張永慧，李貝貝，徐權(quán)杰，吳流通，常換換，蘇友波*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650210；2.康樂縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，云南 康樂 631500）

全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中干熱河谷地區(qū)占三分之一，被認(rèn)為是全世界環(huán)境最惡劣的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境極端脆弱，極端高溫頻發(fā)、降雨少、蒸發(fā)量大、土壤貧瘠、易水土流失和植被退化［1］，嚴(yán)重影響干熱河谷地區(qū)土地可持續(xù)利用和糧食安全，威脅人類健康；我國干熱河谷地區(qū)主要在云南省、臺灣省、海南省和四川省，其中在云南地區(qū)主要分布于元江、怒江、金沙江和瀾滄江流域的河谷地帶，占據(jù)重要的生態(tài)區(qū)位。劉光華［2］通過元謀干熱河谷地區(qū)羅望子人工林改善土壤物理性狀，水土流失減輕；周揚(yáng)［3］研究發(fā)現(xiàn)巨菌草可作為攀西干熱河谷地區(qū)植被恢復(fù)的先鋒植物，對土壤理化性質(zhì)具有積極顯著的效應(yīng)；何白云［4］研究表明不同土地利用方式土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)主要受土壤水分、土壤容重、粉粒、C/N的影響。云南省賓川縣地處云嶺橫斷山脈邊緣、金沙江南岸、云貴高原西南部，為典型的干熱河谷地區(qū)。研究設(shè)施葡萄間作蔬菜對土壤理化性狀的影響，對干熱河谷地區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)修復(fù)具有科學(xué)指導(dǎo)意義。

云南賓川縣位于我國西南邊陲，氣候條件優(yōu)越，其設(shè)施葡萄種植面積達(dá)1.08萬hm2（2019年），產(chǎn)值達(dá)38.29億元［5］，種植設(shè)施葡萄成為推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和脫貧攻堅(jiān)的重要手段。葡萄（Vitis viniferaL.）是葡萄科葡萄屬木質(zhì)藤本植物，在世界各地廣泛種植，我國葡萄總產(chǎn)量據(jù)世界首位［6］。當(dāng)前葡萄的種植存在結(jié)構(gòu)單一、土地利用率低、大水大肥灌溉、養(yǎng)分過剩等問題，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡、土壤環(huán)境惡化、土壤板結(jié)、耕地質(zhì)量下降［7］，嚴(yán)重制約葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。間作是常見的經(jīng)濟(jì)林經(jīng)營方法，在恢復(fù)生態(tài)平衡、提高土地利用率，協(xié)調(diào)農(nóng)林經(jīng)濟(jì)矛盾和增加經(jīng)濟(jì)效益方面成效顯著［8］，在果樹行間種植大豆［9］、小麥［10］、決明子［11］，可達(dá)到充分利用自然資源及長短期收益互補(bǔ)的目的，且充分利用自然資源和促進(jìn)資源協(xié)同最大化。有研究表明，葡萄果園內(nèi)生草可保持水土、改善土壤理化性質(zhì)、增加有機(jī)質(zhì)等［12-13］；利用葡萄采收期后，在行間種植草莓［14］、冬馬鈴薯［15］、甘藍(lán)［16］可以提高土地利用率，增加經(jīng)濟(jì)收入。然而設(shè)施葡萄間作蔬菜對土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性及微生物多樣性有何影響尚需進(jìn)一步探究。

本研究通過連續(xù)兩年的田間小區(qū)試驗(yàn)，研究了葡萄間作不同蔬菜對根區(qū)土壤理化性質(zhì)和微生物群落功能多樣性以及酶活性的影響，以評估不同間作蔬菜品種對根區(qū)土壤肥力的影響，以期為葡萄種植地區(qū)農(nóng)林間作的系統(tǒng)科學(xué)調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于云南省干熱河谷區(qū)賓川縣，屬亞熱帶低緯度高原季風(fēng)氣候區(qū)，年均太陽輻射量6479 MJ·m-2，年平均氣溫21.9℃，全年無霜期，年均日照時(shí)數(shù)2719.4 h。年均降水量559.4 mm，為云南省年降水量最低的地方。該區(qū)土壤主要為砂壤土，土層深厚，特別適宜葡萄種植。

試驗(yàn)在賓川縣太和村（25°53′43.98″N，100°36′13.25″E）進(jìn)行，海拔1464.9 m，選擇6年生大棚葡萄種植園為試驗(yàn)對象。葡萄品種為紅提，間作蔬菜品種選擇適宜賓川縣種植的7種蔬菜（蘿卜、青筍、蠶豆、冰菜、蒜、辣椒、白菜），間作系統(tǒng)內(nèi)蔬菜與葡萄樹干基部距離50 cm，間作處理為葡萄//蘿卜（GR）、葡萄//青筍（GG）、葡萄//蠶豆（GB）、葡萄//冰菜（GI）、葡萄//蒜（GGa）、葡萄//白菜（GC），葡萄單作區(qū)域作為對照（CK），小區(qū)周圍設(shè)保護(hù)行，各區(qū)田間管理措施相同，小區(qū)面積為100 m2，每種處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共設(shè)24個(gè)小區(qū)。葡萄“Y”字形整型，株行距為1 m×3 m。土壤的堿解氮85.5 mg·kg-1、有效磷17.7 mg·kg-1、速效鉀130.0 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)18.8 g·kg-1、pH值6.13。

1.2 樣品采集

時(shí)間為2019～2020年，每年9月8日播種，11月8日采樣，所有蔬菜同時(shí)播種，連續(xù)種植兩年。每10 d灌溉1次，種植蔬菜后無施肥。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3棵具有代表性的植株，采集蔬菜根際土壤0～20和20～40 cm深處土壤樣品，采用“S”形取樣法采集剖面土壤樣品，土壤剖面按0～20和20～40 cm自下而上分層采取原狀土，每個(gè)小區(qū)3點(diǎn)混合成1個(gè)土樣，裝入干凈的自封袋中，將土壤樣品鮮土現(xiàn)場過2 mm篩后裝入無菌自封袋和保鮮盒內(nèi)（團(tuán)聚體土樣），冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室4℃保存。土壤樣品鮮土現(xiàn)場過2 mm篩后裝入無菌自封袋內(nèi)，冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室4℃保存。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤團(tuán)聚體

土壤團(tuán)聚體分級采用濕篩法，篩分收集各級土粒稱重，把篩分的土壤樣品按比例配成 50.00 g，自上而下的放入孔徑為 2、1、0.5、0.25、0.106 mm的套篩中，然后在土壤團(tuán)聚體分析儀上以 30 r·min-1的速度篩分 10 min（振幅 4 cm）。濕篩結(jié)束后將留在各級篩孔上的團(tuán)聚體洗入鋁盒中，50℃烘干后稱量，計(jì)算水穩(wěn)性團(tuán)聚體的組成。

1.3.2 土壤養(yǎng)分

土壤理化性狀均參考《土壤農(nóng)化分析》中的方法測定。有效磷采用Olsen法、速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法、堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定。

1.3.3 土壤酶活性

脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法、蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法、過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定。

1.3.4 土壤微生物群落功能多樣性

稱取 10.0 g 新鮮土壤放入盛有 90 mL 無菌0.85%NaCl 溶液的三角瓶中，在搖床上180 r·min-1振蕩30 min，于超凈工作臺中靜置 30 min 后，將懸浮液稀釋100倍，然后接種于 Biolog ECO 板中，每孔接種量為150 μL。接種完畢，將Biolog ECO 板置于 25℃恒溫避光培養(yǎng)24、 48、72、96、120、144 h后，用Biolog Reader 分析儀讀取590 nm處的光密度值。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007和PASW Statistics 18進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用Origin Pro 8.0作圖。采用144 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析及多樣性指數(shù)比較。采用單因素方差分析和Duncan 最小顯著性差異法比較處理間的差異。

（1）土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）的計(jì)算方法如下：

式中，Wi第i粒級團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，Xi為相鄰兩級團(tuán)聚體的平均粒徑。

式中，Wi為土壤不同粒級團(tuán)聚體的重量（g）；lnxi為土壤粒級平均直徑的自然對數(shù)。

（2）平均顏色變化率（AWCD）、Shannon指數(shù)、Mclntosh指數(shù)、Simpson指數(shù)（D）的計(jì)算方法， Simpson指數(shù)直接用D表示。 Gini系數(shù)（G）的計(jì)算參照Bronwyn D.Harch，計(jì)算公式如下所示：

式中，xi、xj指每一種碳源的光密度值（1～31），N指碳源總數(shù)（31），指平均光密度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作模式對根際土壤酶的影響

由圖1可知，葡萄間作蔬菜對土壤酶活性的影響較大。整體上，0～20 cm 土層的土壤酶活性高于20～40 cm土層，說明淺層土壤酶活性高于深層土壤酶活性。0～20 cm土層中，GR、GI、GC土壤蔗糖酶活性顯著高于其他4種間作處理（P＜0.05），與CK相比分別增加了83.8%、81.7%、79.1%。土壤脲酶活性GG、GGa顯著高于其他5種間作處理，與CK相比脲酶活性最大增加了74.9%，最小增加了約9.6%。過氧化氫酶活性由大到小依次為：GI＞GB、GP＞GGa＞GR、GG、GC＞CK，與CK相比，過氧化氫酶活性最大增加了105%，最小增加了38%。在20～40 cm 土層，土壤蔗糖酶活性由大到小依次為：GC＞GI、GR＞GP、GG＞GGa、GB＞CK，行間間作葉菜類蔗糖酶活性增加，增幅最大為186.7%，最小為30.6%。土壤脲酶活性由大到小依次為：GG＞GR、GB、GP＞GGa、GC＞GI＞CK，脲酶活性增加，增幅最大為131.2%，最小為26.1%。土壤過氧化氫酶活性由大到小依次為：GI＞GB、GGa、GP＞GR、GG＞GC＞CK。

圖1 葡萄與蔬菜間作對葡萄根際土壤酶活性的影響

2.2 間作模式對根際微生物多樣性的影響

2.2.1 代謝活性

Eco微生態(tài)板31種碳源平均顏色變化率（AWCD）的大小可反映微生物群落代謝活性的強(qiáng)弱。各處理的AWCD值在24～72 h培養(yǎng)時(shí)間段內(nèi)緩慢波動(dòng)上升，72 h之后快速升高。較單作而言，GC、GB、GI、GR根際微生物群落整體代謝活性增強(qiáng)，而GC、GGa、GG根際微生物群落整體代謝活性減弱，尤其在72～192 h 之間（圖2），GP的AWCD增長最快。總體上，不同處理下對碳源的利用隨時(shí)間的推移而不斷升高，且存在“S”形的變化趨勢。結(jié)果表明葡萄園不同的間作模式，對土壤微生物碳代謝能力存在差異，不同間作模式下，根區(qū)微生物多樣性不同，對碳源的利用率不同；其中GP的微生物群落代謝活性最強(qiáng)，GG的微生物群落代謝活性最弱。

圖2 葡萄與蔬菜間作根際土壤微生物AWCD隨培養(yǎng)時(shí)間的變化

2.2.2 多樣性指數(shù)

如表1所示，葡萄單作處理的Simpson指數(shù)低于間作模式（除GGa外），間作根區(qū)土壤的碳源代謝功能中優(yōu)勢度優(yōu)于單作（P＜0.05）。 葡萄單作Shannon指數(shù)顯著高于GR（P＜0.05），而GP、GB、GI、GGa、GC間作的Shannon指數(shù)顯著高于葡萄單 作（P＜0.05），分 別 提 高2.6%、2.1%、3.3%、4.3%、2.7%，說明間作的物種豐富度優(yōu)于葡萄單作（P＜0.05）。Mclntosh指數(shù)總體為升高趨勢，與單作相比，GR、GP、GG、GB、GI、GGa、GC間作處理分別顯著升高244%、215%、452%、300%、214%、495%、347%（P＜0.05）；Gini系數(shù)呈現(xiàn)升高的趨勢，說明不同蔬菜與葡萄間作根際微生物群落的功能多樣性存在差異，微生物群落不同碳源間的代謝能力差異顯著，其中GG模式下碳源的代謝能力最強(qiáng)，而GC碳源代謝能力最小。總體來說，葡萄間作模式優(yōu)于單作，而從微生物多樣性指數(shù)的數(shù)據(jù)而言，最佳的間作模式為GP、GB，即葡萄間作辣椒和葡萄間作蠶豆處理。

表1 葡萄與蔬菜間作根際土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)

2.3 間作模式對根區(qū)土壤養(yǎng)分的影響

如圖3所示，總體上，葡萄間作蔬菜土壤速效養(yǎng)分高于葡萄單作，各處理內(nèi)土壤速效養(yǎng)分0～20 cm土層高于20～40 cm土層。0～20 cm土層中，GR、GG、GI、GGa、GP的堿解氮含量分別較CK顯著提高63.91%、58.87%、54.17%、54.41%、60.63%（P＜0.05）；GI、GP的有效磷含量分別較CK顯著提高46.23%、53.00% （P＜0.05）；GG、GB的速效鉀含量分別較CK顯著提高46.23%、53.00% （P＜0.05）；GGa、GG、GI的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他處理。20～40 cm土層中，GG、GP和GC的堿解氮含量分別較CK顯著提高36.02%、51.51%和37.85%（P＜0.05）；GI、GP的有效磷含量分別較CK顯著提 高94.14%、100.75% （P＜0.05）；GG、CB、GI的速效鉀含量分別較CK顯著提高69.51%、6.02%、60.00%（P＜0.05）。GGa的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他處理。根據(jù)試驗(yàn)處理土壤堿解氮含量的變化規(guī)律，GR、GG、GGa、GP、GI優(yōu)于其他間作及葡萄單作，而在有效磷的變化規(guī)律中，GI、GP間作優(yōu)于其他組合，在速效鉀的變化規(guī)律中，GG、GB、GI、GC優(yōu)于其他間作或單作模式；土壤有機(jī)質(zhì)大部分間作大于單作，淺層土壤有機(jī)質(zhì)含量高于深層土壤。

2.4 間作模式對土壤團(tuán)聚體的影響

從表2可知，間作使土壤的團(tuán)聚體發(fā)生改變，不同的間作模式對團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的改變有差異?？傮w而言，葡萄與蔬菜間作，可以增加團(tuán)聚體的團(tuán)聚度，提高抗蝕性，且穩(wěn)定性越高。而7種間作模式中，從水穩(wěn)性團(tuán)聚體分級來看，0～20 cm 土層土壤的大部分團(tuán)聚體為大團(tuán)粒（＞0.25 mm），占比平均高達(dá)67%，粗大團(tuán)聚體（＞5 mm）平均占比為12%，細(xì)大團(tuán)聚體（2～5 mm）平均占比為18%。20～40 cm土層土壤大部分為大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，占比高達(dá)62%，粗大團(tuán)聚體（＞5 mm）平均占比為12%，細(xì)大團(tuán)聚體（2～5 mm）平均占比為20%。其中，0～20 cm土層GB、GI處理土壤的MWD、GMD均高于其他模式，其團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好。20～40 cm土層GR、GB、GC處理土壤的MWD、GMD均高于其他間作模式，其團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好。

圖3 葡萄與蔬菜蔬菜間作對根際土壤養(yǎng)分的影響

表2 葡萄與蔬菜間作對根際土壤團(tuán)聚體的影響

2.5 化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)對土壤肥力影響的關(guān)聯(lián)性分析

土壤養(yǎng)分與土壤微生物特性相關(guān)性表明（表3），土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性及微生物多樣性Mclntosh指數(shù)與土壤堿解氮、速效鉀含量存在極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系，Gini系數(shù)與其存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但沒有達(dá)到顯著差異。土壤過氧化氫酶活性、Mclntosh指數(shù)與有效磷含量達(dá)到極顯著正相關(guān)，土壤蔗糖酶活性、Gini系數(shù)與其存在正相關(guān)關(guān)系但未達(dá)到顯著水平，脲酶活性與其存在負(fù)相關(guān)關(guān)系亦未達(dá)顯著水平。土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量存在正相關(guān)關(guān)系，其中脲酶活性與其相關(guān)性極顯著，其Mclntosh指數(shù)和Gini系數(shù)與其相關(guān)性不顯著。

表3 土壤養(yǎng)分含量和微生物特性間的相關(guān)性

3 討論

3.1 葡萄與蔬菜間作對土壤速效養(yǎng)分的影響

目前，國內(nèi)外關(guān)于設(shè)施葡萄間作蔬菜的研究較少，主要是研究葡萄園生草對園區(qū)遮陰、水分的影響［17］。本研究對比了7種蔬菜與葡萄間作對土壤理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，在干熱河谷地區(qū)不一定所有的間作模式都有利于土壤健康和可持續(xù)耕作。本研究發(fā)現(xiàn)，間作土壤理化性質(zhì)優(yōu)于單作；間作蔬菜可以使秋冬季葡萄園區(qū)土壤速效養(yǎng)分氮、磷、鉀含量增加，最明顯的特征就是表層土壤中的速效養(yǎng)分含量變化顯著高于深層，間作制度有利于提高養(yǎng)分的有效性。與郭雄飛［18］關(guān)于生物炭對間作體系中刨花潤楠土壤0～15 cm土層養(yǎng)分高于15～30 cm土層的研究結(jié)果一致，導(dǎo)致該結(jié)果的一個(gè)原因是間作促進(jìn)葡萄根區(qū)與土壤養(yǎng)分循環(huán)有關(guān)的土壤微生物增多；另一個(gè)原因是間作使葡萄根區(qū)肥料釋放出的養(yǎng)分，會(huì)促進(jìn)蔬菜生長［19］。但本研究發(fā)現(xiàn)，間作土壤速效鉀含量高，土壤速效鉀含量淺層土壤高于深層土壤；而土壤鉀含量高可以促進(jìn)光合作用，提高CO2的同化率，調(diào)節(jié)根系生長和結(jié)實(shí)率等，促進(jìn)植物抵抗脅迫［20-21］。這充分說明秋冬季節(jié)在設(shè)施葡萄園葡萄行間間作生長周期短的蔬菜類作物，有利于土壤保水保肥，而速效鉀含量高，也有利于葡萄的生長和提高抗病抗逆性。

3.2 葡萄與蔬菜間作對土壤酶活性的影響

土壤酶主要來源于土壤微生物、土壤動(dòng)植物［22-23］，能催化土壤中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動(dòng)，是植物生長和肥料利用的重要指標(biāo)之一。土壤蔗糖酶參與碳循環(huán)，促進(jìn)土壤易溶性營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化［24］；脲酶促進(jìn)土壤氮轉(zhuǎn)化，分解有機(jī)氮［25］；過氧化氫酶促進(jìn)土壤過氧化氫分解，以防止毒害作用。本文研究發(fā)現(xiàn)，葡萄與蔬菜間作，其土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性均升高，其中GC、GR、GI的蔗糖酶活性最高，GGa的脲酶活性最高，GI的過氧化氫酶活性最高。司鵬等［26］研究發(fā)現(xiàn)，葡萄//草土壤酶活性高，深層土壤酶活性較低；這與張艷等［27］研究關(guān)于甘薯//玉米間作相比甘薯連作提高了蔬菜根際土壤酶活性的結(jié)果一致。

3.3 葡萄與蔬菜間作對土壤微生物的影響

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成是對土地利用、耕地管理、植被、土壤養(yǎng)分、pH值變化的敏感指標(biāo)［28］。本研究中葡萄間作不同蔬菜，在土壤有機(jī)質(zhì)的變化中葡萄與大蒜間作效果最好。與前人研究關(guān)于大蒜與番茄間作的結(jié)果可以緩解連作障礙，促進(jìn)微生物活性研究結(jié)果相同；可能是葡萄和大蒜間作使大蒜中大蒜素等分泌物增加［29］，也與Castellano-Hinojosa等［30］研究的間作促進(jìn)果樹養(yǎng)分、微生物活性的結(jié)果相似。原因是葡萄//白菜間作相互作用，不同凋落物和分泌物刺激根區(qū)土壤，抑制土壤微生物群落活性，有機(jī)碳利用和轉(zhuǎn)化效率；相比之下，辣椒、蠶豆分別與葡萄間作，其凋落物、根系分泌物等物質(zhì)降低了微生物碳源轉(zhuǎn)化和土壤有機(jī)碳的利用。這意味著在葡萄園利用間作不同的蔬菜，對根區(qū)微生物群落及有機(jī)質(zhì)活性較好的模式是葡萄//蒜、葡萄//白菜、葡萄//青筍、葡萄//冰菜；與單作相比，間作改變了土壤微生物群落環(huán)境，這與馬琨等［31］關(guān)于間作栽培對連作馬鈴薯根際土壤微生物群落影響的結(jié)果相似。這一結(jié)果可能是因?yàn)殚g作增加了植物種植種類，使土壤根區(qū)微生物的多樣性和根系分泌物不同，促進(jìn)了土壤微生物群落和優(yōu)勢種群的發(fā)展。另一方面，季節(jié)差異和深根植物與淺層植物間作，導(dǎo)致了空間根系分布差異大。

4 結(jié)論

間作改善了葡萄和蔬菜土壤微生物群落的多樣性，提高了土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性，與土壤有機(jī)碳、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的變化有關(guān)。因此，通過間作蔬菜可改變葡萄果園土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)土壤有益微生物參與土壤養(yǎng)分循環(huán)，對土壤質(zhì)量產(chǎn)生積極影響。