李炎龍,季榮博,吳 云,秦澤峰,彭 懿,蓋京蘋,馮 固

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193

土壤微生物量磷(Microbial Biomass Phosphorus,MBP)既是土壤磷素循環(huán)與轉(zhuǎn)化的 “中轉(zhuǎn)站”,又是土壤磷素生物肥力的主要貢獻(xiàn)者,在植物磷素生物有效性的再分配過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。盡管MBP在土壤中僅占總磷庫的1.6%左右[2],但其周轉(zhuǎn)快、易礦化,是土壤磷組分中最為活躍的形態(tài),能夠隨著微生物自身不斷更新而周轉(zhuǎn)釋放出來供植物和土壤中其他的微生物吸收利用,調(diào)節(jié)著土壤磷素的礦化和固定過程,在很大程度上能夠反映土壤活性磷庫的容量和周轉(zhuǎn)強(qiáng)度[3—5]。此外,土壤MBP對(duì)周圍環(huán)境條件變化極為靈敏,能及時(shí)準(zhǔn)確反映生境條件改變和人類活動(dòng)引起的土壤磷素固定和周轉(zhuǎn),可作為表征土壤供磷能力早期變化的敏感指標(biāo)[6—7]。

近年來,學(xué)者們對(duì)于土壤MBP進(jìn)行了大量的研究,從空間“點(diǎn)”上的研究到宏觀“面”上的研究均有報(bào)道。然而,這些研究大多集中在它的季節(jié)性含量或濃度變化特征[8—10]、周轉(zhuǎn)通量[11—13]、影響因素[14—17]和對(duì)其在小區(qū)域尺度上空間含量變化規(guī)律的揭示[18—20]等方面,僅有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道了土壤MBP庫容的大小及其對(duì)植物磷營養(yǎng)的潛在貢獻(xiàn)能力。例如,Achat等[21]估算了法國西南地區(qū)松樹林表層(0—15 cm)土壤MBP庫容的大小為10.6—21.6 kg P/hm2,遠(yuǎn)高于松樹林每年0.3—2 kg P/hm2的需磷量。張成娥和王栓全[22]的研究結(jié)果也表明,在不同作物秸稈腐熟過程中土壤MBP的年流通量在數(shù)量上是植物每年吸磷量的4—10倍。因此,土壤MBP庫是一個(gè)巨大的活性磷養(yǎng)分儲(chǔ)庫,在補(bǔ)充土壤速效磷庫和調(diào)控植物磷有效性再分配過程中扮演著重要的角色。盡管土壤MBP庫在提高土壤磷素生物有效性等方面發(fā)揮著巨大的潛在貢獻(xiàn),但我們?cè)谵r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤MBP庫對(duì)于植物養(yǎng)分磷吸收的貢獻(xiàn)潛力方面的認(rèn)識(shí)還很有限。

目前,由于大空間尺度樣品采集和保存的困難性以及后期樣品測(cè)定任務(wù)的繁重性,我國北方集約化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中MBP庫容的大小及其影響因素尚未被系統(tǒng)研究。定量農(nóng)田土壤MBP庫容的大小有助于深入了解土壤磷素循環(huán)與轉(zhuǎn)化能力以及掌握土壤微生物的固磷潛力。本研究以我國北方農(nóng)田3種典型的農(nóng)田土壤-作物體系(黑土-春玉米體系、潮土-冬小麥/夏玉米輪作體系和灰漠土-棉花體系)為研究對(duì)象,基于GIS定點(diǎn)采樣,通過大尺度的調(diào)查案例分析,來量化我國北方農(nóng)田典型土壤-作物體系MBP庫容的大小,揭示其在大空間農(nóng)田尺度上的影響因素,以期為優(yōu)化我國農(nóng)田土壤磷肥管理、評(píng)估土壤微生物的固磷能力及其對(duì)改善作物磷營養(yǎng)的貢獻(xiàn)潛力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究自2017—2019年期間分別從我國北方三大農(nóng)產(chǎn)區(qū)(東北區(qū)、華北區(qū)、西北區(qū))45個(gè)采樣點(diǎn)收集土壤樣品,這些采樣點(diǎn)包括我國北方地區(qū)廣泛分布的土壤(黑土、潮土和灰漠土)、作物(小麥、玉米和棉花)和氣候(半濕潤、干旱)類型,在空間上橫跨一個(gè)較大的緯度梯度(33°11′49″—44°20′),年均氣溫為4.6—14.5℃,年均降雨量為152.6—868 mm。研究區(qū)各采樣點(diǎn)的分布如下所示(圖1)。

圖1 采樣點(diǎn)的分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points

1.2 研究方法

運(yùn)用“S”型采樣法,采集耕作層(0—30 cm)土壤樣品,每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)選取5個(gè)取樣點(diǎn)混勻后作為一個(gè)土壤樣品放入裝有冰袋的冰盒?；貙?shí)驗(yàn)室后,去除動(dòng)植物殘?bào)w和較大的石土塊,過2 mm篩,篩過的土壤樣品分為兩份,一份保存至4℃冰箱,用于土壤MBP的測(cè)定,另一份置于室溫條件下自然風(fēng)干,用于土壤理化指標(biāo)的測(cè)定。本次采集黑土-春玉米體系土壤樣品159個(gè),潮土-冬小麥/夏玉米輪作體系土壤樣品135個(gè),灰漠土-棉花體系土壤樣品68個(gè),共計(jì)362個(gè)土壤樣品。

土壤MBP采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定[23],運(yùn)用酶標(biāo)儀測(cè)定比色后的吸光度值,在進(jìn)行熏蒸之前,將土壤含水率調(diào)至合適范圍(10%—15%,干基),在恒溫培養(yǎng)箱里培養(yǎng)一周后,稱取一定量土壤樣品進(jìn)行熏蒸測(cè)定。土壤MBP的計(jì)算公式為：

MBP=(F-UF)/(Kp×R)

(1)

式中,F為熏蒸土壤中碳酸氫鈉溶液所浸提的磷量(mg/kg),UF為不熏蒸土壤中碳酸氫鈉溶液所浸提的磷量(mg/kg),Kp為土壤MBP的轉(zhuǎn)換系數(shù),取值為0.4,R為加入的無機(jī)磷的回收率。回收率(R)計(jì)算公式為：

R=(UA-UF)/V×100%

(2)

式中,UA為土壤中加入250 μgmL磷酸二氫鉀溶液后,用碳酸氫鈉溶液浸提所得到的磷量(mg/kg),V為加入磷酸二氫鉀的體積,為0.5 mL。

土壤MBP庫容的計(jì)算公式為：

P=D×W×C

(3)

式中,P表示土壤MBP庫容(kg P/hm2)；D表示采樣深度(cm)；W表示土壤容重(g/cm3)；C表示土壤MBP含量(mg/kg),不同地區(qū)當(dāng)季作物需磷量數(shù)據(jù)來源于張福鎖等《中國主要作物施肥指南》[24]。

土壤理化指標(biāo)的測(cè)定參照魯如坤[25]的方法,土壤pH使用pH計(jì)測(cè)定(水∶比=2.5∶1),土壤電導(dǎo)率使用電導(dǎo)儀測(cè)定(水∶土=5∶1),土壤含水率采用烘干法測(cè)定,土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定,土壤有機(jī)質(zhì)采用濃H2SO4-K2CrO4外加熱法測(cè)定,土壤速效磷采用Olsen-P法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采樣點(diǎn)的定位圖是基于2000年全國1∶400萬土壤類型的矢量圖(來源于中科院南京土壤所),運(yùn)用Arcgis10.7軟件進(jìn)行篩選和檢索以確定采樣點(diǎn)的土壤類型。采用Excel 2019和Origin Pro 2017軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和繪圖,運(yùn)用SPSS 25.0軟件對(duì)不同土壤-作物MBP含量數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差統(tǒng)計(jì)分析(One-way ANOVA),利用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),顯著性水平為0.05,運(yùn)用R4.0.3軟件的nlme 3.1-152包的lme模塊構(gòu)建線性混合效應(yīng)模型[26],該模型以土壤MBP為因變量,土壤因子和氣候因子為固定效應(yīng)因子,采樣地點(diǎn)為隨機(jī)效應(yīng)因子[27—28]。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣區(qū)土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量

不同土壤-作物體系的土壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)碳、速效磷、碳磷比(C/P)、含水率和容重等土壤理化指標(biāo)及作物產(chǎn)量的數(shù)據(jù)如下所示(表1)。在3種典型的農(nóng)田土壤中,黑土的有機(jī)碳和速效磷含量較高,土壤C/P比介于189.73—1968.65,且土壤呈弱酸性。潮土和灰漠土是兩種典型的石灰性農(nóng)田土壤,但灰漠土的鹽分較高,兩者的土壤C/P比分別為94.56—2496.45和92.15—1430.98。在黑土-春玉米、潮土-冬小麥、潮土-夏玉米和灰漠土-棉花種植體系中,當(dāng)季作物的產(chǎn)量分別為7639—15056 kg/hm2、6750—8250 kg/hm2、6750—9750 kg/hm2和1773—2595 kg/hm2。

表1 不同土壤-作物體系土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量Table 1 Soil physical-chemical properties and crop yield of different soil-crop systems

2.2 不同土壤-作物體系微生物量磷含量變化

不同土壤-作物體系表層土壤MBP含量如下所示(圖2)。黑土-春玉米、潮土-冬小麥、潮土-夏玉米和灰漠土-棉花體系土壤MBP的含量分別在1.14—43.83 mg/kg、2.07—32.57 mg/kg、3.47—25.54 mg/kg和1.13—23.76 mg/kg范圍內(nèi)變化,平均含量分別為17.36、14.58、14.20 mg/kg和8.75 mg/kg,且不同土壤-作物體系間MBP的含量存在顯著差異(P<0.05)。在所有作物種植體系中,以黑土-春玉米體系中MBP含量最高,其次是潮土-冬小麥、潮土-夏玉米、灰漠土-棉花體系。然而,在潮土-冬小麥和潮土-夏玉米體系中,土壤MBP含量無顯著差異。因此,在華北平原典型的潮土-冬小麥/夏玉米輪作體系中,土壤MBP的平均含量為14.45 mg/kg。

圖2 不同土壤-作物體系微生物量磷含量 Fig.2 Content of soil microbial biomass phosphorus of different soil-crop systems不同小寫字母代表不同土壤-作物體系間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同土壤-作物體系耕層土壤微生物量磷庫容大小

基于土壤容重,我們初步估算出了不同土壤-作物體系土壤MBP庫容的大小,結(jié)果如下(表2)。黑土-春玉米、潮土-冬小麥、潮土-夏玉米和灰漠土-棉花體系耕作層(0—30 cm)土壤MBP庫容的變化范圍分別為：49.42—97.98 kg P/hm2、9.28—121.23 kg P/hm2、42.16—54.1 kg P/hm2和22.61—57.58 kg P/hm2,平均庫容大小分別為83.60、58.16、50.36 kg P/hm2和39.80 kg P/hm2,其中,在潮土冬小麥/夏玉米輪作體系中,土壤MBP庫容的大小為54.26 kg P/hm2。

表2 不同土壤-作物體系微生物量磷庫容的大小Table 2 The size of soil microbial biomass phosphorus pool of different soil-crop systems

結(jié)合張福鎖等[24]《中國主要作物施肥指南》的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)在黑土-春玉米、潮土-冬小麥、潮土-夏玉米和灰漠土-棉花體系中,土壤MBP庫儲(chǔ)存的磷在數(shù)量上分別相當(dāng)于當(dāng)季作物需磷量的2.73、1.63、1.73倍和1.10倍。表明土壤MBP庫是我國北方農(nóng)田土壤中一個(gè)潛在的巨大養(yǎng)分磷儲(chǔ)存庫。

2.4 土壤微生物量磷與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

土壤MBP與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果如下所示(表3)。在黑土-春玉米體系中,土壤MBP與土壤pH、土壤C/P比極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與土壤速效磷極顯著正相關(guān),與土壤電導(dǎo)率、有機(jī)碳和容重顯著正相關(guān)(P<0.05)。在潮土-冬小麥/夏玉米輪作體系中,土壤MBP與土壤pH極顯著負(fù)相關(guān),與土壤C/P比和容重顯著負(fù)相關(guān),與土壤有機(jī)碳和速效磷極顯著正相關(guān),與土壤電導(dǎo)率無關(guān)。在灰漠土-棉花體系中,土壤MBP與土壤pH和容重極顯著負(fù)相關(guān),與土壤有機(jī)碳和速效磷極顯著正相關(guān),與土壤電導(dǎo)率和C/P比無關(guān)。在我國北方農(nóng)田3種典型土壤作物體系中,土壤MBP與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性較好,表明在我國集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中土壤MBP能夠作為反映土壤質(zhì)量變化的一個(gè)重要生物指標(biāo)。

表3 不同土壤-作物體系微生物量磷與土壤理化性質(zhì)相關(guān)分析Table 3 Correlations between physical-chemical properties and microbial biomass phosphorus under different soil-crop systems

2.5 影響土壤微生物量磷的多因素綜合分析

為進(jìn)一步解析采樣點(diǎn)環(huán)境變量對(duì)于土壤MBP的綜合影響作用,應(yīng)用線性混合效應(yīng)模型分析了環(huán)境變量與MBP的關(guān)系,結(jié)果表明,土壤pH、有機(jī)碳、年均氣溫和年均降雨量能夠解釋我國北方農(nóng)田3種典型土壤-作物體系MBP的57%變異,且土壤MBP隨著pH的增加而降低,隨著有機(jī)碳和年均氣溫的增加而增加(圖3,表4)。

圖3 采樣點(diǎn)土壤微生物量磷的線性混合效應(yīng)模型 Fig.3 Linear mixed-effects model of soil microbial biomass phosphorus at all sampling sites

表4 采樣點(diǎn)土壤微生物量磷線性混合效應(yīng)模型的相關(guān)系數(shù)Table 4 Regression coefficients of linear mixed-effects model of soil microbial biomass phosphorus at all sampling sites

3 討論

本文在GIS定位土壤類型的基礎(chǔ)上,分別在我國北方三大農(nóng)產(chǎn)區(qū)代表作物種植范圍內(nèi)進(jìn)行取樣,比較系統(tǒng)地研究了我國北方農(nóng)田典型土壤-作物體系MBP的含量特征。雖然在黑土和灰漠土上采樣點(diǎn)未覆蓋整個(gè)分布區(qū),但選擇的采樣點(diǎn)集中于當(dāng)?shù)氐湫妥魑锓植純?yōu)勢(shì)區(qū)域,例如,在新疆灰漠土上,所有采樣點(diǎn)廣泛分布于北疆主棉區(qū)、重棉區(qū)和次重棉區(qū)。因此,這些采樣點(diǎn)在一定程度上能夠代表所在區(qū)域典型的土壤-作物體系。

土壤MBP是土壤磷素中最為活躍的形態(tài),但其在土壤中的含量較小,且易受環(huán)境因素的影響,因此,在大多數(shù)集約農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中,土壤MBP的含量變化很大。在本研究中,黑土-春玉米、潮土-冬小麥/夏玉米和灰漠土棉花體系土壤MBP含量分別在1.14—43.83 mg/kg、2.07—32.57 mg/kg和1.13—23.76 mg/kg范圍內(nèi)變化,這一結(jié)果與前人研究的結(jié)果基本一致[29—31]。但我國北方農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中MBP的平均含量13.52 mg/kg要略低于全球農(nóng)田平均水平15.5 mg/kg[2]。這可能與我國農(nóng)民的施肥習(xí)慣有關(guān),表現(xiàn)為化肥的過量施用和有機(jī)肥投入的相對(duì)不足,加劇了我國農(nóng)田土壤中微生物的碳限制,降低了微生物的活性。此外,不同土壤-作物類型之間MBP的含量存在顯著差異,以黑土-春玉米體系中的MBP含量最高,灰漠土棉花體系中MBP含量最低。這可能是由于一方面黑土自然肥力高,含有豐富的有機(jī)碳,為土壤微生物提供了豐富的碳源,提高了微生物活性,從而導(dǎo)致了較高的MBP含量；另一方面可能是因?yàn)樗譅顩r,本次采樣黑土區(qū)年均降雨量為567 mm,而灰漠土區(qū)年均降雨量不足200 mm,微生物受干旱脅迫,活性較低。

土壤微生物調(diào)節(jié)著包括碳、氮、磷等元素循環(huán)與轉(zhuǎn)化在內(nèi)的多種土壤生態(tài)過程,在能量流動(dòng)與養(yǎng)分釋放過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,然而,微生物控制的這些生態(tài)過程強(qiáng)烈依賴于微生物的生物量和活性[32]。影響土壤微生物生物量的因素有許多,本研究從土壤性質(zhì)和氣候因素等方面較為系統(tǒng)分析了采樣點(diǎn)環(huán)境變量對(duì)土壤MBP的多因素綜合影響作用,發(fā)現(xiàn)土壤MBP與土壤pH、有機(jī)碳、速效磷和容重等指標(biāo)顯著相關(guān),表明在農(nóng)田土壤中MBP與土壤性質(zhì)具有緊密聯(lián)系,能夠作為反映土壤質(zhì)量變化的一個(gè)敏感生物學(xué)指標(biāo),進(jìn)一步驗(yàn)證前人的研究結(jié)果[33—36]。此外,采樣點(diǎn)的年均氣溫和年均降雨量對(duì)土壤MBP也有顯著效應(yīng),增溫能夠提高微生物活性,促進(jìn)其生長,進(jìn)而提高土壤MBP的含量,與前人所做結(jié)論一致[37—38]。

土壤微生物具有溶解、礦化和固定磷的能力,被認(rèn)為是土壤活性磷的“源”和“庫”,在土壤磷素循環(huán)和對(duì)植物磷生物有效性等方面扮演著重要角色。本研究發(fā)現(xiàn)土壤MBP庫是我國北方農(nóng)田土壤中一個(gè)潛在的巨大養(yǎng)分磷儲(chǔ)庫,其儲(chǔ)存磷的數(shù)量相當(dāng)于當(dāng)季作物需磷量的1.10至2.73倍,這與前人在其他生態(tài)系統(tǒng)研究中得到的結(jié)論相符[21—22]。在土壤磷素充足時(shí),土壤微生物將更多的磷固持在自身生物量中,避免了其在土壤中被固定和淋失,降低了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)磷的損失途徑。然而,微生物的這種固持作用只是暫時(shí)的,由于土壤微生物的壽命較短以及種間捕食關(guān)系的發(fā)生,土壤MBP庫極易發(fā)生周轉(zhuǎn),將這部分磷釋放出來供植物吸收利用,進(jìn)而改善植物的磷營養(yǎng)狀況[39—40]。

4 結(jié)論

土壤MBP庫是我國北方農(nóng)田土壤中一個(gè)巨大的養(yǎng)分磷儲(chǔ)庫,其在改善作物磷營養(yǎng)狀況方面所發(fā)揮的潛在作用不容忽視。在我國北方3種典型農(nóng)田土壤中,耕層(0—30 cm)土壤微生物固持在自身生物量中的磷的數(shù)量為39.80—83.60 kg P/hm2,在數(shù)量上相當(dāng)于當(dāng)季作物需磷量的1.10—2.73倍。其庫容的大小受土壤肥力的影響,其中,土壤有機(jī)碳含量是我國北方農(nóng)田3種典型土壤-作物體系中MBP庫容大小的主要影響因素。今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)有機(jī)肥的施用和秸稈還田、合理調(diào)控土壤微生物資源活性、培育較大的MBP庫容,并將其供磷能力納入農(nóng)業(yè)磷肥管理模型,以達(dá)到優(yōu)化磷肥施用量的目標(biāo)。