间作模式下作物根际土壤代谢物对微生物群落的影响

许代香，杨建峰，苏杭，翟建荣，綦才，赵龙刚，郭彦军*

（1. 西南大学农学与生物科技学院，重庆 400715；2. 青岛市滩涂盐碱地特色植物种质创制与利用重点实验室，青岛农业大学，山东 青岛 266109；3. 西南大学动物科学与技术学院，重庆 400715；4. 东营青农大盐碱地高效农业技术产业研究院，山东 东营 257091）

间作是同时近距离种植两种及以上作物品种或物种的种植方式［1］，为全球提供了约15%～20%的粮食供应［2］。与单一栽培相比，合理间作可改善土壤根际环境，更好地利用养分、水分和光照，并可以提高土地生产力和资源利用效率［3-4］。此外，间作是促进田间植物群落更加多样化的有力途径，可以通过生态位互补和种间促进作用来提高产量［5］。豆科作物作为关键功能群常与禾本科植物进行间作，能有效固定空气中的氮，通过与禾本科作物间作，部分氮素可被禾本科作物所利用，进而提高氮素的利用效率［6-7］。例如，玉米（Zea mays）间作大豆（Glycine max）具有养分资源高效利用、增强土壤肥力等优点，进而提高作物产量［8］。同时，豆科与禾本科作物间作可将地上部与地下部的时间、空间生态位分离，使光、热、水分等资源更好地分布［9］，不同作物间作可充分利用土壤中不同层次的养分资源以增加产量［10］。例如，有关高粱（Sorghum bicolor）与大豆间作种植模式的研究结果显示，间作可有效改善高粱品质，提高产量，显著提高经济效益［11］。玉米间作大豆能有效地促进玉米根系水平延伸，不仅利于提高玉米对水分和养分的利用能力，还能改善地上部的生长发育，提高间作玉米产量［12］。此外，间作可以通过改变根系的发育和分布调节根际代谢物的渗出过程［13］。

植物根际是养分、水分和有害物质进入作物体内的必经之路，其作为植物-土壤-微生物相互作用的重要媒介，已成为近年来人们关注的重点领域［14-15］。有关作物地下部的研究发现，种间促进作用不仅可在共同栽培的作物间进行养分转移，还可通过塑造受根系分泌物特异影响的有益土壤微生物群落来实现［16-17］。而间作中根际微生物能够促进土壤有机质分解和养分转化，加速植物对养分的吸收并影响其生命过程［18］。根际土壤对植物的生长发育有重要影响［19］，不同作物的间作模式能改变根际土壤环境［20］。此外，植物根系可以通过与土壤互作、分泌代谢物等途径影响根际土壤微生物群落，而根际微生物的群落结构又会间接影响植物的生长发育［21-23］。李巧玲等［24］研究发现，与单作相比，不同作物间作可显著增加土壤细菌群落和真菌群落Shannon 指数。植物根系分泌物如酚类化合物、类黄酮和生物碱等，能够抑制根际土壤中的微生物活动［25］。目前，国内外关于禾本科作物与豆科作物间作的研究主要集中在地上部分相互作用对不同作物生物量和产量的影响，以及对土壤结构、土壤微生物群落的影响，然而关于根际土壤微环境内代谢物直接对微生物及作物产量影响的研究鲜见报道。因而了解间作条件下作物根际微环境对根际微生物群落的影响，对有效提高作物产量非常必要。

鉴于此，本研究选择西南地区推广较为广泛的禾本科作物玉米和糯高粱品种分别与大豆进行间作试验，并结合Eco-Biolog 微平板法和高效液相色谱-串联质谱法（liquid chromatograph-mass spectrometer， LC-MS）对根际土壤微生物群落功能多样性和根际土壤代谢物进行分析，深入探究玉米间作大豆和高粱间作大豆模式中根际土壤代谢物与根际土壤微生物群落的关系，以期为深入理解不同特定作物间作模式的根际微生态特性和产量效应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于重庆市北碚区西南大学科研基地（28°31′ N， 106°42′ E）。该地区海拔205 m，属于亚热带季风气候。该区上一年的平均气温为18.74 ℃，年均降水量为1300.23 mm，年均太阳辐射为1000～1400 h，无霜期为335 d。试验地观测期降水量和日均温度见图1（气象数据引自WheatA 小麦芽-农业气象大数据系统V 1.5.1b）。供试土壤类型为沙壤土，有机质含量15.61 g·kg-1，碱解氮含量60.11 mg·kg-1，速效磷含量12.80 mg·kg-1，速效钾含量227.98 mg·kg-1，pH 值8.51。

图1 试验地2019 和2020 年4-8 月降水量和日均温度Fig.1 Daily rainfall and daily average temperature from April to August in 2019 and 2020 of the field

1.2 试验设计

采用随机区组试验设计，设置单作和间作种植模式，共5 个处理，玉米单作，高粱单作，大豆单作，玉米间作大豆（行比1∶1），高粱间作大豆（行比1∶1）；每个处理设置3 个小区重复，小区面积为4 m×5 m。各作物在每个小区内种植株距为35 cm，行距为30 cm；玉米和高粱每穴留单株，大豆每穴留双株（图2）。供试品种为当地广泛应用的“渝单35”杂交玉米品种、“红缨子”高粱品种、“十月黄”大豆品种，分别于2019 年4 月和2020 年4 月进行播种。播前按450 kg·hm-2施用底肥（N∶P∶K=15∶15∶15），对各试验小区进行常规的锄草和施肥管理。

图2 种植模式示意图Fig.2 Schematic diagram of planting patterns

1.3 样品采集

在玉米和高粱进入成熟期、大豆进入鼓粒期时，采用五点取样法随机选择小区内长势一致的各作物单株5株，然后将植株周围根系碎屑等杂物清理后，挖出玉米、高粱和大豆根部，收集附着在根表的根际土壤，迅速过2 mm 筛，一部分置于冰盒带回实验室低温保存备用，剩余土壤风干用于理化性质测定。在玉米、高粱和大豆收获前取样测产，随机采集各小区内10 株玉米穗、高粱穗及大豆整株装袋标记，后续脱粒计算单位面积产量。

1.4 指标测定与方法

1.4.1 土壤理化指标 各指标测定均参照常规土壤化学分析法［26］。其中，含水量测定采用烘干恒重法（105 ℃， 8 h），pH 值测定采用水浸提电位法（水土比=2.5∶1），土壤全氮测定采用半微量凯氏定氮法，全磷测定采用钼锑抗比色法，全钾测定采用火焰光度计法，速效磷测定采用碳酸氢钠法，速效钾测定采用醋酸铵-火焰光度计法，碱解氮测定采用碱解扩散法，土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸硫酸钾（0.5 mol·L-1）浸提法。

1.4.2 土壤微生物群落功能多样性 使用改进的Eco-Biolog 微平板法［27］进行微生物碳源代谢分析。具体步骤如下：采集新鲜土壤过2 mm 筛，去除植物根系碎屑等杂质，测定土壤含水量，称取相当于10 g 风干土壤的新鲜土样，置于250 mL 无菌锥形瓶中，向其中添加100 mL 0.9%的NaCl 溶液，使用透气封口膜进行封口，置于25 ℃，200 r·min-1条件下振荡培养30 min，制备土壤微生物悬浮液。完成后取出样品于超净工作台静置2 min，然后吸取上清液5 mL 稀释100 倍得到菌悬液。吸取150 μL 的菌悬液接种至Eco-Biolog 微平板中，置于28 ℃恒温箱中培养，每24 h 使用酶标仪（TECAN Infinite 200 Pro， 中国）读取590 和750 nm 处吸光值，连续测定10 d。Eco-Biolog微平板上31 种碳源，共分为6 类：糖类（12 种）、氨基酸类（6 种）、羧酸类（5 种）、聚合物类（4 种）、酚酸类（2 种）和胺类（2 种）。土壤细菌群落ELISA 反应采用Biolog 平板每孔颜色平均变化率（average well color development，AWCD）表示，并参照常用方法［27］，选取120 h 的数据分析Shannon 指数（H′）、Simpson 指数（D）和McIntosh 指数（U），计算方法如下：

式中：Ci为第i个非对照孔的吸光值，R为对照孔的吸光值，n为培养基碳源种类数（本研究中为31）；Pi表示第i个非对照孔中的吸光值与所有非对照孔吸光值总和的比值。ni表示第i孔的相对吸光值Ci（590-750）。

1.4.3 根际土壤代谢物提取分析 基于液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术进行非靶向代谢组学研究。代谢物提取步骤如下：称取1 g 新鲜土样，加入5 mL 的80%甲醇∶水（V∶V）提取液，震荡涡旋1 h 后，在4 ℃ 超声波水浴中振荡裂解1 h，取出后置于冰盒，然后于4 ℃，9500 r·min-1条件下离心10 min。吸取上清液，使用0.22μm 滤膜过滤后注入上样瓶，使用Dionex Ultimate 3000 HPLC system（Thermo Fisher Scientific，美国）［包含Acclaim 120 C18 色谱柱（5 μm， 2.1 mm×150 mm， Waters，美国）］和Thermo Scientific Q-Exactive system（Thermo Fisher Scientific，美国）进行液相色谱分离和质谱分析，LC-MS 检测程序参考Mcrae 等［28］的方法并略做修改。

1.5 数据处理

采用Excel 处理数据，并用SPSS statistics 17 进行单因素方差分析及相关性分析，多重比较采用LSD 法（P＜0.05），并用Graphpad Prism 8、Oringin 2017 等软件进行作图。代谢组检测结果使用Thermo Xcalibur 3.0.63（Thermo Fisher Scientific，美国）软件中的Qual Browser 进行色谱峰和二级质谱粒子信息收集，使用MetaboAnalyst 在线软件（https：//www.metaboanalyst.ca/）进行主成分分析（principal component analysis， PCA）和偏最小二乘判别分析（partial least squares discriminant analysis， PLS-DA）等。

2 结果与分析

2.1 产量相关指标分析

玉米产量指标分析结果显示年份和种植模式对籽粒产量的影响差异极显著（P＜0.01），年份与种植模式交互作用对籽粒产量的影响差异显著（P＜0.05）（表1）。高粱产量指标分析结果显示，年份对籽粒产量的影响差异极显著（P＜0.01），种植模式对千粒重的影响差异极显著（P＜0.01）。大豆产量指标分析结果显示，年份和年份与种植模式交互作用对籽粒产量的影响差异显著（P＜0.05），种植模式对籽粒产量和千粒重的影响均差异极显著（P＜0.01）。

2019 年玉米种植中，单、间作的籽粒产量和千粒重均无显著差异。2020 年种植中，间作玉米籽粒产量提高了5.89%（P＜0.01），千粒重提高了10.17%（P＜0.05）。2019 年高粱种植中，单、间作的籽粒产量和千粒重均无显著差异。2020 年种植中，与单作相比，间作高粱籽粒产量提高了15.54%（P＜0.01）。2019 年大豆种植中，玉米间作大豆和高粱间作大豆中的籽粒产量较单作大豆分别增加了40.78%和39.43%（P＜0.01）；在玉米间作大豆中的千粒重增加了10.96%（P＜0.05）。2020 年种植中，与单作相比，玉米间作大豆和高粱间作大豆中的籽粒产量较单作大豆分别增加了53.30%和60.73%（P＜0.01）；在玉米间作大豆中的千粒重增加了10.85%（P＜0.05）。总体来看，除间作大豆外，2019 年间作优势在间作玉米和间作高粱产量上并未显著地表现出来，因此后续仅采用2020 年的数据进行分析。

2.2 根际土壤理化指标分析

单间作模式下玉米、高粱和大豆的根际土壤pH 值均无显著差异（表2）。间作玉米根际土壤中，与单作玉米相比，速效磷含量增加了89.66%（P＜0.01），速效钾含量增加了21.22%（P＜0.05）。间作高粱根际土壤中，碱解氮、速效磷和速效钾含量较单作高粱分别增加了9.76%、33.44%和10.24%（P＜0.05）。玉米间作大豆的大豆根际土壤中，与单作大豆相比，速效磷含量增加了25.79%（P＜0.05），速效钾含量增加了21.54%（P＜0.01）。高粱间作大豆的大豆根际土壤中，与单作大豆相比，速效磷含量增加了22.69%，速效钾含量增加了12.40%（P＜0.05）。

表2 根际土壤主要理化指标Table 2 Physical and chemical indexes of rhizosphere soil

2.3 根际土壤微生物量碳氮分析

通过对土壤微生物量碳氮含量分析发现，间作玉米、间作高粱和间作大豆（玉米间作大豆， 高粱间作大豆）的根际土壤微生物量碳含量均极显著增加（P＜0.01）（图3A～C）。根际土壤微生物量氮的含量变化趋势与微生物量碳一致，间作玉米、间作高粱和间作大豆（玉米间作大豆）根际土壤微生物量氮均显著高于单作（P＜0.05）；间作大豆（高粱间作大豆）根际土壤微生物量氮极显著增加（P＜0.01）（图3D～F）。在根际土壤微生物量上，玉米、高粱和大豆均表现为间作优势。

图3 不同处理条件下根际土壤微生物量碳氮含量Fig. 3 The content of soil microbial biomass C and soil microbial biomass N in rhizosphere soil of maize， soybean and sorghum with different plant patterns

2.4 根际土壤微生物碳源利用动力学分析

2.4.1 根际土壤微生物AWCD 变化特征 玉米、高粱和大豆根际土壤微生物31 种碳源利用的总平均颜色变化率 （AWCD）随着培养时间的延长而升高，各处理在24～120 h 内对不同碳源的利用率增速较快，微生物进入指数生长期，底物碳源被大量利用（图4）。在120 h 后对碳源的利用率增速均逐渐减缓并趋于稳定。据此，后续有关微生物碳源利用的分析，均采用120 h 时的AWCD 值计算获得。240 h 的AWCD 值方差分析结果显示，间作玉米和间作高粱根际土壤微生物的AWCD 值均显著高于单作（P＜0.05）；玉米间作大豆和高粱间作大豆中的大豆根际土壤微生物的AWCD 值与单作相比均显著提高（P＜0.01）。单、间作模式下，间作高粱、间作玉米和间作大豆根际土壤微生物的活性更高，因此具有更强的碳源利用能力。

图4 根际土壤微生物平均颜色变化率（AWCD）的动态变化Fig.4 Dynamic changes of average well color development （AWCD） in rhizosphere soil microorganism

2.4.2 根际微生物对碳源的利用特征 玉米根际土壤微生物对糖类、氨基酸类、多聚物类及胺类碳源利用率较高（图5）。单间作条件下糖类、氨基酸类、羧酸类、多聚物类及胺类的碳源利用率一致，但间作玉米根际土壤微生物群落对酚酸类碳源利用率较单作显著升高。高粱根际土壤微生物总体上对糖类和氨基酸类碳源利用率较高且在单间作条件下利用率一致；与单作相比，间作系统中的高粱根际土壤微生物群落对羧酸类碳源利用率显著降低，而对聚合物类和酚酸类碳源利用率显著升高。大豆根际土壤微生物对除酚类外的5 类碳源利用率均较高，且与单作相比，玉米间作大豆和高粱间作大豆中的大豆根际土壤微生物群落对糖类和胺类碳源利用率均显著降低，对羧酸类碳源的利用率仅在高粱间作大豆中显著升高。单间作种植模式会引起玉米、高粱和大豆根际土壤中微生物群落的差异变化，进而出现不同的碳源利用偏好。

图5 根际土壤微生物对6 类碳源的利用情况Fig.5 Utilization of six carbon sources by rhizosphere soil microorganisms

2.4.3 根际土壤微生物群落多样性指数 采用120 h 的吸光值计算获得根际土壤微生物功能多样性指数（表3）。在单间作模式下，玉米根际土壤微生物的Shannon 指数、Simpson 指数和McIntosh 指数均无显著差异。间作高粱Shannon 指数和McIntosh 指数均显著高于单作（P＜0.05），分别增加了7.33%和8.32%。在玉米间作大豆和高粱间作大豆模式中，大豆根际土壤微生物的Shannon 指数均显著高于单作（P＜0.05），分别增加了10.40%和7.72%；McIntosh 指数分别增加了28.60%和51.85%，与单作相比差异均极显著（P＜0.01）。高粱和大豆的根际土壤微生物Simpson 指数分析结果与玉米一致，在单、间作模式下均无显著差异。与玉米间作大豆模式相比，高粱间作大豆进行间作时的根际土壤代谢物可能对土壤微生物群落代谢活性和利用底物碳源的微生物种类影响更大，且间作条件下高粱和大豆根际土壤微生物群落组成更加丰富。

表3 不同作物单间作条件对根际土壤微生物多样性指数的影响Table 3 Functional diversity indices of soil community after 120 h incubation

2.4.4 根际土壤微生物碳代谢主成分分析 单、间作模式下的玉米、高粱和大豆根际土壤微生物对31 种碳源的代谢结果进行主成分分析（PCA），与土壤微生物碳源利用功能多样性相关的有主成分1 （PC1）和主成分2（PC2）分别解释了方差变量的28.4%和14.9% （图6）。不同作物在不同种植模式下的根际土壤微生物菌群组成得到很好的分离。在PC1 上，单、间作玉米的根际微生物菌群组成距离较近，聚集距离最短；因此其根际土壤微生物差异相对较小，可归为一类。玉米间作大豆和高粱间作大豆模式中的大豆根际土壤微生物菌群的组成均与单作明显分离，分别位于不同的区间；结果表明，在单间作模式中，大豆根际土壤微生物菌群具有差异。在PC2 上，单、间作高粱根际土壤微生物组成分布在不同象限，分布距离较远，表明其根际微生物群落组成差异较大。

图6 根际微生物碳源利用特征的主成分分析Fig. 6 Principal component analysis （PCA） of carbon utilization profiles rhizosphere microbial

2.5 根际土壤中代谢物分析

2.5.1 根际土壤代谢物组分分析 结果显示，除单作大豆外，在其他处理中均检测到有机酸类、氨基酸类、硫苷类和黄酮类4 类差异代谢物，其中包含7 种有机酸、4 种氨基酸、10 种硫苷和3 种黄酮组分（表4）。单、间作模式中的玉米、高粱及间作大豆根际土壤中均检测到7 种有机酸组分；单作玉米根际土壤中检测到氨基酸2 种、硫苷2 种和黄酮1 种；间作玉米根际土壤中检测到氨基酸2 种、硫苷2 种和黄酮1 种。单作高粱根际土壤中检测到氨基酸3 种、硫苷2 种和黄酮2 种，间作高粱根际土壤中检测到氨基酸2 种、硫苷1 种和黄酮2种。单作大豆根际土壤中检测到氨基酸2 种；玉米间作大豆中的大豆根际土壤中检测到氨基酸3 种、硫苷8 种和黄酮2 种；高粱间作大豆中的大豆根际土壤中检测到氨基酸2 种、硫苷1 种和黄酮1 种。

表4 不同处理中根际土壤代谢组分Table 4 The metabolic components of the rhizosphere soil in different treatments

2.5.2 根际土壤中差异代谢物筛选 首先对玉米、高粱和大豆单、间作条件下根际土壤代谢组进行主成分分析，结果显示，在单、间作模式中，玉米、高粱和大豆根际土壤代谢物各组间存在明显的分离趋势（图7A， C， E），样本间存在显著差异，且组内生物学重复重叠效果好，表明在试验过程中数据组的重现性好，可用于后续差异代谢物分析。

图7 不同作物根际土壤代谢物分析Fig.7 Analysis of metabolites in rhizosphere soil of the crops

对不同处理中根际土壤代谢组进行PLS-DA 分析（图7B， D， F），分别筛选出玉米、高粱和大豆在单、间作模式下根际土壤的差异代谢物。在单间作模式中，玉米根际土壤中存在差异显著（variable importance in projection，VIP score＞1）的代谢物共5 种，即吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA03， OA04）、芥子酸（OA06）和L-谷氨酸（AA01），这5 种组分在间作玉米根际土壤中含量均显著高于单作。高粱中存在极显著差异（VIP score＞1）的代谢物共4 种，即吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA04）、芥子酰基苹果酸（OA05）和山柰酚（FS02）。与单作高粱相比，间作高粱根际土壤中1H-吲哚-3-羧酸（OA04）显著降低，另4 种组分含量在间作中显著升高。大豆中存在差异极显著（VIP score＞1）的代谢物共2 种，即1H-吲哚-3-羧酸（OA03）和L-谷氨酸（AA01）。其中间作大豆根际土壤中1H-吲哚-3-羧酸（OA03）含量显著高于单作，L-谷氨酸（AA01）含量显著低于单作。

在单、间作模式下，吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA03， OA04）、芥子酸（OA06）和L-谷氨酸（AA01）可能是引起玉米根际土壤中微生物差异的关键代谢组分，吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA04）、芥子酰基苹果酸（OA05）和山柰酚（FS02）可能是引起高粱根际土壤中微生物差异的关键代谢组分，而1H-吲哚-3-羧酸（OA03）和L-谷氨酸（AA01）则可能是引起单、间作大豆根际土壤微生物差异的关键代谢组分。

2.6 根际土壤差异代谢组分与微生物指标相关性分析

对不同处理的根际土壤微生物量碳氮、微生物多样性指数和关键代谢组分进行相关性分析。玉米根际土壤中，1H-吲哚-3-羧酸（OA03，P＜0.01，r=0.97； OA04，P＜0.01，r=0.96）和L-谷氨酸（AA01，P＜0.01，r=0.98）均与微生物量碳呈极显著正相关，芥子酸（OA06，P＜0.05，r=-0.90）与微生物量碳呈显著负相关；吲哚-3-羧醛（OA02，P＜0.05，r=0.85）、1H-吲哚-3-羧酸（OA03，P＜0.05，r=0.84； OA04，P＜0.05，r=0.89）和L-谷氨酸（AA01，P＜0.05，r=0.85）均与微生物量氮呈显著正相关，芥子酸（OA06，P＜0.05，r=-0.91）与微生物量氮呈显著负相关（表5）。高粱根际土壤中，吲哚-3-羧醛（OA02，P＜0.01，r=-0.97）与微生物量碳呈极显著负相关，1H-吲哚-3-羧酸（OA04，P＜0.01，r=0.96）与微生物量碳呈极显著正相关；吲哚-3-羧醛（OA02，P＜0.05，r=-0.86）与微生物量氮呈显著负相关，1H-吲哚-3-羧酸（OA04，P＜0.05，r=0.88）与微生物量氮呈显著正相关；吲哚-3-羧醛（OA02，P＜0.05，r=-0.86）与Shannon 指数呈显著负相关；1H-吲哚-3-羧酸（OA04，P＜0.05，r=0.86）与McIntosh 指数呈显著正相关；山柰酚（FS02，P＜0.05，r=0.92）与Simpson 指数呈显著正相关（表6）。大豆根际土壤中，1H-吲哚-3-羧酸（OA03，P＜0.01，r=0.85）与McIntosh 指数呈极显著正相关；L-谷氨酸（AA01）与微生物量碳（P＜0.01，r=-0.94）、微生物量氮（P＜0.01，r=-0.87）、Shannon 指数（P＜0.01，r=-0.85）和McIntosh 指数（P＜0.01，r=-0.85）均呈极显著负相关（表7）。

表5 玉米根际土壤微生物指标与关键代谢物相关性分析Table 5 Correlation analysis of microbial indexes and key metabolites of rhizosphere soil in maize

表7 大豆根际土壤微生物指标与关键代谢物相关性分析Table 7 Correlation analysis of microbial indexes and key metabolites of rhizosphere soil in soybean

3 讨论

豆科作物作为关键功能群与禾本科作物进行间作，通常表现出产量优势［29］。如与玉米单作相比，在玉米间作大豆模式中的玉米产量增加了22%［2，30］。Chen 等［31］在玉米间作大豆系统中发现，间作玉米和间作大豆的产量分别提高了4.95% 和7.07%。与相同面积的高粱单作相比，间作高粱产量显著高于单作，且产量增加达36.14%［32］。本研究中，与单作相比，间作玉米、间作高粱和间作大豆的籽粒产量均显著提高。这在一定程度上可能与豆科作物的生物固氮有关，如非豆科与豆科间作系统中可以有效固定氮素，提高土壤氮素含量［33-34］。

间作模式下根际互作可提高根际土壤中分泌物的多样性及其含量［35］，且地下部的互作被认为是间作群体高产高效的原因之一［7］。为明确单、间作模式中地下部微环境的差异，本研究对各处理根际土壤代谢物含量及组分进行代谢组分析，并对差异代谢组分和根际土壤微生物指标进行相关性分析。在玉米根际土壤中确定出5 种关键差异代谢组分，其中吲哚-3-羧醛（OA02）、1H-吲哚-3-羧酸（OA03， OA04）和L-谷氨酸（AA01）与根际土壤微生物群落的富集呈显著正相关，芥子酸（OA06）与其呈显著负相关。高粱根际土壤中确定出3 种关键差异代谢组分，其中1H-吲哚-3-羧酸（OA04）和山柰酚（FS02）与根际土壤微生物的富集呈显著正相关；吲哚-3-羧醛（OA02）与其呈显著负相关。大豆根际土壤中确定出2 种关键差异代谢组分，1H-吲哚-3-羧酸（OA03）与根际土壤微生物群落的富集呈显著正相关，L-谷氨酸（AA01）与其呈显著负相关。研究发现，芸薹属（Brassica）植物含有硫苷、芥子酸、类黄酮等，它们具有抗菌活性，并可能改变土壤微生物群落结构［36-38］。根系分泌物中的有机化合物与土壤中的细菌数量呈正相关，其中芳香族有机酸是影响根际微生物群落组成的关键因素［39-40］。在番茄（Solanumlycopersicum）中发现，谷氨酸能够重塑植物微生物群落［41］。

不同作物间作会引起土壤中微生物的差异变化，增加农田微生物多样性［42-43］。例如，小麦（Triticum aestivum）与苜蓿（Medicago sativa）间作显著提高了根际微生物群落多样性，燕麦（Avena sativa）间作箭筈豌豆（Vicia sativa）也能够提高土壤细菌的多样性指数和丰度［44-45］。本研究中，间作系统中的玉米、高粱和大豆根际土壤微生物量碳氮较单作均显著升高；该结果表明玉米间作大豆和高粱间作大豆能够促进根际土壤微生物群落的富集，增加根际土壤微生物量碳氮的含量。此外，土壤环境的变化会引起其中微生物活性的变化［46］。王佳旭等［32］研究发现，间作模式可显著改善高粱相邻行根系生长发育，进而提高土壤微生物群落功能特性。本研究运用Eco-Biolog 微平板技术，分析不同作物单、间作模式中土壤微生物代谢活性的差异，结果表明间作模式下高粱、玉米和大豆根际土壤微生物的活性均提高，具有更强的碳源利用能力，可能是土壤中代谢物对微环境的改变引起的。Mafham 等［35］研究发现，不同作物间作会引起微生物功能的差异变化。此外，玉米、高粱和大豆根际土壤微生物群落在单间作模式中具有不同的碳源利用偏好，可能是不同作物在间作条件下微生物功能的差异引起的。小麦间作蚕豆（Vicia faba）体系中，根际细菌群落多样性在间作小麦和蚕豆中均显著提高，蚕豆根际土壤微生物Shannon和McIntosh 指数显著增加［43，47］；同样，本研究中的间作高粱和间作大豆根际土壤微生物Shannon 和McIntosh 指数显著增加；这可能是因为在间作条件下，不同植物地下部分的相互作用引起土壤中代谢物的组分与含量差异，进而塑造出不同功能类型的根际土壤微生物群落［48-49］。

通过对根际土壤中速效养分含量分析发现，间作高粱根际土壤碱解氮含量较单作显著升高，可能是高粱间作大豆模式下，具有更强的种间促进作用［50］，能够加速氮素向高粱根际土壤中转移［51-52］。与单作相比，间作玉米和大豆能够增加种间根系的相互作用程度，进而促进养分的吸收［53］。Wang 等［54］研究认为苜蓿和玉米间作可以增加磷素有效性；玉米间作苜蓿有利于作物吸收并利用钾元素［55］。此外，有研究发现，土壤根际微生物群落的变化可直接影响土壤中养分的吸收与转化［19］。本试验中，速效磷和速效钾含量均表现为间作系统中玉米、高粱及大豆根际土壤中显著升高，表明禾本科间作豆科作物可以提高土壤肥力，加速速效养分的积累与吸收，进而引起作物产量增加。

4 结论

在饲用玉米间作大豆和糯高粱间作大豆系统中，复杂的地下部种间互作可以引起根际土壤代谢物的含量与组成发生变化，并塑造出特定的根际土壤微环境。同时其能显著影响根际土壤中微生物的活性与功能，加速间作条件下根际土壤中速效养分的沉积，促进作物养分的吸收与转化，这可能是引起间作模式中玉米、高粱和大豆不同程度增产的潜在机制。