糯高粱与大豆间作模式下不同带宽配置对糯高粱根际土壤特性及产量的影响

陈思宇,汪 灿,彭方丽,周棱波,张国兵,高 杰,赵 强,邵明波

(贵州省农业科学院旱粮研究所,贵阳 550006)

【研究意义】糯高粱是贵州最重要的特色杂粮作物,其种植面积排名全国第三[1]。贵州属典型喀斯特地貌,耕地面积有限。贵州糯高粱种植区域主要分布在仁怀、习水、金沙、播州、桐梓、正安、黔西、普定和平塘等市(县),糯高粱种植多为大面积常年连作,因此,导致土壤质地恶化,产量降低,品质变劣,严重制约糯高粱原料的可持续生产[2-3]。探讨糯高粱与大豆间作模式下不同带宽配置对糯高粱根际土壤特性及产量的影响,对打破糯高粱连作障碍,指导其优质高产的可持续生产具有重要意义。【前人研究进展】禾本科与豆科间作是农业生产中主要的间作模式之一,其既可以通过豆科作物的固氮作用减少化学氮肥的投入和提高作物产量,也可以促进作物对不同生态位资源的充分利用[4-6]。根际是作物与土壤相互作用的主要区域,对地上和地下生态系统起着联系纽带和桥梁的作用[7]。大量研究[8-10]表明,禾本科与豆科间作会改变作物根际土壤微环境,从而促进地上部和地下部的协调发展。Gong等[11]研究发现,糜子与绿豆间作时糜子根际土壤养分含量和土壤酶活性均显著高于单作糜子。Li等[12]研究表明,玉米间作花生较单作玉米显著增加玉米根际土壤有效氮和有效磷含量以及脲酶和磷酸单酯酶的活性。Xu等[13]通过15N同位素标记微区试验发现,小麦与蚕豆间作可促进小麦根际土壤氮的矿化和硝化作用,提高蚕豆向小麦的净氮转移量,从而增加籽粒产量。赵强等[14]研究发现,糯高粱与大豆和花生间作显著增加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,增强土壤过氧化氢酶、脲酶和多酚氧化酶活性,提高土壤细菌、真菌和放线菌的数量。本研究前期开展糯高粱与大豆、花生、辣椒及红薯等不同作物间作对比试验后认为,糯高粱间作大豆是最理想的间作组合[14],且通过糯高粱间作大豆不同行比配置试验,筛选出糯高粱间作大豆的最适行比配置为2行糯高粱间作1行大豆[3, 15]。【本研究切入点】已有研究对糯高粱间作大豆的最适带宽配置尚不清楚,且目前关于糯高粱间作大豆不同带宽配置下糯高粱根际土壤特性方面的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用完全随机区组设计,以单作糯高粱为对照,设置2行糯高粱与1行大豆间作的不同带宽配置处理,探讨其对糯高粱根际土壤养分含量、土壤酶活性及产量的影响,以期为打破糯高粱连作障碍,指导糯高粱的优质高产及可持续生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年和2022年在贵州省农业科学院旱粮研究所贵阳试验基地进行。试验地土壤为黄壤土,2021年播种前10 cm土层土壤养分含量:有机质54.20 g/kg、全氮0.82 g/kg、全磷0.26 g/kg、全钾36.10 g/kg、碱解氮212.61 mg/kg、有效磷21.40 mg/kg和速效钾12.65 mg/kg;pH 6.94。

1.2 供试材料

糯高粱,品种为红粱丰1号,直立散穗型,株型半紧凑;大豆,品种为阴豆1号,株型紧凑,有限结荚习性。糯高粱和大豆均由贵州省农业科学院旱粮研究所提供。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验采用完全随机区组设计,糯高粱间作大豆按2行糯高粱1行大豆种植,根据带宽配置共设4个处理:T1,带宽120 cm,糯高粱窄行行距40 cm、宽行行距80 cm,糯高粱与大豆间距40 cm;T2,带宽130 cm,糯高粱窄行行距50 cm、宽行行距80 cm,糯高粱与大豆间距40 cm;T3,带宽140 cm,糯高粱窄行行距40 cm、宽行行距100 cm,糯高粱与大豆间距50 cm;T4,带宽150 cm,糯高粱窄行行距50 cm、宽行行距100 cm,糯高粱与大豆间距50 cm;以单作糯高粱为对照(CK)。CK行距60 cm,窝距25 cm,每窝留苗2株,种植5行,小区面积15 m2(长5 m×宽3 m);糯高粱与大豆间作,均为窝距25 cm,每窝留苗2株,各处理包括3个带宽,小区长5 m,宽分别为4.4、4.8、5.1和5.5 m,面积分别为22、24、25.5和27.5 m2。每个处理3次重复,小区间及区组间间隔60 cm,种植行与区组走向垂直,试验地四周种植3行糯高粱作为保护行。糯高粱分别于2021年4月13日和2022年4月8日播种,2021年8月12日和2022年8月28日收获,大豆分别于2021年4月13日和2022年4月8日播种,2021年7月29日和2022年8月8日收获。糯高粱施肥以单作播种为基准,即施总养分≥45%的高效复合肥(含N 14%、P2O515%、K2O 16%)450 kg/hm2作为基肥,拔节期施尿素(含N 46.4%)300 kg/hm2作为追肥;大豆施肥以单作播种为基准,即施总养分≥45%的高效复合肥(含N 14%、P2O515%、K2O 16%)300 kg/hm2作为基肥。间作模式施肥量参照单作模式,根据糯高粱和大豆种植密度进行折算。除草、病虫害防治等田间管理同常规。

1.3.2 指标测定 于糯高粱成熟期在各小区中间条带选择具代表性的糯高粱植株3株,连根挖出后用毛刷收集根际土壤,随后将根际土壤样品送至贵州为莱科技有限责任公司测定土壤养分和土壤酶活性。其中,有机质含量采用重铬酸钾稀释热法测定,全氮含量采用凯氏定氮法测定,全磷和有效磷含量采用钼锑抗比色法测定,全钾和速效钾含量采用火焰光度法测定,碱解氮含量采用碱解扩散法测定,脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定,多酚氧化酶活性采用邻苯三酚比色法测定,蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,硝酸还原酶活性采用酚二磺酸比色法测定,过氧化氢酶活性采用紫外分光光度法测定。最后分小区人工收获糯高粱,脱粒晒干后实测小区糯高粱产量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016和DPS v7.05进行数据统计与分析;采用LSD法进行差异显著性检测(P<0.05);采用SigmaPlot 12.5作图。数据为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同带宽配置处理糯高粱根际土壤的养分含量

2.1.1 有机质 从图1看出,带宽配置对糯高粱根际土壤有机质含量有显著影响。2021年,各处理的有机质含量为52.14～69.85 g/kg,依次为T3>T1>T2>T4>CK,各处理间差异显著,且均显著高于CK。2022年,各处理的有机质含量为58.40～61.12 g/kg,依次为T3>T4>T2>T1>CK,其中,T3显著高于除T4外的其余处理,T4显著高于除T2外的其余处理,CK显著低于除T1外的其余处理。T1～T4的土壤有机质含量2年平均值较CK分别增加13.30%、8.03%、18.47%和6.88%。

不同小写字母表示同一年各处理在P<0.05水平差异显著。下同。Different lowercase letters indicate significant differences of treatment in the same year at P<0.05 level. The same as below.图1 不同带宽配置处理糯高粱根际土壤的有机质含量Fig.1 Organic matter content in rhizosphere soil of waxy sorghum with different bandwidth configurations

2.1.2 氮、磷和钾含量 由表1可知,2021年和2022年不同带宽配置处理糯高粱根际土壤的全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著高于单作糯高粱处理(CK),且均以T3最大。2021年全氮含量为0.78～0.84 g/kg,依次为T3>T2>T4>T1>CK,各处理间差异不显著,但均高于CK;2022年全氮含量为0.91～1.08 g/kg,依次为T3>T2>T4>T1>CK,T3显著高于其余处理,T2显著高于除T4外的其余处理,CK显著低于除T1外的其余处理。T3的全氮含量2年平均值较CK增加13.36%。2021年全磷含量为0.29～0.39 g/kg,依次为T3>T2=T1>T4>CK,各处理均显著高于CK,T3显著高于其余处理,其余处理间差异不显著;2022年全磷含量为0.43～0.51 g/kg,依次为T3>T4>T2>T1>CK,T3显著高于其余处理,T2显著高于除T2外的其余处理,CK显著低于各处理。T3的全磷含量2年平均值较CK增加26.00%。2021年全钾含量为37.96～44.61 g/kg,依次为T3>T4>T1>T2>CK,除T1与T2差异不显著外,其余处理间均差异显著,各处理均显著高于CK;2022年全钾含量为43.62～46.92 g/kg,依次为T3>T4>T2>T1>CK,各处理差异不显著,但除T1外均显著高于CK。T3的全钾含量2年平均值较CK增加12.18%。2021年碱解氮含量为229.06～344.58 mg/kg,依次为T3>T1>T4>T2>CK,除T1与T4差异不显著外,其余处理间差异显著,且均显著高于CK;2022年碱解氮含量为150.92～266.63 mg/kg,依次为T3>T4>T1>T2>CK,T3显著高于其余处理,T4显著高于除T1外的其余处理,CK显著低于除T2外的其余处理。T3的碱解氮含量2年平均值较CK增加60.85%。2021年有效磷含量为19.15～25.79 mg/kg,依次为T3>T4>T1>T2>CK,T3、T4与T1差异不显著,但均显著高于其余处理,T2显著高于CK;2022年有效磷含量为17.06～26.16 mg/kg,依次为T3>T4>T2>T1>CK,T3显著高于其余处理,T2与T4差异不显著,但均显著高于其余处理。T3的有效磷含量2年平均值较CK增加43.47%。2021年速效钾含量为12.22～16.32 mg/kg,依次为T3>T4>T1>T2>CK,T3、T4与T1差异不显著,但均显著高于T2和CK;2022年速效钾含量为14.53～23.60 mg/kg,依次为T3>T4>T2>T1>CK,T3显著高于其余处理,T4显著高于除T2外的其余处理,CK显著低于除T1外的其余处理。T3的速效钾含量2年平均值较CK增加49.24%。

表1 不同带宽配置处理糯高粱根际土壤的氮、磷和钾含量

2.2 不同带宽配置处理糯高粱根际土壤酶活性

从表2看出,不同带宽配置处理糯高粱根际土壤的酶活性存在差异,2021年和2022年各类酶活性均显著高于CK(单作糯高粱处理),且均以T3最大。2021年脲酶活性为132.29～207.94 U/g,依次为T3>T2>T4>T1>CK,各处理间差异显著,且均显著高于CK;2022年脲酶活性为127.61～180.27 U/g,依次为T3>T4>T1>T2>CK,T3显著高于其余处理,CK显著低于除T2外的其余处理,其余处理间差异不显著。T3的脲酶活性2年平均值较CK增加49.37%。2021年多酚氧化酶活性为45.58～53.43 U/g,2022年多酚氧化酶活性为39.81～70.90 U/g,均依次为T3>T4>T2>T1>CK,各处理间差异显著,且均显著高于CK。T3的多酚氧化酶活性2年平均值较CK增加45.61%。2021年蔗糖酶活性为100.60～150.09 U/g,依次为T3>T2>T1>T4>CK,各处理间差异显著,且均显著高于CK;2022年蔗糖酶活性为103.10～208.64 U/g,依次为T3>T4>T1>T2>CK,各处理间差异显著,且均显著高于CK。T3的蔗糖酶活性2年平均值较CK增加76.10%。2021年硝酸还原酶活性为0.29～0.43 U/g,依次为T3>T2>T1=T4>CK,各处理间差异显著,且均显著高于CK;2022年硝酸还原酶活性为103.10～208.64 U/g,依次为T3>T4>T1>T2>CK,T3显著高于除T4外的其余处理,CK显著低于各处理。T3的蔗糖酶活性2年平均值较CK增加55.81%。2021年过氧化氢酶活性为46.29～48.06 U/g,依次为T3>T4>T2>T1>CK,各处理间(除T2与T1外)差异显著,且均显著高于CK;2022年过氧化氢酶活性为37.35～51.38 U/g,依次为T3>T4>T2>T1>CK,T3显著高于其余处理,CK显著低于除T1外的各处理。T3的蔗糖酶活性2年平均值较CK增加18.89%。

表2 不同带宽配置处理糯高粱根际土壤的酶活性

2.3 不同带宽配置处理糯高粱的产量

从图2看出,不同带宽配置对糯高粱产量有显著影响。2021年糯高粱产量为5109.22～6199.18 kg/hm2,2022年为5215.94～6467.29 kg/hm2,均表现为T3>T4>T1>T2>CK。其中,2021年,T3和T4均显著高于其余处理,CK显著低于除T2外的其余处理,其余处理间差异不显著;2022年,T3显著高于除T4外的其余处理,CK显著低于其余处理,其余处理间差异不显著。T1、T2、T3和T4的糯高粱2年平均产量分别较CK增加11.89%、9.28%、22.68%和18.08%。

不同小写字母表示同一年各处理在P<0.05水平差异显著。下同。Different lowercase letters indicate significant differences of treatment in the same year at P<0.05 level. The same as below.图2 不同带宽配置处理糯高粱的产量Fig.2 Yield in rhizosphere soil of waxy sorghum with different bandwidth configurations

2.4 糯高粱根际土壤酶活性与土壤养分含量的相关性

由表3可知,糯高粱根际土壤脲酶活性与有机质和有效磷含量呈显著正相关;多酚氧化酶活性与速效钾含量呈极显著正相关,与全氮、全钾和有效磷含量呈显著正相关;蔗糖酶活性与速效钾含量呈极显著正相关,与全氮、全磷、全钾和有效磷含量呈显著正相关;硝酸还原酶活性与有效磷含量呈极显著正相关,与有机质含量呈显著正相关;过氧化氢酶活性与有效磷含量呈极显著正相关,与碱解氮含量呈显著正相关。

表3 糯高粱根际土壤酶活性与养分含量间的相关性

2.5 糯高粱产量与根际土壤特性的相关性

由图3可知,糯高粱产量与糯高粱根际土壤有效磷含量、多酚氧化酶活性及蔗糖酶活性呈极显著正相关,相关系数分别为0.846、0.777和0.771;与全钾含量、速效钾含量、脲酶活性及硝酸还原酶活性呈显著正相关,相关系数分别为0.734、0.728、0.738和0.735;糯高粱产量与有机质含量、全氮含量、全磷含量、碱解氮含量及过氧化氢酶活性呈正相关但不显著。

图3 糯高粱产量与根际土壤养分含量和酶活性的相关性Fig.3 Correlation between yield and rhizosphere soil nutrient contents as well as enzyme activities of waxy sorghum

3 讨 论

土壤养分含量是评价土壤肥力水平的重要指标。土壤有机质作为土壤固相部分的重要组成成分,是植物营养的主要来源之一,能改善土壤的物理性质,促进土壤微生物的活动及土壤中营养元素的分解,提高土壤的保肥性和缓冲性,从而促进植物的生长发育[16]。土壤氮、磷和钾是评价土壤质地状况的重要指标,反映土壤对植物提供养分的潜能,在平衡土壤养分状况和促进植株生长发育方面发挥重要作用[17-18]。大量研究表明,间作可以改善作物根际土壤养分状况,为作物生长提供必需的营养基础。杨菲等[19]研究发现,棉花与花生间作显著增加土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾的含量。刘亚军等[20]研究发现,马铃薯与蚕豆和荞麦间作模式土壤全氮、全磷、有机质、碱解氮和速效钾含量均高于单作马铃薯处理。Ma等[21]研究发现,茶树与板栗树间作显著增加土壤有机质、全氮、全磷和全钾的含量。本研究中,与单作糯高粱相比,糯高粱间作大豆不同带宽配置糯高粱根际土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著增加,与赵强等[14]的研究结果相吻合。进一步说明糯高粱与大豆间作能改善糯高粱根际土壤的养分状况,为糯高粱的生长发育提供了良好的营养基础。

土壤酶是土壤中植物、动物和微生物活动的产物,其活性的强弱可作为判断土壤生物化学过程强度及评价土壤肥力和养分循环的重要指标之一,如脲酶、蔗糖酶和硝酸还原酶等参与了土壤中氮素的转化及碳水化合物的代谢和贮藏运输[22-23]。Zhou等[24]研究发现,黄瓜与洋葱和大蒜间作土壤脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性显著高于单作黄瓜处理。王庆宇等[25]研究发现,燕麦与黑豆和马铃薯间作较单作燕麦显著增加土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性。詹柳琪等[26]研究发现,玉米与花生间作显著增加花生主要生育时期的土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性。本研究中,糯高粱间作大豆不同带宽配置糯高粱根际土壤脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、硝酸还原酶和过氧化氢酶活性均显著高于单作糯高粱。说明,糯高粱与大豆间作可通过增强脲酶活性促进土壤有机氮向无机氮的转化,并提高土壤无机氮的供应能力;可通过增加多酚氧化酶活性抑制土壤中酚类有害物质的过多积累而减轻对糯高粱植株的伤害;可通过提高蔗糖酶活性促进蔗糖向葡萄糖的水解而为糯高粱植株提供重要的营养来源;可通过增加硝酸还原酶活性加快土壤硝酸盐向亚硝酸盐还原的催化速度而促进糯高粱植株对氮素的吸收和利用;可通过增强过氧化氢酶活性清除过氧化氢等有毒物质而为糯高粱植株生长提供健康的土壤环境。与丁伟等[27-29]的研究结果相似。

土壤酶活性的强弱与土壤养分含量的高低密切相关[30-31]。本研究中,糯高粱根际土壤有效磷含量与脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、硝酸还原酶及过氧化氢酶活性之间的相关性均达显著或极显著水平。说明,在糯高粱与大豆间作体系中,糯高粱根际土壤酶活性受有效磷含量的影响较大。此外,本研究还发现全钾、有效磷和速效钾的含量及脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和硝酸还原酶的活性与糯高粱产量呈显著或极显著相关。说明,在糯高粱与大豆间作体系中,糯高粱产量的形成主要受土壤全钾、有效磷和速效钾的含量及脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和硝酸还原酶的活性调控。带宽配置是间作体系中关键的配套技术之一,合理的带宽配置能为间作作物营造适宜的田间小气候环境,改善土壤质地,促进作物的生长发育和产量形成[32-36]。本研究中,T3的糯高粱根际土壤养分含量、土壤酶活性及产量均表现最好,为糯高粱间作大豆的最适带宽配置。

4 结 论

糯高粱间作大豆不同带宽配置处理对糯高粱根际土壤特性及产量均有显著影响。本试验条件下,带宽140 cm,糯高粱窄行行距40 cm、宽行行距100 cm,糯高粱与大豆间距50 cm模式能更好地改善糯高粱根际土壤环境,从而提高糯高粱产量。