魔芋-玉米间作对其产量和根际微生物群落的影响

陈 娜

（贵州开放大学贵州职业技术学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

间作是指在同一块田地上，于同一生长期内，分行或分带相间种植两种或者两种以上作物的种植模式［1-2］。间作模式已广泛应用于亚洲、拉丁美洲和非洲等地区，其能充分利用光、水分和养分等自然资源，具有保护生物多样性和保护生态环境等多种功能［1-3］。大豆和玉米、鹰嘴豆和玉米、甘蔗和玉米、花生和玉米、烟草和甘薯等间作能通过作物的相互作用促进养分的吸收，从而增加作物产量和单位面积生产效应［3-4］。魔芋（Amorphophallus konjacK.Koch）是我国西南地区重要的经济作物，含有丰富的碳水化合物、维生素A、维生素B 及葡苷聚糖等物质，具有降血压、降血糖和排毒等功效［5］。魔芋是喜阴凉、忌强光的作物。这就决定了魔芋与高秆作物玉米间作具有较强的优势，玉米能充分利用上部较强的日照，而矮秆作物魔芋则能利用下部较弱的日照，使作物获得更佳的品质和更高的产量［2，5］。

根际土壤微生物的多样性和群落结构的变化反映了土壤的生产力和稳定性，对作物的生长发育影响极大［6-7］。目前，学者对魔芋和玉米间作的研究大多集中在产量与栽培技术上，有关根际微生物的多样性及细菌的分类研究相对较少。因此，笔者在田间开展试验，研究魔芋和玉米间作对其产量，以及对根际微生物多样性和细菌结构群落组成的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验地点和时间

种植魔芋品种为HMY，玉米品种为HY。田间试验地点位于贵州省毕节市魔芋种植基地，土壤pH 值5.86，有机质含量15.2 g/kg，速效氮含量129.7 mg/kg，速效磷含量13.5 mg/kg，速效钾含量124.3 mg/kg。魔芋种植时间为2021年4月10日，魔芋出苗前10 d（6月2日）播种玉米。魔芋和玉米收获时间为2021年11月12日。

1.2 试验方法

试验设3 个处理，分别为魔芋单作、玉米单作、魔芋-玉米间作，采用随机区组设计。魔芋和玉米的株行距均为25 cm，魔芋和玉米间作设置为2 行玉米、2 行魔芋的种植模式。氮、磷、钾肥的施用量分别为300、150、150 kg/hm2。每个处理小区面积为64 m2，设置3 个重复。

在收获魔芋和玉米后，每个处理随机选取4 株采集根际土壤样品，样品保存于-80 ℃冰箱用于高通量测序。采用高通量测序技术分析土壤微生物的Chao1、Ace 和Shannon 指数，主要采用Mothur 软件进行分析［8］。

魔芋和玉米收获后测定作物产量，再测定植株氮、磷、钾含量，利用火焰光度计法测定钾含量，利用凯氏定氮法测定氮含量，利用钼锑钪比色法测定磷含量［7］。葡苷聚糖含量采用刘艳等［5］研究的方法进行测定。

土地当量比计算公式为

式（1）中：YAic为间作中作物A 的产量，YAsc为单作中作物A 的产量，YBic为间作中作物B 的产量，YBsc为单作中作物B 的产量。当LER＞1 时，表明间作比单作资源利用效率高；当LER＜1 时，表明单作比间作资源利用效率高。

种间相对竞争力计算公式为

式（2）中：Aggre.AB为间作作物A 相对于作物B的资源竞争能力，PA和PB分别为间作中作物A 和作物B 所占面积比例。Aggre.AB＞0，表明作物A 竞争能力强于作物B；Aggre.AB＜0，表明作物B 竞争能力强于作物A。

营养竞争比率计算公式为

式（3）中：PUAic和PUBic分别为间作作物A 和B吸收养分的含量，PUAsc和PUBsc分别为单作作物A和B 吸收养分的含量；PA和PB分别为间作中作物A和作物B 所占面积比例。当CRAB＞1 时，表明作物A 比作物B 的营养竞争能力强；当CRAB＜1 时，表明作物A 比作物B 的营养竞争能力弱［9］。

1.3 数据统计与分析

用Excel 2016 软件对获取的数据进行分析，利用SAS 9.0 对数据进行多重比较分析。

2 试验结果与分析

2.1 不同栽培模式对魔芋、玉米产量和品质的影响

由表1可知，间作提高了魔芋的产量，比魔芋单作显著提高了9%，但降低了玉米产量，比玉米单作降低了17%。在氮、磷、钾元素吸收上，间作下魔芋的氮、钾元素含量显著高于单作魔芋，分别提高了21%和18%，但两者磷元素含量差异不显著。而玉米单作时的氮、磷、钾元素含量均显著高于玉米间作。间作魔芋的葡苷聚糖含量比单作的提高了10%。

表1 不同栽培模式对作物产量及其养分含量的影响

2.2 魔芋-玉米间作对种间竞争的影响分析

由表2可知，魔芋-玉米间作模式的土地当量比为1.93。当土地当量比大于1 时，表明间作优势明显，即魔芋-玉米间作优于魔芋、玉米单作。从魔芋相对玉米的种间相对竞争力可看出，其值为0.52，大于0，表明魔芋的竞争能力强于玉米。从营养竞争比率上看，魔芋对氮、磷、钾的竞争比率分别为1.44、1.91和1.52，说明在这两种作物的间作中，魔芋生长处于优势地位，玉米处于不利地位。

表2 魔芋-玉米间作模式下种间竞争分析

2.3 不同栽培模式对作物根际微生物多样性的影响

由表3可知，魔芋-玉米间作提高了其根际微生物的多样性。在Chao1 指标上，魔芋-玉米间作比魔芋和玉米单作分别提高了12%和10%。魔芋-玉米间作的Ace 和Shannon 指数也比魔芋、玉米单作时高，间作时的Ace 指数比魔芋、玉米单作分别提高了8%和7%，Shannon 指数也有相同的趋势。

表3 不同栽培模式对作物根际微生物多样性的影响

2.4 不同栽培模式对根际细菌群落组成的影响

不同栽培模式下魔芋和玉米的根际土壤细菌群落组成存在差异（见表4）。在细菌的门类上，变形菌门（Proteobacteria）、酸枝菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）是最丰富的3 个门，占整体细菌群落约60%。魔芋-玉米间作、魔芋单作和玉米单作时土壤中的变形菌门细菌含量占比分别为31.56%、35.74%和37.39%。同时，魔芋-玉米间作提高了根际土壤中酸枝菌门、绿弯菌门（Chloroflexi）和芽单孢菌门（Gemmatimonadetes）细菌的相对丰度。

表4 不同栽培模式下不同门类土壤细菌的相对含量 %

3 讨论

通过田间试验发现，魔芋-玉米间作显著提高了魔芋的产量和养分含量，而玉米的产量和养分含量比单作有所减少，但土地当量比结果显示，魔芋-玉米间作要强于单作。这主要是由于高秆作物玉米能为喜阴凉、忌强光的矮秆作物魔芋遮挡上部空间较强的日照，能为魔芋提供适宜的环境，从而提高魔芋的产量和品质［2，5］。通过分析种间竞争情况发现，魔芋的竞争能力强于玉米，表现在间作提高了魔芋的产量和品质，而降低了间作玉米的产量和养分吸收。这说明两种作物间作时，魔芋的吸收能力显著强于玉米，玉米处于生长劣势。

此试验结果表明，魔芋-玉米间作显著提高了根际微生物的多样性，表现在Chao 1、Ace 和Shannon指数显著高于单作，同时改变了根际细菌在门类上的相对丰度。这是由于根际土壤中存在大量的微生物，其群落结构的改变与土壤类型、根际的养分供给和栽培模式等有着密切的关系［9-12］。栽培模式能影响土壤微生物的活性和多样性，促进或抑制作物的生长发育［6，13］。笔者研究发现，魔芋-玉米间作因增加了种质的多样性，从而增加了根际微生物的多样性。同时，放线菌门中的许多属被证实为促生菌和生防菌，能促进植物对养分的吸收及防御外来生物的胁迫［14-16］，魔芋和玉米间作增加了根际土壤中酸枝菌门细菌的相对丰度，这可能是促使魔芋产量增加和品质提升的因素之一。但是，根际微生物的群落结构庞大，更多的促生菌和生防菌是否利于魔芋和玉米生长，值得进一步分析和鉴定。

4 结论

魔芋-玉米间作提高了魔芋的产量、养分和葡苷聚糖含量，却降低了间作玉米的产量和养分含量。魔芋-玉米间作优势明显，土地当量比为1.93，同时魔芋的竞争能力要强于玉米。此外，间作显著提高了根际土壤微生物的多样性，改变了根际土壤中的细菌群落结构。