陳思宇,汪 燦,彭方麗,周棱波,張國兵,高 杰,趙 強,邵明波

(貴州省農(nóng)業(yè)科學院旱糧研究所,貴陽 550006)

【研究意義】糯高粱是貴州最重要的特色雜糧作物,其種植面積排名全國第三[1]。貴州屬典型喀斯特地貌,耕地面積有限。貴州糯高粱種植區(qū)域主要分布在仁懷、習水、金沙、播州、桐梓、正安、黔西、普定和平塘等市(縣),糯高粱種植多為大面積常年連作,因此,導致土壤質(zhì)地惡化,產(chǎn)量降低,品質(zhì)變劣,嚴重制約糯高粱原料的可持續(xù)生產(chǎn)[2-3]。探討糯高粱與大豆間作模式下不同帶寬配置對糯高粱根際土壤特性及產(chǎn)量的影響,對打破糯高粱連作障礙,指導其優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】禾本科與豆科間作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的間作模式之一,其既可以通過豆科作物的固氮作用減少化學氮肥的投入和提高作物產(chǎn)量,也可以促進作物對不同生態(tài)位資源的充分利用[4-6]。根際是作物與土壤相互作用的主要區(qū)域,對地上和地下生態(tài)系統(tǒng)起著聯(lián)系紐帶和橋梁的作用[7]。大量研究[8-10]表明,禾本科與豆科間作會改變作物根際土壤微環(huán)境,從而促進地上部和地下部的協(xié)調(diào)發(fā)展。Gong等[11]研究發(fā)現(xiàn),糜子與綠豆間作時糜子根際土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性均顯著高于單作糜子。Li等[12]研究表明,玉米間作花生較單作玉米顯著增加玉米根際土壤有效氮和有效磷含量以及脲酶和磷酸單酯酶的活性。Xu等[13]通過15N同位素標記微區(qū)試驗發(fā)現(xiàn),小麥與蠶豆間作可促進小麥根際土壤氮的礦化和硝化作用,提高蠶豆向小麥的凈氮轉(zhuǎn)移量,從而增加籽粒產(chǎn)量。趙強等[14]研究發(fā)現(xiàn),糯高粱與大豆和花生間作顯著增加糯高粱根際土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量,增強土壤過氧化氫酶、脲酶和多酚氧化酶活性,提高土壤細菌、真菌和放線菌的數(shù)量。本研究前期開展糯高粱與大豆、花生、辣椒及紅薯等不同作物間作對比試驗后認為,糯高粱間作大豆是最理想的間作組合[14],且通過糯高粱間作大豆不同行比配置試驗,篩選出糯高粱間作大豆的最適行比配置為2行糯高粱間作1行大豆[3, 15]?！颈狙芯壳腥朦c】已有研究對糯高粱間作大豆的最適帶寬配置尚不清楚,且目前關(guān)于糯高粱間作大豆不同帶寬配置下糯高粱根際土壤特性方面的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,以單作糯高粱為對照,設(shè)置2行糯高粱與1行大豆間作的不同帶寬配置處理,探討其對糯高粱根際土壤養(yǎng)分含量、土壤酶活性及產(chǎn)量的影響,以期為打破糯高粱連作障礙,指導糯高粱的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)及可持續(xù)生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年和2022年在貴州省農(nóng)業(yè)科學院旱糧研究所貴陽試驗基地進行。試驗地土壤為黃壤土,2021年播種前10 cm土層土壤養(yǎng)分含量:有機質(zhì)54.20 g/kg、全氮0.82 g/kg、全磷0.26 g/kg、全鉀36.10 g/kg、堿解氮212.61 mg/kg、有效磷21.40 mg/kg和速效鉀12.65 mg/kg;pH 6.94。

1.2 供試材料

糯高粱,品種為紅粱豐1號,直立散穗型,株型半緊湊;大豆,品種為陰豆1號,株型緊湊,有限結(jié)莢習性。糯高粱和大豆均由貴州省農(nóng)業(yè)科學院旱糧研究所提供。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計 試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,糯高粱間作大豆按2行糯高粱1行大豆種植,根據(jù)帶寬配置共設(shè)4個處理:T1,帶寬120 cm,糯高粱窄行行距40 cm、寬行行距80 cm,糯高粱與大豆間距40 cm;T2,帶寬130 cm,糯高粱窄行行距50 cm、寬行行距80 cm,糯高粱與大豆間距40 cm;T3,帶寬140 cm,糯高粱窄行行距40 cm、寬行行距100 cm,糯高粱與大豆間距50 cm;T4,帶寬150 cm,糯高粱窄行行距50 cm、寬行行距100 cm,糯高粱與大豆間距50 cm;以單作糯高粱為對照(CK)。CK行距60 cm,窩距25 cm,每窩留苗2株,種植5行,小區(qū)面積15 m2(長5 m×寬3 m);糯高粱與大豆間作,均為窩距25 cm,每窩留苗2株,各處理包括3個帶寬,小區(qū)長5 m,寬分別為4.4、4.8、5.1和5.5 m,面積分別為22、24、25.5和27.5 m2。每個處理3次重復,小區(qū)間及區(qū)組間間隔60 cm,種植行與區(qū)組走向垂直,試驗地四周種植3行糯高粱作為保護行。糯高粱分別于2021年4月13日和2022年4月8日播種,2021年8月12日和2022年8月28日收獲,大豆分別于2021年4月13日和2022年4月8日播種,2021年7月29日和2022年8月8日收獲。糯高粱施肥以單作播種為基準,即施總養(yǎng)分≥45%的高效復合肥(含N 14%、P2O515%、K2O 16%)450 kg/hm2作為基肥,拔節(jié)期施尿素(含N 46.4%)300 kg/hm2作為追肥;大豆施肥以單作播種為基準,即施總養(yǎng)分≥45%的高效復合肥(含N 14%、P2O515%、K2O 16%)300 kg/hm2作為基肥。間作模式施肥量參照單作模式,根據(jù)糯高粱和大豆種植密度進行折算。除草、病蟲害防治等田間管理同常規(guī)。

1.3.2 指標測定 于糯高粱成熟期在各小區(qū)中間條帶選擇具代表性的糯高粱植株3株,連根挖出后用毛刷收集根際土壤,隨后將根際土壤樣品送至貴州為萊科技有限責任公司測定土壤養(yǎng)分和土壤酶活性。其中,有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀稀釋熱法測定,全氮含量采用凱氏定氮法測定,全磷和有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定,全鉀和速效鉀含量采用火焰光度法測定,堿解氮含量采用堿解擴散法測定,脲酶活性采用靛酚藍比色法測定,多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚比色法測定,蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定,硝酸還原酶活性采用酚二磺酸比色法測定,過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測定。最后分小區(qū)人工收獲糯高粱,脫粒曬干后實測小區(qū)糯高粱產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2016和DPS v7.05進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析;采用LSD法進行差異顯著性檢測(P<0.05);采用SigmaPlot 12.5作圖。數(shù)據(jù)為3次重復的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同帶寬配置處理糯高粱根際土壤的養(yǎng)分含量

2.1.1 有機質(zhì) 從圖1看出,帶寬配置對糯高粱根際土壤有機質(zhì)含量有顯著影響。2021年,各處理的有機質(zhì)含量為52.14～69.85 g/kg,依次為T3>T1>T2>T4>CK,各處理間差異顯著,且均顯著高于CK。2022年,各處理的有機質(zhì)含量為58.40～61.12 g/kg,依次為T3>T4>T2>T1>CK,其中,T3顯著高于除T4外的其余處理,T4顯著高于除T2外的其余處理,CK顯著低于除T1外的其余處理。T1～T4的土壤有機質(zhì)含量2年平均值較CK分別增加13.30%、8.03%、18.47%和6.88%。

不同小寫字母表示同一年各處理在P<0.05水平差異顯著。下同。Different lowercase letters indicate significant differences of treatment in the same year at P<0.05 level. The same as below.圖1 不同帶寬配置處理糯高粱根際土壤的有機質(zhì)含量Fig.1 Organic matter content in rhizosphere soil of waxy sorghum with different bandwidth configurations

2.1.2 氮、磷和鉀含量 由表1可知,2021年和2022年不同帶寬配置處理糯高粱根際土壤的全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著高于單作糯高粱處理(CK),且均以T3最大。2021年全氮含量為0.78～0.84 g/kg,依次為T3>T2>T4>T1>CK,各處理間差異不顯著,但均高于CK;2022年全氮含量為0.91～1.08 g/kg,依次為T3>T2>T4>T1>CK,T3顯著高于其余處理,T2顯著高于除T4外的其余處理,CK顯著低于除T1外的其余處理。T3的全氮含量2年平均值較CK增加13.36%。2021年全磷含量為0.29～0.39 g/kg,依次為T3>T2=T1>T4>CK,各處理均顯著高于CK,T3顯著高于其余處理,其余處理間差異不顯著;2022年全磷含量為0.43～0.51 g/kg,依次為T3>T4>T2>T1>CK,T3顯著高于其余處理,T2顯著高于除T2外的其余處理,CK顯著低于各處理。T3的全磷含量2年平均值較CK增加26.00%。2021年全鉀含量為37.96～44.61 g/kg,依次為T3>T4>T1>T2>CK,除T1與T2差異不顯著外,其余處理間均差異顯著,各處理均顯著高于CK;2022年全鉀含量為43.62～46.92 g/kg,依次為T3>T4>T2>T1>CK,各處理差異不顯著,但除T1外均顯著高于CK。T3的全鉀含量2年平均值較CK增加12.18%。2021年堿解氮含量為229.06～344.58 mg/kg,依次為T3>T1>T4>T2>CK,除T1與T4差異不顯著外,其余處理間差異顯著,且均顯著高于CK;2022年堿解氮含量為150.92～266.63 mg/kg,依次為T3>T4>T1>T2>CK,T3顯著高于其余處理,T4顯著高于除T1外的其余處理,CK顯著低于除T2外的其余處理。T3的堿解氮含量2年平均值較CK增加60.85%。2021年有效磷含量為19.15～25.79 mg/kg,依次為T3>T4>T1>T2>CK,T3、T4與T1差異不顯著,但均顯著高于其余處理,T2顯著高于CK;2022年有效磷含量為17.06～26.16 mg/kg,依次為T3>T4>T2>T1>CK,T3顯著高于其余處理,T2與T4差異不顯著,但均顯著高于其余處理。T3的有效磷含量2年平均值較CK增加43.47%。2021年速效鉀含量為12.22～16.32 mg/kg,依次為T3>T4>T1>T2>CK,T3、T4與T1差異不顯著,但均顯著高于T2和CK;2022年速效鉀含量為14.53～23.60 mg/kg,依次為T3>T4>T2>T1>CK,T3顯著高于其余處理,T4顯著高于除T2外的其余處理,CK顯著低于除T1外的其余處理。T3的速效鉀含量2年平均值較CK增加49.24%。

表1 不同帶寬配置處理糯高粱根際土壤的氮、磷和鉀含量

2.2 不同帶寬配置處理糯高粱根際土壤酶活性

從表2看出,不同帶寬配置處理糯高粱根際土壤的酶活性存在差異,2021年和2022年各類酶活性均顯著高于CK(單作糯高粱處理),且均以T3最大。2021年脲酶活性為132.29～207.94 U/g,依次為T3>T2>T4>T1>CK,各處理間差異顯著,且均顯著高于CK;2022年脲酶活性為127.61～180.27 U/g,依次為T3>T4>T1>T2>CK,T3顯著高于其余處理,CK顯著低于除T2外的其余處理,其余處理間差異不顯著。T3的脲酶活性2年平均值較CK增加49.37%。2021年多酚氧化酶活性為45.58～53.43 U/g,2022年多酚氧化酶活性為39.81～70.90 U/g,均依次為T3>T4>T2>T1>CK,各處理間差異顯著,且均顯著高于CK。T3的多酚氧化酶活性2年平均值較CK增加45.61%。2021年蔗糖酶活性為100.60～150.09 U/g,依次為T3>T2>T1>T4>CK,各處理間差異顯著,且均顯著高于CK;2022年蔗糖酶活性為103.10～208.64 U/g,依次為T3>T4>T1>T2>CK,各處理間差異顯著,且均顯著高于CK。T3的蔗糖酶活性2年平均值較CK增加76.10%。2021年硝酸還原酶活性為0.29～0.43 U/g,依次為T3>T2>T1=T4>CK,各處理間差異顯著,且均顯著高于CK;2022年硝酸還原酶活性為103.10～208.64 U/g,依次為T3>T4>T1>T2>CK,T3顯著高于除T4外的其余處理,CK顯著低于各處理。T3的蔗糖酶活性2年平均值較CK增加55.81%。2021年過氧化氫酶活性為46.29～48.06 U/g,依次為T3>T4>T2>T1>CK,各處理間(除T2與T1外)差異顯著,且均顯著高于CK;2022年過氧化氫酶活性為37.35～51.38 U/g,依次為T3>T4>T2>T1>CK,T3顯著高于其余處理,CK顯著低于除T1外的各處理。T3的蔗糖酶活性2年平均值較CK增加18.89%。

表2 不同帶寬配置處理糯高粱根際土壤的酶活性

2.3 不同帶寬配置處理糯高粱的產(chǎn)量

從圖2看出,不同帶寬配置對糯高粱產(chǎn)量有顯著影響。2021年糯高粱產(chǎn)量為5109.22～6199.18 kg/hm2,2022年為5215.94～6467.29 kg/hm2,均表現(xiàn)為T3>T4>T1>T2>CK。其中,2021年,T3和T4均顯著高于其余處理,CK顯著低于除T2外的其余處理,其余處理間差異不顯著;2022年,T3顯著高于除T4外的其余處理,CK顯著低于其余處理,其余處理間差異不顯著。T1、T2、T3和T4的糯高粱2年平均產(chǎn)量分別較CK增加11.89%、9.28%、22.68%和18.08%。

不同小寫字母表示同一年各處理在P<0.05水平差異顯著。下同。Different lowercase letters indicate significant differences of treatment in the same year at P<0.05 level. The same as below.圖2 不同帶寬配置處理糯高粱的產(chǎn)量Fig.2 Yield in rhizosphere soil of waxy sorghum with different bandwidth configurations

2.4 糯高粱根際土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性

由表3可知,糯高粱根際土壤脲酶活性與有機質(zhì)和有效磷含量呈顯著正相關(guān);多酚氧化酶活性與速效鉀含量呈極顯著正相關(guān),與全氮、全鉀和有效磷含量呈顯著正相關(guān);蔗糖酶活性與速效鉀含量呈極顯著正相關(guān),與全氮、全磷、全鉀和有效磷含量呈顯著正相關(guān);硝酸還原酶活性與有效磷含量呈極顯著正相關(guān),與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān);過氧化氫酶活性與有效磷含量呈極顯著正相關(guān),與堿解氮含量呈顯著正相關(guān)。

表3 糯高粱根際土壤酶活性與養(yǎng)分含量間的相關(guān)性

2.5 糯高粱產(chǎn)量與根際土壤特性的相關(guān)性

由圖3可知,糯高粱產(chǎn)量與糯高粱根際土壤有效磷含量、多酚氧化酶活性及蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.846、0.777和0.771;與全鉀含量、速效鉀含量、脲酶活性及硝酸還原酶活性呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.734、0.728、0.738和0.735;糯高粱產(chǎn)量與有機質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、堿解氮含量及過氧化氫酶活性呈正相關(guān)但不顯著。

圖3 糯高粱產(chǎn)量與根際土壤養(yǎng)分含量和酶活性的相關(guān)性Fig.3 Correlation between yield and rhizosphere soil nutrient contents as well as enzyme activities of waxy sorghum

3 討 論

土壤養(yǎng)分含量是評價土壤肥力水平的重要指標。土壤有機質(zhì)作為土壤固相部分的重要組成成分,是植物營養(yǎng)的主要來源之一,能改善土壤的物理性質(zhì),促進土壤微生物的活動及土壤中營養(yǎng)元素的分解,提高土壤的保肥性和緩沖性,從而促進植物的生長發(fā)育[16]。土壤氮、磷和鉀是評價土壤質(zhì)地狀況的重要指標,反映土壤對植物提供養(yǎng)分的潛能,在平衡土壤養(yǎng)分狀況和促進植株生長發(fā)育方面發(fā)揮重要作用[17-18]。大量研究表明,間作可以改善作物根際土壤養(yǎng)分狀況,為作物生長提供必需的營養(yǎng)基礎(chǔ)。楊菲等[19]研究發(fā)現(xiàn),棉花與花生間作顯著增加土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的含量。劉亞軍等[20]研究發(fā)現(xiàn),馬鈴薯與蠶豆和蕎麥間作模式土壤全氮、全磷、有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量均高于單作馬鈴薯處理。Ma等[21]研究發(fā)現(xiàn),茶樹與板栗樹間作顯著增加土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的含量。本研究中,與單作糯高粱相比,糯高粱間作大豆不同帶寬配置糯高粱根際土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著增加,與趙強等[14]的研究結(jié)果相吻合。進一步說明糯高粱與大豆間作能改善糯高粱根際土壤的養(yǎng)分狀況,為糯高粱的生長發(fā)育提供了良好的營養(yǎng)基礎(chǔ)。

土壤酶是土壤中植物、動物和微生物活動的產(chǎn)物,其活性的強弱可作為判斷土壤生物化學過程強度及評價土壤肥力和養(yǎng)分循環(huán)的重要指標之一,如脲酶、蔗糖酶和硝酸還原酶等參與了土壤中氮素的轉(zhuǎn)化及碳水化合物的代謝和貯藏運輸[22-23]。Zhou等[24]研究發(fā)現(xiàn),黃瓜與洋蔥和大蒜間作土壤脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性顯著高于單作黃瓜處理。王慶宇等[25]研究發(fā)現(xiàn),燕麥與黑豆和馬鈴薯間作較單作燕麥顯著增加土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性。詹柳琪等[26]研究發(fā)現(xiàn),玉米與花生間作顯著增加花生主要生育時期的土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性。本研究中,糯高粱間作大豆不同帶寬配置糯高粱根際土壤脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、硝酸還原酶和過氧化氫酶活性均顯著高于單作糯高粱。說明,糯高粱與大豆間作可通過增強脲酶活性促進土壤有機氮向無機氮的轉(zhuǎn)化,并提高土壤無機氮的供應能力;可通過增加多酚氧化酶活性抑制土壤中酚類有害物質(zhì)的過多積累而減輕對糯高粱植株的傷害;可通過提高蔗糖酶活性促進蔗糖向葡萄糖的水解而為糯高粱植株提供重要的營養(yǎng)來源;可通過增加硝酸還原酶活性加快土壤硝酸鹽向亞硝酸鹽還原的催化速度而促進糯高粱植株對氮素的吸收和利用;可通過增強過氧化氫酶活性清除過氧化氫等有毒物質(zhì)而為糯高粱植株生長提供健康的土壤環(huán)境。與丁偉等[27-29]的研究結(jié)果相似。

土壤酶活性的強弱與土壤養(yǎng)分含量的高低密切相關(guān)[30-31]。本研究中,糯高粱根際土壤有效磷含量與脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、硝酸還原酶及過氧化氫酶活性之間的相關(guān)性均達顯著或極顯著水平。說明,在糯高粱與大豆間作體系中,糯高粱根際土壤酶活性受有效磷含量的影響較大。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)全鉀、有效磷和速效鉀的含量及脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和硝酸還原酶的活性與糯高粱產(chǎn)量呈顯著或極顯著相關(guān)。說明,在糯高粱與大豆間作體系中,糯高粱產(chǎn)量的形成主要受土壤全鉀、有效磷和速效鉀的含量及脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和硝酸還原酶的活性調(diào)控。帶寬配置是間作體系中關(guān)鍵的配套技術(shù)之一,合理的帶寬配置能為間作作物營造適宜的田間小氣候環(huán)境,改善土壤質(zhì)地,促進作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[32-36]。本研究中,T3的糯高粱根際土壤養(yǎng)分含量、土壤酶活性及產(chǎn)量均表現(xiàn)最好,為糯高粱間作大豆的最適帶寬配置。

4 結(jié) 論

糯高粱間作大豆不同帶寬配置處理對糯高粱根際土壤特性及產(chǎn)量均有顯著影響。本試驗條件下,帶寬140 cm,糯高粱窄行行距40 cm、寬行行距100 cm,糯高粱與大豆間距50 cm模式能更好地改善糯高粱根際土壤環(huán)境,從而提高糯高粱產(chǎn)量。