磷钾对紫云英（Astragalus sinicas L.）生长和土壤性状的影响

时间：2024-05-30

王雨婷，曹卫东，邹长明*，高嵩涓，常单娜，周国朋

（1.安徽科技学院资源与环境学院，安徽凤阳 233100；

2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；3.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095）

我国南方稻区水、热资源丰富，多数地区适宜种植冬季绿肥［1］。绿肥是我国传统农业的精华，通过水稻-冬绿肥轮作模式，不仅可以减少土壤地表裸露、降低淋溶风险、防止水土流失［2］，还能有效提高土壤肥力、增强作物品质、改善农田生态环境［3］，在农业可持续发展中有积极意义。紫云英是南方稻区主要的冬季绿肥，紫云英-水稻轮作是一种资源高效利用且环境友好的种植模式，研究表明冬种紫云英能够减少化肥用量、提高水稻产量、增加土壤养分、改善土壤理化及生物学性状［4-6］。

磷、钾是植物生长中不可缺少的元素，对植物光合作用和养分积累具有十分重要的意义。磷素营养主要通过水分、渗透、光合调节和根冠生长等机制来增强植物的代谢活性和抗旱性［7］，提高植株氮素利用效率［8］。钾在维持离子稳态、渗透调节、蛋白代谢、酶活性、离子迁移和各种代谢过程中起关键作用［9-10］，其吸收、转运和利用效率与作物的产量和品质直接相关［11］。在紫云英种植过程中，适当施加磷钾肥能提高紫云英生物固氮效益［12］，实现“以磷增氮”“小肥换大肥”［13］。特别是在土壤养分不足的情况下，适当的磷钾肥养分补充，能极大促进紫云英生长并改善土壤性状［14］。不同紫云英品种的物候期存在一定差异，而且同一品种在不同生态区的生长性状、生物量和养分含量等均有所不同［15-16］，因此，关于紫云英生长对磷钾养分添加的响应及其相关作用机制，应当在考虑地理环境差异的情况下，结合实际生产需求选择适宜的磷钾养分施用量。

本文通过在广西南宁和安徽合肥两地设置不同磷钾施肥处理，研究磷钾养分对紫云英鲜草产量和土壤性状及土壤碳氮转化相关酶活性的影响，并探讨不同土壤条件下紫云英生长对磷钾养分的响应差异，以期为优化水稻-绿肥轮作体系中紫云英的高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究分别在安徽合肥和广西南宁两个地点设置盆栽试验。安徽合肥位于117°17′E、31°52′N，年均气温15.7℃，年均降水量1000 mm；广西南宁位于108°22′E、22°48′N，年均气温21.6℃，年均降水量1302.4 mm。两地皆为亚热带季风气候，种植制度安徽合肥为单季稻-绿肥，广西南宁为双季稻-绿肥。两地所用盆栽土壤均采自当地稻田土壤耕层（0～20 cm）。安徽合肥供试土壤的pH（土水比1∶2.5）、有机质含量、全氮含量、有效磷含量和速效钾含量分别为6.4、1.7%、1.16 g/kg、21.0 mg/kg和142.5 mg/kg，广西南宁供试土壤的pH（土水比1∶2.5）、有机质含量、全氮含量、有效磷含量和速效钾含量分别为7.5、1.2%、0.94 g/kg、45.5 mg/kg和134.9 mg/kg。

1.2 试验设计

盆栽试验所用紫云英品种均为当地主栽品种，合肥和南宁两地分别为弋江籽和萍宁72号，试验设4个处理，分别为：不施肥对照（P0K0）、单施磷肥（P1K0）、单施钾肥（P0K1）、同时施用磷钾肥（P1K1），每个处理4个重复。磷、钾肥施用量均为每公顷90 kg纯养分（P2O5和K2O），肥料用量分别为过磷酸钙（P2O512%）2.67 g/盆和氯化钾（K2O 60%）0.53 g/盆。试验时每盆装干土8 kg，装盆前将肥料与土混匀，全部做基肥施入。合肥和南宁两地分别于2018年10月18日和10月22日播种，每盆定苗数量为20株，分别于2019年4月17日和3月15日收获。试验期间，采用称重法浇水保证土壤含水量为田间最大持水量的70%左右。

1.3 植株和土壤样品采集及保存

于紫云英盛花期收获土壤及植株样品。地上部植株全盆收获，称取鲜草产量后杀青、烘干并粉碎待测试养分含量。土壤样品一部分4℃保存测定无机氮含量，另一部分-80℃保存测定土壤胞外酶活性，其余风干用于测定土壤理化性状。

1.4 指标测定

植株样品的全氮、全磷、全钾含量经过H2SO4-H2O2联合消解后，分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法和火焰光度法测定［17］。

土壤理化指标的测试参照《土壤农业化学分析方法》进行［17］，其中，土壤pH采用水土比为2.5∶1电位法测定；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提后钼锑钪比色法测定；土壤速效钾采用1 mol/L NH4OAc浸提后火焰光度计测定；土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤铵态氮和硝态氮含量用2 mol/L KCl浸提，连续流动分析仪（AA3，SEAL，德国）测定。选取6种与土壤碳、氮、磷循环有关的胞外酶测定其活性，分别为α-葡萄糖苷酶（AG）、β-葡萄糖苷酶（BG）、磷酸酶（PHO）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、β-木糖苷酶（XYL），采用荧光微型板酶检测技术分析［18］，微型板荧光计（Scientific Fluoroskan Ascent FL，Thermo，美国）测定［19］。

1.5 统计分析

采用SPSS 22.0进行单因素方差分析，其中方差分析多重比较采用LSD法，在0.05水平下检验差异显著性。采用聚合增强树（ABT）分析研究土壤性状和土壤胞外酶活性对紫云英鲜草产量的相对影响，相关分析通过R 2.7.1的“gbmplus”包实现。

2 结果与分析

2.1 磷钾养分对紫云英鲜草产量及养分积累的影响

在安徽合肥，与P0K0处理相比，P1K1显著增加紫云英鲜草产量和干重，增加比例分别为37.69%、46.05%，P0K1显著增加紫云英干重，增产比例为22.70%；在广西南宁，与P0K0处理相比，P1K0处理降低了紫云英鲜草产量，各处理间紫云英干重无显著差异（图1）。

图1 磷、钾肥对紫云英鲜重、干重的影响

不同施肥处理对紫云英氮磷钾养分累积量的影响在两地有不同规律（表1）。与P0K0处理相比，安徽合肥P1K1处理紫云英全磷积累量增加了54.01%，广西地区P0K1和P1K1处理提高了紫云英全钾积累量，提升比例分别为59.25%和60.66%。

表1 磷钾肥对紫云英氮磷钾养分累积量的影响（mg/盆）

2.2 磷钾养分对土壤理化性质的影响

与P0K0处理相比，P1K0处理显著提高了广西南宁土壤有效磷含量，增加比例为18.86%；P0K1和P1K1处理均提升了广西南宁土壤速效钾含量，增加比例分别为16.37%和25.16%，各处理对安徽合肥土壤有效磷和速效钾含量影响不显著（图2）。

图2 磷钾肥对土壤有效磷、速效钾含量的影响

与P0K0处理相比，安徽合肥不同处理间土壤pH、全氮、铵态氮、硝态氮含量差异不显著，广西南宁P1K1处理显著提升了土壤全氮含量，提升比例为7.41%，P1K0处理显著提升了土壤铵态氮含量，提升比例为75.59%（表2）。

表2 磷钾肥对土壤pH、全氮、铵态氮、硝态氮含量的影响

2.3 磷钾养分对土壤胞外酶活性的影响

不同施肥处理下6种与碳、氮、磷转化过程相关的土壤胞外酶活性见图3。在安徽合肥，P1K1处理下AG、BG、PHO、NAG、LAP和XYL活性均最高，与P0K0处理相比有显著提高，提高比例分别为51.63%、131.79%、52.86%、55.60%、266.90%和87.96%；P0K1相对于P0K0显著提高了BG、PHO和NAG活性，提高比例分别为105.73%、37.06%和32.30%；P1K0显著提高了BG活性，增幅为40.82%，对其他酶活性没有显著影响。在广西南宁，P1K1处理的BG和NAG活性最强，与P0K0处理相比分别提高了56.62%和123.44%；P1K0、P1K1、P0K1处理对PHO活性的提高比例依次为47.84%、36.25%、27.17%，对LAP活性降低比例依次为33.39%、27.00%、24.49%。

图3 磷钾肥对土壤胞外酶活性的影响

2.4 土壤性状及胞外酶活性对紫云英鲜草产量的影响

安徽合肥和广西南宁土壤理化性状及土壤酶活性对紫云英鲜草产量的贡献率见图4。在安徽地区，土壤理化性状中铵态氮和有效磷含量对紫云英鲜草产量的贡献率最大，分别为35.57%和21.05%，其次为土壤全氮、速效钾和pH，贡献率分别为15.46%、10.71%和9.99%，土壤硝态氮的贡献率最小，为7.22%。在6种胞外酶活性中，AG活性对紫云英鲜草产量的影响最大，贡献率占25.56%，XYL和PHO的活性也有较大影响，贡献率分别为19.99%和17.72%，然后为LAP和BG的活性，贡献率分别为15.28%和12.07%，NAG活性贡献率最低，为9.38%。

图4 土壤理化性状及土壤酶活性对紫云英鲜草产量的贡献率

在广西南宁，土壤理化性状中全氮和pH对紫云英鲜草产量的贡献率最大，分别为21.82%和21.52%，其次为土壤速效钾、有效磷和铵态氮，贡献率分别为19.64%、16.73%和12.91%，土壤硝态氮的贡献率最小，为7.38%。在6种胞外酶活性中，LAP活性对紫云英鲜草产量的影响最大，贡献率为38.80%，其次为AG、XYL和PHO活性，贡献率分别为23.57%、15.32%和11.02%，BG和NAG活性贡献率较低，分别为5.98%和5.31%。

3 讨论

3.1 磷钾养分对紫云英生长及养分吸收的影响

磷钾肥配合施用能够协调植株对氮磷钾营养元素的均衡吸收，改善植株产量构成因素和产量形成［20］。本研究中磷钾配施增加了安徽合肥紫云英鲜草产量、干物重、磷累积量以及广西南宁紫云英全钾积累，与已有研究结果相似［21］。增施磷肥是提高紫云英鲜草和籽粒产量的关键［22］，但本研究中单施磷肥对广西南宁紫云英的干物重和磷累积量无显著提高，可能是由于广西南宁土壤本底有效磷含量较高，导致增施磷肥的效应被掩盖。因此作物对磷的吸收同其所处的环境条件和土壤有效磷含量紧密相关［23］。当土壤基础速效钾含量较低时，钾素投入对植株钾素积累量呈促进作用［24］，而适宜的磷素添加也有利于植株钾素积累［25-26］，这与本研究结果相一致，验证了磷钾养分配施的效果。在合理施磷条件下，植株钾素积累增强，植株的代谢酶活、叶片光合速率和植株产量也会随之增强。磷钾肥配合施用对植株生长和产量具有明显的正交互作用［27］。磷钾配施是均衡作物养分的重要手段，较单施磷肥或钾肥，更有利于提高作物产量和品质［28］。

3.2 磷钾养分对土壤理化性质的影响

土壤养分含量受土壤母质、温度、水分、微生物活动、作物吸收利用表现以及施肥情况等多重因素影响［29-30］。本研究中增施磷钾肥分别对土壤有效磷、速效钾含量有较大影响，与已有研究结果一致［31-32］，而磷钾配施对广西地区土壤速效钾含量的提升效果优于单施钾肥，也说明磷肥施用在影响土壤钾素有效性方面发挥了积极作用［33］。磷能促进紫云英体内铵态氮和硝态氮的同化，从而促进氮素的吸收和利用［25］，在广西南宁，单施磷肥提高了土壤铵态氮含量，磷钾配施增加了全氮含量，可能是磷促进了紫云英根瘤菌的结瘤性和根瘤中豆血红蛋白的含量，从而增加了有效根瘤，故能固定更多的氮素［34］，说明在豆科绿肥的栽培中，适当施用磷肥可以起到“以磷增氮”的效果，能够有效改善土壤氮素营养。本研究土壤理化性状中安徽地区土壤铵态氮、广西南宁土壤全氮对紫云英鲜草产量贡献率最高，也说明当土壤氮素营养改善后，紫云英鲜草产量会进一步增强，生长状态和环境效益得到提升，磷钾养分可能通过提高紫云英的固氮效应，增加紫云英产量和养分吸收量来达到“以磷增氮”的效果。但土壤铵态氮对于紫云英鲜草产量的贡献率在安徽合肥和广西南宁呈现显著差异，依据指标特征和土壤基本性状推测主要原因是pH差异造成的肥效发挥差异。铵态氮是能直接被作物吸收的速效养分，也是酸性土壤中植物的主要氮源［35］，铵根离子与碱性土壤氢氧根离子中和会导致氮元素挥发，所以本研究中铵态氮对土壤偏酸性的安徽合肥紫云英生长贡献率高，但对土壤偏碱性的广西南宁紫云英鲜草产量贡献率较低。

3.3 磷钾养分对土壤胞外酶活性的影响

AG参与土壤中碳水化合物的降解，水解产物为土壤微生物提供重要能量来源［36］，并通过直接参与淀粉及糖原代谢途径促进作物生长。而BG具有独特的叶绿体定位功能，可以通过影响植株体内脱落酸的循环，从而影响植株的气孔密度与光合作用，促进作物生长［37］。在本研究中，磷钾配施对安徽土壤AG和BG活性均有显著提升作用，可能是磷钾养分促进了紫云英生长，改善了土壤pH，从而使两种葡萄糖苷酶活性增强［38-39］。AG活性对安徽合肥紫云英鲜草产量贡献率最高，说明AG与紫云英生长的相互促进作用更强。本研究还发现，施用磷肥对两地土壤PHO活性有显著提升作用，表明改善磷营养能够提升土壤PHO活性，与已有研究结果一致［40］。具体来说，在安徽合肥可能是无机磷添加为土壤微生物或植物根系通过生物固持和吸收等多种方式消耗土壤有效磷提供了反应底物［41］，同时使微生物增加了用于合成PHO的能量投入［42］，从而促进了酸性PHO活性增加；在广西南宁可能是施磷提高了土壤氮养分，从而提高了植物和微生物的生产力，使得其对磷的需求增强，作为诱导酶的PHO活性也相应增强［43］。本研究中安徽合肥单施钾肥处理也提升了土壤PHO活性，可能是环境因子影响了土壤微生物呼吸及其温度敏感性变化特征［44］，从而影响了土壤酶活性［45］，也进一步说明了磷钾养分之间的正交互作用。此外，磷钾配施对安徽地区LAP活性有提升作用，但单施磷肥、磷钾配施处理下广西南宁LAP活性显著降低，可能是施肥处理影响了氮循环，从而引起了与氮循环有关的LAP活性的变化［46］，本研究也已证明单施磷肥和磷钾配施对广西南宁土壤铵态氮、全氮含量的影响。LAP活性对广西南宁紫云英鲜草产量贡献率最高，进一步说明了广西南宁养分表现与氮循环、土壤环境以及作物生长之间的密切关系。磷钾养分对土壤微生物的活性影响较大，且其影响存在一定地域差异，故磷钾养分对土壤酶活性的具体影响规律还有待进一步探索。