花生和玉米间作轮作对科尔沁沙地土壤质量及经济效益的影响

Effects of Peanut-Maize Intercropping Rotation on Soil Quality and Economic Benefits in Horqin Sandy Land

摘要

为了给科尔沁沙地适宜的花生—玉米的种植模式奠定理论基础，以花生和玉米带状间作为研究对象，设置3（PC1）、6（PC2）、9 m（PC3）3种间作带宽，以12 m带宽的花生连作（PP）为对照，开展当年间作、次年轮作的田间试验，探究不同处理对沙地土壤养分、酶活性及间作带宽对经济效益的影响。结果表明，花生和玉米轮作对花生和玉米根际土壤养分及酶活性的积极影响显著高于间作处理与花生连作处理。相关性分析结果表明，在花生结荚期，碱解氮、速效钾、有机质含量与过氧化氢酶、脲酶活性呈显著或极显著正相关；在花生收获期，速效磷含量与纤维素酶、脲酶活性呈显著正相关，速效钾含量与纤维素酶活性呈显著正相关。经济效益方面，PC2处理下花生和玉米间作与轮作的经济效益分别为36 370.5、39 759.0元/hm²，均显著高于其他带宽处理，较对照分别增收11 494.5、12 660.0元/hm²。综上，花生和玉米在带宽6 m（PC2处理）下间作轮作的根际土壤养分状况与酶活性表现最佳，作物产量及经济效益均达峰值。该处理不仅能有效缓解花生连作障碍问题，更与农机农艺融合发展需求高度契合，是最优种植模式与带宽配置。

Abstract

In order to lay a theoretical foundation for the suitable peanut-maize planting model in the Horqin sandy land, in this study, peanut-maize band intercropping was taken as the research subject, three intercropping bandwidths of 3 m(PC1), 6 m(PC2) and 9 m(PC3) were set up, and the continuous cropping of peanut with a bandwidth of 12 m was used as the control to carry out field experiments of intercropping in the current year and rotation in the next year, to explore the effects of different treatments on soil nutrients and enzyme activities and the effects of intercropping bandwidth on economic benefits. The results showed that peanut-maize rotation had significantly more positive effects on soil nutrients and enzyme activities in the rhizosphere of peanut and maize than those in intercropping and peanut continuous cropping. Correlation analysis showed that the contents of alkali-hydrolyzable nitrogen, available potassium, and organic matter were significantly or extremely positively correlated with catalase and urease activity at the pod-setting stage of peanut. At the harvest stage of peanut, available phosphorus content was significantly positively correlated with cellulase and urease activity, and available potassium content was significantly positively correlated with cellulase activity. In terms of economic benefits, the economic benefits of peanut-maize intercropping and rotation under PC2 treatment were 36 370.5 yuan/ha and 39 759.0 yuan/ha, respectively, which were significantly higher than those under other bandwidth treatments, and increased by 11 494.5 yuan/ha and 12 660.0 yuan/ha, respectively, compared with the control. In conclusion, the nutrient status and enzyme activity of rhizosphere soil under peanut-maize intercropping rotation with a bandwidth of 6 m(PC2) were the best, and the crop yield and economic benefits reached the peak. This treatment could not only effectively alleviate the problem of peanut continuous cropping obstacles, but also highly matched the development needs of agricultural machinery and agronomic integration, and was the optimal planting mode and bandwidth allocation.

Graphical abstract

关键词

花生 / 玉米 / 土壤养分 / 酶活性 / 产量 / 间作 / 轮作

Key words

peanuts / maize / soil nutrients / enzyme activity / yield / intercropping / crop rotation

科尔沁沙地地处内蒙古自治区东南部与辽宁省西部接壤区域，作为我国北方农牧交错带典型的生态脆弱区，长期受干旱多风的温带大陆性气候影响，形成以风沙土为主的地带性土壤类型^[1]。该区域既是欧亚大陆温带荒漠草原生态系统的东延部分，也是京津冀地区重要的生态屏障，其土壤质地疏松、有机质含量低，加之长期不合理的人类活动干扰，导致沙化土地扩张与土壤肥力退化问题突出，成为我国荒漠化防治与生态修复的关键区域。近年来，不合理的农牧及工矿活动加剧了土地沙化与质地粗化，造成土壤肥力退化^[2]。

当地花生种植历史久且经济效益高，但随着种植面积和年限增加，连作障碍凸显，严重制约花生种植业与土壤质量的可持续发展^[3]。所以，提升科尔沁沙地土壤质量、改善花生连作障碍对保障当地农业可持续发展、提高农民收入具有重要意义，也有助于维护区域生态平衡。孙子欣等^[4]研究表明，连作不仅导致土壤中有益微生物与病原微生物的比例失衡，还会显著改变土壤微生物群落的组成结构和功能多样性。程亮等^[5]研究指出，花生连作会导致土壤微生物多样性降低，而花生玉米间作与轮作可有效缓解连作带来的负面效应。作为传统农艺措施，间作通过高效利用光温水气肥等资源，能够改变土壤物理、化学及生物学特性，提升养分利用效率，进而促进作物生长并提高产量与经济效益^[6-8]。多项研究表明，玉米分别与大豆、花生间作时，根际土壤的有效养分含量、酶活性及水分状况均优于单作模式，且对土壤微生物群落及微生态环境具有改良作用。张智晖^[9]在玉米大豆间作体系研究中指出，相较于单作模式，间作处理的根际土壤有效养分含量及酶活性均呈现显著提升。LI等^[10]针对玉米花生间作系统的研究表明，该间作模式与玉米单作相比，可显著提高其根际土壤中有效氮、有效磷的含量，同时增强土壤中脲酶和磷酸单酯酶的活性。刘均霞等^[11]通过玉米大豆间作试验进一步证实，间作模式下的土壤酶活性显著高于单作，且在相同环境条件下，根际土壤养分有效性表现更强。唐秀梅等^[12]针对玉米花生间作模式的研究表明，该模式能够有效改善土壤微生物结构、优化养分状况、改良微生态环境，并增加耕层土壤含水量。尽管前人对间作套种及花生连作障碍有一定研究，但针对科尔沁沙地这一特殊生态区域，玉米花生间作与轮作模式下不同带宽配置对土壤质量影响的研究尚显不足。

本研究依托辽宁省农业科学院试验基地，选取已经连续种植5 a花生的田地，开展大田试验，研究玉米花生间作与轮作对科尔沁沙地土壤养分、酶活性的影响以及间作带宽对经济效益的影响，明确能最大程度提升土壤质量、改善花生连作障碍的种植模式和间作带宽，旨在为科尔沁沙地花生玉米间作生产技术提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区域位于辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验站，地处科尔沁沙地东南缘前沿地带（43°20′N，123°22′E），该区域气候为半干旱向半湿润过渡的亚湿润干旱气候区。年平均气温5.7 ℃，年平均降水量500 mm，年平均蒸发量1 300 mm，平均相对湿度59%，无霜期为150 d。该区域瞬时最大风速可达30 m/s，年均风速超过5 m/s的风沙天气频次逾240次。土壤类型主要为砂壤土，碱解氮含量为23.98 mg/kg，速效磷含量为45.40 mg/kg，速效钾含量为84.86 mg/kg，有机质含量为8.11 g/kg，pH值为6.56。

1.2 试验材料

玉米品种为辽单588，花生品种为阜花30，以上作物品种经过多年的适应性评价，已被证明能够抵抗一定的干旱环境条件，是当地农民常选用的品种。

1.3 试验设计

试验于2023年开始、2024年结束，2023年间作、2024年轮作。花生单行起垄裸地种植，行距50 cm，穴距13~15 cm，穴播2粒，公顷保苗27万~30万株；玉米单行起垄裸地种植，行距50 cm，株距30~40 cm，单粒播种，公顷保苗5.25万~6.75万株。所有处理均施有机肥作为底肥，施肥量一致，且均不喷洒农药。5月中旬人工点播播种。开深沟先施入基肥（磷酸二铵、硫酸钾），随后进行培土作业，再播种并覆土镇压，依据当年降水情况灌溉1次。试验设置4种处理，分别为花生、玉米间作带宽3（PC1）、6（PC2）、9 m（PC3），花生带宽12 m连作（PP）作为对照，第2年按带宽进行轮作。种植示意图如图1所示。

1.4 测定项目及方法

在花生的结荚期和成熟期分别进行采样，玉米采样同步进行。将2种作物整个根系从土壤中挖出，采用抖土法收集土样；按S形路线在试验田中取样，在每种处理下的花生、玉米各取15个样点混合，其他处理取样方法相同。将田间取得的土样带回，挑出杂质后风干，经1 mm筛网过筛均分为2份，一份置于4 ℃冰箱内保存用于土壤酶活性测定，另一份置于阴凉通风处自然风干用于土壤养分测定。

1.4.1 土壤养分测定

土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量分别采用碱解扩散法、钼锑抗比色法、NH₄OAc浸提-火焰光度法和稀释热法测定^[13]。

1.4.2 土壤酶活性测定

土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，磷酸单酯酶活性采用对硝基苯磷酸盐比色法测定，脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，纤维素酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定^[14]。

1.5 数据分析

数据处理采用Excel完成，统计分析借助SPSS 26软件，通过单因素方差分析检验，进行多重比较（P<0.05），采用沃勒—邓肯分析法进行显著性分析；采用Origin进行绘图；用Spearman相关系数法对土壤养分与土壤酶活性之间的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 花生玉米间作轮作对土壤养分的影响

间作与轮作会对其根际土壤中的氮、磷、钾以及有机质的含量产生影响。从图2可以看出，花生玉米间作与轮作对其根际土壤中的养分影响比花生连作显著（P<0.05），花生玉米间作与轮作对其根际土壤中的养分影响比花生玉米间作显著（P<0.05）。在间作与轮作中碱解氮含量均高于连作，PC3处理下间作与轮作含量最高，分别为28.09、34.40 mg/kg；在轮作中速效磷含量均高于间作与连作，PC2、PC3处理轮作下分别为40.81、41.04 mg/kg；在间作与轮作中速效钾含量在PC2处理下最高，分别为125.93、194.4 529 mg/kg；有机质含量在轮作下显著高于间作与连作（P<0.05），PC3处理下轮作的有机质含量最高，为7.60 g/kg。结果表明，花生玉米间作下根际土壤中的碱解氮、速效磷、速效钾均有显著提升，花生在轮作下根际土壤中碱解氮、速效磷、速效钾、有机质含量显著高于间作与连作，说明轮作能显著提升根际土壤中的养分含量。

2.2 花生玉米间作与间轮作对土壤酶活性的影响

间作较单作能显著提升根际土壤的脲酶活性和磷酸单酯酶活性。由图3可知，花生玉米轮作对其根际土壤中过氧化氢酶、磷酸单酯酶、纤维素酶和脲酶活性的提升效果显著高于花生玉米间作与花生连作（P<0.05），花生玉米间作对其根际土壤中纤维素酶和脲酶活性的提升效果显著高于花生连作（P<0.05）。过氧化氢酶活性在轮作下显著高于间作与连作（P<0.05），在PC2处理下最高，为0.37 mL/（g·min）；在轮作下磷酸单酯酶活性显著高于间作与连作（P<0.05），PC3处理下活性最高，为0.10 mg/（g·h）；纤维素酶活性在间作与轮作下均显著高于连作（P<0.05），在PC2处理下最高，分别为0.22、0.31 mg/（g·h）；在间作与轮作下脲酶活性均显著高于连作（P<0.05），PC2处理下最高，分别为15 979.17、36 250.00 mg/（g·h）。结果表明，花生玉米间作对其根际土壤中纤维素酶和脲酶活性的影响最为显著，花生玉米轮作对其根际土壤中4种酶活性均有积极影响，说明轮作对根际土壤中酶活性影响高于间作与连作。

2.3 不同生长期下土壤养分与酶活性的相关性分析

从表1可以看出，在花生结荚期碱解氮、速效钾、有机质含量与过氧化氢酶、脲酶活性呈显著或极显著正相关（P<0.05或P<0.01）；在花生收获期速效磷含量与纤维素酶、脲酶活性呈显著正相关（P<0.05），速效钾含量与纤维素酶活性呈显著正相关（P<0.05）。表明土壤中养分含量与酶活性存在着一定的联系。

2.4 花生玉米间作带宽对产量及经济效益的影响

结合2024年辽宁省市场平均价格，花生为6.97元/kg，玉米为2.32元/kg，核算单位面积产值。从表2可以看出，花生玉米在PC1、PC2、PC3处理下间作与轮作的经济效益均高于花生连作PP，其中PC2处理下的经济效益最高，2 a分别为36 370.5、39 759.0元/hm²，说明花生玉米间作与轮作在带宽6 m（PC2）下能够明显提高产量和经济效益，是适宜花生玉米间作轮作的最优带宽。

3 结论与讨论

土壤中的氮、磷、钾对于维持土壤养分平衡以及促进植物生长发育起着至关重要的作用。土壤有机质是土壤养分的物质基础和重要组成部分，在调节肥力、改善结构等方面具有重要作用^[15]。本试验中，花生玉米间作显著提升了根际土壤的碱解氮、速效磷和速效钾含量，这与王鹏等^[16]研究发现的“桔梗与大葱间作可提高土壤的有效氮、有效磷含量”，以及刘亚军等^[17]观察到的“马铃薯与蚕豆、荞麦间作提升了土壤碱解氮和速效钾”的结果一致，表明间作能有效增强土壤肥力和养分供给能力。此外，本试验数据显示，花生玉米间作轮作模式下根际土壤中碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量，均显著高于花生连作处理。这与赵春夺等^[18]的“轮作可提升烟草根际土壤的全氮、速效钾及有机质含量”的结论一致。杨菲等^[19]研究发现，棉花与花生间作可显著提升土壤的有机质、全氮、有效磷和速效钾含量。TANG等^[20]针对木薯花生间作系统的研究显示，该模式能显著提高土壤速效钾含量、pH值及脲酶活性，这与前述研究结果形成一致性结论，共同表明间作轮作模式对土壤养分环境的优化作用。进一步验证了间作模式在提升土壤养分方面的积极作用，也证明了花生玉米轮作对土壤中碱解氮、速效磷、速效钾、有机质含量的影响比间作显著。间作轮作下花生和玉米根系对土壤中养分进行交替吸收，有利于养分含量的增加。

土壤酶参与土壤养分循环代谢，其酶促反应的活性高低能够反映土壤肥力状况，对植物营养物的吸收有着直接或间接的影响^[21]。本研究表明，花生玉米间作对其根际土壤中纤维素酶和脲酶活性的影响最为显著，这与詹柳琪等^[22]的研究结果一致。花生玉米间轮作对其根际土壤中的4种酶活性均有积极影响，与张广彩等^[23]研究发现的“油菜花生轮作模式提高0~20 cm土层土壤过氧化氢酶和脲酶活性”基本一致。由于在花生玉米间作轮作下，花生玉米的根系分泌物相互作用效率高于花生玉米间作和花生连作，所以，对根际土壤中酶活性的提升效果显著。

土壤养分与酶活性密切相关，二者相互影响、相互作用，共同维系土壤生态系统的功能^[24]。本研究结果表明，在花生结荚期与收获期过氧化氢酶、纤维素酶、脲酶对土壤养分均达显著或极显著水平，与莫晶等^[25]在茶油花生间作中发现“脲酶活性与速效磷和速效钾呈显著正相关，过氧化氢酶活性与速效钾存在显著正相关”的结论有相似之处，说明在玉米花生间作中速效钾的提升有利于脲酶和过氧化氢酶活性的改善，进而保护作物的生长。土壤酶活性与养分的显著相关性，反映了花生不同生长期对土壤养分的需求差异，因此，可以作为判断植物生长过程中对土壤养分吸收状况的重要依据。

从经济效益来看，花生玉米间作与轮作下的经济效益均高于花生连作，其中PC2处理下间作与轮作的经济效益最高，分别为36 370.5、39 759.0元/hm²，说明花生玉米间作轮作在带宽6 m（PC2）下能够明显提高产量和经济效益，是适宜花生玉米间作的最优带宽。

通过分析花生玉米间作轮作模式下根际土壤养分、酶活性及不同带宽对作物产量和经济效益的影响发现，间作轮作模式对土壤养分的优化及转化效应存在差异，且对土壤酶活性的提升作用各有特点。其中，轮作对土壤养分和酶活性的改善效应最为突出，是缓解花生连作障碍的理想种植模式；不同带宽处理下，花生玉米间作轮作的作物产量及经济效益差异显著，6 m带宽处理对作物产量及经济效益的提升效果最为显著。因此，花生玉米在带宽6 m下轮作是有效缓解花生连作障碍问题，也与农机发展需求高度契合。

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基金资助

辽宁省科技厅应用基础研究计划(2022020385-JH2/1013)