玉米/大豆間作模式對青貯玉米產量、品質及土壤營養(yǎng)、根際微生物的影響

甕巧云 黃新軍 許翰林 劉 瑤 袁曉峰 馬海蓮 袁進成 劉穎慧

(1河北北方學院農林科技學院，河北 張家口 075000；2張家口市環(huán)境科學研究院 河北 張家口 075000)

青貯玉米具有植株高大、營養(yǎng)豐富、適口性好等特點，是養(yǎng)殖業(yè)不可缺少的基礎飼料之一。我國是世界養(yǎng)殖生產大國，也是飼料原料的需求大國，進一步發(fā)展玉米、苜蓿、大豆等優(yōu)質飼料尤為重要[1]。目前，國內外研究多集中在種植密度、播期、施肥、刈割、青貯條件等因子對其產量及品質影響等方面[2-6]。我國青貯玉米生產存在種植方式單一，高效栽培模式不足等問題。因此，創(chuàng)新優(yōu)質、安全高產高效栽培技術，建立地區(qū)適應性青飼作物綠色栽培模式已成必要。

研究報道，間作套種模式下植株通過高矮搭配可充分利用光熱資源，改善植物生長發(fā)育。目前已在青貯玉米與禾本科、豆科等作物不同間/套作模式相關領域展開了諸多研究，如王儀明等[7]明確了苜蓿與青貯玉米輪作不僅有利于提高玉米產量和改善青貯飼料品質，還有助于改良土壤；田應學等[8]研究結果表明，貴州松桃縣地區(qū)建議采用青貯玉米與拉巴豆套種行數比1 ∶2模式，可有效改善青貯玉米產量和品質；姜勝男等[9]明確了青貯玉米和秣食豆混播比為2 ∶2時，青貯玉米產量最高。冀西北農牧交錯帶是河北省農業(yè)或雨養(yǎng)農業(yè)的主要分布區(qū)，植被資源豐富，牧草生態(tài)適應性廣，土壤不易侵蝕，季節(jié)性干旱抵御力強。畜牧業(yè)一直是該地區(qū)特色優(yōu)勢產業(yè)，在北方奶業(yè)發(fā)展與地方精準脫貧中具有戰(zhàn)略地位。然而在冀西北地區(qū)生態(tài)條件下，針對青貯玉米/大豆間作對青貯玉米品質及產量的影響鮮見報道。為此，本研究開展玉豆間作模式試驗，研究玉米農藝性狀、產量、品質，及土壤營養(yǎng)、微生物等變化特點，旨在尋找和選擇最佳的栽培模式，為發(fā)展冀西北地區(qū)青貯玉米高產優(yōu)質栽培技術提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

青貯玉米品種為中原單32 號，購自張家口市巡天種業(yè)公司。大豆品種為綏農41，由張家口市農業(yè)科學院提供。

試驗于2017—2018年在河北省張家口市農業(yè)科學院壩下試驗基地進行，該地區(qū)屬大陸性季風氣候。海拔646 m，年均溫7.3℃，≥10℃年積溫1 600 ～2 200℃，年降水量400 mm，無霜期139 d。土壤類型淡栗鈣土，pH 值7.98，有機質含量17.56 g·kg-1，土壤全氮、水解性氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.98 g·kg-1、 37.77 mg·kg-1、22.57 mg·kg-1和197.46 mg·kg-1[10]。

1.2 試驗設計

將玉米與大豆進行間作種植，具體種植模式見圖1。在玉米總密度不變前提下，設玉米與大豆的比例1∶1、2 ∶1、2 ∶2、4 ∶2和玉米單播5 個處理，分別記為玉豆1 ∶1、玉豆2 ∶1、玉豆2 ∶2、玉豆4 ∶2和CK，各處理3 次重復。小區(qū)長7 m，寬12 m。玉米密度9 萬株·hm-2，穴距22 cm，穴留單株。大豆密度25 萬株·hm-2，穴距20 cm，穴留單株。底施375 kg·hm-2氮磷鉀(N ∶P ∶K=28 ∶10 ∶10)復合肥，其他管理同高產田。

圖1 玉豆間作種植示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of the corn/soybean intercropping

1.3 測定項目與方法

1.3.1 青貯玉米生物性狀、產量及品質測定 采用五點取樣法，分別于青貯玉米拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期取樣。從莖基處割下，每點取3 株。分別對植株高度、莖粗度、整株鮮重和干重、產量等生物性狀進行測定。將成熟期整個植株進行干物質量測定后，進行品質測定。測定指標包括粗蛋白(crude protein，CP)含量、淀粉含量、脂肪含量、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiberin，ADF)、每噸干物質可生產的牛奶重量、木質素含量、 單 糖 含 量、 總 可 消 化 養(yǎng) 分(total digestible nutrient，TDN)含量、48 h 體外干物質消化率、48 h 內纖維消化速率(品質測定由內蒙古易馬科技有限公司完成)。

1.3.2 青貯玉米根際土壤營養(yǎng)物質含量測定 分別于開花期、灌漿期和成熟期，利用五點取樣法取土(20 cm 土層，玉米根際土壤)。采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法和酸銨浸提-火焰光度法測定有機質含量和速效鉀含量；采用堿解擴散法測定堿解氮含量[11]；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷含量[12]。

1.3.3 土壤微生物群落結構測定 于灌漿期采用五點取樣法于各小區(qū)取青貯玉米根際0～20 cm 土層樣品，混合均勻后，按四分法取部分土樣裝入已滅菌的無菌袋中。土樣于4℃冰箱內存放，用于土壤真菌轉錄間隔區(qū)(internal transcribed spacer，ITS)多樣性分析(由蘇州泓迅生物科技股份有限公司完成)。

1.4 數據分析

利用Excel 2013 和SPSS 17.0 軟件進行數據分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同生育期青貯玉米的生物性狀

由圖2 可知，隨著生育進程的推進，不同玉豆種植模式玉米的株高、莖粗逐漸升高，于成熟期達到最高值，但模式間植株高度、莖粗差異不大。成熟期，玉豆1 ∶1模式的玉米株高最高，達到3.12 m；玉豆4 ∶2模式的玉米莖粗度最大，達到2.55 cm。

圖2 不同玉豆間作模式青貯玉米植株高度和莖粗Fig.2 Height and stem thickness of plant in different corn/soybean intercropping

由圖3 可知，從拔節(jié)期至成熟期，玉米植株整株鮮重均呈先增加后下降的趨勢，均于灌漿期達到最高值，且該時期玉豆間作模式的玉米整株鮮重均高于CK，并以玉豆2 ∶1模式鮮重最大，為1 465.40 g/株。隨著生育進程的推進，玉豆1 ∶1和玉豆2 ∶2模式的玉米整株干重均呈逐漸增加的趨勢，于成熟期達到最大值；而CK、玉豆2 ∶1和玉豆4 ∶2模式則呈先增加后降低的趨勢，于灌漿期達到最大值；成熟期，不同玉豆間作模式的植株干重均高于CK，其中玉豆2 ∶2模式最大，為404.97 g/株，玉豆2 ∶1模式次之，為398.25 g/株。

圖3 不同玉豆間作模式青貯玉米植株鮮重和干重Fig.3 The wet and dry weight of plant in different corn/soybean intercropping

2.2 青貯玉米產量和品質

將不同玉豆間作模式植株(成熟期)進行收獲，測定產量。每個玉豆間作模式，測定3 個小區(qū)植株產量。由圖4 可知，玉豆2 ∶1和玉豆4 ∶2模式的玉米產量分別為68.53 和68.86 t·hm-2，高于CK；而其他2 個玉豆模式的玉米產量均低于CK。由表1 可知，不同玉豆間作模式植株CP 含量均高于CK，且玉豆2 ∶1模式含量最高，為8.30%；除玉豆2 ∶2模式外，不同玉豆間作模式植株淀粉含量均高于CK，且玉豆2 ∶1模式含量最高，為35.90%；玉豆2 ∶1模式的NDF和ADF含量分別為)

42.38%和26.11%，均高于CK 和其他玉豆間作模式；不同玉豆間作模式植株纖維消化率均與CK 差異較小；玉豆4 ∶2模式的每噸干物質可生產的牛奶重量最高，為1 615.00 kg·t-1。

表1 不同玉豆間作模式青貯玉米品質測定結果Table 1 The quality determination results of plant in different corn/soybean intercropping

圖4 不同玉豆間作模式青貯玉米產量Fig.4 The yield of silage corn in different corn/soybean intercropping

2.3 青貯玉米根際土壤營養(yǎng)物質含量

由表2 可知，隨著玉米生育進程的推進，青貯玉米根際土壤堿解氮含量均呈降低趨勢。除玉豆1 ∶1模式和玉豆4 ∶2模式灌漿期外，其他3 種玉豆模式玉米根際土壤堿解氮含量均高于CK。在不同生育期，玉豆2 ∶1模式下根瘤菌固氮作用最為明顯，其根際土壤堿解氮含量于開花期和灌漿期分別達到126.6 和124.3 mg·kg-1。開花期，玉豆2 ∶1模式下根際土壤速效磷含量最高，為73.9 mg·kg-1；成熟期，玉豆4 ∶2模式下根際土壤速效磷含量最高，為50.2mg·kg-1。不同生育期，玉豆4 ∶2模式下速效鉀含量加的最多，且高于CK。與CK 相比，玉豆1 ∶1模式植株土壤有機氮含量總體增加較多，其中灌漿期土壤有機質含量達到8.7 g·kg-1。

表2 不同玉豆間作模式青貯玉米根際土壤營養(yǎng)物質含量Table 2 Soil nutrients content in rhizosphere of plant in different corn/soybean intercropping

2.4 青貯玉米根際土壤真菌群落的變化

利用高通量測序技術對玉豆不同種植模式土壤真菌ITS 序列進行測序，經雙端拼接、質量控制、嵌合體過濾后，進行高質量數據統(tǒng)計，結果如表3 所示。玉豆不同間作模式中，最終得到用于后續(xù)分析的優(yōu)化序列平均個數為32 209，數據質量≥Q30 的比例平均為98%，GC 含量平均為63%。操作分類單元(operational taxonomic unit，OTU)豐度平均為30 353。

將不同玉豆間作種植模式與CK 分別進行兩兩比較。由圖5 可知，玉豆2 ∶1模式的OTU 數目最多，為318 個；玉豆1 ∶1模式的OTU 數目最少，為309 個。與CK 相，不同玉豆間作模式中特有的OTU 數目分別為49、39、37、29。OTU 數目越多，預示著其包含的真菌種類越多。

根據物種豐度表和物種注釋表，選取豐度最高的20 個物種，進行相對豐度計算，繪制樣品豐度比較的柱狀圖(圖6)。圖中縱軸為不同玉豆種植模式名稱，橫軸代表真菌表達相對豐度；不同顏色對應同一層次不同物種。由圖6 可知，真菌不同類群在CK 和不同玉豆間作模式中相對豐度的變化不同。與CK 相比，玉豆間作模式增加了子囊菌門真菌表達的相對豐度、減少了擔子菌門真菌表達的相對豐度。其中玉豆2 ∶2模式的子囊菌相對豐度值最大，擔子菌相對豐度值最小。

表3 青貯玉米根際土壤真菌ITS 序列信息Table 3 ITS sequence information of fungi in rhizosphere soil of silage corn

圖6 樣品豐度柱狀圖(門級水平)Fig.6 Sample abundance histogram(phylum level)

圖7 為不同真菌在種級水平相對豐度圖，CK 中特有表達的真菌為玉米絲核菌和短帚霉。在玉豆間作模式下，新增加的真菌種類包括柄孢殼菌、Harpophora radicicola。其余真菌為CK 和玉豆間作模式下均含有的種類，表達相對豐度變化不同。

3 討論

圖7 樣品豐度柱狀圖(種級水平)Fig.7 Sample abundance histogram(species level)

影響青貯玉米產量和品質因素較多，包括播種密度、施肥水平、刈割方式、種植方式等[13-15]。本試驗中，玉豆間作模式下青貯玉米產量優(yōu)于玉米單種(CK)；綜合青貯玉米CP 含量、淀粉含量、每噸干物質可生產的牛奶重量等品質指標，最佳種植模式為玉豆2 ∶1(玉豆行距40 cm＋30 cm)。表明玉豆間作種植能有效改善青貯玉米農藝性狀、產量和品質，這與連露等[16]研究結果一致。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的物質基礎，其豐缺程度直接關系到農作物生長狀況和產量水平，是評價土壤肥力水平的重要指標。不同種植方式可影響植株根際土壤的養(yǎng)分含量[17-19]。在豆科/禾本科混作/間作中，為了滿足禾本科作物對氮素等養(yǎng)分的需求，豆科作物固定的氮素會向禾本科作物轉移[20]。本研究中，玉豆2∶1模式下根瘤菌固氮作用最為明顯，其根際土壤堿解氮含量于開花期和灌漿期分別達到126.6 和124.3 mg·kg-1。因此，推測玉豆2 ∶1模式青貯玉米產量、品質優(yōu)于其他玉豆間作模式，可能與根瘤細菌固氮提供大量氮元素有關。而玉豆1 ∶1和玉豆2 ∶2模式青貯玉米產量、品質低于其他2 個玉豆間作模式，其原因可能是由于行距過窄，株間郁閉，導致大豆植株生長過弱，固氮作用未能明顯體現出來。同時，與CK 相比，玉豆間作模式引起玉米根際土壤速效磷、速效鉀和有機質的含量發(fā)生變化。

土壤微生物是構成土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要因子，參與土壤物質養(yǎng)分循環(huán)與利用，對土壤健康狀態(tài)及作物生長發(fā)育均有重要影響。研究表明，種植方式、水肥管理均會對土壤微生物數量產生影響[21-25]。本試驗分別對玉豆不同間作模式植株根際土壤真菌OTU 數目，相對表達豐度及門、種水平的微生物類群數量進行了比較分析。與CK 相比，玉豆間作增加了土壤根際真菌的數量，出現新的真菌種類。不同玉豆模式間，OTU數目表現為玉豆2 ∶1＞玉豆4 ∶2＞玉豆2 ∶2＞玉豆1 ∶1。目前，關于不同種植方式對土壤微生物影響變化的觀點不一。Wang 等[26]報道，酸性土壤上小麥間作蕓薹屬植物改變了小麥根際微生物群落結構，隨植物群落多樣性的增加，土壤細菌和放線菌的豐富度減少，真菌豐富度增加；張淑香等[27]和劉金波等[28]證明連作后根系分泌物的數量增多，會誘導土壤真菌數量的增加；謝利等[29]研究表明，與棉花單作相比，棉花和孜然間作土壤細菌、放線菌、真菌數量顯著降低。因此，本研究關于微生物數量變化與土壤健康狀態(tài)、作物生長發(fā)育間的關系還需深入分析。

4 結論

研究結果表明，在冀西北地區(qū)玉豆間作可明顯提高青貯玉米產量和品質，改善土壤營養(yǎng)和根際微生物群落。該地區(qū)最佳的玉豆間作模式為青貯玉米與大豆按照2 ∶1模式(玉豆行距40 cm＋30 cm)種植。本研究結果為該地區(qū)推廣應用高產、優(yōu)質青貯玉米間作栽培模式，提供了理論依據。但關于青貯玉米對氮素的利用規(guī)律、玉豆同期收獲等仍需要進一步深入研究。