燕麦与豆科作物间作对土壤酶活和微生物量的影响

2020-07-21乔月静郭来春葛军勇刘琪杨珍平高志强

甘肃农业大学学报 2020年3期

乔月静，郭来春，葛军勇，刘琪,杨珍平，高志强

(1.山西农业大学农学院，山西太谷 030801；2.白城市农业科学院，吉林白城 137000； 3.张家口市农业科学院，河北张家口 075032)

燕麦(AvenaL.) 属禾本科燕麦属一年生草本植物，是世界第七大栽培作物，我国燕麦种植面积约 60 万 hm2，主要分布在东北、内蒙、张北坝上及山西西北部地区.近年来，人们对功能性农产品的需求增加，燕麦蛋白质水平高，氨基酸含量均衡，含有高β-葡聚糖和丰富的膳食纤维，具有较高的保健功能，因此燕麦愈来愈受到重视，具有巨大的产业前景.燕麦的种植模式主要有燕麦单作和燕麦间作豆科作物，燕麦与豆科作物间作包括大豆/燕麦、绿豆/燕麦、花生/燕麦和箭筈豌豆/燕麦等.禾豆间作使得地上部以及地下部的时间、空间生态位互补[1]，从而提高资源利用效率[2]，禾本科作物还可以利用豆科作物固定的氮素，降低氮肥的施用，同时具有增产、增加土壤微生物量和农田生物多样性等作用[3-4]，提高产量[5].因此，禾豆间作兼具生态和集约的特征，是可持续农业发展的重要技术[6].

土壤酶是土壤中植物根系及其残体、土壤动物及其遗骸和微生物分泌的活性物质，是土壤生态系统中重要的组成部分[7]，在其物质循环和能量流动中的作用十分关键[8].土壤酶活性能反映土壤微生物活性高低、养分转化和运转能力强弱以及土壤生化反应的强度，是评价土壤肥力、质量及健康状况的重要指标之一[9].间作可以改变土壤微生物群落[10]，禾本科与豆科作物间作显著改变了作物根际细菌、真菌、固氮微生物等群落结构[11-12].燕麦与豆科作物间作可提升燕麦光合性能以及产量形成[3]，提高燕麦土壤微生物群落多样性[11]，增加豆类的固氮效率，有效改善根际的微生物环境[11]，而间作条件下，土壤酶活与微生物量的相互关系与变化情况，及其对间作产量优势的相对贡献研究较少，本研究设燕麦/大豆，燕麦/豌豆间作和燕麦、大豆、豌豆单作处理，分析燕麦根际土壤4种酶的活性，及其与土壤微生物量的相关性，为进一步揭示间作的微生态机制,降低农业生产成本,保护农田生态环境,构建可持续的间套作模式提供技术指导和理论支撑.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于山西省晋中市榆次区东白试验基地(N 37°37′，E 112°48′)，属于典型的暖温带半干旱大陆性季风气候，年降水量418～483 mm，年平均气温9.8 ℃，无霜期158 d，年日照时数2 662 h.土壤是壤性土，pH为7.85，土壤有机质24.49 g/kg，总氮0.89 g/kg，有效氮50.36 mg/kg，有效磷24.55 mg/kg，有效钾126.26 mg/kg.

1.2 试验设计

试验随机区组设计，设5个处理，燕麦单作(TO)，大豆单作(TB)，豌豆单作(TP)，燕麦/大豆(TOB)，燕麦/豌豆间作(TOP)，每个处理3个重复，共15个小区，每个小区面积6 m ×10 m.单作燕麦播种行距30 cm,播量 150 kg/hm2；单作大豆行距为40 cm，株距为10 cm；单作豌豆行距为40 cm，株距为10 cm；间作体系中种植比例为 2∶2 即 2 行燕麦和 2 行豆科作物,间作燕麦、大豆、豌豆行距、播量同单作,燕麦豆科作物行间距为 25 cm.供试材料为燕麦(‘坝莜1号’)，大豆(‘晋豆53’)和豌豆(‘晋豌豆2号’).试验于 2018年5月2日播种，9月25日收获，全生育期无施肥，灌水1次，人工除杂2次.土壤采集于燕麦苗期(5月15日)、抽穗期(7月30日)和收获期(9月25日)进行，每次每小区取5个点，采集0～20 cm耕层土壤，同时在非种植区域的裸地上取3点同样深度的土壤作为对照，混合后用保鲜箱带回实验室，一部分新鲜土样测定土壤微生物，剩余土样自然风干后过筛，用于土壤酶活性的测定.

1.3 试验方法

采用稀释平板计数法统计微生物数量.细菌用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，真菌用马丁-孟加拉红培养基[14]，以干土计.

土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法测定.酶活性以24 h后1 g干土中NH3-N的毫克数表示.土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，酶活性以24 h后1 g干土中释出的酚的毫克数表示.土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，酶活性以1 g干土37 ℃培养24 h生成的葡萄糖毫克数表示.土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法，酶活性以20 min后1 g土壤中0.02 mol/L的KMnO4的毫升数表示[8].

籽粒产量：燕麦、大豆、豌豆成熟期,取每小区燕麦 2行 2 m样段,风干后测籽粒产量.取每小区大豆、豌豆 2 行 2 m 样段,测大豆籽粒产量和豌豆籽粒产量.

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

LER=Yoi/Yom+Yli/Ylm

式中，Yoi和Yli分别指在间作总面积上燕麦和豆科作物的籽粒产量(kg/hm2)；Yom和Ylm分别指单作燕麦和豆科作物的籽粒产量(kg/hm2)；当LER>1 时,表示有间作优势；当LER<1则无间作优势.

1.4 数据处理

间作对土壤酶的影响采用土壤酶相对活性指数(relative enzymes activity index，REAI)和土壤酶相对活性综合指数(relative enzymes activity comprehensive index，REACI)表示[15]：

REAI=EAt/EAck,REACI=(REAIUre+REAICat+

REAIAlp+REAIGlu)/4

式中，REAI表示土壤酶相对活性指数；EAt表示不同种植方式下的土壤酶活性；EAck表示各处理对应生长季裸地对照土壤酶活性；REACI表示土壤酶相对活性综合指数； Ure、Alp、Cat和Glu分别表示脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶.试验数据采用SPSS 19.0统计软件进行方差分析( LSD 法) 及相关性分析，显著性水平α=0.05.

2 结果与分析

2.1 间作模式对土壤酶活性的影响

如表1所示，5种种植模式及裸地土壤在燕麦苗期、抽穗期和成熟期3个生育时期的4种土壤酶活性变化情况.土壤脲酶是土壤酶中唯一催化尿素水解的酶，也是决定土壤中氮转化的关键酶，其活性反映土壤有机态氮向有效态氮转化和供应无机态氮的能力[16]，可以作为评价土壤肥力状况的重要指标.不同种植方式下土壤脲酶活性均为抽穗期>成熟期>苗期，苗期无显著差异，只有裸地CK土壤脲酶活性抽穗期显著低于成熟期和苗期.抽穗期和成熟期不同处理间均差异显著,呈现为TOP>TP>TOB>TB>TO>CK，脲酶活性在抽穗期TOP、TP、TOB、TB和TO分别比裸地对照提高325.71%，293.11%，190.11%，130.90%，98.60%，在成熟期TOP、TP、TOB、TB和TO分别比裸地对照提高151.37%，126.29%，99.54%，77.79%，46.75%.

过氧化氢酶是直接参与土壤中物质和能量转化的一种重要的氧化还原酶，其活性能够表征土壤腐殖化强度的大小和有机质积累的程度，与土壤中的能量变动和物质转化直接相关，具有分解土壤中对植物有害物质过氧化氢的作用[17].TB和TOB的过氧化氢酶活性呈现为抽穗期>成熟期>苗期，TOP则是成熟期>抽穗期>苗期，其他处理的3个时期差异不显著.在抽穗期，过氧化氢酶活性TOB>TB>TO>TOP>TP,分别比CK提高了8.18%，5.37%， 4.60%， 3.58%， 3.32%；成熟期TOP最高(比CK高5.06%)，与TOB差异不显著，其次是TP、TO、TB差异不显著，CK显著低于各处理.

土壤磷酸酶来源于土壤微生物和植物根系，能够水解催化有机磷化合物为无机磷，为植物提供可靠的磷素营养.磷酸酶的催化作用可以将土壤中的难以被植物利用的磷转化为植物可以利用的形式，以便植物生长发育[18].不同处理的3个时期均呈现苗期>抽穗期>成熟期，即随生育期推进出现下降趋势，且各种植方式比裸地土壤的碱性磷酸酶活性都有不同程度的下降，抽穗期CK>TB>TP>TO>TOB>TOP；成熟期CK>TO>TOB>TB>TP>TOP；TOP最低，在抽穗期和成熟期分别比CK降低24.72%和57.89%.

蔗糖酶将蔗糖分解为D-葡萄糖和D-果糖进入植物细胞，作为能源物质或渗透调节物质等.蔗糖酶也可快速的分解土壤中的蔗糖作为土壤中的微生物的能量来源，改善土壤的物理化学性状和微生物状态，为作物生长提供良好的土壤环境.不同处理的3个时期的蔗糖酶活性均无显著差异，只有间作处理TOB和TOP的苗期略低于抽穗和成熟期.抽穗期TOP和TP显著高于CK(12.48%和11.98%)，其他处理差异不显著；成熟期TOB显著高于TB和CK(6.37%和8.12%)，其他处理差异不显著.

表1 燕麦生育期间不同种植方式下土壤酶活性

2.2 不同种植模式下土壤酶相对活性指数的变化

土壤酶相对活性指数(REAI)将4种土壤酶活性对种植方式的响应剔除了对照的影响，可以更直观地反映出各种植方式对酶活性的影响强弱.由图1可知，各种植方式对脲酶活性的影响强弱随生育期的推进均呈先增后降的变化，抽穗期达到最高，之后开始下降，其中TOP始终保持较高的脲酶相对活性指数，且变化剧烈，抽穗期和成熟期比苗期分别提高69.40%和316.53%；燕麦单作(TO)始终最低，且波动不大，抽穗期和成熟期比苗期分别提高，35.38%和93.37%.过氧化氢酶相对活性指数则随生育期的推进多数处理仍呈先增后降的变化，只有TOP呈上升趋势，且间作方式TOP和TOB有较高的酶活性，TOP抽穗期和成熟期比苗期分别提高3.94%和5.39%，TOB分别提高9.22%和5.24%.碱性磷酸酶相对活性指数则随生育期的推进则全部呈下降趋势，TOP下降幅度最大，成熟期比苗期下降了59.24%.蔗糖酶相对活性指数也呈先增后降的变化，TOB则在成熟期略有上升，但不显著.

土壤酶相对活性综合指数(REACI)表征了不同种植方式对4种酶活性影响的整体效果.由图2可以看出，随生育期的推进，不同处理土壤酶的REACI均呈先增后降的变化，抽穗期REACI最高，苗期最低；各处理土壤酶的REACI大小顺序为TOP>TP>TOB>TB>TO.

2.3 间作模式对土壤微生物数量的影响

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，广泛参与土壤养分循环和有机质分解利用等过程，是土壤微生态环境变化的敏感生物指示，也是土壤最活跃的肥力因子之一.土壤微生物组成和数量的变化与作物根系的生长发育、营养物质的吸收、病害控制等密切相关[19].由图3-A可知，各处理土壤细菌数量都随生育期的推进而显著增加，即成熟期>抽穗期>苗期，其中TOP成熟期显著最高，其次是TOB，单作方式中TO>TB>TP，抽穗期TOP、TOB、TO、TB和TP分别比CK增加了42.86%、35.71%、25.00%、14.28%和7.14%，成熟期分别增加了50.11%、40.01%、26.37%、16.67%和10.00%.图3-B显示各处理土壤真菌数量也大致呈现成熟期>抽穗期>苗期的趋势，只有TP在成熟期出现下降，TO和TOP前期差异不显著，CK始终无显著差异，抽穗期TB和TP显著高于其他处理，成熟期TO和TB显著高于其他处理.图3-C显示在间作模式TOB和TOP条件下，细菌和真菌比显著高于所有单作模式，裸地条件次之，且抽穗期和成熟期比苗期显著提高，说明间作模式使土壤向“细菌型”土壤转变.

图1 燕麦生育期间不同种植方式下土壤酶相对活性指数REAIFigure 1 Relative enzymes activity index under different cropping patterns during oat growth stage

图2 燕麦生育期间不同种植方式下土壤酶相对活性综合指数REACIFigure 2 Relative enzymes activity comprehensive index under different cropping patterns during oat growth stage

2.4 土壤微生物数量与土壤酶活性的相关性

大多数土壤酶来自微生物和其他有机组织(动植物、生物及其残留物)，因此土壤微生物数量与土壤酶活性密切相关.如表2所示，土壤细菌和真菌的数量与4种土壤酶活性的相关关系.土壤细菌数量与脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶极显著正相关，与碱性磷酸酶呈极显著负相关；土壤真菌数量也与碱性磷酸酶呈极显著负相关，但与其他土壤酶无显著相关性.

2.5 间作模式对作物籽粒产量的影响

由表3可知,同大豆间作燕麦的产量为单作的

53%,同豌豆间作燕麦的产量为单作的 61%，燕麦/大豆、燕麦/豌豆间作均具有产量优势，燕麦/大豆间作的LER为1.43，燕麦/豌豆间作的LER为1.51.

3 讨论

间作作为我国传统农业的精髓，具有增产、提高养分资源利用效率、增加土壤微生物多样性以及持续控制病、虫、草害的优势[20-22].燕麦和豆科混播均能显著提高土壤酶活性[23]，玉米大豆间作作物的土壤酶活性显著高于相应单作[24]，甘蔗与花生间作能提高间作作物根际土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性[25]，木薯与花生间作可以增加根际土壤细菌、真菌数量以及土壤过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性[26]，棉花与不同作物间作后土壤中细菌和放线菌数量显著增加，真菌数量显著降低，中性磷酸酶和脲酶活性显著提高[27]，而柴强等[28]发现玉米与鹰嘴豆间作的土壤脲酶和酸性磷酸酶活性都低于单作玉米.

表2 土壤微生物数量和土壤酶活性的相关性分析

图3 燕麦生育期间不同种植方式下土壤细菌(A)、真菌(B)数量及比率(C)Figure 3 The bacterial (A) and fungal (B) abundances and relative ratio of them (C) in different cropping patterns during oat growth stage

表3 间作对各作物籽粒产量和土地当量比的影响

本研究发现，燕麦与豆科作物间作条件下，土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶显著高于相应的单作方式和裸地对照，如燕麦与豌豆间作TOP的脲酶活性在抽穗期和成熟期比裸地对照分别提高了325.71%、151.37%；间作TOP与TOB的过氧化氢酶活性显著高于单作TP、TO、TB；TOP的蔗糖酶活性比CK显著提高了12.48%，TOB显著高于TB 6.37%，说明燕麦与豆科作物间作在不施肥情况下，仍具有活化土壤的作用.但是各种种植方式的土壤碱性磷酸酶均显著低于裸地CK，且随生育期推进呈现明显下降的趋势，尤其TOP成熟期比苗期降低65.96%，比CK降低56.58%，应该是由于全生育期不施肥，土壤磷素消耗过多.土壤酶相对活性综合指数(REACI)随生育期的推进，均呈先增后降的变化，即抽穗期最高，这可能是因为中间时期的气温降水、植物根系的生长、有机质腐殖质的增多，为微生物活动提供了良好的土壤生态环境，使土壤酶活性发生变化.REACI大小顺序为TOP>TP>TOB>TB>TO，说明燕麦/豌豆间作模式中对土壤酶活的影响效果更显著.

间作模式下的土壤细菌数量显著高于单作，而真菌相反，且细菌的数量与土壤酶活相关性更高，细菌可以活化土壤，使土壤健康有活力[29].前人研究也得出相似结果，丁建丽等[30]发现施用有机肥提高了细菌比真菌比例，有利于土壤由“真菌型”向健康的“细菌型”转变.周晓光等[31]研究指出有机蔬菜生产与常规生产方式相比，显著增加了 0～20 cm耕层土壤中细菌数量、减少了土壤真菌的数量，改善了土壤微环境.此外，细菌型土壤向真菌型土壤转变也是连作障碍发生的主要特征[32-33].

由于间作作物在复合群体中具有不同的时间生态位和空间生态位，使间作能够充分利用自然资源，获取综合产量优势.本研究显示，燕麦与大豆、豌豆间作的土地当量比LER分别为1.43和1.51，表现出明显的间作优势.冯晓敏等[3]研究显示,燕麦与豆科作物间作模式的LER是1.31～1.63,Dhima等[34]发现豌豆与燕麦间作LER为1.09,与本研究结果一致.