間作對(duì)棉花產(chǎn)量、土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響

崔愛花，黃國(guó)勤

(1.江西省棉花研究所，江西 九江 332105；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)科學(xué)研究中心，江西 南昌 330045)

棉花(GossypiumhirsutumL.)是我國(guó)最主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位[1-2]。紅壤是我國(guó)南方(特別是江西)的重要土壤類型，我國(guó)的稻米、棉花、茶葉、桑葉、甘蔗等產(chǎn)區(qū)均在紅壤上獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。紅壤旱地是紅壤的典型代表，占據(jù)較大的比例，但由于多種主要生產(chǎn)限制因子的存在，如酸、瘦、板、黏、旱等，使得紅壤的生產(chǎn)潛力未得到發(fā)揮和挖掘[3-4]；因此，要提高紅壤旱地棉田的生產(chǎn)力，就必須研究紅壤旱地產(chǎn)量提升的限制因子，提出解決的途徑與方法。

間作是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中非常有效的一種栽培方式[5]。生態(tài)位分離是間作優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的主要生態(tài)機(jī)制，間作中由于兩種作物所占據(jù)的地上部和地下部生態(tài)位發(fā)生了分離，在時(shí)間生態(tài)位和空間生態(tài)位上互補(bǔ)擴(kuò)大，從而使地上部的光、熱和地下部的營(yíng)養(yǎng)資源在時(shí)間上前后分離，在空間上互補(bǔ)擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)了資源最大限度的利用[6-8]。張向前[9]、張海春[10]、徐雙[11]、劉均霞[12]等研究表明，間作可使土壤環(huán)境發(fā)生改變，繼而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤微生物和酶一起作用于土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量循環(huán)[13-14]，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[15]。本研究探討了紅壤旱地棉田間作模式對(duì)棉花產(chǎn)量、土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響，旨在為探討棉田間作優(yōu)勢(shì)機(jī)理提供理論參考，為南方紅壤旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)在具有典型南方紅壤特點(diǎn)的江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園(115°55′02.040″ E，28°46′04.476″ N，原農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站)。土壤為紅壤性土亞類，年平均日照時(shí)數(shù)為1559.9 h，年平均日照總輻射102.55 kJ/cm2，無(wú)霜期大約269 d，年均降雨量1658.9 mm，年均溫度16.5 ℃，≥10 ℃活動(dòng)積溫為5521 ℃·d。試驗(yàn)地為低崗地，無(wú)灌溉條件。試驗(yàn)初始土壤性狀：土壤容重為1.304 g/cm3，總孔隙度為52.98%，毛管孔隙度為41.55%，有機(jī)質(zhì)為29.78 g/kg，全氮為1.34 g/kg，堿解氮為90.00 mg/kg，全磷為1.18 g/kg，有效磷為76.35 mg/kg，全鉀為55.38 g/kg，速效鉀為107.5 mg/kg，pH值為4.75。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，處理A(CK)為棉花單作；處理B為棉花間作花生；處理C為棉花間作玉米；處理D為棉花間作甘薯；處理E為棉花間作大豆。每處理重復(fù)3次，共15個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積6.0 m×5.5 m，共33.0 m2。

棉花品種為贛棉11號(hào)，花生為南昌本地種，玉米為甜糯玉米，甘薯為南昌農(nóng)家種，大豆為東北毛豆。其中，棉花行距和株距分別是100 cm和40 cm，花生、玉米、甘薯和大豆分別在棉花行中間開溝種植，行距和株距均為100 cm和25 cm。各作物的施肥量及施肥方式見表1。

表1 各作物的施肥量及施肥方式

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

棉花產(chǎn)量按每小區(qū)實(shí)際收獲的棉花來計(jì)算；土壤微生物數(shù)量(細(xì)菌、真菌、放線菌和固氮菌)的測(cè)定參照文獻(xiàn)[16]；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[17]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

連續(xù)2年試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行原始數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間作種植對(duì)棉花皮棉產(chǎn)量的影響

從表2可以看出，2015年處理B、處理C、處理D和處理E的皮棉產(chǎn)量比單作提高了20.4%～45.5%，差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，而在間作各處理間產(chǎn)量差異不顯著；2016年處理B、處理C、處理D和處理E的皮棉產(chǎn)量比單作增加了23.5%～45.1%，差異顯著(P<0.05)，處理E顯著高于處理C和處理D，與處理B之間差異不顯著；從這兩年平均來看，間作處理比單作增產(chǎn)22.0%～45.4%，差異顯著(P<0.05)，處理E產(chǎn)量最高，顯著高于處理B、處理C和處理D，而處理B、處理C和處理D之間差異不顯著。從以上分析可以看出，棉田間作較單作可有效提高棉花產(chǎn)量。另外，不同棉花種植模式兩年的棉花產(chǎn)量均無(wú)顯著差異，體現(xiàn)了良好的產(chǎn)量穩(wěn)定性。

表2 不同間作種植對(duì)棉花皮棉產(chǎn)量的影響 kg/hm2

2.2 棉花不同間作種植對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

從表3可以看出，不同間作處理較單作均能顯著增加土壤中的細(xì)菌和真菌的數(shù)量，處理B、處理C、處理D和處理E的土壤細(xì)菌數(shù)量分別比棉花單作增加37.5%、37.5%、25.0%和150.0%，處理E顯著高于處理B、C和D(P<0.05)，而處理B、處理C和處理D之間差異不顯著；處理B、處理C、處理D和E的土壤真菌數(shù)量分別比單作增加了85.7%、57.1%、71.4%和100.0%，各間作處理之間差異不顯著。在土壤放線菌數(shù)量方面，處理B、處理C和處理D分別比單作高22.2%、55.6%和44.4%，差異顯著(P<0.05)，處理E雖低于單作，但差異不顯著。土壤中的固氮菌數(shù)量也顯著受到間作的影響，處理B、處理D和處理E分別比單作高150.0%、142.9%和85.7%，處理C與對(duì)照差異不顯著。以上分析表明，在增加土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量方面以處理E效果最好；在增加土壤放線菌數(shù)量方面以處理C、處理D的優(yōu)勢(shì)明顯；處理B、處理D在增加固氮菌數(shù)量方面效果顯著。

2.3 棉花不同間作種植對(duì)土壤酶活性的影響

由表4可以看出，棉花間作處理對(duì)棉田土壤中的過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性的影響均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。間作處理土壤中過氧化氫酶活性均高于單作，其中處理E最高，其次是處理C，分別比單作增加53.3%和40.0%；處理B和處理D之間差異不顯著，分別比單作增加23.3%和30.0%。蔗糖酶活性與過氧化氫酶活性的變化趨勢(shì)一致，亦是以處理E最高，處理C次之，較單作分別增加32.4%和13.5%；處理B和處理D之間差異不顯著，分別比單作增加8.1%和5.4%。間作處理的脲酶活性均顯著高于單作，處理B和處理E最高，均分別比處理A、處理C和處理D高90.0%、18.8%和46.2%。由以上分析得出，棉花間作可有效增加土壤過氧化氫酶、蔗糖酶及脲酶活性，綜合看來以處理E(棉花間作大豆)的效果最好。

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

表5顯示了上述土壤中4種微生物數(shù)量、3種酶活性與產(chǎn)量彼此之間存在正相關(guān)關(guān)系，表明彼此之間存在相互促進(jìn)作用。其中細(xì)菌與放線菌、固氮菌之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平；細(xì)菌與蔗糖酶、產(chǎn)量之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平；放線菌與固氮菌、過氧化氫酶、蔗糖酶、產(chǎn)量之間的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平；真菌與脲酶、產(chǎn)量之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平；固氮菌與蔗糖酶、產(chǎn)量之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平；過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶與產(chǎn)量之間的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平。從表5還可看出，土壤中的微生物數(shù)量和酶活性彼此之間存在一定的顯著正相關(guān)，說明兩者關(guān)系較為密切，因此，可通過增加土壤微生物數(shù)量和酶活性，促進(jìn)土壤肥力水平的提高，達(dá)到增產(chǎn)的目的。總的來說，土壤微生物數(shù)量、酶活性與棉花產(chǎn)量的關(guān)系極為密切，并存在正的促進(jìn)作用。

表5 土壤中微生物數(shù)量、酶活性與產(chǎn)量間的相關(guān)系數(shù)

3 討論

沈其榮等[18]認(rèn)為玉米與花生、大豆等豆科作物間作時(shí)可明顯增加玉米的產(chǎn)量；高陽(yáng)等[19]研究表明玉米間作大豆條件下，玉米產(chǎn)量較單作增加約6.0%，大豆產(chǎn)量較單作增加約320.0%。本研究中也有類似的結(jié)論，不論單年份還是2年平均，間作處理較棉花單作均表現(xiàn)出較好的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，但本研究并沒有對(duì)除棉花以外的間作作物的產(chǎn)量進(jìn)行比較，這也是本研究的不足之處，有待于作進(jìn)一步研究。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤-作物系統(tǒng)與土壤微生物之間存在相互作用、互為條件的關(guān)系[14]。沈?qū)W峰等[20]在甘蔗間作花生研究中發(fā)現(xiàn)，間作系統(tǒng)較甘蔗、花生單作能顯著提高土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量；宋亞娜等[21]在玉米、小麥和蠶豆相互間作的研究中同樣證明了間作作物根際微生物多樣性顯著高于相應(yīng)單作；張向前等[9]、吳鳳枝等[22]研究認(rèn)為，無(wú)論是在施肥還是在不施肥條件下，間作處理土壤中的細(xì)菌、真菌、固氮菌的數(shù)量顯著高于單作；而張亮亮等[23]研究認(rèn)為南疆棗樹-棉花間作的土壤細(xì)菌、放線菌、真菌和微生物總數(shù)總體顯著低于棉花單作。本研究表明，棉田間作較單作均可有效提高土壤中細(xì)菌和真菌的數(shù)量；除棉花間作大豆和棉花間作玉米外，其余處理均可增加土壤中放線菌和固氮菌的數(shù)量，處理E和C在放線菌和固氮菌數(shù)量方面減少的原因有待于進(jìn)一步研究。

土壤酶活性是土壤肥力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一，與土壤肥力和農(nóng)業(yè)措施有顯著的相關(guān)性，可以反映土壤中各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向[24]。劉均霞等[12]研究證實(shí)，間作處理較單作顯著增加了玉米、大豆根際土壤中的脲酶和磷酸酶活性；覃娟等[25]在甘藍(lán)間作水蘿卜的研究中發(fā)現(xiàn)，間作處理較單作可顯著或極顯著增加不同耕層土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性；而謝利等[26]則認(rèn)為棉花間作孜然可顯著降低土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性。本試驗(yàn)中間作處理較棉花單作可有效增加土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性，與前人[12,25]的觀點(diǎn)相似。

張向前[9]、張繼光等[27]研究證明了土壤微生物數(shù)量和酶活性關(guān)系較密切，有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系；馬冬云等[28]在研究中證實(shí)土壤中微生物數(shù)量和酶活性與小麥產(chǎn)量之間存在正的相關(guān)關(guān)系；符冠富等[29]認(rèn)為在灌漿中后期，土壤酶活性與水稻干物質(zhì)量及產(chǎn)量呈顯著相關(guān)。本試驗(yàn)也有類似結(jié)論，棉田土壤中微生物數(shù)量及酶活性之間存在顯著的正相關(guān)，除細(xì)菌數(shù)量與棉花產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)外，土壤中另外3種類型微生物數(shù)量及3種酶活性與產(chǎn)量均呈顯著相關(guān)，說明間作可促使土壤微生物數(shù)量和酶活性發(fā)生變化，影響土壤肥力，進(jìn)而影響到棉花產(chǎn)量，且彼此之間存在正的相互促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

棉田間作較單作可有效提高棉花產(chǎn)量、土壤微生物數(shù)量及酶活性，且以棉花間作大豆的效果最佳，比較適宜在紅壤旱地上推廣應(yīng)用。因此，利用間作作物生態(tài)位分離的原理，在紅壤旱地上實(shí)行合理間作，可有效促進(jìn)土壤中微生物數(shù)量和酶活性的增加，提高土壤肥力水平，改善作物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，最終達(dá)到增產(chǎn)的目的。