蒙脱石负载溶磷菌联合磷肥对茶园土壤磷的调控

丁 园，习 莉，龙 燕，熊晓晖

蒙脱石负载溶磷菌联合磷肥对茶园土壤磷的调控

丁 园1,2，习 莉1,2，龙 燕1,2，熊晓晖3*

(1. 南昌航空大学环境与化学工程学院，南昌 330063；2. 重金属污染物控制与资源化国家地方联合工程研究中心，南昌 330063；3. 江西省农业技术推广中心，南昌 330046)

我国南方土壤磷素低、单施磷肥效果差，采用以溶磷菌为基础的调控手段能有效缓解上述问题。以庐山云雾茶园土壤为研究对象，探究溶磷菌（PSB）、磷肥（过磷酸钙P1、钙镁磷肥P2）、负载材料（Mt@PSB）及其组配剂对土壤速效磷含量的调控效果与作用机制。结果表明：茶树为喜酸植物，钙镁磷肥（P2）及其组配剂碱性强，不适于茶园土壤调控。溶磷菌（PSB）、磷肥（P1）、负载材料（Mt@PSB）及其组配剂（PSB+P1、Mt@PSB+P1）调控后，茶园土壤pH均处于适宜茶树生长的范围（4.5～6.5），处理后土壤速效磷含量和酸性磷酸酶活性均显著高于对照，培养45 d后速效磷含量分别增加21%、30%、18%、41%和63%，酸性磷酸酶活性分别增加14%、104%、10%、47%和107%。极差分析结果表明，上述3个因子对土壤磷的改善效果依次为Mt@PSB、PSB和P1，且Mt@PSB+P1的效果最佳。磷形态分析结果表明，PSB、Mt@PSB、P1主要通过将有机磷矿化为无机磷提高其有效性。PSB+P1和Mt@PSB+P1组配下，土壤速效磷含量的增加主要表现为Ca-P和Fe-P含量的增加。

茶园土壤；溶磷菌；速效磷；酸性磷酸酶；磷肥

土壤肥力是影响植物质量和产量的重要因素。据调查，江西土壤肥力总体水平较好，有机质含量较高，但土壤整体偏酸，速效磷含量普遍偏低[1]。磷肥能有效改善土壤缺磷情况[2]，但磷施入土壤后，易于被土壤中铁/亚铁离子、钙离子、铝离子等固定，生成难溶性磷酸盐，导致吸收率降低[3]。

江西是产茶大省，地处江西境内的庐山云雾茶更是久负盛名。项目组前期研究表明，庐山茶园土壤速效磷含量在1.14～2.33 mg∙kg-1之间，土壤肥力均低于高产优质茶园指标[4]。长期施入过磷酸钙、钙镁磷肥等磷肥后，土壤全磷含量可保持较高水平，但实际磷肥利用率只有10%～25%左右[5]，大量磷元素被土壤固定，造成资源浪费以及一系列环境问题，合理施肥成为亟待解决的问题[6]。

提高土壤可利用磷含量是解决土壤供磷问题的主要手段。研究表明，土壤中的溶磷菌在生长代谢过程中分泌出有机酸，与土壤中铁、铝等离子形成螯合物释放磷酸根，提高土壤速效磷含量[7]；溶磷菌还能通过分泌磷酸酶矿化有机磷提高土壤磷素的利用[8]。一般认为通过酸化、螯合、交换和聚合反应等途径可将难溶性磷转化为可溶性磷，提高土壤中难溶性磷酸盐的溶解性[9-10]。Cinthia等[11]在花生、玉米等作物上接种内生溶磷菌，发现溶磷菌能够促进作物生长并且提高根际土壤溶磷能力，磷的可利用性显著提高。可见在施用磷肥的同时合理配施溶磷菌有助于提高土壤磷的生物有效性。另一方面，增加溶磷菌与磷的有效接触，可进一步提高磷的生物有效性。Su等[12]研究表明，溶磷菌和粘土矿物（蒙脱石）的相互作用在磷的长期转运方面具有正调节作用。故在土壤中施入溶磷菌时，可以蒙脱石为载体，为其提供稳定的生长场所，促进土壤中磷的转化，有望提高土壤速效磷含量，解决茶园土壤甚至南方土壤缺磷的普遍问题。

本研究从高海拔的庐山云雾茶园土壤中分离筛选土著溶磷菌（PSB），调节溶磷菌、蒙脱石和磷肥的组配方式，通过测定土壤pH、速效磷含量和酸性磷酸酶活性等指标的变化筛选合适的组配方案，并根据土壤磷形态转化情况探讨土壤速效磷含量变化的机理，以期为茶园土壤磷的高效利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤取自江西省九江市庐山海拔1 100 m左右的某云雾茶场，土壤类型为黄棕壤，采集的土样先去除杂质，然后风干过筛，充分混匀后装袋备测。供试土壤基本理化性质如表1。

表1 供试土壤的基本理化性质

图1 溶磷菌的系统发育树

Figure 1 Phylogenetic tree of phosphate-solubilizing bacteria（PSB）

1.2 供试材料

供试磷肥：过磷酸钙（Ca(H2PO4)2∙CaSO4∙H2O），标记为P1。购自国药集团化学试剂有限公司，其中速效磷含量（以P2O5计）14.0%～15.0%；pH：1.5～3.0。

钙镁磷肥，主要成分包括Ca3(PO4)2、CaSiO3、MgSiO3，标记为P2。购自江阴忠农农资有限公司，其中速效磷含量（以P2O5计）12.0%～18.0%；pH为8～10。

溶磷菌（标记为PSB）：难溶无机磷培养基[13]分离土壤溶磷菌，平板划线法纯化，LB培养基扩增备用。PSB经16S rDNA测序获得1 494 bp的基因片段，利用BLAST将菌株的基因序列与GenBank数据库的基因序列进行相似性比较，结果表明溶磷菌与葡萄球菌属同源性很高，与相似性达到100%。

选取19株同源性较高的葡萄球菌菌株序列与待测菌株序列构建系统发育树，如图1所示。从系统发育树可以看出，溶磷菌与subsp. urealyticus strain CK27 相似度最高，去除首尾多余序列后同源性为100%。

蒙脱石负载溶磷菌（标记为Mt@PSB）：实验采用载体结合法固定微生物[14]。将3 g蒙脱石置于PSB悬浊液中，固定18 h后取出，生理盐水洗涤至中性，离心，所得固体即为蒙脱石负载溶磷菌。用场发射扫描电镜（日立公司SU1510型，日本）分析上述材料的表面形貌特征，如图2所示。结果表明，样品表面整体呈现薄厚不一的团状或絮状，少部分区域呈规则的晶型结构，说明晶型结构的蒙脱石表面有物质附着，证实溶磷菌负载成功。

图2 蒙脱石@溶磷菌的扫描电镜（SEM）图片

Figure 2 Scanning electron microscopy (SEM) images of montmorillonite supported PSB

表2 土培实验方案

1.3 方案设计

为研究溶磷菌、磷肥、负载材料及其组配措施对土壤有效磷的调控效果，设计了不同的实验方案（表2）。

土壤灭菌后，按表2开展土壤培养实验，培养周期为45 d，培养温度为25℃，每间隔15 d 取样一次，每个处理设置3个重复。每个处理的土壤重量为100 g（无菌土），土壤水分保持田间持水量的70 %左右。

1.4 测定项目及方法

土壤pH采用pH计测定（水∶土=2.5∶1）；速效磷采用NH4F-HCl浸提比色法测定；酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定；土壤磷形态分析：采用酸性土壤无机磷形态的分级测定：可交换态磷（Ex-P）、铝结合态磷（Al-P）、铁结合态磷（Fe-P）、闭蓄态磷（Oc-P）、钙结合态磷（Ca-P）；有机磷（Or-P）采用硫酸与氢氧化钠浸提法测定，具体检测方法参照《土壤农化分析》[15]。

1.5 数据处理

采用SPSS 26统计软件进行显著性分析（<0.05），并采用Origin 2018进行作图，极差分析用于分析影响土壤速效磷含量的主要因素。

2 结果与分析

2.1 蒙脱石@溶磷菌联合磷肥对茶园土壤pH影响

如图3所示，施用溶磷菌、磷肥、负载材料及其组配剂15 d后，各处理土壤的pH值已经与对照土壤表现出明显差异，随后30 d、45 d的变化趋势也基本一致。如材料与方法所述，P2碱性较强（8～10），所以P2及其组配的PSB+P2、Mt@PSB+P2处理，土壤pH升至6.33～6.89，已不适合茶树生长[4]，故后续不再分析含P2及其组配剂的处理效果。

图中不同字母表示同一时间的不同处理在0.05水平上差异显著。

Figure 3 Change of tea garden soil pH under different treatments

单施PSB、P1和Mt@PSB处理对土壤pH的影响差异较大。PSB施入土壤初期（0～30 d），溶磷菌在菌群中占主导地位，分泌出大量有机酸，显著降低土壤pH。45 d时，微生物群落趋于平衡后土壤pH回调，对比CK，差异不显著。洪坚平等[16]向小麦根际土壤添加大肠杆菌与毛霉的实验结果也表明微生物对土壤pH的影响有限。P1呈酸性，施用后土壤pH降至5.47～5.55（0～45 d），与对照相比，差异显著。制备的Mt@PSB呈中性，可能抑制土壤pH降低[17]，因此施用后土壤pH提高反升至5.72～6.21（0～45 d）。赵玉连等[18]也报道，土壤菌-蒙脱石体系的pH高于单施土壤菌。单施上述调理剂后土壤pH处于5.31～6.21范围，均满足茶树正常生长的需求（0～45 d）[4]。

PSB+P1对土壤具有双重酸化作用，0～45 d内，土壤pH较低（5.11～5.44），但仍适合茶树生长。Mt@PSB+P1处理的土壤pH显著低于Mt@PSB处理，但与PSB处理差异不显著，且在第45天时与对照无显著差异。说明，Mt@PSB+P1处理对土壤pH的扰动较小。

2.2 蒙脱石@溶磷菌联合磷肥对茶园土壤速效磷含量及酸性磷酸酶活性的影响

茶园土壤缺磷现象普遍，施肥初期磷肥易被吸附固定，后期逐渐转化为化学固定，所以随着时间的推移，磷肥更难被利用[19]。土壤速效磷含量及酸性磷酸酶活性是反应土壤磷含量和可利用性的有效指标。图4为PSB、P1、Mt@PSB及其组配剂对茶园土壤磷的影响。从图4（a）的统计学分析结果可以看出，在0～45 d的培养期内，Mt@PSB、PSB+P1和Mt@PSB+P1等3个处理随着培养时间的延长，速效磷含量和酸性磷酸酶活性显著增加，CK、PSB和P1未表现出显著差异。因此，进一步分析处理45 d后土壤速率磷含量和酸性磷酸酶活性相对对照土壤的增减情况，如图4（b）所示。

（a）中不同字母表示同一处理的不同时间在0.05水平上差异显著；（b）中不同字母表示同一时间的不同处理在0.05水平上差异显著。

Figure 4 Change of the content of available phosphorus and the acid phosphatase activity in tea garden soil under different treatments

PSB、P1、Mt@PSB处理后（45 d），土壤速效磷含量提高至2.75～3.16 mg∙kg-1，比对照土壤分别增加了21%、18%和30%，差异显著（<0.05）。单一处理条件下，Mt@PSB的效果较好，可能是因为蒙脱石增加了溶磷菌与土壤磷的作用机率，促进溶磷菌生长代谢。

PSB+P1处理在0～30 d内速效磷含量与PSB、P1处理无明显差异，后期显著提高至3.42 mg∙kg-1，与Mt@PSB处理的趋势一致，相比CK、PSB和P1，PSB+P1处理45 d后，土壤速效磷含量分别提高了41%、20%和23%，见图4（b）。Mt@PSB+P1组配剂施用后，速效磷含量进一步增加，分别提高了63%、42%和45%。故Mt@PSB+P1更有利于改善土壤缺磷情况。对标全国第二次土壤普查相关标准，PSB+P1和Mt@PSB+P1处理的土壤含磷等级由VI升至V级[20]。这主要是由于溶磷菌通过酸解、酶解等作用将有机磷、无机磷溶解为速效磷，因此提高土壤磷的利用效率[21]，且以蒙脱石为载体，可增强溶磷菌在土壤中的定殖能力，提高溶磷效果，进一步增大PSB对土壤磷活性的影响。Tanuwidjaja等[22]实验也得到相似的结论：蒙脱石的特性能够稳定更多的外部磷源，其与溶磷菌的相互作用，驱动磷在土壤中转化。

0表示不含处理因子，如PSB0表示不含溶磷菌因子。

Figure 5 Range analysis and the effects of different factors on soil phosphorus activity in tea garden within 45 days

酸性磷酸酶参与有机磷向速效磷的转化，对调控土壤磷素的有效性具有重要意义[23]。图4结果表明，酸性磷酸酶的变化趋势与速效磷大体一致。单一处理条件下，Mt@PSB的处理效果较好，培养45 d后比CK、PSB和P1分别提高了104%、90%和94%，说明蒙脱石促进微生物生长代谢，提高磷酸酶活性[17]。但组配剂PSB+P1和Mt@PSB+P1的处理未显著高于单一处理，其原因有待进一步分析。

2.3 不同组配措施对茶园土壤磷活性影响的极差分析

组配措施的效果受因子间交互作用的影响较大，为准确判断单因子对土壤磷的影响，本研究采用极差分析法绘制45 d内PSB、P1和Mt@PSB因子的极差箱线图，并对比PSB＋P1和Mt@PSB+P1处理的箱线图结果，分析P1、PSB及Mt@PSB等因子对土壤速效磷含量及酸性磷酸酶活性的作用效果（如图5）。

由图5知，PSB、P1和Mt@PSB因子对速效磷含量产生的极差分别为0.49 mg∙kg-1(2.64～3.14 mg∙kg-1)、0.4 mg∙kg-1(2.77～3.17 mg∙kg-1)、0.46 mg∙kg-1(2.82～3.27 mg∙kg-1)；对酸性磷酸酶活性产生的极差分别为0.67 mg∙g-1∙d-1(1.45～2.12 mg∙g-1∙d-1)、0.17 mg∙g-1∙d-1(1.81～1.98 mg∙g-1∙d-1)、0.71 mg∙g-1∙d-1(1.66～2.37 mg∙g-1∙d-1)。其中Mt@PSB的极差最大，其次为PSB，最后是P1。PSB+P1和Mt@PSB+P1组配后土壤磷的可利用率均较高，且Mt@PSB+P1组配下土壤磷的可利用率提高幅度最大，其中土壤速效率磷和酸性磷酸酶活性分别提高至3.65 mg∙kg-1（CK:2.46 mg∙kg-1）和2.34 mg∙g-1∙d-1（CK:1.27 mg∙g-1∙d-1）。

图6 不同处理条件下土壤磷形态转化规律

Figure 6 Transformations of soil phosphorus fractions under different treatments

2.4 溶磷菌、蒙脱石和磷肥对土壤中磷素形态转化的影响

磷素有效性与磷素形态转化规律息息相关，了解磷形态转化规律有利于提高土壤磷素利用率[24]。一般认为，Ex-P即水溶态磷，易随着环境变化解吸，有效性最高[25]，Ca-P、Al-P、Fe-P属于矿物磷，有效部分含量高低顺序为Ca-P>Al-P>Fe-P[24,26]，不同处理条件下土壤磷形态转移规律如图6所示。

PSB施入土壤后，酸性磷酸酶活性提高，促进有机磷（Or-P）矿化为无机磷，如转化为易被土壤中铁离子吸附固定的Fe-P[27]，Mt@PSB处理的变化趋势与PSB处理一致。P1施入土壤后，土壤Fe-P含量显著增加，且Or-P含量降低，可能是由于南方土壤中铁含量较高驱动Fe-P的形成。故土壤单施PSB、Mt@PSB、P1时，促进了Or-P的降低和Fe-P的增加。

PSB+P1和Mt@PSB+P1处理下，与单施P1处理相比较，Fe-P含量活性降低，但活性更高的Ca-P含量增加，分别提高8.68 mg∙kg-1和9.58 mg∙kg-1，且Mt@PSB+P1措施的无机磷总量更高（与对照相比，增加了23.5%）。进一步分析Mt@PSB+P1处理下土壤P各形态的结果，Ex-P、Ca-P、Al-P、Fe-P含量分别相比对照提升28%、46%、45%和 21%，提高土壤磷的有效性。结合对照土壤磷各形态的含量知，无机磷含量的增加主要表现为Ca-P和Fe-P的增加。

3 结论

溶磷菌（PSB）、磷肥（P1）、负载材料（Mt@PSB）及其组配剂调控后，茶园土壤pH均处于适宜茶树生长的范围（4.5～6.5），这主要是由于上述材料的pH为弱酸至近中性。

溶磷菌（PSB）、磷肥（P1）、负载材料（Mt@PSB）及其组配剂（PSB+P1、Mt@PSB+P1）均能提高土壤速效磷和酸性磷酸酶活性，与对照相比差异显著。培养45 d后速效磷含量分别增加21%、30%、18%、41%和63%，酸性磷酸酶活性分别增加14%、104%、10%、47%和107%。极差分析结果表明，上述3个因子对土壤磷活性的改善效果依次为Mt@PSB、PSB和P1，且Mt@PSB+P1的效果最佳。

PSB、Mt@PSB、P1主要通过将有机磷矿化为无机磷提高其有效性。PSB+P1和Mt@PSB+P1组配下，土壤速效磷含量的增加主要表现为Ca-P和Fe-P含量的增加。

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Regulation of phosphorus in tea garden soil with montmorillonite supported phosphate-solubilizing bacteria combined with phosphate fertilizer

DING Yuan1,2, XI Li1,2, LONG Yan1,2, XIONG Xiaohui3

(1. Department of Environmental and Chemical Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063; 2. National-Local Joint Engineering Research Center of Heavy Metal Pollutant Control and Resource Utilization, Nanchang 330063;3. Jiangxi Agricultural Technology Extension Center, Nanchang 330046)

Low phosphorus content and inefficient phosphorus fertilizer are the soil problems in the southern China. The control methods based on phosphate-solubilizing bacteria (PSB) will effectively alleviate these problems. Taken Lushan tea garden soil as test sample to explore the regulation effects and mechanism of PSB, phosphate fertilizer (superphosphate P1, calcium magnesium phosphate P2), supported materials (Mt@PSB) and their combinations on soil available phosphorus (AP) content. The results showed that P2 was not suitable for tea garden, because P2 and its compounds were alkaline, but tea plants were acidophilic plants. After the application of PSB, P1, Mt@PSB and their combinations (PSB+P1、Mt@PSB+P1), the soil pH of tea garden was just in the suitable range for tea tree growth (4.5-6.5). The content of AP and acid phosphatase activity of soil after the treatments were significantly higher than control. After 45 days’ incubation, the content of AP increased by 21%, 30%, 18%, 41% and 63%, respectively, the acid phosphatase activity increased by 14%, 104%, 10%, 47% and 107%, respectively. The range analysis results showed that the improvement effects of the three factors on soil AP were Mt@PSB, PSB and P1 in turn, and Mt@PSB+P1 performed the best. The result of phosphorus fractions analysis showed that PSB, Mt@PSB and P1 improved the content of AP mainly by mineralizing organic phosphorus into inorganic phosphorus. Under the regulation of PSB+P1 and Mt@PSB+P1, the increase of AP content was mainly reflected by the increase of Ca-P and Fe-P content.

tea garden soil; phosphate-solubilizing bacteria; available phosphorus; acid phosphatase; phosphate fertilizer

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230625.022

2023-06-29 16:05:11

S571.106.1

A

1672-352X (2023)03-0484-06

2022-06-29

国家自然科学基金（41967021）和南昌航空大学重金属污染物控制与资源化国家地方联合工程研究中心开放基金 (EL202280080)共同资助。

丁 园，博士，副教授。E-mail：39011@nchu.edu.cn

通信作者:熊晓晖，高级农艺师。E-mail：583132636@qq.com

[URL] https://kns.cnki.net/kcms2/detail/34.1162.S.20230628.1737.002.html