吳羽晨，藺 芳，張家洋，張路路

（新鄉(xiāng)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

在當(dāng)前中國(guó)水土流失嚴(yán)重、生態(tài)平衡危機(jī)頻發(fā)、栽培藥材品質(zhì)備受質(zhì)疑的大背景下，尤其是2020年初新冠病毒的突然來(lái)襲，金銀花Lonicera japonica、內(nèi)蒙黃芪Astragalus membranaceusvar.mongholicus等傳統(tǒng)中藥材的品質(zhì)和產(chǎn)量需求大增。發(fā)展藥用植物的生態(tài)種植在合理利用土地資源、防治病蟲(chóng)害、改良土壤肥力、增強(qiáng)作物對(duì)自然災(zāi)害的抗逆能力等方面都有重要的作用。傳統(tǒng)藥用植物多為單一栽培模式，土地生產(chǎn)力和使用率低，對(duì)產(chǎn)業(yè)持續(xù)性發(fā)展不利[1]。相比而言，混播栽培是提高作物產(chǎn)量的有效措施。研究表明[2-3]：混播有助于防止水土流失，有利于病蟲(chóng)害治理和增強(qiáng)作物對(duì)自然災(zāi)害的抵抗力，在調(diào)節(jié)土壤生物養(yǎng)分有效性及生態(tài)系統(tǒng)資源合理配置等方面也至關(guān)重要。目前，混播多在豆科Leguminosae植物(如紫花苜蓿Medicago sativa、豌豆Pisum sativum等)-禾本科Gramineae植物(如燕麥Avena sativa、小麥Triticum aestivum等)間采用[4-5]。豆科植物根系的固氮能力不僅可以維持自身的氮素營(yíng)養(yǎng)需求，還可通過(guò)根系間的相互作用為與其混播的作物提供養(yǎng)分，滿足后者生長(zhǎng)過(guò)程中的生理需求。近年來(lái)藥用植物的研究主要聚焦在土壤施用肥料數(shù)量和不同質(zhì)地土壤對(duì)藥用植物生產(chǎn)量的影響[6-9]上，對(duì)不同播種模式下，土壤中有機(jī)碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及土壤酶活性的研究較少；少有豆科植物與與藥用植物的混播研究。本研究在不施氮磷鉀肥的情況下，以忍冬科Caprifoliaceae金銀花、菊科Compositae杭白菊Chrysanthemum morifolium和豆科內(nèi)蒙黃芪為研究對(duì)象，采用大田實(shí)驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以沙化裸地(ck)為對(duì)照，研究金銀花單播(LJT)、杭白菊單播(CMR)、黃芪單播(AMB)、金銀花/內(nèi)蒙黃芪混播(LJT/AMB)、杭白菊/內(nèi)蒙黃芪混播(CMR/AMB) 5種模式下土壤碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和酶活性的變化，旨在為人工藥用草地建植及土壤治理保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省新鄉(xiāng)市洪門(mén)鎮(zhèn)(35°16′N(xiāo)，113°57′E)，海拔120 m，大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫為14.2 ℃，全年平均日光輻射時(shí)數(shù)約2 400 h，年平均降水量為573.4 mm，年際間降水分布不均，主要集中在7、8月，年平均相對(duì)濕度為68.0%，無(wú)霜期220 d[10]。供試土壤為砂壤土，供試土壤0～40 cm土層基本養(yǎng)分狀況見(jiàn)表1。

表1 供試土壤(0～40 cm)養(yǎng)分特性Table 1 Soil nutrient characteristics (0-40 cm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016-2019年連續(xù)4 a進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)。共設(shè)6個(gè)處理，即：以沙化裸地為對(duì)照(ck)，設(shè)LJT、CMR、AMB、LJT/AMB、CMR/AMB等5種不同的播種模式，各處理重復(fù)3次，共18個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為30 m2(5 m×6 m)。杭白菊、金銀花均為南北行種植，株距60 cm，行距60 cm。內(nèi)蒙黃芪為條播，行距為33 cm，播種量為15 kg·hm-2，混播模式下金銀花與內(nèi)蒙黃芪的行間距為40 cm，杭白菊與內(nèi)蒙黃芪的行間距為40 cm。不施用任何肥料，采用免耕處理，定期澆水及除草。

1.3 樣品采集及測(cè)定

2019年10月，清除土壤表面的枯枝落葉及地表碎石，五點(diǎn)法取樣采集土壤樣品裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。自然風(fēng)干后研磨，過(guò)篩，檢測(cè)土壤各指標(biāo)。采用有機(jī)碳分析儀(Elementar，德國(guó))測(cè)定土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)，采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)[11]。采用常規(guī)測(cè)定方法檢測(cè)分析土壤酶活性[12]。采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定脲酶活性，以24 h后1.0 g土樣中銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·g-1)表示；采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定蔗糖酶活性，以24 h后1.0 g土樣中葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·g-1)表示；采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定堿性磷酸酶活性，以24 h后1.0 g土樣中釋放的酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·g-1)表示；采用鄰苯二酚比色法測(cè)定多酚氧化酶活性，以2 h后1.0 g土樣中紫色沒(méi)食子素的質(zhì)量(mg)表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)以3次平行測(cè)定的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示，經(jīng)Excel 2007和SPSS 19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行分析，Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同播種模式下土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖1可知：相比于ck，5種播種模式下不同土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著增加(P＜0.05)，且同一土壤深度土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小均依次為CMR/AMB、LJT/AMB、AMB、CMR、LJT、ck。與3種單播模式相比，2種混播模式下土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著增加(P＜0.05)，其中CMR/AMB模式有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于LJT/AMB(P＞0.05)。LJT和CMR模式下土壤表層(0～20 cm)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較ck顯著增加(P＜0.05)，而在土壤亞表層(20～40 cm)無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。此外，不同種植模式下土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈表聚性現(xiàn)象，即土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土壤垂直剖面加深而逐漸降低。

圖1 不同播種模式下土壤各土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 1 Soil organic carbon content under different planting patterns

2.2 不同播種模式下土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖2可知：AMB、CMR/AMB和LJT/AMB播種模式下土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別為63.89，62.87和61.66 mg·kg-1，3種播種模式間無(wú)顯著差異(P＞0.05)；但顯著高于LJT和CMR模式(P＜0.05)。在土壤表層(0～20 cm)5種播種模式下堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于ck (P＜0.05)，但在土壤亞表層(20～40 cm)無(wú)顯著差異(P＞0.05)。說(shuō)明不同播種模式下土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)表聚性現(xiàn)象。

圖2 不同播種模式下土壤各土層堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 2 Soil available nitrogen content under different planting patterns

2.3 不同播種模式下土壤酶活性

與ck相比(表2)，5種播種模式下4種土壤酶(脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶)活性均顯著增加(P＜0.05)。20～40 cm土層，單播和混播模式之間蔗糖酶和堿性磷酸酶活性差異顯著(P＜0.05)，5種播種模式下土壤脲酶活性差異顯著(P＜0.05)，土壤氧化酶活性差異不顯著(P＞0.05)。從土壤酶活性的各土層平均值來(lái)看，各個(gè)播種模式下土壤脲酶活性較ck的增幅最大。LJT/AMB的脲酶活性(0.789 9 mg·g-1)和多酚氧化酶活性(1.077 6 mg·g-1)最高，CMR/AMB下的蔗糖酶活性(8.289 6 mg·g-1)和堿性磷酸酶活性(0.644 8 mg·g-1)最高。LJT/AMB下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對(duì)比ck分別增加201.82%、56.95%、77.05%和70.85%，CMR/AMB下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對(duì)比ck分別增加192.63%、58.37%、78.75%和59.36%，AMB模式下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對(duì)比ck分別增加140.62%、44.57%、52.86%和57.90%，CMR模式下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對(duì)比ck分別增加106.74%、38.42%、49.06%和55.25%，LJT模式下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對(duì)比ck分別增加67.69%、33.80%、23.63%和55.81%。此外，從土壤的垂直分布來(lái)看，不同播種模式下土壤酶活性也呈表聚性特征。

表2 不同播種模式下各土層土壤酶活性Table 2 Soil enzyme activities in each soil layer under different planting patterns

2.4 相關(guān)性分析

由Pearson相關(guān)系數(shù)(表3)可知：土壤有機(jī)碳與堿解氮、4種酶呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)，土壤堿解氮與4種酶呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)。4種土壤酶彼此之間呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)。其中脲酶與堿性磷酸酶之間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.965，有機(jī)碳與堿性磷酸酶之間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.949，蔗糖酶與多酚氧化酶之間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.948，說(shuō)明土壤碳、氮與酶之間關(guān)系極為緊密。

表3 土壤碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與酶活性的相關(guān)性分析Table 3 Correlations analysis of soil carbon, available nitrogen and enzyme activities

3 討論與結(jié)論

與單播相比，混播不僅可以增加土壤碳、氮總量，更利于土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定[13-14]，還能增加土壤速效養(yǎng)分含量，提高土壤養(yǎng)分的有效性。本研究發(fā)現(xiàn)：LJT/AMB模式下，土壤有機(jī)碳和堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0～40 cm土層平均值)較LJT分別提高了19.41%和11.80%，CMR/AMB模式下，土壤有機(jī)碳和堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較CMR分別提高了20.16%和13.24%，這與包興國(guó)等[15]、鄭偉等[16]發(fā)現(xiàn)混播更有助于改善土壤有機(jī)碳、堿解氮的結(jié)論一致。作為生物固氮植物，混播模式下內(nèi)蒙黃芪在向金銀花/杭白菊轉(zhuǎn)移土壤氮素的同時(shí)，也能通過(guò)氮素根際沉積為金銀花/杭白菊提供一定的氮素，減緩?fù)寥赖叵?，土壤速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于LJT和CMR。土壤脲酶通過(guò)水解土壤中的尿素形成銨態(tài)氮提供氮源，其活性直接表征氮素轉(zhuǎn)化率[17-19]；土壤蔗糖酶通過(guò)水解土壤有機(jī)質(zhì)生成葡萄糖提供碳源，表征有機(jī)碳的積累轉(zhuǎn)化和土壤熟化程度[20-21]；土壤堿性磷酸酶通過(guò)加速有機(jī)磷的脫磷速度直接參與土壤磷素循環(huán)，表征磷元素生物轉(zhuǎn)化方向和強(qiáng)弱[22]；土壤多酚氧化酶參與土壤芳香族化合物循環(huán)，通過(guò)分子氧氧化酚或多酚形成醌，醌與土壤中蛋白質(zhì)、糖、礦質(zhì)元素等反應(yīng)生成有機(jī)質(zhì)，分解凋落物木質(zhì)素獲取碳、氮元素[23-24]。藺芳[18]發(fā)現(xiàn)：土壤脲酶、蔗糖酶對(duì)土壤碳循環(huán)有直接貢獻(xiàn)，脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶對(duì)土壤氮循環(huán)有直接貢獻(xiàn)，與本研究一致，說(shuō)明土壤中不同種類(lèi)酶之間、酶和土壤養(yǎng)分之間具有協(xié)同交互作用[25]。本研究混播模式下的4種土壤酶活性均顯著均高于3種單播和ck (P＜0.05)，且相關(guān)性分析表明：土壤有機(jī)碳和堿解氮均與4種酶活性極顯著相關(guān)(P＜0.01)。說(shuō)明在混播體系中，豆科植物的生物固氮作用及種間競(jìng)爭(zhēng)作用促進(jìn)了植物根系生長(zhǎng)，大大增加根系種類(lèi)、生物量和根系縱橫分布，增加土壤孔隙度，提高蓄水保水能力，從而改變土壤理化性質(zhì)。豆科植物根系周?chē)母鼍艽龠M(jìn)根系分泌物、細(xì)根周轉(zhuǎn)，改善菌根代謝，使得土壤微生物代謝旺盛，呼吸強(qiáng)度增強(qiáng)，促進(jìn)蔗糖酶、脲酶活性，提高碳素、氮素轉(zhuǎn)化效率，促進(jìn)堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性，對(duì)提高土壤肥力有重要作用[26-27]。不同種植模式下土壤有機(jī)碳、堿解氮和酶活性均在土壤剖面呈表聚性，表明土壤表層更有利于酶促反應(yīng)形成有機(jī)質(zhì)和有效氮。與TU等[25]、來(lái)幸樑等[28]結(jié)果一致。土壤表層凋落物、腐殖質(zhì)容易積累，微生物代謝旺盛，植物根系集中，有利于物質(zhì)積累和酶促反應(yīng)的進(jìn)行；隨著土壤深度的加深，土壤中的水、汽、熱狀況變差，微生物生境變差，數(shù)量急劇減少，酶促反應(yīng)底物也不如表層，碳氮積累和酶活均隨著土層剖面下降。

混播模式充分利用豆科植物內(nèi)蒙黃芪的生物固氮作用，使金銀花/杭白菊在沒(méi)有氮肥的條件下獲取氮源，提高植物氮素吸收利用效率，減少土壤無(wú)機(jī)氮的累積，降低種植地氮素污染的風(fēng)險(xiǎn)。杭白菊/黃芪混播和金銀花/黃芪混播模式下土壤有機(jī)碳、堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均顯著高于杭白菊或金銀花單播(P＜0.05)，而彼此之間差異不顯著(P＞0.05)。相較于單播，2種混播模式對(duì)土壤有機(jī)碳、堿解氮的積累和土壤酶活性的促進(jìn)作用更強(qiáng)，更有利于改良土壤肥力，是適合在豫北地區(qū)推廣的可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。