不同改良材料对灌漠土微生物量磷及生物有效性的影响

谭雅茹，张育林，王旭东

(西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

土壤微生物参与土壤中C、N、P、K等元素的循环，对提高土壤养分有效性具有重要作用[1]。微生物量磷是土壤中重要的活性磷源，能反映土壤磷素肥力水平[2]。在某种意义上，微生物量磷所占比例越大，被土壤吸附固定的磷就越少，土壤磷活性越大[3]。由于受一定程度盐渍化的影响，甘肃河西走廊地区土壤对水溶性磷的吸持和固定作用强烈，磷肥施用后，大部分速效磷被转化为溶解度低的Ca-P形态[4]，导致其磷肥当季利用率仅有10%～20%[5]。因此，提高土壤微生物磷量与提高河西地区盐渍化土壤磷素有效性密切相关。毛文娟等[6]研究发现，施用硫磺粉能有效降低北方盐碱土土壤的碱度和交换性钠离子含量，改善了土壤物理结构，从而促进了盐碱土的改良。El-Sayed等[7]研究表明，生物菌肥通过微生物生命代谢活动，改善养分吸收状况可改善土壤理化性质，提高土壤微生物数量。吴立鹏等[8]在滨海盐渍化土壤连续两年的定位试验表明，有机肥与磷肥合理配施能够通过外加碳源促进微生物生长繁殖，加强微生物对磷素形态的转化利用。郭成藏等[9]对于长年连作棉田的研究发现，秸秆还田条件下土壤微生物量磷含量随着连作年限的延长呈逐渐增加的变化趋势。目前，国内外学者多从土壤结构、理化性质和土地利用方式等方面对土壤微生物生物量、微生物数量的影响进行研究，而关于不同改良材料作用下土壤微生物量磷含量变化及其与土壤Olsen P、生物有效性之间关系的研究却较少。由此，本文针对河西走廊具有一定程度盐渍化的土壤，选择4种不同改良材料(硫磺、生物菌肥、有机肥和秸秆)进行培养试验和盆栽试验，研究了4种改良材料不同添加比例对土壤微生物量磷的影响，最终为盐渍土壤磷素高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土样类型为灌漠土，2018年4月采自甘肃省金昌市永昌县红山窖乡张家庄村(38°21′25″N，101°37′20″E)农田，含盐量为0.11%，属轻度盐渍化土[10]。采样深度为土壤表层0～20 cm，土壤的基本理化性质见表1。供试材料分别是硫磺粉(分析纯，含S 99.5%)、生物菌肥(上海时科生物科技有限公司研制)、有机肥(宁夏新方向生物科技有限公司生产)和小麦秸秆。其中，有机肥主要成分为：有机质≥49%，N+P2O5+K2O≥5%；生物菌肥主要成分为：有机质≥45%，氨基酸≥3%，腐殖酸≥6%，有效活菌数≥2.0 亿·g-1。不同材料的全磷含量分别为：硫磺：0 g·kg-1；生物菌肥：0.19 g·kg-1；有机肥：3.3 g·kg-1；秸秆：0.37 g·kg-1。供试肥料为尿素(N 46%)。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.2 试验方法

培养试验：称取100 g过1 mm筛的风干土样置于培养盒中(盒底直径5.4 cm，盒口直径7.3 cm，斜高3.9 cm)，添加不同比例的硫磺粉(每100 g干土中添加改良材料的用量，用百分数表示，S：0.05%、0.15%、0.45%，分别记为S0.05、S0.15、S0.45)、生物菌肥(B：0.25%、0.50%、1.00%，分别记为B0.25、B0.50、B1.00)、有机肥(OM：0.50%、1.00%、2.00%，分别记为OM0.50、OM1.00、OM2.00)、秸秆(WS：1.00%、2.00%、4.00%，分别记为WS1.00、WS2.00、WS4.00)。然后向土壤中加入100 mg·kg-1的P(KH2PO4)充分混匀，加蒸馏水调节土壤含水量为田间持水量 的75%。同时设置对照(CK，不添加改良材料)。25℃下恒温培养，培养盒盖中央留一小孔，保证土壤微生物氧气供应。培养过程维持土壤含水量不变。每个处理设3次重复。在培养的第2、4、6、8、12、16、20、24、30天取样，进行微生物量磷和Olsen P的测定。

盆栽试验：小麦盆栽试验在光照温室进行(与培养试验保持相同温度)。称取过2 mm筛的风干土2 kg装入盆钵，分别添加不同比例的硫磺粉(S)、生物菌肥(B)、有机肥(OM)、秸秆(WS)(和培养试验添加比例相同)，加入KH2PO4(含P 22.75%)0.8791 g，尿素0.5434 g，混合均匀，加水使土壤含水量保持在田间持水量的75%。每个处理设置4个重复，种植小麦(陇春26号)，出苗后保留5株。小麦生长30 d后收获，60℃烘干至恒重并测定植株含磷量。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤理化性质 土壤pH采用电位法测定[11](雷磁PHS-3C pH计，上海)，土水比为1∶2.5；电导率采用电导法测定[12](雷磁DDS-307A电导率仪，上海)，土水比为1∶5；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[13]、土壤全氮采用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测定[13]、土壤全磷采用H2SO4-HClO4消煮，钼锑抗比色法测定[13]。

1.3.2 小麦植株全磷、土壤Olsen P和微生物量磷 小麦植株全磷用H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法测定[13]；土壤Olsen P(反映土壤磷素的有效性[14])用0.5 mol·L-1·NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定[13]；土壤微生物量磷采用土壤熏蒸提取法测定[15-16]。

微生物量磷的计算采用公式：

SMBp=(F-UF)/(Kp×R)

式中，F和UF分别为熏蒸和未熏蒸的土壤浸提液中的磷量(mg·kg-1)；Kp为微生物量磷系数，表示微生物量磷浸提测定比例，取0.4；R为所加入无机磷的回收率。

1.4 数据分析

数据处理采用SPSS 20和Excel 2013，LSD法比较处理间的差异显著性，显著性水平P<0.05。使用SigmaPlot 12.5软件作图及拟合。其中，0 d时的Olsen P值为试验前土壤Olsen P含量与试验中磷加入量(100 mg·kg-1)之和。

2 结果与分析

2.1 不同改良材料对土壤微生物量磷的影响

不同改良材料对土壤微生物量磷影响程度不同。培养初期，各处理土壤微生物量磷均呈持续上升趋势。和对照相比，在第2天添加改良材料的土壤增加幅度更大。不同处理土壤微生物量磷含量几乎都在第16天左右达到最高值(图1)，然后迅速降低并逐渐稳定。30 d培养结束时各处理土壤的微生物量磷都高于原始含量且与培养起始阶段(第2～4天)水平无显著性差异。不同改良材料之间相比，生物菌肥处理微生物量磷的提高幅度更大。

注:S:硫磺粉；B:生物菌肥；OM:有机肥；WS:小麦秸秆。下同。Note: S: sulfur; B: biological fertilizer; OM: organic fertilizer; WS: wheat straw. The same below.

土壤微生物量磷随4种改良材料添加量的增加而增加。培养16 d时，加入0.45%硫磺处理的土壤微生物量磷比对照增加了23.90%，比加入0.05%硫磺的土壤增加了10.67%。土壤微生物量磷对生物菌肥的施用比较敏感，随生物菌肥添加比例的增加都有不同程度的提高。在培养的第30天，添加1.00%生物菌肥的土壤微生物量磷比对照增加了43.08%，比添加0.25%生物菌肥处理增加了27.64%；加入2.00%有机肥处理的土壤微生物量磷比对照增加了47.92%，较0.50%有机肥处理提高了28.02%；添加4.00%秸秆的土壤微生物量磷较加入1.00%秸秆处理显著增加了22.61%(P<0.05)。

2.2 不同改良材料对土壤Olsen P的影响

土壤Olsen P是对土壤生物(包括微生物和植物)最有效的磷素形态。在整个培养周期内，单独施用磷肥的对照处理土壤Olsen P含量呈现先急速下降后逐渐稳定的趋势，添加改良材料的各处理Olsen P含量的变化趋势与对照一致(图2)。在培养的第16天，S0.45、B1.00、OM2.00和WS4.00处理土壤Olsen P含量与对照之间差异性均不显著，而其他处理低于对照(P<0.05)，且WS4.00处理显著高于其他处理(P<0.05)。这可能与改良材料促进Olsen P向微生物磷转化有关。

图2 不同培养时间下不同改良材料对土壤速效磷含量的影响

2.3 土壤微生物量磷与土壤Olsen P之间的相关性

在30 d培养周期内，添加磷肥和改良材料土壤微生物量磷与土壤Olsen P呈抛物线关系(图3)，其中生物菌肥处理下两者相关性极显著(P<0.01)。在一定浓度范围内(Olsen P约90 mg·kg-1)，微生物量磷随着Olsen P浓度的增加而增加。添加硫磺、生物菌肥、有机肥和秸秆4种改良材料，抛物线对应的微生物量磷最大值分别是40.04、47.53、45.24 mg·kg-1和44.26 mg·kg-1，此时对应的Olsen P浓度分别是88.89、91.64、90.83 mg·kg-1和90.23 mg·kg-1。

图3 添加不同改良材料土壤微生物量磷与速效磷之间的关系

2.4 土壤微生物量磷与小麦吸磷量的关系

为探讨土壤微生物量磷与小麦吸磷量间的关系，对小麦植株吸磷量与培养16 d和30 d的土壤微生物量磷进行相关分析(图4，图5)。由图可以看出，小麦植株吸磷量与培养16 d、30 d的土壤微生物量磷之间均呈现极显著的正相关关系(P<0.01)。相比较而言，培养16 d的相关系数(R2)比培养30 d的小(秸秆处理除外)。

图4 小麦吸磷量与培养16 d的土壤微生物量磷的关系

图5 小麦吸磷量与培养30 d的土壤微生物量磷之间的关系

不同处理土壤微生物量磷与小麦吸磷量之间所得直线方程的斜率在16 d时以添加小麦秸秆的相对较大，说明此时该处理微生物磷对促进磷素吸收的作用更大；在30 d时以添加硫磺的最大，反映了硫磺粉对微生物磷和小麦吸收磷方面的促进作用。

3 讨 论

3.1 不同改良材料作用下的土壤微生物量磷变化

土壤微生物是土壤有机质和土壤养分转化和循环的动力，它所含的养分是植物生长所需养分的一个重要来源[17]。本研究发现，在整个培养期内，硫磺粉、生物菌肥、有机肥和小麦秸秆作用下的土壤微生物量磷均表现出初期持续上升的趋势，并在第16天左右达到峰值然后降低并趋于稳定。王岩等[18]研究表明，施用有机、无机肥后，土壤微生物量磷迅速增加随后逐渐降低并基本保持稳定。赵小蓉等[19]通过向石灰性土壤中加入磷和小麦秸秆培养90 d后发现，土壤微生物量磷含量在培养第20天达到最大值，与本研究结果有所不同。究其原因，可能与供试土壤类型和性质不同有关。本研究和其他的研究结果均证实加入土壤的无机磷能够迅速被土壤微生物吸收固定转化为微生物量磷[20]，并以多聚磷酸盐形式富集在微生物细胞体内[21]，且微生物生物量越大，富集磷的能力越强，本试验中生物菌肥处理的微生物量磷含量较高就说明了这一点。

3.2 土壤微生物量磷与土壤Olsen P之间的关系

本试验结果表明，在30 d的培养周期内，土壤微生物量磷呈现先上升后下降并逐步稳定的趋势，且显著高于单独添加磷肥的对照处理。无机磷肥的加入使土壤速效磷在培养初期急剧下降后逐渐稳定，这是土壤对加入磷肥中水溶性磷的固定所引起的。培养前期土壤的速效磷高(固定的时间短)，而微生物量磷的形成需要一个微生物数量的增加过程，其值随时间推移逐渐增加，但超过一定时间后(大约16 d左右)，微生物量磷又随碳源等减少、微生物死亡而下降。因此在添加无机磷肥和改良材料的培养试验30 d期间，土壤速效磷与土壤微生物量磷表现为抛物线关系，这与来璐等[28]关于在潮土中加入无机磷，土壤有效磷与微生物量磷之间存在极显著的抛物线关系的结果相似。Chauhan等[29]也证实土壤中有效磷含量对土壤微生物量磷有显著影响。但也有不同的报道，如谢林花等[30]指出，石灰性土壤施磷和小麦秸秆后，土壤微生物磷与土壤速效磷之间呈极显著正相关。本研究结果显示，土壤速效磷含量低于90 mg·kg-1时，土壤微生物量磷浓度随速效磷提高而提高。

3.3 小麦植株吸磷量与土壤微生物量磷的关系

土壤微生物量磷关系到土壤磷素的供给和调节[31]，其植物有效性问题一直受到土壤工作者的重视。本研究结果表明，硫磺粉、生物菌肥、有机肥和秸秆处理的小麦植株吸磷量与培养16 d和30 d的土壤微生物量磷均表现出极显著的正相关关系。Ayaga等[32]报道，有机无机肥配合施用于低磷土壤，可以促进生物循环，提高其有效性，从而提高植物对土壤和肥料磷的吸收。陈国潮等[33]研究表明，红壤微生物量磷与黑麦草吸磷量之间的相关性达极显著水平。

4 结 论

采用甘肃河西地区灌漠土添加不同改良材料对土壤微生物磷及其生物有效性的研究证明，与单独添加磷肥的对照相比，硫磺、生物菌肥、有机肥和秸秆4种改良材料都能在一定程度上提高土壤微生物磷含量，且随着改良材料用量的增加而增加，在第16天时土壤微生物磷含量达到最大，这在一定程度上减少了磷的物理化学固定，从而提高磷肥利用效率。土壤微生物量磷与土壤Olsen P之间存在显著的抛物线关系，且小麦吸磷量与土壤微生物量磷(16 d和30 d)呈显著正相关关系。相比而言，生物菌肥较其他材料更能促进土壤微生物磷增加，提高磷的生物有效性。