玉米/花生間作條件下土壤環境因子的相關性和主成分分析

唐秀梅，黃志鵬，吳海寧，劉菁，蔣菁*，唐榮華

1. 廣西壯族自治區農業科學院經濟作物研究所，廣西 南寧 530007；2. 廣西大學農學院，廣西 南寧 530005

間作套種栽培模式廣泛應用于世界各地，尤以非洲和亞洲國家最多（張月萌等，2018；Xiao et al.，2019）。例如，在喀麥隆主要間作模式是玉米、花生和木薯間作（Ediage et al.，2014）。中國的間種模式呈現多樣性特點，從北到南均有代表性的間種模式。如新疆的棗棉間作模式（蔡志平等，2016），西北的蘋果花生間作模式（蔡智才等，2017），華北的小麥蠶豆間作模式（董艷等，2013；2016）和海南芒果柱花草（白昌軍等，2003）等。近年來，關于間套作體系的基礎研究呈現多元化和精細化發展規律。間套體系中作物的產量優勢（馮曉敏等，2015；韓全輝等，2017）、光合（韓全輝等，2014；焦念元等，2015）、微生物（鄭亞強等，2016）和養分（周曉舟等，2012）吸收利用及相互作用機制已有較多研究，但針對間套種作物對土壤微生態環境的影響機制研究甚少。土壤微生物是農業生態系統的重要組成部分，在作物殘體降解、腐殖質形成及養分轉化與循環中發揮著重要作用（Luduena et al.，2019）。土壤酶可在一定程度上反映土壤的肥力狀況。因此，植物生長環境下的土壤養分、酶、微生物三者的相互作用維系或主宰了農業生態系統的微生態功能，故土壤微生態環境與土壤可持續利用及植物的正常生長密切相關。

玉米/花生間作是中國常用的栽培模式之一（劉均霞等，2007；賈曦等，2016）。研究表明，玉米/花生間作模式可有效防控病蟲害（賈曦等，2016）、促進氮素固定吸收（張曉娜等，2019）、改善土壤微生物和土壤養分狀況（章家恩等，2009），從中發掘和鑒定有益微生物還可以制備成微生物肥料（Luduena et al.，2019）。間作會引發土壤性質，微生物群落和養分利用的系統性變化（Lian et al.，2019），但其中機制尚不清楚。由于土壤環境因子中通常涉及的指標較多，且各指標間又存在相互關聯和信息重疊現象，通過主成分分析法可以可將多個生態環境指標簡化成幾個主成分進行綜合評價（楊文娜等，2019），通過相關性分析可以明確不同種植模式下各個環境因子的互作關系，進而揭示環境因子變化的內在原因。據此，本研究以廣西壯族自治區的主要玉米花生間作模式為基礎，系統測定玉米/花生間作模式下根際土壤養分、酶和微生物變化規律，并進行相關性和主成分分析，以期為解析玉米/花生間作機制打下堅實的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種為“桂單0810”，是廣西的主推玉米品種，由廣西壯族自治區農業科學院玉米研究所提供；花生品種選擇耐蔭性強、適合間套作種植的高產品種“桂花 836”，由廣西壯族自治區農業科學院經濟作物研究所提供。

1.2 試驗地點及供試土壤

在廣西農業科學院武鳴里建科研基地（23°14′N，108°03′E）進行田間試驗，供試土壤均為酸性紅壤土，土壤全氮質量分數1.34 g·kg-1、全磷 0.53 g·kg-1、全鉀 12.6 g·kg-1、有效氮 70.5 mg·kg-1、有效磷 13.9 mg·kg-1、有效鉀 98.0 mg·kg-1、有機質16.2 g·kg-1、pH值為5.46。試驗地區域屬于亞熱帶季風氣候，光熱水資源充足，年平均氣溫21.7 ℃，年平均日照時數 1660 h，年平均降雨量1300 mm。

1.3 試驗設計

2019年3月5日，同時種植玉米和花生，以玉米、花生單作為對照，以玉米/花生間作為處理進行田間試驗。單作花生，采用0.8 m包溝起壟，在壟面上種植2行花生，花生寬行距為50 cm，窄行距30 cm，株距為16.5 cm，雙粒每穴種植；單作玉米，采用70 cm等行距種植玉米，株距0.27 m；玉米間作花生，采用2:4的玉米、花生行距配比進行玉米、花生間作種植，即玉米寬窄行種植，窄行距40 cm，寬行距2 m，玉米寬行間起低畦種植4行花生，花生與玉米行距為50 cm，間作花生窄行距30 cm，間作花生寬行距40 cm，間作玉米、花生的株距與單作種植相同。試驗設計3個重復，小區面積為48 m2（6 m×8 m）。

1.4 取樣及測定

當花生成熟收獲時，于2019年7月10日分別拔取玉米和花生植株，每處理拔取 10株，抖落植株根部的大塊松散土壤，用經過消毒的軟毛刷刷下附著在玉米、花生根際的土壤，將采集的土壤分成兩份，用無菌封口袋裝好，其中一份保存在4 ℃冰箱，以供測定土壤微生物和土壤酶活性；另一份土壤自然風干，研磨后過篩，用于測定土壤養分含量。

土壤養分含量按照《土壤分析技術規范》測定（杜森等，2006），土壤全氮含量用凱氏蒸餾法測定；有效氮含量用堿解擴散法測定；土壤全磷、有效磷含量采用用鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀、速效鉀含量采用 FP6410火焰光度計測定；有機質含量按照重鉻酸鉀容量法測定；pH值采用酸度計、電位法測定；土壤含水量采用烘干法測定。

土壤酶活性按照比色法和滴定法測定（張旭龍等，2016），蔗糖酶活性用硫代硫酸鈉滴定法測定，蛋白酶活性用茚三酮比色法測定，脲酶活性用靛酚藍比色法測定，土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定。

土壤微生物數量按照平板培養法測定（張萌萌等，2015）。土壤微生物細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基、真菌采用馬丁氏培養基、放線菌采用高氏一號培養基進行培養計數。采用Shannon-Wiener指數法計算微生物多樣性指數（H），計算公式為（杜森等，2006）：

式中ni為第i個物種的微生物個體數量；N為群落中所有物種的微生物個體數量。

3.5 數據分析

采用Excel 2010和SPSS 25.0分析軟件，按照Duncan’s法進行多重比較，分析不同處理間的差異顯著性（P＜0.05和P＜0.01）。采用因子分析對不同栽培措施測定根際土壤養分、酶和微生物含量進行相關性和主成分分析。表格中的數據均為3次重復平均值，采用平均值±標準誤的方式列出（林海明，2007）。

2 結果與分析

2.1 玉米/花生間作對根際土壤養分含量的影響

玉米/花生間作會顯著改善土壤理化性質。我們分析了單作花生、單作玉米、間作玉米和間作花生根際土壤養分含量（表 1）。結果表明，間作玉米根際土壤全氮、有效氮、有效磷、有效鉀分別比單作玉米增長了10.71%、12.85%、176.74%和29.94%，差異均達到顯著水平；全磷、全鉀、有機質和 pH值在單作玉米和間作玉米處理間差異不顯著。間作花生根際土壤全氮、速效氮、速效磷、pH顯著高于單作花生處理，分別比單作花生增長了8.68%、6.99%、33.33%和14.37%，全鉀和速效鉀含量在間作花生和單作花生處理中差異不顯著?？梢?，玉米/花生間作可顯著增加根際土壤全氮、速效氮和速效磷含量，進而達到提高土壤肥力的效果。

表1 玉米間作花生對根際土壤養分含量的影響Table 1 Effect of the corn/peanut intercropping on the nutrient in rhizosphere soil

2.2 玉米間作花生對不同根際土壤酶活性的影響

從表2可以看出，間作玉米根際土壤脲酶和酸性磷酸酶活性顯著高于單作玉米，分別比單作玉米增加了 37.36%和93.14%；間作玉米根際土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性分別比單作玉米減少了6.81%、0.38%，但其與單作玉米差異不顯著。間作花生根際土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶分別比單作花生增長了8.68%、43.50%、61.03%和35.93%，其中間作花生的脲酶和酸性磷酸酶活性與單作花生處理的差異顯著；而間作花生處理的過氧化氫酶活性比單作花生處理減少了17.67%，但其差異不顯著?？梢?，玉米/花生間作顯著提高玉米、花生根際土壤脲酶和酸性磷酸酶活性。

2.3 玉米間作花生不同根際土壤微生物數量的變化

土壤養分改良、酶活性變化與土壤微生物數量和種類有關，我們分析了土壤中細菌、真菌、放線菌、微生物總數及微生物多樣性的變化（表 3）。從表3可以看出，間作玉米的細菌、真菌、放線菌、微生物總數及微生物多樣性指數分別單作玉米提高了37.34%、34.33%、58.82%、38.21%和3.44%，其中間作玉米的細菌和微生物總數與單作玉米處理的差異呈顯著水平。間作花生根際土壤細菌、放線菌、微生物總數比分別單作花生處理增加了13.13%、9.37%和12.20%，而間作花生根際土壤真菌和微生物多樣性指數分別比單作花生降低了0.92%和4.05%，間作花生根際微生物數量及微生物多樣性指數和單作花生處理的差異均不顯著。表明玉米/花生間作可顯著增加玉米根際土壤細菌和微生物總數量，但對花生根際土壤微生物數量的影響不明顯。

2.4 玉米間作花生根際土壤生態環境指標相關性分析

為了深入解析玉米/花生間作條件下土壤養分、酶和微生物等共 16個指標的變化規律，我們對其進行了生態環境因子相關分析（表4）。結果表明，有效磷含量與脲酶活性和酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關（P＜0.01），脲酶和酸性磷酸酶活性呈顯著正相關（P＜0.05），真菌和放線菌含量顯著正相關（P＜0.05）。而土壤全鉀含量和 pH值、蔗糖酶呈顯著負相關（P＜0.05），蛋白酶和過氧化氫酶呈極顯著負相關（P＜0.01）。其它指標相關性不顯著。

表2 玉米/花生間作對根際土壤酶活性的影響Table 2 Effect of corn/peanut intercropping on soil enzyme activities in rhizosphere soil

表3 玉米/花生間作對不同根際土壤微生物的影響Table 3 Effect of corn /peanut intercropping on soil microbe in rhizosphere soil

表4 玉米/花生間作條件下土壤生態因子的相關性分析Table 4 Correlation analysis of soil indexes under four planting patterns

2.5 玉米間作花生根際土壤環境因子主成分分析

在相關分析的基礎上，我們采用SPSS 25.0軟件對玉米/花生間作條件下根際土壤全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷、有效鉀、有機質、pH值、脲酶、蛋白酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、細菌、真菌和放線菌數量共 16個指標進行主成分分析（表5）。采用分析-降維-因子方法發現獲得3個主成分，解析貢獻率分別為 48.981%、43.617%和7.402%，總貢獻率為100%。第一主成分主要由放線菌、真菌、有效磷等組成。第二主成分主要為有機質和 pH，第三主成分主要是總氮和細菌。我們將 16個指標成分矩陣主成分得分除以提取載荷獲得載荷矩陣（表6），獲得3個主成分得分的計算方程分別為：Y1=-0.021X1+0.334X2+0.122X3+0.231X4+0.339X5+0.307X6+0.049X7-0.050X8+0.335X9+0.165X10-0.165X11-0.197X12+0.331X13-0.213X14+0.345X15+0.356X16。

表5 主成分分析總方差分析表Table 5 Total Variance Explained table in principal component analysis

表6 成分矩陣Table 6 Component Matrix

根據方程計算出不同種植模式的得分（表7）。從中可以看出，間作花生得分最高為 1.937，間作玉米次之 1.008，單作花生-0.952，單作玉米最差-1.993。主成分分析結果與土壤養分、酶、微生物的結果一致，進一步證明相比單作玉米、花生而言，玉米/花生間作可改善土壤微生態環境。

3 討論

土壤養分、酶、微生物三者相互作用、共同維持土壤環境的生態功能。在農業生產實踐中，土壤生態環境的變化受作物種類、施肥方式、間套輪作種植模式、有機農業、耕作深度等多種因素的影響（李斌等，2006；van der Heijden et al.，2013）。作物間套作種植由于增加了農田生物多樣性，對土壤生態環境也有一定的影響，這在國內外均有研究報道。Song et al.（2007）研究報道，小麥/蠶豆、小麥/玉米、玉米/蠶豆間作體系能能夠明顯改變細菌的群落結構，增加土壤微生物量碳、氮和磷的有效性。梨園/芳香植物、甘蔗/大豆、麥/棉套作均可以提高土壤微生物數量（Li et al.，2013；吳紅英等，2010；王瑛等，2006）?；ㄉ?藥用植物間作體系中不同行距配置對土壤微生物G-細菌的影響較大，間作根際養分富集的地方 G-細菌增加了 31.2%—79.9%（Dai et al.，2013）。在本研究中，玉米/花生間作可顯著增加根際土壤全氮、速效氮、速效磷含量以及土壤脲酶和酸性磷酸酶活性，并可增加玉米根際土壤細菌和微生物總數量，但對花生根際土壤微生物數量的影響不大，這與前人研究的番茄/豆科（代會會等，2015）、油茶/綠肥（丁怡飛等，2018）、玉米/花生（章家恩等，2009）、茶園/大豆（黎健龍等，2008）等間作模式提高土壤養分含量的結果一致。間作增加土壤養分含量的原因可能跟間作作物根系分泌物的增加以及土壤酶活性、微生物代謝及花生生物固氮功能有關（唐秀梅等，2015）。相比種植一種作物的單作而言，種植兩種或兩種以上作物的間作系統根系分泌物相對更豐富，根系分泌物可以直接絡合、螯溶土壤難溶性養分，增加土壤養分的有效性。此外，本研究中間作土壤脲酶、酸性磷酸酶活性的顯著升高，可能會提高土壤有機養分轉化成無機有效養分的效率，進而增加了土壤的有效養分含量。再者，花生作為一種豆科作物，其根瘤的生物固氮作用可將空氣中的游離氮轉化為可供作物吸收利用的有效氮，這些氮素營養在間作體系中可通過作物的根系相互作用轉移到其它作物的根區，從而增加間作作物的根際土壤有效氮含量（Li et al.，2003；艾為黨等，2000）。由此推測，間作根系分泌物的變化、關鍵土壤酶活性的增加及花生的生物固氮作用可促進土壤有效養分的活化及根際轉運，進而改善間作土壤養分狀況。

表7 種植模式綜合評價表Table 7 Comprehensive evaluation form of 4 planting patterns

前人關于間作農田生態系統中土壤養分、微生物、酶之間的相關性已有一些報道（van der Heijden et al.，2013；Zhang et al.，2013）。在玉米/辣椒（徐強等，2007）、豆科/番茄（代會會等，2015）、茶園/三葉草（徐華勤等，2009）等間套作研究中均發現土壤養分含量與蔗糖酶、磷酸酶、脲酶活性呈顯著或極顯著正相關。張向前等（2012）研究玉米和豆科間作發現微生物數量與脲酶、磷酸酶活性呈顯著或極顯著正相關。本研究通過玉米/花生間作條件下主要土壤環境因子的相關分析，發現有效磷含量與脲酶活性和酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關，脲酶和酸性磷酸酶活性顯著正相關，這與前人研究結果相似。本研究中還發現土壤全鉀含量和pH值、蔗糖酶呈顯著負相關，蛋白酶和過氧化氫酶呈極顯著負相關，這在前人研究中未見報道。前人研究報道玉米/大豆間作系統中微生物數量和脲酶、蔗糖酶、磷酸酶及酸性磷酸酶存在顯著正相關（Zhang et al.，2013）。在農業生態系統中，植物-土壤-微生物-酶存在互惠互利的關系，植物將光合產物以根系分泌物和植物殘體形式釋放到土壤，為土壤微生物提供生長物質（碳源和能源），同時為土壤微生物提供有利的生存環境；而土壤微生物也可以分泌對植物生長有益的物質，土壤酶參與土壤養分和物質循環的各種生化過程，同時將有機養分轉化成無機養分，以利于植物吸收利用?？梢?，間作條件下土壤養分含量的變化與土壤酶活性及微生物數量存在著密切關系，三者相互作用，共同維持良好的作物生長環境。而土壤酶活性及微生物對土壤養分的作用機理仍需要更深入、細致的研究。

主成分分析是因子分析的一種，可將多個指標簡化為少數幾個具有代表性的綜合指標，從而達到了簡化分析過程并進行綜合評價的目的（楊文娜等，2019），該方法廣泛用于品種選育（卜偉召等，2015）和栽培措施評價（趙銀月等，2019；周澤弘等，2019）。本研究通過對玉米/花生間作條件下的16個土壤環境因子進行主成分分析，將這些生態指標分成3個主成分，分別是放線菌、真菌、有效磷成分及有機質、pH成分和總氮、細菌成分，并計算出不同種植模式在主成分中的綜合得分，發現間作花生得分最高，間作玉米次之，兩者得分均明顯高于單作花生及單作玉米。間作土壤環境因子主成分分析結果與以上土壤養分、酶、微生物的分析結果一致，進一步證明玉米/花生間作系統的土壤生態環境優于單作玉米和單作花生系統。

4 結論

玉米/花生間作可顯著增加根際土壤全氮、速效氮、速效磷含量以及土壤脲酶和酸性磷酸酶活性，并可增加玉米根際土壤細菌和微生物總數量，但對花生根際土壤微生物數量的影響不大。間作土壤有效磷含量的增加與土壤脲酶活性和酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關，而土壤全鉀含量和pH值、蔗糖酶呈顯著負相關?？梢?，玉米/花生間作系統可通過增加土壤氮、磷養分含量及部分土壤酶活性改善土壤微生態環境，其中以間作花生根際微生態環境最佳。