马铃薯种植，作为宁夏种植业的支柱产业之一，在宁南山区具有巨大的种植面积，据宁夏地区统计年鉴统计^[1]，宁夏南部地区的马铃薯种植面积从 1980 年以来的 6.8 万 hm² 持续增长到 2013 年的 21.5 万 hm²。随着马铃薯种植面积的增加，大面积单一种植模式造成了宁南山区土壤结构恶化、水土资源利用率不高、生态环境脆弱、土壤肥力降低、马铃薯产量低、品质差等问题^[2]。截止到 2021 年的统计数据，宁南地区的马铃薯种植面积相较于 2013 年的峰值已经锐减了 55.81%，连作障碍问题显著。因此，开展马铃薯间套作种植的技术研究，寻找适应宁南山区的种植技术与种植模式，就成为该区域亟需攻克的难题。

间套作技术是利用群落空间原理，将空间资源充分利用起来的一种种植模式，由于两种作物的生长周期差异，会产生生态补偿效应，对于两种作物而言，较早成熟的作物残落物的分解，增加了土壤养分，增强了作物对病虫害的抗性^[3]；且 Zhou 等^[4]的研究表明，间作与连作对土壤微生物的影响会持续到后面几茬的生长。另外，间套作能利用不同植株对养分吸收的差异，解决作物养分吸收不均衡的问题，使作物土壤的理化指标更适应其生长发育^[5]。

土壤微生物是影响土壤健康的重要因素，在土壤生态系统中有着举足轻重的地位，对促进农业可持续发展起到至关重要的作用^[6]，孙瑞莲等^[7]对连续施肥 12 年的褐潮土的研究表明，氮磷钾肥与有机肥配施可以明显增加土壤微生物数量，且猪粪比秸秆更有利于培肥地力，促进微生物生长繁育。赵亚丽等^[8] 的研究表明，不同耕作方式及秸秆还田有利于土壤微生物数量以及作物产量的增加。本研究通过研究不同施肥方式及不同耕作措施下对土壤环境因子以及微生物多样性的影响，以期揭示间作模式下影响土壤理化性质及生物指标变化的规律，探寻新的种植模式，从而为解决宁南地区马铃薯连作障碍提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于宁夏回族自治区固原市西吉县马建乡马建村（35°56′39″N，105°30′11″E）。试验点属于温带大陆性气候，年平均气温 5.3℃，年日照时数 1547 h，年平均降水量 400 mm 左右，降水主要集中在 6—9 月，占全年降水量的 79.5%。试验地土壤主要为砂壤土，土壤 pH 值 7.3，有机质含量 11.84 g/kg，全氮 1.25 g/kg，有效磷 35.22 mg/kg，速效钾 416 mg/kg。

1.2 试验材料

供试玉米为宁单 19 号，是宁夏农林科学院作物研究所选育的品种，属于中晚熟杂交品种，抗病性状优良，耐盐碱、耐贫瘠、适应性强，适宜宁夏引黄灌区套种。马铃薯为青薯 9 号，是青海省农林科学院生物技术研究所选育的马铃薯中晚熟品种，生育期（125±5）d，抗晚疫病、抗坏腐病。

1.3 试验方法

1.3.1 小区设计

本试验从 2020 年 4 月开始，10 月中旬收获马铃薯与玉米后结束，采取裂区试验设计，以常规施肥和减量施肥（化肥施用量为常规施肥的 80%）为主区，副区设马铃薯单作、马铃薯-玉米间作两个处理，重复 3 次。试验各小区长 6 m，宽 5 m，小区面积 30 cm² （6 m×5 m）。

1.3.2 种植模式

马铃薯、玉米的种植模式参考当地的种植习惯，马铃薯单作为等行距种植，行距 40 cm、株距 40 cm、种植密度 45000 株 /hm²，马铃薯-玉米间作为 1∶1 模式，行距相同，采用沟垄种植，小行距 60 cm，大行距 80 cm，株距 40 cm，每垄种植两行，行间作物间距 30 cm。马铃薯种植密度 45000 株 / hm²，玉米种植密度 52500 株 / hm²。本研究主要探讨马铃薯间作的种植模式，在此不设置玉米单作。种植具体模式如图1 所示。

注：A 为马铃薯单作，B 为马铃薯-玉米 1∶1 间作。

1.3.3 施肥方式

施肥共两个梯度，分为常规施肥与减量施肥 （化肥施用量为常规施肥的 80%），常规施肥标准以 N 240 kg/hm²、P 120 kg/ hm² 施用。施肥方式为撒施，氮肥分两次施入，分别在基肥与玉米拔节期追肥，分别占施肥总量的 70%、30%。磷肥全部作为基肥施入。试验地钾元素含量较高，结合当地农户实际施肥状况，试验地不施钾肥。在作物整个生育期内根据生长情况进行定期除草。

1.3.4 采样时间及地点

2020 年 10 月上旬玉米成熟期，采用五点取样法进行土壤样品取样，采样时铲除表土，取出植物全根系，去除最外层土壤，用灭菌的毛刷将根系表层轻轻刷下即为根际土，将土样均匀混合后立即分成两份装入无菌密封袋中，一份用于土壤基本理化性质的测定，一份放入 4℃冰箱保存，用于土壤微生物多样性及酶活性的测定。在玉米生育末期，采用“S”形采样法，采集 0～20 cm 原状土壤样品，装于木盒中运回实验室进行土壤水稳性团聚体测定。

1.4 研究指标及方法

1.4.1 土壤理化性质测定方法

土壤基础理化性质参照《土壤农化分析》^[9]，土壤有机质采用重铬酸钾-硫酸氧化法消煮，得到的消煮液稀释后直接使用 TOC 仪进行测定；土壤全氮采用凯氏定氮法测定；土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用火焰光度法测定。

1.4.2 团聚体测定方法

土壤团聚体采用湿筛法，取土样 200 g 将其放置在团粒分析仪的由孔径分别为 5、2、1、0.5 和 0.25 mm 5 个筛子组成的套筛的最上层。调整桶内水面的高度使筛子移动到最高位置时，最上一层筛子中的团聚体刚好淹没在水面以下。待团聚体在水面下浸泡 10 min 时开动仪器以每分钟 30 次的速度筛分 5 min。湿筛后将每层筛上的团聚体分别洗入铝盒，烘干、称重^[10]。

各粒级水稳性团聚体（WSA）质量百分比公式：

${\theta }_i=\frac{W_i}{50}$

式中，W_i 为某级水稳性团聚体的烘干质量（g），θ_i 为该水稳性团聚体的质量百分比。

>0.25 mm 大颗粒团聚体（DR_0.25）含量计算公式：

${\mathrm{D}\mathrm{R}}_{0.25}（\mathrm{\%}）=\frac{M_{\mathrm{r}>0.25}}{M_{\text{总}}}$

式中，M_r>0.25 代表粒径 >0.25 mm 的水稳性团聚体质量，M _总为水稳性团聚体总质量。

1.4.3 土壤微生物多样性测定

采用高通量测序：美国强力土壤 DNA 提取试剂盒（MOBIO PowerSoil DNA Isolation Kit） 进行土壤微生物总 DNA 的提取；琼脂糖凝胶电泳检测 DNA 样品的完整性；多样性和群落结构采用软件 Mothur（v1.30）度量多维标定法分析。

1.5 数据分析方法

采用 Excel 2019 进行数据整理，SPSS 26.0 对数据进行方差分析、显著性分析，R 语言进行主坐标轴分析、相关性分析，Canoco 5.0 进行细菌群落结构与土壤理化性状指标间的冗余（RDA）分析。

2 结果与分析

2.1 间作模式对根际土壤养分含量的影响

由表1 可知，在相同施肥条件下，不同处理土壤有机质含量表现为马铃薯-玉米间作 >单作马铃薯。常规施肥条件下，马铃薯-玉米间作土壤有机质含量比马铃薯单作显著增加了 8.76 %～12.10 %。减量施肥条件下，马铃薯-玉米间作土壤有机质含量比马铃薯单作显著增加了 7.00%～10.34%；其中，PIN 的土壤有机质含量最高，为 14.36 g/kg。土壤全氮含量马铃薯单作处理比间作处理高 9.21%～13.60%。相同施肥方式下，常规施肥中的马铃薯-玉米间作的土壤有效磷含量比单作马铃薯显著升高 19.42%～32.40%（P<0.05），减量施肥中差异不显著。

注：PCN：常规施肥马铃薯单作；PIN：常规施肥间作马铃薯区；CIN：常规施肥间作玉米区；PCM：减量施肥马铃薯单作；PIM：减量施肥间作马铃薯区；CIM：减量施肥间作玉米区。同列不同小写字母表示显著差异（P<0.05）。下同。

2.2 不同处理对土壤水稳性团聚体的影响

不同栽培模式下，各处理的水稳性团聚体分布呈现出小颗粒团聚体（<0.25 mm）占比大于大颗粒团聚体（>0.25 mm）的趋势（图2）。在 WSA >2 mm 粒级中，PCM 处理土壤水稳性团聚体含量相对于 PCN 显著增加了 4.21%。在不同耕作模式下， PIN>PCN、PIM>PCM，PIN 水稳性团聚体增加了 13.57%，PIM 增加了 9.91%，差异具有统计学意义（P<0.05），证明了间作有利于土壤中大孔径团聚体的形成。在 WSA 2～1 mm 粒级中，各处理间土壤水稳性团聚体含量都处于低水平，PIN 处理土壤团聚体含量相对于 PCN 显著增加了 50.80%。剩余处理间均无显著差异；在 WSA 0.25～0.1 mm 粒级中，PCN 含量最高，为 38%，PCN 处理土壤团聚体含量相对于 PIN 显著增加了 22.11%。在 WSA 0.1 mm 以下的粒级中， PCM 为含量最高的处理，达到了 50.16%，土壤团聚体含量相对于 PIM 增加了 25.06%。

注：PCN：常规施肥马铃薯单作；PIN：常规施肥间作马铃薯区；CIN：常规施肥间作玉米区；PCM：减量施肥马铃薯单作；PIM：减量施肥间作马铃薯区；CIM：减量施肥间作玉米区。相同粒级柱上不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

大于 0.25 mm 的土壤水稳性团聚体含量如表2 所示，常规施肥条件下，土壤 DR_0.25 含量在马铃薯间作比单作模式下显著增加了 15.54%。减量施肥条件下，土壤 DR_0.25 含量在马铃薯间作模式下比单作显著增加了 9.88%。表明间作措施可以促进土壤大颗粒团聚体的形成。在不同作物类型条件下，马铃薯区 >0.25 mm 的土壤水稳性团聚体含量高于玉米区。

2.3 Alpha 多样性分析及物种分类学组成

马铃薯与玉米在间作和单作不同耕作模式下，样品测序的有效序列总数为 127258～132951 条，物种数为 5540～6373 个，样本覆盖度为 0.980～0.985，证明了本次测序获得的序列数据可以相对全面地反映样本的土壤细菌多样性，测序深度已经覆盖了样本中的所有物种类型 （表3）。在常规施肥条件下，土壤细菌群落丰富度指数（Chao1）由高到低的排列顺序依次为单作马铃薯 >间作玉米 >间作马铃薯（表3）；减量施肥条件下，土壤细菌群落丰富度指数由高到低的顺序为间作马铃薯 >单作马铃薯 >间作玉米。不同耕作模式处理间均无显著性差异，且各处理间的香农指数与辛普森指数也无显著性差异，这表明土壤细菌群落的丰富度与多样性对耕作方式的响应不敏感。

2.4 不同土壤样品细菌的分类学组成

本研究样本获得的土壤细菌 OTUs 共为 63426 个，其中，常规施肥条件下，单作马铃薯土壤细菌有 48 门、253 纲、321 目、1134 科、4341 属，间作马铃薯有 46 门、211 纲、308 目、992 科、4138 属，间作玉米土壤细菌有 64 门、240 纲、319 目、965 科、 4138 属。减量施肥条件下，单作马铃薯土壤细菌有 37 门、203 纲、299 目、897 科、3895 属，间作马铃薯有 60 门、212 纲、323 目、1001 科、4312 属，间作玉米土壤细菌有 35 门、205 纲、308 目、923 科、3832 属。

在门水平中，相对丰度大于 1% 的放线菌门 （Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteria）、芽孢单菌门（Gemmatimonadetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes） 占总丰度的 96.36%～97.08%（图3）。其中，放线菌门、变形菌门、绿弯菌门以及酸杆菌门是各种植模式下的优势菌，放线菌门相对丰度占比为 46.26%～49.01%，变形菌门相对丰度占比为 19.96%～21.91%，绿弯菌门相对丰度占比为 10.77%～11.87%，酸杆菌门相对丰度占比为 7.48%～13.65%。

采用单因素方差分析判断不同处理间门水平下的土壤细菌组成差异性，经 Shapiro-wilk 检验，各组数据服从正态分布（P>0.05），假设经 levene’s 方差齐性检验，各组数据方差齐。方差分析结果显示，酸杆菌门在不同处理间的相对丰度存在差异性，F=54.095，P<0.001（酸杆菌门）。 Tukey 检验结果表明，CIN 的酸杆菌门相对丰度最大，达到了 13.65%。在相同施肥条件下，单作模式的土壤酸杆菌门细菌相对丰度小于间作处理 （CIN>PIN>PCN）；在相同种植模式条件下，土壤酸杆菌门相对丰度表现为 PCN>PCM，PIN>PIM， CIN>CIM 说明土壤酸杆菌门细菌相对丰度高养分土壤 >低养分土壤。

2.5 不同耕作方式与施肥量对土壤细菌群落的主坐标分析

基于 OTUs 丰度的土壤门水平菌落结构主坐标分析如图4 所示，PCo1 轴和 PCo2 轴对样本组成差异的贡献值分别为 21.8% 和 13.3%。PCN 与 PCM，PIN 与 PIM，CIN 与 CIM 是相同耕作措施下不同施肥梯度的处理，它们之间在 PCo1 轴上呈现分散分布，说明在门水平下细菌群落组成存在差异，施肥处理是显著影响土壤细菌菌门组成的重要因素。PIN、CIN、PIM 的样本点在空间分布上存在明显的聚集，表明在门水平下细菌群落组成是相似的；PCN 与 PIN、CIN，PCM 与 PIM、CIM 是相同施肥梯度下的不同耕作措施，其中连作措施和间作措施的样本点空间分布距离较离散，说明耕作模式不同，土壤细菌菌门组成存在明显的差别。

2.6 土壤基础理化性质与微生物多样性指标的相关性

由图5 可知，香农指数与辛普森指数都与土壤有机质含量呈显著正相关（P<0.05），香农指数与有效磷、速效钾呈极显著正相关（P<0.01）。表明根际土壤的微生物多样性受土壤有机质及速效养分的含量变化影响，且速效养分含量的影响更为显著。

在门水平土壤细菌组成相对丰度上进行 RDA 分析（图6），揭示了土壤基础理化性质与菌门相对丰度之间的关系。RDA 分析结果表明，常规施肥（图6A）环境因子解释了 95.32% 的菌门菌落丰度变化；减量施肥（图6B）环境因子解释了8 3.19% 的菌门菌落丰度变化。利用蒙特卡洛排列检验得出，DR_0.25 与有效磷是影响菌门丰度变化的主要因素，解释影响菌门丰度变化的解释量常规施肥 DR_0.25（77.15%）、有效磷（12.7%）；减量施肥 DR_0.25（44.1%）、有效磷（18.2%）。门水平下土壤细菌群落中，放线菌门的相对丰度水平与土壤全氮含量呈正比，与 DR_0.25 和有效磷呈反比；酸杆菌门与有效磷、DR_0.25 呈正相关，与全氮呈负相关。可见，本试验条件下，土壤主要理化性质与细菌菌门丰度之间存在相关性，且速效养分与土壤物理环境是关联菌门丰度变化的主要因素。

注：A 为常规施肥，B 为减量施肥。SOC 为有机质，TN 为全氮，AP 为有效磷，AK 为速效钾。Act 为放线菌门；Pro 为变形菌门； Chl 为绿弯菌门；Aci 为酸杆菌门；Gem 为芽孢单菌门；Bac 为拟杆菌门；Fir 为厚壁菌门；Others 为其他。

3 讨论

3.1 耕作模式对土壤养分和团聚体的影响

本试验中，土壤全氮含量呈现间作模式小于单作模式，相关研究表明，间作马铃薯硝态氮的含量在不同氮肥施用梯度下显著低于单作^[11]。在马铃薯-玉米间作的模式中，马铃薯处于竞争劣势，与马铃薯间作的玉米土壤氮素的吸收水平比单作玉米高 30%^[12]，从养分吸收的角度来看，马铃薯-玉米间作模式中玉米吸收利用了马铃薯区的部分氮素。马铃薯与玉米的需肥水平不同，玉米全生育期的需氮水平高于马铃薯，在种间互作的过程中，玉米区的需氮水平高，相比单作马铃薯，玉米从土壤中获取的氮素较多，因此，形成了单作马铃薯的根际土壤含氮水平大于马铃薯-玉米间作根际土壤的含氮水平。

柳欣茹等^[13]的研究表明，间作会使有机质含量提升，施肥会导致有机质含量降低，这与本研究结果一致。在间作栽培的条件下，存在着不同物种间根系的交互作物根系分泌的物质促进了土壤微生物的活性，进一步促进腐殖质的分解，使根际土壤的有机质含量比单作模式提高显著。然而，化学肥料的过多施用会抑制根系微生物的交互作用，使其分解腐殖质的潜力下降，虽然本试验中肥料因子对其产生差异的影响不显著，但是试验结果表明，肥料因素是导致有机质含量降低的原因之一。

试验中间作栽培显著提高了耕作区有效磷的含量，潘浩南等^[14]的研究表明，有效磷较低的红壤地上间作栽培会提高 0.25～2 mm 粒级团聚体中的有效磷含量，这与本研究有相似之处。导致间作栽培有效磷含量提升的原因可能是间作提升了根系的交互，其根内分泌的有机酸性物质使根际土壤中稳定性较强的固相难溶性磷酸盐转化为可溶性磷，使有效磷的含量升高；另外，间作栽培提高了大粒径的团聚体数量，使磷的矿化加剧，并且间作栽培为土壤微生物提供了更有利的生存条件，促进了其磷素的转化与释放。

作物间作能在一定程度上改善土壤水稳性团聚体中大团聚体的含量^[13]，试验结果表明，6 种处理都以 <0.25 mm 的土壤水稳性团聚体为主，在 <0.25mm 的粒级中，PCN 为含量最高的处理，PIN 与 CIN 相较于单作栽培小孔径团聚体含量降低了 18.22% 和 8.50%，这与张兵等^[15]的研究相似。间作模式下提高了 DR_0.25 的含量，这主要是因为土壤根系及其根系分泌物是大孔径团聚体主要的胶合剂，间作提高了农田小环境下的物种多样性，增加了根系交互作用以及根系分泌物，有利于大孔径团聚体的形成。李凤巧^[16]的研究表明，长期单施氮肥以及有机无机配施有助于 >2 mm 的大孔径团聚体形成，氮、磷、钾共同施用会导致土壤团聚体向小粒级团聚体方向发展。这与本试验结果相似，化学肥料不合理施用是导致土壤板结以及物理性状发生改变的重要原因。

3.2 不同施肥方式与栽培模式对土壤细菌群落多样性的影响

种植区小环境的植物多样性提升会使土壤微生物多样性升高^[17]。但在本试验中，马铃薯、玉米单作及间作措施对土壤细菌群落的多样性及丰富度没有影响，这与伏云珍等^[18]、王娜等^[19]的研究结果类似，相对稳定的土壤环境可以保持细菌群落的多样性、丰富度的稳定性。Zhang 等^[20]的研究结果表明，间作明显改变了土壤细菌的组成，但对群落间的多样性没有影响。因此，对于不同间作模式而言，细菌群落的变化是一个多元因素的复合结果，并不是某几个因素的简单整合。

施肥处理对土壤细菌群落的多样性及丰富度影响较小，常规施肥的多样性指数与丰富度比减量施肥高但差异不显著。其他研究认为，施肥是显著影响土壤细菌群落组成的原因，本试验中，肥料因素对土壤细菌多样性及丰富度的影响有差异但差异不显著的原因可能是施肥量间的差异过小，对于土壤细菌间的影响小，小剂量的施肥水平也满足了其正常生长发育的需求，因此，处理间存在差异但是差异并不显著。

3.3 不同施肥方式与栽培模式对土壤细菌群落组成的影响

土壤细菌是体现土壤变化的重要指标^[21]。优势菌群与土壤环境因子和种植作物种类息息相关。试验中基于门水平下的土壤细菌分类学组成分析结果表明，放线菌门、变形菌门、绿弯菌门以及酸杆菌门是优势菌门。间作模式下的酸杆菌门相对丰度相较于单作模式显著增加，酸杆菌门是土壤中常见的细菌种类，嗜酸。丁凯等^[22]的研究表明，酸杆菌中的某些亚群的相对丰度与 pH 呈极显著相关，本试验中常规施肥条件下间作模式土壤有效磷大于单作，使间作模式土壤中磷酸根或偏磷酸根的含量较高，这两种酸根使土壤的酸度升高、pH 下降，为酸杆菌门的土壤细菌提供了适宜的条件，因此，常规施肥间作模式下的酸杆菌门丰度较高。且酸杆菌门细菌能有效降解土壤中的凋落物，也是间作土壤有机质含量较高的原因。

本研究中，菌门相对丰度的相关性分析表明了速效养分以及土壤物理性质是影响丰度变化的主要因素，土壤酸杆菌对环境因子的响应比较敏感，尤其是 pH 与土壤中的磷、氮。这可能是由于土壤环境因子间与菌门相对丰度之间是协同变化造成的，它们相互促进、相互影响。间作与施肥改变了土壤养分以及环境，这些因素导致了细菌代谢与生理活动受到影响，造成了群落丰度的改变^[23]。而种群丰度的变化使其代谢活动增加或减少，影响了养分吸收以及腐植酸、枯枝落叶分解等生理活动，这种现象导致的结果又映射到农田微环境中的养分含量变化，这两者间是一种相对应的复杂调控机制。

真菌等共生菌种也是土壤中影响作物产量及生理性状的重要因素，学术界已有的研究具有参考价值^[24-25]。对于前人的研究成果，这里不再赘述，因研究侧重有所不同，本研究主要探究不同种植模式对细菌群落微生物多样性的影响。

4 结论

马铃薯-玉米间作中氮素需求比单作高，土壤中的有机质、有效磷含量比单作高，存在着明显的养分积累优势，在实际生产中要注意对间作栽培氮素的补充。马铃薯-玉米间作对土壤中细菌群落的多样性及丰富度并没有显著影响，但多样性指数随速效养分及环境因子的改变而变化。

间作对土壤细菌的组成有显著影响，使酸杆菌门的丰度显著增加，且菌门丰度与土壤环境因子存在相关性，酸杆菌门相对丰度与有效磷、速效钾以及 DR_0.25 呈显著正相关，放线菌门相对丰度水平与速效钾以及 DR_0.25 呈显著负相关，拟杆菌门相对丰度与有效磷、速效钾呈显著负相关。高施肥量处理的土壤酸杆菌门相对丰度大于低施肥量处理。把握速效养分及水稳性团聚体的变化规律，可以近似反映土壤中各细菌菌门的变化情况。

土壤环境的变化是驱动土壤中细菌组成改变的主要因素，这两者间存在着复杂反馈调控机制。施肥量对于土壤细菌群落组成有影响，但本试验中施肥梯度较少，要探究更详细的影响机理还需更深层次的研究。本研究对宁南地区马铃薯种植以及连作障碍的消除有指导作用。

参考文献