Effects of Intercropping Patterns on Physicochemical Properties of Red Soil and Soybean Qualities

LIHuajian, DENGGuojun, LUOZhenyuan, NONGQuandong, LIChunqing, NONGBin, CHENBiqin, HUXiaozhang, LIUNa, WENHeming

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (26) : 8-14. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0797

Effects of Intercropping Patterns on Physicochemical Properties of Red Soil and Soybean Qualities

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Abstract

The aims are to explore the effects of different soybean planting patterns on the physicochemical properties of red soil and soybean quality and identify suitable planting patterns for soybeans, providing theoretical basis for improving the physicochemical properties of red soil and the nutritional quality of soybeans, and guide production practice. The one-way ANOVA method was used to compare and analyze the effects of different planting modes of soybean monoculture, maize-soybean intercropping and cassava-soybean intercropping on the physicochemical properties (pH, electrical conductivity and organic matter, hydrolytic nitrogen, total phosphorus, and available potassium contents) of red soil and the nutritional qualities (sugar, crude protein and fat contents) of soybean. The PLSR analysis method was used to explore the relationship between the physicochemical properties of red soil and soybean qualities. The pH, electrical conductivity, hydrolytic nitrogen, crude protein and fat content of cassava-soybean intercropping were significantly higher than those of soybean monoculture (P<0.05), and their organic matter and available potassium contents were also relatively higher. The PLS2 analysis results showed that there was a significant correlation between the pH and electrical conductivity of red soil and quality indicators of soybeans. The PLS1 analysis further found that there was a significant negative correlation between electrical conductivity and sugar content, and a significant positive correlation with crude fat content; the pH and electrical conductivity of red soil are positively correlated with the crude protein content of soybeans(P<0.05). The pH and electrical conductivity of soil have a significant impact on the quality of soybeans. Cassava-soybean intercropping has a positive effect on improving the pH and electrical conductivity of red soil as well as improving the nutritional quality of soybean. The planting mode is superior to maize-soybean intercropping.

Key words

soybean / intercropping / soil physicochemical properties of red soil / nutritional quality / partial least squares regression / planting pattern

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LI Huajian , DENG Guojun , LUO Zhenyuan , NONG Quandong , LI Chunqing , NONG Bin , CHEN Biqin , HU Xiaozhang , LIU Na , WEN Heming. Effects of Intercropping Patterns on Physicochemical Properties of Red Soil and Soybean Qualities. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2024, 40(26): 8-14 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0797

0 引言

在中国的饮食文化中大豆占有重要地位,每年进口量较大,因此,大豆在中国具有十分重要的经济和战略地位,其品质的好坏会直接影响到大豆的市场竞争力。此外,由于多年及过量使用化肥,加速了红壤酸化,对红壤生态造成巨大威胁[1],且长期单一的种植模式也会导致土壤质量下降,不利于农业生产的可持续发展,提高土壤生态系统的稳定性已成为世界农业生产面临的重大挑战[2]。因此,有必要探索多种种植模式,在有限的耕地上改善红壤质量,提高粮食作物的品质,以满足市场需求。
研究表明,玉米、木薯与大豆间作可提高玉米、木薯、大豆的产量,提高经济效益[3-4];大豆与玉米间作可有效提高作物产量和氮素利用率[5-6],并能提高土壤团聚体稳定性和丛枝菌根真菌多样性[2]。高蕊等[7]认为木薯与大豆间作是一种高产高效的种植模式,具有较高的生产效益。张雷昌等[6]和Wang等[8]认为间作的产量优势可以通过根与根和根与有益土壤微生物的相互作用来解释。张智晖[9]和李东利[10]的研究显示玉米、大豆间作可改善土壤养分,提高土壤酶的活性,改善根际微生态环境,加快土壤有机质向土壤微生物量碳的转化速率。肖特等[11]的研究表明,玉米、大豆套作能增强玉米地上物质生产能力,促进玉米、大豆根系生长分布,提高土地和水分生产力。间作具有提高粮食作物产量;有效利用土地、水和太阳辐射能;提高作物对不利环境的抵抗力;降低化肥成本等优势,已在农业生产中得到广泛应用[2]。常见的间作方案是将可通过生物固氮提供氮的豆科作物与其他作物配对。尽管很多学者对大豆间作种植优势进行了广泛研究,但与单作相比,间作对土壤理化性质和大豆营养品质的影响尚未得到充分探讨。本研究以大豆单作为对照,分析比较玉米、木薯与大豆间作对大豆品质及红壤理化性状的影响,找出大豆适合的间作模式,指导生产实践,对了解种植多样性对红壤质量及大豆品质的影响也具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

大豆品种为‘文黑豆1号’,玉米品种为‘文18-343’,木薯品种为‘文热2号’,均为文山州农业科学院自育材料。

1.2 试验设计

试验于2022年5月—2022年10月,在海拔1555.7 m的云南省砚山县铳卡村试验基地开展,地块中心坐标为:23°39'39.3"E,104°18'05.0"N。土壤类型为红壤,前茬作物为油菜。采用完全随机区组法,设置大豆单作、玉米间作大豆、木薯间作大豆,共3个处理,每个处理设3次重复,共计9个小区,小区长5 m,宽4.8 m,面积24 m2。根据李荣云等[12]和高蕊等[7]的研究,设计玉米、木薯间作大豆均为两行玉米或木薯间两行大豆,玉米和木薯与大豆行距均为30 cm,木薯和玉米的行株距均为50 cm×50 cm。大豆单作和间作模式行株距均为30 cm×30 cm。试验前土壤理化指标如表1所示。于4月下旬播种,大豆不施肥,玉米、木薯施肥一致,播种时一次性施用m(N):m(P2O5):m(K2O)=15:15:15复合肥300 kg/hm2。按照当地习惯进行管理,各小区管理措施一致,同一措施在同一天内完成。
表1 试验地土壤理化指标
水分/% pH 电导率/(μs/cm) 有机质/(g/kg) 水解性氮/(mg/kg) 全磷/(g/kg) 速效钾/(mg/kg)
18.25 6.25 69.12 28.74 143.28 0.69 119.80

1.3 样品采集与测定

成熟后每个重复分别随机选取15株大豆带回实验室晒干自封袋密封备检。土壤样品在作物采收完成后,每个重复在大豆行中间选3个点采样,采集面积为15 cm×15 cm、深度为15~20 cm,混合取土带回实验室风干、磨细、过筛,四分法取1 kg土样,用自封袋密封保存备检。
土壤pH采用国标LY/T 1239—1999《森林土壤pH的测定》法测定;电导率采用国标HJ 802—2016《土壤电导率的测定 电极法》法测定;有机质含量采用国标NY/T 85—1988《土壤有机质测定法》法测定;水解性氮含量采用国标LY/T 1228—2015《森林土壤氮的测定》测定;全磷含量采用国标LY/T 1232—2015《森林土壤磷的测定》第一法测定;速效钾含量采用国标LY/T 1234—2015《森林土壤钾的测定》测定;糖含量(果糖、麦芽糖、葡萄糖、蔗糖的总和,乳糖未检出)采用GB 5009.8—2016《食品安全国家标准 食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖的测定》第一法测定;粗蛋白质和粗脂肪含量采用GB/T 24870—2010《粮油检验 大豆粗蛋白质、粗脂肪含量的测定 近红外法》。各样品的每个指标均测量3次取平均值。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析、Duncan’s多重比较,采用Unscrambler 9.7软件进行偏最小二乘回归分析(Partial least squares regression,PLSR),采用Excel绘制柱状图。P<0.05认为数据具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 大豆不同种植模式的土壤pH比较

大豆不同种植模式下的土壤pH测试结果如图1所示,木薯间作大豆的土壤pH显著高于大豆单作和玉米间作大豆种植模式(P<0.05),大豆单作和玉米间作大豆种植模式无显著性差异(P>0.05),说明木薯间作大豆对改善土壤pH有一定的影响。
图1 大豆不同种植模式下的土壤pH

字母不同表示不同种植模式间差异显著(P<0.05),下同。

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2.2 大豆不同种植模式的土壤电导率比较

大豆不同种植模式下的土壤电导率测试结果如图2所示,木薯间作大豆的土壤电导率显著高于大豆单作和玉米间作大豆种植模式(P<0.05),大豆单作和玉米间作大豆种植模式间无显著性差异(P>0.05),说明木薯间作大豆对提高土壤电导率有一定的促进作用。
图2 大豆不同种植模式下的土壤电导率

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2.3 大豆不同种植模式的土壤养分含量比较

为探究大豆不同间作种植模式对土壤养分含量的影响,本研究对玉米、木薯与大豆间作的土壤养分含量进行了对比分析,结果如图3所示。木薯间作大豆种植模式下的土壤有机质和速效钾含量高于大豆单作和玉米间作大豆种植模式,大豆单作模式下的全磷含量高于玉米间作大豆和木薯间作大豆种植模式,但3种种植模式间均无显著差异(P>0.05);木薯间作大豆种植模式下的土壤水解性氮含量显著高于大豆单作模式(P<0.05),玉米间作大豆种植模式与大豆单作和木薯间作大豆模式均无显著性差异(P>0.05)。说明所研究的种植模式对改善土壤有机质、全磷、速效钾含量无影响,木薯间作大豆对提高水解性氮含量有一定的促进作用。
图3 大豆不同种植模式下的土壤养分含量

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2.4 不同种植模式的大豆品质比较

糖类、蛋白质、脂肪是人体必需的三大营养素,也是评价大豆品质的重要指标。如图4所示,大豆单作种植模式下的大豆中的糖含量显著高于玉米、木薯与大豆间作模式(P<0.05);木薯间作大豆种植模式下的大豆中的粗蛋白质含量显著高于大豆单作和玉米间作大豆种植模式(P<0.05);木薯、玉米与大豆间作种植模式下的大豆中的粗脂肪含量显著高于大豆单作模式。其中,木薯间作大豆对大豆粗蛋白质的影响相对较大。
图4 不同种植模式下的大豆品质

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2.5 土壤理化性质和大豆品质的PLSR分析

PLSR分析能够识别系统总的信息和噪声,克服样本数据少和变量间多重相关性等影响,筛选出对因变量具有最佳解释能力的变量[13]
为探究红壤理化指标与大豆营养品质的关系,将土壤理化指标作为自变量,大豆营养品质作为因变量进行PLS2相关性分析,载荷图如图5所示,内外椭圆分别代表该模型50%和100%的解释方差。从图中可以看出,除全磷、糖含量外,均位于两个椭圆内,说明该模型能够较好解释变量和因变量信息。pH与电导率呈显著正相关,且土壤pH和电导率与品质指标也具有显著相关性。说明在土壤理化指标中,pH和电导率对大豆营养品质影响较大。
图5 土壤理化性质和大豆品质的PLS2相关性分析载荷图

小圆圈代表显著相关。

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为进一步明晰红壤理化性质对大豆营养品质的影响,将土壤理化指标分别与大豆营养品质建立PLS1回归模型,结果如图6所示,土壤电导率与糖含量呈显著负相关,与粗脂肪含量呈显著正相关,土壤pH和电导率与大豆粗蛋白质含量呈显著正相关。
图6 土壤理化性质与大豆品质的PLS1相关性分析

A糖;B粗蛋白质;C粗脂肪,阴影表示显著相关。

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3 讨论

大豆连作会导致土壤pH、养分和大豆产量降低[14-16]。间套作可提高土地利用率和单位土地作物产量,促进作物对土壤养分的利用,有利于节肥增效,减少资源浪费和环境污染,实现农业可持续发展[17-18]。何亚玲[19]的研究显示玉米、大豆间作可促进作物对土壤养分的吸收。侯健[20]、朱喜霞等[21]的研究表明玉米、大豆间作可提高玉米根际土壤养分、促进养分吸收、提高产量。本研究中,单因素方差分析结果显示:与大豆单作相比,木薯间作大豆显著提高了红壤pH、电导率和水解性氮、粗蛋白质、粗脂肪含量,有机质和速效钾含量也相对较高。而玉米间作大豆与大豆单作的各土壤理化指标间均无显著差异,仅在粗蛋白质和脂肪含量上较大豆单作表现出显著优势。方萍等[22]、皮义均[23]的研究也表明玉米、大豆间作可提高大豆粗蛋白质含量,高蕊[24]的研究也指出木薯间作大豆可以提高土壤碱解氮含量及大豆的粗蛋白质和脂肪含量,与本研究结果基本一致。但与木薯间作大豆模式相比,玉米间作大豆的土壤理化性质和大豆营养品质指标均无优势。说明玉米、木薯间作大豆对提高大豆粗蛋白质和脂肪含量均有一定的促进作用,但木薯间作大豆对红壤理化性质和大豆营养品质的影响相对较大,对提高大豆营养品质,改善红壤理化性质均有促进作用。
徐钰等[25]的研究表明,通过土壤改良可促进大豆提质、增产。覃锋燕等[26]的研究表明,pH和有机质含量是对土壤细菌群落影响较大的因素,较高的土壤pH和有机质含量对提高土壤细菌群落多样性和丰度有积极作用,而土壤细菌参与土壤中有机物的分解转化,从而调节土壤肥力,改善土壤质量。段玉等[27]在茶园间作不同豆科作物的研究中发现,茶园间作大豆能缓解土壤酸化,增加土壤养分,提高茶叶品质。可见,土壤环境是作物提质增效的关键,调解土壤pH在提高土壤养分和作物营养品质方面发挥着重要作用。本研究通过PLS2相关性分析发现:pH与电导率呈显著正相关,与王利娜等[28]的研究结果一致;土壤pH和电导率与大豆品质指标具有显著相关性。PLS1相关性分析进一步表明:pH和电导率是影响大豆营养品质的主要因素,红壤电导率越高,大豆的糖含量越低;红壤pH和电导率越高,大豆的粗蛋白质含量越高;红壤电导率越高,大豆的粗脂肪含量也越高。说明红壤pH和电导率对大豆营养品质影响较大。而木薯间作大豆的pH和电导率显著高于大豆单作和玉米间作大豆模式,说明木薯间作大豆可能通过改善红壤pH和电导率,进一步改善大豆营养品质。

4 结论

在所研究的红壤理化性质中,pH和电导率是影响大豆营养品质的主要因素,红壤pH和电导率越高,大豆的粗蛋白质含量越高,红壤电导率越高,大豆的粗脂肪含量也越高。玉米、木薯间作大豆对提高大豆粗蛋白质和脂肪含量均有一定的促进作用,但相较玉米间作大豆种植模式,木薯间作大豆种植模式对红壤理化性质和大豆营养品质的影响更大,其间作模式优于玉米间作大豆。木薯间作大豆能够提高红壤pH,有效改善红壤酸化,提高土壤电导率,进而改善大豆营养品质,提高大豆粗蛋白质和脂肪含量。

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Soybean/maize intercropping has remarkable advantages in increasing crop yield and nitrogen (N) efficiency. However, little is known about the contributions of rhizobia or arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) to yield increases and N acquisition in the intercropping system. Plus, the mechanisms controlling carbon (C) and N allocation in intercropping systems remain unsettled. In the present study, a greenhouse experiment combined with N and C labeling was conducted using various inoculation and nutrient treatments. The results showed that co-inoculation with AMF and rhizobia dramatically increased biomass and N content of soybean and maize, and moderate application of N and phosphorus largely amplified the effect of co-inoculation. Maize had a competitive advantage over soybean only under co-inoculation and moderate nutrient availability conditions, indicating that the effects of AMF and rhizobia in intercropping systems are closely related to nutrient status. Results from N labeling showed that the amount of N transferred from soybean to maize in co-inoculations was 54% higher than that with AMF inoculation alone, with this increased N transfer partly resulting from symbiotic N fixation. The results from C labeling showed that C content increased in maize shoots and decreased in soybean roots with AMF inoculation compared to uninoculated controls. Yet, with co-inoculation, C content increased in soybean. These results indicate that photosynthate assimilation is stimulated by AM symbiosis in maize and rhizobial symbiosis in soybean, but AMF inoculation leads to soybean investing more carbon than maize into common mycorrhizal networks (CMNs). Overall, the results herein demonstrate that the growth advantage of maize when intercropped with soybean is due to acquisition of N by maize via CMNs while this crop contributes less C into CMNs than soybean under co-inoculation conditions.
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研究大田机械化条件下不同玉米-大豆间作模式下的群体产量及大豆的光合特性,为筛选适合河南省玉米-大豆的行距配置和减肥施用提供理论基础。设置行比和减肥2个因素,玉米单作、大豆单作为对照,其中行比设置玉米大豆行比2:4间作(2/4J)、玉米大豆行比4:4间作(4/4J)2个处理,减肥处理在上面行比处理上减量20%(2/4N、4/4N),研究了不同行距配置及减肥条件下的作物产量及大豆LAI、干质量、SPAD值及叶片光合速率的影响。2年试验结果表明,玉米处理2/4J、4/4J、2/4N、4/4N比单作减产,LAI、干物质、SPAD值和叶片光合速率均显著低于单作,但减氮前后比较,除LAI指标外,干质量、叶片光合速率(Pn)和SPAD值没有显著差异。建议河南玉米-大豆间作模式行距配置和施肥管理中,玉米大豆间作行比2:4(2/4J)减氮20%处理2/4N更增加光合产物积累,从而提高大豆产量,提高间作效益。
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