不同磷水平下小麦蚕豆间作对根际有效磷及磷吸收的影响

2019-08-14张梦瑶肖靖秀

植物营养与肥料学报 2019年7期

张梦瑶，肖靖秀，汤利，郑毅,2*

（1 云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；2 云南省教育厅，昆明 650223）

磷是限制植物生长发育的营养元素之一[1]，施磷肥是保证植物高产稳产的重要措施之一[2]。当前我国部分土壤由于长期施磷，磷素已经盈余过多，农田成为了巨大的潜在磷库[3]，加上磷的不可再生性导致全球磷储量不断减少，磷资源匮乏已引起人们的关注[4]。

合理间作在提高养分资源利用效率方面发挥着重要作用[5]。在小麦-白羽扇豆[6]、玉米-花生[7]、玉米-蚕豆[8]等间作体系中，种间促进作用显著提高了磷的吸收。Li等[9]在低磷土壤上的研究还发现，蚕豆分泌的质子和有机酸活化了土壤难溶性磷，提高了与之间作玉米的磷吸收。这些现象表明合理的间作能显著改善作物的磷营养状况。但前人的研究大多关注石灰性土壤及低磷胁迫下间作对土壤磷的活化效应，不同施磷条件下，间作对红壤根际有效磷含量影响的研究尚少；间作条件下作物磷吸收响应磷肥施用的研究尚未见深入报道。

小麦-蚕豆间作是西南地区主要的小春作物种植模式之一，具有显著的增产、控病优势[10-12]。已有研究表明，小麦-蚕豆间作的根际分泌物可以促进根际红壤中磷的活化，也可使小麦根际土壤有效磷较单作有所增加[13-15]，且在较低的肥力水平下，间作具有更明显的资源利用优势[16]。但在不同磷水平下，小麦-蚕豆间作对根际土壤有效磷含量及作物磷吸收量的影响尚不明确。因此，本研究以小麦-蚕豆间作为研究对象，通过两年田间试验，明确不同磷水平下单、间作作物根际有效磷含量的动态变化及间作对作物磷吸收量的影响，为进一步揭示小麦蚕豆间作促进红壤磷的高效利用及磷肥合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点设在云南农业大学寻甸大河桥试验基地 (N23°32′、E103°13′，海拔 1953 m)，地处昆明市东北部，供试土壤为长期熟化的耕作红壤。气候条件属亚热带季风气候，年均温为14.7℃，年降雨量为1040 mm。2015—2016和2016—2017小麦、蚕豆种植季的平均气温如图1所示。

供试土壤的基本农化性状为：有机质35.05 g/kg、全氮1.40 g/kg、碱解氮80.31 mg/kg、速效钾146.42 mg/kg、有效磷17.09 mg/kg、pH值7.18。

小麦、蚕豆单作及间作田间试验布置于2014年10月，前茬作物为玉米。供试小麦品种为云麦-52，蚕豆品种为玉溪大粒豆。小麦-蚕豆间作田间试验建立后，小麦、蚕豆于每年的10月25—27日播种、次年4月底收获。5—9月土壤休闲。本试验研究在田间试验建立后第二年开始采集数据并进行相关研究分析。

图1 大河桥试验地2016和2017年度气温和降水量Fig. 1 Monthly average air temperature and precipitation during the field experiments in 2016 and 2017

1.2 试验设计

试验处理含磷水平和种植制度两因素，施磷水平设P2O5施用量0、45和90 kg/hm2，记为P0、P45、P90。P90为常规用量，P45为减施50%用量。种植方式包括小麦单作 (MW)、蚕豆单作 (MF) 和小麦-蚕豆间作 (I)。试验设3个磷水平、3种种植模式，共9个处理，每个处理重复三次，小区面积32.4 m2(5.4 m ×6 m)。单作小麦条播种植，行距0.2 m；单作蚕豆行距0.3 m，株距0.1 m。小麦-蚕豆间作种植密度与单作相同，均为6行小麦间2行蚕豆，每个间作小区内有3个小麦种植带和3个蚕豆种植带。间作小区小麦-蚕豆间作行距为0.2 m。

试验所用磷肥、氮肥、钾肥分别为普通过磷酸钙、尿素和硫酸钾，过磷酸钙180 kg/hm2和硫酸钾100 kg/hm2作为基肥在小麦、蚕豆播种前一次性施入。蚕豆尿素90 kg/hm2作基肥在播种前一次施用，小麦尿素90 kg/hm2做基肥，90 kg/hm2在小麦拔节期追施。单作和间作处理的小麦和蚕豆的肥料用量、种植密度、灌溉方式在等面积下都是相同的。施肥灌溉等方法和当地高产农田管理模式一致。

1.3 取样与分析

每年田间试验，在小麦分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期，蚕豆分枝期、开花期、结荚期、籽粒膨大期、收获期采取根际土样，根际土采用“抖土法”，随机多点混合采样。所采取的土样风干研磨以后测定有效磷含量，测定采用Olsen法。

在小麦蚕豆收获期测定单、间作小麦、蚕豆产量，测定作物地上部磷含量。

1.4 数据统计与分析

数据处理使用Excel，统计分析采用SPSS17.0软件进行Two-way Anova多重比较分析。

用土地当量比 (LER) 来衡量间作优势，LER =(Yiw/Ysw) × 2/3 + (Yif/Ysf) × 1/3。式中：Yiw和 Ysw分别表示间作小麦和单作小麦的产量；Yif和Ysf分别表示间作蚕豆和单作蚕豆的产量，2/3和1/3指的是田间试验间作小麦蚕豆和单作小麦蚕豆种植面积的比例。当LER (土地当量比) 值大于1时，表明此间作体系具有产量优势；若LER小于1，则表明间作体系没有优势[17]。

磷吸收量 = 磷浓度 × 生物量。用磷肥农学利用率来反映磷肥的吸收效率，磷肥农学利用率 = (施磷区籽粒产量 - 不施磷区籽粒产量)/施磷量。

2 结果与分析

2.1 不同磷水平下小麦蚕豆间作对作物产量的影响

2016年P0、P45、P90水平下LER分别为1.12、1.13和1.09，2017分别为0.95、1.18和1.05。从两年的结果来看，间作产量优势 (LER数值的大小) 受磷水平的调控，从LER数值大小来看，总体表现为P45〉 P90，2016 年差异达显著水平 (图 2)。

间作对作物产量的影响年际间变化较大，2016年小麦单作和间作产量总体显著高于2017年，蚕豆产量单作和间作两年差异较小 (图3)。2016年间作小麦产量三个磷水平下均显著高于单作，P0、P45、P90水平下分别增加了12.5%、21.7%和17.3%。而2017年P0和P45水平下较单作分别增加了14.4%和18.8%。

2017年，单作蚕豆产量总体显著高于间作产量，P0、P45、P90水平下间作蚕豆产量较单作分别降低了16.8%、11.7%和8.2% (图3)。

2.2 不同磷水平下小麦蚕豆间作对根际有效磷含量的影响

两年的田间试验表明，除2016年间作降低了小麦成熟期根际有效磷含量外，间作种植对小麦根际有效磷含量均无影响 (表1)。与P0和P45水平相比，P90水平仅在小麦拔节期显著提高了根际有效磷含量，在其他生育期不同施磷水平间根际有效磷含量无差异。但是，由于种植模式和磷肥施用水平交互作用显著，2016年在小麦抽穗期，P90水平下间作较单作显著提高了小麦根际有效磷含量28.4%；在小麦灌浆期，P0水平下，间作有效磷含量显著高于单作30.9%。同样，在2017年小麦成熟期，P45水平下，间作有效磷含量低于单作，达到显著差异。说明不同磷肥施用水平下小麦-蚕豆间作改变了特定生育期小麦根际有效磷含量，但是年际之间变异较大。

图2 不同磷肥施用水平下小麦蚕豆间作体系土地当量比Fig. 2 Land equivalent ratio (LER) of wheat and faba bean intercropping system under different phosphate application levels

图3 不同磷肥施用水平下单、间作小麦和蚕豆的籽粒产量Fig. 3 Yields of inter- and mono-cropped wheat and faba bean under different P rates

与小麦不同，间作种植改变了不同生育期蚕豆根际有效磷含量。2016年，间作显著提高了蚕豆分枝期根际有效磷含量10%；2017年，在蚕豆分枝期、开花期、结荚期，间作则分别降低蚕豆根际有效磷含量20.8%、44.5%和18%。与P0和P45水平相比，P90水平显著提高了蚕豆根际有效磷含量，尤其是在蚕豆分枝期和蚕豆开花期。同样，由于磷肥施用水平和种植模式交互作用显著，2016年P90水平下，蚕豆分枝期和开花期，间作显著提高了蚕豆根际有效磷36.9%和25.4%；而2017年，P45水平下，间作分别降低蚕豆分枝期及开花期根际有效磷37.7%和45.0%；P90水平下间作降低开花期蚕豆根际有效磷含量56.5% (表2)。

2.3 不同磷水平下小麦蚕豆间作对磷吸收量的影响

由表3可以看出，在小麦产量较高的2016年，施磷增加了小麦的吸磷量，但没有达到显著水平，在产量较低的2017年，施磷没有增加小麦的吸磷量。2016年，施磷显著增加了蚕豆的磷素吸收量，但P45、P90水平间差异不显著。2017年施磷处理蚕豆的磷吸收量不仅没有增加，反而有所降低，P90水平的间作蚕豆吸磷量显著低于P0水平 (表3)。综合比较2016、2017两年的田间试验结果，施磷显著提高了作物的磷吸收量，但种植模式对小麦磷吸收量没有影响，施磷水平和种植模式交互作用显著。

表1 小麦不同生育期根际土壤有效磷含量 (mg/kg)Table 1 Available phosphorus contents in rhizosphere soil of wheat at different growing stages

2.4 不同磷水平下间作对小麦磷肥农学利用率的影响

不同施磷量对磷肥农学利用率影响显著，但不同种植模式对磷肥农学利用率无显著影响 (表4)。2016年减磷1/2 (P45) 较常规施磷 (P90) 提高磷肥农学利用率54.8%，2017年减磷1/2处理下较P90水平则降低磷肥农学利用率38.9%。

3 讨论

3.1 不同磷水平下小麦蚕豆间作对作物产量的影响

本研究表明，在有效磷含量中等 (Olsen-P 17 mg/kg)的土壤上，小麦蚕豆间作产量同时受施磷水平和种植模式的影响。间作主要是提高小麦产量而显示间作产量优势，这与前人在小麦蚕豆间作试验的研究结果一致[13-14,18]。本研究发现，随着施磷量的增加，小麦产量也随之增加，这与胡雨彤等[19]试验结果一致。但P45、P90水平下，蚕豆产量则无显著差异。说明在有效磷含量中等的土壤上，小麦较蚕豆而言对磷肥用量更为敏感。并不需要当地农户常规用量90 kg/hm2施磷量即可满足蚕豆的生长需要。适当增施磷肥可以促进豆科作物根瘤的形成、提高豆科作物产量[20-21]。但是本试验条件下，并未发现磷肥减施显著降低了单间作蚕豆的产量，磷肥减施是否改变了单间作蚕豆根瘤的形成，它们两者之间的关联如何？尚需进一步深入探讨。

本研究表明在减磷1/2处理下，LER值最大。在当前磷肥用量下，P45水平下间作小麦蚕豆产量与P90水平下单作相比，并未降低产量，反而有增产的趋势，说明间作在减磷的情况下具有维持作物产量的潜力，这为深入研究间作系统磷肥减施、提高磷肥利用效率提供了有力的证据。但具体小麦蚕豆间作系统中，磷肥减施量及其最佳磷肥用量推荐，还需深入研究。

表2 蚕豆不同生育期根际土壤有效磷含量 (mg/kg)Table 2 Available phosphorus contents in rhizosphere soil of faba bean at different growing stages

两年的试验结果均表明，小麦蚕豆间作具有间作产量优势。但是，年际之间产量及间作增产效应差异较大 (图3)。从两年的田间气象数据来看 (图1)，2015—2016年小麦蚕豆种植季，前期气温低，后期高；而2016—2017年则正好相反。这可能是造成年际差异的主要原因。因此，小麦蚕豆间作的产量特征及间作效应还需要多年的田间试验进一步加以验证。

3.2 不同磷水平下小麦蚕豆间作对根际有效磷含量的影响

王宇蕴等[13]、张德闪等[14]的研究表明，小麦蚕豆间作显著地提高了小麦根际土壤有效磷含量，但本研究结果表明 (表1)，间作几乎对小麦根际有效磷含量无影响。张丽等[22]在玉米大豆间作系统中的研究表明，间作能够促进玉米植株对土壤有效磷的吸收，导致根际有效磷的耗竭。而本试验条件下，小麦蚕豆间作对小麦地上部磷吸收也没有影响。这可能与土壤条件、试验环境不同有关。与小麦不同的是，2017年的结果表明，间作种植显著降低了蚕豆根际有效磷含量，但是地上部磷的吸收也没有差异。总之，从本研究来看，小麦蚕豆间作确实是改变了根际有效磷含量，但是年际之间变异较大。

禾本科作物和豆科作物的根际过程差异较大，因此，豆科-禾本科作物间作会显著改变根际有效磷含量及磷的循环[23]。本研究同样发现，不同磷水平下，种植模式和磷肥施用水平显著改变了蚕豆根际有效磷含量。但值得关注的是，虽然间作改变了蚕豆根际有效磷含量，但间作对蚕豆地上部磷吸收量并没有影响，说明间作种植改变了土壤磷的转化过程，但是不同磷水平下间作如何调控豆科作物磷的吸收，仍需要深入分析。两年田间试验均证实，由于磷素的吸收主要集中在生育前期，后期的磷素营养主要依靠磷在作物体内的周转来完成。因此，磷肥施用水平主要影响小麦、蚕豆生长前期根际有效磷含量；当小麦蚕豆进入生殖生长阶段后，根际有效磷含量并不受磷肥施用水平的调控 (除2017年收获期)；同时，小麦蚕豆间作也主要是改变了蚕豆生长前期根际有效磷的含量 (表2)。然而，不同磷水平下，小麦蚕豆间作系统中，根际有效磷含量的改变与作物地上部磷的吸收有怎样的关系，其对间作产量优势的形成贡献如何，目前尚不清楚。

表3 小麦和蚕豆磷吸收量 (kg/hm2)Table 3 Total amounts of phosphorus uptake by wheat and faba bean

表4 2016和2017年小麦磷肥农学利用率 (kg/kg)Table 4 Phosphorus agronomy efficiency of wheat in 2016 and 2017

3.3 不同磷水平下小麦蚕豆间作对磷吸收的影响

本试验条件下，种植模式对磷吸收量没有影响(表3)。但由于种植模式和磷肥施用水平的交互作用，2016和2017年P45水平间作下小麦、蚕豆磷吸收量与P90水平单作相比均未降低，说明间作在适当减磷的情况仍能维持作物磷吸收量，与前人研究一致[24-25]。

总体来看，小麦蚕豆间作在减磷条件下可以维持作物产量和磷吸收量，说明在土壤有效磷含量中等的条件下，小麦-蚕豆间作存在节约施磷的空间，但具体磷肥减施量还需进一步研究。此外，磷肥施用方式可能也影响磷肥的吸收和利用，因此，今后在间作体系中还应考虑施肥量和施肥方法相结合，以进一步提高磷肥利用效率。

本试验表明，不同种植模式对磷肥农学利用率并无显著影响，这与孙宝茹[26]研究结果有相似之处。易均等[27]试验提出，降低10%～20%的磷肥施用量可以提高磷肥农学利用率，这与本试验2016年减磷1/2处理趋势一致，减磷处理下小麦磷肥农学利用率显著高于当地常规施磷，说明该地区适当减磷可以提高磷肥的农学利用率。2017年小麦磷肥农学利用率在减磷1/2水平下低于常规施磷，这是由于2017年减磷1/2水平与P0水平相比，并没有显著提高小麦产量，P90水平下小麦增产更显著造成的，这或许与两年的气候差异有关。关于不同磷水平下豆科-禾本科间作对磷肥农学利用率的影响，尚需进一步深入研究，探明具体的作用机制。

本研究发现，当地小麦-蚕豆间作条件下，减磷1/2 (P45) 与常规施磷 (P90) 水平相比，间作可以维持根际有效磷含量及磷吸收量，为间作在减磷下维持产量提供了条件。以往一些文章旨在研究如何提高根际土壤中有效磷的含量，但从本研究来看，在维持作物产量、土壤有效磷含量、作物磷吸收量的前提下，适当降低供磷水平，提高磷肥的利用效率，应作为今后研究的重点。此外，本研究虽然系统分析了小麦-蚕豆间作系统中的根际有效磷-作物磷吸收-作物产量，但是小麦-蚕豆间作系统中三者之间的关系尚不能清楚地解析，需更多地深入研究探讨。