袁佳慧, 汪 玉, 王慎強, 趙品恒, 王宏燕, 陳 浩, 朱文彬

(1. 東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 黑龍江 哈爾濱 150030; 2.土壤與農業(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 210008; 3.常熟市農業(yè)科學研究所, 江蘇 常熟 215500)

磷是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素之一[1-2],但過量施用磷肥會增加磷隨徑流或向下淋洗流失的風險[3]。因此,農田施磷方案的科學設計對節(jié)約資源和保護環(huán)境尤為重要。以往研究表明在太湖稻麥輪作區(qū)實施稻季不施磷僅麥季施磷的磷肥減施措施在水稻季仍可為作物提供充足的磷源,并從化學分級等層面解釋了原因[4-5]。然而,磷素化學分級方法缺少對植物根系和微生物磷素獲取機制的研究[6-7],并且提取過程相對復雜,耗時長,設備要求高[8-9]。土壤磷化合物的復雜成分使得各種形態(tài)磷素對應著不同的生物有效性[10-11]。

DELUCA等[12]基于生物學利用難易程度開發(fā)了基于磷素生物有效性的分級方法(簡稱BBP法),該方法模擬微生物和作物根系的磷礦化作用,對土壤不同形態(tài)磷素生物有效性進行評價。GAO等[13]采用該方法對生物炭施入情況下的美國圣胡安群島土壤養(yǎng)分的保持和供應進行研究,生物炭的施入可顯著增加吸附土壤黏?；蛉踅Y合于無機沉淀物中的檸檬酸提取態(tài)磷(Citrate-P)組分含量,促進作物吸收利用,從而增加土壤養(yǎng)分可利用性。ZHONG等[14]采用該方法針對某沿海平原土壤展開研究,發(fā)現根際-蚯蚓-海鳥糞交互作用對土壤磷素供給、組分以及植物可利用性具有一定的調節(jié)作用。水稻土是一種特殊的周期性淹水土壤,主要通過氧化還原反應對元素的生物地球化學循環(huán)、土壤pH以及酶活性產生深遠影響[15]。

利用BBP法研究4種磷肥處理水稻土麥季收獲期磷素生物有效性,以及土壤pH和磷酸酶活性對磷組分及有效性的影響,分析各形態(tài)磷對植物磷吸收的貢獻,從而合理評估土壤磷素生物有效性,加強對減磷處理下土壤磷狀態(tài)變化的表征和理解。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

試驗地點為太湖西北岸中國科學院常熟農業(yè)生態(tài)實驗站宜興(31°16′ N, 119°54′ E)和常熟農業(yè)科學研究所(31°41′ N,120°40′ E)試驗田,兩地種植方式均以稻麥輪作為主,年平均溫度分別為16.1和16.9 ℃,年平均降水量分別為1 845.8和1 615.3 mm。土壤基本理化性質見表1。試驗于2010年6月開始(稻季),共設稻麥季均不施磷(Pzero)、稻季施磷麥季不施磷(PR)、麥季施磷稻季不施磷(PW)和稻麥季均施磷(PR+W,常規(guī)施肥)4個處理,每組設3個重復,12個小區(qū)隨機分布,每個小區(qū)面積為50 m2。試驗用N、P、K肥分別為尿素〔w(N)=46%〕、過磷酸鈣〔w(P2O5)=12%〕和氯化鉀〔w(K2O)=60%〕。氮肥(以N計)每季用量為240 kg·hm-2,鉀肥(以K2O計)每季用量為60 kg·hm-2,磷肥(以P2O5計)每季用量為40 kg·hm-2。每季氮肥施用分基肥(30%)、第1次追分蘗肥(40%)和第2次追拔節(jié)肥(30%);磷肥施用情況視不同磷肥處理而定。于2017年(第7年稻麥輪作)麥季收獲期用鑷子小心采取小麥根際新鮮土壤并將其收集于離心管中,直接用于BBP生物分級試驗或于-20 ℃條件下保存,剩余土壤風干過2 mm孔徑篩于室溫保存用于其他指標測定。

表1供試土壤初始基本性狀

Table1Initialbasicpropertiesofsoilused

試驗田w(全氮)/(g·kg-1)w(全磷)/(g·kg-1)w(全鉀)/(g·kg-1)w(有機質)/(g·kg-1)w(有效磷)/(mg·kg-1)陽離子交換量/(cmol·kg-1)pH值 宜興0.960.3712.316.716.38.575.95 常熟1.930.5616.035.910.217.505.56

1.2 樣品處理

供試樣品分析均采用常規(guī)分析方法[16-17]。土壤pH采用pH計(Thermo ORION STAR A211)測定〔m(土)∶V(水)為1∶2.5〕;土壤有機質含量采用Loco CN-2000分析儀測定;土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定;土壤有效磷含量采用NaHCO3(pH 8.5)浸提-鉬藍比色法測定;陽離子交換量(CEC)采用乙酸銨交換法測定;土壤全鉀含量采用火焰原子吸收法測定。土壤磷酸酶活性采用土壤酸性、堿性磷酸酶(S-ACP、S-ALP)活性測定試劑盒完成。

1.3 BBP土壤磷分級

采用DELUCA等[12]的基于生物有效性的磷素分級方法分析土壤磷素有效性,其簡要步驟如下:稱取0.5 g新鮮土于15 mL離心管中,加入10 mL提取液,分別為0.01 mol·L-1CaCl2、0.01 mol·L-1檸檬酸、0.02 EU·mL-1酶(含酸性磷酸酶、堿性磷酸酶和植酸酶)和1 mol·L-1HCl。酶提取液中,在原始方法的基礎上添加微生物來源的堿性磷酸酶(Sigma P5931;Enzyme Commission Number 3.1.3.1),使得所活化提取的有機磷組分更加全面和具有代表性,并且提取過程中以純水代替醋酸鈉緩沖溶液[18]。鑒于植酸酶自身含磷,在使用前于室溫條件下用透析袋對植酸酶透析5 d以去除植酸酶中的磷。采用鉬藍法測定磷含量[19],對于高磷含量樣品(Citrate-P、HCl-P),對其進行適當稀釋后測定[20]。

1.4 數據處理

采用SPSS 17.0 軟件進行Pearson相關分析和Duncan單因素方差分析(α=0.05)。采用冗余分析(redundancy analysis,RDA)評價土壤pH,酸性、堿性磷酸酶對磷組分的影響。在進行冗余分析前,對磷組分矩陣進行除趨勢對應排序分析(detrended correspondence analysis,DCA),確定數據適合線性模型。采用Canoco 4.5軟件進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 磷肥減施條件下麥季土壤磷素生物有效性特征

基于生物有效性的土壤磷素分級方法所得4種磷組分含量存在顯著差異,由高到低依次為HCl-P、Citrate-P、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶和植酸酶提取態(tài)磷(Enzyme-P)和CaCl2-P,并且常熟試驗田磷含量高于宜興試驗田,宜興和常熟試驗田HCl-P含量差異最顯著(表2)。對比4種施磷方式下麥季收獲期土壤各磷組分含量發(fā)現,宜興磷含量變異幅度較大,與磷肥減施處理(Pzero、PR和PW)相比,稻麥季均施磷處理(PR+W)Citrate-P、Enzyme-P和HCl-P含量顯著增加(P<0.05),對于CaCl2-P含量則不存在顯著差異;在常熟試驗田,不同施肥方式對麥季收獲期土壤各生物分級磷組分含量總體不存在顯著影響(P>0.05),僅兩季均不施磷肥處理(Pzero)HCl-P含量與常規(guī)施磷處理相比顯著降低(P<0.05)。

表2磷肥減施條件下麥季土壤基于生物有效性的土壤磷組分含量特征

Table2CharacteristicsofcompositionofsoilphosphorusbasedonthebiologicalavailabilityinreducedP-inputpaddysoils

試驗田處理w/(mg·kg-1)CaCl2-PCitrate-PEnzyme-PHCl-P 宜興Pzero0.442±0.044a15.815±2.684b4.706±0.897b55.577±5.385cPR0.443±0.051a20.914±1.209b4.811±0.566b87.541±15.063bPW0.619±0.141a17.606±6.264b6.471±2.166b88.939±15.767bPR+W0.531±0.097a46.116±9.815a13.080±2.181a202.580±7.691a 常熟Pzero0.553±0.053a12.564±9.219a7.153±1.353a132.660±12.391bPR0.602±0.047a19.990±2.630a9.393±2.128a163.255±9.183aPW0.691±0.139a18.624±2.856a7.378±1.958a153.786±13.084abPR+W0.584±0.054a22.500±3.383a9.306±0.829a174.066±20.801a

Pzero為稻麥季均不施磷; PR為稻季施磷麥季不施磷; PW為麥季施磷稻季不施磷; PR+W為稻麥季均施磷(常規(guī)施肥)。就某一試驗田而言,同一列數據后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

2.2 磷肥減施下麥季基于生物有效性的土壤磷素組分與有效磷的關系

宜興、常熟試驗田土壤有效磷含量見表3。宜興試驗田Citrate-P、Enzyme-P和HCl-P含量均與有效磷含量呈極顯著正相關關系(P<0.01),決定系數(R2)分別為0.587、0.531和0.587,而CaCl2-P含量與有效磷含量之間不存在顯著相關關系(圖1)。常熟試驗田Citrate-P和HCl-P含量與有效磷含量呈顯著正相關關系(P<0.05),R2分別為0.280和0.386,而CaCl2-P、Enzyme-P含量與有效磷含量之間不存在顯著相關關系。

表3磷肥減施條件下麥季土壤有效磷含量

Table3Concentrationofsoilolsen-PinreducedP-inputpaddysoils

處理w(有效磷)/(mg·kg-1)宜興試驗田常熟試驗田 Pze-ro1.885±0.209c4.200±0.659c PR5.311±1.490b6.370±0.948b PW6.512±1.553b6.187±1.134b PR+W9.622±0.063a9.541±1.141a

Pzero為稻麥季均不施磷; PR為稻季施磷麥季不施磷; PW為麥季施磷稻季不施磷; PR+W為稻麥季均施磷(常規(guī)施肥)。同一列數據后英文小寫字母不同表示不同處理間有效磷含量差異顯著(P<0.05)。

圖1 磷肥減施下麥季土壤4種生物有效性磷與有效磷相關性Fig.1 Relationships between Olsen-P concentration and four fractions of the proposed biologically-based P in reduced P-input paddy soils

2.3 磷肥減施下麥季土壤磷酸酶活性

由表4可知,宜興、常熟試驗田土壤酸性磷酸酶(S-ACP)活性均高于堿性磷酸酶(S-ALP)活性。兩地S-ACP活性均值分別為19.60和21.70 μmol·d-1·g-1,S-ALP活性均值則分別為0.719、1.543 μmol·d-1·g-1,并且不同施肥方式對宜興麥季收獲期S-ACP、S-ALP活性總體不存在顯著影響(P>0.05),而常熟試驗田僅稻季施磷肥處理(PR)S-ACP 活性顯著低于常規(guī)施肥處理(PR+W)(P<0.05),對于S-ALP活性則不存在顯著差異。

表4磷肥減施下麥季土壤磷酸酶活性

Table4SoilphosphataseactivityinreducedP-inputpaddysoils

試驗田處理酸性磷酸酶活性/(μmol·d-1·g-1)堿性磷酸酶活性/(μmol·d-1·g-1) 宜興Pze-ro20.072±3.848a0.467±0.148aPR19.361±0.965a0.747±0.447aPW21.415±2.175a0.758±0.332aPR+W17.558±1.216a0.903±0.374a 常熟Pze-ro21.880±0.574ab1.548±0.254aPR20.194±1.321b1.491±0.144aPW22.114±1.229ab1.617±0.342aPR+W22.628±0.679a1.517±0.279a

Pzero為稻麥季均不施磷; PR為稻季施磷麥季不施磷; PW為麥季施磷稻季不施磷; PR+W為稻麥季均施磷(常規(guī)施肥)。就某一試驗田而言,同一列數據后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

2.4 磷肥減施下麥季土壤特性與土壤磷組分關系

圖2顯示,土壤pH、S-ACP和S-ALP共解釋磷組分39.2%的變異,其中,第1排序軸解釋變異38.2%,為顯著性軸。結果表明,pH和S-ALP含量與土壤磷組分含量間存在一定正相關關系。

S-ACP和S-ALP分別為土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶。圖2 磷肥減施條件下麥季土壤pH、S-ACP和S-ALP與4種生物有效性磷和有效磷(Olsen-P)的RDA分析Fig.2 Redundancy analysis (RDA) revealing the effects of soil pH, S-ACP and S-ALP on biologically-based P (BBP) and the conventional Olsen-P in reduced P-input paddy soils

3 討論

3.1 磷肥減施條件下麥季土壤磷素生物有效性

BBP磷素分級方法是可應用于復雜景觀尺度上的基于土壤根際過程的一套簡潔的土壤磷素平行提取評估過程[12]。筆者研究中,與稻麥季均施磷處理(PR+W)相比,宜興減施磷肥處理(Pzero、PR和PW)Citrate-P、Enzyme-P 和HCl-P含量顯著降低(P<0.05),但作物直接可溶性磷(CaCl2-P)含量沒有顯著差異,表明磷肥減量實施7 a后,宜興PW處理在稻季不施磷肥條件下土壤仍可提供充足的磷源來維持水稻生長并保證產量穩(wěn)定(PW:3.815 t·hm-2;PR+W:3.996 t·hm-2。P>0.05);與稻麥季均施磷處理(PR+W)相比,常熟減施磷肥處理(Pzero、PR和PW)4種有效性磷組分總體無顯著差異,表明常熟PW處理土壤磷素供應能力與PR+W處理相似。以上麥季的研究結果與以往針對兩塊試驗田2013年水稻季收獲期Tiessen化學分級結果相一致[4],進一步從土壤磷素生物有效性角度闡述了太湖流域稻麥輪作區(qū)土壤稻季減施磷肥可以實施的原因。對2013年稻季土壤的研究[4]表明,常熟試驗田磷含量高于宜興,因此到目前為止,與PR+W處理相比,常熟試驗田PR或PW處理土壤磷含量無顯著差異,僅Pzero處理需要更多的HCl-P對土壤活性磷進行補給。這與BOSCHETTI等[21]的研究結果相一致,同樣也表明不同磷肥的添加主要增加了土壤無機磷(Pi)含量,而有機磷(Po)含量變化不顯著。

土壤有效磷是評價土壤磷素可利用性應用最廣泛的測試指標之一,尤其是可用于大規(guī)模范圍內土壤磷素狀態(tài)的分析[22]。BBP方法利用CaCl2、檸檬酸、酶和HCl對土壤磷素進行平行提取,分別模擬4種土壤磷素組分;CaCl2-P為可溶性無機磷,模擬可被根系截留的磷酸根;Citrate-P為活性無機磷,模擬能夠被有機酸活化釋放的磷組分;Enzyme-P為活性有機磷,模擬微生物和植物根系分泌的酶(酸性、堿性磷酸酶和植酸酶)礦化的磷組分;HCl-P是相對穩(wěn)定的無機磷,模擬經氫質子活化的最大潛力磷庫;4種磷組分對土壤有效磷的貢獻主要為CaCl2-P和Citrate-P。DELUCA等[12]的研究表明,BBP體系4種提取形態(tài)磷含量間差異較大,但與有效磷含量呈顯著正相關關系。筆者研究中,基于4種磷肥減施稻麥輪作體系下麥季收獲期土壤,宜興試驗田土壤Citrate-P、HCl-P和Enzyme-P含量均與有效磷含量呈極顯著正相關(P<0.01),常熟試驗田土壤Citrate-P、HCl-P含量與有效磷含量呈顯著正相關(P<0.05)。相關系數差異表明兩地土壤磷素有效性及有效磷來源不同[23],就宜興試驗田而言,除有機酸活化和氫質子活化的無機磷庫外,酶礦化的有機磷同樣也有重要貢獻。JALALI等[24]分析各種土壤磷素提取方法與5種不同質地的57個鈣質土壤吸附參數之間的關系,同樣發(fā)現BBP體系中Pi(CaCl2-P、Citrate-P和HCl-P)含量與有效磷含量呈顯著正相關。4種土壤磷組分含量差異取決于不同提取機制與能力的差異,土壤Pi(CaCl2-P、Citrate-P和HCl-P)含量由于鐵離子的化學過程[25]而顯著高于Po(Enzyme-P)含量。另外,提取體系中采用的檸檬酸和鹽酸濃度若較高,則更傾向于表征微生物和植物活化磷素的最大潛能,因此提取濃度較高[12]。

3.2 磷肥減施條件下麥季土壤pH、磷酸酶對磷組分的影響

冗余分析結果表明,pH和S-ALP活性是影響土壤磷素形態(tài)和含量的主要因素,而S-ACP作用較弱。筆者研究中,不同磷肥處理對S-ALP活性沒有顯著影響,這與以往研究結果相似。TIAN等[26]關于外源營養(yǎng)物質添加對磷酸酶活性影響的研究表明,在不同土壤中S-ALP活性對外源磷肥的響應不同,施肥促進草原土壤S-ALP分泌,而抑制荒廢農田土壤中S-ALP分泌,此現象主要歸因于土壤根系作用的差異。

S-ALP在沉積物的生物釋磷過程中具有關鍵作用,其作為一種可以催化磷酸酯的水解反應和磷酸基團轉移反應的專一性磷酸酯水解酶,可促進磷酸酯類有機磷水解成無機磷酸鹽化合物;也可作為Ca、Al和Fe等離子的螯合劑[27],使部分難溶性磷酸鹽溶解,從而提升土壤中可直接被作物吸收利用的活性無機磷含量[28]。筆者試驗中關于S-ALP對土壤磷素影響的研究結果與以往稻季結果一致,即在2013年(第4種植年)水稻季收獲期同樣得到土壤活性無機磷含量與S-ALP活性呈正相關關系[4]。此外,WALDRIP等[29]建立結構方程模型來研究施加有機肥條件下草原土壤S-ALP活性與土壤磷組分間的關系,結果表明S-ALP活性與Pi呈正相關而與Po呈負相關。S-ALP活性與Po間關系較復雜,土壤Po被S-ALP分解后的不同去向(作物吸收或擴散到上覆水等)、土壤磷組分含量差異以及作物的根系作用均對其有直接影響,因此S-ALP與土壤磷素(Pi、Po)間的相關關系有待進一步深入研究。

另外,pH是影響土壤磷素的關鍵因素,這與DELUCA等[12]的研究結果相一致。相關研究表明,酸性土壤中pH的增加,一方面使土壤中氫氧化鐵/鋁含量降低,從而降低土壤對磷素的吸附和沉淀作用[30],另一方面鐵/鋁化合物隨pH增加而水解,從而增加土壤中作物可直接利用磷含量[31],進而呈現土壤磷組分含量隨pH增加而升高的現象。

4 結論

采用土壤磷素生物分級法評價宜興、常熟兩個稻麥輪作區(qū)不同磷肥處理下麥季收獲期土壤磷素生物有效性。磷肥減施7 a后,BBP分級法中4種磷組分含量由大到小均依次為HCl-P、Citrate-P、Enzyme-P和CaCl2-P,無機磷(Citrate-P、HCl-P)含量與有效磷含量呈顯著正相關,pH與S-ALP是影響土壤磷組分的關鍵因素。就宜興試驗田而言,與常規(guī)對照(PR+W)相比,稻季不施磷的磷肥減施處理(PW)土壤有效磷含量雖降低,但產量未受影響,而對于常熟試驗田PW處理土壤磷素供應能力與PR+W處理之間則不存在顯著差異,因此從土壤磷素生物有效性層面解釋了太湖稻麥輪作區(qū)稻季減施磷肥方案迄今仍可行的原因。