旱地燕麥間作對土壤酶活性、微生物含量及產量的影響

王慶宇，李立軍，阮 慧，周紅生，李曉婷

(1.內蒙古農業(yè)大學農學院，內蒙古 呼和浩特 010010；2.南京農業(yè)大學農學院，江蘇 南京 210095；3.西北農林科技大學植物保護學院，陜西 楊凌 712100)

土壤酶在土壤新陳代謝中起著重要作用，其多數(shù)來源于土壤微生物殘體，一部分也來源于動、植物，與土壤理化性質、土壤類型、施肥、耕作以及其他農業(yè)措施等密切相關，在土壤物質循環(huán)和能量轉化過程中尤為重要。土壤酶活性能反映土壤生物活性和土壤生化反應強度，且土壤酶對外界環(huán)境變化敏感，是評價土壤肥力、土壤質量及土壤健康的重要生化指標[1-5]。因此可以將土壤酶的活性作為量化指標，用于研究其對不同作物間作的響應。不同栽培作物種類以及耕作方式對土壤酶活性的影響一直是近年來的研究熱點[6]，研究表明禾豆間作可以提高禾本科作物地上部分生物產量，不同程度地提高作物產量[7-8]。目前研究多集中于禾本科與豆科間作的養(yǎng)分利用效率，內蒙古地區(qū)除禾本科與豆科間作外，更缺少禾本科與馬鈴薯、禾本科與茄科及各種間作效應間的比較研究[9-10]。張向前等[11]研究表明，在不施肥條件下玉米間作和單作土壤轉化酶活性差異顯著，在施肥條件下間作和單作土壤轉化酶和磷酸酶活性差異顯著。Getachew Agegnehu等人[12]在埃塞俄比亞間作種植小麥和蠶豆研究結果表明，混合間作對比單作可以增加土地當量比3%～22%，同時可以增加蠶豆和小麥的籽粒產量，減少雜草和病害壓力。

本研究采用小區(qū)條帶間作，通過對比研究黑豆間作燕麥，苜蓿間作燕麥，馬鈴薯間作燕麥，以及以上4種作物單作對土壤脲酶活性、過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性的影響。通過分析2015年和2016年3種間作模式下土壤酶活性的差異及其對產量的影響，揭示間作在提高土壤酶活性和微生物生物量方面的優(yōu)勢機理，為間作系統(tǒng)的增產穩(wěn)產提供理論依據(jù)，有利于內蒙古地區(qū)間作栽培模式的推廣和土地利用效率的提高。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2015-2016年在內蒙古自治區(qū)涼城縣進行，該地區(qū)地處北緯 40°29′～40°32′，東經112°28′～112°30′之間，為陰山南麓，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，年均日照時數(shù)3 026 h，年均有效積溫2 600℃，無霜期平均120 d。降水主要集中在7、8月份，蒸發(fā)量是降水量的4.94倍。試驗地土壤類型為山地草原草甸土，土壤基礎養(yǎng)分情況見表1。

表1 試驗地土壤理化性質

1.2 供試材料

燕麥：白燕2號；馬鈴薯：荷蘭14號；苜蓿：草原1號；黑豆：大粒黑。

肥料：磷酸二銨(含氮量為18%，含P2O5量為46%)；馬鈴薯復合肥(N∶P2O5∶K2O=17∶6∶22)。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，共7個處理，分別為：苜蓿間作燕麥、馬鈴薯間作燕麥、黑豆間作燕麥、馬鈴薯單作、燕麥單作、苜蓿單作、黑豆單作。各處理重復5次。試驗設計見表2。

小區(qū)面積為6 m×6 m=36 m2，小區(qū)間隔0.5 m，過道1 m，種植模式采用帶狀間作，燕麥條帶寬1 m，黑豆、馬鈴薯、苜蓿條帶均寬1.2 m。黑豆行距0.3 m，株距0.35 m；馬鈴薯行距0.4 m，株距0.55 m；苜蓿行距0.3 m，燕麥行距0.2 m。燕麥與苜蓿均為條播，黑豆、馬鈴薯為點播。燕麥與黑豆、馬鈴薯、苜蓿間作的條帶間距均為0.2 m。馬鈴薯種肥為復合肥，施用量為450 kg·hm-2；其余各處理以磷酸二銨為種肥，施用量為150 kg·hm-2。人工播種，燕麥、馬鈴薯、苜蓿、黑豆播種量分別是150、2 700、45、120 kg·hm-2。試驗期間不追肥、不灌水。田間管理與當?shù)卮筇锕芾硪恢隆?/p>

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤取樣方法 在各處理每種作物的各條帶采集土樣，每帶取樣深度為0～30 cm，每帶均在壟上和壟間各取2個點充分混合[13]。鮮土取回后立即將樣品分為2份，1份置于-5℃冰箱內保存，用于測試微生物生物量碳、氮;另1份自然風干，用于測試土壤酶活性。

表2 試驗設計

1.4.2 土壤取樣時間 分別于生長旺盛期、收獲期取土樣，第1次取樣為播種后75 d，此時燕麥處于灌漿期，黑豆、馬鈴薯處于開花期，苜蓿處于現(xiàn)蕾期；收獲期于各作物籽粒、塊莖成熟待收獲或牧草刈割之前3～5 d取樣。

1.4.3 土壤酶活性測定 土壤脲酶采用靛酚比色法測定；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定[14]。

1.4.4 土壤微生物生物量測定 土壤微生物生物量碳(SMB-C) 、土壤微生物生物量氮(SMB- N)采用氯仿熏蒸法[15]測定。

1.4.5 土地當量比測定 在間作系統(tǒng)的研究中，經常用土地當量比(land equiva ratio，LER)作為評定間作優(yōu)勢的指標，它可用于表示間作系統(tǒng)內物種對資源利用的競爭性大小，公式定義如下：LER=Yim/Ysm+Yia/Ysa。式中，Y表示產量，i表示間作，s表示單作，m和a分別表示間作的兩種作物。例如黑豆與燕麥間作，Yim表示間作黑豆產量，Ysm表示單作黑豆產量，Yia表示間作燕麥產量，Ysa表示單作燕麥產量。當LER值等于1時，表示兩個品種間作和該兩個品種單作產量相當，對同一有限資源有相等的利用能力；當LER>1，間作互補作用大于競爭作用，具有間作的產量優(yōu)勢，LER>1的幅度愈高，增產效益愈大；當LER<1時，表明間作的拮抗，在間作系統(tǒng)中，種間競爭大于種間促進作用，沒有間作優(yōu)勢[16]。

1.4.6 產量測定 收獲期，燕麥、苜蓿每小區(qū)隨機取1 m2樣方，黑豆和馬鈴薯每小區(qū)取6 m2樣方測定籽粒、塊莖、鮮草產量，馬鈴薯按干物質含量為16.67%計算塊莖產量與其他作物進行比較。苜蓿取花后苜蓿含水量77.5%折算為干草產量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003進行處理，SAS 9.0 進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同間作模式對土壤酶活性的影響

土壤脲酶活性通?？梢员碚魍寥赖乩们闆r[17]，脲酶是土壤中最活躍的水解酶類之一，它能水解施入土壤中的尿素，釋放出供作物利用的銨[18]。由圖1可知，2015年的土壤脲酶活性均較2016年高，但同時期各處理土壤脲酶活性變化趨勢一致，均表現(xiàn)為Y‖H>Y‖M>Y‖X>Y>M>H>X，即2015年和2016年播種后75 d Y‖H的土壤脲酶活性均顯著高于其他處理。2015年播種后75 d和收獲期Y‖H、Y‖M、Y‖X的土壤脲酶活性分別較最低的X高出86.08%、77.22%、67.09%和83.56%、80.82%、46.58%；2016年Y‖H、Y‖M、Y‖X的土壤脲酶活性較最低的X分別高出88.00%、49.33%、24.00%和235.48%、193.55%、116.13%。

蔗糖酶廣泛存在于土壤中，屬于水解酶類，常被用來表征土壤的熟化程度和肥力水平[19]。由圖2可知， 2015年土壤蔗糖酶活性均較2016年高，但同時期各處理土壤蔗糖酶活性變化趨勢一致，均表現(xiàn)為Y‖H>Y‖M>H>M>Y‖X>Y>X，即2015年和2016年播種后75 d Y‖H的土壤蔗糖酶活性顯著高于其他處理。2015年播種后75 d和收獲期Y‖ H、Y‖M、Y‖X土壤蔗糖酶活性較最低的X處理分別高出95.05%、75.95%、28.07%和105.23%、86.08%、38.01%；而2016年三種間作處理在播種后75 d的土壤蔗糖酶活性較最低的X分別高出37.68%、30.22%、6.47%，在收獲期Y‖ H和Y‖M比X分別高出41.62%、20.91%，而Y‖X比X低 4.14%。

土壤過氧化氫酶是分解土壤生化反應中生成的H2O2，減輕土壤一些理化反應對植物傷害的一種保護酶[20-21]。土壤過氧化氫酶活性與土壤呼吸強度和土壤微生物活動相關，在一定程度上也反映了土壤微生物學過程的強度[22]。由圖3可知，2016年的土壤過氧化氫酶活性均較2015年高，但同時期各處理土壤過氧化氫酶活性變化趨勢一致，均表現(xiàn)為X>Y‖X>Y>Y‖M>H>Y‖H>M。其中2015年、2016年播種后75 d、收獲期苜蓿土壤過氧化氫酶活性均顯著高于其他處理，2015年和2016年播種后75 d Y‖H較Y‖X、Y‖M土壤過氧化氫酶活性分別降低12.35%、22.76%和9.38%、28.67%。

2.2 不同間作模式對土壤微生物生物量碳、氮的影響

土壤微生物是土壤中有機質和養(yǎng)分轉化循環(huán)的動力，同時又是土壤養(yǎng)分的儲存庫和植物生長可利用養(yǎng)分的一個重要來源，其變化可以作為土壤質量變化的指示指標[23]。由表3和表4得知，間作處理中Y‖H的SMB-C和SMB-N值都高于其他2種間作。2015年和2016年播種后75 d間作處理中Y‖H SMB-C較Y‖M、Y‖X高出17.89%、7.90%和2.70%、4.47%。2015年和2016年播種后75 d Y‖H處理SMB-N較Y‖M、Y‖X分別高出23.26%、18.65%和26.47%、11.80%，其中除2016年Y‖M播種后75 d SMB-C外差異均顯著，且2015年、2016年Y‖H收獲期SMB-C與SMB-N較播種后75 d的下降率均低于10%。綜上所述，Y‖H較其他處理可以顯著提高土壤微生物生物量碳、氮含量，有利于土壤養(yǎng)分的積累與轉化。

注：圖中小寫字母表示不同處理間0.05水平下差異顯著，下同。Note: The lowercase letters in each figure indicate significant differences at the 0.05 level, the same below.圖1 不同生育時期土壤脲酶活性的變化Fig.1 Changes of soil urease activity in different growth stages

圖2 不同生育時期土壤蔗糖酶活性的變化Fig.2 Changes of soil invertase activity in different growth stages

圖3 不同生育時期土壤過氧化氫酶活性Fig.3 Changes of soil catalase activity in different growth stages

表3 2015年不同間作模式對土壤微生物生物量碳、氮的影響

注：不同小寫字母表示同一年份不同時期各處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05) in different periods in the same year. The same below.

表4 2016年不同間作模式對土壤微生物生物量碳、氮的影響

2.3 不同間作模式對作物產量及土地當量比的影響

從表5可知，2 a的間作試驗中各間作處理土地當量比均大于1，具有間作優(yōu)勢。Y‖H土地當量比最高，2015年和2016年Y‖H較Y‖M、Y‖X處理分別提高5.9%、10.2%和5.8%、3.8%。2016年燕麥收獲期發(fā)生強降雨、大風，燕麥受氣候影響產生倒伏現(xiàn)象，產量較2015年降低，但間作處理土地當量比仍較高。

3 討 論

土壤酶活性反映了土壤的肥力狀況和理化性質，它對土壤中復雜有機物轉化為植物和微生物能夠利用的營養(yǎng)物質有著重要的作用[24]。前人研究表明[25]，合理的間作模式能不同程度地提高土壤酶活性，有利于土壤養(yǎng)分的積累和轉化。本研究結果表明，Y‖H較各單作處理均能顯著提高土壤脲酶和蔗糖酶活性，Y‖M、Y‖X兩處理也有明顯的提高，但差異不顯著。Y‖M、Y‖X土壤過氧化氫酶活性較Y‖H高，且在2015年和2016年播種后75 d差異顯著。土壤過氧化氫酶在一定程度上較靈敏地反映了土壤微生物學過程和作物代謝過程的強度[26]。有研究表明土壤過氧化氫酶活性與根系呼吸強度密切相關[27]，根系呼吸強度高是導致過氧化氫酶活性增加的重要原因。本研究中Y‖X過氧化氫酶活性顯著提高，這是由于苜蓿根系發(fā)達，與燕麥間作提高了其根系密度和根系呼吸強度，導致產生了大量的過氧化氫。過氧化氫酶活性與底物過氧化氫濃度在一定范圍內呈正相關關系[28]，土壤過氧化氫酶可促進過氧化物分解，從而避免了過氧化物對機體造成的傷害。Y‖H較Y‖M、Y‖X可以提高土壤微生物生物量碳、氮含量。微生物是土壤酶的來源之一，土壤微生物量提高，土壤酶活性隨之增大[29]。同時微生物通過吸收土壤中的養(yǎng)分形成根際養(yǎng)分供應庫[30]，作物根系生長發(fā)育受到促進，進一步增加土壤酶的來源。土壤酶活性處于較高水平，有利于提高土壤養(yǎng)分供給能力，促進作物產量形成[31]。本研究中Y‖ H土地當量比最高，2015年和2016年分別為1.62和1.65，且土壤蔗糖酶、脲酶及微生物量顯著高于其它間作處理，在試驗地區(qū)表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

表5 2015-2016年不同間作模式下的作物產量及土地當量比Table 5 Yield and land equivalent ratio of different intercropping modes in 2015-2016

4 結 論

間作較單作可提高土壤酶活性，土壤脲酶活性差異最顯著；不同間作模式較單作對土壤微生物量影響不同，黑豆間作燕麥微生物生物量碳、氮含量在各間作模式中最高，但微生物量氮低于黑豆單作；間作可提高土地當量比，其中黑豆間作燕麥最高，同時該模式下土壤酶活性及土壤微生物含量均處于較高水平，是試驗地區(qū)最適合的間作模式。