玉米不同種植模式對坡耕地紅壤團聚體的影響

程偉威　王婷　范茂攀　李永梅　王自林　肖靖秀

摘要：通過田間小區(qū)試驗單作玉米、馬鈴薯//玉米間作，采集玉米在3個不同生育期（拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期）的根系和土壤，測定根系分泌物中的有機酸、總糖和土壤團聚體狀況，分析根系特征和根系分泌物對土壤團聚體的影響。結(jié)果表明，間作玉米根長、根體積、根表面積顯著高于單作玉米（P<0.05）。玉米根系分泌總糖和總有機酸含量隨生育期的推移而增加，間作顯著提高玉米根系分泌總糖和總有機酸含量（P<0.05）。抽雄期，間作玉米比單作>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量（R0.25）顯著提高8.17%（P<0.05）;團聚體幾何平均直徑（GMD）顯著提高12.24%（P<0.05），分形維數(shù)（D）顯著降低1.09%;團聚體破壞率（PAD）顯著降低26.08%。玉米根系分泌總糖含量、總有機酸含量與R0.25、GMD、D、PAD呈極顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.01），玉米間作對改變玉米根系特征及根系分泌物中總糖和總有機酸含量、提高土壤團聚體的穩(wěn)定性有很大影響。

關(guān)鍵詞：玉米;不同種植模式;坡耕地紅壤;土壤團聚體

中圖分類號：S157.4? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）15-0033-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.008? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Effects of different planting patterns of maize on red soil aggregates in sloping farmland

CHENG Wei-wei，WANG Ting，F(xiàn)AN Mao-pan，LI Yong-mei，WANG Zi-lin，XIAO Jing-xiu

（College of Resources and Environment，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China）

Abstract： Through the field plot test for monocropping corn， monocropping potatoes and corn intercropping potato， collection of corn in different development stages of the three （elongation stage， bell stage， tasseling stage） of root and soil， and determine the organic acid and total sugar in root exudates. And soil aggregate status， analysis of root characteristics and root exudates on soil aggregates. The results showed that the root length， root volume and root surface area of intercropping maize were significantly higher than those of monoculture maize（P<0.05）. The total sugar and organic acid secreted by maize roots increased with the growth stage. Intercropping significantly increased the total sugar and organic acid secreted by maize roots （P<0.05）. At tasseling stage， the water stable aggregate content（R0.25） of>0.25 mm in intercropping maize was significantly increased by 8.17% compared with that of monoculture maize（P<0.05）. The geometric mean diameter（GMD） of aggregate was significantly increased by 12.24%（P<0.05）， and the fractal dimension（D） was significantly decreased by 1.09%. The percentage of aggregate destruction（PAD） was significantly reduced by 26.08%. The total sugar and organic acid secreted by the root system of maize were significantly correlated with R0.25，GMD，D and PAD（P<0.01）. Therefore， maize intercropping potato can change the characteristics of maize root system， increase the total sugar content and total organic acid content secreted by maize root system， and then improve the stability of soil aggregates.

Key words： maize; different planting patterns; red soil of sloping cultivated land; soil aggregate

近些年來，隨著中國現(xiàn)代化進程的不斷加快，高度集約化農(nóng)業(yè)耕作模式盛行，一系列生態(tài)環(huán)境問題也日益凸顯，比如水土流失、土壤肥力下降、農(nóng)田生物多樣性喪失、土壤酸化板結(jié)、水體富營養(yǎng)化等問題[1]。如何在不過度擾動土壤的同時又能夠高效地進行生產(chǎn)作業(yè)，保證糧食的供應是目前世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)科學工作者廣泛討論和研究的問題。間作模式一直被作為一種良好的耕作模式為眾多農(nóng)業(yè)科學工作者所推崇，土壤結(jié)構(gòu)的好壞影響著土壤水分移動和保持、侵蝕、結(jié)殼、養(yǎng)分循環(huán)、根系滲透和作物產(chǎn)量[2]，因此良好的土壤結(jié)構(gòu)是土壤保持肥力及保證作物高產(chǎn)的基本條件之一，土壤團聚體則是衡量土壤結(jié)構(gòu)好壞的重要指標[3]。土壤團聚體的形成包含著物理、化學、生物等多方面的作用，其形成的內(nèi)在機理較為復雜，根據(jù)Six等[4]、Tisdall[5]和Oades等[6]的研究，團聚體的形成是在各種外力作用下，礦物質(zhì)與次生黏土礦物顆粒以黏團的形式相互黏結(jié)、凝聚，黏團再經(jīng)過膠結(jié)、根毛和菌絲體的團聚作用形成團聚體。此外，足夠多的細小土粒、膠結(jié)作用、凝聚作用以及團聚作用等都是形成團聚體必不可少的條件。而促進團聚體形成的一些膠結(jié)物質(zhì)大多都是有機類物質(zhì)， 因此土壤中的有機類物質(zhì)對土壤團聚體的數(shù)量和大小分布有重要意義[7]。已有研究表明，作物根系分泌物能夠顯著提高土壤有機碳礦化率、土壤水溶性糖和多糖含量及水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性[8]。

植物在生長過程中所產(chǎn)生的根系分泌物是土壤中有機類物質(zhì)的一個重要來源。植株根系分泌物是植物體與外界環(huán)境進行交互作用的一個重要媒介，也是構(gòu)成植物根際微生態(tài)的要素之一。在種植豌豆、小麥和黑麥的土壤中，9.5 mm以上的大團聚體明顯減少，而0.25～9.50 mm的團聚體明顯增加[9]。合理的耕作模式不但增加作物產(chǎn)量，還能改善土壤的結(jié)構(gòu)性狀[10，11]，水稻田的生物量在間作下有明顯的提高[12]，豆類和玉米間作也顯著提高玉米的產(chǎn)量和吸氮量[13]。玉米與大豆間作模式下，玉米根系特征值及根系活力顯著高于單作[14]。間作種植模式下的農(nóng)作物根系較單作更為發(fā)達，也更有利于控制徑流導致的養(yǎng)分流失[15]。豆科作物與禾本科作物間作能夠提高植株根系分泌物的總糖與總有機酸的量[16]。目前對于間作模式條件下，土壤團聚體對作物根系分泌物響應的研究鮮見報道。本研究旨在為坡耕地紅壤農(nóng)作物的合理配置和土壤培肥提供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 試驗小區(qū)概況及作物品種

試驗地位于云南省昆明市盤龍區(qū)松華壩，地理坐標：東經(jīng)102°58′39.7，北緯25°2′28.8。試驗地坡度為10°，海拔2 234 m，降雨量900～1 000 mm，屬于亞熱帶季風性氣候，年均溫16 ℃。試驗地前3年種植模式均為玉米單作，小區(qū)初始土樣有機質(zhì)30.15 g/kg，全氮1.14 g/kg，堿解氮為115.3 mg/kg，速效磷6.41 mg/kg，速效鉀92.36 mg/kg，pH 6.29。試驗采用的玉米品種為云瑞88，馬鈴薯品種為會-2。

1.2? 試驗設(shè)計

試驗設(shè)4個處理（空白對照、玉米單作、馬鈴薯單作和玉米/馬鈴薯間作），3次重復，共12個小區(qū)。每個地塊規(guī)格為4 m×10 m，玉米單作采用寬窄行種植，寬行80 cm，窄行40 cm，株距25 cm;馬鈴薯單作采用等行距種植，行距60 cm，株距35 cm;玉米馬鈴薯間作采用2∶2種植模式，玉米行距40 cm，株距30 cm，馬鈴薯行距40 cm，株距35 cm。玉米與馬鈴薯的播種在2018年5月初，當年10月中旬收獲。

玉米單作與玉米間作模式下，玉米施N 225 kg/hm2，P2O5 75 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2，其中氮肥分2次平均施用，磷肥和鉀肥全部作基肥施用;馬鈴薯施N 90 kg/hm2，P2O5 75 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2，全部作基肥施用。

1.3? 樣品處理及分析

對于土壤團聚體， 主要通過干篩和濕篩進行分析。土壤樣品的采集選用“S”型5點取樣法，采集小區(qū)土樣后帶到實驗室風干，使用套篩（孔徑依次為0.25、0.50、1.00、2.00、5.00 mm）以150次/min，振蕩幅度10 cm，振蕩3 min。依次確定其各粒徑的質(zhì)量及百分比含量，按其百分比收取100 g混合土樣后用團聚體分析儀測定其水穩(wěn)性團聚體的占比，在實際操作中，水應沒過5 mm篩的底部，而且套篩在水中振蕩時不沒過其頂部，套篩的振幅為3 cm，頻率為30次/min，15 min后依次收取各粒徑的水穩(wěn)性團聚體于鋁盒中，置于105 ℃烘箱中烘12 h，烘干稱重，計算各粒徑的水穩(wěn)性團聚體占比。

將采集的根系洗凈后使用EPSON4900掃描儀進行掃描，然后使用WINRHIZO根系分析軟件對掃描后的圖像進行分析。對于根系分泌物的分析，其總糖的含量測定采用蒽酮比色法，總有機酸的含量則采用HPLC法。儀器的型號為Agilent1200高效液相色譜儀，流動相為10 mmol/L硫酸二氫鉀溶液（pH 2.45），柱溫35 ℃，流速1 mL/min，進樣量10 μL，檢測波長214 nm，分析時間10 min。

1.4? 數(shù)據(jù)分析

團聚體平均質(zhì)量直徑[17]：

MWD=■X×Wi

式中，X為各粒徑水穩(wěn)性團聚體平均質(zhì)量;Wi為第i個篩子的破碎團聚體重量百分比。

幾何平均直徑[17]：

GMD=exp■milnRi/■mi

式中，Ri為某級團聚體平均直徑;mi為某級團聚體組分的干重。

分形維數(shù)[18]：

■=■■

式中，■i為某級團聚體平均直徑;M（r<■i）為粒徑小于r的團聚體重量;MT為團聚體總重量;Rmax為團聚體最大粒徑。

結(jié)構(gòu)體破壞率[19]：

結(jié)構(gòu)體破壞率（PAD）=■×100%

式中，MT為供試土壤的總質(zhì)量，g;M0.25為0.25 mm水穩(wěn)性團聚體重量，g。

大于0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體占比：

R0.25=■×100%

式中，MR>0.25為粒徑大于0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量，g;T為水穩(wěn)性團聚體總質(zhì)量，g。

數(shù)據(jù)的處理采用Microsoft Excel 2010、SPSS 23.0。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 玉米根系在不同種植模式下的變化

由圖1可知，隨著生育期的推移，玉米根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)均呈增長趨勢，在抽雄期達到最大值。在玉米大喇叭口期、抽雄期，玉米//馬鈴薯間作與玉米單作相比，玉米根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)差異顯著。在3個生育期中，玉米//馬鈴薯間作模式下，根長分別增加了9.1%、12.9%、35.5%，根表面積分別增加了53.3%、28.9%、33.1%，根體積分別增加了20.9%、46.1%、18.1%，根尖數(shù)比同時期的玉米單作分別增加了12.7%、6.5%、24.0%，結(jié)果表明玉米根系特征值在間作模式下均優(yōu)于單作模式。

2.2? 玉米根系分泌物在不同種植模式下的變化

2.2.1? 總糖含量在不同種植模式下的變化? 由圖2可知，玉米3個生育期中，玉米//馬鈴薯間作根系分泌物總糖含量比玉米單作增加148.05%、36.40%、84.94%（P<0.05）。無論是玉米單作還是玉米//馬鈴薯間作，玉米根系分泌總糖含量在拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期均表現(xiàn)為不斷升高的趨勢。

2.2.2? 總有機酸含量在不同種植模式下的變化? 由圖3可知，在玉米的拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期，玉米//馬鈴薯間作相比玉米單作，玉米根系分泌物中總有機酸的含量分別提高128.90%、35.98%、37.44%（P<0.05）。

2.3? 土壤團聚體在不同種植模式下的變化

不同種植模式下的3個生育期中土壤團聚體各類指標均有所變化。由表1可知，在3個生育期中，玉米//馬鈴薯間作下的結(jié)構(gòu)體破壞率（PAD）要低于玉米單作，分別降低7.59%、21.97%、26.08%（P<0.05）。

3個生育期中，玉米//馬鈴薯間作模式下要比玉米單作的R0.25分別提高6.82%、7.81%、8.17%（P<0.05）。水穩(wěn)性團聚體指標MWD、GMD隨著玉米生育期推移均表現(xiàn)為上升趨勢，玉米間作相比單作，GMD在3個生育期分別提高7.69%、13.04%、12.24%（P<0.05）。玉米間作相比單作，MWD在大喇叭口期及抽雄期分別提高8.26%、10.08%。

由表1發(fā)現(xiàn)，在同一種植模式下，隨著生育期的推移其水穩(wěn)性團聚體R0.25不斷提高，結(jié)構(gòu)體破壞率PAD明顯下降。在抽雄期，玉米//馬鈴薯間作與玉米單作相比，兩種種植模式的水穩(wěn)性團聚體R0.25、PAD均有顯著性差異。

2.4? 土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)在不同種植模式下的變化

土壤是具有不規(guī)則形狀的復雜多孔介質(zhì)，并且具有自相似結(jié)構(gòu)，有一定的分形特征[20]，因此可以利用分形幾何學研究土壤的物理性狀。Tyler等[21]提出土壤粒徑分布的質(zhì)量分形維數(shù)計算公式后，一直被廣泛用于土壤科學的研究中。由圖4可知，同一種植模式下，水穩(wěn)性團聚體的分形維數(shù)（D）隨著生育期的推移不斷減小。玉米單作與玉米//馬鈴薯間作的水穩(wěn)性團聚體D均有顯著性差異。3個生育期，玉米//馬鈴薯間作與玉米單作相比，D分別降低0.73%、1.44%、1.09%（P<0.05）。在整個生育期中， 土壤水穩(wěn)性團聚體D分布范圍為2.71～2.80。其中分形維數(shù)（D）越小，則表示土壤團聚體的穩(wěn)定性越好[20]。

2.5? 根系分泌物與土壤團聚體穩(wěn)定性指標相關(guān)分析

由表2可知，玉米根系分泌物中總糖和總有機酸的含量對土壤團聚體穩(wěn)定性指標中PAD、R0.25、D、GMD影響較大，根系總糖和總有機酸的分泌量與R0.25、MWD、GMD呈正相關(guān)，而與D、PAD呈負相關(guān)。

總糖和總有機酸分泌量在大喇叭口期與R0.25、GMD呈極顯著正相關(guān)性（P<0.01），與D、PAD呈極顯著負相關(guān)性（P<0.01），與MWD無顯著相關(guān)性?？偺呛涂傆袡C酸分泌量在抽雄期，與R0.25、GMD呈極顯著正相關(guān)性（P<0.01），與MWD呈顯著正相關(guān)性（P<0.05），與D、PAD呈極顯著負相關(guān)性（P<0.01）。在拔節(jié)期，由于試驗作物均處于苗期，其根系分泌物含量較少，對于土壤團聚體的影響很小，不具備相關(guān)性分析的統(tǒng)計條件。

3? 討論

研究表明，間作有利于玉米、大豆根系的生長，且與單作相比玉米的根系特征值均有明顯的增加[16，22]。本研究結(jié)果與其相吻合，在玉米3個生育期中，玉米//馬鈴薯間作模式下，根表面積、根體積、根尖數(shù)比同時期的玉米單作均有顯著增加。也有研究表明，植物在各生育期，其根系分泌物的量均有所變化[23，24]， 并且隨著作物生育期的推移，其根系分泌有機酸和總糖的能力也在升高。本研究也證明了玉米根系分泌物中總糖、總有機酸的含量隨著玉米生育期（拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期）的推移不斷升高， 并且于抽雄期其分泌量達到最大值。在不同的根際生態(tài)類型下，作物根系分泌物的特征也不同[25，26]， 本研究證明玉米間作下根系分泌總糖、總有機酸含量顯著高于玉米單作，玉米//馬鈴薯間作模式改善了根際微生態(tài)環(huán)境[27]，促進了植物對養(yǎng)分的吸收， 增強了植株的碳氮代謝，從而使得植物根系分泌總糖、總有機酸的能力增強。在間作體系下，土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)更加良好，提升了植物根系抑制土傳病害的能力，使根系活力得到加強，同時也促進了根系分泌總糖、總有機酸的能力[28]。土壤團聚體是衡量土壤結(jié)構(gòu)好壞的重要指標，各類粒的土壤團聚體對固定有機碳的作用大相徑庭。各類農(nóng)藝措施在改變土壤有機碳的同時也影響著大團聚體與微團聚體之間的轉(zhuǎn)化和再分布，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力也隨之改變[29]。

良好的土壤結(jié)構(gòu)和團聚體穩(wěn)定性對改善土壤質(zhì)量，提高土壤肥力，提高農(nóng)藝生產(chǎn)力，提高孔隙度，降低土壤可蝕性至關(guān)重要[30]。對于給定的土壤，土地管理[31]、耕作[32]、施肥[33]等措施都能對生物和非生物性的團聚體膠結(jié)產(chǎn)生影響，因此土壤團聚體的特征受這些因素的影響很大。間作和輪作等農(nóng)藝措施有利于團聚體含量的增加、表層土壤結(jié)構(gòu)的改善[34]。土壤有機質(zhì)在土壤團聚體的數(shù)量和粒徑分布中起著重要作用[35]，土壤有機質(zhì)含量的增加有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定[36]，而團聚體的形成又反過來影響土壤有機碳的分解[37]。研究表明影響土壤團聚體的因素都影響土壤碳，土壤碳的數(shù)量和質(zhì)量與團聚體密切相關(guān)[38]，與高度集約化的農(nóng)業(yè)管理相比，進行間作處理的土地在提高土壤大團聚體（>2 mm）的形成上非常明顯，在此農(nóng)藝模式下菌絲的長度和有機質(zhì)的含量都有所增加，因此土壤團聚體的穩(wěn)定性也得到了增加[39]。

本研究選取R0.25、MWD、GMD、D、PAD作為根系分泌物與土壤團聚體穩(wěn)定性相關(guān)指標。Pirmoradian等[40]和Ahmadi等[41]研究表明，土壤穩(wěn)定性與GMD的相關(guān)系數(shù)高于MWD，與D的相關(guān)系數(shù)高于GMD，D相比MWD、GMD能對土壤團聚體穩(wěn)定性狀況具有較好的表征。

4? 結(jié)論

玉米根系特征值在間作模式下均優(yōu)于單作模式。在3個生育期中，玉米//馬鈴薯間作模式下，根表面積、根體積、根尖數(shù)比同時期的玉米單作均有顯著增加（P<0.05）。

在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期，玉米根系分泌的總糖、總有機酸含量呈遞增趨勢，間作相比單作更加顯著，并且在抽雄期達到峰值。在抽雄期，玉米//馬鈴薯間作相比玉米單作，玉米根系分泌總糖、總有機酸含量分別提高84.94%、37.44%（P<0.05）。

玉米//馬鈴薯間作相比玉米單作，在玉米抽雄期，土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)D顯著降低1.09%（P<0.05），土壤團聚體幾何平均直徑GMD提高12.24%， 團聚體平均質(zhì)量直徑MWD提高10.08%，土壤水穩(wěn)性團聚體R0.25顯著提高8.17%（P<0.05），結(jié)構(gòu)體破壞率PAD顯著降低26.08%（P<0.05）。

根系分泌總糖、總有機酸量在玉米抽雄期與土壤水穩(wěn)性團聚體GMD、R0.25呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與D、PAD達到極顯著負相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與MWD達到顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。

相比單作，在間作模式下玉米根系分泌的總糖、總有機酸含量也得到了提高，與此同時團聚體穩(wěn)定性也得到了提高。

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