磷肥減施對設(shè)施番茄根系形態(tài)、磷吸收及土壤微生物量磷含量的影響

高利娟 張猛 魏建林 劉冬梅 丁效東

摘 ? ?要：針對北方設(shè)施菜地磷肥過量施用問題，通過盆栽試驗研究磷肥減量對番茄根系形態(tài)發(fā)育、磷素吸收及根際土壤微生物量磷含量影響。試驗設(shè)農(nóng)民習(xí)慣施磷量（P2O5）375 mg·kg-1 （P100），磷肥減施至80% （300 mg·kg-1，P80）、磷肥減施至50%（187.5 mg·kg-1，P50）及不施磷（P0），以不施肥作為空白對照（CK）。結(jié)果表明，隨磷肥施用量的減少，植株地上和地下部干質(zhì)量均顯著降低（P<0.05），但植株根冠比呈先增加后降低的趨勢，表明根系需要調(diào)節(jié)自身的形態(tài)、構(gòu)型來適應(yīng)外界的生活環(huán)境;微生物量磷（MBP）與速效磷（Olsen-P）呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與有機磷（OP）顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），土壤酸性磷酸酶活性（ACP）與有效磷（Olsen-P）、全磷（TP）分別呈顯著（P<0.05）和極顯著（P<0.01）負(fù)相關(guān)，堿性磷酸酶（ALP）與有效磷（Olsen-P）、微生物量磷（MBP）極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與全磷（TP）顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）;與農(nóng)民習(xí)慣施肥（P100）相比，P80處理微生物量磷（MBP）顯著增加（P<0.05），P50處理微生物量磷（MBP）與P100差異不顯著（P>0.05），但其土壤磷酸酶（ACP和ALP）活性顯著提高（P>0.05），故磷肥施用減至50%～80%時，可滿足設(shè)施番茄正常磷素供應(yīng)。

關(guān)鍵詞：磷肥減施;根系形態(tài);微生物量磷酸性;磷酸酶活性

中圖分類號：S147.2;S158.30 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.08.004

Abstract： The problem of excessive phosphorus fertilization in intensive vegetable planting area in North China is a common phenomenon. The pot experiment was conducted to study the effects of phosphorus reduction on the root morphology， phosphorus absorption and microbial biomass phosphorus content in the rhizosphere soil. There were four treatments in this experiment， which included farmers' traditional phosphorus application amount （375 mg·kg-1 P2O5， P100）， 80% of P100 treatment （300 mg·kg-1， P80）， 50% of P100 treatment （187.5 mg·kg-1， P50） and no phosphorus application （P0）， no fertilization was as the control （CK）. The results showed that with the decrease of the phosphate application amount， the biomass of aboveground and underground were decreased significantly （P<0.05）， while the root shoot ratio increased first and then decreased， indicating that the roots need to adjust its own morphology and configuration to adapt the external environment. There was a significant positive correlation between the microbial biomass phosphorus （MBP） and the available phosphorus（Olsen-P） （P<0.01）， while there was a significant negative correlation between the microbial biomass phosphorus （MBP） and the organ phosphorus （P<0.05）. The acid phosphatase activity（ACP） was significant negatively correlated with the available phosphorus （Olsen-P） （P<0.05） and the total phosphorus （TP） （P<0.01）.The alkaline phosphatase （ALP） was significant negatively correlated with the available P （Olsen-P） （P<0.01）， the microbial biomass P （MBP） （P<0.01） and the total phosphorus （TP） （P<0.05）. Compared with farmers' traditional phosphorus application amount （P100）， the soil MBP increased significantly in P80 treatment （P<0.05）， while the P50 treatment had no significant with P100 treatment but the soil phosphatase active were significantly increased， indicating that the amount of P2O5 reduction to 50%～80% of the conventional application amount could meet the normal phosphate supply of tomatoes

Key words： phosphorus reduction; root morphology; microbial biomass phosphorus acidity; acid phosphatase activity

設(shè)施蔬菜種植作為周年栽培模式，對保證蔬菜供應(yīng)具有重要作用，因此，在利益的驅(qū)動下，菜農(nóng)過量施肥，大大超出蔬菜作物本身需求，特別是磷肥的供應(yīng)。Macdonald等[1]研究表明，全球每年向土壤中投入化肥磷142萬t和有機肥磷960萬t。目前，我國磷肥過量施用現(xiàn)象在設(shè)施蔬菜種植地區(qū)均普遍存在，P2O5平均施用量767.9 kg·hm-2，是需求量的3.9～7.9倍[2-5]。白新祿等[6]調(diào)查陜西西安楊凌磷肥養(yǎng)分的平均投入量以P2O5計為720 kg·hm-2，與設(shè)施番茄磷肥推薦用量（P2O5 200～370 kg·hm-2）相比，超出推薦量157%，磷素顯著過量。

設(shè)施蔬菜磷肥過量施用不僅造成肥料利用率低，且導(dǎo)致土壤磷素累積等問題嚴(yán)重[7]。胡寧等[8]研究發(fā)現(xiàn)，磷肥施入農(nóng)田容易被土壤固定難以被植物所利用，當(dāng)季利用率一般僅為10%～25%。約75%～90%的磷殘留在土壤中，勢必造成土壤磷素逐年積累。土壤磷中來自肥料磷可達400 mg·kg-1[9]，其中山東壽光設(shè)施蔬菜P2O5用量達1 278 mg·kg-1，8年和13年棚齡表層土壤有效磷含量分別平均253 mg·kg-1和355 mg·kg-1[10-11]。

Manschadi等[12]認(rèn)為磷肥過量施用對作物產(chǎn)量增產(chǎn)效果較小，而作物高產(chǎn)在于磷素利用效率的提高。從土壤磷素的生物化學(xué)循環(huán)來看，微生物起著舉足輕重的作用，其生命活動直接影響土壤磷素周轉(zhuǎn)及肥力水平。因此，本研究針對集約化設(shè)施菜地磷肥施用量大、土壤累積量高及環(huán)境風(fēng)險大的特點，以設(shè)施番茄為研究對象，采用盆栽培養(yǎng)試驗法，研究磷肥減量化施用對番茄根系生長、磷素吸收及土壤微生物量磷的影響，以期為菜農(nóng)合理施肥提供理論依據(jù)。

1 ?材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自壽光市洛城牟城村0～20 cm玉米耕層土壤（潮土），其基本性狀為堿解氮52.5 mg·kg-1，有效磷41.97 mg·kg-1，速效鉀167.89 mg·kg-1，有機質(zhì)8.82 g·kg-1，pH值7.6。供試番茄品種為大粉果，選取長勢相同的番茄幼苗定植于可容納25 kg土壤的塑料桶中（直徑28 cm，高29 cm），每盆定植1株。供試肥料為磷酸二銨（P2O5，53.75%，N，21.71%）、硫酸鉀（K2O，50%）及尿素（N，46%）。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用盆栽培養(yǎng)試驗，共設(shè)5個處理，每個處理重復(fù)3次，完全隨機排列。試驗處理分別為農(nóng)民習(xí)慣施磷量（P2O5）375 mg·kg-1（P100），減少磷肥用量（P2O5）至80%（300 mg·kg-1，P80），減少磷肥用量（P2O5）至50%（187.5 mg·kg-1，P50），不施磷（P0）及空白對照（不施肥，CK），具體施肥時期和用量見表1（除對照外，各氮、鉀施肥量相同）。試驗期間，用去離子水灌溉，將土壤相對含水量控制在75%。定期調(diào)換盆栽位置，以保證盆栽能得到等量光照。在番茄生長階段的苗期、花期和盛果期（定植后15，35，45 d），定期測定相應(yīng)指標(biāo)。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 地上部和根系干質(zhì)量測定 ? ?將現(xiàn)取植株的地上部和根系分開，然后采用抖根法獲取根際土壤（抖根后用刷子將根上剩余的土壤輕輕刷下來）;然后地上部與根系用離子水沖洗，將植株鮮樣放在烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘72 h，稱量，記錄干質(zhì)量。

1.3.2 植物根系根長及根面積 ? ?將根系用清水洗凈，掃描根系樣品獲取數(shù)字化圖像，利用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)（Regent Instruments Inc.，Canada）對圖像進行分析，獲得根長和根面積等根系生長參數(shù)。

1.3.3 根際土壤磷酸酶活性及磷含量測定 ? ?酸性磷酸酶活性（ACP）和堿性磷酸酶活性（ALP），分別采用乙酸鹽緩沖液（pH值5.0）及硼酸鹽緩沖液（pH值9.6）浸提，采用苯磷酸二鈉比色法[13];土壤微生物量磷（MBP）的測定采用熏蒸提取—無機磷測定法[14];有效磷（Olsen-P）采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法[15];有機磷（OP）采用灼燒，0.2 mol·L-1 H2SO4浸提，鉬銻抗比色法[15];全磷（TP）采用硫酸、高氯酸消解，鉬銻抗比色法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS18.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，LSD法比較處理間的差異顯著性，采用 DPS7.05軟件進行逐步相關(guān)分析，Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷肥減施對番茄地上部分和根系的影響

由表2可知，與習(xí)慣施肥（P100）相比較，減施磷肥處理（P80、P50、P0）及空白對照（CK）均顯著降低了植株地上和地下部干質(zhì)量（P<0.05），降幅分別為12.4%～65.3%和4.3%～64.3%;但根冠比增加，增幅3.0%～75.8%，其中P50處理根冠比最大，且除CK與P100差異不顯著外（P>0.05），其他處理差異均顯著（P<0.05）。

由表3可知，與CK相比較，施肥處理根表面積、根體積和根長均顯著提高（P<0.05）;與P100比較，P80和P50處理根表面積無顯著差異（P>0.05），但根總體積顯著增加（P<0.05），而d≤0.5 cm和d>0.5 cm根系根長均在P80處理最高;P0處理根表面積和根長均介于CK與施磷處理之間，根體積略高于P100但差異不顯著（P>0.05）。

2.2 磷肥減施對番茄根際土壤有效磷（Olsen-P）的影響

由圖1可知，隨磷肥施用量的減少，苗期根際土壤Olsen-P呈減少趨勢，與P100處理的Olsen-P含量（159.16 mg·kg-1）相比，P80、P50和P0降幅分別為44.0%、60.3%和97.0%，差異顯著（P<0. 05）;花期根際土壤Olsen-P呈先增后減的趨勢，P80處理最高，是P100處理（68.94 mg·kg-1）的1.33倍，二者差異顯著（P<0.05），P50處理與P100處理無顯著性差異（P>0.05），而P0處理較P100處理下降了92.2%;盛果期與花期變化趨勢一致，與P100處理土壤Olsen-P（38.58 mg·kg-1）相比較，P80是其1.58倍，P50和P0降幅分別為33.0%和91.3%，處理間差異均顯著（P<0.05）;3個生育期中P0處理與CK均無顯著差異（P>0.05）。在P100條件種植番茄，其土壤Olsen-P含量隨生育期的推進顯著降低（P<0.05）;P80和P50處理土壤Olsen-P含量在苗期和花期無顯著變化（P>0. 05），但至盛果期時顯著降低（P<0.05）;P0及CK中土壤Olsen-P含量差異均不顯著（P>0.05）。

2.3 磷肥減施對番茄根際土壤全磷（TP）的影響

由圖2可知，隨磷肥施用量的減少，苗期根際土壤TP呈減少趨勢，與P100處理的TP含量（0.70 g·kg-1）相比，P80、P50和P0降幅分別為21.8%、39.3%和58.5%，差異顯著（P<0.05）;花期根際土壤TP亦呈減少趨勢，與P100處理的TP含量（1.70 g·kg-1）相比，P80、P50和P0降幅分別為13.5%、30.9%和67.7%，差異顯著（P<0.05）;盛果期，與P100相比，P80土壤TP含量略有升高但差異不顯著（P>0.05），而P50和P0土壤TP含量降幅19.8%和59.6%，差異顯著（P<0.05）;P0與CK在各生育期差異均不顯著（P>0.05）。

2.4 磷肥減施對番茄根際土壤有機磷（OP）的影響

由圖3可知，3個生育期內(nèi)，P100處理根際土壤OP均顯著高于其他各處理（P<0.05）。苗期，與P100處理根際土壤OP含量（185.47 mg·kg-1）相比較，P80、P50、P0和CK降幅分別69.1%、74.7%、57.3%和66.3%;花期，與P100處理根際中土壤OP含量（265.71 mg·kg-1）相比，P80、P50、P0和CK降幅分別49.1%、71.5%、57.9%和34.6%;盛果期，與P100處理根際土壤OP含量（118.39 mg·kg-1）相比，P80、P50、P0和CK降幅分別59.4%、49.7%、28.3%和18.6%。

2.5 磷肥減施對番茄根際土壤微生物量磷（MBP）的影響

由圖4可知，隨磷肥施用量的減少，3個生育期根際土壤MBP含量均呈先升高后降低的趨勢，且均表現(xiàn)為P80處理顯著高于其他處理（P<0.05），P100與P50處理差異不顯著（P>0.05）但二者顯著高于P0處理（P<0.05）;CK與P0在苗期和盛果期差異不顯著（P>0.05），但在花期CK顯著低于P0（P<0.05）。苗期，與P100處理MBP含量（53.59 mg·kg-1）相比較，P80處理增加20.8%，而P50和P0分別降低7.1%和66.3%;花期，與P100處理MBP含量（24.08 mg·kg-1）相比較，P80是其2.27倍，而P50和P0分別降低9.5%和41.3%;盛果期，與P100處理MBP含量（24.08 mg·kg-1）相比較，P80是其2.56倍，P50增加了7.3%，P0降低了66.1%。

2.6 磷肥減施對番茄根際土壤酸性磷酸酶活性（ACP）的影響

由圖5可知，隨磷肥施用量的減少，3個生育期根際土壤ACP活性均呈增加趨勢，其中P80較P100增幅不顯著（P>0.05），其他處理增幅均顯著（P<0.05）;CK與P0差異均不顯著（P>0.05）。苗期，與P100處理根際土壤ACP活性（0.07 mg·g-1·h-1）相比較，P50和P0處理增幅分別為45.3%和114.3%;花期，與P100處理根際土壤ACP活性（0.06 mg·g-1·h-1）相比，P50和P0處理分別增加63.0%、116.7%;盛果期，P0處理根際土壤ACP活性最高，為0.14 mg·g-1·h-1，與P100處理根際土壤ACP活性（0.08 mg·g-1·h-1）相比較，P50和P0增幅分別為52.1%和63.05%。綜上所述，低磷處理（P50、P0）較習(xí)慣施肥P100處理根際土壤ACP活性在各生育期內(nèi)均顯著增加。

2.7 磷肥減施對番茄根際土壤堿性磷酸酶活性（ALP）的影響

由圖6可知，苗期，根際土壤ALP活性P50處理最高，為1.96 mg·g-1·h-1，與P100 （1.42 mg·g-1·h-1）相比較，增幅38.0%，差異顯著（P<0.05），而其他處理間均無顯著差異（P>0.05）;花期，P50處理根際土壤ALP活性最高，為1.43 mg·g-1·h-1，其次是CK，與P100（0.89 mg·g-1·h-1）相比較，增幅分別為60.7%和41.6%，差異顯著（P<0.05），P80和P0與P100均無顯著差異（P>0.05）;盛果期，CK處理根際土壤ALP活性（1.21 mg·g-1·h-1）最高，與CK相比，P100和P80降幅分別為17.4%和31.6%，差異顯著（P<0.05），其他處理間均無顯著差異（P>0.05）。

2.8 番茄盛果期根冠比和土壤酶活性磷組分之間的相關(guān)性分析

由表4可知，土壤酸性磷酸酶活性與有效磷和全磷分別呈顯著（P<0.05）和極顯著（P<0.01）負(fù)相關(guān)，表明土壤酸性磷酸酶活性隨土壤根際有效磷和全磷增加而減小;堿性磷酸酶活性與有效磷和微生物量磷極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與全磷顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），表明土壤堿性磷酸酶活性隨有效磷、微生物量磷和全磷增加而減少;根冠比與土壤有機磷極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），微生物量磷與有效磷極顯著正相關(guān)（P<0.01），與有機磷顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），全磷與有效磷極顯著正相關(guān)（P<0.01）。

3 結(jié)論與討論

3.1 磷肥減施對番茄根系生長及磷素吸收的影響

根系對植物起著固定、支撐的作用，承擔(dān)著吸收水分和養(yǎng)分的重要功能，在生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要角色。植物根形態(tài)、構(gòu)型具有可塑性，植物可以通過調(diào)節(jié)自身的形態(tài)、構(gòu)型來適應(yīng)外界的生活環(huán)境，磷有效性是其中一個重要的調(diào)控因子[16]。在養(yǎng)分完全的土壤環(huán)境下，根系生長快速且分支多，植物的這種響應(yīng)機制使其實現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置，獲取更多養(yǎng)分[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，根冠比隨磷肥施用量的減少呈先增后減趨勢，表明根系需要調(diào)節(jié)自身的形態(tài)、構(gòu)型來適應(yīng)外界的生活環(huán)境，當(dāng)減施磷肥至80%（P80）時，植物在低磷環(huán)境中，根系會通過增加根長、根表面積、根體積以及細根數(shù)量充分利用吸收土壤中的磷元素，而當(dāng)減施磷肥至50%（P50）和0%（P0）時，根系形態(tài)指標(biāo)增加不明顯甚至部分指標(biāo)出現(xiàn)顯著下降是由于磷素的缺乏使根系無法正常生長，這與李榮坦[18]研究結(jié)果一致。

3.2 磷肥減施對番茄根際土壤磷酸酶活性及微生物量磷含量的影響

未來解決大田土壤累積態(tài)磷素高效利用和可持續(xù)發(fā)展的根本途徑是通過調(diào)節(jié)作物—土壤—微生物相互作用來提高磷的循環(huán)利用效率[19]。在此過程中，土壤酶參與了土壤中所有生化反應(yīng)，推動了營養(yǎng)元素循環(huán)轉(zhuǎn)化、能量代謝和污染物質(zhì)凈化等，磷酸酶在土壤磷素循環(huán)過程中，發(fā)揮至關(guān)重要的作用，可將有機磷水解為無機磷，其活性大小直接影響于土壤供磷潛能及磷素有效性。

酸性磷酸酶是普遍存在于植物體和土壤中的水解酶，其活性與植物和土壤供磷狀況有著重要關(guān)系。據(jù)報道，正常磷素供應(yīng)時，酸性磷酸酶變化不明顯，而在低磷的環(huán)境條件下，可以促使植物根系分泌酸性磷酸酶，從而有效地促進有機磷的水解[20]。在本研究中發(fā)現(xiàn)，在減施磷肥至50%（P50）和0%（P0）時，根際酸性磷酸酶活性顯著增加，相關(guān)分析（表5）表明酸性磷酸酶活性與有效磷顯著負(fù)相關(guān)，表明低磷環(huán)境條件下，可以誘導(dǎo)植株分泌酸性磷酸酶，進而有效地促使有機磷水解轉(zhuǎn)化成植物根系直接利用的磷組分，提高植株磷素利用率;而在減施磷肥至80%（P80）處理中，并未檢測到根際酸性磷酸酶顯著增加，即還未顯現(xiàn)出磷饑餓狀態(tài)，可以保證植株正常生長，與龐欣等[21]研究根系供磷對酸性磷酸酶活性的影響的結(jié)果表述一致。

不同磷肥施用條件下，堿性磷酸酶活性僅在苗期和花期減施磷肥至50%處理（P50）顯著高于其他磷肥處理（圖6）。為了進一步了解堿性磷酸酶活性與土壤各磷組分之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，進行相關(guān)分析（表5），堿性磷酸酶活性與有效磷、微生物量磷呈極顯著負(fù)相關(guān)，與全磷顯著負(fù)相關(guān)，表明磷肥供應(yīng)的降低同樣誘導(dǎo)了堿性磷酸酶的生成。楊艷菊等[22]研究表明，堿性磷酸酶可加速土壤有機磷的礦化，尤其是中活性有機磷和中穩(wěn)性有機磷的轉(zhuǎn)化，提高了土壤磷的有效性。 Hofmann等[23]研究發(fā)現(xiàn)施用磷肥會減少磷酸酶活性，而在相對缺磷條件下土壤微生物更易于產(chǎn)生酸性磷酸酶和堿性磷酸酶。劉存歧等[24]認(rèn)為堿性磷酸酶活性在水體當(dāng)中，對于磷素利用存在一種“抑制—誘導(dǎo)”機制，有機磷含量過高，會誘導(dǎo)堿性磷酸酶活性的提高，而無機磷含量過高對堿性磷酸酶活性產(chǎn)生抑制作用。劉玉槐等[25]在水稻生態(tài)系統(tǒng)中，研究了根際與非根際土壤磷酸酶活性對碳、磷的響應(yīng)特性，結(jié)果表明堿性磷酸酶與微生物量磷和有效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與本試驗研究結(jié)果一致。本試驗中，不同量磷肥投入在土壤中，微生物量磷與有效磷呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），表明隨磷肥施用量的減少，微生物在土壤磷素周轉(zhuǎn)方面起著一定作用;土壤酸性磷酸酶活性與有效磷、全磷呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，由于過量施用磷肥后無機磷抑制磷酸酶活性，堿性磷酸酶與有效磷、微生物量磷呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），表明隨土壤磷素供應(yīng)下降，低磷環(huán)境誘導(dǎo)微生物分泌堿性磷酸酶。

根系環(huán)境是植物和土壤交流溝通十分活躍的界面，也是植物遭受脅迫時優(yōu)先作出響應(yīng)的區(qū)域[26]。植物根系作為根際的主要調(diào)控者，根構(gòu)型和數(shù)量的改變[27]均可對根際微生物及其分泌功能造成影響[28]。同時土壤微生物量磷和磷酸酶作為土壤磷素養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)中的環(huán)節(jié)，它們也反映了土壤微生物和土壤肥力狀況[29-30]。因此，本試驗中磷肥施用減至50%～80%，可滿足設(shè)施番茄正常磷素供應(yīng)的同時，又可維持土壤微生物性狀和酶活性，從而達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與土壤生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境間的合理平衡。

參考文獻：

[1]MACDONALD G K， BENNETT E M， POTTER P A， et al. Agronomic phosphorus imbalances across the world's croplands[J].Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America， 2011， 108（7）： 3086-3091.

[2]高新昊，張英鵬，劉兆輝，等.種植年限對壽光設(shè)施大棚土壤生態(tài)環(huán)境的影響[J].生態(tài)學(xué)報，2015，35（5）：1452-1459.

[3]陳清，張福鎖.蔬菜養(yǎng)分資源綜合管理理論與實踐[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2007：80-85.

[4]YAN Z， LIU P， LI Y， et al. Phosphorus in China's intensive vegetable production systems： overfertilization， soil enrichment， and environmental implications[J].Journal of environmental quality， 2013， 42（4）：982.

[5]李若楠，武雪萍，張彥才，等.減量施磷對溫室菜地土壤磷素積累、遷移與利用的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50（20）：3944-3952.