高粱花生間作對不同單行作物根系性狀及土壤微生物的影響

王佳旭,朱 凱,張志鵬,張曠野,柯福來

(遼寧省農業科學院 高粱研究所,遼寧 沈陽 110161)

高粱是我國重要的釀造作物，與谷子、大豆等作物構建了中國農耕文化的旱作生態農業體系[1]。通常認為高粱不耐連作，重茬高粱會導致植株生長發育受阻，出現產量降低的現象[2]。將高粱與其他作物根據各自生長特性構建立體種植模式(間作套種)，可充分利用土壤與光能等資源，最大程度提高經濟價值[3]。與單一種植方式相比，間作體系不僅減少光能損耗，提高作物生產力[4-6]，還能保持生態系統物種多樣性，提高資源利用效率[7]。禾本科與豆科作物間作在我國農業發展中具有非常重要的地位，高粱花生間作模式作為常見的間作模式之一，研究高粱花生間作模式中土壤微生物群落變化差異及種間競爭關系，確定合理間作行比，對提高土地生產能力及旱作農業可持續發展具有重大意義。

高硯亮等[8]研究表明，間作作為傳統的種植模式，適宜行比和田間管理下，可通過改變種間互補競爭關系提升生產力。大量研究表明，禾本科-豆科間作模式，比如玉米-花生、玉米-大豆、高粱-花生和高粱-大豆等間作方式通過種間競爭提高土地當量比及生物產量[9-10]。研究認為，玉米-大豆間作系統可提高作物養分吸收效率，提高作物產量，表現出較強的生產力優勢[11]。作為典型的禾本科植物，高粱與其他植物間作在大部分國家地區均有研究報道[12]。徐海英等[13]將高粱與多種豆科作物進行間作，雖然高粱的產量均比單作的產量低，但是間作群體的經濟效益顯著高于單作模式。禾本科-豆科間作系統中，豆科作物可向禾本科作物轉移一定量的氮素，顯著提高復合群體對氮素的吸收和利用效率，進而形成高產群體[14-16]。間作系統具有更為龐大的地下系統以及更加豐富的根際土壤微環境，間作作物根系間相互影響比地上相互影響更為重要[17-18]。土壤微生物是地上部與地下部聯系的紐帶和橋梁，間作系統中作物根際微環境和微生物與作物產量關系密切，間作模式改變了根際土壤微生物的數量和群落結構[19]。研究表明，間作增加了根際土壤細菌及真菌數量，提高了土壤微生物活性，改變了微生物群落結構[20-21]。

較多學者對間作體系研究多為群體結構、光合作用等方面且僅針對作物整體，沒有具體到每一行作物，高粱花生間作系統中每一行作物土壤微生物群落變化特征及根際間的交互效應鮮有報道。本研究以高粱花生間作模式為研究對象，分析根系性狀與土壤微生物群落交互效應，明確間作模式不同單行效應，以期為高粱花生優質高效間作模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年5—9月在遼寧省農業科學院高粱研究所試驗基地進行，生育期平均氣溫20.3℃，總降雨量643.6 mm，平均每天日照6.85 h。土壤基礎養分：全氮0.87 g·kg-1，堿解氮87.40 mg·kg-1，有效磷47.93 mg·kg-1，速效鉀145.7 mg·kg-1，有機質32.37 g·kg-1，pH值6.83。

1.2 試驗材料

供試高粱品種為遼粘3號，由遼寧省農業科學院高粱研究所選育；供試花生品種為阜花18號，由遼寧省農業科學院風沙地改良所選育。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，3次重復，設置3個處理:高粱單作、花生單作、高粱花生間作行比4∶4。每個處理24行區，小區行長5 m，行距0.6 m，每側各有保護行2行，處理間留間隔道1 m，高粱種植密度為120 000株·hm-2，花生種植密度15萬穴·hm-2。其他管理同大田。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 產量 成熟期收獲，分別調查各處理高粱有效穗數、花生莢果數，風干后脫粒稱重，折算為標準水含量(14%)下單位面積籽粒產量。

1.4.2 土地當量比

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

式中，Yis和Yss分別代表間作高粱和單作高粱產量，Yip和Ysp分別代表間作花生和單作花生產量。當LER>1表示間作優勢，LER<1表示間作劣勢。

1.4.3 根系性狀測定及土壤樣品采集 分別于高粱、花生拔節期取樣，單作處理取樣位置為每小區中間行，單作高粱和單作花生分別命名為S和P，間作處理取樣位置為間作高粱邊行第一行(與花生直接相鄰行)和邊行第二行(與花生不直接相鄰，與花生間隔1行，與高粱邊行第一行直接相鄰)，命名為S1和S2，間作花生邊行第一行(與高粱直接相鄰行)和間隔行(與高粱不直接相鄰，與高粱間隔1行，與花生邊行第一行直接相鄰)命名為P1和P2。在取樣點選取連續生長的3株，挖取二者地下部完整根系，取樣深度0.8 m，采用抖根法去除高粱、花生根系表面多余土壤，只收集緊密附著在根表面的土壤，混勻后取500 g置入超低溫冰箱(-80℃)保存，用于土壤微生物擴增子測序。將取土后的根系沖洗干凈，采用電子天平測定根鮮重，采用EPSON 11000XL根系掃描系統測定根長、根體積、根表面積、根系活躍吸收面積。

1.4.4 土壤DNA提取 土壤樣品抽提基因組DNA后，以標準的細菌/真菌基因組DNA Mix作為陽性對照，采用引物341F(GTGCCAGCMGCCGCGG-3’)和806R(5’-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3’)對16S基因V4～V5區域進行PCR擴增，高通量測序文庫的構建基于Illumina MiSeq平臺(2×250 bp的雙端)測序，由上海天昊生物科技有限公司完成。

1.5 數據處理及測序數據分析

采用SPSS軟件進行方差分析(多重比較采用LSD法)。對獲得的序列按97%的序列一致性(Identity)進行歸并和OTU劃分，獲取每個OTU所對應的分類學信息，通過R語言繪制韋恩圖，計算Shannon指數、Simpson指數、Chao1指數等微生物多樣性指數，完成數據可視化和分析，并參考Greengene數據庫進行生物信息學分析。

2 結果與分析

2.1 高粱花生間作對產量及根系性狀的影響

高粱花生4∶4行比，兩種作物占地比例相同，均為50%，高粱花生間作對產量影響較大，高粱和花生具體表現不同。由表1可知，相同種植面積下，間作模式高粱產量顯著提高，花生則表現為產量降低。與單作相比，高粱產量增加36.14%，花生產量下降12.86%，說明高粱花生間作時，高粱為主優勢作物。與單作相比，高粱花生間作土地當量比顯著增加，間作時土地當量比提高12.0%。

表1 不同處理產量及土地當量比差異Table 1 Differences in yield and land equivalent ratio of different treatments

表2反映了高粱花生間作不同單行作物與單作根系性狀差異。其中S1根鮮重顯著高于S，增加了83.17%。與單作(S和P)相比，間作模式兩種作物相鄰行(S1、P1)和間隔行(S2和P2)根長、根體積、根表面積、根系活躍吸收面積均有不同程度提高，其中高粱S1根長、根體積、根表面積和活躍吸收面積均顯著高于S，分別增加28.01%、12.86%、18.53%和18.42%,花生間隔行P2顯著高于對照P，分別增加39.87%、66.67%、47.94%和21.43%。

表2 不同處理根系性狀差異Table 2 Differences in root traits of different treatments

2.2 高粱花生間作對土壤微生物種群數量及多樣性的影響

Venn圖可以直觀地表現土壤微生物群落的數目組成及重疊情況等。由圖1可知，不同處理高粱共檢測到種群數量2 825個，S、S1和S2獨有菌群數量為579、554個和527個，不同處理花生共檢測到微生物種群2 826個，P、P1和P2分別有532、517個和583個菌群，P1比P降低了2.79%，P2比P增加了9.59%。

圖1 不同處理土壤微生物Venn圖Fig.1 Venn diagram of soil microorganisms in different treatments

α多樣性結果(表3)顯示，高粱間作處理S1和S2豐富度指數Chao1值顯著高于S，S1和S2分別增加8.10%和8.23%；花生間作處理P1和P2 Chao1值表現與高粱一致，且P2顯著高于P1，P2和P1分別比P增加7.70%和4.23%。高粱花生間作處理各行微生物數目(Observed OTUs)均顯著高于單作，說明間作模式下高粱花生根系產生密切的耦合作用，顯著增加土壤微生物種群豐富度。

表3 不同處理土壤微生物豐富度指數和多樣性指數Table 3 Soil microbial richness index and diversity index of different treatments

多樣性指數中，高粱不同處理間Shannon無顯著差異，與單作相比，花生相鄰行(P1)Shannon指數有所降低，而花生間隔行(P2)微生物多樣性指數顯著增加，增加了27.60%。Simposon指數結果顯示，間作高粱S1和S2的Simposon指數均顯著高于S；而間作花生僅P2處理Simposon指數顯著高于P，增加了50.0%。

2.3 高粱花生間作對土壤微生物門水平群落組成的影響

土壤微生物在門水平上的組成如圖2所示。除Unassigned外，相對豐度較高的菌門共6類，分別為變形菌門(Proteobacteria，21.68%～32.09%)、酸桿菌門(Acidobacteria，13.55%～18.79%)、擬桿菌門(Bacteroidetes，8.15%～11.66%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes，5.56%～10.00%)、放線菌門(Actinobacteria，4.39%～10.66%)和浮游菌門(Planctomycetes，3.14%～4.71%)?？傮w來看，各處理優勢菌門為變形菌門，尤其在P2中占絕對優勢。高粱間作處理變形菌門、酸桿菌門和放線菌門群落組成顯著高于單作處理S，擬桿菌門(Bacteroidetes)相對豐度有所下降；花生間作處理(P1和P2)變形菌門(Proteobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi)顯著高于P，P2放線菌門(Actinobacteria)群落顯著高于P和P1。

圖2 不同處理門水平土壤微生物群落相對豐度值Fig.2 Relative abundance values of soil microbial communities at different treatment phylum levels

2.4 根系性狀與主要土壤微生物相關性分析

由表4可知，不同菌門土壤微生物與根系性狀間均存在密切相關關系，除Proteobacteria和Thermi與所有根系性狀間存在極顯著正相關外，Acidobacteria、Actinobacteria、Planctomycetes、Firmicutes和Tenericutes等6類菌門與5個根系性狀間也存在顯著正相關關系。Verrucomicrobia、Elusimicrobia和Tenericutes等3種菌門與根鮮重、根長、根體積、根表面積存在顯著正相關關系。Chloroflexi、Armatimonadetes等2類菌門僅在根系活躍吸收面積性狀上達到顯著正相關。上述分析中相對豐度較高的菌門與根系性狀間均存在正相關關系，說明高梁花生間作時，根際土壤微生物顯著影響作物地下部生長發育。

表4 根系性狀與土壤微生物相關性分析Table 4 Correlation analysis of root traits and soil microorganisms

2.5 土壤微生物多樣性主成分分析

對不同間作行比土壤微生物多樣性進行主成分分析，可了解微生物群落功能的差異情況及相似狀況。由圖3可知，兩個主成分累積方差貢獻率為84.02%，說明兩個主成分是造成土壤微生物群落差異的主要因素，不同處理主成分分析間存在明顯空間分布差異，高粱單作與花生單作在PC1軸中呈顯著差異，間作高粱(S1和S2)在PC2軸上與單作高粱(S)間存在顯著差異；花生間作(P1和P2)與花生單作(P)在PC2軸上的得分系數存在顯著差異。結合土壤微生物多樣性分析結果表明，高粱-花生間作模式土壤微生物群落功能高于單作模式，且多樣性差異度較高。

圖3 不同處理土壤微生物多樣性主成分分析Fig.3 Principal component analysis of soil microbial diversity in different treatments

2.6 土壤微生物與根系性狀冗余分析

對根系性狀與門水平根際土壤微生物群落功能進行冗余分析(圖4)，結果表明，RDA 1軸解釋了群落變化的39.15%，RDA 2軸解釋了群落變化的28.01%，兩個排序軸共解釋了67.16%的微生物群落變化，5個根系性狀均分布在第一象限內，共9類菌群與根系性狀存在相關關系；其中第一排序軸(RDA 1)微生物群落功能與RL(R=0.46)、RV(R=0.42)和RS(R=0.44)呈正相關關系，與RW(R=0.77)和RA(R=0.97)呈顯著正相關關系。第二排序軸(RDA 2)群落微生物功能與根系性狀RV(R=0.91)、RS(R=0.90)和RL(R=0.89)呈極顯著正相關關系，與RW(R=0.64)表現為正相關。

注：橫縱坐標為兩個排序軸，射線代表不同的根系性狀，射線越長表示該因子影響越大。微生物群落-虛線中心連線與射線之間的夾角代表了菌群與根系性狀之間的相關關系，夾角為銳角時表示呈正相關關系，鈍角時呈負相關關系，直角表示不相關。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.圖4 根系性狀與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 討 論

3.1 間作對作物產量及土地當量比的影響

研究表明，C4作物和C3作物間作時，光、水、養分等資源利用上存在競爭和互補效應[8,22]。前人對玉米花生間作研究表明，高稈作物對矮稈作物有遮陰影響，導致矮稈作物光合作用降低，進而影響產量[8]。本研究中間作模式高粱產量顯著增加，花生產量顯著降低，此結果說明高粱花生間作呈弱競爭復合體系，高粱為主要作物，形成明顯的間作優勢產量，花生作為次要作物，產量一定程度下降。高粱競爭能力強于花生，導致花生在水分、養分吸收等競爭體系中處于不利地位，故干物質積累受到影響，產量降低。而高粱產量增加的主要原因可能是由于豆科作物向禾本科作物轉移部分氮素，提高高粱養分吸收及利用效率，進而提高產量[22-23]。

土地當量比是衡量土地生產力的重要指標。研究認為間作模式能夠提高土地當量比及土地生產力[24]。本研究結果表明高粱花生間作系統土地當量比達到1.12，具有顯著間作優勢，這與高硯亮等[8]、馬懷英等[25]在其他作物間作模式研究結果一致。

3.2 間作對作物根系性狀的影響

間作系統具有更為龐大的地下系統，不同作物地下部相互影響比地上相互影響更為重要。王婷等[3]研究表明，間作體系顯著改善玉米地下部根系形態參數，促進根系分泌過程。覃瀟敏等[26]研究認為，間作模式顯著增加了玉米和大豆的根長、根表面積、根體積及根系干重。本研究得到相似結論，間作體系兩種作物根系性狀均得到一定程度改善，其中以根長、根體積及活躍吸收面積提升效果顯著。以間作體系不同單行根系性狀為研究對象，我們發現間作體系中，高粱相鄰行根系性狀改善程度優于間隔行，而花生間隔行根系性狀改善程度較高?；蚬δ茏⑨尲跋嚓P性分析結果表明，本研究中相對豐度較高的優勢菌門與根系生長發育密切相關，說明間作對優勢作物養分吸收及產量形成起到促進作用。

3.3 間作對作物土壤微生物的影響

微生物群落結構組成的變化能夠引起土壤代謝能力、健康狀況等變化[27]。大量研究證實，作物連作后根際土壤微生態系統失衡，微生物種群及數量減少[28-29]。郭潤澤等[30-31]研究認為，間作條件下兩種作物根系互作影響土壤微生物的活動，進而改變土壤微生物生理活動。代真林等[10]研究表明玉米大豆間作提高了細菌和真菌的多樣性進而提高作物產量。本研究中，間作模式下高粱花生根系形成耦合效應，增加土壤微生物種群數量及豐富度。

間作能通過改變植物生理特征和根系分泌特性而間接影響土壤微生物群落組成[31]。有研究表明，長期連作黑胡椒土壤酸桿菌門、厚壁菌門等相對豐度顯著下降[32]，也有研究表明大豆連作土壤優勢菌是酸桿菌門，間輪作土壤優勢菌門則是變形菌門[33]。本研究與前人結論有部分差異，本研究中單作和間作模式優勢菌門均為變形菌門，高粱以變形菌門和酸桿菌門為主要優勢菌門，間作模式下間隔行相對豐度值較高；花生主要優勢菌門為變形菌門和綠彎菌門，且間作模式相鄰行和間隔行相對豐度均占顯著優勢。產生差異的原因可能為不同科屬作物根系分泌物成分及相互耦合程度不同，可能存在明顯抑制或促進效應。PCA主成分分析和冗余分析結果表明高粱花生間作模式土壤微生物群落功能特征高于單作模式，且多樣性差異度較高，此結果與前人研究結論一致[3,28]。

4 結 論

高粱花生間作(行比4∶4)時高粱為優勢作物，表現明顯的增產潛力。間作時，兩種作物根系分泌物間產生的耦合作用促進高粱相鄰行根系生長發育，同時提高土壤微生物群落豐富性和多樣性指數。對花生而言，高粱花生間作時相鄰行表現為弱競爭效應，間隔行表現為優勢效應。