溶磷菌肥对红壤磷组分及土壤肥力的影响

2022-02-04郑淇元谢意太卞海洋刘耀辉吴若鸿修玉冰朱裕煌盛可银兰子钧张文元

江西农业大学学报 2022年1期

郑淇元，谢意太，卞海洋，文洁，刘耀辉，吴若鸿，修玉冰，朱裕煌，盛可银，兰子钧，张文元*

（1.江西农业大学林学院/江西省森林培育重点实验室，江西南昌 330045；2.江西省贵溪市西窑采育林场，江西贵溪 335415；3.安徽省六安市林业发展中心，安徽六安 237010）

【研究意义】磷素是植物生长发育所需的大量元素之一[1]，南方地区为追求高产稳产大量施用磷肥，带来了一系列土壤问题：土壤次生盐渍化、土壤养分失衡、土传病虫害加剧等[2]，土壤健康受到严重威胁，也造成了土壤磷素的有效性降低[3]，部分磷素随水循环进入江河湖泊等生态系统，引发河流富营养化[4]。部分难利用磷素被吸附固定在土壤中，土壤磷组分及养分随之发生改变[5]。因此，减少磷肥的施用是避免土壤环境继续恶化的必要途径。【前人研究进展】近些年，为寻找减少磷肥施用的方法，解决难利用磷素在土壤中累积的问题，溶磷微生物的开发利用成为研究热点，溶磷菌是能够将土壤中难溶磷酸盐转化为可利用形态的一类土壤微生物[6]，能够有效提高土壤中磷素的利用率。目前研究主要集中在筛选[6-9]、改良应用[10-11]、配施[12-13]等方面。【本研究切入点】溶磷微生物促进土壤磷素的矿化过程，其溶磷过程受土壤有机质、土壤微生物种群影响[12-15]，能够改变土壤养分结构[13]、分泌植物生长素从而促进植物的生长[14]。对溶磷菌溶磷能力及磷素矿化的研究有很多，溶磷菌对土壤磷组分的影响却鲜有报道。【拟解决的关键问题】研究采用盆栽试验的方式，分析了施肥条件下土壤各形态磷素的含量及速效氮、磷、钾等指标的含量，探究了不同溶磷菌肥料处理下土壤磷组分变化及土壤难溶性磷的降解效果，以期对溶磷菌在提高土壤磷素利用效率方面的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

有机肥：以菜枯饼、食用菌渣、牛粪为堆肥材料（菜枯饼∶食用菌渣∶牛粪=2∶3∶5）制作而成，由宜春辉煌科技有限责任公司生产。

溶磷菌肥：供试溶磷菌由江西省森林培育重点实验室张文元课题组前期在土壤中筛选获得，经16S rDNA 序列相似性分析确定为伯克霍尔德菌（Burkholderiasp.）。在有机肥的基础上，添加供试溶磷菌制成溶磷菌肥，有效活菌数≥0.2亿/g，由宜春辉煌科技有限责任公司生产。

溶磷菌+EM 混合菌肥：在有机肥的基础上，同时添加EM 菌和溶磷菌，堆肥发酵制成混合菌肥。EM菌即有益微生物群，由光合细菌群、乳酸菌群、酵母菌群、放线菌群、丝状菌群等为主的10个属80余种微生物组成。

供试植物：高粱（京糯三号）种子。

供试土壤：红壤来自江西农业大学中药园。土壤基本性质：pH5.55，有效磷（AP）2.94 mg/kg，速效钾（AK）97.21 mg/kg，土壤铵态氮（NH4+-N）2.76 mg/kg，土壤硝态氮（NO3--N）1.51 mg/kg。

1.2 盆栽试验

育苗：高粱种子表面消毒，用无菌蒸馏水冲洗3次，取颗粒饱满种子转入25 ℃恒温箱催芽。

设置处理：添加磷酸三钙作为磷源，磷源按1∶1 000的比例，称量好后与1.5 kg土壤均匀混合，每盆装2.5 kg 土壤。依照处理分别添加有机肥（YJ）、溶磷菌肥（RL）、溶磷菌+EM 复合菌肥（EMR），设置空白（CK），每处理重复6次，共计24盆。

移栽：每盆移入4 棵高粱种子，保持土壤湿度为65%～75%，盆栽底部设置托盘，收集浇水流失的土壤，定期回填。出苗后温室种植，生长期间不施肥。

定期测量株高，盆栽试验在江西农业大学中药园进行，盆栽进行时间在2020 年9—12 月，浇水间隔为一周。

1.3 样品采集与测定

土样采取破坏性取样，挖取整株高粱，105 ℃杀青后在75 ℃下烘干，测定植株干质量。采集植株根际土壤，过2 mm筛后，自然风干，用于测定相关土壤指标。

土壤磷组分采用Sui等[16]土壤磷素分级法，土壤速效磷采用0.5 mol/L 的NaHCO3溶液浸提，取滤液用钼锑比色法测定。土壤速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度计测定，土壤铵态氮、硝态氮使用全自动间断化学分析仪（AMS SmartChem 200）分析测定。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016、IBM SPSS 22.0软件进行数据整理与统计分析，数据作图使用Origin 2018，采用Canoco5.1进行RDA制图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对高粱生长量及株高的影响

由图1a可知，施用肥料与不施肥料之间存在极大差异。有机肥（YJ）、溶磷菌（RL）、溶磷+EM 混合菌肥（EMR）3种施肥处理下的高粱生物量均显著大于CK，分别为CK 的16.9倍、23.8倍和21.9倍（P＜0.05）。YJ与RL处理下的高粱物量均显著大于EMR处理（P＜0.05）。

从株高来看，高粱移栽初期，施肥处理与不施肥处理，株高差异显著（图1b）。株高排序由高到低依次为RL、YJ、EMR、CK，移栽一段时间后，YJ 处理下的高粱株高最高。栽培期间，RL 处理株高增长呈现慢-快-慢的趋势，YJ 处理下呈现快-慢的趋势，EMR 处理株高增长较为平缓，表明有机肥与溶磷菌肥有效促进了高粱生长，提高生长速率。

图1 不同施肥处理对高粱生物量及株高的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on Sorghum bicolor biomass and plant height

这是由于磷对植物生长发育有重要作用[17]，参与合成DNA、RNA 指导植物合成蛋白质[18]，促进光合作用提高根系活力[19]。在长期磷限制的条件下，提高土壤磷含量能够显著提高植物的生长。施加有机肥、溶磷菌肥能够提高土壤P含量，促进土壤磷的生物固持，缓解土壤磷限制条件[20]。

2.2 不同处理对土壤磷组分的影响

H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi 为无机磷，NaHCO3-Po、NaOH-Po、Residual-Po 有机磷，NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po 能够及时补充转化被植物吸收的H2O-Pi[17]。也可以将以上不同形态的磷依据有效性划分为易分解态磷（H2O-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po）、中等易分解态磷（NaOH-Pi、NaOH-Po）、难分解态磷（HCl-P、Residual-P）[21]。分析土壤磷组分能够用于预测土壤磷的生物有效性[16]。

2.2.1 易分解态磷 3种土壤易分解态磷中，NaHCO3-Pi的含量受施肥处理的影响最显著。由图2a及图2c 不难发现：各处理下H2O-Pi、NaHCO3-Po 的含量没有显著差异。图2b 表明EMR、YJ、RL 处理的NaHCO3-Pi 的含量远大于CK，是CK 的11～15 倍，而YJ 对NaHCO3-Pi 的提升效果最优，YJ 处理NaHCO3-Pi 相比EMR、RL分别显著增加了36%、30%（P＜0.05）。这说明3种处理施入土壤能够显著增加土壤NaHCO3-Pi，从而使土壤易分解态磷显著增加，有机肥的效果最好。这与宋佳明等[27]的研究结果一致。原因可能为有机肥腐解及溶磷微生物溶磷代谢产生有机酸，与土壤中金属阳离子螯合，释放出磷酸根离子[22-23]。有机肥堆肥过程中也能够产生有大量有效磷。

2.2.2 中等易分解态磷施肥处理能够提高NaOH-Pi 的含量，对有机态中等易分解态磷影响不显著（图2d，图2e）。特别的，由图2e 可知，EMR 处理则显著提高了NaOH-Po，相比CK 提高了约70%（P＜0.05）。这说明3 种肥料处理能够提高中等易分解磷的含量，溶磷+EM 混合菌肥提高土壤中等易分解态磷含量的效果最好。有机肥的有机成分降解产生植酸等含磷有机质，这可能是中等易分解态有机磷增加的原因，EM 菌剂能够提高土壤微生物多样性，促进了3 种肥料中有机质降解产生植酸等含磷有机物[24]，从而显著增加土壤中等易分解态有机磷。有机质分解还会产生大量有机酸使土壤pH降低[25]，提高土壤铁铝等金属阳离子的吸附活性[26]，活化的铁铝阳离子吸附土壤游离磷酸根离子，从而提高了土壤中易分解态无机磷的含量。

2.2.3 难分解态磷施加溶磷菌能够缓解土壤难溶态磷的累积。研究结果发现3 种施肥处理下土壤HCl-Pi 的含量有显著的不同程度的增加，其中EMR 处理下HCl-Pi 含量相比其他施肥处理增量最小，含量为（2.29±0.47）mg/kg。有机肥处理下HCl-Pi 含量是EMR 处理的2.9 倍（图2f）。土壤Residual-P的含量几个处理与CK 间没有显著差异（图2g）。这说明单施有机肥会加剧土壤磷素累积，添加溶磷菌处理的肥料能够缓解。这可能是因为肥料中的有机质施入土壤后不能完全分解，致使有机质中含有的磷素不能完全释放，导致土壤磷素累积，添加溶磷菌后，溶磷菌代谢活动主动分解了土壤中累积的难溶态磷，减少了磷素累积，含有有益微生物的EM 菌剂增加了土壤微生物多样性，促进溶磷菌的代谢活动。

图2 不同施肥处理对土壤磷组分的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil phosphorus fractions

综上，有机肥、溶磷菌肥、溶磷+EM 混合菌肥对土壤易分解态磷、中等易分解态磷、难溶态磷均有较大程度的改变。有机肥全面增加3种形态的磷含量，溶磷菌肥、溶磷+EM 混合菌肥能够提高土壤易分解态磷、中等易分解态磷，在提高土壤磷素利用效率方面相比有机肥效果更优越。

2.3 不同处理对土壤速效氮（NH4+-N，NO3--N）、有效磷（AP）、速效钾（AK）的影响

从图3a 可知，有效磷的含量由大到小依次为YJ、RL.EMR、CK，最大值为YJ 处理下的含量（19.11±3.58）mg/kg，最小值为CK处理下的含量（2.65±0.11）mg/kg。EMR与RL处理下，有效磷的含量没有显著差异（P＞0.05），但两者均显著大于CK（P＜0.05）。这说明3种处理均能够显著提高土壤有效磷含量，其中有机肥单施提高有效磷含量的效果最好。有机肥提高土壤有效磷主要有3种途径[27]，有机肥本身含有丰富的有效磷，能够直接供给植物吸收利用[28]；另外有机肥在土壤中分解的过程中产生有机酸与土壤中金属阳离子发生螯合，从而释放出磷酸根离子[22]；有机肥能够提高土壤微生物活性，促进土壤有机磷转化[29]。溶磷菌肥是以有机肥为基质添加溶磷菌剂发酵而成，肥料中含有大量单一类群的微生物，施入土壤后改变土壤微生物群落结构，可能会抑制对土壤原生微生物的代谢活动。

由图3b 可以看出，EMR、YJ、RL 3 种施肥处理下，土壤速效钾的含量分别为（179.67±14.93）mg/kg、（170.82±18.74）mg/kg 和（154.90±2.37）mg/kg，与CK 相比含量显著增加（P＜0.05）。由图4 可以看出，EMR与RL 处理的铵态氮含量存在显著差异，EMR、YJ、RL 3 种处理的土壤铵态氮含量均显著高于CK，相比CK分别增加68.1%、61.8%和57.2%（P＜0.05），EMR处理下铵态氮含量显著大于RL（P＜0.05）。这说明3种施肥处理改变了土壤氨化作用与硝化作用的平衡，促进土壤氨化作用，减弱土壤硝化作用。有机肥在溶磷菌和EM 菌配合发酵后施入土壤，能够提高土壤铵态氮的作用。但是土壤的硝态氮含量相比CK 显著减少（P＜0.05），硝态氮的含量减少了50.0%～60.0%。土壤中的有机氮经过氨基化、氨化过程转化成NH4+-N，铵离子大部分通过亚硝化、硝化微生物的作用氧化成NO3--N[30-31]。另外植物与微生物在吸收同化NH4+-N、NO3--N 过程中存在竞争关系[32]。碳氮比越高，土壤硝化作用越低[33]。施肥处理下，硝化作用减弱，可能是由于有机肥的加入，使得土壤碳氮比提高，抑制土壤硝化作用的进行[33]。施加菌肥导致土壤微生物间的竞争关系加剧可能也是硝化作用减弱的原因[13]。施肥处理下速效钾含量显著增加，这与闫洪奎等[34]研究结果一致。

图3 不同施肥处理对土壤有效磷、速效钾含量的影响Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soil available P and available K contents

图4 不同施肥处理对土壤铵态氮、硝态氮的影响Fig.4 Effects of different fertilization treatments on ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in soil

2.4 植物生物量、土壤有效养分与土壤磷组分之间的相关性

各形态磷素与HCl-P 的相关性分析发现，NaHCO3-Pi 与HCl-P 呈显著的正相关关系，拟合系数R²=0.564（图5b）。其余磷组分与磷组分相关性较弱。这可能是土壤HCl-P 经土壤微生物代谢后会转化为NaHCO3-Pi，在土壤中代谢转化平衡会随着代谢底物的增加而向NaHCO3-Pi方向转移。

图5 难溶态HCl-P与其他形态磷的相关性分析Fig.5 Correlation analysis between different phosphorus fractions and HCl-P

冗余分析表明（图6），高粱生物量、土壤速效钾、土壤铵态氮和有效磷与NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-P具有正相关关系，高粱生物量与NaOH-Pi 相关性最高，土壤速效钾与NaHCO3-Pi 相关性最高，土壤铵态氮和有效磷与NaHCO3-Pi相关性最高，磷组分能解释69.3%的总变异，其中NaHCO3-Pi对解释土壤速效养分、植株生物量的影响最显著，能够解释57.5%总变异（F=29.8；P＜0.05）。由图6 b 可以看出磷组分的变化对YJ、EMR、RL 3 类样本影响程度最大。这说明NaHCO3-Pi 对土壤速效养分的关联度较大，NaHCO3-Pi的增加与土壤部分速效养分的增加存在着协同机制。

图6 磷组分与土壤有效养分、高粱生物量冗余分析Fig.6 Sequence diagram of soil available nutrients and sorghum biomass under different fertilization treatments

3 讨论

3.1 溶磷菌肥在非原位条件下难以发挥最优降解效果

研究结果表明溶磷菌在真实土壤环境下对土壤难溶性磷难以发挥最佳降解作用，需要搭配EM菌等有益菌等。这与韩亚杰等[14]的研究结果一致。这可能是土壤微生物的代谢受土壤微生物环境、理化性质等多种环境条件影响，土壤环境的异质性使不同性质的土壤有不同的优势菌株[35]，这就导致提取自特定土壤环境的微生物接种在性质不同的土壤中无法保持在原位环境下的代谢速率[36]。EM 菌含有大量有益菌株及物质，能够提高土壤微生物多样性，促进了溶磷微生物的代谢作用，能够对溶磷菌肥起到增效作用。

土壤微生物的分布受土壤生物和非生物因素的影响，表现出强烈的异质性与复杂性[37]。合适的微生物生存条件包括但不限于友好的土壤微生物群落关系、充足的土壤微生物代谢底物等。在溶磷微生物研究中，为溶磷微生物营造接近原位的生存条件有利于充分发挥土壤溶磷微生物的溶磷作用，减少土壤磷素累积提高磷素利用效率。

3.2 有机肥施入加剧磷素累积

研究表明施用有机肥会加剧土壤难溶性磷素累积，施加溶磷菌肥则能够缓解磷素累积问题，这与杨振兴等[38]的研究结果一致。这可能是由于南方红壤地区土壤侵蚀作用强烈，土壤磷素流失严重[39]，磷成为限制红壤地区植物生长的重要因子。在低磷条件下植物根系能够分泌有机酸、磷酸酶等物质促进难溶性磷转化[40]。施用有机肥化肥等使土壤有效磷在短时间内迅速增加，打破了低磷环境，抑制了植物根系溶磷作用，易导致土壤难溶性磷的累积。施用溶磷菌肥能够弥补植物对土壤难溶性磷的溶解作用[3]。

土壤中植物能够利用的磷一部分来源于肥料本身含有的速效磷[27]，另一部分来源于HCl-P 的转化[41-42]。溶磷菌通过酸解作用、酶解作用等途径转化土壤难溶性磷HCl-P[43-44]。在有机肥中配施溶磷菌的施肥方式有利于利用土壤中闭蓄态磷素，扩充植物磷素来源途径。

3.3 NaHCO3-Pi与土壤速效氮、磷、钾具协同效应

冗余分析结果表明有机肥、溶磷菌肥、溶磷菌+EM 复合菌肥处理下NaHCO3-Pi与铵态氮、有效磷、速效钾表现出协同效应。这可能与有机肥的分解有关，有机肥含有大量的有机质在短期内能够全面提升土壤速效养分及土壤碳氮比例[13,40,45]。提升土壤微生物的活性[46-47]，溶磷菌的添加也提高了土壤溶磷的效率。有机肥与溶磷菌肥的混施在土壤中形成了有机质-微生物体系，这使土壤微生物通过分解有机质来提高土壤速效养分。

有效氮、有效磷等速效养分在土壤中能够被植物根系直接吸收，是植物从土壤中获取生物代谢所需氮、磷的主要形态[48]。土壤氮、磷、钾有效性与土壤磷组分等土壤环境因子的变化密切相关[42,49]。

综上所述，盆栽试验结果表明土壤施加溶磷菌肥能够有效提高土壤磷素的利用效率，减少土壤磷素累积，提高土壤的速效氮、磷、钾的含量。野外环境复杂多变，溶磷菌降解土壤难溶态磷的机理还有待研究，试验结果中施肥处理下土壤硝态氮含量下降的现象也需要进一步深入探究。