甘薯/玉米不同間作方式對土壤養分、酶活性及作物產量的影響

張 艷，郭書亞，尚 賞，盧廣遠，劉亞軍

（商丘市農林科學院，河南商丘476000）

甘薯是我國重要的糧食作物和能源作物。近年來，隨著甘薯產業的發展，甘薯種植面積逐年加大。但是甘薯多年連續種植，會造成甘薯連作障礙嚴重發生，不僅使得甘薯產量下降、品質降低、病蟲害頻繁發生，還會造成土壤養分失衡、生物學特性降低以及土壤微生態環境發生改變等[1-5]。有很多研究表明，合理的間套作是解決連作障礙的有效方法，劉廣才等[6]研究得出，大麥、玉米間作具有明顯的間作優勢。唐明明等[7]研究表明，玉米/馬鈴薯、玉米/油菜、大豆/馬鈴薯和大豆/油菜間作栽培時在土壤養分吸收方面明顯優于單作栽培。宋亞娜等[8]研究發現，間作栽培能夠改變作物根際土壤微生物群落結構組成，并得出間作栽培時物種多樣性與土壤微生態多樣性存在緊密聯系。間作栽培能影響土壤微生態環境、改變土壤微生物群落的結構及功能多樣性[9]。

土壤養分是農作物養分吸收的主要來源，養分含量的高低對作物能否正常生長發育起著關鍵作用[10]；土壤酶是土壤微生態環境中物質運動和能量交換等活動中的活躍物質，酶活性是衡量土壤肥力及養分吸收轉化的重要指標[11]。合理的間、套作能夠利用不同作物生長發育在時間和空間上的差異及根系之間分泌物的交互作用，彌補作物對土壤養分吸收的不均勻，避免土壤養分含量的閑置及流失，促進土壤養分吸收，提高土壤酶活性，并能有效改善土壤微生態環境，較連作栽培表現出更強的根際效應[12-13]。以往研究大多集中在甘薯/玉米間作栽培對生理及經濟效益方面的探討[14-16]，而對甘薯、玉米間作栽培能否緩解甘薯連作障礙方面的研究并不多。

本試驗研究甘薯/玉米間作不同條帶比對土壤中養分吸收、酶活性改變及產量優勢方面的影響，以找到甘薯/玉米間作合理的條帶比，從而能夠促進養分吸收，提高土壤生物學特性及作物產量，為緩解華中地區甘薯連作障礙提供理論依據和實踐指導。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試甘薯品種為商薯9 號，由商丘市農林科學院糧食作物所甘薯室選育；供試玉米品種為鄭單958，由河南省農業科學院糧食作物研究所選育。

1.2 試驗地概況

試驗于2017—2019 年在河南省商丘市夏邑縣會亭鎮崔樓村（34°06′N，116°04′E）進行。試驗區常年平均日照 2 200～2 400 h、氣溫14 ℃、降雨量680 mm 左右。供試土壤為黃潮土，質地中壤，耕層（0～30 cm）土壤含有機質7.82 g/kg、堿解氮49.25 mg/kg、速效磷 32.21 mg/kg、速效鉀 138 mg/kg、全氮 0.58 g/kg、全磷 0.45 g/kg、pH 值 8.21。

1.3 試驗設計

試驗地選在連續單作2 a 甘薯的地塊，采用單因素隨機區組設計，共設4 個處理：連作甘薯（CK）；單作玉米；甘薯、玉米間作條帶比 4∶1；甘薯、玉米間作條帶比4∶2。其中，甘薯、玉米間作的條帶比是在他人研究[15-16]的基礎上進行選擇設計的。小區面積為7.8 m×8.8 m，甘薯株行距26 cm×80 cm，玉米株行距0.26 cm×60 cm，甘薯、玉米間距70 cm，間作處理每個小區2 個條帶比，3 m 甘薯保護行，4 次重復。

甘薯 6 月 10 日種植，10 月 10 日收獲；玉米 6 月15 日種植，9 月25 日收獲。甘薯栽培前土地均勻翻耕，甘薯、玉米均施復合肥（N∶P∶K＝15∶15∶15）675 kg/hm2、過磷酸鈣 375 kg/hm2；肥料全部作為底肥施入，生育期內不追肥，翻地之前進行補充墑情，生育期內不灌水。收獲時，間作處理小區在甘薯和玉米毗鄰的一行隨機選取5 個點采集0～20 cm土樣，單作處理小區隨機選取5 個點采集0～20 cm土樣，甘薯、玉米全部測產。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤養分測定 土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、pH 值分別采用重鉻酸鉀容量- 外加熱法、堿解擴散法、0.5 mol/L NaHCO3法、NH4OAc 浸提火焰光度法、半微量凱氏法、HClO4-H2SO4法、水土比法測定[17]。

1.4.2 土壤酶活性測定 土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性分別采用苯酚鈉- 次氯酸鈉比色法、高錳酸鉀滴定法、磷酸苯二鈉比色法測定[18]。

1.4.3 產量測定 收獲期進行測產時，需要進行土地當量比、產量競爭優勢計算。

土地當量比（LER）是衡量產量是否具有間作優勢的重要指標[19]，其計算公式如下。

式中，Yis代表間作處理甘薯產量、Yic代表間作處理玉米產量、Yms代表單作甘薯產量、Ymc代表單作玉米產量。當LER＞1 時，表明間作有優勢；LER≤1 時，表明間作無優勢。

式中，間作體系產量為間作甘薯產量與間作玉米產量之和。當產量競爭優勢＞0 時，表明間作有產量優勢；當產量競爭優勢≤0 時，表明間作無產量優勢。

種間相對競爭能力是間作種植時衡量一種作物相對于另一種作物的資源競爭能力大小的指標[20]，甘薯相對玉米的資源競爭能力計算公式如下。

式中，Asc為甘薯相對玉米的資源競爭能力，Ps代表間作處理甘薯所占面積比，Pc代表間作處理玉米所占面積比，其余符號的意義同LER計算公式。當Asc＞0 時，表明甘薯競爭能力強于玉米；當Asc＝0 時，玉米、甘薯競爭力相當。

1.5 數據統計分析

采用Excel 2003 軟件進行數據整理，采用SPSS 17.0 進行數據統計分析，應用新復極差法（Duncan）進行處理間各參數差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 甘薯/玉米不同間作方式對土壤養分含量變化的影響

由表1 可知，甘薯/玉米不同條帶比栽培對土壤中養分含量變化有較大的影響。與連作甘薯相比，間作4∶1 條帶比和4∶2 條帶比處理中的堿解氮、速效磷、速效鉀、全磷含量均顯著下降（P＜0.05），全氮、有機質含量顯著增加，pH 值無顯著變化，由此可知，甘薯、玉米間作栽培改變了作物的養分吸收和利用效率。在甘薯、玉米間作不同條帶比對比中，4∶1 條帶比處理中的速效磷、全氮、全磷含量較4∶2 條帶比處理分別顯著提高10.84%、11.25%、24.05%，堿解氮、速效鉀、有機質含量分別降低4.89%、9.69%、8.61%，其中，速效磷含量差異達到顯著水平，pH 值無顯著變化。說明甘薯、玉米間作栽培條帶比的不同會導致種間競爭發生變化，從而在養分吸收和利用方面表現出明顯的差異。

表1 甘薯/玉米不同間作方式對土壤養分含量變化的影響

2.2 甘薯/玉米不同間作方式對土壤酶活性變化的影響

土壤酶是土壤微生態環境生化反應的重要參與者，堿性磷酸酶、脲酶活性與土壤中磷含量、尿素轉化有密切聯系，過氧化氫酶能夠影響土壤中微環境氧化還原反應，從而減弱根系氧化反應的危害[21]。從表2 可以看出，間作處理中脲酶、過氧化氫酶活性顯著高于對照連作甘薯處理（P＜0.05），堿性磷酸酶活性顯著降低，可知甘薯、玉米間作栽培時，由于不同作物的相互作用，改變了土壤中原有的生化反應，建立起新的物質交換和能量流動體系。在甘薯、玉米間作不同條帶比對比中，4∶1 條帶比處理中的脲酶、過氧化氫酶活性較4∶2 條帶比處理分別提高2.46%、8.42%，堿性磷酸酶活性顯著提高13.43%。說明隨著甘薯、玉米間作條帶比的變化，根系土壤中的分泌物及交互作用有所差異，造成根系土壤中各種酶活性大小發生改變。

表2 甘薯/玉米不同間作方式對土壤酶活性變化的影響

2.3 甘薯/玉米不同間作方式對作物產量及產量優勢的影響

從表3 可以看出，不同間作處理中甘薯產量較連作甘薯產量表現出不同的變化，而不同間作處理中玉米產量均顯著高于單作玉米產量（P＜0.05），可見，甘薯、玉米間作栽培有利于提高玉米產量。從土地當量比（LER）看，間作處理4∶1 條帶比和4∶2 條帶比中的塊莖或籽粒產量LER 分別為1.04、1.05，但是從產量競爭優勢來看，間作4∶1 條帶比處理有間作優勢，4∶2 條帶比處理無間作優勢；從種間競爭能力看，間作處理2 種條帶比中的甘薯種間競爭能力均弱于玉米，且4∶2 條帶比中的甘薯種間競爭力明顯弱于4∶1 條帶比中的甘薯種間競爭力。

分析認為，由于玉米植株高，對甘薯具有一定的遮擋，造成甘薯光合作用減弱，干物質累積減少，甘薯的種間資源競爭能力弱于玉米，隨著玉米種植行數的增多，甘薯的種間競爭能力明顯弱于玉米，甘薯產量顯著降低，使得4∶1 條帶比較4∶2 條帶比具有明顯間作優勢。

表3 甘薯/玉米不同間作方式對作物產量及產量優勢的影響

2.4 間作體系中甘薯產量與土壤養分及生物學特性之間的相互關系

由表4 可知，甘薯產量與土壤養分、酶活性大小有著密切關系，而土壤養分與土壤酶活性存在著相互轉化、相互制約的關系。甘薯產量與磷酸酶、堿解氮、速效磷、全磷、全氮呈正相關，與過氧化氫酶、脲酶、速效鉀、有機質呈負相關，分析認為，間作體系中甘薯的種間資源競爭力弱于玉米，隨著過氧化氫酶、脲酶、速效鉀、有機質含量的增加，促進了間作體系中玉米產量增加，甘薯產量下降，但間作系統具有產量優勢，這與甘薯和過氧化氫酶、脲酶、速效鉀、有機質呈負相關并不矛盾。磷酸酶與速效磷、全磷呈極顯著正相關（P＜0.01），與有機質呈極顯著負相關；過氧化氫酶與堿解氮、速效鉀呈極顯著負相關、與全氮呈顯著正相關（P＜0.05）；脲酶與堿解氮呈極顯著負相關，與速效鉀呈顯著負相關。可見，土壤中養分含量與酶活性存在緊密的聯系。

表4 甘薯產量與土壤養分及酶活性之間的相關性分析

3 結論與討論

有研究表明，間作系統中根際土壤養分動態變化的有效性高于單一作物，且能有效改善間作系統中土壤養分供應能力和養分吸收環境[22-23]。胡桂萍等[24]研究表明，間作栽培可以提高土壤中全氮、全磷、全鉀和有機質含量，并表明茶葉產量與土壤養分有著密切聯系。張洪勇等[25]研究表明，間作栽培土壤有機質、堿解氮和有效磷含量顯著高于單作。王鵬等[26]研究表明，桔梗、大蔥間作栽培土壤有效氮含量較桔梗單作增加22.3%～50.0%。本研究結果表明，甘薯、玉米間作栽培能夠顯著提高土壤全氮、有機質含量，顯著降低堿解氮、速效磷、速效鉀、全磷含量。其中，堿解氮、速效磷、速效鉀、全磷含量的降低表明甘薯和玉米間作時，由于根系的相互交錯和分泌物的相互反應，以及生長周期、需肥特性的不同，促進了間作體系對土壤養分含量的吸收與利用。間作體系4∶1 條帶比處理中的速效磷、全磷、全氮含量顯著高于4∶2 條帶比處理，速效鉀、有機質含量顯著降低。分析認為，由于玉米是高大喜磷作物，隨著玉米種植行數的增加，間作體系加大對磷元素的吸收利用，影響甘薯光合作用的進行，改變了間作體系中作物對土壤養分的吸收和利用，從而使土壤中的養分含量表現出不同的變化。

土壤酶作為土壤生化反應中一類具有高度催化作用的催化劑，能夠參與土壤微生態環境中各種生化反應過程，是物質交換和能量流動中最為活躍的生物活性物質，是衡量土壤肥力的重要指標[19，27]。有研究表明[28]，玉米、甘薯間作時土壤堿性磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性均高于相應的單作處理。也有研究表明[29]，甘薯、玉米間套作栽培時土壤過氧化氫酶含量顯著高于單作處理，而脲酶活性沒有顯著性變化。本研究結果表明，甘薯、玉米間作栽培時會提高土壤中的脲酶、過氧化氫酶活性，降低了堿性磷酸酶活性。間作體系4∶1 條帶比處理中的脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性均高于4∶2 條帶比處理，其中，堿性磷酸酶活性達到顯著性差異。分析認為，土壤脲酶、過氧化氫酶活性增高可能與間作栽培時促進了土壤中氮素的轉化以及不同根系分泌物的相互作用和微生物向土壤中釋放的酶的數量增加有關，但隨著玉米行數的增加，土壤中的微生態環境發生改變，造成土壤脲酶、過氧化氫酶活性發生變化。堿性磷酸酶活性的降低可能是，甘薯、玉米間作栽培時加速了土壤中速效養分與全磷的消耗，土壤速效養分和全磷的急劇下降，造成堿性磷酸酶活性下降。酶活性高低可以在一定程度上反映土壤養分轉化能力和土壤供應植物根系養分的潛在能力[30]。相關分析表明，土壤酶活性與土壤養分含量存在緊密的相關性。

從產量優勢來看，本研究甘薯、玉米4∶1 條帶比較4∶2 條帶比表現出間作優勢，分析認為，甘薯、玉米間作栽培由于根系的相互作用及根系分泌物的交互作用，改善了土壤中的微環境，進而改變了土壤中的養分轉化能力，從而較單作處理表現不同的變化；從種間競爭力來看，甘薯的競爭力明顯弱于玉米，而隨著玉米種植行數的增加，玉米對甘薯的遮陰效應更加顯著，造成甘薯產量明顯下降，從而使得4∶2 條帶比沒有表現出間作優勢。從相關分析可以看出，間作體系產量優勢與土壤養分、酶活性密切相關。由此可知，甘薯、玉米間作栽培改變了甘薯生長發育中土壤養分供應和轉化能力，改善了土壤生物特性，對緩解甘薯連作障礙起到一定的積極作用。

間作栽培改善了土壤養分供應和轉化能力，提高了土壤中脲酶和過氧化氫酶活性、降低了堿性磷酸酶活性，甘薯、玉米間作4∶1 條帶比具有間作優勢，4∶2 條帶比無間作優勢，間作體系中甘薯的種間競爭力明顯弱于玉米。可知，甘薯、玉米間作4∶1 條帶比為適宜的種植模式。