范祎瑋，信秀麗，鐘新月，楊 嬌,3，朱安寧,3*，鄒洪濤

玉米豆科覆蓋作物間作對(duì)潮土酶活性和真菌群落特征的影響①

范祎瑋1,2，信秀麗2，鐘新月2，楊 嬌2,3，朱安寧2,3*，鄒洪濤1*

(1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866；2土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站，南京 210008；3中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

黃淮海地區(qū)土地復(fù)種指數(shù)高，不具備休閑條件，致使土壤養(yǎng)分消耗嚴(yán)重，土壤微生物群落多樣性下降。為改善土壤狀況，本研究基于兩年的玉米豆科覆蓋作物(紫花苜蓿、大豆、花生)間作試驗(yàn)，探討玉米豆科覆蓋作物間作對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性以及真菌群落特征的影響，同時(shí)分析黃淮海平原潮土區(qū)玉米豆科覆蓋作物間作的可行性。結(jié)果表明：間作條件下土壤堿解氮含量提高，土壤有機(jī)質(zhì)含量無明顯變化，玉米紫花苜蓿間作處理和玉米花生間作處理土壤有效磷含量表現(xiàn)上升趨勢(shì)。所有間作處理土壤脲酶活性都高于單作玉米處理，間作花生處理和間作大豆處理的酸性磷酸酶活性較單作玉米處理分別增加了30.53% 和18.70%；間作紫花苜蓿處理土壤堿性蛋白酶活性和蔗糖酶活性對(duì)比單作玉米處理有顯著提高。間作紫花苜蓿處理和間作大豆處理對(duì)土壤優(yōu)勢(shì)菌門子囊菌門和被孢霉門的相對(duì)豐度有積極作用，其中間作紫花苜蓿處理子囊菌門的相對(duì)豐度提高了11.88%，間作大豆處理被孢霉門相對(duì)豐度增幅達(dá)45.39%，優(yōu)勢(shì)菌門豐度的提升有助于補(bǔ)充土壤氮源和碳源。玉米豆科覆蓋作物間作可以補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性，可能成為提高黃淮海平原潮土地區(qū)土壤質(zhì)量、維持土壤穩(wěn)定性的有效措施。

間作；豆科覆蓋作物；土壤養(yǎng)分；土壤酶；真菌群落結(jié)構(gòu)

黃淮海地區(qū)是我國(guó)重要糧食主產(chǎn)區(qū)之一，該區(qū)種植制度主要為冬小麥–夏玉米一年兩熟制。由于土地復(fù)種指數(shù)高[1]，不具備休耕條件，導(dǎo)致土壤質(zhì)量提升困難，土壤生物多樣性下降[2]。覆蓋作物指在主作物生長(zhǎng)期間或收獲后，在時(shí)間或空間上填充空隙的作物[3]。覆蓋作物通常為一年生、二年生或多年生的草本植物，按生物學(xué)特性可分為非豆科覆蓋作物和豆科覆蓋作物。非豆科覆蓋作物有禾本科、十字花科等作物，代表作物包括黑麥、大麥、蘿卜等。豆科覆蓋作物種類繁多，常見的有大豆、花生、豌豆等經(jīng)濟(jì)作物，也包含紫花苜蓿、三葉草、紫云英等綠肥作物。覆蓋作物可以與主作物同時(shí)期收獲提高經(jīng)濟(jì)效益，還能翻壓還田提高土壤質(zhì)量[4]。研究表明，豆科與非豆科作物間作在改善土壤環(huán)境方面有著不容忽視的作用[5]。豆科作物與禾本科作物間作，可以提高根系數(shù)量、擴(kuò)大根系空間分布、增加根系分泌物，活化土壤磷素，提高土壤磷利用率，滿足作物營(yíng)養(yǎng)需求；同時(shí)間作豆科作物有利于緩解單作豆科作物所產(chǎn)生的“氮阻遏”現(xiàn)象，充分發(fā)揮豆科作物結(jié)瘤固氮的生物特性[6]，提高土壤養(yǎng)分含量。豆科作物與玉米間作，作物對(duì)水分需求的時(shí)間生態(tài)位差異使水分利用效率最大化，又由于土壤遮蔭面積擴(kuò)大，減少土壤水分蒸發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化水分利用。除此以外，豆科與非豆科作物間作使作物種類多樣性增加，產(chǎn)生化感作用控制雜草，防治病害[7]。目前，我國(guó)有關(guān)豆科作物與非豆科作物間作種植的研究多集中于土壤養(yǎng)分、水分、病蟲害等方面，而對(duì)間作種植是否可以改善高強(qiáng)度種植區(qū)域土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、提高土壤酶活性的探究相對(duì)較少。

土壤酶和土壤微生物作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重要的一環(huán)，是評(píng)價(jià)土壤生物化學(xué)過程強(qiáng)度、判斷土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤酶活性可以反映土壤理化性質(zhì)，表征土壤生物活性的大小。土壤酶參與土壤碳、氮循環(huán)，在土壤有機(jī)碳及其活性組分轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[8]。間作在提高土壤酶活性、活化土壤養(yǎng)分方面表現(xiàn)出積極作用。研究發(fā)現(xiàn)，燕麥與豆科作物間作后土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性顯著變化[9]；豆科禾本科間作體系可以增加土壤磷酸酶活性[10]。土壤微生物被當(dāng)作地上和地下生態(tài)系統(tǒng)溝通的橋梁、維持土壤健康和土壤質(zhì)量的樞紐。作物與土壤微生物共生互利，微生物協(xié)助作物吸收養(yǎng)分，作物為微生物提供更適宜的生存環(huán)境。薄國(guó)棟等[11]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，真菌群落多樣性與土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量顯著相關(guān)。也有試驗(yàn)證明[12]，土壤優(yōu)勢(shì)真菌相對(duì)豐度與速效鉀含量顯著正相關(guān)。胡國(guó)彬等[13]研究表明，小麥蠶豆間作顯著影響土壤真菌群落結(jié)構(gòu)，提高了根際真菌活性。另有研究顯示[14]，間作綠肥后土壤真菌群落Shannon指數(shù)高于單作種植。土壤酶、土壤微生物群落與土壤養(yǎng)分之間有著緊密聯(lián)系。土壤微生物群落對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行轉(zhuǎn)化和積累[15]，土壤養(yǎng)分為土壤酶的生物化學(xué)反應(yīng)提供底物，土壤酶進(jìn)一步影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，三者互為支撐，共同維護(hù)土壤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。

本文研究黃淮海平原潮土區(qū)玉米與豆科覆蓋作物間作對(duì)土壤酶活性、真菌群落多樣性的影響，旨在揭示土壤酶與土壤微生物群落在不同間作方式下的演變機(jī)制，理解土壤酶與土壤微生物群落對(duì)不同間作模式的響應(yīng)與反饋，為改善黃淮海平原高種植強(qiáng)度地區(qū)土壤健康狀況、補(bǔ)充土壤養(yǎng)分提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在河南封丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(35°00' N，114°24' E)進(jìn)行。該站位于黃河北岸的河南省封丘縣潘店鎮(zhèn)，屬半干旱、半濕潤(rùn)的暖溫帶季風(fēng)氣候，年平均降水量為605 mm，年蒸發(fā)量為1 875 mm，年平均氣溫為13.9℃，≥0℃積溫在5 100℃以上，無霜期220 d左右。試驗(yàn)地塊長(zhǎng)期冬小麥–夏玉米輪作，土壤類型為砂壤質(zhì)潮土，基礎(chǔ)肥力指標(biāo)為：pH 8.67，有機(jī)質(zhì)含量10.98 g/kg，有效磷含量5.53 mg/kg，堿解氮含量61.37 mg/kg，速效鉀含量115.65 mg/kg。

試驗(yàn)始于2019年6月，玉米季開展玉米與豆科覆蓋作物間作試驗(yàn)，小麥季常規(guī)種植。試驗(yàn)為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在玉米季設(shè)置玉米單作(CK)、玉米/紫花苜蓿間作(MA)、玉米/花生間作(MP)、玉米/大豆間作(MS)4種種植模式，每種種植模式設(shè)置3組重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為3 m×5 m。采用寬窄行種植，寬行行距80 cm，窄行行距40 cm，豆科覆蓋作物于玉米寬行間種植(圖1)。玉米品種為鄭單958，采用穴播，每小區(qū)種植5行，株距25 cm，密度66 667株/hm2；豆科覆蓋作物采用條播，每玉米寬行間種植2行。播種前施基肥尿素80 kg/hm2，過磷酸鈣60 kg/hm2，硫酸鉀75 kg/hm2。在玉米大喇叭口期施尿素120 kg/hm2作為追肥。

圖1 玉米豆科覆蓋作物間作種植模式圖

1.2 樣品采集及指標(biāo)測(cè)定

在2020年玉米成熟期采用5點(diǎn)取樣法，分別采集各小區(qū)0 ～ 20 cm土層的土壤均勻混合，用裝有冰袋的保溫箱保存帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集的土樣一部分經(jīng)風(fēng)干、過篩處理，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分和酶活性，另一部分土樣存于–80℃冰箱，用于真菌高通量測(cè)序。

土壤養(yǎng)分采用常規(guī)農(nóng)化分析方法測(cè)定[16]。土壤pH用pH計(jì)測(cè)定(土水質(zhì)量比1∶2.5)；土壤有機(jī)質(zhì)含量利用重鉻酸鉀容量–外加熱法測(cè)定；土壤有效磷含量經(jīng)NaHCO3浸提鉬銻鈧顯色劑顯色后比色法測(cè)定；土壤速效鉀含量經(jīng)NH4OAc浸提后火焰光度法測(cè)定；土壤堿解氮含量采取堿解擴(kuò)散法測(cè)定。

土壤酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、脲酶、堿性蛋白酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性用Solarbio Science＆Technology Co.(中國(guó)北京)的土壤酶試劑盒測(cè)定。酶活性單位定義：37℃時(shí)每克土壤每天釋放1 nmol酚為一個(gè)土壤酸性或堿性磷酸酶活力單位；每天每克土壤中產(chǎn)生1 μg NH3-N定義為一個(gè)土壤脲酶活力單位；每天每克土壤中產(chǎn)生1 mg還原糖定義為一個(gè)土壤蔗糖酶活力單位；每天每克土樣中產(chǎn)生1 μmol的酪氨酸為一個(gè)土壤堿性蛋白酶活力單位；每天每克土壤催化1 nmol H2O2定義為一個(gè)土壤過氧化氫酶活力單位。

對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的研究采用高通量測(cè)序技術(shù)。①DNA提取和PCR擴(kuò)增。根據(jù)Fast DNA? Spin Kit for Soil試劑盒 (MP Biomedicals, Norcross, GA, U.S.)說明書進(jìn)行總DNA抽提，DNA濃度和純度利用NanoDrop 2000進(jìn)行檢測(cè)，利用1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA提取質(zhì)量；用ITS1F (CTTGGTCATTT AGAGGAAGTAA)和ITS2R (GCTGCGTTCTTCAT CGATGC) 引物對(duì)ITS1 ～ ITS2可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增程序?yàn)椋?5℃預(yù)變性3 min，27個(gè)循環(huán)(95℃變性30 s，55℃退火30 s, 72℃延伸30 s)，最后72℃延伸10 min(PCR儀：ABI GeneAmp? 9700型)。擴(kuò)增體系為20 μl的FastPfu緩沖液，2 μl的2.5 mmol/L dNTPs，0.8 μl的引物(5 μmol/L)，0.4 μl的FastPfu聚合酶；10 ng 的DNA模板。②Illumina Miseq 測(cè)序。使用2% 瓊脂糖凝膠回收PCR產(chǎn)物，利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences, Union City, CA, USA) 進(jìn)行純化，Tris-HCl洗脫，2% 瓊脂糖電泳檢測(cè)。利用QuantiFluor?-ST (Promega, USA) 進(jìn)行檢測(cè)定量。根據(jù)Illumina MiSeq 平臺(tái) (Illumina, San Diego, USA)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程將純化后的擴(kuò)增片段構(gòu)建PE 2×300的文庫(kù)。利用Illumina公司的Miseq PE300平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始測(cè)序序列使用Trimmomatic 軟件質(zhì)控，使用FLASH軟件進(jìn)行拼接：①設(shè)置50 bp的窗口，如果窗口內(nèi)的平均質(zhì)量值低于20，從窗口前端位置截去該堿基后端所有序列，之后再去除質(zhì)控后長(zhǎng)度低于50 bp的序列；②根據(jù)重疊堿基overlap將兩端序列進(jìn)行拼接，拼接時(shí)overlap之間的最大錯(cuò)配率為0.2，長(zhǎng)度需大于10 bp，去除無法拼接的序列；③根據(jù)序列首尾兩端的barcode和引物將序列拆分至每個(gè)樣本，barcode需精確匹配，引物允許2個(gè)堿基的錯(cuò)配，去除存在模糊堿基的序列。

使用的UPARSE軟件，根據(jù)97% 的相似度對(duì)序列進(jìn)行OTU聚類，并在聚類的過程中去除單序列和嵌合體。采用RDP classifier貝葉斯算法對(duì)97% 相似水平的OTU代表序列進(jìn)行分類學(xué)比對(duì)，比對(duì)Unite 8.0數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置比對(duì)閾值為70%。

利用iSanger 在線平臺(tái)和Origin 8.0進(jìn)行繪圖；通過 Microsoft Excel 2019對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；使用 SPSS19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析以及Pearson 法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分

玉米豆科覆蓋作物間作對(duì)部分土壤養(yǎng)分含量提升表現(xiàn)出積極作用。各間作處理對(duì)土壤pH、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量無顯著影響，但MP和MS處理有機(jī)質(zhì)含量有升高趨勢(shì)(表1)。對(duì)比CK處理，各間作處理堿解氮含量均有不同程度提高，MP處理堿解氮含量表現(xiàn)最高，增幅達(dá)15.08%，MA和MS處理分別增加1.79% 和4.76%。MA處理有效磷含量與CK處理無顯著差異，MP和MS處理有效磷含量較CK處理呈下降趨勢(shì)，降幅分別為15.65% 和39.96%。

2.2 土壤酶活性

由表2數(shù)據(jù)可知，4個(gè)處理間堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性無顯著差異，但土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和堿性蛋白酶活性表現(xiàn)出顯著差異。與CK處理相比，MP和MS處理酸性磷酸酶活性分別增加了30.53% 和18.70%。各間作處理(MA、MP、MS)脲酶活性均高于單作玉米處理(CK)，其中MP處理的脲酶活性較CK處理提高了30.55%。MA處理的蔗糖酶活性和堿性蛋白酶活性在4個(gè)處理種均表現(xiàn)為最高；MP和MS處理的蔗糖酶活性和堿性蛋白酶活性無顯著差異。

2.3 土壤真菌群落物種組成及多樣性

本研究從4個(gè)處理土壤中分別得到49 105 ～ 55 386條真菌序列(表3)。在97% 相似水平下，對(duì)所有序列進(jìn)行OTU劃分，4個(gè)處理土壤共有真菌OTU數(shù)532個(gè)，CK、MA、MP和MS處理特有OTU數(shù)分別為145、144、164和202個(gè)。

各處理測(cè)序覆蓋度均在99% 以上，表示測(cè)序已基本包括所有真菌群落。菌群豐度指數(shù)(ACE指數(shù)和Chao指數(shù))、菌群多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù))和菌群均勻性指數(shù)(Smithwilson指數(shù))在所有處理間無顯著差異。

表1 玉米豆科覆蓋作物間作對(duì)土壤pH和養(yǎng)分含量的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(LSD檢驗(yàn)，<0.05)；下同。

表2 玉米豆科覆蓋作物間作對(duì)土壤酶活性的影響(U/g)

表3 樣品測(cè)序結(jié)果及真菌α多樣性分析

2.4 土壤真菌群落組成

2.4.1 真菌群落門水平分布 真菌ITS高通量測(cè)序序列經(jīng)過物種注釋后歸屬于15個(gè)門，43個(gè)綱，93個(gè)目，185個(gè)科，351個(gè)屬(圖2)。在門水平上(圖2A)，子囊菌門(Ascomycota)為所有處理中相對(duì)豐度最高(61.89% ～ 71.49%)，其他優(yōu)勢(shì)門分別是被孢霉門(Mortierellomycota)(15.51% ～ 22.55%)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)(3.30% ～ 5.85%)、壺菌門(Chytridio-mycota)(1.47% ～ 5.82%)和羅茲菌門(Rozellomycota) (0.75% ～ 1.24%)。與CK處理相比，部分間作處理提高了土壤子囊菌門、被孢霉門的相對(duì)豐度。子囊菌門的相對(duì)豐度分別提高了11.88%(MA)和0.42%(MS)；被孢霉門相對(duì)豐度增幅分別為2.39%(MA)、37.65%(MP)和45.39%(MS)。不同間作處理對(duì)擔(dān)子菌門、壺菌門和羅茲菌門的豐度影響不同。MP處理的擔(dān)子菌門相對(duì)豐度對(duì)比CK處理表現(xiàn)略有下降，而MA和MS處理的擔(dān)子菌門豐度降幅達(dá)43.59% 和41.20%。與CK處理相比，MP處理的壺菌門相對(duì)豐度提升了23.83%，MA和MS處理的壺菌門相對(duì)豐度均呈下降趨勢(shì)。MA、MP和MS處理的羅茲菌門相對(duì)豐度對(duì)比CK處理皆呈下降趨勢(shì)。

2.4.2 真菌群落綱水平分布 各處理在綱水平上獲得的真菌群落特征如圖2B所示。其中豐度 >1% 的菌綱有6個(gè)，分別是糞殼菌綱(Sordariomycetes，39.53% ～ 49.90%)、被孢霉綱(Mortierellomycetes，15.50% ～ 21.33%)、散囊菌綱(Eurotiomycetes，6.26% ～ 11.46%)、座囊菌綱(Dothideomycetes，6.90% ～ 12.00%)、錘舌菌綱(Leotiomycetes，1.45% ～ 3.17%)和銀耳綱(Tremellomycetes，1.16% ～ 2.46%)。

子囊菌門下微生物主要由糞殼菌綱、錘舌菌綱、散囊菌綱和座囊菌綱構(gòu)成，相較于CK處理，MA和MP處理提高了糞殼菌綱的相對(duì)豐度；所有間作處理均使座囊菌綱的相對(duì)豐度表現(xiàn)為下降趨勢(shì)；被孢霉門下微生物主要由被孢霉綱構(gòu)成，間作處理的被孢霉綱豐度均高于單作處理，提高幅度分別為2.26%(MA)、37.61%(MP)和37.43%(MS)；擔(dān)子菌門下微生物主要由銀耳綱構(gòu)成，各間作處理的銀耳綱豐度均較單作處理表現(xiàn)出不同程度的下降。

2.5 土壤養(yǎng)分、酶活性和優(yōu)勢(shì)菌門相對(duì)豐度間的相關(guān)性

對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性和優(yōu)勢(shì)菌門相對(duì)豐度進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)，結(jié)果表明，土壤酸性磷酸酶活性與堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量顯著正相關(guān)。土壤脲酶活性與堿解氮含量顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量極顯著正相關(guān)。優(yōu)勢(shì)菌門中，子囊菌門和被孢霉門與土壤養(yǎng)分顯著相關(guān)，具體表現(xiàn)為子囊菌門與有效磷含量顯著正相關(guān)，與速效鉀含量顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量極顯著負(fù)相關(guān)；被孢霉門與有效磷含量顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量顯著正相關(guān)。同時(shí)，子囊菌門與酸性磷酸酶和脲酶活性顯著負(fù)相關(guān)，與堿性磷酸酶活性極顯著負(fù)相關(guān)；被孢霉門與堿性磷酸酶活性極顯著正相關(guān)。

(A：門水平；B：綱水平)

表4 土壤養(yǎng)分、酶活性及優(yōu)勢(shì)菌門相對(duì)豐度間的相關(guān)性

注： *和**分別表示顯著相關(guān)(<0.05)和極顯著相關(guān)(<0.01)。

3 討論

3.1 玉米豆科覆蓋作物間作對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

本研究中，玉米與豆科覆蓋作物間作對(duì)土壤pH無顯著影響，但前人研究大多表明間作對(duì)作物根際土壤pH有降低作用[17-19]。本試驗(yàn)土壤為種植區(qū)域土壤，并非根際土壤，這可能是導(dǎo)致各處理土壤pH無顯著差異的原因。陳利等[20]研究表明，物種間作后，在根際效應(yīng)作用下，根系分泌有機(jī)酸的速率和種類表現(xiàn)出不同程度提高，因而降低根際土壤pH、提高磷化合物的溶解度，同時(shí)根系分泌物與金屬元素形成螯合物，釋放難溶性的磷，這可能是MA處理較CK處理土壤有效磷含量提高的原因。大豆是喜磷作物，在間作體系中對(duì)土壤磷素有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力[21]，導(dǎo)致MS處理土壤有效磷含量顯著下降。有研究證明，谷物與豆科間作時(shí)，谷物通常會(huì)獲得更高比例的土壤氮素供給，而豆科作物通過固定空氣中的N2補(bǔ)充土壤中的氮[22]。此外，豆科作物與其他作物間作情況下，對(duì)土壤氮的吸收競(jìng)爭(zhēng)引起作物根際土壤氮含量的下降，氮含量與豆科作物的結(jié)瘤能力呈負(fù)相關(guān)[23]。當(dāng)玉米與紫花苜蓿或大豆間作時(shí)，后者根區(qū)氮素被玉米吸收，刺激紫花苜?；虼蠖垢到Y(jié)瘤數(shù)量增加，進(jìn)而提高土壤堿解氮含量。本研究中，間作處理土壤的速效養(yǎng)分含量整體上大于或等于單作處理，這些都是豆科與禾本科作物根際相互作用的結(jié)果[24]。

3.2 玉米豆科覆蓋作物間作對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶參與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)，在作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中扮演著重要角色[25]。對(duì)比單作玉米，玉米豆科覆蓋作物間作后土壤酸性磷酸酶活性顯著提高，這與張萌萌等[26]對(duì)桑樹/苜蓿間作研究的結(jié)果一致，即間作可以提高土壤酸性磷酸酶的活性間作種植體系中作物對(duì)磷素表現(xiàn)出強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，使土壤中有效磷含量下降，進(jìn)而影響土壤酸性磷酸酶活性[27]，這可能是間作導(dǎo)致土壤酸性磷酸酶變化的原因。土壤脲酶參與尿素的轉(zhuǎn)化水解，使其轉(zhuǎn)化為植物可吸收形態(tài)的氮。本研究間作處理的土壤脲酶活性高于單作玉米處理的土壤脲酶活性，這與Fu等[28]在四川進(jìn)行的玉米大豆間作試驗(yàn)結(jié)果相同。張成君等[29]對(duì)土壤酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)關(guān)系探究試驗(yàn)表明，土壤脲酶活性受土壤氮和有機(jī)質(zhì)含量影響，隨著土壤氮含量的增加，土壤脲酶活性進(jìn)一步上升。土壤堿性蛋白酶是土壤中氨基酸、蛋白質(zhì)及其他含蛋白質(zhì)氮有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化的重要媒介，堿性蛋白酶的水解產(chǎn)物也是植物的氮源之一。土壤蔗糖酶在增加土壤易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過程中作用顯著。試驗(yàn)中玉米苜蓿間作處理的蔗糖酶活性和堿性蛋白酶活性均高于其他處理，可能是由于紫花苜蓿在耕層處根系數(shù)量龐大[30]，相較于花生和大豆根系可以分泌更多的蔗糖酶和蛋白酶所致。

3.3 玉米豆科3覆蓋作物間作對(duì)土壤真菌微生物群落的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，間作處理的土壤真菌分布特征為子囊菌門(Ascomycota)、被孢霉門(Mortierellomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)和羅茲菌門(Rozellomycota)等5個(gè)門類，所占比例為91.28% ～ 95.65%。燕紅梅等[31]對(duì)不同植物根際真菌群落的研究表明，玉米和大豆根際中主要優(yōu)勢(shì)真菌除上述5種菌門外，還包括接合菌門(Zygomycota)、球囊菌門(Glomeromycota)和芽枝菌門(Blastocla-diomycota)，但在本試驗(yàn)高通量測(cè)序結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)接合菌門等其他菌門。楊澤良等[32]研究表明，作物根際土壤微生物多樣性指數(shù)顯著高于非根際土壤微生物多樣性指數(shù)，本研究中試驗(yàn)土壤為非根際土壤，這可能是優(yōu)勢(shì)菌門種類較少的原因。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，玉米紫花苜蓿間作和玉米大豆間作均可以提高被孢霉門和子囊菌門的相對(duì)豐度。在河北省張家口進(jìn)行的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，玉米大豆間作模式增加了子囊菌門的相對(duì)豐度[33]。作物種類差異對(duì)土壤微生物群落組成有很大的影響[34]，玉米與豆科作物間作構(gòu)成復(fù)合群體，引起微生物群落的轉(zhuǎn)變。玉米辣椒的間作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，間作通過減少作物病害從而抑制座囊菌綱(Dothideomycetes)等病原菌[35]，這可能是間作導(dǎo)致座囊菌綱相對(duì)豐度下降的原因。被孢霉科(Mortierellaceae)作為衡量土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分豐富度的標(biāo)志，可以分解土壤中糖類物質(zhì)及簡(jiǎn)單多糖物質(zhì)，補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量[36]；子囊菌門能夠降解土壤中可溶性有機(jī)底物。本研究中，間作紫花苜蓿和間作大豆均使土壤堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量提升，增加了生物化學(xué)反應(yīng)可利用底物含量，從而提高了子囊菌門、被孢霉門和被孢霉綱的相對(duì)豐度。此外，Han等[37]研究證明，大豆根瘤與根際微生物群落存在明顯共生關(guān)系，兩者交互影響，提高了優(yōu)勢(shì)菌門的相對(duì)豐度。本研究間作處理的擔(dān)子菌門相對(duì)豐度均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。Lian等[38]進(jìn)行的甘蔗大豆間作對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的盆栽試驗(yàn)表明，大豆甘蔗間作情況下，土壤擔(dān)子菌門的相對(duì)豐度降低。擔(dān)子菌門既包括可分解木質(zhì)纖維素的真菌，也包括一些有害真菌，可使作物產(chǎn)生病害。本試驗(yàn)中間作處理的有機(jī)質(zhì)含量總體呈上升趨勢(shì)，而研究表明[39]，隨著土壤中有機(jī)質(zhì)含量的增加，擔(dān)子菌門的相對(duì)豐度表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，這可能是間作種植使擔(dān)子菌門相對(duì)豐度下降的原因。

4 結(jié)論

經(jīng)過兩年的玉米與豆科覆蓋作物間作，潮土土壤養(yǎng)分含量、酶活性、微生物群落多樣性發(fā)生了顯著的變化。其中，玉米間作紫花苜蓿、間作花生增加了土壤堿解氮含量；所有間作處理對(duì)土壤酸性磷酸酶和脲酶活性都有積極作用；間作紫花苜蓿對(duì)土壤堿性磷酸酶和蔗糖酶活性產(chǎn)生顯著影響；間作紫花苜蓿和間作大豆可以提高優(yōu)勢(shì)菌門子囊菌門、被孢霉門的相對(duì)豐度。

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Effects of Intercropping of Maize and Legume Cover Crops on Enzyme Activities and Fungal Community Characteristics in Fluvo-Aquic Soil

FAN Yiwei1,2, XIN Xiuli2, ZHONG Xinyue2, YANG Jiao2,3, ZHU Anning2,3*, ZOU Hongtao1*

(1 College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2 Fengqiu Agro-Ecological Experimental Station, State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The multiple cropping index of the land in the Huang-huai-hai area is high, and there are no leisure conditions, resulting in serious consumption of soil nutrients and a decline in the diversity of soil microbial communities. In order to improve soil conditions, based on a two-year maize-legume cover crops (alfalfa, soybean, peanut) intercropping experiment, this study is to explore the effects of maize legume cover crops intercropping on soil nutrients, soil enzyme activities and fungal community characteristics, and to analyze the feasibility of intercropping maize and legume cover crops in the fluvo-aquic soil area of ??Huang-huai-hai Plain. The results showed that soil available nitrogen increased and soil organic matter did not change significantly under intercropping conditions, soil available phosphorus of maize-alfalfa intercropping treatment and maize-peanut intercropping treatment showed an upward trend. Soil urease activities of all intercropping treatments were higher than that of monocropping treatment. Acid phosphatase activities of intercropping peanut treatment and intercropping soybean treatment increased by 30.53% and 18.70% respectively compared with monocropping; the activities of soil alkaline protease and sucrose of intercropping alfalfa treatment enzyme activity were significantly improved compared with single crop maize. Intercropping alfalfa treatment and intercropping soybean treatment had positive effects on the relative abundance of soil dominant phylum Ascomycota and Mortierella. Among them, intercropping alfalfa treatment increased the relative abundance of Ascomycota by 11.88%, while intercropping soybean treatment increased the relative abundance of Mortierella by 45.39%. The increase in the abundance of the dominant bacteria phyla can help supplement soil nitrogen and carbon sources. Intercropping of maize and legume cover crops can supplement soil nutrients, improve soil microbial community structure, and increase soil enzyme activities, thus, it may be an effective measure to improve soil quality and maintain soil stability in the Huang-huai-hai Plain.

Intercropping; Legume cover crops; Soil nutrients; Soil enzymes; Fungal community structure

S158.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.06.018

范祎瑋, 信秀麗, 鐘新月, 等. 玉米豆科覆蓋作物間作對(duì)潮土酶活性和真菌群落特征的影響. 土壤, 2021, 53(6): 1236–1243.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0200601、2016YFD0300809) 和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41877023)資助。

通訊作者(anzhu@issas.ac.cn；hongtaozou208@126.com)

范祎瑋(1997—)，女，黑龍江海倫人，碩士研究生，主要從事土壤改良方面的研究工作。E-mail:yiweifan@126.com