甘薯/玉米不同间作方式对土壤养分、酶活性及作物产量的影响

张 艳，郭书亚，尚 赏，卢广远，刘亚军

（商丘市农林科学院，河南商丘476000）

甘薯是我国重要的粮食作物和能源作物。近年来，随着甘薯产业的发展，甘薯种植面积逐年加大。但是甘薯多年连续种植，会造成甘薯连作障碍严重发生，不仅使得甘薯产量下降、品质降低、病虫害频繁发生，还会造成土壤养分失衡、生物学特性降低以及土壤微生态环境发生改变等[1-5]。有很多研究表明，合理的间套作是解决连作障碍的有效方法，刘广才等[6]研究得出，大麦、玉米间作具有明显的间作优势。唐明明等[7]研究表明，玉米/马铃薯、玉米/油菜、大豆/马铃薯和大豆/油菜间作栽培时在土壤养分吸收方面明显优于单作栽培。宋亚娜等[8]研究发现，间作栽培能够改变作物根际土壤微生物群落结构组成，并得出间作栽培时物种多样性与土壤微生态多样性存在紧密联系。间作栽培能影响土壤微生态环境、改变土壤微生物群落的结构及功能多样性[9]。

土壤养分是农作物养分吸收的主要来源，养分含量的高低对作物能否正常生长发育起着关键作用[10]；土壤酶是土壤微生态环境中物质运动和能量交换等活动中的活跃物质，酶活性是衡量土壤肥力及养分吸收转化的重要指标[11]。合理的间、套作能够利用不同作物生长发育在时间和空间上的差异及根系之间分泌物的交互作用，弥补作物对土壤养分吸收的不均匀，避免土壤养分含量的闲置及流失，促进土壤养分吸收，提高土壤酶活性，并能有效改善土壤微生态环境，较连作栽培表现出更强的根际效应[12-13]。以往研究大多集中在甘薯/玉米间作栽培对生理及经济效益方面的探讨[14-16]，而对甘薯、玉米间作栽培能否缓解甘薯连作障碍方面的研究并不多。

本试验研究甘薯/玉米间作不同条带比对土壤中养分吸收、酶活性改变及产量优势方面的影响，以找到甘薯/玉米间作合理的条带比，从而能够促进养分吸收，提高土壤生物学特性及作物产量，为缓解华中地区甘薯连作障碍提供理论依据和实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试甘薯品种为商薯9 号，由商丘市农林科学院粮食作物所甘薯室选育；供试玉米品种为郑单958，由河南省农业科学院粮食作物研究所选育。

1.2 试验地概况

试验于2017—2019 年在河南省商丘市夏邑县会亭镇崔楼村（34°06′N，116°04′E）进行。试验区常年平均日照 2 200～2 400 h、气温14 ℃、降雨量680 mm 左右。供试土壤为黄潮土，质地中壤，耕层（0～30 cm）土壤含有机质7.82 g/kg、碱解氮49.25 mg/kg、速效磷 32.21 mg/kg、速效钾 138 mg/kg、全氮 0.58 g/kg、全磷 0.45 g/kg、pH 值 8.21。

1.3 试验设计

试验地选在连续单作2 a 甘薯的地块，采用单因素随机区组设计，共设4 个处理：连作甘薯（CK）；单作玉米；甘薯、玉米间作条带比 4∶1；甘薯、玉米间作条带比4∶2。其中，甘薯、玉米间作的条带比是在他人研究[15-16]的基础上进行选择设计的。小区面积为7.8 m×8.8 m，甘薯株行距26 cm×80 cm，玉米株行距0.26 cm×60 cm，甘薯、玉米间距70 cm，间作处理每个小区2 个条带比，3 m 甘薯保护行，4 次重复。

甘薯 6 月 10 日种植，10 月 10 日收获；玉米 6 月15 日种植，9 月25 日收获。甘薯栽培前土地均匀翻耕，甘薯、玉米均施复合肥（N∶P∶K＝15∶15∶15）675 kg/hm2、过磷酸钙 375 kg/hm2；肥料全部作为底肥施入，生育期内不追肥，翻地之前进行补充墒情，生育期内不灌水。收获时，间作处理小区在甘薯和玉米毗邻的一行随机选取5 个点采集0～20 cm土样，单作处理小区随机选取5 个点采集0～20 cm土样，甘薯、玉米全部测产。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤养分测定 土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、pH 值分别采用重铬酸钾容量- 外加热法、碱解扩散法、0.5 mol/L NaHCO3法、NH4OAc 浸提火焰光度法、半微量凯氏法、HClO4-H2SO4法、水土比法测定[17]。

1.4.2 土壤酶活性测定 土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性分别采用苯酚钠- 次氯酸钠比色法、高锰酸钾滴定法、磷酸苯二钠比色法测定[18]。

1.4.3 产量测定 收获期进行测产时，需要进行土地当量比、产量竞争优势计算。

土地当量比（LER）是衡量产量是否具有间作优势的重要指标[19]，其计算公式如下。

式中，Yis代表间作处理甘薯产量、Yic代表间作处理玉米产量、Yms代表单作甘薯产量、Ymc代表单作玉米产量。当LER＞1 时，表明间作有优势；LER≤1 时，表明间作无优势。

式中，间作体系产量为间作甘薯产量与间作玉米产量之和。当产量竞争优势＞0 时，表明间作有产量优势；当产量竞争优势≤0 时，表明间作无产量优势。

种间相对竞争能力是间作种植时衡量一种作物相对于另一种作物的资源竞争能力大小的指标[20]，甘薯相对玉米的资源竞争能力计算公式如下。

式中，Asc为甘薯相对玉米的资源竞争能力，Ps代表间作处理甘薯所占面积比，Pc代表间作处理玉米所占面积比，其余符号的意义同LER计算公式。当Asc＞0 时，表明甘薯竞争能力强于玉米；当Asc＝0 时，玉米、甘薯竞争力相当。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2003 软件进行数据整理，采用SPSS 17.0 进行数据统计分析，应用新复极差法（Duncan）进行处理间各参数差异性检验。

2 结果与分析

2.1 甘薯/玉米不同间作方式对土壤养分含量变化的影响

由表1 可知，甘薯/玉米不同条带比栽培对土壤中养分含量变化有较大的影响。与连作甘薯相比，间作4∶1 条带比和4∶2 条带比处理中的碱解氮、速效磷、速效钾、全磷含量均显著下降（P＜0.05），全氮、有机质含量显著增加，pH 值无显著变化，由此可知，甘薯、玉米间作栽培改变了作物的养分吸收和利用效率。在甘薯、玉米间作不同条带比对比中，4∶1 条带比处理中的速效磷、全氮、全磷含量较4∶2 条带比处理分别显著提高10.84%、11.25%、24.05%，碱解氮、速效钾、有机质含量分别降低4.89%、9.69%、8.61%，其中，速效磷含量差异达到显著水平，pH 值无显著变化。说明甘薯、玉米间作栽培条带比的不同会导致种间竞争发生变化，从而在养分吸收和利用方面表现出明显的差异。

表1 甘薯/玉米不同间作方式对土壤养分含量变化的影响

2.2 甘薯/玉米不同间作方式对土壤酶活性变化的影响

土壤酶是土壤微生态环境生化反应的重要参与者，碱性磷酸酶、脲酶活性与土壤中磷含量、尿素转化有密切联系，过氧化氢酶能够影响土壤中微环境氧化还原反应，从而减弱根系氧化反应的危害[21]。从表2 可以看出，间作处理中脲酶、过氧化氢酶活性显著高于对照连作甘薯处理（P＜0.05），碱性磷酸酶活性显著降低，可知甘薯、玉米间作栽培时，由于不同作物的相互作用，改变了土壤中原有的生化反应，建立起新的物质交换和能量流动体系。在甘薯、玉米间作不同条带比对比中，4∶1 条带比处理中的脲酶、过氧化氢酶活性较4∶2 条带比处理分别提高2.46%、8.42%，碱性磷酸酶活性显著提高13.43%。说明随着甘薯、玉米间作条带比的变化，根系土壤中的分泌物及交互作用有所差异，造成根系土壤中各种酶活性大小发生改变。

表2 甘薯/玉米不同间作方式对土壤酶活性变化的影响

2.3 甘薯/玉米不同间作方式对作物产量及产量优势的影响

从表3 可以看出，不同间作处理中甘薯产量较连作甘薯产量表现出不同的变化，而不同间作处理中玉米产量均显著高于单作玉米产量（P＜0.05），可见，甘薯、玉米间作栽培有利于提高玉米产量。从土地当量比（LER）看，间作处理4∶1 条带比和4∶2 条带比中的块茎或籽粒产量LER 分别为1.04、1.05，但是从产量竞争优势来看，间作4∶1 条带比处理有间作优势，4∶2 条带比处理无间作优势；从种间竞争能力看，间作处理2 种条带比中的甘薯种间竞争能力均弱于玉米，且4∶2 条带比中的甘薯种间竞争力明显弱于4∶1 条带比中的甘薯种间竞争力。

分析认为，由于玉米植株高，对甘薯具有一定的遮挡，造成甘薯光合作用减弱，干物质累积减少，甘薯的种间资源竞争能力弱于玉米，随着玉米种植行数的增多，甘薯的种间竞争能力明显弱于玉米，甘薯产量显著降低，使得4∶1 条带比较4∶2 条带比具有明显间作优势。

表3 甘薯/玉米不同间作方式对作物产量及产量优势的影响

2.4 间作体系中甘薯产量与土壤养分及生物学特性之间的相互关系

由表4 可知，甘薯产量与土壤养分、酶活性大小有着密切关系，而土壤养分与土壤酶活性存在着相互转化、相互制约的关系。甘薯产量与磷酸酶、碱解氮、速效磷、全磷、全氮呈正相关，与过氧化氢酶、脲酶、速效钾、有机质呈负相关，分析认为，间作体系中甘薯的种间资源竞争力弱于玉米，随着过氧化氢酶、脲酶、速效钾、有机质含量的增加，促进了间作体系中玉米产量增加，甘薯产量下降，但间作系统具有产量优势，这与甘薯和过氧化氢酶、脲酶、速效钾、有机质呈负相关并不矛盾。磷酸酶与速效磷、全磷呈极显著正相关（P＜0.01），与有机质呈极显著负相关；过氧化氢酶与碱解氮、速效钾呈极显著负相关、与全氮呈显著正相关（P＜0.05）；脲酶与碱解氮呈极显著负相关，与速效钾呈显著负相关。可见，土壤中养分含量与酶活性存在紧密的联系。

表4 甘薯产量与土壤养分及酶活性之间的相关性分析

3 结论与讨论

有研究表明，间作系统中根际土壤养分动态变化的有效性高于单一作物，且能有效改善间作系统中土壤养分供应能力和养分吸收环境[22-23]。胡桂萍等[24]研究表明，间作栽培可以提高土壤中全氮、全磷、全钾和有机质含量，并表明茶叶产量与土壤养分有着密切联系。张洪勇等[25]研究表明，间作栽培土壤有机质、碱解氮和有效磷含量显著高于单作。王鹏等[26]研究表明，桔梗、大葱间作栽培土壤有效氮含量较桔梗单作增加22.3%～50.0%。本研究结果表明，甘薯、玉米间作栽培能够显著提高土壤全氮、有机质含量，显著降低碱解氮、速效磷、速效钾、全磷含量。其中，碱解氮、速效磷、速效钾、全磷含量的降低表明甘薯和玉米间作时，由于根系的相互交错和分泌物的相互反应，以及生长周期、需肥特性的不同，促进了间作体系对土壤养分含量的吸收与利用。间作体系4∶1 条带比处理中的速效磷、全磷、全氮含量显著高于4∶2 条带比处理，速效钾、有机质含量显著降低。分析认为，由于玉米是高大喜磷作物，随着玉米种植行数的增加，间作体系加大对磷元素的吸收利用，影响甘薯光合作用的进行，改变了间作体系中作物对土壤养分的吸收和利用，从而使土壤中的养分含量表现出不同的变化。

土壤酶作为土壤生化反应中一类具有高度催化作用的催化剂，能够参与土壤微生态环境中各种生化反应过程，是物质交换和能量流动中最为活跃的生物活性物质，是衡量土壤肥力的重要指标[19，27]。有研究表明[28]，玉米、甘薯间作时土壤碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性均高于相应的单作处理。也有研究表明[29]，甘薯、玉米间套作栽培时土壤过氧化氢酶含量显著高于单作处理，而脲酶活性没有显著性变化。本研究结果表明，甘薯、玉米间作栽培时会提高土壤中的脲酶、过氧化氢酶活性，降低了碱性磷酸酶活性。间作体系4∶1 条带比处理中的脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性均高于4∶2 条带比处理，其中，碱性磷酸酶活性达到显著性差异。分析认为，土壤脲酶、过氧化氢酶活性增高可能与间作栽培时促进了土壤中氮素的转化以及不同根系分泌物的相互作用和微生物向土壤中释放的酶的数量增加有关，但随着玉米行数的增加，土壤中的微生态环境发生改变，造成土壤脲酶、过氧化氢酶活性发生变化。碱性磷酸酶活性的降低可能是，甘薯、玉米间作栽培时加速了土壤中速效养分与全磷的消耗，土壤速效养分和全磷的急剧下降，造成碱性磷酸酶活性下降。酶活性高低可以在一定程度上反映土壤养分转化能力和土壤供应植物根系养分的潜在能力[30]。相关分析表明，土壤酶活性与土壤养分含量存在紧密的相关性。

从产量优势来看，本研究甘薯、玉米4∶1 条带比较4∶2 条带比表现出间作优势，分析认为，甘薯、玉米间作栽培由于根系的相互作用及根系分泌物的交互作用，改善了土壤中的微环境，进而改变了土壤中的养分转化能力，从而较单作处理表现不同的变化；从种间竞争力来看，甘薯的竞争力明显弱于玉米，而随着玉米种植行数的增加，玉米对甘薯的遮阴效应更加显著，造成甘薯产量明显下降，从而使得4∶2 条带比没有表现出间作优势。从相关分析可以看出，间作体系产量优势与土壤养分、酶活性密切相关。由此可知，甘薯、玉米间作栽培改变了甘薯生长发育中土壤养分供应和转化能力，改善了土壤生物特性，对缓解甘薯连作障碍起到一定的积极作用。

间作栽培改善了土壤养分供应和转化能力，提高了土壤中脲酶和过氧化氢酶活性、降低了碱性磷酸酶活性，甘薯、玉米间作4∶1 条带比具有间作优势，4∶2 条带比无间作优势，间作体系中甘薯的种间竞争力明显弱于玉米。可知，甘薯、玉米间作4∶1 条带比为适宜的种植模式。