通过丛枝菌根与根瘤菌接种及肥料微量施用优化贝宁地区的大豆-玉米间作种植

《Field Crops Research》：Optimizing soybean–maize intercropping through arbuscular mycorrhiza–rhizobia inoculation and fertilizer microdosing in Benin

　　摘要：在可持续农业中，如何减少化学投入的同时保持稳定的作物产量仍是一个重大挑战。大豆与玉米间作系统结合生物接种剂（根瘤菌、Rhizobium及丛枝菌根真菌）以及微量施肥技术，或许能在低投入条件下提升养分利用效率与土地生产力，但其综合效果目前尚不明确。

目的：研究在不同行配置的大豆-玉米间作系统中，丛枝菌根真菌与Rhizobium双重接种结合微量施肥对产量、养分吸收及土地利用效率的影响。

方法：采用分区设计开展为期两年的田间试验，主区设置四种种植方式：[i] SM1：1行大豆与1行玉米交替间作；[ii] SM2：2行大豆与2行玉米交替间作；[iii] S：单独种植大豆；[iv] M：单独种植玉米]。子区则包含四种接种处理组合[i]未接种对照、[ii]仅施用丛枝菌根真菌、[iii]仅施用Rhizobium、[iv]同时施用二者]以及两种施肥处理[i]F0：不施肥对照；[ii] F1：按推荐量的一半施肥，即大豆每公顷15公斤磷，玉米分别为14公斤氮、14公斤磷、14公斤钾]。

结果：与单一接种或未接种处理相比，双重接种显著提升了有效根瘤数量、丛枝菌根真菌的定殖率以及豆荚数量。在大豆种植中，F1处理下，双重接种使S、SM1、SM2三种模式的产量分别从0.82吨/公顷、0.88吨/公顷、1.3吨/公顷提升至3.1吨/公顷、1.7吨/公顷、2.5吨/公顷。在玉米种植中，无论何种种植模式，F1处理结合丛枝菌根真菌的应用都能带来最高产量。SM2模式的土地当量比（1.40）高于SM1模式（1.21），反映出该模式下更高的土地利用效率。双重接种结合F1处理还提升了氮、磷、钾的吸收量。两种间作系统中的籽粒产量提升主要源于相互促进的作用，而非选择效应，因为选择效应的数值极小甚至为负。

结论：研究表明，在土壤养分不足的情况下，采用2行配置的大豆-玉米间作系统，结合降低施肥量并实施双重接种，可优化种间互作，提升系统生产力。

意义：尽管双重接种结合微量施肥在大豆-玉米间作中表现优异，但仍需在贝宁更广泛的土壤与气候条件下开展更多研究，以深入理解系统的响应机制，并为小农种植提供更精准的建议。

引言：大豆（Glycine max [L.] Merr.）和玉米（Zea mays L.）是撒哈拉以南非洲地区重要的粮食安全作物（Berdjour等人，2020）。尽管这些作物意义重大，但该地区的大豆与玉米生产力仍不尽如人意。产量偏低的原因包括土壤肥力下降（Tovihoudji等人，2023）、不合理的农艺措施如单一谷物种植、病虫害及杂草侵扰（Berdjour等人，2020；Mupangwa等人，2021）。因此，提升生产力至关重要，因为非洲产量的增长主要来自耕地面积的增加，而非生产力的提升（Jayne等人，2019）。

在撒哈拉以南非洲，谷物与豆类间作，尤其是接力间作，被广泛推广用于提高小农的土地利用效率、增强粮食安全并增加收入（Mudare等人，2022）。接力间作是指种植生长周期有部分重叠的不同作物，各作物仅在有限时间内共同生长（Yang等人，2017a）。在西非国家，尤其是贝宁，不同作物类型的接力间作方式各异。例如，玉米和高粱等谷物会与豇豆、花生等豆类在同一行间作，而甘薯、玉米、木薯则会在同一土堆上间作。

在各种可能的谷物-豆类组合中，大豆-玉米间作能为小农带来显著益处（Iqbal等人，2019）。Xu等人（2020）通过元分析估计，全球范围内大豆-玉米间作的土地当量比平均为1.32，表明间作相比单作具有显著的节地潜力。同一研究团队还指出，间作系统的平均氮肥当量比为1.44，意味着在获得相同产量的前提下，间作作物所需的氮肥量远低于单作作物。间作系统还有其他优势，比如减少病虫害危害、提升生态系统多样性（Huss等人，2022；Mir等人，2022）。此外，Huss等人（2022）还发现，间作系统在杂草控制、病害与虫害防治以及整体盈利能力方面均有明显优势。不过，这类种植系统的效率取决于所涉及作物的空间布局（Fan等人，2020；Wu等人，2021）。种植模式会影响玉米与大豆间作系统中氮和磷的吸收与分配（Raza等人，2019a）。Yang等人（2017a）提出，不同的种植模式会通过间作系统内的地上与地下相互作用影响作物产量。他们的研究进一步表明，地上相互作用，尤其是相互遮荫作用，对间作优势的贡献大于地下相互作用。然而，迄今为止，撒哈拉以南非洲国家，尤其是贝宁，对于间作系统中作物物种的空间布局研究甚少。

除了间作布局外，通过创新且经济高效的手段提升缺肥土壤的肥力，比如使用有效的共生微生物进行种子接种、施加减量肥料，比不采取这些措施的间作系统能更高效地提升产量和作物总收入。目前，受全球供需关系及经济因素影响，化肥价格居高不下，再加上不恰当的施肥方式，可能导致土壤矿物质耗竭或环境污染，因此亟需探索更高效的施肥方法（Kolapo等人，2024）。在西非，针对谷物作物，尤其是玉米的微量施肥技术已成为多项研究的重点，旨在提升肥料利用效率（Ouedraogo等人，2020；Ouedraogo等人，2022；Sawadogo等人，2024；Tovihoudji等人，2017；Tovihoudji等人，2022）。这种创新方法是将少量精确剂量的矿物肥料直接施用于作物根区，相较于传统施肥方式，它能提升养分利用效率并降低作物生产成本（Tovihoudji等人，2017）。不过，目前微量施肥技术仅应用于单一作物的谷物种植，尚未在涉及大豆与玉米的间作系统中进行测试。研究微量施肥在不同种植系统中的适用性，对于贝宁地区大豆与玉米的可持续生产具有重要意义。

接种剂，包括高效的丛枝菌根真菌和根瘤菌株，在提升植物营养方面起着关键作用，它们能够促进生物固氮，并帮助植物吸收磷及其他土壤养分（El-sawah等人，2021；Prando等人，2024）。Leite等人（2024）报告称，对大豆植株同时接种丛枝菌根真菌和根瘤菌，可使结瘤数量、地上生物量、籽粒产量及净利润较常规接种方式增加309美元。此外，Fasusi等人（2021）发现，对玉米接种丛枝菌根真菌后，其植株生长、根系定殖及籽粒产量均显著高于未接种对照组。Cozzolino等人（2013）指出，在仅施用氮磷钾肥的处理组中，施用丛枝菌根真菌也能使植株生长、籽粒产量及磷吸收量与施用全肥的处理组相当。这些研究结果表明，丛枝菌根真菌接种可作为综合磷管理策略的一部分。在本研究中，我们选择了Rhizophagus irregularis作为接种菌，因为它在全球范围内分布广泛，且其基因组已被测序（Kokkoris等人，2024）。该菌在与本地丛枝菌根真菌竞争中具有较强优势，与根瘤菌接种剂及传统肥料配合使用时，能有效提升大豆的生长速度和籽粒产量（Gitonga等人，2021；Renaut等人，2020；Romero-Munar等人，2023）。

Abrar等人（2024）指出，随着植株成熟，丛枝菌根真菌能增强根系定殖，提高谷蛋白含量和微生物生物量，从而提升养分吸收能力和抗氧化能力，这些机制有助于提高玉米的养分获取能力和抗逆性。有趣的是，Wipf等人（2019）发现，在谷物-豆类间作系统中，相邻植株通过土壤中的丛枝菌根真菌菌丝相连，形成共同的菌根网络，从而使各植株之间能够交换养分。此外，豆类固氮后的一部分氮素可以转移给伴生作物，这部分氮素是非结瘤作物生长和发育的重要来源（Salgado等人，2021）。Qin等人（2023）也发现，接种丛枝菌根真菌和根瘤菌能进一步提升大豆-玉米间作的优势。

在本研究中，我们提出以下假设：[i] 相较于单作，微量施肥能提升间作系统中大豆和玉米的植株生长及产量；[ii] 产量和养分吸收量会因作物行配置的不同而有所差异，进而影响土地当量比；[iii] 同时接种丛枝菌根真菌和根瘤菌的大豆，其生长表现会优于仅接种丛枝菌根真菌并辅以微量施肥的玉米。基于以上假设，本研究旨在评估在两种不同行配置的间作系统中，丛枝菌根真菌与根瘤菌双重接种结合微量施肥对大豆和玉米生产的影响。

实验地点描述与土壤特征：实验于2022年和2023年的7月至11月在贝宁帕拉库大学农学系的研究站进行，该地点坐标为北纬09°18'908"，东经002°42'106"。过去三十年间，该实验区的年降雨量平均在1000至1200毫米之间（Obada等人，2021）。2022年的总降雨量为955毫米，2023年为709毫米（见图1）。2023年的生长季降雨分布相对正常，没有出现明显的降雨异常期。

植物生长参数：在2022年和2023年的生长季中，不同施肥处理、接种处理及种植模式之间的植物生长参数并无显著差异，仅有大豆的标准差宽度与数值范围存在差异。因此，研究结果以两年实验的平均值呈现。无论种植模式和施肥水平如何，大豆在双重接种处理下的标准差宽度、相对标准差宽度、数值范围及PN值始终最高。与单作相比，SM1模式使大豆的标准差宽度降低了4%。

讨论：本研究评估了大豆-玉米间作系统以及丛枝菌根真菌与根瘤菌双重接种结合相应肥料施用对作物产量的影响——其中大豆施用磷肥，玉米施用氮磷钾复合肥。两个生长季的气候条件都与贝宁典型的降雨模式一致，年降水量在1000至1200毫米之间（Obada等人，2021）。土地准备采用犁耕方式，未进行耙地，这符合当地小农的常见耕作习惯。

结论：两种大豆-玉米间作系统都比单作更具优势。两种间作系统的土地当量比始终大于1，说明SM1和SM2模式由于能更高效地利用土地及各类资源来支持作物生长，因此比单作具有更高的产量优势。此外，行配置也会显著影响系统生产力，其中SM2模式（2行配置）的土地当量比最高。这些研究结果为优化间作系统提供了重要依据。

作者贡献声明：Nourou S. Yorou：撰写——审稿与编辑、可视化、监督。Pierre Bertin：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法设计、概念构建。Brice G. Sinhouenon：撰写——初稿撰写、方法设计、定量分析、数据整理、概念构建。Diogo Rodrigue V. C.：撰写——审稿与编辑、验证。Pierre G. Tovihoudji：撰写——审稿与编辑、方法设计、定量分析、数据整理、概念构建。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了鲁汶天主教大学提供的CAI博士奖学金（2021–2025年）的支持。同时，我们也衷心感谢鲁汶天主教大学地球与生命研究所真菌学团队及应用微生物实验室工作人员的技术协助。

Brice G. Sinhouenon | Pierre G. Tovihoudji | Rodrigue V.C. Diogo | Nourou S. Yorou | Pierre Bertin
鲁汶天主教大学地球与生命研究所，Croix du Sud 2, L7.05.02, 1348 Louvain-la-Neuve, 比利时