性和土壤微生物數(shù)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與土壤速效磷含量呈正相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤酶活性和土壤微細(xì)菌數(shù)量和土壤速效鉀呈顯極著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與土壤真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而與土壤速效磷含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤速效鉀與土壤酶活性和土壤微生物數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量之間均呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)表6)。

表6 土壤養(yǎng)分、土壤酶活性和土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性圖

2.5 對(duì)不同飼用大豆與青貯玉米間作配置的綜合評(píng)價(jià)

2.5.1主成分分析

對(duì)不同飼用大豆與青貯玉米間作配置下的生產(chǎn)性能、根系特性和土壤特性的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，共提取3個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.972%，信息損失量為7.028%，可有效代表不同間作配置下生產(chǎn)性能與土壤特性的各項(xiàng)指標(biāo)所涵蓋的信息。根據(jù)進(jìn)一步規(guī)格化特征向量結(jié)果，3個(gè)主成分中根據(jù)特征值向量大小，第一個(gè)主成分系數(shù)最大的是間作青貯玉米根際土壤速效磷指數(shù)因子，第二個(gè)主成分中系數(shù)最大的是間作青貯玉米根際土壤堿解氮指數(shù)因子，第三個(gè)主成分系數(shù)最大的是間作青貯玉米土壤細(xì)菌數(shù)量指數(shù)因子(見(jiàn)表7)。

表7 不同間作配置下各項(xiàng)指標(biāo)的主成提取

2.5.2綜合指標(biāo)權(quán)重確定及不同間作模式的隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)

利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)各指標(biāo)貢獻(xiàn)率大小(分別為60.31%；20.79%和11.87%)，利用公式求出其權(quán)重分別為0.65、0.22和0.13，計(jì)算每個(gè)材料的綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)D值，不同間作模式的綜合排序?yàn)榕cY/D2>Y/D3>Y/D4>Y/D6>Y/D1>Y/D5(見(jiàn)表8)。

表8 不同間作模式的主成分分析得分和隸屬函數(shù)值

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，豆科與禾本科間作可有效改善土壤的養(yǎng)分水平[13]。本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)間作模式下的土壤pH要低于相應(yīng)單作種植模式，土壤的酸堿度得到改善。間作能夠有效提升土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀和速效磷含量。在大量關(guān)于間作對(duì)土壤養(yǎng)分影響的研究中也有同樣發(fā)現(xiàn)，例如，劉建榮[14]等在甘蔗/花生間作體系的研究中發(fā)現(xiàn)，與一般的單作模式比較，其土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀等一系列養(yǎng)分指標(biāo)都有了明顯的提升，土壤pH值也明顯改善；在苜蓿與大白菜間作模式中發(fā)現(xiàn)，間作土壤的硝態(tài)氮、速效磷和有效鉀含量較單作模式顯著提升[15]。李金婷等[16]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，間作種植導(dǎo)致茶樹(shù)土壤中的堿解氮、全氮、速效鉀、有效磷與機(jī)質(zhì)含量較單作模式均有顯著的提升，使得土壤養(yǎng)分條件得以改善。

土壤酶可以加快土壤有機(jī)體的代謝活動(dòng)，酶活性的強(qiáng)弱可有效體現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分之間的轉(zhuǎn)換能力。脲酶活性的高低在一定程度可以表征土壤的氮素水平及對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化能力；蔗糖酶活性的高低在一定程度上可以體現(xiàn)出有機(jī)碳積累與分解能力；堿性磷酸酶有助于土壤中有機(jī)磷轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟芍苯游张c利用的無(wú)機(jī)磷；土壤微生物的數(shù)量直接影響著土壤過(guò)氧化氫酶的活性[17]。本次試驗(yàn)中，6種飼用大豆與青貯玉米的間作組合均體現(xiàn)出，間作處理的土壤酶活性較單作高。在許多研究中也同樣發(fā)現(xiàn)，恰當(dāng)間作種植模式是有助于土壤酶活性的提升，進(jìn)一步加快土壤養(yǎng)分積累與轉(zhuǎn)化。王慶宇等[18]研究發(fā)現(xiàn)，燕麥與苜蓿和黑豆間作種植的土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和脲酶活性均較單作模式有了不同程度的提升。姜麗等[19]在玉米與紅薯、向日葵和花生的間作研究中發(fā)現(xiàn)，間作使得土壤脲酶、堿性磷酸酶以及過(guò)氧化氫酶活性升高。劉均霞等[20]同樣發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)土壤酶活性均呈現(xiàn)出，作物在間作土壤酶活性大于其相應(yīng)單作。

有研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物不喜在低養(yǎng)分且呈堿性土壤的環(huán)境里進(jìn)行生長(zhǎng)與繁殖[21]。合理的種植方式是可以有效改善土壤生態(tài)環(huán)境，對(duì)維持土壤微生物多樣性具有關(guān)鍵作用[22]。研究發(fā)現(xiàn)間作種植模式可以為土壤微生物提供一個(gè)良好的生長(zhǎng)與繁育空間，同時(shí)還可以增加微生物的多樣性，使其群落結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[23]。本研究中本次研究發(fā)現(xiàn)，不同飼用大豆與青貯玉米間作土壤的細(xì)菌與真菌數(shù)量高于單作。這與在燕麥與箭筈豌豆間作[24]、桑樹(shù)/苜蓿間作[25]和小麥/苜蓿間作[26]等一系列研究中所發(fā)現(xiàn)了規(guī)律一致，這說(shuō)明間作有助于提升土壤微生物多樣性是具有普遍性的。

4 結(jié)論

4.1 不同飼用大豆與青貯玉米間作均能使土壤的酸堿度有一定的改善，能夠有效提升土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性。

4.2 間作種植有助于提升土壤的細(xì)菌和真菌數(shù)量，有利于維持土壤微生物多樣性。

4.3 利用模糊隸書函數(shù)法對(duì)所有測(cè)定指標(biāo)分析，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)D值，以D值大小來(lái)衡量間作模式對(duì)土壤狀況的改良效果，值越大效果越好。不同間作模式的綜合排序?yàn)椋篩/D2>Y/D3>Y/D4>Y/D6>Y/D1>Y/D5，Y/D2較其他模式，與青貯玉米間作對(duì)土壤狀況的改良效果更好。