陶 晶，鄔奇峰，石 江，李松昊，葛江飛，陳俊輝，徐秋芳，梁辰飛，秦 華，*

(1.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300； 2.杭州市臨安區(qū)農(nóng)林技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 311300； 3.杭州市農(nóng)業(yè)科學研究院 農(nóng)作物(生態(tài))研究所，浙江 杭州 310008)

耕地是寶貴的戰(zhàn)略資源。我國耕地面積僅占國土面積的14%，且2/3為中低產(chǎn)田，后備耕地資源嚴重不足[1]。盡管國家對耕地保護和占補平衡做出了明確的規(guī)定，但從各地的實踐來看，“占地多為好地，補地多為次地”[2]，補充耕地的質(zhì)量與占用耕地的質(zhì)量不匹配，有違耕地占補平衡制度的設(shè)計初衷。各地新開墾的大多是山地或者坡地，存在著土層淺薄、礫石較多、養(yǎng)分含量低、抗旱能力差等問題。耕地對于保障國家糧食生產(chǎn)安全、國民經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定具有不可替代的作用[3]；因此，提升新墾山地的土壤肥力勢在必行。目前，新墾耕地大多通過施用有機肥和土壤調(diào)理劑等方式提升地力，關(guān)于利用土壤有益微生物提升新墾耕地地力的研究還不多見。此外，土壤有益微生物與種植制度聯(lián)合對新墾耕地地力提升的影響等，也還有待于深入研究。

叢枝菌根真菌(AMF)是重要的土壤微生物，能與80%以上的陸生植物形成互惠共生關(guān)系，在促進植物養(yǎng)分吸收、修復根系功能、改良土壤結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)復墾土壤的水肥供應、修復生態(tài)等方面具有重要作用[4]。研究表明，AMF能夠增加宿主植物對土壤營養(yǎng)元素碳、氮、磷、鉀等的吸收利用，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[5-6]。人工接種AMF對礦區(qū)采煤沉陷地復墾植物恢復具有促進作用，在土壤養(yǎng)分水平較低的情況下，AMF可與宿主植物根系形成良好的共生關(guān)系，進而發(fā)揮共生體優(yōu)勢，促進復墾植物對營養(yǎng)的吸收利用，從而提高植物成活率[7]。

間作是典型的利用不同物種空間生態(tài)位、營養(yǎng)生態(tài)位互補作用的資源高效型種植模式[8]。間作群體中，競爭是影響作物生長、產(chǎn)量形成和水分利用的關(guān)鍵因子[9]。不同類型的作物對有限資源的競爭、互補利用潛力不同。針對不同地區(qū)的資源條件，在了解不同作物生物學特征的基礎(chǔ)上，合理配置不同類型的復合群體可以靈活利用不同形式的互補作用，達到充分發(fā)揮間作優(yōu)勢的目的[10]。張智暉[11]認為，玉米-大豆間作可顯著提高土壤的速效鉀含量，同時降低土壤的有機質(zhì)含量；杜青峰等[12]通過竹豆、田菁、檉麻與夏玉米的間作試驗，發(fā)現(xiàn)間作較玉米單作可提高根際土壤硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量，也利于作物對土壤養(yǎng)分的吸收利用[13]。

在新墾山地上，AMF與植物間作系統(tǒng)能否提高作物產(chǎn)量和土壤肥力？其相互作用機制如何？為此，本研究設(shè)置接種和不接種AMF兩種處理，在每個處理下設(shè)置玉米單作或與不同作物間作的種植模式，旨在探討AMF聯(lián)合不同種植模式對作物產(chǎn)量和土壤肥力的影響，并以土壤團聚體、土壤養(yǎng)分含量、土壤酶活性為指標，揭示其對土壤養(yǎng)分有效性和植物養(yǎng)分利用的影響，以期為建立新墾山地地力提升技術(shù)體系提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地和材料

試驗于2018年在臨安市於潛鎮(zhèn)海龍農(nóng)場(地理坐標為119°44′E，30°11′N)進行。試驗區(qū)氣候溫暖濕潤，光照充足，雨量充沛，四季分明，屬亞熱帶季風氣候。試驗樣地為新開墾的山地，養(yǎng)分貧瘠，土壤結(jié)構(gòu)差，障礙因素多，生產(chǎn)能力低。其基本理化性質(zhì)如下：pH值5.01，有機質(zhì)含量11.30 g·kg-1，堿解氮含量56.41 mg·kg-1，速效鉀含量65.33 mg·kg-1，有效磷含量2.18 mg·kg-1。

供試AMF菌種為光壁無梗囊霉(Acaulosporalaevis90034)，從中國科學院南京土壤研究所獲得。以玉米為宿主植物，將供試AMF在滅菌河砂中繁殖4個月后，去除玉米地上部分，將根剪碎，制成菌絲體、真菌孢子、侵染根段的混合接種物。供試玉米品種為杭州市農(nóng)業(yè)科學院選育的錢江糯3號，在育苗盤中接種AMF菌劑，培育菌根化玉米苗，待玉米生長至三葉一心時移栽。供試番薯品種為天目山小香薯，供試大豆購自當?shù)剞r(nóng)資公司。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，設(shè)置接種和不接種AMF兩個處理，分別簡記為NM和AM，每個處理下再設(shè)置玉米-番薯(C-P)和玉米-大豆(C-S)2個間作處理，同時以玉米單作(C)為對照，共計6個處理，每個處理3個重復，每個小區(qū)面積為14.4 m2。作物種植前，按玉米生長過程中所需養(yǎng)分，一次性施入有機肥(有機質(zhì)含量≥45%， N+P2O5+K2O≥5.0%)7.64 t·hm-2、復合肥(N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)0.76 t·hm-2、尿素(N 46%)0.15 t·hm-2，并與土壤混合均勻。作物生長過程中采用常規(guī)管理。

1.3 樣品采集

2018年7月8日定穴種植，10月18日玉米成熟，測定玉米產(chǎn)量。采用土鉆“S”形5點取樣法采取0～20 cm的表層土壤，裝入自封袋放入冰盒，帶回實驗室分析。取一部分原狀土分析土壤團聚體，剩余土樣過2 mm篩，鮮土盡快測定土壤酶活性，風干土用于測定土壤理化性質(zhì)。

1.4 土壤團聚體和理化性質(zhì)分析

土壤團聚體測定參照Elliott[14]濕篩的方法，稱取風干原狀土50 g置于2、0.25、0.053 mm的套篩上，將套篩放入水桶中浸泡5 min后，手動上下振蕩2 min(振幅3 cm，頻率30次·min-1)，按次序收集各級孔篩和桶中土樣于鋁盒中，依次分別為大團聚體(>2 mm)、較大團聚體(0.25～2 mm)、微團聚體(0.053～0.25 mm)和黏粉粒組分(<0.053 mm)，60 ℃烘干稱重。

土壤理化性質(zhì)分析參照魯如坤[15]方法，簡述如下：土壤pH值測定采用1∶2.5土水質(zhì)量比浸提，用酸度計測定；有機質(zhì)(SOM)采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法，F(xiàn)eSO4滴定；堿解氮(AN)采用堿解擴散法，稀鹽酸滴定；有效磷(AP)采用鹽酸-氟化銨溶液浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀(AK)采用醋酸銨提取—火焰光度計測定。

1.5 土壤酶活性測定

脲酶(Ure)，以尿素為底物，苯酚鈉次氯酸鈉顯色法[16]；蛋白酶(AG)、β-葡萄糖苷酶(BG)、纖維二糖水解酶(CB)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、磷酸酶(PHOS)、β-木糖苷酶(XYL)等，參照陸海飛[17]的熒光微孔板檢測技術(shù)，簡述如下：稱取2 g鮮土于離心管中，加入30 mL緩沖液，25 ℃ 180 r·min-1搖床振蕩30 min，再用70 mL緩沖液沖洗至燒杯中，攪拌混勻后，取200 μL土壤懸液、50 μL底物分別加入96孔板中，于25 ℃培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)3 h，然后加入15 μL 0.5 mol·L-1氫氧化鈉結(jié)束反應，熒光分光光度計檢測，計算土壤酶活性。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003處理數(shù)據(jù)，利用SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。單因素方差分析接種或不接種AMF條件下不同種植模式之間的差異顯著性(P<0.05)，配對T檢驗分析同一種植模式下接種和不接種AMF處理之間的差異顯著性(P<0.05)。采用一般線性模型(GLM)分析不同種植模式和是否接種AMF對作物產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的交互作用；采用皮爾遜相關(guān)分析探討土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系；采用Canoco 5.0分析不同處理土壤酶活性的總體差異；利用冗余分析(RDA)找出與土壤酶活性關(guān)系密切的環(huán)境因子，采用999次的蒙特卡羅排列檢驗(MonteCarlo permutation test，999 permutations，full model)進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對玉米產(chǎn)量的影響

不接種AMF條件下，2種間作模式均顯著(P<0.05)提高了玉米產(chǎn)量。接種AMF后，僅玉米-番薯間作處理的玉米產(chǎn)量顯著(P<0.05)高于玉米單作處理(圖1)。雙因素方差分析結(jié)果表明，僅種植模式對玉米產(chǎn)量有顯著(P<0.05)影響，而是否接種AMF及其與種植模式的互作效應對玉米產(chǎn)量并無顯著作用。

在相同的接種或不接種AMF模式下，不同種植方式柱上無相同字母的表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicated significant (P<0.05) difference within treatments of different planting patterns under the same AM inoculation status. The same as below.圖1 不同處理的玉米產(chǎn)量Fig.1 Corn yield under different treatments

2.2 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

在不接種AMF的條件下，各處理的土壤pH值和養(yǎng)分含量均沒有顯著差異(表1)。接種AMF后，玉米-番薯間作的有效磷含量顯著(P<0.05)高于玉米-大豆間作，玉米單作處理的堿解氮含量顯著(P<0.05)高于玉米-番薯間作和玉米-大豆間作，玉米-大豆間作處理的土壤pH值顯著(P<0.05)低于玉米單作。與不接種AMF相比，接種AMF后玉米單作處理的土壤pH值和堿解氮含量顯著(P<0.05)升高。雙因素方差分析結(jié)果表明，種植模式對土壤有效磷、堿解氮和pH值影響顯著(P<0.05)，是否接種AMF對土壤pH值影響顯著(P<0.05)，兩者的互作效應對土壤堿解氮含量具有顯著(P<0.05)影響。

2.3 不同處理對土壤團聚體的影響

由表2可知，無論是否接種AMF，不同種植模式的土壤粒徑組成均無顯著差異。玉米單作處理下，接種AMF后，>2 mm的大團聚體比例較不接種AMF顯著(P<0.05)增高。雙因素方差分析結(jié)果表明，是否接種AMF和種植模式均對土壤2～0.25 mm的較大團聚體占比有顯著(P<0.05)影響。

2.4 不同處理對土壤酶活性的影響

如圖2所示，在未接種AMF條件下：與玉米單作相比，玉米-大豆間作處理顯著(P<0.05)提高了蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶活性；玉米-大豆間作處理的纖維二糖水解酶活性顯著(P<0.05)高于玉米單作和玉米-番薯間作；玉米單作和玉米-大豆間作模式下磷酸酶活性顯著(P<0.05)高于玉米-番薯間作。接種AMF后，玉米-番薯間作處理的土壤脲酶活性顯著(P<0.05)高于玉米單作和玉米-大豆間作，而玉米單作處理的N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性顯著(P<0.05)高于玉米-番薯和玉米-大豆間作模式。

表1 不同處理的土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical properties under different treatments

同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母的表示在接種或不接種AMF條件下不同處理間差異顯著(P<0.05)，無相同大寫字母的表示同一種種植方式下接種和不接種AMF間差異顯著(P<0.05)。下同。
In the same column， data marked without the same lowercase letters indicated significant (P<0.05) difference within treatments under the same AM inoculation status， and the data marked without the same uppercase letters indicated significant (P<0.05) difference between the treatments with different AM inoculation status under the same planting pattern. The same as below.

表2 不同處理下不同粒徑土壤團聚體的質(zhì)量比例Table 2 Mass fraction of soil aggregates under different treatments

玉米-番薯間作模式下，接種AMF顯著(P<0.05)提高了土壤脲酶和纖維二糖水解酶活性；玉米-大豆間作模式下，接種AMF顯著(P<0.05)降低了β-葡萄糖苷酶、磷酸酶活性；在玉米單作模式下，接種AMF顯著(P<0.05)提高了蛋白酶和N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性。

雙因素方差分析結(jié)果表明，種植模式對土壤中脲酶、磷酸酶活性有顯著(P<0.05)影響，是否接種AMF對土壤脲酶、蛋白酶、N-乙酰-β氨基葡萄糖苷酶活性有顯著影響(P<0.05)，兩者的交互效應對土壤蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶、脲酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性有顯著(P<0.05)影響。

圖2 不同處理的土壤酶活性Fig.2 Soil enzymes activity under different treatments

2.5 土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性

由表3可知，β-木糖苷酶活性與pH值呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，蛋白酶和N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性與pH值呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)。有機質(zhì)含量與磷酸酶活性呈極顯著(P<0.01)負相關(guān)，速效鉀含量和脲酶活性均呈顯著(P<0.05)負相關(guān)。堿解氮含量與N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶、磷酸酶活性呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，與β-葡萄糖苷酶活性呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)。有效磷含量與脲酶活性呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。

2.6 冗余分析

對土壤酶活和相關(guān)理化因子進行冗余分析，結(jié)果(圖3)表明，第1排序軸和第2排序軸的特征值分別為0.556和0.019，即其分別解釋了55.6%和1.9%的酶活性變化。由此可知，前兩軸能較好地反映出土壤酶活性與土壤理化因子的相關(guān)性，且主要由第一軸決定。接種AMF條件下，玉米單作與不同間作處理的土壤酶活性有明顯區(qū)分，而不接種AMF條件下，兩種間作模式的土壤酶活性存在明顯差異，但與玉米單作沒有差異。玉米與大豆間作條件下，接種與不接種AMF的處理在第一軸上差異明顯。冗余分析的二維排序圖表明，土壤有機質(zhì)和堿解氮含量對土壤酶活性有極顯著(P<0.01)影響。

表3 土壤酶活性和養(yǎng)分含量的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation within soil enzyme activities and soil nutrient contents

*和**分別表示相關(guān)性達到顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)水平。
* and ** indicated significant correlation atP<0.05 andP<0.01， respectively.

圖3 不同處理下微生物酶活性與環(huán)境因子的RDA 排序圖Fig.3 RDA sequencing of microbial enzymes activity and environmental factors under different treatments

3 討論

3.1 AMF和種植模式對作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響

本研究表明，無論是否接種AMF，間作均可提高玉米的單位面積產(chǎn)量，但2種間作模式下玉米產(chǎn)量沒有顯著差異，這與之前的研究結(jié)果一致，即合理配置的間作體系對于作物增產(chǎn)具有較大的潛力[10]。盡管許多研究表明接種AMF可以促進植物生長，但本研究中沒有發(fā)現(xiàn)其與不接種的處理間存在差異。AMF在人工控制條件下可以提高植物產(chǎn)量已經(jīng)得到了廣泛證明[5-6]，但是其在田間的應用效果仍然受到多種因素的干擾。通常來看，接種菌根的玉米在種植初期可以表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，但是隨著土著菌根真菌的侵染，菌根之間的養(yǎng)分競爭加劇，可能反而使這種前期優(yōu)勢逐漸消失。因此，如何顯著提高AMF在田間的實際應用效果仍是今后的重點研究方向。

AMF可以通過菌絲的纏繞、分泌球囊霉素相關(guān)土壤蛋白促進土壤水穩(wěn)性團聚體形成從而改善土壤的通透性和持水性，增強植物的抗旱能力，同時提高土壤有機碳積累[20-21]。本研究中，玉米單作處理下，接種AMF后，>2 mm的大團聚體比例較不接種AMF顯著增高，而其他處理下土壤的各級團聚體比例均無顯著變化，說明不同的植物品種及其管理方式差異均會對土壤團聚體形成產(chǎn)生影響[22]。

3.2 AMF和種植模式對土壤酶活性的影響

土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動等生態(tài)過程中最活躍的生物活性物質(zhì)，與土壤理化特性、肥力狀況和農(nóng)業(yè)措施有著顯著的相關(guān)性，是土壤肥力評價的重要指標之一。土壤碳、氮、磷等環(huán)境因子與土壤酶活性的變化息息相關(guān)[23-24]。雙因素方差分析結(jié)果表明，接種AMF顯著提高了土壤脲酶、蛋白酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶的活性。這可能是因為AMF提高了植物根系或其他微生物的活性，或通過自身根外菌絲分泌分泌物，促進了土壤有機氮的礦化[19]，而上述3種酶均與氮素循環(huán)相關(guān)：脲酶是土壤氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，土壤蛋白酶活性在一定程度上可反映土壤氮素營養(yǎng)狀況，N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶的作用是將復雜的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為微生物和植物可利用的氮素小分子。本試驗中，玉米單作接種AMF后提高了蛋白酶和N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶的活性，玉米-番薯間作接種AMF后顯著提高了脲酶活性，也說明AMF提高了土壤有機氮的礦化速率，促進了宿主植物對有效氮的吸收。

間作能通過資源互補提高間作植物對土壤養(yǎng)分的利用效率，其中對土壤酶活的提高能有效改善植物對土壤養(yǎng)分的利用。如劉均霞等[25]通過玉米-大豆盆栽間作試驗，發(fā)現(xiàn)2種作物根際土壤脲酶活性均顯著高于相應單作。本研究也發(fā)現(xiàn)，在不接種AMF的條件下，玉米-大豆間作顯著提高了土壤蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、亮氨酸氨基肽酶的活性，而在接種AMF條件下這些酶的活性差異不顯著。這可能是由于AMF與土壤微生物競爭氮素，從而抑制了酶活性。此外，AMF對根系周圍的微生物也具有較強的影響，在同時接種同種AMF的情況下可能使酶活性趨同。一般線性模型分析結(jié)果表明，是否接種AMF和種植模式對土壤脲酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶、磷酸酶活性均具有顯著的協(xié)同效應，表明接種AMF與種植模式相結(jié)合對于改善土壤酶活性、提高作物產(chǎn)量具有重要的潛力。未接種AMF條件下，玉米-大豆間作和玉米單作中的磷酸酶活性顯著高于玉米-番薯間作，接種AMF后三者的土壤磷酸酶活性無顯著差異。原因可能是，土壤酶活性主要取決于某一類微生物的數(shù)量和多樣性指數(shù)，如針對某一酶類的專一性微生物數(shù)量下降，則相應酶活性也會隨之下降[26]。以往較多研究表明，間作條件下土壤磷酸酶和脲酶活性高于單作[25，27]。本研究發(fā)現(xiàn)，接種AMF后玉米-番薯間作較玉米單作顯著提高了土壤脲酶的活性，但不接種AMF條件下，玉米單作的磷酸酶活性高于玉米-番薯間作。這可能是由于在新墾山地上單作土壤中玉米的根系更發(fā)達，從而具有更多的根系分泌物，刺激了磷酸酶的活性。

Kandeler[28]指出，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的存在狀況、形態(tài)和含量等相關(guān)；李為等[29]的研究也表明，土壤水解酶類活性與土壤養(yǎng)分水平密切相關(guān)。本試驗冗余分析結(jié)果表明，土壤堿解氮含量與有機質(zhì)含量對土壤微生物酶活性有顯著影響。有機質(zhì)作為土壤酶作用底物的主要來源，其含量與各種酶的活性有關(guān)。有機質(zhì)同時又是各種酶類的重要載體，為土壤酶發(fā)揮作用提供場所與適宜的條件。Taylor等[30]研究也表明，土壤酶與土壤有機質(zhì)之間存在顯著的正相關(guān)性。此外，由酶所催化的有機氮的礦化影響了土壤有效氮的含量，因此堿解氮與各種酶活性的關(guān)系與有機質(zhì)含量表現(xiàn)一致。在新墾山地上，接種AMF、開展合理間作可以增加作物生物量，從而提高土壤有機質(zhì)含量和與土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)酶的活性，繼而逐漸熟化新墾耕地土壤，提升土壤肥力。

4 結(jié)論

在本試驗條件下，合適的間作模式可顯著提高玉米產(chǎn)量，而是否接種AMF對玉米產(chǎn)量并沒有明顯影響。接種AMF顯著提高了單作玉米的土壤pH值和堿解氮含量，增加了>2 mm土壤大團聚體的比例。在接種AMF條件下，玉米-番薯間作較玉米-大豆間作顯著提高了土壤有效磷含量。種植模式對土壤中脲酶、磷酸酶活性有極顯著影響，接種AMF對土壤脲酶、蛋白酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性有顯著影響，種植模式與是否接種AMF對土壤蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶、脲酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性具有顯著的協(xié)同效應。土壤酶活性受有機質(zhì)和堿解氮含量的顯著影響。與單作相比，玉米-番薯間作在接種AMF后不僅增加了玉米產(chǎn)量，對土壤有效養(yǎng)分和酶活的提高也具有明顯的促進作用，說明該種植模式下接種AMF對提升土壤肥力和提高作物產(chǎn)量頗具潛力。