十大功勞與不同植物間作對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

歐陽子龍，黃大安，滕維超，駱湘華，雷康，黃景貴

（1.廣西大學(xué)，廣西南寧 530004；2.廣西鳳山縣佳弘種苗有限公司，廣西河池 547600）

間作是一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)手段，通過兩種以上不同植物分行或分帶種植，達到增收增產(chǎn)的目的[1]，其原理是利用不同植物間的生態(tài)位差異提高植物對土壤、光能及水分等的利用效率[2]。間作可減少雨水對土壤表層的沖刷[3]，有利于保持土壤養(yǎng)分和水分，維持土壤肥力，提高植物產(chǎn)量。土壤含有植物生長發(fā)育所需的碳（C）、氮（N）、磷（P）和鉀（K）等元素，其含量是土壤肥力的決定因素。研究表明，間作能提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤化學(xué)性質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分，可為植物生長提供保障[4-6]；間作對促進土壤間的物質(zhì)循環(huán)[7]、提高植物抗逆性[8]、降解有機物[9]、改善土壤結(jié)構(gòu)[10]以及調(diào)節(jié)土壤物理性質(zhì)[11]等也有較大幫助，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

十大功勞（Mahonia fortunei）是一種常見的藥用植物，主要生長于我國廣西地區(qū)，在四川、湖北和浙江等地也有分布。其根、莖和葉均可入藥，性寒味苦，有清熱解毒、消炎止痛和止咳化痰等功效，有較好的藥用價值[12]。核桃（Juglans regia）富含油脂和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，易管理，耐干旱，適應(yīng)能力強[13]；豆科（Fabaceae）槐屬植物越南槐（Sophora tonkinen?sis）干燥的根及根莖叫做山豆根[14]，可入藥，是廣西著名的道地藥材[15]，有清熱解毒和消腫利咽的功效；玉米（Zea mays）是我國重要的農(nóng)作物[16]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。近年來，對十大功勞的研究主要集中在品種鑒別[17-18]、化學(xué)成分分析[19]、藥用價值[20-21]和病蟲害防治[22]等方面，在生產(chǎn)栽培上的研究較少。有調(diào)查顯示，國內(nèi)對十大功勞的需求量較大，野生十大功勞種源正面臨枯竭[23]，急需對十大功勞進行規(guī)?；N栽培，緩解供給不足，促進我國醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展。核桃、越南槐和玉米在廣西地區(qū)普遍種植，是常見的經(jīng)濟作物[24-26]。國內(nèi)已有對核桃和玉米的間作研究[27-28]，也有較多藥用植物已運用在間作生產(chǎn)中[29-31]，關(guān)于十大功勞和越南槐的間作研究尚未見報道。本研究以十大功勞、核桃、越南槐和玉米為試驗材料，研究十大功勞與其他3種植物間作對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，并通過主成分分析法計算3種模式下土壤養(yǎng)分的綜合得分，旨在探討較合理的十大功勞間作模式，為區(qū)域性的十大功勞大規(guī)模種植提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西壯族自治區(qū)河池市鳳山縣（107°04′E，24°54′N），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔250～1 300 m，年均氣溫20.1℃，年均降水量1 564.0 mm。地處北回歸線附近云貴高原南部邊緣山地，為典型的喀斯特溶巖地貌，土壤肥力不足[32]。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)計3種種植模式，分別為十大功勞-核桃、十大功勞-越南槐和十大功勞-玉米，每種模式設(shè)置3塊20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地。核桃于2004年2月種植，十大功勞于2017年3月種植，越南槐于2017年6月種植，玉米于2017年起每年3月種植。在十大功勞-核桃種植模式中，核桃株距8 m、行距10 m，核桃行間套作4行十大功勞，十大功勞株距0.5 m、行距2 m；在十大功勞-越南槐種植模式中，十大功勞株距0.5 m、行距3 m，十大功勞行間套作1行越南槐，越南槐株距25 cm；在十大功勞-玉米種植模式中，十大功勞株距0.5 m、行距3 m，十大功勞行間套作5行玉米，玉米株距0.3 m、行距0.3 m。

2017年1月，測定土壤本底養(yǎng)分含量。pH為（5.3±0.1），有機質(zhì)含量為（26.35±0.22）g/kg，全N含量為（2.01±0.11）g/kg；全P含量為（1.31±0.08）g/kg；全K含量為（9.02±0.44）g/kg；氨態(tài)N含量為（6.37±0.24）mg/kg；硝態(tài)N含量為（8.04±0.83）mg/kg；速效P含量為（8.13±0.28）mg/kg；速效K含量為（30.13±0.07）mg/kg。從2017年開始，每年4月施肥，施尿素（含N量46%）70 kg/hm2、過磷酸鈣（速效P含量12%）150 kg/hm2、硫酸鉀（氧化鉀含量52%）7 kg/hm2。

1.3 指標(biāo)測定

2020年5月，在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)以S型均勻選取5個采樣點，挖取0～30 cm的土壤剖面，將采出的土壤樣品充分混勻，待測。

土壤pH值采用電位法測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；全N含量采用凱氏定氮法測定；硝態(tài)N和銨態(tài)N含量采用硫酸鉀浸提法測定；全P和速效P含量采用NaHCO3-鉬銻抗比色法測定；全K和速效K含量采用火焰光度計法測定[33]。

主成分分析模型為F=a1ZX1+a2ZX2+……+anZXn，以每個主成分所對應(yīng)的特征值占總特征值的比例為權(quán)重，計算主成分綜合得分（IFI）。其中，a1、a2……an為X的特征值所對應(yīng)的特征向量，ZX1、ZX2……ZXn為變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計與分析，并繪制圖表。采用單因素方差分析和LSD多重比較法分析數(shù)據(jù)的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值

土壤的pH值為5.95～6.80，均為弱酸性或中性（圖1）。pH值在十大功勞-核桃模式下最低，顯著低于其他兩種模式（P＜0.05），其他兩種模式間差異不顯著。pH值表現(xiàn)為十大功勞-玉米>十大功勞-越南槐>十大功勞-核桃，在十大功勞-玉米模式下最高（6.80），比其他兩種模式分別高出1.49%和14.61%。

圖1 不同間作模式下土壤的pH值Fig.1 Soil pH values in different interplanting models

2.2 土壤有機質(zhì)含量

土壤有機質(zhì)含量在十大功勞-核桃模式下與十大功勞-玉米模式下差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為十大功勞-核桃>十大功勞-越南槐>十大功勞-玉米，在十大功勞-核桃模式下最高（47.53 g/kg），比其他兩種模式分別高出6.32%和10.77%（圖2）。

圖2 不同間作模式下土壤有機質(zhì)含量Fig.2 Contents of soil organic matter in different interplanting models

2.3 土壤全N、全P和全K含量

土壤全N含量在各模式間均差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為十大功勞-越南槐>十大功勞-核桃>十大功勞-玉米，在十大功勞-越南槐模式下最高（3.66 g/kg），比其他兩種模式分別高出9.72%和27.93%（圖3）。

圖3 不同間作模式下土壤全N含量Fig.3 Contents fo total N in soils of different interplanting models

土壤全P含量在各模式間均差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為十大功勞-越南槐>十大功勞-玉米>十大功勞-核桃，在十大功勞-越南槐模式下最高（2.66 g/kg），比其他兩種模式分別高出11.10%和65.68%（圖4）。

圖4 不同間作模式下土壤全P含量Fig.4 Contents of total P in soils of different interplanting models

土壤全K含量在各模式間均差異不顯著，表現(xiàn)為十大功勞-越南槐>十大功勞-玉米>十大功勞-核桃，在十大功勞-越南槐模式下最高（16.42 g/kg），比其他兩種模式分別高出50.97%和58.73%（圖5）。

圖5 不同間作模式下土壤全K含量Fig.5 Contents of total K in soils of different interplanting models

2.4 土壤速效養(yǎng)分含量

土壤硝態(tài)N含量在各模式間均差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為十大功勞-越南槐>十大功勞-玉米>十大功勞-核桃，在十大功勞-越南槐模式下最高（38.76 mg/kg），比其他兩種模式分別高出74.86%和262.51%（圖6）。

圖6 不同間作模式下土壤硝態(tài)N含量Fig.6 Contents of nitrate N in soils of different interplanting models

土壤銨態(tài)N含量在各模式間均差異不顯著，表現(xiàn)為十大功勞-玉米>十大功勞-越南槐>十大功勞-核桃，在十大功勞-玉米模式下最高（12.17 mg/kg），比其他兩種模式分別高出10.84%和13.59%（圖7）。

圖7 不同間作模式下土壤銨態(tài)N含量Fig.7 Contents of ammonium N in soils of different interplanting models

土壤速效P含量在各模式間均差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為十大功勞-越南槐>十大功勞-玉米>十大功勞-核桃，在十大功勞-越南槐模式下最高（231.37 mg/kg），比其他兩種模式分別高出63.74%和1903.03%（圖8）。

圖8 不同間作模式下土壤速效P含量Fig.8 Contents of available P in soils of different interplanting models

土壤速效K含量表現(xiàn)為十大功勞-越南槐>十大功勞-玉米>十大功勞-核桃，在十大功勞-越南槐模式下最高（305.43 mg/kg），顯著高于其他兩種模式（P＜0.05），比其他兩種模式分別高出79.12%和284.26%；其他兩種模式間差異不顯著（圖9）。

圖9 不同間作模式下土壤速效K含量Fig.9 Contents of available K in soils of different interplanting models

2.5 土壤養(yǎng)分含量綜合評價

根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣，速效K與硝態(tài)N相關(guān)系數(shù)最高（1.000）；全P與速效P和硝態(tài)N與速效P相關(guān)系數(shù)次之，分別為0.984和0.978（表1）?；?個養(yǎng)分因子指標(biāo)，計算養(yǎng)分因子指標(biāo)9-9階相關(guān)矩陣特征向量，并計算主成分特征值及總方差解釋率（表2）。兩項主成分的累計貢獻率為100%，能完整反映出原始數(shù)據(jù)中所提供的養(yǎng)分信息。第一主成分中，速效P、全P、硝態(tài)N和速效K的荷載相對較高，分別為0.997、0.995、0.960和0.959，說明第一主成分是速效P、全P、硝態(tài)N和速效K的綜合反映；第二主成分中，全N的荷載最高（0.972），說明第二主成分是全N對土壤供給情況的反映。

表1 相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.1 Correlation matrix

表2 主成分矩陣Tab.2 Principal component matrix

根據(jù)成分特征值矩陣，得到9個養(yǎng)分因子在PC1和PC2水平軸上的分布（圖10）。在PC1水平軸上，各因子按照土壤養(yǎng)分水平由高到低排序為速效P、全P、硝態(tài)N、速效K、pH、全K、銨態(tài)N、全N和有機質(zhì)；在PC2水平軸上，各因子按照土壤養(yǎng)分水平由高到低排序為全N、有機質(zhì)、全K、速效K、硝態(tài)N、速效P、全P、pH和銨態(tài)N。

圖10 不同間作模式在PC1和PC2的分布Fig.10 Distribution of different interplanting models in PC1 and PC2

進一步計算得到兩個主成分中所有養(yǎng)分因子指標(biāo)的相應(yīng)系數(shù)，將得到的相應(yīng)系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)相乘，得出主成分分析表達式：

F1=0.37ZX1-0.30ZX2+0.10ZX3+0.39ZX4+0.14ZX5+0.41ZX6+0.41ZX7+0.33ZX8+0.39ZX9

F2=-0.25ZX1+0.39ZX2+0.56ZX3+0.16ZX4-0.54ZX5-0.06ZX6+0.04ZX7+0.34ZX8+0.16ZX9

以每個主成分對應(yīng)的特征值占主成分總特征值的比例作為權(quán)重，得出主成分綜合模型：

F=0.16ZX1-0.07ZX2+0.25ZX3+0.32ZX4-0.08ZX5+0.25ZX6+0.29ZX7+0.33ZX8+0.32ZX9

其中，ZX1～ZX9分別為pH、有機質(zhì)、全N、硝態(tài)N、銨態(tài)N、全P、速效P、全K和速效K含量標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值。

依據(jù)主成分分析模型，使用綜合評價函數(shù)，計算出不同間作模式下土壤養(yǎng)分含量綜合得分（表3）。3種模式下，土壤養(yǎng)分含量綜合得分（IFI）為十大功勞-越南槐（1.87）>十大功勞-玉米（-0.32）>十大功勞-核桃（-1.55）?？梢?，十大功勞-越南槐間作模式較適合推廣種植。

表3 不同間作模式下土壤養(yǎng)分含量綜合表現(xiàn)Tab.3 Comprehensive performance of soil nutrient contents in different interplanting models

3 討論與結(jié)論

試驗結(jié)果顯示，土壤的pH值在十大功勞-核桃模式下最低，可能是因為十大功勞與核桃的根系均較發(fā)達，根系間的競爭較強，促進了根系分泌物的產(chǎn)生，土壤有機酸含量增加[34]，土壤呈弱酸性。

豆科植物有較好的固氮效果[35]，可有效提高土壤中的氮含量，提高土壤肥力。彭昀月等[36]的研究表明，豆科植物在整個生長期對氮的利用率均較低，更多的氮被固定在土壤中，增加了土壤養(yǎng)分含量。本試驗中，在十大功勞間作豆科植物越南槐模式下，土壤的全氮含量比其他兩種模式分別高出9.72%和27.93%，表明越南槐有較好的固氮性。硝態(tài)氮是一種速效肥料，可對植物生長發(fā)育起到較快的促進效果，但硝態(tài)氮易溶于水，南方雨天較多，土壤中的硝態(tài)氮受自然雨水的淋洗作用影響較大[37]，較難在土壤中長期留存。銨態(tài)氮為陽離子，易被土壤吸附，不易流失。本試驗中，土壤中的銨態(tài)氮含量低于硝態(tài)氮（在十大功勞-核桃模式下相等），可能的原因是土壤呈弱酸性或中性，氨易揮發(fā)，土壤中的銨態(tài)氮含量下降[38]，而試驗地土壤較蓬松，透氣性好，部分銨態(tài)氮經(jīng)過氧化形成硝酸鹽，增加了土壤中NO3-的含量。

磷也是植物生長必需的營養(yǎng)元素，在植物生長過程中發(fā)揮著重要作用，幾乎參與了植物全部的生理過程[39]，也是豆科植物根瘤形成及代謝的必要元素[40]，對生物固氮有促進作用[41]。本試驗發(fā)現(xiàn)，十大功勞間作越南槐模式顯著提高了土壤中全磷和速效磷的含量，這與代會會[42]的研究結(jié)果一致。顧旭東[43]研究發(fā)現(xiàn)，在馬鈴薯-蠶豆間作模式下，土壤中的全氮含量得到提升，速效氮含量降低；在本試驗中，土壤的全氮和速效氮含量在十大功勞-核桃模式下的變化與其一致。張育文等[44]發(fā)現(xiàn)土壤中的速效磷含量與辣椒（Capsicum annuum）平均根系直徑呈顯著負相關(guān)；本試驗中，土壤中的速效磷含量在十大功勞-核桃模式下較其他兩種模式顯著降低，可能與十大功勞和核桃兩種植物的根系直徑均較發(fā)達有關(guān)。

鉀在植物中活性較強，可參與植物生理代謝反應(yīng)，促進蛋白質(zhì)的合成[45]，增加作物產(chǎn)量，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[46]，是植物生長不可缺少的元素。本試驗中，土壤中的全鉀和速效鉀含量在十大功勞-越南槐模式下最高，說明該模式下土壤對K+的束縛能力較弱[47]，有利于植物對鉀的吸收與利用；在十大功勞-核桃模式下含量均最低，可能是這兩種植物根系較密集，根系間對養(yǎng)分的爭奪相對激烈，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量降低。

土壤硝態(tài)氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀含量均表現(xiàn)為十大功勞-越南槐>十大功勞-玉米>十大功勞-核桃；土壤pH值和銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為十大功勞-玉米>十大功勞-越南槐>十大功勞-核桃；土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為十大功勞-核桃>十大功勞-越南槐>十大功勞-玉米。主成分分析表明，十大功勞-越南槐模式下土壤的化學(xué)性質(zhì)最好，土壤養(yǎng)分含量較豐富，有利于植物生長，說明間作豆科植物能有效提高土壤中的氮、磷和鉀含量，提高土壤肥力。