施磷對玉米/花生間作農田土壤碳氮磷化學計量特征和產量的影響

關鍵詞： 玉米/花生間作； 磷肥； 碳； 氮； 磷； 化學計量學

磷素作為集約化農業生產中限制產量提高的重要因素之一，在作物生長發育、維持產量以及農業可持續發展等方面發揮著不可替代的作用[1?2]。合理施磷是改善作物磷素營養和獲得高產的重要保障[3]，磷在一定范圍內能增強光合作用，提高干物質積累量，影響著作物整個發育時期以及各種生理過程[4]，但大多數土壤自身的供磷能力有限，不能滿足作物養分的需求，因此施用適量磷肥在保障作物高產中發揮著重要作用。此外，施用磷肥在一定程度上可以提高土壤中的養分含量，影響作物對碳（C）、氮（N）、磷（P） 等元素的吸收和分配，這勢必導致土壤養分含量和化學計量比發生變化。孟翔等[5]研究表明，與不施磷相比，施磷能顯著提高土壤全磷含量。盛基峰等[6]研究表明，施磷肥能顯著增加土壤有機碳、全氮含量。因此，合理的施肥管理措施是提高土壤C、N、P 含量的有效途徑。

C、N、P 作為作物生長發育必不可少的營養元素，是養分循環的重要物質和能量來源，也是反映土壤質量及肥力的重要指標[1，7]。土壤C、N、P 含量和儲量的變化可能會改變各種生態系統組成部分的C、N、P 化學計量，進而影響生態系統的結構和功能。土壤生態化學計量比可以直觀反映碳氮磷等元素在土壤中的動態變化情況，通過對土壤中C、N、P 元素化學計量特征的研究，可以明確土壤養分與作物間的相互關系及整體循環過程[8]。

間作是指在同一時間相同地塊內分行或分帶相間種植兩種或兩種以上作物的集約化農業生產上的一種典型的種植方式，禾豆間作種植作為其中一種模式，其通過作物高矮、根系深淺搭配，可以集約利用光、熱、水、肥等資源，增強作物抗逆性，促進農業增產[9]。大量研究表明，在間作種植方式下產量優勢顯著。王曉維等[10]研究表明，玉米和大豆間作能提高玉米產量，具有一定的間作優勢。雷雲翔等[11]的研究表明，玉米和大豆間作可活化土壤養分庫，提升系統的光合作用能力，從而提高間作系統產出。

間作種植不僅能提高作物產量，還能改善土壤中的碳氮磷營養，提高土壤中的養分含量[12]。前人研究表明，間作種植由于增加了輸入土壤中的凋落物種類和數量，有利于促進土壤有機碳和全氮的積累[13]。也有相關研究認為，間作種植體系下，進入土壤的有機碳源分解速率高，不利于土壤碳氮的固持[14]。由此可見，有關間作種植對土壤有機碳和養分的影響仍存在不確定性。前人針對間作對化學計量特征和產量的影響已開展了一些研究[15?16]，但在間套作基礎上研究施磷對土壤碳氮磷化學計量特征和產量的影響報道較少。為此，本研究以施磷和不施磷條件下玉米/花生間作系統中的土壤為研究對象，分析施磷（P2O5 180 kg/hm2） 和不施磷（P2O5 0 kg/hm2） 兩個磷水平和玉米單作、花生單作、玉米/花生間作3 種種植模式下的土壤碳氮磷含量、儲量、化學計量特征和作物產量，為改善農田土壤肥力、優化土壤養分管理、提高間作產量優勢提供一定的理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

長期定位試驗始于2010 年，地點位于河南省洛陽市河南科技大學實驗農場（33°35′～35°05′N，111°8′～112°59′E）。試驗地處溫帶，屬于半濕潤、半干旱的大陸性季風氣候，年均氣溫12.1℃～14.6℃，年均降雨量600 mm，年均蒸發量2110.3 mm，年平均無霜期215～219 天。試驗地土壤為黃潮土，質地為中壤，初始耕層（0—20 cm） 土壤理化性質如下[17]：堿解氮79.86 mg/kg，有效磷11.6 mg/kg，速效鉀223.8 mg/kg，有機碳10.7 g/kg，pH 7.33。

1.2 試驗設計

本試驗選用玉米‘鄭單958’、花生‘花育16’為供試材料，采用種植方式和施磷量雙因素完全隨機區組設計，設置兩個施磷水平P0 （P2O5 0 kg/hm2）、P180（P2O5 180 kg/hm2） 和花生單作（SP）、玉米單作（SM）、玉米/花生間作（M/P） 3 種種植模式（圖1），共6 個處理，每個處理重復3 次，共18 個小區，每個小區面積48 m2 （6 m×8 m），東西行向種植。玉米單作行距60 cm，株距25 cm；種植密度為6.67 萬株/hm2；花生單作行距30 cm，株距20 cm，密度為16.67 萬株/hm2。玉米和花生間作采用2∶4 模式，即2 行玉米間作4 行花生；玉米寬窄行種植，寬行行距160 cm，窄行行距40 cm，株距20 cm，種植密度為5 萬株/hm2，花生播種于玉米寬行之中，行距30 cm，株距20 cm，密度10 萬株/hm2。花生與玉米相鄰行間距為35 cm。磷肥采用磷酸二銨（P2O5 46%），一次性基施，氮肥采用尿素（N 46%），磷酸二銨和尿素用量的計算方法為：基施氮（磷） 量×單位面積/化肥含量。單作花生、間作花生均一次性基施N 90 kg/hm2，單作玉米、間作玉米的施氮量均為N 180 kg/hm2，按基追比1∶1 分兩次施用，追肥在玉米大喇叭口期追施。人工收獲作物后，將地上部秸稈通過秸稈粉碎還田機粉碎還田，施入基肥，通過旋耕的方式翻入土壤。

1.3 樣品采集

于2022 年10 月作物收獲后進行樣品采集，將每小區劃分為3 部分，采集0—20 和20—40 cm 土壤樣品，每部分取5 個樣點混合成1 個樣品。單作處理，每個小區在作物行間采集土樣，間作處理根據花生和玉米間作的條帶采集土樣。土壤樣品在實驗室自然風干后去除植物根系、植物殘體、石礫等雜質，將土樣磨碎過0.15 mm篩后保存，用于土壤有機碳（SOC）、全氮（TN） 和全磷（TP） 的測定。收獲期，在各小區收獲代表性2 m 長、雙行玉米果穗、花生植株莢果，風干后測定玉米籽粒和花生莢果重，分別計算玉米、花生產量（kg/hm2）。

1.4 樣品測定

土壤有機碳和養分的測定采用常規分析方法。土壤容重采用環刀法測定，土壤SOC 采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定，TN 采用凱氏定氮法測定，TP 采用鉬銻抗比色法測定[18]。

土壤有機碳儲量（SOCS）、全氮儲量（TNS） 和全磷儲量（TPS）、土地當量比（LER） 的計算公式為：

式中，SOCS、TNS、TPS 單位為kg/m2，SOCi 是土壤第i 層的有機碳含量（g/kg），TNi 是土壤第i 層的全氮含量（ g / k g ），T P i 是土壤第i 層的全磷含量（g/kg），BDi 是土壤第i 層的土壤容重（g/cm3），Di 是土壤第i 層的深度（m）。YIM 和YIP 分別表示間作體系中玉米、花生產量（kg/hm2），YSM 和YSP 分別表示單作玉米、單作花生產量（kg/hm2）。

1.5 數據分析

試驗數據采用Excel 2019、SPSS 27.0 統計分析軟件進行處理分析，圖表繪制運用Origin 2021 進行。采用單因素方差分析聯合LSD 檢驗比較不同處理間的差異（Plt;0.05 為差異顯著）。相關分析采用皮爾遜相關法。

2 結果與分析

2.1 不同磷水平和種植方式下土壤碳氮磷含量

由表1 可知，種植方式、磷水平和土層對土壤SOC、TN、TP 含量有極顯著影響。P0 水平下，在0—20 cm 土層，不同種植方式間SOC、TP 含量差異不顯著，SP 處理土壤TN 含量較SM 和M/P 處理分別提高 6.2% 和3.7%；在20—40 cm 土層，M/P 處理較SP 和SM 處理土壤SOC 含量分別顯著提高了8.0% 和11.1%，SP 處理的土壤TN 含量分別顯著高于SM 和M/P 7.4% 和2.8%，SM 處理土壤TP 含量較SP 和M/P 處理分別顯著提高7.0% 和5.2%。P180水平下，在0—20 cm 土層，M/P 處理較SP 處理土壤SOC 含量顯著提高了6.0%，較SM 處理土壤TN 含量顯著提高了7.7%，較SP 和SM 處理土壤TP 含量分別顯著提高了14.7% 和11.1%。與P0 相比，P180 水平下的土壤SOC、TN、TP 含量分別顯著提高了14.2%、11.3%、67.8%。0—20 cm 土層土壤SOC、TN、TP 含量較20—40 cm土層分別顯著提高了8.3%、8.0%、16.2%。交互作用對土壤SOC、TN 含量無顯著影響，種植方式和磷水平、磷水平和土層的交互作用對TP 含量存在極顯著影響，種植方式和土層、種植方式和磷水平和土層的交互作用對TP 含量無顯著影響。

2.2 不同磷水平和種植方式下土壤碳氮磷儲量

由表2 可知，磷水平和種植方式對土壤有機碳儲量（SOCS）、全氮儲量（TNS）、全磷儲量（TPS）有顯著或極顯著影響。P0 水平下，在0—20 cm 土層，SOCS 和TPS 在不同種植方式間差異不顯著，S P 處理的T N S 較SM 和M / P 處理均顯著提高9.4%；在20—40 cm 土層，M/P 處理SOCS 較SP 和SM 處理分別顯著提高了7.6% 和7.0%，M/P 處理TPS 含量較SP 和SM 處理分別顯著降低了2.9% 和12.5%。P180 水平下，在0—20 cm 土層，SP 和M/P處理的土壤T N S 含量較SM 處理分別顯著提高6.1% 和7.3%。與P0 相比，P1 8 0 水平下的SOCS、TNS、TPS 分別顯著提高了10.9%、8.0%、63.3%。土壤SOCS 隨著土層深度的增加而增加，土壤TPS隨著土層深度的增加而降低。種植方式和磷水平的交互作用對SOCS、TNS 無顯著影響，對TPS 有顯著影響，種植方式和土層、磷水平和土層、種植方式和磷水平及土層的交互作用對SOCS、TNS、TPS均無顯著影響。

2.3 不同磷水平和種植方式下土壤碳氮磷化學計量比

由表3 可知，磷水平和種植方式對土壤C/P、N/P有極顯著影響。P0 水平下，在0—20 cm 土層，SP 處理土壤C/N 分別顯著低于M/P 和SM 處理8.8% 和8.6%；在20—40 cm 土層，M/P 處理較SP 和SM 處理分別顯著提高了土壤C/N 11.4% 和6.5%，M/P 處理較SP 和SM 處理分別顯著提高了土壤C/P 10.8%和21.3%，M/P 和SP 處理較SM 處理均顯著提高了土壤N/P 13.9%。P1 8 0水平下，在0—20 cm 土層，SM 處理較SP 和M/P 處理分別顯著提高了土壤C/N6.5% 和4.2%；在20—40 cm 土層，不同種植方式間C/N、C/P、N/P 差異不顯著。與P0 相比，P180 顯著降低了間作土壤C / N 2 . 3 %，分別顯著降低了土壤C/P、N/P 31.6%、33.0%。種植方式和磷水平的交互作用對C/N 無顯著影響，對C/P、N/P 存在極顯著影響。種植方式和土層、磷水平和土層、種植方式和磷水平及土層的交互作用對C/N、C/P、N/P 均無顯著影響。

2.4 施磷和種植方式對玉米和花生產量的影響

由表4 可知，種植方式、磷水平及其交互作用對產量有極顯著影響。P0 水平下，M/P 處理玉米產量顯著低于SM 處理 4.8%，M/P 處理花生產量顯著低于SP 處理 59.0%，M/P 處理花生和玉米總產量較SM 和SP 處理分別顯著提高了20.7% 和93.8%；P180 水平下，M/P 處理玉米產量顯著低于SM 處理8.1%，M/P 處理花生產量顯著低于SP 處理 59.0%，M/P 處理總產量較SM 和SP 處理分別顯著提高了11.7% 和112.0%。在相同種植方式下，與P0 相比，P180 水平下SM、SP 處理作物產量及M/P 處理下玉米產量、花生產量及其總產量分別顯著提高了54.0%、30.2%、48.7%、19.3% 和42.5%，LER 降低了 5.7%。

2.5 土壤碳氮磷含量及化學計量比與產量之間的相關性分析

由表5 可知，SOC 與TN、TP、SOCS、TNS、TPS、C/N 之間呈極顯著正相關（Plt;0.01），與產量之間呈顯著正相關（Plt;0.05），與C/P、N/P 之間呈極顯著負相關（Plt;0.01），土壤TN 與TP、TNS、TPS 之間呈極顯著正相關（Plt;0.01），與SOCS、C/N、產量之間均無顯著相關性，與C/P、N/P 之間呈極顯著負相關（Plt;0.01）；土壤TP 與SOCS、TNS、TPS、產量之間呈極顯著正相關（Plt;0.01），與C/N 之間無顯著相關性（Pgt;0.05），與C/P、N/P 之間呈極顯著負相關（Plt;0.01）；SOCS 與TNS、TPS、C/N 之間呈極顯著正相關（Plt;0.01），與C/P、產量之間無顯著相關性，與N/P 之間呈極顯著負相關（Plt;0.01）；TNS 與TPS之間呈極顯著正相關（Plt;0.01），與C/N、產量之間無顯著相關性，與C/P、N/P 之間呈極顯著負相關（Plt;0.01）；TPS 與C/N 之間無顯著相關性，與C/P、N/P之間呈極顯著負相關（Plt;0.01），與產量之間呈極顯著正相關（Plt;0.01）；C/N 與C/P、N/P、產量之間無顯著相關性；C/P 與N/P 之間呈極顯著正相關（Plt;0.01），與產量之間呈極顯著負相關（Plt;0.01）；N/P 與產量之間呈極顯著負相關（Plt;0.01）。

3 討論

3.1 施磷對不同種植方式下土壤碳氮磷含量和儲量的影響

本研究中，增施磷肥顯著提高了土壤有機碳含量（表1），這與王朔林等[19]研究結果相似，他們通過栗褐土長期施肥定位試驗發現，施磷肥下的土壤顆粒有機碳含量較不施磷肥的處理有增加的趨勢，說明磷肥對有機碳含量的增加有一定的促進作用。這是由于施肥促進了作物根系生長，提高了根際微生物的活性，致使根系分泌物與植物殘體增多，導致土壤有機碳含量增加[20]。有研究表明，施加磷肥可以顯著提高土壤有機碳的含量[21]，減少表土中有機質的分解[22]，進而增加有機碳儲量。本研究中，與不施磷肥相比，施磷肥能夠提高土壤有機碳儲量（表2），這表明施磷對增強土壤有機碳儲存固定有重要意義，這是因為施肥增加了土壤中的根系分泌物，提高了土壤中作物殘留的根輸入，補償了土壤中有機質的消耗或者礦化造成的損失。土壤有機碳儲量隨著土層深度的增加而增加（表2），這是因為隨著有機質的長年積累，土壤養分不斷向深層累積，而且以豆科植物為主的間作系統可以增加作物的根系生物量，這些豆科植物為多年生植物，可以不斷更新它們的根系，使更多難以降解的土壤有機質固存到土壤中，導致土壤有機碳儲量增加。

單作種植方式中，單作花生的土壤全氮含量高于單作玉米（表1），這是由于花生不僅擁有大量的固氮菌種群，通過吸收土壤中的養分促進菌根的生長，固定土壤中的氮，此外，豆科作物還可以固定大氣中的氮氣，來補充土壤中的氮素，從而提高土壤中的氮素含量[23?24]。俄勝哲等[25]在黃土高原黑壚土地區的研究結果表明，長期施用化肥可增加該地區土壤全氮含量。本研究中，與不施磷肥相比，適當增施磷肥提高了土壤全氮含量（表1），這是因為磷肥的施用有助于作物根系的發育，增加與土壤的接觸面積，促進根系對養分的吸收[26]，因此磷肥添加下土壤全氮含量增加，這與Wang 等[27]研究結果相似。與不施磷肥相比，施磷肥能夠提高土壤全氮儲量（表2），一方面是因為秸稈還田配施化肥可顯著增加土壤全氮含量、作物產量和根茬還田量，根茬還田量的增加又進一步增加了土壤全氮含量，形成了相互促進的互饋關系[25]；另一方面是因為磷肥的添加增強了土壤團聚體的穩定性，物理保護與化學結合作用又促進了土壤對氮的吸收與積累。

與不施磷肥相比，施磷肥后提高了土壤全磷含量（表1），這與劉凱等[28]的研究結果相似，他們通過研究長期不同施肥處理下，水稻不同生育時期土壤微生物量磷的動態變化與差異，發現與不施磷相比，施磷能顯著提高土壤全磷含量，這是由于適量的磷肥促進根系生長，增加了根系分泌物，導致更多的根系分泌物和殘留物進入土壤[29]，因此磷肥添加下土壤全磷含量增加[30]。與不施磷肥相比，施磷肥能夠提高土壤全磷儲量（表2），原因是施磷量超過作物吸收量，導致土壤磷素盈余，進而增加土壤磷儲量。土壤全磷儲量隨土層深度的增加而減少，可能是因為每年施用的磷肥會補充表層土壤中被作物所吸收的養分，進而導致表層土壤磷儲量高于深層土壤。

3.2 施磷對不同種植方式下土壤碳氮磷化學計量比的影響

土壤C/N、C/P、N/P 是碳、氮、磷元素總質量的比值，不同種植方式和磷水平對土壤C、N、P 元素含量及儲量有著深刻的影響，碳氮磷化學計量隨之發生變化。化學計量特征可以反映土壤C、N、P 的礦化和固持作用，并指示土壤營養元素的限制及其有效性[31]。土壤C/N 是衡量土壤質量和碳氮養分平衡狀況的指標，且土壤C/N 的大小將影響土壤有機碳與氮循環，土壤C/N 值越高，表明氮素的利用效率越高，有機質的礦化速率越低[32]。本研究結果表明，在單作種植方式中，單作花生的土壤C/N 較低（表3），說明土壤中氮素含量較高，這與康曉祺等[33]所測得的土壤全氮含量特征相同。這是由于花生擁有大量的固氮菌種，能提高土壤中的氮含量[34]。與不施磷肥相比，施磷肥降低了間作土壤C/N （表3），說明施用磷肥促進了間作條件下土壤中有機碳的分解速率，導致有機質分解程度高，這可能是增施磷肥后產生的各種酶和有機酸，促進了頑固性碳的分解，使碳更快地被作物利用，導致土壤有機碳減少[35]。

土壤C/P 是反映磷素礦化能力的指標之一，可用于衡量土壤釋放和吸收固持磷的潛力，C/P 越低，磷利用率越高[36]。本研究結果表明，施磷后，土壤C/P 降低（表3），這與平懷香等[35]的研究結果一致，說明施磷提高了土壤磷的有效性，這可能是因為長期施用磷肥使得土壤中殘留了大量磷素，進而導致土壤C/P 降低。

土壤N/P 不僅是確定土壤養分限制閾值的重要指標，還會直接影響植物的養分利用效率，N/P 越低，表明作物生長受氮限制，N/P 越高，表明作物生長受磷限制[15]。本研究中，施用磷肥降低了N/P（表3），說明施磷加速了土壤氮的消耗，可能導致土壤氮對作物生長的限制，這可能是磷肥添加后刺激了作物的生長，地下生物量增加，會吸收更多的養分，進而導致氮的消耗。

3.3 施磷對不同種植方式下玉米和花生產量的影響

禾本科作物的間套作，其產量一般低于高產作物單作，但高于低產作物單作[37]。本研究結果表明，在間作系統中，各作物產量雖有所降低，但系統總產量高于單作，且LERgt;1 （表4），這與Zan 等[17]研究結果一致，說明玉米/花生間作方式有增產優勢，這是因為玉米花生對資源的利用存在互補性，作物之間呈現出以利用性競爭為主的態勢。在間作種植體系中，花生產量降低幅度較大的原因可能是玉米/花生間作優勢主要來源于玉米花生種間相互競爭、互補效應，在其共處期，由于花生受玉米遮蔭影響而導致受光不足，生長受到抑制，影響了花生的生長發育和物質合成[38]。本研究結果表明，磷肥對間作玉米、花生產量存在極顯著的正效應，與不施磷相比，施磷能提高間作玉米、花生產量，這是因為磷肥可以直接參與花生光合作用的光合磷酸化和碳同化過程，提高間作玉米羧化固定CO2 和凈光合速率，改善光照環境，促進作物生長和產量的提高[4， 39]，這與陳俊南等[3]的研究結果一致。

有機碳是土壤肥力的核心和農業可持續發展的基礎，對提升作物產量和生態系統固碳有重要意義[40]。氮、磷作為作物生長的必需營養元素，積極參與細胞結構物質合成以及能量代謝等生理過程，是與作物生產密切相關的營養元素[41]。胡延斌等[42]通過研究土壤有機碳、全氮、全磷及碳氮比對玉米生產的影響，發現一定閾值內土壤有機碳、全氮、全磷含量及碳氮比對玉米產量表現出積極的正效應，超出一定閾值后玉米產量的增長出現減緩甚至下降趨勢。本研究中，作物產量與碳氮磷含量呈正相關，這說明SOC、TN、TP 含量對提升作物產量有重要意義。

4 結論

與單作相比，玉米和花生間作能夠更好地利用自然資源，具有一定的間作優勢，施磷能提高玉米花生產量，改善土壤養分狀況。間作土壤碳氮磷含量隨土層的加深而降低，土壤碳儲量隨土層的加深而增加，磷儲量隨土層的增加而降低。與施磷相比，種植方式并沒有顯著改變土壤化學計量特征。長期施用磷肥降低了間作的C/N 及土壤C/P、N/P。因此，在華北地區玉米和花生間作的種植過程中可適當增施磷肥，進而提高養分含量，增加作物產量，為緩解華北平原地區糧油爭地矛盾做出貢獻。