甘薯玉米間作對土壤性質與作物產量的影響

儲鳳麗，李淑敏，劉亞軍，王明乾，王文靜，胡啟國，石 靜，楊愛梅

（1.商丘市農林科學院，河南商丘476000；2.商丘市睢陽區農業技術推廣中心，河南商丘476000；3.商丘市睢陽區農業農村局，河南商丘476000）

甘薯因具有多種營養價值，還有抗癌作用，被人們廣泛接受[1]。近年來，隨著糧食安全概念的提出，甘薯被選作重要糧食安全和經濟能源作物[2]。隨著甘薯產業的快速發展，甘薯常年連作種植，造成產量下降、品質降低，連作障礙問題日益突出，而有研究表明，合理的間套作是緩解連作障礙的有效途徑[3-4]。間套作是一種集約化生產方式，其分別利用不同作物種間促進和互利共生原理，使不同作物在不同時間、空間上更加有效地對水肥氣熱等自然資源進行利用，直接或間接地影響作物地上地下部的生長發育[5]。已有學者研究表明，合理的間套作具有明顯的產量優勢，分析認為，間作種植提高了作物光合作用能力，促進光合產物向營養器官的運輸及分配，從而表現出優于單作種植的產量優勢[6-8]；也有學者研究表明，合理間套作可以提高作物根系對土壤礦質元素的吸收能力，改善土壤生物學特性，優化土壤微生態環境，從而促進作物的生長發育[9-11]。

甘薯間作在我國西南地區廣泛流行，并取得了較好的成績，但我國地域遼闊，氣候差異較大，不同地區甘薯間作作物種類選擇有較大不同。

本研究結合本地黃淮海氣候條件和作物生長習性，期望通過甘薯間作玉米種植，提高土壤養分含量、改善土壤生物學特性、提高土地產能，為緩解黃淮海地區甘薯連作障礙提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2019年在商丘市農林科學院試驗示范基地進行。地處東經116°38′、北緯39°93′，海拔53 m。試驗地屬于典型的暖溫帶季風氣候，日照時長大約2 200 h，無霜期大約210 d，年降水量686.5～872.9 mm，降水集中在6—10月，年平均積溫（≥10℃）4 187～5 155℃。供試土壤為黃潮土，質地為沙質土?；A土壤肥力：全氮0.38 g/kg、全磷0.54 g/kg、堿解氮28.22 mg/kg、速效磷39.68 mg/kg、速效鉀142.6 mg/kg、有機質2.63 g/kg、pH值8.12。

1.2 試驗材料

供試甘薯、玉米品種分別為商薯18號、鄭單958。

1.3 試驗設計

試驗地選在連續種植2 a的甘薯地塊，采用單因素隨機區組設計。設3個處理，分別為甘薯單作、玉米單作、甘薯間作玉米，4次重復。甘薯株距26 cm，行距80 cm；玉米株距26 cm，行距60 cm；小區長5.4 m，小區面積27 m2，試驗地周圍設置3 m保護行，甘薯平栽。甘薯生育期為6月10日至10月10日，玉米生育期為6月12日至9月25日。試驗基施復合肥750 kg/hm2、過磷酸鈣450 kg/hm2。在甘薯收獲期通過土鉆利用5點取樣法采集2種作物之間的土壤樣品。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤理化性狀的測定 土壤全氮、全磷、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、pH值的測定分別采用半微量凱氏法、高氯酸-濃硫酸法、重鉻酸鉀容量法－外加熱法、堿解擴散法、碳酸氫鈉法、醋酸銨－火焰光度計法、水土比5∶1法[12]。

1.4.2 土壤呼吸強度、酶活性的測定 土壤呼吸強度、土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶的測定分別采用靜態氣室法、苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法、高錳酸鉀滴定法[13]。

1.4.3 產量及其測算方法 甘薯、玉米全部收獲測產，計算土地當量比（LER）和種間競爭能力（Asc）。

式中，Yis和Yic分別為間作甘薯產量和間作玉米產量，Yms和Ymc分別為單作甘薯產量和單作玉米產量；LER為土地當量比，是衡量作物是否有間作優勢的重要指標，當LER＞1時，表明間作有產量優勢，當LER＜1時，表明間作有產量劣勢。

式中，Ps和Pc分別為間作處理甘薯、玉米所占面積比例。當Asc＞0時，表明甘薯競爭能力強于玉米；當Asc＜0時，表明甘薯競爭能力弱于玉米[14]。

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2003進行數據處理，利用SPSS 17.0最小顯著性差異法進行差異顯著性檢驗和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 甘薯玉米間作栽培對土壤理化性質的影響

表1甘薯間作對土壤理化性狀的影響

在甘薯收獲期時進行土壤養分含量測定時發現，間作處理土壤各養分含量與單作處理相比發生了較大變化。從表1可以看出，間作處理中土壤全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量最低，有機質含量最高，土壤全磷含量低于單作甘薯處理，高于單作玉米處理。其中，間作處理土壤全氮、速效氮、速效磷含量較單作甘薯分別顯著（P＜0.05）下降13.33% 、10.39% 、16.84% （P＜0.05），間作處理速效鉀含量較單作玉米顯著下降11.27% （P＜0.05），而土壤有機質含量分別較單作甘薯、單作玉米顯著增加5.76% 、12.37% （P＜0.05）。說明甘薯間作改變了作物對土壤養分的需求及利用能力。間作處理土壤全速效養分降低，有機質含量增加，原因可能是玉米是喜磷作物，甘薯間作玉米種植時促進了作物對磷的利用，而甘薯需氮肥較少、需鉀肥較多，因此，甘薯間作玉米種植時促進了間作體系不同根系對土壤速效養分含量的利用及吸收，從而促進了作物的生長發育。由此可知，甘薯間作栽培從根本上解決了土壤中養分吸收的不均衡，提高了土壤養分吸收和轉化效率。

2.2 甘薯玉米間作對土壤酶活性及呼吸強度的影響

從表2可以看出，間作處理土壤生物酶活性及土壤呼吸強度較單作處理表現出不同的變化趨勢。間作處理堿性磷酸酶含量最高，過氧化氫酶含量最低，脲酶含量低于單作甘薯處理、高于單作玉米處理，土壤呼吸強度最高。其中，間作處理堿性磷酸酶較單作甘薯顯著（P＜0.05）增加25.00% （P＜0.05），過氧化氫酶顯著降低24.62% （P＜0.05）。間作處理脲酶含量低于單作甘薯處理、高于單作玉米處理，分析認為，甘薯間作玉米時不同作物根系的相互交錯及分泌物的相互侵染，促進了根系對土壤速效氮的利用，提高了土壤中脲酶含量。間作處理過氧化氫酶的降低、呼吸強度的增加均說明間作栽培時提高了土壤的疏松度，改善了根系的呼吸能力，減弱了根系的無氧呼吸。由此可知，間作栽培對土壤生物學特性的改善具有一定的促進作用。

表2甘薯玉米間作對土壤生物學特性及呼吸強度的影響

2.3 甘薯玉米間作對作物產量的影響

從表3可以看出，間作處理中作物產量較各單作處理表現出不同的變化特點。其中，間作甘薯產量較單作甘薯降低2.04% ，間作玉米產量較單作玉米增加9.76% ，間作處理土地當量比為1.12，表明甘薯間作玉米具有產量優勢，而種間競爭能力-0.26，表明間作體系中甘薯的競爭能力弱于玉米。分析認為，玉米是喜磷作物，而甘薯對鉀肥需求較多，對氮肥需求較少，二者間作栽培時可促進作物根系對土壤養分的吸收利用，從而表現出產量優勢。由于玉米是長勢較高作物，后期生長時對相鄰的甘薯有明顯的遮陰作用，造成甘薯光合作用減弱，運輸到各營養部位的干物質減少，造成甘薯產量降低，表現出甘薯種間競爭能力弱于玉米。

表3間作對作物產量的影響

2.4 間作甘薯產量與土壤速效養分、生物學特性之間的相關性分析

從表4可以看出，對間作甘薯產量與土壤速效養分及生物學特性進行相關分析時發現，甘薯產量與土壤中各因子之間的相關性均有所差異，其中，甘薯產量與土壤速效磷、速效鉀、有機質、磷酸酶呈正相關關系，與其中的土壤速效磷、速效鉀、磷酸酶呈顯著正相關（P＜0.05），與土壤速效氮、過氧化氫酶、脲酶呈負相關。速效氮與速效鉀呈極顯著正相關（P＜0.01），與脲酶呈極顯著負相關。速效磷與磷酸酶呈極顯著正相關；有機質與磷酸酶呈極顯著負相關。由以上結果可知，作物產量與土壤速效磷、速效鉀、有機質、磷酸酶呈正相關性，因此，土壤速效磷、速效鉀、有機質、磷酸酶含量的增多會促進甘薯產量的提升，尤其是土壤速效磷、速效鉀、磷酸酶含量的變化。而土壤速效氮、過氧化氫酶、脲酶含量的增加反而抑制甘薯產量的提升。由此可知，甘薯間作栽培時作物產量的變化與土壤養分含量、生物學特性存在著緊密的聯系。

表4間作甘薯產量與土壤速效養分、生物學特性之間的相關關系

3 討論

3.1 甘薯玉米間作對土壤理化性質和生物學特性的影響

土壤養分是絕大多數農作物通過根系攝取營養的主要來源之一，土壤養分含量的高低關系著植株能否健康生長或生存[15]。有大量的研究表明，合理的間套作能夠促進作物根系對養分的吸收及利用，改善土壤養分質量，進而提高土壤的持續供肥能力[16-18]。本研究結果表明，由于間作體系不同作物具有不同的生長習性和需肥特性，以及地下根部根系的相互交叉作用，改善了土壤微生態環境，促進了養分吸收和轉化的有效性，平衡根系對土壤各養分的需求，提高了間作體系中根系對土壤中各養分的利用能力，減少土壤中養分的無效淋失浪費。而有機質含量的增加說明間作栽培有利于保持土壤的肥沃。

土壤酶是土壤生態系統中物質交換過程和能量循環的重要生物活性物質，土壤酶活性的大小是衡量土壤肥力以及養分吸收轉化的重要指標[19]。土壤磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性能夠分別反映出土壤磷素供應狀況、土壤氮素轉化水平和土壤有機質的轉化速度[20]。已有研究證明，間作能有效地改善土壤中的酶活性，進而影響作物根系對土壤各養分的吸收及利用[21-22]。本研究結果表明，間作栽培提高了磷酸酶活性，降低了過氧化氫酶活性，提高了土壤根系呼吸強度。分析認為，土壤酶活性的變化可能與土壤各養分含量的變化有關，間作栽培改變了根系對土壤各養分含量的吸收利用，進而改變土壤中酶活性的大小。而呼吸強度的增加說明間作栽培時有利于提高土壤疏松度，改善了根系的呼吸能力，對作物的生長發育有著良好的促進作用。由此可知，甘薯玉米間作栽培促進了土壤酶活性的變化，使得酶活性與土壤環境因子變化更為緊密。

3.2 甘薯玉米間作對作物產量及其產量優勢的影響

合理的作物選擇及搭配是發揮間作優勢的基礎[23]。間套作不僅能從根系上解決養分吸收的不均衡，更能因為作物生長習性的不同和養分需求的互補，提高作物根系對土壤養分的吸收和利用，從而促進作物的生長發育[24]。有研究表明，合理的間套作有利于增加作物產量及產值[5，25]。本研究結果表明，間作栽培時甘薯產量降低，玉米產量增高，甘薯間作玉米具有產量優勢，但甘薯的種間競爭能力弱于玉米。甘薯、玉米間作具有產量優勢，分析認為，間作體系的根系由于相互交錯及分泌物的相互侵染，改變了根系對土壤各養分的需求及利用能力，促進了作物的生長發育，從而表現出產量優勢。甘薯競爭力弱于間作體系的玉米，是由于玉米是較高長勢作物，生長后期對相鄰作物甘薯有明顯的遮陰作用，使得甘薯光合作用明顯減弱，干物質累積減少，甘薯產量下降，表現出弱于單作處理，而玉米產量高于單作處理。從甘薯產量與土壤速效養分、生物學特性的相關分析來看，甘薯的生長發育受多種外界環境因子的影響，間作栽培時，由于間作體系不同作物具有不同的生長習性和需肥特性，對土壤各養分有不同的需求，改善了作物根系對土壤養分的利用能力，減少了土壤養分的淋失浪費，從而促進了作物的生長發育。由此可知，甘薯、玉米間作種植具有明顯的產量優勢，能夠促進作物根系對土壤養分的吸收利用，改變土壤生物學特性，但對土壤微生態環境的改善仍缺乏探討，值得進一步研究。

4 結論

甘薯玉米間作提高了根系對土壤各種養分的吸收利用，提高了土壤有機質含量；間作較單作甘薯提高了土壤堿性磷酸酶的活性，降低了脲酶、過氧化氫酶活性，提高了土壤呼吸強度；甘薯、玉米間作具有產量優勢，但甘薯的競爭能力弱于玉米。由此可知，玉米是甘薯通過間作緩解連作障礙的一種較適宜的作物。