茶园土壤磷生物活化研究

李干蓉，张 友，方小宁

(铜仁职业技术学院，贵州 铜仁 554300)

1 引言

磷是植物生长发育与繁殖必需的营养元素，土壤缺磷已成为限制农作物产量的一个重要因素[1]。世界上40%～60%的可耕地的作物产量受到磷利用率的限制[2]。我国耕地中有74%土壤缺磷，土壤中95%的磷难以被植物直接吸收利用[3, 4]。施用化肥是补充土壤磷和提高作物产量的重要途径，然而，磷肥的持续生产和应用依赖于不可再生磷矿资源[2]。长期以来，大量磷肥被投入到农业生产中，但磷肥很容易被土壤中的钙、镁、铝等矿物离子固定，磷肥当季利用只有5%～25%[5]。长期大量的磷在土壤中累积，学术界把这部分磷称作土壤遗留磷[6]。研究表明，土壤无机磷平均含量为1006±115 kg/hm2，而单酯磷含量为587±32 kg/hm2，磷酸二酯磷为64±7 kg/hm2[7]，磷的过量投入不仅会加快磷矿资源匮乏[8]，还会通过地表径流和漏失进入周围水体，引发水华等生态问题[9, 10]。目前面临着地球上磷资源稀缺，土壤及水体严重污染双重挑战，为实现农业绿色发展和资源永续利用，提升土壤磷利用效率可能在减少全球磷肥使用量方面发挥了作用[7, 11]。因此，本文将近年来关于土壤磷生物活化的研究以及存在的问题进行阐述，对解决我国农业生产中磷肥资源紧缺、减少环境问题提供参考。

2 土壤磷的形态及含量

我国不同类型的土壤类型的磷含量统计如表1 所示，全磷含量在0.19～1.20 g/kg，速效磷含量在6.77～107.80 mg/kg，潜在有效磷占比为90.9%～98.9%。可知，土壤作为巨大的土壤“磷”库资源，土壤磷的再利用对缓解磷矿资源匮乏，改善环境质量方面具有巨大潜力。

表1 不同土壤类型潜在有效磷含量

磷在土壤中的迁移、转化过程及其环境效应和风险取决于磷的赋存形态[12]。土壤中的磷分为有机磷和无机磷两类，有机磷可以在磷酸酶介导下转化为无机磷。无机磷是土壤磷的主体，占土壤全磷的60%～80%，无机磷主要以矿物态、吸附态和水溶态形式存在，无机磷主要以Ca-P、Fe-P、Al-P等矿物态存在[13]。有机磷作为土壤磷的重要组成部分，在土壤中含量变幅比较大，一般占土壤全磷20%～50%，在森林和草原植被发育的土壤能达到50%～80%[14, 15]。常见的有机磷形态有肌醇磷酸盐，核酸，磷脂，磷酸糖等，肌醇磷酸盐的矿物结合能力较强，与土壤中的钙、镁、铝和铁等离子结合形成磷酸酯，在磷酸酶和微生物分解为磷酸。核酸占有机磷的0.2%～2.5%，在磷酸酶催化作用下水解为磷酸和糖类，磷脂和膦酸糖在土壤中容易分解，在土壤中含量很少，不足有机磷的1%[16]。另外，有学者单独将微生物量磷提出，作为动态的有机磷库，包含核酸、酸溶解性磷酯类、磷脂，占总有机磷的2%～5%，在土壤中周转周期快[13]。施入到土壤的磷，其转化过程受土壤类型的影响而不同；例如，在石灰性和中性土壤上，磷的化学固定主要由钙镁体系所控制，使可溶性的磷酸二钙(Ca2-P)逐渐向磷酸八钙(Ca8-P)、羟基磷灰石等难溶性磷酸钙盐转化，从而降低了磷在土壤中的有效性[17]。在酸性土壤中，土壤中交换性铁、铝、锰等离子与磷产生沉淀反应，不同程度地降低了磷的有效性[18]。除了化学沉淀外，土壤对磷的固定还有吸附和生物固定等。

由于土壤有机磷形态更为复杂，特别是高分子有机磷，目前的研究技术还不能完全表征有机磷的形态[12]。另外，与无机磷相比，土壤有机磷相对活动性较大，被土壤无机矿物的固定程度较低，且与土壤化学计量比C/P无关，磷酸酶调控技术可以从土壤有机磷中释放活性磷而不影响有机碳的稳定，矿化过程不会造成碳损失。但这些过程都受有机磷形态、磷酸酶的活性，丰度和功能的调节。

3 耕地磷素生物活化研究

3.1 土壤磷的植物活化

植物对土壤磷的活化调控主要从植物结构特征、形态特征、生理特征和共生特征方面提高作物磷获取效率[25]。在低磷胁迫下，植物最先受影响的是根系。根系通过形态学的变化，以提高植物对磷的吸收效率[26]。例如，低磷胁迫下，辣椒会通过降低的株高、根系直径，增加根冠比、细根的根长途径提高了植株的磷利用效率[27]。另外，根际释放的有机阴离子和磷酸酶来应对缺磷环境，苹果酸和柠檬酸是缺磷条件下根系释放的主要成分。例如，白羽扇豆和燕麦在低磷胁迫下利用根系分泌的苹果酸、柠檬酸来应对低磷有效性[2, 28, 29]。大麦通过控制磷酸酶活性来调节活性磷的含量和比例[30]。根际有机阴离子在提高土壤磷素有效性和植物磷素获得方面发挥着重要作用。

大多数植物与真菌形成菌根共生关系，从而促进养分和水分的获取，提高寄主植物的适应性。约80%～90%的陆地植物物种建立丛枝菌根(Arbuscular Mycorrhizal，AM)共生关系[31]。AM真菌是一种专性的生物营养生物，它定植于根皮层，并发展出一个外部菌丝，过度生长在植物根周围的土壤中[22]。菌根植物有两种潜在的磷摄取途径，一种是通过根表皮细胞和根毛的直接途径，另一种是通过AM真菌共生菌的菌根途径。菌根吸收途径吸收的磷占植物总磷吸收量的70%～100%[61]。不同植物在AM共生中获磷能力存在差异。Adam评价了不同植物对不同AM真菌接种的生长和营养物质的反应结果表明C3作物对AM真菌的响应性低于C4作物，尽管反应不同，增加AM真菌的多样性可能会增加C3和C4植物的生长和养分吸收[33]。在土壤缺磷情况下，AM真菌自由基内和自由基外结构的增加提高了玉米地上部生物量和磷的吸收等[34]。AM可能渗出自身的磷酸酶，促使有机磷矿化，并获得非菌根植物无法活化磷源。另外，土壤微生物可能通过分解释放无机磷，以交换菌丝排出的碳[15]。

植物可以协调其不同的根系功能性状提高对土壤磷利用率。根系较细的物种显著增加了根系分枝、根长、或增加土壤勘探来提高磷的获取；相反，根系较粗的物种主要依赖于AM来补偿较低的根系吸收表面或释放更多分泌物来挖掘根鞘中少量可溶性磷，根系直径可以很好地预测根系功能性状在磷胁迫时功能表达[35]。玉米的根系形态特征比生理特征对缺磷的响应更强烈；蚕豆的生理性状对缺磷的响应比形态性状更强[24]。总之，不同植物根系表现出不同的根系功能特征提高土壤遗留磷的有效性。然而，关于作物调控技术的研究还处在试验阶段，尚未大规模应用到农业土壤中。试验大部分通过水培法、盆载试验或根盒在室内控温室下实现的，而野外实验面临着采样方法和降雨、气温、杂草等复杂的复杂的环境因素的影响，阻碍植物调控技术在农业生产中的研发与应用。

3.2 土壤磷的微生物活化

微生物通过自身分泌有机酸、质子及各种酶来溶解、螯合、水解作用提高土壤磷的有效性。微生物土壤磷形态转化的重要驱动因子[35]，主要有溶磷细菌 (phosphatesolubilizingbacteria)、溶磷真菌 (phosphatesolubilizingfungus)和溶磷放线菌 (phosphatesolubilizingactinomycete)。溶磷细菌是根际土壤中解磷最主要的微生物，主要有芽孢杆菌属 (Bacillus)、假单胞菌属 (Pseudomonas)、欧文氏菌属 (Erwinia)、沙雷氏菌属 (Serratia)；黄杆菌属 (Flavobacterium)；链霉菌属 (Streptomyces)等。根据细菌的解磷机理分为无机磷细菌和有机磷细菌；有机磷细菌产生的植酸酶、核酸酶和磷酸脂酶加速了植酸、核酸、磷脂等有机磷水解。无机磷细菌能够溶解磷酸三钙、磷酸铁、羟基磷灰石和磷酸锌等释放无机磷[46]。溶磷真菌主要有青霉菌属 (Penicillium)、曲霉菌属 (Aspergillus)、根霉属 (Rhizopus)、链格孢属(Alternaria)、短梗霉属(Aureobasidium)、镰刀菌属(Fusarium)、假丝酵母属(Candida)等,其中，酵母菌、霉菌等解磷真菌对难溶性磷酸盐的溶解能力较强，这主要是由于真菌分泌的有机酸与Ca-P、Fe-P和Al-P等矿物态磷进行螯合，提高难溶磷生物有效性。真菌的溶磷率(5.24%～6.68%)约为细菌溶磷率(1.26%～2.37%)的2～4倍[37]。溶磷放线菌相对较少，主要有链霉菌属(Streptomyces)和小单胞菌属(Micromonospora)等[38]。有研究表明，溶磷放线菌不但能转化磷素溶解状态，还能抑制作物病害发生，促进作物生长等。随着解磷菌研究的深入，将解磷菌替代化肥应用到农业生产实践上得到一定发展，例，郑立成等将Ap-号黑曲霉制成的溶磷菌能使土壤速效磷提141.94%。并成功应用到烟草种植上[39, 40]。同样，刘玲利等[71]研究发现添加解磷菌能提高土壤有效磷含量，显著提高作物产量。洪坚平[42]等在贫速效磷和富难溶性磷土壤上施用溶磷细菌降低了难溶态的Ca-P含量，提高土壤中Ca2-P和Al-P的含量增加，从而使土壤中有效磷含量增加。另外，喻晓等[43]研究发现，溶磷菌混合菌比单一溶磷菌施用效果更好，但其中的耦合机制还没有明确。土壤理化性质、气候条件，土壤肥力、管理制度等环境限制解磷微生物在农业生产上应用[74]。今后进一步加强溶磷菌混合施用对难容磷的耦合机制和解除土壤抑菌效应的研究，提高解磷菌的应用效果。

3.3 蚯蚓对土壤磷的活化调控

土壤动物是土壤生态系统的重要组成部分，并土壤生态系统物质循环和能量流动过程中起到非常关键的作用。蚯蚓掘穴、取食、消化、排泄等活动可以改变土壤理化性质而被称为“生态系统的工程师”[49, 50]。蚯蚓对土壤磷的活化主要通过改变土壤pH值、分泌碳水化合物和羧基团、增加微生物的数量和磷酸酶活性等途径或活化土壤磷[51]。蚯蚓通过生物扰动改变土壤剖面，改变土壤孔隙度、曝气和水渗透；其次蚯蚓以有机物为食，增加粉碎，刺激微生物活性，影响分解速率和营养循环，也被 “肠道启动效应”[52]。刘德辉等[53]研究发现红壤接种蚯蚓使土壤NaHCO3溶解态磷，微生物磷，有机磷含量不同程度提高。土壤动物、微生物和植物之间协同作用增强土壤磷活化和植物对磷的吸收[55，56]。张宝贵[58]等研究发现蚯蚓促进被微生物固持的养分的释放和增强土壤微生物群体活性。蚯蚓的肠道微生物及酶把食物中的植物激素前体物质转化成了植物激素，并通过某种机制将植物激素富集在蚓粪中，或土壤微生物在激素的下产生出更多的植物激素，最终加速植物对营养的吸收和生长[57,60]。蚯蚓活动受包括温度、水分、土壤质量、季节变化、土壤污染物等环境因素的影响[61]。例，蚯蚓适宜在碱性的环境，含水量大致为40%～65%，最适温度为22～26 ℃。环境条件改变必须影响蚯蚓活化土壤磷的影响。目前很少有关于环境因素对蚯蚓活化土壤磷的影响的报道。关于除了蚯蚓，其他土壤动物对土壤磷活化也具有相似的作用。例如，蚂蚁筑巢活动增加蚁丘土壤有效磷的含量[61]，食细菌线虫的捕食活动能增加解磷微生物的丰度和碱性磷酸酶活性[62，63]。土壤动物土壤形成和演变的重要驱动力，同时也是生态系统内部平衡的重要调控者。相比植物和微生物，对土壤动物的研究相对较少，主要涉及到的蚯蚓、线虫、蚂蚁等大型土壤动物，研究内容集中在土壤动物多样性、应对气候变化响应、参与养分循环、重金属污染修复等方面[64～66]，土壤动物-微生物-农作物之间的协作关系在可持续农业生产中的积极作用，但目前对土壤动物-微生物-农作物之间生物驱动机制还不明确。

4 结论与展望

茶园土壤作为巨大的土壤“磷“库资源，土壤中的遗留磷的再利用对缓解磷矿资源匮乏，改善环境质量方面具有巨大潜力。目前仍然有许多科学问题需要进一步探究：

(1)加强土壤磷的研究方法和技术研究，精准掌握土壤的磷的形态及其生物有效性。目前分析技术固有的局限性不足以对遗留磷库的实际大小和分布进行准确评估。未来迫切需要需要具有高特异性、高灵敏度、高重现性、样本处理、最小、快速分析、更少的矩阵干扰、低成本和适合现场应用是环境中的常规磷素分析技术，从分子水平上揭示土壤磷素的形态、分布、转化及归趋机制，并根据作物生育期和产量变化特征，精准施策，将土壤磷活化与农学有机结合。

(2)系统揭示生物对土壤磷的活化机制，提升生物对土壤磷活化效率。植物和微生物通过多种途径来增强从土壤中获取磷。但不同磷酸酶协同作用对增强有机磷水解能力机制，以及溶磷菌混合施用对难容磷的耦合机制还够明确。与植物机制相比，土壤微生物对提高土壤遗留磷(特别是有机磷)有效性的相对贡献尚不完全清楚。此外，土壤动物是物质循环和能量流动正常运行的关键环节。当前对生物调控研究主要集中于植物和微生物调控，当前研究还较少关注到土壤动物，特别是在高标准农田建设中，应考虑土壤动物的功能作用，掌握土壤动物-微生物-农作物之间生物驱动机制。

(3)强化土壤磷流失/漏失风险评估，精准施策，提升土壤磷的使用效率。我国南北土壤性质差异大，并且土壤是复杂和多样的化学、生化和生物系统，目前对土壤遗留磷的调控效率较低，适用范围窄，另外，土壤遗留磷活化势必会增加土壤磷的淋溶和渗透量，从而导致大量土壤磷流失，可能会加剧周边水生生态的环境污染风险。亟需开发新技术，因地制宜，针对不同土壤类型遗留磷形态和含量，精准实施调控技术，提升茶园土壤磷的使用效率。