不同磷水平下玉米–大豆間作對紅壤無機磷組分及有效磷的影響①

駱妍妃，覃瀟敏，農(nóng)玉琴，陸金梅，覃宏宇，陽景陽，李金婷，韋錦堅

不同磷水平下玉米–大豆間作對紅壤無機磷組分及有效磷的影響①

駱妍妃，覃瀟敏，農(nóng)玉琴，陸金梅，覃宏宇，陽景陽，李金婷，韋錦堅*

(廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣西龍州 532415)

通過2年盆栽試驗，探討不同磷水平下玉米–大豆間作根際土壤無機磷組分、土壤有效磷含量及作物磷吸收的差異，明確土壤無機磷組分、土壤有效磷與作物磷吸收之間的相互關(guān)系。試驗設(shè)置玉米單作、大豆單作、玉米–大豆間作3種種植方式以及3個P2O5施用水平(0、50、100 mg/kg，分別記作P0、P50、P100)，共9個處理。結(jié)果表明：與單作相比，2018年和2019年在P0、P50和P100水平下，間作顯著提高玉米和大豆的籽粒產(chǎn)量，并顯著提高玉米和大豆植株的磷素吸收量。與常規(guī)施磷水平(P100)下的單作處理相比，玉米–大豆間作在磷肥減少50%(P50) 的條件下，并未降低玉米和大豆的磷吸收量與籽粒產(chǎn)量。3個磷水平下，間作提高了玉米和大豆根際土壤有效磷含量，而降低了根際土壤總無機磷以及Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P的含量；同時適當(dāng)增施磷肥顯著提高了玉米和大豆根際土壤總無機磷及各無機磷組分的含量。本試驗條件下，間作促進(jìn)土壤中Fe-P、Al-P、Ca-P和O-P的活化(尤其是Fe-P)，是低磷脅迫下間作土壤有效磷含量與作物磷吸收量增加的重要原因。玉米–大豆間作具有節(jié)約磷肥、維持作物產(chǎn)量及根際土壤有效磷與作物磷吸收的潛力。

玉米–大豆間作；磷水平；無機磷組分；土壤有效磷；磷吸收

磷(P)在植物生長發(fā)育、生理代謝以及維持產(chǎn)量等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1-2]，而土壤中磷有效性偏低已成為制約農(nóng)作物生產(chǎn)的主要因素之一，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要通過外施磷肥來保障農(nóng)作物的產(chǎn)量[3]。在農(nóng)田土壤中，土壤無機磷通常被認(rèn)為是作物磷素營養(yǎng)的主要來源，一般占土壤全磷含量的60% ～ 80%，故無機磷形態(tài)是決定土壤中磷有效性的關(guān)鍵[4]。紅壤作為我國南方主要的耕作土壤，因其獨特的理化性質(zhì)使得施入的磷肥極易被固定，主要以閉蓄態(tài)磷(O-P)、鐵磷(Fe-P)、鋁磷(Al-P)與鈣磷(Ca-P)等難溶性無機磷組分積存在土壤中，導(dǎo)致紅壤中磷有效性極低，磷素當(dāng)季利用率僅有10% ～ 25%[5]。因此，研究土壤無機磷形態(tài)及其有效性對提高紅壤磷有效性和供磷能力具有重要的現(xiàn)實意義。

間作在提高土壤磷有效性、磷高效吸收方面發(fā)揮著重要作用[6-8]，其中禾本科/豆科間作體系是比較典型的代表[9-10]。在小麥–蠶豆間作模式中，間作根際分泌物可以促進(jìn)根際紅壤中磷的活化，提高小麥根際土壤有效磷含量，尤其在低磷條件下間作具有更明顯的資源利用優(yōu)勢[11-12]。Li等[13]也發(fā)現(xiàn)在低磷的土壤上，蠶豆通過質(zhì)子釋放和有機酸分泌活化了土壤難溶性磷，提高了間作玉米的磷吸收。這些現(xiàn)象表明間作能顯著改善土壤磷有效性與作物磷吸收。

玉米與大豆間作是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用比較廣泛的一種種植模式，具有高產(chǎn)高效、控病等優(yōu)勢[14-16]。已有研究表明，玉米與大豆能夠通過根系交互作用以及種間促進(jìn)作用來促進(jìn)土壤磷的活化，提高土壤磷有效性，促進(jìn)作物對磷素的吸收利用[17-18]。但是，間作如何影響無機磷組分？不同磷水平下，間作無機磷組分、土壤有效磷與作物磷吸收之間的相互關(guān)系，目前仍不清楚。因此，本研究以廣西地區(qū)磷有效性偏低的旱地紅壤為研究對象，通過2年盆栽試驗，探討不同磷水平下玉米與大豆間作土壤無機磷各組分含量、土壤有效磷及作物磷吸收的差異，及其之間的相互關(guān)系，揭示玉米–大豆間作提高土壤磷有效性的機制，以期為利用間作模式促進(jìn)紅壤磷的高效利用、磷肥合理施用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

盆栽試驗于2018年和2019年在廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所格林溫室大棚中實施，并且2019年試驗土壤為2018年收獲后的土壤。供試土壤為旱地紅壤，基本理化性狀如下：有機質(zhì)含量 7.88 g/kg，堿解氮含量44.67 mg/kg，有效磷含量6.36 mg/kg，速效鉀含量 119.54 mg/kg，pH 5.12。

供試玉米(L.)品種為桂單-165，大豆(L.)品種為桂春-15。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗試包含施磷水平和種植模式兩因素，施磷水平設(shè)P2O5施用量為0、50 和100 mg/kg(干土)，記為P0、P50和P100，其中P100為常規(guī)用量(7.14 g/盆)，P50為常規(guī)用量減少50%(3.57 g/盆)。種植模式設(shè)玉米單作、大豆單作與玉米–大豆間作3種，間作處理按照1∶1種植即每盆種植玉米與大豆各2株，單作處理每盆種植玉米或大豆4株，每盆行株距保持一致。試驗共9個處理，每個處理3個重復(fù)，隨機排列。氮肥用量N 150 mg/kg(干土)，鉀肥用量K2O 150 mg/kg (干土)，均按照純養(yǎng)分換算。

試驗所用塑料花盆規(guī)格：外口直徑340 mm×高度240 mm，每盆裝紅壤(過2 mm篩)10 kg。供試肥料：尿素(含N 460 g/kg)、普通過磷酸鈣(含P2O5140 g/kg)、硫酸鉀(含K2O 500 g/kg)。氮肥分2次施用，50%作基肥，50% 在拔節(jié)期追施。氮肥追施時只施在單作玉米處理和間作處理的玉米一側(cè)，且兌水等體積追施于玉米的根系，大豆均不進(jìn)行追肥；磷肥與鉀肥均作為基肥施入。整個生育期定期澆水及人工除草，并定期調(diào)換塑料盆的擺放位置。

1.3 樣品采集

在作物成熟期進(jìn)行采樣，先剪取地上部，然后將整個植株根系從土壤中完整挖出，接著用抖土法輕輕抖掉松散結(jié)合的土壤，最后將與根系緊密貼合的土壤刷下來作為根際樣品。單作每盆4株玉米或者大豆，間作每盆玉米和大豆各2 株，最后將根際土壤均勻混合為1個土壤樣品。土壤晾干、磨碎及過篩，待分析。

1.4 測定項目和方法

土壤有效磷：0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提，用鉬銻抗比色法測定；土壤無機磷形態(tài)根據(jù)張守敬和Jackson[19]的方法進(jìn)行分析測定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤的計算，并繪制柱狀圖。數(shù)據(jù)差異性采用SPSS 20.0 統(tǒng)計分析軟件做單因素分析(LSD法，α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷水平下玉米–大豆間作對作物產(chǎn)量的影響

從表1可以看出，玉米和大豆的籽粒產(chǎn)量在年際間均有一定的變化，表現(xiàn)為2019年的籽粒產(chǎn)量高于2018年。間作顯著提高了玉米和大豆的籽粒產(chǎn)量，2018年P(guān)0、P50和P100水平下玉米和大豆籽粒產(chǎn)量較單作分別顯著提高78.34%、61.69%、87.49% 和96.19%、72.07%、34.11%；2019年玉米和大豆籽粒產(chǎn)量較單作分別顯著提高 86.22%、71.71%、84.27% 和99.19%、67.77%、38.92%。從兩年的數(shù)據(jù)來看，適當(dāng)增施磷肥均顯著提高了玉米和大豆的籽粒產(chǎn)量，并且兩年的增加趨勢一致。

表1 不同磷水平下玉米–大豆間作對作物籽粒產(chǎn)量的影響(g/株)

注：表中同列不同小寫字母表示同一年度處理間差異顯著(<0.05)。

2.2 不同磷水平下玉米–大豆間作對作物磷吸收的影響

如圖1所示，間作顯著影響玉米和大豆植株對磷素的吸收。與單作玉米相比，P0、P50和P100水平下，2018年間作玉米植株磷吸收量分別顯著提高31.24%、50.82% 和42.37%；2019年間作玉米植株磷吸收量分別顯著提高 30.60%、53.40% 和38.07%。同樣，P0、P50和P100水平下，2018年間作大豆植株磷吸收量較單作大豆分別顯著增加79.12%、42.20% 和50.06%，2019年間作大豆植株磷吸收量較單作大豆分別顯著增加83.18%、48.31% 和32.01%。無論間作還是單作，適當(dāng)增施磷肥均顯著提高玉米和大豆植株的磷素吸收量，且兩年的變化趨勢一致。

(圖中MM：單作玉米，IM：間作玉米，MS：單作大豆，IS：間作大豆；圖中不同小寫字母表示同一年度處理間差異顯著(P<0.05)；下同)

2.3 不同磷水平下玉米–大豆間作對根際土壤有效磷含量的影響

由圖2可以看出，間作提高了玉米根際土壤有效磷含量，在P50和P100水平下，2018年間作玉米根際土壤有效磷含量較單作顯著增加30.26% 和24.97%，2019年分別顯著增加26.50% 和28.53%，而在P0水平下單作、間作之間差異不顯著。無論間作還是單作，適當(dāng)增施磷肥顯著提高了玉米根際土壤中有效磷的含量，且兩年的增加趨勢一致。

與玉米一樣，間作種植提高了大豆根際土壤有效磷含量，2018年間作大豆根際土壤有效磷含量在P0、P50和P100水平下較單作大豆分別顯著增加43.08%、36.61% 和29.76%，2019年在P50和P100水平下分別顯著增加30.21% 和26.34%(圖2)。從兩年的試驗數(shù)據(jù)來看，無論單作還是間作，P50和P100水平下玉米和大豆根際土壤有效磷含量顯著高于P0水平，且P100>P50。此外，大豆根際土壤有效磷含量高于玉米。

圖2 不同磷水平下玉米–大豆間作對根際土壤有效磷含量的影響

2.4 不同磷水平下玉米–大豆間作對根際土壤無機磷組分的影響

2.4.1 土壤無機磷各組分的含量 如圖3所示，間作種植顯著降低了P50和P100水平下玉米根際土壤總無機磷含量，2018年分別顯著降低9.56% 和9.19%，2019年分別顯著降低8.31% 和7.31%；而P0水平下單作、間作之間差異不明顯。與單作玉米相比，間作顯著降低了P50和P100水平下玉米根際土壤中Fe-P、Al-P和Ca-P含量，其中2018年和2019年Fe-P含量分別顯著降低12.46%、11.72% 和10.54%、9.71%，Al-P含量分別顯著降低13.45%、12.14% 和13.10%、10.08%，Ca-P含量分別顯著降低17.51%、18.04% 和14.73%、13.43%；而間作對O-P無明顯影響(圖4)。另外，與P0水平相比，適當(dāng)增施磷肥均顯著增加了單作、間作玉米根際土壤無機磷各組分及總無機磷的含量。

間作種植顯著降低了P0、P50和P100水平下大豆根際土壤總無機磷含量，2018年分別顯著降低6.59%、7.77% 和7.95%，2019年分別顯著降低7.29%、8.06% 和8.82%(圖3)。在2018年和2019年，與單作大豆相比，間作顯著降低了P50和P100水平下大豆根際土壤中Fe-P、Al-P和Ca-P含量，其中Fe-P含量分別顯著降低9.76%、9.74% 和10.35%、10.80%，Al-P含量分別顯著降低13.36%、14.20% 和13.17%、12.32%，Ca-P含量分別顯著降低17.33%、15.74% 和17.09%、19.40%；而間作對O-P無明顯影響(圖5)。同樣，P50和P100水平下大豆根際土壤無機磷各組分及總無機磷的含量顯著高于P0水平，且P100>P50。

2.4.2 土壤無機磷各組分的比例 從表2和表3可以看出，O-P與Fe-P是土壤中無機磷的主體，其次是Al-P與Ca-P，其含量表現(xiàn)為：O-P>Fe-P>Al-P> Ca-P。從2年試驗結(jié)果來看，間作種植顯著提高了玉米根際土壤無機磷中O-P的比例2.03% 和1.96%(表3)，顯著提高了2019年大豆根際土壤無機磷中O-P的比例2.00%(表3)，而對玉米和大豆根際土壤中Fe-P、Al-P和Ca-P的比例無明顯影響。施磷顯著提高了2018年玉米根際土壤無機磷中Al-P和Ca-P的比例和2019年Al-P的比例，顯著提高了2018年大豆根際土壤無機磷中Ca-P的比例，而同時顯著降低了玉米和大豆根際土壤無機磷中O-P的比例。另外，土壤中Ca-P在無機磷中的比例在年際間出現(xiàn)上升趨勢，而Fe-P、Al-P和O-P在土壤無機磷中的比例較穩(wěn)定，變化不大。

圖3 不同磷水平下玉米–大豆間作對根際土壤總無機磷含量的影響

圖4 不同磷水平下間作對玉米根際土壤無機磷組分的影響

圖5 不同磷水平下間作對大豆根際土壤無機磷組分的影響

2.4.3 土壤無機磷各組分的生物有效性 從表4中可以看出，玉米與大豆間作種植后，土壤中各形態(tài)無機磷含量均有不同程度的降低，在一定程度上可以為玉米與大豆植株提供磷素營養(yǎng)。從2018年和2019年的試驗結(jié)果來看，間作種植后，玉米土壤中無機磷減少量以Fe-P為主，分別平均占無機磷減少總量的38.46%和39.18%，其次是O-P，分別平均占減少總量的28.57% 和26.32%；大豆土壤中無機磷減少量同樣以Fe-P和O-P為主，分別平均占無機磷減少總量的38.25%、39.12% 和27.70%、28.54%。另外，Al-P和Ca-P減少量約占無機磷減少總量13% ～ 20% (表4)。

表2 玉米根際土壤中無機磷各組分占無機磷總量的比例(%)

表3 大豆根際土壤中無機磷各組分占無機磷總量的比例(%)

表4 間作種植下無機磷各組分減少量占無機磷減少總量的百分比(%)

3 討論

已有研究表明，禾本科與豆科間作能夠顯著改變土壤中無機磷組分[20-22]，尤其在低磷脅迫下，間作通過促進(jìn)豆科植物根系釋放質(zhì)子[10]、分泌有機酸[23-24]、增強根際磷酸酶活性[25]等方式促使土壤中難溶性磷(主要為Ca-P、Al-P與Fe-P)的活化，增加土壤中磷有效性，促進(jìn)作物對磷的吸收。本研究發(fā)現(xiàn)，間作改變了玉米和大豆根際土壤無機磷組分，顯著降低了土壤中Fe-P、Al-P和Ca-P的含量，而對O-P含量無明顯影響(圖4和圖5)，說明間作主要通過促進(jìn)土壤無機磷中Fe-P、Al-P和Ca-P的活化來增加土壤中磷素有效性，提高了土壤的供磷能力，這可能與玉米–大豆間作誘導(dǎo)根系有機酸分泌增加[26]、根際酸性磷酸酶活性增強[27]有關(guān)，但是間作調(diào)控?zé)o機磷組分差異的機制尚需深入研究。同時，施磷顯著增加了玉米和大豆根際土壤中總無機磷含量，并且顯著提高了各無機磷組分的含量(圖3 ～ 圖5)，這與前人[28-29]在我國北方土壤上的研究結(jié)果一致，說明合理施用磷肥也是提高南方酸性紅壤無機磷庫的有效手段。此外，大豆根際紅壤無機磷各組分含量低于玉米，說明大豆對這幾種無機磷組分的耗竭能力強于玉米，這可能是相對于玉米，大豆根系分泌更豐富的有機酸，但大豆根系分泌物與土壤無機磷組分變化的關(guān)系仍需進(jìn)一步分析。

土壤中的無機磷以多種形態(tài)存在，且不同形態(tài)無機磷對植物的有效性存在差異[30]。在本試驗的酸性紅壤中，無機磷組分以O(shè)-P為主，約占無機磷總量的50%；其次是Fe-P，占無機磷總量的30% 左右，其余的Al-P與Ca-P含量相對較少(表2和表3)，這是由紅壤的母質(zhì)特性決定的，與蘇利榮等[31]在紅壤中的研究結(jié)果基本一致。同時，在玉米與大豆間作條件下，間作玉米和大豆根際土壤中各無機磷組分均表現(xiàn)出不同程度的降低，其中土壤無機磷組分中以Fe-P減少量占無機磷減少總量的百分比最大，顯示出玉米和大豆均對Fe-P有較強的活化利用能力；其次是O-P、Al-P和Ca-P(表4)。綜上分析表明，在玉米與大豆間作模式中，間作通過活化利用土壤中的各無機磷組分來滿足玉米和大豆的磷素營養(yǎng)需求，尤其是活化溶解酸性紅壤中的Fe-P。

研究表明，在禾本科–豆科間作模式中，由于豆科作物具有較強的生理特征，使得禾本科作物根際土壤有效磷含量增加，進(jìn)而提高間作群體的磷吸收量[18,32]。如在小麥–蠶豆間作體系中，蠶豆通過提高有機酸的分泌來活化土壤中的Al-P 和 Fe-P，提高了紅壤中磷的有效性[6]。在玉米–蠶豆間作系統(tǒng)中，蠶豆通過分泌大量的有機酸和酸性磷酸酶活化了土壤中的Fe-P與Al-P，提高了根際土壤磷的有效性，同時滿足了蠶豆自身與間作玉米的磷素需求[13]。本試驗中，不同磷水平下，間作種植同時提高了玉米和大豆根際土壤有效磷含量，并顯著增加了玉米和大豆植株的磷吸收量與產(chǎn)量，這說明在玉米–大豆間作系統(tǒng)中，玉米和大豆在土壤磷素吸收利用上是相互促進(jìn)、互惠互利的，這可能是因為間作同時促進(jìn)了玉米和大豆根際土壤中Fe-P、Al-P、Ca-P和O-P(尤其是Fe-P)的活化，提高了土壤有效磷含量，同時也為玉米和大豆的生長提供了充足的磷營養(yǎng)，進(jìn)而提高了玉米和大豆的磷吸收量和產(chǎn)量。此外，施磷均顯著提高了玉米和大豆根際土壤有效磷含量與磷吸收量，這可能是合理施磷提高了根際土壤無機磷庫及各無機磷組分含量所致。

本研究還發(fā)現(xiàn)，在低磷條件下(即磷肥減少50%)，間作玉米和大豆的磷吸收量、籽粒產(chǎn)量與P100水平的單作處理相比并未降低(表1和圖1)，同時間作降低了根際土壤中Fe-P、Al-P、Ca-P和O-P含量，進(jìn)一步表明磷脅迫條件下玉米–大豆間作通過促進(jìn)土壤中難溶性磷的活化，提高了根際土壤磷的有效性，促進(jìn)了玉米和大豆對土壤磷的吸收利用，進(jìn)而提高了玉米和大豆的產(chǎn)量，說明玉米–大豆間作具有節(jié)約磷肥并維持作物磷吸收及產(chǎn)量的潛力。但是不同磷水平下，玉米–大豆間作系統(tǒng)中，根際土壤磷素形態(tài)變化與根際有效磷含量有怎樣的聯(lián)系，及其對間作作物磷吸收的貢獻(xiàn)仍需要深入探究。

4 結(jié)論

不同磷水平下，間作提高了玉米與大豆根際土壤有效磷含量，顯著提高了玉米和大豆的磷吸收量和籽粒產(chǎn)量。間作降低了玉米和大豆根際土壤總無機磷以及Fe-P、Al-P、Ca-P和O-P的含量，并且土壤總無機磷與各無機磷組分含量受施磷水平的顯著調(diào)控。間作誘導(dǎo)的土壤中Fe-P、Al-P、Ca-P和O-P含量的降低(尤其是Fe-P)，是驅(qū)動不同磷水平下玉米–大豆間作根際土壤有效磷含量與作物磷吸收量增加的重要原因。在磷有效性偏低的紅壤上，玉米–大豆間作具有維持土壤有效磷含量、作物產(chǎn)量以及節(jié)約磷肥的潛力。

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Effects of Maize and Soybean Intercropping on Inorganic Phosphorus Forms and Available Phosphorus in Red Soil Under Different Phosphorus Levels

LUO Yanfei, QIN Xiaomin, NONG Yuqin, LU Jinmei, QIN Hongyu, YANG Jingyang, LI Jinting, WEI Jinjian*

(Guangxi South Subtropical Agricultural Science Research Institute, Longzhou, Guangxi 532415,China)

A2-year pot experiment was conducted to study the differences and relationship of inorganic phosphorus forms, available phosphorus in rhizosphere soil and phosphorus uptake in maize and soybean intercropping system under different phosphorus levels, in which 9 treatments, three cropping patterns (maize monocropping, soybean monocropping and maize-soybean intercropping)× three P2O5levels (0, 50 and 100 mg/kg, labelled P0, P50 and P100). The results showed that compared with monocropping, intercropping significantly increased grain yields and phosphorus uptake of maize and soybean under P0, P50 and P100 levels in 2018 and 2019. Phosphorus uptake and grain yields of intercropped maize and soybean were not declined in the P50 level compared to corresponding monocropped plants in P100 level. Intercropping increased available phosphorus content in rhizosphere soil of maize and soybean under P0, P50 and P100 levels, but decreased the contents of total inorganic phosphorus, Fe-P, Al-P, Ca-P and O-P. Meanwhile, appropriate application of phosphorus fertilizer significantly increased the contents of total inorganic phosphorus and inorganic phosphorus forms in rhizosphere soil of maize and soybean. Under this experimental condition, the activation of Fe-P, Al-P, Ca-P and O-P in soil (especially Fe-P) induced by intercropping was an important source for the increase of soil available phosphorus content and phosphorus uptake in intercropping under low phosphorus condition. Maize-soybean intercropping has the potential to save phosphorus fertilizer while maintain crop yields, rhizosphere available phosphorus and phosphorus uptake.

Maize-soybeanintercropping; Phosphorus levels; Inorganic phosphorus forms; Soil available phosphorus; Phosphorus uptake

駱妍妃, 覃瀟敏, 農(nóng)玉琴, 等. 不同磷水平下玉米–大豆間作對紅壤無機磷組分及有效磷的影響. 土壤, 2022, 54(1): 72–79.

S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.01.010

廣西自然科學(xué)基金項目(2018GXNSFBA281128；2018JJB130065)資助。

(18378151635@163.com)

駱妍妃(1989—)，女，廣西南寧人，碩士，助理研究員，主要從事間作系統(tǒng)養(yǎng)分利用與病害控制研究。E-mail：qinxm_nys@163.com