高粱花生间作对不同单行作物根系性状及土壤微生物的影响

2022-07-28王佳旭张志鹏张旷野柯福来

干旱地区农业研究 2022年4期

王佳旭,朱凯,张志鹏,张旷野,柯福来

(辽宁省农业科学院高粱研究所,辽宁沈阳 110161)

高粱是我国重要的酿造作物，与谷子、大豆等作物构建了中国农耕文化的旱作生态农业体系[1]。通常认为高粱不耐连作，重茬高粱会导致植株生长发育受阻，出现产量降低的现象[2]。将高粱与其他作物根据各自生长特性构建立体种植模式(间作套种)，可充分利用土壤与光能等资源，最大程度提高经济价值[3]。与单一种植方式相比，间作体系不仅减少光能损耗，提高作物生产力[4-6]，还能保持生态系统物种多样性，提高资源利用效率[7]。禾本科与豆科作物间作在我国农业发展中具有非常重要的地位，高粱花生间作模式作为常见的间作模式之一，研究高粱花生间作模式中土壤微生物群落变化差异及种间竞争关系，确定合理间作行比，对提高土地生产能力及旱作农业可持续发展具有重大意义。

高砚亮等[8]研究表明，间作作为传统的种植模式，适宜行比和田间管理下，可通过改变种间互补竞争关系提升生产力。大量研究表明，禾本科-豆科间作模式，比如玉米-花生、玉米-大豆、高粱-花生和高粱-大豆等间作方式通过种间竞争提高土地当量比及生物产量[9-10]。研究认为，玉米-大豆间作系统可提高作物养分吸收效率，提高作物产量，表现出较强的生产力优势[11]。作为典型的禾本科植物，高粱与其他植物间作在大部分国家地区均有研究报道[12]。徐海英等[13]将高粱与多种豆科作物进行间作，虽然高粱的产量均比单作的产量低，但是间作群体的经济效益显著高于单作模式。禾本科-豆科间作系统中，豆科作物可向禾本科作物转移一定量的氮素，显著提高复合群体对氮素的吸收和利用效率，进而形成高产群体[14-16]。间作系统具有更为庞大的地下系统以及更加丰富的根际土壤微环境，间作作物根系间相互影响比地上相互影响更为重要[17-18]。土壤微生物是地上部与地下部联系的纽带和桥梁，间作系统中作物根际微环境和微生物与作物产量关系密切，间作模式改变了根际土壤微生物的数量和群落结构[19]。研究表明，间作增加了根际土壤细菌及真菌数量，提高了土壤微生物活性，改变了微生物群落结构[20-21]。

较多学者对间作体系研究多为群体结构、光合作用等方面且仅针对作物整体，没有具体到每一行作物，高粱花生间作系统中每一行作物土壤微生物群落变化特征及根际间的交互效应鲜有报道。本研究以高粱花生间作模式为研究对象，分析根系性状与土壤微生物群落交互效应，明确间作模式不同单行效应，以期为高粱花生优质高效间作模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年5—9月在辽宁省农业科学院高粱研究所试验基地进行，生育期平均气温20.3℃，总降雨量643.6 mm，平均每天日照6.85 h。土壤基础养分：全氮0.87 g·kg-1，碱解氮87.40 mg·kg-1，有效磷47.93 mg·kg-1，速效钾145.7 mg·kg-1，有机质32.37 g·kg-1，pH值6.83。

1.2 试验材料

供试高粱品种为辽粘3号，由辽宁省农业科学院高粱研究所选育；供试花生品种为阜花18号，由辽宁省农业科学院风沙地改良所选育。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，3次重复，设置3个处理:高粱单作、花生单作、高粱花生间作行比4∶4。每个处理24行区，小区行长5 m，行距0.6 m，每侧各有保护行2行，处理间留间隔道1 m，高粱种植密度为120 000株·hm-2，花生种植密度15万穴·hm-2。其他管理同大田。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 产量成熟期收获，分别调查各处理高粱有效穗数、花生荚果数，风干后脱粒称重，折算为标准水含量(14%)下单位面积籽粒产量。

1.4.2 土地当量比

LER=(Yis/Yss)+(Yip/Ysp)

式中，Yis和Yss分别代表间作高粱和单作高粱产量，Yip和Ysp分别代表间作花生和单作花生产量。当LER>1表示间作优势，LER<1表示间作劣势。

1.4.3 根系性状测定及土壤样品采集分别于高粱、花生拔节期取样，单作处理取样位置为每小区中间行，单作高粱和单作花生分别命名为S和P，间作处理取样位置为间作高粱边行第一行(与花生直接相邻行)和边行第二行(与花生不直接相邻，与花生间隔1行，与高粱边行第一行直接相邻)，命名为S1和S2，间作花生边行第一行(与高粱直接相邻行)和间隔行(与高粱不直接相邻，与高粱间隔1行，与花生边行第一行直接相邻)命名为P1和P2。在取样点选取连续生长的3株，挖取二者地下部完整根系，取样深度0.8 m，采用抖根法去除高粱、花生根系表面多余土壤，只收集紧密附着在根表面的土壤，混匀后取500 g置入超低温冰箱(-80℃)保存，用于土壤微生物扩增子测序。将取土后的根系冲洗干净，采用电子天平测定根鲜重，采用EPSON 11000XL根系扫描系统测定根长、根体积、根表面积、根系活跃吸收面积。

1.4.4 土壤DNA提取土壤样品抽提基因组DNA后，以标准的细菌/真菌基因组DNA Mix作为阳性对照，采用引物341F(GTGCCAGCMGCCGCGG-3’)和806R(5’-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3’)对16S基因V4～V5区域进行PCR扩增，高通量测序文库的构建基于Illumina MiSeq平台(2×250 bp的双端)测序，由上海天昊生物科技有限公司完成。

1.5 数据处理及测序数据分析

采用SPSS软件进行方差分析(多重比较采用LSD法)。对获得的序列按97%的序列一致性(Identity)进行归并和OTU划分，获取每个OTU所对应的分类学信息，通过R语言绘制韦恩图，计算Shannon指数、Simpson指数、Chao1指数等微生物多样性指数，完成数据可视化和分析，并参考Greengene数据库进行生物信息学分析。

2 结果与分析

2.1 高粱花生间作对产量及根系性状的影响

高粱花生4∶4行比，两种作物占地比例相同，均为50%，高粱花生间作对产量影响较大，高粱和花生具体表现不同。由表1可知，相同种植面积下，间作模式高粱产量显著提高，花生则表现为产量降低。与单作相比，高粱产量增加36.14%，花生产量下降12.86%，说明高粱花生间作时，高粱为主优势作物。与单作相比，高粱花生间作土地当量比显著增加，间作时土地当量比提高12.0%。

表1 不同处理产量及土地当量比差异Table 1 Differences in yield and land equivalent ratio of different treatments

表2反映了高粱花生间作不同单行作物与单作根系性状差异。其中S1根鲜重显著高于S，增加了83.17%。与单作(S和P)相比，间作模式两种作物相邻行(S1、P1)和间隔行(S2和P2)根长、根体积、根表面积、根系活跃吸收面积均有不同程度提高，其中高粱S1根长、根体积、根表面积和活跃吸收面积均显著高于S，分别增加28.01%、12.86%、18.53%和18.42%,花生间隔行P2显著高于对照P，分别增加39.87%、66.67%、47.94%和21.43%。

表2 不同处理根系性状差异Table 2 Differences in root traits of different treatments

2.2 高粱花生间作对土壤微生物种群数量及多样性的影响

Venn图可以直观地表现土壤微生物群落的数目组成及重叠情况等。由图1可知，不同处理高粱共检测到种群数量2 825个，S、S1和S2独有菌群数量为579、554个和527个，不同处理花生共检测到微生物种群2 826个，P、P1和P2分别有532、517个和583个菌群，P1比P降低了2.79%，P2比P增加了9.59%。

图1 不同处理土壤微生物Venn图Fig.1 Venn diagram of soil microorganisms in different treatments

α多样性结果(表3)显示，高粱间作处理S1和S2丰富度指数Chao1值显著高于S，S1和S2分别增加8.10%和8.23%；花生间作处理P1和P2 Chao1值表现与高粱一致，且P2显著高于P1，P2和P1分别比P增加7.70%和4.23%。高粱花生间作处理各行微生物数目(Observed OTUs)均显著高于单作，说明间作模式下高粱花生根系产生密切的耦合作用，显著增加土壤微生物种群丰富度。

表3 不同处理土壤微生物丰富度指数和多样性指数Table 3 Soil microbial richness index and diversity index of different treatments

多样性指数中，高粱不同处理间Shannon无显著差异，与单作相比，花生相邻行(P1)Shannon指数有所降低，而花生间隔行(P2)微生物多样性指数显著增加，增加了27.60%。Simposon指数结果显示，间作高粱S1和S2的Simposon指数均显著高于S；而间作花生仅P2处理Simposon指数显著高于P，增加了50.0%。

2.3 高粱花生间作对土壤微生物门水平群落组成的影响

土壤微生物在门水平上的组成如图2所示。除Unassigned外，相对丰度较高的菌门共6类，分别为变形菌门(Proteobacteria，21.68%～32.09%)、酸杆菌门(Acidobacteria，13.55%～18.79%)、拟杆菌门(Bacteroidetes，8.15%～11.66%)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes，5.56%～10.00%)、放线菌门(Actinobacteria，4.39%～10.66%)和浮游菌门(Planctomycetes，3.14%～4.71%)。总体来看，各处理优势菌门为变形菌门，尤其在P2中占绝对优势。高粱间作处理变形菌门、酸杆菌门和放线菌门群落组成显著高于单作处理S，拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度有所下降；花生间作处理(P1和P2)变形菌门(Proteobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)显著高于P，P2放线菌门(Actinobacteria)群落显著高于P和P1。

图2 不同处理门水平土壤微生物群落相对丰度值Fig.2 Relative abundance values of soil microbial communities at different treatment phylum levels

2.4 根系性状与主要土壤微生物相关性分析

由表4可知，不同菌门土壤微生物与根系性状间均存在密切相关关系，除Proteobacteria和Thermi与所有根系性状间存在极显著正相关外，Acidobacteria、Actinobacteria、Planctomycetes、Firmicutes和Tenericutes等6类菌门与5个根系性状间也存在显著正相关关系。Verrucomicrobia、Elusimicrobia和Tenericutes等3种菌门与根鲜重、根长、根体积、根表面积存在显著正相关关系。Chloroflexi、Armatimonadetes等2类菌门仅在根系活跃吸收面积性状上达到显著正相关。上述分析中相对丰度较高的菌门与根系性状间均存在正相关关系，说明高梁花生间作时，根际土壤微生物显著影响作物地下部生长发育。

表4 根系性状与土壤微生物相关性分析Table 4 Correlation analysis of root traits and soil microorganisms

2.5 土壤微生物多样性主成分分析

对不同间作行比土壤微生物多样性进行主成分分析，可了解微生物群落功能的差异情况及相似状况。由图3可知，两个主成分累积方差贡献率为84.02%，说明两个主成分是造成土壤微生物群落差异的主要因素，不同处理主成分分析间存在明显空间分布差异，高粱单作与花生单作在PC1轴中呈显著差异，间作高粱(S1和S2)在PC2轴上与单作高粱(S)间存在显著差异；花生间作(P1和P2)与花生单作(P)在PC2轴上的得分系数存在显著差异。结合土壤微生物多样性分析结果表明，高粱-花生间作模式土壤微生物群落功能高于单作模式，且多样性差异度较高。

图3 不同处理土壤微生物多样性主成分分析Fig.3 Principal component analysis of soil microbial diversity in different treatments

2.6 土壤微生物与根系性状冗余分析

对根系性状与门水平根际土壤微生物群落功能进行冗余分析(图4)，结果表明，RDA 1轴解释了群落变化的39.15%，RDA 2轴解释了群落变化的28.01%，两个排序轴共解释了67.16%的微生物群落变化，5个根系性状均分布在第一象限内，共9类菌群与根系性状存在相关关系；其中第一排序轴(RDA 1)微生物群落功能与RL(R=0.46)、RV(R=0.42)和RS(R=0.44)呈正相关关系，与RW(R=0.77)和RA(R=0.97)呈显著正相关关系。第二排序轴(RDA 2)群落微生物功能与根系性状RV(R=0.91)、RS(R=0.90)和RL(R=0.89)呈极显著正相关关系，与RW(R=0.64)表现为正相关。

注：横纵坐标为两个排序轴，射线代表不同的根系性状，射线越长表示该因子影响越大。微生物群落-虚线中心连线与射线之间的夹角代表了菌群与根系性状之间的相关关系，夹角为锐角时表示呈正相关关系，钝角时呈负相关关系，直角表示不相关。Note: The abscissa and ordinate are the two sorting axes; the rays represent different root traits, and the longer the rays, the greater the influence of the factor. The angle between the microbial community-dotted center line and the ray represents the correlation between the microbial community and root traits, when the included angle is an acute angle, it means a positive correlation, when it is an obtuse angle, it means a negative correlation, and a right angle means no correlation.图4 根系性状与土壤微生物群落功能冗余分析Fig.4 Root traits and functional redundancy analysis of soil microbial community

3 讨论

3.1 间作对作物产量及土地当量比的影响

研究表明，C4作物和C3作物间作时，光、水、养分等资源利用上存在竞争和互补效应[8,22]。前人对玉米花生间作研究表明，高秆作物对矮秆作物有遮阴影响，导致矮秆作物光合作用降低，进而影响产量[8]。本研究中间作模式高粱产量显著增加，花生产量显著降低，此结果说明高粱花生间作呈弱竞争复合体系，高粱为主要作物，形成明显的间作优势产量，花生作为次要作物，产量一定程度下降。高粱竞争能力强于花生，导致花生在水分、养分吸收等竞争体系中处于不利地位，故干物质积累受到影响，产量降低。而高粱产量增加的主要原因可能是由于豆科作物向禾本科作物转移部分氮素，提高高粱养分吸收及利用效率，进而提高产量[22-23]。

土地当量比是衡量土地生产力的重要指标。研究认为间作模式能够提高土地当量比及土地生产力[24]。本研究结果表明高粱花生间作系统土地当量比达到1.12，具有显著间作优势，这与高砚亮等[8]、马怀英等[25]在其他作物间作模式研究结果一致。

3.2 间作对作物根系性状的影响

间作系统具有更为庞大的地下系统，不同作物地下部相互影响比地上相互影响更为重要。王婷等[3]研究表明，间作体系显著改善玉米地下部根系形态参数，促进根系分泌过程。覃潇敏等[26]研究认为，间作模式显著增加了玉米和大豆的根长、根表面积、根体积及根系干重。本研究得到相似结论，间作体系两种作物根系性状均得到一定程度改善，其中以根长、根体积及活跃吸收面积提升效果显著。以间作体系不同单行根系性状为研究对象，我们发现间作体系中，高粱相邻行根系性状改善程度优于间隔行，而花生间隔行根系性状改善程度较高。基因功能注释及相关性分析结果表明，本研究中相对丰度较高的优势菌门与根系生长发育密切相关，说明间作对优势作物养分吸收及产量形成起到促进作用。

3.3 间作对作物土壤微生物的影响

微生物群落结构组成的变化能够引起土壤代谢能力、健康状况等变化[27]。大量研究证实，作物连作后根际土壤微生态系统失衡，微生物种群及数量减少[28-29]。郭润泽等[30-31]研究认为，间作条件下两种作物根系互作影响土壤微生物的活动，进而改变土壤微生物生理活动。代真林等[10]研究表明玉米大豆间作提高了细菌和真菌的多样性进而提高作物产量。本研究中，间作模式下高粱花生根系形成耦合效应，增加土壤微生物种群数量及丰富度。

间作能通过改变植物生理特征和根系分泌特性而间接影响土壤微生物群落组成[31]。有研究表明，长期连作黑胡椒土壤酸杆菌门、厚壁菌门等相对丰度显著下降[32]，也有研究表明大豆连作土壤优势菌是酸杆菌门，间轮作土壤优势菌门则是变形菌门[33]。本研究与前人结论有部分差异，本研究中单作和间作模式优势菌门均为变形菌门，高粱以变形菌门和酸杆菌门为主要优势菌门，间作模式下间隔行相对丰度值较高；花生主要优势菌门为变形菌门和绿弯菌门，且间作模式相邻行和间隔行相对丰度均占显著优势。产生差异的原因可能为不同科属作物根系分泌物成分及相互耦合程度不同，可能存在明显抑制或促进效应。PCA主成分分析和冗余分析结果表明高粱花生间作模式土壤微生物群落功能特征高于单作模式，且多样性差异度较高，此结果与前人研究结论一致[3,28]。