唐秀梅，黃志鵬，吳海寧，劉菁，蔣菁*，唐榮華

1. 廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，廣西 南寧 530007；2. 廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530005

間作套種栽培模式廣泛應(yīng)用于世界各地，尤以非洲和亞洲國(guó)家最多（張?jiān)旅鹊龋?018；Xiao et al.，2019）。例如，在喀麥隆主要間作模式是玉米、花生和木薯間作（Ediage et al.，2014）。中國(guó)的間種模式呈現(xiàn)多樣性特點(diǎn)，從北到南均有代表性的間種模式。如新疆的棗棉間作模式（蔡志平等，2016），西北的蘋果花生間作模式（蔡智才等，2017），華北的小麥蠶豆間作模式（董艷等，2013；2016）和海南芒果柱花草（白昌軍等，2003）等。近年來(lái)，關(guān)于間套作體系的基礎(chǔ)研究呈現(xiàn)多元化和精細(xì)化發(fā)展規(guī)律。間套體系中作物的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)（馮曉敏等，2015；韓全輝等，2017）、光合（韓全輝等，2014；焦念元等，2015）、微生物（鄭亞強(qiáng)等，2016）和養(yǎng)分（周曉舟等，2012）吸收利用及相互作用機(jī)制已有較多研究，但針對(duì)間套種作物對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制研究甚少。土壤微生物是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在作物殘?bào)w降解、腐殖質(zhì)形成及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)中發(fā)揮著重要作用（Luduena et al.，2019）。土壤酶可在一定程度上反映土壤的肥力狀況。因此，植物生長(zhǎng)環(huán)境下的土壤養(yǎng)分、酶、微生物三者的相互作用維系或主宰了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的微生態(tài)功能，故土壤微生態(tài)環(huán)境與土壤可持續(xù)利用及植物的正常生長(zhǎng)密切相關(guān)。

玉米/花生間作是中國(guó)常用的栽培模式之一（劉均霞等，2007；賈曦等，2016）。研究表明，玉米/花生間作模式可有效防控病蟲害（賈曦等，2016）、促進(jìn)氮素固定吸收（張曉娜等，2019）、改善土壤微生物和土壤養(yǎng)分狀況（章家恩等，2009），從中發(fā)掘和鑒定有益微生物還可以制備成微生物肥料（Luduena et al.，2019）。間作會(huì)引發(fā)土壤性質(zhì)，微生物群落和養(yǎng)分利用的系統(tǒng)性變化（Lian et al.，2019），但其中機(jī)制尚不清楚。由于土壤環(huán)境因子中通常涉及的指標(biāo)較多，且各指標(biāo)間又存在相互關(guān)聯(lián)和信息重疊現(xiàn)象，通過(guò)主成分分析法可以可將多個(gè)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)簡(jiǎn)化成幾個(gè)主成分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（楊文娜等，2019），通過(guò)相關(guān)性分析可以明確不同種植模式下各個(gè)環(huán)境因子的互作關(guān)系，進(jìn)而揭示環(huán)境因子變化的內(nèi)在原因。據(jù)此，本研究以廣西壯族自治區(qū)的主要玉米花生間作模式為基礎(chǔ)，系統(tǒng)測(cè)定玉米/花生間作模式下根際土壤養(yǎng)分、酶和微生物變化規(guī)律，并進(jìn)行相關(guān)性和主成分分析，以期為解析玉米/花生間作機(jī)制打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試玉米品種為“桂單0810”，是廣西的主推玉米品種，由廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所提供；花生品種選擇耐蔭性強(qiáng)、適合間套作種植的高產(chǎn)品種“桂花 836”，由廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)及供試土壤

在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院武鳴里建科研基地（23°14′N，108°03′E）進(jìn)行田間試驗(yàn)，供試土壤均為酸性紅壤土，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.34 g·kg-1、全磷 0.53 g·kg-1、全鉀 12.6 g·kg-1、有效氮 70.5 mg·kg-1、有效磷 13.9 mg·kg-1、有效鉀 98.0 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)16.2 g·kg-1、pH值為5.46。試驗(yàn)地區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，光熱水資源充足，年平均氣溫21.7 ℃，年平均日照時(shí)數(shù) 1660 h，年平均降雨量1300 mm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年3月5日，同時(shí)種植玉米和花生，以玉米、花生單作為對(duì)照，以玉米/花生間作為處理進(jìn)行田間試驗(yàn)。單作花生，采用0.8 m包溝起壟，在壟面上種植2行花生，花生寬行距為50 cm，窄行距30 cm，株距為16.5 cm，雙粒每穴種植；單作玉米，采用70 cm等行距種植玉米，株距0.27 m；玉米間作花生，采用2:4的玉米、花生行距配比進(jìn)行玉米、花生間作種植，即玉米寬窄行種植，窄行距40 cm，寬行距2 m，玉米寬行間起低畦種植4行花生，花生與玉米行距為50 cm，間作花生窄行距30 cm，間作花生寬行距40 cm，間作玉米、花生的株距與單作種植相同。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為48 m2（6 m×8 m）。

1.4 取樣及測(cè)定

當(dāng)花生成熟收獲時(shí)，于2019年7月10日分別拔取玉米和花生植株，每處理拔取 10株，抖落植株根部的大塊松散土壤，用經(jīng)過(guò)消毒的軟毛刷刷下附著在玉米、花生根際的土壤，將采集的土壤分成兩份，用無(wú)菌封口袋裝好，其中一份保存在4 ℃冰箱，以供測(cè)定土壤微生物和土壤酶活性；另一份土壤自然風(fēng)干，研磨后過(guò)篩，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分含量。

土壤養(yǎng)分含量按照《土壤分析技術(shù)規(guī)范》測(cè)定（杜森等，2006），土壤全氮含量用凱氏蒸餾法測(cè)定；有效氮含量用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤全磷、有效磷含量采用用鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀、速效鉀含量采用 FP6410火焰光度計(jì)測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量按照重鉻酸鉀容量法測(cè)定；pH值采用酸度計(jì)、電位法測(cè)定；土壤含水量采用烘干法測(cè)定。

土壤酶活性按照比色法和滴定法測(cè)定（張旭龍等，2016），蔗糖酶活性用硫代硫酸鈉滴定法測(cè)定，蛋白酶活性用茚三酮比色法測(cè)定，脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定。

土壤微生物數(shù)量按照平板培養(yǎng)法測(cè)定（張萌萌等，2015）。土壤微生物細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基、放線菌采用高氏一號(hào)培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)計(jì)數(shù)。采用Shannon-Wiener指數(shù)法計(jì)算微生物多樣性指數(shù)（H），計(jì)算公式為（杜森等，2006）：

式中ni為第i個(gè)物種的微生物個(gè)體數(shù)量；N為群落中所有物種的微生物個(gè)體數(shù)量。

3.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 25.0分析軟件，按照Duncan’s法進(jìn)行多重比較，分析不同處理間的差異顯著性（P＜0.05和P＜0.01）。采用因子分析對(duì)不同栽培措施測(cè)定根際土壤養(yǎng)分、酶和微生物含量進(jìn)行相關(guān)性和主成分分析。表格中的數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)平均值，采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤的方式列出（林海明，2007）。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米/花生間作對(duì)根際土壤養(yǎng)分含量的影響

玉米/花生間作會(huì)顯著改善土壤理化性質(zhì)。我們分析了單作花生、單作玉米、間作玉米和間作花生根際土壤養(yǎng)分含量（表 1）。結(jié)果表明，間作玉米根際土壤全氮、有效氮、有效磷、有效鉀分別比單作玉米增長(zhǎng)了10.71%、12.85%、176.74%和29.94%，差異均達(dá)到顯著水平；全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)和 pH值在單作玉米和間作玉米處理間差異不顯著。間作花生根際土壤全氮、速效氮、速效磷、pH顯著高于單作花生處理，分別比單作花生增長(zhǎng)了8.68%、6.99%、33.33%和14.37%，全鉀和速效鉀含量在間作花生和單作花生處理中差異不顯著?？梢?jiàn)，玉米/花生間作可顯著增加根際土壤全氮、速效氮和速效磷含量，進(jìn)而達(dá)到提高土壤肥力的效果。

表1 玉米間作花生對(duì)根際土壤養(yǎng)分含量的影響Table 1 Effect of the corn/peanut intercropping on the nutrient in rhizosphere soil

2.2 玉米間作花生對(duì)不同根際土壤酶活性的影響

從表2可以看出，間作玉米根際土壤脲酶和酸性磷酸酶活性顯著高于單作玉米，分別比單作玉米增加了 37.36%和93.14%；間作玉米根際土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性分別比單作玉米減少了6.81%、0.38%，但其與單作玉米差異不顯著。間作花生根際土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶分別比單作花生增長(zhǎng)了8.68%、43.50%、61.03%和35.93%，其中間作花生的脲酶和酸性磷酸酶活性與單作花生處理的差異顯著；而間作花生處理的過(guò)氧化氫酶活性比單作花生處理減少了17.67%，但其差異不顯著?？梢?jiàn)，玉米/花生間作顯著提高玉米、花生根際土壤脲酶和酸性磷酸酶活性。

2.3 玉米間作花生不同根際土壤微生物數(shù)量的變化

土壤養(yǎng)分改良、酶活性變化與土壤微生物數(shù)量和種類有關(guān)，我們分析了土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌、微生物總數(shù)及微生物多樣性的變化（表 3）。從表3可以看出，間作玉米的細(xì)菌、真菌、放線菌、微生物總數(shù)及微生物多樣性指數(shù)分別單作玉米提高了37.34%、34.33%、58.82%、38.21%和3.44%，其中間作玉米的細(xì)菌和微生物總數(shù)與單作玉米處理的差異呈顯著水平。間作花生根際土壤細(xì)菌、放線菌、微生物總數(shù)比分別單作花生處理增加了13.13%、9.37%和12.20%，而間作花生根際土壤真菌和微生物多樣性指數(shù)分別比單作花生降低了0.92%和4.05%，間作花生根際微生物數(shù)量及微生物多樣性指數(shù)和單作花生處理的差異均不顯著。表明玉米/花生間作可顯著增加玉米根際土壤細(xì)菌和微生物總數(shù)量，但對(duì)花生根際土壤微生物數(shù)量的影響不明顯。

2.4 玉米間作花生根際土壤生態(tài)環(huán)境指標(biāo)相關(guān)性分析

為了深入解析玉米/花生間作條件下土壤養(yǎng)分、酶和微生物等共 16個(gè)指標(biāo)的變化規(guī)律，我們對(duì)其進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境因子相關(guān)分析（表4）。結(jié)果表明，有效磷含量與脲酶活性和酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），脲酶和酸性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），真菌和放線菌含量顯著正相關(guān)（P＜0.05）。而土壤全鉀含量和 pH值、蔗糖酶呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），蛋白酶和過(guò)氧化氫酶呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。其它指標(biāo)相關(guān)性不顯著。

表2 玉米/花生間作對(duì)根際土壤酶活性的影響Table 2 Effect of corn/peanut intercropping on soil enzyme activities in rhizosphere soil

表3 玉米/花生間作對(duì)不同根際土壤微生物的影響Table 3 Effect of corn /peanut intercropping on soil microbe in rhizosphere soil

表4 玉米/花生間作條件下土壤生態(tài)因子的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of soil indexes under four planting patterns

2.5 玉米間作花生根際土壤環(huán)境因子主成分分析

在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，我們采用SPSS 25.0軟件對(duì)玉米/花生間作條件下根際土壤全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷、有效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值、脲酶、蛋白酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量共 16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析（表5）。采用分析-降維-因子方法發(fā)現(xiàn)獲得3個(gè)主成分，解析貢獻(xiàn)率分別為 48.981%、43.617%和7.402%，總貢獻(xiàn)率為100%。第一主成分主要由放線菌、真菌、有效磷等組成。第二主成分主要為有機(jī)質(zhì)和 pH，第三主成分主要是總氮和細(xì)菌。我們將 16個(gè)指標(biāo)成分矩陣主成分得分除以提取載荷獲得載荷矩陣（表6），獲得3個(gè)主成分得分的計(jì)算方程分別為：Y1=-0.021X1+0.334X2+0.122X3+0.231X4+0.339X5+0.307X6+0.049X7-0.050X8+0.335X9+0.165X10-0.165X11-0.197X12+0.331X13-0.213X14+0.345X15+0.356X16。

表5 主成分分析總方差分析表Table 5 Total Variance Explained table in principal component analysis

表6 成分矩陣Table 6 Component Matrix

根據(jù)方程計(jì)算出不同種植模式的得分（表7）。從中可以看出，間作花生得分最高為 1.937，間作玉米次之 1.008，單作花生-0.952，單作玉米最差-1.993。主成分分析結(jié)果與土壤養(yǎng)分、酶、微生物的結(jié)果一致，進(jìn)一步證明相比單作玉米、花生而言，玉米/花生間作可改善土壤微生態(tài)環(huán)境。

3 討論

土壤養(yǎng)分、酶、微生物三者相互作用、共同維持土壤環(huán)境的生態(tài)功能。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，土壤生態(tài)環(huán)境的變化受作物種類、施肥方式、間套輪作種植模式、有機(jī)農(nóng)業(yè)、耕作深度等多種因素的影響（李斌等，2006；van der Heijden et al.，2013）。作物間套作種植由于增加了農(nóng)田生物多樣性，對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境也有一定的影響，這在國(guó)內(nèi)外均有研究報(bào)道。Song et al.（2007）研究報(bào)道，小麥/蠶豆、小麥/玉米、玉米/蠶豆間作體系能能夠明顯改變細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，增加土壤微生物量碳、氮和磷的有效性。梨園/芳香植物、甘蔗/大豆、麥/棉套作均可以提高土壤微生物數(shù)量（Li et al.，2013；吳紅英等，2010；王瑛等，2006）?；ㄉ?藥用植物間作體系中不同行距配置對(duì)土壤微生物G-細(xì)菌的影響較大，間作根際養(yǎng)分富集的地方 G-細(xì)菌增加了 31.2%—79.9%（Dai et al.，2013）。在本研究中，玉米/花生間作可顯著增加根際土壤全氮、速效氮、速效磷含量以及土壤脲酶和酸性磷酸酶活性，并可增加玉米根際土壤細(xì)菌和微生物總數(shù)量，但對(duì)花生根際土壤微生物數(shù)量的影響不大，這與前人研究的番茄/豆科（代會(huì)會(huì)等，2015）、油茶/綠肥（丁怡飛等，2018）、玉米/花生（章家恩等，2009）、茶園/大豆（黎健龍等，2008）等間作模式提高土壤養(yǎng)分含量的結(jié)果一致。間作增加土壤養(yǎng)分含量的原因可能跟間作作物根系分泌物的增加以及土壤酶活性、微生物代謝及花生生物固氮功能有關(guān)（唐秀梅等，2015）。相比種植一種作物的單作而言，種植兩種或兩種以上作物的間作系統(tǒng)根系分泌物相對(duì)更豐富，根系分泌物可以直接絡(luò)合、螯溶土壤難溶性養(yǎng)分，增加土壤養(yǎng)分的有效性。此外，本研究中間作土壤脲酶、酸性磷酸酶活性的顯著升高，可能會(huì)提高土壤有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)有效養(yǎng)分的效率，進(jìn)而增加了土壤的有效養(yǎng)分含量。再者，花生作為一種豆科作物，其根瘤的生物固氮作用可將空氣中的游離氮轉(zhuǎn)化為可供作物吸收利用的有效氮，這些氮素營(yíng)養(yǎng)在間作體系中可通過(guò)作物的根系相互作用轉(zhuǎn)移到其它作物的根區(qū)，從而增加間作作物的根際土壤有效氮含量（Li et al.，2003；艾為黨等，2000）。由此推測(cè)，間作根系分泌物的變化、關(guān)鍵土壤酶活性的增加及花生的生物固氮作用可促進(jìn)土壤有效養(yǎng)分的活化及根際轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而改善間作土壤養(yǎng)分狀況。

表7 種植模式綜合評(píng)價(jià)表Table 7 Comprehensive evaluation form of 4 planting patterns

前人關(guān)于間作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分、微生物、酶之間的相關(guān)性已有一些報(bào)道（van der Heijden et al.，2013；Zhang et al.，2013）。在玉米/辣椒（徐強(qiáng)等，2007）、豆科/番茄（代會(huì)會(huì)等，2015）、茶園/三葉草（徐華勤等，2009）等間套作研究中均發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分含量與蔗糖酶、磷酸酶、脲酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)。張向前等（2012）研究玉米和豆科間作發(fā)現(xiàn)微生物數(shù)量與脲酶、磷酸酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)。本研究通過(guò)玉米/花生間作條件下主要土壤環(huán)境因子的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)有效磷含量與脲酶活性和酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)，脲酶和酸性磷酸酶活性顯著正相關(guān)，這與前人研究結(jié)果相似。本研究中還發(fā)現(xiàn)土壤全鉀含量和pH值、蔗糖酶呈顯著負(fù)相關(guān)，蛋白酶和過(guò)氧化氫酶呈極顯著負(fù)相關(guān)，這在前人研究中未見(jiàn)報(bào)道。前人研究報(bào)道玉米/大豆間作系統(tǒng)中微生物數(shù)量和脲酶、蔗糖酶、磷酸酶及酸性磷酸酶存在顯著正相關(guān)（Zhang et al.，2013）。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，植物-土壤-微生物-酶存在互惠互利的關(guān)系，植物將光合產(chǎn)物以根系分泌物和植物殘?bào)w形式釋放到土壤，為土壤微生物提供生長(zhǎng)物質(zhì)（碳源和能源），同時(shí)為土壤微生物提供有利的生存環(huán)境；而土壤微生物也可以分泌對(duì)植物生長(zhǎng)有益的物質(zhì)，土壤酶參與土壤養(yǎng)分和物質(zhì)循環(huán)的各種生化過(guò)程，同時(shí)將有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)養(yǎng)分，以利于植物吸收利用?？梢?jiàn)，間作條件下土壤養(yǎng)分含量的變化與土壤酶活性及微生物數(shù)量存在著密切關(guān)系，三者相互作用，共同維持良好的作物生長(zhǎng)環(huán)境。而土壤酶活性及微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的作用機(jī)理仍需要更深入、細(xì)致的研究。

主成分分析是因子分析的一種，可將多個(gè)指標(biāo)簡(jiǎn)化為少數(shù)幾個(gè)具有代表性的綜合指標(biāo)，從而達(dá)到了簡(jiǎn)化分析過(guò)程并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的目的（楊文娜等，2019），該方法廣泛用于品種選育（卜偉召等，2015）和栽培措施評(píng)價(jià)（趙銀月等，2019；周澤弘等，2019）。本研究通過(guò)對(duì)玉米/花生間作條件下的16個(gè)土壤環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析，將這些生態(tài)指標(biāo)分成3個(gè)主成分，分別是放線菌、真菌、有效磷成分及有機(jī)質(zhì)、pH成分和總氮、細(xì)菌成分，并計(jì)算出不同種植模式在主成分中的綜合得分，發(fā)現(xiàn)間作花生得分最高，間作玉米次之，兩者得分均明顯高于單作花生及單作玉米。間作土壤環(huán)境因子主成分分析結(jié)果與以上土壤養(yǎng)分、酶、微生物的分析結(jié)果一致，進(jìn)一步證明玉米/花生間作系統(tǒng)的土壤生態(tài)環(huán)境優(yōu)于單作玉米和單作花生系統(tǒng)。

4 結(jié)論

玉米/花生間作可顯著增加根際土壤全氮、速效氮、速效磷含量以及土壤脲酶和酸性磷酸酶活性，并可增加玉米根際土壤細(xì)菌和微生物總數(shù)量，但對(duì)花生根際土壤微生物數(shù)量的影響不大。間作土壤有效磷含量的增加與土壤脲酶活性和酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)，而土壤全鉀含量和pH值、蔗糖酶呈顯著負(fù)相關(guān)。可見(jiàn)，玉米/花生間作系統(tǒng)可通過(guò)增加土壤氮、磷養(yǎng)分含量及部分土壤酶活性改善土壤微生態(tài)環(huán)境，其中以間作花生根際微生態(tài)環(huán)境最佳。