木薯花生不同間作模式對木薯地土壤肥力的影響

劉子凡，蘇必孟，黃 潔，魏云霞，肖子麗

（1海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，?？?570228；2中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部木薯種質(zhì)資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南儋州 571737；3廣西區(qū)合浦縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣西合浦 536100）

0 引言

花生-木薯是南方紅壤區(qū)重要的間作系統(tǒng)[1]。本課題組前期研究了其不同間作模式間的產(chǎn)量與品質(zhì)差異[2]、土壤微生物群落[3]、養(yǎng)分競爭與互補(bǔ)效應(yīng)，并認(rèn)為2行木薯4行花生的間作模式產(chǎn)量和產(chǎn)值最大，是推薦推廣的間作模式[4]。但是，合理的間作模式必須是穩(wěn)產(chǎn)的、可持續(xù)的。土壤是作物生長的基礎(chǔ)，土壤肥力是衡量土壤生產(chǎn)力的綜合指標(biāo)，是土壤生產(chǎn)能力有效發(fā)揮的前提條件[5]。所以，要保證間作系統(tǒng)年度間的產(chǎn)量穩(wěn)定，模式選擇必須考慮其對土壤肥力的影響，因此要推廣木薯花生間作技術(shù)，就必須掌握其不同間作模式對木薯地土壤肥力影響。

評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量指標(biāo)較多[6]，但如何選取數(shù)量少且有代表性的指標(biāo)來評(píng)價(jià)土壤肥力，土壤學(xué)界和農(nóng)學(xué)界還沒有統(tǒng)一定論。主成分分析方法是目前定量分析評(píng)價(jià)土壤肥力應(yīng)用最為廣泛的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[7]。主成分分析能簡化原始變量，消除多指標(biāo)間的相互影響[8]，將單個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為多個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，匯聚了單項(xiàng)指標(biāo)的信息[9]，獲得互不相關(guān)的主成分和各主成分得分與綜合得分。筆者采用主成分分析法探討3種木薯/花生間作模式對土壤肥力的差異，旨在找出一種可持續(xù)的、穩(wěn)定的間作模式，為該模式的推廣及其栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與供試材料

試驗(yàn)設(shè)在海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所（簡稱品資所）的木薯試驗(yàn)基地。試驗(yàn)地土壤為磚紅壤，土壤pH 4.82，有機(jī)質(zhì)10.5 g/kg，堿解氮58.3 mg/kg，速效磷59.1 mg/kg，速效鉀153 mg/kg。

供試木薯品種為‘華南8號(hào)’，由品資所提供?；ㄉ贩N為‘湛油75’，由廣東省湛江市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3種間作模式，分別為1行木薯間作2行花生(C1P2)、2行木薯間作3行花生(C2P3)和2行木薯間作4行花生(C2P4)，另設(shè)木薯單作(MC)為對照，4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。其中MC和C1P2均為等行距種植木薯，行距分別為80 cm和100 cm；C2P3和C2P4均為寬窄行種植木薯，C2P3寬行為120 cm、窄行80 cm，C2P4寬行為140 cm、窄行60 cm；木薯株距均為80 cm，花生行距和株距均為20 cm，木薯與花生的間作間距均為40 cm。3個(gè)間作處理見圖1。各小區(qū)的長、寬均為8.8、6.4 m。

圖1 木薯花生間作模式的橫截面

2016年3月19日種植，南北行向，木薯芽向朝北，不間苗；花生每穴播2粒，出苗后間苗定苗，每穴留1苗。均在種前穴施基肥，按間作中2種作物各自所占凈面積來計(jì)算施用量，C1P2、C2P3和C2P4模式的木薯在間作區(qū)所占土地面積比例分別為0.67、0.73和0.67，而花生在間作區(qū)所占土地面積比例分別為0.33、0.27和0.33。具體施肥量見表1，采用尿素[w(N)＝46%]、過磷酸鈣[w(P2O5)＝16%]和氯化鉀[w(K2O)＝60%]配施。其他田間管理一致，常規(guī)管理，2016年7月17日收獲花生，2016年12月8日收獲木薯。

表1 木薯和花生的施肥量kg/hm2

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土樣的采集 用土鉆法采集0～20 cm土壤樣品。單作處理在種植行間，按S形選取5個(gè)取樣點(diǎn)，混合為1個(gè)土壤樣品。間作處理分不同作物種植區(qū)，在各組合帶上按S形分別選取5個(gè)取樣點(diǎn)，混合為1個(gè)土壤樣品。然后將土壤樣品裝入自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后，過篩供測定使用[10]。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)的測定 參考鮑士旦[11]的方法測定。土壤pH采用電極法，水土比為1:2.5（質(zhì)量比）；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度計(jì)法。

1.3.3 土壤酶活性 土壤脲酶活性的測定采用苯酚鈉比色法，過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法，酸性磷酸酶的測定采用試劑盒法，蔗糖酶活性的測定采用硝基水楊酸法。

1.3.4 土壤可培養(yǎng)微生物群落組成 細(xì)菌培養(yǎng)采用葡萄糖牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌采用馬丁孟加拉紅培養(yǎng)基、放線菌采用淀粉硝酸鉀培養(yǎng)基高氏一號(hào)。細(xì)菌、真菌、放線菌使用系列稀釋法計(jì)數(shù)，微生物數(shù)量以每克干土的菌數(shù)(CFU/g)表示。

1.3.5 各測定指標(biāo)變化率的計(jì)算 相關(guān)計(jì)算如式(1)～(2)[10]所示。

1.4 土壤肥力主成分總得分計(jì)算

對各土壤肥力指標(biāo)變化率進(jìn)行主成分分析。各主成分得分標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)Xni和相對應(yīng)的載荷eji計(jì)算。如式(3)所示。

式中，F(xiàn)nj代表第n個(gè)間作模式第j項(xiàng)主成分的得分，eji代表第j項(xiàng)主成分第i項(xiàng)原始指標(biāo)變化率的載荷，Xni代表第n個(gè)間作模式第i項(xiàng)原始指標(biāo)變化率的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

再以各主成分方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，各主成分得分與對應(yīng)的權(quán)重線性加權(quán)求和得出[12]，如式(4)。

式中，bj為權(quán)重，Zj為主分量。

經(jīng)主成分分析而得出的綜合主成分值F的平均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1，綜合得分值為正值表示間作具有促進(jìn)作用，負(fù)值則有抑制作用，絕對值大小反映的是作用強(qiáng)度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用DPS 18.10軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間作模式對木薯地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤化學(xué)性質(zhì)可用pH、有機(jī)質(zhì)、氮素、磷素和鉀素等指標(biāo)衡量，它反映著土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力和植物生長的化學(xué)環(huán)境。從表2可知，3種間作模式的土壤堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量與單作木薯之間無明顯差異；C1P2和C2P4間作模式的土壤速效磷含量顯著小于單作木薯園土壤，C2P3間作模式與單作木薯之間速效磷含量無明顯差異；C2P4模式的速效鉀含量顯著小于單作木薯，C1P2和C2P3模式與單作木薯之間速效鉀含量無明顯差異；C2P3模式的pH明顯高于單作木薯處理，C1P2和C2P4模式與單作木薯的pH無明顯差異。

表2 不同間作模式對木薯地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2 不同間作模式對木薯地土壤生物學(xué)性質(zhì)的影響

土壤生物學(xué)性質(zhì)可靈敏反映出土壤質(zhì)量的變化情況。土壤中脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶的活性分別反映土壤的氮素水平、有機(jī)碳累積與轉(zhuǎn)化速率、土壤磷素供應(yīng)情況和有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度[5]。土壤微生物在土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的過程中起著推動(dòng)作用，促進(jìn)了土壤肥力的形成[13-14]。

從表3可知，C1P2模式的土壤蔗糖酶活性顯著高于單作木薯處理，C2P3和C2P4處理與MC無明顯差異；而C2P3處理的土壤脲酶活性顯著高于MC處理，C1P2和C2P4處理與MC處理之間無明顯差異；3種間作模式的土壤酸性磷酸酶活性、過氧化氫酶活性及可培養(yǎng)真菌數(shù)量與MC之間無明顯差異；C2P3和C2P4處理的可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量顯著小于MC處理，C1P2處理與MC處理無明顯差異。

2.3 土壤肥力指標(biāo)的一般性描述

描述土壤肥力的指標(biāo)較多，指標(biāo)的選取關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。不同間作模式木薯地土壤肥力指標(biāo)一般性描述見表4。不同間作模式的木薯地土壤肥力不相同。11個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)為細(xì)菌＞真菌＞蔗糖酶＞速效磷＞脲酶＞速效鉀＞磷酸酶＞有機(jī)質(zhì)＞過氧化氫酶＞堿解氮＞pH，范圍在5.71%～64.21%，均大于5%，說明選取的11個(gè)指標(biāo)比較科學(xué)合理。

表4 不同間作模式木薯地土壤肥力指標(biāo)一般性描述

2.4 土壤肥力差異的主成分分析

2.4.1 相關(guān)系數(shù)矩陣及統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn) 將3種不同間作模式的堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶、可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量、可培養(yǎng)真菌數(shù)量（分別用X1、X2、X3、…、X11表示）11項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析。由表5可知，速效磷與酸性磷酸酶的相關(guān)系數(shù)為0.603，蔗糖酶和可培養(yǎng)真菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為0.609，均達(dá)到顯著差異，說明這11個(gè)指標(biāo)存在部分信息重疊和冗余，需要簡化復(fù)雜的數(shù)據(jù)，將所測得多個(gè)土壤指標(biāo)構(gòu)成的多維系統(tǒng)簡化為一維系統(tǒng)。

表5 相關(guān)系數(shù)矩陣

經(jīng)Bartlett球形檢驗(yàn)表明卡方值為78.92，P=0.019＜0.05（表6），即相關(guān)矩陣不是一個(gè)單位矩陣，故需考慮因子分析，即僅用一個(gè)土壤肥力指標(biāo)對土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，往往會(huì)得到片面的結(jié)果。KMO測度是用來比較相關(guān)系數(shù)值與偏相關(guān)系數(shù)值的一個(gè)指標(biāo)，其值越接近1，表明對這些變量因子分析的效果越好[15]。KMO測度值為0.656（表6），意味著因子分析可以接受。

表6 Bartlett球形檢驗(yàn)和KMO測度

2.4.2 主成分分析 對3種間作模式下11項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)變化率進(jìn)行主成分分析。根據(jù)主成分分析方法的原理，當(dāng)特征值大于1或累積貢獻(xiàn)率大于85%時(shí)，可反映系統(tǒng)的變異信息。將本次分析特征值大于1的提取出來，共3個(gè)，結(jié)果見表7。第1主成分蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、可培養(yǎng)細(xì)菌、可培養(yǎng)真菌這5個(gè)指標(biāo)有較高載荷，貢獻(xiàn)率為31.22%；第2主成分堿解氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)、pH、酸性磷酸酶這5個(gè)指標(biāo)有較高載荷，貢獻(xiàn)率為24.69%；第3主成分速效鉀有較高載荷，貢獻(xiàn)率為17.82%，可見，提取這3個(gè)主成分基本能夠反映全部指標(biāo)的信息，且解釋了73.73%的原變量。

表7 提取3項(xiàng)主成分矩陣及貢獻(xiàn)率

每個(gè)指標(biāo)所對應(yīng)特征向量乘以標(biāo)準(zhǔn)化后的初始數(shù)據(jù)，得出反映土壤肥力的主成分線性表達(dá)式如式(5)～(7)所示。

在土壤肥力評(píng)價(jià)中，指標(biāo)權(quán)重的確定至關(guān)重要，直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，是土壤肥力評(píng)價(jià)的一個(gè)關(guān)鍵問題。特征值在某種意義上也可看作反映各主成分影響度大小的指標(biāo)[7]，為此，將每個(gè)主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分特征值總和的比例作為權(quán)重，計(jì)算得到主成分綜合得分，如式(8)所示。

表8結(jié)果表明，不同間作模式對土壤肥力的影響有較大差別，其中C1P2間作模式能促進(jìn)木薯地土壤肥力的提高，C2P3和C2P4模式降低土壤肥力，其中C2P3模式的下降幅度較小。

表8 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)得分

3 討論

前人研究發(fā)現(xiàn)，在成齡橡膠、玉米地間作豆科作物，高位作物的遮蔭使得豆科作物的固氮能力下降，導(dǎo)致豆科作物必須從土壤中吸收氮素供其生長發(fā)育[16-17]。3種間作模式中，C1P2模式木薯的遮蔭效應(yīng)最強(qiáng)，C2P4最弱[4]，以C2P4模式中花生的固氮能力較強(qiáng)。木薯地間作花生后還可增加土壤的覆蓋度，C1P2和C2P4模式木薯與花生的占地比相同，分別為0.67和0.33，所以從覆蓋度來看，C1P2和C2P4種模式?jīng)]有差異，但遮蔭度會(huì)影響花生與木薯的根系發(fā)育，繼而影響水分的固持能力，根系越發(fā)達(dá)，木薯地的水土流失與硝態(tài)氮的淋失越低[18-19]。另外，木薯地間作花生后，由于花生根際分泌的有機(jī)酸或在固氮過程中釋放出的H+可活化木薯地土壤中難利用態(tài)磷[20]。C1P2間作模式土地當(dāng)量比和產(chǎn)值當(dāng)量比較低，而C2P4模式較高[4]，本試驗(yàn)中C1P2模式的木薯地土壤肥力最高，其次是C2P3，再次是C2P4，即產(chǎn)量當(dāng)量比與間作后的土壤肥力呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能與產(chǎn)量高的C2P4間作模式從土壤中帶走的營養(yǎng)物質(zhì)較多有關(guān)。歸納來說，間作模式對木薯地的肥力影響是通過高位作物木薯的遮蔭、低位作物花生的覆蓋、根系的固持、種間化感作用、土壤養(yǎng)分的消耗量等因素綜合作用來實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)論

C1P2模式土地當(dāng)量比小于1，推廣價(jià)值較低，而C2P4模式土地當(dāng)量比和產(chǎn)值當(dāng)量比均大于1，在3種間作模式中最高，雖然C2P4模式中的木薯地土壤速效磷和速效鉀含量有所下降，但如果計(jì)算由于增產(chǎn)而被帶走的養(yǎng)分量并補(bǔ)充施肥后，將可達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，又可以維持木薯地的土壤肥力，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。