豆科绿肥间作对小青菜品质和土壤酶活性的影响

李梦璐,胡雪峰,代会会,罗 凡,张培枫,安柏年

(上海大学环境与化学工程学院,上海200444)

不同种类作物间作不仅能够提高土壤利用率[1],增加作物总产量和综合经济效益[2],还有助于提高土壤有效养分含量、增加土壤微生物数量[3-5],从而维持土壤的健康和可持续性[6].豆科作物因其独特的根瘤结构产生的固氮作用成为间作的首选作物[7-8].豆科作物紫云英和箭舌豌豆常作为冬季绿肥使用,可为下茬作物提供氮肥并有效防止因化肥施加过多而造成的土壤退化现象[9].将冬季豆科绿肥作物与牧草以一定的比例种植,可有效提高牧草产量和蛋白质含量[10].在有机农业条件下,将冬季豆科绿肥与小麦间作有望改善有机农业土壤养分的不足,提高小麦的产量[11].

在上海地区,普遍实行夏季水稻-冬季绿肥栽培模式,用以改土培肥,增产增收[12-13].紫云英是稻田冬季绿肥的首选.将冬季豆科绿肥与小麦或牧草间作,也可以达到增产的效果.小青菜是上海地区冬季常见的蔬菜品种.小青菜与冬季豆科绿肥间作是否对小青菜的产量和品质产生影响,尚未见有相关报道.因此,本工作通过田间试验,研究冬季豆科绿肥紫云英或箭舌豌豆与小青菜间作对小青菜菜苔产量及品质、土壤酶活性和土壤养分含量的影响,为小青菜生态栽培提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

上海地处长江入海口,属亚热带湿润季风气候,四季分明,年平均降雨量为1 173.4 mm.一月份最冷,平均气温为4.9◦C;七月份最热,平均气温30.9◦C.田间试验位于上海市青浦区金泽镇沙港村,距离上海饮用水源地淀山湖4.3 km.试验区地下水位高,多为稻区,成土母质多为河湖相沉积物,重黏质.试验区域背景土壤的基本性状如表1所示.

表1 试验区域背景土壤的基本性状Table 1 Physical–chemical properties of background soils in the study areas

1.2 试验设置和采样

供试作物为小青菜(Chinese Kale,Brassica chinensis L.H.Bailey),品种为上海青;用于间作的冬季绿肥为紫云英(Chinese milk vetch,Astragalus sinicus L.)和箭舌豌豆(Spring vetch,Vicia gigantea Bge.).设置3个种值处理,即小青菜紫云英间作(CM)、小青菜箭舌豌豆间作(CS)和小青菜单作(CK),每个处理设3个平行小区,小区随机分布,面积为7.5 m2(5.0 m×1.5 m),小区间预留30 cm的空地作为间隔.

2013年10月上旬,在苗圃棚内小青菜播种育苗.10月中旬,在试验小区撒播箭舌豌豆和紫云英种子,播撒量分别为3.0 kg/(667 m2)和2.0 kg/(667 m2).11月中旬,箭舌豌豆和紫云英出苗后,将小青菜移栽至试验小区,行间距均为15 cm.为了增加绿肥生物量,冬季和早春设置田间塑料矮棚增温,棚高0.6 m,总长48 m.

2014年2月初,小青菜开始抽苔.2月中旬,菜苔成熟.2月20日在每小区内任选10株菜苔,测量高度;采集小区内菜苔的可食用部分,称重,记作菜苔产量Ⅰ;3月6日,再次采收各小区菜苔,称重,记作菜苔产量Ⅱ.菜苔用作品质分析.3月10日,拔除小青菜,翻压全部绿肥入土.3月24日、4月29日和6月4日分别在各小区采集耕作层(0～20 cm)土样.样品采集后,立即带回实验室,置于4◦C下保存,用于土壤酶活性的测定,以绿肥入土前土壤样品为对照.

1.3 样品分析

(1)菜苔品质测定[14].菜苔品质的测定均采用新鲜蔬菜样品,其中可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝染料结合法测定,可溶性总糖含量采用蒽酮比色法测定,有机酸含量采用指示剂滴定法测定,叶绿素含量采用分光光度法测定.

(2)土壤酶活性测定[15].脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定,结果以NH3-Nµg·g−1(37◦C,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◦C,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◦C,3 h)表示;过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定,结果以0.01 mol·L−1高锰酸钾的mL·g−1表示.

2结果

2.1 菜苔株高及产量

表2为豆科绿肥间作对菜苔株高及产量的影响.由表2可知:第一次采收,小青菜单作的菜苔产量显著高于紫云英间作和箭舌豌豆间作(p<0.05);但第二次采收时,紫云英和箭舌豌豆间作的菜苔产量均高于小青菜单作产量.综合两次采收,紫云英间作时菜苔的总产量显著高于对照(小青菜单作)(p<0.05),增产效果最显著;箭舌豌豆间作的增产效应也较明显.另外,紫云英间作和箭舌豌豆间作使小青菜菜苔分别增产28.4%和20.2%,但对小青菜株高并没有显著影响.

表2 豆科绿肥间作对菜苔株高和产量的影响Table 2 Effects of different intercropping treatments on plant height and yield of Chinese Kale

2.2 菜苔品质

表3为豆科绿肥间作对菜苔品质的影响.由表3可知,紫云英和箭舌豌豆间作时菜苔中可溶性蛋白质含量均显著高于单作(p<0.05),与对照(单作)相比分别增加33.6%和27.3%.同样,紫云英和箭舌豌豆间作时菜苔中可溶性糖含量也均显著高于单作(p<0.05),与对照(单作)相比分别增加73.6%和62.6%.豆科绿肥间作对菜苔有机酸和叶绿素含量无显著影响.这表明豆科绿肥间作有利于改善小青菜菜苔品质.

表3 豆科绿肥间作对菜苔品质的影响Table 3 Effects of different intercropping treatments on quality of Chinese Kale

2.3 土壤酶活性

图1为豆科绿肥间作对土壤酶活性的影响,同一列中a,b,ab表示各处理在(p<0.05)水平上差异显著.由图可以看出,不同处理方式下土壤酶活性有相似的变化规律.早春(2月20日)塑料棚尚未撤除时,棚内气温和湿度较高,土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性达最高.3月24日,塑料棚去除豆科作物翻压后的两周,各种酶的活性均最低.这可能与塑料棚拆除,气温骤降,以及大量植物残枝分解导致土壤短期缺氮等因素有关.但之后(从4月29日至6月4日)气温回暖,4种酶的活性都逐渐升高.

豆科绿肥间作时土壤脲酶、蔗糖酶与磷酸酶的活性大多显著高于对照(小青菜单作)(p<0.05);而紫云英间作和箭舌豌豆间作相比较,土壤的酶活性并没有显著性差异.豆科绿肥间作与对照相比较,过氧化氢酶的活性未见显著差异(p>0.05).这表明豆科绿肥间作能够显著提高多数土壤酶的活性,但对过氧化氢酶活性没有显著影响.

图1 豆科绿肥间作对土壤酶活性的影响Fig.1 Effects of different intercropping treatments on soil enzyme activities

3讨论

合理科学的间作对于作物养分的吸收有显著促进作用.不同作物的间作,种间根际作用可以促进钾磷氮养分的吸收,提高养分利用效率[16].例如玉米和辣椒间作条件下,根系的形态结构对植物吸收利用土壤中的钾磷氮产生重要影响,种间根际效应对磷的吸收有明显促进作用[17].大豆和甘蔗间作可以提高总产量和土地利用效率,减少对氮素的需求,同时又保证土壤肥力的稳定性和甘蔗的产量[18].Chapagain等[19]发现,无论是将小麦与豌豆间作还是混种,其总产量均高于二者分别单作.Sadeghpour等[20]将小麦与豆科作物苜蓿间作,指出小麦与苜蓿播种比例为5∶2时,总产量最高.本研究利用豆科绿肥间作小青菜,在生长前期(2月上旬),由于紫云英、箭舌豌豆与小青菜争肥,土壤养分降低,导致豆科绿肥间作的小青菜株高显著低于单作,并且此时豆科绿肥间作的菜苔产量显著低于单作.但在紫云英、箭舌豌豆成熟以后,二者的固氮能力增强,土壤养分显著增加,3月中旬采收时,间作的菜苔产量显著高于单作.两次采收,紫云英、箭舌豌豆间作的菜苔总产量均高于小青菜单作,其中以紫云英间作的小青菜产量最高,增产率达28.4%.这说明豆科绿肥间作有显著的增产效应.

Stoltz等[21-22]将玉米与蚕豆间作时发现,在二者间作且不施加氮肥的情况下,玉米的糖分和粗蛋白含量最高,牧草与蚕豆间作时,牧草粗蛋白高于其单作.Zhang等[23]研究表明,在不施肥条件下,玉米间作可以显著提高玉米籽粒蛋白质含量.本研究表明,豆科绿肥间作显著提高小青菜菜苔的可溶性蛋白质和可溶性糖类的含量,其原因可能是豆科绿肥间作系统中豆科根瘤菌固氮,加上不同作物之间活跃的根基效应,促进了植物根系对土壤养分特别是氮素的吸收,而氮素是蛋白质的主要成分之一.可溶性蛋白质还与植物的抗寒性有关.豆科绿肥间作,提高可溶性蛋白含量,能在一定程度上提高作物的抗寒能力.此外,土壤钾养分与作物糖分的合成有关.豆科绿肥间作促进了土壤矿物态磷钾的溶解,从而增加了小青菜菜苔水溶性糖的含量,改善了小青菜品质.

土壤酶活性可用来表征因一些人为措施导致的土壤性状和肥力的变化[24].土壤酶促进土壤养分的转化和作物吸收.间作模式下,土壤酶活性常优于单作.黄瓜与大蒜或洋葱间作,土壤多酚氧化酶、脲酶和过氧化氢酶活性都普遍高于黄瓜单作[25].玉米与姜间作,过氧化氢酶和脲酶活性均高于玉米单作[26].小青菜间作紫云英或箭舌豌豆,可显著提高土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性.紫云英或箭舌豌豆间作,土壤脲酶活性始终显著高于对照.这充分表明,豆科绿肥间作可促进土壤脲酶活性,增加土壤氮素.箭舌豌豆或紫云英间作时,菜苔中蔗糖酶活性也始终显著高于对照,可能是由于间作土壤有机质含量高,尤其后期箭舌豌豆、紫云英腐化放出的多糖和有机质含量多.在小青菜生长前期,豆科间作对土壤磷酸酶的活性未产生显著影响;但在豆科绿肥翻压后,豆科间作磷酸酶活性显著增加,由此可见植物腐化分解对磷酸酶活性的影响较大.

4 结束语

小青菜冬季间作豆科绿肥紫云英或箭舌豌豆能增加土壤肥力,促进土壤酶活性,增加菜苔产量.紫云英间作或箭舌豌豆间作可使菜苔分别增产28.4%和20.2%.豆科绿肥间作还能显著增加小青菜菜苔中的可溶性蛋白质和可溶性糖的含量,改善菜苔品质.相比之下,小青菜间作紫云英对于提高菜苔产量,改善菜苔品质,增加土壤酶活性,效果更为显著,是更为优良的生态农作模式.