芦 美, 赵吉霞, 李永梅, 王自林, 范茂攀
(云南农业大学 资源与环境学院, 昆明 650201)
土壤侵蚀是指土壤颗粒在受到水力、风力等外力作用时发生破坏、剥蚀和搬运等复杂动态过程,受多种因素的影响[1]。土壤侵蚀的发生致使土壤质量和生产力下降,区域经济和农业可持续发展受到严重影响和限制,现已成为全球性的生态问题[2]。红壤是我国重要的土壤资源,广泛分布于江西、广东、云南等南方地区;南方红壤地区雨热同期,适宜农作物生长,但由于降雨强度大等自然因素及人为因素的干扰,导致该区域成为我国土壤侵蚀程度及范围仅次于黄土高原的地区[3]。红壤坡耕地是云南省主要耕地类型之一,其面积占全省耕地总面积的1/2以上,且水土流失的主要策源地是坡耕地[4]。因此开展对云南省坡耕地红壤抗蚀性的研究工作对该区域农业可持续发展具有重大意义。
土壤团聚体是土壤结构的基本组成单元,其稳定性能很好地反映土壤结构的稳定状况和抗侵蚀能力[5]。土壤团聚体的形成和稳定受多种因素的复杂动态影响,其中土壤微生物是土壤团聚体形成最活跃的生物因素,其对养分的需求可通过调控胞外酶的产生来间接地影响土壤团聚体稳定性;胞外酶活性不仅可以指示微生物的群落结构和对养分需求的变化,其大小还可以表征土壤肥力状况[6]。马寰菲等[6]研究土壤团聚体稳定性与土壤酶活性的关系,得出β-N-乙酰氨基葡萄糖酶、β-葡萄糖苷酶分别是0.25~2 mm,<0.25 mm粒级团聚体稳定性的主要影响因子。球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)主要是由丛枝菌根真菌菌丝释放到土壤中的一类稳定性极强的疏水性蛋白,进入土壤后不仅能够增加土壤中有机碳、氮含量,还能与沙土、黏土颗粒以及有机物质结合形成团聚体结构,对于团聚体稳定性的贡献有“超级胶水”之称,根据提取难易程度可分为总球囊霉素相关土壤蛋白(T-GRSP)和易提取球囊霉素相关土壤蛋白(EE-GRSP)[7]。已有研究表明,GRSP存在于耕地、林地和果园等土地利用中,且对团聚体稳定性有间接影响[8]。因此,研究土壤酶和GRSP与团聚体之间的关系对于改善水土流失有重要作用。
间作是指分行或分带相间种植两种以上作物的种植方式,是云南省主要种植方式之一[4]。前人研究结果表明,间套作不仅能增加作物农艺性状,还能增加土壤酶活性、GRSP含量和减轻坡耕地水土流失[4,9-11]。由于土壤酶活性、AMF分泌GRSP的含量受作物和土壤类型的影响[12],因此在云南省坡耕地红壤条件下土壤酶、GRSP对团聚体的影响是否与其他区域的研究结果一致有待确认。又因根际土壤是植物、土壤和微生物进行物质交换等相互作用最活跃的场所,对其的研究能更直接地反映出AMF对环境因素变化的响应[13]。因此本研究针对云南省红壤坡耕地,设置玉米单作、马铃薯单作、玉米与马铃薯间作3种处理,分析不同种植模式下作物根际土壤的养分含量、酶活性、GRSP含量、团聚体组成和稳定性,以及作物农艺性状和产量的变化,以及分析土壤指标之间的相互关系,为云南省红壤坡耕地种植模式的选择提供理论依据。
田间种植试验于2021年4—10月在云南省昆明市盘龙区松华坝水源保护区大摆社区进行(102°78′5″E,25°27′8″N)。试验地坡度为8°,海拔为2 210 m,年平均气温为16℃,年降雨量为900~1 000 mm,属亚热带季风气候。本研究的田间种植年限为试验地连续种植的第4年,且试验地各小区前3年的种植模式与本研究一致。试验地的pH值为4.9,有机质含量为35.3 g/kg,碱解氮含量为102.1 mg/kg,速效磷含量为19.0 mg/kg,速效钾含量为215.8 mg/kg。种植玉米品种为“云瑞88”,马铃薯品种为“青薯9号”[14]。
本试验采用随机区组设计,设置玉米单作(MM)、马铃薯单作(MP)、玉米与马铃薯间作(IMP)(文中的IM为此处理的玉米,IP为此处理的马铃薯)3个处理,每个处理3个重复,共9个小区,各小区的面积为40 m2(4 m×10 m)[14]。
玉米单作采用宽窄行种植(宽行行距为80 cm,窄行行距为40 cm),株距均为25 cm;马铃薯单作采用等行距种植,行距为60 cm,株距为30 cm;玉米与马铃薯间作采用2∶2的种植模式(种内作物间的行距为40 cm,种间作物间的行距为50 cm),玉米株距为30 cm,马铃薯株距为35 cm。播种时采用穴施,玉米间苗时每穴留一株幼苗。试验期间视田间情况进行浇水和除草作业[14]。
施肥方式采用穴施模式,且施肥量按当地施肥量施用。单作和间作玉米施肥量均为N(尿素,含N 46%):315 kg/hm2,P2O5(过磷酸钙,含P2O516%):120 kg/hm2,K2O(硫酸钾,含K2O 51%):120 kg/hm2,其中氮肥分两次施入(50%做基肥,50%在大喇叭口期进行追肥),磷肥和钾肥全部作基肥施用;单作和间作马铃薯施肥量均为N:150 kg/hm2,P2O5:150 kg/hm2,K2O:225 kg/hm2,全部作基肥施用[14]。
在作物成熟期时运用“S”型5点取样法在各小区内随机选取目标作物,对其株高和茎粗进行测定后将作物整株挖出并运用“抖土法”采集作物根际土壤,将各小区5株作物的根际土壤轻轻混匀并装入塑料盒中带回试验室风干(用于土壤养分、GRSP、酶活性和团聚体的测定),挖出的植株带回实验室,并将地上部和根系分开,用于农艺性状的测定。
1.4.1 指标的测定
(1) 土壤速效磷(AP)、碱解氮(AN)、速效钾(AK)含量和pH值的测定按照鲍士旦主编的《土壤农化分析》进行,使用的方法分别为钼锑抗比色法、碱解扩散法、火焰光度法和酸度计法(土∶水为1∶2.5)[15]。土壤有机碳含量测定:将过1 mm筛的风干土用0.1 mol/l的盐酸酸化后放入TOC(multi N/C 3100)仪进行测定。
(2) 易提取球囊霉素相关土壤蛋白(EE-GRSP)和总球囊霉素相关土壤蛋白(T-GRSP)的提取根据Wright等[16]的方法稍加修改,测定采用考马斯亮蓝显色法。
(3) 土壤脲酶(Urease)、蔗糖酶(Sucrase)、酸性磷酸酶(Acid phosphatase)和过氧化氢酶(Catalase)活性的测定参照关松荫[17]主编的《土壤酶及其研究方法》进行,使用的方法分别为靛酚比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法、磷酸苯二钠比色法和高锰酸钾滴定法。
(4) 土壤团聚体的测定参照Elliott[18]提出的方法进行。
(5) 作物农艺性状和产量的测定。用钢卷尺测定作物的株高(地面到茎叶最高处的垂直高度);用游标卡尺测量作物茎粗(玉米的茎粗测量地面自下而上第3茎节中部的粗度,马铃薯的茎粗测量植株地上5~10 cm处的最大直径)。将作物地上部和根系在105℃下杀青30 min,又于80℃下烘至恒重后测定干重[19]。
(6) 产量的测定:玉米单作随机收获1行(非边行,玉米16穗),随机选取10穗后计算平均单穗粒数。取80℃烘干24 h后的玉米籽粒计算玉米千粒重。玉米间作则随机收获1行(非边行,玉米13穗),运用与单作同样的方法测定平均单穗粒数和千粒重。马铃薯单作小区随机收获5行(非边行),马铃薯间作小区同样随机收获5行(非边行),称量块茎总鲜重并计算小区总薯重量。
1.4.2 数据处理
(1) 土壤有机质的计算公式为[15]:
OM=OC×1.724
(1)
式中:OM为土壤有机质含量(g/kg);OC为土壤有机碳含量(g/kg)。
(2) 玉米和马铃薯产量计算公式分别为:
YM=N×NS×NG×TSW/106
(2)
式中:YM为玉米产量(kg/hm2);N为每1 hm2玉米株数(株/hm2);NS为平均单株穗数(穗/株);NG为平均穗粒数(粒/穗);TSW为千粒重(g)。
YP=TWP×(1%~1.5%)×104/S
(3)
式中:YP为马铃薯产量(kg/hm2);TWP为小区总薯重量(kg);S为小区种植面积(m2)。
(3) 土地当量比计算公式为[20]:
LER=Im/Ym+Ir/Yr
(4)
式中:LER为土地当量比;Im为玉米间作产量(kg/hm2);Ym为玉米单作产量(kg/hm2);Ir为马铃薯间作产量(kg/hm2);Yr为马铃薯单作产量(kg/hm2)。
(4) 平均质量直径的计算公式为[21]:
(5)
(5) >0.25 mm水稳性团聚体含量的计算公式为[21]:
(6)
式中:R0.25为>0.25 mm水稳性团聚体含量(%);Mr>0.25为粒径>0.25 mm团聚体累计质量(g);MT为各粒级水稳性团聚体质量之和(g)。
使用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理。采用SPSS 25软件的独立样本T检验比较法进行统计分析各指标在不同种植模式下的差异显著性(α=0.05)。运用Origin 2018软件进行绘图。各指标之间的冗余分析使用Canoco 5软件进行。
由表1可知,玉米间作与玉米单作相比其根际土壤的OM含量显著降低了10.58%(t=3.20,p=0.033),EE-GRSP和T-GRSP含量分别显著增加了29.95%,30.10%(tEE-GRSP=-3.90,pEE-GRSP=0.018;tT-GRSP=-7.59,pT-GRSP=0.002);马铃薯间作与马铃薯单作相比其根际土壤的OM,AP和T-GRSP含量分别显著增加了13.53%,46.53%,31.65%(tOM=-4.67,pOM=0.010;tAP=-7.11,pAP=0.002;tT-GRSP=-2.91,pT-GRSP=0.044),EE-GRSP/T-GRSP显著降低了14.19%(t=3.06,p=0.038)。
表1 不同种植模式下作物根际土壤养分含量、GRSP含量及其比值的变化Table 1 Changes of nutrient content, GRSP content and its ratio in crop rhizosphere soil under different planting patterns
玉米间作的脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性相比于玉米单作均显著增加(t脲酶=-3.26,p脲酶=0.031;t蔗糖酶=-3.46,p蔗糖酶=0.026;t酸性磷酸酶=-4.06,p酸性磷酸酶=0.015;t过氧化氢酶=-7.95,p过氧化氢酶=0.001),其值分别为25.30%,40.31%,17.90%,17.63%;马铃薯间作与马铃薯单作相比,除蔗糖酶活性有降低趋势外(p>0.05),脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性均显著增加(t脲酶=-4.06,p脲酶=0.015;t酸性磷酸酶=-2.66,p酸性磷酸酶=0.050;t过氧化氢酶=-15.43,p过氧化氢酶<0.001),其值分别为34.79%,20.08%,15.69%(图1)。
注:图中的“*”表示同一种作物在不同种植模式下各指标差异显著(p<0.05)。图1 作物在不同种植模式下其根际土壤酶活性的变化Fig. 1 Changes of enzyme activity in rhizosphere soil of crops under different planting patterns
在不同处理中,0.5~2 mm粒级团聚体含量所占比例最高,分布范围为35.33%~45.44%。玉米间作与玉米单作相比>2 mm粒级团聚体含量、R0.25和MWD值均显著增加(t>2 mm=-3.835,p>2 mm=0.019;tR0.25=-3.002,pR0.25=0.040;tMWD=-6.49,pMWD=0.003),其值分别为91.76%,24.50%,41.29%,<0.25 mm粒级团聚体含量显著降低了62.85%(t=3.002,p=0.040);马铃薯间作与马铃薯单作相比0.5~2 mm粒级团聚体含量、R0.25和MWD均显著增加(t0.5~2 mm=-3.258,p0.5~2 mm=0.031;tR0.25=-3.687,pR0.25=0.021;tMWD=-3.35,pMWD=0.029),其值分别为16.47%,15.04%,10.81%,<0.25 mm粒级团聚体含量显著降低了37.91%(t=3.687,p=0.021)。说明玉米与马铃薯间作可显著增加两种作物根际土壤水稳性团聚体百分含量和稳定性(表2)。
表2 作物在不同种植模式下其根际土壤团聚体组成和稳定性的变化Table 2 Changes in the composition and stability of rhizosphere soil aggregates under different cropping patterns
玉米间作与玉米单作相比地上部干重、根系干重均显著增加(t地上部干重=-3.67,p地上部干重=0.021;t根系干重=-4.75,p根系干重=0.009),其值分别为37.89%,51.02%;马铃薯间作与马铃薯单作相比地上部干重和根系干重均显著增加(t地上部干重=4.95,p地上部干重=0.008;t根系干重=2.82,p根系干重=0.048),其值分别为45.97%,98.03%;玉米与马铃薯间作时土地当量比为1.81>1,说明这两种作物间作能促进彼此生长且有增产优势(表3)。
表3 不同种植模式下作物农艺性状和产量的变化Table 3 Changes of crop agronomic traits and yield under different planting patterns
由图2可得,pH值、AN与各指标间的关系均不显著(p>0.05),AP,OM与蔗糖酶呈显著的负相关关系(p<0.05),EE-GRSP,T-GRSP、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶与R0.25,MWD间均呈显著正相关关系(p<0.05)(图2)。
注:图中红色表示正相关,蓝色表示负相关;*代表p≤0.05,**代表p≤0.01。图2 土壤养分、酶活性、GRSP和团聚体指标之间的相关性Fig. 2 The correlation between soil nutrients, enzyme activity, GRSP and aggregate index
针对土壤GRSP、酶与团聚体指标之间的相互关系,以土壤酶(脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶)和GRSP(EE-GRSP,T-GRSP)为解释变量,R0.25和MWD为响应变量,利用冗余分析方法进一步分析影响团聚体指标的主要因子。结果表明,第1轴和第2轴累计解释量分别为78.26%,2.07%,土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、EE-GRSP,T-GRSP分别解释了土壤团聚体指标变异的10.6%(p=0.096),3.1%(p=0.394),59.5%(p=0.004),4.7%(p=0.254)和2.4%(p=0.42),对土壤团聚体R0.25和MWD的影响由大到小分别为过氧化氢酶>脲酶>EE-GRSP>酸性磷酸酶>T-GRSP,其中过氧化氢酶对R0.25和MWD的影响达到显著水平(p<0.05),说明在本研究的条件下过氧化氢酶是影响土壤团聚体组成和稳定的主要因子(图3)。
图3 土壤酶活性、GRSP与团聚体指标间的冗余分析Fig. 3 Redundancy analysis between soil enzyme activity, GRSP and aggregate index
种植模式改变土壤养分含量的原因可能与作物根系的分泌物含量、土壤酶活性以及微生物代谢有关[22]。本研究中玉米间作与玉米单作相比根际土壤中的OM含量显著降低,这可能由于玉米间作时根系分泌物含量增加[23],土壤中难溶性养分在根系分泌物的络合和螯溶作用下转化为有效态,从而使有机质含量降低[11];也可能是玉米与马铃薯间作时AMF会促进种间竞争力和菌根依赖性高的玉米吸收更多土壤中的养分,致使间作玉米根际土壤中有机质含量降低[24]。本研究结果与瓮巧云等[25]研究间作对玉米根际土壤OM含量变化结果一致。马铃薯间作与马铃薯单作相比根际土壤的OM,AP含量显著增加,这可能是间作时玉米根系分泌物促进马铃薯根系的生长发育,使马铃薯根系分泌到土壤中的有机物质含量和酸性磷酸酶增加,在酸性磷酸酶的作用下,土壤中难溶态磷转化为无机有效磷的效率增加,从而提高了速效磷含量[11]。唐秀梅等[11]研究玉米与花生间作时作物根际土壤养分含量的变化,得出花生间作与花生单作相比根际土壤的AP含量显著增加,OM含量有增加趋势,本研究结果与其一致。
与单作相比,玉米与马铃薯间作时两种作物根际土壤的GRSP含量均有增加趋势,这可能是由于玉米与马铃薯间作促进了两种作物根系的生长[26],相比于单作可增加AMF的侵染几率,使AMF的丰度和活性增强,产生的孢子密度增加,从而能产生更多的GRSP[26-27]。此外,玉米与马铃薯间作时玉米根系分泌总糖含量增加,为AMF的生长发育提供了丰富的碳源和能源物质,使AMF菌丝释放到土壤中的GRSP含量增加[23,10]。赵德强等[10]研究间作对玉米土壤GRSP含量的影响,得出间作条件下EE-GRSP和T-GRSP含量均显著高于单作,这与本研究结果一致。伏云珍等[28]研究玉米与马铃薯间作时作物根际土壤中AMF的变化,得出马铃薯间作相比于马铃薯单作其根际土壤中AMF的OTU数和α多样性指数均增加,这也从侧面证实了本研究的结果。本研究还得出马铃薯间作根际土壤中EE-GRSP占T-GRSP的比例显著低于马铃薯单作,这可能是因为间作条件下土壤的人为扰动较大,使EE-GRSP更易消耗或向T-GRSP转化[29]。
本研究结果表明,除马铃薯间作的根际土壤蔗糖酶活性相比于单作有降低趋势外,玉米、马铃薯间作的脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性相比于相应的单作均显著增加。说明玉米与马铃薯间作可促进两种作物根际土壤中的物质循环和能量转化。这可能是由几个方面导致的,一方面玉米与马铃薯间作时根系发生相互作用,使根际土壤的生境由于有机物转化速度加快和生物氧化代谢活性的加强发生改变,从而促进了根系向土壤中分泌酶的数量,酶活性因而得到提高[30];另一方面,施入土壤中的化学肥料通过改变土壤养分含量和微生物区系来影响土壤酶活性,已有研究表明施入氮肥可增加土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性[30]。唐秀梅等[11]研究玉米与花生间作对作物根际土壤酶活性的影响,得出在间作模式下,玉米和花生根际土壤的脲酶和酸性磷酸酶活性均高于单作,本研究结果与其一致;张道勇等[31]研究苹果树间作白三叶对苹果树不同土层酶活性的影响,结果表明在0—20 cm土层中过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性均有增加趋势,本研究结果与其一致。
土壤团聚体的各团粒组成与其稳定性密切相关,是土壤肥力的重要因素;R0.25和MWD可以衡量土壤团聚体稳定性,当值越大说明土壤团聚体稳定性越好[21]。本研究得出,与单作相比,玉米与马铃薯间作可显著增加玉米根际土壤的>2 mm粒级团聚体含量和马铃薯根际土壤0.5~2 mm粒级团聚体含量,同时也能使两种作物根际土壤R0.25和MWD显著增加。说明玉米与马铃薯间作可促进作物根际土壤形成大团聚体以及增加团聚体稳定性。这与向蕊等[32]研究间作对土壤团聚体组成和稳定性的影响结果一致。产生这一结果的原因可能有以下几方面:(1) 玉米是高位作物,马铃薯是矮位作物,它们间作时可以增加地表覆盖度,且马铃薯茎叶的拦截作用可降低从玉米叶片上聚成的雨滴重力势能,从而减小土壤侵蚀[4];(2) 根系是作物固土的主要部分,间作时马铃薯和玉米根系形态特征得以促进,形成更大的网络结构,从而增加了土壤团聚体稳定性[33];(3) 间作时使作物根系和真菌菌丝产生更多的土壤团聚体形成和稳定的胶结物质,如糖类、有机酸类以及糖蛋白类物质等[34];(4) 间作可使马铃薯根际土壤的球囊霉属和类球囊霉属丰度增加,这两种属产生的菌丝分枝结构有利于团聚体的形成和稳定[28,34]。
本研究得出,间作显著提高了玉米和马铃薯的地上部干重和根系干重,说明玉米与马铃薯间作时不仅促进了作物地上部和根系生长,也增加了其根系的固土能力,这可能是由于高位玉米与矮位马铃薯间作时,在作物生长前期由于玉米的遮荫程度较低较适于马铃薯生长,且马铃薯对光能竞争的反应增加了其地上部的生长,以获得更高层次的光能,在作物生长中期时玉米的遮荫作用较大,促进了马铃薯茎叶中的干物质转移到地下部分,促进其根系生长,因此间作条件下马铃薯的地上部和地下部生物量均增加[34-35],这与马传功等[4]研究玉米与马铃薯间作对玉米农艺性状的结果类似。本研究还得出玉米与马铃薯间作有间作产量优势,这与田双燕等[35]研究玉米与马铃薯间作对马铃薯生长和产量的影响结果一致。
土壤酶活性的变化是土壤酶对土壤理化性质、土壤类型、植被等综合环境因素的响应[36]。GRSP是土壤有机碳的主要成分,具有超强的黏性和抗分解性,当其进入土壤后可黏结土壤颗粒最终形成大团聚体[37]。本研究相关分析表明,pH,AN与各指标间的关系均不显著,AP,OM与蔗糖酶呈显著的负相关关系,这与谢奎等[38]研究结果不一致,可能与马铃薯、玉米品种以及土壤类型的不同有关。土壤EE-GRSP,T-GRSP、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶与R0.25,MWD间均呈显著正相关关系,说明在本研究条件下脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶以及GRSP显著影响玉米和马铃薯根际土壤大团聚体的形成和团聚体稳定性。马建辉等[37]研究发现,EE-GRSP,T-GRSP、脲酶与MWD呈显著正相关关系,本研究结果与其一致。进一步利用冗余分析得出,对土壤团聚体R0.25和MWD的影响由大到小分别为过氧化氢酶>脲酶>EE-GRSP>酸性磷酸酶>T-GRSP,其中过氧化氢酶对的R0.25和MWD的影响达到显著水平,说明在本研究的条件下过氧化氢酶是影响土壤团聚体组成和稳定的主要因子。
(1) 与单作相比,玉米与马铃薯间作使玉米根际土壤的EE-GRSP和T-GRSP含量分别显著增加了29.95%,30.10%,使马铃薯根际土壤OM,AP,T-GRSP含量分别显著增加了13.53%,46.53%,31.65%,EE-GRSP/T-GRSP值显著降低了14.19%。
(2) 除马铃薯间作的根际土壤蔗糖酶活性与单作相比有降低趋势外,玉米、马铃薯间作的脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性相比于相应的单作均显著增加,玉米的增幅为17.63%~40.31%,马铃薯的增幅为15.69%~34.79%。
(3) 与单作相比,玉米与马铃薯间作可促进玉米和马铃薯根际土壤大团聚体的形成(分别为>2 mm,0.5~2 mm粒级),且可显著增加两种作物根际土壤团聚体的R0.25和MWD值。
(4) 与单作相比,玉米与马铃薯间作均可显著增加两种作物的地上部和根系的干重。玉米与马铃薯间作时土地当量比为1.81>1,具有间作产量优势。
(5) 相关性分析得出,EE-GRSP,T-GRSP、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶均与团聚体的R0.25和MWD呈显著正相关关系。冗余分析得出,各指标对团聚体指标的影响由大到小分别为过氧化氢酶>脲酶>EE-GRSP>酸性磷酸酶>T-GRSP,其中,过氧化氢酶是影响土壤团聚体组成和稳定的主要的影响因子。