間作模式下作物根際土壤代謝物對微生物群落的影響

許代香，楊建峰，蘇杭，翟建榮，綦才，趙龍剛，郭彥軍*

（1. 西南大學農學與生物科技學院，重慶 400715；2. 青島市灘涂鹽堿地特色植物種質創制與利用重點實驗室，青島農業大學，山東 青島 266109；3. 西南大學動物科學與技術學院，重慶 400715；4. 東營青農大鹽堿地高效農業技術產業研究院，山東 東營 257091）

間作是同時近距離種植兩種及以上作物品種或物種的種植方式［1］，為全球提供了約15%～20%的糧食供應［2］。與單一栽培相比，合理間作可改善土壤根際環境，更好地利用養分、水分和光照，并可以提高土地生產力和資源利用效率［3-4］。此外，間作是促進田間植物群落更加多樣化的有力途徑，可以通過生態位互補和種間促進作用來提高產量［5］。豆科作物作為關鍵功能群常與禾本科植物進行間作，能有效固定空氣中的氮，通過與禾本科作物間作，部分氮素可被禾本科作物所利用，進而提高氮素的利用效率［6-7］。例如，玉米（Zea mays）間作大豆（Glycine max）具有養分資源高效利用、增強土壤肥力等優點，進而提高作物產量［8］。同時，豆科與禾本科作物間作可將地上部與地下部的時間、空間生態位分離，使光、熱、水分等資源更好地分布［9］，不同作物間作可充分利用土壤中不同層次的養分資源以增加產量［10］。例如，有關高粱（Sorghum bicolor）與大豆間作種植模式的研究結果顯示，間作可有效改善高粱品質，提高產量，顯著提高經濟效益［11］。玉米間作大豆能有效地促進玉米根系水平延伸，不僅利于提高玉米對水分和養分的利用能力，還能改善地上部的生長發育，提高間作玉米產量［12］。此外，間作可以通過改變根系的發育和分布調節根際代謝物的滲出過程［13］。

植物根際是養分、水分和有害物質進入作物體內的必經之路，其作為植物-土壤-微生物相互作用的重要媒介，已成為近年來人們關注的重點領域［14-15］。有關作物地下部的研究發現，種間促進作用不僅可在共同栽培的作物間進行養分轉移，還可通過塑造受根系分泌物特異影響的有益土壤微生物群落來實現［16-17］。而間作中根際微生物能夠促進土壤有機質分解和養分轉化，加速植物對養分的吸收并影響其生命過程［18］。根際土壤對植物的生長發育有重要影響［19］，不同作物的間作模式能改變根際土壤環境［20］。此外，植物根系可以通過與土壤互作、分泌代謝物等途徑影響根際土壤微生物群落，而根際微生物的群落結構又會間接影響植物的生長發育［21-23］。李巧玲等［24］研究發現，與單作相比，不同作物間作可顯著增加土壤細菌群落和真菌群落Shannon 指數。植物根系分泌物如酚類化合物、類黃酮和生物堿等，能夠抑制根際土壤中的微生物活動［25］。目前，國內外關于禾本科作物與豆科作物間作的研究主要集中在地上部分相互作用對不同作物生物量和產量的影響，以及對土壤結構、土壤微生物群落的影響，然而關于根際土壤微環境內代謝物直接對微生物及作物產量影響的研究鮮見報道。因而了解間作條件下作物根際微環境對根際微生物群落的影響，對有效提高作物產量非常必要。

鑒于此，本研究選擇西南地區推廣較為廣泛的禾本科作物玉米和糯高粱品種分別與大豆進行間作試驗，并結合Eco-Biolog 微平板法和高效液相色譜-串聯質譜法（liquid chromatograph-mass spectrometer， LC-MS）對根際土壤微生物群落功能多樣性和根際土壤代謝物進行分析，深入探究玉米間作大豆和高粱間作大豆模式中根際土壤代謝物與根際土壤微生物群落的關系，以期為深入理解不同特定作物間作模式的根際微生態特性和產量效應提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于重慶市北碚區西南大學科研基地（28°31′ N， 106°42′ E）。該地區海拔205 m，屬于亞熱帶季風氣候。該區上一年的平均氣溫為18.74 ℃，年均降水量為1300.23 mm，年均太陽輻射為1000～1400 h，無霜期為335 d。試驗地觀測期降水量和日均溫度見圖1（氣象數據引自WheatA 小麥芽-農業氣象大數據系統V 1.5.1b）。供試土壤類型為沙壤土，有機質含量15.61 g·kg-1，堿解氮含量60.11 mg·kg-1，速效磷含量12.80 mg·kg-1，速效鉀含量227.98 mg·kg-1，pH 值8.51。

圖1 試驗地2019 和2020 年4-8 月降水量和日均溫度Fig.1 Daily rainfall and daily average temperature from April to August in 2019 and 2020 of the field

1.2 試驗設計

采用隨機區組試驗設計，設置單作和間作種植模式，共5 個處理，玉米單作，高粱單作，大豆單作，玉米間作大豆（行比1∶1），高粱間作大豆（行比1∶1）；每個處理設置3 個小區重復，小區面積為4 m×5 m。各作物在每個小區內種植株距為35 cm，行距為30 cm；玉米和高粱每穴留單株，大豆每穴留雙株（圖2）。供試品種為當地廣泛應用的“渝單35”雜交玉米品種、“紅纓子”高粱品種、“十月黃”大豆品種，分別于2019 年4 月和2020 年4 月進行播種。播前按450 kg·hm-2施用底肥（N∶P∶K=15∶15∶15），對各試驗小區進行常規的鋤草和施肥管理。

圖2 種植模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of planting patterns

1.3 樣品采集

在玉米和高粱進入成熟期、大豆進入鼓粒期時，采用五點取樣法隨機選擇小區內長勢一致的各作物單株5株，然后將植株周圍根系碎屑等雜物清理后，挖出玉米、高粱和大豆根部，收集附著在根表的根際土壤，迅速過2 mm 篩，一部分置于冰盒帶回實驗室低溫保存備用，剩余土壤風干用于理化性質測定。在玉米、高粱和大豆收獲前取樣測產，隨機采集各小區內10 株玉米穗、高粱穗及大豆整株裝袋標記，后續脫粒計算單位面積產量。

1.4 指標測定與方法

1.4.1 土壤理化指標 各指標測定均參照常規土壤化學分析法［26］。其中，含水量測定采用烘干恒重法（105 ℃， 8 h），pH 值測定采用水浸提電位法（水土比=2.5∶1），土壤全氮測定采用半微量凱氏定氮法，全磷測定采用鉬銻抗比色法，全鉀測定采用火焰光度計法，速效磷測定采用碳酸氫鈉法，速效鉀測定采用醋酸銨-火焰光度計法，堿解氮測定采用堿解擴散法，土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸硫酸鉀（0.5 mol·L-1）浸提法。

1.4.2 土壤微生物群落功能多樣性 使用改進的Eco-Biolog 微平板法［27］進行微生物碳源代謝分析。具體步驟如下：采集新鮮土壤過2 mm 篩，去除植物根系碎屑等雜質，測定土壤含水量，稱取相當于10 g 風干土壤的新鮮土樣，置于250 mL 無菌錐形瓶中，向其中添加100 mL 0.9%的NaCl 溶液，使用透氣封口膜進行封口，置于25 ℃，200 r·min-1條件下振蕩培養30 min，制備土壤微生物懸浮液。完成后取出樣品于超凈工作臺靜置2 min，然后吸取上清液5 mL 稀釋100 倍得到菌懸液。吸取150 μL 的菌懸液接種至Eco-Biolog 微平板中，置于28 ℃恒溫箱中培養，每24 h 使用酶標儀（TECAN Infinite 200 Pro， 中國）讀取590 和750 nm 處吸光值，連續測定10 d。Eco-Biolog微平板上31 種碳源，共分為6 類：糖類（12 種）、氨基酸類（6 種）、羧酸類（5 種）、聚合物類（4 種）、酚酸類（2 種）和胺類（2 種）。土壤細菌群落ELISA 反應采用Biolog 平板每孔顏色平均變化率（average well color development，AWCD）表示，并參照常用方法［27］，選取120 h 的數據分析Shannon 指數（H′）、Simpson 指數（D）和McIntosh 指數（U），計算方法如下：

式中：Ci為第i個非對照孔的吸光值，R為對照孔的吸光值，n為培養基碳源種類數（本研究中為31）；Pi表示第i個非對照孔中的吸光值與所有非對照孔吸光值總和的比值。ni表示第i孔的相對吸光值Ci（590-750）。

1.4.3 根際土壤代謝物提取分析 基于液相色譜-質譜聯用（LC-MS）技術進行非靶向代謝組學研究。代謝物提取步驟如下：稱取1 g 新鮮土樣，加入5 mL 的80%甲醇∶水（V∶V）提取液，震蕩渦旋1 h 后，在4 ℃ 超聲波水浴中振蕩裂解1 h，取出后置于冰盒，然后于4 ℃，9500 r·min-1條件下離心10 min。吸取上清液，使用0.22μm 濾膜過濾后注入上樣瓶，使用Dionex Ultimate 3000 HPLC system（Thermo Fisher Scientific，美國）［包含Acclaim 120 C18 色譜柱（5 μm， 2.1 mm×150 mm， Waters，美國）］和Thermo Scientific Q-Exactive system（Thermo Fisher Scientific，美國）進行液相色譜分離和質譜分析，LC-MS 檢測程序參考Mcrae 等［28］的方法并略做修改。

1.5 數據處理

采用Excel 處理數據，并用SPSS statistics 17 進行單因素方差分析及相關性分析，多重比較采用LSD 法（P＜0.05），并用Graphpad Prism 8、Oringin 2017 等軟件進行作圖。代謝組檢測結果使用Thermo Xcalibur 3.0.63（Thermo Fisher Scientific，美國）軟件中的Qual Browser 進行色譜峰和二級質譜粒子信息收集，使用MetaboAnalyst 在線軟件（https：//www.metaboanalyst.ca/）進行主成分分析（principal component analysis， PCA）和偏最小二乘判別分析（partial least squares discriminant analysis， PLS-DA）等。

2 結果與分析

2.1 產量相關指標分析

玉米產量指標分析結果顯示年份和種植模式對籽粒產量的影響差異極顯著（P＜0.01），年份與種植模式交互作用對籽粒產量的影響差異顯著（P＜0.05）（表1）。高粱產量指標分析結果顯示，年份對籽粒產量的影響差異極顯著（P＜0.01），種植模式對千粒重的影響差異極顯著（P＜0.01）。大豆產量指標分析結果顯示，年份和年份與種植模式交互作用對籽粒產量的影響差異顯著（P＜0.05），種植模式對籽粒產量和千粒重的影響均差異極顯著（P＜0.01）。

2019 年玉米種植中，單、間作的籽粒產量和千粒重均無顯著差異。2020 年種植中，間作玉米籽粒產量提高了5.89%（P＜0.01），千粒重提高了10.17%（P＜0.05）。2019 年高粱種植中，單、間作的籽粒產量和千粒重均無顯著差異。2020 年種植中，與單作相比，間作高粱籽粒產量提高了15.54%（P＜0.01）。2019 年大豆種植中，玉米間作大豆和高粱間作大豆中的籽粒產量較單作大豆分別增加了40.78%和39.43%（P＜0.01）；在玉米間作大豆中的千粒重增加了10.96%（P＜0.05）。2020 年種植中，與單作相比，玉米間作大豆和高粱間作大豆中的籽粒產量較單作大豆分別增加了53.30%和60.73%（P＜0.01）；在玉米間作大豆中的千粒重增加了10.85%（P＜0.05）。總體來看，除間作大豆外，2019 年間作優勢在間作玉米和間作高粱產量上并未顯著地表現出來，因此后續僅采用2020 年的數據進行分析。

2.2 根際土壤理化指標分析

單間作模式下玉米、高粱和大豆的根際土壤pH 值均無顯著差異（表2）。間作玉米根際土壤中，與單作玉米相比，速效磷含量增加了89.66%（P＜0.01），速效鉀含量增加了21.22%（P＜0.05）。間作高粱根際土壤中，堿解氮、速效磷和速效鉀含量較單作高粱分別增加了9.76%、33.44%和10.24%（P＜0.05）。玉米間作大豆的大豆根際土壤中，與單作大豆相比，速效磷含量增加了25.79%（P＜0.05），速效鉀含量增加了21.54%（P＜0.01）。高粱間作大豆的大豆根際土壤中，與單作大豆相比，速效磷含量增加了22.69%，速效鉀含量增加了12.40%（P＜0.05）。

表2 根際土壤主要理化指標Table 2 Physical and chemical indexes of rhizosphere soil

2.3 根際土壤微生物量碳氮分析

通過對土壤微生物量碳氮含量分析發現，間作玉米、間作高粱和間作大豆（玉米間作大豆， 高粱間作大豆）的根際土壤微生物量碳含量均極顯著增加（P＜0.01）（圖3A～C）。根際土壤微生物量氮的含量變化趨勢與微生物量碳一致，間作玉米、間作高粱和間作大豆（玉米間作大豆）根際土壤微生物量氮均顯著高于單作（P＜0.05）；間作大豆（高粱間作大豆）根際土壤微生物量氮極顯著增加（P＜0.01）（圖3D～F）。在根際土壤微生物量上，玉米、高粱和大豆均表現為間作優勢。

圖3 不同處理條件下根際土壤微生物量碳氮含量Fig. 3 The content of soil microbial biomass C and soil microbial biomass N in rhizosphere soil of maize， soybean and sorghum with different plant patterns

2.4 根際土壤微生物碳源利用動力學分析

2.4.1 根際土壤微生物AWCD 變化特征 玉米、高粱和大豆根際土壤微生物31 種碳源利用的總平均顏色變化率 （AWCD）隨著培養時間的延長而升高，各處理在24～120 h 內對不同碳源的利用率增速較快，微生物進入指數生長期，底物碳源被大量利用（圖4）。在120 h 后對碳源的利用率增速均逐漸減緩并趨于穩定。據此，后續有關微生物碳源利用的分析，均采用120 h 時的AWCD 值計算獲得。240 h 的AWCD 值方差分析結果顯示，間作玉米和間作高粱根際土壤微生物的AWCD 值均顯著高于單作（P＜0.05）；玉米間作大豆和高粱間作大豆中的大豆根際土壤微生物的AWCD 值與單作相比均顯著提高（P＜0.01）。單、間作模式下，間作高粱、間作玉米和間作大豆根際土壤微生物的活性更高，因此具有更強的碳源利用能力。

圖4 根際土壤微生物平均顏色變化率（AWCD）的動態變化Fig.4 Dynamic changes of average well color development （AWCD） in rhizosphere soil microorganism

2.4.2 根際微生物對碳源的利用特征 玉米根際土壤微生物對糖類、氨基酸類、多聚物類及胺類碳源利用率較高（圖5）。單間作條件下糖類、氨基酸類、羧酸類、多聚物類及胺類的碳源利用率一致，但間作玉米根際土壤微生物群落對酚酸類碳源利用率較單作顯著升高。高粱根際土壤微生物總體上對糖類和氨基酸類碳源利用率較高且在單間作條件下利用率一致；與單作相比，間作系統中的高粱根際土壤微生物群落對羧酸類碳源利用率顯著降低，而對聚合物類和酚酸類碳源利用率顯著升高。大豆根際土壤微生物對除酚類外的5 類碳源利用率均較高，且與單作相比，玉米間作大豆和高粱間作大豆中的大豆根際土壤微生物群落對糖類和胺類碳源利用率均顯著降低，對羧酸類碳源的利用率僅在高粱間作大豆中顯著升高。單間作種植模式會引起玉米、高粱和大豆根際土壤中微生物群落的差異變化，進而出現不同的碳源利用偏好。

圖5 根際土壤微生物對6 類碳源的利用情況Fig.5 Utilization of six carbon sources by rhizosphere soil microorganisms

2.4.3 根際土壤微生物群落多樣性指數 采用120 h 的吸光值計算獲得根際土壤微生物功能多樣性指數（表3）。在單間作模式下，玉米根際土壤微生物的Shannon 指數、Simpson 指數和McIntosh 指數均無顯著差異。間作高粱Shannon 指數和McIntosh 指數均顯著高于單作（P＜0.05），分別增加了7.33%和8.32%。在玉米間作大豆和高粱間作大豆模式中，大豆根際土壤微生物的Shannon 指數均顯著高于單作（P＜0.05），分別增加了10.40%和7.72%；McIntosh 指數分別增加了28.60%和51.85%，與單作相比差異均極顯著（P＜0.01）。高粱和大豆的根際土壤微生物Simpson 指數分析結果與玉米一致，在單、間作模式下均無顯著差異。與玉米間作大豆模式相比，高粱間作大豆進行間作時的根際土壤代謝物可能對土壤微生物群落代謝活性和利用底物碳源的微生物種類影響更大，且間作條件下高粱和大豆根際土壤微生物群落組成更加豐富。

表3 不同作物單間作條件對根際土壤微生物多樣性指數的影響Table 3 Functional diversity indices of soil community after 120 h incubation

2.4.4 根際土壤微生物碳代謝主成分分析 單、間作模式下的玉米、高粱和大豆根際土壤微生物對31 種碳源的代謝結果進行主成分分析（PCA），與土壤微生物碳源利用功能多樣性相關的有主成分1 （PC1）和主成分2（PC2）分別解釋了方差變量的28.4%和14.9% （圖6）。不同作物在不同種植模式下的根際土壤微生物菌群組成得到很好的分離。在PC1 上，單、間作玉米的根際微生物菌群組成距離較近，聚集距離最短；因此其根際土壤微生物差異相對較小，可歸為一類。玉米間作大豆和高粱間作大豆模式中的大豆根際土壤微生物菌群的組成均與單作明顯分離，分別位于不同的區間；結果表明，在單間作模式中，大豆根際土壤微生物菌群具有差異。在PC2 上，單、間作高粱根際土壤微生物組成分布在不同象限，分布距離較遠，表明其根際微生物群落組成差異較大。

圖6 根際微生物碳源利用特征的主成分分析Fig. 6 Principal component analysis （PCA） of carbon utilization profiles rhizosphere microbial

2.5 根際土壤中代謝物分析

2.5.1 根際土壤代謝物組分分析 結果顯示，除單作大豆外，在其他處理中均檢測到有機酸類、氨基酸類、硫苷類和黃酮類4 類差異代謝物，其中包含7 種有機酸、4 種氨基酸、10 種硫苷和3 種黃酮組分（表4）。單、間作模式中的玉米、高粱及間作大豆根際土壤中均檢測到7 種有機酸組分；單作玉米根際土壤中檢測到氨基酸2 種、硫苷2 種和黃酮1 種；間作玉米根際土壤中檢測到氨基酸2 種、硫苷2 種和黃酮1 種。單作高粱根際土壤中檢測到氨基酸3 種、硫苷2 種和黃酮2 種，間作高粱根際土壤中檢測到氨基酸2 種、硫苷1 種和黃酮2種。單作大豆根際土壤中檢測到氨基酸2 種；玉米間作大豆中的大豆根際土壤中檢測到氨基酸3 種、硫苷8 種和黃酮2 種；高粱間作大豆中的大豆根際土壤中檢測到氨基酸2 種、硫苷1 種和黃酮1 種。

表4 不同處理中根際土壤代謝組分Table 4 The metabolic components of the rhizosphere soil in different treatments

2.5.2 根際土壤中差異代謝物篩選 首先對玉米、高粱和大豆單、間作條件下根際土壤代謝組進行主成分分析，結果顯示，在單、間作模式中，玉米、高粱和大豆根際土壤代謝物各組間存在明顯的分離趨勢（圖7A， C， E），樣本間存在顯著差異，且組內生物學重復重疊效果好，表明在試驗過程中數據組的重現性好，可用于后續差異代謝物分析。

圖7 不同作物根際土壤代謝物分析Fig.7 Analysis of metabolites in rhizosphere soil of the crops

對不同處理中根際土壤代謝組進行PLS-DA 分析（圖7B， D， F），分別篩選出玉米、高粱和大豆在單、間作模式下根際土壤的差異代謝物。在單間作模式中，玉米根際土壤中存在差異顯著（variable importance in projection，VIP score＞1）的代謝物共5 種，即吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA03， OA04）、芥子酸（OA06）和L-谷氨酸（AA01），這5 種組分在間作玉米根際土壤中含量均顯著高于單作。高粱中存在極顯著差異（VIP score＞1）的代謝物共4 種，即吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA04）、芥子酰基蘋果酸（OA05）和山柰酚（FS02）。與單作高粱相比，間作高粱根際土壤中1H-吲哚-3-羧酸（OA04）顯著降低，另4 種組分含量在間作中顯著升高。大豆中存在差異極顯著（VIP score＞1）的代謝物共2 種，即1H-吲哚-3-羧酸（OA03）和L-谷氨酸（AA01）。其中間作大豆根際土壤中1H-吲哚-3-羧酸（OA03）含量顯著高于單作，L-谷氨酸（AA01）含量顯著低于單作。

在單、間作模式下，吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA03， OA04）、芥子酸（OA06）和L-谷氨酸（AA01）可能是引起玉米根際土壤中微生物差異的關鍵代謝組分，吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA04）、芥子酰基蘋果酸（OA05）和山柰酚（FS02）可能是引起高粱根際土壤中微生物差異的關鍵代謝組分，而1H-吲哚-3-羧酸（OA03）和L-谷氨酸（AA01）則可能是引起單、間作大豆根際土壤微生物差異的關鍵代謝組分。

2.6 根際土壤差異代謝組分與微生物指標相關性分析

對不同處理的根際土壤微生物量碳氮、微生物多樣性指數和關鍵代謝組分進行相關性分析。玉米根際土壤中，1H-吲哚-3-羧酸（OA03，P＜0.01，r=0.97； OA04，P＜0.01，r=0.96）和L-谷氨酸（AA01，P＜0.01，r=0.98）均與微生物量碳呈極顯著正相關，芥子酸（OA06，P＜0.05，r=-0.90）與微生物量碳呈顯著負相關；吲哚-3-羧醛（OA02，P＜0.05，r=0.85）、1H-吲哚-3-羧酸（OA03，P＜0.05，r=0.84； OA04，P＜0.05，r=0.89）和L-谷氨酸（AA01，P＜0.05，r=0.85）均與微生物量氮呈顯著正相關，芥子酸（OA06，P＜0.05，r=-0.91）與微生物量氮呈顯著負相關（表5）。高粱根際土壤中，吲哚-3-羧醛（OA02，P＜0.01，r=-0.97）與微生物量碳呈極顯著負相關，1H-吲哚-3-羧酸（OA04，P＜0.01，r=0.96）與微生物量碳呈極顯著正相關；吲哚-3-羧醛（OA02，P＜0.05，r=-0.86）與微生物量氮呈顯著負相關，1H-吲哚-3-羧酸（OA04，P＜0.05，r=0.88）與微生物量氮呈顯著正相關；吲哚-3-羧醛（OA02，P＜0.05，r=-0.86）與Shannon 指數呈顯著負相關；1H-吲哚-3-羧酸（OA04，P＜0.05，r=0.86）與McIntosh 指數呈顯著正相關；山柰酚（FS02，P＜0.05，r=0.92）與Simpson 指數呈顯著正相關（表6）。大豆根際土壤中，1H-吲哚-3-羧酸（OA03，P＜0.01，r=0.85）與McIntosh 指數呈極顯著正相關；L-谷氨酸（AA01）與微生物量碳（P＜0.01，r=-0.94）、微生物量氮（P＜0.01，r=-0.87）、Shannon 指數（P＜0.01，r=-0.85）和McIntosh 指數（P＜0.01，r=-0.85）均呈極顯著負相關（表7）。

表5 玉米根際土壤微生物指標與關鍵代謝物相關性分析Table 5 Correlation analysis of microbial indexes and key metabolites of rhizosphere soil in maize

表7 大豆根際土壤微生物指標與關鍵代謝物相關性分析Table 7 Correlation analysis of microbial indexes and key metabolites of rhizosphere soil in soybean

3 討論

豆科作物作為關鍵功能群與禾本科作物進行間作，通常表現出產量優勢［29］。如與玉米單作相比，在玉米間作大豆模式中的玉米產量增加了22%［2，30］。Chen 等［31］在玉米間作大豆系統中發現，間作玉米和間作大豆的產量分別提高了4.95% 和7.07%。與相同面積的高粱單作相比，間作高粱產量顯著高于單作，且產量增加達36.14%［32］。本研究中，與單作相比，間作玉米、間作高粱和間作大豆的籽粒產量均顯著提高。這在一定程度上可能與豆科作物的生物固氮有關，如非豆科與豆科間作系統中可以有效固定氮素，提高土壤氮素含量［33-34］。

間作模式下根際互作可提高根際土壤中分泌物的多樣性及其含量［35］，且地下部的互作被認為是間作群體高產高效的原因之一［7］。為明確單、間作模式中地下部微環境的差異，本研究對各處理根際土壤代謝物含量及組分進行代謝組分析，并對差異代謝組分和根際土壤微生物指標進行相關性分析。在玉米根際土壤中確定出5 種關鍵差異代謝組分，其中吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA03， OA04）和L-谷氨酸（AA01）與根際土壤微生物群落的富集呈顯著正相關，芥子酸（OA06）與其呈顯著負相關。高粱根際土壤中確定出3 種關鍵差異代謝組分，其中1H-吲哚-3-羧酸（OA04）和山柰酚（FS02）與根際土壤微生物的富集呈顯著正相關；吲哚-3-羧醛（OA02）與其呈顯著負相關。大豆根際土壤中確定出2 種關鍵差異代謝組分，1H-吲哚-3-羧酸（OA03）與根際土壤微生物群落的富集呈顯著正相關，L-谷氨酸（AA01）與其呈顯著負相關。研究發現，蕓薹屬（Brassica）植物含有硫苷、芥子酸、類黃酮等，它們具有抗菌活性，并可能改變土壤微生物群落結構［36-38］。根系分泌物中的有機化合物與土壤中的細菌數量呈正相關，其中芳香族有機酸是影響根際微生物群落組成的關鍵因素［39-40］。在番茄（Solanumlycopersicum）中發現，谷氨酸能夠重塑植物微生物群落［41］。

不同作物間作會引起土壤中微生物的差異變化，增加農田微生物多樣性［42-43］。例如，小麥（Triticum aestivum）與苜蓿（Medicago sativa）間作顯著提高了根際微生物群落多樣性，燕麥（Avena sativa）間作箭筈豌豆（Vicia sativa）也能夠提高土壤細菌的多樣性指數和豐度［44-45］。本研究中，間作系統中的玉米、高粱和大豆根際土壤微生物量碳氮較單作均顯著升高；該結果表明玉米間作大豆和高粱間作大豆能夠促進根際土壤微生物群落的富集，增加根際土壤微生物量碳氮的含量。此外，土壤環境的變化會引起其中微生物活性的變化［46］。王佳旭等［32］研究發現，間作模式可顯著改善高粱相鄰行根系生長發育，進而提高土壤微生物群落功能特性。本研究運用Eco-Biolog 微平板技術，分析不同作物單、間作模式中土壤微生物代謝活性的差異，結果表明間作模式下高粱、玉米和大豆根際土壤微生物的活性均提高，具有更強的碳源利用能力，可能是土壤中代謝物對微環境的改變引起的。Mafham 等［35］研究發現，不同作物間作會引起微生物功能的差異變化。此外，玉米、高粱和大豆根際土壤微生物群落在單間作模式中具有不同的碳源利用偏好，可能是不同作物在間作條件下微生物功能的差異引起的。小麥間作蠶豆（Vicia faba）體系中，根際細菌群落多樣性在間作小麥和蠶豆中均顯著提高，蠶豆根際土壤微生物Shannon和McIntosh 指數顯著增加［43，47］；同樣，本研究中的間作高粱和間作大豆根際土壤微生物Shannon 和McIntosh 指數顯著增加；這可能是因為在間作條件下，不同植物地下部分的相互作用引起土壤中代謝物的組分與含量差異，進而塑造出不同功能類型的根際土壤微生物群落［48-49］。

通過對根際土壤中速效養分含量分析發現，間作高粱根際土壤堿解氮含量較單作顯著升高，可能是高粱間作大豆模式下，具有更強的種間促進作用［50］，能夠加速氮素向高粱根際土壤中轉移［51-52］。與單作相比，間作玉米和大豆能夠增加種間根系的相互作用程度，進而促進養分的吸收［53］。Wang 等［54］研究認為苜蓿和玉米間作可以增加磷素有效性；玉米間作苜蓿有利于作物吸收并利用鉀元素［55］。此外，有研究發現，土壤根際微生物群落的變化可直接影響土壤中養分的吸收與轉化［19］。本試驗中，速效磷和速效鉀含量均表現為間作系統中玉米、高粱及大豆根際土壤中顯著升高，表明禾本科間作豆科作物可以提高土壤肥力，加速速效養分的積累與吸收，進而引起作物產量增加。

4 結論

在飼用玉米間作大豆和糯高粱間作大豆系統中，復雜的地下部種間互作可以引起根際土壤代謝物的含量與組成發生變化，并塑造出特定的根際土壤微環境。同時其能顯著影響根際土壤中微生物的活性與功能，加速間作條件下根際土壤中速效養分的沉積，促進作物養分的吸收與轉化，這可能是引起間作模式中玉米、高粱和大豆不同程度增產的潛在機制。