基于微生物化学计量学研究有机肥促进稻田土壤磷转化的作用

张玲玉,陈光蕾,赵洪猛,邬立伍,陈 浩,于云飞,叶文玲,汪 玉② (1.安徽农业大学资源与环境学院,安徽 合肥 0000;.土壤与农业可持续发展国家重点实验室/ 中国科学院南京土壤研究所,江苏 南京 10008;.合肥市长丰县生态环境分局,安徽 合肥 1100)

磷是限制农作物增产的主要因素之一[1]。化学磷肥为保障我国粮食供给做出了巨大贡献,但磷肥施入土壤后易被固定和吸附,仅有小部分磷溶解在土壤溶液中被作物直接吸收利用[2],导致我国磷肥当季利用率仅为10%～25%[3]。过量施用化学磷肥导致土壤磷不断累积,可以通过径流或渗漏的方式引发水体富营养化[4]。自原农业部2015年出台《到2020年化肥使用量零增长行动方案》以后化肥利用率有所提高[5],但对资源替代的需求仍是提高肥料利用率的一个重要方向。

有机肥施用可显著影响土壤磷组分。例如,CHEN等[6]发现,猪粪和鸡粪可显著增加土壤中活性无机磷含量;宋佳明等[7]通过5 a田间定位试验研究表明,有机肥的施用可显著增加土壤活性、中活性和中稳性有机磷含量,且活性和中活性有机磷含量对作物吸磷总量贡献较大。有机肥施用不仅可以提高土壤中磷含量,还可促进土壤磷组分之间的转化。CHEN等[8]通过30 d的培养试验发现,有机肥可以通过改变微生物生物量、增加微生物群落丰度,从而促进氢氧化钠提取态无机磷(NaOH-Pi)向碳酸氢钠提取态无机磷(NaHCO3-Pi)的转化。

土壤微生物生物量是反映土壤养分循环和能量流动的重要指标[9]。微生物生物量化学计量的浮动反映了微生物对能量(C)和营养物质(N和P)的需求变化[10]。当土壤养分资源发生改变时,微生物为适应资源变化而调整体内元素计量,以满足其自身生长的最佳化学计量比[11]。有机肥的添加有利于土壤微生物活性的增加[12],从而对土壤磷转化起到积极作用[8,13]。

目前针对有机肥替代对土壤肥力影响的研究多为等氮量添加[14],由于有机肥平均N/P比约为2,远高于典型作物本身的N/P比[15],导致作物对有机肥养分利用以及土壤均出现盈余[16]。因此研究不同氮添加量的有机肥对土壤磷转化及有效性的影响对于磷肥高效利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 田间试验设计

试验依托江苏省南京市稻田有机肥施用定位试验点(高淳区归来兮有机农场,31°25′ N,119°09′ E)。该地区年平均温度为16.9 ℃,年平均降水量为1 157 mm,试验起始于2017年稻季。试验地供试土壤为黄棕壤型水稻土,土壤基本理化性质:pH 值为6.82,w(SOC)为12.4 g·kg-1,w(TN)为1.47 g·kg-1,w(TP)为0.54 g·kg-1,w(Olsen-P)为20.4 g·kg-1,w(AK)为107 mg·kg-1。

处理所用有机肥为猪粪发酵商品有机肥(100%替代化学肥料),按照施氮量(以N计)共设计5个处理:0(N0)、75(N75)、150(N150)、225(N225)和300 kg·hm-2(N300)氮肥,每个处理设置3个重复,共15个试验小区,每个试验小区面积40 m2,随机设计。种植方式为水稻-红花草轮作,水稻种植期一般为每年6—10月。有机肥60%作为基肥施用,40%作为追肥施用。有机肥养分含量:w(N)为30.3 g·kg-1,w(P2O5)为28.3 g·kg-1,w(K2O)为20.3 g·kg-1。有机肥处理折合成含磷量(以P2O5计)分别为:0(N0)、70(N75)、140(N150)、210(N225)和280 kg·hm-2(N300)。

1.2 样品采集及指标测定方法

采集2019年稻季苗期及收获期0～20 cm深处土壤样品,用直径5 cm土钻五点取样法采集5个深度为20 cm土芯,每个小区的所有样品都经过仔细混合形成单一复合土壤,于室内风干,过0.15及0.85 mm孔径筛后测定土壤Olsen-P和TP含量。

土壤理化性质测定方法主要参照《土壤农化分析》[17]。土壤pH值采用玻璃电极酸度计(Thermo ORION STAR A211)测定,水土比为2.5∶1(V∶m)的土壤悬液;样品SOC和TN含量采用碳氮分析仪(vario MACRO CN,Elementar Analysensysteme GmbH,德国)通过干烧法进行测定;样品TP含量采用浓H2SO4-H2O2热消化,紫外分光光度计钼蓝比色法测定(UVmini-1240);土壤速效钾含量采用火焰原子吸收法测定;土壤速效磷(Olsen-P)含量采用碳酸氢钠(0.5 mol L-1NaHCO3,pH值=8.5)萃取0.5 h后,用钼蓝法比色法测定。

1.2.1土壤磷组分分级方法

土壤不同磷组分分级根据TIESSEN等[18]对HEDLEY磷分级的改进方法[19]进行测定,主要分为树脂提取态磷(Resin-P)、NaHCO3提取态无机磷(NaHCO3-Pi)、NaHCO3提取态有机磷(NaHCO3-Po)、NaOH 提取态无机磷(NaOH-Pi)、NaOH 提取态有机磷(NaOH-Po)、1 mol·L-1稀盐酸提取态磷(HCl-P)和浓H2SO4与H2O2提取残余态磷(Residual-P)。将Resin-P、NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po作为可利用态磷(Available-P);NaOH-Pi和NaOH-Po作为次生矿物磷(Secondary-P);HCl-P作为初生矿物磷(Primary-P);Residual-P作为稳态磷(Stable-P)。

1.2.2土壤有机磷分级方法

为了进一步研究有机肥对土壤有机磷的影响,土壤有机磷分级采用BOWMAN等[20]提出的分级方法。有机磷分为3种形态:(1)0.5 mol·L-1NaHCO3提取的活性有机磷(labile organic P,LPo),表示易矿化为植物吸收的有机磷组分;(2)0.1 mol·L-1HCl提取的中活性有机磷(moderately labile organic P,MLPo),表示较易矿化且易为植物吸收的有机磷组分;(3)0.5 mol·L-1NaOH提取的稳性有机磷(stable organic P,STPo),表示较难矿化且难为植物吸收的有机磷组分。

1.2.3土壤微生物量测定方法

土壤微生物生物量通过氯仿熏蒸提取法测定[21-22]。土壤样品在测定微生物量之前进行预培养,去离子水调节土壤含水量w为55%田间持水量,预培养14 d,以恢复微生物活性。微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)含量采用氯仿熏蒸,0.5 mol·L-1K2SO4浸提,土液比(m∶V)为1∶4测定。

BC/BN=(F-U)/k。

(1)

式(1)中,BC为微生物量碳含量,mg·kg-1;BN为微生物量氮含量,mg·kg-1;F为熏蒸测定值;U为不熏蒸测定值;k为校正系数,其中kMBC=0.45,kMBN=0.54。

微生物量磷(MBP)含量采用氯仿熏蒸,0.5 mol·L-1NaHCO3(pH值8.5)浸提法,土液比(m∶V)为1∶20,同时于未熏蒸土壤中加入25 μg·g-1(以P计)KH2PO4溶液用于测定P回收率。MBP含量测定公式为

BP=(F-U)/(kP×RP)。

(2)

式(2)中,BP为微生物量磷含量,mg·kg-1;kP为校正系数,0.4;RP为外加KH2PO4的回收率。

1.3 统计分析

采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)来检验各有机肥施用量处理样本之间差异(Duncan检验);冗余分析(RDA)用于磷组分与土壤pH值及微生物生物量之间的关系评估;Pearson相关分析用于磷组分与土壤pH值及微生物生物量的相关性分析;采用Origin 2021 b及R Studio软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同梯度有机肥施用量对稻田土壤速效磷及总磷含量的影响

在水稻苗期和收获期,与不施肥处理相比,所有施肥处理均增加了土壤速效磷及总磷含量(图1)。在水稻苗期,与N0处理相比,各施肥处理均显著增加速效磷含量(27.8%～58.8%)(P<0.05),且随施肥量增加呈先增加后下降的趋势,其中以N150处理速效磷含量(20.5 mg·kg-1)增加最为显著。除N75处理外,其余施肥处理均显著增加了总磷含量(6.97%～12.1%)(P<0.05),且随施肥量增加而增加。在水稻收获期,与N0处理相比,除N75处理外,其余施肥处理均显著增加土壤速效磷含量(12.9%～153%)(P<0.05),且增幅相较苗期更大;N300和N225处理显著增加总磷含量(5.80%～40.6%)(P<0.05),其中以N300处理速效磷(31.3 mg·kg-1)和总磷含量(648 mg·kg-1)最高。

N0～N300表示施氮量为0～300 kg·hm-2。同一时期直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间磷含量差异显著(P<0.05)。

2.2 不同梯度有机肥施用量对稻田土壤磷不同赋存形态的影响

不同梯度有机肥施用下水稻苗期和收获期土壤磷赋存形态的变化如图2所示。在水稻苗期,与N0处理相比,除N75处理外,其余施肥处理均显著增加可利用态磷(37.3%～78.2%)和次级矿物磷含量(7.50%～21.5%)(P<0.05),其中可利用态磷含量以N300处理(89.8 mg·kg-1)最高,次级矿物磷含量以N225处理(148 mg·kg-1)最高,而各处理对初级矿物磷和稳态磷含量均无显著影响;在水稻收获期,与N0处理相比,除N75处理外,其余施肥处理均显著增加了可利用态磷(51.5%～142.4%)、次级矿物磷(15.3%～62.3%)和初级矿物磷(26.3%～41.3%)含量(P<0.05),其中以N300处理可利用态磷(124 mg·kg-1)、次级矿物磷(200 mg·kg-1)和初级矿物磷(125 mg·kg-1)含量最高。

可利用态磷=树脂磷(Resin-P)+ NaHCO3提取态无机磷(NaHCO3-Pi)+ NaHCO3提取态有机磷(NaHCO3-Po);次生矿物磷=NaOH提取态无机磷(NaOH-Pi)+ NaOH提取态有机磷(NaOH-Po);初生矿物磷=盐酸提取态磷(HCl-P);稳态磷=残余态磷(Residual-P)。N0～N300表示施氮量为0～300 kg·hm-2。同一时期直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间磷含量差异显著(P<0.05)。

2.3 不同梯度有机肥施用量对稻田土壤有机磷含量的影响

不同梯度有机肥施用下水稻苗期及收获期土壤有机磷赋存形态的变化如图3所示。在水稻苗期,与N0处理相比,各施肥处理均显著增加了土壤活性有机磷含量(P<0.05),其中N150处理含量(27.2 mg·kg-1)最高;N75和N150处理显著增加中等活性有机磷含量(11.1%～43.7%)(P<0.05),N225处理的中等活性有机磷含量无显著变化,而N300处理显著降低中等活性有机磷含量(-10.1%)(P<0.05);各施肥处理均显著增加了稳态有机磷含量(P<0.05),其中N75处理含量(145 mg·kg-1)最高。在水稻收获期,与N0处理相比,各施肥处理均显著增加了活性有机磷含量(26.4%～54.4%)(P<0.05)。除N225处理对中等活性和稳态有机磷含量无显著影响外,其余施肥处理均显著增加了中等活性有机磷(45.2%～94.6%)和稳态有机磷(6.75%～13.0%)含量(P<0.05)。

LPo—活性有机磷;MLPo—中等活性有机磷;STPo—稳性有机磷。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间磷含量差异显著(P<0.05)。

2.4 不同梯度有机肥施用量对稻田土壤微生物量碳氮磷及其比值的影响

不同梯度有机肥施用下水稻苗期及收获期土壤微生物量碳、氮、磷含量及其比值如图4所示。在水稻苗期,与N0处理相比,除N75处理对MBC和MBN含量无显著影响外,其余施肥处理均显著增加MBC、MBN和MBP含量(P<0.05),其中以N225和N300对MBC(62.4%～71.3%)和MBN(45.5%～97.8%)含量增加最为显著,N150处理显著提高MBP含量(171%,P<0.05);各施肥处理对MBC/MBN比无显著影响,此外,MBC/MBP比和MBN/MBP比变化趋势一致,其中N75和N150处理下MBC/MBP比(-55.4%～-32.7%)和MBN/MBP比(-57.6%～-38.9%)显著降低(P<0.05)。在水稻收获期,与N0处理相比,N150、N150和N300处理显著增加MBC含量(24.6%～145%)(P<0.05),各施肥对MBN含量无显著影响;N150和N300处理显著增加MBP含量(20.4%～51.2%)(P<0.05);与N0处理相比,N150处理显著增加MBC/MBN比(154%)和MBC/MBP比(120%)(P<0.05),而N75对MBN/MBP比(60.8%)增加最为显著(P<0.05)。

N0～N300表示施氮量为0～300 kg·hm-2。同一时期直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间磷含量差异显著(P<0.05)。

2.5 不同梯度有机肥施用量下相关因子对土壤磷组分的影响

以不同处理的土壤磷含量为响应变量,以pH值和微生物量碳、氮、磷含量及其计量比为解释变量进行冗余分析和皮尔逊相关性分析(图5)。在水稻苗期,pH值的影响较小,土壤速效磷、可利用态磷、次级矿物磷及活性有机磷含量受微生物量碳、氮含量的影响最大,呈显著负相关关系(P<0.05),而初级矿物磷和稳态磷含量受环境因子的影响较小,微生物量计量比主要影响土壤有机磷库,而对无机磷库影响较小。在水稻收获期,pH值显著影响土壤无机磷库,此外,MBP含量、MBC/MBP比及MBN/MBP比对无机磷含量影响也比较显著。活性有机磷只与MBN含量呈显著负相关,中等活性及稳态磷有机磷含量主要受MBC含量、MBC/MBN比和MBC/MBP比影响,且呈显著正相关(P<0.05)。

MBC—微生物量碳含量;MBN—微生物量氮含量;MBP—微生物量磷含量;MBC/MBN—微生物量碳/氮比;MBC/MBP—微生物量碳/磷比;MBN/MBP—微生物量氮/磷比;Olsen-P—土壤速效磷含量;Available P—可利用态磷含量;Secondary P—次生矿物磷含量;Primary P—初生矿物磷含量;Stable P—稳态磷含量;LPo—活性有机磷含量;MLPo—中等活性有机磷含量;STPo—稳性有机磷含量。**表示P<0.01,*表示P<0.05。

3 讨论

3.1 不同梯度有机肥施用量显著增加了土壤可利用态磷及有机磷含量

施用有机肥可增加土壤总磷和速效磷含量,这与以往研究结果[23]类似。在水稻生育期内,土壤可利用态磷和次生矿物磷含量随施肥量的增加而增加(图2),主要原因在于有机肥自身带有磷源[24]。有研究表明,与不施肥相比,长期施用有机肥可使土壤中易获得的无机磷含量增加56.0%～286%[25];DU等[26]对来自141项已发表研究中的774项数据进行荟萃分析发现,与矿物肥料相比,有机肥可使有效磷含量平均增加66.2%。有机肥作为化学肥料的替代品,其对土壤磷含量的增加以及磷的可持续性利用尤为重要。

随施肥量的增加,稻田苗期土壤Olsen-P含量呈先增加后降低的趋势(图1),各处理下初生矿物磷含量之间无显著性差异,表明过量施用有机肥未能显著提高土壤有效态磷含量,这可能是由于在苗期水稻根系较小以及微生物活性较低,其对有机肥中磷未能进行充分利用和降解[24];且过量有机肥(高碳/磷比)会导致土壤磷库的净磷固定[27]。与空白对照相比,适当施磷处理(N75和N150)均显著增加土壤有机磷含量(图3),有机肥对土壤有机磷含量的提升,一方面是由于有机肥自身有机磷的直接带入[28-29],另一方面则是由于有机肥促进土壤中有机磷向活性磷的转化以及稳性有机磷向活性或中活性有机磷的转化[13]。因此,有机肥在N75和N150施用量下可满足稻田作物对土壤磷的需求,但是此时施氮量却相对较低,不一定能满足作物的氮需求。因此,对于有机肥替代化肥管理,建议考虑作物氮需求的同时能够控磷,避免磷在土壤中的大量积累以及环境流失风险。

3.2 土壤微生物生物量在有机肥刺激土壤磷转化过程中起重要作用

微生物参与土壤有机质的分解,并与土壤碳、氮、磷等养分循环过程密切相关。在该试验中,与不施肥处理相比,除收获期各处理MBN含量无显著性差异外,施肥处理均显著增加了土壤微生物生物量含量(图4)。在水稻苗期,土壤MBC和MBN含量与土壤速效磷、可利用态磷、次生矿物磷及活性有机磷含量呈显著负相关(图5),表明微生物量的增加降低了土壤有效磷含量。MBC是农业和自然生态系统土壤磷生物有效性的重要预测因子[30],有机肥施用可全面地为微生物提供营养,改善土壤物理性质,增加通透性,提高微生物繁殖数量,引起微生物耗磷需求的增加[31],这可能解释了MBC含量与土壤磷组分(速效磷、可利用态磷、次生矿物磷及活性有机磷含量)的负相关关系。

与土壤难溶性磷相比,MBP含量可以作为更易被植物有效利用的形式保留矿化磷[32],微生物对磷的储存有助于减少磷的物理化学固定和浸出[33],因此,施肥处理提高土壤MBP含量,有助于增加土壤生物有效磷含量。与水稻苗期相比,收获期稻田土壤MBP与土壤Olsen-P含量及土壤无机磷组分含量显著正相关,造成这一差异的原因可能是水稻生育中后期根系通过一系列机制(释放分泌物、氧气、酶、有机质等物质)改变根际的物理化学性质和生物组成,进而影响了土壤微生物量及土壤无机磷组分含量[34]。根系对土壤养分活化有重要作用[35],如水稻可将氧气自上而下运输到根部及根际土壤,改变根际氧化还原条件,同时水稻根系可以释放多种分泌物,为微生物生长提供营养,还可以通过络合作用影响土壤磷转化过程及其有效性[36]。

3.3 土壤微生物计量比可调节土壤磷的转化及周转

微生物会通过获取缺失元素及调整其生物量中有效元素的比例分配维持自身稳态平衡[37],进而影响土壤磷有效性,因此微生物生物量C、N、P比的变化可作为判断微生物营养状态和生长限制的重要依据[10]。在水稻苗期,与不施肥处理相比,N75和N150处理显著降低了MBC/MBP比及MBN/MBP比;而在水稻收获期,N75和N150则显著增加了MBC/MBN比、MBC/MBP比及MBN/MBP比(图4),这主要是由MBP含量的变化引起的。微生物可以将土壤中大量的磷固定在生物体内,极大地改变了土壤有效磷含量[33],而当微生物死亡时,MBP会被释放出来供新生微生物或植物吸收利用[38],土壤MBP含量可以作为反映土壤磷肥力的主要指标[39]。N75和N150处理中MBP含量的变化是导致微生物计量学差异显著的主要原因,这也进一步强调了MBP在微生物计量学以及影响土壤磷有效性方面的重要作用。

在水稻苗期,MBC/MBP比和MBN/MBP比与土壤有机磷组分含量呈显著负相关,而在收获期MBC/MBP比和MBN/MBP比与土壤无机磷组分含量呈显著负相关(P<0.05,图5)。这是由于在水稻土苗期作物根系较小,微生物生物量的变化主要受有机肥添加的影响,因此微生物计量比的改变与有机磷组分含量显著相关;而在水稻收获期,作物根系通过根系分泌物等物质的影响促进微生物计量比的改变以及促进有机磷向无机磷的转化,因此微生物计量比的改变主要与无机磷组分含量显著相关。总体而言,由于有机肥中有机质的投入为微生物提供了养分(N和P)和能源(C),刺激了微生物生长,改善土壤物理性质,从而大大提高土壤微生物活性[40],进而促进了土壤中有机磷和难溶态磷向有效磷的转化[8]。该研究仅从微生物量及微生物计量比的角度研究了有机肥添加下其影响土壤磷库转化的作用,需要进一步深入研究微生物化学计量比调控土壤磷转化的作用机制。

4 结论

不同梯度有机肥施用可显著增加水稻土不同磷组分含量,包括速效磷、可利用态磷、次生矿物态磷量以及有机磷含量,但是高有机肥施用量也带入了高施磷量,造成了土壤磷的大量累积且不利于磷组分之间的转化。在有机肥带入的适宜施磷量处理下(N75和N150),微生物生物量的显著改变以及微生物计量比(MBC/MBP比及MBN/MBP比)的调节对土壤有机磷及难溶态磷向有效磷的转化起促进作用。