玉米/花生间作条件下土壤环境因子的相关性和主成分分析

唐秀梅，黄志鹏，吴海宁，刘菁，蒋菁*，唐荣华

1. 广西壮族自治区农业科学院经济作物研究所，广西 南宁 530007；2. 广西大学农学院，广西 南宁 530005

间作套种栽培模式广泛应用于世界各地，尤以非洲和亚洲国家最多（张月萌等，2018；Xiao et al.，2019）。例如，在喀麦隆主要间作模式是玉米、花生和木薯间作（Ediage et al.，2014）。中国的间种模式呈现多样性特点，从北到南均有代表性的间种模式。如新疆的枣棉间作模式（蔡志平等，2016），西北的苹果花生间作模式（蔡智才等，2017），华北的小麦蚕豆间作模式（董艳等，2013；2016）和海南芒果柱花草（白昌军等，2003）等。近年来，关于间套作体系的基础研究呈现多元化和精细化发展规律。间套体系中作物的产量优势（冯晓敏等，2015；韩全辉等，2017）、光合（韩全辉等，2014；焦念元等，2015）、微生物（郑亚强等，2016）和养分（周晓舟等，2012）吸收利用及相互作用机制已有较多研究，但针对间套种作物对土壤微生态环境的影响机制研究甚少。土壤微生物是农业生态系统的重要组成部分，在作物残体降解、腐殖质形成及养分转化与循环中发挥着重要作用（Luduena et al.，2019）。土壤酶可在一定程度上反映土壤的肥力状况。因此，植物生长环境下的土壤养分、酶、微生物三者的相互作用维系或主宰了农业生态系统的微生态功能，故土壤微生态环境与土壤可持续利用及植物的正常生长密切相关。

玉米/花生间作是中国常用的栽培模式之一（刘均霞等，2007；贾曦等，2016）。研究表明，玉米/花生间作模式可有效防控病虫害（贾曦等，2016）、促进氮素固定吸收（张晓娜等，2019）、改善土壤微生物和土壤养分状况（章家恩等，2009），从中发掘和鉴定有益微生物还可以制备成微生物肥料（Luduena et al.，2019）。间作会引发土壤性质，微生物群落和养分利用的系统性变化（Lian et al.，2019），但其中机制尚不清楚。由于土壤环境因子中通常涉及的指标较多，且各指标间又存在相互关联和信息重叠现象，通过主成分分析法可以可将多个生态环境指标简化成几个主成分进行综合评价（杨文娜等，2019），通过相关性分析可以明确不同种植模式下各个环境因子的互作关系，进而揭示环境因子变化的内在原因。据此，本研究以广西壮族自治区的主要玉米花生间作模式为基础，系统测定玉米/花生间作模式下根际土壤养分、酶和微生物变化规律，并进行相关性和主成分分析，以期为解析玉米/花生间作机制打下坚实的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试玉米品种为“桂单0810”，是广西的主推玉米品种，由广西壮族自治区农业科学院玉米研究所提供；花生品种选择耐荫性强、适合间套作种植的高产品种“桂花 836”，由广西壮族自治区农业科学院经济作物研究所提供。

1.2 试验地点及供试土壤

在广西农业科学院武鸣里建科研基地（23°14′N，108°03′E）进行田间试验，供试土壤均为酸性红壤土，土壤全氮质量分数1.34 g·kg-1、全磷 0.53 g·kg-1、全钾 12.6 g·kg-1、有效氮 70.5 mg·kg-1、有效磷 13.9 mg·kg-1、有效钾 98.0 mg·kg-1、有机质16.2 g·kg-1、pH值为5.46。试验地区域属于亚热带季风气候，光热水资源充足，年平均气温21.7 ℃，年平均日照时数 1660 h，年平均降雨量1300 mm。

1.3 试验设计

2019年3月5日，同时种植玉米和花生，以玉米、花生单作为对照，以玉米/花生间作为处理进行田间试验。单作花生，采用0.8 m包沟起垄，在垄面上种植2行花生，花生宽行距为50 cm，窄行距30 cm，株距为16.5 cm，双粒每穴种植；单作玉米，采用70 cm等行距种植玉米，株距0.27 m；玉米间作花生，采用2:4的玉米、花生行距配比进行玉米、花生间作种植，即玉米宽窄行种植，窄行距40 cm，宽行距2 m，玉米宽行间起低畦种植4行花生，花生与玉米行距为50 cm，间作花生窄行距30 cm，间作花生宽行距40 cm，间作玉米、花生的株距与单作种植相同。试验设计3个重复，小区面积为48 m2（6 m×8 m）。

1.4 取样及测定

当花生成熟收获时，于2019年7月10日分别拔取玉米和花生植株，每处理拔取 10株，抖落植株根部的大块松散土壤，用经过消毒的软毛刷刷下附着在玉米、花生根际的土壤，将采集的土壤分成两份，用无菌封口袋装好，其中一份保存在4 ℃冰箱，以供测定土壤微生物和土壤酶活性；另一份土壤自然风干，研磨后过筛，用于测定土壤养分含量。

土壤养分含量按照《土壤分析技术规范》测定（杜森等，2006），土壤全氮含量用凯氏蒸馏法测定；有效氮含量用碱解扩散法测定；土壤全磷、有效磷含量采用用钼锑抗比色法测定；土壤全钾、速效钾含量采用 FP6410火焰光度计测定；有机质含量按照重铬酸钾容量法测定；pH值采用酸度计、电位法测定；土壤含水量采用烘干法测定。

土壤酶活性按照比色法和滴定法测定（张旭龙等，2016），蔗糖酶活性用硫代硫酸钠滴定法测定，蛋白酶活性用茚三酮比色法测定，脲酶活性用靛酚蓝比色法测定，土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定。

土壤微生物数量按照平板培养法测定（张萌萌等，2015）。土壤微生物细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基、真菌采用马丁氏培养基、放线菌采用高氏一号培养基进行培养计数。采用Shannon-Wiener指数法计算微生物多样性指数（H），计算公式为（杜森等，2006）：

式中ni为第i个物种的微生物个体数量；N为群落中所有物种的微生物个体数量。

3.5 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 25.0分析软件，按照Duncan’s法进行多重比较，分析不同处理间的差异显著性（P＜0.05和P＜0.01）。采用因子分析对不同栽培措施测定根际土壤养分、酶和微生物含量进行相关性和主成分分析。表格中的数据均为3次重复平均值，采用平均值±标准误的方式列出（林海明，2007）。

2 结果与分析

2.1 玉米/花生间作对根际土壤养分含量的影响

玉米/花生间作会显著改善土壤理化性质。我们分析了单作花生、单作玉米、间作玉米和间作花生根际土壤养分含量（表 1）。结果表明，间作玉米根际土壤全氮、有效氮、有效磷、有效钾分别比单作玉米增长了10.71%、12.85%、176.74%和29.94%，差异均达到显著水平；全磷、全钾、有机质和 pH值在单作玉米和间作玉米处理间差异不显著。间作花生根际土壤全氮、速效氮、速效磷、pH显著高于单作花生处理，分别比单作花生增长了8.68%、6.99%、33.33%和14.37%，全钾和速效钾含量在间作花生和单作花生处理中差异不显著。可见，玉米/花生间作可显著增加根际土壤全氮、速效氮和速效磷含量，进而达到提高土壤肥力的效果。

表1 玉米间作花生对根际土壤养分含量的影响Table 1 Effect of the corn/peanut intercropping on the nutrient in rhizosphere soil

2.2 玉米间作花生对不同根际土壤酶活性的影响

从表2可以看出，间作玉米根际土壤脲酶和酸性磷酸酶活性显著高于单作玉米，分别比单作玉米增加了 37.36%和93.14%；间作玉米根际土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别比单作玉米减少了6.81%、0.38%，但其与单作玉米差异不显著。间作花生根际土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶分别比单作花生增长了8.68%、43.50%、61.03%和35.93%，其中间作花生的脲酶和酸性磷酸酶活性与单作花生处理的差异显著；而间作花生处理的过氧化氢酶活性比单作花生处理减少了17.67%，但其差异不显著。可见，玉米/花生间作显著提高玉米、花生根际土壤脲酶和酸性磷酸酶活性。

2.3 玉米间作花生不同根际土壤微生物数量的变化

土壤养分改良、酶活性变化与土壤微生物数量和种类有关，我们分析了土壤中细菌、真菌、放线菌、微生物总数及微生物多样性的变化（表 3）。从表3可以看出，间作玉米的细菌、真菌、放线菌、微生物总数及微生物多样性指数分别单作玉米提高了37.34%、34.33%、58.82%、38.21%和3.44%，其中间作玉米的细菌和微生物总数与单作玉米处理的差异呈显著水平。间作花生根际土壤细菌、放线菌、微生物总数比分别单作花生处理增加了13.13%、9.37%和12.20%，而间作花生根际土壤真菌和微生物多样性指数分别比单作花生降低了0.92%和4.05%，间作花生根际微生物数量及微生物多样性指数和单作花生处理的差异均不显著。表明玉米/花生间作可显著增加玉米根际土壤细菌和微生物总数量，但对花生根际土壤微生物数量的影响不明显。

2.4 玉米间作花生根际土壤生态环境指标相关性分析

为了深入解析玉米/花生间作条件下土壤养分、酶和微生物等共 16个指标的变化规律，我们对其进行了生态环境因子相关分析（表4）。结果表明，有效磷含量与脲酶活性和酸性磷酸酶活性呈极显著正相关（P＜0.01），脲酶和酸性磷酸酶活性呈显著正相关（P＜0.05），真菌和放线菌含量显著正相关（P＜0.05）。而土壤全钾含量和 pH值、蔗糖酶呈显著负相关（P＜0.05），蛋白酶和过氧化氢酶呈极显著负相关（P＜0.01）。其它指标相关性不显著。

表2 玉米/花生间作对根际土壤酶活性的影响Table 2 Effect of corn/peanut intercropping on soil enzyme activities in rhizosphere soil

表3 玉米/花生间作对不同根际土壤微生物的影响Table 3 Effect of corn /peanut intercropping on soil microbe in rhizosphere soil

表4 玉米/花生间作条件下土壤生态因子的相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil indexes under four planting patterns

2.5 玉米间作花生根际土壤环境因子主成分分析

在相关分析的基础上，我们采用SPSS 25.0软件对玉米/花生间作条件下根际土壤全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷、有效钾、有机质、pH值、脲酶、蛋白酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、细菌、真菌和放线菌数量共 16个指标进行主成分分析（表5）。采用分析-降维-因子方法发现获得3个主成分，解析贡献率分别为 48.981%、43.617%和7.402%，总贡献率为100%。第一主成分主要由放线菌、真菌、有效磷等组成。第二主成分主要为有机质和 pH，第三主成分主要是总氮和细菌。我们将 16个指标成分矩阵主成分得分除以提取载荷获得载荷矩阵（表6），获得3个主成分得分的计算方程分别为：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 主成分分析总方差分析表Table 5 Total Variance Explained table in principal component analysis

表6 成分矩阵Table 6 Component Matrix

根据方程计算出不同种植模式的得分（表7）。从中可以看出，间作花生得分最高为 1.937，间作玉米次之 1.008，单作花生-0.952，单作玉米最差-1.993。主成分分析结果与土壤养分、酶、微生物的结果一致，进一步证明相比单作玉米、花生而言，玉米/花生间作可改善土壤微生态环境。

3 讨论

土壤养分、酶、微生物三者相互作用、共同维持土壤环境的生态功能。在农业生产实践中，土壤生态环境的变化受作物种类、施肥方式、间套轮作种植模式、有机农业、耕作深度等多种因素的影响（李斌等，2006；van der Heijden et al.，2013）。作物间套作种植由于增加了农田生物多样性，对土壤生态环境也有一定的影响，这在国内外均有研究报道。Song et al.（2007）研究报道，小麦/蚕豆、小麦/玉米、玉米/蚕豆间作体系能能够明显改变细菌的群落结构，增加土壤微生物量碳、氮和磷的有效性。梨园/芳香植物、甘蔗/大豆、麦/棉套作均可以提高土壤微生物数量（Li et al.，2013；吴红英等，2010；王瑛等，2006）。花生/药用植物间作体系中不同行距配置对土壤微生物G-细菌的影响较大，间作根际养分富集的地方 G-细菌增加了 31.2%—79.9%（Dai et al.，2013）。在本研究中，玉米/花生间作可显著增加根际土壤全氮、速效氮、速效磷含量以及土壤脲酶和酸性磷酸酶活性，并可增加玉米根际土壤细菌和微生物总数量，但对花生根际土壤微生物数量的影响不大，这与前人研究的番茄/豆科（代会会等，2015）、油茶/绿肥（丁怡飞等，2018）、玉米/花生（章家恩等，2009）、茶园/大豆（黎健龙等，2008）等间作模式提高土壤养分含量的结果一致。间作增加土壤养分含量的原因可能跟间作作物根系分泌物的增加以及土壤酶活性、微生物代谢及花生生物固氮功能有关（唐秀梅等，2015）。相比种植一种作物的单作而言，种植两种或两种以上作物的间作系统根系分泌物相对更丰富，根系分泌物可以直接络合、螯溶土壤难溶性养分，增加土壤养分的有效性。此外，本研究中间作土壤脲酶、酸性磷酸酶活性的显著升高，可能会提高土壤有机养分转化成无机有效养分的效率，进而增加了土壤的有效养分含量。再者，花生作为一种豆科作物，其根瘤的生物固氮作用可将空气中的游离氮转化为可供作物吸收利用的有效氮，这些氮素营养在间作体系中可通过作物的根系相互作用转移到其它作物的根区，从而增加间作作物的根际土壤有效氮含量（Li et al.，2003；艾为党等，2000）。由此推测，间作根系分泌物的变化、关键土壤酶活性的增加及花生的生物固氮作用可促进土壤有效养分的活化及根际转运，进而改善间作土壤养分状况。

表7 种植模式综合评价表Table 7 Comprehensive evaluation form of 4 planting patterns

前人关于间作农田生态系统中土壤养分、微生物、酶之间的相关性已有一些报道（van der Heijden et al.，2013；Zhang et al.，2013）。在玉米/辣椒（徐强等，2007）、豆科/番茄（代会会等，2015）、茶园/三叶草（徐华勤等，2009）等间套作研究中均发现土壤养分含量与蔗糖酶、磷酸酶、脲酶活性呈显著或极显著正相关。张向前等（2012）研究玉米和豆科间作发现微生物数量与脲酶、磷酸酶活性呈显著或极显著正相关。本研究通过玉米/花生间作条件下主要土壤环境因子的相关分析，发现有效磷含量与脲酶活性和酸性磷酸酶活性呈极显著正相关，脲酶和酸性磷酸酶活性显著正相关，这与前人研究结果相似。本研究中还发现土壤全钾含量和pH值、蔗糖酶呈显著负相关，蛋白酶和过氧化氢酶呈极显著负相关，这在前人研究中未见报道。前人研究报道玉米/大豆间作系统中微生物数量和脲酶、蔗糖酶、磷酸酶及酸性磷酸酶存在显著正相关（Zhang et al.，2013）。在农业生态系统中，植物-土壤-微生物-酶存在互惠互利的关系，植物将光合产物以根系分泌物和植物残体形式释放到土壤，为土壤微生物提供生长物质（碳源和能源），同时为土壤微生物提供有利的生存环境；而土壤微生物也可以分泌对植物生长有益的物质，土壤酶参与土壤养分和物质循环的各种生化过程，同时将有机养分转化成无机养分，以利于植物吸收利用。可见，间作条件下土壤养分含量的变化与土壤酶活性及微生物数量存在着密切关系，三者相互作用，共同维持良好的作物生长环境。而土壤酶活性及微生物对土壤养分的作用机理仍需要更深入、细致的研究。

主成分分析是因子分析的一种，可将多个指标简化为少数几个具有代表性的综合指标，从而达到了简化分析过程并进行综合评价的目的（杨文娜等，2019），该方法广泛用于品种选育（卜伟召等，2015）和栽培措施评价（赵银月等，2019；周泽弘等，2019）。本研究通过对玉米/花生间作条件下的16个土壤环境因子进行主成分分析，将这些生态指标分成3个主成分，分别是放线菌、真菌、有效磷成分及有机质、pH成分和总氮、细菌成分，并计算出不同种植模式在主成分中的综合得分，发现间作花生得分最高，间作玉米次之，两者得分均明显高于单作花生及单作玉米。间作土壤环境因子主成分分析结果与以上土壤养分、酶、微生物的分析结果一致，进一步证明玉米/花生间作系统的土壤生态环境优于单作玉米和单作花生系统。

4 结论

玉米/花生间作可显著增加根际土壤全氮、速效氮、速效磷含量以及土壤脲酶和酸性磷酸酶活性，并可增加玉米根际土壤细菌和微生物总数量，但对花生根际土壤微生物数量的影响不大。间作土壤有效磷含量的增加与土壤脲酶活性和酸性磷酸酶活性呈极显著正相关，而土壤全钾含量和pH值、蔗糖酶呈显著负相关。可见，玉米/花生间作系统可通过增加土壤氮、磷养分含量及部分土壤酶活性改善土壤微生态环境，其中以间作花生根际微生态环境最佳。