酸性土壤中基施钼肥促进毛叶苕子生长与生物固氮的作用机制

《International Journal of Agronomy》：Basal Molybdenum Application Enhances Growth and Nitrogen Fixation of Hairy Vetch in Acidic Soil

　　

基施钼（Mo）肥可能缓解酸性土壤中豆科植物生长和生物固氮的微量营养限制，但其对毛叶苕子（Vicia villosa Roth）及土壤养分过程的综合效应尚不充分明确。研究人员在酸性农田开展田间试验，设置5个基施Mo水平：0（CK）、0.3（T1）、0.6（T2）、0.9（T3）和1.2（T4）kg Mo ha?1。评估了根系形态、结瘤、固氮酶活性（nitrogenase activity）、生物量积累、植株养分状况、土壤化学性质、微生物量及探索性路径关系。Mo施用显著促进了根系发育，增强了根瘤形成和固氮酶活性，表明共生N2固定潜力提高。T4处理下，总根长、根表面积和根体积分别达到644.42 cm、99.81 cm2和1.32 cm3，较CK分别增加92.1%、102.9%和175.0%；根瘤数和固氮酶活性分别增加144.9%和115.8%。Mo施用还提高了生物量产量。鲜草产量在T4处理下最高（19264.73 kg ha?1），而干草产量在T3处理下最高（2487.50 kg ha?1）。植株N浓度在T2处理下达到峰值，较CK增加32.7%，植株Mo浓度在T4处理下达到1.25 mg kg?1。Mo施用后，土壤pH、无机N、微生物量碳（microbial biomass C, MBC）和微生物量氮（microbial biomass N, MBN）均升高，而土壤有机质、全磷和有效磷的响应相对有限。T4处理下，MBC和MBN分别增加165.3%和128.4%。探索性路径分析表明，Mo主要通过促进根系发育和增加土壤微生物量来增强植株元素积累和N同化。这些发现表明，合理的Mo管理可提高酸性农田中毛叶苕子的生产力和土壤供N能力。综合考虑干物质产量、固氮效率和经济投入，推荐基施Mo量为0.6–0.9 kg Mo ha?1（T2–T3）作为酸性土壤中毛叶苕子生产的指示性最优范围，二次剂量-响应分析显示高于0.9 kg Mo ha?1后干物质回报递减。

研究背景与科学问题

豆科绿肥是农业系统中养分供应、土壤肥力提升和生态服务的重要生物资源。毛叶苕子（Vicia villosa Roth）作为一种冬季绿肥作物，可通过与根瘤菌共生将大气N₂转化为植物可利用的氮，并通过残体还田、根系周转和根际沉积增加土壤有机碳和活性养分库。然而，酸性土壤（如我国南方广泛分布的红壤和黄壤）中低pH、盐基离子淋失、磷固定、铝锰毒害及微量元素失衡等问题，常常抑制豆科植物的根系伸长、根瘤形成和根瘤菌活性，进而削弱生物固氮效率。

钼（Mo）是植物必需的微量元素，也是豆科植物氮代谢和共生固氮中不可替代的功能元素，参与硝酸还原酶（nitrate reductase）和固氮酶（nitrogenase）等关键钼依赖酶的构成。在酸性土壤中，钼酸根易被铁铝氧化物强烈吸附，导致Mo有效性极低。已有研究多聚焦于Mo对大豆、苜蓿等豆科作物产量或氮吸收的影响，但对毛叶苕子作为冬季绿肥作物的综合效应仍缺乏系统表征。因此，本研究旨在探究酸性土壤中基施Mo肥能否同时改善毛叶苕子的根系构型、结瘤、养分吸收、土壤微生物活性和土壤氮转化，并通过探索性路径分析识别Mo供应、根系与根瘤响应、微生物活性及土壤氮动态之间的关键联系。

研究方法概述

研究采用随机区组设计，在中国河南省罗山县的典型酸性农田进行为期一个生长季（2023年10月至2024年4月）的田间试验。设置5个基施Mo水平（0、0.3、0.6、0.9、1.2 kg Mo ha^?1），以钼酸铵形式一次性施入0–20 cm表层土。在毛叶苕子盛花期采样，测定以下指标：利用WinRHIZO图像分析系统量化根系形态参数（根长、根表面积、根体积）；记录单株根瘤数；采用乙炔还原法（acetylene reduction assay, ARA）测定固氮酶活性；测定地上部和地下部生物量及植株C、N、P、K、Mo浓度；分析土壤pH、有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、铵态氮、硝态氮及微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）。数据分析采用线性混合效应模型检验处理效应，Fisher's LSD法进行多重比较，并拟合线性和二次多项式模型描述剂量-响应关系，同时构建偏最小二乘路径模型（PLS-PM）进行探索性路径分析。

研究结果

3.1 Mo施用对根系发育、结瘤和固氮酶活性的影响

基施Mo显著促进毛叶苕子根系形态发育。与CK相比，T4处理下根长、根表面积和根体积分别增加92.1%、102.9%和175.0%。Mo施用同时增强了结瘤和固氮酶活性：T4处理下根瘤数达91.19个/株，较CK增加144.9%；固氮酶活性达320.78 μmol C₂H₄ g^?1 h^?1，较CK提高115.8%。

3.2 Mo施用对生长和生物量积累的影响

Mo施用显著提高毛叶苕子产量和生物量。鲜草产量在T4处理下最高（19264.73 kg ha^?1），较CK增加103.7%；干草产量在T3处理下最高（2487.50 kg ha^?1），较CK增加65.4%。单株地上部和地下部生物量均在T4处理下最高，分别较CK增加102.5%和109.5%。

3.3 Mo施用对植株养分状况的影响

植株N浓度在T2处理下达到峰值（3.14%），较CK增加32.7%。植株Mo浓度随Mo施用量增加而升高，T4处理下达1.25 mg kg^?1，较CK增加247.2%。植株P和K浓度对不同Mo水平的响应各异。

3.4 Mo施用对土壤化学性质的影响

Mo施用后土壤pH普遍升高，T2处理下最高（5.60），较CK增加11.0%。土壤有机质、全氮和全磷变化幅度较小。土壤无机N响应更为明显：T4处理下铵态N和硝态N分别达6.72和10.83 mg kg^?1，较CK增加89.0%和43.4%。

3.5 Mo施用对土壤生物学活性的影响

Mo施用显著提高土壤微生物量。T4处理下MBC和MBN分别达129.38和69.97 μg g^?1，较CK增加165.3%和128.4%。

3.6 植物-土壤相互作用的探索性路径分析

PLS-PM分析表明，Mo施肥率对根系发育和微生物活性均有强正向路径系数（分别为0.966和0.970）。微生物活性对植株元素积累和N同化的正向效应（路径系数分别为0.612和0.567）大于根系发育的直接效应。土壤N对N同化也有正向路径（系数0.226）。

3.7 Mo施用的剂量-响应分析

大多数植物变量（根长、根体积、根瘤数、鲜草产量等）在0–1.2 kg Mo ha^?1范围内呈显著正向线性响应。干草产量和植株N浓度则呈平台型模式，二次模型顶点位于0.90 kg Mo ha^?1，表明超过此剂量后干物质积累不再增加。

讨论与结论

讨论部分指出，Mo施用通过三条途径协同促进毛叶苕子生长：一是作为固氮酶和硝酸还原酶的功能组分直接参与N固定与同化；二是促进根系伸长和根表面积扩大，增强养分获取能力；三是改善植株生长后增加根际碳输入，刺激微生物活动和养分周转。Mo施用还使土壤pH略有升高，这可能是生物固氮增强后减少了对铵态氮的吸收（从而减少了H⁺释放）所致，而非钼酸铵本身的直接石灰效应。值得注意的是，高Mo处理（T4）下鲜草产量虽最高，但干物质积累并未相应增加，鲜干比从CK的6.29升至T4的7.84，表明额外增加的生物量主要是水分而非干物质。

研究结论如下：基施Mo显著促进了酸性土壤中毛叶苕子的根系发育和共生固氮。与CK相比，高Mo处理使总根长、根瘤数和固氮酶活性分别增加92.1%、144.9%和115.8%，表明Mo同时增强了根系吸收能力和根瘤功能。Mo施用还提高了产量、生物量和植株养分状况。Mo施用改善了部分土壤化学和生物学性质，尤其是土壤无机N供应和微生物活性，而对土壤有机质、全磷和有效磷的影响相对有限。探索性路径分析表明，Mo通过根系发育和微生物激活的协同途径增强植株元素积累和N同化。综合考虑干物质产量、固氮效率和经济投入，推荐基施Mo量为0.6–0.9 kg Mo ha^?1（T2–T3）作为酸性土壤中毛叶苕子生产的指示性最优范围。由于本研究基于单一生长季和单一地点，这些施用量应视为指示性结果，需通过多年多点田间试验进一步验证。