不同磷水平下间作对红壤团聚体及有效磷特征的影响

潘浩男，覃潇敏，肖靖秀，汤 利，郑 毅，2*

（1.云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201；2.云南开放大学，云南 昆明 650599）

磷是农田生态系统中至关重要的营养元素之一，其主要来源为土壤本身磷库和外源磷肥［1-2］。由于磷肥进入土壤后易被土壤吸附或固定成难溶性磷，因此磷肥的当季利用率仅有10%～25%［3］。目前施用磷肥仍是保障作物高产稳产的主要手段之一［4］。近年来，随着我国大量磷肥的施入，土壤有效磷含量也逐渐增加，但农业生产过程中过多的磷肥投入导致我国农田土壤磷整体盈余，且盈余程度仍在加剧［5-6］，造成资源浪费的同时也增加农业污染的环境风险［7］。研究磷肥施用量及种植模式对土壤有效磷的影响，对提高磷肥利用率有重要意义。

间作是在同一块土地上种植至少两种作物的种植模式，既能提高作物在田间尺度上的多样性，又能保持多种生态系统功能，如生态位互补促进水、光、热自然资源的有效利用［8］和控制作物病害等［9］。Li等［10］发现，蚕豆玉米间作，在低磷土壤上蚕豆通过根际酸化和提高磷酸酶活性，达到活化难溶性土壤磷的目的。王宇蕴等［11］和陈佰岩等［12］研究表明，蚕豆小麦间作的根际分泌物可以提高红壤有效磷的含量，且间作提高了小麦根际土壤有效磷养分的活化。这些现象表明合理的间作能够显著改善土壤磷素的供应效能。但目前间作对红壤磷素影响的研究大多针对根际土和土体土，而对土壤团聚体磷素影响的研究则鲜见报道。

土壤团聚体是土壤物理性质的重要组成部分，是衡量土壤质量和环境健康的重要指标［13］。土壤团聚体发育良好有助于根系的生长［14］、调节土壤水和气体的相互作用［15］、增加土壤抗侵蚀能力［16］。已有研究表明，种植制度可以改变土壤团聚体的含量和分布。Garland等［17］发现，玉米木豆间作，与单作玉米相比，间作处理的大团聚体和微团聚体的比例分别增加了52%和111%；王婷等［18］也证实，玉米大豆、玉米马铃薯间作相比玉米单作水稳性团聚体分别增加了6.19%、8.17%。目前土壤团聚体中碳、氮的规律已有大量研究，但不同施磷水平对土壤团聚体及有效磷影响的研究尚少。因此本文通过田间定位试验，在旱地红壤上研究不同磷水平下玉米大豆间作体系对土壤团聚体及有效磷的影响，为改善红壤农田团聚体结构和提高磷肥利用率及合理施用磷肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

该试验为连续定位试验，于2017年在昆明市官渡区小哨村云南农业职业技术学院（102°41′～103°03′ E、24°54′～25°13′ N，海拔2098 m）进行，该地区属于亚热带季风气候，土壤类型为红壤，定位试验建立时，供试土壤pH 4.53，有机质含量4.50 g/kg，硝态氮含量2.19 mg/kg，有效钾含量70.92 mg/kg，全磷含量0.194 g/kg，有效磷含量4.02 mg/kg，容重1.73 g/cm3。

2017年田间定位试验建立后，每年5月10日～6月10日播种，10月20日～11月10日收获。本研究基于2019年的田间试验开展。2019年6月为单作玉米及玉米大豆间作试验的第3年。供试的玉米品种为“云瑞-88号”，大豆品种为“开育12号”。

1.2 试验设计

试验采用两因素随机区组设计：4个磷水平、2种种植模式，共8个处理，每个处理重复3次，小区面积26 m2（6.5 m×4 m）。施磷水平设P2O5施 用 量0、60、90和120 kg/hm2，记 为P0、P60、P90、P120。种植方式包括单作玉米（MM）、玉米大豆间作（IM）。单作玉米，小区内共12行，行距50 cm，株距25 cm，每行15株；玉米大豆间作种植密度与单作玉米相同，均为2行玉米间2行大豆，大豆行距50 cm，株距25 cm，每行15株，每个间作小区里有6行玉米6行大豆。间作小区玉米大豆间作行距为50 cm。

试验用磷肥、氮肥、钾肥分别为过磷酸钙（P2O516%）、尿素（N 46%）、硫酸钾（K2O 52%）。不同水平磷肥和钾肥（用量K2O 75 kg/hm2）作为基肥，在玉米、大豆播种前一次性施入。玉米氮肥施入量为N 250 kg/hm2，分基肥、小喇叭口期追肥、大喇叭口期追肥3次施入，分别为100、62.5和87.5 kg/hm2；大豆氮肥施入量为N 100 kg/hm2，仅在基肥时一次性施用。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

2019年6月玉米、大豆同时播种，单作玉米在每行玉米与玉米中间取样，间作玉米在每行玉米与大豆中间取样。根据“S”形随机取样，在11月玉米收获后，每个地块用塑料盒（20 cm高×5 cm长×5 cm宽）采集5份原状土样，然后将这些样本混合在一起，获得一个均匀的样本进行测定。

1.3.2 样品测定

土壤团聚体：土壤样本在实验室中风干，任何可见的根、有机残留物和石头碎片都人工清除，将土壤样品沿着自然裂痕分割为1 cm3左右。称取过10 mm筛的风干土样100 g，土壤样品放入套筛中（从上到下筛孔的直径依次为2、1、0.25和0.053 mm），将套筛放入DIK-2012团聚体分析仪中，加水至淹没上层筛土壤2 cm，浸泡5 min后，上下振荡筛分15 min（频率为60次/min），然后收集各级网筛上以及桶中的团聚体于铝盒中，放入60℃的烘箱中烘干、称重，即分别获得粒径为＞2、1～2、0.25～1、0.053～0.25与＜0.053 mm的团聚体样本。各粒径土壤团聚体和原状土壤有效磷测定参考《土壤农化分析》中的碳酸氢钠法（Olsen法）［19］。

1.4 数据计算与分析

土壤水稳性团聚体计算：计算各粒级水稳性团聚体的质量分数Wi，i=1、2、3、4和5，分别对应＞2、1～2、0.25～1、0.053～0.25、＜0.053 mm粒径的团聚体［20］：

式中，Mi为筛后对应第i级团聚体的质量，MT为测定团聚体的总质量。

利用各粒级团聚体百分数含量计算水稳性团聚体平均质量直径（MWD）和＞0.25 mm水稳定性团聚体（WR＞0.25）含量公式［21-22］：

式中，Wi为该尺寸范围内土壤团聚体干重占总干重的百分含量；n为分样筛的数目；Xi为聚集在每一个尺寸筛子的平均直径（mm）；Mr为各粒径团聚体质量（g）；MT为团聚体总质量（g）。

利用Excel 2010对数据进行初步处理，利用SPSS 20.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 施磷量和间作对土壤团聚体结构的影响

由表1可知，磷水平和种植模式对＞0.25 mm水稳性团聚体和平均质量直径均有显著影响，而种植模式与磷水平的交互作用影响不明显。与单作玉米相比，间作种植显著增加了＞0.25 mm水稳性团聚体含量10.5%；平均质量直径显著增加了10.8%。与P0相比，在P90和P120处理下土壤中＞0.25 mm水稳性团聚体含量分别显著增加了17.1%和21.4%；在P60、P90和P120处理下平均质量直径分别增加了11.7%、20.2%和30.7%。这说明间作和施磷处理均有助于增加＞0.25 mm水稳性团聚体的含量，促使团聚体平均质量直径增大。

表1 不同处理对土壤团聚体结构特征的影响

通过对不同粒径湿筛团聚体质量分数的分析发现（表2），除1～2 mm粒径团聚体外，玉米大豆间作对各粒径团聚体比例都有显著影响。在＞2、0.25～1、0.053～0.25和＜0.053 mm粒 径 的团聚体中，间作玉米相比单作玉米分别显著提高了23.2%、8.1%、-9.9%和-10.2%。当施磷量不同时，间作对土壤团聚体分布的影响也有不同。在P60磷水平下，与单作玉米相比，间作显著增加了0.25～1 mm团聚体比例25.4%，显著降低了＜0.053 mm团聚体含量15.9%；在P90磷水平下，间作显著降低了＜0.053 mm团聚体含量19.3%。说明间作对于＞2 mm和0.25～1 mm团聚体的形成有明显的促进作用，且在P60磷水平下，对0.25～1 mm团聚体的形成有显著的促进作用。

表2 不同处理对土壤团聚体比例的影响 （%）

随着施磷水平增加，玉米单作和间作中＞2 mm团聚体含量逐渐增加，而＜0.053 mm团聚体含量基本上逐渐减少。与P0相比，在P60、P90和P120磷水平下，＞2 mm团聚体含量分别显著增加了32.8%、42.1%和87.6%；在P90和P120磷水平下，＜0.053mm团聚体比例分别显著减少了20.7%和32.4%。

2.2 施磷量和间作对土壤团聚体有效磷含量的影响

由表3可知，不同粒径团聚体有效磷含量由高到低的顺序依次为0.25～1、1～2、＜0.053、0.053～0.25、＞2 mm，平均有效磷含量最高4.41mg/kg，最低2.46 mg/kg。结果表明，除＞2 mm土壤团聚体外，供磷水平与种植模式间的交互作用对其他粒径团聚体中有效磷含量影响显著。对比单作玉米，间作显著提高了1～2和0.25～1 mm团聚体有效磷含量，分别为74.9%和72.8%，但其他粒径差异不显著。而在不同粒径团聚体中，玉米大豆间作及磷水平对不同粒径团聚体有效磷含量的影响也有不同。在1～2 mm土壤团聚体中，磷水平和种植模式及二者间交互作用对团聚体中有效磷含量有显著影响，在P0、P60、P90和P120磷水平下，间作玉米相比单作玉米土壤团聚体中有效磷含量分别显著增加了134.0%、111.1%、60.3%和44.1%；在0.25～1 mm土壤团聚体中，磷水平和种植模式及其交互作用对团聚体中有效磷含量有显著影响，在P0、P60和P90磷水平下，与单作玉米相比，间作玉米土壤团聚体有效磷含量分别显著增加了110.0%、102.3%和90.8%；在0.053～0.25和＜0.053 mm土壤团聚体中，磷水平与种植模式间交互作用对土壤团聚体中有效磷含量影响显著，但种植模式对团聚体有效磷含量无显著影响，在P60磷水平下，间作玉米土壤团聚体中有效磷含量分别增加了79.6%和114.2%。说明间作玉米有助于提高团聚体有效磷含量，尤其在1～2和0.25～1 mm土壤团聚体中最为明显。而在P60磷水平下，间作相比单作玉米各粒径团聚体有效磷含量均有增加，平均增幅为85%。

表3 不同粒径团聚体有效磷含量 （mg/kg）

随着施磷量增加，间作和单作玉米各粒径团聚体有效磷含量基本是先增加后减小，单作玉米在P90水平最大，而间作在＞0.25 mm团聚体中在P90水平最大，在＜0.25 mm团聚体中在P60水平最大。说明不同施磷条件下，种植模式不同，各粒径团聚体有效磷含量特征存在一定差异。

2.3 施磷量和间作对耕层土壤有效磷的影响

由图1可知，磷水平和间作对土壤有效磷有显著影响。在P60和P90水平下，间作较单作玉米土壤有效磷含量分别显著提高19.4%和14.4%；但在P120施磷量下，与玉米单作相比土壤有效磷含量降低了18.2%。随着施磷水平的增加，与P0水平相比，在P60、P90和P120水平下，单作玉米土壤有效磷含量分别增加了41.0%、99.6%和131.6%，间作土壤有效磷含量分别增加了60.2%、117.5%和80.3%。

图1 耕层土壤有效磷含量

2.4 耕层有效磷含量与团聚体有效磷含量相关性分析

在耕层土壤中，为了探究土壤有效磷含量与各粒径团聚体有效磷含量的关系，对＞2、1～2、0.25～1、0.053～0.25和＜0.053 mm团聚体有效磷与土壤有效磷之间进行相关性分析。从表4可以发现，各粒径团聚体有效磷含量与土壤有效磷含量均呈显著或极显著正相关关系（0.491～0.720）。为了验证相关性分析的结果，再将＞2 mm团聚体有效磷（X1）、1～2 mm团聚体有效磷（X2）、0.25～1 mm团聚体有效磷（X3）、0.053～0.25mm团聚体有效磷（X4）和＜0.053 mm团聚体有效磷（X5）与土壤有效磷含量（Y）进行逐步回归分析。结果显示，各粒径土壤团聚体有效磷含量与土壤有效磷含量之间表现出良好的相关关系（R2=0.795，P＜0.01），表明由多元线性回归分析建立的各粒径团聚体有效磷含量与土壤有效磷含量关系模型拟合度高，回归方程如下：Y=1.931+0.232X3+0.378X5，进一步说明0.25～1和＜0.053 mm团聚体有效磷对土壤有效磷影响最大。

表4 耕层土壤有效磷与各粒径团聚体有效磷相关性分析

3 讨论

大量研究表明，施肥和间作种植会直接或间接促进土壤团聚体的形成，改善土壤结构［17，23］。在玉米大豆间作模式中，间作可能通过改变玉米根系生理特征，增加玉米根系分泌总糖和总有机酸量，而这些根系分泌物为细小的土粒提供了良好的黏结剂，除此之外还可作为碳源供微生物利用，促进团聚体的形成。也有研究发现，间作能促进根系的发育，增大根长和根的表面积，在根系缠绕的作用下使团聚体更加稳定［24］。在本研究中，玉米大豆间作相比单作玉米显著提高了＞0.25 mm土壤水稳性团聚体和平均质量直径，这与前人在玉米大豆间作试验的研究结果相一致［18，24］。间作较单作玉米促进了＞2和0.25～1 mm团聚体的形成，减少了0.053～0.25和＜0.053 mm团聚体的比例，且在P60磷水平下，对0.25～1 mm团聚体的形成有明显的促进作用。可能是因为间作在较低的肥力水平下，拥有更高的资源利用优势，导致在低磷条件下间作效应更为明显［25］，也说明玉米大豆间作在磷水平较低的时候对改善土壤结构有着重要的意义。王经纬等［26］和柳开楼等［27］的研究发现，长期施磷肥能显著提高旱地红壤中＞1 mm土壤团聚体的含量，促进红壤微团聚体（0.053～0.25 mm）和粉黏粒组分（＜0.053 mm）向大粒级团聚体转化。这与本研究的结果基本一致，不同磷水平下，＞0.25 mm水稳性团聚体和平均质量直径均表现为随磷水平的升高而增大，且＞2 mm土壤团聚体比例显著增加，＜0.053 mm土壤团聚体比例显著减少。造成这个结果的原因可能是磷肥的施入增加了红壤中铝离子、铁离子与磷酸根的络合，其络合产物是团聚体形成的良好胶结物质，促进团聚体的形成［28］。但本研究条件下，玉米大豆间作和磷肥施用量的增加均改善了红壤团聚体结构，可二者对团聚体形成的贡献哪个更为主要仍需进一步研究。然而，不同磷水平下玉米大豆间作模式中，土壤团聚体结构的改变与团聚体中有效磷含量之间有怎样的关系，目前尚不清楚。

本研究结果表明，在有效磷含量低（4.02 mg/kg）的红壤试验地上，经过3年的定位试验，各粒径团聚体中有效磷含量受施磷水平和间作种植的影响。间作相比单作玉米，主要提高了0.25～1和1～2 mm团聚体中土壤有效磷含量，而在其他粒径团聚体中并无显著影响。首先，间作种植可提高团聚体有效磷含量，可能由于间作中根系分泌的有机酸能将固定性强的磷转化成可移动利用的磷，从而提高土壤有效磷含量；其次，土壤团聚体结构疏松更有利于透气，一方面加速磷的矿化，另一方面为微生物提供了更好的生长环境，从而促进磷素的转化和释放［29-30］。然而，间作虽促进了＞2 mm土壤团聚体的形成，但并没增加该粒径团聚体中有效磷含量，造成这个结果的原因可能与土壤磷在土壤中的吸附与解吸、沉淀与溶解及生物固定等转化过程密切相关［31］。本研究进一步发现，间作在P60和P90水平下，显著提高了耕层土壤有效磷的含量。经过各粒径团聚体有效磷含量与耕层土壤有效磷含量的多元线性回归分析发现，0.25～1和＜0.053 mm团聚体有效磷对土壤有效磷影响最大，说明间作可能通过提高0.25～1 mm团聚体中有效磷含量，达到提高耕层有效磷含量。但是玉米大豆间作究竟如何影响各粒径团聚体中有效磷含量，仍需进一步研究。翟龙波等［32］认为，磷肥施入能显著提高各粒径团聚体中有效磷含量。但本次研究发现，不同磷水平下，各粒径团聚体有效磷含量并没有随着施磷量的增加一直增加，而是先增加后减小。但玉米大豆间作在P120水平土壤有效磷有所下降，或许是因为在P120水平下可利用磷的转化受到抑制，又或许与土壤条件、种植模式不同有关，具体原因需进一步探讨。

4 结论

与单作玉米相比，玉米大豆间作有利于＞0.25 mm团聚体的形成和增大土壤平均质量直径，且显著提高了＞2 mm粒径团聚体在土壤中的比例。在P60与P90磷水平下，间作显著提高了耕层有效磷含量，且0.25～1和1～2 mm团聚体中有效磷含量分别提高了102.3%和90.8%与111.1%和60.3%。进一步研究发现，耕层土壤有效磷与各粒径土壤团聚体有效磷均呈显著或极显著正相关关系，其中0.25～1和＜0.053 mm团聚体有效磷对土壤有效磷影响最大，说明玉米大豆间作主要通过增加0.25～1 mm团聚体中有效磷来提高土壤的供磷能力。因此，玉米大豆间作具有提高磷素活化能力、维持耕层土壤有效磷含量的潜力。