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Effects of Potato/Legume Intercropping System on Soil Enzyme Activity and Potato Yield in Arid Region of Southern Ningxia
MAXiaoying, MANBenju, LITao, LIUWeifan, MAFenglan, WANMenghu, LIUJili, WUNa
Chin Agric Sci Bull ›› 2025, Vol. 41 ›› Issue (14) : 13-24.
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Abbreviation (ISO4): Chin Agric Sci Bull
Editor in chief: Yulong YIN
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Effects of Potato/Legume Intercropping System on Soil Enzyme Activity and Potato Yield in Arid Region of Southern Ningxia
To investigate the effects of the potato-legume intercropping system on soil enzyme activity and potato yield in the arid region of southern Ningxia, a field positioning experiment with three different planting patterns, including potato monoculture (P), potato-soybean intercropping (PS), potato-broad bean intercropping (PB) were conducted for two consecutive years from 2020 to 2021 to explore the differences of soil enzyme activity and potato yield in different intercropping patterns. The results revealed that intercropping significantly enhanced the activities of catalase, urease, sucrase and acid phosphatase in 0-60 cm soil. The enzyme activities of each treatment were basically manifested as PS>PB>P, which increased first and then decreased during the whole growth period, and gradually decreased with the deepening of soil layer. In 2020, the activities of catalase, urease, sucrase and acid phosphatase of PS were 0.51%-4.69%, 7.96%-152.23%, 3.22%-192.00%, 5.75%-175.80% and 1.28%-9.10%, 4.11%-53.99%, 3.61%-140.27%, 4.27%-133.7% higher than those of PB and P, respectively. In 2021, the activities of catalase, urease, sucrase and acid phosphatase of PS were 0.20%-4.63%, 0.84%-93.93%, 4.26%-143.26%, 4.85%-50.41% and 0.13%-8.83%, 0.05%-94.53%, 1.13%-334.33%, 7.15%-99.34% higher than those of PB and P, respectively. The potato yield showed PS>PB>P in both years. In 2020, PS and PB significantly increased by 13.96% and 5.33% compared with P, respectively. In 2021, PS and PB significantly increased by 33.85% and 14.31% compared with P, respectively (P<0.05). Through principal component analysis, the comprehensive scores of P, PS and PB in 2020 and 2021 were -0.79, 2.55, -1.75 and -2.69, 3.36, -0.68, respectively, and PS was the highest in both years. The intercropping of potato and leguminous crops promoted the increase of soil catalase, urease, sucrase and acid phosphatase activities, which provided a certain basis for soil formation and soil fertility improvement, and provided a better environment for potato growth and development, thus increasing the yield of potato. In this study, potato-soybean intercropping had the advantage of intercropping and could significantly increase potato yield.
potato / leguminous crops / intercropping / soil enzyme activity / yield
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满本菊. 宁夏半干旱区马铃薯豆类间作系统下作物生长生理特性及土壤养分研究[D]. 银川: 宁夏大学, 2022.
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党科, 宫香伟, 吕思明, 等. 糜子/绿豆间作模式下施氮量对绿豆叶片光合特性及产量的影响[J]. 作物学报, 2021, 47(6):1175-1187.
探讨施氮量对间作条件下绿豆叶片光合特性、氮素特征及产量的影响, 以期为西北旱区糜子//绿豆间作模式的合理施氮提供理论依据。试验于2018—2019年在陕西榆林采用裂区设计, 主处理设糜子间作绿豆(PM)、绿豆单作(SM)2种种植模式, 副处理设0 (N0)、45 (N1)、90 (N2)和135 kg hm<sup>-2</sup> (N3) 4个氮肥水平。结果表明, 施氮处理下间作绿豆叶片净光合速率(P<sub>n</sub>)、蒸腾速率(T<sub>r</sub>)比不施氮平均增加10.5%~24.5%、15.2%~29.5%, 提高了叶片光合特性; PSII最大光化学效率(F<sub>v</sub>/F<sub>m</sub>)、PSII实际光化学效率(Φ<sub>PSII</sub>)平均增加2.9%~7.8%、11.7%~28.4%, PSII非光化学淬灭系数(non-photochemical quenching coefficient, NPQ)降低10.3%~17.4%, 叶片叶绿素荧光参数得到改善, 对弱光的截获和利用能力提高, 叶片PSII反应中心活性增强。单株叶面积、单位干质量叶片氮含量(N<sub>mass</sub>)和单位面积氮含量(N<sub>area</sub>)均随施氮量增加表现为先升高后降低的趋势; Chl a、Chl b含量增加, 光合氮利用效率(photosynthetic N-use efficiency, PNUE)则比不施氮有所降低; 不同施氮量均显著增加间作绿豆干物质积累量和荚数, 百粒重2年平均分别比不施氮增加1.1%~6.9%, 产量增加9.3%~19.7%。2年试验间作各处理土地当量比(land equivalent ratio, LER)为1.63~2.07, 表现为间作产量优势。由此可知, 施氮可改善间作绿豆叶片光合物质生产能力, 延缓衰老, 有效调节了光合系统对遮阴的适应性反应, 且间作叶片光合性能对氮肥的响应要大于单作。糜子/绿豆间作模式LER大于1, 可作为西北旱作农业区推广种植模式, 在90 kg hm<sup>-2</sup>施氮量下间作绿豆叶片光合特性表现最好, 产量最高, LER最大, 是其适宜施氮水平。
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王一帆, 殷文, 胡发龙, 等. 间作小麦光合性能对地上地下互作强度的响应[J]. 作物学报, 2021, 47(5):929-941.
本研究旨在探讨地上地下互作强度对间作小麦光合性能的影响, 为进一步揭示间作体系作物产量优势的光合机制提供依据。2015—2017年连续3年在河西绿洲灌区进行田间试验, 以小麦间作玉米为研究对象, 设置地下部3种互作强度: 根系不分隔(完全地下互作处理, W/M)、300目尼龙网分隔(部分地下互作处理, NW/M)和0.12 mm塑料布分隔(无地下互作处理, PW/M), 以及地上部高、低玉米密度(M1、M2) 2种互作强度, 同时设置相应单作处理。结果表明, 小麦间作玉米共生前期和后期完全地下互作处理促使小麦净光合速率(P<sub>n</sub>)显著提高, 且共生后期玉米密度的提高促使完全地下互作效应增强, 进一步提高了小麦P<sub>n</sub>。小麦间作玉米共生前、中和后期, 完全地下互作处理可显著提高小麦叶片气孔导度(G<sub>s</sub>)、胞间CO<sub>2</sub>浓度(C<sub>i</sub>), 且玉米密度提高对共生前期完全地下互作处理和部分地下互作处理小麦G<sub>s</sub>的增加起到促进作用。在共生前期、后期完全地下互作和部分地下互作处理保持了较低的T<sub>r</sub>。间作完全地下互作处理有助于小麦叶日积(LAD)的增加, 且随着生育进程的推进, 提高比率越大。完全地下互作处理使共生中期间作小麦叶片相对叶绿素含量值(SPAD)显著增加, 有利于光合强度的提高。间作小麦具有显著的增产效应, 完全地下互作处理中小麦籽粒产量达到相应单作产量的76.8%, 具有显著提高间作群体籽粒产量的优势, 且地上部互作强度增强有利于完全地下互作处理正效应的发挥。地上地下互作强度是影响间作小麦光合性能的重要因素之一, 在生产实践中可通过调节地上地下互作强度的强弱来优化低位作物光合性能。
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Intercropping studies usually focus on yield advantage and interspecific interactions but few quantify temporal niche differentiation and its relationship with intercropping yield advantage. A field experiment conducted in northwest China in 2013 and 2014 examined four intercropping systems (oilseed rape/maize, oilseed rape/soybean, potato/maize, and soybean/potato) and the corresponding monocultures. Total dry matter data collected every 20 d after maize emergence were fitted to logistic models to investigate the temporal dynamics of crop growth and interspecific interactions. All four intercropping systems showed significant yield advantages. Temporal niche complementarity between intercropped species was due to differences in sowing and harvesting dates or the time taken to reach maximum daily growth rate or both. Interspecific interactions between intercropped species amplified temporal niche differentiation as indicated by postponement of the time taken to reach maximum daily growth rate of late-maturing crops (i.e. 21 to 41 days in maize associated with oilseed rape or potato). Growth trajectories of intercropped maize or soybean recovered after the oilseed rape harvest to the same values as in their monoculture on a per plant basis. Amplified niche differentiation between crop species depends on the identity of neighboring species whose relative growth rate is crucial in determining the differentiation.
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关松荫. 土壤酶学研究方法[M]. 北京: 农业出版社, 1986.
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刘娟娟, 石铭福, 孙得翔, 等. 轮作豆科植物对马铃薯连作土壤理化性质及酶活性的影响[J]. 甘肃农业大学学报, 2025, 60(1):97-104,111.
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唐秀梅, 黄志鹏, 吴海宁, 等. 玉米/花生间作条件下土壤环境因子的相关性和主成分分析[J]. 生态环境学报, 2020, 29(2):223-230.
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王顺. 不同灌水量及氮肥基追比对马铃薯生长和土壤酶活性的影响[D]. 银川: 宁夏大学, 2021.
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王顺, 尹娟, 张海军, 等. 不同水氮处理对马铃薯土壤酶活性和产量的影响[J]. 节水灌溉, 2021(8):67-73.
针对宁夏中部干旱地区农田土壤生态环境问题，研究了不同水氮处理对马铃薯土壤过氧化氢酶活性和土壤脲酶活性及产量的影响变化规律。研究结果表明：在马铃薯0~20 cm土层中，土壤过氧化氢酶活性和脲酶活性均随马铃薯生育期阶段的推进呈现出先升高后降低的变化趋势；在垂直方向上，随着土层深度的增加，土壤过氧化氢酶活性呈现逐渐降低的变化趋势，而土壤脲酶活性则呈升高的变化趋势；中水中氮（W2N2）有利于增加土壤酶活性，而低水高氮（W1N3）则不利于土壤酶活性的提高；中水中氮（W2N2）处理的马铃薯产量和商品薯率最高，分别为53 698.95 kg/hm<sup>2</sup>和96.4%；0~20 cm土层土壤过氧化氢酶活性与马铃薯产量呈极显著正相关，0~20 cm和20~40 cm土层土壤脲酶活性与马铃薯产量呈显著正相关。综合考虑，中水中氮（W2N2）为最佳的处理，有利于马铃薯产量、商品薯率的提高和土壤生态环境的改善。因此推荐W2N2处理（灌溉定额为1 500 m<sup>3</sup>/hm<sup>2</sup>，施氮量为210 kg/hm<sup>2</sup>）作为宁夏中部干旱地区马铃薯种植的水氮管理模式。
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詹柳琪, 郭陞垚, 黄佳华, 等. 花生玉米间作对土壤酶活性、养分及作物产量的影响[J]. 福建农业学报, 2022, 37(8):985-994.
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【目的】研究土壤添加西兰花残体（broccoli residues，BR）对棉花根际土壤酶活性的影响及其与根际土壤微生物碳源利用能力之间的关系，为揭示土壤添加西兰花残体对棉花防病、促生的生态机制提供理论依据。【方法】设置棉田土壤添加西兰花残体和未添加西兰花残体（CK）两个处理，以不同处理的棉花根际土壤为研究对象，测定土壤过氧化物酶、中性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、几丁质酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性；利用Biolog-ECO平板研究不同处理的Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Pielou指数、McIntosh指数及丰富度指数，揭示微生物群落结构的功能多样性；采用主成分分析比较不同处理的根际土壤微生物代谢活性特征，冗余分析土壤酶活性与不同类型碳源利用能力之间的相关性。【结果】与空白对照相比，BR处理的棉花株高、果枝数和结铃数显著增加，增幅分别为12.73%、16.95%和10.36%；棉花黄萎病病情指数显著降低，达64.19%。BR处理显著提高了棉花根际土壤pH、硝态氮和有机质含量。BR处理对根际土壤微生物功能多样性指数不存在显著影响，但改变了根际土壤微生物的代谢活性。同时，BR处理显著提高了不同营养元素循环相关酶活性，其中在碳循环方面，过氧化物酶和β-葡萄糖苷酶的活性分别为对照的2.70和1.95倍；在氮循环方面，脲酶、几丁质酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶的活性分别为对照的1.42、1.59和1.52倍；在磷循环方面，中性磷酸酶的活性为对照的1.33倍；在硫循环方面，芳基硫酸酯酶的活性为对照的1.22倍。冗余分析表明，BR处理的土壤酶活性与L-苯基丙氨酸、L-苏氨酸、肝糖、2-羟基苯甲酸、衣康酸和D-苹果酸的利用能力均存在正相关性。【结论】土壤添加西兰花残体显著提高了营养元素循环相关酶的活性，改变了棉花根际土壤微生物的碳代谢活性，并提高了根际土壤pH、硝态氮和有机质含量。同时，土壤酶活性与微生物碳代谢特征存在不同程度的相关性。
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Intercropping advantage occurs only when each species has adequate time and space to maximize cooperation and minimize competition between them. A field experiment was conducted for two consecutive years between 2013 and 2014 to investigate the effects of maize and soybean relay strip intercropping systems on the uptake and utilization of nitrogen, phosphorus, and potassium. The treatments included "40:160" (T1, maize narrow and wide row spacing of 40 and 160 cm, where two rows of soybean with a 40 cm row were planted in the wide rows. The area occupation ratio of maize and soybean both were 50% of the every experimental block), "80:120" (T2, maize narrow and wide row spacing of 80 and 120 cm, the soybean planting was the same as T1 treatment. The area occupation ratio of maize and soybean were 60% and 40% of the every experimental block), "100:100" (T3, one row of maize and one row of soybean with a 100-cm row. The area occupation ratio of maize and soybean was the same as T1 treatment), sole cropping of maize (CK1, The area occupation ratio of maize was 100% of the every experimental block), and sole cropping of soybean (CK2, The area occupation ratio of soybean was 100% of the every experimental block). The results show that, compared with the sole cropping system (sole maize), the economic yields in T1, T2, and T3 treatments increased by 761, 536, and 458 kg·ha, respectively, and the biological yields increased by 2410, 2127, and 1588 kg·ha. The uptake and utilization of nitrogen, phosphorus, and potassium in T1, T2, and T3 treatments were significantly higher than those in sole crops, and the nutrient advantage is mainly due to nutrient uptake rather than nutrient use efficiency. The land equivalent ratio values in T1, T2, and T3 treatments were 1.43, 1.32, and 1.20, respectively. In particular, the economic and biological yield in T1 treatment exhibited potential as an intercropping pattern.
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张晓娜, 陈平, 杜青, 等. 玉米/大豆、玉米/花生间作对作物氮素吸收及结瘤固氮的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(8):1183-1194.
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杨欢, 周颖, 陈平, 等. 玉米-豆科作物带状间套作对养分吸收利用及产量优势的影响[J]. 作物学报, 2022, 48(6):1476-1487.
为明确玉米大豆套作、玉米花生间作养分吸收利用对产量优势贡献的差异。本研究开展了2年大田试验, 通过比较间套作与相应单作成熟期植株氮磷钾养分吸收量和利用效率, 综合分析了玉米大豆套作、玉米花生间作中养分吸收和利用效率的变化。结果表明: 玉米大豆套作土地当量比(land equivalent ratio, LER)为1.16~1.72, 具有套作产量优势, 玉米花生间作LER为0.89~1.13, 无明显间作产量优势。玉米大豆套作体系中, 植株氮、磷、钾养分吸收总量比相应单作提高32.60%~54.22%、27.35%~34.64%和17.74%~24.42%, 氮素利用效率低于相应单作21.99%~42.07%。氮、磷、钾吸收效率对LER的贡献分别为0.34~0.62、0.31~0.46和0.22~0.32, 利用效率的贡献分别为-0.11~ -0.35、-0.03~ -0.31和-0.11~0.22。玉米花生间作体系中, 氮、磷、钾养分吸收总量分别高出相应单作-7.86%~31.58%、23.09%~46.52%和1.60%~55.48%, 氮素利用效率高出相应单作7.55~26.60。氮、磷、钾吸收效率对LER的贡献分别为0~0.22、0.05~0.27和-0.11~0.32, 利用效率的贡献分别为-0.25~0.19、-0.32~0.11和-0.47~0.32。因此, 玉米大豆套作优势在营养方面的基础主要来自于相对于单作养分吸收总量的增加, 而玉米花生间作无明显间作优势主要因为养分吸收对产量优势的贡献较小。
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酒鹃鹃, 李永梅, 王梦雪, 等. 玉米大豆间作对坡耕地红壤团聚体分布及稳定性的影响[J]. 江苏农业科学, 2021, 49(22):219-228.
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张金丹, 范虹, 杜进勇, 等. 小麦玉米同步增密有利于优化种间关系而提高间作产量[J]. 作物学报, 2021, 47(12):2481-2489.
增密是间作高产的主要措施, 研究间作组分密度变化对其种间关系、产量的影响, 对于夯实间作理论与技术意义重大。2018—2019年, 在河西绿洲灌区开展田间试验, 设单作玉米、单作小麦、小麦/玉米3种种植模式, 4.5万株 hm<sup>-2</sup>(传统)、6.0万株 hm<sup>-2</sup>(中)、7.5万株 hm<sup>-2</sup>(高) 3种玉米密度, 284万粒 hm<sup>-2</sup>(传统)、341万粒 hm<sup>-2</sup>(高)两种小麦密度, 研究了小麦玉米同步增密对间作种间关系及产量的影响。结果表明, 间作小麦、玉米密度同步增大强化了共生期小麦相对于玉米的竞争力(A<sub>wm</sub>), 小麦高密度间作与传统密度间作相比, A<sub>wm</sub>提高了10.9%~20.1%; 玉米高、中密度间作与传统玉米密度间作相比, 其A<sub>wm</sub>分别提高了25.3%~32.0%、15.8%~17.3%; 小麦、玉米高密度间作与传统密度间作相比, A<sub>wm</sub>提高了35.5%~56.5%。间作小麦、玉米密度同步提高可增大麦后间作玉米的恢复效应(R<sub>m</sub>), 小麦高密度间作较传统密度间作的R<sub>m</sub>提高了14.6%~17.1%; 玉米高、中密度间作与传统密度间作相比, R<sub>m</sub>分别提高了27.4%~48.5%、10.3%~30.5%; 小麦高密/玉米高密度较小麦/玉米传统密度处理R<sub>m</sub>提高了43.7%~65.5%。增密有利于提高间作优势, 小麦高密/玉米高密度较小麦/玉米传统密度处理土地当量比高8.3%~10.8%。两作物同步增密可进一步提高间作增产优势, 小麦高密度间作较传统密度间作增产3.6%~5.1%, 玉米高、中密度间作较传统密度间作增产14.1%~19.3%、7.3%~15.2%, 小麦高密/玉米高密度较小麦/玉米传统密度处理增产19.0%~24.0%。间作小麦对玉米的竞争力及麦后玉米的恢复效应与间作籽粒产量均呈正相关。小麦玉米同步增密可优化间作种间关系、提高产量, 小麦播种量341万粒 hm<sup>-2</sup>和玉米7.5万株 hm<sup>-2</sup>是绿洲灌区小麦间作玉米高产的适宜密度。
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保护性耕作具有提高作物水分利用效率、减少能耗等优点，但能否将该技术集成应用于间作套种，尚需理论研究和具体实验依据。本研究通过2011和2012年度的田间定位试验，探讨不同耕作和秸秆还田方式对小麦间作玉米作物群体竞争、互补作用及产量的影响。试验设3种秸秆还田处理，分别是小麦带25 cm高茬收割立茬免耕(NTSS)、小麦带25 cm高茬等量秸秆覆盖免耕(NTS)及小麦带高茬等量秸秆还田翻压(TIS)，以传统耕作(CT)为对照。秸秆还田后少耕间作，土地当量比高于传统耕作间作，且大于1，说明少耕小麦秸秆还田有利于提高间作优势；少耕秸秆还田降低了共生期小麦相对于玉米的竞争力，以NTS处理对小麦竞争力的影响最大。与CT相比，NTSS、NTS和TIS的小麦全生育期相对竞争力分别降低37%~54%、109%~141%和22%~24%；与单作玉米相比，NTSS、NTS、TIS和CT处理间作玉米的相对生长率分别高54%~59%、66%~71%、61%~63%和71%~78%，其中小麦秸秆还田间作处理中NTS更有利于发挥玉米的恢复效应。间作条件下，3种秸秆还田处理的产量较对照高6%~10% (2011年度)和4%~12% (2012年度)，其中NTS增产显著。总体来看，间作群体籽粒产量与小麦相对于玉米全生育期的平均竞争力呈二次相关关系，当该竞争力在0.24~0.27时利于获得间作高产。本研究表明，秸秆还田配合少耕是调控种间竞争力的可行途径，其中小麦等量秸秆(小麦留茬25 cm)还田覆盖是优化小麦玉米竞争力的最理想耕作措施。
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赵建华, 孙建好, 陈亮之, 等. 玉/豆间作产量优势中补偿效应和选择效应的角色[J]. 作物学报, 2022, 48(10):2588-2596.
竞争和补偿是间作体系产量优势发挥的主要生态学原理之一。于2017—2020年在甘肃张掖开展田间试验, 试验包括3个玉米/豆科间作体系, 即玉米/豌豆(maize/pea, M/P)、玉米/蚕豆(maize/faba bean, M/F)、玉米/大豆(maize/soybean, M/S), 4个单作种植体系, 即单作豌豆(sole pea, SP)、单作蚕豆(sole faba bean, SF)、单作大豆(sole soybean, SS)、单作玉米(sole maize, SM)。通过测定单间作条件下作物产量, 分析间作作物增产率、豆科对玉米竞争力(aggressivity, A)、间作体系土地当量比(land equivalent ratio, LER)、净效应(net effect, NE)、补偿效应(complementarity effect, CE)和选择效应(selection effect, SE), 以明确补偿效应和选择效应在3个间作体系产量优势发挥中的角色。结果表明: 4年平均, M/P、M/F和M/S的LER分别为1.30、1.31和1.13, 大豆偏土地当量比小于0.5, 豌豆和蚕豆偏土地当量比大于0.5, 玉米偏土地当量比均大于0.5; 豌豆、蚕豆和大豆的增产率分别为53.3%、81.4%和-14.9%, 与之间作的玉米增产率分别为13.0%、-5.8%和32.3%; 豌豆和蚕豆相对玉米的竞争力大于0, 大豆相对玉米的竞争力小于0; M/P和M/F的补偿效应显著高于M/S, 而M/S的选择效应显著高于M/P和M/F; LER与补偿效应显著正相关, 与选择效应显著负相关; 豆科作物增产率与补偿效应显著正相关, 与选择效应显著负相关; 玉米增产率与选择效应显著正相关; 综上, M/P和M/F的产量优势主要来源于补偿效应, M/S体系产量优势主要来源于选择效应。
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芦美, 赵吉霞, 李永梅, 等. 玉米间作马铃薯对根际土壤酶活性及团聚体稳定性的影响[J]. 水土保持研究, 2023, 30(6):123-132.
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