氨基酸增值磷肥對黃褐土磷素有效性及酶活性的影響

摘要： 為了明確氨基酸增值磷肥對黃褐土中的磷素有效性及相關(guān)酶活性的影響，本研究采用室內(nèi)土培方法，設(shè)置不施磷肥（CK）、施普通磷肥（P）和施3種氨基酸增值磷肥[添加0.5%氨基酸的氨基酸增值磷肥（AP0.5）、添加1.0%氨基酸的氨基酸增值磷肥（AP1.0）和添加5.0%氨基酸的氨基酸增值磷肥（AP5.0）]共5個(gè)處理，分別測定不同土層、不同培養(yǎng)時(shí)間土壤磷素有效性和堿性磷酸酶活性。結(jié)果表明，0～20 cm土層土壤從培養(yǎng)第7 d開始，AP0.5、AP1.0、AP5.0處理pH顯著低于CK和P處理；40～60 cm土層土壤從培養(yǎng)第7 d開始，各處理pH顯著低于CK，且都在第60 d達(dá)到最低值。土壤中有效磷和Ca-P含量與CK相比顯著提高。不同深度土層中氨基酸增值磷肥對土壤堿性磷酸酶活性的促進(jìn)作用表現(xiàn)不一，總的來看，以5.0%氨基酸添加量的氨基酸增值磷肥作用效果較好。本研究結(jié)果為小分子物質(zhì)活化磷肥性能提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 氨基酸增值磷肥；黃褐土；磷轉(zhuǎn)化；堿性磷酸酶活性

中圖分類號： S153.6⁺21;S143.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1000-4440（2024）11-2046-07

Effects of amino acid value-added phosphate fertilizer on phosphorus availability and enzyme activity in yellow cinnamon soil

CHENG Lin， WANG Zongya， HUANG Shuangshuang， WU Hongyan， LI Jun， LI Ruichao

（School of Hydraulic Engineering， Wanjiang University of Technology， Ma’anshan 243031， China）

Abstract： In order to clarify the effects of amino acid value-added phosphate fertilizer on phosphorus availability and related enzyme activities in yellow cinnamon soil， the indoor soil culture method was adopted in this study. Five treatments were set up： no phosphate fertilizer （CK）， ordinary phosphate fertilizer （P） and amino acid value-added phosphate fertilizer with 0.5% amino acid （AP0.5）， amino acid value-added phosphate fertilizer with 1.0% amino acid （AP1.0） and amino acid value-added phosphate fertilizer with 5.0% amino acid （AP5.0）. Soil phosphorus availability and alkaline phosphatase activity were measured in different soil layers and different incubation time. The results showed that the soil pH of AP0.5， AP1.0 and AP5.0 treatments was significantly lower than that of CK and P treatment in 0-20 cm soil layer from the 7th day of culture. From the 7th day of culture， the pH of 40-60 cm soil layer was significantly lower than that of CK， and reached the lowest value on the 60th day. The contents of available phosphorus and Ca-P in soil were significantly higher than those in CK. The promoting effect of amino acid value-added phosphate fertilizer on soil alkaline phosphatase activity in different soil layers was different. In general， the effect of amino acid value-added phosphate fertilizer with 5.0% amino acid addition was better. The results of this study provide a theoretical basis for the activation of phosphate fertilizer by small molecular substances.

Key words： amino acid value-added phosphate fertilizer;yellow cinnamon soil;phosphorus transformation;alkaline phosphatase activity

磷是農(nóng)作物生長的必需營養(yǎng)元素，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施入的磷肥除了被作物吸收外，相當(dāng)一部分會(huì)累積在土壤中，造成磷肥當(dāng)季利用率僅在25%左右^[1-2]，累積在土壤中的磷會(huì)通過徑流作用污染水體，引發(fā)一系列環(huán)境問題^[3]。此外，磷肥產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致磷礦大量消耗，可能造成資源枯竭等問題，有研究結(jié)果表明，中國磷礦儲(chǔ)量僅供開采約20年^[4]。因此，降低磷的固定性、提高磷肥利用率一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和探討的焦點(diǎn)。目前提高磷肥利用率主要有３種方法，一是篩選磷高效基因型作物以增強(qiáng)植物本身對磷的吸收利用^[5-7]；二是調(diào)控土壤環(huán)境、改善施肥方式以提高植物對磷肥的利用率^[8-9]；三是在不改變磷肥生產(chǎn)工藝的前提下，基于土壤-作物-肥料中磷素的轉(zhuǎn)化特征，通過添加改性材料達(dá)到促進(jìn)磷素釋放的目的^[10]。其中，向傳統(tǒng)磷肥中添加生理活性物質(zhì)進(jìn)行改性增效是開創(chuàng)新型肥料研究的重要舉措之一。有研究結(jié)果表明，將腐殖酸和海藻酸類生物大分子物質(zhì)作為增效劑添加到磷肥中，有助于降低土壤磷固定，提高磷肥利用率^[11-15]。然而，由于這些物質(zhì)多為復(fù)合物質(zhì)，其增效機(jī)理較為復(fù)雜，因此迫切需要開發(fā)小分子肥料增效劑以提升磷肥利用率。小分子氨基酸類物質(zhì)富含氨基和羧基，與磷肥混合能夠增強(qiáng)磷的有效性，從而提高磷肥利用率^[16]。另有研究人員指出，向水溶性肥料中添加氨基酸發(fā)酵尾液增效作用顯著，并能提高土壤中的有效磷含量^[17]。劉洪芳^[18]和周紅梅等^[19]將海藻提取物（主要成分為海藻酸、氨基酸等）作為磷肥添加劑進(jìn)行土培試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)海藻提取物能增加土壤中無機(jī)磷含量，并能螯合土壤中的金屬陽離子，活化土壤固態(tài)磷，增強(qiáng)磷素有效性。Sharif等^[20]指出氨基酸類活性物質(zhì)不僅可以通過還原作用活化土壤固態(tài)磷，還可以促進(jìn)解磷微生物增殖以活化土壤難溶性磷。但是關(guān)于氨基酸作為添加劑生產(chǎn)的氨基酸增值磷肥在土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化與增效機(jī)理的探究鮮見報(bào)道。

本研究通過在磷酸二銨中添加不同比例的氨基酸，制備成氨基酸增值磷肥，并采用室內(nèi)土培試驗(yàn)，研究氨基酸增值磷肥在室內(nèi)條件下對土壤pH、無機(jī)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化以及堿性磷酸酶活性的影響，為氨基酸類小分子物質(zhì)提高磷肥利用率提供數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤 供試土壤采自皖江工學(xué)院農(nóng)業(yè)園0～20 cm土層和40～60 cm土層，自然風(fēng)干后過2 mm篩。土壤類型為黃褐土，土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.1.2 供試肥料

1.1.2.1 氨基酸增效劑 由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所提供，氨基酸總量為20%，主要成分為谷氨酸、賴氨酸、纈氨酸和丙氨酸。

1.1.2.2 氨基酸增值磷肥（AP） 分別按0.5%、1.0%和5.0%的比例將氨基酸增效劑添加到磷酸二銨中，混勻后粉碎、過1 mm篩，最終形成0.5%氨基酸增值磷酸二銨（AP0.5）、1.0%氨基酸增值磷酸二銨（AP1.0）和5.0%氨基酸增值磷酸二銨（AP5.0）。

1.1.2.3 普通磷肥（P） 用和1.1.2.2中相同的磷酸二銨，直接粉碎后過1 mm篩，得到不含氨基酸增效劑的普通磷肥（P）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2023年5-8月在皖江工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，共設(shè)置5個(gè)處理，分別是不施肥對照（CK）、施用P、施用AP0.5、施用AP 1.0以及施用AP 5.0，處理中的施磷量（以P₂O₅計(jì)算）均為1.00 kg土壤加0.30 g P₂O₅，每個(gè)處理重復(fù)21次。稱取風(fēng)干土壤100.00 g于培養(yǎng)杯中，根據(jù)試驗(yàn)處理分別加入P、AP0.5、AP1.0和AP5.0，將土壤充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，調(diào)整其含水量至田間最大持水量的60%，然后使用帶有孔洞的保鮮膜封口，將其放置在25 ℃人工氣候室中保持一定濕度進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)期間定期稱重，采用重量法補(bǔ)充水分。在培養(yǎng)第1 d、第3 d、第5 d、第7 d、第14 d、第30 d和第60 d分別取樣進(jìn)行土壤pH、速效磷含量、無機(jī)磷含量以及堿性磷酸酶活性測定。

1.3 測定方法

土壤基本理化性質(zhì)按照常規(guī)分析方法進(jìn)行測定，土壤pH采用電位法（土∶水為1.00 mL∶2.50 g）測定，速效磷含量采用NaHCO₃浸提-鉬銻抗比色法測定^[21]；無機(jī)磷形態(tài)（Ca₂-P、Ca₈-P）含量采用分級測定方法測定^[22]；土壤堿性磷酸酶活性采用熒光微型板酶檢測技術(shù)測定^[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算磷肥在土壤中的固定率，應(yīng)用以下公式：

固定率=[（施入P₂O₅量-土壤有效磷增加量）/施入的P₂O₅量]×100%。

公式中土壤有效磷增加量指的是培養(yǎng)60 d后施磷組與對照組土壤有效磷含量的差值。數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2017整理后，再用SPSS 22、Duncan’s和Origin 2018進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、多重比較和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨基酸增值磷肥對土壤pH的影響

從表2可知，0～20 cm土層從培養(yǎng)第7 d開始，AP0.5、AP1.0、AP5.0處理土壤pH值顯著低于CK和P處理。隨著培養(yǎng)時(shí)間增加AP1.0處理土壤pH值逐漸下降，并在第60 d達(dá)到最低值；AP0.5和AP5.0處理pH值呈先降低后微升的趨勢，并且都在第30 d達(dá)到最低值。40～60 cm土層從培養(yǎng)第7 d開始，各處理之間的土壤pH值顯著低于CK，且都在第60 d達(dá)到最低值。培養(yǎng)第60 d，0～20 cm土層3種氨基酸增值磷肥與第1 d相比土壤pH降幅分別為0.24、0.28、0.29個(gè)單位，普通磷肥處理與第1 d相比土壤pH的降幅為0.15個(gè)單位；40～60 cm土層3種氨基酸增值磷肥與第1 d相比土壤pH的降幅分別為0.39、0.39、0.44個(gè)單位，普通磷肥處理與第1 d相比土壤pH的降幅為0.21個(gè)單位。

2.2 氨基酸增值磷肥對土壤有效磷含量的影響

從圖1可見，P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理土壤中有效磷含量與CK相比均顯著增加。在0～20 cm土層（圖1 A），培養(yǎng)3 d、7 d和30 d時(shí)3種氨基酸增值磷肥處理較普通磷肥處理有效磷含量顯著增加；AP0.5和AP1.0處理在第7 d時(shí)有效磷含量達(dá)到峰值，AP5.0處理在第5 d時(shí)達(dá)到峰值。在40～60 cm土層（圖1 B），培養(yǎng)5 d時(shí)，AP5.0處理有效磷含量與普通磷肥相比顯著增加，培養(yǎng)14 d時(shí)，AP0.5處理有效磷含量與普通磷肥相比顯著增加，培養(yǎng)30 d時(shí)，3種氨基酸增值磷肥處理有效磷含量與普通磷肥相比均顯著增加，培養(yǎng)60 d時(shí)，AP0.5和AP5.0處理有效磷含量與普通磷肥相比顯著增加；AP0.5、AP1.0、AP5.0處理有效磷含量均在第5 d時(shí)達(dá)到峰值。

2.3 氨基酸增值磷肥對土壤Ca₂-P含量的影響

從圖2可見，不同土層P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理土壤中Ca₂-P含量與CK相比均顯著提高，但是從整個(gè)培養(yǎng)期看，P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理土壤中Ca₂-P含量后期低于前期，且均在第60 d達(dá)到最低點(diǎn)。0～20 cm土層（圖2A），P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理在7～60 d期間Ca₂-P含量呈逐漸下降之勢；AP5.0處理在第5 d時(shí)顯著高于P處理。40～60 cm土層（圖2B），P處理和AP0.5處理在14～60 d期間Ca₂-P含量呈逐漸下降之勢；AP1.0處理和AP5.0處理在5～60 d期間Ca₂-P含量呈逐漸下降之勢；AP0.5、AP1.0、AP5.0處理在第7 d時(shí)顯著高于P處理。該研究結(jié)果表明，施用氨基酸增值磷肥增加不同土層土壤中Ca₂-P含量的效果均體現(xiàn)在前期。

2.4 氨基酸增值磷肥對土壤Ca₈-P含量的影響

由圖3可以看出，不同土層P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理土壤中Ca₈-P含量與CK相比均顯著提高，但是從整個(gè)培養(yǎng)期看，P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理土壤中Ca₈-P含量后期低于前期。在0～20 cm土層中（圖3A），P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理在第3 d時(shí)Ca₈-P含量達(dá)峰值，隨后呈波動(dòng)下降之勢；AP1.0、AP5.0處理在第60 d達(dá)最低值，AP0.5在第30 d時(shí)Ca₈-P含量最低；第1 d和第5 d時(shí)AP0.5、AP1.0、AP5.0處理Ca₈-P含量顯著高于P處理。40～60 cm土層（圖2B），P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理在第3 d時(shí)Ca₈-P含量達(dá)峰值，5～60 d期間P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理土壤中Ca₈-P含量變化相對平緩。

2.5 氨基酸增值磷肥對土壤堿性磷酸酶活性的影響

由圖4A可見，在0～20 cm土層中，從整個(gè)培養(yǎng)周期看，各處理土壤堿性磷酸酶活性呈波動(dòng)上升趨勢，并且都在第60 d達(dá)到峰值。培養(yǎng)第3 d和第60 d時(shí)，AP0.5、AP1.0、AP5.0處理較P處理土壤堿性磷酸酶活性顯著升高，培養(yǎng)5 d時(shí)，AP5.0處理土壤堿性磷酸酶活性較P處理顯著增加。由圖4B可見，在40～60 cm土層中，與CK相比，P、AP0.5、AP1.0、AP5.0處理土壤堿性磷酸酶活性均顯著下降。從整個(gè)培養(yǎng)周期看，CK呈先上升后大幅度下降再微升的趨勢；其余各處理波動(dòng)較多，但均在第60 d時(shí)達(dá)峰值。

3 討論

3.1 氨基酸增值磷肥對土壤pH和有效磷含量的影響

土壤pH是衡量土壤養(yǎng)分有效性的重要依據(jù)^[24]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示在0～20 cm土層中從培養(yǎng)7 d開始，3種氨基酸增值磷肥處理的土壤pH值顯著低于普通磷肥處理，這與付文杰等^[25]和劉博等^[26]的研究結(jié)果一致?？赡苁且?yàn)榘被嵩谕寥乐械陌胨テ趦H為1～12 h^[27]，極易被土壤微生物水解生成酸性物質(zhì)，降低土壤pH值；這也許是其能夠提高磷肥有效性的原因之一。本研究結(jié)果顯示，氨基酸增值磷肥處理在培養(yǎng)前期增加土壤有效磷含量較后期效果更好，減少了磷素在土壤中的固定，從而提高土壤供磷水平，并且這種增加趨勢在40～60 cm土層中比0～20 cm土層中效果更好。這可能是因?yàn)榘被徇M(jìn)入土壤后，經(jīng)過一段時(shí)間會(huì)改善土壤環(huán)境，促進(jìn)難溶性磷的活化，從而提高磷的利用效率。另一方面，氨基酸可以在微生物的作用下分解成有機(jī)酸，然后與土壤中金屬元素（如鈣、鐵、鋁等）形成絡(luò)合物，減少磷的固定，提高磷的利用效率^[28-29]。而下層土壤擾動(dòng)較小，并且植物主要吸收耕層土壤養(yǎng)分，所以氨基酸增值磷肥對40～60 cm土層土壤有效磷增加量要優(yōu)于0～20 cm土層，這也側(cè)面表明了氨基酸增值磷肥可以增加土壤中磷素的保蓄能力。但在培養(yǎng)后期（30～60 d），氨基酸增值磷肥處理的土壤有效磷含量下降。這可能是因?yàn)榘被釋α追实脑鲋的芰Τ中r(shí)間大概在30 d左右^[30]。

3.2 氨基酸增值磷肥對土壤無機(jī)磷形態(tài)的影響

對于無機(jī)磷形態(tài)的劃分體系，目前主要接受的是蔣柏藩等^[22]的土壤無機(jī)磷形態(tài)分級體系。針對這一分級體系，經(jīng)過學(xué)術(shù)界的持續(xù)研究，已得出結(jié)論認(rèn)為Ca₂-P是速效性磷的來源，而Ca₈-P則屬于緩釋磷，其釋放速度可隨作物對磷素的吸收以及土壤有效磷含量的降低而逐漸增加。在本研究所選用的土壤培養(yǎng)條件下，氨基酸增值磷肥對土壤中Ca₂-P和Ca₈-P含量有一定影響。這可能是因?yàn)榘被崤c磷肥混合后，土壤局部磷酸根濃度降低，使磷酸根離子與金屬離子接觸的時(shí)間和空間發(fā)生了變化，減少了土壤對磷的固定，增加了磷的有效性^[31]。目前關(guān)于氨基酸對改性磷肥及改性后磷肥在土壤中形態(tài)轉(zhuǎn)化的研究報(bào)道還不夠充分，本研究僅選取了Ca₂-P和Ca₈-P作為研究對象，關(guān)于氨基酸增值磷肥對緩效性磷源（Al-P和Fe-P）的影響尚需進(jìn)一步研究論證。

3.3 氨基酸增值磷肥對土壤堿性磷酸酶活性的影響

磷酸酶有助于將土壤中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為植物可以吸收利用的無機(jī)磷，從而增強(qiáng)土壤中磷素的有效性，在土壤磷素轉(zhuǎn)化中起著重要作用^[32-33]。土壤微生物多樣性和肥力水平的重要生物學(xué)指標(biāo)之一就是其活性^[34-42]。本研究結(jié)果表明，氨基酸增值磷肥與普通磷肥相比總體上提高了土壤堿性磷酸酶活性。這可能是因?yàn)榘被嵩鲂┑奶砑哟龠M(jìn)了含碳化合物的水解，誘導(dǎo)了堿性磷酸酶的合成^[43]，并且氨基酸作為小分子有機(jī)化合物，可在短期內(nèi)改變土壤碳氮比，促進(jìn)土壤微生物活性，提高土壤中有機(jī)磷的含量，增強(qiáng)堿性磷酸酶活性，這與周俊國等^[44]關(guān)于堿性磷酸酶活性與土壤微生物呼吸量和總生物量呈顯著相關(guān)的結(jié)果相似。

土壤酶對土壤肥力和其他外部環(huán)境因素的敏感性較高，不同深度土層中土壤酶活性存在差異^[45]。本研究結(jié)果顯示，施用氨基酸增值磷肥對不同深度土層中土壤堿性磷酸酶活性影響各異，0～20 cm土層的土壤堿性磷酸酶活性普遍高于40～60 cm土層。這可能是由于0～20 cm土層中土壤肥力較高，有機(jī)質(zhì)含量豐富，微生物數(shù)量眾多，微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致堿性磷酸酶活性升高^[46-48]。相反，40～60 cm土層中的土壤堿性磷酸酶活性較低。就整個(gè)培養(yǎng)期而言，氨基酸增值磷肥處理的土壤堿性磷酸酶活性與普通磷肥處理的差異達(dá)到顯著的天數(shù)并不多，這可能是因?yàn)榘被嶙鳛橐活愃傩苑柿显鲂┍豢焖倮?，使微生物無法攝取持續(xù)能源進(jìn)行大量繁殖，導(dǎo)致合成堿性磷酸酶的能力減弱。

4 結(jié)論

氨基酸增值磷肥在不同土層不同培養(yǎng)時(shí)間可改善土壤物理環(huán)境，減少磷素固定，提高土壤有效磷含量，增加土壤堿性磷酸酶活性。但不同氨基酸添加量（0.5%、1.0%和5.0%）對磷肥在土壤中轉(zhuǎn)化和堿性磷酸酶活性的影響有所不同。與施用普通磷肥相比，施用氨基酸增值磷肥的土壤pH從第7 d開始顯著降低。不同深度土層中，氨基酸增值磷肥對土壤堿性磷酸酶活性的促進(jìn)作用表現(xiàn)不一，總的來說，以1.0%氨基酸和5.0%氨基酸添加量的氨基酸增值磷肥作用效果更好。

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（責(zé)任編輯：黃克玲）