孫星照，沈建國(guó)，王 忠，李 霞，張志劍,3*

(1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 環(huán)境與健康研究所，浙江 杭州 310058； 2.余杭區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，浙江 杭州 311113；3.杭州谷勝農(nóng)業(yè)科技有限公司，浙江 杭州 311108)

水田施用磷肥對(duì)土壤氮庫(kù)活性及周轉(zhuǎn)特性的影響

孫星照1，沈建國(guó)2，王 忠2，李 霞1，張志劍1,3*

(1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 環(huán)境與健康研究所，浙江 杭州 310058； 2.余杭區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，浙江 杭州 311113；3.杭州谷勝農(nóng)業(yè)科技有限公司，浙江 杭州 311108)

以2005年開(kāi)始的水田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為載體，設(shè)計(jì)4個(gè)施磷水平，以P計(jì)分別為0(P-0)、30(P-30)、60(P-60)和90 kg·hm-2(P-90)，研究水田施用磷肥對(duì)土壤氮庫(kù)活性及周轉(zhuǎn)特性的動(dòng)態(tài)影響。結(jié)果表明，隨施用磷肥水平的增加，土壤總氮(TN)含量和微生物量氮(MBN)含量顯著(P<0.05)增加，且均在P-60施磷水平處達(dá)到最高值；涉氮生態(tài)酶，如N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)的活性，隨施磷水平的增加而降低，最高下降率達(dá)26%；與土壤氮庫(kù)礦化相關(guān)的硝化、氨化和總氮礦化指標(biāo)含量均在施磷處理下呈極顯著(P<0.01)提高，并于P-60施磷處理下達(dá)到最高值。在各施磷水平處理下，土壤涉磷生化指標(biāo)與土壤全氮、微生物量氮和涉氮生態(tài)酶活性呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，說(shuō)明水田施用磷肥顯著影響土壤氮素狀況，每年60 kg·hm-2的施磷量對(duì)提高土壤氮庫(kù)活性及周轉(zhuǎn)特性效果最佳。

水田； 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)； 梯度施磷； 土壤氮庫(kù)； 周轉(zhuǎn)特性

施用磷肥是確保水稻產(chǎn)量和提高土壤肥力的主要措施之一，但不合理的施用也會(huì)造成土壤營(yíng)養(yǎng)元素的失衡[1-2]，影響植株對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收[3-4]。土壤氮素養(yǎng)分作為評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，其在土壤中的分布規(guī)律、形態(tài)轉(zhuǎn)化和在各種影響因素作用下的反應(yīng)機(jī)理一直是土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，已經(jīng)有部分研究報(bào)道了不同施肥措施下土壤中氮素養(yǎng)分的分布規(guī)律[5-6]，以及各種施肥措施對(duì)土壤氮素組分[7-8]、累積[9-10]和活性[11]的影響，但有關(guān)磷肥對(duì)土壤氮庫(kù)活性及周轉(zhuǎn)特性影響的研究不多，且各試驗(yàn)條件差異較大，因此，需要從施磷的角度作進(jìn)一步探索，以充實(shí)土壤氮庫(kù)的相關(guān)研究。為此，本研究擬以自2005年建立的水田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為載體，探索不同施磷水平下水田耕土層中氮素含量、生態(tài)酶(ecoenzymatic)[12]活性以及礦化速率的變化規(guī)律，以揭示水田施用磷肥對(duì)土壤氮庫(kù)活性及周轉(zhuǎn)特性的影響，為科學(xué)施用磷肥及土壤氮素管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 處理設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地位于杭州市余杭區(qū)長(zhǎng)崗農(nóng)場(chǎng)永建分場(chǎng)(30°18′51.84″N，119°54′13.37″E)，氣候類型屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.9～17.0 ℃，年降水量1 380 mm，其中，6—7月為梅雨季節(jié)。供試土壤類型為沖積型水稻土。該地區(qū)常規(guī)施磷量為(40±10)kg·hm-2(以P計(jì)，下同)。

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，磷肥采用過(guò)磷酸鈣，設(shè)4個(gè)施磷水平處理，即0、30、60和90 kg·hm-2，依次記為P-0、P-30、P-60、P-90。每處理重復(fù)3次。整個(gè)試驗(yàn)區(qū)每年施170 kg·hm-2尿素和50 kg·hm-2氯化鉀作為常規(guī)肥。試驗(yàn)期2 a，水稻分別于2013年6月初和2014年6月初種植，并于同年11月中旬收獲，在水稻種植半個(gè)月后施入過(guò)磷酸鈣，并人工翻入表層耕土中，水稻生長(zhǎng)期間不再追施磷肥。

1.2 樣品采集與分析

土壤樣品分別于2013年5月、2013年8月、2013年11月和2014年5月、2014年11月采集。每個(gè)施磷水平的樣品按“S”形線路隨機(jī)采集耕土層0～20 cm的5個(gè)點(diǎn)的土壤進(jìn)行混合，其中一部分過(guò)2 mm篩的新鮮土樣放置在4 ℃冰箱內(nèi)用于土壤礦化速率和生物學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)，另一部分土樣風(fēng)干后分別過(guò)60目和100目篩，用于土壤理化指標(biāo)分析。

土壤涉磷生態(tài)酶酸性磷酸酶(acid phosphatase，AP)和涉氮生態(tài)酶N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(β-1, 4-N-acetyl-glucosaminidase，NAG)、亮氨酸氨基肽酶(leucine aminopeptidase，LAP)的活性采用微平板-熒光比色法測(cè)定，所用基質(zhì)分別為4-MUB-N-acetyl-β-D-glucosaminide、L-Leucine-7-amino-4-methylcoumarin、4-MUB-phospate，酶活性計(jì)算采用Sinsabaugh等[12]和DeForest[15]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 8.0與Excel 2013進(jìn)行計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS 15.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 涉磷指標(biāo)分析

2.1.1 土壤總磷與速效磷

如圖1所示，在整個(gè)采樣期中，各采樣期的土壤TP含量均表現(xiàn)為隨施用磷肥水平的提高而顯著(P<0.05)上升。在2013年5月第1次采樣中，各處理組TP含量與對(duì)照組(P-0)相比分別提高了16%、35%和75%。由于同年6月底施入磷肥和常規(guī)肥，在8月第2次采樣中，各處理組TP含量均較5月份有所上升，但對(duì)照組P-0較首次下降了4%左右。2013年11月采樣中，各處理組TP含量與8月相比均有大幅下降，降率為22%～36%，這可能是期間水稻的生長(zhǎng)吸收大量磷素所致，但全組TP含量仍保持隨施磷水平的增加而上升的趨勢(shì)。2014年的2次采樣中，TP含量的變化趨勢(shì)同2013年?？v觀整個(gè)采樣期，對(duì)照組(P-0)的TP含量處于一直下降的趨勢(shì)，到2014年11月，P-0的TP含量已較首次采樣時(shí)下降了45%，這說(shuō)明長(zhǎng)期施用磷肥對(duì)提高土壤磷庫(kù)的累積效應(yīng)具有明顯作用。

圖1 各處理土壤全磷含量的變化

由圖2可知，土壤Olsen-P含量的變化趨勢(shì)同TP基本保持一致，均隨施用磷肥水平的提高而顯著(P<0.05)上升?？v觀整個(gè)采樣期，各采樣期間P-0的Olsen-P含量差異不大，由0.13 mmol·kg-1降至0.08 mmol·kg-1，期間下降最快的時(shí)期處于2013年5—8月，下降了0.03 mmol·kg-1，之后每次下降均保持在0.01 mmol·kg-1左右，這與顏曉等[16]和曲均峰等[17]長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的結(jié)果一致。土壤速效磷含量基本不受土壤磷素表觀平衡的控制，在不施用磷肥和長(zhǎng)期連續(xù)種植作物的處理中，土壤速效磷含量開(kāi)始會(huì)快速下降，但降至某一水平后會(huì)基本保持穩(wěn)定。

圖2 各處理土壤速效磷含量的變化

2.1.2 土壤生物量磷

MBP作為土壤有機(jī)磷組分中最活躍的部分，周轉(zhuǎn)速率快，更易被礦化為植物有效磷，從而迅速參與土壤中的養(yǎng)分循環(huán)。由圖3可知，隨采樣時(shí)間的推移，MBP含量的總體變化趨勢(shì)為先增加后降低，于2013年8月達(dá)到最高值，此時(shí)，P-30、P-60、P-90相較于對(duì)照組(P-0)的MBP含量分別增加了27%、57%、77%。這主要是由于在2013年6月有1次磷肥和常規(guī)肥的添加，以及夏季溫度升高提高了土壤微生物的活性所致。在整個(gè)采樣期中，除2014年2次采樣中P-60和P-90處理間差異未達(dá)到顯著水平外，其余采樣期的各處理間MBP含量隨施磷水平的增加均顯著(P<0.05)增加。

圖3 各處理土壤微生物量磷含量的變化

2.1.3 土壤涉磷生態(tài)酶活性

由圖4可知，隨采樣時(shí)間推移，酸性磷酸酶(AP)活性的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先增加后降低，于2013年8月達(dá)到最高值。但在每個(gè)采樣期內(nèi)，AP活性隨施磷水平的增加而顯著(P<0.05)降低。在2013年5月第1次采樣中，各處理組AP活性與對(duì)照組(P-0)相比分別降低了10%、16%和29%，這表明隨施用磷肥水平的增加，AP活性呈下降趨勢(shì)。作為在土壤磷受限環(huán)境下將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷的重要磷素轉(zhuǎn)化酶，在施用磷肥提高了土壤速效磷含量以致土壤微生物和生長(zhǎng)植物的磷限制效應(yīng)得到緩解后，AP的活性降低，這與王飛祥等[18]的研究結(jié)果一致。

圖4 各處理酸性磷酸酶活性的變化

2.2 施用磷肥對(duì)土壤氮庫(kù)組分的影響

2.2.1 土壤全氮

如圖5所示，在2013年5月首次采樣中，各處理組TN含量隨施磷水平的增加而增加，與對(duì)照組(P-0)相比分別增加3%、8%和13%。2013年8月采樣時(shí)，全組TN含量均低于首次采樣，除P-60和P-90間無(wú)顯著差異外，施磷水平的增加顯著(P<0.05)增加了土壤TN含量，這表明施磷水平的增加可有效促進(jìn)土壤總氮的積累。2013年11月與2014年11月的TN變化趨勢(shì)一致，2組TN含量分別為2013年和2014年的最低值，這可能是因?yàn)橥?月播種的水稻生長(zhǎng)吸收了土壤中大量氮素所致。2013年11月與2014年11月的采樣結(jié)果顯示，與對(duì)照組(P-0)相比，P-60和P-90的TN含量增加，并在P-60處達(dá)到最高值，但P-30的TN含量降低了。這可能是因?yàn)殡S著施磷水平的增加，受磷素積累刺激的土壤微生物分解土壤中的腐殖質(zhì)而產(chǎn)生大量外源氮素，故P-60和P-90處理下土壤氮素表現(xiàn)為大量積累，但較P-60更高的施磷水平(P-90)可能會(huì)導(dǎo)致土壤氮素的損失。

圖5 各處理土壤全氮含量的變化

2.2.2 土壤微生物量氮

如圖6所示，MBN含量隨采樣時(shí)間推移總體呈先增加后降低的趨勢(shì)，但在每個(gè)采樣期內(nèi)，施磷水平增加，土壤MBN含量相較對(duì)照組(P-0)顯著(P<0.05)增加。2013年5月首次采樣中，各施磷處理組MBN含量與對(duì)照組相比分別增加了14%、28%和50%。2013年8月采樣時(shí)，全組MBN含量均高于首次采樣，也是整個(gè)采樣期內(nèi)的最高值，這可能與夏季高溫可提高土壤微生物活性相關(guān)[19]。后3次采樣的土壤MBN變化趨勢(shì)均與8月保持一致，組內(nèi)表現(xiàn)為先增加后降低，并均于P-60處達(dá)到最高值，這與土壤TN的變化趨勢(shì)相似。可以看出，P-60的施磷處理對(duì)提高土壤MBN含量最有效。

圖6 各處理土壤微生物量氮含量的變化

2.2.3 土壤涉氮生態(tài)酶活性

N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)都是與土壤中氮素代謝轉(zhuǎn)化相關(guān)的生態(tài)酶，NAG可降解土壤腐殖質(zhì)中幾丁質(zhì)和肽聚糖，LAP可水解蛋白質(zhì)和氨基酸，兩者活性可由NAG+LAP來(lái)表示[12]。如圖7所示，在整個(gè)采樣期中，隨時(shí)間推移，NAG+LAP活性的變化趨勢(shì)為先增加后降低，同MBN含量的時(shí)間變化趨勢(shì)一致。在2013年5月首次采樣中，隨施磷水平的增加，NAG+LAP活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但僅有P-90處理與對(duì)照組(P-0)相比差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。2013年8月各處理的NAG+LAP活性均為整個(gè)采樣周期中的最高值，組內(nèi)變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先降低后增加，于P-60處達(dá)到最低值，降幅為26%。后3次采樣的組內(nèi)變化趨勢(shì)同8月一致，隨施磷水平的增加，NAG+LAP活性的變化趨勢(shì)與MBN含量的變化趨勢(shì)相反。這表明施用磷肥可明顯抑制土壤涉氮生態(tài)酶NAG+LAP的活性。這可能是因?yàn)橥寥繫BN含量的提高緩解了土壤氮素受限的狀況，故NAG+LAP活性降低。

圖7 各處理N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸基肽酶活性的變化

2.2.4 土壤氮礦化速率

如圖8所示，在2013年5月至2014年5月之間，土壤氮硝化、氨化和總礦化速率隨時(shí)間變化的總趨勢(shì)均為先降低后升高，并均于2013年11月第3次采樣時(shí)達(dá)到最低值，這可能與水稻的生長(zhǎng)吸收了大量土壤氮素有關(guān)。在2013年5月首次采樣中，與對(duì)照組(P-0)對(duì)比，施用磷肥極顯著(P<0.01)地提升了土壤硝化、氨化和總礦化速率，但施磷處理組間并無(wú)顯著差異(P>0.05)。2013年8月各處理組土壤硝化、氨化和總礦化速率均低于首次采樣，隨施磷水平的增加，三者變化趨勢(shì)保持一致，先增加后降低，并均于P-60達(dá)到最高值。后3次采樣中，土壤硝化、氨化和總礦化速率在施磷處理下均表現(xiàn)為極顯著(P<0.01)提高，采樣組內(nèi)變化趨勢(shì)同2013年8月一致，這說(shuō)明施用磷肥可有效提升土壤氮礦化速率，加快土壤氮素周轉(zhuǎn)，但當(dāng)磷肥施用量增加到一定水平時(shí)，促進(jìn)作用將不再明顯，過(guò)高的施磷水平將會(huì)導(dǎo)致磷肥的浪費(fèi)。相較于其他施磷處理，P-60對(duì)土壤氮素的積累和氮庫(kù)總體活性及周轉(zhuǎn)性的提升具有更好的效果。

圖8 各處理土壤氮礦化速率的變化

2.3 皮爾森(Pearson)相關(guān)性分析

如圖9所示，土壤TP與TN、Olsen-P呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，與NAG+LAP、AP活性呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)；MBP與MBN、Olsen-P呈顯著(P<0.05)正相關(guān)；Olsen-P與MBN、TP和MBP呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。這表明土壤磷庫(kù)特征的變化會(huì)直接影響土壤氮庫(kù)的變化。這可能是由于施用磷肥導(dǎo)致土壤TP含量增加，進(jìn)而提高了土壤速效磷含量，促進(jìn)了水稻根系的生長(zhǎng)發(fā)育，分泌大量根系物質(zhì)，增強(qiáng)土壤微生物活性，加速土壤中腐殖質(zhì)殘?jiān)姆纸?，進(jìn)而提高了外源氮素的輸入，最終表現(xiàn)為土壤氮庫(kù)活性和周轉(zhuǎn)速率得到增強(qiáng)與土壤氮庫(kù)的增加。

灰色代表正相關(guān)；白色代表負(fù)相關(guān)；圓圈的大小代表相關(guān)性的高低；*表示達(dá)到顯著水平(P<0.05)圖9 土壤涉氮磷生化性質(zhì)之間的相關(guān)性矩陣

3 小結(jié)

本研究表明，在自然降水條件下，向水田施用梯度磷肥后的土壤磷、氮素狀況差異明顯。隨施用磷肥水平提高，土壤TP、Olsen-P和MBP的含量顯著(P<0.05)提升，同時(shí)涉磷生態(tài)酶AP的活性顯著(P<0.05)降低，表明施用磷肥可明顯改善土壤磷素的營(yíng)養(yǎng)狀況。土壤TN含量總體隨施磷水平的增加而增加，并于P-60處達(dá)到最高值，P-30處理下TN含量較未施磷處理的TN含量略低，表明施用磷肥可在一定程度上促進(jìn)水稻對(duì)土壤氮素的吸收。土壤MBN含量與土壤氮硝化、氨化和總礦化速率均在施磷處理下表現(xiàn)為顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)增加，并均在P-60處達(dá)到最高值。涉氮生態(tài)酶NAG+LAP的活性受制于土壤氮素的狀況，因此在施用磷肥提高了土壤氮素含量的情況下，NAG+LAP活性顯著(P<0.05)降低，且于P-60處達(dá)到最低值。Pearson相關(guān)性分析顯示，TP、Olsen-P、MBP與TN、MBN呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，而與NAG+LAP和AP的活性呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)，暗示土壤磷素特征的變化會(huì)直接改變土壤氮庫(kù)的特征?？傮w來(lái)看，水田施用磷肥可明顯提升土壤氮庫(kù)的活性和周轉(zhuǎn)特性，且以P-60處理下的效果最明顯。從有利于土壤氮庫(kù)積累與活性提升的角度出發(fā)，在本試驗(yàn)條件下，以每年60 kg·hm-2左右的施磷量最佳。

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(責(zé)任編輯：高 峻)

2017-06-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(41373073，41673081)；浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013C03SA420001)

孫星照(1993—)，女，山東濱州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗咎锷锏厍蚧瘜W(xué)循環(huán)，E-mail: sunxingzhao@foxmail.com。

張志劍(1973—)，男，浙江桐鄉(xiāng)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樵匮h(huán)與氣候變化，E-mail: zhangzhijian@zju.edu.cn。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170846

S153

A

0528-9017(2017)08-1447-05

文獻(xiàn)著錄格式：孫星照，沈建國(guó)，王忠，等. 水田施用磷肥對(duì)土壤氮庫(kù)活性及周轉(zhuǎn)特性的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(8)：1447-1451，1455.