间作多样性种植方式对提高和维持农业生态系统中生物多样性和稳定性,以及促进作物稳产和高产具有重要作用,深入研究间套作优势的形成机制对建设生态文明的现代农业模式,均具有极其重要的理论与实践意义。花生/玉米间作是一种成功的作物种植策略,但是对于花生/玉米间作优势产生机理目前并不明晰。基于此,本研究结合田间小区以及桶栽试验,设置玉米和花生单作处理,以及三种不同根系分隔间作处理(采用塑料膜、尼龙网和无分隔,形成三种地下部互作模式)。首先,应用田间试验对比不同间作处理与单作的产量、农艺性状、光合生理特性以及土壤理化性质,在证实花生/玉米间作产量优势的前提下,寻找土壤理化性质中导致增产的主要影响因素;进一步在桶栽试验中运用BIOLOG、PLFA、qRT-PCR、T-RFLP及根系分泌物代谢组学技术,从根际微生态系统水平上对玉米/花生不同间作处理下的根际微生物群落结构与功能多样性变化进行深入分析,探讨间作下玉米/花生土壤微生态结构变化的根际生物学过程,锁定并分离筛选关键特异微生物,并进行qRT-PCR 土壤原位验证。主要研究结论如下:(1)田间农艺产量以及光合试验结果:两年的光合数据表明,四个生长时期中,无隔和网隔玉米叶片的叶绿素含量以及光合强度均高于全隔和单作处理,而且在生长后期该差异呈现扩大的趋势,全隔和单作处理之间的差异并不显著。四个生长时期中,无隔和网隔处理的花生叶片叶绿素含量均高于全隔和单作处理,光合速率在生长后期高于全隔和单作,全隔和单作无显著差异;该结果表明地下部互作条件下花生生长后期生长优势明显。本研究通过三年的田间产量结果表明,无隔和网隔玉米的农艺性状以及产量显著高于全隔和单作;无隔和网隔花生产量要高于全隔处理,与单作之间无显著差异,农艺性状中仅根瘤结瘤数显著高于全隔和单作;单位土地当量在网隔和无隔处理中均高于1,全隔处理中均小于1,该结果说明地下部的种间互作导致了玉米/花生产量的提高。(2)田间根际土壤生态因子试验结果:在此地下部互作导致间作产量提高的基础上,动态监测了田间不同处理下作物根际土壤生态因子的变化过程,结果发现,玉米根际其中电导率(EC)(值的范围在1 12 mS·m-1～144 mS·m-1)整体水平上要显著高于花生根际电导率(值的范围在57 mS·m-1～75 mS·m-1),并且在两作物生长的后期均表现为下降趋势;从不同处理间比较看,玉米全隔处理电导率要略高于无隔和网隔处理,花生的导电率呈现相反趋势。土壤酶活以及营养结果表明,根际互作能促进两作物根际中脲酶、磷酸单酯酶、速效氮、速效磷,并且与增产优势也存在显著相关。该结果说明,间作条件下不同作物根际互作过程中,根系分泌物组成和根际微生物群落结构均发生了变化,进而改变土壤酶活以及土壤营养。桶栽试验植株生长情况:不同处理下的玉米与花生的生长农艺指标、光合生理和根际理化性质变化规律与大田一致。(3)群落水平生理指纹图谱(BIOLOG)和磷脂脂肪酸法(PLFA)分析结果表明,玉米和花生的间作模式下显著提高两种作物的根际微生物数量和功能多样性;无隔和网隔显著促进了根际细菌的数量,其中玉米中的革兰氏阳性菌(G+)增加比较明显,而花生中革兰氏阴性菌(G-)促进比较明显;饱和磷脂脂肪酸与不饱和磷脂脂肪酸的比值(NS/MS)大小反应了根际微生物营养胁迫水平,其在全隔花生(CP)种显著高于其它处理。同时发现根际互作促进玉米、花生根际土壤微生物对不同碳源代谢的多样性以及利用水平,尤其是花生的根际微生物,显著提高了不同碳源的利用水平。冗余分析表明(RDA)土壤中脲酶活性和速效氮水平在无隔和网隔中显著提高,且与土壤中细菌、真菌和总PLFAs呈正相关,而与G+/G-和NS/MS呈负相关。为进一步验证间作条件下根际微生物的改变与土壤中N营养代谢的关系,本研究采用qPCR技术对土壤微生物中的参与N循环的基因(amoA(AOA)、amoA(AOB)、narG、nirK、nirS、nosZ、nifH)进行原位定量分析,结果发现,地下部互作促进玉米、花生根际N代谢循环相关微生物的数量,提高了 N营养代谢水平。(4)末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)分析结果表明,无隔和网隔处理玉米/花生的根际土壤的细菌群落多样性指数和均匀度指数都显著高于全隔处理;全隔玉米(CM)根际中主要菌群是变形菌门,而在有地下部互作的网隔和无隔处理中,玉米中的变形菌门占比逐渐下降,厚壁菌门和放线菌门逐渐上升;全隔花生(CP)根际主要菌门为厚壁菌门,而在发生地下部互作时,花生中的变形菌门占比逐渐上升,厚壁菌门和放线菌门占比逐渐下降。同时聚类分析和主成分分析结果与PLFA、BIOLOG的结果一致。进一步分析发现,地下部互作条件下根际中有益细菌群,芽孢杆菌属、伯克氏菌属、假单胞菌属等分别在无隔和网隔玉米、花生中都有不同程度的提高;其中,玉米根际中提高的主要有芽孢杆菌属、短芽孢杆菌属、类芽孢杆菌属,而花生根际中主要提高的是伯克氏菌属、假单胞菌属、鞘脂单胞菌属、根瘤菌属。进一步,通过qRT-PCR技术对根际中主要菌门以及有益菌(假单胞菌属、根瘤菌属、芽孢杆菌属、伯克氏菌属)进行定量分析,结果验证了 T-RFLP的分析结果。综上可知,在玉米和花生间作条件下,不仅细菌群落结构和多样性水平得到改善,有利于土壤微生态系统的稳定性,而且有益菌群的增加有利于抑制土传病原菌、提高根际土壤营养物质代谢活性,进而促进间作作物的生长。(5)运用GC-MS技术从蛭石培养的玉米、花生单作和间作的根系分泌物提取液中共鉴定到114种分泌物,其中单作玉米、花生以及间作分别鉴定到92个、67个、110个。对这些化合物进行分类,可分为氨基酸类、酚酸羧酸类、嘌呤类、二萜类、胺类、糖类、糖酸类、有机酸类以及其他种类化合物。进一步分析发现,多样性和均匀度在不同处理中的变化趋势为间作>玉米>花生;主成分分析显示三种处理根系分泌物组成表现出显著差异,其中单作玉米和单作花生之间差异最大。在间作条件下,根系分泌物种氨基酸类、酚酸类、二萜类、以及含N化合物、含N化合物比含C化合物(N/C)均要显著高于单作,尤其是N/C和氨基酸,相比单作花生分别提高了 20.2倍和29.6倍,相比单作玉米提高了 2.5倍和3.1倍。进一步分析不同处理根系分泌物对本研究中所分离到根际有益细菌(洋葱伯克霍尔德菌H111、根瘤菌CCBAU、根瘤菌RHM54、铜绿假单胞菌IOMTU133、假单胞菌Pi3-21、鞘脂单胞菌UT26S)生长的影响。结果发现,不同根系分泌物对这些细菌生长促进大小分别为间作>单作玉米>单作花生,正好与分泌物多样性以及均匀度的变化趋势一致。本研究结果表明,间作条件下,根系分泌物的多样性的提高与根系微生物多样性密切相关,同时分泌物组成的改变与土壤中有益细菌的增加密切相关。综上可见,玉米/花生间作条件下,两种作物会响应环境的改变,进而改变根系分泌物组成和分泌量。同时,在两种作物根系分泌物的共同作用下也显著提高了间作土壤中分泌物的多样性,进而提高了根际微生物多样性,这对于提高农业生态系统稳定性,控制田间土壤病害,提高土壤肥力具有重要意义。间作种植条件下,玉米和花生根系分泌物发生互作,使作物的根际土壤中的有机N/C、氨基酸、酚酸等的含量显著上升,进而对根际微生物群落结构产生积极影响,促进了根际微生物总量以及有益细菌数量的上升。所有这些因素的改变促进了间作作物群体生长和产量优势。