豆科綠肥間作對(duì)小青菜品質(zhì)和土壤酶活性的影響

李夢(mèng)璐,胡雪峰,代會(huì)會(huì),羅 凡,張培楓,安柏年

(上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海200444)

不同種類作物間作不僅能夠提高土壤利用率[1],增加作物總產(chǎn)量和綜合經(jīng)濟(jì)效益[2],還有助于提高土壤有效養(yǎng)分含量、增加土壤微生物數(shù)量[3-5],從而維持土壤的健康和可持續(xù)性[6].豆科作物因其獨(dú)特的根瘤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的固氮作用成為間作的首選作物[7-8].豆科作物紫云英和箭舌豌豆常作為冬季綠肥使用,可為下茬作物提供氮肥并有效防止因化肥施加過(guò)多而造成的土壤退化現(xiàn)象[9].將冬季豆科綠肥作物與牧草以一定的比例種植,可有效提高牧草產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量[10].在有機(jī)農(nóng)業(yè)條件下,將冬季豆科綠肥與小麥間作有望改善有機(jī)農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分的不足,提高小麥的產(chǎn)量[11].

在上海地區(qū),普遍實(shí)行夏季水稻-冬季綠肥栽培模式,用以改土培肥,增產(chǎn)增收[12-13].紫云英是稻田冬季綠肥的首選.將冬季豆科綠肥與小麥或牧草間作,也可以達(dá)到增產(chǎn)的效果.小青菜是上海地區(qū)冬季常見(jiàn)的蔬菜品種.小青菜與冬季豆科綠肥間作是否對(duì)小青菜的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響,尚未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道.因此,本工作通過(guò)田間試驗(yàn),研究冬季豆科綠肥紫云英或箭舌豌豆與小青菜間作對(duì)小青菜菜苔產(chǎn)量及品質(zhì)、土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量的影響,為小青菜生態(tài)栽培提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

上海地處長(zhǎng)江入海口,屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,四季分明,年平均降雨量為1 173.4 mm.一月份最冷,平均氣溫為4.9?C;七月份最熱,平均氣溫30.9?C.田間試驗(yàn)位于上海市青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)沙港村,距離上海飲用水源地淀山湖4.3 km.試驗(yàn)區(qū)地下水位高,多為稻區(qū),成土母質(zhì)多為河湖相沉積物,重黏質(zhì).試驗(yàn)區(qū)域背景土壤的基本性狀如表1所示.

表1 試驗(yàn)區(qū)域背景土壤的基本性狀Table 1 Physical–chemical properties of background soils in the study areas

1.2 試驗(yàn)設(shè)置和采樣

供試作物為小青菜(Chinese Kale,Brassica chinensis L.H.Bailey),品種為上海青;用于間作的冬季綠肥為紫云英(Chinese milk vetch,Astragalus sinicus L.)和箭舌豌豆(Spring vetch,Vicia gigantea Bge.).設(shè)置3個(gè)種值處理,即小青菜紫云英間作(CM)、小青菜箭舌豌豆間作(CS)和小青菜單作(CK),每個(gè)處理設(shè)3個(gè)平行小區(qū),小區(qū)隨機(jī)分布,面積為7.5 m2(5.0 m×1.5 m),小區(qū)間預(yù)留30 cm的空地作為間隔.

2013年10月上旬,在苗圃棚內(nèi)小青菜播種育苗.10月中旬,在試驗(yàn)小區(qū)撒播箭舌豌豆和紫云英種子,播撒量分別為3.0 kg/(667 m2)和2.0 kg/(667 m2).11月中旬,箭舌豌豆和紫云英出苗后,將小青菜移栽至試驗(yàn)小區(qū),行間距均為15 cm.為了增加綠肥生物量,冬季和早春設(shè)置田間塑料矮棚增溫,棚高0.6 m,總長(zhǎng)48 m.

2014年2月初,小青菜開(kāi)始抽苔.2月中旬,菜苔成熟.2月20日在每小區(qū)內(nèi)任選10株菜苔,測(cè)量高度;采集小區(qū)內(nèi)菜苔的可食用部分,稱重,記作菜苔產(chǎn)量Ⅰ;3月6日,再次采收各小區(qū)菜苔,稱重,記作菜苔產(chǎn)量Ⅱ.菜苔用作品質(zhì)分析.3月10日,拔除小青菜,翻壓全部綠肥入土.3月24日、4月29日和6月4日分別在各小區(qū)采集耕作層(0～20 cm)土樣.樣品采集后,立即帶回實(shí)驗(yàn)室,置于4?C下保存,用于土壤酶活性的測(cè)定,以綠肥入土前土壤樣品為對(duì)照.

1.3 樣品分析

(1)菜苔品質(zhì)測(cè)定[14].菜苔品質(zhì)的測(cè)定均采用新鮮蔬菜樣品,其中可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)染料結(jié)合法測(cè)定,可溶性總糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定,有機(jī)酸含量采用指示劑滴定法測(cè)定,葉綠素含量采用分光光度法測(cè)定.

(2)土壤酶活性測(cè)定[15].脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,結(jié)果以NH3-Nμg·g?1(37?C,24 h)表示;蔗糖酶活性采用水楊酸比色法測(cè)定,結(jié)果以葡萄糖mg·g?1(37?C,24 h)表示;磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,結(jié)果以酚mg·g?1(37?C,3 h)表示;過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,結(jié)果以0.01 mol·L?1高錳酸鉀的mL·g?1表示.

2結(jié)果

2.1 菜苔株高及產(chǎn)量

表2為豆科綠肥間作對(duì)菜苔株高及產(chǎn)量的影響.由表2可知:第一次采收,小青菜單作的菜苔產(chǎn)量顯著高于紫云英間作和箭舌豌豆間作(p<0.05);但第二次采收時(shí),紫云英和箭舌豌豆間作的菜苔產(chǎn)量均高于小青菜單作產(chǎn)量.綜合兩次采收,紫云英間作時(shí)菜苔的總產(chǎn)量顯著高于對(duì)照(小青菜單作)(p<0.05),增產(chǎn)效果最顯著;箭舌豌豆間作的增產(chǎn)效應(yīng)也較明顯.另外,紫云英間作和箭舌豌豆間作使小青菜菜苔分別增產(chǎn)28.4%和20.2%,但對(duì)小青菜株高并沒(méi)有顯著影響.

表2 豆科綠肥間作對(duì)菜苔株高和產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of different intercropping treatments on plant height and yield of Chinese Kale

2.2 菜苔品質(zhì)

表3為豆科綠肥間作對(duì)菜苔品質(zhì)的影響.由表3可知,紫云英和箭舌豌豆間作時(shí)菜苔中可溶性蛋白質(zhì)含量均顯著高于單作(p<0.05),與對(duì)照(單作)相比分別增加33.6%和27.3%.同樣,紫云英和箭舌豌豆間作時(shí)菜苔中可溶性糖含量也均顯著高于單作(p<0.05),與對(duì)照(單作)相比分別增加73.6%和62.6%.豆科綠肥間作對(duì)菜苔有機(jī)酸和葉綠素含量無(wú)顯著影響.這表明豆科綠肥間作有利于改善小青菜菜苔品質(zhì).

表3 豆科綠肥間作對(duì)菜苔品質(zhì)的影響Table 3 Effects of different intercropping treatments on quality of Chinese Kale

2.3 土壤酶活性

圖1為豆科綠肥間作對(duì)土壤酶活性的影響,同一列中a,b,ab表示各處理在(p<0.05)水平上差異顯著.由圖可以看出,不同處理方式下土壤酶活性有相似的變化規(guī)律.早春(2月20日)塑料棚尚未撤除時(shí),棚內(nèi)氣溫和濕度較高,土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性達(dá)最高.3月24日,塑料棚去除豆科作物翻壓后的兩周,各種酶的活性均最低.這可能與塑料棚拆除,氣溫驟降,以及大量植物殘枝分解導(dǎo)致土壤短期缺氮等因素有關(guān).但之后(從4月29日至6月4日)氣溫回暖,4種酶的活性都逐漸升高.

豆科綠肥間作時(shí)土壤脲酶、蔗糖酶與磷酸酶的活性大多顯著高于對(duì)照(小青菜單作)(p<0.05);而紫云英間作和箭舌豌豆間作相比較,土壤的酶活性并沒(méi)有顯著性差異.豆科綠肥間作與對(duì)照相比較,過(guò)氧化氫酶的活性未見(jiàn)顯著差異(p>0.05).這表明豆科綠肥間作能夠顯著提高多數(shù)土壤酶的活性,但對(duì)過(guò)氧化氫酶活性沒(méi)有顯著影響.

圖1 豆科綠肥間作對(duì)土壤酶活性的影響Fig.1 Effects of different intercropping treatments on soil enzyme activities

3討論

合理科學(xué)的間作對(duì)于作物養(yǎng)分的吸收有顯著促進(jìn)作用.不同作物的間作,種間根際作用可以促進(jìn)鉀磷氮養(yǎng)分的吸收,提高養(yǎng)分利用效率[16].例如玉米和辣椒間作條件下,根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)植物吸收利用土壤中的鉀磷氮產(chǎn)生重要影響,種間根際效應(yīng)對(duì)磷的吸收有明顯促進(jìn)作用[17].大豆和甘蔗間作可以提高總產(chǎn)量和土地利用效率,減少對(duì)氮素的需求,同時(shí)又保證土壤肥力的穩(wěn)定性和甘蔗的產(chǎn)量[18].Chapagain等[19]發(fā)現(xiàn),無(wú)論是將小麥與豌豆間作還是混種,其總產(chǎn)量均高于二者分別單作.Sadeghpour等[20]將小麥與豆科作物苜蓿間作,指出小麥與苜蓿播種比例為5∶2時(shí),總產(chǎn)量最高.本研究利用豆科綠肥間作小青菜,在生長(zhǎng)前期(2月上旬),由于紫云英、箭舌豌豆與小青菜爭(zhēng)肥,土壤養(yǎng)分降低,導(dǎo)致豆科綠肥間作的小青菜株高顯著低于單作,并且此時(shí)豆科綠肥間作的菜苔產(chǎn)量顯著低于單作.但在紫云英、箭舌豌豆成熟以后,二者的固氮能力增強(qiáng),土壤養(yǎng)分顯著增加,3月中旬采收時(shí),間作的菜苔產(chǎn)量顯著高于單作.兩次采收,紫云英、箭舌豌豆間作的菜苔總產(chǎn)量均高于小青菜單作,其中以紫云英間作的小青菜產(chǎn)量最高,增產(chǎn)率達(dá)28.4%.這說(shuō)明豆科綠肥間作有顯著的增產(chǎn)效應(yīng).

Stoltz等[21-22]將玉米與蠶豆間作時(shí)發(fā)現(xiàn),在二者間作且不施加氮肥的情況下,玉米的糖分和粗蛋白含量最高,牧草與蠶豆間作時(shí),牧草粗蛋白高于其單作.Zhang等[23]研究表明,在不施肥條件下,玉米間作可以顯著提高玉米籽粒蛋白質(zhì)含量.本研究表明,豆科綠肥間作顯著提高小青菜菜苔的可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖類的含量,其原因可能是豆科綠肥間作系統(tǒng)中豆科根瘤菌固氮,加上不同作物之間活躍的根基效應(yīng),促進(jìn)了植物根系對(duì)土壤養(yǎng)分特別是氮素的吸收,而氮素是蛋白質(zhì)的主要成分之一.可溶性蛋白質(zhì)還與植物的抗寒性有關(guān).豆科綠肥間作,提高可溶性蛋白含量,能在一定程度上提高作物的抗寒能力.此外,土壤鉀養(yǎng)分與作物糖分的合成有關(guān).豆科綠肥間作促進(jìn)了土壤礦物態(tài)磷鉀的溶解,從而增加了小青菜菜苔水溶性糖的含量,改善了小青菜品質(zhì).

土壤酶活性可用來(lái)表征因一些人為措施導(dǎo)致的土壤性狀和肥力的變化[24].土壤酶促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和作物吸收.間作模式下,土壤酶活性常優(yōu)于單作.黃瓜與大蒜或洋蔥間作,土壤多酚氧化酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性都普遍高于黃瓜單作[25].玉米與姜間作,過(guò)氧化氫酶和脲酶活性均高于玉米單作[26].小青菜間作紫云英或箭舌豌豆,可顯著提高土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性.紫云英或箭舌豌豆間作,土壤脲酶活性始終顯著高于對(duì)照.這充分表明,豆科綠肥間作可促進(jìn)土壤脲酶活性,增加土壤氮素.箭舌豌豆或紫云英間作時(shí),菜苔中蔗糖酶活性也始終顯著高于對(duì)照,可能是由于間作土壤有機(jī)質(zhì)含量高,尤其后期箭舌豌豆、紫云英腐化放出的多糖和有機(jī)質(zhì)含量多.在小青菜生長(zhǎng)前期,豆科間作對(duì)土壤磷酸酶的活性未產(chǎn)生顯著影響;但在豆科綠肥翻壓后,豆科間作磷酸酶活性顯著增加,由此可見(jiàn)植物腐化分解對(duì)磷酸酶活性的影響較大.

4 結(jié)束語(yǔ)

小青菜冬季間作豆科綠肥紫云英或箭舌豌豆能增加土壤肥力,促進(jìn)土壤酶活性,增加菜苔產(chǎn)量.紫云英間作或箭舌豌豆間作可使菜苔分別增產(chǎn)28.4%和20.2%.豆科綠肥間作還能顯著增加小青菜菜苔中的可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖的含量,改善菜苔品質(zhì).相比之下,小青菜間作紫云英對(duì)于提高菜苔產(chǎn)量,改善菜苔品質(zhì),增加土壤酶活性,效果更為顯著,是更為優(yōu)良的生態(tài)農(nóng)作模式.