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玉米花生带状间作对植株氮吸收和土壤微生物群落的影响

花匠小妙招
2024-12-13 19:39

据联合国粮食及农业组织（FAO）报告，受COVD-19疫情影响，世界饥饿人数持续增加，到2030年实现零饥饿的目标变得更加艰难，粮食安全面临前所未有的挑战[1]。中国耕地面积有限，粮油争地矛盾加剧，既要保证粮食安全生产，又要提高食用植物油自给率。开展禾豆间作不仅高效利用土地资源，增加土地当量比，更重要的是增加农田生物多样性。研究表明，禾豆间作模式不仅可以充分利用自然资源[2]、增加间作系统产量[3]，还可以有效地改善农田生态环境[4]，缓解连作障碍。此外，禾豆间作充分发挥了豆科作物根瘤固氮作用，提高禾本科作物氮吸收利用[5, 6]。玉米花生带状间作轮作已经成为北方地区的重要种植模式。研究表明，玉米花生间作系统氮素积累量增加且更有利于玉米生长[7]，间作优势明显[8]。近年来，针对间作模式下根系互作对氮素吸收影响的研究证实，根系生态位分离[9]、根系种间互作和竞争影响土壤微生物群落结构[10]，进而改善土壤养分运移和作物氮吸收[11]。而针对玉米花生带状间作条件下氮素互促吸收与土壤微生物群落变化机制尚不明确。

玉米（Zea mays L.）是我国重要的粮食作物和饲料作物，是东北地区第一大作物，对保障粮食生产起到重要作用。花生（Arachis hypogaea L.）是我国主要的油料作物和经济作物之一，因具有良好的耐瘠、固氮、培肥地力、经济效益高等特性，在我国河南、山东、河北、辽宁等地区广泛种植。然而，由于常年单作、连作和施用化肥过量导致连作障碍日趋严重，阻碍了作物产量和品质的提高[10]，还破坏了土壤微生物群落的生态稳定性和环境可持续性[12]。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，作物-土壤-微生物的相互作用影响作物生长发育。作物不同种类组合[7]、土壤性质和根系分泌物[13~15]对根际微生物群落结构和功能有影响。例如，与禾本科间作，豆科作物根际中固氮微生物Rhizobium hainanense, Rhizobium leguminosarum 和Frankia丰度增加[16]。此外，间作通过改善土壤理化性质（增加土壤脲酶、蛋白酶、硝酸还原酶活性），提高细菌群落多样性[17]。然而，尚不清楚玉米和花生间作下细菌和真菌群落之间相互联系如何影响作物养分吸收。

因此，本研究利用三代微生物测序平台PacBio结合Illumina高通量测序技术，通过分析玉米单作、花生单作、玉米花生带状间作种植模式下土壤微生物群落结构和多样性及功能的差异，明确地下部分微生物群落变化对植株氮营养吸收利用影响，为优化玉米花生带状间作技术，促进花生产业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2018-2019年在农业农村部东北地区作物栽培科学观测试验站（沈阳农业大学）开展。试验地地势平坦，前季作物为花生，土壤为棕壤土，试验前土壤含有机质15.17g·kg-1、碱解氮 2100.7 mg·kg-1、速效磷27.5 mg·kg-1、速效钾117.9 mg·kg-1、pH 6.5。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组设计，设置玉米单作、花生单作和玉米花生8∶8宽幅带状间作三种种植模式，3次重复。间作玉米行距60 cm，株距25 cm，密度66 670株·hm-2，间作花生的行距60 cm，株距12.3 cm，密度135 508株·hm-2。玉米单作和花生单作行距、株距、种植密度与间作相同，南北向种植，行长10 m，玉米、花生间作幅宽4.2 m，带宽9.6 m，单作玉米和花生分别为24行，单作玉米和花生小区面积分别为144 m2，间作小区面积96 m2（图1）。供试玉米品种为杂交种良玉66，来源于丹东登海良玉种业有限公司，花生品种为农花9号，由沈阳农业大学农学院花生研究所选育。播种时玉米区施用750 kg·hm-2专用复合肥（N-P2O5-K2O=27-13-15），花生区施用750 kg·hm-2专用复合肥（N-P2O5-K2O=14-16-15），其他栽培管理措施同常规大田生产。玉米和花生于2018年5月15日、2019年5月12日同时播种，花生分别于9月24日、9月20日收获，玉米分别于9月27日和9月25日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质积累

于2018-2019年玉米和花生出苗后65 d和120 d在间作玉米边行（IM）、间作花生边行（IP）、间作玉米中间行（MIM）、间作花生中间行（MIP）、玉米单作（SM）和花生单作（SP）分别选取代表性玉米3株和花生3株，3次重复，取样位置见图1。将植株根据根、茎、叶、荚果（籽粒）等不同器官分样，置于烘箱内105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重后，百分之一天平称干重，作为干物质积累。

1.3.2 植株各器官氮积累量

将干物质测定后植株各器官样品粉碎过0.5 mm筛，消煮后取待测原液，采用凯氏定氮法（丹麦FOSS公司， Kjeltec 8400）测定植株各器官氮积累量。

1.3.3 DNA提取、PCR扩增和高通量测序

于2019年花生出苗后65 d，在间作玉米边行（IM）、间作花生边行（IP）、玉米花生间作交互区（II）、玉米单作交互区（SIM）、花生单作交互区（SIP）、玉米单作（SM）和花生（SP）单作采集植株根际土壤，取样位置见图1。去除取样点地表土（0~5cm）后将植株从土壤中小心地连根拔起，并轻轻摇动以除去松散的附着土壤。然后使用无菌刷子收集在根系5~15 cm （距离根尖）处附着紧密的土壤，将每个小区不同取样位置3株植株的根际土壤进行混样，过20目网筛筛净根际土壤[18]，装入15 mL灭菌离心管，3次重复。冰盒保存运送到实验室后储藏在-80℃用于土壤微生物群落总DNA提取和根际土壤微生物测定。

使用DNA 提取试剂盒：PowerSoil® DNA Isolation kit（MoBio Laboratories, Inc., Carlsbad, CA, USA）并按照其说明书步骤对采集到的各组样本称取0.25 g提取样品总DNA。提取样品总DNA后，根据 16S全长引物27F（5’-AGRGTTTGATYNTGGCTCAG-3’）和1492R（5’-TASGGHTACCTTGTTASGACTT-3’），ITS全长引物ITS9munngs（F-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA）和ITS4ngsUni（R-TCCTCCGCTTATTGATATGC）[19，20]合成带有Barcode 的16S和ITS特异引物进行PCR扩增。将PCR产物根据电泳结果用Image J软件定量。定量后，根据每个样品要求的产出数据量及片段大小进行混样。用0.8X的磁珠回收纯化[21,22]。

在PacBio 测序平台，利用单分子实时测序（SMRT Cell）的方法对marker基因进行测序。对原始数据进行拼接（FLASH 20[23]，version 1.2.11），将拼接得到的序列进行质量过滤（Trimmomatic 21 [24]，version 0.33），并去除嵌合体（UCHIME 22 [25]，version 8.1），得到高质量的Tags序列。在相似性97%的水平上对序列进行聚类（USEARCH 23 [26]，version10.0），以测序所有序列数的0.005%作为阈值过滤OUT24[27]，并基于Silva（细菌）和UNITE（真菌）分类学数据库对OTU（operational taxonomic units）进行分类学注释确定门水平。测序数据上传至NCBI数据库，细菌PRJNA728390（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/PRJNA728390），真菌PRJNA728391（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/PRJNA728391）。

1.4 数据和生物学信息分析

采用Microsoft office 2010对玉米和花生地上和地下部分干物质积累和氮积累量进行数据整理，用SPSS 23.0软件对玉米和花生地上和地下部分干物质积累和氮积累量进行单因素方差分析（ANOVA）的Duncan多重比较（P = 0.05）。使用Mothur软件（version v.1.30,http://www.mothur.org/）对根际土壤样品的细菌群落和真菌群落进行Alpha 多样性分析。联川生物云平台工具（https://www.omicstudio.cn/tool）进行细菌和真菌群落Sphearman相关性分析。使用PICRUSt软件通过比对16S/ITS测序数据获得的物种组成信息，推测样本中的功能基因组成，分析不同样本或分组之间在功能上的差异，对不同组间进行T-test检验，P-value阈值为0.05（<0.05表示显著）。使用FUNGuild（Fungi Functional Guild）分类解析真菌OTU功能，按照营养方式将真菌分为三大类：寄生营养型（Paratroph）、共生营养型（Symbiotroph）和腐生营养型（Saprotroph）。

2 结果与分析

2.1 玉米花生带状间作对植株干物质积累和氮积累量的影响

2018-2019年，玉米和花生的干物质积累变化趋势基本相似（表1）。间作增加了IM地上和地下部的干物质积累和总干物质积累量。出苗后65 d，IM地下部的干物质积累显著高于MIM。出苗后120 d，IM地上部干物质积累显著高于MIM。SP各部分干物质积累高于MIP和IP， 120 d表现显著。可见，间作增加了边行玉米干物质积累，表现明显的边行优势。而边行花生地上和地下部的干物质积累小于单作和间作中间行花生。

表1 不同种植模式下玉米和花生干物质积累

Table 1 Dry matter weight of maize and peanut under different planting patterns （g•plant-1）

出苗后天数

After seedling emergence/d

样品

Sample

地下部

Underground Dry Matter Weight

地上部

Aboveground Dry Matter Weight

总干物质积累

Total Dry Matter Weight

2018 2019 2018 2019 2018 2019 65 d SM 55.80±8.40ab 50.73±12.48ab 217.27±13.67ab 193.72±43.32a 273.07±11.85b 244.44±46.3ab IM 69.07±0.31a 86.03±47.22a 247.30±12.25a 259.84±22.75a 316.37±12.15a 345.87±68.53a MIM 51.02±7.37b 45.05±9.04b 211.77±13.15b 156.63±10.49a 262.79±17.88b 201.68±14.35b SP 3.81±1.86a 2.59±0.96a 18.15±2.49a 12.27±3.16a 21.96±3.20a 14.86±3.82a IP 2.06±0.64a 2.10±0.18a 12.41±2.49a 10.71±1.81a 14.47±3.00a 12.82±1.96a MIP 2.53±0.19a 2.18±0.21a 16.15±3.68a 11.41±1.19a 18.68±3.75a 13.59±1.40a 120 d SM 38.33±10.33a 82.30±8.34a 532.85±62.36b 602.37±81.56b 571.18±59.46a 684.67±88.23a IM 75.03±22.84a 106.47±5.95a 538.20±44.12a 619.96±39.93a 613.23±56.48a 726.43±45.02a MIM 38.10±5.24a 60.03±2.79a 489.70±21.13b 571.87±29.61c 527.80±26.33a 631.90±29.64a SP 19.97±3.29a 14.40±3.26a 16.10±2.65a 12.63±1.24a 36.07±5.02a 27.03±3.41a IP 13.17±2.21b 7.80±1.63b 7.60±0.70b 5.37±0.62a 20.77±2.56b 13.17±1.52b MIP 19.33±2.40b 13.57±3.42a 11.40±0.45ab 11.50±1.37a 30.73±2.11a 25.07±4.79a注：SM：玉米单作；SP：花生单作；MIM：间作玉米中间行；MIP：间作花生中间行；IM：间作玉米边行；IP：间作花生边行；II：间作玉米花生交互区；不同小写字母代表显著性差异水平P=0.05Note: SM: the sole maize; SP: the sole peanut; MIM: the middle of intercropped maize; MIP: the middle of intercropped peanut; IM: intercropped maize; IP: intercropped peanut; II: the shared soil of intercropped maize and peanut. Different lowercase letters represent significant difference level P =0.05

由表2可知，2018-2019年，间作模式下，玉米和花生的地上和地下部氮积累量的变化趋势相似。在出苗后65 d和120 d，IM地上和地下部的氮积累量显著高于SM。其中，在出苗后65 d时地下部氮积累量增幅达到189.87%（2018年）和45.28%（2019年），在玉米出苗后120 d时地上部氮积累量增幅达62.18%（2018年）和92.38%（2019年）。IP地上部氮积累量显著小于SP。IP地上和地下部氮积累量小于SP和MIP。与SP相比，地上部变化显著，在出苗后65天，花生地上部氮积累量下降幅度达到32.33% （2018年）和43.89%（2019年）。在出苗后120 d，花生地下部氮积累降幅达到31.33% （2018年）和53.04%（2019年）。可见，间作边行玉米发挥边行优势，显著增加氮积累量，表现较高的氮竞争能力。间作边行花生受到抑制，氮积累降低。

表2 不同种植模式下玉米和花生氮积累量

Table 2 Nitrogen accumulation of maize and peanut under different planting patterns / （mg·kg-1）

出苗后天数

After seedling emergence/d

样品

Sample

地下部 Underground Dry Matter Weight 地上部 Aboveground Dry Matter Weight 2018 2019 2018 2019 65d SM 495.13±66.77b 771.48±147.69b 1538.62±59.20b 1440.35±384.82b IM 1435.23±40.31a 1120.83±199.93a 1937.06±53.12a 2312.79±186.61a MIM 733.89±89.99b 805.40±42.63b 1584.28±52.49b 1701.76±423.30ab SP 77.20±0.08a 56.41±0.06a 519.36±0.52a 502.63±0.50a IP 39.54±0.04a 51.39±0.05a 351.46±0.35b 282.03±0.28b MIP 95.19±0.10a 59.20±0.06a 449.62±0.45ab 328.82±0.33b 120d SM 4750.30±171.69b 4472.05±721.46b 1290.25±17.44b 1447.84±307.20b IM 6534.23±323.53a 7121.15±218.32a 2092.50±224.26a 2785.39±571.52a MIM 5136.11±431.84b 5544.28±1968.01ab 1475.80±163.85b 2660.96±120.63a SP 419.87±0.42a 482.25±0.48a 182.30±0.18a 338.56±0.34a IP 288.34±0.29b 226.46±0.23b 166.13±0.17a 111.00±0.11b MIP 429.70±0.43a 233.48±0.23b 179.40±0.18a 126.36±0.13b注：SM：玉米单作；SP：花生单作；MIM：间作玉米中间行；MIP：间作花生中间行；IM：间作玉米边行；IP：间作花生边行；II：间作玉米花生交互区；不同小写字母代表显著性差异水平P = 0.05Note: SM: the sole maize; SP: the sole peanut; MIM: the middle of intercropped maize; MIP: the middle of intercropped peanut; IM: intercropped maize; IP: intercropped peanut; II: the shared soil of intercropped maize and peanut. Different lowercase letters represent significant difference level P =0.05

2.2 玉米花生带状间作对土壤微生物群落结构的影响

经测序分析，本研究玉米与花生间作土壤中的细菌群落分为19个细菌门、36纲、80目、116科、242属、267种。变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）（相对丰度超过10%）是优势细菌门，约占55.7%~60.9%（图2A）。其次，浮霉菌门（Planctomycetes）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、疣微菌门（Verrucomicrobia）、放线菌门（Actinobacteria）和硝化螺旋菌门（Nitrospirae）相对丰度超过1%。与SM比，IM增加了浮霉菌门（Planctomycetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、疣微菌门（Verrucomicrobia）、放线菌门（Actinobacteria）、氯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）丰度，增幅约17.59%~305.73%。除此之外，与SP相比，IP酸杆菌门（Acidobacteria）相对丰度也增加了，增幅约12.51%。与SIP和SIM相比，II变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）丰度增加，增幅约0.29%~16.11%。

图2 不同种植模式下根际土壤门类水平相对丰度排名前10的细菌和真菌注：图A：细菌相对丰度；图B：真菌相对丰度；图C：细菌和真菌群落相关性分析。SM：玉米单作；SP：花生单作；SIM：玉米单作交互区；SIP：花生单作交互区；IM：间作玉米边行；IP：间作花生边行；II：间作玉米花生交互区。不同小写字母代表显著性差异水平P=0.05

Fig. 2 Top 10 of bacteria and fungi in the relative abundance of rhizosphere soil at the phylum level under different planting patterns

Note: Fig.A: Relative abundance of bacteria; Fig.B: Relative abundance of fungi; Fig.C: Correlation analysis between bacteria and fungi. SM: the sole maize; SP: the sole peanut; SIM: the soil of sole maize；SIP: the shared soil of sole peanut; IM: intercropped maize; IP: intercropped peanut; II: the shared soil of intercropped maize and peanut. Different lowercase letters represent significant difference level P =0.05

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经测序分析，本研究玉米与花生间作土壤中的真菌群落分为10个真菌门、29纲、74目、147科、268属、371种。子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）（相对丰度超过10%）是优势真菌门，约占49.1%~66.8%（图2B）。其次，Mucoromycota、壶菌门（Chytridiomycota）、Mortierellomycota和球囊菌门（Glomeromycota）丰度超过1%。与SM比，IM子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）、Kickxellomycota、Entomophthoromycota丰度增加了，增幅26.35%~54.36%。除此之外，IP Mucoromycota、球囊菌门（Glomeromycota）、Zoopagomycota、隐真菌门（Cryptomycota）丰度也增加了，增幅3.36%~179.96%。与SIP和SIM相比，II子囊菌门（Ascomycota）、Mucoromycota、球囊菌门（Glomeromycota）、Entomophthoromycota和隐真菌门（Cryptomycota）丰度增加，增幅3.53%~126.47%。

细菌和真菌群落相关性分析表明，土壤中细菌与真菌存在复杂相关性。变形菌门（Proteobacteria）与子囊菌门（Ascomycota）呈正相关（r=0.073），而与担子菌门（Basidiomycota）呈负相关（r=-0.617）。酸杆菌门（Acidobacteria）与子囊菌门（Ascomycota）呈负相关（r=-0.617），而与担子菌门（Basidiomycota）呈正相关（r=0.291）。放线菌门（Actinobacteria）与子囊菌门（Ascomycota）呈负相关（r=-0.060），而与担子菌门（Basidiomycota）呈正相关（r=0.574）（图2C）。

2.3 玉米花生带状间作对土壤微生物多样性的影响

IM细菌和真菌的OTUs分别比SM少9.7%和10.4%。同时, 在Ⅱ中细菌和真菌OTUs比SIP、SIM少。但是，IP中OTUs变化不同，细菌的OTUs比SP少3.9%，而真菌IP的OTUs比SP多7.9%（表3）。Alpha多样性指数分析表明，除IP真菌多样性和丰富度高于SP外，间作细菌和真菌群落多样性和丰富度均小于单作（表3）。其中，IP细菌丰富度明显小于SP（表3）；II真菌多样性和丰富度明显高于SIM；IM真菌多样性和丰富度小于SM（表3）。

表3 Alpha多样性指数和OTUs个数

Table 3 Alpha diversity index and number of OTUs

样品

Sample

OTUs Shannon Simpson Ace Chao 细菌 Bacteria 真菌 Fungi 细菌 Bacteria 真菌 Fungi 细菌 Bacteria 真菌 Fungi 细菌 Bacteria 真菌 Fungi 细菌 Bacteria 真菌 Fungi IM 1689.67±223.01a 334.33±53.51a 10.19±0.09a 6.36±0.14b 0.9987±0.0001a 0.966±0.005a 2851.02±94.33a 354.94±50.24a 2643.34±105.25a 354.54±49.77a SM 2139.67±149.98a 370.00±41.53a 10.39±0.08a 6.83±0.08a 0.9986±0.0001a 0.976±0.002a 3042.87±65.30a 393.30±37.68a 2981.87±96.99a 389.68±35.80a IP 2100.00±150.30a 364.67±25.95a 10.36±0.03a 6.64±0.16a 0.9986±0.0001a 0.974±0.004a 2984.60±32.82b 388.66±28.91a 2865.98±35.20a 390.51±28.48a SP 2193.00±132.86a 339.00±24.91a 10.42±0.04a 6.62±0.15a 0.9984±0.0002a 0.972±0.002a 3174.60±8.63a 349.10±18.06a 3024.28±15.51b 352.29±18.20a II 2118.33±169.00a 259.00±40.60b 10.38±0.05a 5.88±0.50a 0.9987±0.0000a 0.937±0.029a 2986.89±59.14a 265.84±29.60a 2866.18±69.48a 267.59±28.04b SIM 2216.67±78.27a 369.67±29.77a 10.49±0.02a 6.86±0.06a 0.9988±0.0000a 0.977±0.001a 3159.75±51.38a 385.01±25.54a 3008.76±58.45a 389.01±25.95a SIP 2209.67±136.79a 286.67±34.10ab 10.46±0.08a 6.35±0.08a 0.9987±0.0002a 0.962±0.003a 3020.92±87.10a 297.00±31.57a 2921.28±73.27a 296.74±29.99ab注：SM：玉米单作；SP：花生单作；SIM：玉米单作交互区；SIP：花生单作交互区；IM：间作玉米边行；IP：间作花生边行；II：间作玉米花生交互区。不同小写字母代表显著性差异水平P=0.05Note: SM: the sole maize; SP: the sole peanut; SIM: the shared soil of sole maize；SIP: the shared soil of sole peanut; IM: intercropped maize; IP: intercropped peanut; II: the shared soil of intercropped maize and peanut. Different lowercase letters represent significant difference level P =0.05

2.4 玉米花生带状间作对土壤微生物群落功能的影响

通过KEGG功能代谢途径预测分析发现，一级功能层中代谢（Metabolism）途径是细菌群落主要的生物功能（图3A）。氨基酸代谢（Amino acid transport and metabolism）、碳水化合物代谢（Carbohydrate transport and metabolism）、细胞壁/细胞膜/细胞被膜的生物发生（Cell wall/ membrane/envelope biogenesis）、次生代谢产物生物合成、运输和分解代谢（Secondary metabolites biosynthesis, transport and catabolism）、信号转导机制（Signal transduction mechanisms）和转录子功能（Transcription）在二级功能层中所占相对丰度较高（图3B）。通过FUN Guide预测真菌群落功能发现，间作丰富了共生营养型真菌种类，减少了寄生型营养真菌种类。其中子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）两种真菌所占的相对丰度较高（图3C）。可见，玉米花生带状间作丰富土壤细菌群落的功能多样性，减少了寄生型营养真菌种类，改善了土壤微生态环境。

图3 细菌和真菌群落功能注释注：图A和图B：为基于KEGG功能代谢途径预测细菌群落功能；图C为通过FUN Guide预测真菌群落功能

Fig. 3 Functional annotations for bacterial and fungal communities

Note: Fig.A,B: Functional annotations for bacterial communities by KEGG; Fig.C: Functional annotations for fungal communties by FUN Guide

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3 讨论

3.1 玉米花生带状间作增加边行玉米干物质积累和氮积累量

干物质积累是反映作物生长发育状况的指标之一[5]。禾豆间作模式下，禾本科作物处于竞争优势，表现积极的边行优势[28]。本试验研究结果表明，间作增加了边行玉米地上和地下部分的干物质积累和总干物质积累量，在玉米出苗后65 d时，边行玉米总干物质积累量显著高于单作玉米和间作中间行玉米（表1）。间作降低了边行花生地上和地下部分的干物质积累和总干物质积累量，120 d时边行花生总干物质积累显著低于单作花生和间作中间行花生（表1）。高秆作物玉米具有较强的资源获取能力和竞争能力，相反，边行花生受到玉米遮荫影响，光合作用减弱，导致植株有效辐射减少，进而影响花生干物质积累[29，30]。

本研究间作条件下，玉米充分发挥边行优势，增加根系氮积累（表2），促进玉米氮营养吸收利用。花生受玉米遮阴影响，植株氮积累量较低（表2）。禾本科与豆科间作明显促进禾本科作物氮积累[10]。这可能是由于玉米氮竞争能力强，吸收氮营养较花生多，边行花生根系氮水平降低，从而促进花生固定的氮素向玉米转移[31]，促进玉米的干物质积累。玉米花生间作地下根系交互作用以及分泌的化学物质促进花生根系固定的氮素向玉米根区转移以及玉米吸收氮素[12]。。

3.2 玉米花生带状间作降低玉米根际土壤细菌群落多样性增加花生根际真菌群落多样性

土壤微生物群落数量和多样性反应土壤微生物种类和功能，进而影响土壤肥力状况和作物体内养分积累、吸收、转运。覃潇敏等[6]、伏云珍等[32]研究发现，与单作玉米相比，玉米与马铃薯间作提高了玉米根际细菌多样性指数和丰富度指数，但差异不显著。林洪鑫等[33]研究发现，间作花生后对木薯根际细菌多样性无显著影响，间作略高于单作。本研究发现，间作玉米和间作交互区根际土壤细菌和真菌OTUs、多样性和丰富度分别小于单作（表3）。相关研究认为，间作花生分泌的有机酸影响玉米根系分泌物的单糖含量，使得玉米根际吸附的细菌和真菌减少，根际土壤OTUs个数较单作降低[34~36]。植物多样性对土壤细菌群落多样性影响不明显，但明显改变了细菌群落结构[37]。本研究中，间作花生根际真菌多样性和丰富度高于单作花生，并且交互区真菌多样性和丰富度明显高于单作玉米交互区（表3）。这与小麦蚕豆间作[38]、甘蔗花生间作[39]显著提高蚕豆和花生土壤真菌数量研究结果相似。受作物类型、根系分泌物、土壤性质、气候温度等因素的影响，导致土壤中微生物群落组成和结构不同。Li等[40]研究发现，玉米蚕豆间作下，玉米根系分泌物中黄酮类化合物会促进蚕豆根中黄酮类化合物合成，上调固氮相关蛋白质基因表达和活性。由于类黄酮和独角金内酯在豆科植物根系环境中增加，刺激根瘤菌和从枝菌根真菌信号分子与其形成共生关系。不仅帮助植物高效吸收土壤中的养分，还以脂肪酸的形式提供碳源，促进真菌生长繁殖[41]。此外，细菌和真菌共存于土壤中并相互作用。玉米花生间作后，间作花生根际真菌多样性和丰富度的增加表明种间作用优化了细菌和真菌群落之间的平衡。

3.3 玉米花生带状间作对根际土壤细菌/真菌群落结构和功能的影响

与单作相比，间作土壤环境中微生物群落组成有一定差异性。本研究中，变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）是主要优势细菌（图2A），与前人发现结果一致[42]。本研究中，较单作交互区相比，间作交互区中变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度增加（图2A）。前人分析认为，变形菌门参与土壤碳、氮、硫循环[43]，放线菌门在分解土壤有机质发挥重要作用[44]。可见，玉米花生间作的种间相互作用丰富了优势细菌相对丰度，为优势细菌群落繁殖提供充足碳源和氮源，维持农田生态系统稳定性[45]。土壤微生物群落结构的改变影响其功能变化。通过KEGG代谢途径分析发现，氨基酸代谢（Amino acid transport and metabolism）、碳水化合物代谢（Carbohydrate transport and metabolism）所占相对丰度高（图3B）。这与对马铃薯玉米间作下细菌群落功能预测结果相似[31]。变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）参与氨基酸代谢、碳水化合物的运输和代谢可提供更多碳源和氮源，增强微生物活动，促进细菌繁殖[46]。可见，玉米花生间作地下部分根系交互作用通过影响根系分泌物的组成和数量，调节根际微生物群落，丰富物种功能多样性。

本研究中，子囊菌门和担子菌门是优势真菌门。与单作玉米相比，间作玉米增加子囊菌门的相对丰度，担子菌门相对丰度在间作玉米和间作花生根际均增加（图2B）。瓮巧云等[34]研究表明玉米大豆间作降低玉米根际担子菌门丰度，可能是由于土壤条件、作物品种不同所致。土壤真菌对作物残体和肥料中的有机质进行分解，有利于土壤养分供应和作物生长。子囊菌门类下存在一些有益生防菌，与植株形成共生体，在缓解连作障碍、改善土壤理化性质、加速氮循环吸收利用和增加植株抗逆性上发挥作用[47]。变形菌门与子囊菌门呈正相关，且在交互区二者相对丰度增加（图2C），进一步说明二者间潜在的互利共生关系可能促进种间作用发挥。此外，仍有许多真菌为植物病原菌，引起真菌病害[35]。本研究间作条件下，壶菌门（Chytridiomycota）相对丰度与单作相比降低（图2B）。间作改变土壤微生态环境，减少病原菌，抑制植株病虫害发生，提高产量和品质。本研究中，优势功能群腐生营养型较为丰富，主要为子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）（图3C）。前人研究报道，腐生营养型真菌可通过降解死亡的宿主细胞获取养分，与有机物分解和养分循环密切相关，还可以产生一系列水解酶和氧化酶，有助于碳水化合物的分解增加土壤有机质的养分[48]。因此，土壤中腐生真菌丰度增加，促进玉米花生间作土壤养分循环，改善作物养分吸收。与单作相比，玉米花生间作土壤微生态环境复杂，微生物与植物间相互依赖，对进一步明确植物养分吸收机制提供理论基础。这些结果表明，玉米花生间作模式下根系间存在交错叠加作用以及分泌的次生代谢物质，促进根际真菌菌落生长繁殖，改善了微生物多样性[49]。

4 结论

玉米花生间作增加了间作花生和间作交互区根际土壤真菌群落多样性和丰富度，优化了细菌和真菌群落之间的平衡，改善根际土壤微生态环境。变形菌门、子囊菌门等有益菌相对丰度增加，有利于微生物氨基酸代谢和碳水化合物运输、代谢，提高间作区域土壤养分供应能力，进而增加玉米植株氮含量和干物质积累。可见，玉米花生间作可通过刺激土壤微生物群落结构和功能变化，调控作物养分吸收，为玉米花生带状间作下根际土壤微生物群落变化促进氮素吸收利用提供理论依据。

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