低磷條件下玉米‖蠶豆間作作物根系間距對玉米磷吸收的影響

戴 杰 劉亞林 李春杰* 李海港

(1.中國農業大學 資源與環境學院,北京 100193;2.內蒙古農業大學 草原與資源環境學院,呼和浩特 010018)

磷是植物正常生長發育的必需元素[1-2]。無論是在自然陸地生態系統還是農田生態系統,植物生長普遍受到磷限制[3]。農業生產上為達到持續增產目的,不斷增施磷肥,而且磷的有效利用效率低,導致磷礦資源日益耗竭。如何提高磷的有效利用是影響農田生態系統中作物生長和生產力的重要因素,與未來農業可持續綠色發展密切相關。

作物間套作是普遍采用的一種重要的多樣化種植模式,可高效利用土壤養分等資源提高單位耕地生產力[4-6]及作物產量[7-8]。間套作是指2種或2種以上的作物通過分行或者分條帶種植在同一地塊的種植方式[9-10]。間作的作物種類和組合豐富多樣。豆科作物常被用于間作體系,能起到增加農田生物多樣性,提高資源利用效率[11]的作用,如玉米‖苜蓿[12]、玉米‖大豆[13]、玉米‖蠶豆[14]、小麥‖大豆[15]等體系對于磷元素的利用效率較高。玉米‖蠶豆間作是我國西北地區廣泛種植的間作體系[16],較單作具有較高的產量[17],其機制主要是玉米‖蠶豆間作具有顯著的磷吸收種間促進作用[18-20]。

目前已有關于禾本科‖豆科作物間作體系磷吸收的種間促進作用的研究[21]。如白羽扇豆‖小麥間作等體系中發現白羽扇豆促進小麥的磷吸收[22];玉米‖蠶豆間作較單作玉米或單作蠶豆提高了磷的利用率[23]。種間磷吸收的促進作用機制主要是豆科作物根系分泌的有機酸、酸性磷酸酶、質子等對土壤難溶性磷的活化能力較強,可提供自身和相鄰禾本科作物的磷吸收。然而,根系分泌物一般在根系附近活性較高,而在距離根系4 mm處與土體土壤水平一致[24]。因此根系分泌物的分布范圍較窄,作物的種間相互作用依賴于根系的鄰近。已有研究表明,在玉米‖花生間作體系中,玉米對于相鄰作物花生鐵營養狀況的改善程度與這2種作物的根系間距密切相關,當花生距離玉米越近時,花生葉片中鐵含量越高且缺鐵黃化的現象也越少[25]。

雖然已有研究探討了禾本科‖豆科間作體系種間互作促進養分吸收的特點[26-27],但對于豆科作物通過根系互作促進禾本科作物磷吸收的機理及其與間作作物根系間距的關系有待進一步研究。因此,為證明間作蠶豆對玉米磷吸收的種間促進作用依賴于根系的鄰近和交叉,本研究擬以禾本科作物玉米為目標作物,設置單株玉米、單作玉米、玉米‖蠶豆間作這3種種植方式以及相鄰作物存在時設置較近和較遠的作物間距,測定植株地上部生物量和磷含量、根際pH、酸性磷酸酶活性、有機酸濃度和根系形態參數,探究玉米和蠶豆根系互作間距對玉米磷吸收的種間促進作用,以期為揭示種間養分吸收的競爭與互惠機理以及間作體系設計合理的種間株距提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗于2021-01-13—2021-03-07在中國農業大學資源與環境學院溫室(40°01′ N,116°16′ E)進行。培養條件為日間自然光照,每天17時至22時進行夜間補光處理,補光的光強為1 500 LUX。試驗期間日間平均溫度為18～24 ℃,夜間平均溫度為8～13 ℃。試驗的供試玉米品種為鄭單958(ZeamaysL.cv.ZD958),蠶豆品種為臨蠶5號(ViciafabaL.cv.Lincan5)。供試土壤為中性砂壤土,采集于山東省煙臺市(37°14′ N,120°34′ E)。供試土壤的基本理化性質為：有機碳12.0 g/kg、全氮0.7 g/kg、總磷181 mg/kg、有效磷8.3 mg/kg、速效鉀82 g/kg、pH 6.8(水土比為2.5∶1)。

試驗裝置為圖1(a)所示的圓柱形根箱：該裝置整體為圓柱形透明設計,高15 cm,通過俯視圖中2個同心圓隔開區域,外徑15 cm內徑12 cm。同心圓間區域裝入供試土壤。

本試驗以玉米為目標作物,共設計5個處理,如圖1(b)所示,4次重復,共計20盆：1)無相鄰作物：單株玉米(SM);2)相鄰作物為同種作物玉米：單作玉米(M-M)且作物間距較近,在圓柱形根箱中作物間距最小(CP M-M);3)單作玉米且作物間距較遠,在圓柱形根箱中作物間距最大(NP M-M);4)相鄰作物為不同種作物蠶豆(M-F)且作物間距較近(CP M-F);5)玉米‖蠶豆間作且作物間距較遠(NP M-F)。

三角形代表玉米;橢圓形代表蠶豆。SM為單株玉米,CP M-M為單作玉米(2株玉米間距較近),NP M-M為單作玉米(2株玉米間距較遠),CP M-F為間作玉米(玉米蠶豆間距較近),NP M-F為間作玉米(玉米蠶豆間距較遠)。The triangle represents maize and the oval represents faba bean.SM,single maize;CP M-M,monocropped maize with close proximity of two maize;NP M-M,monocropped maize with non-proximity of two maize;CP M-F,intercropped maize-faba bean with close proximity of two crops;NP M-F,intercropped maize-faba bean with non-proximity of two crops.圖1 試驗裝置(a)和不同試驗處理的俯視示意圖(b)Fig.1 Schematic diagram of the microcosm pot (a) and the top view of different experimental treatments (b)

1.2 試驗方法

供試土壤風干,去除植物殘體后均過2 mm篩備用。試驗中所需要的氮、磷、鉀肥以及其他中微量元素養分全部用作基肥,配制土培營養液后施入土壤中。磷肥選用KH2PO4,施磷水平為20 mg/kg,作物生長所必需的其他營養成分通過已配制的營養液均勻施入供試土壤,其純養分添加量分別為(mg/kg)：Ca(NO3)2·4H2O,200;K2SO4,113;MgSO4·7H2O,43;Fe-EDTA,5.9;MnSO4·H2O,6.7;ZnSO4·7H2O,10;CuSO4·5H2O,2;H3BO3,0.67;Na2MoO4·5H2O,0.17。土培營養液加入土壤,風干后過2 mm篩以充分混勻。每個試驗裝置裝均勻混肥的土壤1 kg,并于播種前一天每盆澆水170 mL(最大田間持水量的75%)。

挑選大小、飽滿程度一樣的玉米、蠶豆種子,催芽數量為播種量的4倍,先用10%過氧化氫(H2O2)表面消毒30 min,然后用去離子水沖洗干凈,通氣條件下在飽和CaSO4溶液中浸泡一晚,然后放在托盤里,托盤上放置大張濾紙并使之濕潤,種子放置于2層濕潤的濾紙中間,蓋上黑色塑料薄膜避光。玉米催芽1 d,蠶豆催芽2 d,放在恒溫培養室等待種子萌發。種子萌發長出約1 cm的芽后,根據試驗處理選取根系生長一致的種子整齊播入裝置中,種植深度約2 cm。單株玉米處理每盆播種2 粒,單作玉米每盆播種4粒,玉米‖蠶豆間作處理每盆播種2粒玉米和2粒蠶豆。播種約14 d后間苗,保留株高、莖粗、葉片數等長勢一致的作物幼苗。其中,單株玉米處理保留1株玉米,單作玉米處理保留2株玉米,玉米‖蠶豆間作處理保留玉米和蠶豆各1株,相鄰作物間距依照試驗設計處理。試驗期間采用稱重法澆水保證每個裝置重量恒定,使作物滿足對于水分的需求,于播種后54 d觀察到不同處理間的長勢差異并進行收獲。

收樣時將完整的根系從供試土壤中取出,從植株基部的莖節下部將地上部植株與根系分開,每個處理的作物地上部和地下部分開收取,土壤中的根系盡量收獲完全。采用抖根法輕輕抖去根系周圍松散的土壤(該部分土壤被視為“土體土”),緊緊附著在蠶豆和玉米根系表面的土壤被視為“根際土”,并收集根際土和土體土。按照m(根際土)∶V(0.2 mmol/L CaCl2溶液)=1∶4制備根際土土壤懸濁液,用于測定根際過程的根際土pH、酸性磷酸酶活性、有機酸濃度等。

1.3 測定指標及方法

1.3.1生物量

植株地上部生物量的測定采用稱量法。將收獲的作物玉米和蠶豆根據上述收樣方式放入信封中,在105 ℃的烘箱中殺青30 min后放入70 ℃烘箱中烘干至質量不變后于天平上稱重。

1.3.2磷含量

植株全磷測定采用H2SO4-H2O2消煮后釩鉬黃比色法。植物地上部樣品稱重后粉碎,用H2SO4-H2O2消煮后,采用釩鉬黃吸光光度法進行顯色反應,并使用分光光度計在440 nm比色,其吸光度和磷濃度成正比。與此同時,制作標準曲線,計算出作物全磷含量。

1.3.3根際土測定

pH測定采用電位法。0.2 mmol/L CaCl2溶液浸提,水土比為2.5∶1,使用Mettler Toledo Seven2Go S2 pH計。

酸性磷酸酶活性的測定的方法參照Neumann[28],通過比色法測定釋放的p-NP(對硝基酚)的含量,計算單位根際土單位時間內產生p-NP的量從而估測酸性磷酸酶活性。

有機酸濃度的測定采用高效液相色譜法[29],根據已知標準品的保留時間以及標準曲線進行定性分析和定量分析待測樣品的濃度。

根系形態參數采用Epson Perfection V850 Pro型根系專用掃描儀掃描根系[30],并使用Winrhizo軟件分析根系掃描圖片,測定作物根系生長的相關參數,包括總根長(TRL,Total root length)、總根表面積(TSA,Total surface area)等根系形態指標。

1.4 數據處理及分析

1.4.1數據計算

相對互作強度(RII)可用于比較間作或單作對于目標作物表現的影響,從而估測目標作物對競爭反應的大小[31-33]。相對互作強度的計算基于已有研究[31,34]進行了修正。具體計算公式如下：

式中：xi為有相鄰作物時目標玉米的地上部生物量;xi′為沒有相鄰作物時目標玉米的地上部生物量;x為xi和xi′中數值較大的值。n為(xi-xi′)值的數量。在本試驗中每個有相鄰作物處理的重復數為4,單株作物處理的重復數為4,因此(xi-xi′)的值將有4×4=16個,即n為16。

RII值-1～1[32]：RII值為0時,表示目標玉米不受相鄰作物的影響;RII值為負值時,表示相鄰作物之間存在相對競爭;RII值為正值時,表示目標作物玉米可以從相鄰作物受益。i和i′是2個隨機抽取的個體,在本試驗中由于每種處理有4次重復i可相應取值1、2、3和4。

1.4.2數據分析

數據記錄及簡單處理運用Microsoft 2016 Excel,數據間顯著性檢驗運用IBM SPSS Statistics 26.0進行分析,繪圖運用GraphPad Prism 8。

2 結果與分析

2.1 玉米地上部生物量的測定

玉米地上部生物量的結果見圖2(a)。可見無論根系間距遠近,相鄰作物的存在均降低了目標玉米的地上部生物量：作物根系間距較近時,相比于單株玉米,單作玉米的地上部生物量降低21%,間作玉米降低34%;作物根系間距較遠時,單作玉米的地上部生物量較單株玉米降低10%,間作玉米降低29%;作物根系間距較遠時,間作玉米地上部生物量較單作玉米顯著降低22%,而作物根系間距較近時,間作玉米與單作玉米的地上部生物量無顯著差異。

以玉米地上部生物量計算相對互作強度RII值的結果見圖2(b)。可見存在相鄰同種作物玉米或不同種作物蠶豆時對目標作物玉米的影響程度：無論根系間距遠近,玉米與相鄰作物均存在相對競爭,玉米與蠶豆的種間競爭強度高于玉米與玉米的種內競爭強度(P=0.001);在單作玉米體系中,根系距離較近時(CP M-M),種內競爭強度顯著高于根系距離較遠處理(NP M-M);在玉米‖蠶豆間作中,種間競爭強度與根系間距無關,根系間距較近時(CP M-F),玉米與蠶豆的種間競爭強度與根系間距較遠的處理(NP M-M)相似;當玉米與相鄰作物的根系間距較遠時,玉米‖蠶豆間作(NP M-F)的種間競爭顯著高于玉米的種內競爭(NP M-M)。

SM為單株玉米;CP為作物間距較近;NP為作物間距較遠。數據為平均值±標準誤。不同的小寫字母表示不同處理間玉米指標的差異。下同。SM,single maize;CP,plants with close proximity;NP,plants with non-proximity.Data are mean±standard error.Different lowercase letters represent significant difference of maize indexes between different treatments.The same below.圖2 單株玉米(SM)、單作玉米(M-M)、間作玉米(M-F)的地上部生物量、磷含量與相鄰作物的相對互作強度Fig.2 Shoot biomass,shoot P content of single maize (SM),monocropped maize (M-M), intercropped maize-faba bean (M-F) and relative interaction intensity (RII)

2.2 玉米地上部磷含量的測定

玉米地上部磷含量的結果見圖2(c)。可見無論根系間距遠近,相鄰作物的存在均降低了目標玉米地上部磷含量：作物根系間距較近時,單作玉米、間作玉米的地上部磷含量較單株玉米分別低33%、31%;作物根系間距較遠時,單作玉米、間作玉米的地上部磷含量比單株玉米分別低15%、29%。

以地上部磷含量計算相對互作強度RII值的結果見圖2(d)。可知單作玉米的種內競爭強度在根系間距較近時(CP M-M)高于根系間距較遠處理(NP M-F);但玉米與蠶豆的種間競爭強度不同的根系間距下相似。

2.3 玉米和蠶豆的根系形態與根際過程

存在相鄰作物時,玉米和蠶豆根系形態(總根長和總根表面積)的結果見圖3。不同根系間距處理下,單作玉米和間作玉米的總根長、總根表面積均無顯著差異(圖3(b)和(d))。玉米‖蠶豆間作處理中,在作物根系間距較近時,玉米的總根長、總根表面積較蠶豆均高114%、226%,而在作物根系間距較遠時無顯著差異(圖3(a)和(c))。

*代表P<0.05;ns代表不顯著。* represents significant differences at P-value is less than 0.05.ns represents no significant difference.圖3 單作玉米(M-M)、間作玉米(M-F)處理下玉米、蠶豆的根系形態指標Fig.3 Root morphological parameters of monocropped maize (M-M) and intercropped maize (M-F) and faba bean

存在相鄰作物時,玉米和蠶豆根際土測定(根際pH和有機酸濃度)的結果見圖4,可知玉米和蠶豆的根際pH均在6.00～7.00。玉米‖蠶豆間作的根際pH見圖4(a)。可見：玉米‖蠶豆間作且根系間距較近時(CP M-F),玉米的根際pH顯著高于蠶豆;但是當玉米與蠶豆的根系間距較遠時(NP M-F),玉米和蠶豆的根際pH無顯著差異。存在相鄰作物時目標作物玉米的根際pH見圖4(b)：作物根系間距較近時(CP M-M和CP M-F),單作和間作玉米的根際pH分別顯著高于作物根系間距較遠的處理(NP M-M和NP M-F)。

玉米‖蠶豆間作的有機酸濃度見圖4(c)。可見：玉米與蠶豆的根系間距較近時(CP M-F),玉米有機酸濃度顯著高于蠶豆;而當玉米與蠶豆的根系間距較遠時,玉米和蠶豆有機酸濃度無顯著差異。存在相鄰作物時目標作物玉米的有機酸濃度見圖4(d)：總體上,間作玉米根際有機酸濃度高于單作玉米;但只有在玉米與蠶豆根系間距較遠時(NP M-F),間作玉米根際有機酸濃度顯著高于單作玉米。

3 討 論

3.1 不同的相鄰作物及根系間距對玉米種內互作、種間互作的影響

已有大多數的研究表明,低磷條件下玉米‖蠶豆間作體系具有顯著的磷吸收互惠作用,且大于種內競爭作用和種間競爭作用[2,10,14,17,35]。本試驗假設在低磷條件下,較近的根系間距有利于玉米和蠶豆的根際互作,提高磷吸收的種間互惠作用并減弱種間競爭作用。與以往研究結果和本試驗假設不同,本試驗結果顯示存在相鄰作物時不同根系間距處理的目標玉米地上部生物量和磷含量無差異(圖2(a)和(c))。作物根系間距較近時,間作玉米的生物量、地上部磷含量與單作玉米相比無差異,說明間作蠶豆并沒有促進間作玉米的生長和磷吸收;且單作玉米的生物量較單株玉米顯著降低,說明單作玉米的根系對土壤養分資源在空間利用上存在種內競爭。當作物根系間距較遠時,單作玉米的生物量高于根系間距較近的單作玉米生物量,與單株玉米生物量相似,即根系間距的擴大降低了單作玉米根系在空間上對土壤養分資源的競爭。但是相同的根系位置下間作玉米的生物量低于單株、單作玉米,說明間作玉米的生物量降低與根系養分資源競爭關系不大。

*和***分別代表P<0.05和P<0.001。* and *** represent significant differences at P-value is less than 0.05 and 0.001,respectively.圖4 單作玉米(M-M)、間作玉米(M-F)處理下玉米、蠶豆的根際土pH和有機酸濃度Fig.4 Rhizosphere soil pH and carboxylates concentration of monocropped maize (M-M),intercropped maize (M-F) and faba bean

本試驗結果表明玉米‖蠶豆間作相對于單作玉米并未體現出磷吸收的優勢。主要原因可能為以下3點：第一,玉米的地上部磷濃度均低于1 mg/g,蠶豆的地上部磷濃度均低于2 mg/g,玉米和蠶豆均處于非常缺磷的狀態,自身生長均受限,因此相鄰作物蠶豆難以表現出對于目標作物玉米的促進作用。第二,在玉米‖蠶豆間作處理中,蠶豆在根系間距較近時(CP M-F)的地上部磷濃度顯著高于根系間距較遠時(NP M-F)。推測因為在玉米和蠶豆競爭時,蠶豆根系在根系間距較近時(CP M-F)探測到玉米根系更強的刺激作用,促進蠶豆在低磷狀態下吸收磷,且該刺激作用強于根系間距較遠時(NP M-F)的空間資源競爭作用。未來的試驗中可考慮不同磷水平對種間互作的影響。第三,本試驗作物生長時期為冬季,溫度較低。就作物生長特性而言,玉米喜高溫,蠶豆喜低溫,溫度較低更利于蠶豆生長,因而蠶豆相對于間作玉米具有競爭優勢。

相對互作強度(RII值)的結果表明,低磷條件下,無論相鄰作物為玉米或蠶豆,玉米與相鄰作物均表現為競爭作用。可能原因有如下3點：第一,種內根系間距的縮短增強單作玉米的種內競爭,但是種間根系間距的縮短對玉米‖蠶豆間作的種間競爭無顯著影響(圖2(b)和(d))。據此說明,單作玉米主要是競爭根系空間,但是玉米‖蠶豆間作在根系空間上無競爭,反映了玉米和蠶豆的根系特征在空間分布上的補償效應。第二,作物根系間距較遠時(NP M-M和NP M-F),玉米‖蠶豆間作的競爭強度(基于地上部生物量)大于單作玉米(圖2(b),表1)。玉米‖蠶豆間作時,蠶豆的地上部生物量顯著高于玉米,說明在玉米和蠶豆不競爭根系空間的情況下,由于蠶豆的地上部植株大,玉米和蠶豆之間可能存在地上部光的競爭。第三,作物根系間距較遠時,玉米‖蠶豆間作的競爭強度(基于地上部磷含量)與單作玉米相似(圖2(d)),說明間作的種間競爭強度與單作的種內競爭強度相似,可能是間作沒有表現出種間磷吸收優勢的原因。

表1 以玉米指標為因變量、作物種類和根系間距為自變量的方差分析結果Table 1 ANOVA result with maize parameters as the dependent variable,with the cropping types and root distances as independent variables

3.2 根際過程對不同根系間距下種間互作的響應

作物根系形態具有可塑性,并受到養分和種間互作的影響[36],禾本科作物玉米的根系形態可塑性比豆科作物蠶豆、鷹嘴豆的可塑性強[37]。就2種作物養分吸收特性而言,玉米傾向于利用較強的形態可塑性通過根系快速生長從而迅速占領某區域的養分資源;蠶豆傾向于利用較強的生理可塑性通過分泌酸性磷酸酶、有機酸等提高根際土養分的有效性。當2種作物競爭時,每株作物養分吸收能力的強弱將決定競爭的優勢或劣勢。據此推測,當玉米與相鄰作物都體現為競爭關系時,玉米‖蠶豆間作中的相鄰作物蠶豆比單作玉米中的相鄰作物玉米對資源的獲取能力更強,從而競爭作用也強于單作玉米。

已有研究表明,當根系足夠接近時,玉米‖蠶豆間作中蠶豆通過根系分泌有機酸、質子并提高根際酸性磷酸酶活性等提高土壤磷的有效性[38],活化土壤中的難溶性磷[2,14,39]或者溶解土壤中的固相磷酸鹽[40],有利于蠶豆自身和相鄰作物玉米吸收磷[2]。本試驗中根際pH的結果與以往研究結果相似：作物根系間距較近時(CP M-F),蠶豆的根際pH顯著低于玉米(圖4(a)),說明蠶豆表現為根際酸化作用,有活化土壤磷并促進玉米磷吸收的潛力。本試驗中根系分泌物的含量和活性與以往研究結果不一致：單株玉米、單作玉米、玉米‖蠶豆間作體系之間并未表現出顯著差異。推測可能由于目標作物玉米和相鄰作物之間以相對競爭為主,各處理間的差異主要為玉米和相鄰作物競爭能力強弱的體現。

4 結 論

本研究通過單株、單作和間作這3種種植方式并在相鄰作物存在時設置較近和較遠的作物間距進行探究,主要結論如下：在低磷條件下,單作玉米、玉米‖蠶豆間作均表現為競爭作用,單作玉米的種內競爭強度隨根系間距的增大而降低;而間作玉米與蠶豆的種間競爭強度在不同根系間距下相似。土壤缺磷限制了作物生長以及根系交叉、根際互作的程度,即使根系間距較近,間作蠶豆對玉米的磷吸收并沒有通過根系形態差異或根際過程起到促進作用,種間根際互作形成的磷吸收促進作用依賴于適度的土壤磷供應。