花生玉米间作对土壤酶活性、养分及作物产量的影响

詹柳琪，郭陞垚，黄佳华，龙 安，陈剑洪

（泉州市农业科学研究所，福建 泉州 362212）

0 引言

【研究意义】间作套种是一种常见的农业耕作方式，通过集合光、水、肥、气、热等资源，引起土壤物理、化学和生物学性状的变化，改善土壤养分及酶活性，从而提高养分利用效率，对作物生长有着积极促进作用，可提高农作物产量和经济效益[1-3]。【前人研究进展】间作能够使土壤的酶活性及养分得到改善[4-5]。在玉米与大豆间作体系中，间作根际土壤的有效性养分、酶活性均能明显高于相应的单作[6]。刘均霞等[7-9]通过玉米-大豆进行间作，表明间作作物的土壤酶活性可显著高于相应单作作物，根际土壤养分有效性在相同环境下高于单作。Tang等[10]通过甘蔗/花生间作试验，发现间作能够提高总氮、速效磷、总钾、有机质、pH值和细菌含量，提高酸性磷酸酶活性。福建省人多地少，花生玉米间作是较为常见的种植栽培模式，两作物之间通过地上植株部分和地下土壤部分两种相互作用同时进行，地上植株部分主要是包括光热环境相互竞争及补偿作用，通过错落高低层次，增加边际效用，提高光合作用；地下部则是通过种间土壤根际竞争和促进作用，使二者间作取得生产优势[11-14]。Inal等[15]研究结果表明，在花生玉米间作中，根际土壤的酸性磷酸酶活性和根系分泌的酸性磷酸酶显着高于单作花生和玉米。研究表明[16-18]，花生玉米间作模式能够改良土壤微生物、土壤养分状况及土壤微生态环境，提高耕层土壤水分含量。【本研究切入点】目前关于花生玉米研究主要是探讨一个时期两种作物之间的养分及活性，而对两种间作作物不同生长期的养分及酶活性的研究较少。【拟解决的关键问题】通过大田试验，以花生玉米间作模式为基础，测定不同生长期根际土壤的酶活性及养分，以期对花生玉米间作生产技术奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验地选在惠安县庄上村坤德农场试验地（25°08'N，118°81'E ）进行，该地属于亚热带季风气候，年均气温16～21 ℃，冬季盛行东北风，夏季盛行西南风。降水主要集中在春夏季，降水量约在1 000 mm，夏长冬短。试验地土壤为砂壤土，碱解氮 45 mg·kg-1，有效磷34 mg·kg-1，速效钾67.5 mg·kg-1，土壤pH值6.57。供试花生品种为泉花557，由泉州市农业科学研究所选育；玉米品种为雪甜7401，由福州金苗种业有限公司提供。

1.2 试验设计

2021年3 月，选择地力相对均一的田块进行，共分为花生单作、玉米单作、花生玉米间作3种植模式。花生单作，采用0.8 m 包沟起畦，畦植2纵行，行距30 cm，穴距为16.5 cm，每穴种植2粒，折合288 000 株·hm-2；玉米单作，采用育苗移栽方式定距种植，行距30 cm，穴距为19.8 cm，折合160 000株·hm-2；花生玉米间作，采用6∶6的花生玉米行距配比进行间作带状种植，种植方式如图1所示，种植方法、规格及密度同花生单作及玉米单作。每个处理重复3次，共9个小区，小区面积5 m×6 m，四周设置保护行，采用完全随机区组排列。试验肥料全部作为基肥施入，各处理均施用阿康复合肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O） =15∶15∶15]，每公顷施用375 kg，生育期内不追肥。其他栽培管理措施同当地大田生产，3种种植模式的管理方式一致。

图1 花生玉米间作种植示意图Fig.1 Schematic diagram of peanut/maize intercropping

1.3 取样方法

在花生的4个生育期，包括花生苗期、开花下针期、结荚期及成熟期采样，采用抖土法将两种作物整个根系从土壤中挖出，并抖掉与根系相连松散大块土壤，后将根系紧密的根表土壤刷下作为根际土样。将田间取得的根际土样带回，挑出石块和植物残根等杂质，风干后过筛，进行土壤酶活性及养分测定。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土壤酶活性测定 土壤脲酶活性、土壤蔗糖酶活性、土壤酸性磷酸酶及土壤过氧化氢酶活性分别采用苯酚钠-次氯酸钠比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法、磷酸苯二钠比色法及高锰酸钾滴定法进行测定[19]。

1.4.2 土壤养分测定 碱解氮含量用碱解扩散法测定；有效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用NH4OAc浸提火焰光度计测定；pH 值采用酸度计、电位法测定[20]。

1.4.3 产量测定 收获期测产，花生产量待花生晒干后测定；玉米产量为鲜重。

1.5 数据统计分析

采用WPS Office 软件进行数据整理，采用DPS 7.05进行数据统计分析，运用LSD法进行处理差异性分析。

2 结果与分析

2.1 花生玉米间作对土壤酶活性的影响

2.1.1 不同时期花生玉米间作对土壤脲酶活性影响 土壤脲酶是土壤中能酶促土中尿素水解成氨的酶，且与土壤肥力及有机质含量密切关系，可灵敏反映土壤肥力水平状况，是土壤酶活性中重要的一部分[21]。由图2可看出，从花生整个生育期来看，各个种植模式的土壤脲酶含量表现为先增加后下降的趋势，在花生开花下针期，各个种植模式的脲酶值含量均达到最高值。在花生开花下针期和结荚期，间作处理作物根际土壤脲酶活性分别比花生单作提高了4.7%和5.0%，分别比玉米单作提高了2.6%和4.3%，其中在花生结荚期，间作处理的脲酶活性值显著高于花生单作及玉米单作。可见，花生玉米间作系统下，由于作物间的相互作用，改变了土壤的环境，建立新的物质交换。

图2 不同时期花生玉米间作对土壤脲酶活性影响Fig.2 Effect of peanut/maize intercropping at different stages of plant growth on soil urease activity

2.1.2 不同时期花生玉米间作对土壤酸性磷酸酶活性影响 土壤磷酸酶来源于土壤微生物和植物根系，是催化土壤中磷酸单酯和磷酸二酯水解的酶，为植物提供可靠的磷素营养；可以评价土壤磷素生物转化强度及表征土壤的肥力状况[22]。从图3可以看出，间作处理和玉米单作的酸性磷酸酶含量在整个生育期呈上升趋势，并在花生成熟期达到最高值，而花生单作的酸性磷酸酶含量表现为先增加后下降的趋势，在花生结荚期达到最高值。花生在结荚期时磷素的需求量较大[23]，到成熟期需求量较低，可能对酸性磷酸酶活性的刺激较少，因此造成后期活性下降。在花生苗期、开花下针期及花生成熟期，间作处理作物根际土壤酸性磷酸酶活性分别比花生单作提高了8.0%、13.0%和34.7%，分别比玉米单作提高了11.1%、19.6%和6.4%，其中在花生开花下针期及花生成熟期，间作处理的酸性磷酸酶活性值极显著高于花生单作及玉米单作。

图3 不同时期花生玉米间作对土壤酸性磷酸酶活性影响Fig.3 Effect of peanut/maize intercropping at different stages of plant growth on soil acid phosphatase activity

2.1.3 不同时期花生玉米间作对土壤蔗糖酶活性影响土壤蔗糖酶是一种水解酶，可催化土壤中的蔗糖水解为单糖，是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，提供良好的土壤环境促进作物生长[24]。由图4可知，从花生整个生育期来看，各个种植模式的蔗糖酶含量表现为先增加后下降的趋势，至开花下针期达到最高值。间作处理的根际土壤蔗糖酶活性在花生整个生育期均高于花生单作处理和玉米单作处理，在花生苗期、开花下针期、结荚期及花生成熟期，花生玉米间作处理作物根际土壤蔗糖酶活性分别比花生单作提高了1.5%、21.5%、11.2%和6.4%，分别比玉米单作提高了46.4%、33.8%、27.3%和11.1%。其中在花生开花下针期及花生结荚期，间作处理的蔗糖酶活性值极显著高于花生单作及玉米单作。

图4 不同时期花生玉米间作对土壤蔗糖酶活性影响Fig.4 Effect of peanut/maize intercropping at different stages of plant growth on soil invertase activity

2.1.4 不同时期花生玉米间作对土壤过氧化氢酶活性影响 土壤过氧化氢酶活性与根系呼吸强度密切相关，在一定程度上也反映了土壤微生物学过程的强度，根系呼吸强度高是导致过氧化氢酶活性增加的重要原因[25-26]。从图5可以看出，在花生开花下针期，各个种植模式的过氧化氢酶含量均达到最高值，其后呈下降趋势。间作处理根际土壤过氧化氢酶含量在花生整个生育期均高于花生单作和玉米单作处理，但只在花生成熟期，间作处理的过氧化氢酶活性值显著高于花生单作，其余时期均未有显著性差异。

图5 不同时期花生玉米间作对土壤过氧化氢酶活性影响Fig.5 Effect of peanut/maize intercropping at different stages of plant growth on soil catalase activity

2.2 花生玉米间作对土壤养分的影响

由图6可知，除花生苗期外，花生玉米间作根区土壤的碱解氮含量在其他3个生育期均高于花生单作处理和玉米单作处理，且在开花下针期达到最高值。在花生成熟期时，间作根区土壤的碱解氮含量比玉米单作提高了15.11%，呈极显著差异；比花生单作提高了3.42%；说明花生玉米间作对作物根际土壤的氮素营养有一定的提高作用，间作作物的土壤根际效应有利于作物从土壤中吸取更多的养分。

图6 不同时期花生玉米间作对土壤碱解氮影响Fig.6 Effect of peanut/maize intercropping at different stages of plant growth on soil alkali hydrolyzable nitrogen

花生玉米间作根区土壤的有效磷含量在花生苗期、花生开花下针期、花生结荚期，均高于花生单作处理和玉米单作处理（图7）。由于玉米的生长期对磷素需求量比较大[27]，造成玉米单作的土壤有效磷含量较低。在花生成熟期，间作根区土壤的有效磷含量比花生单作提高了13.17%，呈极显著差异；与玉米单作含量差异不显著。

图7 不同时期花生玉米间作对土壤有效磷影响Fig.7 Effect of peanut/maize intercropping at different stages of plant growth on soil available phosphorus

在花生成熟期，间作根区土壤的速效钾含量比花生单作提高了11.39%，呈极显著差异；比玉米单作提高了5.66%，呈极显著差异（图8）。说明花生玉米间作可改善作物根际的钾素营养状况。

图8 不同时期花生玉米间作对土壤速效钾影响Fig.8 Effect of peanut/maize intercropping at different stages of plant growth on soil available potassium

2.3 不同时期土壤养分与酶活性的相关性分析

将花生玉米间作的不同时期土壤养分与土壤酶活性含量进行相关性分析，结果（表1）表明，在花生苗期土壤养分与土壤酶活性相关性弱。在花生开花下针期，碱解氮与酸性磷酸酶、蔗糖酶存在显著正相关关系（P＜0.05）；有效磷与酸性磷酸酶、蔗糖酶存在显著正相关关系（P＜0.05）。在花生结荚期，碱解氮与蔗糖酶存在显著正相关关系（P＜0.05）；速效钾与酸性磷酸酶存在显著正相关关系（P＜0.05）。在花生成熟期，速效钾与过氧化氢酶存在显著正相关关系（P＜0.05）。由此可见，在花生的不同生育期，土壤中养分含量与酶活性存在着一定的联系。

表1 不同时期土壤养分与酶活性的相关性分析Table 1 Correlation between soil nutrients and enzyme activities at different stages of plant growth

2.4 花生玉米间作对产量及经济效益的影响

花生玉米间作对产量及经济效益的影响见表2，花生玉米间作的经济收益最高，为48 217.50 元·hm-2，每公顷比花生单作收益增加8 842.50 元，增收22.45%；每公顷比玉米单作收益增加3 157.50 元，增收7.0%。说明花生玉米间作能够明显提高经济效益。

表2 花生玉米间作对产量及经济效益的影响Table 2 Effects of peanut/maize intercropping on crop yield and economic benefits

3 讨论

土壤酶活性是生态物质循环中最活跃的物质，同时也参与生物能量流动过程，对土壤的代谢起重要作用。土壤酶直接参与了土壤的营养元素有效化过程，一定程度上动态地反映土壤养分转化的过程，因此通过观察（检测）土壤酶的变化也能直接了解短期内的土壤变化状况[28]。土壤酶对提高土壤肥力及改良土壤质量具有积极作用[29]。本研究结果表明，花生玉米间作系统下，在一定的生长周期内，能不同程度地提高土壤中的脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性；对过氧化氢酶的提升并不明显。通过分析认为，脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶的提升，可能是由于间作系统中不同根系分泌物的相互作用，使得土壤中加速释放酶。

有研究表明，间作系统可不同程度提高作物根际土壤养分的含量，能有效改善间作系统中土壤养分供应能力[30-31]。刘亚军等[32]研究表明，间作能显著增加土壤全氮，碱解氮、有效磷和有机质含量。王鹏等[33]研究表明，间作提高了土壤有效氮 、有效磷含量，提高土壤肥力和土壤有效养分供给量。Tang等[34]研究表明木薯/花生间作系统显著提高了速效氮、速效钾、pH值和脲酶活性。间作通过增加根际微生物的数量来提高土壤的有效氮含量。本研究结果表明，花生玉米间作模式能够一定程度提高土壤碱解氮和速效钾的含量，可能是间作系统中，玉米根际对氮素的吸收能够刺激花生根际的固氮作用。而在花生苗期、开花下针期和结荚期，间作土壤的有效磷含量均高于花生单作和玉米单作，说明在一定的生长周期内，花生玉米间作能促进植物对养分的吸收。在花生玉米间作系统中，花生除了维持自己的营养需求之外，能通过根系作用，为玉米提供养分。

莫晶等[35]在茶油-花生间作中发现土壤蔗糖酶活性与速效氮存在显著负相关；脲酶活性与速效磷和速效钾呈显著正相关，酸性磷酸酶活性与速效磷及速效钾均存在极显著正相关关系；过氧化氢酶活性与速效钾存在显著正相关。张艳等[36]发现在甘薯-玉米间作中磷酸酶与速效磷呈极显著正相关；过氧化氢酶与碱解氮、速效钾呈极显著负相关；脲酶与碱解氮呈极显著负相关，与速效钾呈显著负相关。本研究结果部分结论与前人研究有相似之处。本研究中花生玉米间作系统下，在花生开花下针期，碱解氮与酸性磷酸酶和蔗糖酶存在显著正相关关系（P＜0.05），可能是因为蔗糖酶分解土壤中蔗糖，提供能量，改善土壤微生物状态，从而使得碱解氮有所提升。有效磷与酸性磷酸酶和蔗糖酶存在显著正相关（P＜0.05），酸性磷酸酶可催化土壤中磷酸单脂和磷酸二酯，从而提高土壤中磷素含量。速效钾与酸性磷酸酶和过氧化氢酶在花生结荚期和花生成熟期存在显著正相关（P＜0.05），可能速效钾的提升有利于改善过氧化氢酶的活性，从而减轻土壤受到毒害影响，保证作物的生长。土壤养分与土壤酶活性的显著相关，反映了种植环境作用下对土壤肥力细小的变化，因此土壤酶活性可用来判断土壤肥力的高低，是反映土壤质量的一项指标。

Tian等[37]在对大豆-甘蔗间作中发现，土壤根际酸性磷酸酶活性的提升，消耗了有机磷，使得作物能更好地吸收磷素，增加磷素利用效率。Ehrmann等[38]对多作（间作）的研究中发现，植物-土壤系统之间相互作用通过植物种间竞争、病虫害衰减、土壤群落组成和结构、养分循环和土壤结构动力学表现出来。根际土壤酶活性的作用可以促进土壤养分的增加以及作物对养分的吸收。结合本研究，在作物生产系统中，植物-土壤养分-土壤酶之间存在相互促进、互利共赢的关系。植物通过光合作用及根系分泌物给土壤提供能量和创造适宜的土壤酶活性生存的环境；土壤酶活性与土壤养分之间又有着密切关系，土壤酶活性能促进养分循环利用的影响；土壤养分的提升有利于植物的生长。因此，间作模式有利于改善作物生产系统的生态环境，并提高作物产量。

从经济效益来看，花生玉米间作的经济收益最高，为48 217.50元·hm-2，每公顷比花生单作收益增加8 842.50元，增收22.45%；每公顷比玉米单作收益增加3 157.50元，增收7.0%。说明花生玉米间作能够明显提高经济效益。

4 结论

通过测定花生玉米间作不同生长期根际土壤的酶活性及养分，结果表明花生玉米间作能够改善土壤有效养分和转化能力，且在不同生长期能够一定程度提高土壤酶活性，同时花生玉米间作能够提高经济效益。由于本研究为大田试验，存在很多不可控制的因素，对各内在作用与机理不能进一步的研究，需在更系统且可控的条件下，进行深入研究；对于土壤中的微生物群组在花生玉米间作中发挥的作用有待进一步的研究。