不同磷水平下小麥蠶豆間作對土壤無機磷組分的影響

李海葉，張夢瑤，柏文戀,2，劉振洋，湯 利，鄭 毅,3，肖靖秀

(1.云南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，昆明 650201；2.貴州省林業(yè)科學研究院，貴陽 550005；3.云南開放大學，昆明 650221)

【研究意義】磷直接參與植物生理代謝、能量轉化和調節(jié)酶活性，在作物生長發(fā)育中起重要作用[1-2]，是農業(yè)生產中重要的限制因子。隨著磷肥的大量施用以及土壤利用方式的改變，土壤中磷素累積現(xiàn)象已經較為普遍；土壤磷有效性及土壤磷形態(tài)發(fā)生較大改變[3]。近年來，國內外學者充分認識到磷素管理的重要性?；陂L期定位試驗，中國學者明晰了代表性土壤如紅壤、潮土、紫色土等的磷素演變特征、形態(tài)轉化、累積效應及其與作物產量的關系等，為土壤磷素的管理和利用提供了理論依據和支撐。然而，中國作物種類及耕作方式多樣，系統(tǒng)深入探究土壤磷的演變及高效利用仍然是今后土壤磷素管理的重點[3-4]。豆科禾本科間作是中國傳統(tǒng)精耕細作農業(yè)的重要組成部分[5]，在提高養(yǎng)分資源利用效率方面起著重要作用[6-7]?！厩叭搜芯窟M展】前人研究發(fā)現(xiàn)，在玉米//鷹嘴豆[8]、玉米//蠶豆[9]大豆//玉米[10]、鷹嘴豆//大麥[11]等間作系統(tǒng)中，間作較單一種植相比，通過擴大根系吸收范圍[12]，提高酸性磷酸酶活性、促進質子和有機酸的分泌，促進難溶性磷的活化、提高土壤磷的有效性[13-14]，促使作物對磷的吸收顯著增加[15-16]。因此，豆科禾本科間作是提高土壤中難溶性磷利用的有效途徑之一。毫無疑問，間作種植促使難溶性磷的活化，必然導致土壤磷組分的改變。柴博等[17]在玉米鷹嘴豆間作模式中也證實，間作降低了玉米種植帶土壤無機磷組分的含量。間作種植對土壤無機磷組分變化的研究仍較少，間作體系中無機磷組分-土壤磷有效性-作物磷吸收的關系有待深入探究。與眾多豆科禾本科間作模式一致，小麥蠶豆間作可以促進磷的吸收利用、提高土壤磷的有效性。在此間作體系中，間作改變根系低分子量有機酸分泌、誘導IAA調控根系變形都很好地解釋了間作體系磷的高效吸收利用[16]。但是，小麥蠶豆間作如何影響無機磷組分以及在間作條件下無機磷組分對磷肥施用的響應仍不清楚?！颈狙芯壳腥朦c】本文采用蔣-顧分析方法，通過田間定位試驗，系統(tǒng)研究了小麥蠶豆間作條件下，小麥和蠶豆關鍵生育期根際無機磷組分的含量變化，分析了不同磷肥施用水平下，單間作小麥和蠶豆無機磷組分含量的差異。【擬解決的關鍵問題】旨在探明豆科禾本科間作對土壤無機磷組分的影響，明確間作提高土壤磷有效性的機制，為磷肥的合理施用，尤其是間作體系中磷肥的合理施用提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于云南農業(yè)大學大河橋試驗基地(23°32′ N，103°13′ E)，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫約14 ℃，年降雨量1040 mm左右。田間試驗于2014年10月開始，前茬作物為玉米，磷肥(P2O5)施用量為100～150 kg/hm2，磷肥品種為普鈣，供試土壤為熟化程度較高的紅壤。本研究基于2015—2018年3年的田間試驗。試驗期內的溫度和降雨如表1所示，供試土壤基礎理化性狀如表2所示。

1.2 試驗設計

供試材料。小麥品種為云麥52，蠶豆品種為玉溪大粒豆。

小區(qū)設計。設計施磷水平、種植方式2種因素。種植模式包括小麥單作、蠶豆單作和小麥-蠶豆間作；施磷(P2O5)水平設置不施磷(0 kg/hm2)、施磷45和90 kg/hm2，分別記作P0、P1和P2。試驗設3個磷水平、3個種植模式，共9個處理，3次重復，共27個小區(qū)，小區(qū)面積為5.4 m×6.0 m=32.4 m2。

單作小麥采用分行條播，行距0.2 m；單作蠶豆行距0.3 m，株距0.1 m，間作小區(qū)分3個種植條帶，6行小麥2行蠶豆交替，小麥蠶豆行距0.2 m(圖1)。小麥的種植密度180 kg/hm2，蠶豆種植密度為3.3×105株/hm2。

氮肥施用量。小麥施氮量為180 kg/hm2，蠶豆施氮量為90 kg/hm2。小麥、蠶豆的鉀肥施用量均為90 kg/hm2。

表1 田間試驗月平均氣溫和降雨量

表2 供試土壤基礎理化性狀

供試肥料。過磷酸鈣(含P2O514%)、尿素(含N 46%)、硫酸鉀(含K2O 50%)。小麥氮肥分2次施用，50%在播種前作基肥施入，另外50%在小麥拔節(jié)期進行追施，磷、鉀肥全部均作為基肥。蠶豆不進行追肥，氮磷鉀肥均作為基肥[6]。

小麥與蠶豆分別于每年10月中旬播種，分別在次年4月收獲。施肥灌溉等方法與當?shù)馗弋a農田管理模式一致，即分別在小麥蠶豆播種后、小麥拔節(jié)期(追施氮肥后)和抽穗期進行3次灌溉。

1.3 樣品采集與測定

在小麥分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期、成熟期和蠶豆分枝期、開花期、結莢期、籽粒膨大期、成熟期，采集小麥、蠶豆根際土壤樣品；每次小麥采樣以點計，每點采樣面積為0.2 m×0.2 m×0.2 m，每小區(qū)采集3點，每小區(qū)隨機采集3株蠶豆，深度0.2 m，用抖根法采集附著在根際表面的土壤，輕輕抖動，先將能被抖動掉的土壤進行采集作為非根際土壤, 之后用小毛刷將不能抖落的黏附在根上的土輕輕刷下(<10 mm)作為根際土壤[5]。采后帶回實驗室自然風干、磨細、備用，單、間作小區(qū)樣品采樣方法相同。

土壤中無機磷組分的測定采用蔣-顧分級測定法；Fe-P用0.1 mol/L NaOH溶液浸提；Al-P用1.0 mol/L NH4Cl溶液浸提；Ca-P用0.5 mol/L 1/2H2SO4溶液浸提，溶液中磷的測定均采用鉬銻抗比色法。

1.4 數(shù)據處理

采用SPSS 20.0軟件進行兩因素(Two-way ANOVA)分析，其中種植模式和施磷處理為固定因子，年份為隨機因子。使用Excel 2010、Origin 8.0軟件處理數(shù)據和作圖。用最小顯著差異法(Duncan)，檢驗各處理的差異顯著性(P=0.05)，圖中數(shù)據為平均值±標準誤。

圖1 小麥、蠶豆種植模式Fig.1 Wheat and broad bean planting mode

2 結果與分析

2.1 不同磷水平下間作對小麥和蠶豆根際無機磷組分含量的影響

從表3可以看出，根際無機磷組分含量(Al-P、Fe-P、Ca-P)主要受施磷水平、種植模式及P水平×種植模式的影響，年際間幾乎無差異。種植模式主要是調控了蠶豆根際Al-P和Fe-P含量。P水平×種植模式主要是影響了小麥根際Al-P和Fe-P含量。小麥和蠶豆根際Al-P、Fe-P、Ca-P含量均受到磷肥施用水平的調控。

從3年的田間定位試驗可以看出，不考慮生育期，3個磷水平下，與單作相比，小麥蠶豆間作對小麥根際Al-P含量均無顯著影響。P1條件下，小麥蠶豆間作顯著降低蠶豆根際Al-P含量，降幅為15%(圖2-A，2-B)。同樣，不考慮小麥和蠶豆生育期，與單作相比，3個磷水平下間作對小麥根際Fe-P含量無顯著影響。P1條件下，間作降低蠶豆根際Fe-P含量，降幅為15%(圖2-C，2-D)。與Al-P和Fe-P不同的是，3個磷水平下間作對小麥和蠶豆根際Ca-P含量均沒有影響(圖2-E，2-F)。不考慮小麥蠶豆生育期，單、間作體系下，小麥、蠶豆根際Al-P、Fe-P、Ca-P 含量均隨磷肥施用量的增加而增加(圖2)。

2.2 不同生育期單間作根際無機磷組分的動態(tài)變化

2.2.1 根際Al-P的動態(tài)變化 從圖3可以看出，在P0、P1條件下，與單作小麥相比，間作可降低小麥全生育期(分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期)根際Al-P含量，尤其顯著降低小麥分蘗期根際Al-P含量，降幅為19%～25%，占小麥全生育期降低量的27%～43%；P2條件下，除分蘗期外，其他生育期單間作間無差異。就蠶豆而言，P0條件下，單間作蠶豆各生育期根際Al-P含量無差異。P1條件下，小麥蠶豆間作較單作顯著降低蠶豆開花期、成熟期根際土壤Al-P含量，降幅為17%和20%；P2條件下，間作降低蠶豆開花期Al-P含量，降幅為21%。單、間作體系下，小麥和蠶豆根際土壤Al-P含量隨磷肥施用量的增加而增加。

2.2.2 根際Fe-P的動態(tài)變化 從圖4可以看出，小麥蠶豆間作在小麥、蠶豆全生育期均有降低根際土壤Fe-P含量的趨勢，但影響各不相同。就小麥而言，P0、P1條件下，與單作相比，小麥蠶豆間作體系下小麥全生育期根際土壤Fe-P含量有降低的趨勢，但均無顯著差異。P2條件下，與單作相比，間作顯著降低拔節(jié)期、孕穗期小麥根際土壤Fe-P含量，降幅為14%～16%；其余時期，單間作體系下，小麥根際土壤Fe-P含量均無顯著差異。就蠶豆而言，P0條件下，單、間作蠶豆根際土壤Fe-P含量無顯著差異。P1條件下，小麥蠶豆間作較單作顯著降低蠶豆分枝期、結莢期蠶豆根際土壤Fe-P含量，降幅為24%～27%，P2條件下，與單作相比，小麥蠶豆間作顯著降低分枝期、開花期蠶豆根際土壤Fe-P含量，降幅為16%～19%。單、間作體系下，小麥和蠶豆根際土壤Fe-P含量隨磷肥施用量的增加而增加。

表3 小麥蠶豆根際無機磷組分方差分析結果(兩因素分析)

MW：單作小麥；IW：間作小麥；MF：單作蠶豆；IF：間作蠶豆。*表示同一磷水平下單間作處理間有差異(P<0.05)。不同大寫字母表示間作下不同磷水平處理間有差異(P<0.05)。不同小寫字母表示單作下不同磷水平處理間有差異(P<0.05)MW: Monocropping wheat; IW: Intercropping wheat; MF: Monocropping faba bean; IF: Intercropping faba bean. *means there is difference (P<0.05)between mono- and inter-cropped treatments under the same P level. Different capital letters mean that there is difference (P<0.05)among different P levels under intercropping. Different lowercase letters mean that there is difference (P<0.05)among different P levels under mono-cropping圖2 不同磷水平下作物根際無機磷組分含量Fig.2 Different P fractions content in crop rhizosphere under different P application rates

2.2.3 根際Ca-P的動態(tài)變化 從圖5可以看出，小麥蠶豆間作有降低小麥根際Ca-P含量的趨勢，尤其在P2條件下，間作顯著降低分蘗期、灌漿期和成熟期小麥根際Ca-P含量，降幅為4%、4%和3%。就蠶豆而言，小麥蠶豆間作也有降低蠶豆根際Ca-P含量的趨勢。與單作蠶豆相比，在P0條件下，間作降低分枝期、籽粒膨大期蠶豆根際Ca-P含量，降幅為6%和5%；P1條件下，間作降低籽粒膨大期蠶豆根際Ca-P含量，降幅為6%。單、間作體系下，小麥、蠶豆根際土壤Ca-P含量隨著磷肥施用量的增加而增加。

A、B、C、D、E表示小麥的分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期、成熟期，蠶豆的分枝期、開花期、結莢期、籽粒膨大期、成熟期，下同。不同字母表示同一時期不同磷水平下單作和間作小麥或蠶豆根際Al-P含量間有差異(P<0.05)A,B,C,D and E indicate the tillering stage, jointing stage, heading stage, filling stage and harvest stage of wheat, and the branching stage, flowering stage, podding stage, filling stage and harvest stage of faba bean,the same as below. Different letters indicate that there are differences (P<0.05) in Al-P content in the rhizosphere of monocropped and intercropped wheat or faba bean under different phosphorus levels in the same period圖3 各生育時期不同磷水平下作物根際Al-P含量Fig.3 Al-P content in crop rhizosphere under different P application rates in growing stages

不同字母表示同一時期不同磷水平下單作和間作小麥或蠶豆根際Fe-P含量間有差異(P<0.05)Different letters indicate that there are differences (P<0.05) in Fe-P content in the rhizosphere of monocropped and intercropped wheat or faba bean under different phosphorus levels in the same period 圖4 各生育時期不同磷水平下作物根際Fe-P含量Fig.4 Fe-P content in crop rhizosphere under different P application rates in growing stages

不同字母表示同一時期不同磷水平下單作和間作小麥或蠶豆根際Ca-P含量間有差異(P<0.05)Different letters indicate that there are differences (P<0.05) in Ca-P content in the rhizosphere of monocropped and intercropped wheat or faba bean under different phosphorus levels in the same period圖5 各生育時期不同磷水平下作物根際Ca-P含量Fig.5 Ca-P content in crop rhizosphere under different P application rates in growing stage

3 討 論

3.1 施肥對土壤無機磷組分的影響

大量長期定位試驗已經明確了土壤磷素的組成受磷肥施用量的影響[4,18]。陳鳳等[19]研究表明，湖北水稻土施用磷肥使土壤Fe-P、Al-P含量隨磷肥施用量的增加而增加，但Ca-P和O-P相對含量減少。本試驗條件下也發(fā)現(xiàn)，小麥和蠶豆根際無機磷組分(Fe-P、Al-P、Ca-P)含量隨施磷量的增加而增加，其中小麥和蠶豆根際Fe-P、Al-P含量變化趨勢同陳鳳等研究結果一致，說明在酸性土壤上磷肥施用對Fe-P、Al-P含量影響較大。Ca-P含量變化趨勢與陳鳳等研究結果有所不同，可能是因為本研究試驗地塊為熟化程度較高的耕作紅壤，由于長期的磷肥(過磷酸鈣)施用，使得土壤中Ca-P含量大幅度提高。

3.2 間作對土壤無機磷組分的影響

pH、有機質、水分、微生物以及植物根系分泌的質子和有機酸等諸多因素均會影響土壤中磷的生物有效性?，F(xiàn)有研究證實，間作在整個體系中對土壤磷素的挖掘利用起重要作用，玉米//蠶豆[9]、鷹嘴豆//大麥[11]體系中，豆科作物因其根系特性以及具有較強的釋放質子、有機酸能力，能夠顯著酸化根際、促進難溶性磷的活化、減少可溶性磷的競爭，有利于兩種作物的磷營養(yǎng)[20]。本試驗條件下，研究結果表明不考慮生育期，小麥蠶豆間作降低了根際Al-P、Fe-P含量，尤其顯著降低了P1(磷脅迫)條件下蠶豆根際Al-P、Fe-P含量，原因可能是:①磷脅迫條件下，磷高效型作物(蠶豆)的根系具有較強的釋放質子、有機酸能力[21]，能夠顯著酸化根際，促進了難溶性磷的活化;②間作誘導IAA調控根系變形[17]、改變根構型、擴大根系對磷的吸收范圍[22]，同時間作提高根際磷酸酶活性及微生物的群落結構，促使土壤中有機磷的有效性的提高[23]。本試驗條件下，采用酸性土壤中無機磷分級測定方法，并不能將土壤Ca-P按其有效性進一步區(qū)分，因此本試驗條件下小麥蠶豆間作對Ca-P含量無影響。今后，將本試驗結果與其他土壤磷素分析方法：如磷-31核磁共振技術(P-NMR)和基于同步輻射的X射線吸收近邊結構譜技術(P-XANES)相結合，才能深入解析間作對土壤磷組分的影響及其與磷有效性的關系[24-25]。本研究發(fā)現(xiàn)，間作對小麥和蠶豆根際土壤無機磷組分的影響略有不同，間作對蠶豆根際無機磷組分的調控作用大于小麥，故間作調控無機磷組分差異的機制尚需深入探究。此外，明確物種自身磷利用方面的差異即磷吸收利用的生態(tài)位差異，對于進一步理解合理間作提高磷有效性具有重要意義。

張夢瑤等[6]發(fā)現(xiàn)小麥蠶豆間作可以提高根際土壤磷有效性，具有磷肥減施增效的潛力。本研究表明，在磷脅迫條件下，小麥蠶豆間作降低了根際土壤Al-P、Fe-P含量，說明磷脅迫條件下小麥蠶豆間作可以促進難溶性磷的活化，提高根際土壤磷的有效性，促進了作物對磷的吸收利用。這與前人在小麥//蠶豆[26]、玉米//大豆[27]、大麥//鷹嘴豆[12]間作系統(tǒng)中的研究結果相一致。但根際Al-P、Fe-P的耗竭與磷有效性及磷吸收增加的關系尚需明確。本研究還發(fā)現(xiàn)，磷脅迫條件下，小麥蠶豆間作降低根際土壤Al-P、Fe-P含量主要集中在小麥蠶豆生育前期(營養(yǎng)生長階段)，這是由于小麥和蠶豆的磷素吸收主要集中在生育前期，此時種間互作以競爭為主，加之作物根系形態(tài)、根構型等改變也誘導了根際過程的改變[28]，最終促進根際Al-P和Fe-P的耗竭。值得關注的是，在小麥蠶豆種間互作強烈的生育期(小麥孕穗-開花期、蠶豆結莢-籽粒膨大期)，筆者并未發(fā)現(xiàn)間作改變根際無機磷組分，因此，尚需深入探究間作體系中作物磷吸收-種間互作-土壤磷活化的關系。

4 結 論

小麥蠶豆間作降低了根際無機磷組分含量，但是間作對小麥和蠶豆根際無機磷組分含量的影響并不相同。在磷脅迫條件下，間作加速小麥分蘗期根際Al-P耗竭及蠶豆各生育期根際Al-P和Fe-P的耗竭是間作適應磷脅迫、提高土壤磷有效性的機制之一。