基于微生物化學計量學研究有機肥促進稻田土壤磷轉(zhuǎn)化的作用

張玲玉,陳光蕾,趙洪猛,鄔立伍,陳 浩,于云飛,葉文玲,汪 玉② (1.安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,安徽 合肥 0000;.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室/ 中國科學院南京土壤研究所,江蘇 南京 10008;.合肥市長豐縣生態(tài)環(huán)境分局,安徽 合肥 1100)

磷是限制農(nóng)作物增產(chǎn)的主要因素之一[1]?；瘜W磷肥為保障我國糧食供給做出了巨大貢獻,但磷肥施入土壤后易被固定和吸附,僅有小部分磷溶解在土壤溶液中被作物直接吸收利用[2],導致我國磷肥當季利用率僅為10%～25%[3]。過量施用化學磷肥導致土壤磷不斷累積,可以通過徑流或滲漏的方式引發(fā)水體富營養(yǎng)化[4]。自原農(nóng)業(yè)部2015年出臺《到2020年化肥使用量零增長行動方案》以后化肥利用率有所提高[5],但對資源替代的需求仍是提高肥料利用率的一個重要方向。

有機肥施用可顯著影響土壤磷組分。例如,CHEN等[6]發(fā)現(xiàn),豬糞和雞糞可顯著增加土壤中活性無機磷含量;宋佳明等[7]通過5 a田間定位試驗研究表明,有機肥的施用可顯著增加土壤活性、中活性和中穩(wěn)性有機磷含量,且活性和中活性有機磷含量對作物吸磷總量貢獻較大。有機肥施用不僅可以提高土壤中磷含量,還可促進土壤磷組分之間的轉(zhuǎn)化。CHEN等[8]通過30 d的培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn),有機肥可以通過改變微生物生物量、增加微生物群落豐度,從而促進氫氧化鈉提取態(tài)無機磷(NaOH-Pi)向碳酸氫鈉提取態(tài)無機磷(NaHCO3-Pi)的轉(zhuǎn)化。

土壤微生物生物量是反映土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量流動的重要指標[9]。微生物生物量化學計量的浮動反映了微生物對能量(C)和營養(yǎng)物質(zhì)(N和P)的需求變化[10]。當土壤養(yǎng)分資源發(fā)生改變時,微生物為適應資源變化而調(diào)整體內(nèi)元素計量,以滿足其自身生長的最佳化學計量比[11]。有機肥的添加有利于土壤微生物活性的增加[12],從而對土壤磷轉(zhuǎn)化起到積極作用[8,13]。

目前針對有機肥替代對土壤肥力影響的研究多為等氮量添加[14],由于有機肥平均N/P比約為2,遠高于典型作物本身的N/P比[15],導致作物對有機肥養(yǎng)分利用以及土壤均出現(xiàn)盈余[16]。因此研究不同氮添加量的有機肥對土壤磷轉(zhuǎn)化及有效性的影響對于磷肥高效利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 田間試驗設計

試驗依托江蘇省南京市稻田有機肥施用定位試驗點(高淳區(qū)歸來兮有機農(nóng)場,31°25′ N,119°09′ E)。該地區(qū)年平均溫度為16.9 ℃,年平均降水量為1 157 mm,試驗起始于2017年稻季。試驗地供試土壤為黃棕壤型水稻土,土壤基本理化性質(zhì):pH 值為6.82,w(SOC)為12.4 g·kg-1,w(TN)為1.47 g·kg-1,w(TP)為0.54 g·kg-1,w(Olsen-P)為20.4 g·kg-1,w(AK)為107 mg·kg-1。

處理所用有機肥為豬糞發(fā)酵商品有機肥(100%替代化學肥料),按照施氮量(以N計)共設計5個處理:0(N0)、75(N75)、150(N150)、225(N225)和300 kg·hm-2(N300)氮肥,每個處理設置3個重復,共15個試驗小區(qū),每個試驗小區(qū)面積40 m2,隨機設計。種植方式為水稻-紅花草輪作,水稻種植期一般為每年6—10月。有機肥60%作為基肥施用,40%作為追肥施用。有機肥養(yǎng)分含量:w(N)為30.3 g·kg-1,w(P2O5)為28.3 g·kg-1,w(K2O)為20.3 g·kg-1。有機肥處理折合成含磷量(以P2O5計)分別為:0(N0)、70(N75)、140(N150)、210(N225)和280 kg·hm-2(N300)。

1.2 樣品采集及指標測定方法

采集2019年稻季苗期及收獲期0～20 cm深處土壤樣品,用直徑5 cm土鉆五點取樣法采集5個深度為20 cm土芯,每個小區(qū)的所有樣品都經(jīng)過仔細混合形成單一復合土壤,于室內(nèi)風干,過0.15及0.85 mm孔徑篩后測定土壤Olsen-P和TP含量。

土壤理化性質(zhì)測定方法主要參照《土壤農(nóng)化分析》[17]。土壤pH值采用玻璃電極酸度計(Thermo ORION STAR A211)測定,水土比為2.5∶1(V∶m)的土壤懸液;樣品SOC和TN含量采用碳氮分析儀(vario MACRO CN,Elementar Analysensysteme GmbH,德國)通過干燒法進行測定;樣品TP含量采用濃H2SO4-H2O2熱消化,紫外分光光度計鉬藍比色法測定(UVmini-1240);土壤速效鉀含量采用火焰原子吸收法測定;土壤速效磷(Olsen-P)含量采用碳酸氫鈉(0.5 mol L-1NaHCO3,pH值=8.5)萃取0.5 h后,用鉬藍法比色法測定。

1.2.1土壤磷組分分級方法

土壤不同磷組分分級根據(jù)TIESSEN等[18]對HEDLEY磷分級的改進方法[19]進行測定,主要分為樹脂提取態(tài)磷(Resin-P)、NaHCO3提取態(tài)無機磷(NaHCO3-Pi)、NaHCO3提取態(tài)有機磷(NaHCO3-Po)、NaOH 提取態(tài)無機磷(NaOH-Pi)、NaOH 提取態(tài)有機磷(NaOH-Po)、1 mol·L-1稀鹽酸提取態(tài)磷(HCl-P)和濃H2SO4與H2O2提取殘余態(tài)磷(Residual-P)。將Resin-P、NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po作為可利用態(tài)磷(Available-P);NaOH-Pi和NaOH-Po作為次生礦物磷(Secondary-P);HCl-P作為初生礦物磷(Primary-P);Residual-P作為穩(wěn)態(tài)磷(Stable-P)。

1.2.2土壤有機磷分級方法

為了進一步研究有機肥對土壤有機磷的影響,土壤有機磷分級采用BOWMAN等[20]提出的分級方法。有機磷分為3種形態(tài):(1)0.5 mol·L-1NaHCO3提取的活性有機磷(labile organic P,LPo),表示易礦化為植物吸收的有機磷組分;(2)0.1 mol·L-1HCl提取的中活性有機磷(moderately labile organic P,MLPo),表示較易礦化且易為植物吸收的有機磷組分;(3)0.5 mol·L-1NaOH提取的穩(wěn)性有機磷(stable organic P,STPo),表示較難礦化且難為植物吸收的有機磷組分。

1.2.3土壤微生物量測定方法

土壤微生物生物量通過氯仿熏蒸提取法測定[21-22]。土壤樣品在測定微生物量之前進行預培養(yǎng),去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量w為55%田間持水量,預培養(yǎng)14 d,以恢復微生物活性。微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)含量采用氯仿熏蒸,0.5 mol·L-1K2SO4浸提,土液比(m∶V)為1∶4測定。

BC/BN=(F-U)/k。

(1)

式(1)中,BC為微生物量碳含量,mg·kg-1;BN為微生物量氮含量,mg·kg-1;F為熏蒸測定值;U為不熏蒸測定值;k為校正系數(shù),其中kMBC=0.45,kMBN=0.54。

微生物量磷(MBP)含量采用氯仿熏蒸,0.5 mol·L-1NaHCO3(pH值8.5)浸提法,土液比(m∶V)為1∶20,同時于未熏蒸土壤中加入25 μg·g-1(以P計)KH2PO4溶液用于測定P回收率。MBP含量測定公式為

BP=(F-U)/(kP×RP)。

(2)

式(2)中,BP為微生物量磷含量,mg·kg-1;kP為校正系數(shù),0.4;RP為外加KH2PO4的回收率。

1.3 統(tǒng)計分析

采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)來檢驗各有機肥施用量處理樣本之間差異(Duncan檢驗);冗余分析(RDA)用于磷組分與土壤pH值及微生物生物量之間的關系評估;Pearson相關分析用于磷組分與土壤pH值及微生物生物量的相關性分析;采用Origin 2021 b及R Studio軟件進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同梯度有機肥施用量對稻田土壤速效磷及總磷含量的影響

在水稻苗期和收獲期,與不施肥處理相比,所有施肥處理均增加了土壤速效磷及總磷含量(圖1)。在水稻苗期,與N0處理相比,各施肥處理均顯著增加速效磷含量(27.8%～58.8%)(P<0.05),且隨施肥量增加呈先增加后下降的趨勢,其中以N150處理速效磷含量(20.5 mg·kg-1)增加最為顯著。除N75處理外,其余施肥處理均顯著增加了總磷含量(6.97%～12.1%)(P<0.05),且隨施肥量增加而增加。在水稻收獲期,與N0處理相比,除N75處理外,其余施肥處理均顯著增加土壤速效磷含量(12.9%～153%)(P<0.05),且增幅相較苗期更大;N300和N225處理顯著增加總磷含量(5.80%～40.6%)(P<0.05),其中以N300處理速效磷(31.3 mg·kg-1)和總磷含量(648 mg·kg-1)最高。

N0～N300表示施氮量為0～300 kg·hm-2。同一時期直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間磷含量差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同梯度有機肥施用量對稻田土壤磷不同賦存形態(tài)的影響

不同梯度有機肥施用下水稻苗期和收獲期土壤磷賦存形態(tài)的變化如圖2所示。在水稻苗期,與N0處理相比,除N75處理外,其余施肥處理均顯著增加可利用態(tài)磷(37.3%～78.2%)和次級礦物磷含量(7.50%～21.5%)(P<0.05),其中可利用態(tài)磷含量以N300處理(89.8 mg·kg-1)最高,次級礦物磷含量以N225處理(148 mg·kg-1)最高,而各處理對初級礦物磷和穩(wěn)態(tài)磷含量均無顯著影響;在水稻收獲期,與N0處理相比,除N75處理外,其余施肥處理均顯著增加了可利用態(tài)磷(51.5%～142.4%)、次級礦物磷(15.3%～62.3%)和初級礦物磷(26.3%～41.3%)含量(P<0.05),其中以N300處理可利用態(tài)磷(124 mg·kg-1)、次級礦物磷(200 mg·kg-1)和初級礦物磷(125 mg·kg-1)含量最高。

可利用態(tài)磷=樹脂磷(Resin-P)+ NaHCO3提取態(tài)無機磷(NaHCO3-Pi)+ NaHCO3提取態(tài)有機磷(NaHCO3-Po);次生礦物磷=NaOH提取態(tài)無機磷(NaOH-Pi)+ NaOH提取態(tài)有機磷(NaOH-Po);初生礦物磷=鹽酸提取態(tài)磷(HCl-P);穩(wěn)態(tài)磷=殘余態(tài)磷(Residual-P)。N0～N300表示施氮量為0～300 kg·hm-2。同一時期直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間磷含量差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同梯度有機肥施用量對稻田土壤有機磷含量的影響

不同梯度有機肥施用下水稻苗期及收獲期土壤有機磷賦存形態(tài)的變化如圖3所示。在水稻苗期,與N0處理相比,各施肥處理均顯著增加了土壤活性有機磷含量(P<0.05),其中N150處理含量(27.2 mg·kg-1)最高;N75和N150處理顯著增加中等活性有機磷含量(11.1%～43.7%)(P<0.05),N225處理的中等活性有機磷含量無顯著變化,而N300處理顯著降低中等活性有機磷含量(-10.1%)(P<0.05);各施肥處理均顯著增加了穩(wěn)態(tài)有機磷含量(P<0.05),其中N75處理含量(145 mg·kg-1)最高。在水稻收獲期,與N0處理相比,各施肥處理均顯著增加了活性有機磷含量(26.4%～54.4%)(P<0.05)。除N225處理對中等活性和穩(wěn)態(tài)有機磷含量無顯著影響外,其余施肥處理均顯著增加了中等活性有機磷(45.2%～94.6%)和穩(wěn)態(tài)有機磷(6.75%～13.0%)含量(P<0.05)。

LPo—活性有機磷;MLPo—中等活性有機磷;STPo—穩(wěn)性有機磷。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間磷含量差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同梯度有機肥施用量對稻田土壤微生物量碳氮磷及其比值的影響

不同梯度有機肥施用下水稻苗期及收獲期土壤微生物量碳、氮、磷含量及其比值如圖4所示。在水稻苗期,與N0處理相比,除N75處理對MBC和MBN含量無顯著影響外,其余施肥處理均顯著增加MBC、MBN和MBP含量(P<0.05),其中以N225和N300對MBC(62.4%～71.3%)和MBN(45.5%～97.8%)含量增加最為顯著,N150處理顯著提高MBP含量(171%,P<0.05);各施肥處理對MBC/MBN比無顯著影響,此外,MBC/MBP比和MBN/MBP比變化趨勢一致,其中N75和N150處理下MBC/MBP比(-55.4%～-32.7%)和MBN/MBP比(-57.6%～-38.9%)顯著降低(P<0.05)。在水稻收獲期,與N0處理相比,N150、N150和N300處理顯著增加MBC含量(24.6%～145%)(P<0.05),各施肥對MBN含量無顯著影響;N150和N300處理顯著增加MBP含量(20.4%～51.2%)(P<0.05);與N0處理相比,N150處理顯著增加MBC/MBN比(154%)和MBC/MBP比(120%)(P<0.05),而N75對MBN/MBP比(60.8%)增加最為顯著(P<0.05)。

N0～N300表示施氮量為0～300 kg·hm-2。同一時期直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間磷含量差異顯著(P<0.05)。

2.5 不同梯度有機肥施用量下相關因子對土壤磷組分的影響

以不同處理的土壤磷含量為響應變量,以pH值和微生物量碳、氮、磷含量及其計量比為解釋變量進行冗余分析和皮爾遜相關性分析(圖5)。在水稻苗期,pH值的影響較小,土壤速效磷、可利用態(tài)磷、次級礦物磷及活性有機磷含量受微生物量碳、氮含量的影響最大,呈顯著負相關關系(P<0.05),而初級礦物磷和穩(wěn)態(tài)磷含量受環(huán)境因子的影響較小,微生物量計量比主要影響土壤有機磷庫,而對無機磷庫影響較小。在水稻收獲期,pH值顯著影響土壤無機磷庫,此外,MBP含量、MBC/MBP比及MBN/MBP比對無機磷含量影響也比較顯著?；钚杂袡C磷只與MBN含量呈顯著負相關,中等活性及穩(wěn)態(tài)磷有機磷含量主要受MBC含量、MBC/MBN比和MBC/MBP比影響,且呈顯著正相關(P<0.05)。

MBC—微生物量碳含量;MBN—微生物量氮含量;MBP—微生物量磷含量;MBC/MBN—微生物量碳/氮比;MBC/MBP—微生物量碳/磷比;MBN/MBP—微生物量氮/磷比;Olsen-P—土壤速效磷含量;Available P—可利用態(tài)磷含量;Secondary P—次生礦物磷含量;Primary P—初生礦物磷含量;Stable P—穩(wěn)態(tài)磷含量;LPo—活性有機磷含量;MLPo—中等活性有機磷含量;STPo—穩(wěn)性有機磷含量。**表示P<0.01,*表示P<0.05。

3 討論

3.1 不同梯度有機肥施用量顯著增加了土壤可利用態(tài)磷及有機磷含量

施用有機肥可增加土壤總磷和速效磷含量,這與以往研究結(jié)果[23]類似。在水稻生育期內(nèi),土壤可利用態(tài)磷和次生礦物磷含量隨施肥量的增加而增加(圖2),主要原因在于有機肥自身帶有磷源[24]。有研究表明,與不施肥相比,長期施用有機肥可使土壤中易獲得的無機磷含量增加56.0%～286%[25];DU等[26]對來自141項已發(fā)表研究中的774項數(shù)據(jù)進行薈萃分析發(fā)現(xiàn),與礦物肥料相比,有機肥可使有效磷含量平均增加66.2%。有機肥作為化學肥料的替代品,其對土壤磷含量的增加以及磷的可持續(xù)性利用尤為重要。

隨施肥量的增加,稻田苗期土壤Olsen-P含量呈先增加后降低的趨勢(圖1),各處理下初生礦物磷含量之間無顯著性差異,表明過量施用有機肥未能顯著提高土壤有效態(tài)磷含量,這可能是由于在苗期水稻根系較小以及微生物活性較低,其對有機肥中磷未能進行充分利用和降解[24];且過量有機肥(高碳/磷比)會導致土壤磷庫的凈磷固定[27]。與空白對照相比,適當施磷處理(N75和N150)均顯著增加土壤有機磷含量(圖3),有機肥對土壤有機磷含量的提升,一方面是由于有機肥自身有機磷的直接帶入[28-29],另一方面則是由于有機肥促進土壤中有機磷向活性磷的轉(zhuǎn)化以及穩(wěn)性有機磷向活性或中活性有機磷的轉(zhuǎn)化[13]。因此,有機肥在N75和N150施用量下可滿足稻田作物對土壤磷的需求,但是此時施氮量卻相對較低,不一定能滿足作物的氮需求。因此,對于有機肥替代化肥管理,建議考慮作物氮需求的同時能夠控磷,避免磷在土壤中的大量積累以及環(huán)境流失風險。

3.2 土壤微生物生物量在有機肥刺激土壤磷轉(zhuǎn)化過程中起重要作用

微生物參與土壤有機質(zhì)的分解,并與土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分循環(huán)過程密切相關。在該試驗中,與不施肥處理相比,除收獲期各處理MBN含量無顯著性差異外,施肥處理均顯著增加了土壤微生物生物量含量(圖4)。在水稻苗期,土壤MBC和MBN含量與土壤速效磷、可利用態(tài)磷、次生礦物磷及活性有機磷含量呈顯著負相關(圖5),表明微生物量的增加降低了土壤有效磷含量。MBC是農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)土壤磷生物有效性的重要預測因子[30],有機肥施用可全面地為微生物提供營養(yǎng),改善土壤物理性質(zhì),增加通透性,提高微生物繁殖數(shù)量,引起微生物耗磷需求的增加[31],這可能解釋了MBC含量與土壤磷組分(速效磷、可利用態(tài)磷、次生礦物磷及活性有機磷含量)的負相關關系。

與土壤難溶性磷相比,MBP含量可以作為更易被植物有效利用的形式保留礦化磷[32],微生物對磷的儲存有助于減少磷的物理化學固定和浸出[33],因此,施肥處理提高土壤MBP含量,有助于增加土壤生物有效磷含量。與水稻苗期相比,收獲期稻田土壤MBP與土壤Olsen-P含量及土壤無機磷組分含量顯著正相關,造成這一差異的原因可能是水稻生育中后期根系通過一系列機制(釋放分泌物、氧氣、酶、有機質(zhì)等物質(zhì))改變根際的物理化學性質(zhì)和生物組成,進而影響了土壤微生物量及土壤無機磷組分含量[34]。根系對土壤養(yǎng)分活化有重要作用[35],如水稻可將氧氣自上而下運輸?shù)礁考案H土壤,改變根際氧化還原條件,同時水稻根系可以釋放多種分泌物,為微生物生長提供營養(yǎng),還可以通過絡合作用影響土壤磷轉(zhuǎn)化過程及其有效性[36]。

3.3 土壤微生物計量比可調(diào)節(jié)土壤磷的轉(zhuǎn)化及周轉(zhuǎn)

微生物會通過獲取缺失元素及調(diào)整其生物量中有效元素的比例分配維持自身穩(wěn)態(tài)平衡[37],進而影響土壤磷有效性,因此微生物生物量C、N、P比的變化可作為判斷微生物營養(yǎng)狀態(tài)和生長限制的重要依據(jù)[10]。在水稻苗期,與不施肥處理相比,N75和N150處理顯著降低了MBC/MBP比及MBN/MBP比;而在水稻收獲期,N75和N150則顯著增加了MBC/MBN比、MBC/MBP比及MBN/MBP比(圖4),這主要是由MBP含量的變化引起的。微生物可以將土壤中大量的磷固定在生物體內(nèi),極大地改變了土壤有效磷含量[33],而當微生物死亡時,MBP會被釋放出來供新生微生物或植物吸收利用[38],土壤MBP含量可以作為反映土壤磷肥力的主要指標[39]。N75和N150處理中MBP含量的變化是導致微生物計量學差異顯著的主要原因,這也進一步強調(diào)了MBP在微生物計量學以及影響土壤磷有效性方面的重要作用。

在水稻苗期,MBC/MBP比和MBN/MBP比與土壤有機磷組分含量呈顯著負相關,而在收獲期MBC/MBP比和MBN/MBP比與土壤無機磷組分含量呈顯著負相關(P<0.05,圖5)。這是由于在水稻土苗期作物根系較小,微生物生物量的變化主要受有機肥添加的影響,因此微生物計量比的改變與有機磷組分含量顯著相關;而在水稻收獲期,作物根系通過根系分泌物等物質(zhì)的影響促進微生物計量比的改變以及促進有機磷向無機磷的轉(zhuǎn)化,因此微生物計量比的改變主要與無機磷組分含量顯著相關。總體而言,由于有機肥中有機質(zhì)的投入為微生物提供了養(yǎng)分(N和P)和能源(C),刺激了微生物生長,改善土壤物理性質(zhì),從而大大提高土壤微生物活性[40],進而促進了土壤中有機磷和難溶態(tài)磷向有效磷的轉(zhuǎn)化[8]。該研究僅從微生物量及微生物計量比的角度研究了有機肥添加下其影響土壤磷庫轉(zhuǎn)化的作用,需要進一步深入研究微生物化學計量比調(diào)控土壤磷轉(zhuǎn)化的作用機制。

4 結(jié)論

不同梯度有機肥施用可顯著增加水稻土不同磷組分含量,包括速效磷、可利用態(tài)磷、次生礦物態(tài)磷量以及有機磷含量,但是高有機肥施用量也帶入了高施磷量,造成了土壤磷的大量累積且不利于磷組分之間的轉(zhuǎn)化。在有機肥帶入的適宜施磷量處理下(N75和N150),微生物生物量的顯著改變以及微生物計量比(MBC/MBP比及MBN/MBP比)的調(diào)節(jié)對土壤有機磷及難溶態(tài)磷向有效磷的轉(zhuǎn)化起促進作用。