甘蔗轮作青饲玉米和花生对甘蔗生长和土壤性状的影响

范业赓 陈荣发 闫海锋 周慧文 翁梦苓 黄 杏 罗 霆 周忠凤 丘立杭 吴建明

（广西农业科学院甘蔗研究所/农业农村部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室/广西甘蔗遗传改良重点实验室/中国农业科学院甘蔗研究中心，530007，广西南宁）

广西是我国最大的糖料蔗生产基地，甘蔗产业的健康发展对地方经济发展起着十分重要的作用[1]。我国甘蔗单产不高、宿根年限短和以肥换产量的水肥管理措施仍是影响甘蔗产业发展的瓶颈。甘蔗氮肥施用量高达400～800kg/hm2，是产蔗大国巴西和澳大利亚的6～10倍，这不仅增加了甘蔗的生产成本，还加重了肥料浪费和对农田土壤生态的破坏；广西蔗区土壤具有酸性大、黏重和贫瘠等特点，且80%以上甘蔗种植都是单一模式的长年连作[2]。近年来，甘蔗连作障碍日益凸出，严重影响甘蔗的宿根性，且随其宿根年限的增加，土壤性状逐年恶化[3-4]，导致甘蔗产量和宿根性逐年下降[5-6]，病虫害加重[7-8]。因此，消减连作障碍是甘蔗产业发展亟待解决的问题，也是甘蔗栽培研究的难点和热点。

轮作是一种有效避免和减少连作障碍发生的生态种植模式，可均衡地利用土壤中的营养物质，有效改善土壤理化特性和调节其微生物环境，从而提高农田生态系统的生产力[9-10]。轮作休耕制度是我国农业供给侧结构性改革的有效手段，将已经严重污染的农田轮作休耕，可有效解决连作障碍问题，实现“用地”与“养地”相结合[11]。轮作是减轻作物连作障碍的重要技术措施，也是解决作物连作障碍的有效途径之一。关于轮作缓解作物连作障碍的研究，国内外已有大量相关的报道。轮作可提高作物产量[12-13]、改善土壤结构和提高土壤养分[14-16]、改善土壤微生物环境[17-20]、缓解作物“自毒”[21-22]、控制农田杂草[23-27]和减少病虫害[28-29]。前人对稻蔗轮作、甘蔗与花生轮作和甘蔗与菠萝轮作的研究结果表明，轮作改善了农田土壤的通气性，促进了土壤速效养分的释放，增加了土壤微生物总量[30]，同时明显减少了农作物病虫害的发生[31-32]。综上，轮作可改善蔗田土壤结构、提高土壤养分含量以及增加土壤微生物总量，是缓解甘蔗连作障碍的重要途径。

随着农作物育种和生产结构供给侧的区域化发展，作物产区相对比较集中，作物连作也已成为一种普遍趋势，连作障碍成为作物稳产增产的瓶颈，也是农业可持续发展面临的重大问题之一。甘蔗是广西的特色经济支柱产业，据不完全统计，甘蔗种植面积占广西70%以上，而宿根蔗占比约2/3，这意味着甘蔗种植基本上属于多年连作。近年来，甘蔗病虫害发生频率和规模有逐渐加大的趋势[33]，这与甘蔗连作障碍密切相关，且连作对甘蔗生长、产量构成要素和宿根年限等的影响逐年增加[5]，即在正常的栽培和管理措施下，连作也会对甘蔗产量、品质和生育状况产生不利影响。间作、轮作和增施微生物肥是近年来解决连作障碍的重要措施[34]。轮作甘蔗对降低连作下香蕉枯萎病危害的持续效果显著[35]，同时也可有效降低甘蔗梢腐病的发病率[36]，这可能由于轮作改善了酶活性和养分含量等土壤理化性状，从而缓解了连作障碍[37]。轮作可提高甘蔗的产量和产值，降低生产成本，具有较好的经济和生态效益[31，38]。本研究拟从土壤特性及其重要指标的变化研究轮作青饲玉米和花生对甘蔗重要农艺性状的影响，分析不同轮作模式的经济效益，为粮食作物、油料作物和糖料作物间的轮作结构调整提供参考，也为甘蔗产业的可持续发展和合理甘蔗轮作体系的建立提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于广西崇左市扶绥县岜盆乡（22°31′ N，107°54′ E）进行。该地海拔100m，年平均气温21.9℃，年均降水量1 122mm，为亚热带季风性气候。土壤类型为黄壤土，初始土壤理化性质：pH值4.60，有机质20.5g/kg、全氮0.083%、全磷0.15%、全钾0.12%、水解性氮87.0mg/kg、有效磷32.3mg/kg和速效钾121.0mg/kg。

1.2 试验材料

供试材料均为广西壮族自治区农业科学院自主选育品种：甘蔗品种为桂糖42号，玉米品种为桂单166，花生品种为桂花17。

1.3 试验设计与田间管理

试验采用随机区组设计，设3个处理，即甘蔗－甘蔗连作模式（A）、青饲玉米－青饲玉米－甘蔗轮作模式（B）和花生－花生－甘蔗模式轮作模式（C），每个处理设3个重复，每个小区面积200m2。于2018年1月对上茬宿根蔗进行翻耕和开行，随后种植不同处理下的相应作物。A：翻耕后即刻对经过氯虫苯甲酰胺浸种后的双芽段健康种苗一代种茎进行连作新植蔗种植，行距1.2m，下种量为52 500芽/hm2，2018年底砍收，2019年留宿根，其他参照甘蔗常规种植方法进行田间管理；B：青饲玉米种植行距为50cm，穴距为30cm，每穴2～3株；C：花生种植行距为40cm，穴距为15cm，每穴2～3株。此外青饲玉米和花生于2018年2月同时种植，前茬收获后均再种植一茬，于2018年底收获。于2019年1月对收获了两茬的玉米和花生小区翻耕，种植甘蔗，种植和管理方式与A相同。为了确保试验区土壤基础肥力一致，所有处理均不施肥。于生长初期调查甘蔗出苗率和分蘖率，成熟期调查甘蔗产量、农艺性状和蔗糖分。

1.4 样品采集及项目测定方法

1.4.1 土壤样品的采集 采用五点取样法分别于2018年1月对翻耕前的宿根蔗田和2019年底轮作和连作作物收获后的0～20cm蔗田耕作层土壤进行取样。

1.4.2 土壤养分的测定 测定项目为土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、水解性氮、有效磷和速效钾8个指标。采用玻璃电极法测定土壤pH值；采用重铬酸钾滴定法测定有机质含量；采用自动定氮仪法测定全氮含量；采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定全磷含量；采用NaOH熔融-火焰光度法测定全钾含量；采用碱解扩散法测定水解性氮含量，采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法测定有效磷含量；采用醋酸铵-火焰光度法测定速效钾含量。每个指标平行测定3次。

1.4.3 土壤微生物数量和酶活性的测定 细菌、放线菌和真菌数量的测定采用平板培养数法和混菌法。采用苏州科铭生物技术有限公司微量法检测试剂盒检测分析土壤蔗糖酶、脲酶、酸性蛋白酶、酸性磷酸酶、脱氢酶、纤维素酶和过氧化氢酶活性。

1.5 数据处理

采用DPS v16.05进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对甘蔗生长的影响

2.1.1 甘蔗产量及相关重要农艺性状 不同轮作模式下甘蔗农艺性状的调查结果表明，B和C处理甘蔗的出苗率、分蘖率、株高、有效茎数及产量显著高于A处理，但不同模式处理的茎径均无显著差异（表1）。B处理甘蔗的出苗率、分蘖率、株高、有效茎数和产量与A处理差异达极显著水平，其中B处理甘蔗的分蘖率比A处理高10.3%，产量增加7.7%；C处理甘蔗分蘖率比A处理高5.1个百分点。

表1 不同轮作模式对甘蔗产量相关农艺性状的影响Table 1 Effects of different planting modes on agronomic characteristics of sugarcane yield

2.1.2 甘蔗品质性状 2019年底采样分析了不同轮作模式下甘蔗品质，B与C处理蔗茎锤度、蔗糖分和蔗汁视纯度均高于A处理，其中蔗汁视纯度均极显著高于A处理。3个处理间蔗茎锤度差异不显著，2种轮作模式之间的差异也不显著（表 2）。

表2 不同轮作模式对甘蔗品质性状的影响Table 2 Effects of different planting modes on sugarcane quality %

2.2 不同轮作模式对蔗田土壤养分的影响

由表3可知，C处理能显著提高土壤有机质、全氮、全钾、水解性氮、有效磷和速效钾的含量，也能提高土壤pH值，改良土壤酸碱度。与A处理相比，2种轮作模式下的有机质、有效磷和速效钾含量均显著或极显著提高，且轮作玉米处理显著提高了有效磷和速效钾含量，分别比A处理提高了29.1和82.7mg/kg；轮作花生处理的速效钾含量达207.3mg/kg，高于轮作玉米和甘蔗连作的，分别提高41.3和124.0mg/kg。由上述可知，不同轮作模式对土壤有效磷、速效钾、全钾和水解性氮等含量的影响程度有所不同，说明土壤养分的变化与作物轮作可能存在一定的相关性。

表3 不同轮作模式对土壤养分含量的影响Table 3 Effects of different planting modes on soil nutrient content

2.3 不同轮作模式对土壤微生物的影响

从表4可知，B和C处理均能提高土壤中细菌和放线菌的数量，与A处理相比分别达到显著和极显著差异，但2种轮作模式之间无显著差异；从真菌/细菌比值看，B和C的比值与A的差异较大，说明轮作模式明显降低了蔗田土壤真菌数量，改变了土壤微生物结构，暗示轮作的作物与土壤真菌相关，表明轮作可有效缓解与抑制作物真菌病害的发生。

表4 不同轮作模式对土壤微生物数量的影响Table 4 Effects of different planting modes on number of soil microorganisms ×104/g

2.4 不同轮作模式对土壤酶活性的影响

从表5可以看出，B和C处理均能提高土壤中过氧化氢酶、脲酶、脱氢酶、蔗糖酶、酸性蛋白酶、酸性磷酸酶和纤维素酶的活性。与连作模式相比，轮作模式B和C处理土壤脲酶和酸性磷酸酶活性均极显著提高；且轮作模式下的脲酶活性是连作模式的2倍多，并以B处理的脲酶活性最高，达928.50μg/(d·g)。同时，轮作模式B和C处理的过氧化氢酶活性显著高于连作模式，且B处理的过氧化氢酶活性最高，为23.96μmol/(d·g)。3种种植模式间脱氢酶和蔗糖酶活性差异均不显著。上述结果说明，轮作对蔗田土壤酶活性的影响是积极的，但与轮作的作物种类关系密切。

表5 不同轮作模式对土壤酶活性的影响Table 5 Effects of different planting modes on soil enzyme activities

2.5 不同轮作模式下土壤酶活性与土壤养分含量的相关性分析

由表6可知，不同种植模式下土壤酶活性与土壤养分含量存在正相关关系。脲酶活性与有机质、有效磷和速效钾含量均呈极显著正相关，相关系数分别为0.854、0.851和0.798；酸性磷酸酶活性与水解性氮和速效钾含量均呈极显著正相关，相关系数分别为0.839和0.918，而脱氢酶活性与土壤养分含量的相关性不显著。

表6 土壤酶活性与土壤养分含量的相关性Table 6 Correlation between soil enzyme activities and soil nutrient contents

2.6 不同轮作模式下土壤酶活性与土壤微生物数量的相关性分析

由表7可知，土壤真菌数量与土壤酸性蛋白酶和酸性磷酸酶活性之间呈极显著负相关，放线菌数量与土壤脲酶、酸性磷酸酶和纤维素酶活性呈极显著正相关。结合表3的结果，真菌数量与土壤pH值呈负相关，说明土壤酸化利于真菌生长，连作下甘蔗易发生真菌病害。

表7 土壤酶活性与土壤微生物数量的相关性Table 7 Correlation between soil enzyme activities and soil microbial number

2.7 不同轮作模式的经济效益分析

按2018-2019年广西蔗区平均原料蔗收购价500元/t计，A处理共收获2茬甘蔗，新植蔗成本约15 000元/hm2，宿根蔗的种植成本7 500元/hm2。B处理的青贮玉米平均产量75.0t/hm2，共2茬，总产150.0t/hm2，价格350元/t，每茬玉米的种植成本9 000元/hm2；C处理的鲜花生平均产量6t/hm2，2茬为12t/hm2，价格4 000元/t，每茬花生种植成本6 000元/hm2。从表8可知，与A处理比较，C处理增效最高，B处理次之，B和C处理的效益分别增加7.0%和7.5%。由此可见，轮作可提高蔗田的产出，增加效益，且增收与成本密切相关，总体上轮作的成本明显低于连作的，同时轮作还明显提高了新植蔗的产量。

表8 不同轮作模式下作物的经济效益比较Table 8 Comparison of economic benefits of different planting models

3 讨论

广西蔗区甘蔗长年连作和过度施肥，且种植品种结构单一，致使连作障碍越来越严重，造成水解性氮和速效性养分含量降低，导致土壤养分极不均衡，降低了糖料蔗根际土壤的脲酶和过氧化氢酶的活性，致使土壤酸化严重，进而使甘蔗病害频发、产量和品质下降等问题[5，39-40]，严重制约了甘蔗产业的健康发展。许多研究表明，轮作是缓解作物连作障碍的最有效途径之一[10，41]。

甘蔗的生长发育对养分的需求非常大，且土壤养分的供应与甘蔗产量和品质密不可分[42]。土壤养分含量是衡量土壤质量的重要指标，也是作物生长发育的物质基础。长年连作后，同种作物对某些营养元素的大量且长期吸收改变了土壤养分的均衡性，导致连作作物的抗逆性逐年降低，最终导致产量和品质下降；同时连作还造成土壤pH值下降而使其酸性化，土壤中生物酶活性降低，影响土壤中有效养分的形成和释放[43]。有研究发现，合理轮作可提高蔗田土壤质量，改善作物生长状况，增加碱解氮、速效磷和速效钾的释放[44]。本研究结果表明，轮作提高了土壤pH值，一定程度上缓解了土壤酸化问题，也改善了土壤有效养分的含量和质量，尤其是花生与甘蔗轮作更好地加速了水解性氮、有机质和速效钾等的释放，但轮作不同作物的效果存在差异。本研究还发现轮作后新植甘蔗的出苗率、分蘖率及有效茎数显著高于连作，说明轮作促进了甘蔗分蘖及其成茎；且甘蔗蔗糖分平均提高了约0.5个百分点，蔗汁视纯度提高10%，这些品质的改善对糖厂制糖成本的控制意义重大。

土壤酶是农田生态系统的最活跃的生物活性物质，是土壤新陈代谢的重要促进因素，其与微生物一起推动土壤的代谢过程，在一定程度上土壤酶活性反映土壤养分的动态转化[44-45]。土壤活性酶参与土壤中的生化反应，包括土壤有机质的形成、作物残留的降解、营养元素的转化、土壤养分的循环和土壤肥力的保持等。前人研究发现，甘蔗-菠萝轮作提高了土壤中淀粉酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶等的活性[44]；关于其他作物的研究表明，土壤过氧化氢酶、磷酸酶、蔗糖酶、纤维素酶和蔗糖酶活性的提高也与轮作有关[19，46-49]。本研究也获得了相似的结果，甘蔗与玉米和花生的轮作均显著提高了土壤中脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和纤维素酶的活性，但不同作物对土壤酶活性的改善效果存在差异，而连作的结果却相反。土壤养分含量的变化是影响作物正常生长发育的重要因素，甘蔗连作抑制了土壤有效养分的释放，不利于甘蔗出苗和分蘖，且后期的生长发育也受抑制，从而造成宿根蔗减产，种植成本增加，最终导致总体效益和品质降低。然而轮作很大程度地缓解了上述这些不利因素的影响，这与土壤酶活性的提高，从而改善土壤养分质量密切相关。本研究的相关性分析结果表明，轮作模式下土壤酶活性与土壤养分含量呈正相关，说明土壤酶活性影响土壤养分的释放。有研究表明，土壤肥力不仅与酶活性相关，也受土壤微生物的影响[50]，其中细菌和真菌是影响土壤中速效磷的主要微生物，磷酸酶是影响不同质地土壤速效磷、碱解氮及速效钾的主要酶[51]。还有研究表明，轮作可提高土壤细菌含量，降低真菌含量，使土壤由“真菌型”向“细菌型”转变[35，40]。本研究表明，连作2年后的甘蔗土壤真菌含量为4.80×104/g，而2种作物轮作的真菌含量分别为3.43×104/g和2.33×104/g，连作的真菌含量远高于轮作，而轮作模式的细菌和放线菌含量高于连作，说明轮作提高了土壤微生物总量。相关性分析显示，土壤微生物数量与土壤酶活性之间存在相关关系，这可能由于轮作加快了土壤有机物转化速度并加强了生物氧化代谢活动，改变了根际土壤的生态环境，增加了微生物数量，使作物根系和微生物向土壤中释放酶的数量增加[50]。此外，土壤真菌数量越少，则真菌/细菌比值越小，那么土壤生态系统越稳定，对作物病害的抑制能力越强[52]，这意味着轮作还可缓解甘蔗真菌病害的发生。综上可知，轮作在改善蔗田土壤微环境和养分状态方面发挥着积极的作用，而其养分含量与土壤微生物数量及酶活性变化密切相关。

4 结论

轮作在甘蔗提质增效中发挥着积极作用，这可能是由于轮作后蔗田土壤的pH值、微生物总量和土壤酶活性的改善促进了土壤营养成分的加速释放，提高了土壤养分的利用率，并最终实现甘蔗产量和品质的提高。此外，土壤中微生物数量及过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶和纤维素酶活性等的变化影响土壤pH值，有机质、全氮、全钾、全磷、水解性氮、有效磷和速效钾等养分的平衡。