小麦蚕豆间作对红壤有效磷的影响及其与根际pH值的关系

张德闪，王宇蕴，汤 利*，郑 毅，2，左建花

(1云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201;2西南林业大学，云南昆明650224)

磷的高效利用已经成为全球性的问题。由于南方酸性土壤中含有大量的无定型氧化铁、铝，其生物有效性较低，从而使得能被植物吸收利用的有效磷含量较低，因此对南方酸性土壤磷的高效利用已成为研究的热点之一［1］。

间作是指两种或两种以上的作物在同一时间同一土地上的混合种植［2］。大量研究表明，合理的间作在增加作物产量、提高土地利用率、促进水分和养分资源吸收利用、增强作物抗病性等方面发挥着重要作用［2－10］。现有研究表明，间作系统最终表现出的产量优势是由于间作可以显著地提高间作作物根际速效磷的含量，提高作物对根际磷的吸收［2－3，11－15］。

土壤的酸碱度会影响土壤肥力以及植物的生长发育状况，这主要是因为土壤的pH值严重影响土壤养分的有效性，尤其是影响土壤对磷的吸附固定［16］。豆科/禾本科间作，豆科作物固氮过程中释放H+或根际分泌有机酸都会导致根际土壤酸化，活化土壤难利用态磷［2，17－18］。因此，豆科禾本科间作可以提高石灰性土壤磷的吸收利用［2］。但在酸性土壤上，间作对作物根际pH的影响及其与土壤养分有效性的关系方面的研究还少见报道。

小麦、蚕豆是云南省的主要小春作物，小麦蚕豆间作由于能够显著提高小麦产量、促进养分利用、有效控制病害［6，13－14，19－22］而被人们广泛接受，在云南省已普遍推广。陈佰岩等［23］研究表明，小麦蚕豆间作的根分泌物可促进红壤磷的活化，而王宇蕴的研究也表明，在红壤上小麦与蚕豆间作，小麦根际土壤速效磷的含量较单作增加［11－12］。但是，关于小麦/蚕豆间作体系，特别是在红壤地区，小麦根际速效磷含量的提高与根际pH的相互关系的研究相对较少。本研究的主要目的是研究小麦/蚕豆间作体系中小麦不同生育期、不同土层根际土壤磷有效性以及根际土壤pH值的动态变化;探讨小麦蚕豆间作体系小麦根际pH与红壤有效磷含量的相互关系，以期为利用农作物的种植方式多样性提高红壤磷的有效性和养分资源的利用效率提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在云南农业大学水资源与环境利用工程中心试验基地(25°7'51.5″N，102°45'09.9″E)进行。试验地土壤为云南山原红壤，前作为水稻，其基本养分状况为:有机质含量14.4 g/kg，碱解氮117.2 mg/kg，有效磷 44.16 mg/kg，有效钾 95.08 mg/kg，pH 7.39。供试小麦品种为云麦－42，蚕豆品种为玉溪大粒豆。

1.2 试验设计

试验采用间作和单作2种种植模式，即小麦与蚕豆间作、小麦单作、蚕豆单作，共3个处理。间作种植规格为小麦∶蚕豆=6∶2，即每一间作带内种植小麦6行，行距0.20 m;种植蚕豆2行，行距0.30 m，株距0.30 m。小麦、蚕豆单作行距和株距与间作相同。小区面积5.4 m×6.0 m，每个处理3次重复，小区随机排列。

小麦施肥量为氮肥(N)225 kg/hm2，磷肥(P2O5)75 kg/hm2，钾肥(K2O)75 kg/hm2。其中 1/2氮肥和全部磷、钾肥作基施，1/2氮肥在拔节期作追施;蚕豆不施氮肥，磷、钾肥一次性基肥施用。

1.3 取样与分析

分别在小麦分蘖～拔节期、孕穗～抽穗期、灌浆～乳熟期对单作和间作小区采样，每小区每次随机多点采取混合样品，按10 cm×10 cm样方取样，取样面积为100 cm2。在0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土层用抖土法分别采集小麦根际土。

小麦根际土壤有效磷、pH值以及植株磷含量的测定方法均参考鲍士旦主编的《土壤农化分析》［24］。

试验数据用Excel 2007整理，差异显著性采用SPSS17.0软件进行检验分析。

2 结果与分析

2.1 小麦蚕豆间作对两种作物产量的影响

由表1可以看出，小麦蚕豆间作可以显著增加小麦的产量，蚕豆产量在单作和间作之间差异不显著。小麦蚕豆间作与小麦单作相比，产量提高了78.7%。间作的土地当量比(LER)为1.16，大于1，说明在小麦蚕豆间作体系中小麦存在间作产量优势。

2.2 小麦蚕豆间作对不同生育期小麦地上部磷吸收量的影响

图1显示，分蘖～拔节期、孕穗～抽穗期、灌浆～乳熟期单作小麦地上部植株磷吸收量分别为2.5 g/m2、5.8 g/m2、6.4 g/m2，间作分别为 2.5 g/m2、5.5 g/m2、5.8 g/m2。间作小麦磷吸收量单作和间作处理间差异不显著。

表1 单、间作体系小麦、蚕豆产量(g/m2)Table 1 Yields of wheat and fababean in the monocropping and intercropping systems

图1 不同生育期单作、间作小麦地上部磷吸收量Fig．1 Phosphorus contents of wheat in the monocropping and intercropping systems at the different growth stages

2.3 小麦蚕豆间作对不同生育期小麦根际土壤有效磷含量的影响

单作与间作两种种植模式下，小麦根际土壤有效磷含量随土层深度的增加降低;分蘖～拔节期、孕穗～抽穗期，0—10 cm、10—20 cm土层小麦根际土壤有效磷含量间作高于单作，差异显著(图2)。

分蘖 ～拔节期，间作体系 0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土层小麦根际土壤有效磷含量均高于单作，间作较单作分别增加 82.4%、60.0%、9.0%，且在 0—10 cm、10—20 cm两个土层差异显著。

孕穗～抽穗期，0—10 cm土层，间作根际有效磷含量显著高于单作，间作较单作提高23.4%;10—20 cm土层，间作根际土壤有效磷含量比单作提高35.8%，差异显著;20—30 cm土层，间作小麦根际有效磷含量与单作之间差异不显著。

图2 不同生育期不同土层小麦根际土壤有效磷含量的变化Fig．2 Rhizosphere soil available phosphorus concentrations of wheat fields in different soil layers at the different growth stages

灌浆 ～乳熟期，0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土层小麦根际土壤有效磷含量间作与单作差异不显著。

2.4 小麦蚕豆间作对不同生育期小麦根际土壤pH值的影响

从图3可以看出，小麦单作、小麦蚕豆间作体系，随土层深度的增加，小麦根际土壤pH值有升高的趋势，但是土层之间差异不显著。分蘖～拔节期10—20 cm 土层，孕穗 ～抽穗期 0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土层，间作小麦根际土壤pH值显著低于单作。

分蘖～拔节期，单作和间作体系中，随土层深度的增加，小麦根际土壤pH值升高，但土层之间差异不显著。0—10 cm和20—30 cm土层根际土壤pH值间作与单作差异不显著。10—20 cm土层，间作较单作降低0.25个单位，显著低于单作。

孕穗～抽穗期，单、间作体系中，随土层深度的增加，小麦根际土壤pH值逐渐升高，土层之间差异不显著。0—10 cm、10—20 cm和 20—30 cm土层小麦根际土壤pH值均为间作低于单作，间作较单作分别降低了0.32、0.61、0.38个单位，差异显著。

灌浆～乳熟期，单作小麦根际土壤pH值变化的大小顺序为20—30 cm ＞0—10 cm ＞10—20 cm，间作的变化为0—10 cm ＞10—20 cm＞20—30 cm，单作和间作体系中土层之间的差异不显著。0—10 cm土层小麦根际土壤pH值间作小于单作，10—20 cm、20—30 cm土层间作则大于单作，但单、间作之间的差异没有达到显著水平。

图3 不同生育期不同土层小麦根际土壤pH值的变化Fig．3 Rhizosphere soil pH of wheat fields in different soil layers at the different growth stages

2.5 间作小麦根际土壤有效磷含量与pH的关系

小麦分蘖～拔节期、孕穗～抽穗期、灌浆～乳熟期，单作和间作两种种植模式下，小麦根际土壤有效磷含量与pH的相互关系所表现的趋势较为一致(图4)，即小麦根际有效磷含量随根际土壤pH的升高而降低，但是不同种植模式，不同生育期，其下降趋势不同。在分蘖～拔节期，单作条件下，其决定系数为R2=0.5635，间作条件下R2=0.1307，间作低于单作;孕穗～抽穗期，单作和间作种植模式下根际土壤有效磷与pH值之间的决定系数分别为0.0127和0.003，二者之间没有相关关系，但间作低于单作;灌浆～乳熟期，单作体系中的R2=0.1287，间作R2=0.1506，间作高于单作。

3 讨论与结论

小麦蚕豆间作提高了小麦根际土壤磷的有效性，促进了分蘖～拔节期、孕穗～抽穗期小麦根际土壤有效磷含量的提高，并在0—10 cm和10—20 cm两个土层达到显著水平。前人的研究结果也发现小麦蚕豆间作，间作小麦根际有效磷含量在分蘖、拔节、抽穗时期高于相应时期的单作小麦［16－17］。早期小麦和蚕豆间作可以显著提高根际土壤有效磷的含量，其原因可能是根系分泌物活化了土壤中的Al-P、Fe-P［23］。

小麦蚕豆间作体系中，小麦根际土壤pH值显著低于单作。两种或两种之上的作物间作之后，由于根系的相互作用，会诱导根系H+、OH－的分泌发生变化，导致根际土壤pH与单作作物根际土壤pH值不同。同时，禾本科和豆科作物间作，豆科作物根际有机酸的分泌、酸性磷酸酶的释放是禾本科作物根际 pH 下降的可能原因［2，17－18，25］。郭桂英等［26］根据对花生黄化后与小麦间作并加碳酸钙的研究表明，间作花生根际土壤的pH值比单作花生低。采用根箱法在不同供磷水平下，对春小麦和大豆在间作和单作情况下的根系形态特征和生理生化特性进行比较研究，发现小麦与大豆间套作后共生区根际土壤pH值下降，使4 mm范围内的根际土壤明显酸化［27］。菜豆与硬小麦间作的土培试验证明间作菜豆根际土壤pH比单作低［18］。

图4 不同生育期小麦根际有效磷和pH的相关分析Fig．4 The correlation analysis of rhizosphere soil available phosphorus and pH of wheat fields at the different growth stages

单作和间作体系，小麦根际土壤有效磷含量与根际pH呈负相关关系，即根际pH降低，根际磷有效性增加。与作物单作相比，种植模式的不同会改变作物根际土壤的酸碱性，从而改变根际土壤磷的有效性，影响作物对磷的吸收。大麦与鹰嘴豆间作较大麦单作显著地降低了根际土壤pH值，这种酸化作用进一步促进了土壤有效磷的增加［28］。玉米与蚕豆间作，由于根际土壤的酸化促进了磷有效性的增加，提高了间作体系磷的吸收利用［2］。这些研究结果表明，禾本科和豆科作物间作，降低了禾本科作物根际土壤的pH，活化了根际难利用态磷，增加了根际土壤磷的有效性，促进了磷的吸收。但是，本研究结果也发现，在小麦孕穗～抽穗期，根际土壤有效磷含量和pH值没有明显的相关关系，而孕穗～抽穗期间作小麦根际土壤pH显著低于单作，根际有效磷含量高于单作，且在0—10 cm、10—20 cm两个土层达到显著水平。这种现象说明根际土壤pH的降低是引起根际有效磷含量提高的原因之一，同时小麦与蚕豆间作，低分子量有机酸、酸性磷酸酶、根系形态、微生物活动等与磷有效性相关的根际过程［1－2，25，29］可能受间作的影响发生改变从而影响了根际土壤有效磷的含量。Wang等［30］的研究中也发现，磷的缺乏并没有增加羽扇豆根系质子的分泌。同时，在小麦与蚕豆间作和单作小麦磷的吸收量差异不显著，这说明间作小麦根际有效磷含量的增加并不是由于磷吸收的提高引起，而收获期间作小麦产量的显著增加可能是由于小麦蚕豆间作控制了病害、增加了微生物多样性、提高了水分利用率所致［6，8，21］。因此，红壤地区小麦蚕豆间作体系中根际土壤pH的降低是提高小麦根际磷有效性的原因之一，但是由于间作体系中有机酸、酸性磷酸酶的分泌也是提高根际磷有效性的主要机制［1，2，25］，所以，在红壤上关于小麦蚕豆间作提高小麦根际土壤磷有效性的机理还有待进一步深入研究。

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