十大功劳与不同植物间作对土壤化学性质的影响

欧阳子龙，黄大安，滕维超，骆湘华，雷康，黄景贵

（1.广西大学，广西南宁 530004；2.广西凤山县佳弘种苗有限公司，广西河池 547600）

间作是一种农业生产手段，通过两种以上不同植物分行或分带种植，达到增收增产的目的[1]，其原理是利用不同植物间的生态位差异提高植物对土壤、光能及水分等的利用效率[2]。间作可减少雨水对土壤表层的冲刷[3]，有利于保持土壤养分和水分，维持土壤肥力，提高植物产量。土壤含有植物生长发育所需的碳（C）、氮（N）、磷（P）和钾（K）等元素，其含量是土壤肥力的决定因素。研究表明，间作能提高土壤有机质含量，改善土壤化学性质，提高土壤养分，可为植物生长提供保障[4-6]；间作对促进土壤间的物质循环[7]、提高植物抗逆性[8]、降解有机物[9]、改善土壤结构[10]以及调节土壤物理性质[11]等也有较大帮助，在农业生产中应用广泛。

十大功劳（Mahonia fortunei）是一种常见的药用植物，主要生长于我国广西地区，在四川、湖北和浙江等地也有分布。其根、茎和叶均可入药，性寒味苦，有清热解毒、消炎止痛和止咳化痰等功效，有较好的药用价值[12]。核桃（Juglans regia）富含油脂和蛋白质等营养物质，易管理，耐干旱，适应能力强[13]；豆科（Fabaceae）槐属植物越南槐（Sophora tonkinen⁃sis）干燥的根及根茎叫做山豆根[14]，可入药，是广西著名的道地药材[15]，有清热解毒和消肿利咽的功效；玉米（Zea mays）是我国重要的农作物[16]，在农业生产中应用广泛。近年来，对十大功劳的研究主要集中在品种鉴别[17-18]、化学成分分析[19]、药用价值[20-21]和病虫害防治[22]等方面，在生产栽培上的研究较少。有调查显示，国内对十大功劳的需求量较大，野生十大功劳种源正面临枯竭[23]，急需对十大功劳进行规模化引种栽培，缓解供给不足，促进我国医药行业的发展。核桃、越南槐和玉米在广西地区普遍种植，是常见的经济作物[24-26]。国内已有对核桃和玉米的间作研究[27-28]，也有较多药用植物已运用在间作生产中[29-31]，关于十大功劳和越南槐的间作研究尚未见报道。本研究以十大功劳、核桃、越南槐和玉米为试验材料，研究十大功劳与其他3种植物间作对土壤化学性质的影响，并通过主成分分析法计算3种模式下土壤养分的综合得分，旨在探讨较合理的十大功劳间作模式，为区域性的十大功劳大规模种植提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西壮族自治区河池市凤山县（107°04´E，24°54´N），属亚热带季风气候，海拔250～1 300 m，年均气温20.1℃，年均降水量1 564.0 mm。地处北回归线附近云贵高原南部边缘山地，为典型的喀斯特溶岩地貌，土壤肥力不足[32]。

1.2 试验设计

设计3种种植模式，分别为十大功劳-核桃、十大功劳-越南槐和十大功劳-玉米，每种模式设置3块20 m×20 m标准样地。核桃于2004年2月种植，十大功劳于2017年3月种植，越南槐于2017年6月种植，玉米于2017年起每年3月种植。在十大功劳-核桃种植模式中，核桃株距8 m、行距10 m，核桃行间套作4行十大功劳，十大功劳株距0.5 m、行距2 m；在十大功劳-越南槐种植模式中，十大功劳株距0.5 m、行距3 m，十大功劳行间套作1行越南槐，越南槐株距25 cm；在十大功劳-玉米种植模式中，十大功劳株距0.5 m、行距3 m，十大功劳行间套作5行玉米，玉米株距0.3 m、行距0.3 m。

2017年1月，测定土壤本底养分含量。pH为（5.3±0.1），有机质含量为（26.35±0.22）g/kg，全N含量为（2.01±0.11）g/kg；全P含量为（1.31±0.08）g/kg；全K含量为（9.02±0.44）g/kg；氨态N含量为（6.37±0.24）mg/kg；硝态N含量为（8.04±0.83）mg/kg；速效P含量为（8.13±0.28）mg/kg；速效K含量为（30.13±0.07）mg/kg。从2017年开始，每年4月施肥，施尿素（含N量46%）70 kg/hm2、过磷酸钙（速效P含量12%）150 kg/hm2、硫酸钾（氧化钾含量52%）7 kg/hm2。

1.3 指标测定

2020年5月，在每块标准样地内以S型均匀选取5个采样点，挖取0～30 cm的土壤剖面，将采出的土壤样品充分混匀，待测。

土壤pH值采用电位法测定；有机质含量采用重铬酸钾-外加热法测定；全N含量采用凯氏定氮法测定；硝态N和铵态N含量采用硫酸钾浸提法测定；全P和速效P含量采用NaHCO3-钼锑抗比色法测定；全K和速效K含量采用火焰光度计法测定[33]。

主成分分析模型为F=a1ZX1+a2ZX2+……+anZXn，以每个主成分所对应的特征值占总特征值的比例为权重，计算主成分综合得分（IFI）。其中，a1、a2……an为X的特征值所对应的特征向量，ZX1、ZX2……ZXn为变量经过标准化处理后的值。

1.4 数据处理

采用Excel 2019和SPSS 25.0软件进行统计与分析，并绘制图表。采用单因素方差分析和LSD多重比较法分析数据的差异。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值

土壤的pH值为5.95～6.80，均为弱酸性或中性（图1）。pH值在十大功劳-核桃模式下最低，显著低于其他两种模式（P＜0.05），其他两种模式间差异不显著。pH值表现为十大功劳-玉米>十大功劳-越南槐>十大功劳-核桃，在十大功劳-玉米模式下最高（6.80），比其他两种模式分别高出1.49%和14.61%。

图1 不同间作模式下土壤的pH值Fig.1 Soil pH values in different interplanting models

2.2 土壤有机质含量

土壤有机质含量在十大功劳-核桃模式下与十大功劳-玉米模式下差异显著（P＜0.05），表现为十大功劳-核桃>十大功劳-越南槐>十大功劳-玉米，在十大功劳-核桃模式下最高（47.53 g/kg），比其他两种模式分别高出6.32%和10.77%（图2）。

图2 不同间作模式下土壤有机质含量Fig.2 Contents of soil organic matter in different interplanting models

2.3 土壤全N、全P和全K含量

土壤全N含量在各模式间均差异显著（P＜0.05），表现为十大功劳-越南槐>十大功劳-核桃>十大功劳-玉米，在十大功劳-越南槐模式下最高（3.66 g/kg），比其他两种模式分别高出9.72%和27.93%（图3）。

图3 不同间作模式下土壤全N含量Fig.3 Contents fo total N in soils of different interplanting models

土壤全P含量在各模式间均差异显著（P＜0.05），表现为十大功劳-越南槐>十大功劳-玉米>十大功劳-核桃，在十大功劳-越南槐模式下最高（2.66 g/kg），比其他两种模式分别高出11.10%和65.68%（图4）。

图4 不同间作模式下土壤全P含量Fig.4 Contents of total P in soils of different interplanting models

土壤全K含量在各模式间均差异不显著，表现为十大功劳-越南槐>十大功劳-玉米>十大功劳-核桃，在十大功劳-越南槐模式下最高（16.42 g/kg），比其他两种模式分别高出50.97%和58.73%（图5）。

图5 不同间作模式下土壤全K含量Fig.5 Contents of total K in soils of different interplanting models

2.4 土壤速效养分含量

土壤硝态N含量在各模式间均差异显著（P＜0.05），表现为十大功劳-越南槐>十大功劳-玉米>十大功劳-核桃，在十大功劳-越南槐模式下最高（38.76 mg/kg），比其他两种模式分别高出74.86%和262.51%（图6）。

图6 不同间作模式下土壤硝态N含量Fig.6 Contents of nitrate N in soils of different interplanting models

土壤铵态N含量在各模式间均差异不显著，表现为十大功劳-玉米>十大功劳-越南槐>十大功劳-核桃，在十大功劳-玉米模式下最高（12.17 mg/kg），比其他两种模式分别高出10.84%和13.59%（图7）。

图7 不同间作模式下土壤铵态N含量Fig.7 Contents of ammonium N in soils of different interplanting models

土壤速效P含量在各模式间均差异显著（P＜0.05），表现为十大功劳-越南槐>十大功劳-玉米>十大功劳-核桃，在十大功劳-越南槐模式下最高（231.37 mg/kg），比其他两种模式分别高出63.74%和1903.03%（图8）。

图8 不同间作模式下土壤速效P含量Fig.8 Contents of available P in soils of different interplanting models

土壤速效K含量表现为十大功劳-越南槐>十大功劳-玉米>十大功劳-核桃，在十大功劳-越南槐模式下最高（305.43 mg/kg），显著高于其他两种模式（P＜0.05），比其他两种模式分别高出79.12%和284.26%；其他两种模式间差异不显著（图9）。

图9 不同间作模式下土壤速效K含量Fig.9 Contents of available K in soils of different interplanting models

2.5 土壤养分含量综合评价

根据相关系数矩阵，速效K与硝态N相关系数最高（1.000）；全P与速效P和硝态N与速效P相关系数次之，分别为0.984和0.978（表1）。基于9个养分因子指标，计算养分因子指标9-9阶相关矩阵特征向量，并计算主成分特征值及总方差解释率（表2）。两项主成分的累计贡献率为100%，能完整反映出原始数据中所提供的养分信息。第一主成分中，速效P、全P、硝态N和速效K的荷载相对较高，分别为0.997、0.995、0.960和0.959，说明第一主成分是速效P、全P、硝态N和速效K的综合反映；第二主成分中，全N的荷载最高（0.972），说明第二主成分是全N对土壤供给情况的反映。

表1 相关系数矩阵Tab.1 Correlation matrix

表2 主成分矩阵Tab.2 Principal component matrix

根据成分特征值矩阵，得到9个养分因子在PC1和PC2水平轴上的分布（图10）。在PC1水平轴上，各因子按照土壤养分水平由高到低排序为速效P、全P、硝态N、速效K、pH、全K、铵态N、全N和有机质；在PC2水平轴上，各因子按照土壤养分水平由高到低排序为全N、有机质、全K、速效K、硝态N、速效P、全P、pH和铵态N。

图10 不同间作模式在PC1和PC2的分布Fig.10 Distribution of different interplanting models in PC1 and PC2

进一步计算得到两个主成分中所有养分因子指标的相应系数，将得到的相应系数与标准化处理后的数据相乘，得出主成分分析表达式：

F1=0.37ZX1-0.30ZX2+0.10ZX3+0.39ZX4+0.14ZX5+0.41ZX6+0.41ZX7+0.33ZX8+0.39ZX9

F2=-0.25ZX1+0.39ZX2+0.56ZX3+0.16ZX4-0.54ZX5-0.06ZX6+0.04ZX7+0.34ZX8+0.16ZX9

以每个主成分对应的特征值占主成分总特征值的比例作为权重，得出主成分综合模型：

F=0.16ZX1-0.07ZX2+0.25ZX3+0.32ZX4-0.08ZX5+0.25ZX6+0.29ZX7+0.33ZX8+0.32ZX9

其中，ZX1～ZX9分别为pH、有机质、全N、硝态N、铵态N、全P、速效P、全K和速效K含量标准化处理后的值。

依据主成分分析模型，使用综合评价函数，计算出不同间作模式下土壤养分含量综合得分（表3）。3种模式下，土壤养分含量综合得分（IFI）为十大功劳-越南槐（1.87）>十大功劳-玉米（-0.32）>十大功劳-核桃（-1.55）。可见，十大功劳-越南槐间作模式较适合推广种植。

表3 不同间作模式下土壤养分含量综合表现Tab.3 Comprehensive performance of soil nutrient contents in different interplanting models

3 讨论与结论

试验结果显示，土壤的pH值在十大功劳-核桃模式下最低，可能是因为十大功劳与核桃的根系均较发达，根系间的竞争较强，促进了根系分泌物的产生，土壤有机酸含量增加[34]，土壤呈弱酸性。

豆科植物有较好的固氮效果[35]，可有效提高土壤中的氮含量，提高土壤肥力。彭昀月等[36]的研究表明，豆科植物在整个生长期对氮的利用率均较低，更多的氮被固定在土壤中，增加了土壤养分含量。本试验中，在十大功劳间作豆科植物越南槐模式下，土壤的全氮含量比其他两种模式分别高出9.72%和27.93%，表明越南槐有较好的固氮性。硝态氮是一种速效肥料，可对植物生长发育起到较快的促进效果，但硝态氮易溶于水，南方雨天较多，土壤中的硝态氮受自然雨水的淋洗作用影响较大[37]，较难在土壤中长期留存。铵态氮为阳离子，易被土壤吸附，不易流失。本试验中，土壤中的铵态氮含量低于硝态氮（在十大功劳-核桃模式下相等），可能的原因是土壤呈弱酸性或中性，氨易挥发，土壤中的铵态氮含量下降[38]，而试验地土壤较蓬松，透气性好，部分铵态氮经过氧化形成硝酸盐，增加了土壤中NO3-的含量。

磷也是植物生长必需的营养元素，在植物生长过程中发挥着重要作用，几乎参与了植物全部的生理过程[39]，也是豆科植物根瘤形成及代谢的必要元素[40]，对生物固氮有促进作用[41]。本试验发现，十大功劳间作越南槐模式显著提高了土壤中全磷和速效磷的含量，这与代会会[42]的研究结果一致。顾旭东[43]研究发现，在马铃薯-蚕豆间作模式下，土壤中的全氮含量得到提升，速效氮含量降低；在本试验中，土壤的全氮和速效氮含量在十大功劳-核桃模式下的变化与其一致。张育文等[44]发现土壤中的速效磷含量与辣椒（Capsicum annuum）平均根系直径呈显著负相关；本试验中，土壤中的速效磷含量在十大功劳-核桃模式下较其他两种模式显著降低，可能与十大功劳和核桃两种植物的根系直径均较发达有关。

钾在植物中活性较强，可参与植物生理代谢反应，促进蛋白质的合成[45]，增加作物产量，提高农产品品质[46]，是植物生长不可缺少的元素。本试验中，土壤中的全钾和速效钾含量在十大功劳-越南槐模式下最高，说明该模式下土壤对K+的束缚能力较弱[47]，有利于植物对钾的吸收与利用；在十大功劳-核桃模式下含量均最低，可能是这两种植物根系较密集，根系间对养分的争夺相对激烈，导致土壤养分含量降低。

土壤硝态氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾含量均表现为十大功劳-越南槐>十大功劳-玉米>十大功劳-核桃；土壤pH值和铵态氮含量表现为十大功劳-玉米>十大功劳-越南槐>十大功劳-核桃；土壤有机质含量表现为十大功劳-核桃>十大功劳-越南槐>十大功劳-玉米。主成分分析表明，十大功劳-越南槐模式下土壤的化学性质最好，土壤养分含量较丰富，有利于植物生长，说明间作豆科植物能有效提高土壤中的氮、磷和钾含量，提高土壤肥力。