小麥蠶豆間作對紅壤有效磷的影響及其與根際pH值的關系

張德閃，王宇蘊，湯 利*，鄭 毅，2，左建花

(1云南農業大學資源與環境學院，云南昆明650201;2西南林業大學，云南昆明650224)

磷的高效利用已經成為全球性的問題。由于南方酸性土壤中含有大量的無定型氧化鐵、鋁，其生物有效性較低，從而使得能被植物吸收利用的有效磷含量較低，因此對南方酸性土壤磷的高效利用已成為研究的熱點之一［1］。

間作是指兩種或兩種以上的作物在同一時間同一土地上的混合種植［2］。大量研究表明，合理的間作在增加作物產量、提高土地利用率、促進水分和養分資源吸收利用、增強作物抗病性等方面發揮著重要作用［2－10］。現有研究表明，間作系統最終表現出的產量優勢是由于間作可以顯著地提高間作作物根際速效磷的含量，提高作物對根際磷的吸收［2－3，11－15］。

土壤的酸堿度會影響土壤肥力以及植物的生長發育狀況，這主要是因為土壤的pH值嚴重影響土壤養分的有效性，尤其是影響土壤對磷的吸附固定［16］。豆科/禾本科間作，豆科作物固氮過程中釋放H+或根際分泌有機酸都會導致根際土壤酸化，活化土壤難利用態磷［2，17－18］。因此，豆科禾本科間作可以提高石灰性土壤磷的吸收利用［2］。但在酸性土壤上，間作對作物根際pH的影響及其與土壤養分有效性的關系方面的研究還少見報道。

小麥、蠶豆是云南省的主要小春作物，小麥蠶豆間作由于能夠顯著提高小麥產量、促進養分利用、有效控制病害［6，13－14，19－22］而被人們廣泛接受，在云南省已普遍推廣。陳佰巖等［23］研究表明，小麥蠶豆間作的根分泌物可促進紅壤磷的活化，而王宇蘊的研究也表明，在紅壤上小麥與蠶豆間作，小麥根際土壤速效磷的含量較單作增加［11－12］。但是，關于小麥/蠶豆間作體系，特別是在紅壤地區，小麥根際速效磷含量的提高與根際pH的相互關系的研究相對較少。本研究的主要目的是研究小麥/蠶豆間作體系中小麥不同生育期、不同土層根際土壤磷有效性以及根際土壤pH值的動態變化;探討小麥蠶豆間作體系小麥根際pH與紅壤有效磷含量的相互關系，以期為利用農作物的種植方式多樣性提高紅壤磷的有效性和養分資源的利用效率提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在云南農業大學水資源與環境利用工程中心試驗基地(25°7'51.5″N，102°45'09.9″E)進行。試驗地土壤為云南山原紅壤，前作為水稻，其基本養分狀況為:有機質含量14.4 g/kg，堿解氮117.2 mg/kg，有效磷 44.16 mg/kg，有效鉀 95.08 mg/kg，pH 7.39。供試小麥品種為云麥－42，蠶豆品種為玉溪大粒豆。

1.2 試驗設計

試驗采用間作和單作2種種植模式，即小麥與蠶豆間作、小麥單作、蠶豆單作，共3個處理。間作種植規格為小麥∶蠶豆=6∶2，即每一間作帶內種植小麥6行，行距0.20 m;種植蠶豆2行，行距0.30 m，株距0.30 m。小麥、蠶豆單作行距和株距與間作相同。小區面積5.4 m×6.0 m，每個處理3次重復，小區隨機排列。

小麥施肥量為氮肥(N)225 kg/hm2，磷肥(P2O5)75 kg/hm2，鉀肥(K2O)75 kg/hm2。其中 1/2氮肥和全部磷、鉀肥作基施，1/2氮肥在拔節期作追施;蠶豆不施氮肥，磷、鉀肥一次性基肥施用。

1.3 取樣與分析

分別在小麥分蘗～拔節期、孕穗～抽穗期、灌漿～乳熟期對單作和間作小區采樣，每小區每次隨機多點采取混合樣品，按10 cm×10 cm樣方取樣，取樣面積為100 cm2。在0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層用抖土法分別采集小麥根際土。

小麥根際土壤有效磷、pH值以及植株磷含量的測定方法均參考鮑士旦主編的《土壤農化分析》［24］。

試驗數據用Excel 2007整理，差異顯著性采用SPSS17.0軟件進行檢驗分析。

2 結果與分析

2.1 小麥蠶豆間作對兩種作物產量的影響

由表1可以看出，小麥蠶豆間作可以顯著增加小麥的產量，蠶豆產量在單作和間作之間差異不顯著。小麥蠶豆間作與小麥單作相比，產量提高了78.7%。間作的土地當量比(LER)為1.16，大于1，說明在小麥蠶豆間作體系中小麥存在間作產量優勢。

2.2 小麥蠶豆間作對不同生育期小麥地上部磷吸收量的影響

圖1顯示，分蘗～拔節期、孕穗～抽穗期、灌漿～乳熟期單作小麥地上部植株磷吸收量分別為2.5 g/m2、5.8 g/m2、6.4 g/m2，間作分別為 2.5 g/m2、5.5 g/m2、5.8 g/m2。間作小麥磷吸收量單作和間作處理間差異不顯著。

表1 單、間作體系小麥、蠶豆產量(g/m2)Table 1 Yields of wheat and fababean in the monocropping and intercropping systems

圖1 不同生育期單作、間作小麥地上部磷吸收量Fig．1 Phosphorus contents of wheat in the monocropping and intercropping systems at the different growth stages

2.3 小麥蠶豆間作對不同生育期小麥根際土壤有效磷含量的影響

單作與間作兩種種植模式下，小麥根際土壤有效磷含量隨土層深度的增加降低;分蘗～拔節期、孕穗～抽穗期，0—10 cm、10—20 cm土層小麥根際土壤有效磷含量間作高于單作，差異顯著(圖2)。

分蘗 ～拔節期，間作體系 0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層小麥根際土壤有效磷含量均高于單作，間作較單作分別增加 82.4%、60.0%、9.0%，且在 0—10 cm、10—20 cm兩個土層差異顯著。

孕穗～抽穗期，0—10 cm土層，間作根際有效磷含量顯著高于單作，間作較單作提高23.4%;10—20 cm土層，間作根際土壤有效磷含量比單作提高35.8%，差異顯著;20—30 cm土層，間作小麥根際有效磷含量與單作之間差異不顯著。

圖2 不同生育期不同土層小麥根際土壤有效磷含量的變化Fig．2 Rhizosphere soil available phosphorus concentrations of wheat fields in different soil layers at the different growth stages

灌漿 ～乳熟期，0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層小麥根際土壤有效磷含量間作與單作差異不顯著。

2.4 小麥蠶豆間作對不同生育期小麥根際土壤pH值的影響

從圖3可以看出，小麥單作、小麥蠶豆間作體系，隨土層深度的增加，小麥根際土壤pH值有升高的趨勢，但是土層之間差異不顯著。分蘗～拔節期10—20 cm 土層，孕穗 ～抽穗期 0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土層，間作小麥根際土壤pH值顯著低于單作。

分蘗～拔節期，單作和間作體系中，隨土層深度的增加，小麥根際土壤pH值升高，但土層之間差異不顯著。0—10 cm和20—30 cm土層根際土壤pH值間作與單作差異不顯著。10—20 cm土層，間作較單作降低0.25個單位，顯著低于單作。

孕穗～抽穗期，單、間作體系中，隨土層深度的增加，小麥根際土壤pH值逐漸升高，土層之間差異不顯著。0—10 cm、10—20 cm和 20—30 cm土層小麥根際土壤pH值均為間作低于單作，間作較單作分別降低了0.32、0.61、0.38個單位，差異顯著。

灌漿～乳熟期，單作小麥根際土壤pH值變化的大小順序為20—30 cm ＞0—10 cm ＞10—20 cm，間作的變化為0—10 cm ＞10—20 cm＞20—30 cm，單作和間作體系中土層之間的差異不顯著。0—10 cm土層小麥根際土壤pH值間作小于單作，10—20 cm、20—30 cm土層間作則大于單作，但單、間作之間的差異沒有達到顯著水平。

圖3 不同生育期不同土層小麥根際土壤pH值的變化Fig．3 Rhizosphere soil pH of wheat fields in different soil layers at the different growth stages

2.5 間作小麥根際土壤有效磷含量與pH的關系

小麥分蘗～拔節期、孕穗～抽穗期、灌漿～乳熟期，單作和間作兩種種植模式下，小麥根際土壤有效磷含量與pH的相互關系所表現的趨勢較為一致(圖4)，即小麥根際有效磷含量隨根際土壤pH的升高而降低，但是不同種植模式，不同生育期，其下降趨勢不同。在分蘗～拔節期，單作條件下，其決定系數為R2=0.5635，間作條件下R2=0.1307，間作低于單作;孕穗～抽穗期，單作和間作種植模式下根際土壤有效磷與pH值之間的決定系數分別為0.0127和0.003，二者之間沒有相關關系，但間作低于單作;灌漿～乳熟期，單作體系中的R2=0.1287，間作R2=0.1506，間作高于單作。

3 討論與結論

小麥蠶豆間作提高了小麥根際土壤磷的有效性，促進了分蘗～拔節期、孕穗～抽穗期小麥根際土壤有效磷含量的提高，并在0—10 cm和10—20 cm兩個土層達到顯著水平。前人的研究結果也發現小麥蠶豆間作，間作小麥根際有效磷含量在分蘗、拔節、抽穗時期高于相應時期的單作小麥［16－17］。早期小麥和蠶豆間作可以顯著提高根際土壤有效磷的含量，其原因可能是根系分泌物活化了土壤中的Al-P、Fe-P［23］。

小麥蠶豆間作體系中，小麥根際土壤pH值顯著低于單作。兩種或兩種之上的作物間作之后，由于根系的相互作用，會誘導根系H+、OH－的分泌發生變化，導致根際土壤pH與單作作物根際土壤pH值不同。同時，禾本科和豆科作物間作，豆科作物根際有機酸的分泌、酸性磷酸酶的釋放是禾本科作物根際 pH 下降的可能原因［2，17－18，25］。郭桂英等［26］根據對花生黃化后與小麥間作并加碳酸鈣的研究表明，間作花生根際土壤的pH值比單作花生低。采用根箱法在不同供磷水平下，對春小麥和大豆在間作和單作情況下的根系形態特征和生理生化特性進行比較研究，發現小麥與大豆間套作后共生區根際土壤pH值下降，使4 mm范圍內的根際土壤明顯酸化［27］。菜豆與硬小麥間作的土培試驗證明間作菜豆根際土壤pH比單作低［18］。

圖4 不同生育期小麥根際有效磷和pH的相關分析Fig．4 The correlation analysis of rhizosphere soil available phosphorus and pH of wheat fields at the different growth stages

單作和間作體系，小麥根際土壤有效磷含量與根際pH呈負相關關系，即根際pH降低，根際磷有效性增加。與作物單作相比，種植模式的不同會改變作物根際土壤的酸堿性，從而改變根際土壤磷的有效性，影響作物對磷的吸收。大麥與鷹嘴豆間作較大麥單作顯著地降低了根際土壤pH值，這種酸化作用進一步促進了土壤有效磷的增加［28］。玉米與蠶豆間作，由于根際土壤的酸化促進了磷有效性的增加，提高了間作體系磷的吸收利用［2］。這些研究結果表明，禾本科和豆科作物間作，降低了禾本科作物根際土壤的pH，活化了根際難利用態磷，增加了根際土壤磷的有效性，促進了磷的吸收。但是，本研究結果也發現，在小麥孕穗～抽穗期，根際土壤有效磷含量和pH值沒有明顯的相關關系，而孕穗～抽穗期間作小麥根際土壤pH顯著低于單作，根際有效磷含量高于單作，且在0—10 cm、10—20 cm兩個土層達到顯著水平。這種現象說明根際土壤pH的降低是引起根際有效磷含量提高的原因之一，同時小麥與蠶豆間作，低分子量有機酸、酸性磷酸酶、根系形態、微生物活動等與磷有效性相關的根際過程［1－2，25，29］可能受間作的影響發生改變從而影響了根際土壤有效磷的含量。Wang等［30］的研究中也發現，磷的缺乏并沒有增加羽扇豆根系質子的分泌。同時，在小麥與蠶豆間作和單作小麥磷的吸收量差異不顯著，這說明間作小麥根際有效磷含量的增加并不是由于磷吸收的提高引起，而收獲期間作小麥產量的顯著增加可能是由于小麥蠶豆間作控制了病害、增加了微生物多樣性、提高了水分利用率所致［6，8，21］。因此，紅壤地區小麥蠶豆間作體系中根際土壤pH的降低是提高小麥根際磷有效性的原因之一，但是由于間作體系中有機酸、酸性磷酸酶的分泌也是提高根際磷有效性的主要機制［1，2，25］，所以，在紅壤上關于小麥蠶豆間作提高小麥根際土壤磷有效性的機理還有待進一步深入研究。

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