饲用杂交大豆与青贮玉米间作土壤特性研究
2022-10-10杜雨芊王明玖索荣臻李淑宁刘嘉伟曹克璠
杜雨芊，王明玖，索荣臻，李淑宁，刘嘉伟，曹克璠
(内蒙古农业大学草原与资源环境学院/草地资源教育部重点实验室/农业农村部饲草栽培加工高效利用重点实验室/内蒙古自治区草地管理与利用重点实验室，呼和浩特 010018)
间作是传统农业的精华。豆科与禾本科牧草间作，可有效减少化肥使用，给家畜提供更多的饲料供应，是一种高效可持续的农牧业种植模式。该种植模式受到人们的广泛重视，认为是解决饲料供给危机有效且可行的栽培种植方式[1]。恰当的间作配置方式可提高土地的生产力，尤其适用于土地贫瘠的中、低产地区[2]。我国北方半干旱地区面临着植被覆盖率低、土地退化严重、生物丰度指数不断降低等严峻形势，加之对土地的不恰当利用，导致了土地盐碱化、土壤酶及微生物活性下降、土壤养分流失严重等一系列问题[3]。长久以来，单一作物连作，导致该区正常田间管理下的土地，养分流失同样严重[4]，大部分退化的土地，均表现出了荒漠化特征[5]。间作可使土壤的稳定性更强、微生物数量增多和酶活性增强[6]。豆/禾间作模式在土壤养分利用及分配方面具有更大优势，使得植物的根系分布及分泌特性发生改变，进而对土壤微生物群落的构成酶活性产生一定的影响[7]。众多间作配置中，豆/禾间作因为豆科植物的固氮能力，促使禾本科植物更好的吸收与利用氮素，土地利用效率提升，土壤生态环境的多样性及稳定性明显改善[8]，在所有间作组合中，颇具研究价值。本次试验采用4个饲用杂交大豆与内蒙古东部地区常用青贮玉米“宁单34”号间作，以野生大豆和栽培大豆为对照。土壤特性进行研究，对土壤微环境的变化规律及其内在联系进行探讨，找到对土壤状况改善最佳的间作配置组合和一种有效提高土壤养分的一年生饲草种植模式。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验地位于内蒙古自治区包头市土默特右旗内蒙古农业大学职业技术学院牧草试验田(40°35′17.53″ N，110°34′19.77″ E)，平均海拔高度1 006 m。是较为典型大陆性半干旱气候，年平均气温7.5 ℃，年均日照3 095 h，年均降水为346 mm。无霜期140 d。土壤类型为沙壤质栗钙土，种植前对土壤肥力进行测定。其中，土壤pH值及有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为8.98、8.64 g/kg、55.65 g/kg、14.02 g/kg和99.20 g/kg。
1.2 供试材料
供试材料是草甸原生野生大豆与内蒙古通辽地区栽培大豆大白眉行人工杂交形成的4个后代品种(品系)、野生大豆、开豆17及青贮玉米“宁单34号”。其中“S001草食兼用杂交野大豆”和“内农S002 饲用杂交大豆”已于2013年和2017年注册为育成新品种，品种登记号为NO21和NO71，本文以S001与S002代称。其余供试材料编号为野生大豆、8-3黑绿、8-4-1棕、开豆17和宁单34号(见表1)。
表1 供试饲用杂交大豆材料的基本特征
1.3 试验方法
1.3.1试验田设计
试验采用完全随机区组设计，本文中Y/D1、Y/D2、Y/D3、Y/D4、Y/D5、Y/D6分别表示S001、S002、8-3黑绿、8-4-1棕、开豆17、野生大豆与宁单34号间作种植模式；DD1、DD2、DD3、DD4、DD5、DD6、YY分别表示S001、S002、8-3黑绿、8-4-1棕、开豆17、野生大豆和宁单34单作处理；YD1、YD2、YD3、YD4、YD5和YD6分别表示S001、S002、8-3黑绿、8-4-1棕、开豆17和野生大豆间作处理；YJ1、YJ2、YJ3、YJ4、YJ5、YJ6分别表示“宁单34号”的间作处理。不同种植模式的每个处理重复 3次，共39个小区，每个小区面积为 6 m×5 m=30 m2，间隔2 m。饲用杂交大豆与青贮玉米的行数比例为2∶2(2行饲用杂交大豆与2行玉米相邻间作)，行距50 cm，株距30 cm，玉米每穴1株，大豆每穴2株(后期保苗1株)。大豆单作、玉米单作行距株距与间作相同。饲用杂交大豆与青贮玉米均于5月中旬同时播种。整个生育期间均不进行施肥处理，常规田间管理。
1.3.2土壤特性及土壤微生物
于8月中旬(玉米于乳熟期、大豆于结荚期)进行取样，于各饲用杂交大豆与青贮玉米间作小区与单作小区，分别取玉米及大豆的根际土壤，土样装入已灭菌的无菌袋中，立即置于4℃冰箱内存放，进行土壤细菌及真菌数量分析和土壤养分及酶活性测定。测定指标与方法如下：
土壤有机质：重铬酸钾容量-外加热法[9]；
土壤碱解氮：碱解扩散法[9]；
土壤速效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼蓝比色法[9]；
土壤速效钾：用NH4OAc浸提-火焰光度法[9]；
脲酶：苯酚钠-次氯酸钠比色法[10]；
碱性磷酸酶：磷酸苯二钠比色法[10]；
过氧化氢酶：采用高锰酸钾滴定法[10]；
蔗糖酶：3,5-二硝基水杨酸比色法[10]；
土壤微生物数量：采用稀释平板法，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌采用马铃薯葡萄糖琼脂培养基。
1.3.3综合指数计算
利用隶属函数法，对不同间作配置组合测定的土壤特性指标进行综合分析，以综合评价指数D值进行排序。隶属函数、权重及D值的计算公式如下:
正向隶数函数值[11]
负向隶数函数值[11]
式中，xi为第i个指标值；xmin为某品种(系)第i个综合指标的最小值；xmax为第i个综合指标的最大值；U(xi)为第i个综合指标的隶属函数值。
权重[12]:
综合评价指数D值[12]
式中，Wi代表第i个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重；Pi表示第i个综合指标的贡献率，U(xi)为第i个综合指标的隶属函数值。
1.4 数据统计与分析
利用Excel 2013和SPSS 21.0 软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA, LSD) 、主成分分析(Principal component analysis)、相关性分析(Correlation Analysis)和隶属函数分析(Analysis of the affiliation function)。利用Origin 2019完成文中所有图片绘制。
2 结果与分析
2.1 饲用大豆与青贮玉米间作对土壤养分的影响
2.1.1饲用大豆根际土壤养分
对土壤pH测定，在不同种植模式中，除Y/D3模式外，间作饲用大豆均显著低于相应单作(P<0.05)；对土壤有机质测定发现，除Y/D6模式外，间作饲用大豆均显著高于相应单作(P<0.05)；对土壤碱解氮测定发现，间作饲用大豆均显著低于相应单作(P<0.05)；对土壤速效磷测定发现，间作饲用大豆均显著低于相应单作(P<0.05)；对土壤速效钾测定发现，间作饲用大豆均显著高于相应单作(P<0.05)(见表2)。
表2 不同种植模式饲用杂交大豆根际土壤养分变化
2.1.2青贮玉米根际土壤养分
对土壤pH测定，在不同种植模式中，间作青贮玉米均显著低于相应单作(P<0.05)；对土壤有机质测定发现，除Y/D1和Y/D6模式外，间作青贮玉米均显著高于相应单作(P<0.05)；对土壤碱解氮测定发现，间作青贮玉米均显著低于相应单作(P<0.05)；对土壤速效磷测定发现，间作青贮玉米均显著低于相应单作(P<0.05)；对土壤速效钾测定发现，间作青贮玉米均显著高于相应单作(P<0.05)(见表3)。
表3 不同种植模式青贮玉米根际土壤养分变化
2.2 饲用大豆与青贮玉米间作对土壤酶活性的影响
2.2.1饲用大豆根际土壤酶活性
对土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性测定发现，不同种植模式，间作饲用大豆均显著高于相应单作(P<0.05)。YD2脲酶活性最高，YD5最低；YD2碱性磷酸酶活性最高，YD3最低；YD4过氧化氢酶活性最高，YD5最低；YD2蔗糖酶活性最高，YD5最低(见表4)。
表4 不同种植模式饲用杂交大豆根际土酶活性变化
2.2.2青贮玉米根际土壤酶活性
对土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性测定发现，不同种植模式，间作青贮玉米均显著高于相应单作(P<0.05)。YJ2脲酶活性最高，YJ1最低；YJ6碱性磷酸酶活性最高，YJ3最低；YJ4过氧化氢酶活性最高，YJ5最低；YJ2蔗糖酶活性最高，YJ6最低(见表5)。
表5 不同种植模式青贮玉米根际土酶活性变化
2.3 饲用大豆与青贮玉米间作对土壤微生物数量的影响
2.3.1土壤细菌数量
对土壤细菌数量测定发现，不同种植模式，间作青贮玉米均显著高于相应单作(P<0.05)，且YJ2细菌数量最高，YJ5最低。间作饲用杂交大豆均显著高于相应单作，YD2土壤细菌数量最高，YD5最低(见图1)。
注：Y/D1、Y/D2、Y/D3、Y/D4、Y/D5、Y/D6分别表示S001、S002、8-3黑绿、8-4-1棕、开豆17、野生大豆与宁单34号间作的6种种植模式。YD、DD、YJ、YY分别表示不同种植模式中饲用杂交大豆间作、饲用杂交大豆单作、青贮玉米间作、青贮玉米单作，同一种植模式不同处理误差棒上字母相同差异不显著(P>0.05)。图1 不同种植模式对青贮玉米与饲用杂交大豆根际土壤细菌数量的影响
2.3.2土壤真菌数量
对土壤真菌数量测定发现，不同种植模式，间作青贮玉米均显著高于相应单作(P<0.05)，且YJ2真菌数量最高，YJ5最低。间作饲用杂交大豆均显著高于相应单作，YD2土壤真菌数量最高，YD5最低(见图2)。
注：Y/D1、Y/D2、Y/D3、Y/D4、Y/D5、Y/D6分别表示S001、S002、8-3黑绿、8-4-1棕、开豆17、野生大豆与宁单34号间作的6种种植模式。YD、DD、YJ、YY分别表示不同种植模式中饲用杂交大豆间作、饲用杂交大豆单作、青贮玉米间作、青贮玉米单作，同一种植模式不同处理误差棒上字母相同差异不显著(P>0.05)。图2 不同种植模式对青贮玉米与饲用杂交大豆根际土壤真菌数量的影响
2.4 不同种植模式土壤养分、土壤酶活性、微生物数量相关性分析
对不同种植模式土壤养分、土壤酶活性、微生物数量进行相关性分析发现，土壤pH与土壤碱解氮含量呈负显著负相关关系(P<0.05)。土壤碱解氮与土壤酶活性和土壤微生物数量呈负相关关系，而与土壤速效磷含量呈正相关关系。土壤有机质与土壤酶活性和土壤微细菌数量和土壤速效钾呈显极著正相关关系(P<0.05)，与土壤真菌数量呈显著正相关关系(P<0.05)，而与土壤速效磷含量呈负相关关系。土壤速效钾与土壤酶活性和土壤微生物数量呈极显著正相关关系(P<0.05)。土壤酶活性与土壤微生物数量之间均呈现出正相关关系(见表6)。
表6 土壤养分、土壤酶活性和土壤微生物数量的相关性图
2.5 对不同饲用大豆与青贮玉米间作配置的综合评价
2.5.1主成分分析
对不同饲用大豆与青贮玉米间作配置下的生产性能、根系特性和土壤特性的各项指标进行主成分分析，共提取3个主成分，累计贡献率达92.972%，信息损失量为7.028%，可有效代表不同间作配置下生产性能与土壤特性的各项指标所涵盖的信息。根据进一步规格化特征向量结果，3个主成分中根据特征值向量大小，第一个主成分系数最大的是间作青贮玉米根际土壤速效磷指数因子，第二个主成分中系数最大的是间作青贮玉米根际土壤碱解氮指数因子，第三个主成分系数最大的是间作青贮玉米土壤细菌数量指数因子(见表7)。
表7 不同间作配置下各项指标的主成提取
2.5.2综合指标权重确定及不同间作模式的隶属函数综合评价
利用模糊数学隶属函数法进行数据分析，根据各指标贡献率大小(分别为60.31%；20.79%和11.87%)，利用公式求出其权重分别为0.65、0.22和0.13，计算每个材料的综合性评价指标D值，不同间作模式的综合排序为与Y/D2>Y/D3>Y/D4>Y/D6>Y/D1>Y/D5(见表8)。
表8 不同间作模式的主成分分析得分和隶属函数值
3 讨论
研究发现，豆科与禾本科间作可有效改善土壤的养分水平[13]。本次试验发现间作模式下的土壤pH要低于相应单作种植模式，土壤的酸碱度得到改善。间作能够有效提升土壤有机质、碱解氮、速效钾和速效磷含量。在大量关于间作对土壤养分影响的研究中也有同样发现，例如，刘建荣[14]等在甘蔗/花生间作体系的研究中发现，与一般的单作模式比较，其土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾等一系列养分指标都有了明显的提升，土壤pH值也明显改善；在苜蓿与大白菜间作模式中发现，间作土壤的硝态氮、速效磷和有效钾含量较单作模式显著提升[15]。李金婷等[16]在试验中发现，间作种植导致茶树土壤中的碱解氮、全氮、速效钾、有效磷与机质含量较单作模式均有显著的提升，使得土壤养分条件得以改善。
土壤酶可以加快土壤有机体的代谢活动，酶活性的强弱可有效体现土壤有机质与养分之间的转换能力。脲酶活性的高低在一定程度可以表征土壤的氮素水平及对氮素的转化能力；蔗糖酶活性的高低在一定程度上可以体现出有机碳积累与分解能力；碱性磷酸酶有助于土壤中有机磷转变为植物可直接吸收与利用的无机磷；土壤微生物的数量直接影响着土壤过氧化氢酶的活性[17]。本次试验中，6种饲用大豆与青贮玉米的间作组合均体现出，间作处理的土壤酶活性较单作高。在许多研究中也同样发现，恰当间作种植模式是有助于土壤酶活性的提升，进一步加快土壤养分积累与转化。王庆宇等[18]研究发现，燕麦与苜蓿和黑豆间作种植的土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和脲酶活性均较单作模式有了不同程度的提升。姜丽等[19]在玉米与红薯、向日葵和花生的间作研究中发现，间作使得土壤脲酶、碱性磷酸酶以及过氧化氢酶活性升高。刘均霞等[20]同样发现绝大多数土壤酶活性均呈现出，作物在间作土壤酶活性大于其相应单作。
有研究发现土壤微生物不喜在低养分且呈碱性土壤的环境里进行生长与繁殖[21]。合理的种植方式是可以有效改善土壤生态环境，对维持土壤微生物多样性具有关键作用[22]。研究发现间作种植模式可以为土壤微生物提供一个良好的生长与繁育空间，同时还可以增加微生物的多样性，使其群落结构更加稳定[23]。本研究中本次研究发现，不同饲用大豆与青贮玉米间作土壤的细菌与真菌数量高于单作。这与在燕麦与箭筈豌豆间作[24]、桑树/苜蓿间作[25]和小麦/苜蓿间作[26]等一系列研究中所发现了规律一致，这说明间作有助于提升土壤微生物多样性是具有普遍性的。
