覆盖作物种植与翻压提高后茬小麦磷肥利用效率

《Plant and Soil》：Cover crop cultivation and incorporation improve phosphorus fertilizer-use efficiency by subsequent wheat crop

　　

摘要

背景与目的：磷（P）高效管理是农业生产中的重大挑战。植物具有多种磷活化机制，可影响后茬作物的磷吸收。目前关于此方面的信息较为匮乏，本研究旨在评估在不同土壤条件和施肥制度下，不同覆盖作物（CC）对后茬经济作物（硬粒小麦，Triticum durum L.）磷吸收的影响。

方法：在受控条件下开展盆栽试验，涉及不同的覆盖作物：燕麦（Avena sativa，Av）；普通野豌豆（Vicia sativa，Vs）；蓝花野豌豆（Vicia narbonensis，Vn）；Av+Vs及Av+Vn混播。试验选用两种有效磷含量低且主导磷动态特性不同的土壤：富碳酸盐土壤（S-Ca）和富氧化铁土壤（S-Fe）。覆盖作物终止并翻压其残体后，分别在施磷和不施磷条件下种植小麦。

结果：Olsen-P（碳酸氢钠提取的有效磷）在覆盖作物终止后显著下降，但在残体翻压后因腐解物质和微生物活性的磷周转而部分恢复，这解释了为何不施磷小麦在覆盖作物后其磷吸收量并未下降。根据土壤类型不同，覆盖作物使肥料表观磷回收率（APR）提高了2–6倍。燕麦在S-Fe土壤中提高APR效果最显著，而Vs和Av+Vn在S-Ca土壤中效果最佳。在施用磷肥时，部分覆盖作物处理降低了小麦的生理磷利用效率（PUtE）。

结论：研究结果表明，覆盖作物有助于提高外源磷的利用效率并增强土壤磷循环，从而促进农业生态系统磷管理的可持续性。

**论文深度解读：覆盖作物种植与翻压对后茬小麦磷肥利用效率的影响机制与土壤依赖性**

**1. 研究背景与科学问题**

磷（Phosphorus, P）是农业生产中不可或缺但利用效率低下的有限战略资源。其在土壤中易发生沉淀或吸附固定反应，导致当季作物对磷肥的利用效率普遍偏低。为减少对矿质磷肥的依赖并实现农业生态系统的可持续集约化，覆盖作物（Cover Crop, CC）作为一种有效的农艺措施被广泛关注。传统研究多聚焦于覆盖作物对氮（Nitrogen, N）循环的贡献，尤其是豆科覆盖作物的生物固氮作用。然而，覆盖作物通过自身根系的直接活化机制，或通过激发根际微生物活性间接影响养分循环的潜力，特别是在磷素供应方面，尚未得到充分认识。已有研究表明，覆盖作物可改变土壤磷库的动态，但其对后茬作物磷吸收的短期效应，尤其是在不施磷条件下可能引发的磷供应净消耗问题，以及在不同土壤理化性质背景下对磷肥利用效率的调控作用，仍缺乏系统的评估。因此，本研究旨在探究不同磷活化特性的覆盖作物对土壤磷生物有效性及后茬小麦磷吸收的影响，并揭示主导磷动态的土壤特性（碳酸盐与氧化铁）在其中的调节作用。

**2. 研究目标与试验设计**

该研究提出了三个核心假设：第一，具有不同磷活化特性的覆盖作物对磷循环及后茬作物磷供给的改善能力存在差异；第二，覆盖作物短期内可能降低后茬作物的有效磷供应；第三，土壤性质会显著影响覆盖作物在磷循环中的表现。为验证这些假设，研究人员设计了一个完全随机的三因素盆栽试验，在人工气候室受控条件下进行。试验因素包括：两种性质迥异的低有效磷土壤、六种覆盖作物处理（无覆盖作物对照C；燕麦Av；普通野豌豆Vs；蓝花野豌豆Vn；Av+Vs混播；Av+Vn混播），以及小麦季磷肥施用与否。

**3. 主要关键技术方法**

- **试验体系**：采用3 L盆栽，土壤与蛭石按3:1体积比混合，每盆装土2.5 kg。供试土壤为有效磷含量低且性质不同的富碳酸盐土壤（S-Ca）和富氧化铁土壤（S-Fe）。
- **覆盖作物培养**：豆科植物播种前接种根瘤菌（Rhizobium spp.），覆盖作物生长至开花期后终止，地上部和根系残体切断（<20 mm）后混匀翻压入原盆土壤。
- **残体矿化培养与后茬种植**：翻压后土壤在相同条件下培养1个月，随后种植硬粒小麦（Triticum durum）至成熟期。磷肥处理为以K₂HPO₄形式施加50 mg P kg^?1。
- **土壤磷组分与生物指标分析**：采用Olsen法测定有效磷（Olsen-P），同时测定碳酸氢钠提取液中有机磷含量。分析了土壤微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）、磷（MBP）以及β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性。
- **数据计算与模型**：基于Olsen-P变化与作物吸磷量的关系，计算了覆盖作物生长期内促进土壤磷库周转的潜力（Pcyc），并计算了小麦的农艺指标（收获指数HI、磷素收获指数PHI）以及磷肥利用效率指标（表观磷回收率APR和生理磷利用效率PUtE）。

**4. 主要研究结果与结论**

**4.1 覆盖作物的表现及对土壤性质的影响**

覆盖作物地上部磷累积量无显著差异，但Vn根系磷累积量显著高于其他处理。通过计算Pcyc指标发现，Vn、Av+Vn和Av+Vs处理的磷吸收量超过了土壤Olsen-P的估算下降量，表明这些覆盖作物能够活化利用土壤中非有效态磷库。覆盖作物终止后，土壤Olsen-P显著降低；但在残体翻压培养1个月后，Olsen-P有所恢复，表明残体腐解具有磷素周转作用。然而，与无覆盖作物对照相比，大多数覆盖作物处理在培养后仍显著降低了土壤Olsen-P，降幅受土壤类型影响。在微生物指标方面，覆盖作物显著影响了土壤微生物生物量碳（MBC），其中Vs处理最高，而含Av的处理最低。与对照相比，覆盖作物残体翻压培养后显著提高了土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性，尤其是含有Vs的处理，这与有机磷矿化潜力增强有关。

**4.2 对小麦磷营养与磷肥利用效率的影响**

在不施磷条件下，覆盖作物并未导致小麦磷吸收量相较于对照显著下降。然而，施用磷肥后，覆盖作物处理的小麦磷吸收量平均增加30%，其中Av处理显著提高了45%。覆盖作物对小麦收获指数（HI）和磷素收获指数（PHI）存在一定的负面影响，主要体现为促进营养生长而非籽粒生产。关键的是，覆盖作物显著提高了磷肥的表观磷回收率（APR），但其效应取决于土壤类型：在S-Fe土壤中，Av处理效果最佳，使APR达11%；在S-Ca土壤中，Vs和Av+Vn处理效果较好。总体而言，覆盖作物使APR在S-Ca和S-Fe土壤中分别平均提高了2.2倍和6.0倍。另一方面，在施用磷肥时，部分覆盖作物处理（如Av和Vs）显著降低了小麦的生理磷利用效率（PUtE），这是以往研究中未被描述过的新现象。

**4.3 部分讨论内容总结**

讨论部分进一步阐释了覆盖作物影响磷循环的机制。Vn等豆科植物凭借其强大的根系和分泌物（有机酸和磷酸酶）能力，能够活化土壤中难溶性磷。覆盖作物残体翻压后，为微生物提供了碳源和能源，促进了微生物的增殖和活性，增强了碱性磷酸酶的活性，进而加速了土壤有机磷的矿化。微生物在磷素周转中扮演双重角色，既可能通过固持作用暂时降低有效磷，也可能通过快速周转释放磷。研究还指出，土壤性质是决定覆盖作物影响磷肥效率的关键因素。在富碳酸盐的S-Ca土壤中，微生物活性（以MBC为指标）可能在提高APR中起主要作用；而在富氧化铁的S-Fe土壤中，燕麦因分泌铁载体等独特机制而表现更优。此外，覆盖作物对穗部磷分配的潜在影响可能与根际微生物群落的改变有关。

**5. 研究结论**

本研究通过盆栽试验得出以下结论：覆盖作物在其生长期间能够影响土壤磷循环，部分覆盖作物的磷吸收量高于土壤有效磷库的下降量；覆盖作物残体翻压后，其腐解释放的磷及微生物活动对土壤磷素周转起着关键作用，这解释了在不施磷条件下覆盖作物未对后茬小麦产生短期磷素供应负效应的现象；覆盖作物可将小麦对施入磷肥的表观磷回收率提高2–6倍，但具体效应取决于土壤性质，因此将覆盖作物纳入磷肥管理策略时需要因地制宜。尽管结论尚需田间试验进一步验证，但研究结果揭示了覆盖作物在提高外源磷利用效率和增强土壤磷循环能力方面的巨大潜力，为构建可持续的农业生态系统磷素管理策略提供了重要的科学依据。