根際過程和高底物濃度促進(jìn)黑土有機(jī)磷礦化*

于星辰 劉 倩 李春杰 朱 平 李海港，3? 張福鎖

（1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/植物-土壤相互作用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）（2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長春 132000）（3 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010011）

大量研究表明，根際過程能促進(jìn)土壤無機(jī)磷的活化［1-3］。缺磷脅迫促使植物進(jìn)化形成了各種生理適應(yīng)機(jī)制來活化、吸收土壤難溶性無機(jī)磷。生理適應(yīng)機(jī)制包括根系有機(jī)酸陰離子的分泌、根際酸化等［4-5］。低磷脅迫增加了番茄（Lycopersicon esculentum L.）、鷹嘴豆（Cicer arietinum L.）和白羽扇豆（Lupinus albus L.）根系的質(zhì)子分泌［6］。生長在鈣質(zhì)土壤上的蠶豆（Vicia faba L.）能夠降低根際pH，而玉米（Zea mays L.）根際pH變化不明顯［7］。根系所分泌的有機(jī)酸陰離子主要包括檸檬酸、蘋果酸、草酸、琥珀酸等［8］。有機(jī)酸陰離子通過基團(tuán)置換、溶解作用和占據(jù)磷吸附位點(diǎn)來增加土壤無機(jī)磷的生物有效性［6,9］。而這些根際過程對土壤有機(jī)磷礦化的影響尚缺乏系統(tǒng)研究。

我國耕作土壤有機(jī)磷占土壤全磷的25%～56%，東北黑土可達(dá)70%以上［10］，是作物吸收磷素的重要來源。土壤有機(jī)磷必須經(jīng)過礦化作用分解為無機(jī)態(tài)磷酸根離子才能被根系所利用［11］。土壤有機(jī)磷的礦化作用分為兩步：1）有機(jī)磷從土壤礦物上解吸進(jìn)入土壤溶液；2）土壤溶液中的有機(jī)磷被磷酸酶分解為無機(jī)態(tài)磷酸根離子［11］。有機(jī)磷在土壤中的吸附過程與無機(jī)磷相似。根系有機(jī)酸陰離子和質(zhì)子的分泌促進(jìn)了有機(jī)磷在土壤中的解吸，這是有機(jī)磷礦化的前提。酸性磷酸酶是土壤有機(jī)磷礦化所需要的一種水解酶，是土壤有機(jī)磷礦化過程的決定物質(zhì)。根際酸性磷酸酶主要來自于植物根系和根際微生物的分泌作用等［12］。缺磷脅迫顯著增加了植物根際酸性磷酸酶活性，促進(jìn)了土壤有機(jī)磷的礦化［13-14］。此外，土壤有機(jī)磷也可能通過提高底物濃度而促進(jìn)礦化作用的進(jìn)行。

玉米和蠶豆是我國重要的糧食作物和豆科作物，對低磷土壤具有很強(qiáng)的生理適應(yīng)特性［15］。因此，研究玉米和蠶豆根際過程對有機(jī)磷礦化的影響，對于有機(jī)磷高效利用有重要意義。本研究采用室內(nèi)培養(yǎng)和田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，擬定量分析根際過程和有機(jī)磷濃度對土壤有機(jī)磷礦化的促進(jìn)作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土壤取自吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院公主嶺市肥料長期定位試驗(yàn)田（124°48′33.9″E，43°30′23″N），該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地勢平坦，海拔220 m，年均氣溫4～5℃，年最高溫度3 4 ℃，年最低溫度-3 5 ℃，無霜期125～140 d，有效積溫2 600～3 000℃，年降水量450～600 mm，年蒸發(fā)量1 200～1 600 mm，年日照時(shí)數(shù)2 500～2 700 h，土壤類型為黑土。原始土壤pH為7.6，有機(jī)質(zhì)23.3 g·kg-1，全氮1.40 g·kg-1，全磷0.61 g·kg-1，全鉀18 g·kg-1，堿解氮124.7 mg·kg-1，有效磷（Olsen-P）11.8 mg·kg-1，速效鉀158.3 mg·kg-1。

試驗(yàn)始于1 9 8 7 年，試驗(yàn)處理主要包括①對照（CK，不施肥，種植作物）；②施用氮磷鉀（NPK）；③施用氮磷鉀+秸稈還田（NPKS）；④施用氮磷鉀+有機(jī)肥（NPKM）。處理②、④按等氮量投入原則設(shè)計(jì)，其中施有機(jī)肥處理④，有機(jī)氮和無機(jī)氮的比例為7∶3。有機(jī)肥和秸稈為一年施用一次，于第一茬作物播種前作基肥施用。每季作物的磷、鉀肥均作為基肥施用，氮肥作基肥一次性施用或追肥分次施用。有機(jī)肥料（M）多為豬糞（約為23 t·hm-2），其養(yǎng)分含量為：N5 g·kg-1，P2O54 g·kg-1，K2O 4.9 g·kg-1。還田的秸稈（S）為玉米秸稈（7.5 t·hm-2），玉米秸稈的養(yǎng)分含量為：N 7 g·kg-1，P2O51.6 g·kg-1，K2O 7.5 g·kg-1?；蕿槟蛩兀ê琋 460 g·kg-1）、磷酸二銨（含P2O5460 g·kg-1、N 18 g·kg-1）和氯化鉀（含K2O 62 g·kg-1）。NPK處理化肥施用量為N165 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2和K2O 82.5 kg·hm-2；NPKS處理化肥施用量為N112 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 82.5 kg·hm-2和秸稈7.5 kg·hm-2；NPKM處理化肥施用量為N50 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 82.5 kg·hm-2和有機(jī)肥23 kg·hm-2［10］。四個處理土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 溫室盆栽試驗(yàn)

溫室盆栽試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院玻璃溫室進(jìn)行。所用土壤取自上述肥料長期定位試驗(yàn)中的不施肥（CK）與施用氮磷鉀+有機(jī)肥（NPKM）兩個處理，取樣深度為0～20 cm，所取土壤自然風(fēng)干，磨細(xì)，過2 mm篩。

表1 四個處理土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic soil properties of the four treatments

試植物為玉米（Zea mays L. cv. L224）和蠶豆（Vicia faba L. cv. Lincan No.2）。種子用10%H2O2浸泡種子30 min滅菌，用蒸餾水充分洗凈后，在飽和CaSO4溶液中浸泡24 h催芽，期間換一次溶液，然后將種子鋪在濕潤的濾紙上，在25°C培養(yǎng)室中避光發(fā)苗2～3 d，待胚根長出1 cm左右時(shí)，將種子移入根墊裝置內(nèi)培養(yǎng)。移苗后，所有幼苗在水培裝置下培養(yǎng)1個月，所用根墊裝置如圖1A（直徑10 cm的聚氯乙烯（PVC）管），此時(shí)用的營養(yǎng)液為全營養(yǎng)液，每3天更換一次，pH用NaOH和H2SO4溶液調(diào)至6.0～6.5；待根系能夠覆蓋10 cm直徑范圍時(shí)，將其放置根墊土壤如圖1B，此時(shí)營養(yǎng)液為無磷營養(yǎng)液（不加KH2PO4），土壤層與營養(yǎng)液之間用濾紙條連接，用于輸送營養(yǎng)液。根墊裝置中的土壤即為根際土［2］。每個處理設(shè)四次重復(fù)，培養(yǎng)15 d后收獲。營養(yǎng)液配方為（mol·L-1）：C a(N O3)2，2×1 0-3；K2S O4，0.7 5×1 0-3；MgSO4，0.65×10-3；KCl，0.1×10-3；KH2PO4，0.25×10-3；H3BO3，10×10-6；ZnSO4，1.0×10-6；MnSO4，1.0×10-6；CuSO4，0.1×10-6；(NH4)6Mo2O24，0.005×10-6；Fe-EDTA，0.2×10-3。

圖1 根墊裝置 （A：全營養(yǎng)液培養(yǎng)；B：無磷營養(yǎng)液培養(yǎng)）Fig. 1 Root mat device(A:Culture in complete nutrient solution； B: Culture in nutrient solution without phosphorus)

作物生長45 d后，分別收獲為地上部與根系，洗凈后，105℃殺青30 min，然后在65℃烘干至恒重，稱重。同時(shí)，取新鮮土壤樣品置于盛有25 mL 0.2 mmol·L-1CaCl2的離心管中，振動、混勻，提取作為根際土壤提取液，此離心管中的提取液用于土壤pH、有機(jī)酸陰離子和酸性磷酸酶活性的測定［16］。取5 mL左右兩份提取液，裝入5 mL離心管中，其中一份滴加2滴濃磷酸防止微生物分解，并保存于-20℃冰柜中，用于有機(jī)酸陰離子測定，另一份直接放入4℃冰箱，用于酸性磷酸酶活性測定。土壤樣品自然風(fēng)干后，測定土壤有機(jī)磷含量。

1.3 田間原位試驗(yàn)

取吉林公主嶺長期定位試驗(yàn)點(diǎn)的四個施肥處理：對照不施肥（CK）、單施氮磷鉀（NPK）、氮磷鉀+秸稈（N P K S）及氮磷鉀+有機(jī)肥（NPKM）中的直播玉米（Zea mays L. cv. Zhengdan 958）進(jìn)行根際過程的測定。試驗(yàn)田的種植方式為玉米-玉米，一年一熟連作。

玉米生長至第45天時(shí)，整株收獲，取樣。根系從土壤中取出后，抖掉多余的土壤，緊緊附著在根系上的土壤被看作是根際土。剪下幾條根系，將附有根際土的根系浸入25 mL 0.2 mmol·L-1CaCl2離心管中，輕輕搖動，收集液用于根際過程的測定，測定方法同上。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

植株磷含量測定：植物材料用100 g容量粉碎機(jī)粉碎后，用濃H2SO4-H2O2消煮，消煮液的磷濃度用釩鉬黃比色法測定［16］。

土壤p H 的測定及校正：提取液的p H 由裝配有玻璃復(fù)合電極的pH計(jì)（Sartorius PB-10，G?ttingen，德國）測定。因土壤提取液的水土比不同，測得pH需經(jīng)過校正。用一系列不同水土比（1、2.5、4、7、10、20、30、60）條件下測得的土壤pH進(jìn)行模擬，選擇顯著性系數(shù)最高的方程為校正的模擬方程（表2），校正為水土比為2.5∶1的標(biāo)準(zhǔn)pH。校正后的pH認(rèn)為是根際pH。

表2 校正pH的模擬方程Table 2 Simulation equation to modify pH

根際酸性磷酸酶活性測定：酸性磷酸酶活性的測定采用酶標(biāo)法［16］：取土壤懸濁液2 mL與2 mL 50 mmol·L-1醋酸鈉緩沖液（pH=5.2）混勻，采用12×8（96 孔）、300 μL微孔的酶標(biāo)板（Whatman Inc., Florham Park, NJ），每豎排8個孔內(nèi)為同一樣品，測定時(shí)進(jìn)樣8次。每個樣品有以下三類加樣：樣品待測液加底物（4-MUBphosphate（4-甲基傘形酮磷酸酯））、待測液加標(biāo)準(zhǔn)底物（4-MUB，4-methylumbelliferyl（4-甲基傘形酮））、待測液加緩沖液。每孔內(nèi)加待測液200 μL，加底物或緩沖液50 μL，最后再設(shè)陰性對照（緩沖液加底物）和參比標(biāo)準(zhǔn)（緩沖液加標(biāo)準(zhǔn)底物），每個處理均為四次重復(fù)。在30℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)4 h，再由光譜掃描多功能讀數(shù)儀（Thermo Scientific Varioskan Flash，賽默飛世爾科技）測定，Thermo Scientific SkanIt軟件控制操作，酶活性以nmol·h-1·g-1為單位。

有機(jī)酸陰離子的測定：根際提取液中的有機(jī)酸用高壓液相色譜（HPLC）測定。高壓液相色譜以離子壓縮模式分析測定根分泌物中的有機(jī)酸陰離子。分析條件如下：250 mm× 4.6 mm反相色譜柱（Alltima C-18，Alltech，Deerfield，IL，美國）；流動相為25 mmol·L-1KH2PO4（pH =2.5）；流速為1 mL·min-1；柱溫為28℃；檢測波長為：214 nm；樣品的注射體積為20 μL。所有樣品測定前均過0.45 μm 濾膜。HPLC通過不同組分在色譜柱上保留時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)曲線來定性和定量檢測樣品的成分及含量。

土壤有機(jī)磷測定：在馬福爐中550℃高溫灼燒土壤樣品1 h，然后與未經(jīng)灼燒的土壤樣品一起，用0.2 mol·L-1硫酸（1/2H2SO4）浸提后用鉬銻抗比色法測定磷含量，灼燒的與未灼燒的差值即為有機(jī)磷含量［16］。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

用SAS 8.1分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著水平為0.05。

2 結(jié) 果

2.1 施肥對植株生物量和磷含量的影響

盆栽試驗(yàn)中，玉米、蠶豆的地上部和根系干重在處理間無顯著差異（圖2A）。在CK和NPKM處理中玉米根冠比均為0.25，分別顯著高于相應(yīng)處理中的蠶豆（0.08和0.07）（圖2B）。

施肥處理未顯著影響玉米地上部及根系的磷濃度（圖3A）。蠶豆的地上部磷濃度對土壤肥力也無顯著響應(yīng)，但是施肥處理提高了蠶豆根系的磷濃度，NPKM處理的蠶豆根系磷濃度較CK處理高57.6%（圖3B）。

2.2 施肥對根際pH和酸性磷酸酶活性的影響

CK處理的玉米根際pH為7.07，顯著高于空白土壤0.09個單位。CK處理的蠶豆根際pH與空白土壤無顯著差異（圖4）。NPKM處理的空白土壤pH與玉米根際pH間無顯著差異，但NPKM處理的蠶豆根際pH為7.32，顯著高于空白土壤0.11個單位，并且較玉米根際土壤高0.09個單位。

圖2 溫室培養(yǎng)條件下玉米和蠶豆的地上部和根系的生物量（A）以及根冠比（B）Fig. 2 Dry weight of shoot and root (A) and root/shoot ratio (B) of maize and faba bean in greenhouse

圖3 溫室培養(yǎng)條件下玉米（A）和蠶豆（B）植株磷濃度Fig. 3 Phosphorus concentrations in shoot and root of maize (A) and faba bean (B) in greenhouse

圖4 溫室培養(yǎng)條件下根際pH (A)與變化量(B)Fig. 4 Rhizosphere pH (A) and variation (B) between treatments in greenhouse

表2 校正pH的模擬方程Table 2 Simulation equation to modify pH

圖5 長期定位試驗(yàn)點(diǎn)玉米根際與非根際土壤pH（A）與酸性磷酸酶活性（B）Fig. 5 Soil pH (A) and acid phosphatase activities (B) in rhizosphere and non-rhizosphere soil in a long-term experiment

NPKS Y = 7.776x0.018 7 R2 = 0.72 NPKM Y = 7.21x0.006 5 R2 = 0.65

根際酸性磷酸酶活性測定：酸性磷酸酶活性的測定采用酶標(biāo)法［16］：取土壤懸濁液2 mL與2 mL 50 mmol·L-1醋酸鈉緩沖液（pH=5.2）混勻，采用12×8（96 孔）、300 μL微孔的酶標(biāo)板（Whatman Inc., Florham Park, NJ），每豎排8個孔內(nèi)為同一樣品，測定時(shí)進(jìn)樣8次。每個樣品有以下三類加樣：樣品待測液加底物（4-MUBphosphate（4-甲基傘形酮磷酸酯））、待測液加標(biāo)準(zhǔn)底物（4-MUB，4-methylumbelliferyl（4-甲基傘形酮））、待測液加緩沖液。每孔內(nèi)加待測液200 μL，加底物或緩沖液50 μL，最后再設(shè)陰性對照（緩沖液加底物）和參比標(biāo)準(zhǔn)（緩沖液加標(biāo)準(zhǔn)底物），每個處理均為四次重復(fù)。在30℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)4 h，再由光譜掃描多功能讀數(shù)儀（Thermo Scientific Varioskan Flash，賽默飛世爾科技）測定，Thermo Scientific SkanIt軟件控制操作，酶活性以nmol·h-1·g-1為單位。

有機(jī)酸陰離子的測定：根際提取液中的有機(jī)酸用高壓液相色譜（HPLC）測定。高壓液相色譜以離子壓縮模式分析測定根分泌物中的有機(jī)酸陰離子。分析條件如下：250 mm× 4.6 mm反相色譜柱（Alltima C-18，Alltech，Deerfield，IL，美國）；流動相為25 mmol·L-1KH2PO4（pH =2.5）；流速為1 mL·min-1；柱溫為28℃；檢測波長為：214 nm；樣品的注射體積為20 μL。所有樣品測定前均過0.45 μm 濾膜。HPLC通過不同組分在色譜柱上保留時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)曲線來定性和定量檢測樣品的成分及含量。

圖6 溫室培養(yǎng)條件下根際酸性磷酸酶活性（A）土壤有機(jī)磷含量（B）

圖7 長期定位試驗(yàn)點(diǎn)玉米根際蘋果酸陰離子濃度Fig. 7 Rhizosphere malate concentration in maize in a longterm experiment in Gongzhuling

土壤有機(jī)磷測定：在馬福爐中550℃高溫灼燒土壤樣品1 h，然后與未經(jīng)灼燒的土壤樣品一起，用0.2 mol·L-1硫酸（1/2H2SO4）浸提后用鉬銻抗比色法測定磷含量，灼燒的與未灼燒的差值即為有機(jī)磷含量［16］。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

用SAS 8.1分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著水平為0.05。

2 結(jié) 果

2.1 施肥對植株生物量和磷含量的影響

盆栽試驗(yàn)中，玉米、蠶豆的地上部和根系干重在處理間無顯著差異（圖2A）。在CK和NPKM處理中玉米根冠比均為0.25，分別顯著高于相應(yīng)處理中的蠶豆（0.08和0.07）（圖2B）。

施肥處理未顯著影響玉米地上部及根系的磷濃度（圖3A）。蠶豆的地上部磷濃度對土壤肥力也無顯著響應(yīng)，但是施肥處理提高了蠶豆根系的磷濃度，NPKM處理的蠶豆根系磷濃度較CK處理高57.6%（圖3B）。

2.2 施肥對根際pH和酸性磷酸酶活性的影響

CK處理的玉米根際pH為7.07，顯著高于空白土壤0.09個單位。CK處理的蠶豆根際pH與空白土壤無顯著差異（圖4）。NPKM處理的空白土壤pH與玉米根際pH間無顯著差異，但NPKM處理的蠶豆根際pH為7.32，顯著高于空白土壤0.11個單位，并且較玉米根際土壤高0.09個單位。

田間試驗(yàn)中，CK處理的玉米根際和非根際土壤pH顯著高于施肥處理（NPK、NPKS、NPKM）

溫室培養(yǎng)條件下，C K 處理玉米的根際酸性磷酸酶活性較空白土壤高1 9.7 n m o l·h-1·g-1（P＜0.05），但NPKM處理的根際酸性磷酸酶活性與空白土壤無顯著差異（圖 6A）。CK處理的蠶豆根際酸性磷酸酶活性與空白土壤無顯著差異，但顯著低于玉米根際酸性磷酸酶活性。NPKM處理的蠶豆根際磷酸酶活性為29.4 nmol·h-1·g-1，分別高于空白土壤和玉米根際土磷酸酶活性89.7%和93.4%。NPKM處理的土壤有機(jī)磷濃度顯著高于CK處理（圖6B）。CK處理的土壤有機(jī)磷濃度范圍為214～218 mg·kg-1，較NPKM處理低了103%～171%。CK處理的玉米、蠶豆根際土與空白土有機(jī)磷含量無差異。NPKM處理有機(jī)磷在根際出現(xiàn)了耗竭，玉米和蠶豆分別耗竭了138和86 mg·kg-1有機(jī)磷。

2.3 施肥對根際有機(jī)酸陰離子的影響

溫室培養(yǎng)條件下的玉米和蠶豆根際中有機(jī)酸陰離子種類有酒石酸陰離子和蘋果酸陰離子（表3）。CK處理空白土壤中未檢測到酒石酸陰離子，但NPKM處理中有大量的酒石酸陰離子。NPKM中的玉米根際酒石酸陰離子濃度高于CK處理77.0%（P＜0.05）。CK處理與NPKM處理的蠶豆根際酒石酸陰離子濃度無顯著性差異。在CK處理的空白土壤中檢測到了蘋果酸陰離子，而NPKM處理中無蘋果酸陰離子。CK處理和NPKM處理的玉米根際中均未檢測到蘋果酸陰離子。NPKM處理的蠶豆根際中存在蘋果酸陰離子，CK處理中未發(fā)現(xiàn)蘋果酸陰離子。

田間的玉米根際有機(jī)酸種類主要為蘋果酸陰離子（圖7）。NPKM處理的根際土壤中蘋果酸陰離子含量高于CK處理3.57倍（P＜0.05）。CK、NPK、NPKS處理的根際土壤中蘋果酸陰離子含量無顯著差異。

3 討 論

（圖 5A）。不同施肥處理顯著影響了非根際土壤pH，長期施用化肥，顯著降低了非根際土壤pH。玉米根際存在明顯酸化現(xiàn)象，與非根際土相比，各處理根際土壤pH下降了0.3～0.51 個單位。NPK處理的根際土和非根際土pH顯著低于其他處理。NPKS處理的根際土壤pH與NPKM處理無顯著差異，但NPKS處理的非根際土壤pH顯著高于NPKM處理。田間玉米根際酸性磷酸酶活性顯著高于非根際土壤（圖 5B），CK、NPK、NPKS、NPKM處理根際土酸性磷酸酶活性分別是非根際土的10.4倍、12.1倍、20.6倍和27.6倍。非根際土和根際土各施肥處理的酸性磷酸酶活性無明顯差異。

3.1 缺磷對生物量與植株磷濃度的影響

已有研究表明，玉米和蠶豆生長受限制的臨界地上部磷濃度分別為2.0和1.4 mg·g-1［17］。根墊試驗(yàn)中玉米和蠶豆的地上部磷濃度均大于臨界濃度（圖3），說明試驗(yàn)過程中作物未受到缺磷脅迫?？赡茉蚴乔捌谧魑镌诤谞I養(yǎng)液中吸收了足夠的磷，在缺磷營養(yǎng)液中的生長期短（15 d），不足以使地上部磷濃度降至臨界濃度之下。因此，玉米和蠶豆的地上部生物量在CK處理和NPKM處理間無顯著差異。田間土壤有效磷濃度大于20 mg·kg-1時(shí)，土壤供磷能力能夠滿足作物高產(chǎn)的磷需求［18-20］。本田間試驗(yàn)的黑土N P K、N P K M、NPKS處理的土壤有效磷濃度均大于20 mg·kg-1（表1），說明生長在以上處理中的玉米未受到缺磷脅迫，而CK處理中玉米根際的有效磷含量僅有11.8 mg·kg-1，可見玉米的生長受到缺磷脅迫。

3.2 根際過程對土壤有機(jī)磷的影響

土壤pH是影響有機(jī)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化與有效性的重要因素之一。土壤有機(jī)磷礦化的關(guān)鍵限速因子是土壤溶液中有機(jī)磷的濃度，即磷酸酶底物的濃度。植物可以通過改變根際pH來促進(jìn)有機(jī)磷溶解或解吸，提高土壤溶液中有機(jī)磷的濃度［21］。本研究根際pH改變最高僅為0.11單位，不足以明顯增加土壤溶液中有機(jī)磷的濃度。田間玉米根際土壤pH均明顯低于非根際土，可能是由于取樣期間的作物生長快，對土壤陽離子的吸收量高于陰離子，為平衡體內(nèi)電荷，根系向根際分泌了大量質(zhì)子，從而降低了根際pH，有利于土壤有機(jī)磷從土壤礦物中解吸和溶解，從而可能增加土壤溶液中有機(jī)磷的濃度，促進(jìn)土壤有機(jī)磷的礦化。

大量研究表明，缺磷植物根系會分泌有機(jī)酸陰離子活化土壤磷來改善植物的磷營養(yǎng)，如白羽扇豆（Lupinus albus L.）、油菜（Brassica napus L.）、蠶豆（Vicia faba L.）［15］等。由于土壤有機(jī)磷與無機(jī)磷在化學(xué)特性上具有相似性，土壤有機(jī)酸陰離子對土壤有機(jī)磷的活化作用與無機(jī)磷類似，其機(jī)理是：（1）有機(jī)酸陰離子可通過競爭磷酸根的結(jié)合位點(diǎn)，改變吸附劑表面電荷，消除有機(jī)磷吸附位點(diǎn)；（2）有機(jī)酸陰離子通過與土壤中Fe、Al、Ca等金屬離子的絡(luò)合作用來釋放被其固定的有機(jī)磷［8,22］。根系分泌的有機(jī)酸陰離子會增加根際溶液中有機(jī)磷的濃度，通過提高底物濃度，促進(jìn)磷酸酶對有機(jī)磷的酶解作用；分解出的無機(jī)磷酸根離子被植物根系吸收，降低了產(chǎn)物濃度，促進(jìn)了酶解反應(yīng)的進(jìn)行。根墊試驗(yàn)中，即使NPKM處理的空白土壤有很高的有機(jī)酸陰離子濃度（表3），但由于無根系吸收作用，一方面會抑制酶解反應(yīng)的進(jìn)行，另一方面，分解出的無機(jī)磷酸根離子會被微生物重新吸收，轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷。田間玉米根際有機(jī)酸陰離子以蘋果酸為主（圖7），與其他作物相似，充足的磷供應(yīng)會促進(jìn)玉米有機(jī)酸陰離子的分泌，與前人結(jié)論一致［17］，這可能與作物代謝水平有關(guān)。根際有機(jī)酸陰離子濃度的增加，促進(jìn)了與土壤中吸附態(tài)有機(jī)磷的交換過程，提高了土壤中有機(jī)磷的濃度，從而有利于土壤有機(jī)磷的礦化。根墊試驗(yàn)的玉米未檢測到蘋果酸，大田試驗(yàn)檢測的主要是蘋果酸，可能的原因是根墊試驗(yàn)中玉米分泌的蘋果酸被微生物作為碳源利用了，具體的機(jī)制有待于今后進(jìn)一步分析。

根墊試驗(yàn)的CK處理中玉米根際酸性磷酸酶活性顯著高于空白土壤（圖6）。由于玉米并未受到磷脅迫，酸性磷酸酶活性的增加可能歸因于缺磷土壤微生物的分泌作用［23］。NPKM處理中土壤有效磷水平很高，土壤微生物與玉米均不缺磷，因此，根際酸性磷酸酶活性與空白土壤相比無明顯的增加。與空白土壤相比，NPKM處理的蠶豆根際磷酸酶活性明顯增加（圖6A），這與以前研究不一致［24］，這可能歸因于蠶豆根系分泌物增加，使得土壤微生物的數(shù)量增加。田間玉米根際碳淀積對根際微生物的激發(fā)作用可能是根際酸性磷酸酶活性高于非根際土壤的原因［23］。根際酸性磷酸酶活性的增加有利于土壤有機(jī)磷的礦化。

根墊試驗(yàn)的NPKM處理中玉米和蠶豆明顯耗竭了根際中的有機(jī)磷（圖6B）。這可能與作物根系對磷吸收及根際過程對有機(jī)磷的活化和分解有關(guān)。CK處理中玉米與NPKM處理中蠶豆的根際酸性磷酸酶活性相似，但與土壤有機(jī)磷的濃度變化并不一致。說明根際過程不是決定土壤有機(jī)磷礦化的唯一因素。土壤有機(jī)磷作為底物，其濃度也是控制有機(jī)磷礦化的主要原因之一。CK處理的土壤有機(jī)磷濃度低，可以進(jìn)入土壤溶液中的有機(jī)磷數(shù)量相對于NPKM處理要少得多，因此，礦化作用缺少底物，與NPKM處理相比，其有機(jī)磷濃度并未發(fā)現(xiàn)明顯變化。在田間，長期施肥顯著增加了土壤有機(jī)磷的積累（表1），提高了礦化過程的底物濃度，而玉米的根際過程又有利于土壤有機(jī)磷的礦化，因此，玉米根際過程與土壤有機(jī)磷濃度共同調(diào)控了土壤有機(jī)磷的礦化過程。

根際過程控制有機(jī)磷酶解過程，并與土壤有機(jī)磷濃度一起決定礦化過程的底物供應(yīng)，因此，兩者共同調(diào)控了農(nóng)田土壤中有機(jī)磷礦化過程的速率。自20世紀(jì)80年代以來，大量有機(jī)肥和化肥的投入促進(jìn)了作物的生長，有利于土壤有機(jī)磷的積累。由于作物根際過程和微生物過程的存在，使有機(jī)磷庫成為了土壤有效磷的潛在來源。

4 結(jié) 論

土壤有機(jī)磷的礦化不僅受根際過程的調(diào)控，而且受土壤有機(jī)磷濃度的影響。長期施肥促進(jìn)了黑土中的有機(jī)磷積累，增加了礦化作用的底物濃度，從而有利于礦化作用的進(jìn)行。田間玉米的根際過程增強(qiáng)了礦化作用，維持了根層土壤供磷強(qiáng)度。因此，構(gòu)建土壤高有機(jī)磷庫，選擇有機(jī)磷高效利用的作物品種，是維持黑土供磷能力、實(shí)現(xiàn)減磷增效的措施之一。