喬月靜，郭來(lái)春，葛軍勇，劉琪,楊珍平，高志強(qiáng)

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801；2.白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 白城 137000； 3.張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北 張家口 075032)

燕麥(AvenaL.) 屬禾本科燕麥屬一年生草本植物，是世界第七大栽培作物，我國(guó)燕麥種植面積約 60 萬(wàn) hm2，主要分布在東北、內(nèi)蒙、張北壩上及山西西北部地區(qū).近年來(lái)，人們對(duì)功能性農(nóng)產(chǎn)品的需求增加，燕麥蛋白質(zhì)水平高，氨基酸含量均衡，含有高β-葡聚糖和豐富的膳食纖維，具有較高的保健功能，因此燕麥愈來(lái)愈受到重視，具有巨大的產(chǎn)業(yè)前景.燕麥的種植模式主要有燕麥單作和燕麥間作豆科作物，燕麥與豆科作物間作包括大豆/燕麥、綠豆/燕麥、花生/燕麥和箭筈豌豆/燕麥等.禾豆間作使得地上部以及地下部的時(shí)間、空間生態(tài)位互補(bǔ)[1]，從而提高資源利用效率[2]，禾本科作物還可以利用豆科作物固定的氮素，降低氮肥的施用，同時(shí)具有增產(chǎn)、增加土壤微生物量和農(nóng)田生物多樣性等作用[3-4]，提高產(chǎn)量[5].因此，禾豆間作兼具生態(tài)和集約的特征，是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)[6].

土壤酶是土壤中植物根系及其殘?bào)w、土壤動(dòng)物及其遺骸和微生物分泌的活性物質(zhì)，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分[7]，在其物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中的作用十分關(guān)鍵[8].土壤酶活性能反映土壤微生物活性高低、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運(yùn)轉(zhuǎn)能力強(qiáng)弱以及土壤生化反應(yīng)的強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)土壤肥力、質(zhì)量及健康狀況的重要指標(biāo)之一[9].間作可以改變土壤微生物群落[10]，禾本科與豆科作物間作顯著改變了作物根際細(xì)菌、真菌、固氮微生物等群落結(jié)構(gòu)[11-12].燕麥與豆科作物間作可提升燕麥光合性能以及產(chǎn)量形成[3]，提高燕麥土壤微生物群落多樣性[11]，增加豆類的固氮效率，有效改善根際的微生物環(huán)境[11]，而間作條件下，土壤酶活與微生物量的相互關(guān)系與變化情況，及其對(duì)間作產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的相對(duì)貢獻(xiàn)研究較少，本研究設(shè)燕麥/大豆，燕麥/豌豆間作和燕麥、大豆、豌豆單作處理，分析燕麥根際土壤4種酶的活性，及其與土壤微生物量的相關(guān)性，為進(jìn)一步揭示間作的微生態(tài)機(jī)制,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境,構(gòu)建可持續(xù)的間套作模式提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于山西省晉中市榆次區(qū)東白試驗(yàn)基地(N 37°37′，E 112°48′)，屬于典型的暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年降水量418～483 mm，年平均氣溫9.8 ℃，無(wú)霜期158 d，年日照時(shí)數(shù)2 662 h.土壤是壤性土，pH為7.85，土壤有機(jī)質(zhì)24.49 g/kg，總氮0.89 g/kg，有效氮50.36 mg/kg，有效磷24.55 mg/kg，有效鉀126.26 mg/kg.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)5個(gè)處理，燕麥單作(TO)，大豆單作(TB)，豌豆單作(TP)，燕麥/大豆(TOB)，燕麥/豌豆間作(TOP)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積6 m ×10 m.單作燕麥播種行距30 cm,播量 150 kg/hm2；單作大豆行距為40 cm，株距為10 cm；單作豌豆行距為40 cm，株距為10 cm；間作體系中種植比例為 2∶2 即 2 行燕麥和 2 行豆科作物,間作燕麥、大豆、豌豆行距、播量同單作,燕麥豆科作物行間距為 25 cm.供試材料為燕麥(‘壩莜1號(hào)’)，大豆(‘晉豆53’)和豌豆(‘晉豌豆2號(hào)’).試驗(yàn)于 2018年5月2日播種，9月25日收獲，全生育期無(wú)施肥，灌水1次，人工除雜2次.土壤采集于燕麥苗期(5月15日)、抽穗期(7月30日)和收獲期(9月25日)進(jìn)行，每次每小區(qū)取5個(gè)點(diǎn)，采集0～20 cm耕層土壤，同時(shí)在非種植區(qū)域的裸地上取3點(diǎn)同樣深度的土壤作為對(duì)照，混合后用保鮮箱帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分新鮮土樣測(cè)定土壤微生物，剩余土樣自然風(fēng)干后過(guò)篩，用于土壤酶活性的測(cè)定.

1.3 試驗(yàn)方法

采用稀釋平板計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)微生物數(shù)量.細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基[14]，以干土計(jì).

土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測(cè)定.酶活性以24 h后1 g干土中NH3-N的毫克數(shù)表示.土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，酶活性以24 h后1 g干土中釋出的酚的毫克數(shù)表示.土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，酶活性以1 g干土37 ℃培養(yǎng)24 h生成的葡萄糖毫克數(shù)表示.土壤過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法，酶活性以20 min后1 g土壤中0.02 mol/L的KMnO4的毫升數(shù)表示[8].

籽粒產(chǎn)量：燕麥、大豆、豌豆成熟期,取每小區(qū)燕麥 2行 2 m樣段,風(fēng)干后測(cè)籽粒產(chǎn)量.取每小區(qū)大豆、豌豆 2 行 2 m 樣段,測(cè)大豆籽粒產(chǎn)量和豌豆籽粒產(chǎn)量.

土地當(dāng)量比(land equivalent ratio,LER)用于衡量間作優(yōu)勢(shì).通過(guò)下式計(jì)算.

LER=Yoi/Yom+Yli/Ylm

式中，Yoi和Yli分別指在間作總面積上燕麥和豆科作物的籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；Yom和Ylm分別指單作燕麥和豆科作物的籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；當(dāng)LER>1 時(shí),表示有間作優(yōu)勢(shì)；當(dāng)LER<1則無(wú)間作優(yōu)勢(shì).

1.4 數(shù)據(jù)處理

間作對(duì)土壤酶的影響采用土壤酶相對(duì)活性指數(shù)(relative enzymes activity index，REAI)和土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)(relative enzymes activity comprehensive index，REACI)表示[15]：

REAI=EAt/EAck,REACI=(REAIUre+REAICat+

REAIAlp+REAIGlu)/4

式中，REAI表示土壤酶相對(duì)活性指數(shù)；EAt表示不同種植方式下的土壤酶活性；EAck表示各處理對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)季裸地對(duì)照土壤酶活性；REACI表示土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)； Ure、Alp、Cat和Glu分別表示脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶.試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析( LSD 法) 及相關(guān)性分析，顯著性水平α=0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 間作模式對(duì)土壤酶活性的影響

如表1所示，5種種植模式及裸地土壤在燕麥苗期、抽穗期和成熟期3個(gè)生育時(shí)期的4種土壤酶活性變化情況.土壤脲酶是土壤酶中唯一催化尿素水解的酶，也是決定土壤中氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，其活性反映土壤有機(jī)態(tài)氮向有效態(tài)氮轉(zhuǎn)化和供應(yīng)無(wú)機(jī)態(tài)氮的能力[16]，可以作為評(píng)價(jià)土壤肥力狀況的重要指標(biāo).不同種植方式下土壤脲酶活性均為抽穗期>成熟期>苗期，苗期無(wú)顯著差異，只有裸地CK土壤脲酶活性抽穗期顯著低于成熟期和苗期.抽穗期和成熟期不同處理間均差異顯著,呈現(xiàn)為TOP>TP>TOB>TB>TO>CK，脲酶活性在抽穗期TOP、TP、TOB、TB和TO分別比裸地對(duì)照提高325.71%，293.11%，190.11%，130.90%，98.60%，在成熟期TOP、TP、TOB、TB和TO分別比裸地對(duì)照提高151.37%，126.29%，99.54%，77.79%，46.75%.

過(guò)氧化氫酶是直接參與土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一種重要的氧化還原酶，其活性能夠表征土壤腐殖化強(qiáng)度的大小和有機(jī)質(zhì)積累的程度，與土壤中的能量變動(dòng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化直接相關(guān)，具有分解土壤中對(duì)植物有害物質(zhì)過(guò)氧化氫的作用[17].TB和TOB的過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)為抽穗期>成熟期>苗期，TOP則是成熟期>抽穗期>苗期，其他處理的3個(gè)時(shí)期差異不顯著.在抽穗期，過(guò)氧化氫酶活性TOB>TB>TO>TOP>TP,分別比CK提高了8.18%，5.37%， 4.60%， 3.58%， 3.32%；成熟期TOP最高(比CK高5.06%)，與TOB差異不顯著，其次是TP、TO、TB差異不顯著，CK顯著低于各處理.

土壤磷酸酶來(lái)源于土壤微生物和植物根系，能夠水解催化有機(jī)磷化合物為無(wú)機(jī)磷，為植物提供可靠的磷素營(yíng)養(yǎng).磷酸酶的催化作用可以將土壤中的難以被植物利用的磷轉(zhuǎn)化為植物可以利用的形式，以便植物生長(zhǎng)發(fā)育[18].不同處理的3個(gè)時(shí)期均呈現(xiàn)苗期>抽穗期>成熟期，即隨生育期推進(jìn)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，且各種植方式比裸地土壤的堿性磷酸酶活性都有不同程度的下降，抽穗期CK>TB>TP>TO>TOB>TOP；成熟期CK>TO>TOB>TB>TP>TOP；TOP最低，在抽穗期和成熟期分別比CK降低24.72%和57.89%.

蔗糖酶將蔗糖分解為D-葡萄糖和D-果糖進(jìn)入植物細(xì)胞，作為能源物質(zhì)或滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等.蔗糖酶也可快速的分解土壤中的蔗糖作為土壤中的微生物的能量來(lái)源，改善土壤的物理化學(xué)性狀和微生物狀態(tài)，為作物生長(zhǎng)提供良好的土壤環(huán)境.不同處理的3個(gè)時(shí)期的蔗糖酶活性均無(wú)顯著差異，只有間作處理TOB和TOP的苗期略低于抽穗和成熟期.抽穗期TOP和TP顯著高于CK(12.48%和11.98%)，其他處理差異不顯著；成熟期TOB顯著高于TB和CK(6.37%和8.12%)，其他處理差異不顯著.

表1 燕麥生育期間不同種植方式下土壤酶活性

2.2 不同種植模式下土壤酶相對(duì)活性指數(shù)的變化

土壤酶相對(duì)活性指數(shù)(REAI)將4種土壤酶活性對(duì)種植方式的響應(yīng)剔除了對(duì)照的影響，可以更直觀地反映出各種植方式對(duì)酶活性的影響強(qiáng)弱.由圖1可知，各種植方式對(duì)脲酶活性的影響強(qiáng)弱隨生育期的推進(jìn)均呈先增后降的變化，抽穗期達(dá)到最高，之后開(kāi)始下降，其中TOP始終保持較高的脲酶相對(duì)活性指數(shù)，且變化劇烈，抽穗期和成熟期比苗期分別提高69.40%和316.53%；燕麥單作(TO)始終最低，且波動(dòng)不大，抽穗期和成熟期比苗期分別提高，35.38%和93.37%.過(guò)氧化氫酶相對(duì)活性指數(shù)則隨生育期的推進(jìn)多數(shù)處理仍呈先增后降的變化，只有TOP呈上升趨勢(shì)，且間作方式TOP和TOB有較高的酶活性，TOP抽穗期和成熟期比苗期分別提高3.94%和5.39%，TOB分別提高9.22%和5.24%.堿性磷酸酶相對(duì)活性指數(shù)則隨生育期的推進(jìn)則全部呈下降趨勢(shì)，TOP下降幅度最大，成熟期比苗期下降了59.24%.蔗糖酶相對(duì)活性指數(shù)也呈先增后降的變化，TOB則在成熟期略有上升，但不顯著.

土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)(REACI)表征了不同種植方式對(duì)4種酶活性影響的整體效果.由圖2可以看出，隨生育期的推進(jìn)，不同處理土壤酶的REACI均呈先增后降的變化，抽穗期REACI最高，苗期最低；各處理土壤酶的REACI大小順序?yàn)門OP>TP>TOB>TB>TO.

2.3 間作模式對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和有機(jī)質(zhì)分解利用等過(guò)程，是土壤微生態(tài)環(huán)境變化的敏感生物指示，也是土壤最活躍的肥力因子之一.土壤微生物組成和數(shù)量的變化與作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、病害控制等密切相關(guān)[19].由圖3-A可知，各處理土壤細(xì)菌數(shù)量都隨生育期的推進(jìn)而顯著增加，即成熟期>抽穗期>苗期，其中TOP成熟期顯著最高，其次是TOB，單作方式中TO>TB>TP，抽穗期TOP、TOB、TO、TB和TP分別比CK增加了42.86%、35.71%、25.00%、14.28%和7.14%，成熟期分別增加了50.11%、40.01%、26.37%、16.67%和10.00%.圖3-B顯示各處理土壤真菌數(shù)量也大致呈現(xiàn)成熟期>抽穗期>苗期的趨勢(shì)，只有TP在成熟期出現(xiàn)下降，TO和TOP前期差異不顯著，CK始終無(wú)顯著差異，抽穗期TB和TP顯著高于其他處理，成熟期TO和TB顯著高于其他處理.圖3-C顯示在間作模式TOB和TOP條件下，細(xì)菌和真菌比顯著高于所有單作模式，裸地條件次之，且抽穗期和成熟期比苗期顯著提高，說(shuō)明間作模式使土壤向“細(xì)菌型”土壤轉(zhuǎn)變.

圖1 燕麥生育期間不同種植方式下土壤酶相對(duì)活性指數(shù)REAIFigure 1 Relative enzymes activity index under different cropping patterns during oat growth stage

圖2 燕麥生育期間不同種植方式下土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)REACIFigure 2 Relative enzymes activity comprehensive index under different cropping patterns during oat growth stage

2.4 土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性的相關(guān)性

大多數(shù)土壤酶來(lái)自微生物和其他有機(jī)組織(動(dòng)植物、生物及其殘留物)，因此土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性密切相關(guān).如表2所示，土壤細(xì)菌和真菌的數(shù)量與4種土壤酶活性的相關(guān)關(guān)系.土壤細(xì)菌數(shù)量與脲酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶極顯著正相關(guān)，與堿性磷酸酶呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤真菌數(shù)量也與堿性磷酸酶呈極顯著負(fù)相關(guān)，但與其他土壤酶無(wú)顯著相關(guān)性.

2.5 間作模式對(duì)作物籽粒產(chǎn)量的影響

由表3可知,同大豆間作燕麥的產(chǎn)量為單作的

53%,同豌豆間作燕麥的產(chǎn)量為單作的 61%，燕麥/大豆、燕麥/豌豆間作均具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，燕麥/大豆間作的LER為1.43，燕麥/豌豆間作的LER為1.51.

3 討論

間作作為我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精髓，具有增產(chǎn)、提高養(yǎng)分資源利用效率、增加土壤微生物多樣性以及持續(xù)控制病、蟲(chóng)、草害的優(yōu)勢(shì)[20-22].燕麥和豆科混播均能顯著提高土壤酶活性[23]，玉米大豆間作作物的土壤酶活性顯著高于相應(yīng)單作[24]，甘蔗與花生間作能提高間作作物根際土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性[25]，木薯與花生間作可以增加根際土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量以及土壤過(guò)氧化氫酶、酸性磷酸酶活性[26]，棉花與不同作物間作后土壤中細(xì)菌和放線菌數(shù)量顯著增加，真菌數(shù)量顯著降低，中性磷酸酶和脲酶活性顯著提高[27]，而柴強(qiáng)等[28]發(fā)現(xiàn)玉米與鷹嘴豆間作的土壤脲酶和酸性磷酸酶活性都低于單作玉米.

表2 土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的相關(guān)性分析

圖3 燕麥生育期間不同種植方式下土壤細(xì)菌(A)、真菌(B)數(shù)量及比率(C)Figure 3 The bacterial (A) and fungal (B) abundances and relative ratio of them (C) in different cropping patterns during oat growth stage

表3 間作對(duì)各作物籽粒產(chǎn)量和土地當(dāng)量比的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，燕麥與豆科作物間作條件下，土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶顯著高于相應(yīng)的單作方式和裸地對(duì)照，如燕麥與豌豆間作TOP的脲酶活性在抽穗期和成熟期比裸地對(duì)照分別提高了325.71%、151.37%；間作TOP與TOB的過(guò)氧化氫酶活性顯著高于單作TP、TO、TB；TOP的蔗糖酶活性比CK顯著提高了12.48%，TOB顯著高于TB 6.37%，說(shuō)明燕麥與豆科作物間作在不施肥情況下，仍具有活化土壤的作用.但是各種種植方式的土壤堿性磷酸酶均顯著低于裸地CK，且隨生育期推進(jìn)呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，尤其TOP成熟期比苗期降低65.96%，比CK降低56.58%，應(yīng)該是由于全生育期不施肥，土壤磷素消耗過(guò)多.土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)(REACI)隨生育期的推進(jìn)，均呈先增后降的變化，即抽穗期最高，這可能是因?yàn)橹虚g時(shí)期的氣溫降水、植物根系的生長(zhǎng)、有機(jī)質(zhì)腐殖質(zhì)的增多，為微生物活動(dòng)提供了良好的土壤生態(tài)環(huán)境，使土壤酶活性發(fā)生變化.REACI大小順序?yàn)門OP>TP>TOB>TB>TO，說(shuō)明燕麥/豌豆間作模式中對(duì)土壤酶活的影響效果更顯著.

間作模式下的土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于單作，而真菌相反，且細(xì)菌的數(shù)量與土壤酶活相關(guān)性更高，細(xì)菌可以活化土壤，使土壤健康有活力[29].前人研究也得出相似結(jié)果，丁建麗等[30]發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥提高了細(xì)菌比真菌比例，有利于土壤由“真菌型”向健康的“細(xì)菌型”轉(zhuǎn)變.周曉光等[31]研究指出有機(jī)蔬菜生產(chǎn)與常規(guī)生產(chǎn)方式相比，顯著增加了 0～20 cm耕層土壤中細(xì)菌數(shù)量、減少了土壤真菌的數(shù)量，改善了土壤微環(huán)境.此外，細(xì)菌型土壤向真菌型土壤轉(zhuǎn)變也是連作障礙發(fā)生的主要特征[32-33].

由于間作作物在復(fù)合群體中具有不同的時(shí)間生態(tài)位和空間生態(tài)位，使間作能夠充分利用自然資源，獲取綜合產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì).本研究顯示，燕麥與大豆、豌豆間作的土地當(dāng)量比LER分別為1.43和1.51，表現(xiàn)出明顯的間作優(yōu)勢(shì).馮曉敏等[3]研究顯示,燕麥與豆科作物間作模式的LER是1.31～1.63,Dhima等[34]發(fā)現(xiàn)豌豆與燕麥間作LER為1.09,與本研究結(jié)果一致.

4 結(jié)論

相比單作模式和裸地土壤對(duì)照，燕麥與豆科作物間作在不施肥條件下可顯著提高土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶活性，降低堿性磷酸酶活性，同時(shí)有利于形成“細(xì)菌型”土壤，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，且在產(chǎn)量上表現(xiàn)出明顯的間作優(yōu)勢(shì).