根系分隔方式對間作玉米大豆根際紅壤磷組分及磷吸收的影響

王瑞雪，馮 瑞，蘇麗珍，郭旭光，鄭 毅,2，湯 利*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學，云南 昆明 650201； 2.云南開放大學，云南 昆明 650233)

【研究意義】磷是植物必需營養(yǎng)元素之一，在農(nóng)業(yè)土壤中常處于缺乏狀態(tài)[1]。紅壤中磷易被鐵、鋁固定，有效性較低，肥料利用率僅有10%[2]。過量施肥導致的農(nóng)田土壤磷大量盈余，不僅造成資源浪費，還會對環(huán)境造成負擔[3-4]。因此，研究紅壤中磷組分的變化及其有效性對提高紅壤磷的高效利用及合理施肥十分必要?！厩叭搜芯窟M展】Hedley磷分級方法是目前公認的能夠合理評估磷庫及各磷形態(tài)的一種分級方法[5]。該方法中，土壤有機磷和無機磷被分為活性、中活性和穩(wěn)定性。氫氧化鈉提取的無機磷被認為是與鐵、鋁結(jié)合的中有效性磷；酸浸提的無機磷被認為是原生礦物磷庫，有效性較低[6-7]。碳酸氫鈉提取的有機磷和氫氧化鈉提取的有機磷分別認為是活性和中活性有機磷。用濃酸提取或消化的磷形態(tài)被認為是閉蓄態(tài)磷，包括難利用的無機磷和穩(wěn)定性有機磷[6]。目前，有關(guān)土壤磷形態(tài)的研究主要集中在蔣柏藩、顧益初提出的無機磷形態(tài)分級，鮮見利用Hedley磷分級方法研究紅壤中磷組分變化的報道?！颈狙芯壳腥朦c】間作是一種具有提高養(yǎng)分資源利用效率、增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的多樣性種植模式。豆科/禾本科間作模式在磷吸收方面的種間促進作用已在玉米/花生[8]、玉米/大豆[9]、小麥/蠶豆[10]等體系得到驗證。間作通過改變根系形態(tài)、分泌有機酸、改變土壤磷酸酶活性及微生物群落結(jié)構(gòu)等[11-13]，提高作物對磷的吸收及土壤磷有效性。覃瀟敏等的研究發(fā)現(xiàn)，玉米大豆間作可通過活化Fe-P、Ca-P 和 O-P來提高間作系統(tǒng)的磷吸收量。目前，對土壤中Hedley磷形態(tài)變化的研究主要集中在施用有機肥[14]、長期施氮肥[15]及不同磷肥形態(tài)[16]等方面，但間作對紅壤Hedley磷組分變化及其有效性的影響尚不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以普遍種植的玉米/大豆間作模式為研究對象，利用不同根系分隔方式，研究不同磷水平下玉米和大豆生物量、磷吸收量及土壤Hedley磷組分的變化，通過冗余分析及隨機森林模型，定量化玉米和大豆根際土壤磷組分對間作系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢的相對貢獻，為間作模式磷高效利用機制的闡明提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年7—9月在云南農(nóng)業(yè)大學后山溫室大棚進行，溫室內(nèi)溫度為24～35 ℃、光照時間為12～14 h、濕度約60%～75%。供試土壤為山原旱地紅壤，取自云南昆明市官渡區(qū)小哨村，土壤pH為5.46，速效磷含量5.52 mg/kg，全磷含量0.669 g/kg，有機質(zhì) 7.58 g/kg，堿解氮 31.60 mg/kg，速效鉀 140.70 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試作物為“云瑞88”號玉米(ZeamaysL.)和“滇豆13”號大豆 [Glycinemax(Linn.) Merr.]，由云南省農(nóng)業(yè)科學院提供。

試驗設置3種根系分隔方式和5個施磷水平兩因素試驗，根系分隔方式為玉米/大豆根系塑料分隔(SB，根系之間無水分、養(yǎng)分交互)、玉米/大豆根系尼龍網(wǎng)分隔(MB，根系無直接接觸，但有水分、養(yǎng)分傳遞)、玉米/大豆根系無分隔(NB，根系存在交互作用)；施磷水平設為不施磷(P0， P2O50 mg/kg土)、低磷水平(P1， P2O550 mg/kg土)、中等磷水平(P2，P2O5100 mg/kg土)、磷充足水平(P3， P2O5150 mg/kg土)、高磷水平(P4， P2O5200 mg/kg土)，每處理3次重復，每盆玉米、大豆各種植2株。在玉米抽雄期、大豆開花—結(jié)莢期采樣。

每盆10 kg 土，氮肥用量為N 200 mg/kg土，鉀肥用量為K2O 200 mg/kg 土，100%磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入土壤，氮肥50%作為基肥，50%作為追肥在玉米拔節(jié)期施入玉米一側(cè)。氮磷鉀肥分別使用尿素(N 46%)、普通過磷酸鈣(P2O514%)、硫酸鉀(K2SO452%)。所有盆栽保持一致管理，按需澆水并及時人工除草。

1.3 樣品采集與測定

采樣時將玉米和大豆沿基部剪下，將盆倒扣，用“抖土法”取根際土壤，將根系取出、洗凈，植株地上部和根系于105 ℃烘箱殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，稱重。植株磷含量采用濃硫酸—過氧化氫消煮、釩鉬酸銨比色法，土壤磷分級采用Hedley磷分級連續(xù)浸提法[7]?；钚粤捉M分包括Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po,中活性磷組分包括NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi，穩(wěn)定性磷組分包括Con.HCl-Pi、Con.HCl-Po、Con.H2SO4-Pi。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

數(shù)據(jù)整理采用軟件Microsoft Excel 2007，方差分析采用軟件SPSS 17.0單因素ANOVA(LSD和DUNCUN)，柱狀圖及方差分析采用軟件graphpad 8.0.1進行，冗余分析采用軟件Canoco 5.0進行，并使用R語言中隨機森林模型計算相對貢獻率及顯著性[17]。同時按下列各式計算變量：

植株磷吸收量=磷濃度×干物質(zhì)量

系統(tǒng)生物量土地當量比(LER)=YMBM/NBM/YSBM+YMBS/NBS/YSBS，其中YMBM/NBM表示尼龍網(wǎng)分隔或根系不分隔的玉米干物質(zhì)量，YSBM表示塑料分隔玉米干物質(zhì)量，YMBS/NBS表示尼龍網(wǎng)分隔或根系不分隔大豆干物質(zhì)量，YSBS表示塑料分隔大豆干物質(zhì)量。LER>1表明具有間作優(yōu)勢。

系統(tǒng)磷吸收量土地當量比(LERp)=PMBM/NBM/PSBM+PMBS/NBS/PSBS，其中PMBM/NBM表示尼龍網(wǎng)分隔或根系不分隔玉米磷吸收量，PSBM表示塑料分隔玉米磷吸收量，PMBS/NBS表示尼龍網(wǎng)分隔或根系不分隔大豆磷吸收量，PSBS表示塑料分隔大豆磷吸收量。LERp>1表明間作系統(tǒng)具有磷吸收優(yōu)勢。

磷吸收間作優(yōu)勢=間作系統(tǒng)磷吸收量-(單作玉米磷吸收量×間作玉米比例+單作大豆磷吸收量×間作大豆玉米比例)，本研究中間作玉米和大豆比例均為0.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分隔方式對間作玉米大豆生物量的影響

由表1可知，相比SB，MB和NB顯著提高了間作玉米的地上部生物量和根系生物量。相比SB，NB玉米地上部和根系分別增加62.0%和84.7%。大豆地上部和根系生物量隨施磷水平增加呈先增加后降低的變化趨勢，地上部生物量在P1水平達到最大。除P3磷水平外， NB處理的系統(tǒng)生物量LER均顯著高于MB，且NB和MB處理LER隨施磷水平增加呈先增加后降低的趨勢，在P2水平達到最大值。

2.2 根系分隔方式對間作玉米大豆磷吸收量的影響

由表2可知，除P0和P4磷水平外，MB和NB分隔的玉米磷吸收量均顯著高于SB，各處理磷吸收量隨施磷水平增加呈先上升后下降的趨勢，磷吸收高峰值在P3水平，P4降低了玉米磷吸收量。大豆磷吸收量變化規(guī)律與玉米類似，在P0和P4水平下NB處理與SB處理間無顯著差異，磷吸收量隨磷水平增加而先增加后下降，在P1水平達到磷吸收量高峰值。系統(tǒng)磷吸收量LERp在P1和P2水平，NB處理顯著高于MB處理，且隨施磷水平增加呈先增加后下降趨勢。可見，相比SB，低磷和中等磷水平下NB處理可提高作物磷吸收量。

表1 根系分隔方式對間作玉米大豆生物量的影響

表2 根系分隔方式對間作玉米大豆磷吸收量的影響

圖1 施磷水平和根系分隔方式對間作系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢的影響Fig.1 Effects of phosphorus application level and root barrier mode on phosphorus absorption advantage in intercropping system

由圖1可知，除P3水平外， NB處理的系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢高于MB處理，在各磷水平分別增加7.7%、58.2%、21.8%、62.15，在P1和P4水平達到顯著差異(P<0.05)。系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢隨施磷水平增加呈先上升后下降的趨勢，在P3水平達到最大。

2.3 根系分隔方式對間作玉米大豆根際土壤磷組分的影響

由圖2可知，施磷后MB處理和NB處理的玉米根際土壤活性磷組分高于SB處理，而大豆根際土壤活性磷組分低于SB處理，各根系分隔處理的活性磷組分隨施磷水平增加而增加。中活性磷組分變化趨勢與活性磷組分相近，玉米NB處理的中活性磷組分含量低于SB處理。大豆NB處理的中活性磷組分含量相比SB處理平均降低11.57%。土壤中活性磷組分含量隨磷水平增加有增加的趨勢。穩(wěn)定性磷組分含量在玉米和大豆不同根系分隔方式中均無顯著差異，玉米根際土壤穩(wěn)定性磷組分隨施磷水平有增加趨勢，大豆則無明顯規(guī)律。

由圖3可知，相比SB處理，NB處理提高了玉米根際土壤活性無機磷組分含量，施磷后根系不分隔降低了大豆根際土壤活性無機磷組分含量。玉米P2和P3磷水平、大豆P0和P3磷水平下，中活性無機磷組分在NB處理與SB處理之間差異顯著?；钚杂袡C磷、中活性有機磷組分與對應無機磷組分變化規(guī)律接近。

2.4 根際土壤磷形態(tài)與土壤速效磷、作物磷吸收及生物量的關(guān)系

由圖4可知，玉米生物量和磷吸收量與Con.H2SO4-Pi夾角最小，關(guān)系最為相關(guān)。玉米根際土壤速效磷含量與NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和Con.HCl-Pi夾角最小。磷組分可解釋99.25%的累積變量，蒙特卡洛排列檢驗發(fā)現(xiàn)，NaHCO3-Pi是玉米根際土壤速效磷含量和玉米磷吸收量、生物量變化的主要因素(可解釋49.5%)，其次是NaOH-Pi(可解釋4.8%)。與大豆磷吸收量和生物量夾角最小的是Con.H2SO4-Pi和HCl-Pi。大豆根際土壤速效磷含量與NaHCO3-Po和NaOH-Pi、NaOH-Po夾角最小，相關(guān)關(guān)系最大。磷組分可解釋97.00%的累積變量，其中對磷有效性和磷吸收量及大豆生物量影響最大的因素是NaHCO3-Pi(可解釋27.2%)，其次是HCl-Pi(可解釋12.3%)。

2.5 土壤磷組分對系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢的相對貢獻

由圖5可知，大豆和玉米根際中活性磷組分對間作系統(tǒng)磷吸收的相對貢獻最大。大豆根際土壤中活性磷組分和玉米根際土壤穩(wěn)定性磷組分對玉米大豆間作系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢的貢獻達到極顯著水平(P<0.01)，分別為14.65%和10.44%。玉米根際土壤中活性磷組分、大豆活性磷組分對間作系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢的貢獻分別為10.52%、8.41%，達到顯著水平(P<0.05)。大豆根際穩(wěn)定性磷組分和玉米根際活性磷組分對間作系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢的貢獻分別為8.63%、6.71%。

不同小寫字母表示同一磷水平下不同根系分隔方式之間差異顯著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters indicated significant difference between different root barrier modes at the same P level (P< 0.05).The same as below圖2 施磷水平和根系分隔方式對間作玉米大豆根際土壤磷組分的影響Fig.2 Effects of phosphorus application level and root barrier mode on soil P fractions in rhizosphere of intercropping maize and soybean

圖3 根系分隔方式對間作玉米大豆根際土壤無機磷和有機磷組分的影響Fig.3 Effects of root barrier mode on inorganic phosphorus and organic phosphorus fractions in rhizosphere soil of intercropping maize and soybean

3 討 論

相比塑料分隔，根系不分隔處理能夠顯著增加玉米和大豆的生物量及磷吸收量。與覃瀟敏、張夢瑤等的研究結(jié)果一致[9-10]。不分隔大豆生物量在P2O550、100 mg/kg 水平下顯著高于塑料分隔，但在P2O5150、200 mg/kg磷水平下與尼龍網(wǎng)分隔、塑料分隔相比有降低趨勢但無顯著差異。因此，相比玉米，大豆生物量受到種間促進作用的影響更符合脅迫梯度假說[18]。這可能是由于在養(yǎng)分充足時玉米的相對競爭力大于大豆所致[9]。系統(tǒng)生物量LER在P2O5100 mg/kg水平達到最大，此時不分隔和尼龍網(wǎng)處理分別為1.79和1.54，表明中等磷水平有提高間作體系作物生物量的潛力。尼龍網(wǎng)分隔生物量相比塑料分隔有不同程度的提高，這可能是由于尼龍網(wǎng)分隔玉米和大豆共享了土壤微環(huán)境，提高了對土壤養(yǎng)分的利用效率[19]。

P absorp：磷吸收量；Biomass：生物量：Resin-Pi;樹脂無機磷；NaHCO3-Po：碳酸氫鈉浸提有機磷；NaHCO3-Pi：碳酸氫鈉浸提無機磷；NaOH-Po：氫氧化鈉浸提有機磷；NaOH-Pi：氫氧化鈉浸提無機磷；HCl-Pi：稀鹽酸浸提無機磷；Con.H2SO4-Pi：濃硫酸浸提無機磷；Con.HCl-Pi：濃鹽酸浸提無機磷；Con.HCl-Po：濃鹽酸浸提有機磷 P adsorp: P uptake; Biomass: Crop Biomass; Resin-Pi: Inorganic P exchanged by resin; NaHCO3-Po: Organic P extracted by sodium bicarbonate; NaHCO3-Pi: Inorganic P extracted by sodium bicarbonate.NaOH-Po: Organic P extracted by sodium hydroxide; NaOH-Pi: Inorganic P extracted by sodium hydroxide; HCl-Pi: Inorganic P extracted by dilute hydrochloric acid; Con.H2SO4-Pi: Inorganic P extracted by concentrated sulfuric acid; Con.HCl-Pi: Inorganic P extracted by concentrated hydrochloric acid; Con.HCl-Po: Organic P extracted by concentrated hydrochloric acid圖4 土壤磷組分與土壤速效磷和作物磷吸收量、生物量的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of phosphorus fractions with soil available P and crop phosphorus uptake and biomass

**和*分別表示該指標對間作系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢的影響達到極顯著水平(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)，ns表示影響不顯著。S：大豆；M：玉米；labile P：活性磷組分；moderate P ：中活性磷組分；nonlabile：非活性磷組分 ** and * indicated that the influence of this index on P absorption advantage of intercropping system reached extremely significant level (P< 0.01) and significant level (P< 0.05),ns indicates insignificant influence.S: Soybean; M:,Maize; Labile P: Active phosphorus component; moderate P: Intermediate labile P component; nonlabile: Inactive P component圖5 間作玉米大豆根際土壤磷組分對系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢的相對貢獻率Fig.5 The relative contribution rate of soil phosphorus fractions in rhizosphere of intercropping maize and soybean to advances of systematic phosphorus uptake

根系不分隔玉米和大豆磷吸收量在P2O50 mg/kg和P2O5200 mg/kg水平下與塑料分隔無顯著差異，不分隔大豆磷吸收量在P2O550 mg/kg水平達到最大，而后隨磷水平增加呈下降趨勢。說明根系不分隔具有減少磷肥施用、維持生物量與磷吸收量的潛力。間作系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢在P2O5150 mg/kg水平達到最大，表明在磷充足水平范圍內(nèi)，施磷能提高系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢，但高磷水平則會降低該優(yōu)勢。這可能與過量施磷導致作物養(yǎng)分吸收不平衡有關(guān)，適量施磷可提高作物磷肥利用效率[20]。

已有研究表明，豆科—禾本科間作可利用二者較大的根際過程差異，顯著提高根際磷有效性及土壤磷的循環(huán)[20]。但關(guān)于豆科—禾本科間作對根際土壤有機磷和無機磷組分的影響研究尚不清楚。本研究中，根系不分隔處理的玉米根際土壤活性磷組分高于塑料分隔處理，而大豆的則在施磷后低于塑料分隔處理，這與一般認為的間作豆科作物活化土壤磷為禾本科提供有效磷的觀點相似[22]。相比玉米，施磷后大豆活性磷組分各處理差異顯著，表明其對根系互作的反應更敏感。大豆中活性磷組分各處理間差異顯著(P<0.05)，表明大豆在根系互作中對中活性磷組分的利用能力相比玉米更強。中活性磷組分主要是與鐵、鋁結(jié)合形成的磷形態(tài)[23]。有研究表明，大豆對鐵、鋁結(jié)合的無機磷的利用強于玉米[9]，這可能是導致大豆在根系不分隔處理中中活性磷組分降低的原因之一。穩(wěn)定性磷組分難以被植物利用，因此在本研究中玉米和大豆各處理間均無顯著變化，Mahmood等人[15]的長期研究與該結(jié)論不一致，可能與本研究期限有關(guān)，未來還應進一步進行長期定位試驗研究。

大豆根際土壤活性無機磷和有機磷組分在根系不分隔處理中低于塑料分隔，可能是由于根系互作提高了作物磷吸收量導致土壤活性無機磷含量降低，同時根系互作促使根系和微生物分泌磷酸酶，提高了對活性有機磷的礦化和利用[24]。不分隔玉米根際土壤活性無機磷相比塑料分隔和尼龍網(wǎng)分隔提高，這可能是由于豆科的活化作用提高了禾本科根際土壤磷的有效性，加之玉米根際土壤中磷有效性的提高大于植物吸收養(yǎng)分導致的耗竭[25]。同時，由于玉米根際微生物分泌的磷酸酶及根系凋落物量較大，難利用磷組分促進磷酸酶活性增加從而促進有機磷礦化提高土壤磷有效性和作物磷吸收[26]。中活性無機磷和中活性有機磷的變化與之相似，但變化僅在P2O50 mg/kg和P2O5150 mg/kg水平達顯著差異。這與植物利用活性磷組分和中活性磷組分的難易程度有關(guān)，中活性磷組分只有在嚴重缺磷條件下才作為活性磷的補充[27]。

NaHCO3-Pi是影響玉米和大豆根際土壤速效磷含量、磷吸收與生物量的主要因素，但對大豆的解釋量小于玉米。一般認為，豆科分泌有機酸活化無機磷從而提高禾本科對磷的利用[28]，本研究中可能是因為大豆活化了與鈣結(jié)合的HCl-Pi從而減小了NaHCO3-Pi對大豆磷有效性的解釋量。大豆和玉米根際土壤中活性磷組分是對間作系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢貢獻最大的因素，這與覃瀟敏等在玉米大豆間作改變無機磷形態(tài)研究中的結(jié)果近似[9]。植物可通過分泌低分子量有機酸、磷酸酶等利用土壤中活性磷組分[29]。大豆分泌物促進根際土壤中活性無機磷(HCl-Pi)向活性無機磷(NaHCO3-Pi)轉(zhuǎn)化可能是提高大豆根際土壤磷有效性的主要原因。

4 結(jié) 論

根系不分隔處理玉米大豆間作在生物量和磷吸收量均有優(yōu)勢，生物量LER和磷吸收LERp與系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢均隨施磷水平的提高呈現(xiàn)先增加后下降。相比塑料分隔，根系不分隔可提高玉米根際土壤活性磷組分及活性無機磷組分含量，降低大豆根際土壤活性磷組分和中活性磷組分含量，降低大豆活性和中活性無機磷、活性和中活性有機磷含量。影響玉米和大豆根際土壤速效磷含量及植株生物量、磷吸收量的主要因素是NaHCO3-Pi。大豆和玉米根際土壤中活性磷組分對間作系統(tǒng)磷吸收優(yōu)勢的貢獻最大。