施磷對土壤環(huán)境以及土壤微生物的影響

李城佰

昆明學院，云南昆明 650214

作為地球上的一個重要組成部分，土壤能為植物的生長提供營養(yǎng)。土地的肥力是保證糧食生產的前提，肥料是提高土地肥力的重要方法。然而，化肥在保障我國糧食產量的同時，也產生了一些不容忽視的環(huán)境問題，如土壤的硬化、磷的積累、水體的富營養(yǎng)化等。土壤中的大量微生物是影響土壤肥力和保護生態(tài)環(huán)境的關鍵因素。土壤中的微生物作為土壤物質的調節(jié)因子，參與土壤中的各種代謝活動，包括土壤中的腐植質、有機物的分解、污染物的降解、土壤中的能量和營養(yǎng)的循環(huán)。土壤中三大類微生物群落的比率是土壤肥力的重要指標，土壤中細菌和放線菌的濃度越高，說明土壤的肥力越高。研究圍繞施加磷肥對土壤環(huán)境的危害，以及如何利用微生物加快植物對磷肥的吸收展開了詳細的介紹，強調在磷肥過度施加的作用下，土壤微生物產生了適應作用。

1 土壤施加磷肥的概述

1.1 施加磷肥的現(xiàn)狀

植物中磷素的主要來源是土壤，磷肥的施用是保證土壤含磷的重要保證。土壤礦物對磷素的吸附與固定作用較強，僅5%以下的磷可以被植物吸收。單純提高施磷量是不適宜的，持續(xù)施用磷肥會引起土壤板結、品質下降、環(huán)境污染。我國在過去的半個多世紀里一直在施用磷肥，導致土壤表面磷素的富集，但大部分都是無用的或利用性低的Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P和有機磷。

1.2 土壤磷素的形態(tài)

磷的質量分數與土壤母質類型及磷礦石肥有關。全國的土壤中磷含量在0.02%～0.11%之間。東北地區(qū)的土壤中含磷水平普遍高于全國平均水平，平均為0.17%。由于人類活動的作用，磷的含量在一定程度上具有區(qū)域性的變化。通常將土壤中的磷分為兩大類：一種是有機磷，另一種是無機磷。

1.2.1 有機磷 不同有機質的含量差異較大，其中有機磷的含量差異較大，南方紅壤的有機磷含量在1%以下，而有機磷占全磷10%以下。東北黑土中有機質含量為3%～5%，而有機磷占磷總量的70%。目前，僅有少數幾種主要的有機磷結合形式被證實。這些都是植物中常見的植素，占總有機磷的20%～50%，而在動植物和微生物中只有1%的磷脂，而核酸中的磷則有待研究。

1.2.2 無機磷 無機磷的結構比較復雜，可分為溶解型、吸附型和礦化型。無機磷主要成分是礦物態(tài)磷。目前對無機磷的有效性的研究仍在進行中，其結果尚需進一步探討。結果顯示，鈣磷與鈣質土壤中的有效磷水平存在明顯的正相關。但也有一些研究顯示，磷肥和磷肥能為農作物提供有效的磷源，而鈣磷則不行。

1.3 施肥對土壤中磷素的影響

施用化肥是增加土壤中有效磷最直接的途徑，但不同的施肥方式，施用比例對土壤中磷的影響也會有所不同。結果顯示，長期使用磷肥，能夠提高土壤有機質中Al-P、Ca-P的含量，從而提高土壤中磷的利用率，但長期使用則會導致土壤的閉蓄態(tài)磷水平下降。施用磷肥后，鈣磷、鋁磷、鐵磷的含量都明顯提高，而鈣磷的變化最大。長期施用有機肥特別是廄肥，能明顯地增加土壤的全磷和有效磷的含量，但比有機無機肥料混合施加的作用要小。

1.4 土壤有機質對土壤肥力的影響

土壤中有機質的營養(yǎng)成分比較全面，它是植物與土壤微生物營養(yǎng)的主要來源。土壤有機質中的胡敏酸具有芳香族的多元酚官能團，可以強化植物呼吸過程中的活動，提高細胞膜的滲透性，促進養(yǎng)料物質迅速進入植物體。土壤有機質能促進土壤良好結構的形成，增加土壤的疏松性、通氣性及透水性；土壤有機質還能提高土壤的保肥力、緩沖性，大量使用有機肥料可以在更大范圍內高效率地實現(xiàn)物質的流通和良性循環(huán)。

不同的有機肥料具有不同的特點、如粗細、肥力、氣味、干濕等。肥力高、有異味的肥料如花生麩、雞屎肥、豬糞肥等宜深施；肥力低、無異味的肥料如泥炭土、木屑肥、米糠肥等則可以表施。此外，蘑菇肥、骨粉木渣肥等顆粒較大的適合在種植苗木、鋪種草皮時拌土使用。

公園可逐步實現(xiàn)有機肥料的“自產自銷”。利用修剪草坪的草屑和喬灌木的枯枝落葉回收，經過粉碎可以產生大量有機肥料“原料”，公廁化糞池沉積產生的發(fā)酵物對“原料”進行腐熟后便形成了“產品”。利用自身資源生產有機肥料既免除了公廁化糞池容物外運成本，又節(jié)省了購買有機肥料的資金。當微生物肥料中的腐熟劑與這些有機肥料混合施用或預發(fā)酵，均可達到增效的目的。

化學肥料的長期、低效施用，往往會造成土壤中某些元素的過分積累和土壤理化性質的變化以及環(huán)境污染，給食物安全和人類健康帶來影響。微生物肥料的施用對提高土壤養(yǎng)分利用率、改善土壤環(huán)境、調控土壤肥力產生巨大的作用。

2 施加磷肥對土壤環(huán)境的影響

磷肥生產向復合化、高效濃縮、專業(yè)化方向發(fā)展，但是，由于原礦的雜質和生產過程中的環(huán)境污染，使磷肥中往往含有大量的重金屬、有毒化合物和放射性元素。在磷肥生產中，部分有毒有害物質進入磷肥產品。例如，某些小型磷肥廠生產的含三氯乙醛等有害物質，經施用后進入土壤?；实氖褂脤ν寥赖纳鷳B(tài)環(huán)境產生了不可忽略的作用。

2.1 磷肥中的重金屬對土壤生態(tài)環(huán)境的影響

磷肥中的重金屬元素與生產磷肥時所用的磷礦石沉淀有關。與火成沉淀相比較，沉淀磷礦中的鎘和其他金屬含量較高，而砷金屬含量較低。所采用的生產過程還可以將巖石中的金屬轉化為肥料。在制取過磷酸鈣時，需要將礦石中的全部金屬都轉移至磷酸鹽，但在制取濕法磷酸時，重金屬主要集中在磷酸和磷石膏中，60%～70%的鎘進入磷酸，70%～95%的鈾、銅、鋅及其他金屬存在于F型過濾級磷酸中，其余的則加入磷石膏，而磷石膏中的鉛為70%～95%[1]。

目前，土壤中鎘、鉛、砷等有害物質的積累和對環(huán)境的潛在威脅已受到重視。根據在山東、北京、云南、浙江和湖南的抽樣調查，普鈣、磷礦粉、鈣鎂磷肥、鉻渣磷肥中的重金屬含量很高。磷礦中的鎘含量在80%左右，而鉛、砷等的含量則稍低于62%。在毛期施磷后，土壤中鎘含量明顯增加。澳大利亞新南威爾上因長期過量使用磷，每年施磷450 kg/hm2，一些蔬菜地的土壤中碳氮含量增加了10多倍。另外，四川省的白繕土在15年內連續(xù)使用了15年，土壤中鎘的濃度從0.052 5 mg/kg增加到0.069 4 mg/kg。重金屬是化肥的一種污染物質。

不同類型的磷肥對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響表現(xiàn)有所不同。土壤中的汞以無機和有機2種形式存在，并且在特定的環(huán)境中相互轉換，無機汞的溶解性較低，在土壤中的遷移轉化能力較差，而在壤土中微生物的作用下，汞可以轉變?yōu)榧谆Ｔ诤醚鹾蛥捬?種情況下，微生物合成甲基汞。在好氧條件下，甲基汞是以脂溶性的形式存在的，通過微生物可以吸附和累積，進入食品，引起人類的健康損害。不同的作物品種和不同的生長期，汞對植物的傷害也不同。

土壤中的鎘有多種形式，主要有2種：一種是水溶性的，另一種是不溶性的。在植物體內，以離子和絡合態(tài)的形式存在著很大的毒性，而非水溶性的鎘則很難被植物吸收，而在不同的環(huán)境條件下，它們可以相互轉換。比如，在酸性土壤中，鎘的溶解度增加，更容易在土壤中遷移；在土壤的氧化作用下，中國主要磷礦物中的鎘含量在0.1～571 mg/kg之間，大多數在0.2～2.5 mg/kg之間，鎘很容易被作物吸收。除了pH值和Eh值外，鎘的吸附和遷移也受到了伴生離子的影響。

土壤中的鉛容易與有機質相結合，而且很難溶解，大部分的鉛都是在表層土中出現(xiàn)的，而且基本上不會向下運動。鉛對植株的損害主要是葉片中的葉綠素含量降低，影響了植株的呼吸和光合作用[2]。稻谷的吸鉛量最大，但以根為主，其次是莖稈和稈實。因此，在鉛污染的土地上，草稈是不適宜作為草料的。

2.2 磷肥中放射性元素對土壤生態(tài)環(huán)境的影響

磷礦中含有鈾、鐳、氡等少量放射性元素，使用后會造成土地放射性污染?！吨袊追实姆派湫浴癛a”限量（GB 8921—19）》中，磷肥中“Ra”的含量不應大于500 Bq/kg，而國內生產的磷肥“Ra”含量一般低于國家規(guī)定的這一標準。因此，按照當前的磷水平，長期使用不會造成嚴重的輻射污染。而從國外進口磷礦中獲得的“Ra”含量則更高，比如浙江省部分磷肥廠使用摩洛哥磷礦石生產的“Ra”含量都超過了國家二級限值，達到了1 681.5 Bq/kg。因此，進口磷礦石需與國產磷礦石混合，降低“Ra”含量至國家標準以下，方能保證安全生產。

3 施磷對土壤微生物的影響

土壤微生物對磷素的生物化學作用有重要的影響。土壤微生物是植物的第2個基因組，可以為有效地利用磷提供綠色途徑。長期施用磷肥對土壤中的微生物起著選擇性作用，使土壤中的微生物發(fā)生了適應作用[3]。

3.1 增強了微生物對土壤磷的轉化和利用

土壤中的很多微生物都能將不易被植物吸收的磷轉變成可以利用的形式磷。土壤中存在著細菌、真菌和放線菌等微生物，這些微生物在土壤中的分布受土壤類型、利用方式、種植方式等因素的影響。土壤溶解磷微生物在早地中的含量為27%～82%，以細菌最多；在高有機質含量的黑鈣土中，解磷細菌的數目為4.89×107個，而在瓦堿土中只有2×1014個；在田間土壤中，解磷菌的含量占全磷量1/10左右。

3.2 凸顯微生物對無機固定態(tài)磷的溶解作用

在土壤中，大量的微生物會導致不溶于水的無機磷被植物吸收。一些學者用鈣磷灰石培養(yǎng)基對100多種細菌進行了研究，發(fā)現(xiàn)它們不但可以自我繁殖，還可以在單個菌群中形成一個溶蝕環(huán)。另有研究認為，黑曲霉、簡易青霉、金黃青霉等對難溶性AlPO4有較好的溶解性。林啟美等[4]以磷礦粉為唯一磷源進行解磷細菌，6 d后，其溶磷質量分數較未接種時提高10倍以上，且對磷礦粉的溶解性能優(yōu)于細菌。在3個星期的時間里，高嶺石、針鐵礦和無定形氧化鋁對磷的吸收效率分別為42%～43%、42%～46%、38%～43%，而微生物轉化后的磷P含量為17%～34%。

目前，土壤微生物對難溶性無機磷的溶解機制尚不明確。人們普遍認為，微生物活動產生的有機酸或釋放出的質子會使土壤 pH值下降，從而加速難溶性磷酸鹽的溶解；微生物對磷的專性吸收也有影響，即有機陰離子與磷酸鹽之間存在著競爭的吸附作用，從而釋放出磷酸鹽[5]。

3.3 促進了微生物降解礦化作用

有機磷質量分數是全磷總量的1/3～1/2，主要由核酸、植素和磷脂3種物質組成，這些物質必須經過降解和礦化才能被植物所吸收。土壤中有機磷的礦化與累積是由土壤微生物通過磷酸酶的催化而發(fā)生的。在磷成為制約植物和微生物的最主要因素時，由微生物產生的酸性或堿性磷酸酶將植酸鹽、磷脂等有機磷化物分解成簡單的無機化合物供植物吸收。有數據表明，用解磷處理的巨型芽孢桿菌可以使土壤有機質含量增加15%；將該解磷菌接種于含機磷含量高的松軟土壤，效果最佳。這主要是由于解磷微生物將有機磷釋放而使其成為有用的無機磷。

3.4 提高了微生物對磷的固持效率

有機質的礦化與微生物的固持是土壤有機磷與有機磷轉換的重要環(huán)節(jié)，其主要表現(xiàn)為：有機磷化合物的礦化轉化為PO43－，而PO43－則被生物固著轉變?yōu)橛袡C磷化物。土壤中的磷含量是由2個方向相反且同時進行的2種反應速度決定的。土壤中可降解有機物的磷含量是微生物固定和釋放的重要因素。在有機質w (C)/w (P)＞300的情況下，土壤的固持率比礦化率高，且存在著微生物的凈固持性；相反，在此比值小于200時，土壤固持率低于礦化率，則為有機質凈礦化。當含磷量低于0.2%～0.3%時，秸稈等植物的殘體會發(fā)生降解，從而產生有效磷的凈固持，使土壤中的有效磷被微生物所占據，引起作物在生長過程中發(fā)生競爭關系。在綠肥和肥料的分解前期，土壤中的無機磷和無機磷的降解都表現(xiàn)出了微生物對無機磷的吸附[6]。微生物通過其本身溶解或礦化的部分磷，在其增殖過程中形成了自己的細胞。微生物體內的磷很容易被礦物轉化成植物的有效磷，因此，微生物激活的磷必須包含自己所使用的磷。

3.5 VA-菌根真菌對磷的作用效果明顯

菌根真菌對土壤磷的吸收和利用具有較大的優(yōu)勢。菌根真菌除了有利用普通微生物激活土壤磷素的作用之外，還可以延伸至其他植物根系無法觸及的區(qū)域，即植物根系無法滲透的大團塊。此外，菌絲體對土壤中低濃度養(yǎng)分的吸收效果優(yōu)于植株根系，并能增強新根對土壤滲透能力的影響。以VA-菌根真菌為代表的小麥為例，其菌根的酸性、堿性磷酸酶活力、植株對磷素的吸收能力都有所提高。大量的研究數據表明，在大多數主要農作物中，特別是在豆科、禾谷等作物中，菌根對低級磷灰石的利用有顯著的促進作用。

4 結束語

磷是植物生長所必需的養(yǎng)分，目前我國1/3～1/2耕地的土壤中普遍存在磷含量不足10 mg/kg的情況。施用磷肥后，容易生成難溶的磷酸鹽，很快被土壤中的礦物質所吸收，或被微生物所固持，其當季利用率通常只有10%～25%。磷的利用率較低，但糧食產量的大幅增加又往往需要大量的磷肥，這不但會造成有限磷肥資源的浪費，而且會增加農田徑流中的磷含量，從而加劇水體的富營養(yǎng)化。許多土壤中的微生物能夠釋放出大量的質子和有機酸，從而使不溶于水的無機磷被分解，產生磷酸酶來降解。其中，以磷最為活躍，轉化效率高，可轉化為高效磷 。因此，尋找有效地激活土壤中的植物磷資源，以提高其利用效率，是促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和維持生態(tài)環(huán)境的關鍵。土壤微生物是土壤中營養(yǎng)物質的轉換與循環(huán)的重要力量。因此，通過微生物的作用，可以有效地提高土壤營養(yǎng)素的利用率。