藜麦豆科间作对作物产量及土壤理化性质的影响

薛乃雯，刘建霞，高晶波，杨珍平

（1.山西大同大学 农学与生命科学学院，山西 大同 037009；2.山西大同大学 设施农业技术研发中心，山西 大同 037009；3.山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801）

藜麦（Chenopodium quinoaWilld.）是一年生的藜科自交双子叶草本植物，俗名为灰灰菜，是在灰灰菜中选育出的穗部发达、籽粒高产的品种［1］。藜麦是唯一一种单体植物即可满足人体所有基本营养需求的食物，具有极高的营养价值和经济价值［2-3］。藜麦主要分布于南美洲的安第斯山区［4］，大多分布在高海拔的冷凉地区，在0～4000 m 的海拔范围内均有生长，并且具有耐寒、耐旱、耐盐碱、耐瘠薄等生物特性［5］。自2008 年起，藜麦在我国的西北、华北、西南和东北等十余省（市）均有不同规模种植。截至2020 年，我国藜麦种植面积超过了2 万hm2，种植面积和总产量已经跃居至世界第三位［6］。但是，目前我国关于藜麦栽培的研究才刚刚起步。在河北、山西、甘肃等地，藜麦栽培主要采用大规模机械化单作种植［7-8］。

合理的间作种植模式比传统单作具有增产优势。Rao 等［9］曾对94 个高粱品种与木豆间作的试验结果进行统计，发现非生物胁迫使传统单作高粱与单作木豆分别在8 年与5 年内有1 年作物产量会降低，而在间作系统下，36 年的研究结果中仅有1 年的产量会减少。在与豆科植物间作的种植模式中，豆科植物可以提高非豆科植物根际的营养状况，这种根际营养的改善是产生间作优势的关键［10］。禾豆间作模式不仅提高了土壤氮素的含量，土壤的磷钾含量和肥料利用效率也增加显著［11］。李隆等［12］研究发现，间作小麦与大豆的氮、磷、钾养分吸收总量分别高出各自单作的24%～39%、6%～27% 和24%～64%，养分利用效率增加显著。土壤酶活性是土壤有机质合成与分解的重要指标，对平衡土壤质量具有重要的参考价值［13］。乔月静等［14］的研究发现，在不施肥的情况下，燕麦与豆科作物间作可以显著提高土壤酶活性，土壤酶相对活性综合指数也会增加，说明禾/豆间作模式能够使土壤向健康的“细菌型”转变，有利于改善土壤的微生态环境。

藜麦连作栽培时易出现病害严重，杂草众多，土壤养分消耗量大，减产剧烈的问题［15］。针对以上的栽培生产问题，本研究设置藜麦与3 种豆科作物（红豆、绿豆、黑豆）进行间作栽培，探讨不同间作模式对藜麦产量、植株养分含量、土壤养分含量及土壤酶活性的影响，通过分析植株养分和土壤养分的相关性，产量与土壤养分以及酶活性的相关性，旨在探明提高藜麦产量并改善土壤肥力的最佳间作模式，为丰富藜麦种植模式提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地点位于山西省大同市天镇县卅里铺乡孙家店村（N 40°18′47″，E 113°57′58″），属于平川中温半干旱地区，多年平均降水量为410 mm，年平均气温6.8 ℃，无霜期128 d，年日照时数2836 h。土壤类型是栗褐土，0～20 cm 土壤pH 为8.34，碱解氮63.35 mg·kg-1，有效磷13.80 mg·kg-1，速效钾79.04 mg·kg-1，全氮0.62 g·kg-1，全磷0.67 g·kg-1，有机质11.72 g·kg-1。

1.2 供试作物

藜麦（Chenopodium quinoaWilld.）：晋藜1 号，生育期130 d，抗倒伏、抗穗发芽，由山西农业大学玉米研究所提供。

红豆（Abrus precatoriusL.）：红小豆6 号，生育期112 d，由山西农业大学高寒区作物研究所提供。

绿豆（Vigna radiata（Linn.） Wilczek）：晋绿9号，生育期98 d，由山西农业大学高寒区作物研究所提供。

黑豆（Glycine max（L.）merr）：大同地区普遍种植的品种，于大同市阳高县购买。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，以藜麦、红豆、绿豆、黑豆4 种作物单作为对照，设置藜麦/红豆间作、藜麦/绿豆间作、藜麦/黑豆间作，共计7 个处理，重复3 次，合计21 个小区，小区面积为5 m×6 m。藜麦单作行距60 cm，株距40 cm；豆科作物单作行距33 cm，株距33 cm；间作体系中种植比例为1∶1，即1 行藜麦和1 行豆科作物间作，行距为30 cm。藜麦、红豆、绿豆、黑豆的播量分别为3、30、22.5、45 kg·hm-2。

试验于2021 年5 月9 日播种，9 月27 日收获。播前浇水，施入750 kg·hm-2的复合肥作为基肥，其中（N∶P2O5∶K2O 占比=40%∶40%∶20%）。6 月10日进行藜麦间苗，7 月10 日进行人工除草以及藜麦根部培土，其它管理同常规。

1.4 样品采集

1.4.1 植株样品

于藜麦苗期（6 月10 日）和收获期（9 月27 日），每小区选取代表性植株10 株，装入纸袋，105 ℃烘箱中杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，用粉样机粉碎后装入自封袋。

1.4.2 土壤样品

于藜麦苗期（6 月10 日）和收获期（9 月27 日），每小区随机选取5 个点，采集0～20 cm 土层的土壤，混合后装入自封袋带回实验室，自然风干并过筛。

1.5 试验方法测定指标

植株养分含量的测定：苗期藜麦全株进行杀青和粉碎，成熟期藜麦用剪刀分解成茎秆、叶片、穗后，进行杀青和粉碎。粉碎后的样品经过H2SO4-H2O2的浸提后，全氮含量采用奈氏比色法测定，全磷含量采用钒钼酸氨比色法测定，全钾含量采用火焰光度计法测定［16］。

土壤相对含水量采用烘干法测定；土壤pH 值采用酸度计法测定，水土比为2.5∶1；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定；土壤有效磷含量采用NaHCO3浸提，钼锑钪显色剂显色后比色法测定；土壤速效钾含量采用NH4OAc 浸提后火焰光度法测定；全氮含量采用浓硫酸消煮，连续流动分析仪测定，全磷含量采用浓硫酸-高氯酸消煮，钼锑抗比色法测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定［19］。

脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，结果以NH3-N μg·g-1（37 ℃，24 h）表示；蔗糖酶活性采用水杨酸比色法测定，结果以葡萄糖mg·g-1（37 ℃，24 h）表示；磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，结果以酚mg·g-1（37 ℃，24 h）表示［17］。

籽粒产量的测定：在藜麦、红豆、绿豆、黑豆成熟期，取每小区1 m2面积采收，重复3 次，风干后测籽粒产量。

土地当量比（land equivalent ratio，LER）用于衡量间作优势。通过下式计算。

式中，Yqi和Yli分别指在间作总面积上藜麦和豆科作物的籽粒产量（kg·hm-2）；Yqm和Ylm分别指单作藜麦和豆科作物的籽粒产量（kg·hm-2）；当LER＞1 时，表示有间作优势；当LER＜1 则无间作优势。

1.6 数据处理

采用Excel 2010 软件进行数据整理及图表制作。用SAS9.2 统计软件进行方差分析（Duncan法）、Pearson 相关性分析、以及逐步回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同间作模式下作物籽粒产量

由表1 可见，单作藜麦、红豆、绿豆和黑豆的产量均显著高于间作的产量。3 种间作方式下，藜麦产量为单作的60%～65%，豆类产量为单作的80%～87%，土地当量比为1.40～1.52，表明单位面积下3 种间作方式都具有产量优势，且以藜麦/红豆间作的LER 最高，为1.52。

表1 不同种植模式下作物籽粒产量的比较Table 1 Comparison of quinoa grain yield under different planting modes

2.2 不同间作模式下藜麦生育期植株养分含量

从图1 可以看出，在植株氮含量方面，与藜麦单作相比，藜麦/红豆对苗期全株氮含量和成熟期茎叶氮含量有提高的趋势，但是藜麦/绿豆和藜麦/黑豆对苗期全株氮含量和成熟期茎叶氮含量有降低的趋势（P＜0.05）。在植株钾含量方面，与藜麦单作相比，藜麦/红豆对成熟期茎叶和穗的钾含量有提高的趋势，而藜麦/绿豆、藜麦黑豆对成熟期茎叶和穗的钾含量有降低的趋势（P＜0.05）。在植株磷含量方面，藜麦/红豆与藜麦单作相比，对成熟期茎叶和穗的磷含量有提高的趋势，但是藜麦/绿豆、藜麦黑豆对成熟期茎叶和穗的磷含量有降低的趋势（P＜0.05）。

图1 不同种植模式下藜麦生育期植株养分含量Fig.1 Nutrient content of quinoa plants at different growth stages under different planting modes

2.3 不同间作模式下土壤pH 值和含水量

从图2 可以看出，在土壤pH 值方面，与藜麦单作相比，红豆单作、藜麦/红豆、藜麦/黑豆显著降低了苗期土壤的pH 值（P＜0.05）。黑豆单作与藜麦单作相比，显著降低了成熟期土壤的pH 值，而藜麦/黑豆对成熟期土壤的pH 值有提高的趋势（P＜0.05）。在苗期土壤含水量方面，与藜麦单作相比，红豆单作、绿豆单作、藜麦/绿豆对土壤含水量有提高的趋势，而黑豆单作、藜麦/红豆、藜麦/黑豆对土壤含水量有降低的趋势（P＜0.05）。在成熟期土壤含水量方面，与藜麦单作相比，红豆单作、藜麦/绿豆对土壤含水量有增加的趋势，但是藜麦/黑豆显著减少了土壤含水量（P＜0.05）。

图2 不同种植模式下土壤pH 和含水量Fig.2 Soil pH and relative water content under different planting modes

2.4 不同间作模式下土壤养分

从图3 可以看出，在土壤碱解氮含量方面，所有处理与藜麦单作相比，显著提高了苗期和成熟期的土壤碱解氮含量；其中藜麦/红豆的苗期土壤碱解氮含量显著最高，红豆单作的成熟期土壤碱解氮含量显著最高（P＜0.05）。在苗期土壤有效磷含量方面，藜麦/红豆、藜麦/黑豆相对于藜麦单作显著增加了土壤有效磷含量（P＜0.05）。在成熟期土壤有效磷含量方面，与藜麦单作相比，所有处理显著增加了有效磷含量，其中藜麦/红豆的有效磷含量显著最高（P＜0.05）。在土壤速效钾含量方面，与藜麦单作相比，所有处理对苗期土壤速效钾的含量都有显著提升，藜麦/红豆的提升显著最高（P＜0.05）。除了藜麦/黑豆处理，其余处理与藜麦单作相比，显著增加了成熟期土壤的速效钾含量，间作处理中藜麦/红豆的增加显著最高（P＜0.05）。在土壤有机质含量方面，除了藜麦/绿豆处理，其余处理与藜麦单作相比，显著提高了苗期土壤有机质的含量，藜麦/红豆的提高显著最高（P＜0.05）。在藜麦成熟期，与藜麦单作相比，绿豆单作对土壤有机质含量的增加显著最高，藜麦/红豆、藜麦/绿豆对土壤有机质仅有增加的趋势（P＜0.05）。在土壤全氮含量方面，与藜麦单作相比，在间作处理中藜麦/红豆、藜麦绿豆显著提高了苗期土壤全氮含量，藜麦/绿豆显著提高了成熟期土壤全氮含量（P＜0.05）。在土壤全磷含量方面，与藜麦单作相比，绿豆单作、藜麦/绿豆、藜麦/红豆、藜麦/黑豆对苗期土壤全磷含量的提升显著；所有处理对成熟期土壤全磷含量提升显著，间作处理中藜麦/红豆的提升显著最高。

图3 不同种植模式下土壤养分Fig.3 Soil nutrients under different planting modes

2.5 不同间作模式下土壤酶活性

从图4 可以看出，在土壤蔗糖酶活性方面，与藜麦单作相比，绿豆单作、黑豆单作、藜麦/红豆、藜麦/黑豆显著提高了苗期和成熟期土壤蔗糖酶活性，其中藜麦/红豆的苗期和成熟期土壤蔗糖酶活性显著最高（P＜0.05）。在土壤磷酸酶活性方面，与藜麦单作相比，藜麦/红豆、藜麦/绿豆显著增加了苗期土壤磷酸酶的活性，其中藜麦/红豆苗期土壤磷酸酶活性显著最高（P＜0.05）。与藜麦单作相比，所有处理显著提高了成熟期土壤磷酸酶活性，间作处理中藜麦/绿豆的磷酸酶活性显著最高。在土壤脲酶活性方面，所有间作处理、红豆单作与藜麦单作相比，显著增加了土壤苗期的脲酶活性，其中藜麦/红豆的苗期脲酶活性显著最高；与藜麦单作相比，藜麦/红豆的成熟期土壤脲酶活性显著最高。

图4 不同种植模式下土壤酶活性Fig.4 Soil enzyme activities under different planting modes

2.6 不同间作模式下藜麦产量与苗期植株养分、土壤理化性质及土壤酶活性的回归分析

对藜麦产量（Y）、苗期植株养分［全株氮含量（X1）、全株磷含量（X2）、全株钾含量（X3）］、苗期土壤理化性状［pH 值（X4）、含水量（X5）、碱解氮（X6）、有效磷（X7）、速效钾（X8）、全氮（X9）、全磷（X10）、有机质（X11）］及土壤酶活性［蔗糖酶（X12）、碱性磷酸酶（X13）、脲酶（X14）］进行多元线性逐步回归分析，并剔除其中不显著的变量。由表2 可见，最优回归模型的P值小于0.000 1，决定系数达0.948 4，说明最优回归模型极其显著并有较高的拟合精度。由表3 可见，回归系数的显著性P值都小于0.000 1，在0.05水平上检验显著，求得最优回归方程为：

表2 逐步回归方差分析表Table 2 Stepwise regression table

表3 逐步回归的参数估计和检验Table 3 Parameter estimation and testing using stepwise regression

可见，苗期土壤碱解氮含量和碱性磷酸酶活性对产量的影响最大，并且碱性磷酸酶的活性与产量呈显著正相关。

2.7 不同间作模式下藜麦植株养分与土壤理化性质的相关性分析

在藜麦成熟期，茎叶氮含量与土壤含水量、有效磷含量、有机质含量呈显著正相关，与土壤全氮含量呈极显著正相关，与土壤pH 值呈极显著负相关。穗钾含量与土壤含水量、速效钾含量、有机质含量呈显著正相关，与pH 值呈显著负相关（表4）。

表4 藜麦成熟期植株养分与土壤理化性质之间的相关系数Table 4 Correlation coefficients between plant nutrient contents and soil physicochemical properties at mature stage of quinoa

3 讨论

3.1 不同间作模式对作物产量的影响

高砚亮等［18］的研究发现，玉米/花生间作可以通过提高单位面积的土地利用效率，显著提升系统的生产力，土地当量比（LER）能够高达1.2 以上；冯晓敏等［19］的研究发现，燕麦与豆科植物间作系统的LER 为1.31～1.63。本研究发现，藜麦与红豆、绿豆和黑豆间作的LER 分别为1.52、1.45 和1.40，表现出了一定的间作优势，与前人的研究结果一致。合理的间作模式比传统单作具有增产优势，首先可能是由于间作系统具有明显的边行效应，通过这种效应的累加使整个系统的生产力得到显著提高，同时降低了生产成本［20］；其次可能是由于不同作物间生物学特性的差异，形成了空间上的合理互补，能够充分利用生态资源，从而提高了单位面积的产量［21］。

3.2 不同间作模式对藜麦养分含量的影响

本研究发现，与藜麦单作相比，在藜麦苗期，藜麦/红豆对全株氮素含量有提高的趋势；在藜麦成熟期，藜麦/红豆对藜麦茎叶的氮素、磷素和钾素含量以及穗部的磷素和钾素含量有提高的趋势。此研究结果与Stern［22］和李隆等［12］的研究结果一致，在禾豆间作体系中，豆科植物促进作物对氮、磷、钾养分的吸收，显著提高了养分利用效率。刘凯等［23］的研究也发现，核桃/黄豆与核桃/花生两种间作模式可以提高核桃幼苗叶片中氮、磷、钾等营养元素的含量。但是在本研究中，藜麦/绿豆和藜麦/黑豆与藜麦单作相比，对苗期全株氮含量和成熟期茎叶氮含量，以及成熟期茎叶和穗的磷钾含量有降低的趋势，可能是不同豆科作物对氮磷钾养分的需求量不同，此原因还有待进一步的研究。本研究发现，藜麦成熟期茎叶氮含量与土壤有效磷含量、有机质含量、全氮含量呈显著正相关；穗部钾含量与土壤速效钾含量、有机质含量呈显著正相关。此研究结果与刘凯等［23］和李金婷等［24］的研究结果基本一致，在与豆科植物的间作模式中，作物的养分含量与土壤养分的关系密切，可以通过改良土壤养分来改善作物的养分积累。

3.3 不同间作模式对土壤理化性质的影响

在藜麦成熟期，与藜麦单作相比，藜麦/黑豆对土壤pH 值有升高的趋势。此研究结果与刘凯等［23］的研究结果一致，核桃/黄豆与核桃/花生两种间作模式可以显著提高土壤的pH 值，使土壤更加优质，促进核桃幼苗的生长。在土壤含水量方面，与藜麦单作相比，间作处理在藜麦苗期和成熟期对土壤含水量的影响不一致，可能与间作地上部不同的生物量有关。黄高宝等［10］研究发现，在与豆科植物间作的种植模式中，豆科植物可以提高非豆科植物根际的营养状况。李淑敏［11］的研究发现，禾豆间作模式下土壤的磷钾含量和肥料利用效率显著增加。茶树与大豆的间作种植显著提高了土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾以及有机质的含量，改善了土壤的肥力状况［24］。本研究表明，藜麦与豆科植物间作尤其是藜麦/红豆显著改善了土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质的含量，与以上研究结果基本一致，这可能与豆科植物的根系分泌物有关［11］。

3.4 不同间作模式对土壤酶活性的影响

大量研究表明，燕麦和豆科混播能够显著改善土壤的酶活性［25］，玉米/大豆间作体系的土壤酶活性显著高于单作处理［26］，木薯/花生间作能够提高土壤过氧化氢酶和酸性磷酸酶的活性［27］，甘蔗与花生间作可以改善作物根际土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性［28］，棉花与不同的作物进行间作后，显著提高了土壤中碱性磷酸酶和脲酶的活性［29］。本研究发现，藜麦与豆科作物的间作尤其是藜麦/红豆显著改善了藜麦生育期土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶和脲酶的活性，与上述研究结果基本一致。与豆科作物的间作系统，提高了土壤的氮素含量，因此使土壤脲酶活性显著增加；可能是因为间作体系的根系密度比较大，分泌的多糖和有机质偏多，从而显著提高了土壤蔗糖酶和磷酸酶的活性［30］。本研究发现，苗期碱性磷酸酶的活性与藜麦产量呈显著正相关，可能是由于豆科植物的根瘤菌以及根系分泌物对土壤养分的分解起到了催化作用，使土壤养分更容易被藜麦吸收，从而提高了产量［30］。

4 结论

藜麦与3 种豆科作物间作的土地当量比LER都大于1，其中藜麦/红豆的LER 最高为1.52。在藜麦生育期，与藜麦单作相比，藜麦/红豆对植株氮磷钾养分的吸收有提高的趋势。在藜麦苗期，藜麦/红豆的碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量显著最高。在藜麦生育期，藜麦/红豆的蔗糖酶和脲酶活性显著最高。藜麦苗期土壤碱性磷酸酶的活性与产量呈显著正相关，成熟期藜麦氮磷钾养分与大部分土壤养分呈显著正相关。在今后的间作栽培体系中，推荐采用藜麦/红豆间作来提高产量、藜麦养分吸收、土壤养分和土壤酶活性。