舒健虹， 劉曉霞， 王子苑， 李 安， 蒙正兵， 王小利*

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草業(yè)研究所，貴州 貴陽 550006； 2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)生物工程研究院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

【研究意義】作物種植模式和施加生物有機(jī)肥是減少化肥施用、提高大豆的產(chǎn)量及土壤不同營養(yǎng)元素的利用效率的有效方式。間作可為資源需求特性不同的作物提供時(shí)間和空間上的生態(tài)位分離，促成作物高效利用光、熱等資源，而且可改善根際土壤條件及微生物環(huán)境，同時(shí)改善作物根際土壤養(yǎng)分，可減少化肥的施用量[1-2]，抑制有害物質(zhì)的積累[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】禾豆間套作可緩解豆科作物生物固氮的“氮阻遏”作用[4]，是作物高效生產(chǎn)和低碳農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的一種較好種植模式[5]。當(dāng)兩個(gè)作物生長在一個(gè)空間，其競爭和促進(jìn)作用相伴存在[6]。種間競爭作用是間作優(yōu)勢發(fā)揮的重要決定因素，在大豆-玉米間作中，群體內(nèi)多數(shù)大豆產(chǎn)量降低，玉米產(chǎn)量增加[7]，其主要原因是缺乏適于間作的大豆品種[8]，而且間作群體中物種的競爭對低矮作物生長不利[9]。而根際促生菌(Plantgrowth promoting rhizobacteria, PGPR)是非致病有益的土壤根際細(xì)菌，PGPR能夠通過固氮、溶磷、解鉀及分泌植物激素如生長素(IAA)等促進(jìn)植物生長發(fā)育[10-12]。在植物生長發(fā)育早期通過接種PGPR可直接影響植物根和芽的生長。這些機(jī)制包括活化各種微量營養(yǎng)元素，產(chǎn)生有機(jī)酸和植物激素，增強(qiáng)其他有益細(xì)菌對植物病害的控制[13-14]。而復(fù)合型菌劑可通過其相互作用實(shí)現(xiàn)微生物的多功能融合。【研究切入點(diǎn)】目前，對間作空間結(jié)構(gòu)改變[15]、肥水管理[16]及密度調(diào)整[17]等調(diào)控種間關(guān)系的研究較多，對環(huán)境友好型生物肥料在間作中研究較少。隨著環(huán)境C排放的影響和土壤有益微生物的減少，人們對發(fā)展綠色作物、環(huán)境友好型生物肥料、資源減投間作等相關(guān)技術(shù)的研究亟待深入。因此，探明減少化肥施用以提高大豆的產(chǎn)量及土壤不同營養(yǎng)元素的利用效率，同時(shí)保持群體的穩(wěn)定性是急需解決的問題?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選用盆栽方式進(jìn)行大豆-玉米間作，接種PGPR復(fù)合菌肥進(jìn)行處理，分析低氮、磷條件對間作體系生物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率的影響，以期發(fā)揮群體最大優(yōu)勢，減少間作競爭對大豆生長的不利因素，同時(shí)改善土壤微生物環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 土壤 供試土壤為黃壤，采集于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)。土壤基本理化性質(zhì)為 pH 6.94，有機(jī)質(zhì)41.16 g/kg，全氮1.79 g/kg，堿解氮246.9 mg/kg，速效磷24.2 mg/kg，速效鉀162.0 mg/kg。經(jīng)自然風(fēng)干后磨碎，過2 mm篩，采用土壤和蛭石(體積比為2∶1)混勻后裝入滅菌袋中進(jìn)行高壓蒸汽滅菌(121℃滅菌30 min)?；ㄅ栝L43.3 cm，寬19.5 cm，高13.5 cm?；旌贤寥? kg +磷礦粉150 g混合均勻裝入盆中。

1.1.2 菌種 供試菌種由當(dāng)?shù)匕兹~和野木豆根瘤分離篩選且在大豆植株上回接表現(xiàn)較好的菌株，分別是根瘤菌屬菌種R325-3(Rhizobiumsophorae)和內(nèi)生菌嗜麥芽窄食單胞菌R287-5(Stenotrophomonasmaltophilia)，保存于貴州省草業(yè)所實(shí)驗(yàn)室捷克產(chǎn)Thermo超低溫冰箱中，其活化和菌液培養(yǎng)方法參照文獻(xiàn)[18]。

1.1.3 植物 供試植物為玉米品種金玉818和有藤蔓的大豆地方品種，均購自貴州省貴陽市種子交易市場。挑選籽粒均勻飽滿的種子，用10%次氯酸鈉進(jìn)行表面消毒 20 min，再用蒸餾水沖洗3～4次，用OD=0.6～0.7(λ=600 nm)的1∶1混合菌液浸種45 min，然后置于放有濕潤定量濾紙的培養(yǎng)皿中，在25℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽1 d 后播種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年5月下旬在貴州省草業(yè)研究所人工氣候室進(jìn)行，氣候室內(nèi)晝夜溫度分別為24℃和21℃，光照時(shí)間16 h，用含70%的N和P的Hoagland營養(yǎng)液(低氮、磷肥施用)隔日澆灌500 mL保持土壤濕潤。試驗(yàn)設(shè)置種植模式、接種方式2個(gè)因素，共涉及大豆單作、大豆-玉米間作和玉米單作3種種植方式和不接種 PGPR、接種PGPR 2 種菌根處理，共計(jì)6個(gè)處理(表1)，每個(gè)處理重復(fù)5次，共30盆，單作每盆6株植株，間作為中間2株玉米，兩邊2株大豆，6株/盆，植物生長40 d后收獲。

表1 大豆-玉米間作處理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測定方法

1.3.1 樣品采集 將植株地上部與地下部分開收獲，單作中每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取2株共10株作為樣本數(shù)，間作每盆玉米和大豆各取2株共10株作為樣本數(shù)，分別測量株高、葉片(大豆含葉柄)長、根長、地上地下生物量，植株高度為地面到葉尖端的高度。105℃殺青15 min，65℃烘干至恒重，稱量植株地上部分干重、粉碎后放置待用。

1.3.2 土壤營養(yǎng)成分和酶活性分析 植株收獲后收集盆栽土壤過2 mm篩后混勻，取部分新鮮土樣置于4℃冰箱待測土壤NH4+-N、NO3--N，部分土樣經(jīng)風(fēng)干后分析有機(jī)質(zhì)、蛋白酶活性及土壤脲酶、硝酸還原酶活性、土壤速效P。利用KCl浸提，紫外分光光度法測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量[19-20]，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷[20]，土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定[21]，土壤酸性蛋白酶活性采用比色法測定(Solarbi公司BC0865試劑盒)，硝酸還原酶活性采用比色法測定(Solarbi公司BC3105試劑盒)。

1.3.3 植株?duì)I養(yǎng)成分指標(biāo)測定 植物粗蛋白(CP)含量采用硫酸-加速劑消解后利用凱氏法測定；植物全磷(P)含量采用硫酸-雙氧水消解后利用鉬銻抗比色法測定；植物全鉀(K)含量按NY/T2017—2011標(biāo)準(zhǔn)采用火焰原子吸收分光光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理大豆和玉米的植株及根系

由表2可見，大豆玉米的植株及根系性狀。

表2 不同處理大豆、玉米的植株及根系生長情況

2.1.1 大豆 大豆單作和間作中接種復(fù)合菌劑的植株與無菌劑相同種植模式相比，株高、葉長、根長和根系干重均有所增加。其中單作，處理4與處理1相比，株高和根系干重分別增加7.85%和237.50%，差異極顯著；葉長顯著增加5.05%；根長增加不明顯。間作，處理6與處理3相比，株高增加6.39%，差異極顯著；葉長、根長和根干重有所增加但差異不明顯。株高處理6>處理4>處理3>處理1，處理6比處理1極顯著增高12.47%，處理3比處理1極顯著增加5.27%；葉長處理6比處理1顯著增加

5.33%，處理3與處理1差異不顯著；根長處理4>處理1>處理6>處理3，處理3比處理1顯著降低22.71%，處理6與處理1相比降低8.1%；根系干重處理4>處理6>處理3>處理1，處理4顯著高于其余處理，處理6與處理1和處理3相比差異不明顯。

2.1.2 玉米 玉米植株其株高、葉長和根系干重施加促生菌比無菌處理有所增加。在單作中，植株葉長處理5與處理2相比極顯著增加23.43%，株高極顯著增高12.99%，根系干重顯著增加35.09%，根長有所降低，但差異不顯著；間作中，植株株高、葉長處理6與處理3相比分別顯著增加6.47%和12.50%，根長和根干重有所增加，但差異不顯著；玉米植株的株高處理5>處理6>處理3>處理2，處理6與處理2相比極顯著增加7.65%，葉長處理5>處理6>處理3>處理2，處理6與處理2相比極顯著增加19.74%，根系干重處理6>處理5>處理3>處理2，處理6與處理2相比極顯著增加84.21%，處理3與處理2相比，株高和葉長差異均不顯著，根長處理6與處理2相比有所降低但差異不顯著。

2.2 不同處理大豆、玉米的地上干物質(zhì)產(chǎn)量

由表2可見，作物在接種復(fù)合菌劑后對植株地上干物質(zhì)產(chǎn)量促生效果顯著(除單作玉米)，大豆處理4與處理1相比顯著增加21.47%，大豆植株在處理6中比處理5極顯著增加50.17%；玉米處理5與處理2相比有所增加，但差異不顯著，處理6的植株比處理5顯著增加10.35%；作物混合產(chǎn)量處理6比處理5極顯著增加21.76%。間作處理6可促進(jìn)大豆和玉米植株的生長，間作施入促生菌劑的植株干物質(zhì)產(chǎn)量優(yōu)于無菌劑處理。

2.3 不同處理大豆、玉米的營養(yǎng)成分

從圖1看出，大豆植株在單作模式下氮、磷含量處理4比處理1分別增加7.13%和24.32%，差異極顯著，鉀含量有所降低，但差異不顯著；間作植株氮含量處理6比處理3極顯著降低7.22 %，植株磷、鉀含量處理6比處理3分別降低3.91%和5.32%，但差異不顯著；處理6比處理1的植株氮、磷含量分別增加8.76%和33.82%，達(dá)極顯著水平，鉀含量比處理1增加7.01%，差異不顯著。

玉米植株在單作模式下氮、鉀含量處理5與處理2相比分別增加8.48%和11.91%，達(dá)極顯著水平，磷含量增加0.33%，差異不顯著；間作模式下處理6與處理3相比植株氮含量極顯著降低12.71%，磷含量極顯著增加9.12%，鉀含量增加0.42%，差異不顯著，玉米植株氮、鉀含量，處理6比處理2分別顯著增加5.28%和15.04%，磷含量比處理2降低0.13%，差異不顯著。

注：不同大寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.01)，小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.4 不同處理大豆和玉米的根際土壤酶活性

由表3可以看出，不同的種植模式，土壤酸性蛋白酶活性處理4、處理5和處理6比處理1、處理2和處理3的酶活高。其中玉米植株處理6的根際土壤與處理2和處理3相比分別增加16.00%和31.82%，達(dá)極顯著水平；大豆植株處理6的根際土壤與處理1和處理3相比分別增加28.89%和31.82%，達(dá)極顯著水平，土壤酸性蛋白酶活性以單作玉米處理5的酶活最高，其次為處理6的土壤。

表3 不同處理大豆、玉米的根際土壤酶活性

土壤脲酶活性以處理5的酶活最高，其次為處理3的土壤，最低的是處理1的土壤。玉米、大豆單作土壤處理5與處理2、處理4與處理1相比分別增加650%和62.5%，達(dá)極顯著水平；間作土壤中的脲酶活性處理6與處理3相比極顯著降低24.20%，處理6與處理1和處理2的土壤分別增加395.83%和440.91%，達(dá)極顯著水平。

土壤硝酸還原酶活性，大豆根際土壤處理4比處理1極顯著降低41.54%，玉米根際土壤處理5比處理2極顯著增加23.90%；間作土壤處理6與處理3相比下降7.01%，差異不顯著；處理6的土壤與處理1的土壤相比硝酸還原酶活性極顯著降低34.08%。

2.5 不同處理大豆、玉米的根際土壤中氮及有效磷含量

由圖2可看出，大豆根際土壤處理4與處理1相比，NH4+-N含量顯著降低17.09%，NO3--N含量極顯著降低33.80%，有效磷含量有所增加，但差異不顯著。處理6與處理1相比，NO3--N含量極顯著降低69.98%，NH4+-N含量極顯著增加61.11%，有效磷含量顯著下降5.84%。

圖2 不同種植模式下土壤中不同形態(tài)氮及有效磷的含量

玉米根際土壤處理5與處理2相比，NH4+-N含量極顯著升高86.10%，NO3--N和有效磷含量分別降低41.18%和20.73%，達(dá)極顯著水平。處理6的土壤與處理2相比，NH4+-N和NO3--N的含量分別增加27.80%和40.63%，差異極顯著，有效磷的含量極顯著降低8.41%。

混合土壤中處理6與處理3相比，NH4+-N含量顯著下降11.29%，NO3--N和有效磷含量分別下降33.27%和12.10%，達(dá)極顯著水平。處理3的土壤NO3--N∶NH4+-N為4.76∶1，處理6的土壤NO3--N∶NH4+-N為3.58∶1。

3 討論

研究表明，干物質(zhì)積累是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，增加干物質(zhì)積累量對作物增產(chǎn)具有重大意義[22]，促生菌對紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、箭舌豌豆(Viciasativa)、玉米等可促進(jìn)根系生長和產(chǎn)量提高[23-25]，同時(shí)大多數(shù)聯(lián)合固氮菌具有分泌IAA能力，從而促進(jìn)植株的增高和根系的生長[26]。試驗(yàn)在低氮磷間作模式下施入促生菌處理的植株混合產(chǎn)量極顯著高于無菌處理。單作模式下，大豆植株地上干物質(zhì)產(chǎn)量處理4(大豆單作+復(fù)合菌)比處理1(大豆單作，未施加復(fù)合菌)極顯著增加。處理4(大豆單作+復(fù)合菌)能促進(jìn)大豆植株的株高、葉長、根長、根系的生長，且促生處理效果最佳；玉米植株的株高和葉長均顯著高于處理2(玉米單作，未施加復(fù)合菌)。間作模式，大豆植株的株高處理6(大豆玉米間作+復(fù)合菌)比處理3(大豆玉米間作，未施加復(fù)合菌)極顯著增高，對玉米植株株高和葉長的生長顯著增加?？梢?，在低氮磷條件下接種促生菌，單作比間作栽培對大豆促生效果更顯著，間作優(yōu)化了大豆在群體中的空間分布，同時(shí)也能促進(jìn)玉米的生長。

促生菌可優(yōu)化豆-禾間作競爭與互補(bǔ)協(xié)同作用，增強(qiáng)土壤中氮、磷、鉀元素協(xié)調(diào)利用。研究證明，NO3--N較NH4+-N相比對豆科植物結(jié)瘤的抑制作用較大[27]。硝態(tài)氮對小麥、玉米等作物的生長多具有促進(jìn)作用[28]。較低濃度的NO3--N對接種根瘤菌的大豆植株根毛結(jié)瘤的形成有促進(jìn)作用[27]，且促生菌能分泌有機(jī)酸(甲酸、乳酸、葡萄糖酸、檸檬酸等)降低pH，與鐵、鋁、鈣等離子螯合，使難溶性磷轉(zhuǎn)化為有效磷[29]。試驗(yàn)中大豆根際土NO3--N含量處理1(大豆單作，未施加復(fù)合菌)最高。間作混合土壤處理6(大豆玉米間作+復(fù)合菌)與處理3(大豆玉米間作，未施加復(fù)合菌)相比，NO3--N含量下降差異極顯著，NH4+-N含量下降差異顯著。間作中處理3土壤(NO3--N)∶(NH4+-N)為4.76∶1，處理6土壤(NO3--N)∶(NH4+-N)為3.58∶1，促生菌縮小了NO3--N和NH4+-N在大豆-玉米間作土壤中的差距。植株中氮元素含量的增加可促進(jìn)磷元素的吸收，但磷含量增加對氮元素吸收有拮抗作用[30]，單作模式，大豆植株氮和磷含量處理4比處理1分別極顯著增加7.13%和24.32%，玉米植株的氮、鉀含量處理5(玉米單作+復(fù)合菌)比處理2(玉米單作，未施加復(fù)合菌)分別極顯著增加8.48%和11.91%。大豆、玉米植株氮、磷、鉀含量處理6(大豆玉米間作+復(fù)合菌)顯著高于處理1(大豆單作，未施加復(fù)合菌)和處理2(玉米單作，未施加復(fù)合菌)，玉米植株磷含量除外。大豆、玉米植株氮含量處理6(大豆玉米間作+復(fù)合菌)比處理3(大豆玉米間作，未施加復(fù)合菌)分別極顯著降低7.22%、12.71%，玉米植株的磷含量顯著增高9.12%，可能土壤中有效磷的增加促進(jìn)了玉米植株對磷元素的吸收，同時(shí)也對氮元素的吸收有抑制作用，或作物地上干物質(zhì)的增加導(dǎo)致植株氮、磷元素含量降低。可見，大豆-玉米間作下施入促生菌能減少土壤中硝態(tài)氮的含量，加速植株對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收利用，促進(jìn)植株生長，降低種間競爭作用，同時(shí)可挖掘不同作物對氮、磷、鉀高效利用的生物學(xué)潛力，促進(jìn)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

土壤酶來源于微生物細(xì)胞并具有一定催化功能，蛋白酶參與土壤中氨基酸、蛋白質(zhì)以及其他含蛋白質(zhì)氮的有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化，其水解物是植物的氨源之一。脲酶是極為專性的一種酰胺酶，僅能水解尿素成氨、二氧化碳和水。硝酸還原酶催化硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，是土壤硝態(tài)氮還原的關(guān)鍵酶。這3種酶可以影響土壤N素的礦化、硝化、氨化及尿素水解過程，是衡量土壤微環(huán)境的重要因子之一。土壤酶活大部分表現(xiàn)為2種作物在間作根際土壤中均大于相應(yīng)的單作[31]。試驗(yàn)中，單作模式，處理4(大豆單作+復(fù)合菌)與處理1(大豆單作，未施加復(fù)合菌)相比，大豆根際土壤脲酶活性極顯著增高，同時(shí)硝酸還原酶活性極顯著降低；玉米根際土壤中蛋白酶活性、脲酶活性和硝酸還原酶活性極顯著增高。間作處理6的混合土壤與處理1(大豆單作，未施加復(fù)合菌)和處理2(玉米單作，未施加復(fù)合菌)大豆、玉米根際土壤相比，脲酶活性極顯著增高。處理6(大豆玉米間作+復(fù)合菌)比處理3的混合土壤酸性蛋白酶活性極顯著增高?？梢姡g作模式下接種促生菌劑有利于提高土壤中酸性蛋白酶的活性，這將有利于豆科植株有效根瘤的形成，從而促進(jìn)大豆的生長。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在低氮磷大豆玉米間作模式下接種促生菌劑，處理6(大豆玉米間作+復(fù)合菌)與處理3(大豆玉米間作，未施加復(fù)合菌)相比，大豆植株的株高極顯著增高6.39%，玉米植株株高和葉長的生長顯著增加6.47%和12.5%，作物混合產(chǎn)量處理6(大豆玉米間作+復(fù)合菌)比處理3(大豆玉米間作，未施加復(fù)合菌)極顯著增加21.76%，玉米植株磷含量顯著增高9.12%。促生菌的間作模式可優(yōu)化大豆在群體中的空間分布，提高系統(tǒng)混合干物質(zhì)產(chǎn)量，同時(shí)也能促進(jìn)玉米生長；間作模式下，處理3(大豆玉米間作，未施加復(fù)合菌)的土壤(NO3--N)∶(NH4+-N)為4.76∶1，處理6(大豆玉米間作+復(fù)合菌)的土壤(NO3--N)∶(NH4+-N)為3.58∶1；處理6(大豆玉米間作+復(fù)合菌)比處理3的混合土壤酸性蛋白酶活性極顯著增高31.82%。間作模式下接種促生菌劑縮小NO3--N和NH4+-N在大豆-玉米間作土壤中的差距，改善土壤微域環(huán)境?？傊臃N促生菌的間作模式可在一定程度上促進(jìn)大豆的生長，減少化肥施用，提高大豆地上生物量及土壤不同營養(yǎng)元素的利用效率，促進(jìn)群體環(huán)境趨于穩(wěn)定性，是一種較好的種植方式。