赵强,章洁琼,汪灿,周棱波,张国兵,彭秋,高杰,彭方丽,张春兰,邵明波*
(1贵州省农业科学院旱粮研究所,贵州贵阳 550006;2贵州省农业技术推广总站,贵州贵阳 550001)
【研究意义】高粱(Sorghum bicolor)作为全世界种植的五大禾谷类作物之一,是酿造白酒的主要原料,在国家种植结构调整与经济发展中起重要作用(邹剑秋,2020)。酿酒业是贵州省传统支柱产业和特色优势产业,也是财政收入的重要来源之一(张丹丹,2017)。贵州地处云贵丘陵地带,土地资源稀缺,糯高粱多以大面积连续单一种植模式为主,在一定程度上导致土壤结构破坏和糯高粱产量降低,成为优质酿酒业原料生产上的短板,从而影响整个酿造产业的发展。根际土壤对植物的生长发育有重要影响(Berendsen et al.,2012),不同作物的间作模式能改变根际土壤环境(徐海强等,2016;乔月静等,2020;常换换等,2022)。因此,探讨糯高粱间作不同作物对根际土壤特性与高粱产量的影响,筛选既有利于改善土壤结构又能保证高粱产量的间作组合,对指导贵州酒用糯高粱的可持续生产有重要意义。【前人研究进展】根际是土壤和植物相互作用的主要区域(唐杰等,2021)。研究发现,根际土壤环境受栽培措施(袁莉民等,2020)、微生物群落(Guo et al.,2021)、植物根系分泌物(王亚等,2022)等多种因素影响。前人研究表明,土壤环境变化是连作障碍产生的主要原因之一(阮维斌等,1999),合理间作可改善土壤根际环境,提高作物对资源的利用效率(Gitari et al.,2018;Wang et al.,2021)。一方面,间作可改善土壤理化性状。如Zhang等(2018)对桑葚与紫花苜蓿间作系统研究发现,间作条件下土壤的可利用氮、磷、钾和总碳含量较单作土壤均明显提高;Chen等(2019)研究发现,间作橡胶林的土壤有效磷、总氮和有机碳含量及阳离子交换量较单作橡胶林土壤显著升高。梁晓红等(2021)研究表明,高粱和大豆间作可提高农田的水分利用效率。另一方面,间作可增加土壤微生物多样性。徐海强等(2016)研究发现,木薯与花生间作可改变根际土壤细菌和真菌的群落结构,且有利于根际土壤向高肥力的细菌型转化。李巧玲等(2021)研究发现,与单作相比,栀子与射干、栀子与白及间作可显著增加土壤细菌群落和真菌群落Shannon指数。此外,间作有利于提高土壤酶活性和作物对土壤养分的利用效率。Farooq等(2021)研究发现,间作可提高土壤酶活性,从而提高有机物分解和向土壤环境释放养分的反应速度。Ding等(2021)研究发现,辣椒与玉米间作的氮吸收量比单一种植辣椒提高28%。【本研究切入点】目前,国内外关于高粱间作的研究主要有地上部分相互作用对高粱生物量和产量的影响,以及对地下微生物群落、土壤结构和水资源利用效率的影响,而结合土壤特性变化对高粱产量和产量构成因子影响的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以单作糯高粱为对照,设糯高粱与其他作物的不同间作模式,分析不同处理对糯高粱根际土壤养分、酶活性、微生物群落结构和产量的影响,为构建合理的糯高粱间作模式提供技术指导和理论依据。
供试糯高粱品种为黔高7号,由贵州省农业科学院旱粮研究所提供;大豆品种为黔豆7号,由贵州省农业科学院油料研究所提供;花生品种为黔花生5号,由贵州省农业科学院油料研究所提供;辣椒品种为卓椒8号,由贵州卓豪农业科技有限公司提供;马铃薯品种为徐薯22号,由贵州省农业科学院生物技术研究所提供。
试验于2019—2020年在贵州省农业科学院旱粮研究所贵阳试验基地(26°32′N,106°48′E)进行。试验地土壤为黄壤土,2019年播种前10 cm土层含有机质15.81 g/kg、全氮1.62 g/kg、全磷1.05 g/kg、全钾23.22 g/kg、碱解氮133.05 mg/kg、有效磷22.14 mg/kg、速效钾400.18 mg/kg,土壤pH 7.52。试验采用完全随机区组设计,以单作糯高粱(SW)为对照,设糯高粱+花生(WP)、糯高粱+大豆(WS)、糯高粱+辣椒(WC)和糯高粱+红薯(WSP)4种间作模式,3次重复,间作模式均采用2∶2的行比设计、包括3个带宽,各处理具体设计详见表1。于播种前一次性施总养分≥45%的高效复合肥(含N 14%、P2O515%、K2O 16%),其中糯高粱、辣椒和红薯施肥量为450 kg/ha,花生和大豆施肥量为300 kg/ha。在糯高粱拔节期、辣椒开花期、红薯结薯期使用尿素(含N 46%)进行追肥,用量为300 kg/ha,其余田间管理同常规大田。
表1 试验设计及田间管理措施Table 1 Experimental design and field management measures
分别于糯高粱拔节期、开花期和成熟期在各小区中间条带选择3株具有代表性的糯高粱植株,先将植株半径20 cm以外的土壤垂直刨开至40 cm深处,再用小锄头将包裹根系的土壤逐层刨开,挖出整株根系后抖掉与根系松散结合的土壤,用无菌镊子刮取粘附在根系上的薄层土壤作为根际土壤。将取得的土样混合均匀后过2 mm土筛,平均分成3份。第1份自然风干后用于土壤养分含量测定,第2份置于4℃保存用于土壤酶活性测定,第3份置于-80℃保存用于土壤微生物群落测定。成熟期地上部植株用于产量构成因素测定。
1.3.1 土壤养分含量测定参照《土壤农化分析》(鲍士旦,2000)的方法,有机质采用重铬酸钾稀释热法测定;全氮采用凯氏定氮法测定;全磷用HClO4—H2SO4溶液消煮后采用钼锑抗比色法测定;全钾用NaOH溶液熔融后采用火焰光度法测定;碱解氮采用碱解扩散吸收法测定;有效磷用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提后采用钼锑抗比色法测定;速效钾用1 mol/L NH4OAc溶液浸提后采用火焰光度法测定。
1.3.2 土壤酶活性测定参照《土壤酶及其研究法》(关松萌,1986)的方法,过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定,多酚氧化酶活性采用邻苯三酚比色法测定,脲酶活性采用苯酚—次氯酸钠比色法测定。
1.3.3 土壤微生物群落参照陈坤等(2018)的方法,采用磷脂脂肪酸(PLFA)法,经过浸提、分离、甲酯化等步骤得到甲酯化磷脂脂肪酸(FAME);然后用Agilent GC 7890A气相色谱仪进行PLFA图谱分析,并用MIDI公司开发的MIS 4.5系统进行脂肪酸的比对鉴定。其中,细菌特征PLFA有12∶0、13∶0、a13∶0、i13∶0、14∶0、a14∶0、i14∶0、a15∶0、i15∶0、i15∶1G、16∶0、a16∶0、i16∶0、i16∶1H、16∶02OH、16∶1ω5c、16∶1ω11c、17∶0、a17∶0、i17∶0、cy17∶0、17∶1ω8c、18∶0、11Me18∶1ω7c、a19∶0、i19∶0、cy19∶0ω8c和20∶0;真菌特征PLFA有18∶1ω9c和20∶1ω9c;放线菌特征PLFA有10Me17∶0和10Me18∶0;革兰氏阳性细菌PLFA有14∶0、a14∶0、i14∶0、a13∶0、a15∶0、i15∶0、i15∶1G、i16∶0、a17∶0和i17∶0;革兰氏阴性细菌特征PLFA有a16∶0、16∶02OH、16∶1ω5c、17∶0、cy17∶0、17∶1ω8c、18∶0、和cy19∶0ω8c(Wan et al.,2015;杨林生等,2016;Luo et al.,2016;Zhang et al.,2017)。
1.3.4 产量及产量构成因素参照《高粱种质资源描述规范和数据标准》(陆平,2006)的有关方法,分别对穗长、穗粒数和千粒重进行考种。收获后实测小区产量并折算为单位面积产量。
采用Excel 2016整理数据,Origin 8.5作图。图表数据为2年6次重复的平均值±标准差,以SPSS 19.0进行统计分析,采用LSD法检验处理间的差异显著性。
2.1.1 有机质含量 由表2可知,有机质含量从拔节期至成熟期呈逐渐增加趋势。不同时期间作处理的有机质含量均高于SW处理,最大值出现在WS处理,其中开花期SW处理的有机质含量显著低于各间作处理(P<0.05,下同)。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的有机质含量在拔节期分别增加22.0%、18.7%、14.9%和9.9%,在开花期分别增加21.7%、20.3%、18.0%和10.3%,在成熟期分别增加12.0%、8.6%、8.0%和1.7%。
2.1.2 全氮含量由表2可知,全氮含量从拔节期至成熟期呈先增加后减少的变化趋势,在开花期达最大值。不同处理间全氮含量表现为WS>WP>WSP>WC>SW。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC的全氮质含量在拔节期分别增加23.1%、14.7%、9.3%和6.7%,在开花期分别增加58.7%、15.1%、9.8%和7.2%,在成熟期分别增加18.3%、14.5%、9.5%和6.3%。
2.1.3 全磷含量 由表2可知,全磷含量随生育期表现为先减少后增加,在成熟期达最大值。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的全磷含量在拔节期分别增加28.5%、14.5%、7.4%和4.6%,在开花期分别增加39.5%、27.5%、16.3%和15.2%,在成熟期分别增加30.5%、15.8%、11.8%和11.0%。
2.1.4 全钾含量由表2可知,全钾含量随生育期表现为逐渐减少。不同时期SW处理的全钾含量均显著低于各间作处理,全钾含量最大值出现在WS处理。不同处理间土壤全钾含量表现为WS>WP>WSP>WC>SW。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的全钾含量在拔节期分别增加11.3%、8.5%、7.1%和5.0%,在开花期分别增加11.4%、9.4%、7.3%和5.8%,在成熟期分别增加12.8%、10.6%、8.4%和6.3%。
2.1.5 碱解氮含量由表2可知,碱解氮含量从拔节期到成熟期表现为先减少后增加,在成熟期达最大值。不同处理间碱解氮含量表现为WS>WP>WSP>WC>SW。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的碱解氮含量在拔节期分别增加57.7%、37.3%、15.4%和9.5%,在开花期分别增加33.6%、19.8%、16.8%和10.9%,在成熟期分别增加97.2%、64.7%、19.1%和8.2%。
表2 不同间作模式对糯高粱根际土壤养分含量的影响Table 2 Effects of different intercropping patterns on rhizosphere soil nutrients contents in waxy sorghum
2.1.6 有效磷含量由表2可知,有效磷含量从拔节期至成熟期表现为先减少后增加,WP与WSP处理最大值出现在成熟期,其余处理最大值均出现在拔节期。不同间作处理有效磷含量均高于SW处理,最大值出现在WS处理。在开花期与成熟期,SW处理的有效磷含量显著低于各间作处理。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的有效磷含量在拔节期分别增加46.9%、16.9%、12.1%、9.1%,在开花期分别增加54.3%、33.7%、28.4%和19.9%,在成熟期分别增加62.1%、39.3%、34.7%和21.3%。
2.1.7 速效钾含量由表2可知,速效钾含量从拔节期至成熟期呈先减少后增加的变化趋势,在拔节期达最大值。不同处理间速效钾含量表现为WS>WP>WSP>WC>SW。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的速效钾含量在拔节期分别增加65.6%、40.5%%、35.7%和25.3%,在开花期分别增加31.1%、25.4%、10.5%和6.6%,在成熟期分别增加35.7%、30.1%、10.2%和5.1%。
2.2.1 过氧化氢酶活性由图1-A可看出,过氧化氢酶活性从拔节期到成熟期表现为先升高后降低,除WSP处理外,其余处理的过氧化氢酶活性在成熟期达最低值。WS处理的过氧化氢酶活性在开花期最高,且显著高于其他处理。WS、WP、WSP和WC处理的过氧化氢酶活性在拔节期分别是SW处理的1.78、1.32、1.11和1.07倍,在开花期分别是SW处理的2.25、1.54、1.21和1.06倍,在成熟期分别是SW处理的2.07、1.94、1.83和1.28倍。
2.2.2 脲酶活性由图1-B可看出,脲酶活性从拔节期至成熟期呈先增加后减少的变化趋势,各处理的土壤脲酶活性在开花期达最高值,拔节期到开花期WS处理尿酶活性增幅最大,达49%。各间作处理脲酶活性在拔节期、开花期、成熟期均显著高于单作。WS、WP、WSP和WC处理的脲酶活性在拔节期分别是SW处理的1.42、1.39、1.37和1.31倍,在开花期分别是SW处理的1.70、1.67、1.32和1.23倍,在成熟期分别是SW处理的1.64、1.34、1.26和1.04倍。
2.2.3 多酚氧化酶活性由图1-C可看出,多酚氧化酶活性从拔节期至成熟期呈先升高后降低的变化趋势。拔节期到开花期WS处理的多酚氧化酶活性增幅最大,提高73.1%,开花期到成熟期SW处理多酚氧化酶活性减幅最大,降低32.8%。不同处理间多酚氧化酶活性表现为WS>WP>WSP>WC>SW。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的多酚氧化酶活性在拔节期分别增加45.3%、35.0%、23.5%和3.9%,在开花期分别增加138.7%、59.5%、38.7%和12.2%,在成熟期分别增加84.0%、41.4%、24.0%和31.5%。
2.3.1 总PLFA含量由图2-A可看出,从拔节期到成熟期总PLFA含量先增加后减少,在开花期达最大值。开花期WS处理的总PLFA含量最高,为15.1 nmol/g;拔节期和成熟期各间作处理的总PLFA含量均显著高于单作SW处理。WS、WP、WSP和WC处理的脲酶活性在拔节期分别是SW处理的1.42、1.39、1.37和1.31倍,在开花期分别是SW处理的1.70、1.67、1.32和1.23倍,在成熟期分别是SW处理的1.64、1.34、1.26和1.04倍。
2.3.2 细菌PLFA含量由图2-B可看出,细菌PLFA含量随生育过程表现为先增加后减少,最大值出现在开花期。WS处理的细菌PLFA含量在拔节期、开花期和成熟期均显著高于其他处理。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的细菌PLFA含量,在拔节期分别增加73.3%、15.4%、9.4%和5.1%,在开花期分别增加98.9%、27.3%、11.2%和2.6%,在成熟期分别增加186.9%、154.6%、117.1%和51.7%。
2.3.3 真菌PLFA含量由图2-C可看出,从拔节期到成熟期真菌PLFA含量先增加后减少,在开花期达最大值。各间作处理真菌PLFA含量均高于SW处理,且最大值出现在WS处理。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的真菌PLFA含量在拔节期分别增加170.4%、98.4%、50.7%和31.3%,在开花期分别增加221.3%、136.5%、101.4%和32.5%,在成熟期分别增加884.5%、679.6%、310.6%和135.8%。
2.3.4 放线菌PLFA含量由图2-D可看出,放线菌PLFA含量从拔节期到成熟期表现为先增加后减少,在开花期达最大值。不同处理间放线菌PLFA含量表现为WS>WP>WSP>WC>SW。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的真菌PLFA含量在拔节期分别增加223.2%、155.5%、107.3%和31.4%,在开花期分别增加123.5%、98.7%、59.6%和26.2%,在成熟期分别增加251.6%、173.3%、102.5%和45.3%。
2.3.5 革兰氏阴性细菌PLFA含量由图2-E可看出,革兰氏阴性细菌PLFA含量从拔节期到成熟期表现为先增加后减少,在开花期达最大值。不同处理间革兰氏阴性细菌PLFA含量表现为WS>WP>WSP>WC>SW。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的革兰氏阴性细菌PLFA含量在拔节期分别增加122.7%、51.1%、45.3%和16.1%,在开花期分别增加188.5%、76.3%、58.3%和12.2%,在成熟期分别增加158.8%、103.3%、81.1%和23.3%。
2.3.6 革兰氏阳性细菌PLFA含量由图2-F可看出,革兰氏阳性细菌PLFA含量随生育过程表现为先增加后减少,最大值出现在开花期。各间作处理革兰氏阳性细菌PLFA含量均高于SW处理,且最大值出现在WS处理。与SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的革兰氏阳性细菌PLFA含量在拔节期分别增加76.2%、39.7%、27.5%和18.5%,在开花期分别增加112.1%、32.4%、17.7%和6.3%,在成熟期分别增加151.0%、117.0%、86.1%和22.9%。
由表3可知,单作SW处理的糯高粱产量均高于间作处理,除WS处理外,其余间作处理的产量均显著低于单作。与单作SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的产量分别降低1.1%、6.7%、7.7%和9.0%。间作处理中糯高粱的产量构成因子也均高于单作,与单作SW处理相比,WS、WP、WSP和WC处理的千粒重分别增加35.8%、23.7%、13.8%和7.3%,穗粒数分别增加54.8%、51.4%、41.2%和36.4%,穗长分别增加22.2%、12.9%、8.3%和5.5%。可见,与单作相比,间作处理中糯高粱的产量虽有所降低,但各产量构成因子均显著增加,其中WS处理的产量与单作相比降幅最小,而穗长、穗粒数和千粒重增幅最大。
表3 不同间作模式对糯高粱产量及产量构成因子的影响Table 3 Effects of different intercropping patterns on yield and yield secondary components in waxy sorghum
由表4可知,产量与根际土壤特性的相关性不显著(P>0.05),但各产量构成因子与土壤特性的相关性均达极显著水平(P<0.01)。其中,穗长与根际土壤特性间的相关系数在0.893~0.989,与多酚氧化酶活性之间相关系数最大;穗粒数与根际土壤特性间的相关系数在0.768~0.962,与全钾含量之间相关系数最大;千粒重与根际土壤特性间的相关系数在0.914~0.995,与全钾含量之间相关系数最小。
表4 糯高粱产量及产量构成因子与根际土壤特性的相关系数Table 4 Correlation coefficient between yield formation and rhizosphere soil characteristics of waxy sorghum
作物根际土壤是物质能量交换、养分吸收循环等的主要场所,因此,根际土壤可较好反应土壤的养分情况(艾超等,2015)。连续单作会打破土壤养分之间的平衡,而合理间作则有利于土壤养分的利用(Wang et al.,2015;田双燕等,2021)。本研究中,4种间作模式在同一生育期阶段中,糯高粱根际土壤的有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量均高于单作,但4种间作模式中糯高粱根际土壤养分存在差异,说明糯高粱土壤根际养分状况不仅与种植模式有关,也与搭配作物种类有关。孙明明等(2017)研究认为,豆科作物与禾本科作物进行间作可增加土壤中的氮素含量。本研究中,高粱+大豆与高粱+花生间作模式下土壤根际有效氮含量均显著高于其他种植模式,可能是因为大豆与花生均为豆科植物,能有效将空气的氮素进行固定,进而供植物吸收利用(Latati et al.,2016)。在不同种植模式和不同生长阶段中,作物的根际活动会有一定差异,从而造成土壤养分含量的变化。间作糯高粱根际土壤养分的变幅均大于单作,说明间作条件下糯高粱的根际活动更活跃。在土壤肥力鉴定中通常可用有机质含量研判土壤肥力,本研究中,间作糯高粱根际土壤的有机质含量在各生长时期均高于单作,表明间作可有效增加糯高粱根际土壤肥力。磷在土壤中的可移动性较弱,作物对磷的吸收属于接触吸收,且细根对磷的吸收效率大于粗根(王奕丹等,2021)。本研究中,有效磷随生育期变化先减少后增加,可能是因为从拔节期到开花期属于营养生长与生殖生长并进阶段,糯高粱细根数量较多,增强了对土壤磷的吸收能力,而开花期到生殖生长阶段,糯高粱根系逐渐长粗成型,减弱了对土壤磷的吸收能力。
高粱根系分泌物影响着土壤酶活性的变化,土壤酶活性的变化可引起植物根际生态的变化,对植物的生长发育有重要影响(van Wyk et al.,2017)。多酚氧化酶活性与分解土壤中酚类和有毒物质的能力密切相关。本研究中,间作条件下糯高粱根际土壤多酚氧化酶活性均高于单作,说明间作有利于分解糯高粱根系的有毒物质,从而减少有毒物质对高粱的伤害,更有利于糯高粱的生长。Einhelling和Souza(1992)研究发现,高粱根系分必物中主要由一种二氢醌组成,被氧化后形成高粱酮,高粱酮能抑制根系的生长。本研究中,间作条件下糯高粱根际土壤过氧化氢酶活性均高于单作,推测间作可提高过氧化氢酶活性,进而将过氧化氢分解为水与氧气,降低土壤中的氧化性,减少高粱酮的合成,保证糯高粱根系的生长。土壤脲酶能促进土壤中含氮有机化合物的分解,是植物氮素的来源之一。多数研究认为土壤氮含量与脲酶活性存在正相关关系(鲍勇等,2018;李春喜等,2019)。本研究中,从拔节期到成熟期脲酶活性与全氮含量均先增加后减少,且间作模式中的脲酶活性均高于单作,以致间作土壤的氮素含量从拔节期到成熟期变化幅度大于单作。
大量研究表明,间作能对根际土壤微生物多样性和组成起调节作用,可影响地上植物生长发育过程种间关系(Hao et al.,2010)。Muratova等(2009)研究发现,将高粱根系接种根瘤菌后高粱抗性增强。代真林等(2020)研究发现,玉米与土豆间作能有效增加有益微生物的丰度。本研究中,间作模式下糯高粱根际土壤总生物、细菌、真菌、放线菌、革兰氏阳性与阴性细菌生物量均高于单作糯高粱。由此可见,间作糯高粱可影响其根际土壤微生物群落的多样性,该结果也与大多数的作物间作能提高根际微生物多样性的研究结果一致(徐瑞富和任永信,2003;杨智仙等,2014)。土壤中细菌比例增加是土壤质量改善的重要标志(Si et al.,2018)。本研究中,糯高粱土壤细菌比例表现为WS>WP>WSP>WC>SW,说明间作糯高粱可有效改良土壤,且糯高粱与大豆间作对土壤的的改良效果较优。
间作为改善土壤环境、提高土地利用率及作物产量的有效手段之一,已广泛应用于农业种植(俞霞等,2021)。本研究中,间作模式均采用2∶2的行比设计,间作处理在面积减半条件下较单作糯高粱减产均未超过10%,且糯高粱+大豆模式中糯高粱产量与单作糯高粱产量差异不显著。因此高粱间作大豆在土地面积有限的条件下,既可保证高粱产量,又可多收大豆。同时还可避免单一种植给土地带来的营养不均衡。
作物产量与其田间设计具有密切关系。不同行间距、不同密度、不同的二氧化碳浓度及不同冠层结构也会带来产量上的差异。本研究中产量与土壤特性之间的关系均不显著,这可能与产量的复杂性有关。作物单产与穗长、穗粒数、千粒重等因子构成有关,本研究中糯高粱的穗长、穗粒数、千粒重与土壤特性之间有存在极显著正相关,由此可见,间作对提升高粱单产水平至关重要。瓮巧云等(2021)研究发现,青贮玉米与大豆间作能提高青贮玉米产量。刘鑫等(2017)在玉米大豆不同间作模式下,发现大豆产量随着间距变窄而降低。在本研究中发现高粱+大豆为最优搭配,下一步研究中,将继续探索不同行间距下,高粱+大豆的产量与收益。
与单作糯高粱相比,间作糯高粱在整个生育过程中均能有效提高根际土壤的有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量,增强土壤酶活性,丰富土壤微生物多样性。不同间作模式对糯高粱根际土壤特性与糯高粱产量产生的效应存在差异,其中高粱+大豆间作模式产量最高,且能有效改善糯高粱土壤特性。