不同土壤施磷和接种根瘤菌对大豆||玉米间作系统氮磷吸收的影响*

王倩倩 ,刘志强 ,陈 康 ,王秀荣**

(1. 华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室/华南农业大学根系生物学研究中心 广州 510642;2. 驻马店市农业科学院 驻马店 463000)

氮(N)和磷(P)是植物生长发育所必需的营养元素,氮和磷的生物有效性低是限制作物生长和产量的主要因素[1-2]。在过去的50 年中,氮磷肥料的大量施用达到了较好的增产效果,但是由于施入土壤中的氮磷肥料的利用率偏低,致使通过进一步增施氮肥和磷肥达到增产越来越难实现。同时,化肥的大量施用造成了严重的环境污染,这已成为全球关注的问题[3-4]。因此,选择环境友好型的农艺措施来提高作物氮磷营养对我国未来农业可持续发展意义重大。在农业生态系统中,氮的来源主要通过工业固氮和/或涉及微生物的生物固氮两种途径。据估计,植物生长每年需氮1.5 亿～2.0 亿 t,其中近1 亿 t 来自工业固氮,其余均来自生物固氮[5]。根瘤菌(rhizobia)作为土壤中一类有益微生物,能够与豆科作物共生,将大气中的N2固定为NH3供作物吸收利用[6],有研究表明,豆类-根瘤菌共生系统每年固定的氮可达生物总固氮量的60%左右[7]。豆科作物的生物固氮过程还能促进对土壤中磷的活化吸收。田间试验结果表明,与不接种根瘤菌相比,接种根瘤菌后不但大豆[Glycine max(L.) Merr.]氮含量增加85%,磷含量也显著增加95%[8]。因此,根瘤菌接种是减少氮磷肥的施用,提高豆科作物产量和品质的重要农艺措施。

根瘤菌接种通过共生固氮促进豆科作物氮含量增加,而促进磷活化吸收的机制主要是由于接种根瘤菌后引起豆科作物根际过程,即根际生理指标的改变,具体包括根际pH 增加,酸性和碱性磷酸酶活性增强,以及根际羧酸盐含量增加,这些根际过程能够活化土壤中难溶性磷供作物吸收[9-12]。然而,根瘤菌接种的效果会受很多土壤特性的影响,除了土壤氮有效性之外,土壤pH 和磷有效性也显著影响结瘤[6,13]。土壤pH 是驱动根瘤菌存活的主要因素之一[14],磷素是根瘤菌生长以及根瘤形成和固氮所必需的能量元素[6]。研究表明,缺磷严重影响豆科作物根瘤的形成和发育[15],同时,也会削弱根瘤的固氮能力[16]。然而,在pH 不同的土壤上,不同供磷条件下根瘤菌接种效果的对比研究还鲜有报道。

间作是传统农业中的主要栽培模式之一,广泛应用在热带、亚热带和温带地区[17]。在间作体系中,禾本科作物会吸收利用更多的土壤中的氮,从而显著增加产量;另一方面,土壤氮素含量的降低会刺激豆科作物结瘤固氮,实现禾本科和豆科作物在氮素利用上的生态位分离,降低种间竞争,获得高产[18]。间作也能通过强化豆科作物的根际过程增加根际磷、铁、锌等营养元素的生物有效性,从而提高间作系统对这些营养元素的利用效率[19]。在间作系统中接种根瘤菌的研究报道较少。Li 等[20]在石灰性土壤上蚕豆(Vicia fabaL.)和玉米(Zea maysL.)间作的研究中发现,间作玉米的根系分泌物能够增加接种根瘤菌的蚕豆的变形根毛数量,从而促进结瘤固氮。同样,在石灰性土壤上,大豆||玉米间作系统中间作大豆接种根瘤菌后其结瘤数和氮含量均显著增加[21]。然而,pH 不同的土壤上不同供磷条件下接种根瘤菌对间作系统影响的对比研究还鲜有报道。

大豆||玉米间作作为典型的豆科||禾本科间作种植模式,在我国农业发展中占据着重要的地位[22],其具有明显的间作优势,可以显著提高间作系统中养分吸收与作物产量[23]。为了探究pH 不同的土壤上接种根瘤菌对间作大豆玉米生长、养分含量的影响差异及其潜在的机制,本研究采用来自于国内不同地区的pH 不同的4 种土壤,进行大豆||玉米间作接种根瘤菌的盆栽试验,旨在对比研究不同酸性与石灰性土壤上,接种根瘤菌对间作大豆玉米生长、氮磷吸收以及根际过程的影响,为根瘤菌剂的田间应用,以及农业绿色发展提供重要的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用的大豆品种是‘巴西十号’,玉米品种是‘正甜68’。2018 年采用的酸性土壤与石灰性土壤分别取自广东省广州市华南农业大学增城宁西(NX)试验基地(23°13′N,113°81′E)与新疆乌鲁木齐市新疆农业大学三坪(SP)试验基地(43°56′N,87°21′E);2019 年供试的酸性土壤与石灰性土壤分别取自广东省韶关市翁源(WY)基地(24°28′N,113°94′E)与北京市中国农业大学昌平(CP)长期定位试验站(40°08′N,116°10′E)。其中,取自宁西和翁源的酸性土壤均属于铁铝土,取自三坪的石灰性土壤属于干旱土,取自昌平的石灰性土壤属于淋溶土[24],而这4种土壤的质地都属于壤土。土壤基本理化性质如表1 所示[25]。

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

试验采用的根瘤菌菌剂是从大豆根瘤中分离纯化的BDYD1、BXYD3 与BXBL9 菌株的混合菌种(等体积混合),均为慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)的慢生根瘤菌(Bradyrhizobium elkanii)菌株,由华南农业大学根系生物学研究中心提供。本研究利用以上4种土壤进行了两年盆栽试验,2019 年盆栽试验的主要目的是验证2018 年酸性和石灰性土壤上的盆栽试验结果,选用有效磷差异较大的两种酸性与两种石灰性土壤进行试验,试图明确土壤pH 是影响大豆接种效果的主要因素,其次是土壤磷有效性;确定在酸性和石灰性土壤上接种根瘤菌对间作大豆/玉米生长影响的不同是否存在普遍性。

1.2 试验设计

盆栽试验分别于2018 年与2019 年在华南农业大学温室大棚进行,种苗盆长29 cm,宽13 cm,高11 cm。盆栽试验采用(2×2×2)三因素试验设计,A 因素为两个磷水平: 施过磷酸钙[+P,2018 年为50 mg(P)·kg-1(干 土),2019 年 为80 mg(P)·kg-1(干 土)]、不施磷肥[-P,2018 与2019 年均为0 mg(P)·kg-1(干土)];B 因素为酸碱性不同的两类土壤: 酸性土壤与石灰性土壤;C 因素为两种接种处理: 大豆种子不接种(-Ri)和接种根瘤菌的混合菌剂(+Ri)。每个处理设置4 个重复。2018 年与2019 年试验中钾肥施用量均为70 mg(K)·kg-1(干土),以氯化钾的形式加入;氮(N)施用量均为70 mg(N)·kg-1(干土),以尿素的形式加入。

播种前将肥料与土壤混匀装盆,然后浇500 mL双蒸水(ddH2O),两天后进行大豆玉米播种,其中2018 年播种时间为7 月14 日,2019 年播种时间为9月13 日。播种时每盆播两穴,一穴播3 粒玉米种子,另一穴播3 粒大豆种子,穴距15 cm,穴与盆边缘之间的距离为7 cm。接菌处理的大豆种子播种前与根瘤菌剂拌种。所有处理种子全部播完盖土后再浇200 mL ddH2O。植株出现第1 对真叶时间苗,每穴保留1 株苗。平时管理时浇200～300 mL ddH2O 保持土壤湿润。

1.3 样品采集与测定

间作的大豆和玉米在大豆进入结荚期进行收获,2018 年在播种后48 d 收获,2019 年在播种后54 d 收获。收获时,将植物分为地上部与根部,地上部装袋;再将根系分为均等的两份,一半根系轻轻摇动以除去松散粘附的非根际土壤,收集紧密粘附在根部的根际土壤,用来测定根际碱性磷酸酶活性[26];将另一半根系浸入0.2 mmol·L-1CaCl2溶液中,并轻轻摇 动收集土壤悬浮液,用来测定根际pH、根际酸性磷酸酶活性与根际羧酸盐含量[26-27]。之后将根清洗干净,摘下根系上的根瘤,测定根瘤数。将地上部、根部与根瘤放于75 ℃烘箱烘至恒重,得到地上部、根部与根瘤干重。磨样后采用H2SO4-H2O2法进行消煮,使用San++Skalar 连续流动分析仪(Skalar,Breda,荷兰)测定大豆、玉米地上部、根部与根瘤的氮磷含量,计算出地上部、根部与根瘤的吸氮/磷量。大豆地上部、根部与根瘤的吸氮/磷量之和即为大豆植株总吸氮/磷量;玉米地上部与根部的吸氮/磷量之和即为玉米植株总吸氮/磷量。根际酸性和碱性磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸盐反应比色法测定,根际羧酸盐含量通过将涮根的溶液过0.22 μm 水系滤膜后用Angilent 1200 高效液相色谱仪(Agilent Technologies,Waldbronn,Germany)测定,并根据已知标准品的保留时间和吸收光谱来鉴别羧酸盐的种类。

1.4 数据分析

试验数据均采用Microsoft Excel 2019 进行平均值和标准误的计算,所有试验数据用IBM SPSS Statistics 26 统计软件进行单因素(Duncan 法)和三因素的方差分析(Analysis of variance,ANOVA),以及Student’st检验。

2 结果与分析

2.1 接种根瘤菌、施磷及土壤酸碱性对间作大豆根瘤性状的影响

由表2 和图1 可知,磷处理与接种处理均显著影响2018 年及2019 年间作大豆根瘤数与根瘤干重(P＜0.05),土壤酸碱性显著影响2018 年大豆根瘤数及2019 年大豆根瘤数与根瘤干重(P＜0.01),磷处理、土壤酸碱性与接种处理对2019 年大豆根瘤数与根瘤干重(除2019 年土壤酸碱性与接种间互作)的影响存在显著的交互作用(P＜0.05)。

图1 不同根瘤菌接种处理、磷处理及土壤酸碱性对间作大豆根瘤性状的影响Fig.1 Effects of different rhizobial inoculation treatments,P treatments and soil pH on nodule traits of intercropped soybean

表2 磷处理(P)、土壤酸碱性(S)和接种处理(I)对大豆||玉米根瘤性状、植株干重与总氮磷吸收影响的三因素方差分析结果Table 2 Analysis of variance of the effects of phosphorus treatment (P),soil pH (S),inoculation treatment (I) and their interactions on soybean nodule traits,plant dry weight,and total N and P uptake of intercropped soybean and maize

从接种处理来看,三坪石灰性土壤上,施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆根瘤数与根瘤干重分别显著增加1.6 倍与1.1 倍;昌平石灰性土壤上,在不施磷条件下接种显著增加了大豆根瘤数,施磷条件下接种显著增加了大豆根瘤干重;翁源酸性土壤上,不施磷条件下接种显著增加了大豆根瘤数,施磷条件下接种显著增加了大豆根瘤数与根瘤干重;接种根瘤菌对宁西酸性土壤上根瘤性状影响不显著。从磷处理来看,无论是酸性还是石灰性土壤,施磷后接种根瘤菌的大豆根瘤性状均显著改善。从土壤来看,不施磷条件下,无论是否接种根瘤菌,三坪石灰性土壤上根瘤数与根瘤干重均高于宁西酸性土壤。同时,不施磷条件下,昌平石灰性土壤上接种根瘤菌的大豆根瘤数高于翁源酸性土壤;施磷条件下,昌平石灰性土壤上未接种/接种根瘤菌的大豆根瘤数以及未接种根瘤菌的大豆根瘤干重均高于翁源酸性土壤。

2.2 接种根瘤菌、施磷及土壤酸碱性对大豆||玉米植株干重的影响

由表2 和图2 可知,磷处理与土壤酸碱性均极显著影响2018 年与2019 年大豆/玉米植株干重(P＜0.001),接种处理显著影响2018 年大豆/玉米及2019 年大豆植株干重(P＜0.05)。

图2 不同接种处理、磷处理及土壤酸碱性对间作大豆||玉米植株干重的影响Fig.2 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on plant dry weight of intercropped soybean/maize

从接种处理来看,三坪石灰性土壤上,在不施磷和施磷条件下,与不接种根瘤菌相比,接种根瘤菌后大豆植株干重分别显著增加44.5%和48.9%;昌平石灰性土壤上,不施磷条件下,与不接种相比,大豆接种后其间作玉米植株干重显著增加49.8%,在施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆植株干重显著增加41.6%。而在酸性土壤上,接种根瘤菌对间作大豆和玉米植株干重没有显著影响。从磷处理来看,无论酸性还是石灰性土壤,施磷显著增加大豆/玉米植株干重(三坪石灰性土壤上未接种的大豆植株干重除外)。从土壤来看,不施磷条件下,三坪石灰性土壤上未接种/接种根瘤菌的大豆及其间作玉米植株干重均高于宁西酸性土壤;施磷条件下,三坪石灰性土壤上接种根瘤菌大豆及其间作玉米植株干重以及未接种的间作玉米植株干重均高于宁西酸性土壤。另外,不施磷条件下,昌平石灰性土壤上未接种/接种根瘤菌的大豆及其间作玉米植株干重均高于翁源酸性土壤;施磷条件下,昌平石灰性土壤上接种根瘤菌的大豆及其间作玉米植株干重及未接种的间作玉米植株干重均高于翁源酸性土壤。

2.3 接种根瘤菌、施磷及土壤酸碱性对大豆||玉米植株总吸氮量的影响

由表2 和图3 可知,磷处理与土壤酸碱性均极显著影响2018 年与2019 年大豆/玉米植株总吸氮量(P＜0.001),接种处理极显著影响2018 年与2019 年大豆植株总吸氮量(P＜0.001),磷处理、土壤酸碱性与接种处理对2019 年大豆植株总吸氮量的影响存在显著的交互作用(P＜0.01)。

图3 不同接种处理、磷处理及土壤酸碱性对间作大豆||玉米植株总吸氮量的影响Fig.3 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on total N uptake of intercropped soybean/maize

从接种处理来看,三坪石灰性土壤上,在不施磷和施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆植株总吸氮量显著增加117.0%和202.3%;昌平石灰性土壤上,施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆植株总吸氮量显著增加121.9%。宁西与翁源酸性土壤上,施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆植株总吸氮量也分别显著增加29.3%与80.2%。从磷处理来看,无论是酸性还是石灰性土壤,施磷后接种根瘤菌的大豆及其间作玉米总吸氮量均显著增加。从土壤来看,无论是否施用磷肥,三坪石灰性土壤上接种根瘤菌的大豆及其间作玉米植株总吸氮量以及未接种下间作玉米植株总吸氮量均高于宁西酸性土壤。另外,无论是否施用磷肥,昌平石灰性土壤上未接种/接种根瘤菌的大豆及其间作玉米植株总吸氮量均高于翁源酸性土壤。

2.4 接种根瘤菌、施磷及土壤酸碱性对大豆||玉米植株总吸磷量的影响

由表2 和图4 可知,磷处理与土壤酸碱性均极显著影响2018 年与2019 年大豆/玉米植株总吸磷量(P＜0.001),接种处理显著影响2018 年大豆/玉米与2019 年大豆植株总吸磷量(P＜0.05),磷处理、土壤酸碱性与接种处理对2018 年玉米及2019 年大豆植株总吸磷量的影响存在显著的交互作用(P＜0.05)。

图4 不同接种处理、磷处理及土壤酸碱性对间作大豆||玉米植株总吸磷量的影响Fig.4 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on total P uptake of intercropped soybean/maize

从接种处理来看,三坪石灰性土壤上,在不施磷和施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆植株总吸磷量分别显著增加48.6%和48.9%;昌平石灰性土壤上,施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆植株总吸磷量显著增加58.7%。而宁西酸性土壤上,施磷条件下,与不接种相比,大豆接种后与其间作的玉米植株总吸磷量反而显著降低25.4%。从磷处理来看,无论酸性还是石灰性土壤,施磷显著增加大豆/玉米植株总吸磷量。从土壤来看,不施磷条件下,三坪石灰性土壤上未接种/接种根瘤菌的大豆及其间作玉米植株总吸磷量均显著高于宁西酸性土壤;施磷条件下,三坪石灰性土壤上接种根瘤菌的大豆及其间作玉米植株总吸磷量以及未接种的间作玉米植株总吸磷量均高于宁西酸性土壤。另外,不施磷条件下,昌平石灰性土壤上未接种/接种根瘤菌的大豆及其间作玉米植株总吸磷量均高于翁源酸性土壤;施磷条件下,昌平石灰性土壤上接种根瘤菌的大豆及其间作玉米植株总吸磷量以及未接种的间作玉米植株总吸磷量也均高于翁源酸性土壤。

2.5 接种根瘤菌、施磷及土壤酸碱性对大豆||玉米根际pH 的影响

由图5 和表3 可知,磷处理显著影响2018 年玉米根际pH (P＜0.05),土壤酸碱性极显著影响2018 年与2019 年大豆/玉米根际pH (P＜0.001),接种处理显著影响2019 年玉米根际pH (P＜0.05),磷处理、土壤酸碱性与接种处理对2018 年玉米根际pH 的影响存在显著的交互作用(P＜0.01)。

表3 磷处理(P)、土壤酸碱性(S)和接种处理(I)对间作大豆||玉米根际指标影响的三因素方差分析结果Table 3 Analysis of variance of the effects of P treatment (P),soil pH (S),inoculation treatment (I) and their interactions on rhizosphere traits of intercropped soybean/maize

图5 不同接种处理、磷处理及土壤酸碱性对间作大豆||玉米根际土壤pH 的影响Fig.5 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on rhizosphere soil pH of intercropped soybean/maize

从接种处理来看,三坪石灰性土壤上,施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆根际pH 显著降低2.7%;而昌平石灰性土壤上,不施磷条件下,与不接种相比,接种后间作玉米根际pH 显著升高2.6%。从磷处理来看,三坪石灰性土壤上,施磷后接种根瘤菌的间作大豆和玉米根际pH 显著降低;昌平石灰性土壤上,与不施磷相比,施磷后与接种的根瘤菌大豆间作的玉米根际pH 显著降低;宁西酸性土壤上,与不施磷相比,施磷后未接种的间作玉米根际pH 也显著降低。从土壤来看,石灰性土壤上大豆/玉米根际pH均高于酸性土壤上。

2.6 接种根瘤菌、施磷及土壤酸碱性对大豆||玉米根际磷酸酶活性的影响

由表3 和图6 可知,磷处理显著影响2018 年玉米根际酸性、碱性磷酸酶活性及2019 年大豆/玉米根际碱性磷酸酶活性(P＜0.01),土壤酸碱性极显著影响2018 年玉米根际酸性、碱性磷酸酶活性及2019年大豆和玉米的根际酸性、碱性磷酸酶活性(P＜0.01),接种处理显著影响2018 年玉米根际碱性磷酸酶活性(P＜0.05),磷处理、土壤酸碱性与接种处理对2018 年玉米根际酸性、碱性磷酸酶活性和2019 年大豆根际碱性磷酸酶活性的影响存在显著的交互作用(P＜0.05)。

图6 不同接种处理、磷处理及土壤酸碱性对间作大豆||玉米根际酸性和碱性磷酸酶活性的影响Fig.6 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on acid and alkaline phosphatase activities of rhizosphere soil of intercropped soybean/maize

从接种处理来看,三坪石灰性土壤上,施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆根际酸性磷酸酶活性显著增加234.8%。昌平石灰性土壤上,不施磷条件下,与不接种相比,大豆接种后其间作玉米根际酸性磷酸酶活性显著降低51.9%;施磷条件下,与不接种相比,接种后大豆及其间作玉米根际碱性磷酸酶活性分别显著增加69.2%与80.1%。从土壤类型来看,同一施磷条件下,石灰性土壤上接种根瘤菌的大豆根际酸性磷酸酶活性均低于酸性土壤(施磷的三坪石灰性土壤除外);同时,不管是否施磷,石灰性土壤上间作玉米根际酸性磷酸酶活性均低于酸性土壤。另外,不施磷条件下,与三坪石灰性土壤相比,宁西酸性土壤上生长的间作玉米有较高的根际碱性磷酸酶活性;与昌平石灰性土壤相比,不管何种施磷条件下,翁源酸性土壤上生长的间作大豆和玉米根际碱性磷酸酶活性都较高。

2.7 接种根瘤菌、施磷及土壤酸碱性对大豆||玉米根际羧酸盐含量的影响

由表3 和图7 可知,磷处理显著影响2018 年和2019 年大豆/玉米根际羧酸盐含量(P＜0.05),土壤酸碱性极显著影响2018 年大豆/玉米根际羧酸盐含量(P＜0.001),显著影响2019 年玉米根际羧酸盐含量(P＜0.05)。

图7 不同接种处理、磷处理及土壤酸碱性对间作大豆||玉米根际羧酸盐含量的影响Fig.7 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on rhizosphere carboxylate content of intercropped soybean/maize

从磷处理来看,宁西与翁源酸性土壤上,施磷后接种根瘤菌的大豆及其间作玉米、未接种根瘤菌的大豆及其间作玉米根际羧酸盐含量显著降低(翁源土壤上未接种根瘤菌的大豆及其间作玉米除外);昌平石灰性土壤上,与不施磷相比,施磷后与接种根瘤菌的大豆间作的玉米及未接种的间作玉米根际羧酸盐含量均显著降低。从土壤来看,石灰性土壤上大豆和间作玉米根际羧酸盐含量不同程度的低于酸性土壤。然而,不同接种处理对大豆/玉米根际的羧酸含量均没有显著影响。

3 讨论

3.1 环境因素影响大豆结瘤固氮

大豆共生固氮是一个复杂的过程,受很多外界环境因素的影响,包括土壤养分、土著根瘤菌丰富度、非生物胁迫等因素。在田间条件下,影响根瘤菌接种成功的因素同样有很多,其中,土壤pH、氮磷有效性以及土著根瘤菌丰富度等是影响大豆结瘤较为重要的因素[9]。土壤pH 是结瘤成功最强的驱动力之一,适当的pH 条件有利于大豆结瘤[28];同时,土壤中氮和磷的有效性也是影响大豆结瘤成功的重要因素之一,土壤中较低的氮含量通常会刺激大豆结瘤,相反,低磷能够抑制大豆结瘤,高磷能够促进大豆结瘤[29-30];此外,研究也表明,根瘤菌接种的有效性会受土著根瘤菌数量影响。土壤中存在大量土著根瘤菌时,外接的根瘤菌会与土著根瘤菌形成竞争,影响接种效果[31]。

本研究中,与酸性土壤相比,石灰性土壤间作大豆接种根瘤菌后结瘤效果较好(图1),这可能是由于酸性土壤pH 与有效磷含量均较低造成的。土壤低pH 会限制根瘤菌的生长与繁殖,而磷生物有效性低会抑制根瘤的形成与发育,以及结瘤固氮[7]。同时,本研究发现,与不施磷相比,施磷后大豆根瘤数与根瘤干重均显著增加(图1),表明施磷能够促进大豆结瘤。此外,翁源酸性土壤上,在不接种根瘤菌时,大豆根瘤数与根瘤干重几乎为零;而在昌平石灰性土壤上,接种根瘤菌后根瘤数量无显著变化,但根瘤干重显著增加(图1)。这可能是由于翁源酸性土壤上土著根瘤菌较少,而昌平石灰性土壤上土著根瘤菌较为丰富,土著根瘤菌也能够结瘤,但具有活性的大根瘤数量不足,因此,接种根瘤菌能够进一步增加根瘤干重和植株氮含量,但根瘤数没有变化[32]。

3.2 土壤pH 和磷有效性是决定根瘤菌接种效果的主要因素

两年不同来源的酸性和石灰性土壤的试验结果表明,在酸性和石灰性土壤上接种根瘤菌对间作大豆、玉米生长影响的不同存在普遍性。被测试的4种土壤尽管存在一些本身属性上的差异,但共性的差异主要还是pH 和磷有效性不同。不施磷的三坪石灰性土壤,以及施磷的酸性和石灰性土壤上,与不接种根瘤菌相比,接种根瘤菌后间作大豆氮含量均显著增加(图3);但是只有在不施磷的三坪石灰性土壤,以及施磷的石灰性土壤上,接种根瘤菌后间作大豆植株总吸磷量才显著增加(图4),这表明只有在pH 高的石灰性土壤上接种根瘤菌才能强化根际过程,改善间作大豆磷营养状况,而酸性土壤上效果不明显。同时,从植株干重数据来看,同样只有在不施磷的三坪石灰性土壤上,以及施磷的三坪和昌平石灰性土壤上,接种根瘤菌后间作大豆植株干重才显著增加(图2),这表明只有氮磷协同增加才能促进作物生长[33]。

然而,在本研究中,在pH 不同土壤上,不同供磷条件下接种根瘤菌均没能促进间作玉米的生长及氮磷养分含量的增加,这与前人在间作系统中接种根瘤菌能够促进间作玉米生长及增加氮磷吸收的结果不一致[34-35],这可能是由于相比于前人60 d 和80 d的种植周期,本研究50 d 左右的试验周期较短,间作大豆共生固定的氮以及活化的磷促进间作玉米生长的效果尚未表现出来。此外,在施磷的宁西酸性土壤上,间作大豆接种根瘤菌后,与其间作的玉米植株总吸磷量反而显著降低(图4),可能是由于接种根瘤菌的大豆需要更多的磷用于结瘤固氮[36],导致与其间作的玉米根际有效磷含量降低造成的。

3.3 间作大豆接种根瘤菌能够通过改变根际过程促进磷吸收

根瘤菌接种能够通过改变植物根际过程,活化土壤中难溶性磷,进而提高植物对磷的吸收[37]。这主要是因为结瘤植物可以通过释放H+和羧酸盐来活化土壤中难溶性无机磷,通过根际磷酸酶活性的增加来矿化土壤中的有机磷[10-11,21]。本研究同样发现,三坪石灰性土壤上,施磷条件下,与不接种根瘤菌相比,接种根瘤菌后间作大豆根际pH 显著降低,根际酸性磷酸酶活性显著增加(图5,6);同时,昌平石灰性土壤上,施磷条件下,与不接种根瘤菌相比,接种根瘤菌后间作大豆根际碱性磷酸酶活性显著增加(图6)。石灰性土壤上接种根瘤菌导致根际过程的增强与间作大豆植株总吸磷量增加相一致,表明接种根瘤菌引起的根际过程的改变是间作大豆植株总吸磷量增加的主要原因,并且进一步促进了间作大豆的生长(图2,4)。此外,三坪石灰性土壤上,不施磷条件下,接种根瘤菌处理的间作大豆植株总吸磷量也显著增加,其原因有待于进一步研究。

4 结论

土壤pH 和磷有效性显著影响根瘤菌接种的效果。酸性土壤施磷条件下接种根瘤菌增加了间作大豆植株的总吸氮量;石灰性土壤接种根瘤菌能够通过协同改善氮磷营养状况促进间作大豆的生长。石灰性土壤接种根瘤菌促进磷活化吸收主要是由于增强了间作大豆的根际过程。