玉米/大豆间作模式对青贮玉米产量、品质及土壤营养、根际微生物的影响

瓮巧云 黄新军 许翰林 刘 瑶 袁晓峰 马海莲 袁进成 刘颖慧

(1河北北方学院农林科技学院，河北 张家口 075000；2张家口市环境科学研究院 河北 张家口 075000)

青贮玉米具有植株高大、营养丰富、适口性好等特点，是养殖业不可缺少的基础饲料之一。我国是世界养殖生产大国，也是饲料原料的需求大国，进一步发展玉米、苜蓿、大豆等优质饲料尤为重要[1]。目前，国内外研究多集中在种植密度、播期、施肥、刈割、青贮条件等因子对其产量及品质影响等方面[2-6]。我国青贮玉米生产存在种植方式单一，高效栽培模式不足等问题。因此，创新优质、安全高产高效栽培技术，建立地区适应性青饲作物绿色栽培模式已成必要。

研究报道，间作套种模式下植株通过高矮搭配可充分利用光热资源，改善植物生长发育。目前已在青贮玉米与禾本科、豆科等作物不同间/套作模式相关领域展开了诸多研究，如王仪明等[7]明确了苜蓿与青贮玉米轮作不仅有利于提高玉米产量和改善青贮饲料品质，还有助于改良土壤；田应学等[8]研究结果表明，贵州松桃县地区建议采用青贮玉米与拉巴豆套种行数比1 ∶2模式，可有效改善青贮玉米产量和品质；姜胜男等[9]明确了青贮玉米和秣食豆混播比为2 ∶2时，青贮玉米产量最高。冀西北农牧交错带是河北省农业或雨养农业的主要分布区，植被资源丰富，牧草生态适应性广，土壤不易侵蚀，季节性干旱抵御力强。畜牧业一直是该地区特色优势产业，在北方奶业发展与地方精准脱贫中具有战略地位。然而在冀西北地区生态条件下，针对青贮玉米/大豆间作对青贮玉米品质及产量的影响鲜见报道。为此，本研究开展玉豆间作模式试验，研究玉米农艺性状、产量、品质，及土壤营养、微生物等变化特点，旨在寻找和选择最佳的栽培模式，为发展冀西北地区青贮玉米高产优质栽培技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

青贮玉米品种为中原单32 号，购自张家口市巡天种业公司。大豆品种为绥农41，由张家口市农业科学院提供。

试验于2017—2018年在河北省张家口市农业科学院坝下试验基地进行，该地区属大陆性季风气候。海拔646 m，年均温7.3℃，≥10℃年积温1 600 ～2 200℃，年降水量400 mm，无霜期139 d。土壤类型淡栗钙土，pH 值7.98，有机质含量17.56 g·kg-1，土壤全氮、水解性氮、速效磷、速效钾含量分别为0.98 g·kg-1、 37.77 mg·kg-1、22.57 mg·kg-1和197.46 mg·kg-1[10]。

1.2 试验设计

将玉米与大豆进行间作种植，具体种植模式见图1。在玉米总密度不变前提下，设玉米与大豆的比例1∶1、2 ∶1、2 ∶2、4 ∶2和玉米单播5 个处理，分别记为玉豆1 ∶1、玉豆2 ∶1、玉豆2 ∶2、玉豆4 ∶2和CK，各处理3 次重复。小区长7 m，宽12 m。玉米密度9 万株·hm-2，穴距22 cm，穴留单株。大豆密度25 万株·hm-2，穴距20 cm，穴留单株。底施375 kg·hm-2氮磷钾(N ∶P ∶K=28 ∶10 ∶10)复合肥，其他管理同高产田。

图1 玉豆间作种植示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of the corn/soybean intercropping

1.3 测定项目与方法

1.3.1 青贮玉米生物性状、产量及品质测定 采用五点取样法，分别于青贮玉米拔节期、开花期、灌浆期和成熟期取样。从茎基处割下，每点取3 株。分别对植株高度、茎粗度、整株鲜重和干重、产量等生物性状进行测定。将成熟期整个植株进行干物质量测定后，进行品质测定。测定指标包括粗蛋白(crude protein，CP)含量、淀粉含量、脂肪含量、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiberin，ADF)、每吨干物质可生产的牛奶重量、木质素含量、 单 糖 含 量、 总 可 消 化 养 分(total digestible nutrient，TDN)含量、48 h 体外干物质消化率、48 h 内纤维消化速率(品质测定由内蒙古易马科技有限公司完成)。

1.3.2 青贮玉米根际土壤营养物质含量测定 分别于开花期、灌浆期和成熟期，利用五点取样法取土(20 cm 土层，玉米根际土壤)。采用重铬酸钾容量法-外加热法和酸铵浸提-火焰光度法测定有机质含量和速效钾含量；采用碱解扩散法测定碱解氮含量[11]；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷含量[12]。

1.3.3 土壤微生物群落结构测定 于灌浆期采用五点取样法于各小区取青贮玉米根际0～20 cm 土层样品，混合均匀后，按四分法取部分土样装入已灭菌的无菌袋中。土样于4℃冰箱内存放，用于土壤真菌转录间隔区(internal transcribed spacer，ITS)多样性分析(由苏州泓迅生物科技股份有限公司完成)。

1.4 数据分析

利用Excel 2013 和SPSS 17.0 软件进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 不同生育期青贮玉米的生物性状

由图2 可知，随着生育进程的推进，不同玉豆种植模式玉米的株高、茎粗逐渐升高，于成熟期达到最高值，但模式间植株高度、茎粗差异不大。成熟期，玉豆1 ∶1模式的玉米株高最高，达到3.12 m；玉豆4 ∶2模式的玉米茎粗度最大，达到2.55 cm。

图2 不同玉豆间作模式青贮玉米植株高度和茎粗Fig.2 Height and stem thickness of plant in different corn/soybean intercropping

由图3 可知，从拔节期至成熟期，玉米植株整株鲜重均呈先增加后下降的趋势，均于灌浆期达到最高值，且该时期玉豆间作模式的玉米整株鲜重均高于CK，并以玉豆2 ∶1模式鲜重最大，为1 465.40 g/株。随着生育进程的推进，玉豆1 ∶1和玉豆2 ∶2模式的玉米整株干重均呈逐渐增加的趋势，于成熟期达到最大值；而CK、玉豆2 ∶1和玉豆4 ∶2模式则呈先增加后降低的趋势，于灌浆期达到最大值；成熟期，不同玉豆间作模式的植株干重均高于CK，其中玉豆2 ∶2模式最大，为404.97 g/株，玉豆2 ∶1模式次之，为398.25 g/株。

图3 不同玉豆间作模式青贮玉米植株鲜重和干重Fig.3 The wet and dry weight of plant in different corn/soybean intercropping

2.2 青贮玉米产量和品质

将不同玉豆间作模式植株(成熟期)进行收获，测定产量。每个玉豆间作模式，测定3 个小区植株产量。由图4 可知，玉豆2 ∶1和玉豆4 ∶2模式的玉米产量分别为68.53 和68.86 t·hm-2，高于CK；而其他2 个玉豆模式的玉米产量均低于CK。由表1 可知，不同玉豆间作模式植株CP 含量均高于CK，且玉豆2 ∶1模式含量最高，为8.30%；除玉豆2 ∶2模式外，不同玉豆间作模式植株淀粉含量均高于CK，且玉豆2 ∶1模式含量最高，为35.90%；玉豆2 ∶1模式的NDF和ADF含量分别为)

42.38%和26.11%，均高于CK 和其他玉豆间作模式；不同玉豆间作模式植株纤维消化率均与CK 差异较小；玉豆4 ∶2模式的每吨干物质可生产的牛奶重量最高，为1 615.00 kg·t-1。

表1 不同玉豆间作模式青贮玉米品质测定结果Table 1 The quality determination results of plant in different corn/soybean intercropping

图4 不同玉豆间作模式青贮玉米产量Fig.4 The yield of silage corn in different corn/soybean intercropping

2.3 青贮玉米根际土壤营养物质含量

由表2 可知，随着玉米生育进程的推进，青贮玉米根际土壤碱解氮含量均呈降低趋势。除玉豆1 ∶1模式和玉豆4 ∶2模式灌浆期外，其他3 种玉豆模式玉米根际土壤碱解氮含量均高于CK。在不同生育期，玉豆2 ∶1模式下根瘤菌固氮作用最为明显，其根际土壤碱解氮含量于开花期和灌浆期分别达到126.6 和124.3 mg·kg-1。开花期，玉豆2 ∶1模式下根际土壤速效磷含量最高，为73.9 mg·kg-1；成熟期，玉豆4 ∶2模式下根际土壤速效磷含量最高，为50.2mg·kg-1。不同生育期，玉豆4 ∶2模式下速效钾含量加的最多，且高于CK。与CK 相比，玉豆1 ∶1模式植株土壤有机氮含量总体增加较多，其中灌浆期土壤有机质含量达到8.7 g·kg-1。

表2 不同玉豆间作模式青贮玉米根际土壤营养物质含量Table 2 Soil nutrients content in rhizosphere of plant in different corn/soybean intercropping

2.4 青贮玉米根际土壤真菌群落的变化

利用高通量测序技术对玉豆不同种植模式土壤真菌ITS 序列进行测序，经双端拼接、质量控制、嵌合体过滤后，进行高质量数据统计，结果如表3 所示。玉豆不同间作模式中，最终得到用于后续分析的优化序列平均个数为32 209，数据质量≥Q30 的比例平均为98%，GC 含量平均为63%。操作分类单元(operational taxonomic unit，OTU)丰度平均为30 353。

将不同玉豆间作种植模式与CK 分别进行两两比较。由图5 可知，玉豆2 ∶1模式的OTU 数目最多，为318 个；玉豆1 ∶1模式的OTU 数目最少，为309 个。与CK 相，不同玉豆间作模式中特有的OTU 数目分别为49、39、37、29。OTU 数目越多，预示着其包含的真菌种类越多。

根据物种丰度表和物种注释表，选取丰度最高的20 个物种，进行相对丰度计算，绘制样品丰度比较的柱状图(图6)。图中纵轴为不同玉豆种植模式名称，横轴代表真菌表达相对丰度；不同颜色对应同一层次不同物种。由图6 可知，真菌不同类群在CK 和不同玉豆间作模式中相对丰度的变化不同。与CK 相比，玉豆间作模式增加了子囊菌门真菌表达的相对丰度、减少了担子菌门真菌表达的相对丰度。其中玉豆2 ∶2模式的子囊菌相对丰度值最大，担子菌相对丰度值最小。

表3 青贮玉米根际土壤真菌ITS 序列信息Table 3 ITS sequence information of fungi in rhizosphere soil of silage corn

图6 样品丰度柱状图(门级水平)Fig.6 Sample abundance histogram(phylum level)

图7 为不同真菌在种级水平相对丰度图，CK 中特有表达的真菌为玉米丝核菌和短帚霉。在玉豆间作模式下，新增加的真菌种类包括柄孢壳菌、Harpophora radicicola。其余真菌为CK 和玉豆间作模式下均含有的种类，表达相对丰度变化不同。

3 讨论

图7 样品丰度柱状图(种级水平)Fig.7 Sample abundance histogram(species level)

影响青贮玉米产量和品质因素较多，包括播种密度、施肥水平、刈割方式、种植方式等[13-15]。本试验中，玉豆间作模式下青贮玉米产量优于玉米单种(CK)；综合青贮玉米CP 含量、淀粉含量、每吨干物质可生产的牛奶重量等品质指标，最佳种植模式为玉豆2 ∶1(玉豆行距40 cm＋30 cm)。表明玉豆间作种植能有效改善青贮玉米农艺性状、产量和品质，这与连露等[16]研究结果一致。

土壤养分是土壤肥力的物质基础，其丰缺程度直接关系到农作物生长状况和产量水平，是评价土壤肥力水平的重要指标。不同种植方式可影响植株根际土壤的养分含量[17-19]。在豆科/禾本科混作/间作中，为了满足禾本科作物对氮素等养分的需求，豆科作物固定的氮素会向禾本科作物转移[20]。本研究中，玉豆2∶1模式下根瘤菌固氮作用最为明显，其根际土壤碱解氮含量于开花期和灌浆期分别达到126.6 和124.3 mg·kg-1。因此，推测玉豆2 ∶1模式青贮玉米产量、品质优于其他玉豆间作模式，可能与根瘤细菌固氮提供大量氮元素有关。而玉豆1 ∶1和玉豆2 ∶2模式青贮玉米产量、品质低于其他2 个玉豆间作模式，其原因可能是由于行距过窄，株间郁闭，导致大豆植株生长过弱，固氮作用未能明显体现出来。同时，与CK 相比，玉豆间作模式引起玉米根际土壤速效磷、速效钾和有机质的含量发生变化。

土壤微生物是构成土壤生态系统的重要因子，参与土壤物质养分循环与利用，对土壤健康状态及作物生长发育均有重要影响。研究表明，种植方式、水肥管理均会对土壤微生物数量产生影响[21-25]。本试验分别对玉豆不同间作模式植株根际土壤真菌OTU 数目，相对表达丰度及门、种水平的微生物类群数量进行了比较分析。与CK 相比，玉豆间作增加了土壤根际真菌的数量，出现新的真菌种类。不同玉豆模式间，OTU数目表现为玉豆2 ∶1＞玉豆4 ∶2＞玉豆2 ∶2＞玉豆1 ∶1。目前，关于不同种植方式对土壤微生物影响变化的观点不一。Wang 等[26]报道，酸性土壤上小麦间作芸薹属植物改变了小麦根际微生物群落结构，随植物群落多样性的增加，土壤细菌和放线菌的丰富度减少，真菌丰富度增加；张淑香等[27]和刘金波等[28]证明连作后根系分泌物的数量增多，会诱导土壤真菌数量的增加；谢利等[29]研究表明，与棉花单作相比，棉花和孜然间作土壤细菌、放线菌、真菌数量显著降低。因此，本研究关于微生物数量变化与土壤健康状态、作物生长发育间的关系还需深入分析。

4 结论

研究结果表明，在冀西北地区玉豆间作可明显提高青贮玉米产量和品质，改善土壤营养和根际微生物群落。该地区最佳的玉豆间作模式为青贮玉米与大豆按照2 ∶1模式(玉豆行距40 cm＋30 cm)种植。本研究结果为该地区推广应用高产、优质青贮玉米间作栽培模式，提供了理论依据。但关于青贮玉米对氮素的利用规律、玉豆同期收获等仍需要进一步深入研究。