玉米與大豆間作土壤生物學活性對磷有效性影響的定量解析*

王瑞雪,蘇麗珍,張連婭,王思睿,王 景,肖靖秀,鄭 毅,2,湯 利**

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

磷在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中被認為是影響作物生長的主要限制養(yǎng)分。糧食作物磷素當季利用率通常在10%～25%,但我國南方酸性紅壤因含量較高的鐵、鋁等對肥料磷的固定作用,導致磷肥利用率僅有10%。過度施用磷肥不僅會加劇不可再生的磷礦資源耗竭,還會造成農田土壤大量的磷盈余。因此,挖掘作物高效利用養(yǎng)分潛力對減少磷肥浪費、提高土壤磷資源利用效率十分必要。

研究表明,豆科(Leguminosae)||禾本科(Poaceae)作物間作可通過改變微生物量、磷酸酶活性、根際土壤pH、微生物群落結構等提高植物根際磷有效性和作物磷吸收量。間作促進作物磷吸收的機制報道主要集中在根系誘導的直接方式和微生物調控的間接途徑。合理間作較單作可多吸收23%的磷,根系形態(tài)改變促進豆科||禾本科作物間作磷吸收的貢獻也有初步的量化,但有關間作提高紅壤磷有效性尚缺乏定量分析。

現(xiàn)有研究表明,微生物對紅壤中養(yǎng)分循環(huán)、轉化影響重大。作物和土壤嚴重缺磷時,微生物量磷可分解釋放無機磷供植物利用,而土壤供磷充足時,微生物則能夠以自身同化的形式儲存磷,以備植物再利用。長期來看,所有微生物磷都有被植物利用的潛力。因此,紅壤中微生物量磷應作為了解土壤供磷能力的重要指標,但間作模式下紅壤中微生物量磷與作物磷吸收之間的關系研究鮮見報道。土壤全磷中10%～15%以有機磷形態(tài)存在,植物、微生物對有機磷的利用均需要磷酸酶的水解作用,而磷酸酶活性與微生物量碳密切相關。但以往研究集中在紅壤磷素有效性與土壤因素之間的簡單關系,其中的耦合依存關系研究較少,且玉米 (L.)||大豆(L.)間作體系對紅壤磷有效性的具體影響尚不明確。因此,明確微生物量碳與磷酸酶活性的關系有利于闡釋間作提高磷有效性的機制。本文以普遍種植的玉米||大豆間作系統(tǒng)為研究對象,分析了4年田間定位試驗中2017年和2020年兩年的結果,研究間作對紅壤玉米根際磷有效性的影響,并利用回歸分析、冗余分析與結構方程模型,定量解析微生物量碳、微生物量磷及磷酸酶活性提高紅壤磷有效性的機制,為準確理解微生物量與磷酸酶在間作提高紅壤磷有效性中的作用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于云南省昆明市官渡區(qū)小哨村(24°54′N、102°41′E),土壤類型為山原紅壤,土壤有機質含量為4.50 g·kg,速效磷含量4.02 mg·kg,全磷含量0.194 g·kg,Hedley磷分級中離子交換樹脂態(tài)無機磷(Resin-Pi)4.72 mg·kg,碳酸氫鈉浸提無機磷(NaHCO-Pi)18.53 mg·kg,碳酸氫鈉浸提有機磷(NaHCO-Po)11.23 mg·kg,氫氧化鈉浸提無機磷(NaOH-Pi)25.24 mg·kg,氫氧化鈉浸提有機磷 (Na-OH-Po)16.62 mg·kg,稀鹽酸浸提無機磷(Dil.HCl-Pi)9.93 mg·kg,濃鹽酸浸提有機磷(Con.HCl-Po)25.00 mg·kg,殘渣態(tài)磷(Residual-P)75.33 mg·kg。硝態(tài)氮含量2.19 mg·kg,土壤pH為4.53,土壤容重1.36 g·cm。試驗前未種植農作物。田間定位試驗開始于2017年5月,本研究使用2017年和2020年每年5-10月的田間試驗結果。

1.2 試驗設計

采用裂區(qū)試驗,田間隨機區(qū)組分布。主處理為種植模式,副處理為施磷水平。種植模式包括玉米單作、玉米||大豆間作; 施磷水平包括0 kg(PO)·hm(P0)、60 kg(PO)·hm(P60)、90 kg(PO)·hm(P90)、120 kg(PO)·hm(P120)。各處理3次重復,共24個小區(qū),每個小區(qū)26 m(4 m×6.5 m),小區(qū)間過道20 cm寬。單作玉米行距50 cm、株距25 cm,每小區(qū)12行,每行種15株,作物距小區(qū)邊緣25 cm。間作玉米和大豆行距均為50 cm,2行大豆和2行玉米間作,玉米株距25 cm,每行種15株,距邊25 cm,大豆株距25 cm,每行種10株。

供試玉米為‘云瑞88’,大豆品種為‘開育12’,肥料為尿素、普通過磷酸鈣和硫酸鉀。玉米氮肥和鉀肥為當?shù)爻Ｒ?guī)用量。玉米氮肥用量為 250 kg(N)·hm,其中基肥40%,小喇叭口期25%,大喇叭口期35%。大豆氮肥用量與玉米基肥相同,無追肥。鉀肥用量為75 kg(KO)·hm,磷肥和鉀肥作為基肥施用。2017年和2018年玉米小喇叭口期之前每周灌溉一次,每次每小區(qū)約30 L水,大喇叭口期之后田間灌溉方式主要為降雨,試驗期間降雨情況如圖1所示。各處理定期進行人工除草等,其他田間管理措施保持一致。

圖1 2017年和2020年試驗期間月降雨量Fig.1 Monthly rainfall during the experiment periods in 2017 and 2020

1.3 樣品采集與分析

在玉米轉入生殖生長的抽雄期(此時根系互作最大)進行采樣,每小區(qū)隨機選取5株長勢均一、非邊緣行玉米的根際土并混合為一個樣品,共計24個樣品。采樣時將玉米的整個根系從土壤中挖出,用抖土法將根系周圍松散土壤去除,而后將根系緊密結合的土壤刷下收集作為根際土壤樣品,每小區(qū)土樣分別取2份裝在自封袋中:一份風干后過1 mm土篩,用作常規(guī)指標測定; 另一份新鮮土壤樣品采集后冰袋保存并在實驗室4 ℃存放,于3 d內測定土壤微生物量碳、微生物量磷含量及土壤磷酸酶活性。地上部植株105 ℃殺青30 min,75 ℃烘至恒重后稱取干物質量,用于植株磷含量測定。

土壤速效磷測定采用NaHCO浸提-鉬銻抗比色法,植株磷測定采用濃HSO-HO消煮-釩鉬黃比色法。微生物量碳、微生物量磷測定采用氯仿熏蒸法,其中微生物量碳熏蒸后用0.5 mol·LKSO浸提并過濾,上TOC儀(安捷倫multi-N/C 2100,德國)測定,微生物量磷熏蒸后用碳酸氫鈉浸提,使用鉬銻抗比色法測定。土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶采用蘇州格銳思生物公司(www.geruisi-bio.com)提供的試劑盒按操作步驟在終止反應后上酶標儀測定。

1.4 數(shù)據分析

數(shù)據整理用Excel,柱狀圖制作和顯著性分析(多重比較與檢驗)使用Graphpad 8.0,施磷水平和種植模式的交互效應使用SPSS 17.0,回歸分析使用Origin 9.5分析并制圖,冗余分析使用Canoco 5.0進行,結構方程使用Amos 17.0 進行擬合,調整自由度、卡方差、與卡方差相關的水平至全部路徑顯著,且最適的不可否決模型,剔除所有不顯著參數(shù)后,得到最優(yōu)擬合和最精簡的模型,=11.061,=0.438,GFI=0.888,RMSEA=0.016。

2 結果與分析

2.1 間作對玉米磷吸收土地當量比的影響

由圖2可知,2020年玉米干物質量土地當量比(LER)隨施磷水平增加而降低,其中P0處理比P120處理提高51%,差異達顯著水平(＜0.05)。2017年玉米干物質量土地當量比隨施磷量增加有下降趨勢,LER值在1.01到1.21之間變化。除P120處理外,2020年各處理干物質量LER相比2017年平均增加22%。2017年磷吸收量土地當量比(LERp)在P120處理下有降低趨勢,2020年LERp值在1.16到1.44之間變化,相比2017年LERp值增幅為4%～17%,說明LERp受間作年限影響有所提高,但各磷水平之間均無顯著差異,因此磷吸收間作優(yōu)勢不受磷水平影響。LERp總體大于1 (除2017年P120處理),表明低磷水平仍具有維持磷吸收間作優(yōu)勢的能力。

圖2 2017年和2020年不同施磷水平對玉米||大豆間作系統(tǒng)土地當量比的影響Fig.2 Effects of P application levels on land equivalent ratio of maize/soybean intercropping system in 2017 and 2020

2.2 間作對玉米根際土壤速效磷含量的影響

玉米根際速效磷含量隨施磷水平增加而顯著提高,但P90與P120根際土壤速效磷含量在同一種植模式間無顯著差異(圖3),表明無論單、間作模式,增施過量磷肥不會提高根際土壤磷有效性。相比單作,2017年間作提高了根際土壤速效磷含量,在P120處理達到顯著差異(＜0.05)。2020年各磷水平下,間作均顯著提高根際土壤速效磷含量(＜0.05),提高幅度為24%～103%。這表明間作和施磷在肥力較低的紅壤中對根際磷有效性的改變受種植年限的影響。

2.3 間作和施磷水平對土壤磷有效性的交互作用

結合圖2和圖3,并由表1可知,施磷水平和種植模式對玉米干物質量、磷吸收量和根際土壤速效磷含量均有顯著提高作用(＜0.05),且二者對玉米干物質量和磷吸收量有顯著交互效應(表1)。種植模式對土壤速效磷含量的提高作用由2017年的顯著水平(＜0.05)變化為2020年的極顯著水平(＜0.01),表明間作對根際土壤磷有效性的影響受種植年限影響。施磷水平和種植模式對土壤速效磷含量無顯著交互作用,說明存在其他影響土壤速效磷含量的因素。

表1 2017年和2020年施磷水平和種植模式對玉米干物質量、磷吸收量和根際土壤速效磷含量的影響Table 1 Effects of P application level and cropping pattern on dry biomass,P uptake and available P content in rhizosphere soil of maize in 2017 and 2020

圖3 2017年和2020年不同施磷水平及與大豆間作對玉米根際土壤速效磷含量的影響Fig.3 Effects of P application levels and intercropping with soybean on available P content in maize rhizosphere soil in 2017 and 2020

2.4 間作影響紅壤磷有效性的主要因素分析

回歸分析表明(圖4,圖5),除2020年單作外,單、間作模式下,玉米磷吸收量與根際土壤速效磷含量和微生物量磷含量之間均呈極顯著線性關系(＜0.01)。單作模式下,2020年磷吸收量與速效磷含量線性關系的斜率相比2017年降低(由4.73降低到4.42); 間作模式下,二者線性關系的斜率由2017年的4.12增加到2020年的4.44 (圖4)。單作模式,磷吸收量與微生物量磷之間的線性斜率由2017年的19.68降低到2020年的7.16,間作模式則由13.72上升到17.78 (圖5)。磷吸收量與微生物量磷之間線性關系的斜率變化相比速效磷與磷吸收之間線性關系的斜率變化更大。

圖4 2017年和2020年單作(M)及與大豆間作(I)玉米磷吸收量與根際土壤速效磷含量的回歸分析Fig.4 Regression analysis of P uptake and available P content in rhizosphere soil of monocropped maize (M)and maize intercropped with soybean (I)in 2017 and 2020

圖5 2017年和2020年單作(M)及與大豆間作(I)玉米磷吸收量與根際土壤微生物量磷的回歸分析Fig.5 Regression analysis of P uptake and rhizosphere soil microbial biomass P of monocropped maize (M)and maize intercropped with soybean (I)in 2017 and 2020

2.5 間作提高紅壤磷有效性的定量解析

根據RDA分析結果(圖6),相比單作,間作模式下微生物量(MBC和MBP)、磷酸酶活性(ACP和ALP)與磷吸收之間的角度變小,說明間作增加微生物量和磷酸酶活性對磷吸收呈正相關影響。單作模式中,環(huán)境變量可解釋96.6%的累積變量。由蒙特卡洛排列檢驗得知,速效磷含量是磷吸收量變化的主要因素(可解釋37.6%),其次是微生物量碳(解釋量為10.0%)。間作模式中,環(huán)境變量可解釋96.4%的累積變量,速效磷是導致磷吸收量變化的首要因素(解釋量為33.3%),其次是微生物量碳(13.8%)。說明間作降低了速效磷對磷吸收的影響,提高了微生物量碳對磷吸收的影響。

圖6 單作及與大豆間作玉米磷吸收量與根際土壤因子的冗余分析Fig.6 Redundancy analysis of P uptake and rhizosphere soil factors of monocropped maize and maize intercropped with soybean

結構方程表明(圖7),間作提高了土壤微生物量碳含量(MBC)、微生物量磷含量(MBP)、酸性磷酸酶(ACP)和堿性磷酸酶(ALP)活性,從而提高根際速效磷含量(Olsen-P),最終提高玉米磷吸收量。微生物量碳的增加顯著促進土壤磷酸酶活性的提高,對堿性磷酸酶活性的影響比對酸性磷酸酶活性的影響更大。微生物量碳對土壤速效磷含量有極顯著抑制作用(＜0.01),說明微生物的增加會減少土壤有效磷含量,用于自身代謝生長。土壤pH對磷酸酶活性有極顯著抑制作用(＜0.01),過低的pH對酸性和堿性磷酸酶活性均不利。酸性磷酸酶活性的提高促進微生物量磷向速效磷轉化,堿性磷酸酶活性對土壤速效磷含量有顯著促進作用(＜0.05),因此兩種磷酸酶發(fā)生作用的途徑不同。酸性磷酸酶活性和土壤速效磷含量對玉米磷吸收量有極顯著的直接促進作用,同時酸性磷酸酶還可通過促進微生物量磷的水解提高土壤速效磷含量。

圖7 結構方程模型分析土壤生物學活性對玉米磷吸收量的影響Fig.7 Structural equation analysis of the influence of soil factors on P uptake

3 討論

對比2017年和2020年的玉米||大豆間作,玉米干物質量土地當量比(LER)隨施磷水平增加而降低,其中P120水平低于其他施磷處理,與P0間差異顯著(圖2,2020年)。這與近期豆科||禾本科間作體系的報道相近,間作對生物量的促進作用發(fā)生在低投入養(yǎng)分水平。年際間干物質LER的變異較大,這可能是由于2020年7月至8月降雨量高于2017年同期,降雨量充沛影響了2020年抽雄期作物長勢。因此玉米||大豆間作干物質量特征及間作效應仍需多年田間試驗加以驗證。本研究中,玉米磷吸收當量比(LERp)在各施磷水平間無顯著差異,這與覃瀟敏等的研究認為降低磷肥不會顯著降低玉米||大豆間作模式磷吸收量的結果接近。然而,基于全球尺度的Meta分析印證了玉米||大豆間作體系通過生態(tài)位互補,在相同土地面積獲得較高的生物量和磷吸收量。本研究中,磷水平顯著影響生物量間作優(yōu)勢,但對磷吸收無顯著影響,這可能與土壤類型有關。紅壤中較低的供肥能力使得本試驗期間的LERp不受磷水平調控,這與Tang等利用Meta分析研究豆科||禾本科間作對LERp影響中的結論一致。本研究結果僅證實低磷水平可以維持LERp,然而施磷對間作磷吸收凈效應的影響還需進一步加深研究。

間作在各磷水平均顯著提高了玉米根際土壤速效磷含量(圖3,2020)。這與其他在玉米||大豆間作體系、不同豆科輪作與禾本科輪作體系的結果相反。間作提高磷有效性而出現(xiàn)土壤磷耗竭的情況被解釋為根系吸收土壤磷后限制了磷酸鹽離子在土壤中擴散。但也有研究與本研究結果一致,認為根際磷有效性的提高是由于磷的活化程度提高并抵消了植物吸收養(yǎng)分導致的耗竭。本研究中,2020年間作在P0水平仍具有提高土壤磷有效性的優(yōu)勢,這可能是由于連續(xù)間作后促進根系凋落物的增加而導致回歸到土壤的有機養(yǎng)分增加,促進了磷有效性的提高。間作和施磷改變了根際土壤速效磷含量,但磷水平對LERp并沒有影響,說明間作影響了根際土壤磷的轉化,然而不同磷水平下間作對磷吸收的影響還需要加深研究。2020年間作較單作提高根際速效磷含量的幅度比2017年更大,這可能與基礎土壤過低的磷有效性有關。同時,不施磷處理的間作對根際養(yǎng)分的促進作用在2020年達顯著,相比2017年試驗同期,降雨充沛導致作物長勢更好從而使間作優(yōu)勢更明顯。施磷處理使根系互作在供肥能力較差的紅壤中對根際磷的活化作用顯著。因此種植模式在2020年對根際土壤速效磷含量的影響變?yōu)闃O顯著(表1)。2020年,相比單作,在P120水平下間作仍顯著提高了土壤速效磷含量,這可能是由于土壤本身磷水平較低,受試驗年限所制,土壤磷盈余量未達到失去間作優(yōu)勢的磷水平。

磷吸收量與速效磷含量、微生物量磷均呈極顯著的線性關系(＜0.01,除2020年單作下微生物量磷)(圖4、圖5),2020年間作模式下二者線性關系的斜率相比單作均增加,說明間作提高了速效磷和微生物量磷對磷吸收的促進作用。相比土壤速效磷含量,間作后土壤微生物量磷與玉米磷吸收量的線性關系斜率變化更大,因此微生物量磷對間作促進磷吸收的響應更敏感,這與微生物量磷的高度動態(tài)變化有關。間作改變根系分泌物多樣性并影響根際微生物過程(微生物量、群落結構、活性)。玉米||大豆間作提高了根系分泌物分泌速率,導致根際微生物量磷變化的幅度大于速效磷變化幅度,這可能是間作4年后,微生物量磷與磷吸收量間斜率變化更大的原因。此外,微生物量磷易受到土壤碳有效性等因素影響,而間作可以增加土壤根系生物量和凋落物,從而提高土壤溶解性有機碳的含量,增加微生物量磷含量。同時,由于磷在短期內可以從作物殘茬中迅速進入微生物量中,比如豆科殘茬在7 d內有28%的磷進入微生物量中,因此間作的豆科殘茬也可能是增加微生物量磷的原因之一。

冗余分析發(fā)現(xiàn)(圖6),相比單作,間作降低了速效磷對磷吸收的解釋量(由37.6%減低到33.3%),增加了微生物量碳的解釋量(由10.0%增加為13.8%),同時降低MBC/MBP,說明間作促進根際沉淀的同時也促進磷轉化。間作促進根際微生物活性,雖然微生物將土壤中速效磷一部分用于自身代謝,但微生物量碳對堿性磷酸酶活性有極顯著促進作用(圖7),這可歸因于堿性磷酸酶的分泌與有機質、腐殖質的密切關系,且有報道認為堿性磷酸酶活性對間作的反應比酸性磷酸酶更加敏感。土壤缺磷時,酸性磷酸酶活性增加從而提高土壤微生物量磷的周轉以供作物吸收,與本研究結構方程中酸性磷酸酶活性與微生物量磷之間的關系相符合。堿性磷酸酶對速效磷含量的提高有顯著促進作用,這與堿性磷酸酶對中活性有機磷、中穩(wěn)定性有機磷的活化有密切關系,因此兩種磷酸酶對提高磷有效性的影響途徑不同?？傊?間作增加了土壤微生物量對磷有效性的影響程度。

4 結論

相比單作,玉米||大豆間作在生物量和磷吸收量上具有優(yōu)勢,顯著提高了紅壤磷有效性。隨著施磷水平增加,LER降低,但LERp不受影響。種植模式和施磷水平對干物質量和磷吸收量的交互作用顯著。土壤速效磷和微生物量碳含量是影響玉米磷吸收的最主要因素。2020年間作增加了速效磷與磷吸收量、微生物量磷與磷吸收量線性關系的斜率,改變了速效磷和微生物量碳對磷吸收的解釋量。微生物量碳通過提高酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性分別提高速效磷含量和微生物量磷含量,最終促進作物磷吸收。因此,玉米||大豆間作通過微生物量和磷酸酶影響土壤磷有效性,從而具有減磷并維持作物生物量、磷吸收量的潛力。間作提高紅壤磷有效性的過程中,微生物過程的定量貢獻還應進一步加深研究。