溶磷菌肥對(duì)紅壤磷組分及土壤肥力的影響

鄭淇元，謝意太，卞海洋，文 潔，劉耀輝，吳若鴻，修玉冰，朱裕煌，盛可銀，蘭子鈞，張文元*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/江西省森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045；2.江西省貴溪市西窯采育林場(chǎng)，江西 貴溪 335415；3.安徽省六安市林業(yè)發(fā)展中心，安徽 六安 237010）

【研究意義】磷素是植物生長發(fā)育所需的大量元素之一[1]，南方地區(qū)為追求高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)大量施用磷肥，帶來了一系列土壤問題：土壤次生鹽漬化、土壤養(yǎng)分失衡、土傳病蟲害加劇等[2]，土壤健康受到嚴(yán)重威脅，也造成了土壤磷素的有效性降低[3]，部分磷素隨水循環(huán)進(jìn)入江河湖泊等生態(tài)系統(tǒng)，引發(fā)河流富營養(yǎng)化[4]。部分難利用磷素被吸附固定在土壤中，土壤磷組分及養(yǎng)分隨之發(fā)生改變[5]。因此，減少磷肥的施用是避免土壤環(huán)境繼續(xù)惡化的必要途徑?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近些年，為尋找減少磷肥施用的方法，解決難利用磷素在土壤中累積的問題，溶磷微生物的開發(fā)利用成為研究熱點(diǎn)，溶磷菌是能夠?qū)⑼寥乐须y溶磷酸鹽轉(zhuǎn)化為可利用形態(tài)的一類土壤微生物[6]，能夠有效提高土壤中磷素的利用率。目前研究主要集中在篩選[6-9]、改良應(yīng)用[10-11]、配施[12-13]等方面?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】溶磷微生物促進(jìn)土壤磷素的礦化過程，其溶磷過程受土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物種群影響[12-15]，能夠改變土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)[13]、分泌植物生長素從而促進(jìn)植物的生長[14]。對(duì)溶磷菌溶磷能力及磷素礦化的研究有很多，溶磷菌對(duì)土壤磷組分的影響卻鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究采用盆栽試驗(yàn)的方式，分析了施肥條件下土壤各形態(tài)磷素的含量及速效氮、磷、鉀等指標(biāo)的含量，探究了不同溶磷菌肥料處理下土壤磷組分變化及土壤難溶性磷的降解效果，以期對(duì)溶磷菌在提高土壤磷素利用效率方面的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

有機(jī)肥：以菜枯餅、食用菌渣、牛糞為堆肥材料（菜枯餅∶食用菌渣∶牛糞=2∶3∶5）制作而成，由宜春輝煌科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

溶磷菌肥：供試溶磷菌由江西省森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文元課題組前期在土壤中篩選獲得，經(jīng)16S rDNA 序列相似性分析確定為伯克霍爾德菌（Burkholderiasp.）。在有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，添加供試溶磷菌制成溶磷菌肥，有效活菌數(shù)≥0.2億/g，由宜春輝煌科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

溶磷菌+EM 混合菌肥：在有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，同時(shí)添加EM 菌和溶磷菌，堆肥發(fā)酵制成混合菌肥。EM菌即有益微生物群，由光合細(xì)菌群、乳酸菌群、酵母菌群、放線菌群、絲狀菌群等為主的10個(gè)屬80余種微生物組成。

供試植物：高粱（京糯三號(hào)）種子。

供試土壤：紅壤來自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥園。土壤基本性質(zhì)：pH5.55，有效磷（AP）2.94 mg/kg，速效鉀（AK）97.21 mg/kg，土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）2.76 mg/kg，土壤硝態(tài)氮（NO3--N）1.51 mg/kg。

1.2 盆栽試驗(yàn)

育苗：高粱種子表面消毒，用無菌蒸餾水沖洗3次，取顆粒飽滿種子轉(zhuǎn)入25 ℃恒溫箱催芽。

設(shè)置處理：添加磷酸三鈣作為磷源，磷源按1∶1 000的比例，稱量好后與1.5 kg土壤均勻混合，每盆裝2.5 kg 土壤。依照處理分別添加有機(jī)肥（YJ）、溶磷菌肥（RL）、溶磷菌+EM 復(fù)合菌肥（EMR），設(shè)置空白（CK），每處理重復(fù)6次，共計(jì)24盆。

移栽：每盆移入4 棵高粱種子，保持土壤濕度為65%～75%，盆栽底部設(shè)置托盤，收集澆水流失的土壤，定期回填。出苗后溫室種植，生長期間不施肥。

定期測(cè)量株高，盆栽試驗(yàn)在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥園進(jìn)行，盆栽進(jìn)行時(shí)間在2020 年9—12 月，澆水間隔為一周。

1.3 樣品采集與測(cè)定

土樣采取破壞性取樣，挖取整株高粱，105 ℃殺青后在75 ℃下烘干，測(cè)定植株干質(zhì)量。采集植株根際土壤，過2 mm篩后，自然風(fēng)干，用于測(cè)定相關(guān)土壤指標(biāo)。

土壤磷組分采用Sui等[16]土壤磷素分級(jí)法，土壤速效磷采用0.5 mol/L 的NaHCO3溶液浸提，取濾液用鉬銻比色法測(cè)定。土壤速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)測(cè)定，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮使用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（AMS SmartChem 200）分析測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016、IBM SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)作圖使用Origin 2018，采用Canoco5.1進(jìn)行RDA制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)高粱生長量及株高的影響

由圖1a可知，施用肥料與不施肥料之間存在極大差異。有機(jī)肥（YJ）、溶磷菌（RL）、溶磷+EM 混合菌肥（EMR）3種施肥處理下的高粱生物量均顯著大于CK，分別為CK 的16.9倍、23.8倍和21.9倍（P＜0.05）。YJ與RL處理下的高粱物量均顯著大于EMR處理（P＜0.05）。

從株高來看，高粱移栽初期，施肥處理與不施肥處理，株高差異顯著（圖1b）。株高排序由高到低依次為RL、YJ、EMR、CK，移栽一段時(shí)間后，YJ 處理下的高粱株高最高。栽培期間，RL 處理株高增長呈現(xiàn)慢-快-慢的趨勢(shì)，YJ 處理下呈現(xiàn)快-慢的趨勢(shì)，EMR 處理株高增長較為平緩，表明有機(jī)肥與溶磷菌肥有效促進(jìn)了高粱生長，提高生長速率。

圖1 不同施肥處理對(duì)高粱生物量及株高的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on Sorghum bicolor biomass and plant height

這是由于磷對(duì)植物生長發(fā)育有重要作用[17]，參與合成DNA、RNA 指導(dǎo)植物合成蛋白質(zhì)[18]，促進(jìn)光合作用提高根系活力[19]。在長期磷限制的條件下，提高土壤磷含量能夠顯著提高植物的生長。施加有機(jī)肥、溶磷菌肥能夠提高土壤P含量，促進(jìn)土壤磷的生物固持，緩解土壤磷限制條件[20]。

2.2 不同處理對(duì)土壤磷組分的影響

H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi 為無機(jī)磷，NaHCO3-Po、NaOH-Po、Residual-Po 有機(jī)磷，NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po 能夠及時(shí)補(bǔ)充轉(zhuǎn)化被植物吸收的H2O-Pi[17]。也可以將以上不同形態(tài)的磷依據(jù)有效性劃分為易分解態(tài)磷（H2O-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po）、中等易分解態(tài)磷（NaOH-Pi、NaOH-Po）、難分解態(tài)磷（HCl-P、Residual-P）[21]。分析土壤磷組分能夠用于預(yù)測(cè)土壤磷的生物有效性[16]。

2.2.1 易分解態(tài)磷 3種土壤易分解態(tài)磷中，NaHCO3-Pi的含量受施肥處理的影響最顯著。由圖2a及圖2c 不難發(fā)現(xiàn)：各處理下H2O-Pi、NaHCO3-Po 的含量沒有顯著差異。圖2b 表明EMR、YJ、RL 處理的NaHCO3-Pi 的含量遠(yuǎn)大于CK，是CK 的11～15 倍，而YJ 對(duì)NaHCO3-Pi 的提升效果最優(yōu)，YJ 處理NaHCO3-Pi 相比EMR、RL分別顯著增加了36%、30%（P＜0.05）。這說明3種處理施入土壤能夠顯著增加土壤NaHCO3-Pi，從而使土壤易分解態(tài)磷顯著增加，有機(jī)肥的效果最好。這與宋佳明等[27]的研究結(jié)果一致。原因可能為有機(jī)肥腐解及溶磷微生物溶磷代謝產(chǎn)生有機(jī)酸，與土壤中金屬陽離子螯合，釋放出磷酸根離子[22-23]。有機(jī)肥堆肥過程中也能夠產(chǎn)生有大量有效磷。

2.2.2 中等易分解態(tài)磷 施肥處理能夠提高NaOH-Pi 的含量，對(duì)有機(jī)態(tài)中等易分解態(tài)磷影響不顯著（圖2d，圖2e）。特別的，由圖2e 可知，EMR 處理則顯著提高了NaOH-Po，相比CK 提高了約70%（P＜0.05）。這說明3 種肥料處理能夠提高中等易分解磷的含量，溶磷+EM 混合菌肥提高土壤中等易分解態(tài)磷含量的效果最好。有機(jī)肥的有機(jī)成分降解產(chǎn)生植酸等含磷有機(jī)質(zhì)，這可能是中等易分解態(tài)有機(jī)磷增加的原因，EM 菌劑能夠提高土壤微生物多樣性，促進(jìn)了3 種肥料中有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生植酸等含磷有機(jī)物[24]，從而顯著增加土壤中等易分解態(tài)有機(jī)磷。有機(jī)質(zhì)分解還會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)酸使土壤pH降低[25]，提高土壤鐵鋁等金屬陽離子的吸附活性[26]，活化的鐵鋁陽離子吸附土壤游離磷酸根離子，從而提高了土壤中易分解態(tài)無機(jī)磷的含量。

2.2.3 難分解態(tài)磷 施加溶磷菌能夠緩解土壤難溶態(tài)磷的累積。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)3 種施肥處理下土壤HCl-Pi 的含量有顯著的不同程度的增加，其中EMR 處理下HCl-Pi 含量相比其他施肥處理增量最小，含量為（2.29±0.47）mg/kg。有機(jī)肥處理下HCl-Pi 含量是EMR 處理的2.9 倍（圖2f）。土壤Residual-P的含量幾個(gè)處理與CK 間沒有顯著差異（圖2g）。這說明單施有機(jī)肥會(huì)加劇土壤磷素累積，添加溶磷菌處理的肥料能夠緩解。這可能是因?yàn)榉柿现械挠袡C(jī)質(zhì)施入土壤后不能完全分解，致使有機(jī)質(zhì)中含有的磷素不能完全釋放，導(dǎo)致土壤磷素累積，添加溶磷菌后，溶磷菌代謝活動(dòng)主動(dòng)分解了土壤中累積的難溶態(tài)磷，減少了磷素累積，含有有益微生物的EM 菌劑增加了土壤微生物多樣性，促進(jìn)溶磷菌的代謝活動(dòng)。

圖2 不同施肥處理對(duì)土壤磷組分的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil phosphorus fractions

綜上，有機(jī)肥、溶磷菌肥、溶磷+EM 混合菌肥對(duì)土壤易分解態(tài)磷、中等易分解態(tài)磷、難溶態(tài)磷均有較大程度的改變。有機(jī)肥全面增加3種形態(tài)的磷含量，溶磷菌肥、溶磷+EM 混合菌肥能夠提高土壤易分解態(tài)磷、中等易分解態(tài)磷，在提高土壤磷素利用效率方面相比有機(jī)肥效果更優(yōu)越。

2.3 不同處理對(duì)土壤速效氮（NH4+-N，NO3--N）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）的影響

從圖3a 可知，有效磷的含量由大到小依次為YJ、RL.EMR、CK，最大值為YJ 處理下的含量（19.11±3.58）mg/kg，最小值為CK處理下的含量（2.65±0.11）mg/kg。EMR與RL處理下，有效磷的含量沒有顯著差異（P＞0.05），但兩者均顯著大于CK（P＜0.05）。這說明3種處理均能夠顯著提高土壤有效磷含量，其中有機(jī)肥單施提高有效磷含量的效果最好。有機(jī)肥提高土壤有效磷主要有3種途徑[27]，有機(jī)肥本身含有豐富的有效磷，能夠直接供給植物吸收利用[28]；另外有機(jī)肥在土壤中分解的過程中產(chǎn)生有機(jī)酸與土壤中金屬陽離子發(fā)生螯合，從而釋放出磷酸根離子[22]；有機(jī)肥能夠提高土壤微生物活性，促進(jìn)土壤有機(jī)磷轉(zhuǎn)化[29]。溶磷菌肥是以有機(jī)肥為基質(zhì)添加溶磷菌劑發(fā)酵而成，肥料中含有大量單一類群的微生物，施入土壤后改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，可能會(huì)抑制對(duì)土壤原生微生物的代謝活動(dòng)。

由圖3b 可以看出，EMR、YJ、RL 3 種施肥處理下，土壤速效鉀的含量分別為（179.67±14.93）mg/kg、（170.82±18.74）mg/kg 和（154.90±2.37）mg/kg，與CK 相比含量顯著增加（P＜0.05）。由圖4 可以看出，EMR與RL 處理的銨態(tài)氮含量存在顯著差異，EMR、YJ、RL 3 種處理的土壤銨態(tài)氮含量均顯著高于CK，相比CK分別增加68.1%、61.8%和57.2%（P＜0.05），EMR處理下銨態(tài)氮含量顯著大于RL（P＜0.05）。這說明3種施肥處理改變了土壤氨化作用與硝化作用的平衡，促進(jìn)土壤氨化作用，減弱土壤硝化作用。有機(jī)肥在溶磷菌和EM 菌配合發(fā)酵后施入土壤，能夠提高土壤銨態(tài)氮的作用。但是土壤的硝態(tài)氮含量相比CK 顯著減少（P＜0.05），硝態(tài)氮的含量減少了50.0%～60.0%。土壤中的有機(jī)氮經(jīng)過氨基化、氨化過程轉(zhuǎn)化成NH4+-N，銨離子大部分通過亞硝化、硝化微生物的作用氧化成NO3--N[30-31]。另外植物與微生物在吸收同化NH4+-N、NO3--N 過程中存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[32]。碳氮比越高，土壤硝化作用越低[33]。施肥處理下，硝化作用減弱，可能是由于有機(jī)肥的加入，使得土壤碳氮比提高，抑制土壤硝化作用的進(jìn)行[33]。施加菌肥導(dǎo)致土壤微生物間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系加劇可能也是硝化作用減弱的原因[13]。施肥處理下速效鉀含量顯著增加，這與閆洪奎等[34]研究結(jié)果一致。

圖3 不同施肥處理對(duì)土壤有效磷、速效鉀含量的影響Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soil available P and available K contents

圖4 不同施肥處理對(duì)土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的影響Fig.4 Effects of different fertilization treatments on ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in soil

2.4 植物生物量、土壤有效養(yǎng)分與土壤磷組分之間的相關(guān)性

各形態(tài)磷素與HCl-P 的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，NaHCO3-Pi 與HCl-P 呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，擬合系數(shù)R2=0.564（圖5b）。其余磷組分與磷組分相關(guān)性較弱。這可能是土壤HCl-P 經(jīng)土壤微生物代謝后會(huì)轉(zhuǎn)化為NaHCO3-Pi，在土壤中代謝轉(zhuǎn)化平衡會(huì)隨著代謝底物的增加而向NaHCO3-Pi方向轉(zhuǎn)移。

圖5 難溶態(tài)HCl-P與其他形態(tài)磷的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis between different phosphorus fractions and HCl-P

冗余分析表明（圖6），高粱生物量、土壤速效鉀、土壤銨態(tài)氮和有效磷與NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-P具有正相關(guān)關(guān)系，高粱生物量與NaOH-Pi 相關(guān)性最高，土壤速效鉀與NaHCO3-Pi 相關(guān)性最高，土壤銨態(tài)氮和有效磷與NaHCO3-Pi相關(guān)性最高，磷組分能解釋69.3%的總變異，其中NaHCO3-Pi對(duì)解釋土壤速效養(yǎng)分、植株生物量的影響最顯著，能夠解釋57.5%總變異（F=29.8；P＜0.05）。由圖6 b 可以看出磷組分的變化對(duì)YJ、EMR、RL 3 類樣本影響程度最大。這說明NaHCO3-Pi 對(duì)土壤速效養(yǎng)分的關(guān)聯(lián)度較大，NaHCO3-Pi的增加與土壤部分速效養(yǎng)分的增加存在著協(xié)同機(jī)制。

圖6 磷組分與土壤有效養(yǎng)分、高粱生物量冗余分析Fig.6 Sequence diagram of soil available nutrients and sorghum biomass under different fertilization treatments

3 討論

3.1 溶磷菌肥在非原位條件下難以發(fā)揮最優(yōu)降解效果

研究結(jié)果表明溶磷菌在真實(shí)土壤環(huán)境下對(duì)土壤難溶性磷難以發(fā)揮最佳降解作用，需要搭配EM菌等有益菌等。這與韓亞杰等[14]的研究結(jié)果一致。這可能是土壤微生物的代謝受土壤微生物環(huán)境、理化性質(zhì)等多種環(huán)境條件影響，土壤環(huán)境的異質(zhì)性使不同性質(zhì)的土壤有不同的優(yōu)勢(shì)菌株[35]，這就導(dǎo)致提取自特定土壤環(huán)境的微生物接種在性質(zhì)不同的土壤中無法保持在原位環(huán)境下的代謝速率[36]。EM 菌含有大量有益菌株及物質(zhì)，能夠提高土壤微生物多樣性，促進(jìn)了溶磷微生物的代謝作用，能夠?qū)θ芰拙势鸬皆鲂ё饔谩?/p>

土壤微生物的分布受土壤生物和非生物因素的影響，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的異質(zhì)性與復(fù)雜性[37]。合適的微生物生存條件包括但不限于友好的土壤微生物群落關(guān)系、充足的土壤微生物代謝底物等。在溶磷微生物研究中，為溶磷微生物營造接近原位的生存條件有利于充分發(fā)揮土壤溶磷微生物的溶磷作用，減少土壤磷素累積提高磷素利用效率。

3.2 有機(jī)肥施入加劇磷素累積

研究表明施用有機(jī)肥會(huì)加劇土壤難溶性磷素累積，施加溶磷菌肥則能夠緩解磷素累積問題，這與楊振興等[38]的研究結(jié)果一致。這可能是由于南方紅壤地區(qū)土壤侵蝕作用強(qiáng)烈，土壤磷素流失嚴(yán)重[39]，磷成為限制紅壤地區(qū)植物生長的重要因子。在低磷條件下植物根系能夠分泌有機(jī)酸、磷酸酶等物質(zhì)促進(jìn)難溶性磷轉(zhuǎn)化[40]。施用有機(jī)肥化肥等使土壤有效磷在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，打破了低磷環(huán)境，抑制了植物根系溶磷作用，易導(dǎo)致土壤難溶性磷的累積。施用溶磷菌肥能夠彌補(bǔ)植物對(duì)土壤難溶性磷的溶解作用[3]。

土壤中植物能夠利用的磷一部分來源于肥料本身含有的速效磷[27]，另一部分來源于HCl-P 的轉(zhuǎn)化[41-42]。溶磷菌通過酸解作用、酶解作用等途徑轉(zhuǎn)化土壤難溶性磷HCl-P[43-44]。在有機(jī)肥中配施溶磷菌的施肥方式有利于利用土壤中閉蓄態(tài)磷素，擴(kuò)充植物磷素來源途徑。

3.3 NaHCO3-Pi與土壤速效氮、磷、鉀具協(xié)同效應(yīng)

冗余分析結(jié)果表明有機(jī)肥、溶磷菌肥、溶磷菌+EM 復(fù)合菌肥處理下NaHCO3-Pi與銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。這可能與有機(jī)肥的分解有關(guān)，有機(jī)肥含有大量的有機(jī)質(zhì)在短期內(nèi)能夠全面提升土壤速效養(yǎng)分及土壤碳氮比例[13,40,45]。提升土壤微生物的活性[46-47]，溶磷菌的添加也提高了土壤溶磷的效率。有機(jī)肥與溶磷菌肥的混施在土壤中形成了有機(jī)質(zhì)-微生物體系，這使土壤微生物通過分解有機(jī)質(zhì)來提高土壤速效養(yǎng)分。

有效氮、有效磷等速效養(yǎng)分在土壤中能夠被植物根系直接吸收，是植物從土壤中獲取生物代謝所需氮、磷的主要形態(tài)[48]。土壤氮、磷、鉀有效性與土壤磷組分等土壤環(huán)境因子的變化密切相關(guān)[42,49]。

綜上所述，盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明土壤施加溶磷菌肥能夠有效提高土壤磷素的利用效率，減少土壤磷素累積，提高土壤的速效氮、磷、鉀的含量。野外環(huán)境復(fù)雜多變，溶磷菌降解土壤難溶態(tài)磷的機(jī)理還有待研究，試驗(yàn)結(jié)果中施肥處理下土壤硝態(tài)氮含量下降的現(xiàn)象也需要進(jìn)一步深入探究。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)施用的溶磷微生物肥料能夠顯著促進(jìn)土壤難溶態(tài)磷的轉(zhuǎn)化，從而顯著提高土壤磷素利用率，配合有機(jī)肥施用則能夠緩解有機(jī)肥造成的磷素沉積。

（2）試驗(yàn)施用的溶磷菌肥對(duì)土壤速效氮、磷、鉀養(yǎng)分有顯著的促進(jìn)作用，適合替代化肥、有機(jī)肥用來改善土壤肥力。

致謝：中央財(cái)政林業(yè)科學(xué)推廣示范資金項(xiàng)目（JXTG〔2020〕25號(hào)）、江西省創(chuàng)新專項(xiàng)基金項(xiàng)目（YC2020-S255）和江西農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110410111）同時(shí)對(duì)本研究給予了資助，謹(jǐn)致謝意！