豬糞有機肥施用下兩種生態(tài)型粗齒冷水花磷積累特征變化

陳靜,黃有勝,李廷軒*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，四川 成都 611130；2.四川省農(nóng)業(yè)機械化干部學校，四川 成都 610017)

豬糞有機肥施用下兩種生態(tài)型粗齒冷水花磷積累特征變化

陳靜1,黃有勝2,李廷軒1*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，四川 成都 611130；2.四川省農(nóng)業(yè)機械化干部學校，四川 成都 610017)

豬糞的不合理施用導致土壤中磷素大量積累，引起一系列環(huán)境問題。研究磷富集植物在豬糞條件下的磷積累變化特征，可以為提取土壤中過量的磷提供理論依據(jù)。以礦山生態(tài)型粗齒冷水花為研究對象，非礦山生態(tài)型為對照，設置豬糞有機肥用量為50 g/kg，開展土培盆栽試驗。結果表明:1)豬糞有機肥施用下，兩種生態(tài)型粗齒冷水花地上部和整株生物量隨生長時期的延長均在13周最高，且礦山生態(tài)型顯著高于非礦山生態(tài)型(Plt;0.05)，分別為非礦山生態(tài)型的1.43～2.26倍和1.41～2.20倍。2)粗齒冷水花地上部和整株階段性磷積累速率均在9～11周最大。礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部和整株磷積累量均顯著高于非礦山生態(tài)型(Plt;0.05)，13周時其地上部和整株磷積累量分別達105.21和119.50 mg/株。3)豬糞有機肥的施用提高了土壤有效磷含量、酸性磷酸酶和植酸酶活性。隨生長時期的延長，粗齒冷水花根際酸性磷酸酶和植酸酶活性均在11周最高，礦山生態(tài)型根際植酸酶活性顯著高于非礦山生態(tài)型。豬糞有機肥施用下，礦山生態(tài)型粗齒冷水花生長狀況和磷積累能力均強于非礦山生態(tài)型，其根際較高的酸性磷酸酶和植酸酶活性提高了土壤中磷素的生物有效性，促進了礦山生態(tài)型對磷的吸收積累。

豬糞有機肥; 磷積累; 生態(tài)型; 土壤酸性磷酸酶; 土壤植酸酶

近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便排放量日趨增加。據(jù)估算，2013年我國畜禽糞便產(chǎn)生量達14.87億t，其中豬糞占20%以上[1]。豬糞磷含量達24.2～48.7 g/kg[2]，而溶解性磷占21%～71%[3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中豬糞的不合理施用導致土壤中磷大量積累[4]，過剩的磷在降雨或農(nóng)田排水作用下向水體遷移[5]，加速水體的富營養(yǎng)化進程。因此，尋找適宜的方法減少土壤中過量的磷顯得尤為迫切。

通過收獲植物地上部以提取土壤中過量的磷被認為是一種有效的治理措施[6]。一年生黑麥草Marshall 和Gulf(Loliummultiflorum)[7]、澳洲狐尾草(Ptilotuspolystachyus)[8]、羊茅黑麥草Duo grass(Lolium×Festuca)[9]等體內(nèi)磷含量可達10 g/kg，被認為是良好的磷富集植物。但研究發(fā)現(xiàn)，即使是同種富磷植物在高濃度無機磷、有機磷及雞糞處理下，其生物量、磷含量均差異較大[7,10-11]。植物的生長狀況及對磷的吸收在很大程度上受根際磷素有效性的影響[9]。有機磷約占土壤全磷的20%～80%[12]，需經(jīng)磷酸酶礦化分解后才能被植物吸收利用。酸性磷酸酶是一種非特異性磷酸單酯水解酶，能夠將有機磷水解為無機磷，是促進植物磷吸收的一個重要因素[13]。植酸鹽類化合物占土壤有機磷的比例達50%[14]，而植酸酶對植酸態(tài)磷的水解具有高度的專一性。

粗齒冷水花(Pileasinofasciata)是一種多年生草本植物，可生長于陸地或濕地，具有較強的環(huán)境適應能力。前期研究表明，礦山生態(tài)型粗齒冷水花具有較強的磷積累能力，是一種良好的磷富集植物[15-18]。本研究在前期研究基礎上，設置適宜豬糞有機肥用量，探討礦山生態(tài)型粗齒冷水花不同生長時期磷積累特性，為后期合理利用粗齒冷水花提取環(huán)境中過量的磷提供理論參考。

1 材料與方法

1.1供試材料

供試植物：粗齒冷水花，礦山生態(tài)型(mining ecotype，ME)采自四川省什邡市磷礦區(qū)(104°50′ E，30°25′ N)，非礦山生態(tài)型(non-mining ecotype，NME)采自雅安市雨城區(qū)(102°59′ E，29°58′ N)。

供試土壤：灰潮土，采自四川省都江堰市蒲陽鎮(zhèn)雙柏村。其基本理化性質為：pH 6.70、有機質20.62 g/kg、堿解氮33.95 mg/kg、有效鉀32 mg/kg、有效磷3.55 mg/kg。

供試豬糞有機肥：采自四川省都江堰市蒲陽鎮(zhèn)規(guī)模養(yǎng)殖場，經(jīng)腐熟過篩后待用?；纠砘再|為：pH 6.69、有機質495.1 g/kg、全氮13.88 g/kg、全磷25.62 g/kg、全鉀3.05 g/kg。

1.2試驗設計與處理

豬糞有機肥用量設置為50 g/kg(以干重計)，以不施豬糞有機肥為對照，每處理重復12次，兩種生態(tài)型共48盆，完全隨機排列。采用土培試驗，土壤經(jīng)風干壓碎過篩，與豬糞有機肥混勻后裝于16 L塑料盆中，每盆裝土15 kg，陳化4周待用，陳化后土壤基本理化性質見表1。

幼苗的培育及管理采用劉霜等[17]的方法。待幼苗生長30 d后，選擇長勢一致的植株移栽至盆中，每盆2株。采用自然光照，按田間持水量的70%確定灌水量。試驗于2015年6-9月在四川農(nóng)業(yè)大學教學科研園區(qū)有防雨設施的網(wǎng)室中進行。

表1 陳化后土壤基本理化性質Table 1 The physicochemical properties of soils used for the experiment

1.3樣品采集與制備

于移栽后7、9、11、13周采樣，植株經(jīng)自來水沖洗，蒸餾水潤洗后用吸水紙擦干，分為地上部和地下部，裝袋后于105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，粉碎后備用。

采用抖土法收集根際土和非根際土。一部分土樣存于4 ℃冰箱中，用于酸性磷酸酶和植酸酶活性的測定，另一部分風干磨碎過篩后用于有效磷含量的測定。

1.4測定項目及方法

土壤基本理化性質采用常規(guī)分析方法測定[19]；植株生物量采用烘干稱重法測定[19]；植株磷含量采用微波消解儀(CEM-MARS5，USA)-全自動間斷化學分析儀(SEAL-AQ2，UK)測定；土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[19]；土壤植酸酶活性的測定參考Ramesh等[20]的方法。

階段磷積累速率=階段磷積累量/時間

1.5數(shù)據(jù)處理

采用DPS 11.0進行統(tǒng)計分析，選擇LSD法進行多重比較，采用Origin 8.1制作圖表。

2 結果與分析

2.1豬糞有機肥施用下礦山生態(tài)型粗齒冷水花生物量變化

由圖1分析可知，豬糞有機肥施用下，粗齒冷水花地上部和整株生物量均明顯高于對照，且不同生態(tài)型間差異顯著(Plt;0.05)。礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部生物量顯著高于非礦山生態(tài)型，為非礦山生態(tài)型的1.43～2.26倍；整株生物量為非礦山生態(tài)型的1.41～2.20倍。隨著生長時期的延長，礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部和整株生物量顯著增加，在11周前成倍增長，其后增長幅度逐漸趨緩，非礦山生態(tài)型粗齒冷水花的變化趨勢與礦山生態(tài)型相似，且礦山生態(tài)型生物量增加量高于非礦山生態(tài)型。

2.2豬糞有機肥施用下礦山生態(tài)型粗齒冷水花階段性磷積累速率變化

階段性磷積累速率能夠反映粗齒冷水花不同生長階段的磷積累能力。由表2分析可知，豬糞有機肥施用下，兩種生態(tài)型粗齒冷水花地上部和整株階段性磷積累速率均明顯高于對照，不同生態(tài)型間差異顯著。礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部和整株階段性磷積累速率在不同生長階段顯著高于非礦山生態(tài)型，分別為非礦山生態(tài)型的1.26～1.62倍和1.27～1.75倍。隨生長時期的延長，礦山生態(tài)型粗齒冷水花階段性磷積累速率呈先升高后降低的趨勢，在9～11周達最高，非礦山生態(tài)型的變化趨勢與礦山生態(tài)型相似。表明礦山生態(tài)型粗齒冷水花在7～13周的磷積累能力強于非礦山生態(tài)型，9～11周為礦山生態(tài)型粗齒冷水花積累磷的重要時期。

2.3豬糞有機肥施用下礦山生態(tài)型粗齒冷水花磷積累量變化

由表3分析可知，豬糞有機肥的施用極大地增強了兩種生態(tài)型粗齒冷水花對磷的積累，礦山生態(tài)型粗齒冷水花表現(xiàn)尤為突出。豬糞有機肥施用下，礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部和整株磷積累量分別為對照的2.80～4.40倍和3.49～3.95倍，且與非礦山生態(tài)型間差異顯著。礦山生態(tài)型粗齒冷水花不同生長時期地上部和整株磷積累量均顯著高于非礦山生態(tài)型，分別為非礦山生態(tài)型的1.47～2.23倍和1.50～2.08倍。隨生長時期的延長，兩種生態(tài)型粗齒冷水花地上部和整株磷積累量顯著增加，且礦山生態(tài)型粗齒冷水花磷積累量增加量高于非礦山生態(tài)型。13周時，礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部和整株磷積累量分別達105.21和119.50 mg/株。

圖1 豬糞有機肥施用下兩種生態(tài)型粗齒冷水花生物量差異Fig.1 Biomass of the two ecotypes of P. sinofasciata grown in soils amended with swine manure A：地上部；B：整株；ME：礦山生態(tài)型；NME：非礦山生態(tài)型，下同。柱上不同小寫字母表示相同處理同種生態(tài)型不同生長時期之間差異顯著(Plt;0.05)，*表示相同處理下同一生長時期不同生態(tài)型之間差異顯著(Plt;0.05)。A: Shoot； B: Whole plant; ME: Mining ecotypes; NME: Non-mining ecotypes, the same below. Different letters indicate significant difference between growth periods (Plt;0.05); * indicates significant difference between two ecotypes (Plt;0.05).

mg/(plant·d)

注：不同小寫字母表示相同處理同種生態(tài)型不同生長時期之間差異顯著(Plt;0.05)，*表示相同處理下同一生長時期不同生態(tài)型之間差異顯著(Plt;0.05)，下同。

Notes: Different letters indicate significant difference between growth periods (Plt;0.05); * indicates significant difference between ecotypes (Plt;0.05). The same below.

表3 豬糞有機肥施用下兩種生態(tài)型粗齒冷水花磷積累量差異Table 3 P accumulation of the two ecotypes of P. sinofasciata grown in soils amended with swine manure mg/plant

2.4豬糞有機肥施用下礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤有效磷含量變化

圖2 豬糞有機肥施用下兩種生態(tài)型粗齒冷水花根際和非根際土壤有效磷含量差異Fig.2 Soil available P in the rhizosphere and bulk soils of the two ecotypes of P. sinofasciata grown in soils amended with swine manure Rs：根際土壤; Bs：非根際土壤, 柱上不同小寫字母表示相同土壤類型同一生態(tài)型不同生長時期間差異顯著(Plt;0.05), *表示相同土壤類型同一生長時期不同生態(tài)型間差異顯著(Plt;0.05)，下同。Rs: Rhizosphere soil; Bs: Bulk soil. Different letters above the bars indicate significant difference between growth periods (Plt;0.05). * indicates significant difference between two ecotypes (Plt;0.05). The same below.

由圖2分析可知，豬糞有機肥施用下，粗齒冷水花根際和非根際土壤有效磷含量均遠高于對照，且根際土壤有效磷含量低于非根際土壤。隨生長時期的延長，兩種生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤有效磷含量呈先降低后升高的趨勢，在11周后顯著增加，非根際土壤有效磷含量無顯著變化。礦山生態(tài)型根際和非根際有效磷含量與非礦山生態(tài)型差異不顯著。

2.5豬糞有機肥施用下礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤酸性磷酸酶和植酸酶活性變化

由圖3分析可知，豬糞有機肥的施用提高了土壤酸性磷酸酶和植酸酶活性，且對植酸酶活性的提升作用明顯強于酸性磷酸酶。豬糞有機肥施用下，礦山和非礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤植酸酶活性分別為對照的6.62～7.15倍和6.03～6.73倍。隨生長時期的延長，兩種生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤酸性磷酸酶和植酸酶活性均呈先升高后降低的趨勢，在11周達最高。礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤酸性磷酸酶活性與非礦山生態(tài)型差異不顯著，但礦山生態(tài)型根際土壤植酸酶活性顯著高于非礦山生態(tài)型，為非礦山生態(tài)型的1.06～1.16倍。

圖3 豬糞有機肥施用下兩種生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤酸性磷酸酶和植酸酶活性差異Fig.3 Acid phosphatase and phytase activities in the rhizosphere of the two ecotypes of P. sinofasciata grown in soils amended with swine manure

3 討論

3.1豬糞有機肥施用下礦山生態(tài)型粗齒冷水花磷積累特征變化

植物的生長和對磷的吸收積累在很大程度上受生長時期的影響[9,21]，營養(yǎng)生長旺盛時期，植物階段性磷積累速率最高，對植株磷積累量的貢獻最大[22-24]。小麥(Triticumaestivum)[23,25]和水稻(Oryzasativa)[23]磷素吸收積累高峰期出現(xiàn)在拔節(jié)期，其階段性磷積累量高于拔節(jié)前和成熟期。礦山生態(tài)型粗齒冷水花階段性磷積累速率在9～11周最高，這與根際土壤酸性磷酸酶和植酸酶活性(圖3)的變化趨勢基本一致，表明9～11周為礦山生態(tài)型生長代謝最旺盛的時期，同時也是磷吸收積累的重要時期。磷積累量在一定程度上可以反映植物修復的效率[26]。豬糞有機肥施用下，礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部磷積累量達105.21 mg/株，相比牧草如Duo grass[9]、Marshall和Gulf[11]等更具磷提取優(yōu)勢。礦山生態(tài)型水蓼(Polygonumhydropiper)在不同用量豬糞處理下地上部磷積累量最高也僅為65.94 mg/株[27]?？梢姡V山生態(tài)型粗齒冷水花具有較強的磷積累能力和較高的植物修復效率。粗齒冷水花是一種多年生草本植物，多次收獲其地上部有利于提取土壤中過量的磷，而選擇適宜的收獲時期是提高磷去除效率的重要手段。13周時，礦山生態(tài)型粗齒冷水花地上部磷積累速率顯著降低，且多數(shù)已出現(xiàn)開花現(xiàn)象，因此認為粗齒冷水花的最佳收獲時期在13周前。

3.2豬糞有機肥施用下礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤有效磷與酶活性變化

由于根系對磷的吸收能力和對根際磷的活化或礦化能力存在差異，不同植物根際有效磷含量差異較大[13,28-29]。磷高效油菜(Brassicanapus)、大麥(Hordeumvulgare)等對磷的吸收作用較強，其根際有效磷含量明顯低于磷低效品種或普通品種[13,30]。礦山生態(tài)型粗齒冷水花磷積累量顯著高于非礦山生態(tài)型，但二者根際有效磷含量差異不顯著，這可能是由于礦山生態(tài)型根系磷吸收積累能力強于非礦山生態(tài)型，其一方面不斷大量的吸收土壤中的磷，另一方面通過根系向環(huán)境中分泌磷酸酶，促進了根際環(huán)境中有機磷的礦化，進而緩解了根際有效磷含量的降低[31]。酸性磷酸酶是礦化土壤有機磷和提高土壤磷素生物有效性的關鍵性酶之一[32]，而植酸酶能夠專一性水解植酸態(tài)磷[10]。植物根系分泌酸性磷酸酶是其適應低磷環(huán)境，提高自身磷吸收潛力的重要途徑之一[13]。本研究卻發(fā)現(xiàn)礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤酸性磷酸酶活性在豬糞有機肥施用下高于對照。在對大麥的研究中發(fā)現(xiàn)，磷高效野生大麥根際土壤酸性磷酸酶活性隨有機磷濃度的增加顯著增加[13]；礦山生態(tài)型水蓼根際土壤酸性磷酸酶活性同樣表現(xiàn)為豬糞處理高于不施豬糞處理[31]。根際土壤植酸酶活性的變化趨勢與酸性磷酸酶相似。礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際土壤植酸酶活性在豬糞有機肥施用下遠高于對照，這可能與施入豬糞有機肥后土壤中磷的賦存形態(tài)有關。土壤中植酸態(tài)磷約占土壤有機磷的50%，且豬糞中的有機磷也主要以植酸態(tài)形式存在[2]。以植酸磷為唯一磷源條件下，植物根系能夠分泌大量植酸酶來水解植酸磷以滿足自身對磷的吸收利用[33]。以上研究表明，礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際較高的酸性磷酸酶和植酸酶活性有利于其提高土壤磷素生物有效性，促進植物對磷的吸收積累。

4 結論

礦山生態(tài)型粗齒冷水花生物量、階段性磷積累速率和磷積累量均顯著高于非礦山生態(tài)型，13周時其地上部和整株磷積累量分別達105.21和119.50 mg/株。相比非礦山生態(tài)型，礦山生態(tài)型粗齒冷水花磷積累能力更強。

豬糞有機肥的施用提高了土壤酸性磷酸酶和植酸酶活性，礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際植酸酶活性顯著高于非礦山生態(tài)型。豬糞有機肥施用下，礦山生態(tài)型粗齒冷水花根際較高的植酸酶活性是其富集磷的重要機制之一。

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PhosphorousaccumulationcharacteristicsoftwoecotypesofPileasinofasciatagrowninsoilsamendedwithswinemanure

CHEN Jing1, HUANG You-Sheng2, LI Ting-Xuan1*

1.College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2.Sichuan Agricultural Mechanization Cadre School, Chengdu 610017, China

Phosphorus (P) accumulation in soil due to excessive use of swine manure causes a series of environmental problems. In order to provide a sound basis for attempts to remove excess P, a study has been undertaken of its accumulation characteristics in two ecotypes ofPileasinofasciata. A mining ecotype (ME) and a non-mining ecotype (NME) were grown in soils amended with 50 g/kg swine manure. The results were as follows. 1) The biomass of the shoot and whole plant increased during the growth periods recorded, reaching maximum values at the 13th week. The ME shoot and whole plant biomass were 1.43-2.26 and 1.41-2.20 times higher than that of NME respectively (Plt;0.05). 2) The P accumulation rate of the shoot and whole plant in the two ecotypes reached their maximum values at the 9th-11th week. The P accumulation in ME shoot and whole plant were significantly higher than that of NME (Plt;0.05), and up to 105.21 and 119.50 mg/plant at the 13th week respectively. 3) Soil available P and the activities of acid phosphatase and phytase increased with the application of swine manure. The acid phosphatase and phytase activities in the rhizosphere soils of the two ecotypes reached their maximum values at the 11th week. The phytase activities in the ME rhizosphere soils were significantly higher than those of NME. These results demonstrate that the ME presented better growth and greater P accumulation when grown in soils amended with swine manure. The greater rhizosphere acid phosphatase and phytase activities in the ME rhizosphere soils contributed significantly to the availability of soil P, thus promoting P accumulation inP.sinofasciata.

swine manure; P accumulation; ecotype; soil acid phosphatase; soil phytase

10.11686/cyxb2017044http//cyxb.lzu.edu.cn

陳靜, 黃有勝, 李廷軒. 豬糞有機肥施用下兩種生態(tài)型粗齒冷水花磷積累特征變化. 草業(yè)學報, 2017, 26(11): 139-146.

CHEN Jing, HUANG You-Sheng, LI Ting-Xuan. Phosphorous accumulation characteristics of two ecotypes ofPileasinofasciatagrown in soils amended with swine manure. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(11): 139-146.

2017-02-16；改回日期：2017-04-10

國家自然科學基金(41671323)和四川省科技支撐計劃(2013NZ0044)資助。

陳靜(1992-)，女，四川德陽人，在讀碩士。E-mail： jingclv@163.com

*通信作者Corresponding author. E-mail： litinx@263.net