魔芋-玉米間作對(duì)其產(chǎn)量和根際微生物群落的影響

陳 娜

（貴州開(kāi)放大學(xué)貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

間作是指在同一塊田地上，于同一生長(zhǎng)期內(nèi)，分行或分帶相間種植兩種或者兩種以上作物的種植模式［1-2］。間作模式已廣泛應(yīng)用于亞洲、拉丁美洲和非洲等地區(qū)，其能充分利用光、水分和養(yǎng)分等自然資源，具有保護(hù)生物多樣性和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等多種功能［1-3］。大豆和玉米、鷹嘴豆和玉米、甘蔗和玉米、花生和玉米、煙草和甘薯等間作能通過(guò)作物的相互作用促進(jìn)養(yǎng)分的吸收，從而增加作物產(chǎn)量和單位面積生產(chǎn)效應(yīng)［3-4］。魔芋（Amorphophallus konjacK.Koch）是我國(guó)西南地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物，含有豐富的碳水化合物、維生素A、維生素B 及葡苷聚糖等物質(zhì)，具有降血壓、降血糖和排毒等功效［5］。魔芋是喜陰涼、忌強(qiáng)光的作物。這就決定了魔芋與高稈作物玉米間作具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，玉米能充分利用上部較強(qiáng)的日照，而矮稈作物魔芋則能利用下部較弱的日照，使作物獲得更佳的品質(zhì)和更高的產(chǎn)量［2，5］。

根際土壤微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)的變化反映了土壤的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育影響極大［6-7］。目前，學(xué)者對(duì)魔芋和玉米間作的研究大多集中在產(chǎn)量與栽培技術(shù)上，有關(guān)根際微生物的多樣性及細(xì)菌的分類(lèi)研究相對(duì)較少。因此，筆者在田間開(kāi)展試驗(yàn)，研究魔芋和玉米間作對(duì)其產(chǎn)量，以及對(duì)根際微生物多樣性和細(xì)菌結(jié)構(gòu)群落組成的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和時(shí)間

種植魔芋品種為HMY，玉米品種為HY。田間試驗(yàn)地點(diǎn)位于貴州省畢節(jié)市魔芋種植基地，土壤pH 值5.86，有機(jī)質(zhì)含量15.2 g/kg，速效氮含量129.7 mg/kg，速效磷含量13.5 mg/kg，速效鉀含量124.3 mg/kg。魔芋種植時(shí)間為2021年4月10日，魔芋出苗前10 d（6月2日）播種玉米。魔芋和玉米收獲時(shí)間為2021年11月12日。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)3 個(gè)處理，分別為魔芋單作、玉米單作、魔芋-玉米間作，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。魔芋和玉米的株行距均為25 cm，魔芋和玉米間作設(shè)置為2 行玉米、2 行魔芋的種植模式。氮、磷、鉀肥的施用量分別為300、150、150 kg/hm2。每個(gè)處理小區(qū)面積為64 m2，設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。

在收獲魔芋和玉米后，每個(gè)處理隨機(jī)選取4 株采集根際土壤樣品，樣品保存于-80 ℃冰箱用于高通量測(cè)序。采用高通量測(cè)序技術(shù)分析土壤微生物的Chao1、Ace 和Shannon 指數(shù)，主要采用Mothur 軟件進(jìn)行分析［8］。

魔芋和玉米收獲后測(cè)定作物產(chǎn)量，再測(cè)定植株氮、磷、鉀含量，利用火焰光度計(jì)法測(cè)定鉀含量，利用凱氏定氮法測(cè)定氮含量，利用鉬銻鈧比色法測(cè)定磷含量［7］。葡苷聚糖含量采用劉艷等［5］研究的方法進(jìn)行測(cè)定。

土地當(dāng)量比計(jì)算公式為

式（1）中：YAic為間作中作物A 的產(chǎn)量，YAsc為單作中作物A 的產(chǎn)量，YBic為間作中作物B 的產(chǎn)量，YBsc為單作中作物B 的產(chǎn)量。當(dāng)LER＞1 時(shí)，表明間作比單作資源利用效率高；當(dāng)LER＜1 時(shí)，表明單作比間作資源利用效率高。

種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)算公式為

式（2）中：Aggre.AB為間作作物A 相對(duì)于作物B的資源競(jìng)爭(zhēng)能力，PA和PB分別為間作中作物A 和作物B 所占面積比例。Aggre.AB＞0，表明作物A 競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于作物B；Aggre.AB＜0，表明作物B 競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于作物A。

營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率計(jì)算公式為

式（3）中：PUAic和PUBic分別為間作作物A 和B吸收養(yǎng)分的含量，PUAsc和PUBsc分別為單作作物A和B 吸收養(yǎng)分的含量；PA和PB分別為間作中作物A和作物B 所占面積比例。當(dāng)CRAB＞1 時(shí)，表明作物A 比作物B 的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)；當(dāng)CRAB＜1 時(shí)，表明作物A 比作物B 的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力弱［9］。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2016 軟件對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用SAS 9.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式對(duì)魔芋、玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

由表1可知，間作提高了魔芋的產(chǎn)量，比魔芋單作顯著提高了9%，但降低了玉米產(chǎn)量，比玉米單作降低了17%。在氮、磷、鉀元素吸收上，間作下魔芋的氮、鉀元素含量顯著高于單作魔芋，分別提高了21%和18%，但兩者磷元素含量差異不顯著。而玉米單作時(shí)的氮、磷、鉀元素含量均顯著高于玉米間作。間作魔芋的葡苷聚糖含量比單作的提高了10%。

表1 不同栽培模式對(duì)作物產(chǎn)量及其養(yǎng)分含量的影響

2.2 魔芋-玉米間作對(duì)種間競(jìng)爭(zhēng)的影響分析

由表2可知，魔芋-玉米間作模式的土地當(dāng)量比為1.93。當(dāng)土地當(dāng)量比大于1 時(shí)，表明間作優(yōu)勢(shì)明顯，即魔芋-玉米間作優(yōu)于魔芋、玉米單作。從魔芋相對(duì)玉米的種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力可看出，其值為0.52，大于0，表明魔芋的競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于玉米。從營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率上看，魔芋對(duì)氮、磷、鉀的競(jìng)爭(zhēng)比率分別為1.44、1.91和1.52，說(shuō)明在這兩種作物的間作中，魔芋生長(zhǎng)處于優(yōu)勢(shì)地位，玉米處于不利地位。

表2 魔芋-玉米間作模式下種間競(jìng)爭(zhēng)分析

2.3 不同栽培模式對(duì)作物根際微生物多樣性的影響

由表3可知，魔芋-玉米間作提高了其根際微生物的多樣性。在Chao1 指標(biāo)上，魔芋-玉米間作比魔芋和玉米單作分別提高了12%和10%。魔芋-玉米間作的Ace 和Shannon 指數(shù)也比魔芋、玉米單作時(shí)高，間作時(shí)的Ace 指數(shù)比魔芋、玉米單作分別提高了8%和7%，Shannon 指數(shù)也有相同的趨勢(shì)。

表3 不同栽培模式對(duì)作物根際微生物多樣性的影響

2.4 不同栽培模式對(duì)根際細(xì)菌群落組成的影響

不同栽培模式下魔芋和玉米的根際土壤細(xì)菌群落組成存在差異（見(jiàn)表4）。在細(xì)菌的門(mén)類(lèi)上，變形菌門(mén)（Proteobacteria）、酸枝菌門(mén)（Acidobacteria）、放線(xiàn)菌門(mén)（Actinobacteria）是最豐富的3 個(gè)門(mén)，占整體細(xì)菌群落約60%。魔芋-玉米間作、魔芋單作和玉米單作時(shí)土壤中的變形菌門(mén)細(xì)菌含量占比分別為31.56%、35.74%和37.39%。同時(shí)，魔芋-玉米間作提高了根際土壤中酸枝菌門(mén)、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）和芽單孢菌門(mén)（Gemmatimonadetes）細(xì)菌的相對(duì)豐度。

表4 不同栽培模式下不同門(mén)類(lèi)土壤細(xì)菌的相對(duì)含量 %

3 討論

通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，魔芋-玉米間作顯著提高了魔芋的產(chǎn)量和養(yǎng)分含量，而玉米的產(chǎn)量和養(yǎng)分含量比單作有所減少，但土地當(dāng)量比結(jié)果顯示，魔芋-玉米間作要強(qiáng)于單作。這主要是由于高稈作物玉米能為喜陰涼、忌強(qiáng)光的矮稈作物魔芋遮擋上部空間較強(qiáng)的日照，能為魔芋提供適宜的環(huán)境，從而提高魔芋的產(chǎn)量和品質(zhì)［2，5］。通過(guò)分析種間競(jìng)爭(zhēng)情況發(fā)現(xiàn)，魔芋的競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于玉米，表現(xiàn)在間作提高了魔芋的產(chǎn)量和品質(zhì)，而降低了間作玉米的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收。這說(shuō)明兩種作物間作時(shí)，魔芋的吸收能力顯著強(qiáng)于玉米，玉米處于生長(zhǎng)劣勢(shì)。

此試驗(yàn)結(jié)果表明，魔芋-玉米間作顯著提高了根際微生物的多樣性，表現(xiàn)在Chao 1、Ace 和Shannon指數(shù)顯著高于單作，同時(shí)改變了根際細(xì)菌在門(mén)類(lèi)上的相對(duì)豐度。這是由于根際土壤中存在大量的微生物，其群落結(jié)構(gòu)的改變與土壤類(lèi)型、根際的養(yǎng)分供給和栽培模式等有著密切的關(guān)系［9-12］。栽培模式能影響土壤微生物的活性和多樣性，促進(jìn)或抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育［6，13］。筆者研究發(fā)現(xiàn)，魔芋-玉米間作因增加了種質(zhì)的多樣性，從而增加了根際微生物的多樣性。同時(shí)，放線(xiàn)菌門(mén)中的許多屬被證實(shí)為促生菌和生防菌，能促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收及防御外來(lái)生物的脅迫［14-16］，魔芋和玉米間作增加了根際土壤中酸枝菌門(mén)細(xì)菌的相對(duì)豐度，這可能是促使魔芋產(chǎn)量增加和品質(zhì)提升的因素之一。但是，根際微生物的群落結(jié)構(gòu)龐大，更多的促生菌和生防菌是否利于魔芋和玉米生長(zhǎng)，值得進(jìn)一步分析和鑒定。

4 結(jié)論

魔芋-玉米間作提高了魔芋的產(chǎn)量、養(yǎng)分和葡苷聚糖含量，卻降低了間作玉米的產(chǎn)量和養(yǎng)分含量。魔芋-玉米間作優(yōu)勢(shì)明顯，土地當(dāng)量比為1.93，同時(shí)魔芋的競(jìng)爭(zhēng)能力要強(qiáng)于玉米。此外，間作顯著提高了根際土壤微生物的多樣性，改變了根際土壤中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。