花生和玉米種植模式對科爾沁沙地土壤養(yǎng)分和生物特性的影響

吳宇倫 趙雪淞 宋王芳 楊晨曦 高欣

摘要 針對科爾沁沙地土壤沙化嚴(yán)重、土壤養(yǎng)分流失、肥力下降、農(nóng)田環(huán)境惡化等問題，以提高該區(qū)土壤質(zhì)量、改善農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境為目的，通過田間定位試驗，對花生連作（CK）、玉米連作（LC）、玉米-花生輪作（RC）、花生-玉米輪作（RP）4種種植模式下科爾沁沙地農(nóng)田的土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性及微生物生物量的變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與CK相比，其他3種種植模式均能顯著改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤酶活性和土壤微生物生物量碳、氮、磷含量，以玉米-花生的輪作模式（RC）效果最好。且不同處理下土壤MBC/MBN、MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP的比值分別在8.67%～11.18%、38.42%～46.07%、35.07%～57.56%、20.63%～55.94%，其比值在不同種植模式和不同土層深度的分布特征有明顯差異。相關(guān)性分析表明，土壤pH和氮磷鉀含量與土壤生物學(xué)指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01），土壤有機(jī)質(zhì)與土壤微生物生物量指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01）。

關(guān)鍵詞 種植模式;花生;玉米;土壤理化性質(zhì);土壤酶活性;土壤微生物生物量

中圖分類號 X171.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）05-0048-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.014

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effects of Peanut and Corn Planting Patterns on Soil Nutrient and Biological Characteristics in Horqin Sandy Land

WU Yu-lun1，ZHAO Xue-song1，SONG Wang-fang1，2 et al

（1.College of Environmental Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000;2.Shandong Coal Geological Planning and Exploration Research Institute，Jinan， Shandong 250104）

Abstract In view of the serious soil desertification， soil nutrient loss， fertility decline， farmland environment deterioration and other problems in Horqin Sandy Land，the purpose was to improve soil quality and farmland soil ecological environment in this area，through field positioning experiments，the changes of soil physical and chemical properties， soil enzyme activities and microbial biomass under four cropping modes of peanut continuous cropping （CK）， corn continuous cropping （LC）， corn-peanut rotation （RC） and peanut-corn rotation （RP） in Horqin Sandy Land were studied.The results showed that compared with CK， the other three cropping patterns could significantly improve soil physical and chemical properties， soil enzyme activities and soil microbial biomass C， N and P contents， and the corn-peanut rotation pattern （RC） had the best effect.And the ratios of soil MBC/MBN， MBC/SOC， MBN/TN， MBP/TP under different treatments were 8.67%-11.18%，3842%-46.07%，35.07%-57.56%， 20.63%-55.94%， respectively，the distribution characteristics of their ratios in different planting modes and different soil depths were significantly different.Correlation analysis showed that soil pH and N， P， K contents were significantly or extremely significantly positively correlated with soil biological indexes （P<0.05 or P<0.01）， and soil organic matter was significantly or extremely significantly positively correlated with soil microbial biomass indexes （P<0.05 or P<0.01）.

Key words Planting pattern;Peanut;Corn;Soil physical and chemical properties;Soil enzyme activity;Soil microbial biomass

基金項目 遼寧省興遼英才計劃項目（2017108006）。

作者簡介 吳宇倫（1997—），女，遼寧阜新人，碩士研究生，研究方向：生態(tài)修復(fù)理論與技術(shù)。*通信作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事生態(tài)修復(fù)理論與技術(shù)方面的研究。

收稿日期 2021-05-05

近年來，土地荒漠化已成為嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全球性問題，科爾沁沙地不僅是我國四大沙地之一，還是我國北方農(nóng)牧交錯帶沙漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]。該區(qū)域擁有豐富的光熱資源，農(nóng)作物增產(chǎn)潛力大[2]。但該地區(qū)由于過度放牧和開墾，不合理耕作種植等人為因素和季節(jié)性降水分配不均、強(qiáng)風(fēng)頻繁發(fā)生等自然因素，導(dǎo)致農(nóng)牧交錯帶土壤沙化日益嚴(yán)重，土層變薄，土壤質(zhì)量逐年下降，形成惡性循環(huán)，影響到該地區(qū)農(nóng)作物的產(chǎn)量和區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。該地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)屬于農(nóng)牧交錯區(qū)，偏重農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)簡單，作物主要有玉米、花生和雜糧。

連作與輪作是2種不同的種植模式。連作是一年內(nèi)或連年在同一塊土地上連續(xù)種植同一種作物的種植方式[6];因為該種植方式長期汲取同樣的營養(yǎng)元素，所以土壤健康狀況受到一定程度的影響，導(dǎo)致土壤變劣，造成土壤微生物活性降低，養(yǎng)分分解作用下降，從而影響作物的生長發(fā)育，致使作物產(chǎn)量品質(zhì)下降[7-9]。殷繼忠等[10]研究表明大豆連作會造成土壤理化性質(zhì)惡化;Cakmak[11]研究表明連作會引起土壤的pH、容重、速效磷和速效鉀含量隨著連作年限增加而降低。從阜新地區(qū)看，因連作而造成的減產(chǎn)現(xiàn)象也相當(dāng)明顯。

輪作是在同一塊土地上，有次序地在季節(jié)間或年間輪換種植不同的作物或復(fù)種組合的一種種植方式[12]。趙思騰等[13]研究表明玉米與大豆、苜蓿輪作可顯著提高土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性，玉米與豆科作物輪作對土壤肥力改良效果顯著。黃玉茜[14]研究表明土壤中氮素含量會隨著花生連作年限的增加呈先增后降再增的趨勢， 而磷素含量則隨連作年限的增加呈下降趨勢。李戌清等[15]研究表明與輪作相比，茄子連作土壤有效磷、鈣、鎂含量顯著降低，輪作土壤pH、總磷、有效磷、交換性鈣等含量顯著增加，輪作較連作更有利于保持或提高土壤肥力和土地生產(chǎn)力。高忠奎等[16]研究表明花生-水稻輪作土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量顯著高于水稻連作土壤，土壤肥力水平顯著提高。高效的農(nóng)業(yè)模式是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而輪作復(fù)種技術(shù)是高效農(nóng)業(yè)不可缺少的重要組成部分[17]。輪作是用地養(yǎng)地相結(jié)合的一種措施，不僅有利于均衡利用土壤養(yǎng)分和防治病、蟲、草害，還能有效地改善土壤的理化性狀，調(diào)節(jié)土壤肥力，最終達(dá)到增產(chǎn)增收的目的[18]。

針對科爾沁沙地農(nóng)牧交錯區(qū)土壤沙化、作物產(chǎn)量降低等現(xiàn)階段存在的突出問題，該研究通過田間定位試驗對4種不同種植模式（花生連作、玉米連作、玉米-花生輪作、花生-玉米輪作）條件下土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性及微生物生物量的變化進(jìn)行研究，確定適宜的種植模式，從而為該地區(qū)土壤質(zhì)量的改善和區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐，研究結(jié)果對創(chuàng)建合理的農(nóng)業(yè)種植制度、推進(jìn)農(nóng)田土壤生態(tài)修復(fù)治理、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)選自遼寧省沙地治理與利用研究所試驗站，位于科爾沁沙地東南緣的章古臺鎮(zhèn) （42°43′～43°20′N，122°22′～123°22′E），屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度6.65 ℃，平均相對濕度61%，無霜期為150 d左右;年降水量在360～500 mm，主要集中在6—8月，土壤蒸發(fā)量約是降水量的4倍，土壤類型以風(fēng)沙土為主，土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分為土壤pH 6.63、有機(jī)質(zhì)6.62 g/kg、全氮0.49 g/kg、全磷0.28 g/kg、全鉀26.17 g/kg、堿解氮67.47 mg/kg、速效磷1026 mg/kg、速效鉀73.09 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計 該試驗為2年的田間定位試驗，試驗開始前（2018年3月）選取一塊地面平整、土壤性質(zhì)分布均勻的土地，平均劃分為2個小區(qū)，于2018年分別種植玉米和花生，待秋收后進(jìn)行土地休閑，避免小區(qū)之間土壤混淆。2019年再將2個小區(qū)平均劃分成4個小區(qū)分別種植玉米、花生。4個小區(qū)的處理分別是玉米-花生輪作（RC）、玉米連作（LC）、花生-玉米輪作（RP）、花生連作（CK），以花生連作為對照，其中玉米-花生輪作為2018年種植玉米，2019年種植花生;花生-玉米輪作為2018年種植花生，2019年種植玉米。試驗選用花生品種“阜花 17 號”和玉米品種“遼單 975”，花生種植密度為75 000株/hm2，每穴2粒（行距30 cm，穴距20 cm）。玉米種植密度為72 000株/hm2（行距50 cm，株距25 cm）。耕作方式為壟耕，秋季作物收獲后機(jī)械滅茬，春季起壟。播種前所有處理均施有機(jī)肥550 kg/hm2作為底肥。根據(jù)當(dāng)年降水量至多灌溉一次，其他田間管理同大田。

1.3 土樣采集

于2019年10月作物收獲后、凍土前，按照5點(diǎn)取樣法在每個試驗區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5點(diǎn)，作為一個混合樣。采樣土壤深度為40 cm，分

0～20、20～40 cm 2個層次。樣品分為兩部分，一部分在4 ℃冰箱內(nèi)保存用于微生物指標(biāo)的測定;另一部分剔除礫石和植物殘根等雜物，放置陰涼處自然風(fēng)干用于土壤酶活性和理化指標(biāo)的測定。

1.4 測定方法

1.4.1 土壤理化性質(zhì)的測定。土壤pH采用pH酸度計測定;土壤有機(jī)質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀氧化法測定;土壤全氮采用凱氏定氮法測定;土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮鉬銻抗比色法測定;土壤全鉀采用氫氧化鉀熔融火焰光度計法測定;土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定;土壤速效磷采用0.5 mol/L的碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;土壤速效鉀采用1 mol/L的乙酸銨提取-火焰光度計法測定。

1.4.2 土壤酶活性的測定。土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定;土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定;土壤蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定;土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定。

1.4.3 土壤微生物量的測定。土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸提取-容量分析法測定;土壤微生物生物量氮（MBN）采用氯仿蒸提取-茚三酮比色法測定;土壤微生物生物量磷（MBP）采用氯仿熏蒸提取-無機(jī)磷比色法測定。

1.5 統(tǒng)計分析

用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，用SPSS 21.0軟件中的單因素方差分析（one-way ANOVA）的最小顯著差法（LSD）檢驗不同種植模式間、不同土層之間各項指標(biāo)的差異顯著性（P<0.05）;用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析土壤各化學(xué)指標(biāo)與土壤生物學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤pH。土壤pH是土壤最基本的化學(xué)性質(zhì)之一以及土壤肥力特征的綜合反映，也是土壤肥力的重要指標(biāo)之一[19]。由表1可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤的pH均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK處理與LC、RC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC、RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，CK處理與LC、RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05），LC、RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和RP處理分別比CK處理提高了0.31%～1.37%、1.82%～2.30%和1.52%～1.84%。該結(jié)果表明，種植模式對土壤酸堿度的影響不顯著，相較于連作模式，輪作模式土壤酸堿度更接近中性，以玉米-花生輪作處理（RC）的土壤酸堿度最接近中性。

2.1.2 土壤有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)是土壤中有機(jī)化合物和少量有機(jī)物的總和，不僅為植物提供生長所需的營養(yǎng)元素，更是土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和肥力的重要指標(biāo)之一[20]。由表1可知，4種種植模式0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK，CK處理與LC、RC、RP處理差異顯著（P<005），LC、RC處理間差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢表現(xiàn)為RC>LC>RP>CK，CK處理與LC、RC處理差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>005），LC處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），RC、RP處理間差異顯著（P<005）;LC、RC和RP處理分別比CK處理提高了376%～28.82%、6.82%～34.12%和3.06%～30.98%。該結(jié)果表明，種植模式對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響顯著，連作模式明顯降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量，而輪作模式則有效提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中以玉米-花生輪作處理（RC）效果最佳。

2.1.3 土壤氮素含量。

土壤氮素是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是植物生長必需的三大營養(yǎng)元素之一[21]。由表1可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤全氮含量均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK處理與RC處理差異顯著（P<0.05），與LC、RP處理差異不顯著（P>0.05），LC處理與RC、RP處理差異不顯著（P>0.05），RC與RP處理差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，CK處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），與LC處理差異不顯著（P>0.05），LC處理與RC處理差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>005），RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和RP處理分別比CK處理提高了5.88%～7.14%、13.72%～1905%和11.76%～14.29%。該結(jié)果表明，種植模式對土壤全氮含量有顯著影響，連作模式明顯降低了土壤全氮含量，而輪作模式則有效地提高了土壤全氮含量，其中以玉米-花生輪作處理（RC）土壤全氮含量最高。

由表1可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤堿解氮含量均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），與LC處理差異不顯著（P>0.05），LC處理與RC處理差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>0.05），RC、RP處理間差異不顯著（P>005）;20～40 cm土層，CK處理與RC處理差異顯著（P<005），與LC、RP處理差異不顯著（P>0.05），LC處理與RC、RP處理差異不顯著（P>0.05），RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和和RP處理分別比CK處理提高了284%～5.16%、6.89%～9.96%和5.61%～6.75%。該結(jié)果表明，種植模式顯著影響土壤堿解氮含量，連作模式土壤堿解氮含量較低，而輪作模式可以有效提高土壤堿解氮含量，其中以玉米-花生輪作處理（RC）土壤堿解氮含量最高。

2.1.4 土壤磷素含量。土壤磷素也是植物生長必需的3種營養(yǎng)元素之一，在植物營養(yǎng)中占有重要地位[22]。由表1可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤全磷含量均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），與LC處理差異不顯著（P>0.05），LC處理與RC處理差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>0.05），RC、RP處理差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，CK處理與LC、RC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC、RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和RP處理分別比CK處理提高了3.57%～6.25%、17.86%～18.75%和1250%～14.28%。該結(jié)果表明，種植模式對土壤全磷含量影響顯著，連作模式處理下土壤全磷含量明顯較低，輪作模式處理下土壤全磷含量較高，其中玉米-花生輪作處理（RC）土壤全磷含量相對最高。

由表1可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤速效磷含量均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），與LC處理差異不顯著（P>0.05），LC處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），RC、RP處理間差異顯著（P<0.05）;20～40 cm土層，CK處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），與LC處理差異不顯著（P>0.05），LC、RC處理間差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>0.05），RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和RP處理分別比CK處理提高了6.87%～14.21%、2668%～37.65%和18.10%～29.39%。該結(jié)果表明，種植模式顯著影響土壤速效磷含量，連作模式土壤速效磷含量較低，輪作模式則有效地提高了土壤速效磷含量，其中以玉米-花生輪作處理（RC）對土壤速效磷提升效果最顯著。

2.1.5 土壤鉀素含量。土壤鉀素也是植物生長必需的重要營養(yǎng)元素之一，在土壤肥力中起著重要的作用[23]。由表1可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤全鉀含量均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），與LC處理差異不顯著（P>0.05），LC處理與RC處理差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>0.05），RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，CK處理與RC處理差異顯著（P<0.05），與LC、RP處理差異不顯著（P>0.05），LC處理與RC、RP處理差異不顯著（P>0.05），RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和RP處理分別比CK處理提高了3.40%～4.04%、9.83%～1200%和5.48%～8.29%。該結(jié)果表明，種植模式顯著影響土壤全鉀含量，連作模式處理下土壤全鉀含量明顯較低，而輪作模式處理下土壤全鉀含量較高，其中以玉米-花生輪作處理（RC）效果最顯著。

由表1可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），與LC處理差異不顯著（P>0.05），LC處理與RC、RP處理差異不顯著（P>0.05），RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，CK處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），與LC處理差異不顯著（P>0.05），LC與RC、RP處理差異不顯著（P>0.05），RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和RP處理分別比CK處理提高了2.94%～3.52%、6.07%～8.05%和5.47%～642%。該結(jié)果表明，種植模式對土壤速效鉀含量影響顯著，連作模式處理土壤速效鉀含量明顯較低，而輪作模式土壤速效鉀含量更高，其中以玉米-花生輪作處理（RC）效果最好。

2.2 不同種植模式對土壤酶活性的影響

2.2.1 土壤過氧化氫酶活性。

過氧化氫酶是土壤中物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的一種重要的氧化還原酶類[24]，因此其活性在一定程度上可以表征土壤生物氧化過程的強(qiáng)弱。由圖1可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤過氧化氫酶活性均表現(xiàn)為RC>LC>RP>CK;0～20 cm土層，CK 處理與LC、RP 和RC處理差異顯著（P<0.05），LC、RP、RC處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm 土層，CK處理與 LC、RC處理差異顯著（P<0.05），LC、RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和RP處理分別比 CK 處理提高了16.92%～17.07%、2154%～24.39%和12.20%～13.85%。該結(jié)果表明，花生連作明顯降低了土壤過氧化氫酶活性，而輪作則有效地提高了土壤過氧化氫酶活性，其中以玉米-花生輪作處理（RC）土壤過氧化氫酶活性最高。

2.2.2 土壤磷酸酶活性。

磷酸酶是土壤中最為活躍的一種水解酶，能水解土壤中有機(jī)磷化合物并生成被植物直接吸收利用的無機(jī)態(tài)磷[25]。由圖2可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤磷酸酶活性均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK 處理與RP、RC處理差異顯著（P<0.05），LC處理與RC處理差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>0.05），RP、RC處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，CK、LC處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），CK處理與LC處理差異不顯著（P>0.05），RC處理與RP處理差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和 RP處理分別比CK處理提高了174%～8.13%、11.30%～18.70%和7.83%～12.20%。該結(jié)果表明，連作模式土壤磷酸酶活性較低，而輪作則有效地提高了土壤磷酸酶活性，以玉米-花生輪作處理（RC）效果最佳。

2.2.3 土壤蔗糖酶活性。

蔗糖酶又名轉(zhuǎn)化酶，其活性在一定程度上可反映土壤的熟化程度和肥力水平[26-27]。由圖3可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤蔗糖酶活性均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK處理與LC、RP、RC處理差異顯著（P<0.05），LC處理與RC處理差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>0.05），RP、RC處理間差異顯著（P<0.05）;20～40 cm土層，CK處理與LC、RC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC處理與RP 處理差異不顯著（P>0.05），與RC處理差異顯著（P<0.05），RC處理與RP處理差異顯著（P<0.05）;LC、RC和RP處理分別比CK處理提高了18.27%～26.61%、50.00%～51.61%和 32.69%～3387%。該結(jié)果表明，連作模式會降低土壤蔗糖酶活性，輪作模式可以有效提高土壤蔗糖酶活性，其中以玉米-花生輪作處理（RC）土壤蔗糖酶活性最高。

2.2.4 土壤蛋白酶活性。

蛋白酶參與土壤中氨基酸、蛋白質(zhì)以及其他蛋白質(zhì)氮有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化水解產(chǎn)物是高等植物的氮源之一，是評價土壤肥力的一個重要指標(biāo)[28]。由圖4可知，4種種植模式0～20、20～40 cm土層土壤蛋白酶活性均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK處理與LC、RP和RC處理差異顯著（P<0.05），LC處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），RP、RC處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，CK、LC處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），CK處理與LC處理差異不顯著（P>0.05），RC處理與RP處理差異不顯著（P>0.05）;LC、RC和 RP 處理分別比CK處理提高了5.58%～9.22%、25.32%～27.99%和21.46%～2526%。該結(jié)果表明，連作模式處理下土壤蛋白酶活性明顯降低，輪作模式處理下土壤蛋白酶活性上升，其中以玉米-花生輪作處理（RC）土壤蛋白酶活性最高，花生-玉米輪作處理（RP）次之。

2.3 不同種植模式對土壤微生物生物量碳、氮、磷的影響

土壤微生物生物量是土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分，常被用作反映土壤肥力和質(zhì)量的一個重要指標(biāo)[29]。由圖5可知，不同種植模式對土壤微生物量碳、氮、磷含量產(chǎn)生顯著影響。土壤微生物生物量碳（MBC）含量在0～20、20～40 cm的土層中，CK處理與LC、RC、RP處理差異顯著（P<0.05），RC處理與LC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC處理與RP處理差異不顯著（P>0.05）。土壤微生物生物量氮（MBN）含量在0～20 cm土層各處理間差異顯著（P<0.05）;在20～40 cm土層，CK處理與LC、RC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），RC處理與RP處理差異不顯著（P>005）。土壤微生物生物量磷（MBP）含量在0～20 cm土層中，CK處理與LC、RC、RP處理差異顯著（P<005），LC處理與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），RC處理與RP處理差異不顯著（P>0.05）;在20～40 cm土層中，CK處理與LC、RC、RP處理差異顯著（P<0.05），RC處理與LC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC處理與RP處理差異不顯著（P>0.05）。因此，連作模式處理下土壤微生物生物量含量明顯較低，輪作模式處理下土壤微生物生物量含量更高，其中玉米-花生輪作處理（RC）土壤微生物生物量含量相對充足。

2.4 不同種植模式土壤MBC/MBN、MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP的比值

土壤MBC/MBN的比值是反映土壤氮素供應(yīng)能力的重要生物學(xué)指標(biāo)。由表2可知，0～20 cm土層CK、LC處理顯著高于RC、RP處理（P<0.05），但CK、LC

處理間差異不顯著（P>0.05），RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層CK處理顯著高于LC、RC、RP處理（P<0.05），LC、RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）。結(jié)果表明，種植模式對土壤MBC/MBN的比值有顯著影響，作物連續(xù)種植的土壤供氮能力較好。

土壤MBC/SOC的比值可用來指示土壤中有機(jī)質(zhì)的輸入量和MBC的轉(zhuǎn)化速率。由表2可知，不同種植模式下，各處理0～20 cm土層MBC/SOC大小順序表現(xiàn)為CK>RC>RP>LC，CK與LC、RP處理差異顯著（P<0.05），與RC處理差異不顯著（P>0.05），RC與LC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC與RP處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層MBC/SOC大小順序表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK，CK與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC與RC處理差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>0.05）。結(jié)果表明，種植模式對土壤MBC/SOC的比值有顯著影響，綜合來看玉米-花生輪作處理（RC）效果最佳。

土壤 MBN/TN的比值可充分反映土壤中氨態(tài)氮所占的比例以及土壤中全氮向MBN 的轉(zhuǎn)化效率。由表2可知，不同種植模式下，各處理0～20 cm土層MBN/TN均高于20～40 cm土層;各處理0～20、20～40 cm土層MBN/TN大小順序均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層RC與CK、LC處理差異顯著（P<0.05），與RP處理差異不顯著（P>0.05），RP與CK、RC處理差異顯著（P<0.05），與LC差異不顯著（P>005），CK、LC處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，CK與LC、RC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC、RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）。結(jié)果表明，種植模式對土壤MBN/TN的比值有顯著影響，連作模式處理下土壤中氨態(tài)氮所占的比例及全氮向MBN 的轉(zhuǎn)化效率明顯降低，而輪作模式則能有效地提高，其中以玉米-花生輪作處理（RC）效果最好。

土壤 MBP/TP的比值可充分反映土壤中活性有機(jī)磷所占的比例以及土壤中全磷向 MBP 的轉(zhuǎn)化效率。由表2可知，不同種植模式下，各處理0～20 cm土層MBP/TP均低于20～40 cm土層;各處理0～20、20～40 cm土層MBP/TP大小順序均表現(xiàn)為RC>RP>LC>CK;0～20 cm土層，CK與LC、RC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC與RC、RP處理差異顯著（P<0.05），但RC、RP處理間差異不顯著（P>0.05）;20～40 cm土層，CK與LC、RC、RP處理差異顯著（P<0.05），RC與LC、RP處理差異顯著（P<0.05），LC與RP處理間差異不顯著（P>0.05）。結(jié)果表明，種植模式對土壤MBP/TP的比值有顯著影響，連作模式處理下土壤中活性有機(jī)磷所占的比例以及土壤中全磷向MBP的轉(zhuǎn)化效率明顯較低，而輪作模式則較高，其中以玉米-花生輪作處理（RC）效果最好。

2.5 土壤理化性質(zhì)與生物學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

由表3可知，pH與土壤生物學(xué)指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01）;土壤有機(jī)質(zhì)與土壤酶活性指標(biāo)相關(guān)性不顯著（P>0.05），與土壤微生物生物量指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)（P<001）;土壤全氮與土壤生物學(xué)指標(biāo)（除過氧化氫酶）呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01）;土壤全磷與土壤生物學(xué)指標(biāo)（除過氧化氫酶）呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01）;土壤全鉀與土壤生物學(xué)指標(biāo)（除磷酸酶）呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）;土壤堿解氮與土壤生物學(xué)指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01）;土壤速效磷與土壤生物學(xué)指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01）;土壤速效鉀與土壤生物學(xué)指標(biāo)（除磷酸酶）呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01）。

3 討論

不同種植模式對土壤理化性質(zhì)有顯著影響。該研究結(jié)果表明，連作模式pH、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量明顯較低，玉米與花生輪作后，土壤上述指標(biāo)含量則有效提高。Dou等[30-31]研究發(fā)現(xiàn)，長期棉花連作會造成土壤有機(jī)碳含量降低，合理的輪作可有效改良土壤理化性質(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力，這與該研究結(jié)果相似。這是由于作物連續(xù)種植后，對土壤養(yǎng)分的吸收性單一，使一部分養(yǎng)分含量持續(xù)下降或積累，造成土壤養(yǎng)分失衡，而輪作模式可以協(xié)調(diào)不同作物之間養(yǎng)分吸收的局限性，養(yǎng)分得到均衡利用，從而提高土壤養(yǎng)分的有效性。該研究發(fā)現(xiàn)不同種植模式下表層土（0～20 cm）的土壤理化指標(biāo)含量均高于底層土（20～40 cm），說明土壤理化指標(biāo)含量表現(xiàn)下降趨勢，這與鄭超等[32-34]的研究結(jié)果一致。這可能是由于作物的枯枝落葉掉落在表層，并在土壤上腐化分解，促使土壤有機(jī)質(zhì)及其他養(yǎng)分含量得到一定補(bǔ)充。

不同種植模式對土壤酶活性有顯著影響。該研究結(jié)果表明，與連作模式相比，輪作模式能夠顯著提高土壤過氧化氫酶、磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶活性，其中以玉米-花生輪作處理（RC）對土壤酶活性的改良效果最優(yōu)，這與趙思騰等[13，35-36]的研究結(jié)果一致。這是因為同一作物長期連續(xù)種植會造成土壤養(yǎng)分失衡或過度消耗，土壤中病原微生物迅速繁殖，導(dǎo)致土壤酶活性下降。而輪作模式在一定程度上可以通過根系分泌物調(diào)整根際微生物群落的組成，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)土壤酶活性的提高。該研究發(fā)現(xiàn)不同種植模式下表層土（0～20 cm）的各項酶活性均高于底層土（20～40 cm），說明土壤酶活性隨土層深度的增加呈下降趨勢，這與黃懿梅等[37]的研究結(jié)果一致。這是因為土壤表層聚集了更多動植物及其有機(jī)殘體，土壤微生物的種類和數(shù)量增多，生物活性增強(qiáng)從而釋放出更多的酶，導(dǎo)致土壤表層酶活性高于底層。

不同種植模式對土壤微生物生物量有顯著影響。該研究結(jié)果表明，種植模式顯著影響了土壤微生物生物量碳、氮、磷含量。與連作模式相比，輪作模式能夠提高土壤微生物生物量碳、氮和磷含量，其中以玉米-花生輪作處理（RC）對土壤微生物生物量含量的提升效果最顯著，這與孟令波等[38-39]的研究結(jié)果一致。這是因為長期種植單一作物容易導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分失衡，作物根際環(huán)境破壞，微生物群落結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致微生物生物量含量降低。而輪作模式能改善作物根際土壤生態(tài)環(huán)境，從而導(dǎo)致土壤微生物生物量含量增加。該研究中不同種植模式下表層土（0～20 cm）的土壤微生物生物量碳、氮、磷含量均高于底層土（20～40 cm），說明土壤微生物生物量含量隨土層深度的增加而下降，這與Allison等[40]的研究結(jié)果一致。這是因為土壤表層作物根系分泌物及有機(jī)殘體等積累較多，有機(jī)質(zhì)豐富有利于土壤微生物的生長繁殖，土壤養(yǎng)分高，因此土壤表層的微生物生物量高于底層。

該研究中連作及輪作模式對土壤MBC/MBN、MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP比值有顯著影響，說明種植模式是影響上述比值的一個重要因素，可作為表征土壤肥力水平的生物學(xué)指標(biāo)。花生連作（CK）土壤的氮素供應(yīng)能力更好是因為花生具有固氮作用。此外，該研究結(jié)果還表明土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性和微生物生物量有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，李磊等[41-42]的研究也有類似結(jié)果。這是土壤養(yǎng)分、土壤酶和土壤微生物生物量協(xié)同發(fā)展的結(jié)果，土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)在很大程度上依賴微生物的活動以及土壤酶對底物的轉(zhuǎn)化作用，而高有機(jī)質(zhì)含量的土壤可促進(jìn)微生物的大量繁殖，進(jìn)而土壤酶活性和微生物生物量的增加，從以上相關(guān)性分析結(jié)果來看，土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性和微生物生物量均能很好地反映土壤的肥力狀況，可以作為有效評價土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)。

4 結(jié)論

花生和玉米的種植模式對科爾沁沙地土壤肥力和土壤微生態(tài)環(huán)境有顯著影響。從土壤理化性質(zhì)、酶活性及微生物生物量方面分析，相較于花生連作，玉米連作、玉米-花生輪作和花生-玉米輪作均能在統(tǒng)計學(xué)意義上顯著提高土壤碳、氮、磷和有機(jī)質(zhì)含量、土壤酶活性以及土壤微生物生物量碳、氮和磷含量，其中以玉米-花生輪作模式效果最好。在0～40 cm土層，各化學(xué)指標(biāo)含量均表現(xiàn)為表層（0～20 cm）高于底層（20～40 cm），說明表層土壤養(yǎng)分積累較多、肥力較好。與花生連作相比，玉米-花生輪作土壤中有機(jī)質(zhì)的輸入量和MBC的轉(zhuǎn)化速率、土壤中氨態(tài)氮所占的比例及全氮向MBN 的轉(zhuǎn)化效率、土壤中活性有機(jī)磷所占的比例以及土壤中全磷向 MBP 的轉(zhuǎn)化效率能顯著提高，但是花生連作土壤的氮素供應(yīng)能力更好。相關(guān)性分析表明，土壤pH和有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量與土壤生物學(xué)指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01）;土壤有機(jī)質(zhì)與土壤酶活性指標(biāo)相關(guān)性不顯著（P>0.05），與土壤微生物生物量指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），說明土壤養(yǎng)分指標(biāo)與土壤酶活性和土壤微生物生物量的關(guān)系密切。綜上所述，輪作模式優(yōu)于連作模式，其中玉米與花生輪作的種植模式可以有效改善科爾沁沙地農(nóng)田土壤質(zhì)量，有利于該地農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，適合在該地區(qū)推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]

陳娟麗，趙學(xué)勇，劉新平，等.降雨量對科爾沁沙地3種沙生植物生長和生理的影響[J].中國沙漠，2019，39（5）：163-173.

[2] 陳銀萍，牛亞毅，李偉，等.科爾沁沙地自然恢復(fù)沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量特征[J].高原氣象，2019，38（3）：650-659.

[3] 蔡楚雄.科爾沁沙地南緣不同植被對沙地改良及風(fēng)蝕影響研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[4] 楊震.淺談我國沙地沙漠化的成因及防治措施[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（2）：153-154.

[5] 趙志榮，許端陽，張緒教，等.2000—2015年內(nèi)蒙古地區(qū)土地沙漠化脆弱性評估[J].水土保持研究，2020，27（1）：168-175.

[6] 李林強(qiáng)，邱黛玉，賈雪.連作輪作模式下當(dāng)歸大蒜間作對當(dāng)歸質(zhì)量的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2017，35（3）：53-58.

[7] 劉鑫慧，王晉民.芹菜連作土壤養(yǎng)分及酶活性變化研究[J].青海農(nóng)林科技，2019（2）：1-4，64.

[8] 孫小花，胡新元，陸立銀，等.黃土高原馬鈴薯不同連作年限土壤理化性質(zhì)及微生物特性[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2019，37（4）：184-192.

[9] 崔勇.馬鈴薯連作造成的影響及連作障礙防控技術(shù)[J].作物雜志，2018（2）：87-92.

[10] 殷繼忠，李亮，接偉光，等.連作對大豆根際土壤細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)的影響[J].生物技術(shù)通報，2018，34（1）： 230-238.

[11] CAKMAK I.Plant nutrition research： Priorities to meet human needs for food in sustainable ways[J].Plant and soil，2002，247：3-24.

[12] 王洪預(yù).東北春玉米不同種植模式比較研究[D].長春：吉林大學(xué)，2019.

[13] 趙思騰，師尚禮，陳建綱，等.隴中旱作區(qū)不同輪作方式對土壤碳、氮含量及酶活性的影響特征[J].草地學(xué)報，2019，27（4）：817-824.

[14] 黃玉茜.花生連作障礙的效應(yīng)及其作用機(jī)理研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011：31.

[15] 李戌清，張雅，田忠玲，等.茄子連作與輪作土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物群落結(jié)構(gòu)差異分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2017，43（5）：561-569.

[16] 高忠奎，蔣菁，唐秀梅，等.水旱輪作條件下花生品種篩選及土壤特性變化分析[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2018，49（12）：2403-2409.

[17] 牛小霞，牛俊義.不同輪作制度對定西地區(qū)農(nóng)田雜草群落的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2017，35（4）：223-229.

[18] 樊良新，佟艷.河南省探索實行耕地輪作休耕制度研究[J].經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊，2017（17）：16-17，36.

[19] 何振嘉，王啟龍.風(fēng)沙草灘區(qū)鹽堿地整治對土壤理化性質(zhì)的影響[J].西部大開發(fā)（土地開發(fā)工程研究），2020，5（2）：73-78.

[20] 朱永青，崔云霞，李偉迪，等.太滆運(yùn)河流域不同用地方式下土壤pH值、有機(jī)質(zhì)及氮磷含量特征分析[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2020，36（2）：171-178.

[21] 魏伶.白云鄂博礦區(qū)土壤養(yǎng)分與苔蘚種類分布及其稀土富集能力的關(guān)系研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2019.

[22] 牛雅瓊，吳興洪，冉斌，等.豆科綠肥翻壓對獼猴桃產(chǎn)質(zhì)量和土壤肥力的影響[J].北方園藝，2020（5）：87-94.

[23] 孫志祥，韓上，武際，等.秸稈還田對雙季稻產(chǎn)量和土壤鉀素平衡的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2020，36（9）：9-13.

[24] 孫建，劉苗，李立軍，等.免耕與留茬對土壤微生物量C、N及酶活性的影響[J].生態(tài)學(xué)報，2009，29（10）：5508-5515.

[25] 張艾明，劉云超，李曉蘭，等.水肥耦合對紫花苜蓿土壤磷酸酶活性的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2016，35（11）：2896-2902.

[26] 費(fèi)裕翀，路錦，劉麗，等.鋁脅迫對不同林分土壤中杉木幼苗根際土壤酶活性和微生物的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2020，48（1）：74-79.

[27] 趙月，王春雨，隋躍宇，等.基于玉米大豆輪作的黑土玉米農(nóng)田酶活性對不同耕層厚度的響應(yīng)[J].玉米科學(xué)，2019，27（6）：95-103.

[28] 徐欣，鄭利遠(yuǎn)，周珂，等.長期施肥對不同有機(jī)質(zhì)水平黑土蛋白酶活性及氮素的影響[J].中國土壤與肥料，2019（1）：44-48.

[29] 孫冰潔，賈淑霞，張曉平，等.耕作方式對黑土表層土壤微生物生物量碳的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2015，26（1）：101-107.

[30] DOU F G，WRIGHT A L，MYLAVARAPU R S，et al.Soil enzyme activities and organic matter composition affected by 26 years of continuous cropping[J].Pedosphere，2016，26（5）：618-625.

[31] 陳光榮，王立明，楊如萍，等.西北灌區(qū)薯/豆連續(xù)套作對系統(tǒng)產(chǎn)量及土壤肥力的影響[J].草業(yè)學(xué)報，2017，26（10）：46-55.

[32] 鄭超，郭治興，袁宇志，等.廣東省不同區(qū)域農(nóng)田土壤酸化時空變化及其影響因素[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2019，30（2）：593-601.

[33] 莫晶，閆文德，劉曙光，等.油茶-花生間作土壤酶活性與養(yǎng)分的關(guān)系[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2017，37（6）：89-95.

[34] 陳浩，魏立本，王亞麒，等.烤煙不同種植施肥模式對土壤養(yǎng)分、酶活性及細(xì)菌多樣性的影響[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2019，50（5）：982-989.

[35] 劉文清，崔廣娟，王芳，等.香蕉-甘蔗輪作對土壤養(yǎng)分含量及酶活性的影響[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，46（8）：86-96.

[36] 李曉婷，李立軍，李楊，等.輪作方式對土壤微生物量及酶活性的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2018，34（9）：68-73.

[37] 黃懿梅，安韶山，曲東，等.黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)過程中土壤酶活性的響應(yīng)與演變[J].水土保持學(xué)報，2007，21（1）：152-155.

[38] 孟令波，劉彤彤，張春怡，等.棚室茄子不同栽培方式對土壤微生物多樣性的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，48（11）：18-25.

[39] 楊淑莉，朱安寧，張佳寶，等.免耕對小麥-玉米輪作下玉米季土壤微生物生物量碳、氮的影響[J].土壤通報，2010，41（4）：802-806.

[40] ALLISON V J，YERMAKOV Z，MILLER R M，et al.Using landscape and depth gradients to decouple the impact of correlated environmental variables on soil microbial community composition[J].Soil biology and biochemistry，2007，39（2）：505-516.

[41] 李磊.輪作條件下化肥減量對土壤養(yǎng)分及微生物活性的影響[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[42] 黃容，高明，萬毅林，等.秸稈還田與化肥減量配施對稻-菜輪作下土壤養(yǎng)分及酶活性的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2016，37（11）：4446-4456.