磷是植物生长发育的关键营养元素之一，是作物正常生长和粮食安全的保障^[1-2]。无机磷形态和有效性对土壤供磷能力有着重要作用^[3]。南方土壤一般将土壤无机磷分为磷酸铝盐（Al-P）、磷酸铁盐（Fe-P）、闭蓄态磷（O-P）、磷酸钙盐（Ca-P） 等形态^[4]。在中高肥力的赤红壤中以 Al-P、 Fe-P 形态为主，受施肥、土壤 pH 等因素影响较大^[5]。施用磷肥是维持土壤供磷水平、保证农作物产量的重要措施^[6]，但在吸附性较强的红壤上，磷肥固定远高于石灰性土壤^[7]，磷肥利用率仅为10 % 左右^[8]。因此，挖掘作物活化土壤难溶性养分的潜力对减少红壤磷肥固定，提高红壤磷肥利用效率，促进作物绿色增产具有重要意义。

现有研究表明，合理间作在产量^[9-10]、养分利用^[11] 和作物病害控制^[12] 等方面比单一作物具有明显优势，因此受到越来越多的关注。关于土壤磷素的利用，尤其是在低投入系统或营养贫瘠的土壤上，豆科 // 禾本科间作可能是一种更可持续的生产实践^[13]。大量研究表明，豆科 // 禾本科间作可以显著提高间作系统中磷吸收与作物产量^[11-13]。豆科 // 禾本科间作通过改变根系形态^[14-15]、改变根际土壤 pH^[16]、促进低分子有机酸的分泌^[17]、提高磷酸酶和土壤生物学活性^[18]、改善微生物群落结构^[19] 等促进土壤中难溶性磷的活化，提高磷的吸收利用效率。

关于豆科 // 禾本科间作对石灰性土壤磷组分的改变已有研究报道^[2，13]，但有关不同施磷梯度下红壤无机磷组分的变化，特别是玉米 // 大豆间作对红壤无机磷组分的调控作用鲜有研究报道。因此，通过田间小区定位试验，在不同施磷水平下，研究玉米 // 大豆间作对红壤玉米产量及其可持续性、磷吸收和土壤无机磷组分含量变化的影响，并通过随机森林模型分析探讨红壤无机磷组分对磷吸收量的贡献，以期为合理间作促进红壤中难溶性无机磷活化、提高磷吸收利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

田间定位试验设在云南省昆明市官渡区大板桥镇小哨村（24°54′ N、102°41′ E），该地海拔 1820.00 m，属于亚热带季风气候，年平均气温 14.40℃，年降水量 850.00 mm。试验地土壤类型为典型旱地红壤，土壤 pH、养分和有机质含量较低。试验区 2017 年基础土壤（0～20 cm）的基本理化性质如表1 所示。本研究为 2018 年进行的田间试验。

1.2 供试材料

供试玉米品种为“云瑞 88”，大豆品种为“开育 12”，试验用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为普通过磷酸钙（P₂O₅ 16%），钾肥为硫酸钾（K₂O 52%）。

1.3 试验设计

田间定位小区试验，采用裂区设计：主处理为 2 种种植模式，副处理为 4 个施磷水平。2 种植模式包括玉米单作（MM）、玉米 // 大豆间作（MI），4 个施磷水平分别为施 P₂O₅ 0、60、90、120 kg·hm^-2 （分别记为 P0、P60、P90、P120），试验共 8 个处理，每处理 3 次重复，共 24 个小区，田间随机区组排列，每个小区面积 26 m²。

玉米单作：玉米行距均 50 cm，每行种植 15 株，玉米株距 25 cm，距边 25 cm。玉米 // 大豆间作：采用 2 行玉米、2 行大豆种植，玉米、大豆行距均 50 cm；玉米株距 25 cm，每行种植 15 株，距边 25 cm；大豆株距 25 cm，每行种植 15 株，距边 25 cm。

玉米供试氮肥、钾肥用量为当地常规施肥量， N 250 kg·hm^-2，K₂O 75 kg·hm^-2。磷肥与钾肥作基肥 1 次施入，玉米氮肥施用分 3 次，其中基肥 40%，小喇叭口期 25%，大喇叭口期 35%。玉米播种后，小喇叭口期之前每周灌溉 1 次，每次每小区灌溉约 30 L 水，大喇叭口期之后不再进行灌溉，主要依靠降雨。试验地不喷洒农药，定期除草。所有试验小区田间管理措施保持一致。

1.4 样品采集与测定

在玉米收获期采用随机多点混合法采集土壤样品。玉米根际土采用抖土法，除去肉眼可见的石头、植株根系、未分解和半分解的植物残体，自然风干、过筛备用，带回实验室测定相关指标。地上部植株 105℃杀青 30 min，75℃ 烘至恒重后称干物质量，用于植株磷含量测定。

土壤有效磷采用 NaHCO₃ 浸提-钼锑抗比色法测定，植株磷采用浓 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮-钒钼黄比色法，测定方法参考《土壤农化分析》^[20]；无机磷组分采用 Chang 等^[4]无机磷分级方法进行测定与分析。

1.5 数据处理与统计分析

产量可持续性指数（SYI）计算^[21]：

$SYI=\frac{Y-SD}{Y_{max}}$

式中：Y 指每个处理平均产量，kg·hm^-2；SD 表示每个处理产量标准差，kg·hm^-2；Y_max 表示所有处理中最大产量，kg·hm^-2。

土壤磷素收支表观平衡（kg·hm^-2）= 肥料磷投入-作物磷带走^[22]

磷素盈余率（%）=（肥料磷投入-作物磷带走）/ 作物磷带走 ×100^[22]

用 Excel 2016 和 SPSS 24.0 进行试验数据统计分析，使用 Origin 2021 作图。采用 Duncan 法检验各处理间的差异显著性（P<0.05）；红壤无机磷组分对磷吸收的贡献采用 R.4.0.2 的 randomForest 程序包计算，并用 rfPermute 程序包检验模型和每个变量的 P 值（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 施磷量和间作对玉米产量及产量可持续性的影响

由图1 可知，在低磷红壤上，施用磷肥显著提高了玉米产量和 SYI。玉米籽粒产量显著提高149.35%～304.48%，产量可持续性指数提高了 1.78～2.76 倍。玉米籽粒产量随施磷量增加而增加，到 P90 水平达到最高。

注：柱上不同字母表示不同种植模式、不同施磷水平间差异达显著水平（P<0.05），下同。

不同施磷水平下（除 P0 水平外），玉米 // 大豆间作显著增加了红壤玉米产量和 SYI。在 P60、 P90、P120 水平下，与单作玉米相比，间作玉米籽粒产量分别显著增加了 66.70%、52.44%、74.14%， SYI 分别显著提高了 55.31%、42.18%、78.00%。并在 P90 水平下，玉米籽粒产量和 SYI 均达到最大值，在 P60 水平下的间作玉米产量和 SYI 显著高于单作玉米的最高产量和 SYI（P90）。

2.2 施磷量和间作对玉米磷吸收量的影响

由图2 可知，在低磷红壤上，施用磷肥显著提高了玉米的磷吸收量，单作和间作条件下较不施磷处理（P0）分别显著提高了 116.01%～232.24% 和143.57%～243.99%，平均增幅为 132.26%～231.17%。玉米磷吸收量随着施磷量增加而增加，在 P90 水平达到最大值，单作和间作下分别为 32.32 和 48.05 kg·hm^-2。

不同施磷水平下，与单作相比，玉米 // 大豆间作显著促进玉米对磷素的吸收。在 P0、P60、P90、P120 水平下，间作玉米地上部磷吸收量较单作分别显著提高了 43.58%、61.97%、48.67%、74.33%。说明，低磷红壤上间作提高玉米对磷素吸收的效果显著。

2.3 施磷量和间作对红壤磷素收支平衡的影响

从不同施磷水平下土壤磷素收支表观平衡状况可知（表2），在低磷红壤上，根际土壤有效磷含量随着施磷量的增加而增加，较不施磷处理，施用磷肥显著提高了玉米根际土壤有效磷含量，单作和间作平均增幅为 140.02%～251.30%。在不同施磷水平下，间作根际土壤有效磷含量较单作均无显著性差异，但间作显著促进了玉米磷吸收。

在不施肥 P0 条件下，土壤磷表观平衡均亏缺，单作和间作土壤的年亏缺量分别为 9.73 和 13.97 kg·hm^-2。而 P60、P90 和 P120 土壤磷素表观平衡较盈余。单作红壤的年盈余量为 38.99～97.60 kg·hm^-2，分别占磷肥投入的 64.98%、64.09%、 81.33%，间作红壤的年盈余量为 25.97～80.95 kg·hm^-2，分别占磷肥投入的 43.28%、46.61%、 67.46%。

在 P60、P90、P120 水平，与单作相比，间作红壤磷素盈余量分别显著降低了 33.39%、27.27%、 17.06%。磷素盈余率分别显著降低了 58.86%、 51.09%、52.41%。

注：同列不同字母表示不同种植模式、不同施磷水平间差异达显著水平（P<0.05）。

2.4 施磷量和间作对红壤无机磷组分的影响

2.4.1 无机磷组分含量

从表3 可以看出，在低磷红壤上，无机磷组分以闭蓄态 O-P 含量最多，其次是 Fe-P。施用磷肥显著提高了玉米根际土壤 Fe-P、Al-P、Ca-P 和 O-P 的含量，不同施磷水平下的增幅分别为 100.29%～197.61%、 109.50%～254.30%、42.05%～46.81% 和 18.38%～41.82%，以 Fe-P 和 Al-P 组分增加最为显著，以 P120 施磷水平增加最多。

不同施磷水平下，玉米 // 大豆间作显著降低了玉米根际土壤无机磷组分 Fe-P（除 P0 降低未达显著水平外）、Al-P 和 O-P 的含量，尤以低磷（P0 和 P60）时，O-P 和 Al-P 含量降低最多。而低磷（P0 和 P60）时，间作对 Ca-P 含量无显著影响，在高磷 P90 和 P120 水平下，间作显著降低了 Ca-P 含量。与单作相比，在 P0、P60、P90、P120 水平下，间作玉米根际土壤 O-P 含量分别显著降低 20.62%、 16.79%、16.62%、18.48%，平均降低了 18.13%； Al-P 含量分别显著降低 21.98%、21.08%、20.19%、 20.18%，平均降低了 20.86%。在 P60、P90、P120 水平下，间作根际土壤 Fe-P 含量分别显著降低 19.37%、15.78%、17.72%，而 P0 水平下无显著差异；间作根际土壤 Ca-P 含量在 P90、P120 水平下分别显著降低 23.50%、26.70%，在 P0 和 P60 水平下无显著差异。施磷水平和种植模式对玉米根际土壤 Al-P、Ca-P 和 O-P 含量具有显著的交互效应。

注：数据为平均值 ± 标准差；同列不同字母表示不同种植模式、不同施磷水平及其平均值间差异达显著水平（P<0.05）。* 和 ** 分别表示达 P<0.05 和 P<0.01 显著水平，ns表示未达显著水平。

2.4.2 无机磷组分占比

根际土壤无机磷各组分占无机磷总量比例情况如图3 所示，按占比大小排序依次为 O-P>Fe-P>Al-P>Ca-P，其中，O-P 和 Fe-P 含量占无机磷总量的 71.44%～80.18%，是无机磷的主体部分。与 P0 水平相比，施用磷肥显著降低了 O-P 占无机磷总量的比例，在单作中降幅为 20.68%～30.00%，在间作中降幅为 21.36%～30.54%，显著提高了 Al-P 和 Fe-P 占无机磷总量的比例，在单作中增幅分别为 42.47%～74.97% 和 27.92%～36.93%，在间作中增幅分别为 36.58%～73.15% 和 43.14%～60.16%，其中 Fe-P 占比以间作增加更高。 O-P 和 Al-P 占比在 P90 和 P120 水平下无显著差异， Fe-P 占比在 P60、P90 和 P120 水平下无显著差异。

不同施磷水平下，单、间作根际土壤中 Al-P 含量占无机磷总量分别为 19.03% 和 18.54%，Fe-P 占比分别为 28.24% 和 27.65%，Ca-P 占比分别为 6.50% 和 7.10%，在 P0、P60 和 P120 水平下，间作根际土壤中 Ca-P 占总无机磷的比例显著高于单作。

2.5 红壤无机磷组分对玉米磷吸收量的贡献

通过将红壤无机磷组分与玉米磷吸收量进行随机森林分析（图4），发现该模型在间作种植模式下的总方差解释（R² =79.05%）大于单作 （R² =73.23%），单作红壤中，Fe-P 是影响玉米磷吸收量的关键无机磷组分，对磷吸收的贡献率为 12.74%，间作红壤中，Fe-P 和 Al-P 是影响玉米磷吸收量的关键无机磷组分，对磷吸收的贡献率分别为 14.25%、13.26%，间作增加了无机磷组分对磷吸收的贡献。

注：* 表示 P<0.05。

3 讨论

3.1 间作对玉米产量及产量可持续性的影响

合理间作使作物地上和地下部的时间、空间生态位得到分离，进而全方位地借助自然中的光照、水分等许多资源，同时发掘出土壤中各个层次中的各类养分资源，具有提高产量的优势^[10]。研究表明，在低磷红壤上，适当施用磷肥能显著提高玉米籽粒产量，间作玉米产量较单作显著提高了 52.44%～74.14%，这与前人研究结果一致，Li 等^[23-24]长期定位试验研究表明，间作的平均产量及年际间的稳定性均高于单作。SYI 被认为是营养管理系统和土壤生产力可持续性的重要指标，SYI 越高，系统的可持续性越强^[21]。与 P0 水平相比，施磷提高了玉米 SYI，间作 SYI 提高了 42.18%～78.00%，这可能是因为间作促进营养物质向生殖器官的转运，增加作物籽粒的干物质量，实现间作产量优势，提高玉米产量可持续性^[23-24]。研究发现，在 P0 水平下间作优势不明显，可能是不施磷红壤中有效磷含量极低，无法满足植物生长需要，从而导致作物长势差，没有间作效应或间作效应较小。而高磷水平 P120 时单作籽粒产量和 SYI 较 P90 水平下降，这可能是由于磷肥的过量投入，诱发土壤缺少锌、硅等元素^[25]，降低土壤生物活性^[26]，作物生长受阻和抗病性差而导致减产。因此合理间作和施用磷肥对保障作物产量，促进农业可持续发展具有重要意义。

3.2 间作对玉米磷吸收的影响

基于全球尺度的 Meta 分析表明，玉米 // 大豆间作体系通过生态位互补在相同土地面积获得较高的生物量和磷吸收量^[11]。本研究结果表明，玉米 // 大豆间作显著提高了玉米地上部磷吸收量，这与 Liao 等^[2]在石灰性土壤上、Yang 等^[27] 在玉米 // 大豆间作体系中的研究表明间作促进禾本科作物磷吸收和磷素利用效率的结果一致。可能是因为玉米 // 大豆间作诱导根系形态改变^[28]，增加根系活力，从而提高了根系养分吸收能力。另一方面可能是由于玉米生长在贫瘠的土壤中，磷的获取很大程度上依赖丛枝菌根^[29]，间作玉米根系菌根侵染率、侵染密度和丛枝丰度均显著高于单作^[30]。研究表明，适当施磷促进作物磷吸收，但在 P120 水平下的玉米磷吸收显著低于 P90 水平，与前人的研究结果^[8]类似，可能的原因是作物根系和丛枝菌根的生长受高磷水平的抑制，进而影响磷吸收^[14，31]。Chu 等^[31]研究表明，在中等土壤有效磷水平下，菌根真菌对植物磷吸收的贡献最大，而较低或较高的有效磷则可能抑制菌根的贡献。

3.3 间作对红壤无机磷组分的影响

不同土壤类型上土壤无机磷形态存在明显差异^[32-33]。在本试验的旱地红壤中，无机磷组分以 O-P 和 Fe-P 为主，占无机磷总量的 71.44%～80.18%，Al-P 与 Ca-P 含量相对较少，与前人研究一致^[34]。Chen 等^[22] 研究表明，随着全磷含量的上升，Al-P 和 Fe-P 占比显著提高，当全磷含量高于 1.50 g·kg^-1 时，Al-P 占比高达 40.1%，成为最主要的无机磷形态。本研究表明，随着施磷量的增加，Fe-P、Al-P 占无机磷总量的比例显著提高，这与该研究结果相似。此外，本研究表明，随着施磷水平提高，O-P 占比虽然显著降低，但仍占无机磷的 40.23%，这与 Chen 等^[22]研究结果不一致，可能的原因是该学者是在中等肥力土壤上进行的试验，而本研究基于磷固定能力较强的低磷红壤，全磷的含量显著影响无机磷的转化^[5]。

豆科 // 禾本科间作后，通过向根际释放质子、低分子有机酸和磷酸酶，从而活化在钙质土壤中的 Ca-P、酸性土壤中的 Al-P 和 Fe-P，提高磷有效性，促进玉米磷吸收^[17，35]。本试验研究表明，间作玉米根际土壤的无机磷组分 Fe-P、Al-P 和 O-P 的较单作含量降低了 19.34%、20.56%、18.01%。这与间作降低了红壤难溶性无机磷组分，促进了红壤磷的活化和玉米磷吸收是一致的^[36]。可能是由于合理间作通过促进根际羧酸盐渗出，增加了土壤有机碳、微生物量碳^[18，37]，提高了土壤生物学活性和微生物代谢活性^[18]，改变了根际解磷细菌数量和群落结构，提高了解磷细菌的转化强度^[38] 和丛枝菌根真菌侵染率^[30]，促进了低分子有机酸的螯合作用，从而提高微生物促进难溶性无机磷的活化和释放磷的能力，加强土壤磷素周转，提高作物吸收磷的潜力。

此外，前人研究表明，在碱性土壤不同磷形态中，Ca₂-P 易被作物吸收，是作物的第一有效磷源^[32]，而在山原红壤上的不同无机磷形态中，Fe-P、Al-P 是有效磷源^[33]，本研究通过随机森林分析发现，在低磷红壤上，Fe-P 和 Al-P 是影响作物磷吸收的关键无机磷组分，且间作增加了 Fe-P 和 Al-P 对磷吸收的贡献，与 Chen 等^[22]在赤红壤上 Fe-P 和 Al-P 有效性较高的研究结果相一致。说明 Fe-P 和 Al-P 作为红壤磷库的潜在磷源，可通过根际互作促进这部分磷的活化被作物吸收利用。

3.4 间作对红壤磷平衡的影响

土壤有效磷是土壤磷库中对作物最为有效的部分，是评价土壤供磷能力的重要指标^[39]。土壤磷素累积与磷投入密切相关^[40]。本研究表明，施磷能显著提高土壤有效磷的含量和土壤磷素盈余量，这与前人的研究结果^[40]一致。有研究表明，间作显著提高了有效磷含量^[34]，而张丽等^[41]研究表明间作促进作物磷吸收，有效磷含量显著降低。在本研究中，与单作相比，间作的有效磷含量无显著差异，但间作显著降低土壤磷素盈余，这可能是由于间作模式下作物根系对养分的吸收能力强于单作，促进间作红壤中被活化的难溶性磷被植物吸收利用^[14，27-28]。另一方面，周龙等^[42]在低磷红壤上研究表明，玉米 // 大豆间作通过改变土壤的 pH、有机质和游离氧化铁含量影响红壤磷吸附量和解吸量，具有较好的土壤磷缓冲能力，促进磷素大量解吸供植物吸收利用，从而降低土壤中的磷素累积量，减少土壤磷残留。

4 结论

（1）玉米籽粒产量及其 SYI、磷吸收量随着施磷水平的增加而增加，在 P90 水平达到最大值。低磷红壤无机磷组分以 O-P 和 Fe-P 为主，二者占无机磷库的 71.44%～80.18%，施用磷肥显著提高了红壤 Fe-P 和 Al-P 占总无机磷的比例，显著降低了 O-P 和 Ca-P 的占比。

（2）与单作相比，玉米 // 大豆间作显著提高玉米产量和产量可持续性，促进磷的吸收利用，减少土壤磷素盈余量，降低红壤 Fe-P、Al-P 和 O-P 等无机磷组分含量。且施磷水平和种植模式对玉米根际土壤 Al-P、Ca-P 和 O-P 含量具有显著的交互效应。间作红壤 Fe-P、Al-P 是影响作物磷吸收的关键无机磷组分。

综上，在低磷红壤上，合理间作通过促进红壤中难溶性无机磷组分的活化来增加玉米的磷吸收，从而具有减少磷肥固定、维持玉米产量及可持续性的潜力。

参考文献