全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2015, 41(6): 919928 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(31260504, 31460551, 41361065, 41201289, 31210103906)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 郑毅, E-mail: zhengyi-64@163.com
第一作者联系方式: E-mail: 18314583461@163.com, Tel: 18314583461
Received(收稿日期): 2014-11-02; Accepted(接受日期): 2015-04-02; Published online(网络出版日期): 2015-04-17.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20150417.1403.005.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2015.00919
玉米与马铃薯间作对根际微生物群落结构和多样性的影响
覃潇敏 1 郑 毅 1,2,* 汤 利 1 龙光强 1
1云南农业大学资源与环境学院, 云南昆明 650201; 2西南林业大学, 云南昆明 650224
摘 要: 设置 3个种植处理(玉米单作、马铃薯单作和玉米马铃薯间作), 通过田间试验和盆栽试验, 采用 Biolog技术
分析了玉米马铃薯根际微生物的群落结构和功能多样性的变化情况。结果表明, 与单作相比, 间作处理使玉米和马铃
薯根际微生物对 31 种碳源的平均利用率(AWCD)分别增加 17.36%、7.38%和 3.76%、32.21%, 其中间作马铃薯的
AWCD值最高, 单作玉米最低。间作玉米和间作马铃薯根际微生物群落的 Shannon指数(H)、Simpson指数(D)、均匀
度指数(E)、丰富度指数(S)均高于单作, 但在间作和单作之间差异不显著。根际微生物对 6类碳源的利用强度以糖类、
羧酸类和氨基酸最高, 并存在一定的差异。主成分和聚类分析表明, 玉米与马铃薯间作改变了根际微生物的群落组成,
糖类、羧酸类和氨基酸类碳源是区分单间作处理差异的敏感碳源。说明玉米马铃薯间作改变了根际微生物群落结构
组成, 提高了根际微生物群落功能多样性。
关键词: 玉米//马铃薯间作; 根际微生物群落; 功能多样性
Effects of Maize and Potato Intercropping on Rhizosphere Microbial Commu-
nity Structure and Diversity
QIN Xiao-Min1, ZHENG Yi1,2,*, TANG Li1, and LONG Guang-Qiang1
1 College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2 Southwest Forestry University, Kunming 650224,
China
Abstract: Field and pot experiments were conducted with three planting treatments (maize monocropping, potato monocropping,
maize, and potato intercropping) to investigate the changes of composition and function diversity of rhizosphere microbial com-
munity of maize and potato using Biolog technique. The results indicated that compared with monocropping, the average well
color development (AWCD, utilization rate of 31 carbon sources) of rhizosphere microbes of intercropped maize and potato was
increased by 17.36%, 7.38% and 3.76%, 32.21% respectively, among the intercropping and monocropping crops, the AWCD
value of intercropped potato was the highest and the monocropped maize was the lowest. Functional diversity index of Shannon
index (H), Simpson index (D), Evenness index (E), and Richness index (S) were higher in intercropping rhizosphere soil than
these in the monocropping systems, but no significant difference. Among six types of carbon sources used by the rhizospheric
microbes, carbohydrates, amino acids and carboxylic acids, had higher utilization rates with definite differences. Principal com-
ponent analysis (PCA) and cluster analysis demonstrated that the amino acids, carbohydrates and carboxylic acids were the sensi-
tive carbon sources for differentiating the changes of the microbial community induced by monocropping and intercropping. This
study showed that intercropping can change the composition and enhance functional diversity of the microbial community in the
rhizosphere of maize and potato.
Keywords: Maize//potato intercropping; Rhizosphere microbial community; Functional diversity
土壤微生物是土壤生态系统的重要组分, 主导
土壤生态系统养分循环和能量流动, 对于维持系统
的稳定性和可持续性具有重要的作用[1]。微生物群
落结构或微生物多样性与土壤可持续利用密切相关,
可作为生物指标指示土壤质量、评价土壤肥力[2]。
其中, 土壤微生物功能多样性, 与土壤 C、N、P 等
920 作 物 学 报 第 41卷


元素循环转化的生物化学过程之间的关系非常密切[3]。
因此, 土壤微生物群落功能多样性是描述土壤微生
物群落特征的一个重要指标, 反映了土壤中微生物
的生态特征和土壤状况的重要信息。土壤微生物多
样性的研究方法很多, 有关用 C 素的微平板测定方
法(Biolog)是测定土壤微生物对不同碳源利用能力
及其代谢差异, 进而用以表征土壤微生物功能多样
性的一种方法, 目前已经广泛应用于土壤微生物群
落功能多样性的研究[4-6]。
间套作作为我国传统农业的精髓, 具有增产、
提高养分资源利用效率[7]、增加农田生物多样性和
稳定性、持续控制病虫草害的优势, 并且改善农田
生态环境, 促进生态平衡[8]。已有研究表明, 间作能
改变根际土壤微生物群落多样性 , 提高产量 [9], 增
加作物对磷的吸收[10]。玉米是我国主要的粮食作物,
马铃薯也是西南地区主要的粮食、经济作物, 玉米
与马铃薯间作是一种代表高、矮秆作物的典型配置,
能发挥作物空间的互补作用 , 在云南地区普遍种
植。前期研究表明, 玉米马铃薯间作可以增加根际
微生物的数量[11], 但二者间作对根际微生物群落功
能多样性的影响的研究还未见报道。为此, 本研究
通过田间和盆栽试验, 采用 Biolog 技术探讨玉米马
铃薯间作根际微生物群落功能多样性, 旨在为玉米
马铃薯间作这一种植模式的优质高产提供更深入的
微生物学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地点
田间试验地位于云南农业大学寻甸大河桥农场,
地理坐标为23°32′N、103°13′E, 海拔1953.5 m, 地处
昆明市东北部, 属北亚热带季风气候, 年平均气温
14.7℃, 年降水量1040 mm。土壤含有机质25.06 g
kg−1、碱解氮87.37 mg kg−1、速效磷23.31 mg kg−1、
速效钾207.82 mg kg−1、pH 6.79。
盆栽试验在云南农业大学资源与环境学院植物
营养系温室大棚进行, 供试土壤为云南农业大学后
山旱地红壤。土壤含有机质11.76 g kg−1、碱解氮75.77
mg kg−1、速效磷14.22 mg kg−1、速效钾113.48 mg
kg−1、pH 6.95。
供试玉米(Zea mays L.)品种为寻单7号; 马铃薯
(Solanum tuberosum L.)品种为会-2。
1.1.1 试验设计 田间试验采用随机区组排列 ,
设玉米单作、马铃薯单作及玉米马铃薯间作(玉米和
马铃薯各2行) 3个种植处理, 每个处理3个重复, 共9
个小区, 每小区面积32.50 m2 (5.0 m×6.5 m)。玉米行
距0.5 m、株距0.25 m; 马铃薯行距0.5 m、株距0.35 m,
间作小区中玉米马铃薯的种植密度与单作的相同。
供试肥料为尿素、普通过磷酸钙和硫酸钾。玉
米氮肥分 3次施用, 分别为 40%、25%和 35%; 马铃
薯氮肥分 2次施入, 分别为 60%和 40%。磷肥(P2O5)
75 kg hm−2, 钾肥(K2O) 125 kg hm−2, 均以基肥形式
施入, 各小区施肥量相同。马铃薯、玉米生育过程
中中耕、培土、除草、病虫害防治等田间管理各处
理保持一致。
盆栽试验设玉米单作、马铃薯单作及玉米马铃
薯间作3个种植处理, 每个处理3次重复, 随机排列。
间作处理中每盆玉米马铃薯各2株 , 单作处理中玉
米马铃薯每盆分别4株。采用400 mm×280 mm的塑料
盆, 每盆装土16 kg, 施肥量按150 mg kg−1土的纯养
分来换算, N∶P2O5∶K2O = 2∶1∶1。氮肥分2次施
用 , 一半作基肥 , 一半作追肥 , 磷肥和钾肥作为基
肥一次施入。供试肥料为尿素、普通过磷酸钙、硫
酸钾。整个生育期按常规管理, 不使用杀菌剂和杀
虫剂, 并及时人工除草, 定期调换盆的位置。
1.1.2 土壤样品的采集 于玉米(马铃薯)成熟期
采样, 先将植株根系从土壤中整体挖出, 采用抖土
法抖掉与根系松散结合的土, 然后将与根系紧密结
合的土壤刷下来作为根际土样品。从田间试验单作
处理每小区随机取作物 4 株, 间作处理每小区随机
选 2 个间作带, 每个间作带内 2 种作物分别取 2 株,
然后将 4 株作物的根际土壤混合为 1 个样品; 盆栽
试验单作处理每盆取 4 株, 间作处理 2 种作物分别
取 2株, 然后将根际土壤混合为 1个样品, 最后将土
样于 4℃冰箱保存, 用于 Biolog微平板分析。
1.2 测定方法
采用 Biolog ECO微平板方法[12] 测定土壤微生
物代谢功能多样性。
1.3 数据处理及分析
采用平均颜色变化率(average well color deve-
lopment, AWCD)描述微生物代谢活性。采用 Shannon
多样性指数(H)、Simpson优势度指数(D)、均匀度指
数(E)和群落丰富度指数(S)表征土壤微生物群落多
样性。
AWCD = ∑ (Ci−Ri)/n
H = −∑ Pi (ln Pi)
D = 1−∑ Pi2
E = H/ln S
S = 被利用碳源的总数
第 6期 覃潇敏等: 玉米与马铃薯间作对根际微生物群落结构和多样性的影响 921


式中, Ci为每一个微孔的光密度值, Ri为对照孔的吸
光值, n为 ECO板上碳源的种类, n=31; Pi为第 i孔的
相对吸光值与整个平板相对吸光值总和的比率, 即
Pi = (Ci−Ri)/∑(Ci−Ri); S为微生物群落利用碳源种类
的数目, 即颜色变化孔数。
利用 Microsoft Excel 2010进行数据初处理、制
图和主成分分析, 采用 SPSS19.0软件进行统计方差
分析及聚类分析。
2 结果与分析
2.1 间作对平均颜色变化率(AWCD)的影响
平均颜色变化率(AWCD)反映了土壤微生物的
代谢活性, 是土壤微生物群落利用单一碳源的重要
指标[13]。由图 1 可知, AWCD 值随培养时间的延长
而提高, 各处理的 AWCD值在 24 h之前很小, 说明
在 24 h之内碳源基本未被利用; 培养 24 h后 AWCD
值快速升高, 反映出此后碳源被大幅度利用, 随后
AWCD 值缓慢增加直至趋于稳定。在各培养阶段,
间作处理的 AWCD值均高于单作处理, 以间作马铃
薯的 AWCD值最高, 单作玉米最低。培养 120 h时,
田间和盆栽试验中, 间作分别使玉米根际微生物的
AWCD 值比单作玉米增加 17.36%和 7.38%, 分别使
马铃薯根际微生物的 AWCD 值比单作马铃薯增加
3.76%和 32.21%, 但单、间作处理间差异不显著
(P<0.05), 表明间作可以提高土壤微生物群落的代
谢活性。

图 1 根际微生物平均颜色变化率随培养时间的变化
Fig. 1 Average well color development (AWCD) changes with incubation time of different treatments
MM: 单作玉米; IM: 间作玉米; MP: 单作马铃薯; IP: 间作马铃薯。F: 田间试验; P: 盆栽试验。
MM: monocropping maize; IM: intercropping maize; MP: monocropping potato; IP: intercropping potato. F: field experiment; P: pot experiment.

2.2 根际微生物对不同类型碳源利用的差异
土壤微生物活性反映了群落总体的变化, 但未
能反映微生物群落代谢的详细信息, 研究土壤微生
物对不同碳源利用能力的差异, 有助于更全面地了
解微生物群落代谢功能特性[14]。在田间和盆栽试验
中(图2), 单作和间作条件下, 玉米、马铃薯根际微生
物对6类碳源的利用情况有一定差异 , 碳源利用强
度总体以糖类、氨基酸类和羧酸类最高, 分别占总
碳源利用强度的19.70%~30.91%、20.54%~ 26.04%、
13.46%~18.18%和20.82%~31.39%、11.11%~24.87%、
16.34%~24.20%。
间作对 Biolog ECO板中 6类碳源的利用均有影
响(如图 3), 但玉米和马铃薯根际微生物对 6类碳源
的利用情况存在较大的差异。田间试验中, 与单作
相比, 间作提高了玉米根际微生物对氨基酸类、羧
酸类、聚合物类、胺类和酚酸类碳源的利用, 分别
是单作的 1.1、1.7、1.9、1.2 和 2.6 倍; 提高了马铃
薯根际微生物对羧酸类、聚合物类和酚酸类碳源的
利用, 分别增加 17.79%、30.71%和 27.26%。而间作
降低了玉米根际土壤微生物对糖类的利用及马铃薯
对糖类、氨基酸和胺类的利用 , 但差异均不显著
(P<0.05)。
盆栽试验中, 间作提高了玉米根际微生物对糖
类、氨基酸类、聚合物类碳源的利用, 其中糖类比
单作显著增加了 27.21%, 而降低了羧酸、胺类和酚
酸类利用强度 , 其中酚酸类比单作显著减少了
20.67%; 提高了马铃薯根际微生物对 6 类碳源的利
用, 其中胺类和酚酸类的代谢强度分别是单作的 1.9
倍和 3.6倍, 且差异显著(P<0.05)。
2.3 间作与单作根际微生物对单一碳源利用率
的差异
通过检测微生物对单一碳源利用程度 , 可以
922 作 物 学 报 第 41卷



图 2 根际微生物对碳源利用百分比
Fig. 2 Percentage of utilized substrates of rhizosphere microbe
CH: 糖类; AA: 氨基酸类; CA: 羧酸类; PM: 聚合物类; AM: 胺类; PA: 酚酸类。F: 田间试验; P: 盆栽试验。*表示单作和间作处理间
差异显著(P<0.05)。缩写同图 1。
CH: carbohydrates; AA: amino acids; CA: carboxylic acids; PM: polymers; AM: amines/amides; PA: phenolic acids. F: field experiment;
P: pot experiment. * means significant difference between monocropping and intercropping pattern at the 0.05 probobility level. Abbreviations
are the same as those given in Figure 1.

图 3 根际微生物对 6类碳源的利用强度
Fig. 3 Utilization intensity of rhizosphere microbe to six types of carbon source
F: 田间试验; P: 盆栽试验。* 表示单作和间作处理间差异显著(P<0.05)。其他缩写同图 1和图 2。
F: field experiment; P: pot experiment. * means significant difference between monocropping and intercropping pattern at the 0.05 probobility
level. Other abbreviations are the same as those given in Figure 1 and Figure 2.

反映微生物群体水平的群落结构 , 用于测定微生
物群落的功能多样性。如表 1 所示 , 田间试验中 ,
间作玉米根际微生物高于单作玉米的代谢碳源包
括 6 种碳水化合物、2 种氨基酸、4 种羧酸、2 种
聚合物、2 种酚类和 1 种胺类; 间作马铃薯根际微
生物高于单作马铃薯的代谢碳源包括 3种碳水化合
物、2种氨基酸、5种羧酸、3种聚合物、1种酚类
和 1种胺类。
盆栽试验中, 间作玉米根际微生物高于单作玉
米的代谢碳源包括 8种碳水化合物、3种氨基酸、3
种羧酸、3种聚合物、1种酚类和 1种胺类; 间作马
铃薯根际微生物高于单作马铃薯的代谢碳源包括 8
种碳水化合物、4种氨基酸、4种羧酸、2种聚合物、
2种酚类和 1种胺类。
2.4 间作对根际微生物多样性指数的影响
土壤微生物群落利用碳源类型的多与少可以用
各种多样性指数表示[15]。由表 2 可知, 在田间和盆
栽试验中, 在培养 120 h后, 与单作相比, 间作使玉
米根际微生物群落 Shannon指数(H)、Simpson指数
(D)、均匀度指数 (E)及丰富度指数 (S)分别增加了
5.26%、1.01%、4.43%、0和 9.46%、0.21%、4.09%、
19.23%, 使马铃薯分别增加 4.78%、0.67%、4.35%、
3.57%和 1.41%、0.64%、0.98%、11.11%, 但差异
均不显著(P<0.05)。
2.5 土壤微生物对碳源利用多样性的聚类分析
和主成分分析
2.5.1 聚类分析 聚类分析可以将抽象对象的集
合分组成为由类似的对象组成的多个类别, 可以更
直观地显示各研究对象之间的远近关系 , 通过对
120 h不同处理的平均碳源利用率(AWCD)进行聚类
分析(图 4), 田间试验中, 间作玉米、间作马铃薯根
际微生物具有与单作玉米、单作马铃薯明显不同的
第 6期 覃潇敏等: 玉米与马铃薯间作对根际微生物群落结构和多样性的影响 923


表 1 间作高于单作的碳源
Table 1 Increased Carbon source type utilized by maize and potato in different treatments
碳源种类 Carbon source 作物
Crop 田间试验 Field experiment 盆栽试验 Pot experiment
玉米
Maize
α-D-乳糖, β-甲基-D-葡萄糖苷, D-木糖, i-赤藓糖醇, D-甘
露醇, L-α-甘油磷酸, L-精氨酸, L-苯丙氨酸, 丙酮酸甲
酯, D-半乳糖醛酸, D-苹果酸, D-葡萄糖胺酸, 吐温 40,
环糊精, 2-羟基苯甲酸, 4-羟基苯甲酸, 腐胺
α-D-lactose, β-methyl-D-glucoside, D-xylose, i-erythritol,
D-mannitol, L-α-glycerol phosphate, L-arginine,
L-phenylalanine, pyruvic acid methyl ester, D-galacturonic
acid, D-malic acid, D-glucosaminic acid, Tween 40,
cyclodextrin, 2-hydroxy benzoic acid, 4-hydroxy benzoic
acid, putrescine
D-纤维二糖, 1-磷酸葡萄糖, α-D-乳糖, β-甲基-D-葡萄糖苷, i-
赤藓糖醇, D-甘露醇, L-α-甘油磷酸, L-精氨酸, L-丝氨酸, L-苏
氨酸, 丙酮酸甲酯, 衣康酸, α-丁酮酸, 吐温 40, 吐温 80, 肝
糖, 2-羟基苯甲酸, 苯乙胺
D-cellobiose, glucose-1-phosphate, α-D-lactose, β-methyl-D-
glucoside, i-erythritol, D-mannitol, L-α-glycerol phosphate,
L-arginine, L-serine, L-threonine, pyruvic acid methyl ester,
itaconic acid, α-ketobutyric acid, Tween 40, Tween 80, glycogen,
2-hydroxy benzoic acid, phenylethylamine
马铃薯
Potato
D-木糖, i-赤藓糖醇, D-半乳糖酸 γ-内酯, L-苯丙氨酸, L-
丝氨酸, 丙酮酸甲酯, D-半乳糖醛酸, D-葡萄糖胺酸, 衣
康酸, D-苹果酸, 吐温 40, 环糊精, 肝糖, 4-羟基苯甲酸,
腐胺
D-xylose, i-erythritol, D-galactonic acid γ-lactone,
L-phenylalanine, L-serine, pyruvic acid methyl ester,
D-galacturonic acid, D-glucosaminic acid, itaconic acid,
D-malic acid, Tween 40, cyclodextrin, glycogen,
4-hydroxy benzoic acid, putrescine
D-纤维二糖, 1-磷酸葡萄糖, α-D-乳糖, β-甲基-D-葡萄糖苷, i-
赤藓糖醇, N-乙酰-D-葡萄糖胺, L-α-甘油磷酸, D-木糖, L-精氨
酸, L-天门冬酰胺, L-丝氨酸 甘氨酰-L-谷氨酸, 丙酮酸甲酯,
D-葡萄糖胺酸, D-半乳糖醛酸, α-丁酮酸, 吐温 40, 吐温 80, 2-
羟基苯甲酸, 4-羟基苯甲酸, 腐胺
D-cellobiose, glucose-1-phosphate, α-D-lactose, β-methyl-D-
glucoside, i-erythritol, N-acetyl-D-glucosamine, L-α-glycerol
phosphate, D-xylose, L-arginine, L-asparagine, L-serine, gly-
cyl-L-glutamic acid, pyruvic acid methyl ester, D-glucosaminic
acid, D-galacturonic acid, α-ketobutyric acid, Tween 40, Tween
80, 2-hydroxy benzoic acid, 4-hydroxy benzoic acid, putrescine

表 2 间作对根际微生物群落多样性指数的影响
Table 2 Effect of intercropping on rhizosphere microbial community diversity index

处理
Treatment
Shannon指数
Shannon index (H)
Simpson指数
Simpson index (D)
均匀度指数
Evenness index (E)
丰富度指数
Richness index (S)
单作玉米 MM 2.998±0.11 0.942±0 0.895±0.02 29±2.08
间作玉米 IM 3.155±0.04 0.953±0* 0.934±0.01 29±1.16
单作马铃薯 MP 3.076±0.06 0.950±0 0.921±0.03 28±2.52
田间试验
Field experiment
间作马铃薯 IP 3.223±0.08* 0.957±0 0.961±0.01 29±1.53
单作玉米 MM 2.875±0.13 0.947±0.01 0.881±0.06 26±3.21
间作玉米 IM 3.147±0.07* 0.949±0 0.917±0.02 31±0
单作马铃薯 MP 3.041±0.07 0.942±0.01 0.919±0.02 27±0.58
盆栽试验
Pot experiment
间作马铃薯 IP 3.084±0.06 0.948±0 0.910±0.01 30±1.53
* 表示单作和间作处理间差异显著(P<0.05)。
* means significant difference between monocropping and intercropping pattern at the 0.05 probobility level.

图 4 根际微生物碳源利用特征的聚类分析
Fig. 4 Cluster analysis of carbon utilization profiles in maize and potato rhizosphere microbial community
F: 田间试验; P: 盆栽试验。其他缩写同图 1。
F: field experiment; P: pot experiment. Other abbreviations are the same as those given in Figure 1.
924 作 物 学 报 第 41卷


碳源利用模式。盆栽试验中, 单作马铃薯、间作马
铃薯根际微生物群落利用碳源代谢特性相似, 单作
玉米和间作玉米间具有明显不同的碳源利用模式。
2.5.2 主成分分析 主成分分析是处理数学降维
的一种方法, 将多个变量通过线性变换以选出较少
个数重要变量。主成分个数的提取原则是相对应特
征值大 1 的前 m 个主成分。根据此原则, 田间和盆
栽试验中, 各共提取出了 8 个和 10 个主成分, 累计
贡献率分别达到 93.3%和 100.0%, 第 1主成分(PC1)
贡献率分别是 26.8%和 25.7%, 第 2 主成分(PC2)贡
献率分别是 19.6%和 18.0%。因第 3~8主成分贡献率
较小, 所以本文取前 2个主成分的得分作图来表征
微生物群落碳源代谢特征。
田间试验中, PCA 分析表明(图 5-F-1), 在 PC1
上, 玉米单间作、马铃薯单间作处理均有很好的分
离, 单作玉米和单作马铃薯分布在负方向上, 间作
玉米和间作马铃薯分布在正方向上; 在 PC2 上, 玉
米单间作和马铃薯单间作处理的差异较小。同时 ,
如图 5-F-2 所示, 可以筛选出根际微生物利用能力
较强的 10种碳源, 分别是丙酮酸甲酯、聚山梨醇酯
40、聚山梨醇酯 80、肝糖、4-羟基苯甲酸、L-精氨
酸、L-天门冬酰胺、L-苏氨酸、苯乙胺和腐胺。
盆栽试验中, PCA分析表明(如图 5-P-1), 在 PC1
上, 玉米单间作处理的差异较小, 马铃薯单间作处
理有较好的分离; PC2上, 玉米单间作处理有较好的
分离, 马铃薯单间作处理的差异较小。同时, 如图
5-P-2所示, 可以筛选出根际微生物利用能力较强的
10 种碳源, 分别是环糊精、肝糖、D-纤维二糖、N-
乙酰-D-葡萄糖胺、1-磷酸葡萄糖、L-α-甘油磷酸、γ-
羟丁酸、衣康酸、L-天门冬酰胺和苯乙胺。
初始载荷因子反映主成分与碳源利用的相关系
数, 载荷因子越高, 表示该碳源对主成分的影响越
大。Choi等[16]认为, 主成分 1和主成分 2上高于 0.18
或小于0.18的载荷系数可认为具有较高的载荷量。

图 5 单、间作处理根际微生物碳源利用特征的主成分分析
Fig. 5 Principal components analysis of carbon utilization profiles in maize and potato rhizosphere microbial community of
monocropping and intercropping treatments
F: 田间试验; P: 盆栽试验。其他缩写同图 1。
F: field experiment; P: pot experiment. Other abbreviations are the same as those given in Figure 1.
第 6期 覃潇敏等: 玉米与马铃薯间作对根际微生物群落结构和多样性的影响 925


表 3 ECO微孔板中在 PC1和 PC2上载荷较高的主要碳源
Table 3 Carbon substrates most heavily loaded on first two principal components (PC) in analysis of ECO micro-plate data
田间试验 Field experiment 盆栽试验 Pot experiment 碳源类别
Carbon source
底物
Substrate PC1 PC2 PC1 PC2
β-甲基-D-葡萄糖苷 β-methyl-D-glucoside 0.2146
D-半乳糖酸 γ-内酯 D-galactonic acid γ-lactone
D-木糖 D-xylose 0.1803
i-赤藓糖醇 i-erythritol −0.2506
D-甘露醇 D-mannitol −0.2128
N-乙酰-D-葡萄糖胺 N-acetyl-D-glucosamine −0.2264 −0.2799
D-纤维二糖 D-cellobiose −0.2632 −0.2700
1-磷酸葡萄糖 Glucose-1-phosphate −0.2803 −0.3007
α-D-乳糖 α-D-lactose
碳水化合物
Carbohydrate
L-α-甘油磷酸 L-α-glycerol phosphate 0.2577 −0.2827
L-精氨酸 L-arginine 0.3082 −0.1813
L-天门冬酰胺 L-asparagine −0.2048 0.2173 −0.2807
L-苯丙氨酸 L-phenylalanine 0.2569 0.2608
L-丝氨酸 L-serine
L-苏氨酸 L-threonine 0.3345 −0.2265
氨基酸
Amino acid
甘氨酰-L-谷氨酸 Glycyl-L-glutamic acid 0.1819
丙酮酸甲酯 Pyruvic acid methyl ester 0.2860 −0.2302 羧酸类化合物
Carboxylic acid D-半乳糖醛酸 D-galacturonic acid 0.2535
γ-羟丁酸 γ-hydroxybutyric acid 0.2296 0.2579
D-葡萄糖胺酸 D-glucosaminic acid 0.1845 0.2614
衣康酸 Itaconic acid −0.2770
α-丁酮酸 α-ketobutyric acid −0.1958 0.1823

D-苹果酸 D-malic acid 0.1826
吐温 40 Tween 40 0.2893
吐温 80 Tween 80 0.2794 −0.2215
环糊精 Cyclodextrin 0.2224 0.2987
聚合物
Polyme
肝糖 Glycogen 0.2954 −0.3126
苯乙胺 Phenylethylamine −0.2618 0.2105 −0.3667 胺类化合物
Amines/amide 腐胺 Putrescine 0.3299 0.2114
2-羟基苯甲酸 2-hydroxy benzoic acid 酚酸类化合物
Phenolic acid 4-羟基苯甲酸 4-hydroxy benzoic acid 0.2218 0.2940
−载荷<0.18或> −0.18。The loading was < 0.18 or > −0.18.

Garland[17]认为各样本在空间位置上的不同是和碳
源底物的利用能力相关联的, 具体而言, 各样本在
PC空间轴坐标的差异是与聚集在该 PC轴上碳源的
利用能力相关联的。由表 3 可知, 田间试验中, 在
PC1 上载荷较高的碳源有 14 种, 主要包括糖类(4
个)、氨基酸类(2个)、羧酸类(3个)、聚合物类(2个)、
胺类(2个)和酚酸类(1个); 在 PC2 上载荷较高的碳
源有 12 种, 主要包括糖类(2 个)、氨基酸类(3 个)、
羧酸类(3个)、聚合物类(2个)、酚酸类(1个)和胺类
(1 个)。以上分析表明, 糖类、氨基酸、羧酸是区分
单间作处理间差异的敏感碳源。
盆栽试验中, 在 PC1上载荷较高的碳源有 12种,
主要包括糖类(5个)、氨基酸类(3个)、羧酸类(1个)、
聚合物类(2 个)和胺类(1 个); 在 PC2 上载荷较高的
碳源有 9种, 主要包括糖类(1个)、氨基酸类(2个)、
羧酸类(4个)、聚合物类(1个)和胺类(1个)。可见, 糖
类、氨基酸和羧酸是区分单间作处理间差异的敏感
碳源。
926 作 物 学 报 第 41卷


3 讨论
土壤微生物群落AWCD反映了土壤微生物利用
碳源的能力和代谢活性的大小, 其值越高, 土壤微
生物群落代谢活性越高[17-18]。研究表明, 合理的间
套作可以提高土地利用率, 能够改善土壤根际微环
境[19], 增加土壤微生物数量及改善微生物多样性[20]。能
凤娇等[21]研究结果显示, 间作显著提高土壤微生物
碳源利用能力和微生物群落功能多样性指数。本研
究结果发现, 在整个培养过程中间作提高了玉米马
铃薯根际微生物群落 AWCD值, 其中间作马铃薯的
AWCD 值最高, 单作玉米的最低, 单、间作间差异
不显著。说明间作在一定程度可以增强微生物的代
谢活性 , 提高土壤微生物对单一碳源的利用能力 ,
其原因可能是间作种植模式下存在 2 种作物的根系
分泌物, 这些分泌物可以为根际微生物提供生长繁
殖所需的能源, 影响根际微生物的数量和群落结构
的变化[22]。
土壤微生物多样性指数、优势度指数、均匀度
指数和丰富度指数是表征群落多样性的常用指数 ,
可以揭示土壤微生物种类和功能的差异[23]。董艳等[24]
研究发现, 间作显著提高蚕豆、小麦根际微生物的
Shannon多样性指数与丰富度指数。章家恩等[25]研究
发现, 玉米花生间作改善了根区微生物群落功能多
样性和代谢活性。本研究中, 间作玉米和间作马铃
薯根际微生物群落的 Shannon 指数(H)、Simpson 指
数(D)、均匀度指数(E)及丰富度指数(S)分别高于单
作玉米和单作马铃薯, 这表明间作使土壤微生物群
落多样化, 其原因可能是间作系统中不同作物会产
生不同的特异根系分泌物, 并形成与之相适应的根际
微生物群落, 从而提高土壤微生物的整体代谢活性,
促进土壤微生物群落结构多样化的形成[25-26]。
李鑫等[22]研究发现, 不同种植模式下土壤微生
物对 6 类碳源的利用强度差异较大。本研究田间试
验发现, 间作提高了玉米根际微生物对氨基酸、羧
酸、聚合物、胺类和酚酸类碳源的利用, 降低了对
糖类的利用; 提高马铃薯根际微生物对羧酸、聚合
物和酚酸类碳源的利用, 降低了对糖类、氨基酸和
胺类的代谢强度。盆栽试验中, 间作提高了玉米根
际微生物对糖类、氨基酸类、聚合物类碳源的利用,
降低了对羧酸、胺类和酚酸类的利用; 提高了马铃
薯根际微生物对 6 类碳源的代谢强度。从对单一碳
源的利用差异来看, 田间和盆栽试验中, 间作玉米
根际微生物代谢碳源分别主要有 17 种和 19 种高于
单作, 间作马铃薯根际微生物代谢碳源分别主要有
15种和 21种高于单作。表明玉米与马铃薯间作条件
下产生的根系分泌物可能使土壤微生物对某些碳源
的利用能力有一定的抑制作用, 这些碳源基质利用
能力的消弱与有利于利用此类碳源基质的土壤微生
物种群数量的减少有一定关系, 其原因可能是间作
中作物根系的互作可增加根系土壤中含有更多的维
生素、碳水化合物、氨基酸和有机酸等含量, 使植
物根系分泌物种类改变及化合物积累, 增强了土壤
微生物功能多样性, 但可能存在一定的正反馈调节
作用[27]。
应用31种碳源的光密度值聚类分析的结果显示,
田间试验中单、间作种植下玉米马铃薯根际微生物
群落具有明显不同的碳源代谢模式 ; 盆栽试验中
单、间作玉米根际微生物群落也具有明显不同的碳
源利用模式, 这可能是因为间作种植在很大程度上
改变了土壤微环境。
主成分分析解释了不同处理土壤微生物碳源利
用存在的差异。水稻与西瓜间作改变了根系分泌物
中糖类、氨基酸和酚酸的组成, 增加了根际土壤的
微生物多样性[28]。小麦与蚕豆间作系统中, 糖类、
羧酸类和氨基酸类是微生物利用的主要碳源, 可作为
区分不同种植模式下微生物碳源利用类型的依据[24]。
本试验条件下, 在田间试验中,玉米和马铃薯的单间
作处理在 PC1上出现了明显的分异。在盆栽试验中,
马铃薯单间作处理在 PC1 上出现了较好的分离; 玉
米单间作处理在 PC2 上出现较好的分离, 表明间作
种植明显改变了根际微生物的功能多样性。间作改
变根际微生物群落功能多样性是由微生物对 PC1和
PC2 上载荷较高的碳源利用差异引起的, 在 PC1 和
PC2 上载荷较高的主要碳源是糖类、氨基酸类和羧
酸类, 这 3 类碳源可作为区分间作种植模式下微生
物碳源利用类型的敏感碳源。表明玉米与马铃薯间
作可能改变了根系分泌物的组成, 尤其是氨基酸、
糖类和有机酸的组成, 本研究结果与上述研究结果
相似。
4 结论
玉米、马铃薯间作提高了根际土壤微生物群落
碳源利用率(AWCD)、微生物群落的 Shannon 指数
(H)、Simpson 指数(D)、均匀度指数(E)及丰富度指
数(S), 但根际微生物对 6 类碳源的利用存在一定的
差异。玉米与马铃薯间作改变了根际微生物的群落
组成, 糖类、羧酸类和氨基酸类碳源是区分单间作
第 6期 覃潇敏等: 玉米与马铃薯间作对根际微生物群落结构和多样性的影响 927


处理差异的主要碳源。间作种植方式是维持土壤微
生物群落功能多样性和土壤生态系统稳定性与可持
续发展的重要措施。
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