旱地燕麦间作对土壤酶活性、微生物含量及产量的影响

王庆宇，李立军，阮 慧，周红生，李晓婷

(1.内蒙古农业大学农学院，内蒙古 呼和浩特 010010；2.南京农业大学农学院，江苏 南京 210095；3.西北农林科技大学植物保护学院，陕西 杨凌 712100)

土壤酶在土壤新陈代谢中起着重要作用，其多数来源于土壤微生物残体，一部分也来源于动、植物，与土壤理化性质、土壤类型、施肥、耕作以及其他农业措施等密切相关，在土壤物质循环和能量转化过程中尤为重要。土壤酶活性能反映土壤生物活性和土壤生化反应强度，且土壤酶对外界环境变化敏感，是评价土壤肥力、土壤质量及土壤健康的重要生化指标[1-5]。因此可以将土壤酶的活性作为量化指标，用于研究其对不同作物间作的响应。不同栽培作物种类以及耕作方式对土壤酶活性的影响一直是近年来的研究热点[6]，研究表明禾豆间作可以提高禾本科作物地上部分生物产量，不同程度地提高作物产量[7-8]。目前研究多集中于禾本科与豆科间作的养分利用效率，内蒙古地区除禾本科与豆科间作外，更缺少禾本科与马铃薯、禾本科与茄科及各种间作效应间的比较研究[9-10]。张向前等[11]研究表明，在不施肥条件下玉米间作和单作土壤转化酶活性差异显著，在施肥条件下间作和单作土壤转化酶和磷酸酶活性差异显著。Getachew Agegnehu等人[12]在埃塞俄比亚间作种植小麦和蚕豆研究结果表明，混合间作对比单作可以增加土地当量比3%～22%，同时可以增加蚕豆和小麦的籽粒产量，减少杂草和病害压力。

本研究采用小区条带间作，通过对比研究黑豆间作燕麦，苜蓿间作燕麦，马铃薯间作燕麦，以及以上4种作物单作对土壤脲酶活性、过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性的影响。通过分析2015年和2016年3种间作模式下土壤酶活性的差异及其对产量的影响，揭示间作在提高土壤酶活性和微生物生物量方面的优势机理，为间作系统的增产稳产提供理论依据，有利于内蒙古地区间作栽培模式的推广和土地利用效率的提高。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2015-2016年在内蒙古自治区凉城县进行，该地区地处北纬 40°29′～40°32′，东经112°28′～112°30′之间，为阴山南麓，属中温带半干旱大陆性季风气候区，年均日照时数3 026 h，年均有效积温2 600℃，无霜期平均120 d。降水主要集中在7、8月份，蒸发量是降水量的4.94倍。试验地土壤类型为山地草原草甸土，土壤基础养分情况见表1。

表1 试验地土壤理化性质

1.2 供试材料

燕麦：白燕2号；马铃薯：荷兰14号；苜蓿：草原1号；黑豆：大粒黑。

肥料：磷酸二铵(含氮量为18%，含P2O5量为46%)；马铃薯复合肥(N∶P2O5∶K2O=17∶6∶22)。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共7个处理，分别为：苜蓿间作燕麦、马铃薯间作燕麦、黑豆间作燕麦、马铃薯单作、燕麦单作、苜蓿单作、黑豆单作。各处理重复5次。试验设计见表2。

小区面积为6 m×6 m=36 m2，小区间隔0.5 m，过道1 m，种植模式采用带状间作，燕麦条带宽1 m，黑豆、马铃薯、苜蓿条带均宽1.2 m。黑豆行距0.3 m，株距0.35 m；马铃薯行距0.4 m，株距0.55 m；苜蓿行距0.3 m，燕麦行距0.2 m。燕麦与苜蓿均为条播，黑豆、马铃薯为点播。燕麦与黑豆、马铃薯、苜蓿间作的条带间距均为0.2 m。马铃薯种肥为复合肥，施用量为450 kg·hm-2；其余各处理以磷酸二铵为种肥，施用量为150 kg·hm-2。人工播种，燕麦、马铃薯、苜蓿、黑豆播种量分别是150、2 700、45、120 kg·hm-2。试验期间不追肥、不灌水。田间管理与当地大田管理一致。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤取样方法 在各处理每种作物的各条带采集土样，每带取样深度为0～30 cm，每带均在垄上和垄间各取2个点充分混合[13]。鲜土取回后立即将样品分为2份，1份置于-5℃冰箱内保存，用于测试微生物生物量碳、氮;另1份自然风干，用于测试土壤酶活性。

表2 试验设计

1.4.2 土壤取样时间 分别于生长旺盛期、收获期取土样，第1次取样为播种后75 d，此时燕麦处于灌浆期，黑豆、马铃薯处于开花期，苜蓿处于现蕾期；收获期于各作物籽粒、块茎成熟待收获或牧草刈割之前3～5 d取样。

1.4.3 土壤酶活性测定 土壤脲酶采用靛酚比色法测定；蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定[14]。

1.4.4 土壤微生物生物量测定 土壤微生物生物量碳(SMB-C) 、土壤微生物生物量氮(SMB- N)采用氯仿熏蒸法[15]测定。

1.4.5 土地当量比测定 在间作系统的研究中，经常用土地当量比(land equiva ratio，LER)作为评定间作优势的指标，它可用于表示间作系统内物种对资源利用的竞争性大小，公式定义如下：LER=Yim/Ysm+Yia/Ysa。式中，Y表示产量，i表示间作，s表示单作，m和a分别表示间作的两种作物。例如黑豆与燕麦间作，Yim表示间作黑豆产量，Ysm表示单作黑豆产量，Yia表示间作燕麦产量，Ysa表示单作燕麦产量。当LER值等于1时，表示两个品种间作和该两个品种单作产量相当，对同一有限资源有相等的利用能力；当LER>1，间作互补作用大于竞争作用，具有间作的产量优势，LER>1的幅度愈高，增产效益愈大；当LER<1时，表明间作的拮抗，在间作系统中，种间竞争大于种间促进作用，没有间作优势[16]。

1.4.6 产量测定 收获期，燕麦、苜蓿每小区随机取1 m2样方，黑豆和马铃薯每小区取6 m2样方测定籽粒、块茎、鲜草产量，马铃薯按干物质含量为16.67%计算块茎产量与其他作物进行比较。苜蓿取花后苜蓿含水量77.5%折算为干草产量。

1.5 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2003进行处理，SAS 9.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同间作模式对土壤酶活性的影响

土壤脲酶活性通常可以表征土壤氮素利用情况[17]，脲酶是土壤中最活跃的水解酶类之一，它能水解施入土壤中的尿素，释放出供作物利用的铵[18]。由图1可知，2015年的土壤脲酶活性均较2016年高，但同时期各处理土壤脲酶活性变化趋势一致，均表现为Y‖H>Y‖M>Y‖X>Y>M>H>X，即2015年和2016年播种后75 d Y‖H的土壤脲酶活性均显著高于其他处理。2015年播种后75 d和收获期Y‖H、Y‖M、Y‖X的土壤脲酶活性分别较最低的X高出86.08%、77.22%、67.09%和83.56%、80.82%、46.58%；2016年Y‖H、Y‖M、Y‖X的土壤脲酶活性较最低的X分别高出88.00%、49.33%、24.00%和235.48%、193.55%、116.13%。

蔗糖酶广泛存在于土壤中，属于水解酶类，常被用来表征土壤的熟化程度和肥力水平[19]。由图2可知， 2015年土壤蔗糖酶活性均较2016年高，但同时期各处理土壤蔗糖酶活性变化趋势一致，均表现为Y‖H>Y‖M>H>M>Y‖X>Y>X，即2015年和2016年播种后75 d Y‖H的土壤蔗糖酶活性显著高于其他处理。2015年播种后75 d和收获期Y‖ H、Y‖M、Y‖X土壤蔗糖酶活性较最低的X处理分别高出95.05%、75.95%、28.07%和105.23%、86.08%、38.01%；而2016年三种间作处理在播种后75 d的土壤蔗糖酶活性较最低的X分别高出37.68%、30.22%、6.47%，在收获期Y‖ H和Y‖M比X分别高出41.62%、20.91%，而Y‖X比X低 4.14%。

土壤过氧化氢酶是分解土壤生化反应中生成的H2O2，减轻土壤一些理化反应对植物伤害的一种保护酶[20-21]。土壤过氧化氢酶活性与土壤呼吸强度和土壤微生物活动相关，在一定程度上也反映了土壤微生物学过程的强度[22]。由图3可知，2016年的土壤过氧化氢酶活性均较2015年高，但同时期各处理土壤过氧化氢酶活性变化趋势一致，均表现为X>Y‖X>Y>Y‖M>H>Y‖H>M。其中2015年、2016年播种后75 d、收获期苜蓿土壤过氧化氢酶活性均显著高于其他处理，2015年和2016年播种后75 d Y‖H较Y‖X、Y‖M土壤过氧化氢酶活性分别降低12.35%、22.76%和9.38%、28.67%。

2.2 不同间作模式对土壤微生物生物量碳、氮的影响

土壤微生物是土壤中有机质和养分转化循环的动力，同时又是土壤养分的储存库和植物生长可利用养分的一个重要来源，其变化可以作为土壤质量变化的指示指标[23]。由表3和表4得知，间作处理中Y‖H的SMB-C和SMB-N值都高于其他2种间作。2015年和2016年播种后75 d间作处理中Y‖H SMB-C较Y‖M、Y‖X高出17.89%、7.90%和2.70%、4.47%。2015年和2016年播种后75 d Y‖H处理SMB-N较Y‖M、Y‖X分别高出23.26%、18.65%和26.47%、11.80%，其中除2016年Y‖M播种后75 d SMB-C外差异均显著，且2015年、2016年Y‖H收获期SMB-C与SMB-N较播种后75 d的下降率均低于10%。综上所述，Y‖H较其他处理可以显著提高土壤微生物生物量碳、氮含量，有利于土壤养分的积累与转化。

注：图中小写字母表示不同处理间0.05水平下差异显著，下同。Note: The lowercase letters in each figure indicate significant differences at the 0.05 level, the same below.图1 不同生育时期土壤脲酶活性的变化Fig.1 Changes of soil urease activity in different growth stages

图2 不同生育时期土壤蔗糖酶活性的变化Fig.2 Changes of soil invertase activity in different growth stages

图3 不同生育时期土壤过氧化氢酶活性Fig.3 Changes of soil catalase activity in different growth stages

表3 2015年不同间作模式对土壤微生物生物量碳、氮的影响

注：不同小写字母表示同一年份不同时期各处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05) in different periods in the same year. The same below.

表4 2016年不同间作模式对土壤微生物生物量碳、氮的影响

2.3 不同间作模式对作物产量及土地当量比的影响

从表5可知，2 a的间作试验中各间作处理土地当量比均大于1，具有间作优势。Y‖H土地当量比最高，2015年和2016年Y‖H较Y‖M、Y‖X处理分别提高5.9%、10.2%和5.8%、3.8%。2016年燕麦收获期发生强降雨、大风，燕麦受气候影响产生倒伏现象，产量较2015年降低，但间作处理土地当量比仍较高。

3 讨 论

土壤酶活性反映了土壤的肥力状况和理化性质，它对土壤中复杂有机物转化为植物和微生物能够利用的营养物质有着重要的作用[24]。前人研究表明[25]，合理的间作模式能不同程度地提高土壤酶活性，有利于土壤养分的积累和转化。本研究结果表明，Y‖H较各单作处理均能显著提高土壤脲酶和蔗糖酶活性，Y‖M、Y‖X两处理也有明显的提高，但差异不显著。Y‖M、Y‖X土壤过氧化氢酶活性较Y‖H高，且在2015年和2016年播种后75 d差异显著。土壤过氧化氢酶在一定程度上较灵敏地反映了土壤微生物学过程和作物代谢过程的强度[26]。有研究表明土壤过氧化氢酶活性与根系呼吸强度密切相关[27]，根系呼吸强度高是导致过氧化氢酶活性增加的重要原因。本研究中Y‖X过氧化氢酶活性显著提高，这是由于苜蓿根系发达，与燕麦间作提高了其根系密度和根系呼吸强度，导致产生了大量的过氧化氢。过氧化氢酶活性与底物过氧化氢浓度在一定范围内呈正相关关系[28]，土壤过氧化氢酶可促进过氧化物分解，从而避免了过氧化物对机体造成的伤害。Y‖H较Y‖M、Y‖X可以提高土壤微生物生物量碳、氮含量。微生物是土壤酶的来源之一，土壤微生物量提高，土壤酶活性随之增大[29]。同时微生物通过吸收土壤中的养分形成根际养分供应库[30]，作物根系生长发育受到促进，进一步增加土壤酶的来源。土壤酶活性处于较高水平，有利于提高土壤养分供给能力，促进作物产量形成[31]。本研究中Y‖ H土地当量比最高，2015年和2016年分别为1.62和1.65，且土壤蔗糖酶、脲酶及微生物量显著高于其它间作处理，在试验地区表现出明显优势。

表5 2015-2016年不同间作模式下的作物产量及土地当量比Table 5 Yield and land equivalent ratio of different intercropping modes in 2015-2016

4 结 论

间作较单作可提高土壤酶活性，土壤脲酶活性差异最显著；不同间作模式较单作对土壤微生物量影响不同，黑豆间作燕麦微生物生物量碳、氮含量在各间作模式中最高，但微生物量氮低于黑豆单作；间作可提高土地当量比，其中黑豆间作燕麦最高，同时该模式下土壤酶活性及土壤微生物含量均处于较高水平，是试验地区最适合的间作模式。