刘子凡，苏必孟，黄 洁，魏云霞，肖子丽

（1海南大学热带作物学院，海口 570228；2中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所/农业农村部木薯种质资源保护与利用重点实验室，海南儋州 571737；3广西区合浦县农业科学研究所，广西合浦 536100）

0 引言

花生-木薯是南方红壤区重要的间作系统[1]。本课题组前期研究了其不同间作模式间的产量与品质差异[2]、土壤微生物群落[3]、养分竞争与互补效应，并认为2行木薯4行花生的间作模式产量和产值最大，是推荐推广的间作模式[4]。但是，合理的间作模式必须是稳产的、可持续的。土壤是作物生长的基础，土壤肥力是衡量土壤生产力的综合指标，是土壤生产能力有效发挥的前提条件[5]。所以，要保证间作系统年度间的产量稳定，模式选择必须考虑其对土壤肥力的影响，因此要推广木薯花生间作技术，就必须掌握其不同间作模式对木薯地土壤肥力影响。

评价土壤质量指标较多[6]，但如何选取数量少且有代表性的指标来评价土壤肥力，土壤学界和农学界还没有统一定论。主成分分析方法是目前定量分析评价土壤肥力应用最为广泛的数理统计方法[7]。主成分分析能简化原始变量，消除多指标间的相互影响[8]，将单个指标的评价转化为多个指标的综合评价，汇聚了单项指标的信息[9]，获得互不相关的主成分和各主成分得分与综合得分。笔者采用主成分分析法探讨3种木薯/花生间作模式对土壤肥力的差异，旨在找出一种可持续的、稳定的间作模式，为该模式的推广及其栽培管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试材料

试验设在海南省儋州市中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所（简称品资所）的木薯试验基地。试验地土壤为砖红壤，土壤pH 4.82，有机质10.5 g/kg，碱解氮58.3 mg/kg，速效磷59.1 mg/kg，速效钾153 mg/kg。

供试木薯品种为‘华南8号’，由品资所提供。花生品种为‘湛油75’，由广东省湛江市农业科学研究院提供。

1.2 试验设计

试验设3种间作模式，分别为1行木薯间作2行花生(C1P2)、2行木薯间作3行花生(C2P3)和2行木薯间作4行花生(C2P4)，另设木薯单作(MC)为对照，4次重复，随机区组排列。其中MC和C1P2均为等行距种植木薯，行距分别为80 cm和100 cm；C2P3和C2P4均为宽窄行种植木薯，C2P3宽行为120 cm、窄行80 cm，C2P4宽行为140 cm、窄行60 cm；木薯株距均为80 cm，花生行距和株距均为20 cm，木薯与花生的间作间距均为40 cm。3个间作处理见图1。各小区的长、宽均为8.8、6.4 m。

图1 木薯花生间作模式的横截面

2016年3月19日种植，南北行向，木薯芽向朝北，不间苗；花生每穴播2粒，出苗后间苗定苗，每穴留1苗。均在种前穴施基肥，按间作中2种作物各自所占净面积来计算施用量，C1P2、C2P3和C2P4模式的木薯在间作区所占土地面积比例分别为0.67、0.73和0.67，而花生在间作区所占土地面积比例分别为0.33、0.27和0.33。具体施肥量见表1，采用尿素[w(N)＝46%]、过磷酸钙[w(P2O5)＝16%]和氯化钾[w(K2O)＝60%]配施。其他田间管理一致，常规管理，2016年7月17日收获花生，2016年12月8日收获木薯。

表1 木薯和花生的施肥量kg/hm2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土样的采集 用土钻法采集0～20 cm土壤样品。单作处理在种植行间，按S形选取5个取样点，混合为1个土壤样品。间作处理分不同作物种植区，在各组合带上按S形分别选取5个取样点，混合为1个土壤样品。然后将土壤样品装入自封袋，带回实验室，自然风干后，过筛供测定使用[10]。

1.3.2 土壤理化性质的测定 参考鲍士旦[11]的方法测定。土壤pH采用电极法，水土比为1:2.5（质量比）；有机质采用重铬酸钾外加热法；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用钼锑抗比色法；速效钾采用火焰光度计法。

1.3.3 土壤酶活性 土壤脲酶活性的测定采用苯酚钠比色法，过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾滴定法，酸性磷酸酶的测定采用试剂盒法，蔗糖酶活性的测定采用硝基水杨酸法。

1.3.4 土壤可培养微生物群落组成 细菌培养采用葡萄糖牛肉膏蛋白胨培养基、真菌采用马丁孟加拉红培养基、放线菌采用淀粉硝酸钾培养基高氏一号。细菌、真菌、放线菌使用系列稀释法计数，微生物数量以每克干土的菌数(CFU/g)表示。

1.3.5 各测定指标变化率的计算 相关计算如式(1)～(2)[10]所示。

1.4 土壤肥力主成分总得分计算

对各土壤肥力指标变化率进行主成分分析。各主成分得分标准化数据Xni和相对应的载荷eji计算。如式(3)所示。

式中，Fnj代表第n个间作模式第j项主成分的得分，eji代表第j项主成分第i项原始指标变化率的载荷，Xni代表第n个间作模式第i项原始指标变化率的标准化数据。

再以各主成分方差贡献率作为权重，各主成分得分与对应的权重线性加权求和得出[12]，如式(4)。

式中，bj为权重，Zj为主分量。

经主成分分析而得出的综合主成分值F的平均值为0，标准差为1，综合得分值为正值表示间作具有促进作用，负值则有抑制作用，绝对值大小反映的是作用强度。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据整理，采用DPS 18.10软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同间作模式对木薯地土壤化学性质的影响

土壤化学性质可用pH、有机质、氮素、磷素和钾素等指标衡量，它反映着土壤的养分供应能力和植物生长的化学环境。从表2可知，3种间作模式的土壤碱解氮和有机质含量与单作木薯之间无明显差异；C1P2和C2P4间作模式的土壤速效磷含量显著小于单作木薯园土壤，C2P3间作模式与单作木薯之间速效磷含量无明显差异；C2P4模式的速效钾含量显著小于单作木薯，C1P2和C2P3模式与单作木薯之间速效钾含量无明显差异；C2P3模式的pH明显高于单作木薯处理，C1P2和C2P4模式与单作木薯的pH无明显差异。

表2 不同间作模式对木薯地土壤化学性质的影响

2.2 不同间作模式对木薯地土壤生物学性质的影响

土壤生物学性质可灵敏反映出土壤质量的变化情况。土壤中脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性分别反映土壤的氮素水平、有机碳累积与转化速率、土壤磷素供应情况和有机质的转化速度[5]。土壤微生物在土壤有机质和养分转化与循环的过程中起着推动作用，促进了土壤肥力的形成[13-14]。

从表3可知，C1P2模式的土壤蔗糖酶活性显著高于单作木薯处理，C2P3和C2P4处理与MC无明显差异；而C2P3处理的土壤脲酶活性显著高于MC处理，C1P2和C2P4处理与MC处理之间无明显差异；3种间作模式的土壤酸性磷酸酶活性、过氧化氢酶活性及可培养真菌数量与MC之间无明显差异；C2P3和C2P4处理的可培养细菌数量显著小于MC处理，C1P2处理与MC处理无明显差异。

2.3 土壤肥力指标的一般性描述

描述土壤肥力的指标较多，指标的选取关系到评价结果的科学性和可靠性。不同间作模式木薯地土壤肥力指标一般性描述见表4。不同间作模式的木薯地土壤肥力不相同。11个指标的变异系数为细菌＞真菌＞蔗糖酶＞速效磷＞脲酶＞速效钾＞磷酸酶＞有机质＞过氧化氢酶＞碱解氮＞pH，范围在5.71%～64.21%，均大于5%，说明选取的11个指标比较科学合理。

表4 不同间作模式木薯地土壤肥力指标一般性描述

2.4 土壤肥力差异的主成分分析

2.4.1 相关系数矩阵及统计学检验 将3种不同间作模式的碱解氮、速效磷、速效钾、有机质、pH、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、可培养细菌数量、可培养真菌数量（分别用X1、X2、X3、…、X11表示）11项土壤肥力指标进行相关分析。由表5可知，速效磷与酸性磷酸酶的相关系数为0.603，蔗糖酶和可培养真菌数量的相关系数为0.609，均达到显著差异，说明这11个指标存在部分信息重叠和冗余，需要简化复杂的数据，将所测得多个土壤指标构成的多维系统简化为一维系统。

表5 相关系数矩阵

经Bartlett球形检验表明卡方值为78.92，P=0.019＜0.05（表6），即相关矩阵不是一个单位矩阵，故需考虑因子分析，即仅用一个土壤肥力指标对土壤肥力进行综合评价，往往会得到片面的结果。KMO测度是用来比较相关系数值与偏相关系数值的一个指标，其值越接近1，表明对这些变量因子分析的效果越好[15]。KMO测度值为0.656（表6），意味着因子分析可以接受。

表6 Bartlett球形检验和KMO测度

2.4.2 主成分分析 对3种间作模式下11项土壤肥力指标变化率进行主成分分析。根据主成分分析方法的原理，当特征值大于1或累积贡献率大于85%时，可反映系统的变异信息。将本次分析特征值大于1的提取出来，共3个，结果见表7。第1主成分蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、可培养细菌、可培养真菌这5个指标有较高载荷，贡献率为31.22%；第2主成分碱解氮、速效磷、有机质、pH、酸性磷酸酶这5个指标有较高载荷，贡献率为24.69%；第3主成分速效钾有较高载荷，贡献率为17.82%，可见，提取这3个主成分基本能够反映全部指标的信息，且解释了73.73%的原变量。

表7 提取3项主成分矩阵及贡献率

每个指标所对应特征向量乘以标准化后的初始数据，得出反映土壤肥力的主成分线性表达式如式(5)～(7)所示。

在土壤肥力评价中，指标权重的确定至关重要，直接影响评价结果的准确性和可靠性，是土壤肥力评价的一个关键问题。特征值在某种意义上也可看作反映各主成分影响度大小的指标[7]，为此，将每个主成分所对应的特征值占所提取主成分特征值总和的比例作为权重，计算得到主成分综合得分，如式(8)所示。

表8结果表明，不同间作模式对土壤肥力的影响有较大差别，其中C1P2间作模式能促进木薯地土壤肥力的提高，C2P3和C2P4模式降低土壤肥力，其中C2P3模式的下降幅度较小。

表8 土壤肥力综合评价得分

3 讨论

前人研究发现，在成龄橡胶、玉米地间作豆科作物，高位作物的遮荫使得豆科作物的固氮能力下降，导致豆科作物必须从土壤中吸收氮素供其生长发育[16-17]。3种间作模式中，C1P2模式木薯的遮荫效应最强，C2P4最弱[4]，以C2P4模式中花生的固氮能力较强。木薯地间作花生后还可增加土壤的覆盖度，C1P2和C2P4模式木薯与花生的占地比相同，分别为0.67和0.33，所以从覆盖度来看，C1P2和C2P4种模式没有差异，但遮荫度会影响花生与木薯的根系发育，继而影响水分的固持能力，根系越发达，木薯地的水土流失与硝态氮的淋失越低[18-19]。另外，木薯地间作花生后，由于花生根际分泌的有机酸或在固氮过程中释放出的H+可活化木薯地土壤中难利用态磷[20]。C1P2间作模式土地当量比和产值当量比较低，而C2P4模式较高[4]，本试验中C1P2模式的木薯地土壤肥力最高，其次是C2P3，再次是C2P4，即产量当量比与间作后的土壤肥力呈一定的负相关关系，这可能与产量高的C2P4间作模式从土壤中带走的营养物质较多有关。归纳来说，间作模式对木薯地的肥力影响是通过高位作物木薯的遮荫、低位作物花生的覆盖、根系的固持、种间化感作用、土壤养分的消耗量等因素综合作用来实现的。

4 结论

C1P2模式土地当量比小于1，推广价值较低，而C2P4模式土地当量比和产值当量比均大于1，在3种间作模式中最高，虽然C2P4模式中的木薯地土壤速效磷和速效钾含量有所下降，但如果计算由于增产而被带走的养分量并补充施肥后，将可达到稳产增产，又可以维持木薯地的土壤肥力，从而实现可持续发展。