高磷土壤减量施磷对果蔗磷肥利用效率和土壤酶活性的影响

吴启华 陈迪文 周文灵 敖俊华 黄 莹 黄振瑞 李 爽 孙东磊

（1广东省科学院生物工程研究所/广东省现代农业产业技术研发中心（资源环境与农产品安全），510316，广东广州；2广东省农业科学院作物研究所/广东省农作物遗传改良重点实验室，510640，广东广州）

果蔗是一种供鲜食的甘蔗，属C4作物，生物量大，对光温水肥等生长条件要求高[1]。我国果蔗主要种植于热带和亚热带地区，土壤类型大多为红壤和赤红壤，土壤本身肥力水平较低，尤其速效磷水平低，是限制产量的重要因素之一[2]。果蔗经济效益较高，为了获得高产，生产中普遍存在化学磷肥过量施用的现象，虽然提高了土壤速效磷含量，但由于磷肥利用率较低也造成了农田磷素流失风险增大和有限磷矿资源浪费等问题[3]。随着“化肥使用量零增长”要求的提出，针对红壤果蔗，探索适宜的磷肥用量非常重要。

有研究表明，磷肥施用量需要综合考虑作物高产、肥料高效和土壤肥力等因素[4]。合理的磷肥投入对提高作物产量有显著效果，磷肥用量过低或过高均可能影响作物产量。根据作物产量对磷肥施用的响应，确定适宜的磷肥用量对农业生产具有一定的指导作用[4]。磷肥利用效率描述了作物对磷肥的利用情况，受磷肥种类、用量和土壤性质等因素的影响[5]。通常磷肥利用效率随着磷肥用量的增大而降低，呈现出报酬递减规律[6]。此外，土壤速效磷含量也会影响磷肥利用效率[7]。土壤有效磷含量较低时，增加磷肥用量能有效提高作物磷肥利用效率[8]。当速效磷含量过高时，不同施磷量下磷肥效率如何变化，尚未清楚。当前，长期种植果蔗的土壤速效磷含量过高的现象较为常见[9]。研究高磷红壤区磷肥利用效率对磷肥用量的响应关系，有助于确定适宜的磷肥用量。

土壤肥力水平也是农业施肥管理的参考指标之一。土壤酶活性对土壤肥力变化十分敏感，可作为农业措施对土壤性质影响的早期预测指标[10-11]，例如葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶等在土壤碳、氮、硫、磷等养分元素的转化中具有重要作用，常用作表征土壤肥力的指标[12]。土壤酶活性受土壤类型、理化性质、土壤动物和微生物、农业管理措施（如施肥）等众多因素的影响[13-15]。有关施肥对酶活性影响的研究颇多：不同施肥模式（化肥、化肥配施有机肥）都可以提高低产黄泥田的土壤养分和酶活性[11]；不同施肥水平也能影响土壤酶活性，例如在有效磷缺乏的喀斯特山地，不同施磷水平对柑橘砧木根际土壤酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶等活性均有影响[16]。目前对养分失衡和环境流失风险较大的南方红壤区[17]，尤其是高磷果蔗体系，土壤酶活性对不同施磷水平的响应研究较少。

本试验针对广东省湛江红壤区高磷投入果蔗种植体系，研究减量施用磷肥对果蔗产量及其品质性状、养分利用效率和土壤酶活性等的影响，以期为果蔗生产中磷肥的科学施用提供依据，从而实现化肥的减量增效。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广东省湛江市遂溪县甘蔗研究中心定点试验基地（21°36′N，110°28′E），海拔 27m，年均气温22.9℃，年均降雨量1546mm。试验区红壤表层（0～20cm）的基本理化性状为有机碳10.02g/kg，全氮0.92g/kg，速效氮63.70mg/kg，全磷1.12g/kg，有效磷（Bray P）234.80mg/kg，全钾2.20g/kg，速效钾97.00mg/kg，pH 4.72（水土比5∶1）。

1.2 试验设计

于2017-2018年在广东省湛江市遂溪县设置高磷投入果蔗种植体系下果蔗磷肥梯度试验和限量标准试验。设置0（P0，减施100%）、300（P1，减施50%）、480（P2，减施20%）和600kg P2O5/hm2（CK，当地常规施磷）4个磷梯度处理。每个处理3次重复，完全随机区组排列。为了防止养分串流，小区间用塑料扣板隔离。所有处理的氮肥（尿素）和钾肥（KCl）用量参照当地施肥习惯，其中氮用量750kg N/hm2，钾用量675kg K2O/hm2，磷肥为过磷酸钙。每个小区面积45m2。果蔗品种为拔地拉黑皮果蔗。

果蔗分别于2017年4月种植，2018年1月收获；2018年3月种植，2019年1月收获。2017-2018年和2018-2019年果蔗生育期内积温分别是7436和7635℃，总降水量分别是1223和1759mm。

尿素分4次施用：种植前施基肥，占肥料全部用量的10%，分蘖期、伸长前期和伸长后期肥料用量分别占40%、35%和15%；过磷酸钙分2次施用：基肥和分蘖肥各50%；KCl分4次施用：基肥占全部用量的10%，分蘖期、伸长前期和伸长后期各占30%。杀虫和除草措施：播种时按75kg/hm2施用3%克百威，覆土后用乙草胺除草。按常规生产进行管理，除施肥有差异外，各处理其他管理措施相同。

1.3 样品采集与指标测定

1.3.1 样品采集 在每年果蔗成熟期采集植株样品，每个小区取代表性植株3株，去除根部，分为茎和叶2部分，均在105℃杀青30min，70℃烘干至恒重，称取鲜重和干重并计算茎和叶含水量。烘干样粉碎过0.5mm筛，分别测定氮、磷、钾养分含量。果蔗产量是小区的实测值。在2018-2019年果蔗成熟期，用土钻（内径5cm）取0～20cm耕层土样，每个小区3点混合。将采集的新鲜土壤样品用四分法取一部分过2mm筛，保存于-20℃冰箱，用于测定土壤酶活性。其余土壤样品风干、过筛，用于测定土壤理化性质。

1.3.2 指标测定 采用H2SO4-H2O2消煮，用连续流动分析仪测定植株样品氮、磷、钾含量；采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量；采用凯氏法测定全氮含量；采用酸溶（H2SO4-HClO4）钼锑抗比色法测定全磷含量；采用NaOH熔融－火焰光度计法测定全钾含量；采用扩散法测定碱解氮含量；用0.03mol/L NH4F-0.025mol/L HCl浸提测定有效磷含量；采用1mol/L醋酸铵浸提－火焰光度计法测定速效钾含量；采用电位法（土∶水为1∶2.5）测定土壤pH值。具体步骤参照《土壤理化分析》[18]。

用荧光微型板酶检测技术（microplate fluorimetric assay）[19]测定土壤α-葡萄糖苷酶（α-glucosidase，AG）、β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，BG）、纤维二糖苷酶（cellobiohydrolase，CBH）、β-木糖苷酶（β-xylosidase，BX）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（N-acetylglucosaminidase，NAG）、亮氨酸氨肽酶（leucine aminopeptidase，LAP）、脲酶（urease，URE）、磷酸酶（alkaline phosphatase，APE）、多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和过氧化物酶（peroxidase，POD）活性。

1.4 数据分析

用Excel进行数据整理；用SAS 9.0软件进行单因素方差分析；用Duncan（SSR）法进行显著性检验（P＜0.05）；利用SPSS 20.0软件进行通径分析，先利用软件进行线性回归，计算得到的回归方程标准系数即为通径系数，再乘以相关系数获得间接通径系数。

潘阳确实有女人缘，一来他确实长得帅，二来是他没脸没皮。潘阳说自己换女朋友的频率是每半年一个，“半年还整不上床，那就不用再整了”，他说。

作物养分输出量为地上部全部吸收量，分为茎、叶2部分。土壤养分盈亏和磷素利用效率计算公式[20]：作物养分吸收量（kg/hm2）=茎产量×茎养分含量+叶产量×叶养分含量，土壤养分盈亏（kg/hm2）=∑[肥料施用量-作物养分吸收量]；磷素偏生产力（kg/kg）=施磷处理产量/施磷量，磷素农学效率（kg/kg）=（施磷处理果蔗产量-不施磷处理果蔗产量）/施磷量，磷素利用率（%）=（施磷处理作物吸磷量-不施处理作物吸磷量）/施磷量×100。

2 结果与分析

2.1 不同施磷水平下果蔗产量及其品质性状变化

由表1可见，经过2年不同施磷处理，果蔗的产量和品质性状均表现出一定差别。相比于CK处理，P0和P1处理果蔗产量分别降低37.8%和2.0%，呈显著下降趋势，而P2处理果蔗产量提高4.6%，但未达到显著水平。P2处理的果蔗糖分含量最高，P0处理的最低，不同处理之间未达到显著差异。株高和茎径均表现为P2＞CK＞P1＞P0，P0处理的株高显著低于其他3个施磷处理。

表1 不同施磷水平下果蔗产量和品质性状Table 1 The yield and quality characteristics of chewing cane under different P fertilizer levels

2.2 不同施磷水平下果蔗磷肥利用效率变化

肥料利用效率是衡量施肥效果的重要指标之一，常用的表征参数包括磷肥利用率、农学效率、生理效率和磷肥偏生产力等，可以从不同方面反映产量和养分资源消耗量的关系。表2显示，P2处理磷肥利用率最高，P1处理最低，处理间无显著差异；磷素的农学效率为P2＞P1＞CK，CK处理显著低于其他2个处理；磷素偏生产力为P1＞P2＞CK，随着磷肥施用量的降低呈现显著增加的趋势。

表2 不同施磷水平下果蔗磷肥利用效率Table 2 The phosphorus efficiency under different P fertilizer levels

2.3 不同施磷水平下土壤养分表观盈亏和理化性质变化

2.3.1 土壤养分表观盈亏 不同施磷水平，果蔗氮（N）、磷（P）和钾（K）养分的总吸收量以及土壤N、P、K养分表观盈亏情况各不相同（表3）。P2处理N、P和K养分总输出略高于CK处理，而P0和P1处理显著低于CK。不同施磷处理下的土壤N和K均呈现盈余状态，P2处理的盈余量低于CK处理，而P0和P1的盈余量显著高于CK处理。CK、P2和P1处理的P均表现为盈余，且随着施磷水平的降低而减少，三者间呈现显著差异；P0处理P表现出亏缺状态。

表3 不同施磷水平下土壤养分表观盈亏Table 3 The cumulative nutrient budget under different P fertilizer levels kg/hm2

2.3.2 土壤理化性质 由表4可知，连续2年不同施磷处理后，土壤理化性质均产生一定变化。CK处理的pH值和有机碳含量均高于其他3个处理。全氮和全钾含量为P0＞P1＞CK＞P2，但处理间无显著差异。碱解氮和速效钾含量表现为P0＞P1＞CK＞P2，且P2处理显著低于其他3个处理。全磷和速效磷含量随着施磷量的降低呈现下降趋势，P0处理显著低于其他3个施磷处理。

表4 不同施磷水平下土壤理化性质变化Table 4 Changes in soil properties under different P fertilizer levels

2.4 土壤酶活性变化及其与土壤理化性质的相关性分析

2.4.1 碳转化相关酶活性 不同施磷水平下碳转化相关酶活性变化结果（图1）显示，AG活性随施磷水平的降低呈升高趋势，P0、P1和P2处理分别比CK提高45.91%、38.39%和24.27%。BG、CBH和NAG活性的变化趋势一致，均随着施磷水平的降低呈现下降趋势。其中，3个减磷处理的BG活性均显著低于CK处理。4个处理的CBH活性均存在显著差异。4个处理的NAG活性差别较小，P0、P1和P2分别比CK低20.58%、11.99%和7.61%，且相互之间无显著差异。P0处理BX活性最低，为1.37μmol/(g·h)，P2 处理最高，为 1.99μmol/(g·h)，3个施磷处理均显著高于P0处理。

图1 土壤碳转化相关酶活性变化Fig.1 Changes of soil enzymes associated with carbon conversion

2.4.2 氮、磷转化相关酶活性 LAP和URE参与土壤氮转化，APE参与土壤磷转化。如图2所示，P0处理LAP和URE活性均最高，分别为0.62和0.22μmol/(g·h)，而P2处理最低，分别为0.13和0.06μmol/(g·h)。P0处理APE活性最低，显著低于其他3个施磷处理。P1和P2分别比CK处理低4.26%和1.41%，但三者之间无显著差异。

图2 土壤氮、磷转化相关酶活性变化Fig.2 Changes of soil enzymes associated with nitrogen and phosphorus conversion

图3 土壤氧化还原酶类活性变化Fig.3 Changes of soil redox-related enzyme activities

2.4.4 土壤酶活性与土壤理化性质、作物生长状况的相关性分析 如表5所示，碳转化相关的BG、CBH、BX和NAG活性与有机碳含量呈显著正相关，而AG活性与有机碳含量呈显著负相关（P＜0.05）。LAP活性与有效氮含量呈显著正相关，而与全磷、有效磷呈显著负相关（P＜0.05）。APE活性与全磷和有效磷含量呈现显著正相关，与有效氮含量呈现显著负相关（P＜0.05）。POD和PPO活性均与有机碳含量呈现显著负相关。

表5 土壤酶活性与土壤理化性质、果蔗产量以及磷肥利用率的相关性分析Table 5 Correlation analysis between soil enzyme activities and soil physical and chemical properties chewing cane yield and P fertilizer use efficiency

由表5可知，BX、APE活性与果蔗产量呈现显著正相关，而LAP活性与果蔗产量呈现显著负相关（P＜0.05），与磷肥利用率呈现极显著负相关（P＜0.01）。

由表5可知，BX、LAP和APE活性对果蔗产量有显著性影响。利用SPSS 20.0进行逐步回归，解析表5中各土壤理化性质对这3种酶活性的影响，得BX、LAP和APE活性与土壤性质的回归方程，分别为BX=-5.928×全氮+7.222（P＜0.05），LAP=-0.804×全磷+1.486（P＜0.05），APE=40.352×全磷+9.099×有效磷－0.003×有效氮+54.691（P＜0.05），表明全磷、有效磷和有效氮含量对APE活性影响显著。

由表6可知，全磷含量对APE活性的直接作用最大；有效磷含量对APE活性的直接作用较小，但其通过全磷含量对APE活性产生较大正值的间接作用；有效氮对APE活性的直接作用很小，但其通过全磷含量对APE活性产生较大负值的间接作用。

表6 APE活性与全磷、有效磷和有效氮含量之间简单相关系数的分解Table 6 Decomposition of the simple correlation coefficient between activity of APE with the contents of total P,available P and available N

3 讨论

3.1 施磷水平对果蔗产量、品质和磷肥利用效率的影响

本试验中，经过2年不同施磷处理，果蔗产量和品质出现明显变化。与农民习惯施磷处理相比，磷减量20%可以提高果蔗产量、糖分、株高和茎径等性状；而磷减量50%或不施磷处理会引起果蔗产量和品质下降。说明施用磷肥是保证作物产量和品质的重要措施，但其用量过高或过低都会产生不良影响，这与其他研究[21-23]结论一致。黄振才等[21]研究表明，适当施磷既能提高果蔗产量，又可增加糖度，改善品质。从果蔗高产、品质性状优良以及磷矿资源保护3个方面综合考虑，磷减量20%（P2）处理更适合当前果蔗生产体系。

不同施磷水平，P2处理磷肥利用率和农学效率均最高，表明该处理下磷素对甘蔗生长贡献和增产能力最大。磷素的偏生产力表现为P1＞P2＞CK，说明土壤自身养分和磷肥的综合效应随着施磷水平的提高而降低，可能与当地土壤磷素肥力较高有关。总体来看，P2处理能保证果蔗的高产、磷肥的高效利用以及土壤自身养分的充分利用。此外，从经济收益来看，P2处理比农民习惯施磷量减少20%，可以大幅降低蔗农肥料投入成本。

3.2 施磷水平对土壤理化性质和酶活性的影响

土壤有机碳含量随着施磷水平的降低而减少，可能由于施磷量较低时，果蔗生物量较小，此时根系以及根系分泌物较少[24]。土壤N、P和K等含量的差异则与养分盈亏、果蔗生长状况有关。随着施磷水平的降低，P盈余量逐渐减少，全磷和速效磷含量均降低。P2处理全氮、全钾和碱解氮、速效钾含量均最低，可能由于P2处理果蔗产量较高需要消耗更多的土壤养分，导致N和K盈余量最低。

土壤酶对促进土壤物质分解和养分循环具有重要影响[25]。随着土地利用强度的增大，土壤酶活性作为生物活性指标，被越来越多地用于评价土壤管理措施、肥料施用效果等[26]。对不同土壤类型的研究表明，施肥水平和施肥模式均能显著影响土壤酶活性[16,27]。本试验中，在速效磷含量高的红壤区，随着施磷水平的降低，与碳转化相关的BG、CBH和NAG活性降低，可能由于这些酶参与土壤有机物质分解和腐殖化过程，与土壤有机碳含量变化密切相关[28]。随着施磷水平的降低，土壤有机碳含量降低，碳转化相关酶的底物浓度降低，因而碳转化酶的活性降低。例如，BG能较敏感地反映土壤管理对土壤质量的影响[28]。本研究中，随着施磷水平的降低，土壤有机碳含量降低，BG活性明显降低。

APE可促进有机磷的矿化以及提高磷素有效性。本试验中，P0处理的APE活性显著低于3个施磷处理，可能与土壤有机质和全磷含量的降低有关。陈波浪等[27]关于棕漠土的研究表明，相对于不施磷对照，施磷150和600kg/hm2能提高碱性磷酸酶活性。POD和PPO参与木质素类物质的分解，为微生物提供碳源和养分[29]。本试验中，这2种酶活性随着施磷水平降低而提高，这可能由于施磷水平较低时有机碳含量低，土壤微生物对来自于木质素的养分依赖增强，从而对酶活性产生正反馈。

URE与土壤供氮能力有密切关系，URE活性的提高能改善土壤氮素的供应状况[30]。P0处理氮转化相关的LAP和URE活性均最高，P2处理最低，可能与不同施磷处理下氮素含量的差异有关。P0处理的氮素盈余和全氮含量较高，土壤中有机氮浓度可能较高，URE的底物浓度较高，因而URE活性较高；而P2处理的氮素盈余和全氮含量均较低。此外，P0处理的碱解氮含量最高，P2处理的碱解氮含量最低，也反映P0处理中URE活性高于P2处理。

3.3 酶活性与土壤理化性质、果蔗生长状况的关系

在土壤－植物体系中，酶促生化过程对各种元素循环具有重要影响[31]。土壤酶活性和土壤性质之间存在密切关系，对作物的生长产生一定影响[25,31]。碳转化相关的各种酶活性（AG除外）与有机碳含量呈显著正相关（P＜0.05）；与果蔗产量呈现正相关，仅BX活性达到显著性水平；与磷肥利用率的相关性很弱，仅BX活性较强，均未达到显著性水平。氧化还原酶类（POD和PPO）与有机碳显著负相关（P＜0.05）；与果蔗产量呈现负相关，但未达到显著水平；与磷肥利用率的相关性较弱。有机碳是碳转化酶类的底物，其含量较高时，碳转化相关酶活性相应较高，二者表现出正相关性[28]。碳转化酶活性较高时，植物可利用矿物质养分的释放速率较快，可以促进作物的生长[32]。有机碳含量较高时，土壤微生物对来自于木质素的碳源和养分依赖减小，因而参与木质素类分解的氧化还原酶活性降低，与有机碳含量呈现负相关[29]。POD和PPO活性较高时，表明土壤可直接被植物利用的养分含量较低，不利于作物的生长[11]。参与氮素转化的LAP和URE的活性均与碱解氮含量呈现正相关。URE活性提高可以促进土壤有机态氮向速效氮的转化。其他土壤类型上的研究也发现URE活性与速效氮含量呈正相关[30]。本试验中，LAP和URE活性与作物产量和磷肥利用率呈现负相关，可能速效氮含量不是作物生长的主要限制因素。

本试验中，APE活性与全磷和速效磷含量呈显著正相关。同时APE活性与果蔗产量显著正相关，与磷肥利用率呈现较弱的正相关，可能由于APE活性较高可增加作物可利用磷的含量，因此可以提高作物产量。通径分析结果显示，在蔗区红壤，全磷含量对APE活性的直接影响较大，而速效磷和速效氮含量对APE活性的间接作用较大。刘广深等[33]研究表明，全磷、pH和黏粒对APE活性的直接通径系数较大而间接通径系数很小，说明它们主要是通过直接效应作用于APE。在黄土丘陵区，刘庆新等[34]的研究也发现碱解氮可以通过直接和间接作用影响APE活性。不同土壤类型中影响APE活性的因素存在一定差异。

4 结论

在速效磷含量较高的红壤果蔗区，相对于常规施磷量，连续2年减量施磷20%，果蔗产量以及糖分含量、株高和茎径等性状均表现出增大趋势，同时能明显提高磷肥利用率、农学效率和偏生产力。此外，4个不同施磷水平下，P2处理的BX活性最高，NAG和APE活性相比于CK处理略有降低，但未达到显著性水平。BX、NAG和APE活性保持在较高水平均有助于作物的生长。从果蔗产量及其品质性状、磷肥利用效率、土壤各种酶活性变化及其对作物生长影响等方面综合来看，较常规施磷减量20%是该区的适宜用量。