棉花產量和土壤微生物數量及酶活性對棉田間作系統的響應

崔愛花 孫亮慶 劉帥 白志剛 胡啟星 孫巨龍 黃國勤

摘要：為探討紅壤旱地上以棉花為主體的間作系統的優勢機制，為促進南方旱地農業的綠色、可持續發展提供理論依據，設置大豆、玉米、甘薯3種傳統作物分別與棉花間作，以棉花單作為對照，研究棉花產量、土壤微生物數量及酶活性對棉田間作系統的響應。結果表明：（1）間作較單作可通過總鈴數的增加來提高籽棉產量，單位面積總鈴數增加27.3%～78.7%，2年平均顯著增產15.0%～40.4%（P<0.05）;（2）各處理的土壤微生物數量均隨生育期的推進呈先升后降再升的趨勢，間作較單作可顯著增加土壤細菌、真菌、放線菌和固氮菌數量，增幅分別為30.7%～64.0%（花鈴期）、24.5%～39.0%（蕾期）、23.1%～50.6%（蕾期）和44.1%～94.9%（吐絮期）;（3）間作較單作可顯著增加土壤中轉化酶、脲酶和過氧化氫酶活性，增幅分別為22.8%～73.4%（收獲后）、100.0%～250.0%（花鈴期）和42.9%～150.0%（吐絮期）。棉花產量、微生物數量及酶活性關系較密切，相互之間存在正向促進作用。棉花甘薯間作可提高土壤中微生物的數量以及酶活性，改善土壤肥力，達到棉花增產的目的，是適宜在紅壤旱地上推廣應用的較優模式。

關鍵詞：棉花;間作;產量;土壤微生物;酶活性

中圖分類號： S344.2;S562.04 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0053-06

收稿日期：2021-05-10

基金項目：國家現代農業產業技術體系建設專項（編號：CARS-15-38）;江西省農業農村廳科技計劃（編號：贛農辦字[2017]56、贛農廳辦函[2019]76號）。

作者簡介：崔愛花（1983—），女，河南新鄉人，博士，副研究員，主要從事棉花栽培及生理生態研究工作。E-mail：49856861@qq.com。

通信作者：黃國勤，博士，教授，主要從事作物栽培、耕作制度、農田生態環境等方面的研究。E-mail：hgqjxauhgq@sina.com。

棉花是重要的戰略物資，在我國國民經濟中的地位尤為重要[1-2]，間作在我國應用歷史悠久，是一種非常重要的農業生產方式[3]，間作優勢產生的最主要的生態機制是生態位的分離，這是因為間作中2種作物的地下部與地上部在生態位上發生分離，使時空生態位進行互補擴大，繼而使地下的養分資源及地上的光、熱資源實現時間的前后分離和空間上的互補擴大，促進資源的高效利用[4-6]。間作以可通過改變土壤微生物數量以及酶活性來影響土壤環境，繼而使作物產量及品質發生改變[7-10]。土壤中微生物、酶共同參與土壤的物質循環和能量流動，是評價土壤肥力的重要指標之一[11-13]。本試驗探討土壤微生物及酶活性對紅壤旱地棉田間作系統的響應特點，旨在探明棉田間作的優勢機制，為解決棉爭地矛盾，推進棉花產業的綠色、高效和可持續發展提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2016—2017年在江西農業大學試驗田（115°55′02.040″E，28°46′04.476″N）開展大田試驗。試驗區光熱資源充足，年平均日照時數、日照總輻射分別為1 559.9 h、102.55 kJ/cm2，無霜期約269 d，年均溫度及≥10 ℃的活動積溫分別為16.5、5 521 ℃，年均降水量為1 658.9 mm。試驗初始土壤性狀如下：容重1.304 g/cm3，總孔隙度52.98%，毛管空隙度41.55%，有機質含量 29.78 g/kg，pH值4.75，全氮含量1.34 g/kg，堿解氮含量 90.00 mg/kg，全磷含量1.18 g/kg，有效磷含量 76.35 mg/kg，全鉀含量55.38 g/kg，速效鉀含量107.50 mg/kg。

1.2 試驗設計

隨機區組設計，以棉花單作（MC）為對照，設3種間作處理，分別是棉花大豆間作（CS）、棉花玉米間作 （CM）和棉花甘薯間作 （CP），共4個處理，每個處理3次重復。小區面積為6.0 m（長）×5.5 m（寬）=33.0 m2。

供試棉花品種為江西省棉花研究所選育的贛棉雜1號;大豆品種選用東北毛豆，玉米品種為甜糯玉米，甘薯品種為南昌農家種，上述作物均從市場購買。

1.3 田間管理

棉花分別于2016年4月25日和2017年4月17日開溝播種，行株距設置為 100 cm×40 cm;大豆和玉米的播種期分別為2016年4月24日和2017年4月16日，種植方式是在2行棉花中間開溝播種，行株距均為100 cm×25 cm。甘薯苗分別于2016年5月11日和2017年4月25日開溝栽種，行株距同大豆和玉米，每種作物的施肥情況如表1所示，其他管理方式同大田一致。

1.4 測定項目和方法

1.4.1 棉花產量和產量性狀

棉花產量按實收產量計算;吐絮期，在棉花植株中部位置，每個小區選取30個棉鈴，帶回室內考種，測出棉花鈴質量和衣分;每個小區選取長勢一致的10株棉花進行掛牌標記，調查單株成鈴數，取平均值。

1.4.2 土壤微生物數量

土壤中的細菌、真菌、放線菌和固氮菌數量采用固體平板培養計數法測定[14]。

1.4.3 土壤酶活性

土壤過氧化氫酶、脲酶及轉化酶分別采用高錳酸鉀滴定法、靛酚藍比色法和 3，5-二硝基水楊酸比色法進行測定[15]。

1.5 統計方法

采用Excel 2010對原始數據進行整理，采用SPSS 17.0和OriginPro 8.5軟件分別進行數據分析和作圖，因2年數據表現趨勢較一致，故以2017年的試驗結果進行分析說明。

2 結果與分析

2.1 棉田間作對棉花產量及產量構成的影響

由表2可知，棉田間作可增加棉花產量，2016年CS、CM和CP的籽棉產量分別比MC顯著提高35.9%、11.4%和37.7%，2017年CS、CM和CP分別比MC顯著提高37.6%、18.6%和43.0%;處理CS和CP之間差異不顯著，但兩者均顯著高于處理CM。各處理單位面積的鈴數與籽棉產量表現趨勢相似，間作處理鈴數較單作年均顯著增加27.3%～78.7%;處理CS和CP之間差異不顯著，但均顯著高于處理CM，與單作相比，間作在增加單鈴質量、衣分及籽指方面沒有顯著作用。因此，棉田間作較單作可有效提高棉花產量，且增產的主要原因是鈴數的增加，以處理CS（棉花間作大豆）和處理CP（棉花間作甘薯）的增產優勢最為明顯。

2.2 棉田間作對土壤微生物數量的影響

由表3可知，各處理的土壤細菌、真菌、放線菌、固氮菌數量均隨著生育期的推進呈先升高后降低再升高的趨勢。

在土壤微生物的主要組成成分中，細菌生物量占比最大，它可以有效分解各種有機物，是衡量土壤肥力的重要指標之一[16-17]。細菌數量的增加可提高土壤微生物活性，能夠促進植物生長，增加產量。處理MC和CP的土壤細菌數最高值出現在蕾期，CS和CM的最高值在花鈴期。棉花播種前、蕾期和花鈴期處理CS、CM和CP的細菌數量均顯著高于MC，增幅分別為36.4%～65.6%、23.8%～31.2%和30.7%～64.0%;花鈴期至吐絮期下降幅度較大，吐絮期處理CS和CP分別較處理MC顯著增加34.5%和60.3%，處理CM與MC之間差異不顯著;吐絮期以后各處理土壤細菌數量有所上升，棉花收獲后，處理CS較處理MC顯著高33.6%，處理CM和CP與處理MC之間差異均不顯著。以上結果表明，間作較單作可有效提高土壤細菌含量，其中處理CS（棉花間作大豆）表現最優。

處理MC、CS和CM的真菌數量最高值均出現在蕾期，處理CP的最高值在花鈴期。播種前，各處理的土壤真菌含量差異不顯著，隨后明顯增加，至蕾期，處理CS、CM和CP分別較處理MC顯著增加37.3%、24.5%和39.0%，處理CP顯著高于處理CM，但與CS之間差異不顯著?；ㄢ徠?，處理CS和CP較處理MC分別顯著增加22.8%和45.5%;處理CM與處理MC之間差異不顯著;花鈴期至吐絮期，各處理真菌數量急劇下降，吐絮期，間作處理CS、CP分別比MC顯著低41.8%、29.1%;吐絮期以后各處理土壤真菌數量有所上升，棉花收獲后，各處理之間無顯著差異。以上結查表明，棉田間作較單作可有效提高棉花蕾期和花鈴期的土壤真菌數量，處理CP優勢最明顯。

處理CS、CM和CP的放線菌數量最高值均出現在蕾期，處理MC的最高值在花鈴期。各處理的放線菌數量除在花鈴期無顯著差異外，其余各時期均存在一定的差異。棉花播種前和收獲后均表現為處理CS、CM和CP之間差異不顯著，不同的是，播種前僅處理CP較MC顯著高65.6%，收獲后處理CS和CM較處理MC顯著高35.8%和25.4%。蕾期，處理CS、CM和CP分別較處理MC顯著增加50.6%、30.5%和23.1%;處理CS顯著高于處理CP，但與處理CM之間差異不顯著。吐絮期，各處理的土壤放線菌數量降到最低，處理CP較處理MC顯著高80.0%，處理CS、CM與處理MC之間差異均不顯著。綜合分析認為，處理CP在增加土壤放線菌數量方面優勢明顯。

各處理的固氮菌數量最高值均出現在蕾期。棉花播種前和花鈴期各處理表現的趨勢相同，處理CS和CP均顯著高于處理MC，而處理CM與處理MC之間差異不顯著。不同點是播種前處理CS和CP均顯著高于處理CM，而花鈴期則是3個間作處理之間差異均不顯著;吐絮期和收獲后均表現為間作處理CS、CM和CP之間差異不顯著，不同的是吐絮期，處理CS、CM和CP均顯著高于處理MC，增幅為44.1%～94.9%;而收獲后，僅處理CP顯著高于MC，增幅為58.3%。由以上結果可知，棉田間作可增加土壤固氮菌的數量，以處理CP表現最好。

將各處理棉花收獲后較種植前土壤微生物數量的增量列于表4，可知除CP處理放線菌和CS處固氮菌的增量為負值外，各處理的土壤微生物數量均有不同程度的增加，與單作相比，CS對細菌、放線菌生物量增加有明顯優勢;CP對固氮菌生物量增加有明顯優勢。綜合來看，CP優勢明顯。

2.3 棉田間作對土壤酶活性的影響

土壤酶活性的大小受植物種類、養分含量、土壤質地等多種因素的影響，常作為土壤肥力的主要衡量標準之一[6]。

2.3.1 棉田間作對土壤轉化酶活性的影響

轉化酶常用于衡量土壤肥力水平和熟化程度，參與土壤中碳循環過程，對土壤中易溶性營養物質的增加起著重要作用。由圖1可知，處理MC的土壤轉化酶活性隨著生育進程的推進呈先升高后降低的趨勢，最高值出現在吐絮期，處理CS、CM和CP均呈先升后降再升的趨勢，最高值出現在花鈴期或收獲后。除花鈴期外，其余各時期均有間作處理與單作處理存在顯著性差異。播種前，間作各處理均顯著高于MC，增幅為28.7%～72.3%。蕾期，處理CS比處理MC顯著高44.4%，而處理CM和CP均與處理MC之間差異不顯著。吐絮期，處理CS、CM和CP均顯著低于處理MC，降幅為26.3%～40.4%。收獲后，間作處理均顯著高于處理MC，增幅為 22.8%～73.4%。

2.3.2 棉田間作對土壤脲酶活性的影響

由圖2可知，處理MC土壤脲酶活性播種前至吐絮期均無明顯變化，收獲后達到最高值;處理CS和CP土壤脲酶活性均呈先升后降再升高的趨勢，不同的是，處理CS在蕾期至花鈴期土壤脲酶活性無變化，而處理CP在花鈴期和收獲后差異不明顯;處理CM土壤脲酶活性，播種前至花鈴期無明顯差異，花鈴期至吐絮期下降而后升高。播種前，處理CM土壤脲酶活性最高，比處理MC、CS和CP均高100%。蕾期，處理CS比處理MC高150.0%，兩者差異顯著（P<0.05），而處理CM和CP均與處理MC之間差異不顯著?；ㄢ徠?，處理CP土壤脲酶活性最高，其次是處理CS和CM，三者分別比處理MC高250.0%、150.0%和100.0%，差異顯著（P<0.05）。吐絮期，處理CS、CM和CP均與處理MC之間無顯著差異，處理CM顯著高于處理CS。收獲后，處理CS和CP均比處理MC高75.0%，差異顯著（P<0.05），而處理CM與處理MC之間差異不顯著。

2.3.3 棉田間作對土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖3可以看出，處理MC、CS和CP的土壤過氧化氫酶活性均隨著生育期的推進呈先降低后升高的趨勢，拐點均在吐絮期;而處理CM呈逐漸降低的趨勢。播種前，處理CS、CM和CP分別顯著比處理MC高50.0%、66.1%和16.1%;蕾期，處理CS、CM之間差異不顯著，分別顯著比處理MC高60.0%和54.5%，處理CP與處理MC之間差異不顯著;花鈴期與蕾期表現一致，亦是處理CS和CM差異不顯著，分別顯著比處理MC高41.3%和52.2%，而處理CP與MC之間差異不顯著;吐絮期，處理CM最高，處理CS和CP次之，分別顯著比處理MC高150.0%、64.3%和42.9%;收獲后，處理CS、CM和CP之間差異不顯著，分別顯著比處理MC高50.0%、43.3%和43.3%。

將棉花收獲后較播種前的土壤酶活性增量列于表5，處理CS、CM在促進轉化酶活性增加方面優勢明顯;處理CS和CP較MC可有效增加脲酶活性;各處理的土壤過氧化氫酶活性增量均為負值，處理CP優勢較明顯。

2.4 土壤微生物數量、酶活性與棉花產量的相關性

將土壤微生物中的細菌、放線菌、真菌及固氮菌數量，過氧化氫酶、脲酶、轉化酶活性以及棉花產量等8個指標之間的相關關系進行分析。由表6可知，各指標之間均存在正相關關系，棉花產量除與細菌數量達到極顯著相關外，與其余各指標之間的相關性均達到顯著水平，說明土壤微生物數量及酶活性直接影響到棉花產量。另外，細菌數量分別與放線菌、固氮菌數量存在顯著相關關系，與轉化酶活性的相關性達到極顯著水平;固氮菌、放線菌數量及轉化酶活性彼此之間均呈顯著相關;真菌數量與脲酶活性、放線菌數量與過氧化氫酶和轉化酶活性均達到顯著相關。

3 討論

孫建等認為，土壤微生物在土壤生態系統中具有重要作用，與農田生態系統關系密切[12]。眾多學者開展了有關土壤微生物對間作系統的響應研究，得出的結論是，通過間作種植可使土壤系統中的微生物數量及多樣性均有不同程度的增加。如沈雪峰等研究表明，甘蔗與花生間作能顯著增加土壤中的細菌、放線菌及真菌的數量[18];宋亞娜等開展了小麥‖蠶豆、玉米‖蠶豆和小麥‖玉米間作效應研究，證實了間作可提高作物根際微生物的多樣性[19];張向前等一致認為，間作較單作顯著增加了土壤中的細菌、真菌、固氮菌的數量[8，20]。但張亮亮等在研究結論中指出，與棉花單作相比，南疆的棗‖棉間作在促進土壤微生物數量增加方面的作用不顯著[21]。本研究中的土壤細菌和真菌數量在棉田間作條件下均得到了有效提高;棉花與大豆間作處理的土壤放線菌數量明顯增加，棉花與甘薯間作處理在增加土壤中的固氮菌數量方面有優勢。

李成芳等在研究中指出，土壤酶活性和農業措施及土壤肥力存在顯著相關關系，可反映土壤中多種生化過程強度[22]。劉均霞等提出，間作作物根際的土壤磷酸酶和脲酶活性顯著高于任一單作[7];覃娟等研究認為，甘藍間作水蘿卜處理較單作促進了不同耕層土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性的增加，差異達到了顯著或極顯著水平[23];但謝利等在棉花‖孜然間作模式對土壤微生物數量及酶活性的影響的研究中得出，間作較單作使土壤中的過氧化氫酶、蔗糖酶及脲酶的活性呈不同程度的降低，差異達到顯著水平[24]。本研究中棉田間作模式較棉花單作可有效促進土壤中3種酶活性的增加。

產量與土壤生態系統中的微生物數量及酶活性密切相關，存在正的相關關系，相關性達到極顯著或顯著水平[8，25-27]。符冠富等研究指出，土壤酶活性在水稻的灌漿中后期與產量以及干物質量存在顯著相關關系[28];馬冬云等得出了小麥產量、根際土壤系統中的酶活性和微生物數量存在顯著正相關關系的結論[29]。本研究與上述研究結論一致，土壤微生物數量、棉花產量及酶活性彼此之間均存在正的相關關系，棉花產量除與細菌數量達到極顯著相關外，與其余各指標之間的相關性均達到顯著水平。

4 結論

在紅壤旱地棉田實施間作均能不同程度地增加單位面積棉花成鈴數和籽棉產量;提高棉田土壤中的真菌、細菌、放線菌和固氮菌數量及微生物總數，可有效增加土壤過氧化氫酶、脲酶和轉化酶活性，以棉花間作甘薯模式較好;棉花產量與微生物數量及酶活性三者之間存在正相關關系。因此，大力發展以棉花為主體作物的間作，不僅可以緩解糧棉爭地矛盾，且可以提高資源利用效率，達到增產增收的目的，促進旱地農業的綠色、高效和可持續發展。

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