棉花產(chǎn)量和土壤微生物數(shù)量及酶活性對棉田間作系統(tǒng)的響應

崔愛花 孫亮慶 劉帥 白志剛 胡啟星 孫巨龍 黃國勤

摘要：為探討紅壤旱地上以棉花為主體的間作系統(tǒng)的優(yōu)勢機制，為促進南方旱地農(nóng)業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)，設置大豆、玉米、甘薯3種傳統(tǒng)作物分別與棉花間作，以棉花單作為對照，研究棉花產(chǎn)量、土壤微生物數(shù)量及酶活性對棉田間作系統(tǒng)的響應。結(jié)果表明：（1）間作較單作可通過總鈴數(shù)的增加來提高籽棉產(chǎn)量，單位面積總鈴數(shù)增加27.3%～78.7%，2年平均顯著增產(chǎn)15.0%～40.4%（P<0.05）;（2）各處理的土壤微生物數(shù)量均隨生育期的推進呈先升后降再升的趨勢，間作較單作可顯著增加土壤細菌、真菌、放線菌和固氮菌數(shù)量，增幅分別為30.7%～64.0%（花鈴期）、24.5%～39.0%（蕾期）、23.1%～50.6%（蕾期）和44.1%～94.9%（吐絮期）;（3）間作較單作可顯著增加土壤中轉(zhuǎn)化酶、脲酶和過氧化氫酶活性，增幅分別為22.8%～73.4%（收獲后）、100.0%～250.0%（花鈴期）和42.9%～150.0%（吐絮期）。棉花產(chǎn)量、微生物數(shù)量及酶活性關(guān)系較密切，相互之間存在正向促進作用。棉花甘薯間作可提高土壤中微生物的數(shù)量以及酶活性，改善土壤肥力，達到棉花增產(chǎn)的目的，是適宜在紅壤旱地上推廣應用的較優(yōu)模式。

關(guān)鍵詞：棉花;間作;產(chǎn)量;土壤微生物;酶活性

中圖分類號： S344.2;S562.04 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0053-06

收稿日期：2021-05-10

基金項目：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設專項（編號：CARS-15-38）;江西省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳科技計劃（編號：贛農(nóng)辦字[2017]56、贛農(nóng)廳辦函[2019]76號）。

作者簡介：崔愛花（1983—），女，河南新鄉(xiāng)人，博士，副研究員，主要從事棉花栽培及生理生態(tài)研究工作。E-mail：49856861@qq.com。

通信作者：黃國勤，博士，教授，主要從事作物栽培、耕作制度、農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等方面的研究。E-mail：hgqjxauhgq@sina.com。

棉花是重要的戰(zhàn)略物資，在我國國民經(jīng)濟中的地位尤為重要[1-2]，間作在我國應用歷史悠久，是一種非常重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[3]，間作優(yōu)勢產(chǎn)生的最主要的生態(tài)機制是生態(tài)位的分離，這是因為間作中2種作物的地下部與地上部在生態(tài)位上發(fā)生分離，使時空生態(tài)位進行互補擴大，繼而使地下的養(yǎng)分資源及地上的光、熱資源實現(xiàn)時間的前后分離和空間上的互補擴大，促進資源的高效利用[4-6]。間作以可通過改變土壤微生物數(shù)量以及酶活性來影響土壤環(huán)境，繼而使作物產(chǎn)量及品質(zhì)發(fā)生改變[7-10]。土壤中微生物、酶共同參與土壤的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，是評價土壤肥力的重要指標之一[11-13]。本試驗探討土壤微生物及酶活性對紅壤旱地棉田間作系統(tǒng)的響應特點，旨在探明棉田間作的優(yōu)勢機制，為解決棉爭地矛盾，推進棉花產(chǎn)業(yè)的綠色、高效和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2016—2017年在江西農(nóng)業(yè)大學試驗田（115°55′02.040″E，28°46′04.476″N）開展大田試驗。試驗區(qū)光熱資源充足，年平均日照時數(shù)、日照總輻射分別為1 559.9 h、102.55 kJ/cm2，無霜期約269 d，年均溫度及≥10 ℃的活動積溫分別為16.5、5 521 ℃，年均降水量為1 658.9 mm。試驗初始土壤性狀如下：容重1.304 g/cm3，總孔隙度52.98%，毛管空隙度41.55%，有機質(zhì)含量 29.78 g/kg，pH值4.75，全氮含量1.34 g/kg，堿解氮含量 90.00 mg/kg，全磷含量1.18 g/kg，有效磷含量 76.35 mg/kg，全鉀含量55.38 g/kg，速效鉀含量107.50 mg/kg。

1.2 試驗設計

隨機區(qū)組設計，以棉花單作（MC）為對照，設3種間作處理，分別是棉花大豆間作（CS）、棉花玉米間作 （CM）和棉花甘薯間作 （CP），共4個處理，每個處理3次重復。小區(qū)面積為6.0 m（長）×5.5 m（寬）=33.0 m2。

供試棉花品種為江西省棉花研究所選育的贛棉雜1號;大豆品種選用東北毛豆，玉米品種為甜糯玉米，甘薯品種為南昌農(nóng)家種，上述作物均從市場購買。

1.3 田間管理

棉花分別于2016年4月25日和2017年4月17日開溝播種，行株距設置為 100 cm×40 cm;大豆和玉米的播種期分別為2016年4月24日和2017年4月16日，種植方式是在2行棉花中間開溝播種，行株距均為100 cm×25 cm。甘薯苗分別于2016年5月11日和2017年4月25日開溝栽種，行株距同大豆和玉米，每種作物的施肥情況如表1所示，其他管理方式同大田一致。

1.4 測定項目和方法

1.4.1 棉花產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀

棉花產(chǎn)量按實收產(chǎn)量計算;吐絮期，在棉花植株中部位置，每個小區(qū)選取30個棉鈴，帶回室內(nèi)考種，測出棉花鈴質(zhì)量和衣分;每個小區(qū)選取長勢一致的10株棉花進行掛牌標記，調(diào)查單株成鈴數(shù)，取平均值。

1.4.2 土壤微生物數(shù)量

土壤中的細菌、真菌、放線菌和固氮菌數(shù)量采用固體平板培養(yǎng)計數(shù)法測定[14]。

1.4.3 土壤酶活性

土壤過氧化氫酶、脲酶及轉(zhuǎn)化酶分別采用高錳酸鉀滴定法、靛酚藍比色法和 3，5-二硝基水楊酸比色法進行測定[15]。

1.5 統(tǒng)計方法

采用Excel 2010對原始數(shù)據(jù)進行整理，采用SPSS 17.0和OriginPro 8.5軟件分別進行數(shù)據(jù)分析和作圖，因2年數(shù)據(jù)表現(xiàn)趨勢較一致，故以2017年的試驗結(jié)果進行分析說明。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉田間作對棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表2可知，棉田間作可增加棉花產(chǎn)量，2016年CS、CM和CP的籽棉產(chǎn)量分別比MC顯著提高35.9%、11.4%和37.7%，2017年CS、CM和CP分別比MC顯著提高37.6%、18.6%和43.0%;處理CS和CP之間差異不顯著，但兩者均顯著高于處理CM。各處理單位面積的鈴數(shù)與籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)趨勢相似，間作處理鈴數(shù)較單作年均顯著增加27.3%～78.7%;處理CS和CP之間差異不顯著，但均顯著高于處理CM，與單作相比，間作在增加單鈴質(zhì)量、衣分及籽指方面沒有顯著作用。因此，棉田間作較單作可有效提高棉花產(chǎn)量，且增產(chǎn)的主要原因是鈴數(shù)的增加，以處理CS（棉花間作大豆）和處理CP（棉花間作甘薯）的增產(chǎn)優(yōu)勢最為明顯。

2.2 棉田間作對土壤微生物數(shù)量的影響

由表3可知，各處理的土壤細菌、真菌、放線菌、固氮菌數(shù)量均隨著生育期的推進呈先升高后降低再升高的趨勢。

在土壤微生物的主要組成成分中，細菌生物量占比最大，它可以有效分解各種有機物，是衡量土壤肥力的重要指標之一[16-17]。細菌數(shù)量的增加可提高土壤微生物活性，能夠促進植物生長，增加產(chǎn)量。處理MC和CP的土壤細菌數(shù)最高值出現(xiàn)在蕾期，CS和CM的最高值在花鈴期。棉花播種前、蕾期和花鈴期處理CS、CM和CP的細菌數(shù)量均顯著高于MC，增幅分別為36.4%～65.6%、23.8%～31.2%和30.7%～64.0%;花鈴期至吐絮期下降幅度較大，吐絮期處理CS和CP分別較處理MC顯著增加34.5%和60.3%，處理CM與MC之間差異不顯著;吐絮期以后各處理土壤細菌數(shù)量有所上升，棉花收獲后，處理CS較處理MC顯著高33.6%，處理CM和CP與處理MC之間差異均不顯著。以上結(jié)果表明，間作較單作可有效提高土壤細菌含量，其中處理CS（棉花間作大豆）表現(xiàn)最優(yōu)。

處理MC、CS和CM的真菌數(shù)量最高值均出現(xiàn)在蕾期，處理CP的最高值在花鈴期。播種前，各處理的土壤真菌含量差異不顯著，隨后明顯增加，至蕾期，處理CS、CM和CP分別較處理MC顯著增加37.3%、24.5%和39.0%，處理CP顯著高于處理CM，但與CS之間差異不顯著?；ㄢ徠?，處理CS和CP較處理MC分別顯著增加22.8%和45.5%;處理CM與處理MC之間差異不顯著;花鈴期至吐絮期，各處理真菌數(shù)量急劇下降，吐絮期，間作處理CS、CP分別比MC顯著低41.8%、29.1%;吐絮期以后各處理土壤真菌數(shù)量有所上升，棉花收獲后，各處理之間無顯著差異。以上結(jié)查表明，棉田間作較單作可有效提高棉花蕾期和花鈴期的土壤真菌數(shù)量，處理CP優(yōu)勢最明顯。

處理CS、CM和CP的放線菌數(shù)量最高值均出現(xiàn)在蕾期，處理MC的最高值在花鈴期。各處理的放線菌數(shù)量除在花鈴期無顯著差異外，其余各時期均存在一定的差異。棉花播種前和收獲后均表現(xiàn)為處理CS、CM和CP之間差異不顯著，不同的是，播種前僅處理CP較MC顯著高65.6%，收獲后處理CS和CM較處理MC顯著高35.8%和25.4%。蕾期，處理CS、CM和CP分別較處理MC顯著增加50.6%、30.5%和23.1%;處理CS顯著高于處理CP，但與處理CM之間差異不顯著。吐絮期，各處理的土壤放線菌數(shù)量降到最低，處理CP較處理MC顯著高80.0%，處理CS、CM與處理MC之間差異均不顯著。綜合分析認為，處理CP在增加土壤放線菌數(shù)量方面優(yōu)勢明顯。

各處理的固氮菌數(shù)量最高值均出現(xiàn)在蕾期。棉花播種前和花鈴期各處理表現(xiàn)的趨勢相同，處理CS和CP均顯著高于處理MC，而處理CM與處理MC之間差異不顯著。不同點是播種前處理CS和CP均顯著高于處理CM，而花鈴期則是3個間作處理之間差異均不顯著;吐絮期和收獲后均表現(xiàn)為間作處理CS、CM和CP之間差異不顯著，不同的是吐絮期，處理CS、CM和CP均顯著高于處理MC，增幅為44.1%～94.9%;而收獲后，僅處理CP顯著高于MC，增幅為58.3%。由以上結(jié)果可知，棉田間作可增加土壤固氮菌的數(shù)量，以處理CP表現(xiàn)最好。

將各處理棉花收獲后較種植前土壤微生物數(shù)量的增量列于表4，可知除CP處理放線菌和CS處固氮菌的增量為負值外，各處理的土壤微生物數(shù)量均有不同程度的增加，與單作相比，CS對細菌、放線菌生物量增加有明顯優(yōu)勢;CP對固氮菌生物量增加有明顯優(yōu)勢。綜合來看，CP優(yōu)勢明顯。

2.3 棉田間作對土壤酶活性的影響

土壤酶活性的大小受植物種類、養(yǎng)分含量、土壤質(zhì)地等多種因素的影響，常作為土壤肥力的主要衡量標準之一[6]。

2.3.1 棉田間作對土壤轉(zhuǎn)化酶活性的影響

轉(zhuǎn)化酶常用于衡量土壤肥力水平和熟化程度，參與土壤中碳循環(huán)過程，對土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)的增加起著重要作用。由圖1可知，處理MC的土壤轉(zhuǎn)化酶活性隨著生育進程的推進呈先升高后降低的趨勢，最高值出現(xiàn)在吐絮期，處理CS、CM和CP均呈先升后降再升的趨勢，最高值出現(xiàn)在花鈴期或收獲后。除花鈴期外，其余各時期均有間作處理與單作處理存在顯著性差異。播種前，間作各處理均顯著高于MC，增幅為28.7%～72.3%。蕾期，處理CS比處理MC顯著高44.4%，而處理CM和CP均與處理MC之間差異不顯著。吐絮期，處理CS、CM和CP均顯著低于處理MC，降幅為26.3%～40.4%。收獲后，間作處理均顯著高于處理MC，增幅為 22.8%～73.4%。

2.3.2 棉田間作對土壤脲酶活性的影響

由圖2可知，處理MC土壤脲酶活性播種前至吐絮期均無明顯變化，收獲后達到最高值;處理CS和CP土壤脲酶活性均呈先升后降再升高的趨勢，不同的是，處理CS在蕾期至花鈴期土壤脲酶活性無變化，而處理CP在花鈴期和收獲后差異不明顯;處理CM土壤脲酶活性，播種前至花鈴期無明顯差異，花鈴期至吐絮期下降而后升高。播種前，處理CM土壤脲酶活性最高，比處理MC、CS和CP均高100%。蕾期，處理CS比處理MC高150.0%，兩者差異顯著（P<0.05），而處理CM和CP均與處理MC之間差異不顯著。花鈴期，處理CP土壤脲酶活性最高，其次是處理CS和CM，三者分別比處理MC高250.0%、150.0%和100.0%，差異顯著（P<0.05）。吐絮期，處理CS、CM和CP均與處理MC之間無顯著差異，處理CM顯著高于處理CS。收獲后，處理CS和CP均比處理MC高75.0%，差異顯著（P<0.05），而處理CM與處理MC之間差異不顯著。

2.3.3 棉田間作對土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖3可以看出，處理MC、CS和CP的土壤過氧化氫酶活性均隨著生育期的推進呈先降低后升高的趨勢，拐點均在吐絮期;而處理CM呈逐漸降低的趨勢。播種前，處理CS、CM和CP分別顯著比處理MC高50.0%、66.1%和16.1%;蕾期，處理CS、CM之間差異不顯著，分別顯著比處理MC高60.0%和54.5%，處理CP與處理MC之間差異不顯著;花鈴期與蕾期表現(xiàn)一致，亦是處理CS和CM差異不顯著，分別顯著比處理MC高41.3%和52.2%，而處理CP與MC之間差異不顯著;吐絮期，處理CM最高，處理CS和CP次之，分別顯著比處理MC高150.0%、64.3%和42.9%;收獲后，處理CS、CM和CP之間差異不顯著，分別顯著比處理MC高50.0%、43.3%和43.3%。

將棉花收獲后較播種前的土壤酶活性增量列于表5，處理CS、CM在促進轉(zhuǎn)化酶活性增加方面優(yōu)勢明顯;處理CS和CP較MC可有效增加脲酶活性;各處理的土壤過氧化氫酶活性增量均為負值，處理CP優(yōu)勢較明顯。

2.4 土壤微生物數(shù)量、酶活性與棉花產(chǎn)量的相關(guān)性

將土壤微生物中的細菌、放線菌、真菌及固氮菌數(shù)量，過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性以及棉花產(chǎn)量等8個指標之間的相關(guān)關(guān)系進行分析。由表6可知，各指標之間均存在正相關(guān)關(guān)系，棉花產(chǎn)量除與細菌數(shù)量達到極顯著相關(guān)外，與其余各指標之間的相關(guān)性均達到顯著水平，說明土壤微生物數(shù)量及酶活性直接影響到棉花產(chǎn)量。另外，細菌數(shù)量分別與放線菌、固氮菌數(shù)量存在顯著相關(guān)關(guān)系，與轉(zhuǎn)化酶活性的相關(guān)性達到極顯著水平;固氮菌、放線菌數(shù)量及轉(zhuǎn)化酶活性彼此之間均呈顯著相關(guān);真菌數(shù)量與脲酶活性、放線菌數(shù)量與過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性均達到顯著相關(guān)。

3 討論

孫建等認為，土壤微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用，與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系密切[12]。眾多學者開展了有關(guān)土壤微生物對間作系統(tǒng)的響應研究，得出的結(jié)論是，通過間作種植可使土壤系統(tǒng)中的微生物數(shù)量及多樣性均有不同程度的增加。如沈雪峰等研究表明，甘蔗與花生間作能顯著增加土壤中的細菌、放線菌及真菌的數(shù)量[18];宋亞娜等開展了小麥‖蠶豆、玉米‖蠶豆和小麥‖玉米間作效應研究，證實了間作可提高作物根際微生物的多樣性[19];張向前等一致認為，間作較單作顯著增加了土壤中的細菌、真菌、固氮菌的數(shù)量[8，20]。但張亮亮等在研究結(jié)論中指出，與棉花單作相比，南疆的棗‖棉間作在促進土壤微生物數(shù)量增加方面的作用不顯著[21]。本研究中的土壤細菌和真菌數(shù)量在棉田間作條件下均得到了有效提高;棉花與大豆間作處理的土壤放線菌數(shù)量明顯增加，棉花與甘薯間作處理在增加土壤中的固氮菌數(shù)量方面有優(yōu)勢。

李成芳等在研究中指出，土壤酶活性和農(nóng)業(yè)措施及土壤肥力存在顯著相關(guān)關(guān)系，可反映土壤中多種生化過程強度[22]。劉均霞等提出，間作作物根際的土壤磷酸酶和脲酶活性顯著高于任一單作[7];覃娟等研究認為，甘藍間作水蘿卜處理較單作促進了不同耕層土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性的增加，差異達到了顯著或極顯著水平[23];但謝利等在棉花‖孜然間作模式對土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響的研究中得出，間作較單作使土壤中的過氧化氫酶、蔗糖酶及脲酶的活性呈不同程度的降低，差異達到顯著水平[24]。本研究中棉田間作模式較棉花單作可有效促進土壤中3種酶活性的增加。

產(chǎn)量與土壤生態(tài)系統(tǒng)中的微生物數(shù)量及酶活性密切相關(guān)，存在正的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性達到極顯著或顯著水平[8，25-27]。符冠富等研究指出，土壤酶活性在水稻的灌漿中后期與產(chǎn)量以及干物質(zhì)量存在顯著相關(guān)關(guān)系[28];馬冬云等得出了小麥產(chǎn)量、根際土壤系統(tǒng)中的酶活性和微生物數(shù)量存在顯著正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[29]。本研究與上述研究結(jié)論一致，土壤微生物數(shù)量、棉花產(chǎn)量及酶活性彼此之間均存在正的相關(guān)關(guān)系，棉花產(chǎn)量除與細菌數(shù)量達到極顯著相關(guān)外，與其余各指標之間的相關(guān)性均達到顯著水平。

4 結(jié)論

在紅壤旱地棉田實施間作均能不同程度地增加單位面積棉花成鈴數(shù)和籽棉產(chǎn)量;提高棉田土壤中的真菌、細菌、放線菌和固氮菌數(shù)量及微生物總數(shù)，可有效增加土壤過氧化氫酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性，以棉花間作甘薯模式較好;棉花產(chǎn)量與微生物數(shù)量及酶活性三者之間存在正相關(guān)關(guān)系。因此，大力發(fā)展以棉花為主體作物的間作，不僅可以緩解糧棉爭地矛盾，且可以提高資源利用效率，達到增產(chǎn)增收的目的，促進旱地農(nóng)業(yè)的綠色、高效和可持續(xù)發(fā)展。

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