王倩倩 ,劉志強 ,陳 康 ,王秀榮**

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室/華南農(nóng)業(yè)大學根系生物學研究中心 廣州 510642;2. 駐馬店市農(nóng)業(yè)科學院 駐馬店 463000)

氮(N)和磷(P)是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素,氮和磷的生物有效性低是限制作物生長和產(chǎn)量的主要因素[1-2]。在過去的50 年中,氮磷肥料的大量施用達到了較好的增產(chǎn)效果,但是由于施入土壤中的氮磷肥料的利用率偏低,致使通過進一步增施氮肥和磷肥達到增產(chǎn)越來越難實現(xiàn)。同時,化肥的大量施用造成了嚴重的環(huán)境污染,這已成為全球關注的問題[3-4]。因此,選擇環(huán)境友好型的農(nóng)藝措施來提高作物氮磷營養(yǎng)對我國未來農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,氮的來源主要通過工業(yè)固氮和/或涉及微生物的生物固氮兩種途徑。據(jù)估計,植物生長每年需氮1.5 億～2.0 億 t,其中近1 億 t 來自工業(yè)固氮,其余均來自生物固氮[5]。根瘤菌(rhizobia)作為土壤中一類有益微生物,能夠與豆科作物共生,將大氣中的N2固定為NH3供作物吸收利用[6],有研究表明,豆類-根瘤菌共生系統(tǒng)每年固定的氮可達生物總固氮量的60%左右[7]。豆科作物的生物固氮過程還能促進對土壤中磷的活化吸收。田間試驗結果表明,與不接種根瘤菌相比,接種根瘤菌后不但大豆[Glycine max(L.) Merr.]氮含量增加85%,磷含量也顯著增加95%[8]。因此,根瘤菌接種是減少氮磷肥的施用,提高豆科作物產(chǎn)量和品質的重要農(nóng)藝措施。

根瘤菌接種通過共生固氮促進豆科作物氮含量增加,而促進磷活化吸收的機制主要是由于接種根瘤菌后引起豆科作物根際過程,即根際生理指標的改變,具體包括根際pH 增加,酸性和堿性磷酸酶活性增強,以及根際羧酸鹽含量增加,這些根際過程能夠活化土壤中難溶性磷供作物吸收[9-12]。然而,根瘤菌接種的效果會受很多土壤特性的影響,除了土壤氮有效性之外,土壤pH 和磷有效性也顯著影響結瘤[6,13]。土壤pH 是驅動根瘤菌存活的主要因素之一[14],磷素是根瘤菌生長以及根瘤形成和固氮所必需的能量元素[6]。研究表明,缺磷嚴重影響豆科作物根瘤的形成和發(fā)育[15],同時,也會削弱根瘤的固氮能力[16]。然而,在pH 不同的土壤上,不同供磷條件下根瘤菌接種效果的對比研究還鮮有報道。

間作是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的主要栽培模式之一,廣泛應用在熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)[17]。在間作體系中,禾本科作物會吸收利用更多的土壤中的氮,從而顯著增加產(chǎn)量;另一方面,土壤氮素含量的降低會刺激豆科作物結瘤固氮,實現(xiàn)禾本科和豆科作物在氮素利用上的生態(tài)位分離,降低種間競爭,獲得高產(chǎn)[18]。間作也能通過強化豆科作物的根際過程增加根際磷、鐵、鋅等營養(yǎng)元素的生物有效性,從而提高間作系統(tǒng)對這些營養(yǎng)元素的利用效率[19]。在間作系統(tǒng)中接種根瘤菌的研究報道較少。Li 等[20]在石灰性土壤上蠶豆(Vicia fabaL.)和玉米(Zea maysL.)間作的研究中發(fā)現(xiàn),間作玉米的根系分泌物能夠增加接種根瘤菌的蠶豆的變形根毛數(shù)量,從而促進結瘤固氮。同樣,在石灰性土壤上,大豆||玉米間作系統(tǒng)中間作大豆接種根瘤菌后其結瘤數(shù)和氮含量均顯著增加[21]。然而,pH 不同的土壤上不同供磷條件下接種根瘤菌對間作系統(tǒng)影響的對比研究還鮮有報道。

大豆||玉米間作作為典型的豆科||禾本科間作種植模式,在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中占據(jù)著重要的地位[22],其具有明顯的間作優(yōu)勢,可以顯著提高間作系統(tǒng)中養(yǎng)分吸收與作物產(chǎn)量[23]。為了探究pH 不同的土壤上接種根瘤菌對間作大豆玉米生長、養(yǎng)分含量的影響差異及其潛在的機制,本研究采用來自于國內(nèi)不同地區(qū)的pH 不同的4 種土壤,進行大豆||玉米間作接種根瘤菌的盆栽試驗,旨在對比研究不同酸性與石灰性土壤上,接種根瘤菌對間作大豆玉米生長、氮磷吸收以及根際過程的影響,為根瘤菌劑的田間應用,以及農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供重要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用的大豆品種是‘巴西十號’,玉米品種是‘正甜68’。2018 年采用的酸性土壤與石灰性土壤分別取自廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學增城寧西(NX)試驗基地(23°13′N,113°81′E)與新疆烏魯木齊市新疆農(nóng)業(yè)大學三坪(SP)試驗基地(43°56′N,87°21′E);2019 年供試的酸性土壤與石灰性土壤分別取自廣東省韶關市翁源(WY)基地(24°28′N,113°94′E)與北京市中國農(nóng)業(yè)大學昌平(CP)長期定位試驗站(40°08′N,116°10′E)。其中,取自寧西和翁源的酸性土壤均屬于鐵鋁土,取自三坪的石灰性土壤屬于干旱土,取自昌平的石灰性土壤屬于淋溶土[24],而這4種土壤的質地都屬于壤土。土壤基本理化性質如表1 所示[25]。

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

試驗采用的根瘤菌菌劑是從大豆根瘤中分離純化的BDYD1、BXYD3 與BXBL9 菌株的混合菌種(等體積混合),均為慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)的慢生根瘤菌(Bradyrhizobium elkanii)菌株,由華南農(nóng)業(yè)大學根系生物學研究中心提供。本研究利用以上4種土壤進行了兩年盆栽試驗,2019 年盆栽試驗的主要目的是驗證2018 年酸性和石灰性土壤上的盆栽試驗結果,選用有效磷差異較大的兩種酸性與兩種石灰性土壤進行試驗,試圖明確土壤pH 是影響大豆接種效果的主要因素,其次是土壤磷有效性;確定在酸性和石灰性土壤上接種根瘤菌對間作大豆/玉米生長影響的不同是否存在普遍性。

1.2 試驗設計

盆栽試驗分別于2018 年與2019 年在華南農(nóng)業(yè)大學溫室大棚進行,種苗盆長29 cm,寬13 cm,高11 cm。盆栽試驗采用(2×2×2)三因素試驗設計,A 因素為兩個磷水平: 施過磷酸鈣[+P,2018 年為50 mg(P)·kg-1(干 土),2019 年 為80 mg(P)·kg-1(干 土)]、不施磷肥[-P,2018 與2019 年均為0 mg(P)·kg-1(干土)];B 因素為酸堿性不同的兩類土壤: 酸性土壤與石灰性土壤;C 因素為兩種接種處理: 大豆種子不接種(-Ri)和接種根瘤菌的混合菌劑(+Ri)。每個處理設置4 個重復。2018 年與2019 年試驗中鉀肥施用量均為70 mg(K)·kg-1(干土),以氯化鉀的形式加入;氮(N)施用量均為70 mg(N)·kg-1(干土),以尿素的形式加入。

播種前將肥料與土壤混勻裝盆,然后澆500 mL雙蒸水(ddH2O),兩天后進行大豆玉米播種,其中2018 年播種時間為7 月14 日,2019 年播種時間為9月13 日。播種時每盆播兩穴,一穴播3 粒玉米種子,另一穴播3 粒大豆種子,穴距15 cm,穴與盆邊緣之間的距離為7 cm。接菌處理的大豆種子播種前與根瘤菌劑拌種。所有處理種子全部播完蓋土后再澆200 mL ddH2O。植株出現(xiàn)第1 對真葉時間苗,每穴保留1 株苗。平時管理時澆200～300 mL ddH2O 保持土壤濕潤。

1.3 樣品采集與測定

間作的大豆和玉米在大豆進入結莢期進行收獲,2018 年在播種后48 d 收獲,2019 年在播種后54 d 收獲。收獲時,將植物分為地上部與根部,地上部裝袋;再將根系分為均等的兩份,一半根系輕輕搖動以除去松散粘附的非根際土壤,收集緊密粘附在根部的根際土壤,用來測定根際堿性磷酸酶活性[26];將另一半根系浸入0.2 mmol·L-1CaCl2溶液中,并輕輕搖 動收集土壤懸浮液,用來測定根際pH、根際酸性磷酸酶活性與根際羧酸鹽含量[26-27]。之后將根清洗干凈,摘下根系上的根瘤,測定根瘤數(shù)。將地上部、根部與根瘤放于75 ℃烘箱烘至恒重,得到地上部、根部與根瘤干重。磨樣后采用H2SO4-H2O2法進行消煮,使用San++Skalar 連續(xù)流動分析儀(Skalar,Breda,荷蘭)測定大豆、玉米地上部、根部與根瘤的氮磷含量,計算出地上部、根部與根瘤的吸氮/磷量。大豆地上部、根部與根瘤的吸氮/磷量之和即為大豆植株總吸氮/磷量;玉米地上部與根部的吸氮/磷量之和即為玉米植株總吸氮/磷量。根際酸性和堿性磷酸酶活性采用對硝基苯磷酸鹽反應比色法測定,根際羧酸鹽含量通過將涮根的溶液過0.22 μm 水系濾膜后用Angilent 1200 高效液相色譜儀(Agilent Technologies,Waldbronn,Germany)測定,并根據(jù)已知標準品的保留時間和吸收光譜來鑒別羧酸鹽的種類。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2019 進行平均值和標準誤的計算,所有試驗數(shù)據(jù)用IBM SPSS Statistics 26 統(tǒng)計軟件進行單因素(Duncan 法)和三因素的方差分析(Analysis of variance,ANOVA),以及Student’st檢驗。

2 結果與分析

2.1 接種根瘤菌、施磷及土壤酸堿性對間作大豆根瘤性狀的影響

由表2 和圖1 可知,磷處理與接種處理均顯著影響2018 年及2019 年間作大豆根瘤數(shù)與根瘤干重(P＜0.05),土壤酸堿性顯著影響2018 年大豆根瘤數(shù)及2019 年大豆根瘤數(shù)與根瘤干重(P＜0.01),磷處理、土壤酸堿性與接種處理對2019 年大豆根瘤數(shù)與根瘤干重(除2019 年土壤酸堿性與接種間互作)的影響存在顯著的交互作用(P＜0.05)。

圖1 不同根瘤菌接種處理、磷處理及土壤酸堿性對間作大豆根瘤性狀的影響Fig.1 Effects of different rhizobial inoculation treatments,P treatments and soil pH on nodule traits of intercropped soybean

表2 磷處理(P)、土壤酸堿性(S)和接種處理(I)對大豆||玉米根瘤性狀、植株干重與總氮磷吸收影響的三因素方差分析結果Table 2 Analysis of variance of the effects of phosphorus treatment (P),soil pH (S),inoculation treatment (I) and their interactions on soybean nodule traits,plant dry weight,and total N and P uptake of intercropped soybean and maize

從接種處理來看,三坪石灰性土壤上,施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆根瘤數(shù)與根瘤干重分別顯著增加1.6 倍與1.1 倍;昌平石灰性土壤上,在不施磷條件下接種顯著增加了大豆根瘤數(shù),施磷條件下接種顯著增加了大豆根瘤干重;翁源酸性土壤上,不施磷條件下接種顯著增加了大豆根瘤數(shù),施磷條件下接種顯著增加了大豆根瘤數(shù)與根瘤干重;接種根瘤菌對寧西酸性土壤上根瘤性狀影響不顯著。從磷處理來看,無論是酸性還是石灰性土壤,施磷后接種根瘤菌的大豆根瘤性狀均顯著改善。從土壤來看,不施磷條件下,無論是否接種根瘤菌,三坪石灰性土壤上根瘤數(shù)與根瘤干重均高于寧西酸性土壤。同時,不施磷條件下,昌平石灰性土壤上接種根瘤菌的大豆根瘤數(shù)高于翁源酸性土壤;施磷條件下,昌平石灰性土壤上未接種/接種根瘤菌的大豆根瘤數(shù)以及未接種根瘤菌的大豆根瘤干重均高于翁源酸性土壤。

2.2 接種根瘤菌、施磷及土壤酸堿性對大豆||玉米植株干重的影響

由表2 和圖2 可知,磷處理與土壤酸堿性均極顯著影響2018 年與2019 年大豆/玉米植株干重(P＜0.001),接種處理顯著影響2018 年大豆/玉米及2019 年大豆植株干重(P＜0.05)。

圖2 不同接種處理、磷處理及土壤酸堿性對間作大豆||玉米植株干重的影響Fig.2 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on plant dry weight of intercropped soybean/maize

從接種處理來看,三坪石灰性土壤上,在不施磷和施磷條件下,與不接種根瘤菌相比,接種根瘤菌后大豆植株干重分別顯著增加44.5%和48.9%;昌平石灰性土壤上,不施磷條件下,與不接種相比,大豆接種后其間作玉米植株干重顯著增加49.8%,在施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆植株干重顯著增加41.6%。而在酸性土壤上,接種根瘤菌對間作大豆和玉米植株干重沒有顯著影響。從磷處理來看,無論酸性還是石灰性土壤,施磷顯著增加大豆/玉米植株干重(三坪石灰性土壤上未接種的大豆植株干重除外)。從土壤來看,不施磷條件下,三坪石灰性土壤上未接種/接種根瘤菌的大豆及其間作玉米植株干重均高于寧西酸性土壤;施磷條件下,三坪石灰性土壤上接種根瘤菌大豆及其間作玉米植株干重以及未接種的間作玉米植株干重均高于寧西酸性土壤。另外,不施磷條件下,昌平石灰性土壤上未接種/接種根瘤菌的大豆及其間作玉米植株干重均高于翁源酸性土壤;施磷條件下,昌平石灰性土壤上接種根瘤菌的大豆及其間作玉米植株干重及未接種的間作玉米植株干重均高于翁源酸性土壤。

2.3 接種根瘤菌、施磷及土壤酸堿性對大豆||玉米植株總吸氮量的影響

由表2 和圖3 可知,磷處理與土壤酸堿性均極顯著影響2018 年與2019 年大豆/玉米植株總吸氮量(P＜0.001),接種處理極顯著影響2018 年與2019 年大豆植株總吸氮量(P＜0.001),磷處理、土壤酸堿性與接種處理對2019 年大豆植株總吸氮量的影響存在顯著的交互作用(P＜0.01)。

圖3 不同接種處理、磷處理及土壤酸堿性對間作大豆||玉米植株總吸氮量的影響Fig.3 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on total N uptake of intercropped soybean/maize

從接種處理來看,三坪石灰性土壤上,在不施磷和施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆植株總吸氮量顯著增加117.0%和202.3%;昌平石灰性土壤上,施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆植株總吸氮量顯著增加121.9%。寧西與翁源酸性土壤上,施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆植株總吸氮量也分別顯著增加29.3%與80.2%。從磷處理來看,無論是酸性還是石灰性土壤,施磷后接種根瘤菌的大豆及其間作玉米總吸氮量均顯著增加。從土壤來看,無論是否施用磷肥,三坪石灰性土壤上接種根瘤菌的大豆及其間作玉米植株總吸氮量以及未接種下間作玉米植株總吸氮量均高于寧西酸性土壤。另外,無論是否施用磷肥,昌平石灰性土壤上未接種/接種根瘤菌的大豆及其間作玉米植株總吸氮量均高于翁源酸性土壤。

2.4 接種根瘤菌、施磷及土壤酸堿性對大豆||玉米植株總吸磷量的影響

由表2 和圖4 可知,磷處理與土壤酸堿性均極顯著影響2018 年與2019 年大豆/玉米植株總吸磷量(P＜0.001),接種處理顯著影響2018 年大豆/玉米與2019 年大豆植株總吸磷量(P＜0.05),磷處理、土壤酸堿性與接種處理對2018 年玉米及2019 年大豆植株總吸磷量的影響存在顯著的交互作用(P＜0.05)。

圖4 不同接種處理、磷處理及土壤酸堿性對間作大豆||玉米植株總吸磷量的影響Fig.4 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on total P uptake of intercropped soybean/maize

從接種處理來看,三坪石灰性土壤上,在不施磷和施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆植株總吸磷量分別顯著增加48.6%和48.9%;昌平石灰性土壤上,施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆植株總吸磷量顯著增加58.7%。而寧西酸性土壤上,施磷條件下,與不接種相比,大豆接種后與其間作的玉米植株總吸磷量反而顯著降低25.4%。從磷處理來看,無論酸性還是石灰性土壤,施磷顯著增加大豆/玉米植株總吸磷量。從土壤來看,不施磷條件下,三坪石灰性土壤上未接種/接種根瘤菌的大豆及其間作玉米植株總吸磷量均顯著高于寧西酸性土壤;施磷條件下,三坪石灰性土壤上接種根瘤菌的大豆及其間作玉米植株總吸磷量以及未接種的間作玉米植株總吸磷量均高于寧西酸性土壤。另外,不施磷條件下,昌平石灰性土壤上未接種/接種根瘤菌的大豆及其間作玉米植株總吸磷量均高于翁源酸性土壤;施磷條件下,昌平石灰性土壤上接種根瘤菌的大豆及其間作玉米植株總吸磷量以及未接種的間作玉米植株總吸磷量也均高于翁源酸性土壤。

2.5 接種根瘤菌、施磷及土壤酸堿性對大豆||玉米根際pH 的影響

由圖5 和表3 可知,磷處理顯著影響2018 年玉米根際pH (P＜0.05),土壤酸堿性極顯著影響2018 年與2019 年大豆/玉米根際pH (P＜0.001),接種處理顯著影響2019 年玉米根際pH (P＜0.05),磷處理、土壤酸堿性與接種處理對2018 年玉米根際pH 的影響存在顯著的交互作用(P＜0.01)。

表3 磷處理(P)、土壤酸堿性(S)和接種處理(I)對間作大豆||玉米根際指標影響的三因素方差分析結果Table 3 Analysis of variance of the effects of P treatment (P),soil pH (S),inoculation treatment (I) and their interactions on rhizosphere traits of intercropped soybean/maize

圖5 不同接種處理、磷處理及土壤酸堿性對間作大豆||玉米根際土壤pH 的影響Fig.5 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on rhizosphere soil pH of intercropped soybean/maize

從接種處理來看,三坪石灰性土壤上,施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆根際pH 顯著降低2.7%;而昌平石灰性土壤上,不施磷條件下,與不接種相比,接種后間作玉米根際pH 顯著升高2.6%。從磷處理來看,三坪石灰性土壤上,施磷后接種根瘤菌的間作大豆和玉米根際pH 顯著降低;昌平石灰性土壤上,與不施磷相比,施磷后與接種的根瘤菌大豆間作的玉米根際pH 顯著降低;寧西酸性土壤上,與不施磷相比,施磷后未接種的間作玉米根際pH 也顯著降低。從土壤來看,石灰性土壤上大豆/玉米根際pH均高于酸性土壤上。

2.6 接種根瘤菌、施磷及土壤酸堿性對大豆||玉米根際磷酸酶活性的影響

由表3 和圖6 可知,磷處理顯著影響2018 年玉米根際酸性、堿性磷酸酶活性及2019 年大豆/玉米根際堿性磷酸酶活性(P＜0.01),土壤酸堿性極顯著影響2018 年玉米根際酸性、堿性磷酸酶活性及2019年大豆和玉米的根際酸性、堿性磷酸酶活性(P＜0.01),接種處理顯著影響2018 年玉米根際堿性磷酸酶活性(P＜0.05),磷處理、土壤酸堿性與接種處理對2018 年玉米根際酸性、堿性磷酸酶活性和2019 年大豆根際堿性磷酸酶活性的影響存在顯著的交互作用(P＜0.05)。

圖6 不同接種處理、磷處理及土壤酸堿性對間作大豆||玉米根際酸性和堿性磷酸酶活性的影響Fig.6 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on acid and alkaline phosphatase activities of rhizosphere soil of intercropped soybean/maize

從接種處理來看,三坪石灰性土壤上,施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆根際酸性磷酸酶活性顯著增加234.8%。昌平石灰性土壤上,不施磷條件下,與不接種相比,大豆接種后其間作玉米根際酸性磷酸酶活性顯著降低51.9%;施磷條件下,與不接種相比,接種后大豆及其間作玉米根際堿性磷酸酶活性分別顯著增加69.2%與80.1%。從土壤類型來看,同一施磷條件下,石灰性土壤上接種根瘤菌的大豆根際酸性磷酸酶活性均低于酸性土壤(施磷的三坪石灰性土壤除外);同時,不管是否施磷,石灰性土壤上間作玉米根際酸性磷酸酶活性均低于酸性土壤。另外,不施磷條件下,與三坪石灰性土壤相比,寧西酸性土壤上生長的間作玉米有較高的根際堿性磷酸酶活性;與昌平石灰性土壤相比,不管何種施磷條件下,翁源酸性土壤上生長的間作大豆和玉米根際堿性磷酸酶活性都較高。

2.7 接種根瘤菌、施磷及土壤酸堿性對大豆||玉米根際羧酸鹽含量的影響

由表3 和圖7 可知,磷處理顯著影響2018 年和2019 年大豆/玉米根際羧酸鹽含量(P＜0.05),土壤酸堿性極顯著影響2018 年大豆/玉米根際羧酸鹽含量(P＜0.001),顯著影響2019 年玉米根際羧酸鹽含量(P＜0.05)。

圖7 不同接種處理、磷處理及土壤酸堿性對間作大豆||玉米根際羧酸鹽含量的影響Fig.7 Effects of different inoculation treatments,P treatments and soil pH on rhizosphere carboxylate content of intercropped soybean/maize

從磷處理來看,寧西與翁源酸性土壤上,施磷后接種根瘤菌的大豆及其間作玉米、未接種根瘤菌的大豆及其間作玉米根際羧酸鹽含量顯著降低(翁源土壤上未接種根瘤菌的大豆及其間作玉米除外);昌平石灰性土壤上,與不施磷相比,施磷后與接種根瘤菌的大豆間作的玉米及未接種的間作玉米根際羧酸鹽含量均顯著降低。從土壤來看,石灰性土壤上大豆和間作玉米根際羧酸鹽含量不同程度的低于酸性土壤。然而,不同接種處理對大豆/玉米根際的羧酸含量均沒有顯著影響。

3 討論

3.1 環(huán)境因素影響大豆結瘤固氮

大豆共生固氮是一個復雜的過程,受很多外界環(huán)境因素的影響,包括土壤養(yǎng)分、土著根瘤菌豐富度、非生物脅迫等因素。在田間條件下,影響根瘤菌接種成功的因素同樣有很多,其中,土壤pH、氮磷有效性以及土著根瘤菌豐富度等是影響大豆結瘤較為重要的因素[9]。土壤pH 是結瘤成功最強的驅動力之一,適當?shù)膒H 條件有利于大豆結瘤[28];同時,土壤中氮和磷的有效性也是影響大豆結瘤成功的重要因素之一,土壤中較低的氮含量通常會刺激大豆結瘤,相反,低磷能夠抑制大豆結瘤,高磷能夠促進大豆結瘤[29-30];此外,研究也表明,根瘤菌接種的有效性會受土著根瘤菌數(shù)量影響。土壤中存在大量土著根瘤菌時,外接的根瘤菌會與土著根瘤菌形成競爭,影響接種效果[31]。

本研究中,與酸性土壤相比,石灰性土壤間作大豆接種根瘤菌后結瘤效果較好(圖1),這可能是由于酸性土壤pH 與有效磷含量均較低造成的。土壤低pH 會限制根瘤菌的生長與繁殖,而磷生物有效性低會抑制根瘤的形成與發(fā)育,以及結瘤固氮[7]。同時,本研究發(fā)現(xiàn),與不施磷相比,施磷后大豆根瘤數(shù)與根瘤干重均顯著增加(圖1),表明施磷能夠促進大豆結瘤。此外,翁源酸性土壤上,在不接種根瘤菌時,大豆根瘤數(shù)與根瘤干重幾乎為零;而在昌平石灰性土壤上,接種根瘤菌后根瘤數(shù)量無顯著變化,但根瘤干重顯著增加(圖1)。這可能是由于翁源酸性土壤上土著根瘤菌較少,而昌平石灰性土壤上土著根瘤菌較為豐富,土著根瘤菌也能夠結瘤,但具有活性的大根瘤數(shù)量不足,因此,接種根瘤菌能夠進一步增加根瘤干重和植株氮含量,但根瘤數(shù)沒有變化[32]。

3.2 土壤pH 和磷有效性是決定根瘤菌接種效果的主要因素

兩年不同來源的酸性和石灰性土壤的試驗結果表明,在酸性和石灰性土壤上接種根瘤菌對間作大豆、玉米生長影響的不同存在普遍性。被測試的4種土壤盡管存在一些本身屬性上的差異,但共性的差異主要還是pH 和磷有效性不同。不施磷的三坪石灰性土壤,以及施磷的酸性和石灰性土壤上,與不接種根瘤菌相比,接種根瘤菌后間作大豆氮含量均顯著增加(圖3);但是只有在不施磷的三坪石灰性土壤,以及施磷的石灰性土壤上,接種根瘤菌后間作大豆植株總吸磷量才顯著增加(圖4),這表明只有在pH 高的石灰性土壤上接種根瘤菌才能強化根際過程,改善間作大豆磷營養(yǎng)狀況,而酸性土壤上效果不明顯。同時,從植株干重數(shù)據(jù)來看,同樣只有在不施磷的三坪石灰性土壤上,以及施磷的三坪和昌平石灰性土壤上,接種根瘤菌后間作大豆植株干重才顯著增加(圖2),這表明只有氮磷協(xié)同增加才能促進作物生長[33]。

然而,在本研究中,在pH 不同土壤上,不同供磷條件下接種根瘤菌均沒能促進間作玉米的生長及氮磷養(yǎng)分含量的增加,這與前人在間作系統(tǒng)中接種根瘤菌能夠促進間作玉米生長及增加氮磷吸收的結果不一致[34-35],這可能是由于相比于前人60 d 和80 d的種植周期,本研究50 d 左右的試驗周期較短,間作大豆共生固定的氮以及活化的磷促進間作玉米生長的效果尚未表現(xiàn)出來。此外,在施磷的寧西酸性土壤上,間作大豆接種根瘤菌后,與其間作的玉米植株總吸磷量反而顯著降低(圖4),可能是由于接種根瘤菌的大豆需要更多的磷用于結瘤固氮[36],導致與其間作的玉米根際有效磷含量降低造成的。

3.3 間作大豆接種根瘤菌能夠通過改變根際過程促進磷吸收

根瘤菌接種能夠通過改變植物根際過程,活化土壤中難溶性磷,進而提高植物對磷的吸收[37]。這主要是因為結瘤植物可以通過釋放H+和羧酸鹽來活化土壤中難溶性無機磷,通過根際磷酸酶活性的增加來礦化土壤中的有機磷[10-11,21]。本研究同樣發(fā)現(xiàn),三坪石灰性土壤上,施磷條件下,與不接種根瘤菌相比,接種根瘤菌后間作大豆根際pH 顯著降低,根際酸性磷酸酶活性顯著增加(圖5,6);同時,昌平石灰性土壤上,施磷條件下,與不接種根瘤菌相比,接種根瘤菌后間作大豆根際堿性磷酸酶活性顯著增加(圖6)。石灰性土壤上接種根瘤菌導致根際過程的增強與間作大豆植株總吸磷量增加相一致,表明接種根瘤菌引起的根際過程的改變是間作大豆植株總吸磷量增加的主要原因,并且進一步促進了間作大豆的生長(圖2,4)。此外,三坪石灰性土壤上,不施磷條件下,接種根瘤菌處理的間作大豆植株總吸磷量也顯著增加,其原因有待于進一步研究。

4 結論

土壤pH 和磷有效性顯著影響根瘤菌接種的效果。酸性土壤施磷條件下接種根瘤菌增加了間作大豆植株的總吸氮量;石灰性土壤接種根瘤菌能夠通過協(xié)同改善氮磷營養(yǎng)狀況促進間作大豆的生長。石灰性土壤接種根瘤菌促進磷活化吸收主要是由于增強了間作大豆的根際過程。