魔芋-玉米間作對其產量和根際微生物群落的影響

陳 娜

（貴州開放大學貴州職業技術學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

間作是指在同一塊田地上，于同一生長期內，分行或分帶相間種植兩種或者兩種以上作物的種植模式［1-2］。間作模式已廣泛應用于亞洲、拉丁美洲和非洲等地區，其能充分利用光、水分和養分等自然資源，具有保護生物多樣性和保護生態環境等多種功能［1-3］。大豆和玉米、鷹嘴豆和玉米、甘蔗和玉米、花生和玉米、煙草和甘薯等間作能通過作物的相互作用促進養分的吸收，從而增加作物產量和單位面積生產效應［3-4］。魔芋（Amorphophallus konjacK.Koch）是我國西南地區重要的經濟作物，含有豐富的碳水化合物、維生素A、維生素B 及葡苷聚糖等物質，具有降血壓、降血糖和排毒等功效［5］。魔芋是喜陰涼、忌強光的作物。這就決定了魔芋與高稈作物玉米間作具有較強的優勢，玉米能充分利用上部較強的日照，而矮稈作物魔芋則能利用下部較弱的日照，使作物獲得更佳的品質和更高的產量［2，5］。

根際土壤微生物的多樣性和群落結構的變化反映了土壤的生產力和穩定性，對作物的生長發育影響極大［6-7］。目前，學者對魔芋和玉米間作的研究大多集中在產量與栽培技術上，有關根際微生物的多樣性及細菌的分類研究相對較少。因此，筆者在田間開展試驗，研究魔芋和玉米間作對其產量，以及對根際微生物多樣性和細菌結構群落組成的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地點和時間

種植魔芋品種為HMY，玉米品種為HY。田間試驗地點位于貴州省畢節市魔芋種植基地，土壤pH 值5.86，有機質含量15.2 g/kg，速效氮含量129.7 mg/kg，速效磷含量13.5 mg/kg，速效鉀含量124.3 mg/kg。魔芋種植時間為2021年4月10日，魔芋出苗前10 d（6月2日）播種玉米。魔芋和玉米收獲時間為2021年11月12日。

1.2 試驗方法

試驗設3 個處理，分別為魔芋單作、玉米單作、魔芋-玉米間作，采用隨機區組設計。魔芋和玉米的株行距均為25 cm，魔芋和玉米間作設置為2 行玉米、2 行魔芋的種植模式。氮、磷、鉀肥的施用量分別為300、150、150 kg/hm2。每個處理小區面積為64 m2，設置3 個重復。

在收獲魔芋和玉米后，每個處理隨機選取4 株采集根際土壤樣品，樣品保存于-80 ℃冰箱用于高通量測序。采用高通量測序技術分析土壤微生物的Chao1、Ace 和Shannon 指數，主要采用Mothur 軟件進行分析［8］。

魔芋和玉米收獲后測定作物產量，再測定植株氮、磷、鉀含量，利用火焰光度計法測定鉀含量，利用凱氏定氮法測定氮含量，利用鉬銻鈧比色法測定磷含量［7］。葡苷聚糖含量采用劉艷等［5］研究的方法進行測定。

土地當量比計算公式為

式（1）中：YAic為間作中作物A 的產量，YAsc為單作中作物A 的產量，YBic為間作中作物B 的產量，YBsc為單作中作物B 的產量。當LER＞1 時，表明間作比單作資源利用效率高；當LER＜1 時，表明單作比間作資源利用效率高。

種間相對競爭力計算公式為

式（2）中：Aggre.AB為間作作物A 相對于作物B的資源競爭能力，PA和PB分別為間作中作物A 和作物B 所占面積比例。Aggre.AB＞0，表明作物A 競爭能力強于作物B；Aggre.AB＜0，表明作物B 競爭能力強于作物A。

營養競爭比率計算公式為

式（3）中：PUAic和PUBic分別為間作作物A 和B吸收養分的含量，PUAsc和PUBsc分別為單作作物A和B 吸收養分的含量；PA和PB分別為間作中作物A和作物B 所占面積比例。當CRAB＞1 時，表明作物A 比作物B 的營養競爭能力強；當CRAB＜1 時，表明作物A 比作物B 的營養競爭能力弱［9］。

1.3 數據統計與分析

用Excel 2016 軟件對獲取的數據進行分析，利用SAS 9.0 對數據進行多重比較分析。

2 試驗結果與分析

2.1 不同栽培模式對魔芋、玉米產量和品質的影響

由表1可知，間作提高了魔芋的產量，比魔芋單作顯著提高了9%，但降低了玉米產量，比玉米單作降低了17%。在氮、磷、鉀元素吸收上，間作下魔芋的氮、鉀元素含量顯著高于單作魔芋，分別提高了21%和18%，但兩者磷元素含量差異不顯著。而玉米單作時的氮、磷、鉀元素含量均顯著高于玉米間作。間作魔芋的葡苷聚糖含量比單作的提高了10%。

表1 不同栽培模式對作物產量及其養分含量的影響

2.2 魔芋-玉米間作對種間競爭的影響分析

由表2可知，魔芋-玉米間作模式的土地當量比為1.93。當土地當量比大于1 時，表明間作優勢明顯，即魔芋-玉米間作優于魔芋、玉米單作。從魔芋相對玉米的種間相對競爭力可看出，其值為0.52，大于0，表明魔芋的競爭能力強于玉米。從營養競爭比率上看，魔芋對氮、磷、鉀的競爭比率分別為1.44、1.91和1.52，說明在這兩種作物的間作中，魔芋生長處于優勢地位，玉米處于不利地位。

表2 魔芋-玉米間作模式下種間競爭分析

2.3 不同栽培模式對作物根際微生物多樣性的影響

由表3可知，魔芋-玉米間作提高了其根際微生物的多樣性。在Chao1 指標上，魔芋-玉米間作比魔芋和玉米單作分別提高了12%和10%。魔芋-玉米間作的Ace 和Shannon 指數也比魔芋、玉米單作時高，間作時的Ace 指數比魔芋、玉米單作分別提高了8%和7%，Shannon 指數也有相同的趨勢。

表3 不同栽培模式對作物根際微生物多樣性的影響

2.4 不同栽培模式對根際細菌群落組成的影響

不同栽培模式下魔芋和玉米的根際土壤細菌群落組成存在差異（見表4）。在細菌的門類上，變形菌門（Proteobacteria）、酸枝菌門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）是最豐富的3 個門，占整體細菌群落約60%。魔芋-玉米間作、魔芋單作和玉米單作時土壤中的變形菌門細菌含量占比分別為31.56%、35.74%和37.39%。同時，魔芋-玉米間作提高了根際土壤中酸枝菌門、綠彎菌門（Chloroflexi）和芽單孢菌門（Gemmatimonadetes）細菌的相對豐度。

表4 不同栽培模式下不同門類土壤細菌的相對含量 %

3 討論

通過田間試驗發現，魔芋-玉米間作顯著提高了魔芋的產量和養分含量，而玉米的產量和養分含量比單作有所減少，但土地當量比結果顯示，魔芋-玉米間作要強于單作。這主要是由于高稈作物玉米能為喜陰涼、忌強光的矮稈作物魔芋遮擋上部空間較強的日照，能為魔芋提供適宜的環境，從而提高魔芋的產量和品質［2，5］。通過分析種間競爭情況發現，魔芋的競爭能力強于玉米，表現在間作提高了魔芋的產量和品質，而降低了間作玉米的產量和養分吸收。這說明兩種作物間作時，魔芋的吸收能力顯著強于玉米，玉米處于生長劣勢。

此試驗結果表明，魔芋-玉米間作顯著提高了根際微生物的多樣性，表現在Chao 1、Ace 和Shannon指數顯著高于單作，同時改變了根際細菌在門類上的相對豐度。這是由于根際土壤中存在大量的微生物，其群落結構的改變與土壤類型、根際的養分供給和栽培模式等有著密切的關系［9-12］。栽培模式能影響土壤微生物的活性和多樣性，促進或抑制作物的生長發育［6，13］。筆者研究發現，魔芋-玉米間作因增加了種質的多樣性，從而增加了根際微生物的多樣性。同時，放線菌門中的許多屬被證實為促生菌和生防菌，能促進植物對養分的吸收及防御外來生物的脅迫［14-16］，魔芋和玉米間作增加了根際土壤中酸枝菌門細菌的相對豐度，這可能是促使魔芋產量增加和品質提升的因素之一。但是，根際微生物的群落結構龐大，更多的促生菌和生防菌是否利于魔芋和玉米生長，值得進一步分析和鑒定。

4 結論

魔芋-玉米間作提高了魔芋的產量、養分和葡苷聚糖含量，卻降低了間作玉米的產量和養分含量。魔芋-玉米間作優勢明顯，土地當量比為1.93，同時魔芋的競爭能力要強于玉米。此外，間作顯著提高了根際土壤微生物的多樣性，改變了根際土壤中的細菌群落結構。