根系分隔方式对间作玉米大豆根际红壤磷组分及磷吸收的影响

王瑞雪，冯 瑞，苏丽珍，郭旭光，郑 毅,2，汤 利*

(1.云南农业大学，云南 昆明 650201； 2.云南开放大学，云南 昆明 650233)

【研究意义】磷是植物必需营养元素之一，在农业土壤中常处于缺乏状态[1]。红壤中磷易被铁、铝固定，有效性较低，肥料利用率仅有10%[2]。过量施肥导致的农田土壤磷大量盈余，不仅造成资源浪费，还会对环境造成负担[3-4]。因此，研究红壤中磷组分的变化及其有效性对提高红壤磷的高效利用及合理施肥十分必要。【前人研究进展】Hedley磷分级方法是目前公认的能够合理评估磷库及各磷形态的一种分级方法[5]。该方法中，土壤有机磷和无机磷被分为活性、中活性和稳定性。氢氧化钠提取的无机磷被认为是与铁、铝结合的中有效性磷；酸浸提的无机磷被认为是原生矿物磷库，有效性较低[6-7]。碳酸氢钠提取的有机磷和氢氧化钠提取的有机磷分别认为是活性和中活性有机磷。用浓酸提取或消化的磷形态被认为是闭蓄态磷，包括难利用的无机磷和稳定性有机磷[6]。目前，有关土壤磷形态的研究主要集中在蒋柏藩、顾益初提出的无机磷形态分级，鲜见利用Hedley磷分级方法研究红壤中磷组分变化的报道。【本研究切入点】间作是一种具有提高养分资源利用效率、增产稳产的多样性种植模式。豆科/禾本科间作模式在磷吸收方面的种间促进作用已在玉米/花生[8]、玉米/大豆[9]、小麦/蚕豆[10]等体系得到验证。间作通过改变根系形态、分泌有机酸、改变土壤磷酸酶活性及微生物群落结构等[11-13]，提高作物对磷的吸收及土壤磷有效性。覃潇敏等的研究发现，玉米大豆间作可通过活化Fe-P、Ca-P 和 O-P来提高间作系统的磷吸收量。目前，对土壤中Hedley磷形态变化的研究主要集中在施用有机肥[14]、长期施氮肥[15]及不同磷肥形态[16]等方面，但间作对红壤Hedley磷组分变化及其有效性的影响尚不清楚。【拟解决的关键问题】本研究以普遍种植的玉米/大豆间作模式为研究对象，利用不同根系分隔方式，研究不同磷水平下玉米和大豆生物量、磷吸收量及土壤Hedley磷组分的变化，通过冗余分析及随机森林模型，定量化玉米和大豆根际土壤磷组分对间作系统磷吸收优势的相对贡献，为间作模式磷高效利用机制的阐明提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年7—9月在云南农业大学后山温室大棚进行，温室内温度为24～35 ℃、光照时间为12～14 h、湿度约60%～75%。供试土壤为山原旱地红壤，取自云南昆明市官渡区小哨村，土壤pH为5.46，速效磷含量5.52 mg/kg，全磷含量0.669 g/kg，有机质 7.58 g/kg，碱解氮 31.60 mg/kg，速效钾 140.70 mg/kg。

1.2 试验设计

供试作物为“云瑞88”号玉米(ZeamaysL.)和“滇豆13”号大豆 [Glycinemax(Linn.) Merr.]，由云南省农业科学院提供。

试验设置3种根系分隔方式和5个施磷水平两因素试验，根系分隔方式为玉米/大豆根系塑料分隔(SB，根系之间无水分、养分交互)、玉米/大豆根系尼龙网分隔(MB，根系无直接接触，但有水分、养分传递)、玉米/大豆根系无分隔(NB，根系存在交互作用)；施磷水平设为不施磷(P0， P2O50 mg/kg土)、低磷水平(P1， P2O550 mg/kg土)、中等磷水平(P2，P2O5100 mg/kg土)、磷充足水平(P3， P2O5150 mg/kg土)、高磷水平(P4， P2O5200 mg/kg土)，每处理3次重复，每盆玉米、大豆各种植2株。在玉米抽雄期、大豆开花—结荚期采样。

每盆10 kg 土，氮肥用量为N 200 mg/kg土，钾肥用量为K2O 200 mg/kg 土，100%磷肥和钾肥作为基肥一次性施入土壤，氮肥50%作为基肥，50%作为追肥在玉米拔节期施入玉米一侧。氮磷钾肥分别使用尿素(N 46%)、普通过磷酸钙(P2O514%)、硫酸钾(K2SO452%)。所有盆栽保持一致管理，按需浇水并及时人工除草。

1.3 样品采集与测定

采样时将玉米和大豆沿基部剪下，将盆倒扣，用“抖土法”取根际土壤，将根系取出、洗净，植株地上部和根系于105 ℃烘箱杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，称重。植株磷含量采用浓硫酸—过氧化氢消煮、钒钼酸铵比色法，土壤磷分级采用Hedley磷分级连续浸提法[7]。活性磷组分包括Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po,中活性磷组分包括NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi，稳定性磷组分包括Con.HCl-Pi、Con.HCl-Po、Con.H2SO4-Pi。

1.4 数据整理与分析

数据整理采用软件Microsoft Excel 2007，方差分析采用软件SPSS 17.0单因素ANOVA(LSD和DUNCUN)，柱状图及方差分析采用软件graphpad 8.0.1进行，冗余分析采用软件Canoco 5.0进行，并使用R语言中随机森林模型计算相对贡献率及显著性[17]。同时按下列各式计算变量：

植株磷吸收量=磷浓度×干物质量

系统生物量土地当量比(LER)=YMBM/NBM/YSBM+YMBS/NBS/YSBS，其中YMBM/NBM表示尼龙网分隔或根系不分隔的玉米干物质量，YSBM表示塑料分隔玉米干物质量，YMBS/NBS表示尼龙网分隔或根系不分隔大豆干物质量，YSBS表示塑料分隔大豆干物质量。LER>1表明具有间作优势。

系统磷吸收量土地当量比(LERp)=PMBM/NBM/PSBM+PMBS/NBS/PSBS，其中PMBM/NBM表示尼龙网分隔或根系不分隔玉米磷吸收量，PSBM表示塑料分隔玉米磷吸收量，PMBS/NBS表示尼龙网分隔或根系不分隔大豆磷吸收量，PSBS表示塑料分隔大豆磷吸收量。LERp>1表明间作系统具有磷吸收优势。

磷吸收间作优势=间作系统磷吸收量-(单作玉米磷吸收量×间作玉米比例+单作大豆磷吸收量×间作大豆玉米比例)，本研究中间作玉米和大豆比例均为0.5。

2 结果与分析

2.1 根系分隔方式对间作玉米大豆生物量的影响

由表1可知，相比SB，MB和NB显著提高了间作玉米的地上部生物量和根系生物量。相比SB，NB玉米地上部和根系分别增加62.0%和84.7%。大豆地上部和根系生物量随施磷水平增加呈先增加后降低的变化趋势，地上部生物量在P1水平达到最大。除P3磷水平外， NB处理的系统生物量LER均显著高于MB，且NB和MB处理LER随施磷水平增加呈先增加后降低的趋势，在P2水平达到最大值。

2.2 根系分隔方式对间作玉米大豆磷吸收量的影响

由表2可知，除P0和P4磷水平外，MB和NB分隔的玉米磷吸收量均显著高于SB，各处理磷吸收量随施磷水平增加呈先上升后下降的趋势，磷吸收高峰值在P3水平，P4降低了玉米磷吸收量。大豆磷吸收量变化规律与玉米类似，在P0和P4水平下NB处理与SB处理间无显著差异，磷吸收量随磷水平增加而先增加后下降，在P1水平达到磷吸收量高峰值。系统磷吸收量LERp在P1和P2水平，NB处理显著高于MB处理，且随施磷水平增加呈先增加后下降趋势。可见，相比SB，低磷和中等磷水平下NB处理可提高作物磷吸收量。

表1 根系分隔方式对间作玉米大豆生物量的影响

表2 根系分隔方式对间作玉米大豆磷吸收量的影响

图1 施磷水平和根系分隔方式对间作系统磷吸收优势的影响Fig.1 Effects of phosphorus application level and root barrier mode on phosphorus absorption advantage in intercropping system

由图1可知，除P3水平外， NB处理的系统磷吸收优势高于MB处理，在各磷水平分别增加7.7%、58.2%、21.8%、62.15，在P1和P4水平达到显著差异(P<0.05)。系统磷吸收优势随施磷水平增加呈先上升后下降的趋势，在P3水平达到最大。

2.3 根系分隔方式对间作玉米大豆根际土壤磷组分的影响

由图2可知，施磷后MB处理和NB处理的玉米根际土壤活性磷组分高于SB处理，而大豆根际土壤活性磷组分低于SB处理，各根系分隔处理的活性磷组分随施磷水平增加而增加。中活性磷组分变化趋势与活性磷组分相近，玉米NB处理的中活性磷组分含量低于SB处理。大豆NB处理的中活性磷组分含量相比SB处理平均降低11.57%。土壤中活性磷组分含量随磷水平增加有增加的趋势。稳定性磷组分含量在玉米和大豆不同根系分隔方式中均无显著差异，玉米根际土壤稳定性磷组分随施磷水平有增加趋势，大豆则无明显规律。

由图3可知，相比SB处理，NB处理提高了玉米根际土壤活性无机磷组分含量，施磷后根系不分隔降低了大豆根际土壤活性无机磷组分含量。玉米P2和P3磷水平、大豆P0和P3磷水平下，中活性无机磷组分在NB处理与SB处理之间差异显著。活性有机磷、中活性有机磷组分与对应无机磷组分变化规律接近。

2.4 根际土壤磷形态与土壤速效磷、作物磷吸收及生物量的关系

由图4可知，玉米生物量和磷吸收量与Con.H2SO4-Pi夹角最小，关系最为相关。玉米根际土壤速效磷含量与NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和Con.HCl-Pi夹角最小。磷组分可解释99.25%的累积变量，蒙特卡洛排列检验发现，NaHCO3-Pi是玉米根际土壤速效磷含量和玉米磷吸收量、生物量变化的主要因素(可解释49.5%)，其次是NaOH-Pi(可解释4.8%)。与大豆磷吸收量和生物量夹角最小的是Con.H2SO4-Pi和HCl-Pi。大豆根际土壤速效磷含量与NaHCO3-Po和NaOH-Pi、NaOH-Po夹角最小，相关关系最大。磷组分可解释97.00%的累积变量，其中对磷有效性和磷吸收量及大豆生物量影响最大的因素是NaHCO3-Pi(可解释27.2%)，其次是HCl-Pi(可解释12.3%)。

2.5 土壤磷组分对系统磷吸收优势的相对贡献

由图5可知，大豆和玉米根际中活性磷组分对间作系统磷吸收的相对贡献最大。大豆根际土壤中活性磷组分和玉米根际土壤稳定性磷组分对玉米大豆间作系统磷吸收优势的贡献达到极显著水平(P<0.01)，分别为14.65%和10.44%。玉米根际土壤中活性磷组分、大豆活性磷组分对间作系统磷吸收优势的贡献分别为10.52%、8.41%，达到显著水平(P<0.05)。大豆根际稳定性磷组分和玉米根际活性磷组分对间作系统磷吸收优势的贡献分别为8.63%、6.71%。

不同小写字母表示同一磷水平下不同根系分隔方式之间差异显著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters indicated significant difference between different root barrier modes at the same P level (P< 0.05).The same as below图2 施磷水平和根系分隔方式对间作玉米大豆根际土壤磷组分的影响Fig.2 Effects of phosphorus application level and root barrier mode on soil P fractions in rhizosphere of intercropping maize and soybean

图3 根系分隔方式对间作玉米大豆根际土壤无机磷和有机磷组分的影响Fig.3 Effects of root barrier mode on inorganic phosphorus and organic phosphorus fractions in rhizosphere soil of intercropping maize and soybean

3 讨 论

相比塑料分隔，根系不分隔处理能够显著增加玉米和大豆的生物量及磷吸收量。与覃潇敏、张梦瑶等的研究结果一致[9-10]。不分隔大豆生物量在P2O550、100 mg/kg 水平下显著高于塑料分隔，但在P2O5150、200 mg/kg磷水平下与尼龙网分隔、塑料分隔相比有降低趋势但无显著差异。因此，相比玉米，大豆生物量受到种间促进作用的影响更符合胁迫梯度假说[18]。这可能是由于在养分充足时玉米的相对竞争力大于大豆所致[9]。系统生物量LER在P2O5100 mg/kg水平达到最大，此时不分隔和尼龙网处理分别为1.79和1.54，表明中等磷水平有提高间作体系作物生物量的潜力。尼龙网分隔生物量相比塑料分隔有不同程度的提高，这可能是由于尼龙网分隔玉米和大豆共享了土壤微环境，提高了对土壤养分的利用效率[19]。

P absorp：磷吸收量；Biomass：生物量：Resin-Pi;树脂无机磷；NaHCO3-Po：碳酸氢钠浸提有机磷；NaHCO3-Pi：碳酸氢钠浸提无机磷；NaOH-Po：氢氧化钠浸提有机磷；NaOH-Pi：氢氧化钠浸提无机磷；HCl-Pi：稀盐酸浸提无机磷；Con.H2SO4-Pi：浓硫酸浸提无机磷；Con.HCl-Pi：浓盐酸浸提无机磷；Con.HCl-Po：浓盐酸浸提有机磷 P adsorp: P uptake; Biomass: Crop Biomass; Resin-Pi: Inorganic P exchanged by resin; NaHCO3-Po: Organic P extracted by sodium bicarbonate; NaHCO3-Pi: Inorganic P extracted by sodium bicarbonate.NaOH-Po: Organic P extracted by sodium hydroxide; NaOH-Pi: Inorganic P extracted by sodium hydroxide; HCl-Pi: Inorganic P extracted by dilute hydrochloric acid; Con.H2SO4-Pi: Inorganic P extracted by concentrated sulfuric acid; Con.HCl-Pi: Inorganic P extracted by concentrated hydrochloric acid; Con.HCl-Po: Organic P extracted by concentrated hydrochloric acid图4 土壤磷组分与土壤速效磷和作物磷吸收量、生物量的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of phosphorus fractions with soil available P and crop phosphorus uptake and biomass

**和*分别表示该指标对间作系统磷吸收优势的影响达到极显著水平(P<0.01)和显著水平(P<0.05)，ns表示影响不显著。S：大豆；M：玉米；labile P：活性磷组分；moderate P ：中活性磷组分；nonlabile：非活性磷组分 ** and * indicated that the influence of this index on P absorption advantage of intercropping system reached extremely significant level (P< 0.01) and significant level (P< 0.05),ns indicates insignificant influence.S: Soybean; M:,Maize; Labile P: Active phosphorus component; moderate P: Intermediate labile P component; nonlabile: Inactive P component图5 间作玉米大豆根际土壤磷组分对系统磷吸收优势的相对贡献率Fig.5 The relative contribution rate of soil phosphorus fractions in rhizosphere of intercropping maize and soybean to advances of systematic phosphorus uptake

根系不分隔玉米和大豆磷吸收量在P2O50 mg/kg和P2O5200 mg/kg水平下与塑料分隔无显著差异，不分隔大豆磷吸收量在P2O550 mg/kg水平达到最大，而后随磷水平增加呈下降趋势。说明根系不分隔具有减少磷肥施用、维持生物量与磷吸收量的潜力。间作系统磷吸收优势在P2O5150 mg/kg水平达到最大，表明在磷充足水平范围内，施磷能提高系统磷吸收优势，但高磷水平则会降低该优势。这可能与过量施磷导致作物养分吸收不平衡有关，适量施磷可提高作物磷肥利用效率[20]。

已有研究表明，豆科—禾本科间作可利用二者较大的根际过程差异，显著提高根际磷有效性及土壤磷的循环[20]。但关于豆科—禾本科间作对根际土壤有机磷和无机磷组分的影响研究尚不清楚。本研究中，根系不分隔处理的玉米根际土壤活性磷组分高于塑料分隔处理，而大豆的则在施磷后低于塑料分隔处理，这与一般认为的间作豆科作物活化土壤磷为禾本科提供有效磷的观点相似[22]。相比玉米，施磷后大豆活性磷组分各处理差异显著，表明其对根系互作的反应更敏感。大豆中活性磷组分各处理间差异显著(P<0.05)，表明大豆在根系互作中对中活性磷组分的利用能力相比玉米更强。中活性磷组分主要是与铁、铝结合形成的磷形态[23]。有研究表明，大豆对铁、铝结合的无机磷的利用强于玉米[9]，这可能是导致大豆在根系不分隔处理中中活性磷组分降低的原因之一。稳定性磷组分难以被植物利用，因此在本研究中玉米和大豆各处理间均无显著变化，Mahmood等人[15]的长期研究与该结论不一致，可能与本研究期限有关，未来还应进一步进行长期定位试验研究。

大豆根际土壤活性无机磷和有机磷组分在根系不分隔处理中低于塑料分隔，可能是由于根系互作提高了作物磷吸收量导致土壤活性无机磷含量降低，同时根系互作促使根系和微生物分泌磷酸酶，提高了对活性有机磷的矿化和利用[24]。不分隔玉米根际土壤活性无机磷相比塑料分隔和尼龙网分隔提高，这可能是由于豆科的活化作用提高了禾本科根际土壤磷的有效性，加之玉米根际土壤中磷有效性的提高大于植物吸收养分导致的耗竭[25]。同时，由于玉米根际微生物分泌的磷酸酶及根系凋落物量较大，难利用磷组分促进磷酸酶活性增加从而促进有机磷矿化提高土壤磷有效性和作物磷吸收[26]。中活性无机磷和中活性有机磷的变化与之相似，但变化仅在P2O50 mg/kg和P2O5150 mg/kg水平达显著差异。这与植物利用活性磷组分和中活性磷组分的难易程度有关，中活性磷组分只有在严重缺磷条件下才作为活性磷的补充[27]。

NaHCO3-Pi是影响玉米和大豆根际土壤速效磷含量、磷吸收与生物量的主要因素，但对大豆的解释量小于玉米。一般认为，豆科分泌有机酸活化无机磷从而提高禾本科对磷的利用[28]，本研究中可能是因为大豆活化了与钙结合的HCl-Pi从而减小了NaHCO3-Pi对大豆磷有效性的解释量。大豆和玉米根际土壤中活性磷组分是对间作系统磷吸收优势贡献最大的因素，这与覃潇敏等在玉米大豆间作改变无机磷形态研究中的结果近似[9]。植物可通过分泌低分子量有机酸、磷酸酶等利用土壤中活性磷组分[29]。大豆分泌物促进根际土壤中活性无机磷(HCl-Pi)向活性无机磷(NaHCO3-Pi)转化可能是提高大豆根际土壤磷有效性的主要原因。

4 结 论

根系不分隔处理玉米大豆间作在生物量和磷吸收量均有优势，生物量LER和磷吸收LERp与系统磷吸收优势均随施磷水平的提高呈现先增加后下降。相比塑料分隔，根系不分隔可提高玉米根际土壤活性磷组分及活性无机磷组分含量，降低大豆根际土壤活性磷组分和中活性磷组分含量，降低大豆活性和中活性无机磷、活性和中活性有机磷含量。影响玉米和大豆根际土壤速效磷含量及植株生物量、磷吸收量的主要因素是NaHCO3-Pi。大豆和玉米根际土壤中活性磷组分对间作系统磷吸收优势的贡献最大。