海南省种植面积达11万hm2,收获面积7.86万hm2,年产量达27.22万t,产量占全国的95%以上,位居世界第二,仅次于印度。槟榔产业已经成为海南农业中仅次于橡胶的第二大支柱产业,是海南东部、中部和南部200多万农户增加收入、脱贫致富的重要途径,发展前景十分广阔[1,2]。槟榔株行距一般为(1.8~3)m ×(2.4~3)m[1, 3-5],宽大的株行距为林下间作提供了条件。
香露兜（Pandanus amaryllifolius Roxb.）,俗称斑兰叶,是露兜树科（Pandanaceae）露兜树属（Pandanus）多年生草本香料植物。原产印度尼西亚马鲁古群岛,我国20世纪50年代从印度尼西亚引种,目前主要种植于海南和云南等省份。叶片散发出一种特殊香气——粽香,主要香气成分为2-乙酰-1-吡咯啉[6,7]。叶片富含多种活性成分,具有加快新陈代谢、增强细胞活力、提高人体免疫力的作用,是制作糕点、冰淇淋、清补凉、糖果等食品的纯天然原料。具有“东方人的香草”美誉之称,有非常高的开发利用价值[7,8]。香露兜耐荫蔽,适宜在槟榔、椰子等热带经济林下种植。生产上香露兜在槟榔林下种植较多,槟榔间作香露兜后,槟榔和香露兜长势均较好。这可能与间作香露兜后,对养分吸收的影响有关。有研究表明,作物根系对养分和水分的竞争是作物之间的主要竞争行为,根系的竞争作用明显重要于地上部分,根系之间的相互作用是种间关系研究的主要内容[9]。根系作为植物重要的吸收和代谢器官,土壤中的养分和水分被植物吸收利用均是通过根系得以实现的。植物为了适应竞争环境,提高竞争效率,吸收较多的养分和水分,根系表现出明显的可塑性,导致根系生长和分布产生较大的变化[10,11,12]。小麦/玉米间作的研究也表明,间作后由于根系之间的相互作用,影响了土壤中硝态氮的含量和分布,减少了土壤中硝态氮的淋失,进而促进作物对氮素的吸收和利用[13]。土壤脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、酸性磷酸酶等土壤酶活性对评估土壤肥力水平具有重要指导意义[14,15]。前人研究表明,橡胶园间作可以提高土壤过氧化氢酶、转化酶、脲酶、多酚氧化酶、中性磷酸酶和酸性磷酸酶等酶活性,促进土壤中微生物的活动,提高土壤养分有效性[16]。梨园间作可以增加土壤酶活性,改善土壤结构,促进果树生长发育[17]。
然而,关于槟榔间作香露兜对作物根系生长和土壤酶活性的影响,目前尚不明确。因此,本试验拟通过研究槟榔间作香露兜后,槟榔和香露兜根系形态和植株长势的变化,以及土壤酶活性的变化,探讨槟榔间作香露兜对作物根系生长和土壤酶活性的影响,以期为生产上槟榔间作香露兜的高效种植模式提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
选取健康、无病虫害、生长一致的香露兜幼苗、‘热研1号’槟榔种子苗为试验材料。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验于2019年5—12月在中国热带农业科学院香料饮料研究所（18°15ʹ N,110°13ʹ E）进行。采用盆栽试验,塑料盆规格为48 cm × 32 cm × 26 cm。试验设槟榔单作、槟榔间作香露兜、香露兜单作3个处理,每处理设4个重复,双苗定植。栽培基质为园林废弃物与土壤的混合物。基质pH为6.91、电导率为76.2 us/cm、有机质含量为64.7 g/kg、全氮含量为21.30 g/kg、碱解氮含量为248.5 mg/kg、速效磷含量为67.94 mg/kg、速效钾含量为546.25 mg/kg。
1.2.2 测定指标及方法 （1）株高和干鲜重测定。12月份,测量各处理植株的株高,重复3次。将槟榔和香露兜植株带回实验室,用自来水清洗干净植株及根系土壤,吸水纸吸干水分,地上部和地下部分别于鼓风干燥箱内105 ℃杀青30 min后,于65 ℃烘干至恒重,再称重,每处理2盆,重复3次。
（2）叶片SPAD值测定。种植6个月后,使用便携式SPAD叶绿素测定仪（SPAD-502,日本产）在晴天上午9：00—11：00测定各处理槟榔和香露兜叶片的SPAD值,槟榔测定叶片为最上一片完全稳定展开叶,香露兜测定叶片为第6~7片完全稳定展开叶（自上而下数）。测定位置为叶片中部,避开叶脉,每个处理分别测定4~5片叶,共测定20个SPAD值,取平均值,重复3次。
（3）根系形态测定。用自来水清洗干净槟榔和香露兜根系,剪取根系,使用EPSON根系扫描仪分别进行扫描,使用WINRhizo软件进行数据分析,得到总根长（total root length,TL）、总表面积（total surface area,TS）、根体积（root volume,RV）、根数目（root number,RN）等根系形态特征参数,每个处理重复3次。
（4）土壤酶活性测定。12月份采集土壤样品,带回实验室自然风干,研磨后过0.5 mm土壤筛,使用土壤酶试剂盒测定土壤脲酶（urease,UE）、土壤过氧化氢酶（catalase,CAT）、土壤过氧化物酶（peroxidase,POD）、土壤酸性磷酸酶（acid phosphatase,ACP）、土壤多酚氧化酶（polyphenol oxidase,PPO）活性。
1.3 数据处理
采用SAS软件PROC ANOVA程序进行数据分析,利用LSD法检验处理间差异的显著性水平（P<0.05）。使用R软件（3.3.2）里的corrplot程序包进行相关关系分析。
2 结果与分析
2.1 间作对槟榔和香露兜株高的影响
单作和间作模式下槟榔和香露兜的株高见图 1。槟榔间作香露兜后,槟榔和香露兜株高均有所增加,分别比单作增加3.53%和9.22%,但间作与单作之间未达到显著水平。说明间作对槟榔和香露兜的株高影响不大。
2.2 间作对槟榔和香露兜干物质质量的影响
从表1可见,间作模式下槟榔地上部、地下部和总干物质质量均高于单作模式,分别比单作增加了7.25%、30.33%和6.84%,地上部干物质质量和总干物质质量与单作差异不显著,地下部干物质质量显著高于单作（P<0.05）;间作模式下槟榔地下部干物质质量比单作增加的比率显著高于地上部干物质质量增加的比率（P<0.05）,说明间作促进了槟榔干物质累积,且分配到根系的干物质相对增多,根冠比增加25.55%。间作模式下,香露兜地上部、地下部和总干物质质量均高于单作模式,分别比单作增加了14.43%、21.74%和15.45%,但差异均不显著;间作模式下香露兜地下部干物质质量与单作增加的比率高于地上部干物质质量增加的比率,但无显著差异,根冠比增加7.75%,说明间作对香露兜干物质累积效果不显著。
表1 单作和间作模式下槟榔和香露兜的干物质质量Tab. 1 Dry matter of arecanut and pandan in monoculture and intercropping |
| 作物 Crop | 处理 Treatment | 地上部干物质质量 Aboveground dry matter/g | 地下部干物质质量 Underground dry matter/g | 总干物质质量 Total dry matter/g | 根冠比 The ratio of root shoot/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 槟榔 | 单作 | 10.31±1.90a | 1.81±0.20b | 12.15±2.10a | 18.01±1.60a |
| 间作 | 11.06±2.10a | 2.35±0.20a | 13.41±2.20a | 21.60±3.20a | |
| 间作比单作增加/% | 7.25±0.95 | 30.33±10.04* | 6.84 | 25.55 | |
| 香露兜 | 单作 | 25.78±3.10a | 5.10±0.80a | 30.88±3.70a | 19.80±2.00a |
| 间作 | 29.65±5.70a | 6.12±0.20a | 35.77±5.80a | 21.10±3.60a | |
| 间作比单作增加/% | 14.43±9.11 | 21.74±19.18 | 15.45 | 7.75 |
注：不同小写字母表示单作与间作间差异达显著水平（P <0.05）;* 表示地下部干物质量增加的比率显著高于地上部干物质量增加的比率（P <0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters indicate significant difference between monoculture and intercropping (P <0.05); * indicate significant difference between dry matter increased rate of aboveground and underground part (P <0.05). |
2.3 间作对槟榔和香露兜叶片SPAD值的影响
由图2可见,槟榔间作香露兜后,对槟榔和香露兜叶片SPAD值均有一定影响。间作后,槟榔叶片SPAD值比单作增加了31.33%,显著高于单作槟榔（P<0.05）;香露兜叶片SPAD值比单作增加了6.83%,差异不显著。说明槟榔间作香露兜后,可以显著增加槟榔叶片的SPAD值,对香露兜影响不显著。
2.4 间作对槟榔和香露兜根系生长的影响
单作和间作模式下槟榔和香露兜的根系形态见图 3~图 6。结果表明,间作对槟榔和香露兜根系形态均有一定的影响。间作后,槟榔总根长、根系总表面积、根数目和根体积分别比单作增加了78.64%、50.96%、81.22%和36.14%,其中间作槟榔总根长（995.13 cm）、根系总表面积（305.58 cm2）和根数目（2840.67）显著高于单作槟榔（分别为557.06 cm、202.43 cm2、1567.50）（P<0.05）。间作香露兜总根长、总表面积、根数目和根体积分别比单作增加了5.92%、13.27%、1.67%和6.19%,但差异不显著。说明间作对槟榔根系生长的促进作用比较明显,可显著增加槟榔根数量、总根长和总表面积。
图3 单作和间作模式下槟榔和香露兜的总根长不同小写字母表示单作与间作间差异达显著水平（P <0.05）。 Fig. 3 The total root length of arecanut and pandan in monoculture and intercropping Different lowercase letters indicate significant differences between monoculture and intercropping (P <0.05). |
图4 单作和间作模式下槟榔和香露兜的根系总表面积不同小写字母表示单作与间作间差异达显著水平（P <0.05）。 Fig. 4 Total surface area of arecanut and pandan in monoculture and intercropping Different lowercase letters indicate significant differences between monoculture and intercropping (P <0.05). |
图5 单作和间作模式下槟榔和香露兜的根数目不同小写字母表示单作与间作间差异达显著水平（P <0.05）。 Fig. 5 Root number of arecanut and pandan in monoculture and intercropping Different lowercase letters indicate significant differences between monoculture and intercropping (P <0.05). |
2.5 间作对土壤酶活性的影响
从表2可见,间作和单作种植模式下土壤酶活性存在差异。槟榔间作香露兜后,土壤酸性磷酸酶、过氧化氢酶和过氧化物酶活性均显著高于槟榔单作（P<0.05）,而与香露兜单作的土壤无显著差异;槟榔间作香露兜模式下土壤脲酶活性略高于槟榔单作,但差异不显著,且槟榔间作香露兜和槟榔单作模式下土壤脲酶活性均显著低于香露兜单作的土壤（P<0.05）;槟榔间作香露兜模式下土壤多酚氧化酶活性略高于槟榔单作和香露兜单作的土壤,但差异不显著。表明相对于槟榔单作,间作香露兜后,可以促进土壤酸性磷酸酶、过氧化氢酶和过氧化物酶活性,活跃土壤中的生化过程。图7表明,土壤过氧化物酶活性与根数目和根体积呈显著正相关,其他土壤酶活指标与根系形态指标无显著相关关系。
表2 单作和间作模式下土壤酶活性Tab. 2 Soil enzyme activity in monoculture and intercropping |
| 处理 Treatment | 脲酶活性 Urease activity /(IU∙L-1) | 酸性磷酸酶活性 Acid phosphatase activity /(μIU∙L-1) | 过氧化氢酶活性 Catalase activity /(IU∙L-1) | 过氧化物酶活性 Peroxidase activity /(mU∙L-1) | 多酚氧化酶活性 Polyphenol oxidase activity/(IU∙L-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 槟榔单作 | 886.21±12.43b | 10.47±0.15b | 42.90±0.95b | 89.05±3.39b | 55.25±1.39a |
| 槟榔间作 | 894.48±50.17b | 10.91±0.14a | 45.69±1.24a | 99.30±3.56a | 56.20±2.35a |
| 香露兜单作 | 1035.69±35.13a | 10.72±0.07ab | 45.46±0.42a | 103.41±1.84a | 55.47±1.15a |
注：不同小写字母表示各处理间差异达显著水平（P <0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P <0.05). |
图7 土壤酶活性与根系形态指标相关性分析* 表示不同处理间的差异显著性检验达0.05水平;** 表示不同处理间的差异显著性检验达0.01水平;*** 表示不同处理间的差异显著性检验达0.001水平。 Fig. 7 Correlation between soil enzyme activity and root morphological indices * indicates significant difference at the 0.05 level; ** indicates significant difference at the 0.01 level; *** indicates significant difference at the 0.001 level. |
3 讨论
根系形态反映了植物根系在土壤中的分布情况以及对水分养分的获取能力[18,19,20]。间作后,作物间相互作用对根系形态会产生一定影响。槟榔间作咖啡研究表明,间作可以促进槟榔根系生长,且槟榔根系主要分布在本株根系空间范围内[21]。槟榔间作胡椒可显著促进胡椒根系生长,对槟榔根系表现出抑制作用,显著抑制了槟榔的根长密度和侧根数目[22,23]。本研究中,槟榔间作香露兜后可促进槟榔根系形态建成,槟榔总根长、总表面积和根数目均显著高于槟榔单作,对香露兜的根系形态影响作用不大。这是由于间作后,作物为了获取更多的水分和养分,能根据土壤环境和养分资源的变化调整根系形态[10-12, 19, 21-24],促进根系形态建成。反过来根系数量多,长度长,与土壤环境的接触面积大,吸收水分和养分的速率就快,效率就高[25]。
SPAD值反映植物叶绿素的相对含量,与叶片氮含量显著正相关,常用来评估作物的氮素营养[26,27,28]。槟榔间作香露兜后,显著增加了槟榔叶片的SPAD值。这应该与间作后槟榔根系较发达,进而促进槟榔吸收更多的水分和氮元素有关。叶绿素含量的增加,又进一步增强了槟榔幼苗对光能的吸收、传递与转换速率,使根系干物质质量增加。本研究中槟榔地上部干物质质量增加不显著,可能与试验处理时间长短有一定关系。槟榔间作咖啡后促进了槟榔茎干生物量的累积,增加了槟榔对氮、磷、钾养分的吸收[21]。槟榔间作胡椒后,显著提高了胡椒地上部氮、磷、钾、钙和镁的养分含量,提高了槟榔根系氮和磷的养分含量和利用效率[23]。关于槟榔间作香露兜后,槟榔和香露兜对养分的吸收利用情况,将在后续研究中进一步开展。
土壤酶活性是土壤中肥力情况和理化性质的反映,土壤中任何生物化学反应均是在土壤酶参与下完成的,土壤酶活性高低可以反映土壤中生物活性和生物化学反应的程度,是评价土壤肥力的重要指标之一[29,30,31]。脲酶能促使土壤中酰胺肽键的水解,水解土壤中施入的尿素,释放出植物根系可吸收利用的氨,常用来评价土壤供氮能力[32]。过氧化氢酶可以分解土壤生物化学反应中形成的过氧化氢（H2O2）,从而避免H2O2对植物的伤害[33]。黄天忠等[34]的研究表明,土壤脲酶活性与土壤全氮和碱解氮含量均显著正相关,酸性磷酸酶活性与土壤全磷和速效磷含量均显著正相关。马忠明等[35]的研究表明,土壤过氧化氢酶活性与土壤微生物活动和土壤呼吸强度有关,也反映了土壤微生物学过程的强度。也有研究表明土壤过氧化氢酶活性与植物根系呼吸强度相关,根系呼吸强度大是导致过氧化氢酶活性增加的主要原因[36]。刘均霞等[37]的研究表明,间作体系中土壤脲酶活性和磷酸酶活性均显著高于单作。张向前等[38]在玉米间作大豆或花生上的研究,以及代会会等[39]在豆科间作番茄上的研究结果均表明,间作后土壤脲酶和磷酸酶活性均显著增加。孟自力等[40]的研究表明,小麦间作大蒜后土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性均高于小麦单作。在黄瓜间作洋葱或大蒜上研究表明,土壤脲酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶活性均高于黄瓜单作[41]。本研究中槟榔间作香露兜后土壤脲酶与槟榔单作无差异,但显著低于香露兜单作,可能是槟榔和香露兜对氮的吸收都比较强;酸性磷酸酶、过氧化氢酶和过氧化物酶显著高于槟榔单作,与香露兜单作无显著差异,这可能与槟榔间作后土壤养分含量和土壤微生物发生变化有关。本研究中土壤过氧化物酶活性与根体积和根数目显著相关,应该是间作后促进了槟榔的根系生长发育,进一步增加了土壤酶的来源。土壤酶活性高有利于提高土壤养分供给能力,促进作物产量形成[42]。关于槟榔间作香露兜模式下土壤养分含量变化、微生物群落丰度、土壤微生物群落装配方式等变化,以及间作模式对槟榔和香露兜产量的影响将在今后进一步开展相关研究。
综上所述,槟榔间作香露兜系统中,不仅槟榔与香露兜根系存在相对较小的竞争关系,而且提高槟榔叶片叶绿素含量,促进根系形态建成,根系干物质质量增加,使土壤酶活性增强,进而改善土壤肥力。在生产上,可以充分利用槟榔与香露兜的生态位分离特性进行间作,增加槟榔林下经济收入,同时对槟榔林地土壤改良和林下间作可持续健康发展具有一定的促进作用。