楊雪麗，吳吉英子，劉 凡，劉旭東，任俊波，杜 青，陳 平，雍太文

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/四川省作物帶狀復(fù)合種植工程技術(shù)研究中心，成都 611130）

玉米是我國(guó)重要的糧食和飼料作物，在保證國(guó)家糧食安全方面發(fā)揮著重要作用[1]。然而，我國(guó)玉米至今仍存在生產(chǎn)成本過(guò)高、“洋貨入庫(kù)，國(guó)貨入市”的現(xiàn)象[2]，為了應(yīng)對(duì)國(guó)際形勢(shì)及糧食生產(chǎn)需要，加大玉米生產(chǎn)十分重要[3]。

西南地區(qū)是我國(guó)玉米的主要產(chǎn)區(qū)之一[4]。該地區(qū)由于光熱資源的影響以及新時(shí)期對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的要求，形成了新型旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展模式麥/玉/豆，并得到了極大的推廣[5-6]。在玉米種植中，合理施用氮肥可以延長(zhǎng)玉米生育期，延緩玉米衰老[7]。而在間套作中，巧妙地將不同作物組合配套種植，可以提高資源利用率[8]，從而降低作物對(duì)化肥的依賴(lài)性[9]，達(dá)到減少氮肥施用的目的。在間套作系統(tǒng)中，大豆作為養(yǎng)地作物，可提高土壤氮含量，減少氮肥使用量 60～90 kg/hm2[10]。

玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收直接影響其產(chǎn)量。玉米作為單株生產(chǎn)力較強(qiáng)的作物[11]，其強(qiáng)大的根系是吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，根系的生長(zhǎng)特性和地上部分器官的光合作用、生長(zhǎng)發(fā)育有很大的相關(guān)性[12]。玉米根系的生長(zhǎng)隨生育期而變化，從發(fā)芽至拔節(jié)前后，根絕對(duì)干物重增加緩慢，從拔節(jié)到抽雄、散粉，根干物重直線(xiàn)增長(zhǎng)，是次生根、氣生根及其側(cè)根大量形成期，隨后變化很小，穩(wěn)定在一定水平上[13]。玉米根系衰老一般始于生殖生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，衰老時(shí)間越早，籽粒灌漿時(shí)間就越短[14]，產(chǎn)量越低。苗期是根系生長(zhǎng)的主要時(shí)期，良好的根系生長(zhǎng)可決定后期生長(zhǎng)狀態(tài)[15]。

玉米根系的生長(zhǎng)發(fā)育隨品種、環(huán)境條件和栽培措施的不同而不同[16]。間套作種植模式為研究玉米根系養(yǎng)分吸收規(guī)律提供了新的研究方向。前人研究發(fā)現(xiàn)，玉米大豆間套作達(dá)到種間的互惠互補(bǔ)效應(yīng)，調(diào)節(jié)土壤中氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程，使之向利于作物吸收的方向轉(zhuǎn)化。在該模式下，禾本科作物的根系活力、根系還原力[17]、根系質(zhì)量顯著得到提升[18]。楊航[19]的研究中表明，間套作中，玉米表現(xiàn)出根系發(fā)達(dá)、根際微生物數(shù)量增加、根系活性和酶活性增強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。玉米根系的數(shù)量、在土壤中的分布與植物吸收水分和養(yǎng)分的能力密切相關(guān)[20]，玉米根系保持較強(qiáng)的活力和較強(qiáng)的生理功能[21]對(duì)玉米產(chǎn)量的形成也具有重要作用。當(dāng)前對(duì)間套作種植模式下玉米根系發(fā)育研究多集中于中后期[22-24]，對(duì)苗期的研究相對(duì)較少。

本試驗(yàn)首先通過(guò)46種大豆品種與玉米間作的盆栽試驗(yàn)，根據(jù)玉米根系生長(zhǎng)情況對(duì)大豆品種進(jìn)行聚類(lèi)分析，根據(jù)聚類(lèi)分析的結(jié)果選出3種對(duì)玉米根系生長(zhǎng)表現(xiàn)為強(qiáng)促進(jìn)的品種再次與玉米進(jìn)行間作，進(jìn)一步探究不同大豆品種與種植模式對(duì)苗期玉米根系的影響，為玉米大豆間套作系統(tǒng)中的根系、根系分泌物的研究提供支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的46份大豆材料由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，玉米材料為緊湊型玉米品種登海605，由山東登海種業(yè)股份有限公司選育。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 間作大豆品種篩選

品種篩選試驗(yàn)為盆栽試驗(yàn)，于2017年4月—6月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)開(kāi)展。試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，以玉米單作為對(duì)照，利用46個(gè)不同大豆品種與玉米進(jìn)行間作（表1）。共47個(gè)處理，3次重復(fù)。大豆于4月15日播種。待大豆長(zhǎng)至三葉期時(shí)，播種玉米。大豆每盆播2穴，穴距10 cm，穴留2株；玉米每盆播2穴，穴距10 cm，穴留1株，與大豆行垂直間距10 cm。各盆缽間距1 m擺放，試驗(yàn)用土為營(yíng)養(yǎng)土，定期采用自來(lái)水澆灌，保證各處理處在同一水平，控制玉米和大豆生長(zhǎng)條件一致。

表1 參試大豆材料編號(hào)及名稱(chēng)Table 1 Material number and name of tested soybean

1.2.2 不同大豆品種對(duì)間作玉米根系的影響

試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)，于2018年4月—6月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)開(kāi)展。在試驗(yàn)1.2.1聚類(lèi)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究間作大豆如何影響玉米根系衰老，從聚類(lèi)結(jié)果第Ⅰ類(lèi)即對(duì)苗期玉米根系生長(zhǎng)強(qiáng)促進(jìn)品種中結(jié)合四川省主推品種類(lèi)型，選出3個(gè)表型差異較大、結(jié)瘤特性有異的品種“南豆25”、“桂夏1號(hào)”和“貢秋豆4號(hào)”（表2），為接下來(lái)探究間作大豆對(duì)苗期玉米根系影響的原因做鋪墊。試驗(yàn)設(shè)計(jì)、種植方式和管理方法同試驗(yàn)1.2.1。

表2 3個(gè)大豆品種的主要特征Table 2 Main characteristics of three soybean varieties

1.3 測(cè)定指標(biāo)與項(xiàng)目

1.3.1 玉米植株和根系樣品取樣時(shí)期與取樣方法

于玉米六葉期（V6期）取樣，將植株分為地上、地下兩部分分別收集。地上部植株按處理裝入牛皮紙袋；地下部根系收集方法為，在剪去植株地上部后將試驗(yàn)盆倒置，并用自來(lái)水從土壤中沖洗出玉米根系。一部分根系樣品立即取回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行根系生理指標(biāo)測(cè)定，另一部分根系樣品經(jīng)根系掃描后同地上部一起放入烘箱，105℃殺青1 h后70℃烘干至恒重，最后稱(chēng)取樣品重量。根系掃描使用愛(ài)普生Expression10000XL掃描儀，圖片分析采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)，并計(jì)算根長(zhǎng)、根體積、根表面積。

取回實(shí)驗(yàn)室的玉米根系樣品中，一部分用于測(cè)定根系活力，另一部分放入-80℃冰箱儲(chǔ)存，用于測(cè)定玉米根系相關(guān)抗氧化酶活性以及MDA含量。其中POD活性、CAT活性以及MDA含量?jī)H為試驗(yàn)

1.3.1 測(cè)定內(nèi)容。

1.3.2 玉米根系生理指標(biāo)測(cè)定方法

根系活力：改良TTC測(cè)定法[25]；

過(guò)氧化物酶（POD）活性：愈創(chuàng)木酚法[25]；

超氧化物歧化酶（SOD）活性：氮藍(lán)四唑光化還原法[25]；

過(guò)氧化氫酶（CAT）活性：紫外吸收法[25]；

丙二醛（MDA）含量：硫代巴比妥酸比色法[25]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及作圖，SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析（LSD，α=0.05）與聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米苗期性狀變異性分析

變異系數(shù)的大小表明了參試材料變異程度的大小，反映出各性狀的變異豐富程度。由表3可知，玉米的6項(xiàng)性狀存在較為豐富的變異，其變異系數(shù)范圍為18.88%～40.33%。變異系數(shù)大于30%的性狀有根系活力、根系生物量、地上部分生物量和整株植株干重，表明間作大豆品種對(duì)玉米這4個(gè)性狀有較大影響。其中根系生物量變異系數(shù)最大，為40.33%，說(shuō)明間作大豆品種對(duì)玉米根系生物量的積累具有重要作用。根冠比的變異系數(shù)低于20%，為18.88%，說(shuō)明大豆品種對(duì)間作玉米根冠比的影響較小。根系SOD活性性狀的變異系數(shù)為26.94%，處于20%～30%之間。

表3 6個(gè)性狀的基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析Table 3 The basic parameters of 6 traits

2.2 基于玉米長(zhǎng)勢(shì)的大豆品種聚類(lèi)分析

根據(jù)單作與間作玉米的根系SOD抗氧化酶活性、根系活力、根系生物量和地上部分生物量，并結(jié)合試驗(yàn)1.2.2需要，將46份大豆材料分為對(duì)苗期玉米根系生長(zhǎng)影響為強(qiáng)、一般和無(wú)明顯影響3類(lèi)，進(jìn)行聚類(lèi)分析。結(jié)果表明，在閾值為8.5時(shí)，46個(gè)大豆品種被分成3大類(lèi)，如圖1所示。對(duì)3類(lèi)大豆品種各性狀的表現(xiàn)特征進(jìn)行平均（表4）。結(jié)果表明，第Ⅰ類(lèi)大豆品種根系抗氧化酶SOD活性高于第Ⅱ類(lèi)、第Ⅲ類(lèi)，分別高出36.32%、47.74%；第Ⅰ類(lèi)大豆品種根系活力高于第Ⅱ類(lèi)、第Ⅲ類(lèi)，分別高出22.46%、86.60%；第Ⅰ類(lèi)大豆品種根系生物量高于第Ⅱ類(lèi)、第Ⅲ類(lèi)，分別高出23.14%、6.80%；第Ⅰ類(lèi)大豆品種地上部分生物量高于第Ⅱ類(lèi)、第Ⅲ類(lèi)，分別高出24.82%、5.81%；第Ⅰ類(lèi)大豆品種植株干重高于第Ⅱ類(lèi)、第Ⅲ類(lèi)，分別高出24.19%、6.31%；；第Ⅰ類(lèi)大豆品種根冠比低于第Ⅱ類(lèi)1.67%、高出第Ⅲ類(lèi)1.72%。第Ⅰ類(lèi)大豆品種對(duì)玉米根系生物量、部分生理活性的影響高于第Ⅱ、Ⅲ類(lèi)，相對(duì)其他兩類(lèi)大豆品種，對(duì)玉米根系生長(zhǎng)影響表現(xiàn)為強(qiáng)促進(jìn)作用。

圖1 46個(gè)大豆品種聚類(lèi)分析樹(shù)狀圖Figure 1 Cluster analysis tree of 46 soybean varieties

表4 各類(lèi)群大豆材料各性狀的表現(xiàn)特征Table 4 Discription of different types in soybean

2.3 不同大豆品種對(duì)玉米生物量的影響

不同種植方式下玉米根系生物量、地上部分生物量有顯著差異，間作玉米生物量顯著高于單作玉米。由圖2可以看出，與“南豆25”、“桂夏1號(hào)”和“貢秋豆4號(hào)”間作，玉米根系生物量分別較單作玉米分別高出38.2%、57.4%和24.7%；地上部分生物量分別高56.4%、80.5%和32.6%。不同品種處理對(duì)玉米地上部分生物量影響不顯著，表現(xiàn)為“桂夏1號(hào)”＞“南豆 25”＞“貢秋豆 4 號(hào)”“桂夏 1 號(hào)”較“貢秋豆4號(hào)”高出26.2%；根系生物量表現(xiàn)為，間作下“南豆25”與“桂夏1號(hào)”、“貢秋豆4號(hào)”之間差異不顯著，“桂夏1號(hào)”與“貢秋豆4號(hào)”差異顯著，前者比后者高36.2%。

圖2 大豆品種對(duì)間作玉米苗期生物量的影響Figure 2 The effect of soybean varieties on the biomass of intercropping maize at seedling stage

2.4 不同大豆品種對(duì)玉米根系形態(tài)的影響

不同種植方式對(duì)根系形態(tài)均有顯著影響。與“南豆25”、“桂夏1號(hào)”、“貢秋豆 4號(hào)”間作玉米根長(zhǎng)分別比單作玉米高40.3%、52.0%和44.0%；根表面積分別高出28.1%、36.0%和37.9%；根體積規(guī)律不同于根長(zhǎng)與根體積，其中與“貢秋豆4號(hào)”間作的與單作差異不顯著，與“南豆25”、“桂夏1號(hào)”間作的與單作有差異顯著，與“南豆25”、“桂夏1號(hào)”間作的玉米根體積分別高出單作59.6%、65.8%，間作下“桂夏 1 號(hào)”＞“南豆 25”＞“貢秋豆 4 號(hào)”，“桂夏 1號(hào)”比“貢秋豆4號(hào)”高32.8%。不同大豆品種間作對(duì)玉米根長(zhǎng)無(wú)顯著影響，其中以“桂夏1號(hào)”最高，“南豆 25”最低，“桂夏 1 號(hào)”比“南豆 25”高 8.3%；不同大豆品種間作對(duì)玉米根表面積無(wú)顯著影響，“貢秋豆 4 號(hào)”＞“桂夏 1 號(hào)”＞“南豆 25”，“貢秋豆 4 號(hào)”高“南豆25”7.6%。

圖3 大豆品種對(duì)間作玉米苗期根系形態(tài)的影響Figure 3 Effects of soybean varieties on root morphology of intercropping maize at seedling stage

2.5 大豆品種對(duì)玉米根系活力的影響

根系活力是反映根系吸收養(yǎng)分能力的重要指標(biāo)。由圖4可以看出，不同種植方式對(duì)根系活力的大小影響顯著，間作玉米根系活力顯著高于單作玉米。其中間作下“南豆25”、“桂夏1號(hào)”和“貢秋豆4號(hào)”玉米根系活力分別比單作玉米高27.7%、25.0%和39.7%；不同品種處理下對(duì)玉米根系活力大小無(wú)顯著影響，間作下“貢秋豆 4號(hào)”＞“南豆 25”＞“桂夏 1號(hào)”，“貢秋豆4號(hào)”比“桂夏1號(hào)”高10.5%。

圖4 大豆品種對(duì)間作玉米苗期根系活力的影響Figure 4 Effect of soybean varieties on root activity of intercropping maize at seedling stage

2.6 大豆品種對(duì)玉米根系抗氧化酶活性、MDA含量的影響

抗氧化酶活性是反映根系發(fā)育情況的重要指標(biāo)。由圖5可以看出，不同種植方式對(duì)玉米根系SOD活性有顯著影響。與單作相比“南豆25”、“桂夏1號(hào)”和“貢秋豆4號(hào)”間作玉米根系SOD活性分別高97.4%、71.2%和120.9%；不同間作大豆品種對(duì)玉米根系抗氧化酶SOD活性影響不顯著。不同種植方式對(duì)玉米根系抗氧化酶CAT活性有顯著影響，“南豆25”、“桂夏1號(hào)”和“貢秋豆4號(hào)”間作玉米比單作玉米分別高47.4%、67.5%和44.7%；不同品種下，與“南豆25”、“貢秋豆4號(hào)”間作的玉米根系CAT活性差異不顯著。不同種植方式對(duì)玉米根系POD活性有顯著影響，“南豆25”、“桂夏1號(hào)”和“貢秋豆4號(hào)”間作玉米根系POD活性比玉米單作分別高28.5%、11.8%和16.2%；不同品種處理對(duì)玉米根系抗氧化酶POD活性影響不顯著，且“南豆25”＞“貢秋豆4號(hào)”＞“桂夏1號(hào)”。

根系MDA含量是反映根系發(fā)育情況的重要指標(biāo)。由圖5可以看出，不同種植方式對(duì)玉米根系MDA含量的影響不同于根系活力及抗氧化酶活性，玉米單作與間作“南豆25”、“桂夏1號(hào)”差異不顯著，與間作“貢秋豆4號(hào)”差異顯著，但間作下根系MDA含量均低于玉米單作，間作“南豆25”、“桂夏1號(hào)”和“貢秋豆4號(hào)”分別低25.8%、33.2%和34.8%；不同品種處理下，玉米根系MDA含量差異不顯著，間作下，“南豆25”＞“桂夏1號(hào)”＞“貢秋豆4號(hào)”，且“南豆25”比“貢秋豆4號(hào)”高12.0%。

圖5 大豆品種對(duì)間作玉米苗期根系抗氧化酶活性、MDA含量的影響Figure 5 Effects of soybean varieties on antioxidant enzyme activity and MDA content in roots of intercropped maize at seedling stage

3 討論

禾本科與豆科間套作時(shí)，一方面豆科植物本身可以有效固定空氣中的氮，提高系統(tǒng)氮利用效率，另一方面豆科與禾本科間作通過(guò)時(shí)間、空間生態(tài)位分離，更充分地利用光、熱和水等資源，吸收土壤不同深度養(yǎng)分資源，顯著提高系統(tǒng)產(chǎn)量[17]。該系統(tǒng)中，禾本科作物優(yōu)勢(shì)十分明顯，產(chǎn)量和氮素吸收量與單作相比都有很大提升[26]。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米大豆間作模式下，玉米苗期地上部分生物量及根系生物量顯著提高；根長(zhǎng)、根表面積、根體積顯著增加。這與前人的研究結(jié)果相同，宋日等[22]的研究表明，玉米-大豆間作與玉米單作相比，可使玉米在不同深度土壤中的根干重增加，間作玉米的根冠比明顯提高；在0～80 cm土層中，相比單作，間作玉米的根系形態(tài)特征發(fā)生不同程度變化，間作玉米的根系長(zhǎng)度增加。間作模式有效地促進(jìn)了玉米根系生長(zhǎng)，提高了根系吸收能力和對(duì)地上部養(yǎng)分的供應(yīng)能力，對(duì)促進(jìn)物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與分配起到了重要作用，為地上部植株更好地生長(zhǎng)提供了條件。

根系活力是一種較客觀(guān)地反映根系生命活動(dòng)的生理指標(biāo)，泛指根系的吸收、合成、氧化和還原等能力[27]。自由基學(xué)說(shuō)[28]中認(rèn)為，活性氧清除酶系統(tǒng)對(duì)生物體的生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響，活性氧清除劑[29-30]（如SOD、CAT和POD）活性水平下降，活性氧積累，會(huì)導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化加劇，造成植物組織的衰老死亡[20]。丙二醛的積累可使多種酶和膜系統(tǒng)遭到嚴(yán)重?fù)p傷[31]。前人研究表明，抗衰型越強(qiáng)的品種，丙二醛含量越低[32]。雍太文等[18]的研究表明，在玉米大豆間套作系統(tǒng)中，玉米的單株根系活力表現(xiàn)為套作＞單作；劉均霞[33]的研究表明，在玉米大豆間作條件下，間作玉米根系活性、酶活性增強(qiáng)。本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果相同，本試驗(yàn)中間作系統(tǒng)中玉米根系的根系活力、抗氧化酶活性顯著高于單作系統(tǒng)，膜脂過(guò)氧化物MDA含量顯著低于單作系統(tǒng)，表明間作在一定程度上促進(jìn)了苗期玉米根系發(fā)育。不同大豆品種對(duì)玉米根系生理指標(biāo)的影響不同，除了生長(zhǎng)環(huán)境、管理等原因。前人研究[34-36]在間套作系統(tǒng)中，作物產(chǎn)生根系分泌物通過(guò)化感作用影響整個(gè)系統(tǒng)。所以更深層原因可能是，不同品種大豆所產(chǎn)生的根系分泌物不同，使得玉米產(chǎn)生不同響應(yīng)，也可能是不同根系分泌物造成的不同的根際環(huán)境對(duì)玉米根系產(chǎn)生了影響，具體原因需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明。

4 結(jié)論

間作條件下，玉米苗期地上、地下生長(zhǎng)狀況好于單作。間作玉米苗期地上部分生物量顯著高于單作；根系生物量、根系長(zhǎng)度、表面積和體積顯著高于單作，吸收養(yǎng)分能力較強(qiáng)；根系活力、抗氧化酶SOD、CAT和POD活性顯著提高，MDA含量顯著降低，根系抗氧化能力提高，生理活動(dòng)能力強(qiáng)。與單作相比，間作系統(tǒng)能夠更好地促進(jìn)苗期玉米根系吸收養(yǎng)分，平衡其代謝能力，提高其活性，為后期生殖生長(zhǎng)提供良好的基礎(chǔ)。