不同磷水平下玉米-大豆間作對根系有機酸分泌特征及磷吸收的影響

農玉琴，陸金梅，駱妍妃，覃宏宇，陳遠權，韋錦堅，韋持章，覃瀟敏

（廣西南亞熱帶農業科學研究所，廣西 龍州 532415）

磷是植物生長發育必需的營養元素之一，在植物生理代謝、產量形成等方面發揮著不可替代的作用［1］。施磷肥是提高土壤供磷能力、保證農作物高產穩產的重要措施之一［2］。當前，我國部分耕作土壤由于長期過量施磷，磷肥的當季利用率只有10%～25%［3］，農田已經形成了一個巨大的潛在磷庫［4］。因此，充分利用作物自身的生物學潛力去挖掘現有土壤磷庫資源，已成為當前乃至今后的重要研究方向。

在長期缺磷的環境中，植物根系會形成一系列包括形態、結構和生理上的可塑性反應來提高養分的利用［5-7］，其中根系低分子量有機酸分泌增加是植物適應低磷脅迫的重要策略之一［8］。間作是我國集約化農業生產上的一種典型種植模式，在養分資源高效利用方面發揮著重要作用［9-10］。研究表明，在玉米-蠶豆［11］、小麥-白羽扇豆［12］等間作體系中，蠶豆和鷹嘴豆根際分泌大量的檸檬酸活化了土壤中的難溶性磷，從而提高了與之間作的玉米和小麥的磷吸收。Li等［13］在低磷土壤上的研究還發現，間作促進了蠶豆分泌更多的有機酸來活化土壤中難溶性磷，提高了與之間作玉米的磷吸收。這些現象表明合理間作能通過改變根系有機酸分泌而促進間作群體的磷素吸收。

玉米與大豆間作是集約化農業生產上比較廣泛的一種立體栽培模式，在養分高效、產量提高及病害控制等方面具有明顯優勢［14-15］。已有研究表明，在玉米-大豆間作體系中，根系交互作用促進了玉米和大豆雙方對磷的吸收和利用，具有明顯的磷吸收優勢［16］。陳利等［17］研究結果還發現，玉米-大豆間作改變了根系有機酸分泌種類，提高玉米和大豆根系有機酸分泌速率。但在不同磷水平下，玉米-大豆間作根系有機酸的分泌特性會產生哪些變化及是否能促進間作群體磷吸收尚不清楚。因此，本研究以玉米-大豆間作為研究對象，通過盆栽試驗，探討不同磷水平下玉米-大豆間作對根系分泌物中有機酸分泌特性和作物磷吸收量的影響，為進一步揭示玉米-大豆間作促進紅壤磷高效利用的機制及磷肥合理施用提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2020年5月在廣西南亞熱帶農業科學研究所格林溫室大棚中進行。該區屬典型的南亞熱帶季風氣候，年平均溫度在22℃以上，年降水量在1273.6 mm 以上。土壤為典型的旱地紅壤，基本理化性狀如下：堿解氮 34.67 mg·kg-1，有效磷6.07 mg·kg-1，速效鉀 122.74 mg·kg-1，有機質7.78g·kg-1，pH 4.72。

供試材料：玉米（Zea maysL.）品種為桂單-165，大豆［Glycine max（Linn.）Merr.］品種為桂春-15。種子由廣西農業科學院經濟作物研究所提供。

1.2 試驗設計

盆栽模擬試驗設施磷水平和種植制度兩因素，種植模式包括玉米單作（MM）、大豆單作（MS）與玉米、大豆間作（I），間作處理按照1∶1種植即每盆玉米與大豆各2株，單作處理每盆種植玉米或大豆4株。施磷水平設P2O5施用量為50和100 mg·kg-1（干土），分別記為P50、P100，其中P100為常規用量，P50為減施50% 用量。試驗設2個磷肥水平、3種種植模式，共6個處理，每個處理3次重復，隨機排列。氮肥施用量為150 mg·kg-1，鉀肥150 mg·kg-1，按照純養分換算。試驗所用塑料盆規格大小為：高度230 mm，底部直徑190 mm。土壤風干過2 mm篩，每盆裝土10 kg。

供試肥料：尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O514%）、硫酸鉀（K2O 50%）。氮肥分2次施用，50%作基肥，剩下50%在玉米拔節期追施；大豆不追氮肥。磷肥以及鉀肥全部作為基肥。整個生育過程中，定期澆水、除草以及防治病蟲害等。

1.3 樣品采集與分析

在玉米大喇叭口期、成熟期及大豆開花期、成熟期進行采樣，植株地上部和根系樣品于105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重稱干重，計算生物量；粉碎后用于植株全磷含量的測定；在玉米、大豆成熟期測定單、間作玉米、大豆的籽粒產量。

根系分泌物收集：在玉米大喇叭口期/大豆開花期，采用“抖土法”去除非根際土，用自來水反復多次清洗植株根系，再用蒸餾水清洗根系幾遍，清洗過程中盡量避免根系損傷。將清洗好的整株根系轉入盛有200 mL 0.005 mol·L-1CaCl2溶液的收集瓶中，在補光燈照射下，通氣收集根系分泌物2 h。收集液在40℃下旋轉蒸發、濃縮至10 mL，用0.45 μm 濾膜過濾，置于-20℃冰箱中保存，用于有機酸分析。

有機酸的測定：采用HPLC法用LC-100高效液相色譜儀（LC-P100型高壓恒流泵，LC-UV100紫外檢測器，自動進樣器、控溫箱）進行測定。試驗色譜條件：色譜柱為C18反相色譜柱（150 mm×4.6 mm，5 μm），流動相為A甲醇和B磷酸二氫鉀（A∶B=5∶95），柱溫30℃，流速0.7 mL·min-1，進樣量10 μL，檢測波長214 nm，進樣時間25 min。

植株全氮：采用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法測定［18］。

1.4 數據統計與分析

數據采用Excel 2016進行初步處理、作圖。用SPSS 19.0進行單因素方差分析（LSD法，α=0.05）、雙因素方差分析、多重比較分析和t檢驗。

1.5 參數計算

分泌速率為單位時間（h）內單位干根重量（g）分泌的有機酸含量。

磷素吸收土地當量比：LERP= YIM/YMM+YIS/YMS，式中，YIM和YIS分別表示間作玉米和間作大豆的磷素吸收量；YMM和YMS分別表示單作玉米和單作大豆的磷素吸收量。當LERP＞1時，間作磷吸收為優勢；LERP＜1時，間作磷吸收處于劣勢。

2 結果與分析

2.1 不同磷水平下玉米-大豆間作對作物生長和籽粒產量的影響

由圖1可以看出，玉米-大豆間作具有明顯的產量優勢。在P50和P100水平下，與單作種植相比，間作使玉米籽粒產量分別顯著提高70.82% 和52.67%；使大豆籽粒產量分別顯著增加22.46%和16.62%。此外，與P50相比，P100水平下單、間作玉米籽粒產量分別提高32.21%和31.67%；單、間作大豆籽粒產量同樣分別顯著提高26.67%和20.63%。

圖1 不同磷水平下玉米-大豆間作對作物籽粒產量的影響

從表1可知，間作種植能顯著促進玉米與大豆的生長。在P50和P100水平下，與單作玉米相比，間作種植使大喇叭口期玉米地上部和根系生物量分別顯著增加61.31%、70.56%和42.79%、63.36%，成熟期玉米地上部和根系生物量分別顯著增加51.52%、38.95% 和74.79%、52.67%。同樣，在大豆開花期和成熟期，P50和P100水平下間作大豆地上部生物量較單作大豆分別顯著提高26.06%、21.85%和 46.13%、35.79%；間作大豆根系生物量較單作大豆分別顯著提高31.49%、32.33%和29.79%、39.06%。無論單作還是間作種植條件下，P100水平下玉米、大豆地上部和根系生物量均高于P50，適當增施磷肥表現出明顯的促進效應。此外，玉米的根冠比不受種植模式和磷肥施用水平的調控；大豆的根冠比同樣不受種植模式的調控，但適當施磷則提高了開花期大豆的根冠比。

表1 不同磷水平下玉米-大豆間作對作物生物量的影響

2.2 不同磷水平下玉米-大豆間作對作物磷吸收的影響

由圖2可以看出，在玉米大喇叭口期/大豆開花期，P50和P100水平下LERP分別為1.56和1.32，成熟期分別為1.45和1.34，說明玉米-大豆間作具有明顯的磷素吸收優勢。從兩個生育期的結果來看，磷吸收間作優勢（LERP）受磷肥水平的影響較小，但數值大小表現為P50＞ P100。

圖2 不同磷水平下玉米-大豆間作體系的磷素吸收土地當量比（LERP）

從表2可以得出，間作種植分別顯著提高了大喇叭口期和成熟期玉米地上部和根系磷素吸收量41.44%、73.01% 和 39.35%、44.33%，分別顯著提高了開花期和成熟期大豆地上部和根系磷素吸收量40.75%、70.15% 和 36.64%、69.15%。在兩個生育期，P100水平下玉米和大豆地上部和根系磷素吸收量均顯著高于P50。此外，由于種植模式和磷肥水平對大喇叭口期玉米和成熟期大豆地上部磷吸收量的交互作用顯著，在P50和P100水平下，大喇叭口期間作玉米地上部磷素吸收量較單作玉米分別顯著增加61.18% 和28.61%；成熟期間作大豆地上部磷素吸收量較單作大豆分別顯著增加39.07%和35.15%。

表2 不同磷水平下玉米-大豆間作對磷素吸收量的影響 （mg·株-1）

2.3 不同磷水平下玉米-大豆間作對根系有機酸分泌速率的影響

從表3可以看出，間作種植顯著提高了玉米與大豆根系有機酸分泌速率40.17%和22.27%，且大豆根系有機酸的分泌速率大于玉米根系。由于種植模式和磷肥水平的交互作用顯著，在P50和P100水平下，間作玉米根系有機酸分泌速率較單作玉米分別顯著提高44.98%和34.30%，間作大豆根系有機酸分泌速率較單作大豆分別顯著增加21.70%和22.97% （圖3）。此外，與P100相比，P50水平下玉米和大豆根系有機酸分泌速率分別顯著增加27.52%和22.86%，并且在P50間作處理根系有機酸分泌速率最大。

圖3 不同磷水平下玉米-大豆間作對根系有機酸分泌速率的影響

表3 種植模式和磷肥水平及其交互作用對根系有機酸分泌速率的影響

2.4 不同磷水平下玉米-大豆間作對根系有機酸分泌種類和分泌速率的影響

從表4可以看出，玉米-大豆間作改變了玉米根系有機酸分泌種類和分泌速率。單作玉米根系分泌物中檢測出檸檬酸、草酸、乳酸和琥珀酸4種有機酸，間作玉米根系分泌物中則檢測出檸檬酸、蘋果酸、草酸、乳酸、琥珀酸和莽草酸6種有機酸，其中草酸、乳酸、檸檬酸的分泌量相對較高，均未檢測到酒石酸。與單作玉米相比，在P50和P100水平下，間作種植使草酸分泌速率分別顯

表4 不同磷水平下間作對玉米大喇叭口期根系有機酸分泌的影響 （μg·g-1 DW·h-1）

著增加27.24%和18.16%，乳酸分泌速率分別顯著增加32.23%和15.57%，檸檬酸分泌速率分別顯著增加57.92%和73.07%，琥珀酸分泌速率分別顯著增加129.54%和260.29%，而蘋果酸和莽草酸在單作條件下均未檢測到。此外，在P50水平下，單、間作玉米根系草酸、乳酸、檸檬酸、琥珀酸的分泌速率均顯著高于P100水平21.88%和31.24%、10.91%和26.89%、54.59%和41.07%、87.68%和19.76%，間作玉米根系蘋果酸分泌速率高于P100水平42.29%。

與玉米一樣，玉米-大豆間作改變了大豆根系分泌物中有機酸的種類和分泌速率（表5）。單作大豆根系分泌物中檢測出蘋果酸、草酸、檸檬酸和琥珀酸4種有機酸，間作大豆根系分泌物中檢測出蘋果酸、草酸、檸檬酸、乳酸、琥珀酸、莽草酸和酒石酸7種有機酸，其中蘋果酸、草酸和檸檬酸的分泌速率相對較大。在P50和P100水平下，間作大豆根系蘋果酸、草酸、檸檬酸、琥珀酸的分泌速率較單作大豆分別顯著提高13.98%和14.13%、15.32%和16.31%、22.47%和30.08%、93.37%和309.71%，而乳酸、莽草酸和酒石酸在單作條件下未檢測到。同樣，與P100水平相比，P50水平單、間作大豆根系蘋果酸、草酸、檸檬酸分泌速率分別顯著提高15.32%和15.17%、32.62%和31.49%、37.48%和29.43%，而乳酸、琥珀酸、酒石酸和莽草酸分泌速率受磷水平的影響均較小。

表5 不同磷水平下間作對大豆開花期根系有機酸分泌的影響 （μg·g-1 DW·h-1）

3 討論

研究表明，間作種植會改變作物根系有機酸的分泌特性，從而改善間作群體的磷素吸收［19-20］。Cu等［21］在小麥-白羽扇豆間作中的結果表明，間作白羽扇豆分泌更多的檸檬酸促使土壤中難溶性Ca-P 活化出來，提高了與之間作的小麥磷吸收量。Zhang等［22］在玉米-蠶豆間作體系中同樣發現，間作促進蠶豆根系分泌大量的有機酸活化了土壤中的難溶性磷，提高了根際的供磷能力，從而增加了玉米對磷養分的吸收。本試驗的結果也表明，不同磷水平下，玉米-大豆間作不僅能夠改變根系有機酸的分泌種類，也顯著提高了根系有機酸的分泌速率，尤其以玉米根系分泌物中草酸、乳酸和檸檬酸以及大豆根系分泌物中蘋果酸、草酸和檸檬酸的分泌速率相對較大，這與肖靖秀等［23］在小麥-蠶豆間作系統的結果基本一致，這可能是因為玉米-大豆間作可以促進作物氮和磷養分的吸收與利用［24］，提高了作物碳、氮同化能力，改善了植物體內的有機酸代謝，最終改變了間作作物根系低分子量有機酸的分泌特性。本試驗還發現，P50條件下，玉米與大豆根系有機酸的分泌速率均顯著高于P100水平，且在P50間作處理有機酸的分泌速率最大。這些結果可能為揭示玉米-大豆間作體系磷素高效吸收的根系應答機制提供有利的科學依據。

本試驗結果也表明，在磷有效性偏低（Olsen-P 6.07 mg·kg-1）的紅壤上，玉米-大豆間作產量同時受磷肥施用量和種植模式的調控。玉米-大豆間作顯著提高了大喇叭口期與成熟期玉米的磷素吸收量，同時也顯著增加了開花期和成熟期大豆的磷素吸收量，具有明顯的磷吸收優勢（LERP＞1），這與前人［25-26］在小麥-蠶豆間作體系中得出的結果基本一致，這可能是由于玉米-大豆間作促進根系有機酸的分泌，活化了紅壤中難溶性Fe-P、Al-P等，提高了土壤中的磷有效性，為間作群體提供更多可利用的有效磷，這可能是玉米-大豆間作群體磷高效吸收的重要機制之一。但是間作誘導根系有機酸分泌特性改變的機制及其在玉米-大豆間作體系磷高效吸收中發揮怎樣的作用目前尚不清楚，還需要進一步的深入研究。此外，適當增施磷肥顯著提高了玉米與大豆的磷素吸收量，這與張立花等［27］的研究結果相類似。同時，本試驗在P50水平下，LERP值最大。即在盆栽磷肥用量下，P50水平間作玉米和間作大豆的磷素吸收量與P100水平的單作處理相比，并未有降低的趨勢，說明玉米-大豆間作在減磷的條件下具有維持作物磷吸收的潛力。綜上表明，在缺磷或低磷條件下，種間互作通過提高玉米和大豆根系有機酸的分泌，促進了生長盛期磷的吸收，為后期磷吸收間作優勢的形成奠定了基礎。

在本試驗中還發現，間作種植顯著提高了玉米與大豆的籽粒產量，具有明顯的產量優勢，即使在P50水平下，間作玉米和間作大豆籽粒產量與P100水平下的單作處理相比，并未降低反而有增加的趨勢，這可能是由于適當減少磷肥施用后，種間互作促進了玉米和大豆根系有機酸分泌的顯著增加，有助于活化土壤中的難溶性磷，促進玉米與大豆對磷養分的吸收，從而保障了產量不受影響。可見，玉米-大豆間作在適當減磷的條件下仍能維持作物產量，這與張夢瑤等［28］在小麥-蠶豆間作體系中的試驗結果一致。但是本研究基于盆栽試驗研究間作系統施磷量與作物產量優勢形成的關系仍具有一定的局限性，還需要結合田間試驗以及實際生產環境進行進一步的深入研究。

4 結論

在不同磷水平下，與單作相比，間作種植顯著提高了玉米與大豆的籽粒產量和生物量。間作種植顯著促進了玉米和大豆的磷素吸收，具有明顯的磷吸收優勢（LERP＞1）。玉米-大豆間作改變了根系有機酸分泌的種類，并顯著提高了根系有機酸的分泌速率，說明根系有機酸分泌量增加是驅動不同磷水平下間作玉米與大豆磷素吸收顯著提高的重要因子之一。玉米與大豆間作具有節約磷肥的空間以及維持作物產量和磷吸收的潛力。