磷肥减施对设施番茄根系形态、磷吸收及土壤微生物量磷含量的影响

高利娟 张猛 魏建林 刘冬梅 丁效东

摘    要：針对北方设施菜地磷肥过量施用问题，通过盆栽试验研究磷肥减量对番茄根系形态发育、磷素吸收及根际土壤微生物量磷含量影响。试验设农民习惯施磷量（P2O5）375 mg·kg-1 （P100），磷肥减施至80% （300 mg·kg-1，P80）、磷肥减施至50%（187.5 mg·kg-1，P50）及不施磷（P0），以不施肥作为空白对照（CK）。结果表明，随磷肥施用量的减少，植株地上和地下部干质量均显著降低（P<0.05），但植株根冠比呈先增加后降低的趋势，表明根系需要调节自身的形态、构型来适应外界的生活环境;微生物量磷（MBP）与速效磷（Olsen-P）呈极显著正相关（P<0.01），与有机磷（OP）显著负相关（P<0.05），土壤酸性磷酸酶活性（ACP）与有效磷（Olsen-P）、全磷（TP）分别呈显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）负相关，碱性磷酸酶（ALP）与有效磷（Olsen-P）、微生物量磷（MBP）极显著负相关（P<0.01），与全磷（TP）显著负相关（P<0.05）;与农民习惯施肥（P100）相比，P80处理微生物量磷（MBP）显著增加（P<0.05），P50处理微生物量磷（MBP）与P100差异不显著（P>0.05），但其土壤磷酸酶（ACP和ALP）活性显著提高（P>0.05），故磷肥施用减至50%～80%时，可满足设施番茄正常磷素供应。

关键词：磷肥减施;根系形态;微生物量磷酸性;磷酸酶活性

中图分类号：S147.2;S158.30          文献标识码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.08.004

Abstract： The problem of excessive phosphorus fertilization in intensive vegetable planting area in North China is a common phenomenon. The pot experiment was conducted to study the effects of phosphorus reduction on the root morphology， phosphorus absorption and microbial biomass phosphorus content in the rhizosphere soil. There were four treatments in this experiment， which included farmers' traditional phosphorus application amount （375 mg·kg-1 P2O5， P100）， 80% of P100 treatment （300 mg·kg-1， P80）， 50% of P100 treatment （187.5 mg·kg-1， P50） and no phosphorus application （P0）， no fertilization was as the control （CK）. The results showed that with the decrease of the phosphate application amount， the biomass of aboveground and underground were decreased significantly （P<0.05）， while the root shoot ratio increased first and then decreased， indicating that the roots need to adjust its own morphology and configuration to adapt the external environment. There was a significant positive correlation between the microbial biomass phosphorus （MBP） and the available phosphorus（Olsen-P） （P<0.01）， while there was a significant negative correlation between the microbial biomass phosphorus （MBP） and the organ phosphorus （P<0.05）. The acid phosphatase activity（ACP） was significant negatively correlated with the available phosphorus （Olsen-P） （P<0.05） and the total phosphorus （TP） （P<0.01）.The alkaline phosphatase （ALP） was significant negatively correlated with the available P （Olsen-P） （P<0.01）， the microbial biomass P （MBP） （P<0.01） and the total phosphorus （TP） （P<0.05）. Compared with farmers' traditional phosphorus application amount （P100）， the soil MBP increased significantly in P80 treatment （P<0.05）， while the P50 treatment had no significant with P100 treatment but the soil phosphatase active were significantly increased， indicating that the amount of P2O5 reduction to 50%～80% of the conventional application amount could meet the normal phosphate supply of tomatoes

Key words： phosphorus reduction; root morphology; microbial biomass phosphorus acidity; acid phosphatase activity

设施蔬菜种植作为周年栽培模式，对保证蔬菜供应具有重要作用，因此，在利益的驱动下，菜农过量施肥，大大超出蔬菜作物本身需求，特别是磷肥的供应。Macdonald等[1]研究表明，全球每年向土壤中投入化肥磷142万t和有机肥磷960万t。目前，我国磷肥过量施用现象在设施蔬菜种植地区均普遍存在，P2O5平均施用量767.9 kg·hm-2，是需求量的3.9～7.9倍[2-5]。白新禄等[6]调查陕西西安杨凌磷肥养分的平均投入量以P2O5计为720 kg·hm-2，与设施番茄磷肥推荐用量（P2O5 200～370 kg·hm-2）相比，超出推荐量157%，磷素显著过量。

设施蔬菜磷肥过量施用不仅造成肥料利用率低，且导致土壤磷素累积等问题严重[7]。胡宁等[8]研究发现，磷肥施入农田容易被土壤固定难以被植物所利用，当季利用率一般仅为10%～25%。约75%～90%的磷残留在土壤中，势必造成土壤磷素逐年积累。土壤磷中来自肥料磷可达400 mg·kg-1[9]，其中山东寿光设施蔬菜P2O5用量达1 278 mg·kg-1，8年和13年棚龄表层土壤有效磷含量分别平均253 mg·kg-1和355 mg·kg-1[10-11]。

Manschadi等[12]认为磷肥过量施用对作物产量增产效果较小，而作物高产在于磷素利用效率的提高。从土壤磷素的生物化学循环来看，微生物起着举足轻重的作用，其生命活动直接影响土壤磷素周转及肥力水平。因此，本研究针对集约化设施菜地磷肥施用量大、土壤累积量高及环境风险大的特点，以设施番茄为研究对象，采用盆栽培养试验法，研究磷肥减量化施用对番茄根系生长、磷素吸收及土壤微生物量磷的影响，以期为菜农合理施肥提供理论依据。

1  材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤取自寿光市洛城牟城村0～20 cm玉米耕层土壤（潮土），其基本性状为碱解氮52.5 mg·kg-1，有效磷41.97 mg·kg-1，速效钾167.89 mg·kg-1，有机质8.82 g·kg-1，pH值7.6。供试番茄品种为大粉果，选取长势相同的番茄幼苗定植于可容纳25 kg土壤的塑料桶中（直径28 cm，高29 cm），每盆定植1株。供试肥料为磷酸二铵（P2O5，53.75%，N，21.71%）、硫酸钾（K2O，50%）及尿素（N，46%）。

1.2 试验设计

本试验采用盆栽培养试验，共设5个处理，每个处理重复3次，完全随机排列。试验处理分别为农民习惯施磷量（P2O5）375 mg·kg-1（P100），减少磷肥用量（P2O5）至80%（300 mg·kg-1，P80），减少磷肥用量（P2O5）至50%（187.5 mg·kg-1，P50），不施磷（P0）及空白对照（不施肥，CK），具体施肥时期和用量见表1（除对照外，各氮、钾施肥量相同）。试验期间，用去离子水灌溉，将土壤相对含水量控制在75%。定期调换盆栽位置，以保证盆栽能得到等量光照。在番茄生长阶段的苗期、花期和盛果期（定植后15，35，45 d），定期测定相应指标。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 地上部和根系干质量测定    将现取植株的地上部和根系分开，然后采用抖根法获取根际土壤（抖根后用刷子将根上剩余的土壤轻轻刷下来）;然后地上部与根系用离子水冲洗，将植株鲜样放在烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘72 h，称量，记录干质量。

1.3.2 植物根系根长及根面积    将根系用清水洗净，扫描根系样品获取数字化图像，利用WinRHIZO根系分析系统（Regent Instruments Inc.，Canada）对图像进行分析，获得根长和根面积等根系生长参数。

1.3.3 根际土壤磷酸酶活性及磷含量测定    酸性磷酸酶活性（ACP）和碱性磷酸酶活性（ALP），分别采用乙酸盐缓冲液（pH值5.0）及硼酸盐缓冲液（pH值9.6）浸提，采用苯磷酸二钠比色法[13];土壤微生物量磷（MBP）的测定采用熏蒸提取—无机磷测定法[14];有效磷（Olsen-P）采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提，钼锑抗比色法[15];有机磷（OP）采用灼烧，0.2 mol·L-1 H2SO4浸提，钼锑抗比色法[15];全磷（TP）采用硫酸、高氯酸消解，钼锑抗比色法[15]。

1.4 数据处理

采用SPSS18.0软件进行数据统计分析，LSD法比较处理间的差异显著性，采用 DPS7.05软件进行逐步相关分析，Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 磷肥减施对番茄地上部分和根系的影响

由表2可知，与习惯施肥（P100）相比较，减施磷肥处理（P80、P50、P0）及空白对照（CK）均显著降低了植株地上和地下部干质量（P<0.05），降幅分别为12.4%～65.3%和4.3%～64.3%;但根冠比增加，增幅3.0%～75.8%，其中P50处理根冠比最大，且除CK与P100差异不显著外（P>0.05），其他处理差异均显著（P<0.05）。

由表3可知，与CK相比较，施肥处理根表面积、根体积和根长均显著提高（P<0.05）;与P100比较，P80和P50处理根表面积无显著差异（P>0.05），但根總体积显著增加（P<0.05），而d≤0.5 cm和d>0.5 cm根系根长均在P80处理最高;P0处理根表面积和根长均介于CK与施磷处理之间，根体积略高于P100但差异不显著（P>0.05）。

2.2 磷肥减施对番茄根际土壤有效磷（Olsen-P）的影响

由图1可知，随磷肥施用量的减少，苗期根际土壤Olsen-P呈减少趋势，与P100处理的Olsen-P含量（159.16 mg·kg-1）相比，P80、P50和P0降幅分别为44.0%、60.3%和97.0%，差异显著（P<0. 05）;花期根际土壤Olsen-P呈先增后减的趋势，P80处理最高，是P100处理（68.94 mg·kg-1）的1.33倍，二者差异显著（P<0.05），P50处理与P100处理无显著性差异（P>0.05），而P0处理较P100处理下降了92.2%;盛果期与花期变化趋势一致，与P100处理土壤Olsen-P（38.58 mg·kg-1）相比较，P80是其1.58倍，P50和P0降幅分别为33.0%和91.3%，处理间差异均显著（P<0.05）;3个生育期中P0处理与CK均无显著差异（P>0.05）。在P100条件种植番茄，其土壤Olsen-P含量随生育期的推进显著降低（P<0.05）;P80和P50处理土壤Olsen-P含量在苗期和花期无显著变化（P>0. 05），但至盛果期时显著降低（P<0.05）;P0及CK中土壤Olsen-P含量差异均不显著（P>0.05）。

2.3 磷肥减施对番茄根际土壤全磷（TP）的影响

由图2可知，随磷肥施用量的减少，苗期根际土壤TP呈减少趋势，与P100处理的TP含量（0.70 g·kg-1）相比，P80、P50和P0降幅分别为21.8%、39.3%和58.5%，差异显著（P<0.05）;花期根际土壤TP亦呈减少趋势，与P100处理的TP含量（1.70 g·kg-1）相比，P80、P50和P0降幅分别为13.5%、30.9%和67.7%，差异显著（P<0.05）;盛果期，与P100相比，P80土壤TP含量略有升高但差异不显著（P>0.05），而P50和P0土壤TP含量降幅19.8%和59.6%，差異显著（P<0.05）;P0与CK在各生育期差异均不显著（P>0.05）。

2.4 磷肥减施对番茄根际土壤有机磷（OP）的影响

由图3可知，3个生育期内，P100处理根际土壤OP均显著高于其他各处理（P<0.05）。苗期，与P100处理根际土壤OP含量（185.47 mg·kg-1）相比较，P80、P50、P0和CK降幅分别69.1%、74.7%、57.3%和66.3%;花期，与P100处理根际中土壤OP含量（265.71 mg·kg-1）相比，P80、P50、P0和CK降幅分别49.1%、71.5%、57.9%和34.6%;盛果期，与P100处理根际土壤OP含量（118.39 mg·kg-1）相比，P80、P50、P0和CK降幅分别59.4%、49.7%、28.3%和18.6%。

2.5 磷肥减施对番茄根际土壤微生物量磷（MBP）的影响

由图4可知，随磷肥施用量的减少，3个生育期根际土壤MBP含量均呈先升高后降低的趋势，且均表现为P80处理显著高于其他处理（P<0.05），P100与P50处理差异不显著（P>0.05）但二者显著高于P0处理（P<0.05）;CK与P0在苗期和盛果期差异不显著（P>0.05），但在花期CK显著低于P0（P<0.05）。苗期，与P100处理MBP含量（53.59 mg·kg-1）相比较，P80处理增加20.8%，而P50和P0分别降低7.1%和66.3%;花期，与P100处理MBP含量（24.08 mg·kg-1）相比较，P80是其2.27倍，而P50和P0分别降低9.5%和41.3%;盛果期，与P100处理MBP含量（24.08 mg·kg-1）相比较，P80是其2.56倍，P50增加了7.3%，P0降低了66.1%。

2.6 磷肥减施对番茄根际土壤酸性磷酸酶活性（ACP）的影响

由图5可知，随磷肥施用量的减少，3个生育期根际土壤ACP活性均呈增加趋势，其中P80较P100增幅不显著（P>0.05），其他处理增幅均显著（P<0.05）;CK与P0差异均不显著（P>0.05）。苗期，与P100处理根际土壤ACP活性（0.07 mg·g-1·h-1）相比较，P50和P0处理增幅分别为45.3%和114.3%;花期，与P100处理根际土壤ACP活性（0.06 mg·g-1·h-1）相比，P50和P0处理分别增加63.0%、116.7%;盛果期，P0处理根际土壤ACP活性最高，为0.14 mg·g-1·h-1，与P100处理根际土壤ACP活性（0.08 mg·g-1·h-1）相比较，P50和P0增幅分别为52.1%和63.05%。综上所述，低磷处理（P50、P0）较习惯施肥P100处理根际土壤ACP活性在各生育期内均显著增加。

2.7 磷肥减施对番茄根际土壤碱性磷酸酶活性（ALP）的影响

由图6可知，苗期，根际土壤ALP活性P50处理最高，为1.96 mg·g-1·h-1，与P100 （1.42 mg·g-1·h-1）相比较，增幅38.0%，差异显著（P<0.05），而其他处理间均无显著差异（P>0.05）;花期，P50处理根际土壤ALP活性最高，为1.43 mg·g-1·h-1，其次是CK，与P100（0.89 mg·g-1·h-1）相比较，增幅分别为60.7%和41.6%，差异显著（P<0.05），P80和P0与P100均无显著差异（P>0.05）;盛果期，CK处理根际土壤ALP活性（1.21 mg·g-1·h-1）最高，与CK相比，P100和P80降幅分别为17.4%和31.6%，差异显著（P<0.05），其他处理间均无显著差异（P>0.05）。

2.8 番茄盛果期根冠比和土壤酶活性磷组分之间的相关性分析

由表4可知，土壤酸性磷酸酶活性与有效磷和全磷分别呈显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）负相关，表明土壤酸性磷酸酶活性随土壤根际有效磷和全磷增加而减小;碱性磷酸酶活性与有效磷和微生物量磷极显著负相关（P<0.01），与全磷显著负相关（P<0.05），表明土壤碱性磷酸酶活性随有效磷、微生物量磷和全磷增加而减少;根冠比与土壤有机磷极显著负相关（P<0.01），微生物量磷与有效磷极显著正相关（P<0.01），与有机磷显著负相关（P<0.05），全磷与有效磷极显著正相关（P<0.01）。

3 结论与讨论

3.1 磷肥减施对番茄根系生长及磷素吸收的影响

根系对植物起着固定、支撑的作用，承担着吸收水分和养分的重要功能，在生态系统的生物地球化学循环中扮演着重要角色。植物根形态、构型具有可塑性，植物可以通过调节自身的形态、构型来适应外界的生活环境，磷有效性是其中一个重要的调控因子[16]。在养分完全的土壤环境下，根系生长快速且分支多，植物的这种响应机制使其实现了资源的优化配置，获取更多养分[17]。本研究发现，根冠比随磷肥施用量的减少呈先增后减趋势，表明根系需要调节自身的形态、构型来适应外界的生活环境，当减施磷肥至80%（P80）时，植物在低磷环境中，根系会通过增加根长、根表面积、根体积以及细根数量充分利用吸收土壤中的磷元素，而当减施磷肥至50%（P50）和0%（P0）时，根系形态指标增加不明显甚至部分指标出现显著下降是由于磷素的缺乏使根系无法正常生长，这与李荣坦[18]研究结果一致。

3.2 磷肥减施对番茄根际土壤磷酸酶活性及微生物量磷含量的影响

未来解决大田土壤累积态磷素高效利用和可持续发展的根本途径是通过调节作物—土壤—微生物相互作用来提高磷的循环利用效率[19]。在此过程中，土壤酶参与了土壤中所有生化反应，推动了营养元素循环转化、能量代谢和污染物质净化等，磷酸酶在土壤磷素循环过程中，发挥至关重要的作用，可将有机磷水解为无机磷，其活性大小直接影响于土壤供磷潜能及磷素有效性。

酸性磷酸酶是普遍存在于植物体和土壤中的水解酶，其活性与植物和土壤供磷状况有着重要关系。据报道，正常磷素供应时，酸性磷酸酶变化不明显，而在低磷的环境条件下，可以促使植物根系分泌酸性磷酸酶，从而有效地促进有机磷的水解[20]。在本研究中发现，在减施磷肥至50%（P50）和0%（P0）时，根际酸性磷酸酶活性显著增加，相关分析（表5）表明酸性磷酸酶活性與有效磷显著负相关，表明低磷环境条件下，可以诱导植株分泌酸性磷酸酶，进而有效地促使有机磷水解转化成植物根系直接利用的磷组分，提高植株磷素利用率;而在减施磷肥至80%（P80）处理中，并未检测到根际酸性磷酸酶显著增加，即还未显现出磷饥饿状态，可以保证植株正常生长，与庞欣等[21]研究根系供磷对酸性磷酸酶活性的影响的结果表述一致。

不同磷肥施用条件下，碱性磷酸酶活性仅在苗期和花期减施磷肥至50%处理（P50）显著高于其他磷肥处理（图6）。为了进一步了解碱性磷酸酶活性与土壤各磷组分之间的转换关系，进行相关分析（表5），碱性磷酸酶活性与有效磷、微生物量磷呈极显著负相关，与全磷显著负相关，表明磷肥供应的降低同样诱导了碱性磷酸酶的生成。杨艳菊等[22]研究表明，碱性磷酸酶可加速土壤有机磷的矿化，尤其是中活性有机磷和中稳性有机磷的转化，提高了土壤磷的有效性。 Hofmann等[23]研究发现施用磷肥会减少磷酸酶活性，而在相对缺磷条件下土壤微生物更易于产生酸性磷酸酶和碱性磷酸酶。刘存歧等[24]认为碱性磷酸酶活性在水体当中，对于磷素利用存在一种“抑制—诱导”机制，有机磷含量过高，会诱导碱性磷酸酶活性的提高，而无机磷含量过高对碱性磷酸酶活性产生抑制作用。刘玉槐等[25]在水稻生态系统中，研究了根际与非根际土壤磷酸酶活性对碳、磷的响应特性，结果表明碱性磷酸酶与微生物量磷和有效磷呈极显著负相关（P<0.01），与本试验研究结果一致。本试验中，不同量磷肥投入在土壤中，微生物量磷与有效磷呈极显著正相关（P<0.01），表明随磷肥施用量的减少，微生物在土壤磷素周转方面起着一定作用;土壤酸性磷酸酶活性与有效磷、全磷呈显著或极显著负相关，由于过量施用磷肥后无机磷抑制磷酸酶活性，碱性磷酸酶与有效磷、微生物量磷呈极显著负相关（P<0.01），表明随土壤磷素供应下降，低磷环境诱导微生物分泌碱性磷酸酶。

根系环境是植物和土壤交流沟通十分活跃的界面，也是植物遭受胁迫时优先作出响应的区域[26]。植物根系作为根际的主要调控者，根构型和数量的改变[27]均可对根际微生物及其分泌功能造成影响[28]。同时土壤微生物量磷和磷酸酶作为土壤磷素养分转化和循环中的环节，它们也反映了土壤微生物和土壤肥力状况[29-30]。因此，本试验中磷肥施用减至50%～80%，可满足设施番茄正常磷素供应的同时，又可维持土壤微生物性状和酶活性，从而达到农业生产活动与土壤生态系统和环境间的合理平衡。

参考文献：

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