張峰 ，王榮萍*，梁嘉偉，吳永貴，王現(xiàn)潔，廖新榮

1. 貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650

磷是植物體中除碳、氫、氧、氮外含量最為豐富的元素，其參與植物體內(nèi)諸多代謝過程（Vance et al.，2003；Lynch，2007）。土壤作為植物磷的主要供給來源，其中的磷素含量和活性與植物的生長發(fā)育密切相關(guān)，而土壤中能被植物直接吸收利用的磷含量極低且易被礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)等固定。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球耕地約43%缺磷，磷已成為全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一大重要限制因子（Su et al.，2015）。施用磷肥是補(bǔ)充土壤有效磷最快、最有效的途徑，然而磷肥當(dāng)季利用率不高，施入土壤中的磷有80%－93%被蓄積在土壤中而難以被植物利用（閆湘等，2008；趙偉等，2018）。磷肥的低利用率導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為追求產(chǎn)量而對(duì)其過度投入，不僅造成資源浪費(fèi)，同時(shí)存在抑制土壤微生物活性，土壤養(yǎng)分失調(diào)，重金屬和磷蓄積以及土壤酸堿化等潛在危害，嚴(yán)重影響土壤各方面能力（Hinsinger，2001；白文娟等，2018）。因此如何在不降低土壤質(zhì)量前提下提高施入土壤中的磷素利用率，促進(jìn)土壤磷循環(huán)是當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)污染防治上亟需解決的重要問題。

化肥養(yǎng)分含量高，肥效快，但存在持續(xù)作用時(shí)間短和營養(yǎng)單一等問題，而有機(jī)肥與之相反，其富含有機(jī)質(zhì)，可通過不斷礦化釋放養(yǎng)分，肥效緩慢，但能對(duì)植物所需各種養(yǎng)分進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)充，同時(shí)對(duì)土壤理化環(huán)境和微生物環(huán)境具有明顯改善效果。有機(jī)磷作為土壤磷庫重要組成部分，占土壤總磷的20%－80%（劉濤等，2016），土壤有機(jī)磷礦化在植物磷營養(yǎng)中占據(jù)重要地位，有研究表明，土壤有機(jī)磷年礦化率在2%－4%范圍內(nèi)，數(shù)量較少，但在自然條件下可以有效提高土壤速效磷水平（趙少華等，2004）；Dodd et al.（2015）采用 Bowman-Cole有機(jī)磷分級(jí)研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷與活性有機(jī)磷、中活性有機(jī)磷以及中穩(wěn)性有機(jī)磷的相關(guān)性均顯著，表明有機(jī)磷庫礦化可直接對(duì)土壤有效磷源進(jìn)行補(bǔ)充。蔡觀等（2017）的研究更進(jìn)一步證明自然條件下旱地土壤有機(jī)磷礦化是有效磷的主要來源。蚯蚓糞肥是蚯蚓利用土壤有機(jī)質(zhì)所產(chǎn)生的排泄物，區(qū)別于普通堆肥產(chǎn)物，其養(yǎng)分全面，且具有優(yōu)良的物理化學(xué)以及生物學(xué)性質(zhì)，近幾年在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域被廣泛研究（Bhat et al.，2018；Abdissa et al.，2018；單穎等，2017）。本研究通過盆栽試驗(yàn)探討分析蚯蚓糞肥添加對(duì)小白菜（Brassica chinensisL.）生長和磷素吸收的影響，以及蚯蚓糞肥添加下土壤中各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量濃度和微生物活性的變化，旨在為更合理利用磷肥以及保護(hù)有限耕地資源提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為河流沖擊物母質(zhì)發(fā)育而來的多年耕水稻土，屬壤質(zhì)粘土，采自廣州市南沙農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)推廣基地（22°43′N，113°33′E）。土壤采集后置于陰涼干燥處自然風(fēng)干，去除小石塊、動(dòng)植物殘?bào)w后碾碎過3 mm篩，密封保存?zhèn)溆谩９┰囼球炯S肥來自廣東省清遠(yuǎn)市佛岡沃土農(nóng)業(yè)科技有限公司（主要原料為禽畜糞便和作物秸稈），使用前對(duì)其進(jìn)行自然風(fēng)干，研磨后過2 mm篩，密封保存?zhèn)溆?，取部分蚯蚓糞肥提取水溶態(tài)有機(jī)質(zhì)（DOM）進(jìn)行分級(jí)，經(jīng)測(cè)定其不同分子量（＜14000 Da、14000－3500 Da、＞3500 Da）DOM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為78.76 、410.77、597.75 mg·kg-1。供試土壤和蚯蚓糞肥基本理化性質(zhì)見表1。

試驗(yàn)所用無機(jī)肥為尿素（N 46.1%）、磷酸二氫鉀（P2O545.9%，K2O 20.4%）和氯化鉀（K2O 60.4%）。供試小白菜為優(yōu)選上海青（江西省豐城市航城種業(yè)有限公司），種子于育苗盤育苗至第 3片真葉長出即開始移栽。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，蚯蚓糞肥設(shè)置4個(gè)水平，分別為對(duì)照（CK，0 g·kg-1）、低量（A1，40 g·kg-1）、中量（A2，80 g·kg-1）、高量（A3，120 g·kg-1），4 次重復(fù)?；拾幢壤?N∶P2O5∶K2O=1.5∶1.0∶1.5 添加，即尿素 332 mg·kg-1、磷酸二氫鉀 192 mg·kg-1、氯化鉀 182 mg·kg-1。試驗(yàn)每盆裝土1 kg，化肥和蚯蚓糞與土混合均勻后裝盆，分層壓緊，保持一定土面高度，并且加水調(diào)節(jié)土壤含水量至田間最大持水量的60%。每盆移栽3棵小白菜，在培養(yǎng)期間每天定時(shí)稱重定量補(bǔ)水。在小白菜培養(yǎng)的第0天、7天、14天、21天破壞性采集土壤樣品，在第 35天（收獲期）分別采集根際土、非根際土，測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 主要指標(biāo)測(cè)定方法

DOM采用透析袋法分級(jí)，TOC儀測(cè)定（Chen et al.，2010）；土壤各形態(tài)有機(jī)磷按照 Tiessen et al.（2010）對(duì)Hedley磷素分級(jí)的改進(jìn)方法連續(xù)提取，鉬銻抗比色法測(cè)定；微生物生物量C、微生物生物量P采用氯仿熏蒸提取后測(cè)定（吳金水，2006）；土壤鹽酸提取態(tài)Fe(Ⅱ)用0.5 mol·L-1稀鹽酸提取后鄰菲羅啉比色法測(cè)定（Yu et al.，2016）；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉-4-氨基安替比林比色法測(cè)定（Ge et al.，2018）；土壤和蚯蚓糞肥的pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷（Olsen-P）、速效鉀均參照魯如坤（2000）的分析方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，IBM SPSS statistics 20進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Oringin 8.5.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓糞肥對(duì)土壤微生物生物量碳、微生物生物量磷的影響

土壤微生物生物量碳變化如圖 1a所示，各組小白菜根際土微生物生物量碳含量均極顯著高于非根際土，收獲期處理組根際土和非根際土微生物生物量碳相比對(duì)照組均有明顯增加，其中在根際土中微生物生物量碳含量隨施入的蚯蚓糞肥質(zhì)量水平提高而上升，而隨著蚯蚓糞肥施入量的繼續(xù)增加，其含量趨于穩(wěn)定，在非根際土中微生物生物量碳含量則隨著蚯蚓糞肥施入量增加而保持緩慢上升。土壤微生物生物量磷變化如圖1b，隨著蚯蚓糞肥施入量的增加，根際土和非根際土微生物生物量磷含量均有所上升，其中以非根際土上升趨勢(shì)最為明顯。從根際土和非根際土之間比較來看，對(duì)照組小白菜根際土微生物生物量磷含量極顯著高于非根際土，而在處理組中則相反。土壤微生物生物量碳磷比變化由圖 1c可知，蚯蚓糞肥對(duì)小白菜根際土和非根際土微生物生物量碳磷比均有降低作用，對(duì)照組中根際土微生物生物量碳磷比高于非根際土的0.3倍，而在處理組中，根際土比非根際土高1.9－2.0倍。

表1 供試土壤和蚯蚓糞肥基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical characteristics of the experimental soil and vermicompost

圖1 不同蚯蚓糞肥添加水平土壤微生物生物量碳、微生物生物量磷和微生物生物量碳磷比的變化Fig. 1 Change of soil microbial biomass C, microbial biomass P and microbial biomass C/P among different vermicompost treatments

2.2 蚯蚓糞肥對(duì)非根際土酸性磷酸酶活性的影響

酸性磷酸酶活性變化如圖2，在0－4 d隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，對(duì)照組和處理組的酸性磷酸酶活性均呈明顯上升趨勢(shì)，14－35 d均趨于穩(wěn)定。在整個(gè)培養(yǎng)過程處理組的酸性磷酸酶活性均極顯著高于對(duì)照組，且隨施入的蚯蚓糞肥質(zhì)量增加而增加，但蚯蚓糞肥施入超過一定量時(shí)，酸性磷酸酶活性增加幅度有所降低。

圖2 不同蚯蚓糞肥添加水平土壤酸性磷酸酶活性的變化Fig. 2 Change of soil acid phosphatase activity among different vermicompost treatments

2.3 蚯蚓糞肥處理下非根際土有效磷和各形態(tài)有機(jī)磷含量的變化

圖3 培養(yǎng)期間不同蚯蚓糞肥處理水平土壤有效磷和各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量濃度變化情況Fig. 3 Change of soil available P and organophosphorus species activity contents among different vermicompost treatments during the period of culture

不同蚯蚓糞肥質(zhì)量水平添加下非根際土有效磷含量變化情況如圖 3a所示，在整個(gè)培養(yǎng)期間各組土壤有效磷含量均表現(xiàn)為0－7 d上升，7－35 d下降，且隨著施入的蚯蚓糞肥質(zhì)量水平的提高而增加，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)在各處理組之間土壤有效磷含量差異極顯著。NaHCO3-Po主要為吸附在土壤顆粒表面的活性有機(jī)磷和微生物生物量磷，易礦化為植物所吸收利用，其含量變化情況如圖3b，在培養(yǎng)期間各處理組土壤 NaHCO3-Po含量變化趨勢(shì)表現(xiàn)為0－7 d快速上升，7－21 d快速下降，21－35 d平緩下降，其中至培養(yǎng)末期A2、A3組下降幅度最大，分別下降 8.28 mg·kg-1和 6.23 mg·kg-1，而 CK和A1的NaHCO3-Po含量則在整個(gè)培養(yǎng)期間略微下降，總體上土壤NaHCO3-Po含量隨施入的蚯蚓糞肥質(zhì)量水平提高而上升。NaOH-Po主要指通過化學(xué)吸附而緊密結(jié)合于土壤鐵鋁氧化物表面的中穩(wěn)定性有機(jī)磷，是有效磷的重要潛在供給源，其含量變化情況如圖3c所示，從CK到A3 4個(gè)組土壤NaOH-Po含量在0－14 d微有上升，總體上隨時(shí)間增長均呈緩慢下降趨勢(shì)，其中對(duì)照組至培養(yǎng)末期僅下降0.49 mg·kg-1，處理組下降 17.24－31.69 mg·kg-1，以 A2和A3下降幅度最大。在整個(gè)培養(yǎng)期間處理組土壤NaOH-Po含量均極顯著高于對(duì)照組，且隨著施入的蚯蚓糞肥質(zhì)量水平的提高而增大。C.HCl-Po為濃鹽酸提取的有機(jī)磷，也可歸為殘?jiān)鼞B(tài)磷，屬于穩(wěn)定性磷，其在土壤中極難被植物所利用，其含量變化情況如圖 3d，各組土壤 C.HCl-Po含量在培養(yǎng)期間變化趨勢(shì)較一致，0－14 d總體上均呈快速上升趨勢(shì)，14 d后趨于穩(wěn)定，至培養(yǎng)末期，各處理組土壤C.HCl-Po含量上升幅度均明顯高于對(duì)照組，其中A2 和 A3 分別上升 9.27 mg·kg-1和 9.14 mg·kg-1，差異性分析表明21－35 d A2和A3兩組之間含量差異均不顯著。

2.4 酸性磷酸酶活性、微生物生物量磷、有效磷以及各磷形態(tài)的相關(guān)性分析

各蚯蚓糞肥處理組土壤相關(guān)性分析結(jié)果表明：蚯蚓糞肥處理的土壤中酸性磷酸酶活性與NaOH-Po之間均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（表 2）；微生物生物量磷與NaOH-Po之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，在A2和A3水平下，微生物生物量磷還與NaHCO3-Po之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，NaHCO3-Po與NaOH-Po存在顯著正相關(guān)關(guān)系，穩(wěn)定態(tài)有機(jī)磷 C.HCl-Po與NaOH-Po、NaHCO3-Po均呈顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

土壤微生物生物量是土壤中養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，同時(shí)也是植物有效養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫，在土壤中微生物生物量對(duì)土壤環(huán)境因素變化極為敏感（樊曉剛等，2010），其中微生物生物量碳是土壤中有機(jī)碳最活躍的部分，因其在土壤中變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)質(zhì)分解進(jìn)程關(guān)系密切，可作為衡量土壤活性大小的重要指標(biāo)，而微生物生物量磷則是植物有效磷的重要來源，微生物對(duì)磷素的固持可促進(jìn)土壤中磷素的周轉(zhuǎn)，提高土壤活性磷含量。本研究結(jié)果表明，施加蚯蚓糞肥對(duì)根際土壤和非根際土壤微生物生物量碳、微生物生物量磷均具有顯著提高作用，其中大于 A2水平處理效果最好，這和白文娟等（2018）研究結(jié)果較一致，已有研究發(fā)現(xiàn)土壤中C/N比對(duì)微生物活性具有較大影響（Matschullat et al.，2018；王爭妍等，2017），在充足的氮素供給下，蚯蚓糞肥添加對(duì)土壤有機(jī)碳尤其是水溶性有機(jī)碳含量的提高帶動(dòng)了微生物活性的提高，除此之外，蚯蚓糞肥優(yōu)良的通氣性和排水持水能力、較全面的營養(yǎng)物質(zhì)以及良好孔隙結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)更為土壤中微生物營造了一個(gè)優(yōu)質(zhì)的生存環(huán)境（Abdissa et al.，2018），這些影響因素均有利于土壤微生物快速增殖，同時(shí)也是微生物生物量磷含量升高的主要原因。根際為根系-微生物-土壤相互作用的微型區(qū)域，因此根際土壤物理化學(xué)以及生物學(xué)性質(zhì)與非根際土壤存在顯著區(qū)別。根際土壤中微生物生長主要受到兩方面的影響，一方面為植物在生長過程中通過根系分泌有機(jī)酸、糖類、生長素和酶等對(duì)微生物的活動(dòng)的調(diào)節(jié)，另一方面根際微環(huán)境內(nèi)土壤對(duì)微生物養(yǎng)分和能源物質(zhì)的持續(xù)供給，這兩方面導(dǎo)致植物根際土壤微生物生物量碳含量往往高于非根際土（趙輝等，2010），這和本研究結(jié)果相同。土壤微生物生物量磷為微生物固定在自身體內(nèi)的磷，其含量既取決于微生物的數(shù)量也取決于微生物的種類（陳智裕等，2017）。本研究發(fā)現(xiàn)微生物生物量磷在對(duì)照組根際土中顯著高于非根際土，而在各蚯蚓糞肥處

理組的根際土中則均顯著低于非根際土，結(jié)合根際微生物量碳顯著高于非根際土的實(shí)際情況，在不受植物根系調(diào)節(jié)下，蚯蚓糞肥能顯著提高土壤解磷或貯磷微生物數(shù)量及比例，主要原因可能為植物根系對(duì)根際土壤游離磷素的吸收，導(dǎo)致根表面正磷酸根離子濃度下降而顯著低于非根際土，從而影響解磷或貯磷微生物的生長以及對(duì)磷素的吸收，而非根際土微生物對(duì)磷的貯存同時(shí)也一定程度上促進(jìn)了有效磷素向根系的質(zhì)流和擴(kuò)散。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，施加蚯蚓糞肥的非根際土壤中微生物生物量磷、酸性磷酸酶活性均與NaOH-Po之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明酸性磷酸酶對(duì)蚯蚓糞肥施加后土壤豐富的 NaOH-Po具有顯著的水解作用，同時(shí)NaOH-Po也成為土壤解磷和貯磷微生物的主要磷源。而各組土壤微生物生物量磷與酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，則表明了土壤中 NaOH-Po的活化不主要以微生物對(duì)碳的需求來驅(qū)動(dòng)。酸性磷酸酶是一種主要由植物、細(xì)菌和真菌分泌的蛋白酶，可水解有機(jī)磷底物上的磷酸基團(tuán)，生成可被植物和微生物直接吸收的磷酸根離子（Luo et al.，1994）。蚯蚓糞肥富含有機(jī)質(zhì)的同時(shí)能夠刺激微生物生長，其中鐵還原菌為土壤中主要的一類能夠異化還原Fe(Ⅲ)獲得能量的微生物（Margalef et al.，2017），其對(duì)高價(jià)鐵的還原以及有機(jī)物對(duì)鐵的螯合均可促進(jìn) NaOH-Po的釋放（令狐榮云等，2016），從而使其更易被礦化而為微生物所吸收。另有研究表明，Mg2+、Mn2+、部分腐殖酸類物質(zhì)等可作為提高土壤酸性磷酸酶活性的激活劑（沈菊培，2005；房娜娜，2008）。除此之外，有機(jī)磷化學(xué)結(jié)構(gòu)也對(duì)磷酸酶水解難易具有較大影響，蚯蚓糞肥提高了土壤 NaOH-Po中較易被酸性磷酸酶分解的組分也可能為促進(jìn) NaOH-Po礦化的重要原因。NaHCO3-Po為土壤中活性最高同時(shí)也是含量最低的有機(jī)磷，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，隨著蚯蚓糞肥施加量的提高，NaHCO3-Po與微生物生物量磷、NaOH-Po之間的相關(guān)性均逐漸增強(qiáng)，在A2和A3處理中相關(guān)性均達(dá)顯著水平，這可能主要與 NaOH-Po解吸附活化有關(guān)，蚯蚓糞肥施入土壤不斷產(chǎn)生 NaHCO3-Po，NaHCO3-Po活性高的特點(diǎn)使其作為微生物能源物質(zhì)的同時(shí)也作為微生物重要的碳源和磷源。C.HCl-Po在土壤中難以被活化，蚯蚓糞肥顯著提高土壤活性磷含量的同時(shí)也促進(jìn)了C.HCl-Po的蓄積，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)對(duì)照組和各處理組 C.HCl-Po均與微生物生物量磷、Olsen-P極顯著相關(guān)，其中在各處理組中 C.HCl-Po與微生物生物量磷的相關(guān)性均大于C.HCl-Po與Olsen-P之間的相關(guān)性，另外在A2、A3處理下C.HCl-Po均與NaHCO3-Po、NaOH-Po呈顯著負(fù)相關(guān)，而 NaHCO3-Po包括土壤中微生物生物量磷，綜合上述NaOH-P與微生物生物量磷之間關(guān)系的分析可知，蚯蚓糞肥作用下土壤中C.HCl-Po的合成主要與微生物生物量磷存在重要關(guān)系，這可能與土壤微生物生物量磷周轉(zhuǎn)有關(guān)，已知核酸和磷脂為微生物體中最主要的含磷成分，在蚯蚓糞肥添加環(huán)境下，微生物死亡后核酸和磷脂被釋放，隨后發(fā)生的某些生物化學(xué)反應(yīng)過程可能與 C.HCl-Po的合成有關(guān)。

表2 土壤酸性磷酸酶活性、微生物生物量磷、有效磷以及各形態(tài)磷素之間的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation between acid phosphatase activity, microbial biomass P, available phosphorus and phosphorus forms

4 結(jié)論

（1）施加蚯蚓糞肥顯著增加根際土和非根際土總微生物量以及微生物對(duì)磷的貯存量，其中非根際土中解磷或貯磷微生物量提升效果遠(yuǎn)高于根際土，在處理組中非根際土微生物生物量碳磷比均低于根際土1.9－2.0倍，在對(duì)照組中非根際土低于根際土0.3倍，而當(dāng)蚯蚓糞肥施入量超過80 g·kg-1水平時(shí)，土壤微生物生物量磷以及微生物生物量碳均不再發(fā)生顯著變化。

（2）蚯蚓糞肥處理的非根際土壤中微生物生物量磷、酸性磷酸酶活性均與NaOH-Po呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而微生物生物量磷與酸性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明蚯蚓糞肥對(duì)土壤酸性磷酸酶活性具有顯著提高作用，有效促進(jìn)NaOH-Po活化，同時(shí)蚯蚓糞肥處理的土壤中豐富的 NaOH-Po礦化促進(jìn)了土壤微生物對(duì)磷的貯存。

（3）蚯蚓糞肥在加速土壤 NaHCO3-Po和NaOH-Po礦化的同時(shí)也促進(jìn)了C.HCl-Po的合成，其中在各處理組中 C.HCl-Po均與微生物生物量磷呈極顯著正相關(guān)，80、120 g·kg-1處理下與 NaHCO3-Po、NaOH-Po均呈顯著負(fù)相關(guān)，表明蚯蚓糞施入處理下C.HCl-Po的合成主要與微生物生物量磷顯著相關(guān)。