摘 要 為探明甘蔗/花生間作對土壤無機(jī)磷組成與活化機(jī)制的影響,設(shè)置了甘蔗單作、花生單作、甘蔗/花生間作3種種植模式,系統(tǒng)分析了不同種植模式下土壤中不同無機(jī)磷的組成及與有機(jī)酸的相關(guān)性。結(jié)果表明:與甘蔗單作相比,甘蔗/花生間作土壤全磷和速效磷的含量分別提高了8%和12%;除閉蓄態(tài)磷(O-P)含量顯著降低外,鐵結(jié)合態(tài)磷(Fe-P)、鋁結(jié)合態(tài)磷(Al-P)和鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)含量分別提高了46%、15%和16%;甘蔗間作土壤中總有機(jī)酸、蘋果酸和檸檬酸含量分別提高了6%、16%和45%,琥珀酸降低了56%;相關(guān)分析表明,土壤中全磷與檸檬酸呈顯著正相關(guān)(r=0.61,p<0.05);速效磷與蘋果酸呈極顯著正相關(guān)(r=0.74,p<0.01),與檸檬酸呈顯著正相關(guān)(r=0.60,p<0.05),與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.63,p<0.05);琥珀酸與Fe-P呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.62,p<0.05)。綜上所述,甘蔗/花生間作通過影響土壤中有機(jī)酸含量和pH,從而改變土壤中無機(jī)磷的組成并促進(jìn)其活化。
關(guān)鍵詞 甘蔗;花生;間作;有機(jī)酸;無機(jī)磷
中圖分類號:S344.2;S158 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.23.004
磷(P)是植物生長必需的大量營養(yǎng)元素之一,土壤營養(yǎng)的重要組成元素,參與植物的能量代謝、糖代謝反應(yīng)等生理生化過程[1]。植物吸收磷的主要形態(tài)是吸收利用無機(jī)磷素,能被植物直接吸收利用的那部分磷稱為有效磷,土壤中磷的有效性低的原因是由于土壤中的磷大多以金屬態(tài)形式存在,其形態(tài)主要包括磷酸鈣鹽(Ca-P)、磷酸鐵鹽(Fe-P)、磷酸鋁鹽(Al-P)和閉蓄態(tài)磷酸鹽(O-P)[2]。前人研究表明,磷素在土壤中主要以磷酸鹽的形式存在,但在酸性土壤中,較低的pH使得土壤中鐵、鋁活性較高,易與正磷酸鹽絡(luò)合成難溶性的鐵磷、鋁磷化合物從而被固定,最終導(dǎo)致土壤磷的有效性降低[3]。因此,為了給作物的生長和品質(zhì)提供物質(zhì)基礎(chǔ)的保障,需要提高土壤中有效磷的活化,這也是我國農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的必經(jīng)之路。
間作是指在同一區(qū)域同時種植2種或2種以上種類作物的種植模式[4]。前人研究表明,間作對改善土壤養(yǎng)分、提高養(yǎng)分利用率及作物產(chǎn)量具有促進(jìn)作用[1,5-6],如:劉建榮等研究得出甘蔗與花生間作模式比傳統(tǒng)單作種植方式更能大幅度提高有效磷等養(yǎng)分[7]。豆科、禾本科間作可以通過改變根系形態(tài)、根際過程,使作物對磷養(yǎng)分吸收利用的能力增強(qiáng),提高土壤磷有效性[8]。Saranraj等發(fā)現(xiàn)甘蔗和太陽麻間作改善了土壤有效磷含量[9];Tang等研究發(fā)現(xiàn)與連續(xù)玉米單作相比,間作豆類的種植系統(tǒng)的有效磷含量顯著提高[10-11]。此外,有大量研究表明,間作一方面促進(jìn)了根系分泌有機(jī)酸,另一方面,能促進(jìn)土壤無機(jī)磷活化機(jī)制,從而提高了有效磷的含量[8,12-14]。Li等研究發(fā)現(xiàn)蠶豆與玉米間作后可以使土壤產(chǎn)生更多有機(jī)酸,將有機(jī)磷分解為無機(jī)磷,從而促進(jìn)磷的釋放[15-16],同時提高難溶性磷酸鹽的利用率及有效磷的含量[10,17-18],通過改善土壤養(yǎng)分狀況,對農(nóng)作物生產(chǎn)起積極作用[19]。但目前,間作對不同磷形態(tài)及其活化機(jī)制的影響研究較少。
甘蔗作為廣西主要的糖料作物,廣西是我國最大的甘蔗生產(chǎn)和制糖產(chǎn)地[20],年產(chǎn)甘蔗量占全國60%以上,截至2022年底,甘蔗種植面積共16.51萬hm2[21]。近年來,為了提高甘蔗產(chǎn)量,甘蔗多樣化種植模式被推廣和應(yīng)用。其中,甘蔗間作模式在廣西地區(qū)也越來越受關(guān)注,如劉建榮等的研究表明花生/甘蔗間作土壤中的磷的有效性相較于單作模式有顯著升高,但是目前在間作體系下關(guān)于磷的活化機(jī)制研究相對較少[7]。因此,本研究通過分析甘蔗和花生間作模式下土壤有機(jī)酸含量和磷素有效性及相互關(guān)系,以期闡明間作對土壤無機(jī)磷活化的影響,為甘蔗/花生間作下土壤肥力的提升和甘蔗多樣化種植提供理論依據(jù)。
1" 材料與方法
1.1" 試驗地概況
試驗地點(diǎn)為廣西壯族自治區(qū)南寧市武鳴農(nóng)科院科研基地(23°14′58″N,108°3′40″E)。該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候高溫多雨,光照時間充足,季風(fēng)性顯著,雨熱同季,年均氣溫21.8 ℃,年均降水量1 240.7 mm,大于10 ℃的有效積溫為7 814.6 ℃,年日照時數(shù)1 617.3 h[22]。試驗地土壤基本性質(zhì)為土壤pH值為6.75,含水量為14.39%,全氮含量為1.29 g·kg-1,全磷含量為1.26 g·kg-1,速效磷含量為34.62 mg·kg-1,有機(jī)碳含量為18.52 g·kg-1,硝態(tài)氮含量為97.90 mg·kg-1。
1.2" 試驗設(shè)計
本試驗所用花生品種為桂花376號,甘蔗品種為桂糖44號,播種時間為3月中旬。本試驗于2023年3月同時種植甘蔗和花生,試驗區(qū)域面積為117 m2(長11.7 m、寬10 m),試驗基于單作花生、單作甘蔗、甘蔗/花生間作3個種植模式,設(shè)置單作花生、單作甘蔗、間作甘蔗、間作花生4個試驗處理,每個處理3個重復(fù)。其中,單作甘蔗株距為0.5 m,行距為1.2 m;單作花生單粒精播,株距為0.12 m,行距為0.5 m;甘蔗/花生間作,2行甘蔗寬行距間種4行花生,其中甘蔗之間行距為1.2 m,花生之間行距為0.3 m,甘蔗與花生之間的距離為0.65 m。單作花生施用450 kg·hm-2花生專用復(fù)合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15]和750 kg·hm-2鈣鎂磷肥,先將肥料均勻條施在花生種植溝里,再與條溝內(nèi)土壤混合均勻,單作甘蔗施用2 250 kg·hm-2甘蔗專用復(fù)合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15]。間作條件下甘蔗、花生按照實際種植面積分開施肥,施肥量與各自單作種植的用量相同,所有處理田間管理制度均保持一致。
1.3" 土壤樣品采集與分析
土壤樣品于2023年6月中旬(花生成熟期)采用隨機(jī)取樣法在單作甘蔗、單作花生和間作甘蔗花生種植小區(qū)取樣,將采集到的土壤樣本混勻并進(jìn)行初步處理,除去石頭、根系等肉眼可見的雜質(zhì)并用2 mm土壤篩進(jìn)行過篩,將土壤樣品一分為二,一份儲存于4 ℃下保鮮,用于測定土壤的基本理化性質(zhì),另一份置于-20 ℃的冰箱進(jìn)行冷凍保存,用于測定土壤中有機(jī)酸含量。
1.4" 測定指標(biāo)
1.4.1" 土壤基本養(yǎng)分含量測定
土壤理化性質(zhì)參考鮑士旦主編《土壤農(nóng)化分析》進(jìn)行測定[23]。土壤含水量采用烘干法測定;pH值采用pH計測定(土、水之比為1∶5);有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定;土壤全氮含量用半微量開式法測定;土壤全磷含量用HClO4-H2SO4消煮并用鉬銻抗比色法進(jìn)行測定;土壤速效磷含量采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提并用鉬銻抗比色法進(jìn)行測定;結(jié)合態(tài)磷含量采用連續(xù)浸提法測定,其中土壤Fe-P含量采用0.1 mol·L-1 NaOH浸提,土壤Al-P含量采用0.5 mol·L-1 NH4F(pH 值為 8.2)浸提,土壤Ca-P含量采用0.5 mol·L-1(1/2H2SO4)浸提,土壤O-P含量采用0.3 mol·L-1檸檬酸鈉溶液浸提,濾液均采用鉬銻抗比色法測定。
1.4.2" 土壤有機(jī)酸含量測定
土壤中有機(jī)酸的含量測定參照孫寶利等的方法[24-25]略有修改,采用高效液相色譜法進(jìn)行測定。取土樣5 g于80 mL塑料離心管中,加入50 mL純水旋緊蓋子,于200 rpm回旋震蕩4 h后,再超聲提取60 min。放入離心管于4 000 rpm下離心10 min,轉(zhuǎn)移上清液于另一50 mL離心管中,凍干。向凍干的離心管中加入3 mL無水乙醇,渦旋10 s后,在于4 000 rpm下離心5 min。移取離心管上層乙醇清液于另一10 mL離心管中,再向乙醇中加入7 mL純水后,液氮冷凍后凍干。向凍干后的10 mL離心管中加入1 mL 0.1%的磷酸水溶液,渦旋溶解凍干殘渣,用0.45 μm孔徑的水系濾器過濾后上機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)樣品制備:先制作儲備液,分別準(zhǔn)確稱取草酸、丙酮酸標(biāo)準(zhǔn)品250 mg,用純水溶解定容至50 mL;分別準(zhǔn)確稱取馬來酸、富馬酸、順烏頭酸標(biāo)準(zhǔn)品50 mg,用純水溶解定容至50 mL;分別準(zhǔn)確稱取其他標(biāo)準(zhǔn)品250 mg,用純水溶解定容至10 mL;再制備儲備液,分別取定量儲備液至同一50 mL容量瓶中,后用純水定容至刻度,搖勻,使得馬來酸中間液濃度為1 mg·L-1,草酸、丙酮酸中間液濃度為20 mg·L-1,甲酸、蘋果酸中間液濃度為100 mg·L-1,乳酸、檸檬酸、琥珀酸、丙酸中間液濃度為200 mg·L-1;最后制備使用液,分別移取中間液0.5、1、2、5、8、10 mL至10 mL容量瓶中,用純水定容至刻度,搖勻。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品的保留時間確定樣品中目標(biāo)物的色譜峰。以標(biāo)準(zhǔn)樣品中目標(biāo)物的濃度為橫坐標(biāo),峰面積為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,并計算出樣品中目標(biāo)物濃度。采用Thermo U3000型液相色譜儀測定色譜,色譜條件為:色譜柱Athena C18-WP(4.6 mm× 250 mm,3 μm),進(jìn)樣量10 μL;流動相:20 mmol·L-1磷酸二氫鈉水溶液,用濃磷酸將 pH值調(diào)節(jié)為2.35,過0.45 μm水系膜,流速為0.7 mL·min-1,柱溫30 ℃。
1.5" 數(shù)據(jù)處理
樣品有機(jī)酸含量計算公式見公式(1)。
ω=C樣nv/m" (1)
式中:ω為樣品中目標(biāo)物質(zhì)的含量,mg·kg-1;C樣為上機(jī)樣品中目標(biāo)物質(zhì)的濃度(曲線值),mg·L-1;v為定容體積,mL;n為稀釋倍數(shù);m為稱樣量,g。
采用Excel2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制,采用IBM SPSS Statistics 26用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行處理間差異顯著性檢驗,并采用Pearson雙變量相關(guān)分析法,建立環(huán)境因子與土壤無機(jī)磷組分的相關(guān)關(guān)系。
2" 結(jié)果與分析
2.1" 不同種植模式對土壤磷組分的影響
不同種植模式對土壤基本性質(zhì)影響如表1。相對于甘蔗單作和花生單作模式,甘蔗/花生間作模式提高了土壤養(yǎng)分,甘蔗間作模式下土壤中有機(jī)碳和全氮含量顯著增加,全磷和速效磷含量分別提高了7.7%和12.1%,土壤pH值降低了0.18個單位,而花生間作模式下土壤pH值降低了0.68個單位。
由表2、表3可知,種植模式影響土壤結(jié)合態(tài)磷的含量和組成。在甘蔗體系,間作土壤中的結(jié)合態(tài)磷總量和Fe-P含量均顯著高于單作,而O-P含量顯著低于單作;與單作處理相比,間作甘蔗土壤中Fe-P的相對含量提高了5.76%,O-P和Ca-P的相對含量分別降低了1.13%和4.41%,Al-P的相對含量基本不變。在花生體系,間作與單作土壤中的結(jié)合態(tài)磷總量和各金屬結(jié)合態(tài)磷含量差異均不顯著;土壤中Fe-P的相對含量提高了8.12%,Ca-P的相對含量降低了7.74%,Al-P和O-P的相對含量基本不變。上述結(jié)果說明了甘蔗與花生間作影響土壤磷含量和組成,且主要影響甘蔗土壤中的磷組分。
2.2" 不同種植模式對土壤中有機(jī)酸的影響
由表4、表5可知,甘蔗/花生間作提高土壤中有機(jī)酸含量。在花生體系,間作土壤中的蘋果酸含量比單作土壤提高了43.3%;與單作處理相比,間作土壤中蘋果酸的相對含量提高了5.34%,乳酸的相對含量降低了3.53%。在甘蔗體系,間作土壤中檸檬酸和乳酸含量比單作土壤分別提高了44.6%和27.3%,琥珀酸含量降低了56.48%;與單作處理相比,間作土壤中的乳酸的相對含量提高了5.44%,琥珀酸的相對含量降低了5.26%。由此可知,間作模式對于甘蔗和花生土壤中有機(jī)酸的含量影響有所差異,間作模式對間作花生中有機(jī)酸的影響更為顯著。
2.3" 土壤中有機(jī)酸含量與磷含量的相關(guān)關(guān)系
從圖1、表6可知,全磷含量與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.716,p<0.01),與檸檬酸含量呈顯著正相關(guān)(r=0.611,p<0.05)。速效磷含量與土壤pH、有機(jī)碳和全磷含量均呈顯著負(fù)相關(guān)[r=(-0.634)~(-0.589),p<0.05],與檸檬酸呈顯著正相關(guān)(r=0.601,p<0.05),與蘋果酸呈極顯著正相關(guān)(r=0.738,p<0.01);Fe-P與琥珀酸呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.617,p<0.05);Ca-P與含水量(r=0.613,p<0.05)呈顯著正相關(guān),與全氮呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.667,p<0.05)。綜上所述,土壤中檸檬酸、琥珀酸和蘋果酸含量均顯著影響土壤中磷含量,檸檬酸和蘋果酸與速效磷含量密切相關(guān)。
3" 討論與結(jié)論
3.1" 甘蔗/花生間作對磷的組成和有效性的影響
蘇麗珍等研究發(fā)現(xiàn),相比玉米單作,玉米/大豆間作下土壤中速效磷提高了70.4%[8]。李海葉等研究發(fā)現(xiàn),相比小麥單作,小麥蠶豆間作下土壤中Al-P含量不變,F(xiàn)e-P和Ca-P含量有降低趨勢[14]。而本研究中間作甘蔗的土壤中速效磷含量提高了12%,F(xiàn)e-P含量提高了46%,Al-P和Ca-P提高了15%~16%,與蘇麗珍等[8]和李海葉等[14]的研究結(jié)果有所不同,這很可能與作物類型有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn),水稻土壤中Ca-P和Fe-P含量高于小麥土壤,而Al-P和O-P含量低于小麥土壤[27],因此,作物種類的不同會影響到土壤中無機(jī)磷含量的變化。此外,本研究中間作花生的土壤中結(jié)合態(tài)磷含量變化均不顯著,而間作甘蔗結(jié)合態(tài)磷總量和O-P含量變化顯著。其原因可能與作物類型的需肥特性有關(guān),研究表明,不同類型的作物在各個生長發(fā)育過程中對養(yǎng)分的需求具有差異性,而這種差異性可能在一定程度上影響著養(yǎng)分的活化程度及根系分泌活化該養(yǎng)分的有機(jī)酸的能力[28]。因此本研究結(jié)果表明甘蔗/花生間作會影響磷的組成和有效性。
3.2" 甘蔗/花生間作對土壤有機(jī)酸的影響
有研究發(fā)現(xiàn)禾本科與豆科間作會使土壤中有機(jī)酸含量增加[29],這與本研究中甘蔗間作土壤中有機(jī)酸總量提升了6%的結(jié)果基本一致。并且本研究發(fā)現(xiàn)花生間作土壤中蘋果酸含量顯著增加,提高了43%,檸檬酸提高了18%,琥珀酸提高了6%,乳酸降低了9%。Lv等[30]和陳利等[31]發(fā)現(xiàn)豆科在與禾本科間作時土壤中蘋果酸含量提高了21%~100%。此外,陳利等研究發(fā)現(xiàn)檸檬酸和乳酸降低了57%~100%[31],這與本研究中檸檬酸含量提高的結(jié)果不同,這很可能與作物類型有關(guān)。因為不同作物根系分泌的有機(jī)酸種類顯著差異,有研究發(fā)現(xiàn),玉米/大豆間作時,間作玉米的土壤中主要含有檸檬酸、蘋果酸、草酸、乳酸、琥珀酸和莽草酸6種有機(jī)酸,而間作大豆土壤中除了這6種有機(jī)酸外,還含有酒石酸,并且間作體系下玉米大豆土壤中有機(jī)酸的含量均高于單作土壤[32]。Song等認(rèn)為間作土壤中有機(jī)酸含量會增加,是因為間作通過促進(jìn)土壤中微生物生長,導(dǎo)致其分泌了大量有機(jī)酸[33]。
3.3" 甘蔗/花生間作促進(jìn)土壤無機(jī)磷活化機(jī)制
本研究發(fā)現(xiàn)土壤中的琥珀酸與Fe-P呈負(fù)相關(guān),檸檬酸和蘋果酸與速效磷呈正相關(guān),表明了琥珀酸可以促進(jìn)Fe-P的活化,檸檬酸和蘋果酸能夠促進(jìn)土壤中無機(jī)磷的活化,致使土壤中速效磷的增多。這主要是因為有機(jī)酸能與土壤中Fe3+、Al3+等金屬離子發(fā)生配位絡(luò)合溶解、還原等反應(yīng)將土壤中的難溶態(tài)磷活化成容易移動的H2PO4-形態(tài),從而提高土壤磷的有效性[34-35]。大量研究表明,土壤中琥珀酸能夠促進(jìn)Ca-P溶解,檸檬酸、蘋果酸、草酸和酒石酸能夠促進(jìn)Fe-P和Al-P溶解,草酸能夠促進(jìn)O-P溶解[34-38]。因此,有機(jī)酸含量的變化會對土壤難溶態(tài)磷的活化產(chǎn)生影響。本研究中,與單作相比,甘蔗/花生間作下的有機(jī)酸總量提高了4%~6%,蘋果酸提高了16%~43%,檸檬酸提高了18%~45%。因此,相比單作,甘蔗/花生間作通過提高蘋果酸、檸檬酸的含量,更有利于促進(jìn)土壤中磷的活化。
此外,有機(jī)酸在土壤中電離出的部分H+會導(dǎo)致土壤pH降低[39],本研究發(fā)現(xiàn)土壤pH與速效磷含量呈負(fù)相關(guān),說明pH在一定程度上的降低促進(jìn)了土壤中磷的活化,這與秦昌鮮等[40]研究基本一致。前人研究表明,pH主要通過影響Fe-P、Al-P和Ca-P的結(jié)合,從而影響難溶態(tài)磷的活化[41]。其中,在酸性條件下Fe-P和Al-P最先溶解,并且在pH值為2~6時易活化[42],其溶解性隨著pH值的降低而升高[41]。因此,甘蔗/花生間作可以通過土壤中有機(jī)酸的酸溶作用,將土壤中的難溶態(tài)磷活化為可被植物直接吸收利用的速效磷。
3.4" 結(jié)論
研究發(fā)現(xiàn),與單作相比,甘蔗/花生間作土壤的全磷和速效磷含量分別提高了7.7%~10.4%和12.1%~152.7%;Fe-P含量提高了12.4%~46.4%。土壤中全磷、速效磷和Fe-P含量主要與檸檬酸、蘋果酸和琥珀酸顯著相關(guān),這表明甘蔗/花生間作通過影響土壤中檸檬酸、蘋果酸和琥珀酸含量,進(jìn)一步促進(jìn)土壤不同組成無機(jī)磷轉(zhuǎn)化從而提高土壤磷有效性。
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