李炎龙,季荣博,吴 云,秦泽峰,彭 懿,盖京苹,冯 固

中国农业大学资源与环境学院,北京 100193

土壤微生物量磷(Microbial Biomass Phosphorus,MBP)既是土壤磷素循环与转化的 “中转站”,又是土壤磷素生物肥力的主要贡献者,在植物磷素生物有效性的再分配过程中发挥着关键作用[1]。尽管MBP在土壤中仅占总磷库的1.6%左右[2],但其周转快、易矿化,是土壤磷组分中最为活跃的形态,能够随着微生物自身不断更新而周转释放出来供植物和土壤中其他的微生物吸收利用,调节着土壤磷素的矿化和固定过程,在很大程度上能够反映土壤活性磷库的容量和周转强度[3—5]。此外,土壤MBP对周围环境条件变化极为灵敏,能及时准确反映生境条件改变和人类活动引起的土壤磷素固定和周转,可作为表征土壤供磷能力早期变化的敏感指标[6—7]。

近年来,学者们对于土壤MBP进行了大量的研究,从空间“点”上的研究到宏观“面”上的研究均有报道。然而,这些研究大多集中在它的季节性含量或浓度变化特征[8—10]、周转通量[11—13]、影响因素[14—17]和对其在小区域尺度上空间含量变化规律的揭示[18—20]等方面,仅有少数文献报道了土壤MBP库容的大小及其对植物磷营养的潜在贡献能力。例如,Achat等[21]估算了法国西南地区松树林表层(0—15 cm)土壤MBP库容的大小为10.6—21.6 kg P/hm2,远高于松树林每年0.3—2 kg P/hm2的需磷量。张成娥和王栓全[22]的研究结果也表明,在不同作物秸秆腐熟过程中土壤MBP的年流通量在数量上是植物每年吸磷量的4—10倍。因此,土壤MBP库是一个巨大的活性磷养分储库,在补充土壤速效磷库和调控植物磷有效性再分配过程中扮演着重要的角色。尽管土壤MBP库在提高土壤磷素生物有效性等方面发挥着巨大的潜在贡献,但我们在农田生态系统中土壤MBP库对于植物养分磷吸收的贡献潜力方面的认识还很有限。

目前,由于大空间尺度样品采集和保存的困难性以及后期样品测定任务的繁重性,我国北方集约化农田生态系统中MBP库容的大小及其影响因素尚未被系统研究。定量农田土壤MBP库容的大小有助于深入了解土壤磷素循环与转化能力以及掌握土壤微生物的固磷潜力。本研究以我国北方农田3种典型的农田土壤-作物体系(黑土-春玉米体系、潮土-冬小麦/夏玉米轮作体系和灰漠土-棉花体系)为研究对象,基于GIS定点采样,通过大尺度的调查案例分析,来量化我国北方农田典型土壤-作物体系MBP库容的大小,揭示其在大空间农田尺度上的影响因素,以期为优化我国农田土壤磷肥管理、评估土壤微生物的固磷能力及其对改善作物磷营养的贡献潜力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究自2017—2019年期间分别从我国北方三大农产区(东北区、华北区、西北区)45个采样点收集土壤样品,这些采样点包括我国北方地区广泛分布的土壤(黑土、潮土和灰漠土)、作物(小麦、玉米和棉花)和气候(半湿润、干旱)类型,在空间上横跨一个较大的纬度梯度(33°11′49″—44°20′),年均气温为4.6—14.5℃,年均降雨量为152.6—868 mm。研究区各采样点的分布如下所示(图1)。

图1 采样点的分布图Fig.1 Distribution map of sampling points

1.2 研究方法

运用“S”型采样法,采集耕作层(0—30 cm)土壤样品,每个采样点随机选取5个取样点混匀后作为一个土壤样品放入装有冰袋的冰盒。回实验室后,去除动植物残体和较大的石土块,过2 mm筛,筛过的土壤样品分为两份,一份保存至4℃冰箱,用于土壤MBP的测定,另一份置于室温条件下自然风干,用于土壤理化指标的测定。本次采集黑土-春玉米体系土壤样品159个,潮土-冬小麦/夏玉米轮作体系土壤样品135个,灰漠土-棉花体系土壤样品68个,共计362个土壤样品。

土壤MBP采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L碳酸氢钠溶液浸提—钼锑抗比色法测定[23],运用酶标仪测定比色后的吸光度值,在进行熏蒸之前,将土壤含水率调至合适范围(10%—15%,干基),在恒温培养箱里培养一周后,称取一定量土壤样品进行熏蒸测定。土壤MBP的计算公式为：

MBP=(F-UF)/(Kp×R)

(1)

式中,F为熏蒸土壤中碳酸氢钠溶液所浸提的磷量(mg/kg),UF为不熏蒸土壤中碳酸氢钠溶液所浸提的磷量(mg/kg),Kp为土壤MBP的转换系数,取值为0.4,R为加入的无机磷的回收率。回收率(R)计算公式为：

R=(UA-UF)/V×100%

(2)

式中,UA为土壤中加入250 μgmL磷酸二氢钾溶液后,用碳酸氢钠溶液浸提所得到的磷量(mg/kg),V为加入磷酸二氢钾的体积,为0.5 mL。

土壤MBP库容的计算公式为：

P=D×W×C

(3)

式中,P表示土壤MBP库容(kg P/hm2)；D表示采样深度(cm)；W表示土壤容重(g/cm3)；C表示土壤MBP含量(mg/kg),不同地区当季作物需磷量数据来源于张福锁等《中国主要作物施肥指南》[24]。

土壤理化指标的测定参照鲁如坤[25]的方法,土壤pH使用pH计测定(水∶比=2.5∶1),土壤电导率使用电导仪测定(水∶土=5∶1),土壤含水率采用烘干法测定,土壤容重采用环刀法测定,土壤有机质采用浓H2SO4-K2CrO4外加热法测定,土壤速效磷采用Olsen-P法测定。

1.3 数据处理与统计分析

采样点的定位图是基于2000年全国1∶400万土壤类型的矢量图(来源于中科院南京土壤所),运用Arcgis10.7软件进行筛选和检索以确定采样点的土壤类型。采用Excel 2019和Origin Pro 2017软件对试验数据进行整理、计算和绘图,运用SPSS 25.0软件对不同土壤-作物MBP含量数据进行单因素方差统计分析(One-way ANOVA),利用最小显著差异法(LSD)进行显著性检验,显著性水平为0.05,运用R4.0.3软件的nlme 3.1-152包的lme模块构建线性混合效应模型[26],该模型以土壤MBP为因变量,土壤因子和气候因子为固定效应因子,采样地点为随机效应因子[27—28]。

2 结果与分析

2.1 采样区土壤理化性质和作物产量

不同土壤-作物体系的土壤pH、电导率、有机碳、速效磷、碳磷比(C/P)、含水率和容重等土壤理化指标及作物产量的数据如下所示(表1)。在3种典型的农田土壤中,黑土的有机碳和速效磷含量较高,土壤C/P比介于189.73—1968.65,且土壤呈弱酸性。潮土和灰漠土是两种典型的石灰性农田土壤,但灰漠土的盐分较高,两者的土壤C/P比分别为94.56—2496.45和92.15—1430.98。在黑土-春玉米、潮土-冬小麦、潮土-夏玉米和灰漠土-棉花种植体系中,当季作物的产量分别为7639—15056 kg/hm2、6750—8250 kg/hm2、6750—9750 kg/hm2和1773—2595 kg/hm2。

表1 不同土壤-作物体系土壤理化性质及作物产量Table 1 Soil physical-chemical properties and crop yield of different soil-crop systems

2.2 不同土壤-作物体系微生物量磷含量变化

不同土壤-作物体系表层土壤MBP含量如下所示(图2)。黑土-春玉米、潮土-冬小麦、潮土-夏玉米和灰漠土-棉花体系土壤MBP的含量分别在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范围内变化,平均含量分别为17.36、14.58、14.20 mg/kg和8.75 mg/kg,且不同土壤-作物体系间MBP的含量存在显著差异(P<0.05)。在所有作物种植体系中,以黑土-春玉米体系中MBP含量最高,其次是潮土-冬小麦、潮土-夏玉米、灰漠土-棉花体系。然而,在潮土-冬小麦和潮土-夏玉米体系中,土壤MBP含量无显著差异。因此,在华北平原典型的潮土-冬小麦/夏玉米轮作体系中,土壤MBP的平均含量为14.45 mg/kg。

图2 不同土壤-作物体系微生物量磷含量 Fig.2 Content of soil microbial biomass phosphorus of different soil-crop systems不同小写字母代表不同土壤-作物体系间差异显著(P<0.05)

2.3 不同土壤-作物体系耕层土壤微生物量磷库容大小

基于土壤容重,我们初步估算出了不同土壤-作物体系土壤MBP库容的大小,结果如下(表2)。黑土-春玉米、潮土-冬小麦、潮土-夏玉米和灰漠土-棉花体系耕作层(0—30 cm)土壤MBP库容的变化范围分别为：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,平均库容大小分别为83.60、58.16、50.36 kg P/hm2和39.80 kg P/hm2,其中,在潮土冬小麦/夏玉米轮作体系中,土壤MBP库容的大小为54.26 kg P/hm2。

表2 不同土壤-作物体系微生物量磷库容的大小Table 2 The size of soil microbial biomass phosphorus pool of different soil-crop systems

结合张福锁等[24]《中国主要作物施肥指南》的数据,发现在黑土-春玉米、潮土-冬小麦、潮土-夏玉米和灰漠土-棉花体系中,土壤MBP库储存的磷在数量上分别相当于当季作物需磷量的2.73、1.63、1.73倍和1.10倍。表明土壤MBP库是我国北方农田土壤中一个潜在的巨大养分磷储存库。

2.4 土壤微生物量磷与土壤理化性质之间的关系

土壤MBP与土壤理化性质的相关性分析结果如下所示(表3)。在黑土-春玉米体系中,土壤MBP与土壤pH、土壤C/P比极显著负相关(P<0.01),与土壤速效磷极显著正相关,与土壤电导率、有机碳和容重显著正相关(P<0.05)。在潮土-冬小麦/夏玉米轮作体系中,土壤MBP与土壤pH极显著负相关,与土壤C/P比和容重显著负相关,与土壤有机碳和速效磷极显著正相关,与土壤电导率无关。在灰漠土-棉花体系中,土壤MBP与土壤pH和容重极显著负相关,与土壤有机碳和速效磷极显著正相关,与土壤电导率和C/P比无关。在我国北方农田3种典型土壤作物体系中,土壤MBP与土壤理化性质相关性较好,表明在我国集约化农业生产系统中土壤MBP能够作为反映土壤质量变化的一个重要生物指标。

表3 不同土壤-作物体系微生物量磷与土壤理化性质相关分析Table 3 Correlations between physical-chemical properties and microbial biomass phosphorus under different soil-crop systems

2.5 影响土壤微生物量磷的多因素综合分析

为进一步解析采样点环境变量对于土壤MBP的综合影响作用,应用线性混合效应模型分析了环境变量与MBP的关系,结果表明,土壤pH、有机碳、年均气温和年均降雨量能够解释我国北方农田3种典型土壤-作物体系MBP的57%变异,且土壤MBP随着pH的增加而降低,随着有机碳和年均气温的增加而增加(图3,表4)。

图3 采样点土壤微生物量磷的线性混合效应模型 Fig.3 Linear mixed-effects model of soil microbial biomass phosphorus at all sampling sites

表4 采样点土壤微生物量磷线性混合效应模型的相关系数Table 4 Regression coefficients of linear mixed-effects model of soil microbial biomass phosphorus at all sampling sites

3 讨论

本文在GIS定位土壤类型的基础上,分别在我国北方三大农产区代表作物种植范围内进行取样,比较系统地研究了我国北方农田典型土壤-作物体系MBP的含量特征。虽然在黑土和灰漠土上采样点未覆盖整个分布区,但选择的采样点集中于当地典型作物分布优势区域,例如,在新疆灰漠土上,所有采样点广泛分布于北疆主棉区、重棉区和次重棉区。因此,这些采样点在一定程度上能够代表所在区域典型的土壤-作物体系。

土壤MBP是土壤磷素中最为活跃的形态,但其在土壤中的含量较小,且易受环境因素的影响,因此,在大多数集约农业系统中,土壤MBP的含量变化很大。在本研究中,黑土-春玉米、潮土-冬小麦/夏玉米和灰漠土棉花体系土壤MBP含量分别在1.14—43.83 mg/kg、2.07—32.57 mg/kg和1.13—23.76 mg/kg范围内变化,这一结果与前人研究的结果基本一致[29—31]。但我国北方农田生态系统中MBP的平均含量13.52 mg/kg要略低于全球农田平均水平15.5 mg/kg[2]。这可能与我国农民的施肥习惯有关,表现为化肥的过量施用和有机肥投入的相对不足,加剧了我国农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-作物类型之间MBP的含量存在显著差异,以黑土-春玉米体系中的MBP含量最高,灰漠土棉花体系中MBP含量最低。这可能是由于一方面黑土自然肥力高,含有丰富的有机碳,为土壤微生物提供了丰富的碳源,提高了微生物活性,从而导致了较高的MBP含量；另一方面可能是因为水分状况,本次采样黑土区年均降雨量为567 mm,而灰漠土区年均降雨量不足200 mm,微生物受干旱胁迫,活性较低。

土壤微生物调节着包括碳、氮、磷等元素循环与转化在内的多种土壤生态过程,在能量流动与养分释放过程中发挥着关键作用,然而,微生物控制的这些生态过程强烈依赖于微生物的生物量和活性[32]。影响土壤微生物生物量的因素有许多,本研究从土壤性质和气候因素等方面较为系统分析了采样点环境变量对土壤MBP的多因素综合影响作用,发现土壤MBP与土壤pH、有机碳、速效磷和容重等指标显著相关,表明在农田土壤中MBP与土壤性质具有紧密联系,能够作为反映土壤质量变化的一个敏感生物学指标,进一步验证前人的研究结果[33—36]。此外,采样点的年均气温和年均降雨量对土壤MBP也有显著效应,增温能够提高微生物活性,促进其生长,进而提高土壤MBP的含量,与前人所做结论一致[37—38]。

土壤微生物具有溶解、矿化和固定磷的能力,被认为是土壤活性磷的“源”和“库”,在土壤磷素循环和对植物磷生物有效性等方面扮演着重要角色。本研究发现土壤MBP库是我国北方农田土壤中一个潜在的巨大养分磷储库,其储存磷的数量相当于当季作物需磷量的1.10至2.73倍,这与前人在其他生态系统研究中得到的结论相符[21—22]。在土壤磷素充足时,土壤微生物将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,降低了农田生态系统磷的损失途径。然而,微生物的这种固持作用只是暂时的,由于土壤微生物的寿命较短以及种间捕食关系的发生,土壤MBP库极易发生周转,将这部分磷释放出来供植物吸收利用,进而改善植物的磷营养状况[39—40]。

4 结论

土壤MBP库是我国北方农田土壤中一个巨大的养分磷储库,其在改善作物磷营养状况方面所发挥的潜在作用不容忽视。在我国北方3种典型农田土壤中,耕层(0—30 cm)土壤微生物固持在自身生物量中的磷的数量为39.80—83.60 kg P/hm2,在数量上相当于当季作物需磷量的1.10—2.73倍。其库容的大小受土壤肥力的影响,其中,土壤有机碳含量是我国北方农田3种典型土壤-作物体系中MBP库容大小的主要影响因素。今后应当加强有机肥的施用和秸秆还田、合理调控土壤微生物资源活性、培育较大的MBP库容,并将其供磷能力纳入农业磷肥管理模型,以达到优化磷肥施用量的目标。