減施肥料配施根際促生菌對大豆-玉米間作根際土壤與作物生長的影響

舒健虹， 劉曉霞， 王子苑， 李 安， 蒙正兵， 王小利*

(1.貴州省農業科學院 草業研究所，貴州 貴陽 550006； 2.貴州大學 生命科學學院/農業生物工程研究院， 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肥是減少化肥施用、提高大豆的產量及土壤不同營養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間和空間上的生態位分離，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境，同時改善作物根際土壤養分，可減少化肥的施用量[1-2]，抑制有害物質的積累[3]。【前人研究進展】禾豆間套作可緩解豆科作物生物固氮的“氮阻遏”作用[4]，是作物高效生產和低碳農業協調發展的一種較好種植模式[5]。當兩個作物生長在一個空間，其競爭和促進作用相伴存在[6]。種間競爭作用是間作優勢發揮的重要決定因素，在大豆-玉米間作中，群體內多數大豆產量降低，玉米產量增加[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)等促進植物生長發育[10-12]。在植物生長發育早期通過接種PGPR可直接影響植物根和芽的生長。這些機制包括活化各種微量營養元素，產生有機酸和植物激素，增強其他有益細菌對植物病害的控制[13-14]。而復合型菌劑可通過其相互作用實現微生物的多功能融合。【研究切入點】目前，對間作空間結構改變[15]、肥水管理[16]及密度調整[17]等調控種間關系的研究較多，對環境友好型生物肥料在間作中研究較少。隨著環境C排放的影響和土壤有益微生物的減少，人們對發展綠色作物、環境友好型生物肥料、資源減投間作等相關技術的研究亟待深入。因此，探明減少化肥施用以提高大豆的產量及土壤不同營養元素的利用效率，同時保持群體的穩定性是急需解決的問題。【擬解決的關鍵問題】選用盆栽方式進行大豆-玉米間作，接種PGPR復合菌肥進行處理，分析低氮、磷條件對間作體系生物產量和養分利用效率的影響，以期發揮群體最大優勢，減少間作競爭對大豆生長的不利因素，同時改善土壤微生物環境。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 土壤 供試土壤為黃壤，采集于貴州省農業科學院內。土壤基本理化性質為 pH 6.94，有機質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。經自然風干后磨碎，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行高壓蒸汽滅菌(121℃滅菌30 min)。花盆長43.3 cm，寬19.5 cm，高13.5 cm。混合土壤4 kg +磷礦粉150 g混合均勻裝入盆中。

1.1.2 菌種 供試菌種由當地白三葉和野木豆根瘤分離篩選且在大豆植株上回接表現較好的菌株，分別是根瘤菌屬菌種R325-3(Rhizobiumsophorae)和內生菌嗜麥芽窄食單胞菌R287-5(Stenotrophomonasmaltophilia)，保存于貴州省草業所實驗室捷克產Thermo超低溫冰箱中，其活化和菌液培養方法參照文獻[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皿中，在25℃恒溫培養箱中催芽1 d 后播種。

1.2 試驗設計

試驗于2020年5月下旬在貴州省草業研究所人工氣候室進行，氣候室內晝夜溫度分別為24℃和21℃，光照時間16 h，用含70%的N和P的Hoagland營養液(低氮、磷肥施用)隔日澆灌500 mL保持土壤濕潤。試驗設置種植模式、接種方式2個因素，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6個處理(表1)，每個處理重復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設計

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，單作中每個重復隨機選取2株共10株作為樣本數，間作每盆玉米和大豆各取2株共10株作為樣本數，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，部分土樣經風干后分析有機質、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氮和硝態氮含量[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 植株營養成分指標測定 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標準采用火焰原子吸收分光光度法。

1.4 數據處理

采用Excel 2003和SPSS 18.0進行數據統計分析。

2 結果與分析

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、玉米的地上干物質產量

由表2可見，作物在接種復合菌劑后對植株地上干物質產量促生效果顯著(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%；作物混合產量處理6比處理5極顯著增加21.76%。間作處理6可促進大豆和玉米植株的生長，間作施入促生菌劑的植株干物質產量優于無菌劑處理。

2.3 不同處理大豆、玉米的營養成分

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，干物質積累是作物產量形成的物質基礎，增加干物質積累量對作物增產具有重大意義[22]，促生菌對紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、箭舌豌豆(Viciasativa)、玉米等可促進根系生長和產量提高[23-25]，同時大多數聯合固氮菌具有分泌IAA能力，從而促進植株的增高和根系的生長[26]。試驗在低氮磷間作模式下施入促生菌處理的植株混合產量極顯著高于無菌處理。單作模式下，大豆植株地上干物質產量處理4(大豆單作+復合菌)比處理1(大豆單作，未施加復合菌)極顯著增加。處理4(大豆單作+復合菌)能促進大豆植株的株高、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，未施加復合菌)。間作模式，大豆植株的株高處理6(大豆玉米間作+復合菌)比處理3(大豆玉米間作，未施加復合菌)極顯著增高，對玉米植株株高和葉長的生長顯著增加。可見，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，間作優化了大豆在群體中的空間分布，同時也能促進玉米的生長。

促生菌可優化豆-禾間作競爭與互補協同作用，增強土壤中氮、磷、鉀元素協調利用。研究證明，NO3--N較NH4+-N相比對豆科植物結瘤的抑制作用較大[27]。硝態氮對小麥、玉米等作物的生長多具有促進作用[28]。較低濃度的NO3--N對接種根瘤菌的大豆植株根毛結瘤的形成有促進作用[27]，且促生菌能分泌有機酸(甲酸、乳酸、葡萄糖酸、檸檬酸等)降低pH，與鐵、鋁、鈣等離子螯合，使難溶性磷轉化為有效磷[29]。試驗中大豆根際土NO3--N含量處理1(大豆單作，未施加復合菌)最高。間作混合土壤處理6(大豆玉米間作+復合菌)與處理3(大豆玉米間作，未施加復合菌)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+復合菌)比處理2(玉米單作，未施加復合菌)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+復合菌)顯著高于處理1(大豆單作，未施加復合菌)和處理2(玉米單作，未施加復合菌)，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+復合菌)比處理3(大豆玉米間作，未施加復合菌)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了玉米植株對磷元素的吸收，同時也對氮元素的吸收有抑制作用，或作物地上干物質的增加導致植株氮、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氮的含量，加速植株對土壤銨態氮和硝態氮的吸收利用，促進植株生長，降低種間競爭作用，同時可挖掘不同作物對氮、磷、鉀高效利用的生物學潛力，促進生物多樣性和生態系統穩定性。

土壤酶來源于微生物細胞并具有一定催化功能，蛋白酶參與土壤中氨基酸、蛋白質以及其他含蛋白質氮的有機化合物的轉化，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，是土壤硝態氮還原的關鍵酶。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，是衡量土壤微環境的重要因子之一。土壤酶活大部分表現為2種作物在間作根際土壤中均大于相應的單作[31]。試驗中，單作模式，處理4(大豆單作+復合菌)與處理1(大豆單作，未施加復合菌)相比，大豆根際土壤脲酶活性極顯著增高，同時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，未施加復合菌)和處理2(玉米單作，未施加復合菌)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+復合菌)比處理3的混合土壤酸性蛋白酶活性極顯著增高。可見，間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，從而促進大豆的生長。

4 結論

試驗結果表明，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+復合菌)與處理3(大豆玉米間作，未施加復合菌)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%，作物混合產量處理6(大豆玉米間作+復合菌)比處理3(大豆玉米間作，未施加復合菌)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化大豆在群體中的空間分布，提高系統混合干物質產量，同時也能促進玉米生長；間作模式下，處理3(大豆玉米間作，未施加復合菌)的土壤(NO3--N)∶(NH4+-N)為4.76∶1，處理6(大豆玉米間作+復合菌)的土壤(NO3--N)∶(NH4+-N)為3.58∶1；處理6(大豆玉米間作+復合菌)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，改善土壤微域環境。總之，接種促生菌的間作模式可在一定程度上促進大豆的生長，減少化肥施用，提高大豆地上生物量及土壤不同營養元素的利用效率，促進群體環境趨于穩定性，是一種較好的種植方式。