磷受限条件下短期豆科-玉米轮作能否超越玉米连作？生物量产量与磷利用效率对比研究

《Journal of Plant Nutrition and Soil Science》：Do Short-Term Legume–Maize Sequences Outperform Maize Monoculture Regarding Biomass Production and P Use Efficiency Under P-Restricted Conditions?

这项研究（一项温室盆栽试验）挑战了在磷（P）限制条件下，豆科作物作为前茬能普遍提升后续玉米生长和全轮作周期磷利用效率（PUE）的传统认知。研究发现，尽管白羽扇豆和蚕豆能显著且持久地刺激土壤磷酸单酯酶活性，但后续玉米的生物量和磷吸收并未因此受益，白羽扇豆甚至强烈抑制了后续玉米的生长。由于豆科作物前期生物量显著低于前茬玉米，本试验中所有短期豆科-玉米轮作序列在总生物量产量和磷利用效率方面均未能超越玉米连作。该研究为未来田间试验设计提供了重要参考。

　　

引言：豆科作物在可持续生产系统中的潜力与知识空白

将豆科作物整合到可持续生产体系中，可能显著提高当前以谷物为基础的轮作制度的磷利用效率（PUE）。豆科植物因固氮能量需求而具有相对较高的磷需求，因此对磷缺乏反应敏感。然而，它们也进化出了高效的获取策略，即使在磷受限条件下也能满足需求，例如通过根系酸化、分泌大量羧酸盐以及释放胞外磷酸单酯酶等机制来活化土壤中的磷。因此，在谷物轮作中加入豆科作物可能导致土壤特性发生长期改变，有利于提高磷的生物有效性。先前研究表明，许多豆科作物能够比其他作物更有效地利用难溶性磷源（如磷矿粉）和有机磷组分。然而，矿化、解吸和溶解的磷会立即在土壤中被固定、吸附和钝化，因此需要研究来评估豆科植物对土壤磷有效性的真实影响。此外，关于豆科植物诱导的土壤变化的持续性及其对后茬作物的益处，目前知之甚少，且对整个轮作序列的综合评估仍然缺乏。

本研究旨在通过温室盆栽试验，在磷限制条件下，测试四种短期作物序列（紫花苜蓿/玉米、蚕豆/玉米、白羽扇豆/玉米和玉米/玉米）与不同磷有效性磷肥（磷矿粉、鸟粪石和过磷酸钙）的组合，以解决上述知识空白。研究假设如下：(1) 豆科植物刺激土壤磷矿化过程（磷酸单酯酶活性）和溶解过程（酸化）；(2) 从而提高土壤中磷的有效性以及难溶性磷肥的有效性；(3) 后续种植的玉米也能从这种提高的磷有效性中获益，表现为地上部生物量和磷吸收增加；(4) 最终，豆科-玉米轮作序列的整体PUE优于玉米-玉米连作序列。

材料与方法：试验设计与实施

试验以前茬作物为白羽扇豆、蚕豆、紫花苜蓿和玉米，后茬均为玉米，共四种作物序列。同时设置四种施肥处理：不施磷（对照）、施磷矿粉（11.34% P）、施鸟粪石（9.16% P）和施过磷酸钙（TSP，19.64% P）。试验采用完全随机区组设计，共64个盆钵。土壤采自德国图林根州，为轻度缺磷的砂壤土，试验前与25%石英砂混合。所有处理均施用等量钾、镁和氮（鸟粪石处理通过肥料本身供氮，其他处理通过硫酸铵补充等量氮），磷肥施用量为30 mg P kg^-1干基质。前茬作物生长56天后收获地上部，模拟耕作将根系切碎并与土壤混合，三周后播种玉米，生长46天后收获。在试验过程中三次采集土壤样品，测定酸性及碱性磷酸单酯酶活性、pH、钙-乙酸-乳酸提取态磷（CAL-P）等指标，并利用³¹P-NMR技术分析土壤有机磷组分。植物样品测定生物量、磷浓度、磷吸收量等，并计算整个作物序列的总生物量、总磷吸收量和磷利用效率。

结果：豆科植物的影响与轮作表现

1. 1.
   对土壤磷过程与磷有效性的影响：白羽扇豆和蚕豆能强烈且持久地刺激酸性和碱性磷酸单酯酶活性。例如，在根系分解三周后，蚕豆和白羽扇豆序列的酸性磷酸单酯酶活性比玉米/玉米序列高出约100%。0.05). Equal letters indicate no significant difference among the treatments at the respective sampling time point (Fisher's LSD test, α = 0.05).">然而，土壤pH的变化微小。在CAL-P方面，白羽扇豆/玉米序列显著增加了土壤CAL-P含量，而蚕豆则消耗了CAL-P库。0.05)), and (b) depending on the fertilizer and sampling time point (n = 16). Graphs depict LSMeans ± 95% confidence intervals (CI). Fertilizer × crop sequence was not significant. Equal capital letters indicate no significant difference among the treatments (at the respective sampling time point) (Fisher's LSD test, α = 0.05).">³¹P-NMR分析显示，短期豆科轮作对土壤有机磷化合物（如肌醇六磷酸、磷脂、DNA等）无显著影响。
2. 2.
   对植物生长和生物量生产的影响：在后续玉米生长方面，紫花苜蓿后的玉米地上部生物量（21.6 g）显著高于玉米连作处理（18.6 g）。然而，白羽扇豆强烈抑制了后续玉米的生长，其生物量仅为玉米连作处理的40%（7.5 g）。0.05). Equal capital letters indicate no significant difference among the treatments concerning total biomass, and equal small letters indicate no significant difference among the sequences concerning the pre-crop or maize biomass, respectively (Fisher's LSD test, α = 0.05).">就整个作物序列（前茬+玉米）的总生物量而言，由于前茬玉米的生物量（25.6 g）是各豆科作物（9.5-13.1 g）的2-2.5倍，没有任何豆科轮作序列能超越玉米连作。
3. 3.
   对磷浓度和磷吸收的影响：尽管豆科作物地上部磷浓度高于前茬玉米，但在总磷吸收量上，仅蚕豆/玉米序列与玉米/玉米序列相当（约58 mg P pot^-1），紫花苜蓿/玉米序列较低，白羽扇豆/玉米序列则显著最低（38.7 mg P pot^-1）。0.05). Equal capital letters indicate no significant difference among the treatments concerning total P offtake, and equal small letters indicate no significant difference among the sequences concerning pre-crop or maize P-offtake, respectively (Fisher's LSD test, α = 0.05).">磷利用效率（PUE）的变化趋势与总磷吸收量一致。
4. 4.
   对磷肥有效性的影响：作物序列与施肥处理之间从未出现显著的交互作用，表明豆科植物对磷的矿化、溶解作用以及对玉米生长的影响，与土壤磷状况无关。在本试验的低磷用量下，鸟粪石表现出与过磷酸钙（TSP）相当甚至作为缓释肥料的后续效果，其CAL-P残留量高于TSP处理。

讨论：机制阐释与农艺意义

1. 1.
   豆科植物提高磷有效性的过程：本试验证实，特别是白羽扇豆和蚕豆，能够刺激磷酸单酯酶活性，且这种变化可持久至后茬玉米生长期。酸性磷酸单酯酶活性在根系分解后的升高可能与根系酶释放或微生物被激发有关。豆科根瘤的存在暗示了生物固氮的进行，而白羽扇豆地上部高锰浓度指示了其较强的羧酸盐分泌。这些过程共同作用，可能导致白羽扇豆序列土壤CAL-P的增加，而蚕豆则表现出对CAL-P库的挖掘利用。然而，³¹P-NMR未检测到有机磷组分的显著变化，可能与土壤有机质含量较低、试验周期短有关。
2. 2.
   对玉米生长和磷浓度的影响：紫花苜蓿后玉米生长更佳，可能与其持续的地面覆盖改善土壤结构有关。白羽扇豆强烈抑制后续玉米生长，且玉米体内磷浓度已接近临界水平，表明磷并非生长限制因子。抑制可能源于白羽扇豆在缺磷下分泌的异黄酮类等化感物质（如染料木素）在根茬分解后的积累，这些物质具有细胞毒性。因此，在生产中，确保豆科与后茬作物间有足够的休闲期至关重要，且大田条件下豆科通常在衰老期收获，根系分泌物减少，其化感作用和正面的磷矿化效应可能被削弱。
3. 3.
   豆科植物对磷肥有效性的影响：本试验中作物序列与施肥无交互作用，意味着豆科植物对磷过程的刺激作用不依赖于所施磷肥的种类（矿物磷肥）。如果肥料含有更多有机磷，情况可能不同。
4. 4.
   轮作序列性能评估：豆科轮作序列在总生物量生产力上无法达到玉米连作的水平，尽管在总磷吸收量上差距缩小。根本限制在于豆科作物无法与玉米的高效生长竞争。本试验前茬作物（包括玉米）未施足量氮，若按农事实践为玉米补氮，玉米连作的优势将更明显。尽管紫花苜蓿/玉米序列在提高PUE方面展现出潜力（因其可多次刈割且改善了后茬玉米生长），但需进一步研究验证。

结论：对传统认知的审视与展望

本研究表明，所有豆科轮作均能观察到更高的磷酸单酯酶活性和羧酸盐分泌，证实了豆科植物对磷矿化和解吸过程的刺激作用，但其强度和土壤中的持久性因物种而异。

然而，这些过程在短期内（白羽扇豆除外）并未与土壤CAL-P表征的磷有效性提高相关联。豆科植物也未能提高来自难溶性磷肥（如磷矿粉）的磷有效性。

只有紫花苜蓿作为前茬有益于后续玉米生长。白羽扇豆的情况特殊，其提高磷有效性的代价是强烈抑制后茬作物生长并大幅降低PUE。

最终，由于豆科作物在8周生长期内的生物量产量较低，本试验中所有豆科-玉米轮作序列在总生物量和总磷吸收量方面均无法与玉米连作竞争，因此未能通过集成豆科作物来优化磷利用效率。

该试验为理解豆科植物对磷循环的刺激作用及其在轮作中的持续性提供了有价值的见解，也对豆科作为前茬作物因其较低生产力和部分抑制作用而获得的片面积极描绘提出了质疑。需要进一步的研究来评估实际轮作制度的PUE，并在田间条件下重新评估豆科植物对磷途径和磷有效性的影响。