玉米与大豆间作土壤生物学活性对磷有效性影响的定量解析*

王瑞雪,苏丽珍,张连娅,王思睿,王 景,肖靖秀,郑 毅,2,汤 利**

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

磷在农业生态系统中被认为是影响作物生长的主要限制养分。粮食作物磷素当季利用率通常在10%～25%,但我国南方酸性红壤因含量较高的铁、铝等对肥料磷的固定作用,导致磷肥利用率仅有10%。过度施用磷肥不仅会加剧不可再生的磷矿资源耗竭,还会造成农田土壤大量的磷盈余。因此,挖掘作物高效利用养分潜力对减少磷肥浪费、提高土壤磷资源利用效率十分必要。

研究表明,豆科(Leguminosae)||禾本科(Poaceae)作物间作可通过改变微生物量、磷酸酶活性、根际土壤pH、微生物群落结构等提高植物根际磷有效性和作物磷吸收量。间作促进作物磷吸收的机制报道主要集中在根系诱导的直接方式和微生物调控的间接途径。合理间作较单作可多吸收23%的磷,根系形态改变促进豆科||禾本科作物间作磷吸收的贡献也有初步的量化,但有关间作提高红壤磷有效性尚缺乏定量分析。

现有研究表明,微生物对红壤中养分循环、转化影响重大。作物和土壤严重缺磷时,微生物量磷可分解释放无机磷供植物利用,而土壤供磷充足时,微生物则能够以自身同化的形式储存磷,以备植物再利用。长期来看,所有微生物磷都有被植物利用的潜力。因此,红壤中微生物量磷应作为了解土壤供磷能力的重要指标,但间作模式下红壤中微生物量磷与作物磷吸收之间的关系研究鲜见报道。土壤全磷中10%～15%以有机磷形态存在,植物、微生物对有机磷的利用均需要磷酸酶的水解作用,而磷酸酶活性与微生物量碳密切相关。但以往研究集中在红壤磷素有效性与土壤因素之间的简单关系,其中的耦合依存关系研究较少,且玉米 (L.)||大豆(L.)间作体系对红壤磷有效性的具体影响尚不明确。因此,明确微生物量碳与磷酸酶活性的关系有利于阐释间作提高磷有效性的机制。本文以普遍种植的玉米||大豆间作系统为研究对象,分析了4年田间定位试验中2017年和2020年两年的结果,研究间作对红壤玉米根际磷有效性的影响,并利用回归分析、冗余分析与结构方程模型,定量解析微生物量碳、微生物量磷及磷酸酶活性提高红壤磷有效性的机制,为准确理解微生物量与磷酸酶在间作提高红壤磷有效性中的作用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于云南省昆明市官渡区小哨村(24°54′N、102°41′E),土壤类型为山原红壤,土壤有机质含量为4.50 g·kg,速效磷含量4.02 mg·kg,全磷含量0.194 g·kg,Hedley磷分级中离子交换树脂态无机磷(Resin-Pi)4.72 mg·kg,碳酸氢钠浸提无机磷(NaHCO-Pi)18.53 mg·kg,碳酸氢钠浸提有机磷(NaHCO-Po)11.23 mg·kg,氢氧化钠浸提无机磷(NaOH-Pi)25.24 mg·kg,氢氧化钠浸提有机磷 (Na-OH-Po)16.62 mg·kg,稀盐酸浸提无机磷(Dil.HCl-Pi)9.93 mg·kg,浓盐酸浸提有机磷(Con.HCl-Po)25.00 mg·kg,残渣态磷(Residual-P)75.33 mg·kg。硝态氮含量2.19 mg·kg,土壤pH为4.53,土壤容重1.36 g·cm。试验前未种植农作物。田间定位试验开始于2017年5月,本研究使用2017年和2020年每年5-10月的田间试验结果。

1.2 试验设计

采用裂区试验,田间随机区组分布。主处理为种植模式,副处理为施磷水平。种植模式包括玉米单作、玉米||大豆间作; 施磷水平包括0 kg(PO)·hm(P0)、60 kg(PO)·hm(P60)、90 kg(PO)·hm(P90)、120 kg(PO)·hm(P120)。各处理3次重复,共24个小区,每个小区26 m(4 m×6.5 m),小区间过道20 cm宽。单作玉米行距50 cm、株距25 cm,每小区12行,每行种15株,作物距小区边缘25 cm。间作玉米和大豆行距均为50 cm,2行大豆和2行玉米间作,玉米株距25 cm,每行种15株,距边25 cm,大豆株距25 cm,每行种10株。

供试玉米为‘云瑞88’,大豆品种为‘开育12’,肥料为尿素、普通过磷酸钙和硫酸钾。玉米氮肥和钾肥为当地常规用量。玉米氮肥用量为 250 kg(N)·hm,其中基肥40%,小喇叭口期25%,大喇叭口期35%。大豆氮肥用量与玉米基肥相同,无追肥。钾肥用量为75 kg(KO)·hm,磷肥和钾肥作为基肥施用。2017年和2018年玉米小喇叭口期之前每周灌溉一次,每次每小区约30 L水,大喇叭口期之后田间灌溉方式主要为降雨,试验期间降雨情况如图1所示。各处理定期进行人工除草等,其他田间管理措施保持一致。

图1 2017年和2020年试验期间月降雨量Fig.1 Monthly rainfall during the experiment periods in 2017 and 2020

1.3 样品采集与分析

在玉米转入生殖生长的抽雄期(此时根系互作最大)进行采样,每小区随机选取5株长势均一、非边缘行玉米的根际土并混合为一个样品,共计24个样品。采样时将玉米的整个根系从土壤中挖出,用抖土法将根系周围松散土壤去除,而后将根系紧密结合的土壤刷下收集作为根际土壤样品,每小区土样分别取2份装在自封袋中:一份风干后过1 mm土筛,用作常规指标测定; 另一份新鲜土壤样品采集后冰袋保存并在实验室4 ℃存放,于3 d内测定土壤微生物量碳、微生物量磷含量及土壤磷酸酶活性。地上部植株105 ℃杀青30 min,75 ℃烘至恒重后称取干物质量,用于植株磷含量测定。

土壤速效磷测定采用NaHCO浸提-钼锑抗比色法,植株磷测定采用浓HSO-HO消煮-钒钼黄比色法。微生物量碳、微生物量磷测定采用氯仿熏蒸法,其中微生物量碳熏蒸后用0.5 mol·LKSO浸提并过滤,上TOC仪(安捷伦multi-N/C 2100,德国)测定,微生物量磷熏蒸后用碳酸氢钠浸提,使用钼锑抗比色法测定。土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶采用苏州格锐思生物公司(www.geruisi-bio.com)提供的试剂盒按操作步骤在终止反应后上酶标仪测定。

1.4 数据分析

数据整理用Excel,柱状图制作和显著性分析(多重比较与检验)使用Graphpad 8.0,施磷水平和种植模式的交互效应使用SPSS 17.0,回归分析使用Origin 9.5分析并制图,冗余分析使用Canoco 5.0进行,结构方程使用Amos 17.0 进行拟合,调整自由度、卡方差、与卡方差相关的水平至全部路径显著,且最适的不可否决模型,剔除所有不显著参数后,得到最优拟合和最精简的模型,=11.061,=0.438,GFI=0.888,RMSEA=0.016。

2 结果与分析

2.1 间作对玉米磷吸收土地当量比的影响

由图2可知,2020年玉米干物质量土地当量比(LER)随施磷水平增加而降低,其中P0处理比P120处理提高51%,差异达显著水平(＜0.05)。2017年玉米干物质量土地当量比随施磷量增加有下降趋势,LER值在1.01到1.21之间变化。除P120处理外,2020年各处理干物质量LER相比2017年平均增加22%。2017年磷吸收量土地当量比(LERp)在P120处理下有降低趋势,2020年LERp值在1.16到1.44之间变化,相比2017年LERp值增幅为4%～17%,说明LERp受间作年限影响有所提高,但各磷水平之间均无显著差异,因此磷吸收间作优势不受磷水平影响。LERp总体大于1 (除2017年P120处理),表明低磷水平仍具有维持磷吸收间作优势的能力。

图2 2017年和2020年不同施磷水平对玉米||大豆间作系统土地当量比的影响Fig.2 Effects of P application levels on land equivalent ratio of maize/soybean intercropping system in 2017 and 2020

2.2 间作对玉米根际土壤速效磷含量的影响

玉米根际速效磷含量随施磷水平增加而显著提高,但P90与P120根际土壤速效磷含量在同一种植模式间无显著差异(图3),表明无论单、间作模式,增施过量磷肥不会提高根际土壤磷有效性。相比单作,2017年间作提高了根际土壤速效磷含量,在P120处理达到显著差异(＜0.05)。2020年各磷水平下,间作均显著提高根际土壤速效磷含量(＜0.05),提高幅度为24%～103%。这表明间作和施磷在肥力较低的红壤中对根际磷有效性的改变受种植年限的影响。

2.3 间作和施磷水平对土壤磷有效性的交互作用

结合图2和图3,并由表1可知,施磷水平和种植模式对玉米干物质量、磷吸收量和根际土壤速效磷含量均有显著提高作用(＜0.05),且二者对玉米干物质量和磷吸收量有显著交互效应(表1)。种植模式对土壤速效磷含量的提高作用由2017年的显著水平(＜0.05)变化为2020年的极显著水平(＜0.01),表明间作对根际土壤磷有效性的影响受种植年限影响。施磷水平和种植模式对土壤速效磷含量无显著交互作用,说明存在其他影响土壤速效磷含量的因素。

表1 2017年和2020年施磷水平和种植模式对玉米干物质量、磷吸收量和根际土壤速效磷含量的影响Table 1 Effects of P application level and cropping pattern on dry biomass,P uptake and available P content in rhizosphere soil of maize in 2017 and 2020

图3 2017年和2020年不同施磷水平及与大豆间作对玉米根际土壤速效磷含量的影响Fig.3 Effects of P application levels and intercropping with soybean on available P content in maize rhizosphere soil in 2017 and 2020

2.4 间作影响红壤磷有效性的主要因素分析

回归分析表明(图4,图5),除2020年单作外,单、间作模式下,玉米磷吸收量与根际土壤速效磷含量和微生物量磷含量之间均呈极显著线性关系(＜0.01)。单作模式下,2020年磷吸收量与速效磷含量线性关系的斜率相比2017年降低(由4.73降低到4.42); 间作模式下,二者线性关系的斜率由2017年的4.12增加到2020年的4.44 (图4)。单作模式,磷吸收量与微生物量磷之间的线性斜率由2017年的19.68降低到2020年的7.16,间作模式则由13.72上升到17.78 (图5)。磷吸收量与微生物量磷之间线性关系的斜率变化相比速效磷与磷吸收之间线性关系的斜率变化更大。

图4 2017年和2020年单作(M)及与大豆间作(I)玉米磷吸收量与根际土壤速效磷含量的回归分析Fig.4 Regression analysis of P uptake and available P content in rhizosphere soil of monocropped maize (M)and maize intercropped with soybean (I)in 2017 and 2020

图5 2017年和2020年单作(M)及与大豆间作(I)玉米磷吸收量与根际土壤微生物量磷的回归分析Fig.5 Regression analysis of P uptake and rhizosphere soil microbial biomass P of monocropped maize (M)and maize intercropped with soybean (I)in 2017 and 2020

2.5 间作提高红壤磷有效性的定量解析

根据RDA分析结果(图6),相比单作,间作模式下微生物量(MBC和MBP)、磷酸酶活性(ACP和ALP)与磷吸收之间的角度变小,说明间作增加微生物量和磷酸酶活性对磷吸收呈正相关影响。单作模式中,环境变量可解释96.6%的累积变量。由蒙特卡洛排列检验得知,速效磷含量是磷吸收量变化的主要因素(可解释37.6%),其次是微生物量碳(解释量为10.0%)。间作模式中,环境变量可解释96.4%的累积变量,速效磷是导致磷吸收量变化的首要因素(解释量为33.3%),其次是微生物量碳(13.8%)。说明间作降低了速效磷对磷吸收的影响,提高了微生物量碳对磷吸收的影响。

图6 单作及与大豆间作玉米磷吸收量与根际土壤因子的冗余分析Fig.6 Redundancy analysis of P uptake and rhizosphere soil factors of monocropped maize and maize intercropped with soybean

结构方程表明(图7),间作提高了土壤微生物量碳含量(MBC)、微生物量磷含量(MBP)、酸性磷酸酶(ACP)和碱性磷酸酶(ALP)活性,从而提高根际速效磷含量(Olsen-P),最终提高玉米磷吸收量。微生物量碳的增加显著促进土壤磷酸酶活性的提高,对碱性磷酸酶活性的影响比对酸性磷酸酶活性的影响更大。微生物量碳对土壤速效磷含量有极显著抑制作用(＜0.01),说明微生物的增加会减少土壤有效磷含量,用于自身代谢生长。土壤pH对磷酸酶活性有极显著抑制作用(＜0.01),过低的pH对酸性和碱性磷酸酶活性均不利。酸性磷酸酶活性的提高促进微生物量磷向速效磷转化,碱性磷酸酶活性对土壤速效磷含量有显著促进作用(＜0.05),因此两种磷酸酶发生作用的途径不同。酸性磷酸酶活性和土壤速效磷含量对玉米磷吸收量有极显著的直接促进作用,同时酸性磷酸酶还可通过促进微生物量磷的水解提高土壤速效磷含量。

图7 结构方程模型分析土壤生物学活性对玉米磷吸收量的影响Fig.7 Structural equation analysis of the influence of soil factors on P uptake

3 讨论

对比2017年和2020年的玉米||大豆间作,玉米干物质量土地当量比(LER)随施磷水平增加而降低,其中P120水平低于其他施磷处理,与P0间差异显著(图2,2020年)。这与近期豆科||禾本科间作体系的报道相近,间作对生物量的促进作用发生在低投入养分水平。年际间干物质LER的变异较大,这可能是由于2020年7月至8月降雨量高于2017年同期,降雨量充沛影响了2020年抽雄期作物长势。因此玉米||大豆间作干物质量特征及间作效应仍需多年田间试验加以验证。本研究中,玉米磷吸收当量比(LERp)在各施磷水平间无显著差异,这与覃潇敏等的研究认为降低磷肥不会显著降低玉米||大豆间作模式磷吸收量的结果接近。然而,基于全球尺度的Meta分析印证了玉米||大豆间作体系通过生态位互补,在相同土地面积获得较高的生物量和磷吸收量。本研究中,磷水平显著影响生物量间作优势,但对磷吸收无显著影响,这可能与土壤类型有关。红壤中较低的供肥能力使得本试验期间的LERp不受磷水平调控,这与Tang等利用Meta分析研究豆科||禾本科间作对LERp影响中的结论一致。本研究结果仅证实低磷水平可以维持LERp,然而施磷对间作磷吸收净效应的影响还需进一步加深研究。

间作在各磷水平均显著提高了玉米根际土壤速效磷含量(图3,2020)。这与其他在玉米||大豆间作体系、不同豆科轮作与禾本科轮作体系的结果相反。间作提高磷有效性而出现土壤磷耗竭的情况被解释为根系吸收土壤磷后限制了磷酸盐离子在土壤中扩散。但也有研究与本研究结果一致,认为根际磷有效性的提高是由于磷的活化程度提高并抵消了植物吸收养分导致的耗竭。本研究中,2020年间作在P0水平仍具有提高土壤磷有效性的优势,这可能是由于连续间作后促进根系凋落物的增加而导致回归到土壤的有机养分增加,促进了磷有效性的提高。间作和施磷改变了根际土壤速效磷含量,但磷水平对LERp并没有影响,说明间作影响了根际土壤磷的转化,然而不同磷水平下间作对磷吸收的影响还需要加深研究。2020年间作较单作提高根际速效磷含量的幅度比2017年更大,这可能与基础土壤过低的磷有效性有关。同时,不施磷处理的间作对根际养分的促进作用在2020年达显著,相比2017年试验同期,降雨充沛导致作物长势更好从而使间作优势更明显。施磷处理使根系互作在供肥能力较差的红壤中对根际磷的活化作用显著。因此种植模式在2020年对根际土壤速效磷含量的影响变为极显著(表1)。2020年,相比单作,在P120水平下间作仍显著提高了土壤速效磷含量,这可能是由于土壤本身磷水平较低,受试验年限所制,土壤磷盈余量未达到失去间作优势的磷水平。

磷吸收量与速效磷含量、微生物量磷均呈极显著的线性关系(＜0.01,除2020年单作下微生物量磷)(图4、图5),2020年间作模式下二者线性关系的斜率相比单作均增加,说明间作提高了速效磷和微生物量磷对磷吸收的促进作用。相比土壤速效磷含量,间作后土壤微生物量磷与玉米磷吸收量的线性关系斜率变化更大,因此微生物量磷对间作促进磷吸收的响应更敏感,这与微生物量磷的高度动态变化有关。间作改变根系分泌物多样性并影响根际微生物过程(微生物量、群落结构、活性)。玉米||大豆间作提高了根系分泌物分泌速率,导致根际微生物量磷变化的幅度大于速效磷变化幅度,这可能是间作4年后,微生物量磷与磷吸收量间斜率变化更大的原因。此外,微生物量磷易受到土壤碳有效性等因素影响,而间作可以增加土壤根系生物量和凋落物,从而提高土壤溶解性有机碳的含量,增加微生物量磷含量。同时,由于磷在短期内可以从作物残茬中迅速进入微生物量中,比如豆科残茬在7 d内有28%的磷进入微生物量中,因此间作的豆科残茬也可能是增加微生物量磷的原因之一。

冗余分析发现(图6),相比单作,间作降低了速效磷对磷吸收的解释量(由37.6%减低到33.3%),增加了微生物量碳的解释量(由10.0%增加为13.8%),同时降低MBC/MBP,说明间作促进根际沉淀的同时也促进磷转化。间作促进根际微生物活性,虽然微生物将土壤中速效磷一部分用于自身代谢,但微生物量碳对碱性磷酸酶活性有极显著促进作用(图7),这可归因于碱性磷酸酶的分泌与有机质、腐殖质的密切关系,且有报道认为碱性磷酸酶活性对间作的反应比酸性磷酸酶更加敏感。土壤缺磷时,酸性磷酸酶活性增加从而提高土壤微生物量磷的周转以供作物吸收,与本研究结构方程中酸性磷酸酶活性与微生物量磷之间的关系相符合。碱性磷酸酶对速效磷含量的提高有显著促进作用,这与碱性磷酸酶对中活性有机磷、中稳定性有机磷的活化有密切关系,因此两种磷酸酶对提高磷有效性的影响途径不同。总之,间作增加了土壤微生物量对磷有效性的影响程度。

4 结论

相比单作,玉米||大豆间作在生物量和磷吸收量上具有优势,显著提高了红壤磷有效性。随着施磷水平增加,LER降低,但LERp不受影响。种植模式和施磷水平对干物质量和磷吸收量的交互作用显著。土壤速效磷和微生物量碳含量是影响玉米磷吸收的最主要因素。2020年间作增加了速效磷与磷吸收量、微生物量磷与磷吸收量线性关系的斜率,改变了速效磷和微生物量碳对磷吸收的解释量。微生物量碳通过提高酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性分别提高速效磷含量和微生物量磷含量,最终促进作物磷吸收。因此,玉米||大豆间作通过微生物量和磷酸酶影响土壤磷有效性,从而具有减磷并维持作物生物量、磷吸收量的潜力。间作提高红壤磷有效性的过程中,微生物过程的定量贡献还应进一步加深研究。