長期施用磷肥水稻土微生物量磷的季節(jié)變化特征與差異

劉凱，劉佳，陳曉芬，李委濤，江春玉，吳萌，樊劍波，李忠佩，劉明

長期施用磷肥水稻土微生物量磷的季節(jié)變化特征與差異

劉凱1,2，劉佳3，陳曉芬3，李委濤1，江春玉1,2，吳萌1,2，樊劍波1，李忠佩1,2，劉明1,2

（1中國科學(xué)院南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 330200）

【】研究長期不同施肥處理下，水稻不同生育時(shí)期土壤微生物量磷的動(dòng)態(tài)變化與差異，揭示其變化特征與土壤磷素供應(yīng)的關(guān)系。以長期試驗(yàn)小區(qū)為平臺(tái)，設(shè)置對(duì)照（CK）、氮鉀肥（NK）、氮磷肥（NP）、氮磷鉀肥（NPK）等4個(gè)不同施肥處理，在水稻的分蘗期、孕穗期、灌漿期、完熟期分別采集0—20 cm土層土壤，測定土壤全磷、有效磷、微生物量磷和酸性磷酸酶活性。與不施磷肥處理（CK、NK）相比，施磷肥處理（NP、NPK）顯著提高了土壤全磷和有效磷含量，增幅分別達(dá)88%—118%和337%—903%。不同施肥處理對(duì)微生物量磷具有顯著影響，除分蘗期外，施磷肥處理（NP、NPK）微生物量磷含量顯著高于不施磷肥處理（CK、NK），提高了103%—250%；微生物量磷的季節(jié)變化呈先上升后下降的趨勢，在灌漿期達(dá)到最高。酸性磷酸酶活性以NK處理灌漿期最高，比CK高38%；同時(shí)，該處理微生物量磷的周轉(zhuǎn)率最大，每個(gè)生育期內(nèi)可循環(huán)1.31次。相關(guān)性分析表明，土壤微生物量磷與土壤全磷和有效磷顯著正相關(guān)。微生物量磷隨不同施肥處理和水稻生育時(shí)期變化規(guī)律明顯，與土壤磷有效性密切相關(guān)。

長期施肥；磷肥；微生物量磷；水稻土；季節(jié)變化

0 引言

【研究意義】磷肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物重要的磷素來源，然而磷肥當(dāng)季利用率較低，我國目前主要糧食作物的磷肥利用率僅為7.3%—20.1%[1]。而微生物在驅(qū)動(dòng)土壤磷素轉(zhuǎn)化、循環(huán)及維持養(yǎng)分平衡的過程中起著重要作用[2]。通過微生物活動(dòng)釋放出的磷可提高土壤有效磷含量、增強(qiáng)土壤磷素供應(yīng)能力[3-4]。微生物量磷周轉(zhuǎn)速率快，是土壤有效磷的重要來源，可以反映出土壤磷素供應(yīng)水平[5]。研究氮、磷、鉀等肥料配施處理對(duì)磷肥有效性及土壤微生物量磷的季節(jié)變化特征和周轉(zhuǎn)的影響，對(duì)于提高土壤潛在供磷能力具有重要的理論和實(shí)際意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】一般認(rèn)為，施用磷肥會(huì)使微生物吸收同化更多的磷，從而導(dǎo)致微生物量磷含量升高；而當(dāng)土壤中有效磷出現(xiàn)耗竭時(shí)，微生物體內(nèi)的磷將被迫釋放出來，并形成有效磷供作物吸收[6-7]。有研究表明，施用無機(jī)磷肥可提高潮土微生物量磷含量[8]。長期施用無機(jī)磷肥、有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施也能增加棕壤[9]、強(qiáng)淋溶土[10]以及紅壤性水稻土[11-12]微生物量磷含量。陳安磊等[13]指出在施NP和NPK肥的基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥可顯著提高土壤微生物量磷的含量，且隨著NPK肥配合程度的提高，微生物量磷的提高量呈現(xiàn)上升趨勢。但是也有研究結(jié)果表明單施氮肥降低了棕壤微生物量磷含量[6]；長期施磷降低了麥田土壤[14]和森林土壤[15]微生物量磷含量和磷酸酶活性。由此可見，不同施肥方式下土壤微生物量磷的變化較為復(fù)雜，目前研究結(jié)論并不一致?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以往研究多關(guān)注長期施磷對(duì)土壤微生物量磷的影響，而關(guān)于氮、鉀等肥料與磷肥配施條件下土壤微生物量磷季節(jié)變化及其潛在供磷能力尚不清楚。因此本研究以長期不同施肥處理定位試驗(yàn)為平臺(tái)，以探明氮、磷、鉀等肥料及其配施對(duì)水稻不同生育期內(nèi)紅壤性水稻土微生物量磷的變化及周轉(zhuǎn)的影響為切入點(diǎn)展開研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】明確長期不同施肥處理下，水稻不同生育時(shí)期土壤微生物量磷的動(dòng)態(tài)變化和周轉(zhuǎn)差異；闡明微生物量磷庫容與周轉(zhuǎn)對(duì)紅壤水稻土潛在供磷能力的影響，為指導(dǎo)紅壤合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

不同施肥處理長期試驗(yàn)小區(qū)位于江西省鷹潭市中國科學(xué)院紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（E 116°55′39″，N 28°12′27″）。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，水熱資源充足，年均降雨量為1 795 mm，年均蒸發(fā)量1 318 mm，年均溫17.6℃，每年3—6月降雨較集中，無霜期261 d。不同施肥處理長期試驗(yàn)開始于1990年，供試土壤發(fā)育自第四紀(jì)紅黏土。長期試驗(yàn)小區(qū)作物輪作模式為水稻（L.-水稻（L.），早稻于每年4月底5月初移栽，7月底收獲，晚稻于7月底8月初移栽，11月初收獲。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

本試驗(yàn)設(shè)4個(gè)不同施肥處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。各施肥處理分別為：（1）對(duì)照（CK，不施肥）；（2）化學(xué)氮鉀肥（NK）；（3）化學(xué)氮磷肥（NP）；（4）化學(xué)氮磷鉀肥（NPK）。其中，氮肥為尿素，鉀肥為氯化鉀，磷肥為鈣鎂磷肥，每季相應(yīng)施用量為N 115 kg·hm-2，K2O 42 kg·hm-2，P2O568 kg·hm-2。其中，氮肥按照8﹕7的比例分為基肥和追肥兩次施入，鉀肥和磷肥一次性以基肥形式施入。小區(qū)面積為30 m2。

于2015年晚稻的分蘗期、孕穗期、灌漿期和完熟期進(jìn)行采樣，每個(gè)處理按五點(diǎn)法采集0—20 cm土層土樣，新鮮樣品混勻后，經(jīng)適當(dāng)晾干，挑去肉眼可見的細(xì)根等雜物，分成兩部分，一部分自然風(fēng)干、過篩后用于測定土壤全磷和有效磷含量；另一部分鮮樣保存于4℃冰箱內(nèi)，用于測定土壤微生物量磷含量和酸性磷酸酶活性。

1.3 測試方法

參照魯如坤[16]方法對(duì)土壤理化指標(biāo)進(jìn)行分析測定。土壤全磷的測定采用酸溶-鉬銻抗比色法；土壤有效磷的測定采用碳酸氫鈉法（Olsen法）；酸性磷酸酶的測定采用對(duì)硝基苯磷酸鹽法；土壤微生物量磷的測定采用氯仿熏蒸-浸提法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

表層土壤有效磷庫計(jì)算公式如下：

APpool=AP/106×Weightsoil（1）

式中，APpool為有效磷庫（kg·hm-2），AP為土壤速效磷含量（mg·kg-1），Weightsoil為每公頃表土質(zhì)量，按2 250 000 kg·hm-2計(jì)算。

表層土壤微生物量磷庫計(jì)算公式如下：

MBPpool=MBP/106×Weightsoil（2）

式中，MBPpool為微生物量磷庫（kg·hm-2），MBP為土壤微生物量磷含量（mg·kg-1），Weightsoil為每公頃表土質(zhì)量，按2 250 000 kg·hm-2計(jì)算。

根據(jù)微生物量磷的季節(jié)變化對(duì)微生物量磷的周轉(zhuǎn)率[17-18]進(jìn)行計(jì)算：

微生物量磷周轉(zhuǎn)率=

微生物量磷周轉(zhuǎn)量= MBPpool×周轉(zhuǎn)率 （4）

采用Excel 2013進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表繪制。采用SPSS 21.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，其中單因素方差分析（One-way ANOVA）用于不同施肥處理之間的差異，雙因素方差分析（Two-way ANOVA）用于明確不同施肥處理、不同生育期及其交互作用對(duì)各指標(biāo)的影響，各處理間差異顯著性用Duncan法檢驗(yàn)（= 0.05）；相關(guān)性采用Pearson分析。

2 結(jié)果

2.1 土壤全磷、有效磷含量

土壤全磷含量0.29—0.64 g·kg-1，幾乎不隨水稻生育時(shí)期而變化；但施磷肥處理（NP、NPK）的土壤全磷含量顯著高于不施磷肥處理（CK、NK），提高了88%—118%（圖1-a，表1）。土壤有效磷含量1.65—15.39 mg·kg-1，也有相似的變化特征，不隨水稻生育時(shí)期而變化，但施磷處理（NP、NPK）土壤顯著高于不施磷處理（CK、NK），比CK提高了337%—903%（圖1-b，表1）。

表1 不同施肥處理和不同生育時(shí)期對(duì)土壤全磷、有效磷、酸性磷酸酶和微生物量磷影響的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

來源指的是施肥處理、生育時(shí)期等控制變量以及控制變量之間的交互作用。因變量指的是受到控制變量作用影響后而發(fā)生變化的變量

The source refers to the control variables such as fertilization treatment, growth period and the interaction among the control variables. Dependent variable refers to the variable that changes after being affected by the control variable

圖中字母相同表示差異不顯著，字母不同表示差異顯著，P=0.05，下同

2.2 土壤微生物量磷和酸性磷酸酶活性

土壤微生物量磷含量3.04—44.01 mg·kg-1。在整個(gè)生育期內(nèi)呈現(xiàn)先增長后下降的變化規(guī)律，在灌漿期達(dá)到最高（圖2-a，表1）。除分蘗期外，施磷肥處理（NP、NPK）微生物量磷含量顯著高于不施磷肥處理（CK、NK），提高了103%—250%（圖2-a，表1）。土壤酸性磷酸酶活性在80.57—114.7mg·g-1·24h-1，其中在灌漿期NK處理酸性磷酸酶活性最高，比對(duì)照高38%（圖2-b，表1）。

2.3 土壤微生物量磷的周轉(zhuǎn)

根據(jù)公式（3）（4）對(duì)不同施肥處理下的土壤微生物量磷的周轉(zhuǎn)率和周轉(zhuǎn)量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，CK處理微生物量磷的周轉(zhuǎn)率為0.59，即耕層土壤微生物量磷在整個(gè)水稻生長季內(nèi)可循環(huán)0.59次，而NK、NP和NPK處理的微生物量磷的周轉(zhuǎn)率分別為1.31、1.07和1.28（表2）。微生物量磷的周轉(zhuǎn)量則以NPK處理最高，達(dá)到70.57 kg·hm-2，NP和NK處理次之，CK處理最低。微生物量磷庫及其周轉(zhuǎn)量均高于有效磷庫。

2.4 相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，長期不同施肥處理下水稻各生育時(shí)期微生物量磷含量與土壤全磷含量極顯著正相關(guān)（=0.424**），與有效磷含量顯著正相關(guān)（=0.353*）；土壤有效磷與土壤全磷含量極顯著正相關(guān)（=0.954**）。而酸性磷酸酶活性則與土壤全磷、有效磷和微生物量磷均無顯著相關(guān)性。

圖2 長期不同施肥處理下水稻各生育時(shí)期土壤微生物量磷（a）和酸性磷酸酶活性（b）的變化

表2 不同施肥處理下土壤微生物量磷的周轉(zhuǎn)

3 討論

3.1 不同施肥處理下土壤微生物量磷季節(jié)變化特征

由于微生物量磷周轉(zhuǎn)速率快，是植物有效磷的重要來源，對(duì)土壤磷素養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)起重要作用[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)水稻生長季中，總體上施磷肥處理（NP、NPK）的土壤微生物量磷均顯著高于不施磷肥處理（CK、NK）。該結(jié)果與前人研究結(jié)果相似[10-11,21]。即施磷后，微生物能夠快速的吸收利用和同化土壤中的磷。微生物量磷也是土壤磷素供應(yīng)水平動(dòng)態(tài)反映的重要指標(biāo)[15]，然而此前關(guān)于作物生育期內(nèi)土壤微生物量磷的動(dòng)態(tài)變化研究較少。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻整個(gè)生育期內(nèi)，微生物量磷逐漸升高，隨后在完熟期下降?？赡艿脑蚴?，隨著水稻的生長，根系生長迅速，分泌物和脫落物增加，微生物生長迅速，導(dǎo)致了微生物量磷的增加，而生長后期，隨著根系對(duì)養(yǎng)分吸收減緩，分泌物減少，最終又造成了微生物量磷的下降[22]。

土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化速率和磷素有效性都受到土壤磷酸酶活性的直接影響[23]。此前關(guān)于施磷對(duì)酸性磷酸酶活性影響的研究結(jié)果并不一致。有研究表明施用無機(jī)磷抑制磷酸酶活性[24]，但也有相反的研究報(bào)道[25]。本研究發(fā)現(xiàn)在水稻的孕穗期和灌漿期，NK處理土壤酸性磷酸酶活性明顯高于其他處理。在上述兩個(gè)水稻生長旺盛階段，一方面，由于NK處理水稻植株生物量相對(duì)于CK處理較大，需磷量較高；另一方面，又因未施磷肥土壤磷素含量較低。為保證植物磷素供應(yīng)，土壤中磷酸酶活性升高，從而分解轉(zhuǎn)化土壤中難分解磷以供植株吸收[26-27]。

有研究表明，微生物量磷、磷酸酶活性與土壤全磷和有效磷密切相關(guān)[28-30]。本研究結(jié)果也表明，微生物量磷與土壤全磷和有效磷呈顯著正相關(guān)，而磷酸酶活性與土壤全磷、有效磷沒有明顯相關(guān)性。因此，相較于磷酸酶活性指標(biāo)，微生物量磷可能更能有效反映土壤磷素水平和供應(yīng)特征。

3.2 長期不同施肥處理下微生物量磷的周轉(zhuǎn)

微生物生長一方面可以同化利用磷素組建自身細(xì)胞成分，另一方面可以降解轉(zhuǎn)化土壤中難溶性磷，從而調(diào)節(jié)土壤磷的礦化與固定過程[31]，在很大程度上能夠反映土壤活性磷庫的容量和周轉(zhuǎn)強(qiáng)度[32]。一般認(rèn)為，微生物量磷的年周轉(zhuǎn)量是植物吸磷量的4—10倍[4,33]。本研究表明，微生物量磷庫明顯高于有效磷庫，并且施磷處理（NP、NPK）微生物量磷庫要高于缺磷處理（CK和NK）。然而從微生物量磷的周轉(zhuǎn)率來看，雖然施磷處理可以促進(jìn)微生物量磷的周轉(zhuǎn)，但是NK處理周轉(zhuǎn)率卻最大，可能在長期沒有磷素投入，土壤中磷素水平較低，但是作物生長需求又比較旺盛的情況下，微生物對(duì)磷的轉(zhuǎn)化速度加快，為作物生長發(fā)育過程中利用磷素提供了一條有效途徑，這一結(jié)果也與該處理下酸性磷酸酶活性最高相吻合[9]。

雖然微生物量磷不能被植物直接吸收利用，但是由于微生物量磷的周轉(zhuǎn)能夠緩慢釋放無機(jī)磷，因此長期以來，其一直被認(rèn)為是土壤中容易利用的有效磷組分，對(duì)于植物生長非常重要[34]。本文研究結(jié)果提示我們，不同施肥處理下，微生物量磷的庫容和周轉(zhuǎn)對(duì)于紅壤性水稻土潛在供磷能力具有重要意義。未來，或可通過合理施肥，增加土壤微生物量磷庫，提高其周轉(zhuǎn)能力，從而改善紅壤性水稻土潛在供磷能力。

4 結(jié)論

4.1 不同施肥處理下，紅壤性水稻土微生物量磷在整個(gè)水稻生育期先升高后下降。施磷處理土壤微生物量磷顯著高于不施磷處理。

4.2 土壤微生物量磷與全磷、有效磷密切相關(guān)；微生物量磷的庫容和周轉(zhuǎn)對(duì)于提高紅壤性水稻土潛在供磷能力具有重要意義。

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Seasonal Variation and Differences of Microbial Biomass Phosphorus in Paddy Soils Under Long-Term Application of Phosphorus Fertilizer

LIU Kai1,2, LIU Jia3, CHEN XiaoFen3, LI WeiTao1, JIANG ChunYu1,2, WU Meng1,2, FAN JianBo1,2, LI ZhongPei1,2, LIU Ming1,2

(1Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences/State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Nanjing 210008;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;3Soil and Fertilizer & Resources and Environment Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences/ National Engineering & Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330200)

【】The seasonal dynamics of microbial biomass phosphorus (MBP) in paddy soils under long-term different fertilization treatments were studied to reveal the relationship between the variation characteristics and soil phosphorus supply. 【】Taking the long-term experimental plot as a platform, four different fertilization treatments, including CK, NK, NP and NPK, were set up to collect 0-20 cm soil layer at tillering stage, booting stage, filling stage and full ripe stage of rice, respectively, and to determine soil total phosphorus (TP), available phosphorus (AP), acid phosphatase (ACP) activity and MBP.【】Compared with CK and NK treatments, NP and NPK treatments significantly increased the contents of TP and AP in soil, with an increase of 88%-118% and 337%-903%, respectively. MBP was significantly affected by fertilization treatment, and was significantly higher in phosphate fertilization treatment than in non-phosphate fertilization treatment, NP and NPK treatments increased 103%-250% in the whole growth period (except tillering stage) compared with CK and NK treatments; seasonal variation of MBP showed a trend of first increasing and then decreasing and reached the highest level in the filling stage of rice in all fertilization treatments. The activity of acid phosphatase in NK treatment was the highest at grain filling stage, 38% higher than that under CK. At the same time, the turnover rate of microbial biomass phosphorus under this treatment was the highest, which could be recycled 1.31 times in the whole growth period. The correlation analysis showed that soil microbial biomass P was positively correlated with soil total P and available P. 【】The variation of microbial biomass phosphorus with different fertilization treatments and rice growth period was obvious, which was closely related to soil phosphorus availability.

long-term fertilization; phosphorus fertilizer; microbial biomass phosphorus; paddy soil; growth period

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.07.010

2019-06-13；

2019-08-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0301104）、國家自然科學(xué)基金青年基金（41201242）、“一三五”計(jì)劃和領(lǐng)域前沿項(xiàng)目（ISSASIP1642）

劉凱，E-mail：kliu@issas.ac.cn。劉佳，E-mail：liujia422@126.com。劉凱和劉佳為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者劉明，E-mail：mliu@issas.ac.cn。通信作者李忠佩，E-mail：zhpli@issas.ac.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）