紫花苜蓿/甜高粱间作对根际土壤特性及微生物群落特征的影响

doi:10.11686/cyxb2023219

摘要/Abstract

摘要：

为探究紫花苜蓿/甜高粱间作体系对根际土壤微生态环境的影响，改善土壤结构、维持良好的土壤微生态环境和实现土地生态保护提供理论依据，本研究以紫花苜蓿和甜高粱为对象，对其连续3年单作和间作种植下的结瘤固氮特性、根际土壤养分、土壤酶活性以及种植第3年的土壤微生物群落特征及其之间的相互关系进行研究。结果表明：紫花苜蓿/甜高粱间作系统内的变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和芽孢杆菌属（Bacillus）为主要优势菌群，且与单作相比，间作有效提高了根际土壤中的拟杆菌门、变形菌门、放线菌门（Actinobacteria）和Gp6相对丰度，显著提高了甜高粱根际土壤有机质含量、有效磷含量、脲酶活性和蔗糖酶活性（P<0.05），显著提高了紫花苜蓿固氮酶活性和单株固氮潜力（P<0.05），同时显著降低了间作中2种牧草的根际土壤pH值（P<0.05）。间作紫花苜蓿根际土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性随着年份的增加逐年提升，同时3种种植模式下根际土壤pH值均随年份的增加显著降低（P<0.05）。相关性分析发现，4个根际土壤酶与碱解氮、速效钾和有机质呈极显著正相关（P<0.01）；变形菌门和拟杆菌门与pH值呈极显著负相关，与碱解氮呈极显著正相关，而酸杆菌门（Acidobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia）与pH值呈极显著正相关，与碱解氮呈极显著负相关（P<0.01）。因此，紫花苜蓿/甜高粱间作可以改善根际土壤结构，提高土壤微生物活性。

关键词: 紫花苜蓿/甜高粱间作, 根际土壤养分, 根际土壤酶, 细菌群落

Abstract:

In this study， we explored the influence of an alfalfa （Medicago sativa）/sweet sorghum （Sorghum dochna） intercropping system on the microecological environment of soil in the rhizosphere. The overall aims of our research were to provide a scientific and theoretical basis for improving soil structure， maintaining a good soil microecological environment， and protecting the ecological value of agricultural land. A 3-year field study was conducted with alfalfa and sweet sorghum grown as monocrops and in an intercropping system. We evaluated nodulation and nitrogen fixation， rhizosphere soil nutrient contents， soil enzyme activities， and the soil microbial community characteristics and their interrelationships over 3 consecutive years. The results showed that Proteobacteria， Bacteroidetes， and Bacillus were the dominant bacteria in the alfalfa/sweet sorghum intercropping system. Intercropping effectively increased the relative abundance of Bacteroidetes， Proteobacteria， Actinobacteria， and Gp6 in the rhizosphere soil， significantly increased soil organic matter and available phosphorus contents， and increased urease activity and invertase activity in the rhizosphere soil of sweet sorghum （P<0.05）. Intercropping also significantly increased nitrogenase activity and the nitrogen-fixation capacity （P<0.05）， and significantly reduced the rhizosphere soil pH of both alfalfa and sweet sorghum （P<0.05）. The activities of alkaline phosphatase and invertase increased in the rhizosphere soil of intercropped alfalfa over the 3 years， and the pH of rhizosphere soil decreased significantly over the 3 years in both monocrops and in the intercropping system （P<0.05）. The results of the correlation analysis indicated that four rhizosphere soil enzymes were positively correlated with available nitrogen， available potassium， and organic matter （P<0.01）； Proteobacteria and Bacteroidetes were negatively correlated with pH and positively correlated with available nitrogen； and Acidobacteria and Verrucomicrobia were positively correlated with pH and negatively correlated with available nitrogen （P<0.01）. Therefore， alfalfa/sweet sorghum intercropping was shown to improve the soil structure and increase the activity of soil microorganisms.

Key words: alfalfa/sweet sorghum intercropping, rhizosphere soil nutrients, rhizosphere soil enzymes, bacterial community

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图/表 10

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年份 Year	处理 Treatment	pH	有机质 Soil organic matter （g·kg^-1）	全氮 Total nitrogen （g·kg^-1）	碱解氮 Available nitrogen （mg·kg^-1）	有效磷 Available phosphorus （mg·kg^-1）	速效钾 Available potassium （mg·kg^-1）
2020	MA	8.06±0.02Aa	12.74±0.09Aa	0.79±0.01Aa	81.47±0.96Aa	15.38±0.29Aa	106.96±2.45Aa
	IA	7.99±0.06Aa	12.98±0.10Aa	0.74±0.01Ab	80.35±1.44Aa	15.04±0.16Aa	91.37±1.91Ab
	MS	8.12±0.01Aa	11.78±0.13Ac	0.73±0.01Ab	64.85±0.72Ac	13.66±0.19Ab	81.74±1.17Ac
	IS	8.08±0.05Aa	12.16±0.09Ab	0.75±0.01Ab	69.28±1.53Ab	14.85±0.21Aa	87.69±1.29Ab
2021	MA	7.79±0.02Bbc	12.96±0.25Aa	0.80±0.01Aa	80.33±0.33Aa	15.05±0.17Ab	99.12±3.61ABa
	IA	7.75±0.08Bc	12.81±0.20Aa	0.74±0.01Ab	73.49±1.43Bb	14.63±0.10Ab	87.69±1.20Ab
	MS	8.01±0.01Ba	10.44±0.14Bc	0.69±0.01Bc	62.02±0.39Bd	13.19±0.03Bc	75.05±2.16Bc
	IS	7.91±0.01Bab	12.01±0.27Ab	0.72±0.01ABbc	66.17±0.58ABc	15.86±0.29Aa	79.25±0.47Bc
2022	MA	7.68±0.01Cc	13.11±0.07Aa	0.79±0.01Aa	78.81±2.79Aa	14.86±0.12Ab	92.60±0.34Ba
	IA	7.63±0.01Bd	12.67±0.05Ab	0.72±0.01Ab	74.81±0.39Ba	14.04±0.10Bc	82.60±0.74Bb
	MS	7.90±0.02Ca	9.21±0.02Cd	0.66±0.01Bc	59.90±0.91Bb	13.06±0.04Bd	71.01±1.16Bd
	IS	7.77±0.01Cb	11.95±0.15Ac	0.69±0.02Bbc	62.84±0.43Bb	15.70±0.43Aa	76.47±1.54Bc

年份 Year	处理 Treatment	pH	有机质 Soil organic matter （g·kg^-1）	全氮 Total nitrogen （g·kg^-1）	碱解氮 Available nitrogen （mg·kg^-1）	有效磷 Available phosphorus （mg·kg^-1）	速效钾 Available potassium （mg·kg^-1）
2020	MA	8.06±0.02Aa	12.74±0.09Aa	0.79±0.01Aa	81.47±0.96Aa	15.38±0.29Aa	106.96±2.45Aa
	IA	7.99±0.06Aa	12.98±0.10Aa	0.74±0.01Ab	80.35±1.44Aa	15.04±0.16Aa	91.37±1.91Ab
	MS	8.12±0.01Aa	11.78±0.13Ac	0.73±0.01Ab	64.85±0.72Ac	13.66±0.19Ab	81.74±1.17Ac
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2021	MA	7.79±0.02Bbc	12.96±0.25Aa	0.80±0.01Aa	80.33±0.33Aa	15.05±0.17Ab	99.12±3.61ABa
	IA	7.75±0.08Bc	12.81±0.20Aa	0.74±0.01Ab	73.49±1.43Bb	14.63±0.10Ab	87.69±1.20Ab
	MS	8.01±0.01Ba	10.44±0.14Bc	0.69±0.01Bc	62.02±0.39Bd	13.19±0.03Bc	75.05±2.16Bc
	IS	7.91±0.01Bab	12.01±0.27Ab	0.72±0.01ABbc	66.17±0.58ABc	15.86±0.29Aa	79.25±0.47Bc
2022	MA	7.68±0.01Cc	13.11±0.07Aa	0.79±0.01Aa	78.81±2.79Aa	14.86±0.12Ab	92.60±0.34Ba
	IA	7.63±0.01Bd	12.67±0.05Ab	0.72±0.01Ab	74.81±0.39Ba	14.04±0.10Bc	82.60±0.74Bb
	MS	7.90±0.02Ca	9.21±0.02Cd	0.66±0.01Bc	59.90±0.91Bb	13.06±0.04Bd	71.01±1.16Bd
	IS	7.77±0.01Cb	11.95±0.15Ac	0.69±0.02Bbc	62.84±0.43Bb	15.70±0.43Aa	76.47±1.54Bc

年份 Year	处理 Treatment	细菌 Bacterium （×10⁶ CFU·g^-1 DM）	真菌 Fungus （×10³ CFU·g^-1 DM）	放线菌 Actinomycete （×10⁵ CFU·g^-1 DM）	细菌/真菌 Bacterium/fungus	总量 Total （×10⁶ CFU·g^-1 DM）
2020	MA	14.29±0.41Aa	42.60±0.29Aa	19.45±0.51Aa	335.53±9.73Ab	16.28±0.36Ba
	IA	15.05±0.34ABa	40.83±0.40Ab	18.36±0.32Ba	368.66±12.00Ba	16.92±0.37ABa
	MS	8.56±0.23Ac	34.72±0.27Bc	12.83±0.50Ac	246.66±8.40Ac	9.87±0.22Ac
	IS	11.07±0.39Bb	30.80±0.89Ad	16.01±0.66Bb	359.51±5.76Cab	12.70±0.45Bb
2021	MA	15.72±0.45Aa	42.79±0.18Aa	20.28±0.46Aa	367.29±9.35Ab	17.79±0.45Aa
	IA	16.03±0.51Aa	37.72±0.44Bb	20.32±0.47Aa	425.19±15.79Aa	18.10±0.52Aa
	MS	7.85±0.24ABc	36.89±0.91Ab	11.62±0.27Ab	212.99±8.35Bc	9.04±0.23Bc
	IS	13.46±0.29Ab	29.97±0.65Ac	19.50±0.37Aa	448.98±3.23Aa	15.44±0.32Ab
2022	MA	14.77±0.38Ab	43.16±0.59Aa	19.78±0.45Aa	342.30±11.00Ab	16.79±0.40ABa
	IA	14.02±0.44Bb	34.49±0.81Cc	19.00±0.47ABa	406.30±3.37ABa	15.95±0.48Bab
	MS	7.66±0.20Bc	38.49±0.51Ab	12.16±0.15Ab	199.08±5.04Bc	8.91±0.21Bc
	IS	13.11±0.26Aa	31.12±1.05Ad	20.06±0.26Aa	421.87±7.44Ba	15.15±0.20Ab

年份 Year	处理 Treatment	细菌 Bacterium （×10⁶ CFU·g^-1 DM）	真菌 Fungus （×10³ CFU·g^-1 DM）	放线菌 Actinomycete （×10⁵ CFU·g^-1 DM）	细菌/真菌 Bacterium/fungus	总量 Total （×10⁶ CFU·g^-1 DM）
2020	MA	14.29±0.41Aa	42.60±0.29Aa	19.45±0.51Aa	335.53±9.73Ab	16.28±0.36Ba
	IA	15.05±0.34ABa	40.83±0.40Ab	18.36±0.32Ba	368.66±12.00Ba	16.92±0.37ABa
	MS	8.56±0.23Ac	34.72±0.27Bc	12.83±0.50Ac	246.66±8.40Ac	9.87±0.22Ac
	IS	11.07±0.39Bb	30.80±0.89Ad	16.01±0.66Bb	359.51±5.76Cab	12.70±0.45Bb
2021	MA	15.72±0.45Aa	42.79±0.18Aa	20.28±0.46Aa	367.29±9.35Ab	17.79±0.45Aa
	IA	16.03±0.51Aa	37.72±0.44Bb	20.32±0.47Aa	425.19±15.79Aa	18.10±0.52Aa
	MS	7.85±0.24ABc	36.89±0.91Ab	11.62±0.27Ab	212.99±8.35Bc	9.04±0.23Bc
	IS	13.46±0.29Ab	29.97±0.65Ac	19.50±0.37Aa	448.98±3.23Aa	15.44±0.32Ab
2022	MA	14.77±0.38Ab	43.16±0.59Aa	19.78±0.45Aa	342.30±11.00Ab	16.79±0.40ABa
	IA	14.02±0.44Bb	34.49±0.81Cc	19.00±0.47ABa	406.30±3.37ABa	15.95±0.48Bab
	MS	7.66±0.20Bc	38.49±0.51Ab	12.16±0.15Ab	199.08±5.04Bc	8.91±0.21Bc
	IS	13.11±0.26Aa	31.12±1.05Ad	20.06±0.26Aa	421.87±7.44Ba	15.15±0.20Ab

处理 Treatment	测序结果Sequencing results			多样性指标Diversity indicators
处理 Treatment	序列 Reads	分类单元 OTU	覆盖度 Coverage	ACE指数 ACE index	Chao1指数 Chao1 index	Shannon指数 Shannon index	Simpson指数 Simpson index
MA	145882±2004c	4751±65a	0.99±0.0031a	5662±48a	5599±67a	6.71±0.02b	0.0052±0.0001a
IA	142365±739c	4932±85a	0.99±0.0000a	5862±166a	5768±50a	6.75±0.01b	0.0051±0.0000a
MS	156325±507b	5036±58a	0.99±0.0058a	5632±49a	5741±29a	7.04±0.05a	0.0022±0.0001b
IS	163254±4295a	5136±62a	0.99±0.0000a	5768±35a	5824±58a	7.01±0.03a	0.0021±0.0001b