紅壤坡耕地玉米大豆間作的根際微生態(tài)效應(yīng)

常換換，蘇友波，范茂攀，王自林，趙吉霞，李永梅*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201）

紅壤是我國(guó)熱帶、亞熱帶經(jīng)濟(jì)林果、經(jīng)濟(jì)作物及糧食生產(chǎn)的重要土壤類型［1-2］，近年來(lái)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的退化問(wèn)題引起人們的關(guān)注。在云南省，由于較高的坡耕地占比，水土流失是該區(qū)紅壤坡耕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化的重要原因。研究顯示，實(shí)施間套作技術(shù)可以有效防治紅壤坡耕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化、提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［3］。在眾多間作體系中，玉米大豆間作體系積累了豐富的研究資料。研究顯示，玉米大豆間作不僅可以調(diào)節(jié)田間小氣候，提高養(yǎng)分吸收和利用效率，提高經(jīng)濟(jì)效益［4-5］，在抗旱減災(zāi)、增強(qiáng)農(nóng)田水土保持能力［6-8］方面也表現(xiàn)出一定的潛力。陳小強(qiáng)等［8］通過(guò)田間徑流小區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)玉米大豆間作處理產(chǎn)流量和土壤流失量比大豆單作、玉米單作分別減少了19.40%、23.01%和29.00%、32.52%。

種間互作是間作優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的重要生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，從空間上可以分為地上部互作和地下部互作。研究認(rèn)為，作物之間的競(jìng)爭(zhēng)行為主要產(chǎn)生于地下部分的根系對(duì)養(yǎng)分和水分的競(jìng)爭(zhēng)。呂越等［9］通過(guò)實(shí)施不同分隔處理的小區(qū)試驗(yàn)證實(shí)玉米大豆間作效應(yīng)是地上部與地下部共同作用的結(jié)果，而且地下部互作大于地上部互作。根際微生態(tài)系統(tǒng)是以根為主導(dǎo)，根際為作用界面，植物-土壤-微生物及其環(huán)境條件相互作用的統(tǒng)一體，也是間作系統(tǒng)地下部互作的關(guān)鍵。從根際微生態(tài)的角度才能了解種間關(guān)系的本質(zhì)。對(duì)植物根系而言，根際土壤養(yǎng)分、酶活和微生物群落特征是重要的根際微生態(tài)環(huán)境因子。根系和微生物不斷與周圍的環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，根際微生態(tài)因子的改變直接影響植物根系和地上部的生長(zhǎng)。目前，玉米大豆間作根際微生態(tài)效應(yīng)的研究大多關(guān)注養(yǎng)分、酶活、微生物等單一方面［10-13］，紅壤坡耕地大田種植條件下綜合考慮養(yǎng)分、酶活和微生物的根際微生態(tài)效應(yīng)鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以云南典型的紅壤坡耕地為研究對(duì)象，布置玉米大豆間作田間試驗(yàn)，以期從根際微生態(tài)角度深入理解玉米大豆的間作效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于云南省昆明市盤龍區(qū)松華壩水源保護(hù)區(qū)大擺社區(qū)。該區(qū)屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，海拔高度2210 m，年均降雨量950 mm，年均氣溫16 ℃。土壤為第四紀(jì)黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤。供試田塊中心地理坐標(biāo)為25°15′58″N，102°46′39″E，坡度8°，屬于輕度水土流失類型。質(zhì)地為粘土，土壤砂粒、粉粒和黏粒的組成比為16.31%、42.35%、41.35%。 基本理化性質(zhì)如下：pH（5.28±0.11），有機(jī)質(zhì)（42.03±3.50）g·kg-1，堿解氮（95.20±13.86） mg·kg-1，速效磷（32.77±8.39）mg·kg-1，速效鉀（192.85±35.43）mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間小區(qū)試驗(yàn)設(shè)置玉米單作、大豆單作、玉米大豆間作3個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)規(guī)格為4.0 m×9.6 m。供試玉米品種為云瑞88，大豆品種為滇豆7號(hào)。玉米單作小區(qū)，寬窄行種植，寬行行距80 cm，窄行行距40 cm，株距25 cm；大豆單作小區(qū)，行株距為60 cm×25 cm；玉米大豆間作帶型配置為2∶2，玉米間行距為40 cm，大豆間行距為40 cm，玉米與大豆間行距為50 cm，株距均為30 cm。地塊機(jī)械翻耕后人工打塘播種。玉米和大豆同一天播種，時(shí)間為2018年4月29日。玉米覆蓋塑料薄膜，大豆沒(méi)有。播種當(dāng)天玉米施用尿素157.5 kg·hm-2、過(guò)磷酸鈣120 kg·hm-2、硫酸鉀120 kg·hm-2，大豆施用尿素120 kg·hm-2、過(guò)磷酸鈣240 kg·hm-2、硫酸鉀180 kg·hm-2，玉米喇叭口期追施尿素157.5 kg·hm-2。各小區(qū)農(nóng)田管理方式相同。

1.3 根際土壤樣品采集

于玉米抽雄期（大豆花莢期）在圖1所示采樣區(qū)內(nèi)進(jìn)行根際土壤樣品的采集。單作小區(qū)隨機(jī)選取3 棵具有代表性的植株，間作小區(qū)則玉米和大豆分別選取3 株。采集根際土?xí)r先用鐵鍬和長(zhǎng)柄刀在以根部為中心距離13 cm 處挖深20 cm，便于將根土拔出。將根連土拔起后，用力抖動(dòng)去掉松散的土，將仍附著在根上的土刷下來(lái)作為根際土，每個(gè)小區(qū)3 點(diǎn)土樣混合，裝入潔凈的自封袋中。土壤樣品當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，分成2 份分別存放：1 份放入4 ℃保存，用于Biolog 微生物群落功能多樣性分析和測(cè)定土壤酶活，1 份陰涼處自然風(fēng)干用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

圖1 玉米大豆單間作種植及根際植株選取示意圖Fig.1 Schematic diagram of corn monoculture，soybean monoculture，corn and soybean intercropping and sampling

1.4 Biolog 接種

稱取10.0 g 新鮮土壤放入盛有90 mL 0.85%NaCl 無(wú) 菌 溶 液 的 三 角 瓶 中，180 r·min-1震蕩30 min，超凈工作臺(tái)中靜置30 min 后將懸浮液稀釋100 倍，接種于Biolog ECO 板中，每孔接種量為150 μL。接種完畢，將Biolog ECO 板置于25 ℃恒溫避光培養(yǎng)，從放入培養(yǎng)箱的時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，分別于24、48、72、96、120、144 h 用Biolog Reader 分析儀讀取590 nm 下的光密度值。

1.5 土壤酶活及理化性質(zhì)的測(cè)定

脲酶測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法（mg NH4+-N·24 h-1·g-1鮮土），蔗糖酶采用3，5 一二硝基水楊酸比色法（mg 葡萄糖·24 h-1·g-1鮮土），酸性磷酸酶采用對(duì)硝基苯磷酸二鈉比色法（μg 對(duì)硝基苯酚·h-1·g-1鮮土），過(guò)氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法（mL KMnO4·20 min-1·g-1鮮土）。理化性質(zhì)測(cè)定采用常規(guī)方法。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理使用Excel 2007 和PASW Statistics 18，作圖使用Origin Pro 9.1。采用144h 的Biolog讀板數(shù)據(jù)比較微生物群落碳源代謝多樣性。平均顏色變化率（AWCD）、Shannon 指數(shù)、Mclntosh 指數(shù)、Simpson 指數(shù)（D）的計(jì)算方法參照楊永華的文獻(xiàn)［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 根際土壤微生物群落碳源整體代謝活性

平均顏色變化率（AWCD）是從單一碳源的角度反映土壤微生物群落碳源整體代謝活性的重要指標(biāo)。各處理根際土壤AWCD 值在培養(yǎng)0～48 h內(nèi)緩慢波動(dòng)，之后快速升高。統(tǒng)計(jì)分析顯示，各培養(yǎng)時(shí)期不同單間作處理之間的AWCD 值均無(wú)顯著差異（P＞0.05），但較明顯的趨勢(shì)為：大豆無(wú)論單作還是間作均高于玉米；與單作相比，間作大豆根際土壤微生物群落碳源整體代謝活性降低，間作玉米根際土壤微生物群落碳源整體代謝活性增加（圖2）。盡管未發(fā)現(xiàn)顯著性改變，玉米大豆間作下各自根際土壤微生物群落整體代謝活性受對(duì)方影響出現(xiàn)明顯的趨勢(shì)性。

圖2 玉米大豆間作根際土壤微生物AWCD 隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.2 Changes of microbial AWCD in rhizosphere soil of corn and soybean intercropping with culture time

2.2 根際土壤微生物群落代謝功能多樣性

Shannon 指數(shù)、Mclntosh 指數(shù)、Simpson 指數(shù)和Gini 系數(shù)是從不同的角度考察多樣性的指標(biāo)，被廣泛用于土壤微生物群落代謝功能多樣性的衡量。大豆單作根際土壤微生物群落碳源代謝功能Shannon 指數(shù)、Mclntosh 指數(shù)分別顯著高于玉米單作5.2%、89.8%（P＜0.05），而前者的Simpson 指數(shù)顯著低于后者16.4%（P＜0.05），Gini 系數(shù)無(wú)顯著差異。與單作相比，間作玉米根際土壤微生物群落碳源代謝功能Shannon 指數(shù)顯著提高3.5%（P＜0.05），Simpson 指數(shù)顯著降低13.1%（P＜0.05），Mclntosh 指數(shù)和Gini 系數(shù)無(wú)顯著差異；間作大豆根際土壤微生物群落碳源代謝功能Shannon 指數(shù)和Mclntosh 指數(shù)出現(xiàn)降低趨勢(shì)，Simpson指數(shù)顯著增加7.8%（P＜0.05），Gini 系數(shù)無(wú)顯著差異（表1）。說(shuō)明玉米和大豆根際微生物群落代謝功能多樣性存在差異，大豆高于玉米，間作使玉米根際微生物群落代謝功能多樣性提高，大豆根際微生物群落代謝功能多樣性降低。

表1 玉米大豆間作對(duì)根際土壤微生物群落代謝功能多樣性的影響Table 1 Effects of corn and soybean intercropping on functional diversity of rhizosphere soil microbial community

2.3 根際土壤化學(xué)性質(zhì)

根際土壤化學(xué)性質(zhì)可以反映根際土壤養(yǎng)分的供應(yīng)狀況。如表2所示，根際土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量在玉米大豆單間作不同模式之間均無(wú)顯著差異（P＞0.05），pH 和速效鉀含量存在顯著差異（P＜0.05）。無(wú)論單作還是間作，玉米根際土壤的速效鉀含量和pH 均顯著低于大豆（P＜0.05），而單間作之間無(wú)顯著差異。與單作相比，間作玉米和大豆根際堿解氮含量均出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，速效磷含量均出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，pH、有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量均出現(xiàn)玉米增加大豆降低的趨勢(shì)。說(shuō)明，玉米大豆間作沒(méi)有改變各自根際土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況，但受對(duì)方的影響出現(xiàn)趨勢(shì)性。

表2 玉米大豆間作對(duì)根際土壤養(yǎng)分含量的影響Table 2 Effects of corn and soybean intercropping on nutrient content in rhizosphere soil

2.3 根際土壤酶活

土壤酶活反映土壤生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向，是指示土壤性質(zhì)變化的最為敏感的指標(biāo)群之一。如表3所示，根際土壤脲酶活性、蔗糖酶活性在玉米大豆單間作不同種植模式之間均無(wú)顯著差異（P＞0.05），過(guò)氧化氫酶活性和酸性磷酸酶活性存在顯著差異（P＜0.05）。玉米和大豆根際土壤的過(guò)氧化氫酶活性在單作下無(wú)顯著差異（P＞0.05），但間作下大豆根際顯著高于玉米根際（P＜0.05）。單作玉米根際土壤的酸性磷酸酶活性極顯著低于單作大豆（P＜0.01），但間作下玉米根際與大豆根際無(wú)顯著差異（P＞0.05）。與單作相比，間作大豆根際土壤酸性磷酸酶活性極顯著降低（P＜0.01），間作玉米根際出現(xiàn)升高的趨勢(shì)；蔗糖酶活性出現(xiàn)玉米升高大豆降低的趨勢(shì)，脲酶活性在玉米和大豆根際均出現(xiàn)升高的趨勢(shì)，過(guò)氧化氫酶活性則出現(xiàn)大豆升高玉米降低的趨勢(shì)。說(shuō)明玉米大豆間作影響根際土壤生物化學(xué)過(guò)程，根際土壤酶活發(fā)生較為復(fù)雜的變化。

表3 玉米大豆間作對(duì)根際土壤酶活性的影響Table 3 Effects of corn and soybean intercropping on soil enzyme activity in rhizosphere soil

2.4 微生態(tài)因子的相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)各根際微生態(tài)因子之間的相關(guān)性進(jìn)行分析（表4），根際微生物群落碳源代謝功能Shannon 指數(shù)與Mclnoth 指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與pH 呈極顯著正相關(guān)，與Simpson 指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)；根際微生物群落碳源代謝功能Mclnoth 指數(shù)與Simpson 指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與酸性磷酸酶呈極顯著正相關(guān)，與堿解氮、速效鉀、速效磷呈顯著正相關(guān)，與pH 呈極顯著正相關(guān)；根際微生物群落碳源代謝功能Simpson 指數(shù)與酸性磷酸酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)；過(guò)氧化氫酶活性與蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)，與pH 呈極顯著正相關(guān)；蔗糖酶活性與酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)，與pH 呈極顯著正相關(guān)；堿解氮與速效磷呈極顯著正相關(guān)；速效鉀與pH 呈極顯著正相關(guān)。

表4 紅壤坡耕地玉米//大豆根際微生態(tài)因子的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis on rhizospheric microecological factors in corn and soybean intercropping under red soil slopping cropland

3 討論

山原紅壤本身固磷能力強(qiáng)，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在缺磷環(huán)境下，玉米根際pH 顯著下降，而大豆保持相對(duì)穩(wěn)定［15］。本研究結(jié)果也顯示，不論是單作還是間作，玉米根際土壤pH 均顯著低于大豆。本研究結(jié)果顯示，玉米根際速效鉀含量顯著低于大豆，可能跟兩種作物對(duì)鉀的需求特點(diǎn)有關(guān)。每形成1 kg干物質(zhì)玉米需要的鉀素為大豆的3.2 倍［16-17］，因此玉米會(huì)比大豆從根際土壤中吸收更多的鉀素，造成其根際土壤速效鉀含量較低。土壤酶是土壤有機(jī)體的代謝動(dòng)力，其活性可以反映土壤有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的強(qiáng)弱。本研究發(fā)現(xiàn)，在不同單間作種植模式下，大豆根際土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、過(guò)氧化氫酶活性和酸性磷酸酶活性均高于玉米，說(shuō)明大豆根際比玉米根際具有更強(qiáng)的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力。其中，脲酶活性和酸性磷酸酶活性可以解釋大豆根際土壤堿解氮含量和速效磷含量高于玉米的結(jié)果。本研究結(jié)果顯示，玉米和大豆根際土壤的過(guò)氧化氫酶活性在單作下無(wú)顯著差異，間作下大豆根際顯著高于玉米根際。A. J. Francis 等［18］在研究豆科作物的生物固氮過(guò)程與過(guò)氧化氫酶活性的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)大豆有效根瘤比無(wú)效根瘤中含有更多的過(guò)氧化氫酶以及更高的過(guò)氧化氫酶活性。也有研究發(fā)現(xiàn)，在豆科禾本科間作系統(tǒng)中，禾本科作物會(huì)競(jìng)爭(zhēng)豆科作物的氮素；而豆科作物在氮素濃度降低時(shí)，固氮能力增加［19］。因此，間作下大豆根際土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著高于玉米很可能是受玉米氮素競(jìng)爭(zhēng)的影響下大豆根際生物固氮增強(qiáng)的結(jié)果。劉均霞［10］、尹元萍［5］等均發(fā)現(xiàn)玉米大豆間作下大豆吸磷量減少的現(xiàn)象，本研究結(jié)果顯示間作下大豆根際的酸性磷酸酶活性顯著降低，這說(shuō)明玉米大豆間作會(huì)降低大豆根際的磷營(yíng)養(yǎng)狀況，使大豆處于劣勢(shì)地位。

劉均霞等［10］發(fā)現(xiàn)，與單作相比，間作條件下玉米喇叭口期根際土壤的有機(jī)質(zhì)、速效磷和堿解氮含量均顯著增加，玉米根際脲酶和磷酸酶活性顯著增加，大豆根際脲酶活性顯著增加。與上述結(jié)果不同，本研究結(jié)果顯示，與單作相比，間作玉米大豆根際土壤pH、有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分均無(wú)顯著差異，僅出現(xiàn)脲酶活性升高、堿解氮含量增加的趨勢(shì)，以及大豆根際酸性磷酸酶活性顯著降低，這可能與土壤肥力狀況不同有關(guān)。劉均霞等的研究中供試土壤有機(jī)質(zhì)含量在20 g·kg-1，而本研究供試土壤有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)40 g·kg-1，可能在肥力水平較高的土壤中，間作對(duì)玉米大豆根際營(yíng)養(yǎng)的改善作用并不明顯。推斷山原紅壤坡耕地玉米大豆間作體系中，玉米的競(jìng)爭(zhēng)作用可以增強(qiáng)大豆的生物固氮作用，具有同時(shí)改善玉米和大豆根際氮營(yíng)養(yǎng)的潛力，但削弱了大豆根際的磷營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)能力。

土壤微生物直接參與土壤養(yǎng)分的活化、轉(zhuǎn)化、吸收和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程，是地上植物生產(chǎn)力和養(yǎng)分利用率的重要驅(qū)動(dòng)者。間作體系中種間互作會(huì)改變作物根際微生物群落碳源代謝功能。覃瀟敏等［20］發(fā)現(xiàn)間作處理同時(shí)增強(qiáng)了玉米和馬鈴薯根際的微生物碳源利用強(qiáng)度，功能多樣性有提高的趨勢(shì)但差異不顯著。董艷等［21］發(fā)現(xiàn)小麥蠶豆間作增加了蠶豆根際微生物群落整體碳源利用強(qiáng)度，提高了微生物群落功能多樣性。甘蔗玉米間作種植提高了甘蔗根際土壤微生物的多樣性及對(duì)碳源的利用率［22］。但不同的間作體系由于種間互作效應(yīng)的不同，根際微生物群落碳源代謝功能的改變也會(huì)出現(xiàn)相反的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，間作紫云英會(huì)降低油菜根際土壤微生物群落的功能代謝活性以及功能多樣性［23］。桑樹(shù)苜蓿間作系統(tǒng)中，間作苜蓿的根際微生物群落AWCD 值和功能多樣性較單作均顯著降低，而間作桑樹(shù)則顯著升高［24］。與單作相比，馬鈴薯與蠶豆和蕎麥間作下土壤微生物群落碳源代謝功能的豐富度均降低、優(yōu)勢(shì)度均增加［25］。玉米//大豆系統(tǒng)中一般玉米處于優(yōu)勢(shì)地位，而大豆處于劣勢(shì)地位。本研究基于Biolog 的碳源代謝指紋特征結(jié)果顯示，與單作相比，間作玉米根際微生物群落的碳源代謝功能多樣性顯著增強(qiáng)，而大豆顯著降低，這與兩種作物在地上部表現(xiàn)出的相對(duì)優(yōu)勢(shì)相一致，明顯反映了玉米大豆間作的種間互作特征。

根際土壤微生物與根際酶活和根際土壤理化性質(zhì)各根際微生態(tài)因子之間存在反饋調(diào)節(jié)關(guān)系。本研究結(jié)果顯示，根際微生物群落碳源代謝功能Shannon 指數(shù)與酸性磷酸酶活性、pH、速效鉀含量呈顯著或極顯著正相關(guān)；根際微生物群落碳源代謝功能Mclnoth 指數(shù)與酸性磷酸酶活性、堿解氮、速效鉀、速效磷、pH 呈顯著或極顯著正相關(guān)，與李巧玲等［26］研究結(jié)果相似。唐秀梅等［27］研究結(jié)果顯示，間作土壤有效養(yǎng)分與脲酶、酸性磷酸酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)，而在本研究中并未顯示有效養(yǎng)分與酶活的顯著性關(guān)系，這可能與土壤類型、土壤肥力、不同間作體系有關(guān)，反映了微生物-養(yǎng)分-酶活的復(fù)雜互作。

4 結(jié)論

紅壤坡耕地原位種植條件下，玉米大豆間作的根際微生態(tài)效應(yīng)明顯。其中以微生物群落功能多樣性改變最為明顯，表現(xiàn)為玉米顯著升高大豆顯著降低，根際微生物群落功能多樣性與酶活、養(yǎng)分存在顯著相關(guān)性。