張夢瑤，肖靖秀，湯 利，鄭 毅,2*

（1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2 云南省教育廳，昆明 650223）

磷是限制植物生長發(fā)育的營養(yǎng)元素之一[1]，施磷肥是保證植物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施之一[2]。當(dāng)前我國部分土壤由于長期施磷，磷素已經(jīng)盈余過多，農(nóng)田成為了巨大的潛在磷庫[3]，加上磷的不可再生性導(dǎo)致全球磷儲量不斷減少，磷資源匱乏已引起人們的關(guān)注[4]。

合理間作在提高養(yǎng)分資源利用效率方面發(fā)揮著重要作用[5]。在小麥-白羽扇豆[6]、玉米-花生[7]、玉米-蠶豆[8]等間作體系中，種間促進(jìn)作用顯著提高了磷的吸收。Li等[9]在低磷土壤上的研究還發(fā)現(xiàn)，蠶豆分泌的質(zhì)子和有機(jī)酸活化了土壤難溶性磷，提高了與之間作玉米的磷吸收。這些現(xiàn)象表明合理的間作能顯著改善作物的磷營養(yǎng)狀況。但前人的研究大多關(guān)注石灰性土壤及低磷脅迫下間作對土壤磷的活化效應(yīng)，不同施磷條件下，間作對紅壤根際有效磷含量影響的研究尚少；間作條件下作物磷吸收響應(yīng)磷肥施用的研究尚未見深入報(bào)道。

小麥-蠶豆間作是西南地區(qū)主要的小春作物種植模式之一，具有顯著的增產(chǎn)、控病優(yōu)勢[10-12]。已有研究表明，小麥-蠶豆間作的根際分泌物可以促進(jìn)根際紅壤中磷的活化，也可使小麥根際土壤有效磷較單作有所增加[13-15]，且在較低的肥力水平下，間作具有更明顯的資源利用優(yōu)勢[16]。但在不同磷水平下，小麥-蠶豆間作對根際土壤有效磷含量及作物磷吸收量的影響尚不明確。因此，本研究以小麥-蠶豆間作為研究對象，通過兩年田間試驗(yàn)，明確不同磷水平下單、間作作物根際有效磷含量的動態(tài)變化及間作對作物磷吸收量的影響，為進(jìn)一步揭示小麥蠶豆間作促進(jìn)紅壤磷的高效利用及磷肥合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)尋甸大河橋試驗(yàn)基地 (N23°32′、E103°13′，海拔 1953 m)，地處昆明市東北部，供試土壤為長期熟化的耕作紅壤。氣候條件屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫為14.7℃，年降雨量為1040 mm。2015—2016和2016—2017小麥、蠶豆種植季的平均氣溫如圖1所示。

供試土壤的基本農(nóng)化性狀為：有機(jī)質(zhì)35.05 g/kg、全氮1.40 g/kg、堿解氮80.31 mg/kg、速效鉀146.42 mg/kg、有效磷17.09 mg/kg、pH值7.18。

小麥、蠶豆單作及間作田間試驗(yàn)布置于2014年10月，前茬作物為玉米。供試小麥品種為云麥-52，蠶豆品種為玉溪大粒豆。小麥-蠶豆間作田間試驗(yàn)建立后，小麥、蠶豆于每年的10月25—27日播種、次年4月底收獲。5—9月土壤休閑。本試驗(yàn)研究在田間試驗(yàn)建立后第二年開始采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)研究分析。

圖1 大河橋試驗(yàn)地2016和2017年度氣溫和降水量Fig. 1 Monthly average air temperature and precipitation during the field experiments in 2016 and 2017

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)處理含磷水平和種植制度兩因素，施磷水平設(shè)P2O5施用量0、45和90 kg/hm2，記為P0、P45、P90。P90為常規(guī)用量，P45為減施50%用量。種植方式包括小麥單作 (MW)、蠶豆單作 (MF) 和小麥-蠶豆間作 (I)。試驗(yàn)設(shè)3個磷水平、3種種植模式，共9個處理，每個處理重復(fù)三次，小區(qū)面積32.4 m2(5.4 m ×6 m)。單作小麥條播種植，行距0.2 m；單作蠶豆行距0.3 m，株距0.1 m。小麥-蠶豆間作種植密度與單作相同，均為6行小麥間2行蠶豆，每個間作小區(qū)內(nèi)有3個小麥種植帶和3個蠶豆種植帶。間作小區(qū)小麥-蠶豆間作行距為0.2 m。

試驗(yàn)所用磷肥、氮肥、鉀肥分別為普通過磷酸鈣、尿素和硫酸鉀，過磷酸鈣180 kg/hm2和硫酸鉀100 kg/hm2作為基肥在小麥、蠶豆播種前一次性施入。蠶豆尿素90 kg/hm2作基肥在播種前一次施用，小麥尿素90 kg/hm2做基肥，90 kg/hm2在小麥拔節(jié)期追施。單作和間作處理的小麥和蠶豆的肥料用量、種植密度、灌溉方式在等面積下都是相同的。施肥灌溉等方法和當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)農(nóng)田管理模式一致。

1.3 取樣與分析

每年田間試驗(yàn)，在小麥分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期，蠶豆分枝期、開花期、結(jié)莢期、籽粒膨大期、收獲期采取根際土樣，根際土采用“抖土法”，隨機(jī)多點(diǎn)混合采樣。所采取的土樣風(fēng)干研磨以后測定有效磷含量，測定采用Olsen法。

在小麥蠶豆收獲期測定單、間作小麥、蠶豆產(chǎn)量，測定作物地上部磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)處理使用Excel，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS17.0軟件進(jìn)行Two-way Anova多重比較分析。

用土地當(dāng)量比 (LER) 來衡量間作優(yōu)勢，LER =(Yiw/Ysw) × 2/3 + (Yif/Ysf) × 1/3。式中：Yiw和 Ysw分別表示間作小麥和單作小麥的產(chǎn)量；Yif和Ysf分別表示間作蠶豆和單作蠶豆的產(chǎn)量，2/3和1/3指的是田間試驗(yàn)間作小麥蠶豆和單作小麥蠶豆種植面積的比例。當(dāng)LER (土地當(dāng)量比) 值大于1時，表明此間作體系具有產(chǎn)量優(yōu)勢；若LER小于1，則表明間作體系沒有優(yōu)勢[17]。

磷吸收量 = 磷濃度 × 生物量。用磷肥農(nóng)學(xué)利用率來反映磷肥的吸收效率，磷肥農(nóng)學(xué)利用率 = (施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量 - 不施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施磷量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷水平下小麥蠶豆間作對作物產(chǎn)量的影響

2016年P(guān)0、P45、P90水平下LER分別為1.12、1.13和1.09，2017分別為0.95、1.18和1.05。從兩年的結(jié)果來看，間作產(chǎn)量優(yōu)勢 (LER數(shù)值的大小) 受磷水平的調(diào)控，從LER數(shù)值大小來看，總體表現(xiàn)為P45〉 P90，2016 年差異達(dá)顯著水平 (圖 2)。

間作對作物產(chǎn)量的影響年際間變化較大，2016年小麥單作和間作產(chǎn)量總體顯著高于2017年，蠶豆產(chǎn)量單作和間作兩年差異較小 (圖3)。2016年間作小麥產(chǎn)量三個磷水平下均顯著高于單作，P0、P45、P90水平下分別增加了12.5%、21.7%和17.3%。而2017年P(guān)0和P45水平下較單作分別增加了14.4%和18.8%。

2017年，單作蠶豆產(chǎn)量總體顯著高于間作產(chǎn)量，P0、P45、P90水平下間作蠶豆產(chǎn)量較單作分別降低了16.8%、11.7%和8.2% (圖3)。

2.2 不同磷水平下小麥蠶豆間作對根際有效磷含量的影響

兩年的田間試驗(yàn)表明，除2016年間作降低了小麥成熟期根際有效磷含量外，間作種植對小麥根際有效磷含量均無影響 (表1)。與P0和P45水平相比，P90水平僅在小麥拔節(jié)期顯著提高了根際有效磷含量，在其他生育期不同施磷水平間根際有效磷含量無差異。但是，由于種植模式和磷肥施用水平交互作用顯著，2016年在小麥抽穗期，P90水平下間作較單作顯著提高了小麥根際有效磷含量28.4%；在小麥灌漿期，P0水平下，間作有效磷含量顯著高于單作30.9%。同樣，在2017年小麥成熟期，P45水平下，間作有效磷含量低于單作，達(dá)到顯著差異。說明不同磷肥施用水平下小麥-蠶豆間作改變了特定生育期小麥根際有效磷含量，但是年際之間變異較大。

圖2 不同磷肥施用水平下小麥蠶豆間作體系土地當(dāng)量比Fig. 2 Land equivalent ratio (LER) of wheat and faba bean intercropping system under different phosphate application levels

圖3 不同磷肥施用水平下單、間作小麥和蠶豆的籽粒產(chǎn)量Fig. 3 Yields of inter- and mono-cropped wheat and faba bean under different P rates

與小麥不同，間作種植改變了不同生育期蠶豆根際有效磷含量。2016年，間作顯著提高了蠶豆分枝期根際有效磷含量10%；2017年，在蠶豆分枝期、開花期、結(jié)莢期，間作則分別降低蠶豆根際有效磷含量20.8%、44.5%和18%。與P0和P45水平相比，P90水平顯著提高了蠶豆根際有效磷含量，尤其是在蠶豆分枝期和蠶豆開花期。同樣，由于磷肥施用水平和種植模式交互作用顯著，2016年P(guān)90水平下，蠶豆分枝期和開花期，間作顯著提高了蠶豆根際有效磷36.9%和25.4%；而2017年，P45水平下，間作分別降低蠶豆分枝期及開花期根際有效磷37.7%和45.0%；P90水平下間作降低開花期蠶豆根際有效磷含量56.5% (表2)。

2.3 不同磷水平下小麥蠶豆間作對磷吸收量的影響

由表3可以看出，在小麥產(chǎn)量較高的2016年，施磷增加了小麥的吸磷量，但沒有達(dá)到顯著水平，在產(chǎn)量較低的2017年，施磷沒有增加小麥的吸磷量。2016年，施磷顯著增加了蠶豆的磷素吸收量，但P45、P90水平間差異不顯著。2017年施磷處理蠶豆的磷吸收量不僅沒有增加，反而有所降低，P90水平的間作蠶豆吸磷量顯著低于P0水平 (表3)。綜合比較2016、2017兩年的田間試驗(yàn)結(jié)果，施磷顯著提高了作物的磷吸收量，但種植模式對小麥磷吸收量沒有影響，施磷水平和種植模式交互作用顯著。

表1 小麥不同生育期根際土壤有效磷含量 (mg/kg)Table 1 Available phosphorus contents in rhizosphere soil of wheat at different growing stages

2.4 不同磷水平下間作對小麥磷肥農(nóng)學(xué)利用率的影響

不同施磷量對磷肥農(nóng)學(xué)利用率影響顯著，但不同種植模式對磷肥農(nóng)學(xué)利用率無顯著影響 (表4)。2016年減磷1/2 (P45) 較常規(guī)施磷 (P90) 提高磷肥農(nóng)學(xué)利用率54.8%，2017年減磷1/2處理下較P90水平則降低磷肥農(nóng)學(xué)利用率38.9%。

3 討論

3.1 不同磷水平下小麥蠶豆間作對作物產(chǎn)量的影響

本研究表明，在有效磷含量中等 (Olsen-P 17 mg/kg)的土壤上，小麥蠶豆間作產(chǎn)量同時受施磷水平和種植模式的影響。間作主要是提高小麥產(chǎn)量而顯示間作產(chǎn)量優(yōu)勢，這與前人在小麥蠶豆間作試驗(yàn)的研究結(jié)果一致[13-14,18]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著施磷量的增加，小麥產(chǎn)量也隨之增加，這與胡雨彤等[19]試驗(yàn)結(jié)果一致。但P45、P90水平下，蠶豆產(chǎn)量則無顯著差異。說明在有效磷含量中等的土壤上，小麥較蠶豆而言對磷肥用量更為敏感。并不需要當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)用量90 kg/hm2施磷量即可滿足蠶豆的生長需要。適當(dāng)增施磷肥可以促進(jìn)豆科作物根瘤的形成、提高豆科作物產(chǎn)量[20-21]。但是本試驗(yàn)條件下，并未發(fā)現(xiàn)磷肥減施顯著降低了單間作蠶豆的產(chǎn)量，磷肥減施是否改變了單間作蠶豆根瘤的形成，它們兩者之間的關(guān)聯(lián)如何？尚需進(jìn)一步深入探討。

本研究表明在減磷1/2處理下，LER值最大。在當(dāng)前磷肥用量下，P45水平下間作小麥蠶豆產(chǎn)量與P90水平下單作相比，并未降低產(chǎn)量，反而有增產(chǎn)的趨勢，說明間作在減磷的情況下具有維持作物產(chǎn)量的潛力，這為深入研究間作系統(tǒng)磷肥減施、提高磷肥利用效率提供了有力的證據(jù)。但具體小麥蠶豆間作系統(tǒng)中，磷肥減施量及其最佳磷肥用量推薦，還需深入研究。

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

兩年的試驗(yàn)結(jié)果均表明，小麥蠶豆間作具有間作產(chǎn)量優(yōu)勢。但是，年際之間產(chǎn)量及間作增產(chǎn)效應(yīng)差異較大 (圖3)。從兩年的田間氣象數(shù)據(jù)來看 (圖1)，2015—2016年小麥蠶豆種植季，前期氣溫低，后期高；而2016—2017年則正好相反。這可能是造成年際差異的主要原因。因此，小麥蠶豆間作的產(chǎn)量特征及間作效應(yīng)還需要多年的田間試驗(yàn)進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

3.2 不同磷水平下小麥蠶豆間作對根際有效磷含量的影響

王宇蘊(yùn)等[13]、張德閃等[14]的研究表明，小麥蠶豆間作顯著地提高了小麥根際土壤有效磷含量，但本研究結(jié)果表明 (表1)，間作幾乎對小麥根際有效磷含量無影響。張麗等[22]在玉米大豆間作系統(tǒng)中的研究表明，間作能夠促進(jìn)玉米植株對土壤有效磷的吸收，導(dǎo)致根際有效磷的耗竭。而本試驗(yàn)條件下，小麥蠶豆間作對小麥地上部磷吸收也沒有影響。這可能與土壤條件、試驗(yàn)環(huán)境不同有關(guān)。與小麥不同的是，2017年的結(jié)果表明，間作種植顯著降低了蠶豆根際有效磷含量，但是地上部磷的吸收也沒有差異?？傊瑥谋狙芯縼砜?，小麥蠶豆間作確實(shí)是改變了根際有效磷含量，但是年際之間變異較大。

禾本科作物和豆科作物的根際過程差異較大，因此，豆科-禾本科作物間作會顯著改變根際有效磷含量及磷的循環(huán)[23]。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，不同磷水平下，種植模式和磷肥施用水平顯著改變了蠶豆根際有效磷含量。但值得關(guān)注的是，雖然間作改變了蠶豆根際有效磷含量，但間作對蠶豆地上部磷吸收量并沒有影響，說明間作種植改變了土壤磷的轉(zhuǎn)化過程，但是不同磷水平下間作如何調(diào)控豆科作物磷的吸收，仍需要深入分析。兩年田間試驗(yàn)均證實(shí)，由于磷素的吸收主要集中在生育前期，后期的磷素營養(yǎng)主要依靠磷在作物體內(nèi)的周轉(zhuǎn)來完成。因此，磷肥施用水平主要影響小麥、蠶豆生長前期根際有效磷含量；當(dāng)小麥蠶豆進(jìn)入生殖生長階段后，根際有效磷含量并不受磷肥施用水平的調(diào)控 (除2017年收獲期)；同時，小麥蠶豆間作也主要是改變了蠶豆生長前期根際有效磷的含量 (表2)。然而，不同磷水平下，小麥蠶豆間作系統(tǒng)中，根際有效磷含量的改變與作物地上部磷的吸收有怎樣的關(guān)系，其對間作產(chǎn)量優(yōu)勢的形成貢獻(xiàn)如何，目前尚不清楚。

表3 小麥和蠶豆磷吸收量 (kg/hm2)Table 3 Total amounts of phosphorus uptake by wheat and faba bean

表4 2016和2017年小麥磷肥農(nóng)學(xué)利用率 (kg/kg)Table 4 Phosphorus agronomy efficiency of wheat in 2016 and 2017

3.3 不同磷水平下小麥蠶豆間作對磷吸收的影響

本試驗(yàn)條件下，種植模式對磷吸收量沒有影響(表3)。但由于種植模式和磷肥施用水平的交互作用，2016和2017年P(guān)45水平間作下小麥、蠶豆磷吸收量與P90水平單作相比均未降低，說明間作在適當(dāng)減磷的情況仍能維持作物磷吸收量，與前人研究一致[24-25]。

總體來看，小麥蠶豆間作在減磷條件下可以維持作物產(chǎn)量和磷吸收量，說明在土壤有效磷含量中等的條件下，小麥-蠶豆間作存在節(jié)約施磷的空間，但具體磷肥減施量還需進(jìn)一步研究。此外，磷肥施用方式可能也影響磷肥的吸收和利用，因此，今后在間作體系中還應(yīng)考慮施肥量和施肥方法相結(jié)合，以進(jìn)一步提高磷肥利用效率。

本試驗(yàn)表明，不同種植模式對磷肥農(nóng)學(xué)利用率并無顯著影響，這與孫寶茹[26]研究結(jié)果有相似之處。易均等[27]試驗(yàn)提出，降低10%～20%的磷肥施用量可以提高磷肥農(nóng)學(xué)利用率，這與本試驗(yàn)2016年減磷1/2處理趨勢一致，減磷處理下小麥磷肥農(nóng)學(xué)利用率顯著高于當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施磷，說明該地區(qū)適當(dāng)減磷可以提高磷肥的農(nóng)學(xué)利用率。2017年小麥磷肥農(nóng)學(xué)利用率在減磷1/2水平下低于常規(guī)施磷，這是由于2017年減磷1/2水平與P0水平相比，并沒有顯著提高小麥產(chǎn)量，P90水平下小麥增產(chǎn)更顯著造成的，這或許與兩年的氣候差異有關(guān)。關(guān)于不同磷水平下豆科-禾本科間作對磷肥農(nóng)學(xué)利用率的影響，尚需進(jìn)一步深入研究，探明具體的作用機(jī)制。

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)匦←?蠶豆間作條件下，減磷1/2 (P45) 與常規(guī)施磷 (P90) 水平相比，間作可以維持根際有效磷含量及磷吸收量，為間作在減磷下維持產(chǎn)量提供了條件。以往一些文章旨在研究如何提高根際土壤中有效磷的含量，但從本研究來看，在維持作物產(chǎn)量、土壤有效磷含量、作物磷吸收量的前提下，適當(dāng)降低供磷水平，提高磷肥的利用效率，應(yīng)作為今后研究的重點(diǎn)。此外，本研究雖然系統(tǒng)分析了小麥-蠶豆間作系統(tǒng)中的根際有效磷-作物磷吸收-作物產(chǎn)量，但是小麥-蠶豆間作系統(tǒng)中三者之間的關(guān)系尚不能清楚地解析，需更多地深入研究探討。

4 結(jié)論

不同磷肥施用水平下，小麥蠶豆間作具有產(chǎn)量優(yōu)勢，土施利用當(dāng)量介于0.95～1.18，單位面積的產(chǎn)量高于小麥、蠶豆單作。

小麥蠶豆間作主要是改變了蠶豆生育前期根際有效磷含量，而對小麥根際有效磷含量幾乎沒有影響。小麥的磷吸收及磷肥農(nóng)學(xué)利用率主要受不同磷水平的調(diào)控，而不受種植模式的影響。小麥-蠶豆間作具有減磷并能維持作物產(chǎn)量和根際土壤有效磷含量的潛力。