云南干熱河谷區設施葡萄與蔬菜間作的土壤培肥效果

張永慧，李貝貝，徐權杰，吳流通，常換換，蘇友波*

（1.云南農業大學資源與環境學院，云南 昆明 650210；2.康樂縣農業農村局，云南 康樂 631500）

全球陸地生態系統中干熱河谷地區占三分之一，被認為是全世界環境最惡劣的地區之一，生態環境極端脆弱，極端高溫頻發、降雨少、蒸發量大、土壤貧瘠、易水土流失和植被退化［1］，嚴重影響干熱河谷地區土地可持續利用和糧食安全，威脅人類健康；我國干熱河谷地區主要在云南省、臺灣省、海南省和四川省，其中在云南地區主要分布于元江、怒江、金沙江和瀾滄江流域的河谷地帶，占據重要的生態區位。劉光華［2］通過元謀干熱河谷地區羅望子人工林改善土壤物理性狀，水土流失減輕；周揚［3］研究發現巨菌草可作為攀西干熱河谷地區植被恢復的先鋒植物，對土壤理化性質具有積極顯著的效應；何白云［4］研究表明不同土地利用方式土壤細菌群落結構主要受土壤水分、土壤容重、粉粒、C/N的影響。云南省賓川縣地處云嶺橫斷山脈邊緣、金沙江南岸、云貴高原西南部，為典型的干熱河谷地區。研究設施葡萄間作蔬菜對土壤理化性狀的影響，對干熱河谷地區葡萄產業的發展和當地生態修復具有科學指導意義。

云南賓川縣位于我國西南邊陲，氣候條件優越，其設施葡萄種植面積達1.08萬hm2（2019年），產值達38.29億元［5］，種植設施葡萄成為推動區域經濟發展和脫貧攻堅的重要手段。葡萄（Vitis viniferaL.）是葡萄科葡萄屬木質藤本植物，在世界各地廣泛種植，我國葡萄總產量據世界首位［6］。當前葡萄的種植存在結構單一、土地利用率低、大水大肥灌溉、養分過剩等問題，導致土壤養分失衡、土壤環境惡化、土壤板結、耕地質量下降［7］，嚴重制約葡萄產業的發展。間作是常見的經濟林經營方法，在恢復生態平衡、提高土地利用率，協調農林經濟矛盾和增加經濟效益方面成效顯著［8］，在果樹行間種植大豆［9］、小麥［10］、決明子［11］，可達到充分利用自然資源及長短期收益互補的目的，且充分利用自然資源和促進資源協同最大化。有研究表明，葡萄果園內生草可保持水土、改善土壤理化性質、增加有機質等［12-13］；利用葡萄采收期后，在行間種植草莓［14］、冬馬鈴薯［15］、甘藍［16］可以提高土地利用率，增加經濟收入。然而設施葡萄間作蔬菜對土壤理化性質、土壤酶活性及微生物多樣性有何影響尚需進一步探究。

本研究通過連續兩年的田間小區試驗，研究了葡萄間作不同蔬菜對根區土壤理化性質和微生物群落功能多樣性以及酶活性的影響，以評估不同間作蔬菜品種對根區土壤肥力的影響，以期為葡萄種植地區農林間作的系統科學調控提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于云南省干熱河谷區賓川縣，屬亞熱帶低緯度高原季風氣候區，年均太陽輻射量6479 MJ·m-2，年平均氣溫21.9℃，全年無霜期，年均日照時數2719.4 h。年均降水量559.4 mm，為云南省年降水量最低的地方。該區土壤主要為砂壤土，土層深厚，特別適宜葡萄種植。

試驗在賓川縣太和村（25°53′43.98″N，100°36′13.25″E）進行，海拔1464.9 m，選擇6年生大棚葡萄種植園為試驗對象。葡萄品種為紅提，間作蔬菜品種選擇適宜賓川縣種植的7種蔬菜（蘿卜、青筍、蠶豆、冰菜、蒜、辣椒、白菜），間作系統內蔬菜與葡萄樹干基部距離50 cm，間作處理為葡萄//蘿卜（GR）、葡萄//青筍（GG）、葡萄//蠶豆（GB）、葡萄//冰菜（GI）、葡萄//蒜（GGa）、葡萄//白菜（GC），葡萄單作區域作為對照（CK），小區周圍設保護行，各區田間管理措施相同，小區面積為100 m2，每種處理設置3個重復，共設24個小區。葡萄“Y”字形整型，株行距為1 m×3 m。土壤的堿解氮85.5 mg·kg-1、有效磷17.7 mg·kg-1、速效鉀130.0 mg·kg-1、有機質18.8 g·kg-1、pH值6.13。

1.2 樣品采集

時間為2019～2020年，每年9月8日播種，11月8日采樣，所有蔬菜同時播種，連續種植兩年。每10 d灌溉1次，種植蔬菜后無施肥。每個小區隨機選取3棵具有代表性的植株，采集蔬菜根際土壤0～20和20～40 cm深處土壤樣品，采用“S”形取樣法采集剖面土壤樣品，土壤剖面按0～20和20～40 cm自下而上分層采取原狀土，每個小區3點混合成1個土樣，裝入干凈的自封袋中，將土壤樣品鮮土現場過2 mm篩后裝入無菌自封袋和保鮮盒內（團聚體土樣），冷藏帶回實驗室4℃保存。土壤樣品鮮土現場過2 mm篩后裝入無菌自封袋內，冷藏帶回實驗室4℃保存。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤團聚體

土壤團聚體分級采用濕篩法，篩分收集各級土粒稱重，把篩分的土壤樣品按比例配成 50.00 g，自上而下的放入孔徑為 2、1、0.5、0.25、0.106 mm的套篩中，然后在土壤團聚體分析儀上以 30 r·min-1的速度篩分 10 min（振幅 4 cm）。濕篩結束后將留在各級篩孔上的團聚體洗入鋁盒中，50℃烘干后稱量，計算水穩性團聚體的組成。

1.3.2 土壤養分

土壤理化性狀均參考《土壤農化分析》中的方法測定。有效磷采用Olsen法、速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法、堿解氮采用堿解擴散法測定。

1.3.3 土壤酶活性

脲酶活性采用靛酚藍比色法、蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法、過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定。

1.3.4 土壤微生物群落功能多樣性

稱取 10.0 g 新鮮土壤放入盛有 90 mL 無菌0.85%NaCl 溶液的三角瓶中，在搖床上180 r·min-1振蕩30 min，于超凈工作臺中靜置 30 min 后，將懸浮液稀釋100倍，然后接種于 Biolog ECO 板中，每孔接種量為150 μL。接種完畢，將Biolog ECO 板置于 25℃恒溫避光培養24、 48、72、96、120、144 h后，用Biolog Reader 分析儀讀取590 nm處的光密度值。

1.3.5 數據處理

使用Excel 2007和PASW Statistics 18進行數據分析，使用Origin Pro 8.0作圖。采用144 h的數據進行主成分分析及多樣性指數比較。采用單因素方差分析和Duncan 最小顯著性差異法比較處理間的差異。

（1）土壤團聚體的平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）的計算方法如下：

式中，Wi第i粒級團聚體質量百分數，Xi為相鄰兩級團聚體的平均粒徑。

式中，Wi為土壤不同粒級團聚體的重量（g）；lnxi為土壤粒級平均直徑的自然對數。

（2）平均顏色變化率（AWCD）、Shannon指數、Mclntosh指數、Simpson指數（D）的計算方法， Simpson指數直接用D表示。 Gini系數（G）的計算參照Bronwyn D.Harch，計算公式如下所示：

式中，xi、xj指每一種碳源的光密度值（1～31），N指碳源總數（31），指平均光密度值。

2 結果與分析

2.1 間作模式對根際土壤酶的影響

由圖1可知，葡萄間作蔬菜對土壤酶活性的影響較大。整體上，0～20 cm 土層的土壤酶活性高于20～40 cm土層，說明淺層土壤酶活性高于深層土壤酶活性。0～20 cm土層中，GR、GI、GC土壤蔗糖酶活性顯著高于其他4種間作處理（P＜0.05），與CK相比分別增加了83.8%、81.7%、79.1%。土壤脲酶活性GG、GGa顯著高于其他5種間作處理，與CK相比脲酶活性最大增加了74.9%，最小增加了約9.6%。過氧化氫酶活性由大到小依次為：GI＞GB、GP＞GGa＞GR、GG、GC＞CK，與CK相比，過氧化氫酶活性最大增加了105%，最小增加了38%。在20～40 cm 土層，土壤蔗糖酶活性由大到小依次為：GC＞GI、GR＞GP、GG＞GGa、GB＞CK，行間間作葉菜類蔗糖酶活性增加，增幅最大為186.7%，最小為30.6%。土壤脲酶活性由大到小依次為：GG＞GR、GB、GP＞GGa、GC＞GI＞CK，脲酶活性增加，增幅最大為131.2%，最小為26.1%。土壤過氧化氫酶活性由大到小依次為：GI＞GB、GGa、GP＞GR、GG＞GC＞CK。

圖1 葡萄與蔬菜間作對葡萄根際土壤酶活性的影響

2.2 間作模式對根際微生物多樣性的影響

2.2.1 代謝活性

Eco微生態板31種碳源平均顏色變化率（AWCD）的大小可反映微生物群落代謝活性的強弱。各處理的AWCD值在24～72 h培養時間段內緩慢波動上升，72 h之后快速升高。較單作而言，GC、GB、GI、GR根際微生物群落整體代謝活性增強，而GC、GGa、GG根際微生物群落整體代謝活性減弱，尤其在72～192 h 之間（圖2），GP的AWCD增長最快。總體上，不同處理下對碳源的利用隨時間的推移而不斷升高，且存在“S”形的變化趨勢。結果表明葡萄園不同的間作模式，對土壤微生物碳代謝能力存在差異，不同間作模式下，根區微生物多樣性不同，對碳源的利用率不同；其中GP的微生物群落代謝活性最強，GG的微生物群落代謝活性最弱。

圖2 葡萄與蔬菜間作根際土壤微生物AWCD隨培養時間的變化

2.2.2 多樣性指數

如表1所示，葡萄單作處理的Simpson指數低于間作模式（除GGa外），間作根區土壤的碳源代謝功能中優勢度優于單作（P＜0.05）。 葡萄單作Shannon指數顯著高于GR（P＜0.05），而GP、GB、GI、GGa、GC間作的Shannon指數顯著高于葡萄單 作（P＜0.05），分 別 提 高2.6%、2.1%、3.3%、4.3%、2.7%，說明間作的物種豐富度優于葡萄單作（P＜0.05）。Mclntosh指數總體為升高趨勢，與單作相比，GR、GP、GG、GB、GI、GGa、GC間作處理分別顯著升高244%、215%、452%、300%、214%、495%、347%（P＜0.05）；Gini系數呈現升高的趨勢，說明不同蔬菜與葡萄間作根際微生物群落的功能多樣性存在差異，微生物群落不同碳源間的代謝能力差異顯著，其中GG模式下碳源的代謝能力最強，而GC碳源代謝能力最小?？傮w來說，葡萄間作模式優于單作，而從微生物多樣性指數的數據而言，最佳的間作模式為GP、GB，即葡萄間作辣椒和葡萄間作蠶豆處理。

表1 葡萄與蔬菜間作根際土壤微生物群落功能多樣性指數

2.3 間作模式對根區土壤養分的影響

如圖3所示，總體上，葡萄間作蔬菜土壤速效養分高于葡萄單作，各處理內土壤速效養分0～20 cm土層高于20～40 cm土層。0～20 cm土層中，GR、GG、GI、GGa、GP的堿解氮含量分別較CK顯著提高63.91%、58.87%、54.17%、54.41%、60.63%（P＜0.05）；GI、GP的有效磷含量分別較CK顯著提高46.23%、53.00% （P＜0.05）；GG、GB的速效鉀含量分別較CK顯著提高46.23%、53.00% （P＜0.05）；GGa、GG、GI的土壤有機質含量顯著高于其他處理。20～40 cm土層中，GG、GP和GC的堿解氮含量分別較CK顯著提高36.02%、51.51%和37.85%（P＜0.05）；GI、GP的有效磷含量分別較CK顯著提 高94.14%、100.75% （P＜0.05）；GG、CB、GI的速效鉀含量分別較CK顯著提高69.51%、6.02%、60.00%（P＜0.05）。GGa的土壤有機質含量顯著高于其他處理。根據試驗處理土壤堿解氮含量的變化規律，GR、GG、GGa、GP、GI優于其他間作及葡萄單作，而在有效磷的變化規律中，GI、GP間作優于其他組合，在速效鉀的變化規律中，GG、GB、GI、GC優于其他間作或單作模式；土壤有機質大部分間作大于單作，淺層土壤有機質含量高于深層土壤。

2.4 間作模式對土壤團聚體的影響

從表2可知，間作使土壤的團聚體發生改變，不同的間作模式對團粒結構的改變有差異。總體而言，葡萄與蔬菜間作，可以增加團聚體的團聚度，提高抗蝕性，且穩定性越高。而7種間作模式中，從水穩性團聚體分級來看，0～20 cm 土層土壤的大部分團聚體為大團粒（＞0.25 mm），占比平均高達67%，粗大團聚體（＞5 mm）平均占比為12%，細大團聚體（2～5 mm）平均占比為18%。20～40 cm土層土壤大部分為大團粒結構，占比高達62%，粗大團聚體（＞5 mm）平均占比為12%，細大團聚體（2～5 mm）平均占比為20%。其中，0～20 cm土層GB、GI處理土壤的MWD、GMD均高于其他模式，其團聚體穩定性較好。20～40 cm土層GR、GB、GC處理土壤的MWD、GMD均高于其他間作模式，其團聚體穩定性較好。

圖3 葡萄與蔬菜蔬菜間作對根際土壤養分的影響

表2 葡萄與蔬菜間作對根際土壤團聚體的影響

2.5 化學指標和生物指標對土壤肥力影響的關聯性分析

土壤養分與土壤微生物特性相關性表明（表3），土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性及微生物多樣性Mclntosh指數與土壤堿解氮、速效鉀含量存在極顯著或顯著正相關關系，Gini系數與其存在負相關關系，但沒有達到顯著差異。土壤過氧化氫酶活性、Mclntosh指數與有效磷含量達到極顯著正相關，土壤蔗糖酶活性、Gini系數與其存在正相關關系但未達到顯著水平，脲酶活性與其存在負相關關系亦未達顯著水平。土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性與土壤有機質含量存在正相關關系，其中脲酶活性與其相關性極顯著，其Mclntosh指數和Gini系數與其相關性不顯著。

表3 土壤養分含量和微生物特性間的相關性

3 討論

3.1 葡萄與蔬菜間作對土壤速效養分的影響

目前，國內外關于設施葡萄間作蔬菜的研究較少，主要是研究葡萄園生草對園區遮陰、水分的影響［17］。本研究對比了7種蔬菜與葡萄間作對土壤理化性質的影響，結果表明，在干熱河谷地區不一定所有的間作模式都有利于土壤健康和可持續耕作。本研究發現，間作土壤理化性質優于單作；間作蔬菜可以使秋冬季葡萄園區土壤速效養分氮、磷、鉀含量增加，最明顯的特征就是表層土壤中的速效養分含量變化顯著高于深層，間作制度有利于提高養分的有效性。與郭雄飛［18］關于生物炭對間作體系中刨花潤楠土壤0～15 cm土層養分高于15～30 cm土層的研究結果一致，導致該結果的一個原因是間作促進葡萄根區與土壤養分循環有關的土壤微生物增多；另一個原因是間作使葡萄根區肥料釋放出的養分，會促進蔬菜生長［19］。但本研究發現，間作土壤速效鉀含量高，土壤速效鉀含量淺層土壤高于深層土壤；而土壤鉀含量高可以促進光合作用，提高CO2的同化率，調節根系生長和結實率等，促進植物抵抗脅迫［20-21］。這充分說明秋冬季節在設施葡萄園葡萄行間間作生長周期短的蔬菜類作物，有利于土壤保水保肥，而速效鉀含量高，也有利于葡萄的生長和提高抗病抗逆性。

3.2 葡萄與蔬菜間作對土壤酶活性的影響

土壤酶主要來源于土壤微生物、土壤動植物［22-23］，能催化土壤中的物質轉化和能量流動，是植物生長和肥料利用的重要指標之一。土壤蔗糖酶參與碳循環，促進土壤易溶性營養物質轉化［24］；脲酶促進土壤氮轉化，分解有機氮［25］；過氧化氫酶促進土壤過氧化氫分解，以防止毒害作用。本文研究發現，葡萄與蔬菜間作，其土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性均升高，其中GC、GR、GI的蔗糖酶活性最高，GGa的脲酶活性最高，GI的過氧化氫酶活性最高。司鵬等［26］研究發現，葡萄//草土壤酶活性高，深層土壤酶活性較低；這與張艷等［27］研究關于甘薯//玉米間作相比甘薯連作提高了蔬菜根際土壤酶活性的結果一致。

3.3 葡萄與蔬菜間作對土壤微生物的影響

土壤微生物群落結構和組成是對土地利用、耕地管理、植被、土壤養分、pH值變化的敏感指標［28］。本研究中葡萄間作不同蔬菜，在土壤有機質的變化中葡萄與大蒜間作效果最好。與前人研究關于大蒜與番茄間作的結果可以緩解連作障礙，促進微生物活性研究結果相同；可能是葡萄和大蒜間作使大蒜中大蒜素等分泌物增加［29］，也與Castellano-Hinojosa等［30］研究的間作促進果樹養分、微生物活性的結果相似。原因是葡萄//白菜間作相互作用，不同凋落物和分泌物刺激根區土壤，抑制土壤微生物群落活性，有機碳利用和轉化效率；相比之下，辣椒、蠶豆分別與葡萄間作，其凋落物、根系分泌物等物質降低了微生物碳源轉化和土壤有機碳的利用。這意味著在葡萄園利用間作不同的蔬菜，對根區微生物群落及有機質活性較好的模式是葡萄//蒜、葡萄//白菜、葡萄//青筍、葡萄//冰菜；與單作相比，間作改變了土壤微生物群落環境，這與馬琨等［31］關于間作栽培對連作馬鈴薯根際土壤微生物群落影響的結果相似。這一結果可能是因為間作增加了植物種植種類，使土壤根區微生物的多樣性和根系分泌物不同，促進了土壤微生物群落和優勢種群的發展。另一方面，季節差異和深根植物與淺層植物間作，導致了空間根系分布差異大。

4 結論

間作改善了葡萄和蔬菜土壤微生物群落的多樣性，提高了土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性，與土壤有機碳、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的變化有關。因此，通過間作蔬菜可改變葡萄果園土壤理化性質，促進土壤有益微生物參與土壤養分循環，對土壤質量產生積極影響。