甘薯玉米间作对土壤性质与作物产量的影响

时间：2024-05-25

储凤丽，李淑敏，刘亚军，王明乾，王文静，胡启国，石静，杨爱梅

（1.商丘市农林科学院，河南商丘476000；2.商丘市睢阳区农业技术推广中心，河南商丘476000；3.商丘市睢阳区农业农村局，河南商丘476000）

甘薯因具有多种营养价值，还有抗癌作用，被人们广泛接受[1]。近年来，随着粮食安全概念的提出，甘薯被选作重要粮食安全和经济能源作物[2]。随着甘薯产业的快速发展，甘薯常年连作种植，造成产量下降、品质降低，连作障碍问题日益突出，而有研究表明，合理的间套作是缓解连作障碍的有效途径[3-4]。间套作是一种集约化生产方式，其分别利用不同作物种间促进和互利共生原理，使不同作物在不同时间、空间上更加有效地对水肥气热等自然资源进行利用，直接或间接地影响作物地上地下部的生长发育[5]。已有学者研究表明，合理的间套作具有明显的产量优势，分析认为，间作种植提高了作物光合作用能力，促进光合产物向营养器官的运输及分配，从而表现出优于单作种植的产量优势[6-8]；也有学者研究表明，合理间套作可以提高作物根系对土壤矿质元素的吸收能力，改善土壤生物学特性，优化土壤微生态环境，从而促进作物的生长发育[9-11]。

甘薯间作在我国西南地区广泛流行，并取得了较好的成绩，但我国地域辽阔，气候差异较大，不同地区甘薯间作作物种类选择有较大不同。

本研究结合本地黄淮海气候条件和作物生长习性，期望通过甘薯间作玉米种植，提高土壤养分含量、改善土壤生物学特性、提高土地产能，为缓解黄淮海地区甘薯连作障碍提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019年在商丘市农林科学院试验示范基地进行。地处东经116°38′、北纬39°93′，海拔53 m。试验地属于典型的暖温带季风气候，日照时长大约2 200 h，无霜期大约210 d，年降水量686.5～872.9 mm，降水集中在6—10月，年平均积温（≥10℃）4 187～5 155℃。供试土壤为黄潮土，质地为沙质土。基础土壤肥力：全氮0.38 g/kg、全磷0.54 g/kg、碱解氮28.22 mg/kg、速效磷39.68 mg/kg、速效钾142.6 mg/kg、有机质2.63 g/kg、pH值8.12。

1.2 试验材料

供试甘薯、玉米品种分别为商薯18号、郑单958。

1.3 试验设计

试验地选在连续种植2 a的甘薯地块，采用单因素随机区组设计。设3个处理，分别为甘薯单作、玉米单作、甘薯间作玉米，4次重复。甘薯株距26 cm，行距80 cm；玉米株距26 cm，行距60 cm；小区长5.4 m，小区面积27 m2，试验地周围设置3 m保护行，甘薯平栽。甘薯生育期为6月10日至10月10日，玉米生育期为6月12日至9月25日。试验基施复合肥750 kg/hm2、过磷酸钙450 kg/hm2。在甘薯收获期通过土钻利用5点取样法采集2种作物之间的土壤样品。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤理化性状的测定土壤全氮、全磷、有机质、速效氮、速效磷、速效钾、pH值的测定分别采用半微量凯氏法、高氯酸-浓硫酸法、重铬酸钾容量法－外加热法、碱解扩散法、碳酸氢钠法、醋酸铵－火焰光度计法、水土比5∶1法[12]。

1.4.2 土壤呼吸强度、酶活性的测定土壤呼吸强度、土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶的测定分别采用静态气室法、苯酚钠-次氯酸钠比色法、磷酸苯二钠比色法、高锰酸钾滴定法[13]。

1.4.3 产量及其测算方法甘薯、玉米全部收获测产，计算土地当量比（LER）和种间竞争能力（Asc）。

式中，Yis和Yic分别为间作甘薯产量和间作玉米产量，Yms和Ymc分别为单作甘薯产量和单作玉米产量；LER为土地当量比，是衡量作物是否有间作优势的重要指标，当LER＞1时，表明间作有产量优势，当LER＜1时，表明间作有产量劣势。

式中，Ps和Pc分别为间作处理甘薯、玉米所占面积比例。当Asc＞0时，表明甘薯竞争能力强于玉米；当Asc＜0时，表明甘薯竞争能力弱于玉米[14]。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2003进行数据处理，利用SPSS 17.0最小显著性差异法进行差异显著性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 甘薯玉米间作栽培对土壤理化性质的影响

表1甘薯间作对土壤理化性状的影响

在甘薯收获期时进行土壤养分含量测定时发现，间作处理土壤各养分含量与单作处理相比发生了较大变化。从表1可以看出，间作处理中土壤全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量最低，有机质含量最高，土壤全磷含量低于单作甘薯处理，高于单作玉米处理。其中，间作处理土壤全氮、速效氮、速效磷含量较单作甘薯分别显著（P＜0.05）下降13.33% 、10.39% 、16.84% （P＜0.05），间作处理速效钾含量较单作玉米显著下降11.27% （P＜0.05），而土壤有机质含量分别较单作甘薯、单作玉米显著增加5.76% 、12.37% （P＜0.05）。说明甘薯间作改变了作物对土壤养分的需求及利用能力。间作处理土壤全速效养分降低，有机质含量增加，原因可能是玉米是喜磷作物，甘薯间作玉米种植时促进了作物对磷的利用，而甘薯需氮肥较少、需钾肥较多，因此，甘薯间作玉米种植时促进了间作体系不同根系对土壤速效养分含量的利用及吸收，从而促进了作物的生长发育。由此可知，甘薯间作栽培从根本上解决了土壤中养分吸收的不均衡，提高了土壤养分吸收和转化效率。

2.2 甘薯玉米间作对土壤酶活性及呼吸强度的影响

从表2可以看出，间作处理土壤生物酶活性及土壤呼吸强度较单作处理表现出不同的变化趋势。间作处理碱性磷酸酶含量最高，过氧化氢酶含量最低，脲酶含量低于单作甘薯处理、高于单作玉米处理，土壤呼吸强度最高。其中，间作处理碱性磷酸酶较单作甘薯显著（P＜0.05）增加25.00% （P＜0.05），过氧化氢酶显著降低24.62% （P＜0.05）。间作处理脲酶含量低于单作甘薯处理、高于单作玉米处理，分析认为，甘薯间作玉米时不同作物根系的相互交错及分泌物的相互侵染，促进了根系对土壤速效氮的利用，提高了土壤中脲酶含量。间作处理过氧化氢酶的降低、呼吸强度的增加均说明间作栽培时提高了土壤的疏松度，改善了根系的呼吸能力，减弱了根系的无氧呼吸。由此可知，间作栽培对土壤生物学特性的改善具有一定的促进作用。

表2甘薯玉米间作对土壤生物学特性及呼吸强度的影响

2.3 甘薯玉米间作对作物产量的影响

从表3可以看出，间作处理中作物产量较各单作处理表现出不同的变化特点。其中，间作甘薯产量较单作甘薯降低2.04% ，间作玉米产量较单作玉米增加9.76% ，间作处理土地当量比为1.12，表明甘薯间作玉米具有产量优势，而种间竞争能力-0.26，表明间作体系中甘薯的竞争能力弱于玉米。分析认为，玉米是喜磷作物，而甘薯对钾肥需求较多，对氮肥需求较少，二者间作栽培时可促进作物根系对土壤养分的吸收利用，从而表现出产量优势。由于玉米是长势较高作物，后期生长时对相邻的甘薯有明显的遮阴作用，造成甘薯光合作用减弱，运输到各营养部位的干物质减少，造成甘薯产量降低，表现出甘薯种间竞争能力弱于玉米。

表3间作对作物产量的影响

2.4 间作甘薯产量与土壤速效养分、生物学特性之间的相关性分析

从表4可以看出，对间作甘薯产量与土壤速效养分及生物学特性进行相关分析时发现，甘薯产量与土壤中各因子之间的相关性均有所差异，其中，甘薯产量与土壤速效磷、速效钾、有机质、磷酸酶呈正相关关系，与其中的土壤速效磷、速效钾、磷酸酶呈显著正相关（P＜0.05），与土壤速效氮、过氧化氢酶、脲酶呈负相关。速效氮与速效钾呈极显著正相关（P＜0.01），与脲酶呈极显著负相关。速效磷与磷酸酶呈极显著正相关；有机质与磷酸酶呈极显著负相关。由以上结果可知，作物产量与土壤速效磷、速效钾、有机质、磷酸酶呈正相关性，因此，土壤速效磷、速效钾、有机质、磷酸酶含量的增多会促进甘薯产量的提升，尤其是土壤速效磷、速效钾、磷酸酶含量的变化。而土壤速效氮、过氧化氢酶、脲酶含量的增加反而抑制甘薯产量的提升。由此可知，甘薯间作栽培时作物产量的变化与土壤养分含量、生物学特性存在着紧密的联系。

表4间作甘薯产量与土壤速效养分、生物学特性之间的相关关系

3 讨论

3.1 甘薯玉米间作对土壤理化性质和生物学特性的影响

土壤养分是绝大多数农作物通过根系摄取营养的主要来源之一，土壤养分含量的高低关系着植株能否健康生长或生存[15]。有大量的研究表明，合理的间套作能够促进作物根系对养分的吸收及利用，改善土壤养分质量，进而提高土壤的持续供肥能力[16-18]。本研究结果表明，由于间作体系不同作物具有不同的生长习性和需肥特性，以及地下根部根系的相互交叉作用，改善了土壤微生态环境，促进了养分吸收和转化的有效性，平衡根系对土壤各养分的需求，提高了间作体系中根系对土壤中各养分的利用能力，减少土壤中养分的无效淋失浪费。而有机质含量的增加说明间作栽培有利于保持土壤的肥沃。

土壤酶是土壤生态系统中物质交换过程和能量循环的重要生物活性物质，土壤酶活性的大小是衡量土壤肥力以及养分吸收转化的重要指标[19]。土壤磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性能够分别反映出土壤磷素供应状况、土壤氮素转化水平和土壤有机质的转化速度[20]。已有研究证明，间作能有效地改善土壤中的酶活性，进而影响作物根系对土壤各养分的吸收及利用[21-22]。本研究结果表明，间作栽培提高了磷酸酶活性，降低了过氧化氢酶活性，提高了土壤根系呼吸强度。分析认为，土壤酶活性的变化可能与土壤各养分含量的变化有关，间作栽培改变了根系对土壤各养分含量的吸收利用，进而改变土壤中酶活性的大小。而呼吸强度的增加说明间作栽培时有利于提高土壤疏松度，改善了根系的呼吸能力，对作物的生长发育有着良好的促进作用。由此可知，甘薯玉米间作栽培促进了土壤酶活性的变化，使得酶活性与土壤环境因子变化更为紧密。

3.2 甘薯玉米间作对作物产量及其产量优势的影响

合理的作物选择及搭配是发挥间作优势的基础[23]。间套作不仅能从根系上解决养分吸收的不均衡，更能因为作物生长习性的不同和养分需求的互补，提高作物根系对土壤养分的吸收和利用，从而促进作物的生长发育[24]。有研究表明，合理的间套作有利于增加作物产量及产值[5，25]。本研究结果表明，间作栽培时甘薯产量降低，玉米产量增高，甘薯间作玉米具有产量优势，但甘薯的种间竞争能力弱于玉米。甘薯、玉米间作具有产量优势，分析认为，间作体系的根系由于相互交错及分泌物的相互侵染，改变了根系对土壤各养分的需求及利用能力，促进了作物的生长发育，从而表现出产量优势。甘薯竞争力弱于间作体系的玉米，是由于玉米是较高长势作物，生长后期对相邻作物甘薯有明显的遮阴作用，使得甘薯光合作用明显减弱，干物质累积减少，甘薯产量下降，表现出弱于单作处理，而玉米产量高于单作处理。从甘薯产量与土壤速效养分、生物学特性的相关分析来看，甘薯的生长发育受多种外界环境因子的影响，间作栽培时，由于间作体系不同作物具有不同的生长习性和需肥特性，对土壤各养分有不同的需求，改善了作物根系对土壤养分的利用能力，减少了土壤养分的淋失浪费，从而促进了作物的生长发育。由此可知，甘薯、玉米间作种植具有明显的产量优势，能够促进作物根系对土壤养分的吸收利用，改变土壤生物学特性，但对土壤微生态环境的改善仍缺乏探讨，值得进一步研究。