不同磷水平下小麦蚕豆间作对土壤无机磷组分的影响

李海叶，张梦瑶，柏文恋,2，刘振洋，汤 利，郑 毅,3，肖靖秀

(1.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；2.贵州省林业科学研究院，贵阳 550005；3.云南开放大学，昆明 650221)

【研究意义】磷直接参与植物生理代谢、能量转化和调节酶活性，在作物生长发育中起重要作用[1-2]，是农业生产中重要的限制因子。随着磷肥的大量施用以及土壤利用方式的改变，土壤中磷素累积现象已经较为普遍；土壤磷有效性及土壤磷形态发生较大改变[3]。近年来，国内外学者充分认识到磷素管理的重要性。基于长期定位试验，中国学者明晰了代表性土壤如红壤、潮土、紫色土等的磷素演变特征、形态转化、累积效应及其与作物产量的关系等，为土壤磷素的管理和利用提供了理论依据和支撑。然而，中国作物种类及耕作方式多样，系统深入探究土壤磷的演变及高效利用仍然是今后土壤磷素管理的重点[3-4]。豆科禾本科间作是中国传统精耕细作农业的重要组成部分[5]，在提高养分资源利用效率方面起着重要作用[6-7]。【前人研究进展】前人研究发现，在玉米//鹰嘴豆[8]、玉米//蚕豆[9]大豆//玉米[10]、鹰嘴豆//大麦[11]等间作系统中，间作较单一种植相比，通过扩大根系吸收范围[12]，提高酸性磷酸酶活性、促进质子和有机酸的分泌，促进难溶性磷的活化、提高土壤磷的有效性[13-14]，促使作物对磷的吸收显著增加[15-16]。因此，豆科禾本科间作是提高土壤中难溶性磷利用的有效途径之一。毫无疑问，间作种植促使难溶性磷的活化，必然导致土壤磷组分的改变。柴博等[17]在玉米鹰嘴豆间作模式中也证实，间作降低了玉米种植带土壤无机磷组分的含量。间作种植对土壤无机磷组分变化的研究仍较少，间作体系中无机磷组分-土壤磷有效性-作物磷吸收的关系有待深入探究。与众多豆科禾本科间作模式一致，小麦蚕豆间作可以促进磷的吸收利用、提高土壤磷的有效性。在此间作体系中，间作改变根系低分子量有机酸分泌、诱导IAA调控根系变形都很好地解释了间作体系磷的高效吸收利用[16]。但是，小麦蚕豆间作如何影响无机磷组分以及在间作条件下无机磷组分对磷肥施用的响应仍不清楚。【本研究切入点】本文采用蒋-顾分析方法，通过田间定位试验，系统研究了小麦蚕豆间作条件下，小麦和蚕豆关键生育期根际无机磷组分的含量变化，分析了不同磷肥施用水平下，单间作小麦和蚕豆无机磷组分含量的差异。【拟解决的关键问题】旨在探明豆科禾本科间作对土壤无机磷组分的影响，明确间作提高土壤磷有效性的机制，为磷肥的合理施用，尤其是间作体系中磷肥的合理施用提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于云南农业大学大河桥试验基地(23°32′ N，103°13′ E)，属亚热带季风气候区，年平均气温约14 ℃，年降雨量1040 mm左右。田间试验于2014年10月开始，前茬作物为玉米，磷肥(P2O5)施用量为100～150 kg/hm2，磷肥品种为普钙，供试土壤为熟化程度较高的红壤。本研究基于2015—2018年3年的田间试验。试验期内的温度和降雨如表1所示，供试土壤基础理化性状如表2所示。

1.2 试验设计

供试材料。小麦品种为云麦52，蚕豆品种为玉溪大粒豆。

小区设计。设计施磷水平、种植方式2种因素。种植模式包括小麦单作、蚕豆单作和小麦-蚕豆间作；施磷(P2O5)水平设置不施磷(0 kg/hm2)、施磷45和90 kg/hm2，分别记作P0、P1和P2。试验设3个磷水平、3个种植模式，共9个处理，3次重复，共27个小区，小区面积为5.4 m×6.0 m=32.4 m2。

单作小麦采用分行条播，行距0.2 m；单作蚕豆行距0.3 m，株距0.1 m，间作小区分3个种植条带，6行小麦2行蚕豆交替，小麦蚕豆行距0.2 m(图1)。小麦的种植密度180 kg/hm2，蚕豆种植密度为3.3×105株/hm2。

氮肥施用量。小麦施氮量为180 kg/hm2，蚕豆施氮量为90 kg/hm2。小麦、蚕豆的钾肥施用量均为90 kg/hm2。

表1 田间试验月平均气温和降雨量

表2 供试土壤基础理化性状

供试肥料。过磷酸钙(含P2O514%)、尿素(含N 46%)、硫酸钾(含K2O 50%)。小麦氮肥分2次施用，50%在播种前作基肥施入，另外50%在小麦拔节期进行追施，磷、钾肥全部均作为基肥。蚕豆不进行追肥，氮磷钾肥均作为基肥[6]。

小麦与蚕豆分别于每年10月中旬播种，分别在次年4月收获。施肥灌溉等方法与当地高产农田管理模式一致，即分别在小麦蚕豆播种后、小麦拔节期(追施氮肥后)和抽穗期进行3次灌溉。

1.3 样品采集与测定

在小麦分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期和蚕豆分枝期、开花期、结荚期、籽粒膨大期、成熟期，采集小麦、蚕豆根际土壤样品；每次小麦采样以点计，每点采样面积为0.2 m×0.2 m×0.2 m，每小区采集3点，每小区随机采集3株蚕豆，深度0.2 m，用抖根法采集附着在根际表面的土壤，轻轻抖动，先将能被抖动掉的土壤进行采集作为非根际土壤, 之后用小毛刷将不能抖落的黏附在根上的土轻轻刷下(<10 mm)作为根际土壤[5]。采后带回实验室自然风干、磨细、备用，单、间作小区样品采样方法相同。

土壤中无机磷组分的测定采用蒋-顾分级测定法；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，溶液中磷的测定均采用钼锑抗比色法。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0软件进行两因素(Two-way ANOVA)分析，其中种植模式和施磷处理为固定因子，年份为随机因子。使用Excel 2010、Origin 8.0软件处理数据和作图。用最小显著差异法(Duncan)，检验各处理的差异显著性(P=0.05)，图中数据为平均值±标准误。

图1 小麦、蚕豆种植模式Fig.1 Wheat and broad bean planting mode

2 结果与分析

2.1 不同磷水平下间作对小麦和蚕豆根际无机磷组分含量的影响

从表3可以看出，根际无机磷组分含量(Al-P、Fe-P、Ca-P)主要受施磷水平、种植模式及P水平×种植模式的影响，年际间几乎无差异。种植模式主要是调控了蚕豆根际Al-P和Fe-P含量。P水平×种植模式主要是影响了小麦根际Al-P和Fe-P含量。小麦和蚕豆根际Al-P、Fe-P、Ca-P含量均受到磷肥施用水平的调控。

从3年的田间定位试验可以看出，不考虑生育期，3个磷水平下，与单作相比，小麦蚕豆间作对小麦根际Al-P含量均无显著影响。P1条件下，小麦蚕豆间作显著降低蚕豆根际Al-P含量，降幅为15%(图2-A，2-B)。同样，不考虑小麦和蚕豆生育期，与单作相比，3个磷水平下间作对小麦根际Fe-P含量无显著影响。P1条件下，间作降低蚕豆根际Fe-P含量，降幅为15%(图2-C，2-D)。与Al-P和Fe-P不同的是，3个磷水平下间作对小麦和蚕豆根际Ca-P含量均没有影响(图2-E，2-F)。不考虑小麦蚕豆生育期，单、间作体系下，小麦、蚕豆根际Al-P、Fe-P、Ca-P 含量均随磷肥施用量的增加而增加(图2)。

2.2 不同生育期单间作根际无机磷组分的动态变化

2.2.1 根际Al-P的动态变化 从图3可以看出，在P0、P1条件下，与单作小麦相比，间作可降低小麦全生育期(分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期)根际Al-P含量，尤其显著降低小麦分蘖期根际Al-P含量，降幅为19%～25%，占小麦全生育期降低量的27%～43%；P2条件下，除分蘖期外，其他生育期单间作间无差异。就蚕豆而言，P0条件下，单间作蚕豆各生育期根际Al-P含量无差异。P1条件下，小麦蚕豆间作较单作显著降低蚕豆开花期、成熟期根际土壤Al-P含量，降幅为17%和20%；P2条件下，间作降低蚕豆开花期Al-P含量，降幅为21%。单、间作体系下，小麦和蚕豆根际土壤Al-P含量随磷肥施用量的增加而增加。

2.2.2 根际Fe-P的动态变化 从图4可以看出，小麦蚕豆间作在小麦、蚕豆全生育期均有降低根际土壤Fe-P含量的趋势，但影响各不相同。就小麦而言，P0、P1条件下，与单作相比，小麦蚕豆间作体系下小麦全生育期根际土壤Fe-P含量有降低的趋势，但均无显著差异。P2条件下，与单作相比，间作显著降低拔节期、孕穗期小麦根际土壤Fe-P含量，降幅为14%～16%；其余时期，单间作体系下，小麦根际土壤Fe-P含量均无显著差异。就蚕豆而言，P0条件下，单、间作蚕豆根际土壤Fe-P含量无显著差异。P1条件下，小麦蚕豆间作较单作显著降低蚕豆分枝期、结荚期蚕豆根际土壤Fe-P含量，降幅为24%～27%，P2条件下，与单作相比，小麦蚕豆间作显著降低分枝期、开花期蚕豆根际土壤Fe-P含量，降幅为16%～19%。单、间作体系下，小麦和蚕豆根际土壤Fe-P含量随磷肥施用量的增加而增加。

表3 小麦蚕豆根际无机磷组分方差分析结果(两因素分析)

MW：单作小麦；IW：间作小麦；MF：单作蚕豆；IF：间作蚕豆。*表示同一磷水平下单间作处理间有差异(P<0.05)。不同大写字母表示间作下不同磷水平处理间有差异(P<0.05)。不同小写字母表示单作下不同磷水平处理间有差异(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图2 不同磷水平下作物根际无机磷组分含量Fig.2 Different P fractions content in crop rhizosphere under different P application rates

2.2.3 根际Ca-P的动态变化 从图5可以看出，小麦蚕豆间作有降低小麦根际Ca-P含量的趋势，尤其在P2条件下，间作显著降低分蘖期、灌浆期和成熟期小麦根际Ca-P含量，降幅为4%、4%和3%。就蚕豆而言，小麦蚕豆间作也有降低蚕豆根际Ca-P含量的趋势。与单作蚕豆相比，在P0条件下，间作降低分枝期、籽粒膨大期蚕豆根际Ca-P含量，降幅为6%和5%；P1条件下，间作降低籽粒膨大期蚕豆根际Ca-P含量，降幅为6%。单、间作体系下，小麦、蚕豆根际土壤Ca-P含量随着磷肥施用量的增加而增加。

A、B、C、D、E表示小麦的分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期，蚕豆的分枝期、开花期、结荚期、籽粒膨大期、成熟期，下同。不同字母表示同一时期不同磷水平下单作和间作小麦或蚕豆根际Al-P含量间有差异(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图3 各生育时期不同磷水平下作物根际Al-P含量Fig.3 Al-P content in crop rhizosphere under different P application rates in growing stages

不同字母表示同一时期不同磷水平下单作和间作小麦或蚕豆根际Fe-P含量间有差异(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 图4 各生育时期不同磷水平下作物根际Fe-P含量Fig.4 Fe-P content in crop rhizosphere under different P application rates in growing stages

不同字母表示同一时期不同磷水平下单作和间作小麦或蚕豆根际Ca-P含量间有差异(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图5 各生育时期不同磷水平下作物根际Ca-P含量Fig.5 Ca-P content in crop rhizosphere under different P application rates in growing stage

3 讨 论

3.1 施肥对土壤无机磷组分的影响

大量长期定位试验已经明确了土壤磷素的组成受磷肥施用量的影响[4,18]。陈凤等[19]研究表明，湖北水稻土施用磷肥使土壤Fe-P、Al-P含量随磷肥施用量的增加而增加，但Ca-P和O-P相对含量减少。本试验条件下也发现，小麦和蚕豆根际无机磷组分(Fe-P、Al-P、Ca-P)含量随施磷量的增加而增加，其中小麦和蚕豆根际Fe-P、Al-P含量变化趋势同陈凤等研究结果一致，说明在酸性土壤上磷肥施用对Fe-P、Al-P含量影响较大。Ca-P含量变化趋势与陈凤等研究结果有所不同，可能是因为本研究试验地块为熟化程度较高的耕作红壤，由于长期的磷肥(过磷酸钙)施用，使得土壤中Ca-P含量大幅度提高。

3.2 间作对土壤无机磷组分的影响

pH、有机质、水分、微生物以及植物根系分泌的质子和有机酸等诸多因素均会影响土壤中磷的生物有效性。现有研究证实，间作在整个体系中对土壤磷素的挖掘利用起重要作用，玉米//蚕豆[9]、鹰嘴豆//大麦[11]体系中，豆科作物因其根系特性以及具有较强的释放质子、有机酸能力，能够显著酸化根际、促进难溶性磷的活化、减少可溶性磷的竞争，有利于两种作物的磷营养[20]。本试验条件下，研究结果表明不考虑生育期，小麦蚕豆间作降低了根际Al-P、Fe-P含量，尤其显著降低了P1(磷胁迫)条件下蚕豆根际Al-P、Fe-P含量，原因可能是:①磷胁迫条件下，磷高效型作物(蚕豆)的根系具有较强的释放质子、有机酸能力[21]，能够显著酸化根际，促进了难溶性磷的活化;②间作诱导IAA调控根系变形[17]、改变根构型、扩大根系对磷的吸收范围[22]，同时间作提高根际磷酸酶活性及微生物的群落结构，促使土壤中有机磷的有效性的提高[23]。本试验条件下，采用酸性土壤中无机磷分级测定方法，并不能将土壤Ca-P按其有效性进一步区分，因此本试验条件下小麦蚕豆间作对Ca-P含量无影响。今后，将本试验结果与其他土壤磷素分析方法：如磷-31核磁共振技术(P-NMR)和基于同步辐射的X射线吸收近边结构谱技术(P-XANES)相结合，才能深入解析间作对土壤磷组分的影响及其与磷有效性的关系[24-25]。本研究发现，间作对小麦和蚕豆根际土壤无机磷组分的影响略有不同，间作对蚕豆根际无机磷组分的调控作用大于小麦，故间作调控无机磷组分差异的机制尚需深入探究。此外，明确物种自身磷利用方面的差异即磷吸收利用的生态位差异，对于进一步理解合理间作提高磷有效性具有重要意义。

张梦瑶等[6]发现小麦蚕豆间作可以提高根际土壤磷有效性，具有磷肥减施增效的潜力。本研究表明，在磷胁迫条件下，小麦蚕豆间作降低了根际土壤Al-P、Fe-P含量，说明磷胁迫条件下小麦蚕豆间作可以促进难溶性磷的活化，提高根际土壤磷的有效性，促进了作物对磷的吸收利用。这与前人在小麦//蚕豆[26]、玉米//大豆[27]、大麦//鹰嘴豆[12]间作系统中的研究结果相一致。但根际Al-P、Fe-P的耗竭与磷有效性及磷吸收增加的关系尚需明确。本研究还发现，磷胁迫条件下，小麦蚕豆间作降低根际土壤Al-P、Fe-P含量主要集中在小麦蚕豆生育前期(营养生长阶段)，这是由于小麦和蚕豆的磷素吸收主要集中在生育前期，此时种间互作以竞争为主，加之作物根系形态、根构型等改变也诱导了根际过程的改变[28]，最终促进根际Al-P和Fe-P的耗竭。值得关注的是，在小麦蚕豆种间互作强烈的生育期(小麦孕穗-开花期、蚕豆结荚-籽粒膨大期)，笔者并未发现间作改变根际无机磷组分，因此，尚需深入探究间作体系中作物磷吸收-种间互作-土壤磷活化的关系。

4 结 论

小麦蚕豆间作降低了根际无机磷组分含量，但是间作对小麦和蚕豆根际无机磷组分含量的影响并不相同。在磷胁迫条件下，间作加速小麦分蘖期根际Al-P耗竭及蚕豆各生育期根际Al-P和Fe-P的耗竭是间作适应磷胁迫、提高土壤磷有效性的机制之一。