戴 杰 刘亚林 李春杰* 李海港
(1.中国农业大学 资源与环境学院,北京 100193;2.内蒙古农业大学 草原与资源环境学院,呼和浩特 010018)
磷是植物正常生长发育的必需元素[1-2]。无论是在自然陆地生态系统还是农田生态系统,植物生长普遍受到磷限制[3]。农业生产上为达到持续增产目的,不断增施磷肥,而且磷的有效利用效率低,导致磷矿资源日益耗竭。如何提高磷的有效利用是影响农田生态系统中作物生长和生产力的重要因素,与未来农业可持续绿色发展密切相关。
作物间套作是普遍采用的一种重要的多样化种植模式,可高效利用土壤养分等资源提高单位耕地生产力[4-6]及作物产量[7-8]。间套作是指2种或2种以上的作物通过分行或者分条带种植在同一地块的种植方式[9-10]。间作的作物种类和组合丰富多样。豆科作物常被用于间作体系,能起到增加农田生物多样性,提高资源利用效率[11]的作用,如玉米‖苜蓿[12]、玉米‖大豆[13]、玉米‖蚕豆[14]、小麦‖大豆[15]等体系对于磷元素的利用效率较高。玉米‖蚕豆间作是我国西北地区广泛种植的间作体系[16],较单作具有较高的产量[17],其机制主要是玉米‖蚕豆间作具有显著的磷吸收种间促进作用[18-20]。
目前已有关于禾本科‖豆科作物间作体系磷吸收的种间促进作用的研究[21]。如白羽扇豆‖小麦间作等体系中发现白羽扇豆促进小麦的磷吸收[22];玉米‖蚕豆间作较单作玉米或单作蚕豆提高了磷的利用率[23]。种间磷吸收的促进作用机制主要是豆科作物根系分泌的有机酸、酸性磷酸酶、质子等对土壤难溶性磷的活化能力较强,可提供自身和相邻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较高,而在距离根系4 mm处与土体土壤水平一致[24]。因此根系分泌物的分布范围较窄,作物的种间相互作用依赖于根系的邻近。已有研究表明,在玉米‖花生间作体系中,玉米对于相邻作物花生铁营养状况的改善程度与这2种作物的根系间距密切相关,当花生距离玉米越近时,花生叶片中铁含量越高且缺铁黄化的现象也越少[25]。
虽然已有研究探讨了禾本科‖豆科间作体系种间互作促进养分吸收的特点[26-27],但对于豆科作物通过根系互作促进禾本科作物磷吸收的机理及其与间作作物根系间距的关系有待进一步研究。因此,为证明间作蚕豆对玉米磷吸收的种间促进作用依赖于根系的邻近和交叉,本研究拟以禾本科作物玉米为目标作物,设置单株玉米、单作玉米、玉米‖蚕豆间作这3种种植方式以及相邻作物存在时设置较近和较远的作物间距,测定植株地上部生物量和磷含量、根际pH、酸性磷酸酶活性、有机酸浓度和根系形态参数,探究玉米和蚕豆根系互作间距对玉米磷吸收的种间促进作用,以期为揭示种间养分吸收的竞争与互惠机理以及间作体系设计合理的种间株距提供理论依据。
1.1 试验设计
本试验于2021-01-13—2021-03-07在中国农业大学资源与环境学院温室(40°01′ N,116°16′ E)进行。培养条件为日间自然光照,每天17时至22时进行夜间补光处理,补光的光强为1 500 LUX。试验期间日间平均温度为18～24 ℃,夜间平均温度为8～13 ℃。试验的供试玉米品种为郑单958(ZeamaysL.cv.ZD958),蚕豆品种为临蚕5号(ViciafabaL.cv.Lincan5)。供试土壤为中性砂壤土,采集于山东省烟台市(37°14′ N,120°34′ E)。供试土壤的基本理化性质为：有机碳12.0 g/kg、全氮0.7 g/kg、总磷181 mg/kg、有效磷8.3 mg/kg、速效钾82 g/kg、pH 6.8(水土比为2.5∶1)。
试验装置为图1(a)所示的圆柱形根箱：该装置整体为圆柱形透明设计,高15 cm,通过俯视图中2个同心圆隔开区域,外径15 cm内径12 cm。同心圆间区域装入供试土壤。
本试验以玉米为目标作物,共设计5个处理,如图1(b)所示,4次重复,共计20盆：1)无相邻作物：单株玉米(SM);2)相邻作物为同种作物玉米：单作玉米(M-M)且作物间距较近,在圆柱形根箱中作物间距最小(CP M-M);3)单作玉米且作物间距较远,在圆柱形根箱中作物间距最大(NP M-M);4)相邻作物为不同种作物蚕豆(M-F)且作物间距较近(CP M-F);5)玉米‖蚕豆间作且作物间距较远(NP M-F)。
三角形代表玉米;椭圆形代表蚕豆。SM为单株玉米,CP M-M为单作玉米(2株玉米间距较近),NP M-M为单作玉米(2株玉米间距较远),CP M-F为间作玉米(玉米蚕豆间距较近),NP M-F为间作玉米(玉米蚕豆间距较远)。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.图1 试验装置(a)和不同试验处理的俯视示意图(b)Fig.1 Schematic diagram of the microcosm pot (a) and the top view of different experimental treatments (b)
1.2 试验方法
供试土壤风干,去除植物残体后均过2 mm筛备用。试验中所需要的氮、磷、钾肥以及其他中微量元素养分全部用作基肥,配制土培营养液后施入土壤中。磷肥选用KH2PO4,施磷水平为20 mg/kg,作物生长所必需的其他营养成分通过已配制的营养液均匀施入供试土壤,其纯养分添加量分别为(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。土培营养液加入土壤,风干后过2 mm筛以充分混匀。每个试验装置装均匀混肥的土壤1 kg,并于播种前一天每盆浇水170 mL(最大田间持水量的75%)。
挑选大小、饱满程度一样的玉米、蚕豆种子,催芽数量为播种量的4倍,先用10%过氧化氢(H2O2)表面消毒30 min,然后用去离子水冲洗干净,通气条件下在饱和CaSO4溶液中浸泡一晚,然后放在托盘里,托盘上放置大张滤纸并使之湿润,种子放置于2层湿润的滤纸中间,盖上黑色塑料薄膜避光。玉米催芽1 d,蚕豆催芽2 d,放在恒温培养室等待种子萌发。种子萌发长出约1 cm的芽后,根据试验处理选取根系生长一致的种子整齐播入装置中,种植深度约2 cm。单株玉米处理每盆播种2 粒,单作玉米每盆播种4粒,玉米‖蚕豆间作处理每盆播种2粒玉米和2粒蚕豆。播种约14 d后间苗,保留株高、茎粗、叶片数等长势一致的作物幼苗。其中,单株玉米处理保留1株玉米,单作玉米处理保留2株玉米,玉米‖蚕豆间作处理保留玉米和蚕豆各1株,相邻作物间距依照试验设计处理。试验期间采用称重法浇水保证每个装置重量恒定,使作物满足对于水分的需求,于播种后54 d观察到不同处理间的长势差异并进行收获。
收样时将完整的根系从供试土壤中取出,从植株基部的茎节下部将地上部植株与根系分开,每个处理的作物地上部和地下部分开收取,土壤中的根系尽量收获完全。采用抖根法轻轻抖去根系周围松散的土壤(该部分土壤被视为“土体土”),紧紧附着在蚕豆和玉米根系表面的土壤被视为“根际土”,并收集根际土和土体土。按照m(根际土)∶V(0.2 mmol/L CaCl2溶液)=1∶4制备根际土土壤悬浊液,用于测定根际过程的根际土pH、酸性磷酸酶活性、有机酸浓度等。
1.3 测定指标及方法
1.3.1生物量
植株地上部生物量的测定采用称量法。将收获的作物玉米和蚕豆根据上述收样方式放入信封中,在105 ℃的烘箱中杀青30 min后放入70 ℃烘箱中烘干至质量不变后于天平上称重。
1.3.2磷含量
植株全磷测定采用H2SO4-H2O2消煮后钒钼黄比色法。植物地上部样品称重后粉碎,用H2SO4-H2O2消煮后,采用钒钼黄吸光光度法进行显色反应,并使用分光光度计在440 nm比色,其吸光度和磷浓度成正比。与此同时,制作标准曲线,计算出作物全磷含量。
1.3.3根际土测定
pH测定采用电位法。0.2 mmol/L CaCl2溶液浸提,水土比为2.5∶1,使用Mettler Toledo Seven2Go S2 pH计。
酸性磷酸酶活性的测定的方法参照Neumann[28],通过比色法测定释放的p-NP(对硝基酚)的含量,计算单位根际土单位时间内产生p-NP的量从而估测酸性磷酸酶活性。
有机酸浓度的测定采用高效液相色谱法[29],根据已知标准品的保留时间以及标准曲线进行定性分析和定量分析待测样品的浓度。
根系形态参数采用Epson Perfection V850 Pro型根系专用扫描仪扫描根系[30],并使用Winrhizo软件分析根系扫描图片,测定作物根系生长的相关参数,包括总根长(TRL,Total root length)、总根表面积(TSA,Total surface area)等根系形态指标。
1.4 数据处理及分析
1.4.1数据计算
相对互作强度(RII)可用于比较间作或单作对于目标作物表现的影响,从而估测目标作物对竞争反应的大小[31-33]。相对互作强度的计算基于已有研究[31,34]进行了修正。具体计算公式如下：
式中：xi为有相邻作物时目标玉米的地上部生物量;xi′为没有相邻作物时目标玉米的地上部生物量;x为xi和xi′中数值较大的值。n为(xi-xi′)值的数量。在本试验中每个有相邻作物处理的重复数为4,单株作物处理的重复数为4,因此(xi-xi′)的值将有4×4=16个,即n为16。
RII值-1～1[32]：RII值为0时,表示目标玉米不受相邻作物的影响;RII值为负值时,表示相邻作物之间存在相对竞争;RII值为正值时,表示目标作物玉米可以从相邻作物受益。i和i′是2个随机抽取的个体,在本试验中由于每种处理有4次重复i可相应取值1、2、3和4。
1.4.2数据分析
数据记录及简单处理运用Microsoft 2016 Excel,数据间显著性检验运用IBM SPSS Statistics 26.0进行分析,绘图运用GraphPad Prism 8。
2.1 玉米地上部生物量的测定
玉米地上部生物量的结果见图2(a)。可见无论根系间距远近,相邻作物的存在均降低了目标玉米的地上部生物量：作物根系间距较近时,相比于单株玉米,单作玉米的地上部生物量降低21%,间作玉米降低34%;作物根系间距较远时,单作玉米的地上部生物量较单株玉米降低10%,间作玉米降低29%;作物根系间距较远时,间作玉米地上部生物量较单作玉米显著降低22%,而作物根系间距较近时,间作玉米与单作玉米的地上部生物量无显著差异。
以玉米地上部生物量计算相对互作强度RII值的结果见图2(b)。可见存在相邻同种作物玉米或不同种作物蚕豆时对目标作物玉米的影响程度：无论根系间距远近,玉米与相邻作物均存在相对竞争,玉米与蚕豆的种间竞争强度高于玉米与玉米的种内竞争强度(P=0.001);在单作玉米体系中,根系距离较近时(CP M-M),种内竞争强度显著高于根系距离较远处理(NP M-M);在玉米‖蚕豆间作中,种间竞争强度与根系间距无关,根系间距较近时(CP M-F),玉米与蚕豆的种间竞争强度与根系间距较远的处理(NP M-M)相似;当玉米与相邻作物的根系间距较远时,玉米‖蚕豆间作(NP M-F)的种间竞争显著高于玉米的种内竞争(NP M-M)。
SM为单株玉米;CP为作物间距较近;NP为作物间距较远。数据为平均值±标准误。不同的小写字母表示不同处理间玉米指标的差异。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.图2 单株玉米(SM)、单作玉米(M-M)、间作玉米(M-F)的地上部生物量、磷含量与相邻作物的相对互作强度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测定
玉米地上部磷含量的结果见图2(c)。可见无论根系间距远近,相邻作物的存在均降低了目标玉米地上部磷含量：作物根系间距较近时,单作玉米、间作玉米的地上部磷含量较单株玉米分别低33%、31%;作物根系间距较远时,单作玉米、间作玉米的地上部磷含量比单株玉米分别低15%、29%。
以地上部磷含量计算相对互作强度RII值的结果见图2(d)。可知单作玉米的种内竞争强度在根系间距较近时(CP M-M)高于根系间距较远处理(NP M-F);但玉米与蚕豆的种间竞争强度不同的根系间距下相似。
2.3 玉米和蚕豆的根系形态与根际过程
存在相邻作物时,玉米和蚕豆根系形态(总根长和总根表面积)的结果见图3。不同根系间距处理下,单作玉米和间作玉米的总根长、总根表面积均无显著差异(图3(b)和(d))。玉米‖蚕豆间作处理中,在作物根系间距较近时,玉米的总根长、总根表面积较蚕豆均高114%、226%,而在作物根系间距较远时无显著差异(图3(a)和(c))。
*代表P<0.05;ns代表不显著。* represents significant differences at P-value is less than 0.05.ns represents no significant difference.图3 单作玉米(M-M)、间作玉米(M-F)处理下玉米、蚕豆的根系形态指标Fig.3 Root morphological parameters of monocropped maize (M-M) and intercropped maize (M-F) and faba bean
存在相邻作物时,玉米和蚕豆根际土测定(根际pH和有机酸浓度)的结果见图4,可知玉米和蚕豆的根际pH均在6.00～7.00。玉米‖蚕豆间作的根际pH见图4(a)。可见：玉米‖蚕豆间作且根系间距较近时(CP M-F),玉米的根际pH显著高于蚕豆;但是当玉米与蚕豆的根系间距较远时(NP M-F),玉米和蚕豆的根际pH无显著差异。存在相邻作物时目标作物玉米的根际pH见图4(b)：作物根系间距较近时(CP M-M和CP M-F),单作和间作玉米的根际pH分别显著高于作物根系间距较远的处理(NP M-M和NP M-F)。
玉米‖蚕豆间作的有机酸浓度见图4(c)。可见：玉米与蚕豆的根系间距较近时(CP M-F),玉米有机酸浓度显著高于蚕豆;而当玉米与蚕豆的根系间距较远时,玉米和蚕豆有机酸浓度无显著差异。存在相邻作物时目标作物玉米的有机酸浓度见图4(d)：总体上,间作玉米根际有机酸浓度高于单作玉米;但只有在玉米与蚕豆根系间距较远时(NP M-F),间作玉米根际有机酸浓度显著高于单作玉米。
3.1 不同的相邻作物及根系间距对玉米种内互作、种间互作的影响
已有大多数的研究表明,低磷条件下玉米‖蚕豆间作体系具有显著的磷吸收互惠作用,且大于种内竞争作用和种间竞争作用[2,10,14,17,35]。本试验假设在低磷条件下,较近的根系间距有利于玉米和蚕豆的根际互作,提高磷吸收的种间互惠作用并减弱种间竞争作用。与以往研究结果和本试验假设不同,本试验结果显示存在相邻作物时不同根系间距处理的目标玉米地上部生物量和磷含量无差异(图2(a)和(c))。作物根系间距较近时,间作玉米的生物量、地上部磷含量与单作玉米相比无差异,说明间作蚕豆并没有促进间作玉米的生长和磷吸收;且单作玉米的生物量较单株玉米显著降低,说明单作玉米的根系对土壤养分资源在空间利用上存在种内竞争。当作物根系间距较远时,单作玉米的生物量高于根系间距较近的单作玉米生物量,与单株玉米生物量相似,即根系间距的扩大降低了单作玉米根系在空间上对土壤养分资源的竞争。但是相同的根系位置下间作玉米的生物量低于单株、单作玉米,说明间作玉米的生物量降低与根系养分资源竞争关系不大。
*和***分别代表P<0.05和P<0.001。* and *** represent significant differences at P-value is less than 0.05 and 0.001,respectively.图4 单作玉米(M-M)、间作玉米(M-F)处理下玉米、蚕豆的根际土pH和有机酸浓度Fig.4 Rhizosphere soil pH and carboxylates concentration of monocropped maize (M-M),intercropped maize (M-F) and faba bean
本试验结果表明玉米‖蚕豆间作相对于单作玉米并未体现出磷吸收的优势。主要原因可能为以下3点：第一,玉米的地上部磷浓度均低于1 mg/g,蚕豆的地上部磷浓度均低于2 mg/g,玉米和蚕豆均处于非常缺磷的状态,自身生长均受限,因此相邻作物蚕豆难以表现出对于目标作物玉米的促进作用。第二,在玉米‖蚕豆间作处理中,蚕豆在根系间距较近时(CP M-F)的地上部磷浓度显著高于根系间距较远时(NP M-F)。推测因为在玉米和蚕豆竞争时,蚕豆根系在根系间距较近时(CP M-F)探测到玉米根系更强的刺激作用,促进蚕豆在低磷状态下吸收磷,且该刺激作用强于根系间距较远时(NP M-F)的空间资源竞争作用。未来的试验中可考虑不同磷水平对种间互作的影响。第三,本试验作物生长时期为冬季,温度较低。就作物生长特性而言,玉米喜高温,蚕豆喜低温,温度较低更利于蚕豆生长,因而蚕豆相对于间作玉米具有竞争优势。
相对互作强度(RII值)的结果表明,低磷条件下,无论相邻作物为玉米或蚕豆,玉米与相邻作物均表现为竞争作用。可能原因有如下3点：第一,种内根系间距的缩短增强单作玉米的种内竞争,但是种间根系间距的缩短对玉米‖蚕豆间作的种间竞争无显著影响(图2(b)和(d))。据此说明,单作玉米主要是竞争根系空间,但是玉米‖蚕豆间作在根系空间上无竞争,反映了玉米和蚕豆的根系特征在空间分布上的补偿效应。第二,作物根系间距较远时(NP M-M和NP M-F),玉米‖蚕豆间作的竞争强度(基于地上部生物量)大于单作玉米(图2(b),表1)。玉米‖蚕豆间作时,蚕豆的地上部生物量显著高于玉米,说明在玉米和蚕豆不竞争根系空间的情况下,由于蚕豆的地上部植株大,玉米和蚕豆之间可能存在地上部光的竞争。第三,作物根系间距较远时,玉米‖蚕豆间作的竞争强度(基于地上部磷含量)与单作玉米相似(图2(d)),说明间作的种间竞争强度与单作的种内竞争强度相似,可能是间作没有表现出种间磷吸收优势的原因。
表1 以玉米指标为因变量、作物种类和根系间距为自变量的方差分析结果Table 1 ANOVA result with maize parameters as the dependent variable,with the cropping types and root distances as independent variables
3.2 根际过程对不同根系间距下种间互作的响应
作物根系形态具有可塑性,并受到养分和种间互作的影响[36],禾本科作物玉米的根系形态可塑性比豆科作物蚕豆、鹰嘴豆的可塑性强[37]。就2种作物养分吸收特性而言,玉米倾向于利用较强的形态可塑性通过根系快速生长从而迅速占领某区域的养分资源;蚕豆倾向于利用较强的生理可塑性通过分泌酸性磷酸酶、有机酸等提高根际土养分的有效性。当2种作物竞争时,每株作物养分吸收能力的强弱将决定竞争的优势或劣势。据此推测,当玉米与相邻作物都体现为竞争关系时,玉米‖蚕豆间作中的相邻作物蚕豆比单作玉米中的相邻作物玉米对资源的获取能力更强,从而竞争作用也强于单作玉米。
已有研究表明,当根系足够接近时,玉米‖蚕豆间作中蚕豆通过根系分泌有机酸、质子并提高根际酸性磷酸酶活性等提高土壤磷的有效性[38],活化土壤中的难溶性磷[2,14,39]或者溶解土壤中的固相磷酸盐[40],有利于蚕豆自身和相邻作物玉米吸收磷[2]。本试验中根际pH的结果与以往研究结果相似：作物根系间距较近时(CP M-F),蚕豆的根际pH显著低于玉米(图4(a)),说明蚕豆表现为根际酸化作用,有活化土壤磷并促进玉米磷吸收的潜力。本试验中根系分泌物的含量和活性与以往研究结果不一致：单株玉米、单作玉米、玉米‖蚕豆间作体系之间并未表现出显著差异。推测可能由于目标作物玉米和相邻作物之间以相对竞争为主,各处理间的差异主要为玉米和相邻作物竞争能力强弱的体现。
本研究通过单株、单作和间作这3种种植方式并在相邻作物存在时设置较近和较远的作物间距进行探究,主要结论如下：在低磷条件下,单作玉米、玉米‖蚕豆间作均表现为竞争作用,单作玉米的种内竞争强度随根系间距的增大而降低;而间作玉米与蚕豆的种间竞争强度在不同根系间距下相似。土壤缺磷限制了作物生长以及根系交叉、根际互作的程度,即使根系间距较近,间作蚕豆对玉米的磷吸收并没有通过根系形态差异或根际过程起到促进作用,种间根际互作形成的磷吸收促进作用依赖于适度的土壤磷供应。
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