不同磷水平下間作對(duì)紅壤團(tuán)聚體及有效磷特征的影響

潘浩男，覃瀟敏，肖靖秀，湯 利，鄭 毅，2*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南開(kāi)放大學(xué)，云南 昆明 650599）

磷是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中至關(guān)重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，其主要來(lái)源為土壤本身磷庫(kù)和外源磷肥［1-2］。由于磷肥進(jìn)入土壤后易被土壤吸附或固定成難溶性磷，因此磷肥的當(dāng)季利用率僅有10%～25%［3］。目前施用磷肥仍是保障作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要手段之一［4］。近年來(lái)，隨著我國(guó)大量磷肥的施入，土壤有效磷含量也逐漸增加，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)多的磷肥投入導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)田土壤磷整體盈余，且盈余程度仍在加?。?-6］，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)也增加農(nóng)業(yè)污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)［7］。研究磷肥施用量及種植模式對(duì)土壤有效磷的影響，對(duì)提高磷肥利用率有重要意義。

間作是在同一塊土地上種植至少兩種作物的種植模式，既能提高作物在田間尺度上的多樣性，又能保持多種生態(tài)系統(tǒng)功能，如生態(tài)位互補(bǔ)促進(jìn)水、光、熱自然資源的有效利用［8］和控制作物病害等［9］。Li等［10］發(fā)現(xiàn)，蠶豆玉米間作，在低磷土壤上蠶豆通過(guò)根際酸化和提高磷酸酶活性，達(dá)到活化難溶性土壤磷的目的。王宇蘊(yùn)等［11］和陳佰巖等［12］研究表明，蠶豆小麥間作的根際分泌物可以提高紅壤有效磷的含量，且間作提高了小麥根際土壤有效磷養(yǎng)分的活化。這些現(xiàn)象表明合理的間作能夠顯著改善土壤磷素的供應(yīng)效能。但目前間作對(duì)紅壤磷素影響的研究大多針對(duì)根際土和土體土，而對(duì)土壤團(tuán)聚體磷素影響的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。

土壤團(tuán)聚體是土壤物理性質(zhì)的重要組成部分，是衡量土壤質(zhì)量和環(huán)境健康的重要指標(biāo)［13］。土壤團(tuán)聚體發(fā)育良好有助于根系的生長(zhǎng)［14］、調(diào)節(jié)土壤水和氣體的相互作用［15］、增加土壤抗侵蝕能力［16］。已有研究表明，種植制度可以改變土壤團(tuán)聚體的含量和分布。Garland等［17］發(fā)現(xiàn)，玉米木豆間作，與單作玉米相比，間作處理的大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的比例分別增加了52%和111%；王婷等［18］也證實(shí)，玉米大豆、玉米馬鈴薯間作相比玉米單作水穩(wěn)性團(tuán)聚體分別增加了6.19%、8.17%。目前土壤團(tuán)聚體中碳、氮的規(guī)律已有大量研究，但不同施磷水平對(duì)土壤團(tuán)聚體及有效磷影響的研究尚少。因此本文通過(guò)田間定位試驗(yàn)，在旱地紅壤上研究不同磷水平下玉米大豆間作體系對(duì)土壤團(tuán)聚體及有效磷的影響，為改善紅壤農(nóng)田團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和提高磷肥利用率及合理施用磷肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

該試驗(yàn)為連續(xù)定位試驗(yàn)，于2017年在昆明市官渡區(qū)小哨村云南農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（102°41′～103°03′ E、24°54′～25°13′ N，海拔2098 m）進(jìn)行，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，土壤類型為紅壤，定位試驗(yàn)建立時(shí)，供試土壤pH 4.53，有機(jī)質(zhì)含量4.50 g/kg，硝態(tài)氮含量2.19 mg/kg，有效鉀含量70.92 mg/kg，全磷含量0.194 g/kg，有效磷含量4.02 mg/kg，容重1.73 g/cm3。

2017年田間定位試驗(yàn)建立后，每年5月10日～6月10日播種，10月20日～11月10日收獲。本研究基于2019年的田間試驗(yàn)開(kāi)展。2019年6月為單作玉米及玉米大豆間作試驗(yàn)的第3年。供試的玉米品種為“云瑞-88號(hào)”，大豆品種為“開(kāi)育12號(hào)”。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)：4個(gè)磷水平、2種種植模式，共8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積26 m2（6.5 m×4 m）。施磷水平設(shè)P2O5施 用 量0、60、90和120 kg/hm2，記 為P0、P60、P90、P120。種植方式包括單作玉米（MM）、玉米大豆間作（IM）。單作玉米，小區(qū)內(nèi)共12行，行距50 cm，株距25 cm，每行15株；玉米大豆間作種植密度與單作玉米相同，均為2行玉米間2行大豆，大豆行距50 cm，株距25 cm，每行15株，每個(gè)間作小區(qū)里有6行玉米6行大豆。間作小區(qū)玉米大豆間作行距為50 cm。

試驗(yàn)用磷肥、氮肥、鉀肥分別為過(guò)磷酸鈣（P2O516%）、尿素（N 46%）、硫酸鉀（K2O 52%）。不同水平磷肥和鉀肥（用量K2O 75 kg/hm2）作為基肥，在玉米、大豆播種前一次性施入。玉米氮肥施入量為N 250 kg/hm2，分基肥、小喇叭口期追肥、大喇叭口期追肥3次施入，分別為100、62.5和87.5 kg/hm2；大豆氮肥施入量為N 100 kg/hm2，僅在基肥時(shí)一次性施用。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集

2019年6月玉米、大豆同時(shí)播種，單作玉米在每行玉米與玉米中間取樣，間作玉米在每行玉米與大豆中間取樣。根據(jù)“S”形隨機(jī)取樣，在11月玉米收獲后，每個(gè)地塊用塑料盒（20 cm高×5 cm長(zhǎng)×5 cm寬）采集5份原狀土樣，然后將這些樣本混合在一起，獲得一個(gè)均勻的樣本進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 樣品測(cè)定

土壤團(tuán)聚體：土壤樣本在實(shí)驗(yàn)室中風(fēng)干，任何可見(jiàn)的根、有機(jī)殘留物和石頭碎片都人工清除，將土壤樣品沿著自然裂痕分割為1 cm3左右。稱取過(guò)10 mm篩的風(fēng)干土樣100 g，土壤樣品放入套篩中（從上到下篩孔的直徑依次為2、1、0.25和0.053 mm），將套篩放入DIK-2012團(tuán)聚體分析儀中，加水至淹沒(méi)上層篩土壤2 cm，浸泡5 min后，上下振蕩篩分15 min（頻率為60次/min），然后收集各級(jí)網(wǎng)篩上以及桶中的團(tuán)聚體于鋁盒中，放入60℃的烘箱中烘干、稱重，即分別獲得粒徑為＞2、1～2、0.25～1、0.053～0.25與＜0.053 mm的團(tuán)聚體樣本。各粒徑土壤團(tuán)聚體和原狀土壤有效磷測(cè)定參考《土壤農(nóng)化分析》中的碳酸氫鈉法（Olsen法）［19］。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體計(jì)算：計(jì)算各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wi，i=1、2、3、4和5，分別對(duì)應(yīng)＞2、1～2、0.25～1、0.053～0.25、＜0.053 mm粒徑的團(tuán)聚體［20］：

式中，Mi為篩后對(duì)應(yīng)第i級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量，MT為測(cè)定團(tuán)聚體的總質(zhì)量。

利用各粒級(jí)團(tuán)聚體百分?jǐn)?shù)含量計(jì)算水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）和＞0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體（WR＞0.25）含量公式［21-22］：

式中，Wi為該尺寸范圍內(nèi)土壤團(tuán)聚體干重占總干重的百分含量；n為分樣篩的數(shù)目；Xi為聚集在每一個(gè)尺寸篩子的平均直徑（mm）；Mr為各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量（g）；MT為團(tuán)聚體總質(zhì)量（g）。

利用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，利用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷量和間作對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響

由表1可知，磷水平和種植模式對(duì)＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和平均質(zhì)量直徑均有顯著影響，而種植模式與磷水平的交互作用影響不明顯。與單作玉米相比，間作種植顯著增加了＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量10.5%；平均質(zhì)量直徑顯著增加了10.8%。與P0相比，在P90和P120處理下土壤中＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別顯著增加了17.1%和21.4%；在P60、P90和P120處理下平均質(zhì)量直徑分別增加了11.7%、20.2%和30.7%。這說(shuō)明間作和施磷處理均有助于增加＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，促使團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑增大。

表1 不同處理對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征的影響

通過(guò)對(duì)不同粒徑濕篩團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析發(fā)現(xiàn)（表2），除1～2 mm粒徑團(tuán)聚體外，玉米大豆間作對(duì)各粒徑團(tuán)聚體比例都有顯著影響。在＞2、0.25～1、0.053～0.25和＜0.053 mm粒 徑 的團(tuán)聚體中，間作玉米相比單作玉米分別顯著提高了23.2%、8.1%、-9.9%和-10.2%。當(dāng)施磷量不同時(shí)，間作對(duì)土壤團(tuán)聚體分布的影響也有不同。在P60磷水平下，與單作玉米相比，間作顯著增加了0.25～1 mm團(tuán)聚體比例25.4%，顯著降低了＜0.053 mm團(tuán)聚體含量15.9%；在P90磷水平下，間作顯著降低了＜0.053 mm團(tuán)聚體含量19.3%。說(shuō)明間作對(duì)于＞2 mm和0.25～1 mm團(tuán)聚體的形成有明顯的促進(jìn)作用，且在P60磷水平下，對(duì)0.25～1 mm團(tuán)聚體的形成有顯著的促進(jìn)作用。

表2 不同處理對(duì)土壤團(tuán)聚體比例的影響 （%）

隨著施磷水平增加，玉米單作和間作中＞2 mm團(tuán)聚體含量逐漸增加，而＜0.053 mm團(tuán)聚體含量基本上逐漸減少。與P0相比，在P60、P90和P120磷水平下，＞2 mm團(tuán)聚體含量分別顯著增加了32.8%、42.1%和87.6%；在P90和P120磷水平下，＜0.053mm團(tuán)聚體比例分別顯著減少了20.7%和32.4%。

2.2 施磷量和間作對(duì)土壤團(tuán)聚體有效磷含量的影響

由表3可知，不同粒徑團(tuán)聚體有效磷含量由高到低的順序依次為0.25～1、1～2、＜0.053、0.053～0.25、＞2 mm，平均有效磷含量最高4.41mg/kg，最低2.46 mg/kg。結(jié)果表明，除＞2 mm土壤團(tuán)聚體外，供磷水平與種植模式間的交互作用對(duì)其他粒徑團(tuán)聚體中有效磷含量影響顯著。對(duì)比單作玉米，間作顯著提高了1～2和0.25～1 mm團(tuán)聚體有效磷含量，分別為74.9%和72.8%，但其他粒徑差異不顯著。而在不同粒徑團(tuán)聚體中，玉米大豆間作及磷水平對(duì)不同粒徑團(tuán)聚體有效磷含量的影響也有不同。在1～2 mm土壤團(tuán)聚體中，磷水平和種植模式及二者間交互作用對(duì)團(tuán)聚體中有效磷含量有顯著影響，在P0、P60、P90和P120磷水平下，間作玉米相比單作玉米土壤團(tuán)聚體中有效磷含量分別顯著增加了134.0%、111.1%、60.3%和44.1%；在0.25～1 mm土壤團(tuán)聚體中，磷水平和種植模式及其交互作用對(duì)團(tuán)聚體中有效磷含量有顯著影響，在P0、P60和P90磷水平下，與單作玉米相比，間作玉米土壤團(tuán)聚體有效磷含量分別顯著增加了110.0%、102.3%和90.8%；在0.053～0.25和＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體中，磷水平與種植模式間交互作用對(duì)土壤團(tuán)聚體中有效磷含量影響顯著，但種植模式對(duì)團(tuán)聚體有效磷含量無(wú)顯著影響，在P60磷水平下，間作玉米土壤團(tuán)聚體中有效磷含量分別增加了79.6%和114.2%。說(shuō)明間作玉米有助于提高團(tuán)聚體有效磷含量，尤其在1～2和0.25～1 mm土壤團(tuán)聚體中最為明顯。而在P60磷水平下，間作相比單作玉米各粒徑團(tuán)聚體有效磷含量均有增加，平均增幅為85%。

表3 不同粒徑團(tuán)聚體有效磷含量 （mg/kg）

隨著施磷量增加，間作和單作玉米各粒徑團(tuán)聚體有效磷含量基本是先增加后減小，單作玉米在P90水平最大，而間作在＞0.25 mm團(tuán)聚體中在P90水平最大，在＜0.25 mm團(tuán)聚體中在P60水平最大。說(shuō)明不同施磷條件下，種植模式不同，各粒徑團(tuán)聚體有效磷含量特征存在一定差異。

2.3 施磷量和間作對(duì)耕層土壤有效磷的影響

由圖1可知，磷水平和間作對(duì)土壤有效磷有顯著影響。在P60和P90水平下，間作較單作玉米土壤有效磷含量分別顯著提高19.4%和14.4%；但在P120施磷量下，與玉米單作相比土壤有效磷含量降低了18.2%。隨著施磷水平的增加，與P0水平相比，在P60、P90和P120水平下，單作玉米土壤有效磷含量分別增加了41.0%、99.6%和131.6%，間作土壤有效磷含量分別增加了60.2%、117.5%和80.3%。

圖1 耕層土壤有效磷含量

2.4 耕層有效磷含量與團(tuán)聚體有效磷含量相關(guān)性分析

在耕層土壤中，為了探究土壤有效磷含量與各粒徑團(tuán)聚體有效磷含量的關(guān)系，對(duì)＞2、1～2、0.25～1、0.053～0.25和＜0.053 mm團(tuán)聚體有效磷與土壤有效磷之間進(jìn)行相關(guān)性分析。從表4可以發(fā)現(xiàn)，各粒徑團(tuán)聚體有效磷含量與土壤有效磷含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系（0.491～0.720）。為了驗(yàn)證相關(guān)性分析的結(jié)果，再將＞2 mm團(tuán)聚體有效磷（X1）、1～2 mm團(tuán)聚體有效磷（X2）、0.25～1 mm團(tuán)聚體有效磷（X3）、0.053～0.25mm團(tuán)聚體有效磷（X4）和＜0.053 mm團(tuán)聚體有效磷（X5）與土壤有效磷含量（Y）進(jìn)行逐步回歸分析。結(jié)果顯示，各粒徑土壤團(tuán)聚體有效磷含量與土壤有效磷含量之間表現(xiàn)出良好的相關(guān)關(guān)系（R2=0.795，P＜0.01），表明由多元線性回歸分析建立的各粒徑團(tuán)聚體有效磷含量與土壤有效磷含量關(guān)系模型擬合度高，回歸方程如下：Y=1.931+0.232X3+0.378X5，進(jìn)一步說(shuō)明0.25～1和＜0.053 mm團(tuán)聚體有效磷對(duì)土壤有效磷影響最大。

表4 耕層土壤有效磷與各粒徑團(tuán)聚體有效磷相關(guān)性分析

3 討論

大量研究表明，施肥和間作種植會(huì)直接或間接促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)［17，23］。在玉米大豆間作模式中，間作可能通過(guò)改變玉米根系生理特征，增加玉米根系分泌總糖和總有機(jī)酸量，而這些根系分泌物為細(xì)小的土粒提供了良好的黏結(jié)劑，除此之外還可作為碳源供微生物利用，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成。也有研究發(fā)現(xiàn)，間作能促進(jìn)根系的發(fā)育，增大根長(zhǎng)和根的表面積，在根系纏繞的作用下使團(tuán)聚體更加穩(wěn)定［24］。在本研究中，玉米大豆間作相比單作玉米顯著提高了＞0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和平均質(zhì)量直徑，這與前人在玉米大豆間作試驗(yàn)的研究結(jié)果相一致［18，24］。間作較單作玉米促進(jìn)了＞2和0.25～1 mm團(tuán)聚體的形成，減少了0.053～0.25和＜0.053 mm團(tuán)聚體的比例，且在P60磷水平下，對(duì)0.25～1 mm團(tuán)聚體的形成有明顯的促進(jìn)作用?？赡苁且?yàn)殚g作在較低的肥力水平下，擁有更高的資源利用優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致在低磷條件下間作效應(yīng)更為明顯［25］，也說(shuō)明玉米大豆間作在磷水平較低的時(shí)候?qū)Ω纳仆寥澜Y(jié)構(gòu)有著重要的意義。王經(jīng)緯等［26］和柳開(kāi)樓等［27］的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施磷肥能顯著提高旱地紅壤中＞1 mm土壤團(tuán)聚體的含量，促進(jìn)紅壤微團(tuán)聚體（0.053～0.25 mm）和粉黏粒組分（＜0.053 mm）向大粒級(jí)團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化。這與本研究的結(jié)果基本一致，不同磷水平下，＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和平均質(zhì)量直徑均表現(xiàn)為隨磷水平的升高而增大，且＞2 mm土壤團(tuán)聚體比例顯著增加，＜0.053 mm土壤團(tuán)聚體比例顯著減少。造成這個(gè)結(jié)果的原因可能是磷肥的施入增加了紅壤中鋁離子、鐵離子與磷酸根的絡(luò)合，其絡(luò)合產(chǎn)物是團(tuán)聚體形成的良好膠結(jié)物質(zhì)，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成［28］。但本研究條件下，玉米大豆間作和磷肥施用量的增加均改善了紅壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，可二者對(duì)團(tuán)聚體形成的貢獻(xiàn)哪個(gè)更為主要仍需進(jìn)一步研究。然而，不同磷水平下玉米大豆間作模式中，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的改變與團(tuán)聚體中有效磷含量之間有怎樣的關(guān)系，目前尚不清楚。

本研究結(jié)果表明，在有效磷含量低（4.02 mg/kg）的紅壤試驗(yàn)地上，經(jīng)過(guò)3年的定位試驗(yàn)，各粒徑團(tuán)聚體中有效磷含量受施磷水平和間作種植的影響。間作相比單作玉米，主要提高了0.25～1和1～2 mm團(tuán)聚體中土壤有效磷含量，而在其他粒徑團(tuán)聚體中并無(wú)顯著影響。首先，間作種植可提高團(tuán)聚體有效磷含量，可能由于間作中根系分泌的有機(jī)酸能將固定性強(qiáng)的磷轉(zhuǎn)化成可移動(dòng)利用的磷，從而提高土壤有效磷含量；其次，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)疏松更有利于透氣，一方面加速磷的礦化，另一方面為微生物提供了更好的生長(zhǎng)環(huán)境，從而促進(jìn)磷素的轉(zhuǎn)化和釋放［29-30］。然而，間作雖促進(jìn)了＞2 mm土壤團(tuán)聚體的形成，但并沒(méi)增加該粒徑團(tuán)聚體中有效磷含量，造成這個(gè)結(jié)果的原因可能與土壤磷在土壤中的吸附與解吸、沉淀與溶解及生物固定等轉(zhuǎn)化過(guò)程密切相關(guān)［31］。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，間作在P60和P90水平下，顯著提高了耕層土壤有效磷的含量。經(jīng)過(guò)各粒徑團(tuán)聚體有效磷含量與耕層土壤有效磷含量的多元線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，0.25～1和＜0.053 mm團(tuán)聚體有效磷對(duì)土壤有效磷影響最大，說(shuō)明間作可能通過(guò)提高0.25～1 mm團(tuán)聚體中有效磷含量，達(dá)到提高耕層有效磷含量。但是玉米大豆間作究竟如何影響各粒徑團(tuán)聚體中有效磷含量，仍需進(jìn)一步研究。翟龍波等［32］認(rèn)為，磷肥施入能顯著提高各粒徑團(tuán)聚體中有效磷含量。但本次研究發(fā)現(xiàn)，不同磷水平下，各粒徑團(tuán)聚體有效磷含量并沒(méi)有隨著施磷量的增加一直增加，而是先增加后減小。但玉米大豆間作在P120水平土壤有效磷有所下降，或許是因?yàn)樵赑120水平下可利用磷的轉(zhuǎn)化受到抑制，又或許與土壤條件、種植模式不同有關(guān)，具體原因需進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

與單作玉米相比，玉米大豆間作有利于＞0.25 mm團(tuán)聚體的形成和增大土壤平均質(zhì)量直徑，且顯著提高了＞2 mm粒徑團(tuán)聚體在土壤中的比例。在P60與P90磷水平下，間作顯著提高了耕層有效磷含量，且0.25～1和1～2 mm團(tuán)聚體中有效磷含量分別提高了102.3%和90.8%與111.1%和60.3%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，耕層土壤有效磷與各粒徑土壤團(tuán)聚體有效磷均呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中0.25～1和＜0.053 mm團(tuán)聚體有效磷對(duì)土壤有效磷影響最大，說(shuō)明玉米大豆間作主要通過(guò)增加0.25～1 mm團(tuán)聚體中有效磷來(lái)提高土壤的供磷能力。因此，玉米大豆間作具有提高磷素活化能力、維持耕層土壤有效磷含量的潛力。