马铃薯是宁夏南部山区主栽作物, 近年来随着山区农业产业结构调整以及马铃薯淀粉加工业的发展, 种植面积逐年增加^[1]。据2013年不完全统计, 宁夏南部山区马铃薯种植面积已由20世纪80年代的6.8万hm²上升至20多万hm^2[2]。随着马铃薯种植面积急剧增加, 大面积单一种植改变了传统的“冬小麦—冬小麦—马铃薯 (豆类、小杂粮)”的轮作制度, 导致马铃薯与其他作物轮作倒茬困难。马铃薯重茬、迎茬种植, 轮作倒茬年限不够的问题也愈加突出, 为解决这一难题, 应该合理应用马铃薯的间、套作技术。

间、套作有集约农业资源, 实现农业高产的优点^[3]; 间、套作能利用作物对养分吸收利用的差异, 从根本上解决作物养分吸收的不平衡; 也可以利用作物生物学特征的差异及其在时间、空间上的互补性, 使田间微环境更有利于作物的生长发育^[4]。当不同作物种植在一起时, 负的 (竞争) 或正的 (互利) 作用可能同时出现^[5]。种间竞争通过对有限资源的分享或化感作用, 抑制作物的生长^[6]; 而种间互利则通过改变可利用资源的环境条件促进作物生长^[7]。因此, 当增加了种间互利, 减少了种间竞争, 间、套作系统就可以更有效地利用环境资源, 增强作物的可持续性生产。张昌雷等^[8]的研究表明, 玉米/大豆间作有利于2种作物各生育时期对磷的吸收, 并产生明显的利用优势。玉米/大豆条带间作, 玉米产量在毗邻宽行的位置提高了20%~24%, 而大豆产量却降低10%~15%^[9]。玉米/红薯套作和玉米/大豆间作较玉米单作增产率分别达75.7%和47.5%^[10]。董艳等^[11]研究发现, 与单作相比, 小麦/蚕豆间作显著增加了蚕豆根际的细菌、真菌、放线菌数量和微生物多样性。但柴强等^[12]研究认为, 小麦/蚕豆间作在保持土壤微生物多样性方面不存在优势。这些矛盾的结果表明, 间作种间关系对土壤微生物多样性的影响是复杂的。目前, 关于作物种间相互作用的研究多集中在以禾谷类、豆科为基础的农作系统或者是禾谷类-禾谷类的系统中。因此, 我们假设玉米 (禾本科) 与持续单作的马铃薯 (茄科) 间作栽培能调节土壤微生物群落结构与功能, 改变土壤养分状况、缓解马铃薯长期单作的影响, 提高马铃薯产量。

试验以马铃薯/玉米单作、间作栽培体系为研究对象, 利用3:2的间作条带比, 分析了在受间作作物种间关系影响下, 土壤理化性状与土壤微生物群落功能、结构变化的关系, 以及间作栽培的产量效应; 旨在为缓解宁夏南部山区长期单作导致的马铃薯连作障碍, 为建立科学的间、套作栽培模式, 提供理论依据。

试验地点位于宁夏固原市隆德县沙塘镇和平村 (105.48°—103.15°E, 35.21°—35.47°N), 该区域海拔1 883 m, 年均降水量502 mm, 年蒸发量1 370 mm, 年有效积温为2 014 ℃。供试土壤为黑垆土, 土壤有机质33.28 g/kg、全氮1.65 g/kg、全磷1.35 g/kg、碱解氮70.00 mg/kg、速效磷49.24 mg/kg、速效钾380 mg/kg、pH 8.37(水土比5:1)。

试验地点选择在连续单作3年的马铃薯田块上, 采用单因素随机区组试验设计, 3个处理：马铃薯持续单作 (P)、玉米单作 (M)、马铃薯/玉米3:2条带间作 (P/M), 小区面积为10 m×5 m、设4次重复, 试验连续定位重复2年。马铃薯、玉米行距均为50 cm, 马铃薯株距均为40 cm, 玉米株距为35 cm。各处理施用底肥一致 (磷酸氢二铵：375 kg/hm²、尿素：75 kg/hm²), 全生育期不追肥。2014年马铃薯供试品种为庄薯3号 (晚熟, 生育期150 d), 2015年马铃薯供试品种为青薯9号 (中晚熟, 生育期125 d), 玉米均为长城706(生育期135 d)。试验作物均于当年4月25日播种, 在早霜后的第2日至第3日收获 (10月6日)。从2014年开始, 在马铃薯薯块膨大期, 选择马铃薯与玉米毗邻的一行, 距马铃薯与玉米等距离的地方进行取样; 单作马铃薯取样与之相同, 为二行马铃薯的中间点取样。取样方式均为多点取样, 采集样品均为0~30 cm土层土壤, 混合均匀后放入无菌袋, 用冰盒带回实验室, 存于4 ℃冰箱, 用于土壤微生物群落结构及功能多样性、微生物生物量分析; 部分样品自然风干, 用于土壤理化分析; 作物成熟后, 测定产量。

种间相对竞争能力是衡量一种作物相对另一种作物对资源竞争能力大小的指标, 马铃薯相对玉米对资源竞争能力计算公式^[13]：

产量竞争优势=[(Y_IP+Y_IM)－(Y_MP×P_P+Y_MM×P_M)]/(Y_MP×P_P+Y_MM×P_M);

A_PM=Y_IP/(Y_MP×P_P)-Y_IM/(Y_MM×P_M)。

式中：A_PM为马铃薯相对玉米的资源竞争能力; P_P、P_M为间作时马铃薯、玉米所占面积比例; Y(yield) 表示作物经济产量; IP (intercropping potato) 表示间作马铃薯; IM (intercropping maize) 表示间作玉米; MP (monoculture potato) 表示单作马铃薯; MM (monoculture maize) 表示单作玉米。当A_PM>0, 表明马铃薯种间竞争能力强于玉米; 反之, 玉米种间竞争能力强于马铃薯。

土壤有机质、全氮、碱解氮分别采用重铬酸钾容量法和半微量凯氏法及碱解扩散法测定; 土壤全磷、速效磷含量分别采用HClO₄-H₂SO₄消煮钼锑抗比色法和Olsen法; 速效钾含量测定采用NH₄OAc浸提火焰光度法^[14]。土壤细菌、真菌及放线菌分别以牛肉膏蛋白胨琼脂、马铃薯-蔗糖琼脂和改良高氏1号作为培养基, 采用稀释平板法测定^[15]。

土壤微生物功能多样性的测定采用BIOLOG ECO板的方法^[16]。土壤微生物磷脂脂肪酸的测定：称取相当于4 g干土质量的新鲜土壤样品于培养瓶中, 利用2:1的甲醇:三氯甲烷溶液 (105 mL) 和0.05 mol/L的磷酸盐缓冲液 (pH 7.4, 30 mL)、无菌超纯水 (36 mL)、三氯甲烷 (36 mL) 振荡、摇匀, 在黑暗中培养22 h; 滤液旋转浓缩, 磷脂采用活化硅胶柱分离, 磷脂脂肪酸甲酯采用碱性甲醇分解, 进行分离, 经甲酯化后采用Agilent 6850型气相色谱仪, 在进样口温度为300 ℃、H₂流量为30 mL/min、色谱柱为Agilent HP-5MS, 30 m×250 μm×0.25 μm, H₂流速30 mL/min, MIDI Sherlock脂肪酸图谱微生物鉴定系统分析待检样品。

采用DPS 9.30进行方差分析; 使用Canoco 4.5软件进行多元数据统计分析。

由表 1可见, 与单作当年马铃薯薯块膨大期土壤相比, 定位连续间作栽培2年后, 土壤全磷、碱解氮、速效磷、速效钾含量随间作种植年限增加有降低的趋势。土壤中全磷、碱解氮、速效磷、速效钾的含量与单作马铃薯相比分别下降了35.66%、36.36%、44.01%、34.03%, 相比差异极显著; 间作栽培第1年, 土壤有机质和全氮与对照组相比差异不明显, 但间作第2年, 土壤中有机质、全氮含量和对照相比均有提升, 其中有机质增长幅度可达对照处理的13.09%;但全氮的变化幅度不大, 相比差异不显著。分析认为, 间作体系土壤有机质的增加可能是由于不同作物的根系分布在不同土层深度, 种间相互作用促进作物根系分泌物的增加, 作物枯落物的累积使不同土层深度的土壤微生物、土壤原生动物的活性增强, 从而使土壤中有机质含量增加。这同THIERFELDER等^[17]2012年发现沙壤低碳土壤上间作碳含量增加31%的结果是一致的。可见, 连续2年的马铃薯/玉米定位间作栽培显著影响了土壤环境。

表1(Table 1)

表1 马铃薯/玉米间作栽培对土壤化学性状的影响 Table 1 Effects of potato intercropped with maize on soil chemical characteristics

表1 马铃薯/玉米间作栽培对土壤化学性状的影响 Table 1 Effects of potato intercropped with maize on soil chemical characteristics 处理 Treatment w(全氮) Total nitrogen/ (g/kg) w(全磷) Total phosphorus/ (g/kg) w(有机质) Organic matter/ (g/kg) w(碱解氮) Available nitrogen/ (mg/kg) w(速效磷) Available phosphorus/ (mg/kg) w(速效钾) Available potassium/ (mg/kg) P 1.07±0.06Aa 1.29±0.03Aa 16.12±0.01Bb 69.22±2.41Aa 45.68±5.62Aa 241.26±5.89Aa P/M (1Y) 1.11±0.02Aa 1.17±0.03Ab 16.49±0.57Bb 57.73±3.23Bb 42.37±1.70Aa 224.75±0.00Ab P/M (2Y) 1.14±0.03Aa 0.83±0.09Bc 18.23±0.36Aa 44.05±3.98Cc 25.57±1.07Bb 159.05±12.13Bc   P：单作马铃薯; P/M：马铃薯/玉米; 1Y：1年; 2Y：2年。同列数据后的不同大、小写字母分别表示在P < 0.01和P < 0.05水平差异有统计学意义。   P：monoculture potato; P/M: potato/maize; 1Y: one year; 2Y: two year. Values within a column followed by different capital and lowercase letters are significant differences at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

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连续定位马铃薯/玉米试验2年后 (表 2), 土壤微生物群落中细菌、真菌、放线菌群落数量与对照相比均有所增加。土壤微生物群落结构组成中, 马铃薯间作处理土壤细菌、真菌、放线菌数量的分布规律基本一致, 整体表现为细菌数量最多, 占微生物总群落数的90.48%~93.45%;放线菌数量次之, 占6.54%~9.52%;真菌所占比例最小, 仅为总群落数的0.003 0%~0.005 3%。与间作栽培第1年相比, 细菌菌落数量差异不显著, 而放线菌菌群数量略有升高, 真菌数量略有降低。可见, 间作栽培影响了土壤环境, 改变了土壤微生物群落的结构组成, 使细菌种群数量和细菌占总群落数的比例有逐步增加的趋势。

表2(Table 2)

表2 马铃薯/玉米间作栽培对土壤微生物群落结构组成的影响 Table 2 Effect of potato intercropped with maize on soil microbial community structure

表2 马铃薯/玉米间作栽培对土壤微生物群落结构组成的影响 Table 2 Effect of potato intercropped with maize on soil microbial community structure 处理 Treatment 细菌 Bacteria/ (107 CFU/g) 放线菌 Actinomycetes/ (106 CFU/g) 真菌 Fungi/ (102 CFU/g) 总群落数 Total microbial communities/ (107 CFU/g) 细菌占总 群落数比例 Bacteria/total microbial communities/% 放线菌占总 群落数比例 Actinomycetes/ total microbial communities/% 真菌占总 群落数比例 Fungi/total microbial communities/% P 1.00±0.02Bb 1.06±0.03Bb 3.27±0.21Cc 1.109 90.479 9 9.517 1 0.003 0 P/M (1Y) 1.50±0.06Aa 1.05±0.04Bb 8.49±0.36Aa 1.610 93.453 0 6.541 7 0.005 3 P/M (2Y) 1.54±0.17Aa 1.38±0.13Aa 6.68±0.99Bb 1.679 91.784 8 8.211 2 0.004 0   P：单作马铃薯; P/M：马铃薯/玉米; 1Y：1年; 2Y：2年。同列数据后的不同大、小写字母分别表示在P < 0.01和P < 0.05水平差异有统计学意义。   P：monoculture potato; P/M: potato/maize; 1Y: one year; 2Y: two year. Values within a column followed by different capital and lowercase letters are significant differences at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

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土壤细菌群落水平生理代谢剖面结果显示 (图 1), 连续2年定位间作栽培后, 土壤微生物群落在培养96 h后对土壤碳源利用能力产生了显著性差异。马铃薯/玉米间作处理, 土壤微生物对多聚化合物、胺类化合物的利用能力较强; 和当年连续单作马铃薯相比, 土壤微生物群落对这2种碳源利用能力分别提高了36.06%和19.60%, 相比差异显著; 虽然间作条件下土壤微生物群落对羧酸类化合物、碳水化合物、芳香化合物的利用也有提升, 但增幅不明显, 平均仅为0.69%~8.74%, 与当年连续单作马铃薯相比差异不显著。图 1中也发现, 当连续单作马铃薯调整为玉米单作种植2年后, 单作玉米处理明显降低了土壤微生物群落对土壤各类碳源的利用能力, 其中微生物群落对芳香化合物的利用能力最低, 仅相当于间作栽培处理的7.90%, 对碳水化合物、胺类化合物的利用能力, 也仅相当于间作处理的77.09%和30.84%。可见, 间作栽培及作物种类的变化能够显著影响土壤微生物群落的功能多样性, 间作栽培丰富了微生物群落的功能多样性，提升了以多聚、胺类化合物为碳源基质的功能微生物的种群数量。

图1(Figure 1)

不同小写字母表示同一处理不同栽培模式间在P < 0.05水平差异有统计学意义。 Different lowercase letters above the columns indicate statistically significant of the same treatment among different intercropping patterns at the 0.05 probability level. 图1 不同栽培模式对土壤微生物群落碳源利用能力的影响 Fig. 1 Effects of different potato intercropping patterns on the ability of soil carbon source utilization by soil microbial community

Shannon指数反映了群落物种及其个体分布均匀程度的综合指标, 受群落物种丰富度影响较大; Mclntoch指数则反映土壤中微生物群落均匀度; Simpson指数反映了群落中最常见的物种的优势度^[18]。由图 2可见, 土壤微生物群落的Shannon指数、Mclntoch指数、Simpson指数整体表现为间作栽培＞连作马铃薯＞单作玉米。与单作玉米相比, 间作土壤微生物类群的3种多样性指数分别提高了12.37%、54.99%、29.69%, 但与单作马铃薯相比, 多样性指数的差异并不明显。由于试验中微生物群落代谢功能多样性主要利用可培养的微生物群落功能多样性来评价, 这可能限制了在土壤中不能培养但占优势地位的微生物群落的功能表现。尽管马铃薯/玉米栽培模式有较高的细菌种群数量 (表 2), 但其在微生物群落结构组成与功能多样性变化上并不一致^[19]。可见, 作物合理间作搭配有利于土壤细菌种群的增加, 丰富土壤微生物群落结构, 提高微生物群落功能多样性与碳源利用能力; 玉米单一化的作物种植方式有显著降低土壤微生物群落功能多样性的趋势。

图2(Figure 2)

不同小写字母表示同一处理不同栽培模式间在P < 0.05水平差异有统计学意义。 Different lowercase letters above the columns indicate statistically significant of the same treatment among different intercropping patterns at the 0.05 probability level. 图2 不同栽培模式下土壤微生物群落功能多样性指数的变化 Fig. 2 Changes of soil microbial community function diversity under different potato intercropping patterns

在微生物群落结构和功能中, 土壤微生物多样性扮有重要的角色, 但由于土壤微生物的表型和基因型多样性较复杂, 通常很难被定量描述^[20]。然而, 由于磷脂脂肪酸 (phospholipid fatty acids, PLFA) 是细胞膜的特殊组分, 主要存在于活细胞上, 土壤微生物群落中革兰阴性菌、阳性菌、真菌、丛枝菌根真菌 (arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)、放线菌等都有其特征脂肪酸^[21], 而特征脂肪酸的变化就可以表征某一类群的微生物群落变化^[22]。所以, 间作栽培后了解主要土壤微生物群落磷脂脂肪酸的变化, 就容易识别、鉴定出间作栽培对土壤微生物群落的影响。

连续定位间作栽培2年 (表 3), 马铃薯/玉米体系内土壤微生物群落PLFA组成发生了显著的变化, 主要微生物类群的PLFA含量明显高于马铃薯连续单作处理; 其中细菌、放线菌、菌根真菌生物量分别高出5.56%、11.08%、122.00%;细菌群落生物量组成中, 虽然间作体系中G⁺和G^-的生物量分别高出单作马铃薯处理7.36%和4.75%, 但革兰阳性菌/革兰阴性菌 (G⁺/G^-) 比例却没有明显的变化。在连续单作栽培玉米中, G⁺、放线菌、真菌、菌根真菌与连续单作马铃薯相比, 平均增加了24.88%、26.23%、18.08%、56.16%, 尽管细菌群落中微生物总生物量和连续马铃薯单作相比差异不明显, 但G^-的生物量却降低了27.06%, 相比差异显著。可见, 间作栽培模式及作物种类的变化能够显著影响土壤微生物类群生物量的组成和结构。在连续马铃薯单作、玉米单作处理中, 土壤真菌群落的微生物量均高于间作栽培模式, 平均提高了1.13%~19.42%, 且间作栽培处理中却有较低的真菌/细菌比值, 这说明, 间作栽培模式有利于土壤细菌群落的发展, 促进向高肥效的“细菌型”土壤类型转变, 减缓长期单一栽培种植土壤的“真菌化”趋势。

表3(Table 3)

表3 间作栽培对土壤微生物群落生物量的影响 Table 3 Effects of intercropping on PLFA biomarkers of soil microbial biomass

表3 间作栽培对土壤微生物群落生物量的影响 Table 3 Effects of intercropping on PLFA biomarkers of soil microbial biomass nmol/g 处理 Treat-ment 细菌 Bacteria 革兰阳性菌 G+ Gram-positive bacteria 革兰阴性菌 G- Gram-negative bacteria 放线菌 Actinomycete 真菌 Fungal 菌根真菌 Mycorrhizal fungi 原生动物 Protozoan 真菌/细菌 Fungal/ bacteria 革兰阳性菌/ 阴性菌 G+/G- P 19.78±3.47 Aa 6.11±1.15 Aa 13.67±2.37 Aa 4.69±0.92 Aa 6.25±1.16 Aa 0.73±0.29 Aa 0.25±0.02 Aa 0.32±0.01 Bb 0.45±0.03 Bb M 17.60±5.43 Aa 7.63±2.22 Aa 9.97±3.21 Aa 5.92±2.00 Aa 7.38±2.53 Aa 1.14±0.46 Aa 0.36±0.10 Aa 0.42±0.02 Aa 0.77±0.04 Aa P/M 20.88±3.58 Aa 6.56±1.15 Aa 14.32±2.41 Aa 5.21±1.23 Aa 6.18±0.93 Aa 1.62±0.4 7Aa 0.31±0.08 Aa 0.30±0.01 Bb 0.46±0.01Bb   P：单作马铃薯; M:单作玉米; P/M：马铃薯/玉米。同列数据后的不同大、小写字母分别表示在P < 0.01和P < 0.05水平差异有统计学意义。   P：monoculture potato; M：monoculture maize; P/M: potato/maize. Values within a column followed by different capital and lowercase letters are significant differences at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

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可见, 合理间作栽培调和倒茬种植能影响土壤微生物群落的结构组成。分析认为, 间作栽培可能通过不同作物间根系交错, 根系分泌物相互交流, 丰富了土壤碳源, 影响了微生物群落, 使得土壤中微生物总群落数及细菌群落数量显著变化。相关学者研究结果也表明, 间作栽培模式会使土壤微生物中细菌数量增加, 真菌数量减少, 根际微生物总量增加^[23]。

由表 4可以看出, 连续2年不同间作与连续单作栽培模式对体系作物产量和作物地上生物量有显著影响。间作第1年和第2年后, 马铃薯地上生物量分别比对应单作栽培体系中马铃薯生物量提高6.55%、5.15%。然而, 在连续2年的试验中, 玉米在间作体系中的地上生物量却明显低于对应单作处理22.98%、7.69%。从作物种间竞争力可以看出, 第1年间作体系中马铃薯的种间竞争力为-0.80, 第2年种间竞争力为-0.17, 均小于0, 表明间作栽培体系中马铃薯的竞争力弱于玉米, 间作栽培作物种间相互作用使得马铃薯地上部分干物质积累较多, 减少了干物质向地下块茎的运移, 而玉米在间作体系却表现出完全相反的规律。

表4(Table 4)

表4 间作栽培对作物产量及产量竞争优势的影响 Table 4 Effects of intercropping on crop yield and interspecific competition advantage

表4 间作栽培对作物产量及产量竞争优势的影响 Table 4 Effects of intercropping on crop yield and interspecific competition advantage 处理 Treatment 地上生物量 Biomass/(kg/hm2) 籽粒、块茎产量 Yield/(kg/hm2) 产量竞争优势 Yield competitive advantage/% 种间竞争能力 Interspecific competition 间作马铃薯 (1Y) Intercropping potato (one year) 5 706.75±633.26 14 607.30±2 947.66 -0.77 -0.80 间作玉米 (1Y) Intercropping maize (one year) 5 215.18±435.38 12 112.70±663.92 0.80 单作马铃薯 (1Y) Monoculture potato (one year) 5 356.12±883.76 17 863.10±305.66 - - 单作玉米 (1Y) Monoculture maize (one year) 6 771.38±567.80 7 493.87±835.43 - 间作马铃薯 (2Y) Intercropping potato (two year) 5 333.63±735.24 29 605.42±3 095.65 -6.00 -0.17 间作玉米 (2Y) Intercropping maize (two year) 6 752.50±536.49 10 295.02±2 664.02 0.17 单作马铃薯 (2Y) Monoculture potato (two year) 5 072.62±905.99 32 431.83±4 381.45 - - 单作玉米 (2Y) Monoculture maize (two year) 7 314.79±622.80 9 545.86±1 838.94 - 1Y：1年; 2Y：2年。 1Y: one year; 2Y: two year.

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比较马铃薯/玉米的产量优势发现, 间作栽培第2年作物产量竞争优势高于第1年, 2年的马铃薯产量均表现为间作低于单作; 和单作相比, 2014年、2015年马铃薯产量降低幅度分别为18.22%、8.71%;间作玉米产量明显高于单作, 2年的增长幅度分别为61.6%、7.84%。分析认为, 马铃薯间作玉米有较明显的产量竞争优势; 同时, 由地上部干物质积累量可以看出, 马铃薯第1年的地上生物量高于马铃薯第2年的地上生物量, 而玉米表现则相反, 初步分析认为这是由于马铃薯品种的生育期不同所导致的。2014年种植的马铃薯品种为庄薯3号属晚熟品种, 生育期150 d; 2015年马铃薯供试品种为青薯9号, 为中晚熟, 生育期125 d。分析认为是由于第1年收获时的马铃薯或第2年收获时的玉米, 其干物质并未完全向块茎或籽粒中转移, 而造成的产量差异。在马铃薯生长过程中, 其干物质积累的中心由地上部转移至地下部是从马铃薯块茎生长增长期开始^[24-26], 庄薯3号与青薯9号其生育期长短的不同, 造成其块茎生长增长期开始的时间不同, 由于庄薯3号为晚熟品种, 生育期较长, 至收获时, 其块茎生长时间较短, 这可能是造成马铃薯第1年产量整体低于第2年的主要原因。

有研究表明, 在土壤养分动态变化上, 间作系统根际土壤养分的有效性高于单作土壤, 从而改善了土壤有效供肥能力和根际养分吸收环境^[23]。与单作模式相比, 间作栽培模式通过高效的资源利用对作物生长起到很大的作用, 根系间的相互作用影响根际养分的运动从而提高间作模式的营养吸收效率^[26]。试验中, 间作体系下土壤中全磷、碱解氮、速效磷、速效钾的养分含量, 间作模式均低于对照, 而章家恩等^[23]对玉米/花生的间作研究结果显示, 间作可以提高整个间作系统土壤碱解氮、速效磷、有机质的含量, 其中玉米根区的提高更加明显, 这与本文研究结果并不完全一致; 结合马铃薯植株体内的氮、磷、钾养分含量分析的数据, 发现间作马铃薯植株体内的氮、磷、钾含量均高于对照。这说明间作栽培下, 随作物共生阶段及作物生育期的延伸, 作物种间的竞争加剧, 促使作物对土壤中养分的吸收与利用增强, 速效养分易受到作物种间相互作用的影响, 从而改变了土壤环境; 此外, 试验中土壤全氮和有机质含量呈现出略有增加的趋势, 分析认为, 受作物种间竞争与互利关系的影响, 作物植物根系分泌物的增加及植物枯落物的增加, 可能是导致土壤全氮和有机质略有升高的主要原因。

间作体系中作物产量竞争优势和种间竞争力均表现为马铃薯的竞争能力弱于玉米, 这与吴开贤等^[27]的研究结果一致。说明马铃薯与玉米同时期种植, 由于玉米生长较快, 在马铃薯花期与薯块膨大期时, 对马铃薯造成遮阴, 使马铃薯的光合速率与光合产物的积累量均有所减少, 导致马铃薯的竞争能力明显低于玉米。周峰等^[28]的研究也证明马铃薯在收获期有一定的产量优势, 但其间作优势是随着生育期进程逐渐减小。因此, 如果错期栽培, 采用马铃薯/夏玉米的间作模式, 减少马铃薯与玉米共生时间, 可能会有利于马铃薯产量的增加; 此外, 中晚熟马铃薯/玉米合理间作搭配, 也可能有利于稳定马铃薯产量。

不同栽培处理下土壤微生物结构、功能与土壤基本理化性状间多元分析结果显示 (图 3), 第1排序轴与第2排序轴的累积贡献率均大于70%, 说明土壤理化性状指标的累积贡献率均能在70%以上，可以解释土壤微生物群落结构组成以及微生物群落对土壤碳源利用能力的差异。在图 3中各处理样点空间明显分散, 说明不同栽培模式处理形成了不同的土壤生态环境。微生物群落结构组成与土壤中的全氮、有机质含量呈正相关, 而与全磷、碱解氮、速效磷及速效钾含量呈负相关 (图 3A)。其中放线菌数量与有机质含量的相关性最大, 而真菌与细菌除受有机质含量的影响外, 还受土壤中全氮含量的影响, 其中细菌群落数量与全氮含量的相关性更强。

图3(Figure 3)

TN、TP、AP、AN、AK和OM分别指土壤全氮、全磷、有效磷、有效氮、有效钾和有机质; 多元分析carboh、pol、carbox、phe、amino、amine分别指碳水化合物、多聚化合物、羧酸类化合物、芳香化合物、氨基酸和胺类化合物。 TN, TP, AP, AN, AK and OM refer to total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, available nitrogen, available potassium and organic matter, respectively. Carboh, pol, carbox, phe, amino, amine refers to carbohydrates, polymer compounds, carboxylic acid compounds, aromatic compounds, amino acid and amine compounds, respectively. 图3 不同栽培处理下马铃薯土壤微生物群落结构组成、土壤碳源利用能力与土壤理化性状间的多元分析 Fig. 3 Relationship between the structure, function of soil microbial community and soil chemical and physical characteristics in different potato intercropping pattern

土壤微生物功能多样性也受土壤养分含量的影响, 以多聚类化合物、羧酸类化合物为碳源基质的微生物代谢能力与有机质和全氮含量呈正相关, 而与全磷、碱解氮、速效磷、速效钾的含量呈负相关; 以氨基酸类化合物为碳源基质的微生物代谢能力则与之相反。以胺类化合物、芳香类化合物、碳水类化合物为碳源的微生物代谢能力与土壤中各养分含量的相关性不大 (图 3B)。这说明土壤中微生物对碳源的利用能力受土壤养分含量的影响较为显著, 有机质与全氮含量的增加有利于以多聚类化合物和羧酸类化合物为碳源的微生物生长代谢, 而抑制以氨基酸类化合物为碳源的微生物的增长; 土壤中全磷、碱解氮、速效磷与速效钾含量均增加时, 其表现形式恰恰相反。

总之, 土壤中有机质与全氮含量的增加对细菌与放线菌的影响最为显著, 其中以多聚类化合物和羧酸类化合物为碳源基质的微生物功能多样性较强; 而土壤中全磷、碱解氮、速效磷、速效钾含量的增加, 有利于促进作物生长中氨基酸类化合物的积累, 增强以氨基酸类化合物为碳源基质的微生物类群的功能多样性。可见, 种植模式的改变, 影响了土壤养分含量以及土壤中以不同碳源化合物为代谢基质的微生物类群的代谢活性, 从而导致土壤中微生物的群落结构及功能多样性的改变, 最终改变了土壤微生物环境。

李玉英等^[29]对蚕豆/玉米间作系统研究发现, 间作优势主要源于作物间地下部根系相互作用和根际过程。土壤养分的有效性是和土壤微生物的活动紧密相连的^[30]。因此, 一种作物必然会对毗邻的另一种作物土壤微生态环境的改变产生不同的响应, 土壤微生物和植物间的相互关系决定植物的生产力。相关学者研究结果表明, 间作栽培模式会使土壤微生物中细菌数量增加, 真菌数量减少, 根际微生物总量增加^[12]。黄瓜与小麦、毛苕子间作均可以增加黄瓜根际土壤微生物群落的多样性, 其中以间作小麦对根际微生物群落结构影响最为显著^[31]; 禾本科与豆科作物间作对放线菌、微生物总数产生的根际效应显著高于单作栽培, 间作的微生物多样性指数也显著高于单作^[30]。试验结果显示间作栽培促使根际土壤中微生物群落总数、细菌群落数量呈显著性的增加, 这与刘均霞等^[32]的研究是一致的。分析认为, 可能是由于间作栽培作物种间关系通过不同作物间根系交错, 根系分泌物相互交流, 有利于适应这种特殊环境的微生物群落的增长, 最终导致土壤中微生物总群落数量及细菌群落数量改变。

土壤微生物群落对不同碳源基质代谢的情况是对土壤环境变化敏感程度的反应^[33]。相关研究表明, 间作会促进根际土壤微生物对不同碳源的利用; 如杨智仙等^[34]对小麦与蚕豆的间作研究表明：间作增加了根际土壤中有机酸含量, 从而提高根际微生物活性和多样性, 促进了根际微生物利用更多的碳源, 改变了作物的根际微生物群落结构。试验中, 在间作栽培模式下的土壤微生物对碳源的代谢水平整体较高, 且对环境的变化适应能力也最强; 分析认为这可能与间作作物互利与竞争形成的根际分泌物有关; 对碳源类型的利用差异则说明, 在间作栽培模式下马铃薯根际土壤有利于土壤微生物群落中以多聚类化合物和胺类化合物为碳源基质的微生物种群的增长。

马铃薯/玉米栽培提高了土壤微生物群落中以羧酸类化合物、多聚化合物、胺类化合物为碳源的微生物类群代谢活性; 提高了土壤微生物总群落数量, 增加了细菌群落在微生物群体中所占的比例; 主要微生物类群中的细菌、放线菌、真菌、AM真菌、原生动物的生物量均有增加的趋势, 但与对照相比差异不明显。受栽培模式影响土壤真菌/细菌比值降低, 有利于促进土壤向高肥效的“细菌型”土壤类型转变。间作栽培体系中马铃薯的竞争力均弱于玉米, 作物产量明显受作物种间关系、马铃薯的品种特性的影响。作物种植模式的变化, 显著影响了土壤微生物群落结构及功能多样性, 改变了土壤生态环境。