香蕉园间种甘薯对土壤物理性状和结构的影响

李燕培 王静 林佳琦 肖世祥 冯斗 邓英毅， 禤维言

摘要：为揭示蕉园行间间种甘薯对土壤结构变化的影响，以及解决香蕉园多年连作单种产生的土壤结构差、保水保肥力下降等问题，以桂蕉1号为材料，设置香蕉与甘薯间种和香蕉单作2种不同的种植模式，通过测定土壤容重、孔隙度及团聚体稳定性等指标，比较分析蕉园间种甘薯对土壤结构的影响。结果表明，在5月至9月期间，与单作相比，蕉园间种甘薯可使土壤容重和固相组成降低，降幅分别为3.28%～9.97%、1.24%～3.76%;使土壤孔隙度、土壤液相、气相占比升高，提升的幅度分别为1.24～3.76、0.36～6.39、0.88～4.34百分点;对于土壤团聚体的结构组成，间种甘薯促进了微团聚体向较大粒级的团聚体转化，使>2 mm、0.25～2.00 mm粒级的水稳定性团聚体含量增加，增幅分别为1.15～13.01、0.60～21.69百分点，同时使土壤0.053～<0.25 mm、<0.053 mm粒级的水稳性微团聚体含量下降，降幅分别为1.78～22.47、0.24～1.17百分点，因而使间种的土壤团聚体稳定性指标，土壤团聚体稳定率（WSAR）、R>0.25、平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）值等均显著高于单作，但团聚体破坏率（PAD）小于单作。研究结果表明，在蕉园行间间种甘薯可以提高土壤孔隙度，降低土壤容重，促进微团聚体向较大团聚体转变，具有显著提高土壤团聚体的稳定性以及改善土壤物理性状和结构的重要作用。

关键词：香蕉;甘薯;间作;土壤;物理性状;结构特性

中图分类号：S344.2 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）05-0205-07

收稿日期：2021-10-31

基金项目：国家现代农业产业技术体系建设专项（编号：CARS-31）;广西创新驱动发展专项（桂科AA18118028-8）;广西壮族自治区农业厅项目（编号：201401）。

作者简介：李燕培（1996—），男，广西贵港人，硕士研究生，主要从事作物栽培技术与生理研究。E-mail：1274688649@qq.com。

通信作者：禤维言，博士，副教授，主要从事作物栽培生理与作物基因工程研究。E-mail：xuanwy@gxu.edu.cn。

香蕉（Musanana Lour.）是世界上贸易和交易量最大的几种水果之一[1]，主要分布在热带和亚热带的地区。中国是世界上第二大香蕉生产国，同时也是第一大香蕉消费国。在中国香蕉主要种植在广东省、广西壮族自治区、海南省、云南省等省区[2]，但是，近年来由于香蕉受枯萎病的严重危害，使香蕉种植业的可持续发展正遭受到毁灭性威胁，部分蕉园的枯萎病发病率达到40%～80%[3]，严重的甚至超过90%[4]。香蕉枯萎病是一种土传性真菌病害，传播途径广泛，可以通过带病菌的土壤、雨水、劳作工具等传播蔓延[5]，受害植株幼龄期无明显症状，到成株期和抽蕾结实期，先从下部叶片边缘变黄向主脉扩展，叶片枯萎倒折在假茎旁，叶片由下到上相继发黄，直到顶叶死亡，最后全株枯死[6-7]。目前，传统的香蕉种植制度主要是常年连作单种，由此形成严重的连作问题，加之大量施用农药、化肥等[8]，造成土壤养分失衡、营养元素比例失调以及土壤理化性状下降、土壤容重及团聚体等结构恶化[9];使土壤酸化[10]，植物自毒物质积累，土壤微生物多样性失调，病原微生物增加，病虫害发生加剧[11]等问题。相关研究表明，轮作和间套作等种植模式对改善作物连作障碍和减轻土传病害发生有着重要的作用[5]，合理的间套作可以提高养分利用效率，改善土壤理化性质和质地结构，改善土壤微生物群落多样性，减少病虫害的发生[12-13]。土壤团聚体是土壤结构的基本单位，是土壤的重要组成部分，影响着土壤各种物理和化学性质，在土壤中有“三大作用”，即保证和协调土壤的水肥气热、影响土壤酶的种类和活性、维持和稳定土壤疏松熟化层[14]。土壤团聚体具有对外部环境的变化或者抵抗外力作用而保持其原有形态的能力，即为团聚体的稳定性，包括水稳定性、力学稳定性等。土壤团聚体稳定性是重要的物理性质[15]，影响着土壤水分、通气性、可蚀性等，从而影响作物的生长发育[16]。不同的土地利用方式和类型影响着土壤团聚体的分布和稳定性、土壤孔隙度、土壤容重等物理性质和结构[17-18]。相关研究发现，玉米、大豆间作土壤团聚体平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）比单作和轮作分别提高了12%～36%、14%～39%[19];在果园中种草和套种绿肥具有降低土壤容重、增加土壤孔隙度和改善土壤物理结构的作用[20];玉米与马铃薯间作可以提高>2 mm和0.25～2.00 mm土壤团聚体比列，增强了土壤团聚体的稳定性[21]。目前，对于蕉园间套种研究主要集中在对土壤肥力和微生物多样性方面的影响[22-23]，而对于蕉园土壤物理性质和结构的影响效应尚未见有研究报道。本研究通过在蕉园行间间种甘薯，旨在探明对土壤容重、土壤团聚体等物理性质和结构的影响效应，以期为香蕉与甘薯间种模式的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试香蕉品种为桂蕉1号，甘薯品种为普薯32号。

1.2 试验实施

本试验于2020年1月至2021年9月期间进行，试验地位于广西壮族自治区崇左市扶绥县渠黎镇（107° 78′E，22° 51′N），廣西大学亚热带农科新城CARS国家香蕉产业技术体系试验示范基地。试验设置2个处理，香蕉单作和香蕉间种甘薯。香蕉种植株距2 m、行距为2.7 m，在间种处理的香蕉行间种植2行甘薯，甘薯株距为0.5 m、行距为1.0 m，每个处理的小区面积为81 m2，试验重复3次。香蕉田间管理与生产上的田间管理相同，按常规栽培措施进行施肥、灌溉和病虫害防治。

1.3 样品采集

分别与2021年5、6、7、8、9月在各处理小区采用随机取样的方法，进行土壤容重测定，采集0～20 cm 土样约1 kg带回室内，将土块沿着自然结构轻轻剥开，使之成为10 mm的土块，除去动植物残体、石块和结核等，放置自然风干，用于土壤团聚体测定。土壤团聚体测定采用Elliott的方法[24]。干筛法，称取100 g风干土，置于孔径依次为2、0.25、0.053 mm的篩套最上层，振荡10 min，收集各级筛上的土样并称质量，即获得>2 mm、0.25～2 mm、0.053～<0.25 mm、<0.053 mm的机械稳定性团聚体。湿筛法：根据各级干筛土壤团聚体比例配成50 g风干土样，将土样均匀铺撒在筛套最上层，筛套置于水桶中，在室温下浸润5 min，以30次/min和上下振幅3 cm在水中振荡2 min，将各级筛上的团聚体体冲洗至烧杯中，即获得>2 mm、0.25～2 mm、0.053～<0.25 mm、<0.053 mm的水稳定性团聚体，将各级水稳定性团聚体烘干称质量。

1.4 测定项目与方法

土壤容重、土壤孔隙度、土壤三相比的计算公式如下[25-27]：

（1）ρ=m×100V×（100+W）;

（2）f=1-ρ/ρs×100%;

（3）土壤三相比=固相 ∶液相 ∶气相=（1-土壤孔隙度） ∶（土壤重量含水量×容重） ∶（土壤孔隙度-液相）。

式中：ρ为土壤容重，g/cm3;m为环刀内湿土质量，g;V为环刀容积，cm3;W为环刀内土壤质量含水率，%;f为土壤孔隙度，%;ρs为土壤比重，取 2.65 g/cm3[28]。

>0.25 mm团聚体含量 （R>0.25）、平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、土壤团聚体破坏率（PAD）、土壤团聚体稳定率（WSAR）计算公式如下[29-32]：

（4）R>0.25=m>0.25/mT×100%;

（5）MWD=∑ni=1Xi×Wi;

（6）GMD=exp∑ni=1WilnXi∑ni=1Wi;

（7）PAD=（DR>0.25-WR>0.25）/DR>0.25×100%;

（8）WSAR=mWR>0.25/mDR>0.25×100%。

式中：m>0.25为大于0.25 mm团聚体质量，g;mT为各级团聚体总质量，g;Xi为各级团聚体的平均直径，mm;Wi为各级团聚体的质量百分含量，%;DR>0.25为干筛大于0.25 mm机械稳定性团聚体含量，%;WR>0.25为湿筛大于0.25 mm水稳定性团聚体含量，%;mWR>0.25为湿筛大于0.25 mm机械稳定性团聚体重量;mDR>0.25为干筛大于0.25 mm水稳定性团聚体质量。

1.5 数据分析

测定数据采用Microsoft Excel 2010软件进行处理和作图，采用SPSS 26.0软件进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 蕉园间种甘薯对土壤容重及孔隙度的影响

土壤容重和孔隙度是衡量土壤质地和耕性特点的重要指标，容重较小而孔隙度较大的土壤结构比较疏松，有利于作物根系生长和代谢活动。从表1可以看出，5—9月期间，蕉园间种甘薯的土壤容重为1.29～1.42 g/cm3，单作的土壤容重为1.37～1.45 g/cm3，间种的土壤容重均小于单作，降幅为3.28%～9.97%，其中在5、6月，其差异达到显著或极显著水平，其余月份差异不显著;间种甘薯的土壤孔隙度为46.44%～51.51%，单作的为 45.21%～48.29%，间种的土壤孔隙度较单作增幅为1.24～3.76百分点，其中在5、6月差异达到显著或极显著水平，其余月份差异未达显著水平。间种和单作处理在不同月份土壤的容重和孔隙度不同，其中在7、8月的土壤容重均大于其他月份，而在这2个月中的土壤孔隙度则是处于较低水平;间种的土壤孔隙度在5、6、9月均超过50%，而在不同月份中单作的土壤孔隙度均小于50%。结果表明，蕉园间种甘薯具有降低土壤容重和提高土壤孔隙度的良好效应。

2.2 蕉园间种甘薯对土壤三相比的影响

土壤的固相、液相和气相等三相最优的比值为2 ∶1 ∶1，三相比例适宜，水与气协调有利于作物根系活动和对土壤养分的吸收利用;水气不协调如水多气少作物根系不能正常呼吸或水少气多作物根系不能吸收利用土壤中的养分均会抑制根系的正常发育[33]。从表2可以看出，蕉园间种甘薯具有调整土壤三相比例的作用，在5—9月期间，间种甘薯的土壤三相分别为48.49%～53.56%、31.65%～39.73%、6.79%～16.39%，单作的分别为51.71%～54.80%、28.09%～39.30%、5.91%～19.40%，间种的土壤固相较单作低，降幅为1.24～3.76百分点，其中在5、6月间种和单作的土壤固相差异达到显著和极显著水平;在5—8月期间间种的土壤液相占比均比单作高，间种较单作的增幅为0.36～6.39百分点，而9月中的间种土壤液相占比低于单作，降幅为1.12%，其中间种和单作之间土壤液相占比差异达到显著水平的只有5月，其余月份差异均未达显著水平;在6—9月中间种的土壤气相占比均高于单作，间种比单作增加的幅度为0.88～4.34百分点，而5月间作的土壤气相占比较单作的低，但在5—9月期间不同月份中间种和单作的土壤气相占比差异均未达显著水平。除5月外，间种甘薯的蕉园土壤三相的比值均小于单作，更接近2 ∶1 ∶1的最适三相比，即水气更协调。

2.3 蕉园间种甘薯对土壤稳定性团聚体组成的影响

土壤团聚体的组成和性状是影响土壤结构和质地的重要因素，是评价土壤侵蚀、压实和板结等物理状态的主要指标。较大粒径的团聚体在改善土壤孔隙性、增强土壤通透性和抵抗土壤侵蚀等方面具有重要作用。土壤结构疏松、通气透水性能较好有助于作物根系生长活动[33-34]。

蕉园行间间种甘薯对土壤不同粒级稳定性团聚体的组成有一定的调整作用。蕉园间种甘薯和单作的土壤稳定性团聚体粒径组成见表3。在5月至9月期间，间种土壤>2 mm和0.25～2 mm粒级团聚体的占比分别为56.45%～64.89%和31.34%～38.58%，单作的分别为32.77%～55.42%和36.21%～54.45%，间种土壤>2 mm团聚体的组成占比各月均大于單作，间种较单作增加的增幅为2.77～18.84百分点，除5月外其差异均达到极显著水平，但间种的0.25～2 mm粒级团聚体的组成占比各月均小于单作，间种较单作下降的降幅为1.98～10.52百分点，其中6月至8月二者之间的差异达到极显著或显著水平;在0.053～<0.25 mm和<0.053 mm 粒级组成方面，间种的组成占比分别为3.46%～6.91%和0.06%～0.68%，单作的分别为7.64%～12.15%和0.34%～1.13%，间种的均比单作的低，间种较单作下降的降幅分别为0.74～8.59百分点和0.05～0.78百分点，其中除了5月外间作和单作之间在0.053～<0.25 mm粒级团聚体组成占比上的差异均达到显著或极显著水平，而在<0.053 mm粒级团聚体组成上的差异只有8月和9月的达到显著或极显著水平。结果表明，蕉园间种甘薯具有显著增加土壤>2 mm粒级稳定性团聚体的组成含量，减少0.25～2 mm、0.053～<0.25 mm 和<0.053 mm等粒级团聚体组成的作用，起到促进土壤微团聚体向大团聚体转化、明显改善了土壤的通透性。

2.4 蕉园间种甘薯对土壤水稳定性团聚体组成的影响

土壤结构的好坏与土壤结构的大小、性状和肥力等特性相关，并与土壤结构的稳定性密切相关。土壤水稳性团聚体的组成是评价土壤结构的关键性指标之一[35]。蕉园间种甘薯和不间种甘薯的单作土壤水稳定性团聚体粒径分布见表4。在5—9月期间，蕉园间种甘薯土壤>2 mm和0.25～2 mm粒级的水稳定性团聚体组成分别为8.32%～26.06%和54.09%～64.33%，单作的分别为7.17%～21.56%和42.50%～57.28%，与单作比较，6—9月间种的土壤>2 mm粒级水稳定性团聚体的组成增幅为1.15～13.01百分点，差异达到显著或极显著水平，除6月外在0.25～2 mm粒级的水稳定性团聚体组成上间种的均比单作的高，增幅为0.60～21.69百分点，其中在5月、7月和9月中的差异达到显著或极显著水平;在0.053～<0.25 mm 和<0.053 mm等粒级的水稳团聚体组成上，间种甘薯的占比分别为17.85%～23.38%和1.12%～1.59%，单作的分别为25.16%～45.06%和1.22%～2.65%，除6月外间种的均比单作的低，降幅分别为1.78～22.47百分点和0.24～1.17百分点，其差异除5月外均达到极显著或显著水平。结果显示，蕉园间种甘薯显著增加了土壤>2 mm和 0.25～2 mm 粒级水稳定性团聚体的含量，降低了0.053～<0.25 mm 和<0.053 mm粒级的土壤水稳定性团聚体含量，具有促进土壤微团聚体向大团聚体转化，明显提高土壤>0.25 mm水稳性团聚体组成的作用。

2.5 蕉园间种甘薯对土壤团聚体稳定性特征的影响

土壤团聚体的稳定性关系到土壤对环境的适应性和协调功能，是评价和衡量土壤抗蚀性能和土壤质量的重要因素[36]，其主要评价指标有土壤团聚体破坏率（PAD）、团聚体稳定率（WSAR）、>0.25 mm粒径团聚体含量（R>0.25）、平均质量直径（MWD）及几何平均直径（GMD）等。从表5可以看出，5—9月期间，间种土壤的PAD为14.52%～22.51%，小于单作的19.05%～41.77%，与单作相比，间作土壤PAD的月平均值降低了28.36%，而且在7—9月期间其差异均达到显著或极显著水平;间种甘薯的土壤WSAR、干筛和湿筛的R>0.25、MWD与GMD等指标均大于单作，其中间种的WSAR月平均值比单作的增加了14.63%，干筛和湿筛R>0.25的月平均值分别比单作的提高了7.19%和21.44%，除6月WSAR外间种和单作其差异在6—9月中均达到显著或极显著水平;间种干筛和湿筛的MWD和GMD的月均值比单作的分别提高了11.96%、19.71%和22.59%、34.80%，除5月外不同月份的差异均达到显著或极显著水平。因此，蕉园行间间种甘薯具有降低土壤团聚体的破坏率、提高土壤团聚体的稳定率、增加粒径>0.25 mm团聚体含量和平均质量直径及其几何平均直径的显著效应，对于增强蕉园土壤团聚体的稳定性具有重要的作用。

2.6 蕉园间种和单作的土壤物理性状指标间的相关性分析

对于蕉园土壤不同粒级水稳性团聚体含量、水稳定性指标、物理性质之间的相关性进行分析发现，R>0.25、 >2mm和0.25～2 mm粒级水稳定性团聚体与MWD、GMD、WSAR呈极显著正相关，与PAD呈极显著负相关，0.25～2 mm粒级团聚体、R>0.25与土壤容重呈显著负相关，与土壤孔隙度呈显著正相关;0.053～<0.25 mm、<0.053 mm粒级团聚体与R>0.25、MWD、GMD、WSAR呈显著或极显著负相关，与PAD呈显著或极显著正相关;MWD、GMD、WSAR三者之间均呈极显著正相关，与PAD呈极显著负相关，0.053～<0.25 mm粒级团聚体与土壤容重呈显著正相关，与土壤孔隙度呈显著负相关;R>0.25、GMD与土壤孔隙度呈显著正相关，与土壤容重呈显著负相关 （表6）。因此，增加 >0.25mm 粒级土壤团聚体的组成含量、降低 <0.25mm 微团聚体的组成，在改良香蕉园土壤结构、降低容重增加土壤通透性能和提高土壤团聚体的稳定性等方面具有重要的作用效应。

3 结论与讨论

本研究结果表明，与单作相比，蕉园间种甘薯可使土壤容重和固相组成降低，降幅分别为3.28～9.97百分点和1.24～3.76百分点;使土壤孔隙度、土壤液相和气相占比升高，提升的幅度分别为 1.24～3.76、0.36～6.39、0.88～4.34百分点;对于土壤团聚体的结构组成，间种甘薯促进了微团聚体向较大粒级的团聚体转化，使>2 mm和0.25～<2 mm 粒级的水稳定性团聚体含量增加，增幅分别为1.15～13.01百分点和0.60～21.69百分点，同时使土壤0.053～<0.25 mm和<0.053 mm粒级的水稳性微团聚体含量下降，降幅分别为1.78～22.47、0.24～1.17百分点，因而使间种的土壤团聚体稳定性指标WSAR、R>0.25、MWD和GMD等值均显著高于单作，但团聚体破坏率PAD小于单作。因此，在蕉园行间间种甘薯起到提高土壤的孔隙度，使土壤容重降低，促进微团聚体向较大团聚体转变的作用效应，具有显著提高土壤团聚体的稳定性以及改善土壤物理性状和结构的重要作用。

本研究结果与玉米和菜豆或大豆间作[29，37]、柑橘和三叶草或黑麦草间作[38]等的研究结果相似，均具有降低土壤容重和提高土壤团聚体稳定性的作用效应。土壤容重和土壤孔隙度是土壤结构的重要指标，土壤容重小，说明土壤比较疏松，通透性好[38]，并且土壤孔隙度大小对土壤的水分含量和保水性能具有重要影响，通常土壤孔隙度占比为 50%～60%比较适宜[39];土壤三相比是反映土壤固、液、气是否协调的重要指标，三相比例适宜说明土壤的水气比较协调[27]。蕉园的行间种植甘薯后其土壤容重和固相均小于单作，土壤孔隙度、液相和气相均大于单作，尤其是在夏季的6—8月期间作用效果更加显著，其原因是在夏季由于光照、温度和降水量均比春季和秋季大，甘薯茎叶生长较快、基本完全覆盖了蕉园的行间和株间，减少了强降水对表土层的冲刷和肥料的淋溶流失，更有利于香蕉根系的生长活动。

土壤结构和质地的好坏与土壤的团聚体组成、特性及其稳定性密切相关[40]。通常土壤的R>0.25含量越高、MWD和GMD越大，土壤团聚性越好，稳定性越高[18];PAD越低和WSAR越高，土壤结构越稳定，其抗侵蚀能力就越强[30]。蕉园与甘薯间种后，土壤的PAD明显比单作的低，而R>0.25、MWD、GMD和WSAR等均较单作的有显著提升，其主要原因是香蕉和甘薯2种作物根系相互作用，地下根系网络更加发达，土壤根系含量增加，其互相缠绕的固结作用使得土壤更加容易形成大团聚体[41];发达的地下根系可以产生更加丰富的分泌物，增加了土壤碳源的种类和含量，为土壤微生物的繁殖活动提供良好的生长环境，使土壤微生物种群和数量增加，改善了土壤微生物的群落组成和结构[42]，使土壤微生物活动更加旺盛，分泌物质含量增加，并与真菌菌丝形成黏结网络[43]，这些均有利于土壤微团聚体向大团聚体转变，从而增强了土壤团聚体的机械稳定性和水稳定性。南方夏季高温多雨，而且降水强度比较大，强降水对土壤表层冲刷严重，行间间种甘薯后，由于甘薯在夏季高温、多雨、强光照的条件下生长比较旺盛，发达的茎叶匍匐于地面，起到覆盖表土层、减少水土流失和土壤侵蚀的作用，减少了因雨水冲刷导致大团聚体向微团聚体的转变，具有增强土壤团聚体的稳定性及缓解集中雨水对土壤结构破坏的显著效應。此外，土壤有机质含量与土壤团聚体稳定性有着密切关系，通常土壤有机质含量越高，有机胶结物质越多，土壤团聚体稳定性就越强[44]，间作甘薯根茎叶枯萎腐烂后还田，增加了土壤腐殖质的含量，促进土壤团聚体颗粒有机质产生，并与微生物分泌物和矿物质形成新的团聚体核心，在土壤有机胶结物作用下形成大团聚体，使土壤大团聚体数量增加，从而提高了土壤团聚体的稳定性[45]，对于改良蕉园土壤结构具有显著效应。

前人也有在蕉园间种花生、大豆的研究报道[22，46]，但花生、大豆等作物的生物产量均比甘薯的低，而甘薯的茎叶和分枝均匍匐于地面生长，不会影响人和机械在田间进行其他劳动作业，因而甘薯作为蕉园间种作物比其他作物具有更多优势。

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