低磷碱性土壤中氮素形态与磷源互作对玉米和白羽扇豆根际磷相关过程的不同调控

《Journal of Agriculture and Food Research》：Nitrogen forms and phosphorus sources interact differently in modulating P-related rhizosphere processes in maize and white lupin under low-P alkaline soil

　　

氮素（N）和磷素（P）是影响根际P过程及养分吸收的关键大量营养元素，尤其在碱性-石灰性土壤中，由于化学固定、淋溶和生物固定反应，其生物有效性受到限制。研究人员通过温室盆栽试验和土壤培养试验，评估了N形态（NO₃^?和NH₄⁺）与P源（磷矿粉RP、正磷酸盐Ortho、聚磷酸盐Poly和三过磷酸钙TSP）对两植物种（白羽扇豆与玉米）养分利用及根际P获取策略的影响，试验采用低初始P水平（约7 mg kg^?1）的碱性石灰性土壤。白羽扇豆地上部干重始终表现对硝态氮的偏好，而不论P源如何；而玉米在P有效性增加时偏好转向铵态氮，尤其在添加聚磷酸盐后。铵态氮使白羽扇豆地上部N吸收提高134%，玉米提高107%；聚磷酸盐使白羽扇豆地上部P吸收提高126%，玉米提高418%（与对照相比）。白羽扇豆主要依赖增加根直径来利用可溶性P，而玉米则依赖多种根形态性状包括根长、表面积和体积。白羽扇豆释放少数几种以柠檬酸为主的有机酸（OAs）；然而玉米分泌多种更高浓度的OAs。尽管如此，仅白羽扇豆的总OA浓度与地上部P吸收呈显著负多项式关系（r² = 0.73, p = 0.009）。土壤中约90%的无机磷（Pi）处于稳定态，且大部分施用P保留在易变性和中等易变性Pi库中。然而，仅玉米耗竭了中等易变性Pi，尤其在添加N后，而白羽扇豆的P需求似乎主要由易变性Pi满足。简言之，N添加促进了两物种的根际P获取，不论P源和N形态如何，其中玉米在NH₄⁺条件下的净改善源于其以根为中心的策略和高养分需求。

研究背景方面，氮素和磷素作为关键大量营养元素，对生物功能和全球农业生产力至关重要。在多数农业系统中，植物生长常受N和P缺乏的双重限制，因大多数土壤缺乏足够N和P水平以支持最优植物生长， necessitating 化肥的大量施用。N和P基肥料在植物生理和生长之外，其互作对粮食安全、市场稳定性和农村生计具有关键影响。优化和合理化其使用可增强可持续性和韧性，推动社会经济收益，并促进农业和食品系统的治理。然而，这些化学投入品尤其是N基肥料的非理性使用，带来显著的经济和环境风险，如全球变暖和水生生态系统富营养化。因此，理解作物对N形态和P源的偏好可为肥料政策研究和技术创新提供信息，以促进养分高效利用、确保产量稳定性，最终支持生产力和可持续性。N和P的协同作用已报道可促进生物和生态效应， highlighting 两种必需营养元素之间化学计量平衡对最优生态系统生产力的必要性。尽管关于N和P互作已有大量研究，但在碱性-石灰性土壤中，尤其是在低至中等P水平条件下，N形态和P源对P吸收和土壤无机P库影响的生化机制仍探索不足。N形态和P源添加可调节根际P动态和过程，从而影响植物N和P吸收。例如，硝态氮吸收通常通过释放氢氧根（OH^?）或碳酸氢根（HCO₃^?）离子维持电化学平衡而增加根际pH；而铵态氮吸收导致根际酸化，因植物向根际释放质子（H⁺）以平衡过量正电荷。这些相反的pH变化显著影响P有效性，尤其在钙质土壤中，NH₄⁺诱导的酸化可增强钙结合磷酸盐的溶解度。然而，该研究领域仍然调查不足，可能对更好理解农业土壤中N和P互作有重要贡献。不同植物物种从土壤中获取P的机制差异很大。在P缺乏条件下，植物演化出多样化的地下策略以增加P获取，包括根形态变化、根际pH改变和P活化分泌物释放。尽管所有这些过程都有助于P获取，但植物单独或同时采用这些过程的程度可能受每种策略的能量或资源需求条件影响。在此背景下，研究人员开展了这项研究，旨在探究N形态和P源对两种不同作物（玉米和白羽扇豆）植物P和N利用以及根际P获取策略（包括根形态、分泌物释放和根际酸化）的影响，使用碱性石灰性土壤进行。研究假设：（i）N形态和P源将不同地调节玉米和白羽扇豆根际P相关生理和生化过程；（ii）N形态和P源之间的交互效应也将是物种特异性的。

该研究发表于《Journal of Agriculture and Food Research》。

研究采用的关键技术方法包括：在摩洛哥中部Mohammed VI理工大学实验农场温室中进行6周盆栽试验，使用当地碱性石灰性土壤与洗净干沙1:1混合以创建P缺乏条件；设置三因素试验设计包括3个N处理（无N对照、NH₄SO₄、KNO₃，施用量100 mg N kg^?1）和5个P处理（无P对照、磷矿粉RP、聚磷酸盐Poly、正磷酸盐Ortho、三过磷酸钙TSP，施用量80 mg P kg^?1），每处理4次重复；同时设置土壤培养试验评估不同P源随时间的溶解及土壤P生物有效性（Olsen P）贡献；使用高效液相色谱法（HPLC）测定根际有机酸；利用WinRHIZO?软件扫描分析根形态特征；采用氯仿熏蒸-提取法测定微生物量磷（MBP）；运用改良Hedley分级法进行土壤无机P分级；使用ICP-OES和凯氏定氮法分别测定植株P和N含量；并进行三因素方差分析、主成分分析（PCA）和结构方程模型（SEM）分析。

研究结果部分，"不同P源处理土壤Olsen P的周变化"：6周培养期间，P源对土壤Olsen P周变化影响显著。Poly和RP处理首周即提高土壤Olsen P至约40 mg P kg^?1，而TSP和Ortho处理达约56 mg P kg^?1。RP处理Olsen P随时间下降至第4周约20 mg kg^?1后稳定；Poly处理Olsen P持续增加，第3周达峰值80 mg kg^?1，培养结束时维持60 mg P kg^?1，为最高值。TSP和Ortho处理Olsen P均在第3周达峰值（分别为72和65 mg P kg^?1），之后下降。

"植物生物量"：N形态和P源显著影响两物种的地上部和根干重（p < 0.0001）。 regardless of N形态，可溶性P源均提高地上部生物量，以Ortho与NO₃^?组合最高。白羽扇豆地上部干重偏好NO₃^?，不受P源影响；而玉米对NH₄⁺和NO₃^?的偏好取决于P源，在聚磷酸盐或TSP与NH₄⁺联合添加时表现最优。无N添加时，玉米地上部生物量显著降低。白羽扇豆根生长主要在RP和无P处理下促进，而玉米根发育在可溶性P源尤其是Poly处理下改善。白羽扇豆根生物量对N添加反应明显，而玉米根生长不受N形态影响。玉米根冠比在NH₄⁺添加下最低；白羽扇豆根冠比在RP与NO₃^?组合下最高。

"地上部和根的N、P吸收及利用效率"：两物种地上部P吸收在可溶性P源处理下高于其他处理，Poly处理提高白羽扇豆126%、玉米418%（与对照相比）。N添加（NO₃^?和NH₄⁺）均提高两物种地上部P吸收，但玉米在NH₄⁺下P吸收更高，而白羽扇豆在NO₃^?下更高。玉米根P吸收在可溶性P源下较高，而P源对白羽扇豆根P吸收无显著影响。NH₄⁺使白羽扇豆地上部N吸收提高134%，玉米提高107%。玉米地上部N吸收受P源、N形态及P源×N形态交互作用影响，Poly与NH₄⁺组合最高，较NH₄⁺×无P处理高228%。磷利用效率（PUE）在可溶性P源下 consistently 高于RP，Poly处理下玉米PUE为白羽扇豆的两倍。氮利用效率（NUE）不受P源显著影响，但NH₄⁺营养在两种植物中均产生最高NUE。

"根际pH变化和微生物量磷"：两物种根际pH均显著低于土体土壤（p < 0.001）。白羽扇豆在无P添加下根际酸化最强；玉米不同P源间无差异。NH₄⁺处理使土体土壤酸化。白羽扇豆根际酸化在NH₄⁺和无N下较NO₃^?更显著；玉米无N处理根际pH低于NH₄⁺和NO₃^?处理。微生物量磷（MBP）在土体土壤中高于根际土壤，白羽扇豆根际MBP高于玉米。土体土壤中TSP处理MBP最高；玉米根际MBP在无N处理下高于NO₃^?和NH₄⁺处理。

"根形态特征"：P源对白羽扇豆多数根性状无显著影响，仅平均根直径在可溶性P源下增加。玉米根长在Poly处理下增加58%，时间效果根表面积和根体积在可溶性肥料下显著增强。N形态方面，白羽扇豆根长、表面积和体积在NO<sub>3^?下显著增加，而平均根直径、比根长（SRL）和根尖数在无N下更高。玉米多数根性状不受N处理影响，仅根质量密度在无N下较高，根体积在NO3?下较高，根表面积在N处理土壤下较高。

"有机阴离子分泌"：总OA分泌受P源和N形态影响，且因物种而异。玉米分泌总OA浓度约464.7 mg g^?1干根际土，白羽扇豆仅257.1 mg g^?1。两物种在可溶性P源下总OA分泌低于对照和RP。白羽扇豆在NH4⁺和NO3^?下总OA分泌均降低；玉米在NH4⁺下总OA分泌更高。柠檬酸是白羽扇豆主要有机酸，玉米则以抗坏血酸最丰富。白羽扇豆总OA与地上部P uptake 呈强负多项式关系（R = 0.73, p = 0.009），玉米该关系较弱（R = 0.54, p = 0.12）。

"驱动根际P uptake 变化的因素"：PCA分析显示，白羽扇豆PC1和PC2分别解释42.3%和25.3%变异，可区分低P条件与可溶性P源，以及NO3^?与其他N处理。其根P uptake 与根长、SRL、根表面积和根干重共变，地上部P uptake 与平均根直径和易变性Pi共变。玉米PC1和PC2分别解释61.1%和20.4%变异，可溶性P源在PC1上呈正载荷。结构方程模型（SEM）显示，白羽扇豆中土壤易变性Pi对总植物P uptake 有显著直接效应（β = 0.53, p < 0.05），植物生物量与P uptake 呈高度显著直接正相关（β = 0.95, p < 0.001）；根际生化过程负向影响根形态性状（β = ?1.46），正向影响土壤Pi分数（β = 0.58）。考虑N添加效应时，仅土壤Pi分数对植物生物量有显著正效应（β = 0.98, p < 0.05），易变性Pi载荷最高（0.78）。玉米中，仅根形态性状对植物生物量在N添加（β = 0.78, p < 0.001）和P添加（β = 0.76, p < 0.001）下均有显著正效应；植物生物量对P uptake 在N（β = 1.10, p < 0.001）和P（β = 1.08, p < 0.001）添加下均有高度显著正效应。

讨论部分总结，研究证实了第一个假设，即各植物演化出不同的P mobilization 和获取策略。玉米地上部P和N吸收主要与多种根形态性状相关，表明玉米本质上依赖根系生长和发育来获取土壤养分；而高P availability 下，白羽扇豆仅依赖少数更具针对性的根结构调整，尤其是根直径。白羽扇豆在P缺乏下增加有机酸分泌（尤其柠檬酸）和根冠比，表现稳定的根形态性状，而高P supply 减少其有机酸分泌。其根际微生物量磷较高，可能源于碳丰富的分泌物如柠檬酸创造的刺激环境。玉米中N添加后中等易变性Pi的耗竭，可能归因于N诱导的植物生长刺激及由此增加的P需求和更大土壤体积探索。两物种获取不同土壤P库的能力差异突出，白羽扇豆主要通过生化过程获取P，而玉米采用以根为中心的策略。这些发现通过SEM输出得到进一步支持。

研究结论部分翻译如下：该研究强调了N形态和P源在调节碱性石灰性土壤中低初始P水平（约7 mg kg^?1）下白羽扇豆和玉米的根际P过程及养分吸收中的关键作用。研究揭示白羽扇豆和玉米对N和P availability 的响应策略不同，尤其在根形态性状和根际生物化学方面。白羽扇豆在P缺乏下增加有机酸分泌（尤其柠檬酸）、提高根冠比，并在土壤P丰富时显著增加平均根直径，而较高的P supply 减少其有机酸分泌。相反，玉米 mobilize 土壤P的策略是以根为中心的，通过增加根长、根表面积和根质量密度等多数根形态性状来 scavenger 更多P。N形态与P源的交互作用在玉米中更为明显，因其生长不受P缺乏影响，但在通过可溶性肥料获得高P supply 时表现出对NH4⁺的偏好，Poly与NH4⁺组合产生更优的生物量生产和增强的N、P吸收。然而，白羽扇豆在生物量积累方面偏好NO3^?，而在P吸收方面两种N形态均较无N添加产生更高值。此外，聚磷酸盐作为P源倾向于提高两种植物的表现。</sub>