甕巧云 黃新軍 許翰林 劉 瑤 袁曉峰 馬海蓮 袁進(jìn)成 劉穎慧

(1河北北方學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，河北 張家口 075000；2張家口市環(huán)境科學(xué)研究院 河北 張家口 075000)

青貯玉米具有植株高大、營養(yǎng)豐富、適口性好等特點，是養(yǎng)殖業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)飼料之一。我國是世界養(yǎng)殖生產(chǎn)大國，也是飼料原料的需求大國，進(jìn)一步發(fā)展玉米、苜蓿、大豆等優(yōu)質(zhì)飼料尤為重要[1]。目前，國內(nèi)外研究多集中在種植密度、播期、施肥、刈割、青貯條件等因子對其產(chǎn)量及品質(zhì)影響等方面[2-6]。我國青貯玉米生產(chǎn)存在種植方式單一，高效栽培模式不足等問題。因此，創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)、安全高產(chǎn)高效栽培技術(shù)，建立地區(qū)適應(yīng)性青飼作物綠色栽培模式已成必要。

研究報道，間作套種模式下植株通過高矮搭配可充分利用光熱資源，改善植物生長發(fā)育。目前已在青貯玉米與禾本科、豆科等作物不同間/套作模式相關(guān)領(lǐng)域展開了諸多研究，如王儀明等[7]明確了苜蓿與青貯玉米輪作不僅有利于提高玉米產(chǎn)量和改善青貯飼料品質(zhì)，還有助于改良土壤；田應(yīng)學(xué)等[8]研究結(jié)果表明，貴州松桃縣地區(qū)建議采用青貯玉米與拉巴豆套種行數(shù)比1 ∶2模式，可有效改善青貯玉米產(chǎn)量和品質(zhì)；姜勝男等[9]明確了青貯玉米和秣食豆混播比為2 ∶2時，青貯玉米產(chǎn)量最高。冀西北農(nóng)牧交錯帶是河北省農(nóng)業(yè)或雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的主要分布區(qū)，植被資源豐富，牧草生態(tài)適應(yīng)性廣，土壤不易侵蝕，季節(jié)性干旱抵御力強。畜牧業(yè)一直是該地區(qū)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，在北方奶業(yè)發(fā)展與地方精準(zhǔn)脫貧中具有戰(zhàn)略地位。然而在冀西北地區(qū)生態(tài)條件下，針對青貯玉米/大豆間作對青貯玉米品質(zhì)及產(chǎn)量的影響鮮見報道。為此，本研究開展玉豆間作模式試驗，研究玉米農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量、品質(zhì)，及土壤營養(yǎng)、微生物等變化特點，旨在尋找和選擇最佳的栽培模式，為發(fā)展冀西北地區(qū)青貯玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

青貯玉米品種為中原單32 號，購自張家口市巡天種業(yè)公司。大豆品種為綏農(nóng)41，由張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

試驗于2017—2018年在河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院壩下試驗基地進(jìn)行，該地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候。海拔646 m，年均溫7.3℃，≥10℃年積溫1 600 ～2 200℃，年降水量400 mm，無霜期139 d。土壤類型淡栗鈣土，pH 值7.98，有機質(zhì)含量17.56 g·kg-1，土壤全氮、水解性氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.98 g·kg-1、 37.77 mg·kg-1、22.57 mg·kg-1和197.46 mg·kg-1[10]。

1.2 試驗設(shè)計

將玉米與大豆進(jìn)行間作種植，具體種植模式見圖1。在玉米總密度不變前提下，設(shè)玉米與大豆的比例1∶1、2 ∶1、2 ∶2、4 ∶2和玉米單播5 個處理，分別記為玉豆1 ∶1、玉豆2 ∶1、玉豆2 ∶2、玉豆4 ∶2和CK，各處理3 次重復(fù)。小區(qū)長7 m，寬12 m。玉米密度9 萬株·hm-2，穴距22 cm，穴留單株。大豆密度25 萬株·hm-2，穴距20 cm，穴留單株。底施375 kg·hm-2氮磷鉀(N ∶P ∶K=28 ∶10 ∶10)復(fù)合肥，其他管理同高產(chǎn)田。

圖1 玉豆間作種植示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of the corn/soybean intercropping

1.3 測定項目與方法

1.3.1 青貯玉米生物性狀、產(chǎn)量及品質(zhì)測定 采用五點取樣法，分別于青貯玉米拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期取樣。從莖基處割下，每點取3 株。分別對植株高度、莖粗度、整株鮮重和干重、產(chǎn)量等生物性狀進(jìn)行測定。將成熟期整個植株進(jìn)行干物質(zhì)量測定后，進(jìn)行品質(zhì)測定。測定指標(biāo)包括粗蛋白(crude protein，CP)含量、淀粉含量、脂肪含量、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiberin，ADF)、每噸干物質(zhì)可生產(chǎn)的牛奶重量、木質(zhì)素含量、 單 糖 含 量、 總 可 消 化 養(yǎng) 分(total digestible nutrient，TDN)含量、48 h 體外干物質(zhì)消化率、48 h 內(nèi)纖維消化速率(品質(zhì)測定由內(nèi)蒙古易馬科技有限公司完成)。

1.3.2 青貯玉米根際土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量測定 分別于開花期、灌漿期和成熟期，利用五點取樣法取土(20 cm 土層，玉米根際土壤)。采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法和酸銨浸提-火焰光度法測定有機質(zhì)含量和速效鉀含量；采用堿解擴散法測定堿解氮含量[11]；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷含量[12]。

1.3.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)測定 于灌漿期采用五點取樣法于各小區(qū)取青貯玉米根際0～20 cm 土層樣品，混合均勻后，按四分法取部分土樣裝入已滅菌的無菌袋中。土樣于4℃冰箱內(nèi)存放，用于土壤真菌轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(internal transcribed spacer，ITS)多樣性分析(由蘇州泓迅生物科技股份有限公司完成)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2013 和SPSS 17.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育期青貯玉米的生物性狀

由圖2 可知，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，不同玉豆種植模式玉米的株高、莖粗逐漸升高，于成熟期達(dá)到最高值，但模式間植株高度、莖粗差異不大。成熟期，玉豆1 ∶1模式的玉米株高最高，達(dá)到3.12 m；玉豆4 ∶2模式的玉米莖粗度最大，達(dá)到2.55 cm。

圖2 不同玉豆間作模式青貯玉米植株高度和莖粗Fig.2 Height and stem thickness of plant in different corn/soybean intercropping

由圖3 可知，從拔節(jié)期至成熟期，玉米植株整株鮮重均呈先增加后下降的趨勢，均于灌漿期達(dá)到最高值，且該時期玉豆間作模式的玉米整株鮮重均高于CK，并以玉豆2 ∶1模式鮮重最大，為1 465.40 g/株。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，玉豆1 ∶1和玉豆2 ∶2模式的玉米整株干重均呈逐漸增加的趨勢，于成熟期達(dá)到最大值；而CK、玉豆2 ∶1和玉豆4 ∶2模式則呈先增加后降低的趨勢，于灌漿期達(dá)到最大值；成熟期，不同玉豆間作模式的植株干重均高于CK，其中玉豆2 ∶2模式最大，為404.97 g/株，玉豆2 ∶1模式次之，為398.25 g/株。

圖3 不同玉豆間作模式青貯玉米植株鮮重和干重Fig.3 The wet and dry weight of plant in different corn/soybean intercropping

2.2 青貯玉米產(chǎn)量和品質(zhì)

將不同玉豆間作模式植株(成熟期)進(jìn)行收獲，測定產(chǎn)量。每個玉豆間作模式，測定3 個小區(qū)植株產(chǎn)量。由圖4 可知，玉豆2 ∶1和玉豆4 ∶2模式的玉米產(chǎn)量分別為68.53 和68.86 t·hm-2，高于CK；而其他2 個玉豆模式的玉米產(chǎn)量均低于CK。由表1 可知，不同玉豆間作模式植株CP 含量均高于CK，且玉豆2 ∶1模式含量最高，為8.30%；除玉豆2 ∶2模式外，不同玉豆間作模式植株淀粉含量均高于CK，且玉豆2 ∶1模式含量最高，為35.90%；玉豆2 ∶1模式的NDF和ADF含量分別為)

42.38%和26.11%，均高于CK 和其他玉豆間作模式；不同玉豆間作模式植株纖維消化率均與CK 差異較?。挥穸? ∶2模式的每噸干物質(zhì)可生產(chǎn)的牛奶重量最高，為1 615.00 kg·t-1。

表1 不同玉豆間作模式青貯玉米品質(zhì)測定結(jié)果Table 1 The quality determination results of plant in different corn/soybean intercropping

圖4 不同玉豆間作模式青貯玉米產(chǎn)量Fig.4 The yield of silage corn in different corn/soybean intercropping

2.3 青貯玉米根際土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量

由表2 可知，隨著玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)，青貯玉米根際土壤堿解氮含量均呈降低趨勢。除玉豆1 ∶1模式和玉豆4 ∶2模式灌漿期外，其他3 種玉豆模式玉米根際土壤堿解氮含量均高于CK。在不同生育期，玉豆2 ∶1模式下根瘤菌固氮作用最為明顯，其根際土壤堿解氮含量于開花期和灌漿期分別達(dá)到126.6 和124.3 mg·kg-1。開花期，玉豆2 ∶1模式下根際土壤速效磷含量最高，為73.9 mg·kg-1；成熟期，玉豆4 ∶2模式下根際土壤速效磷含量最高，為50.2mg·kg-1。不同生育期，玉豆4 ∶2模式下速效鉀含量加的最多，且高于CK。與CK 相比，玉豆1 ∶1模式植株土壤有機氮含量總體增加較多，其中灌漿期土壤有機質(zhì)含量達(dá)到8.7 g·kg-1。

表2 不同玉豆間作模式青貯玉米根際土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量Table 2 Soil nutrients content in rhizosphere of plant in different corn/soybean intercropping

2.4 青貯玉米根際土壤真菌群落的變化

利用高通量測序技術(shù)對玉豆不同種植模式土壤真菌ITS 序列進(jìn)行測序，經(jīng)雙端拼接、質(zhì)量控制、嵌合體過濾后，進(jìn)行高質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果如表3 所示。玉豆不同間作模式中，最終得到用于后續(xù)分析的優(yōu)化序列平均個數(shù)為32 209，數(shù)據(jù)質(zhì)量≥Q30 的比例平均為98%，GC 含量平均為63%。操作分類單元(operational taxonomic unit，OTU)豐度平均為30 353。

將不同玉豆間作種植模式與CK 分別進(jìn)行兩兩比較。由圖5 可知，玉豆2 ∶1模式的OTU 數(shù)目最多，為318 個；玉豆1 ∶1模式的OTU 數(shù)目最少，為309 個。與CK 相，不同玉豆間作模式中特有的OTU 數(shù)目分別為49、39、37、29。OTU 數(shù)目越多，預(yù)示著其包含的真菌種類越多。

根據(jù)物種豐度表和物種注釋表，選取豐度最高的20 個物種，進(jìn)行相對豐度計算，繪制樣品豐度比較的柱狀圖(圖6)。圖中縱軸為不同玉豆種植模式名稱，橫軸代表真菌表達(dá)相對豐度；不同顏色對應(yīng)同一層次不同物種。由圖6 可知，真菌不同類群在CK 和不同玉豆間作模式中相對豐度的變化不同。與CK 相比，玉豆間作模式增加了子囊菌門真菌表達(dá)的相對豐度、減少了擔(dān)子菌門真菌表達(dá)的相對豐度。其中玉豆2 ∶2模式的子囊菌相對豐度值最大，擔(dān)子菌相對豐度值最小。

表3 青貯玉米根際土壤真菌ITS 序列信息Table 3 ITS sequence information of fungi in rhizosphere soil of silage corn

圖6 樣品豐度柱狀圖(門級水平)Fig.6 Sample abundance histogram(phylum level)

圖7 為不同真菌在種級水平相對豐度圖，CK 中特有表達(dá)的真菌為玉米絲核菌和短帚霉。在玉豆間作模式下，新增加的真菌種類包括柄孢殼菌、Harpophora radicicola。其余真菌為CK 和玉豆間作模式下均含有的種類，表達(dá)相對豐度變化不同。

3 討論

圖7 樣品豐度柱狀圖(種級水平)Fig.7 Sample abundance histogram(species level)

影響青貯玉米產(chǎn)量和品質(zhì)因素較多，包括播種密度、施肥水平、刈割方式、種植方式等[13-15]。本試驗中，玉豆間作模式下青貯玉米產(chǎn)量優(yōu)于玉米單種(CK)；綜合青貯玉米CP 含量、淀粉含量、每噸干物質(zhì)可生產(chǎn)的牛奶重量等品質(zhì)指標(biāo)，最佳種植模式為玉豆2 ∶1(玉豆行距40 cm＋30 cm)。表明玉豆間作種植能有效改善青貯玉米農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)，這與連露等[16]研究結(jié)果一致。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其豐缺程度直接關(guān)系到農(nóng)作物生長狀況和產(chǎn)量水平，是評價土壤肥力水平的重要指標(biāo)。不同種植方式可影響植株根際土壤的養(yǎng)分含量[17-19]。在豆科/禾本科混作/間作中，為了滿足禾本科作物對氮素等養(yǎng)分的需求，豆科作物固定的氮素會向禾本科作物轉(zhuǎn)移[20]。本研究中，玉豆2∶1模式下根瘤菌固氮作用最為明顯，其根際土壤堿解氮含量于開花期和灌漿期分別達(dá)到126.6 和124.3 mg·kg-1。因此，推測玉豆2 ∶1模式青貯玉米產(chǎn)量、品質(zhì)優(yōu)于其他玉豆間作模式，可能與根瘤細(xì)菌固氮提供大量氮元素有關(guān)。而玉豆1 ∶1和玉豆2 ∶2模式青貯玉米產(chǎn)量、品質(zhì)低于其他2 個玉豆間作模式，其原因可能是由于行距過窄，株間郁閉，導(dǎo)致大豆植株生長過弱，固氮作用未能明顯體現(xiàn)出來。同時，與CK 相比，玉豆間作模式引起玉米根際土壤速效磷、速效鉀和有機質(zhì)的含量發(fā)生變化。

土壤微生物是構(gòu)成土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要因子，參與土壤物質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)與利用，對土壤健康狀態(tài)及作物生長發(fā)育均有重要影響。研究表明，種植方式、水肥管理均會對土壤微生物數(shù)量產(chǎn)生影響[21-25]。本試驗分別對玉豆不同間作模式植株根際土壤真菌OTU 數(shù)目，相對表達(dá)豐度及門、種水平的微生物類群數(shù)量進(jìn)行了比較分析。與CK 相比，玉豆間作增加了土壤根際真菌的數(shù)量，出現(xiàn)新的真菌種類。不同玉豆模式間，OTU數(shù)目表現(xiàn)為玉豆2 ∶1＞玉豆4 ∶2＞玉豆2 ∶2＞玉豆1 ∶1。目前，關(guān)于不同種植方式對土壤微生物影響變化的觀點不一。Wang 等[26]報道，酸性土壤上小麥間作蕓薹屬植物改變了小麥根際微生物群落結(jié)構(gòu)，隨植物群落多樣性的增加，土壤細(xì)菌和放線菌的豐富度減少，真菌豐富度增加；張淑香等[27]和劉金波等[28]證明連作后根系分泌物的數(shù)量增多，會誘導(dǎo)土壤真菌數(shù)量的增加；謝利等[29]研究表明，與棉花單作相比，棉花和孜然間作土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量顯著降低。因此，本研究關(guān)于微生物數(shù)量變化與土壤健康狀態(tài)、作物生長發(fā)育間的關(guān)系還需深入分析。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，在冀西北地區(qū)玉豆間作可明顯提高青貯玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，改善土壤營養(yǎng)和根際微生物群落。該地區(qū)最佳的玉豆間作模式為青貯玉米與大豆按照2 ∶1模式(玉豆行距40 cm＋30 cm)種植。本研究結(jié)果為該地區(qū)推廣應(yīng)用高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)青貯玉米間作栽培模式，提供了理論依據(jù)。但關(guān)于青貯玉米對氮素的利用規(guī)律、玉豆同期收獲等仍需要進(jìn)一步深入研究。