水田施用磷肥對土壤氮庫活性及周轉特性的影響

孫星照，沈建國，王 忠，李 霞，張志劍,3*

(1.浙江大學環境與資源學院 環境與健康研究所，浙江 杭州 310058； 2.余杭區農業科學研究所，浙江 杭州 311113；3.杭州谷勝農業科技有限公司，浙江 杭州 311108)

水田施用磷肥對土壤氮庫活性及周轉特性的影響

孫星照1，沈建國2，王 忠2，李 霞1，張志劍1,3*

(1.浙江大學環境與資源學院 環境與健康研究所，浙江 杭州 310058； 2.余杭區農業科學研究所，浙江 杭州 311113；3.杭州谷勝農業科技有限公司，浙江 杭州 311108)

以2005年開始的水田長期定位試驗為載體，設計4個施磷水平，以P計分別為0(P-0)、30(P-30)、60(P-60)和90 kg·hm-2(P-90)，研究水田施用磷肥對土壤氮庫活性及周轉特性的動態影響。結果表明，隨施用磷肥水平的增加，土壤總氮(TN)含量和微生物量氮(MBN)含量顯著(P<0.05)增加，且均在P-60施磷水平處達到最高值；涉氮生態酶，如N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)的活性，隨施磷水平的增加而降低，最高下降率達26%；與土壤氮庫礦化相關的硝化、氨化和總氮礦化指標含量均在施磷處理下呈極顯著(P<0.01)提高，并于P-60施磷處理下達到最高值。在各施磷水平處理下，土壤涉磷生化指標與土壤全氮、微生物量氮和涉氮生態酶活性呈現顯著相關性，說明水田施用磷肥顯著影響土壤氮素狀況，每年60 kg·hm-2的施磷量對提高土壤氮庫活性及周轉特性效果最佳。

水田； 長期定位試驗； 梯度施磷； 土壤氮庫； 周轉特性

施用磷肥是確保水稻產量和提高土壤肥力的主要措施之一，但不合理的施用也會造成土壤營養元素的失衡[1-2]，影響植株對土壤養分的吸收[3-4]。土壤氮素養分作為評價土壤肥力的重要指標，其在土壤中的分布規律、形態轉化和在各種影響因素作用下的反應機理一直是土壤學研究的熱點。近年來，已經有部分研究報道了不同施肥措施下土壤中氮素養分的分布規律[5-6]，以及各種施肥措施對土壤氮素組分[7-8]、累積[9-10]和活性[11]的影響，但有關磷肥對土壤氮庫活性及周轉特性影響的研究不多，且各試驗條件差異較大，因此，需要從施磷的角度作進一步探索，以充實土壤氮庫的相關研究。為此，本研究擬以自2005年建立的水田長期定位試驗為載體，探索不同施磷水平下水田耕土層中氮素含量、生態酶(ecoenzymatic)[12]活性以及礦化速率的變化規律，以揭示水田施用磷肥對土壤氮庫活性及周轉特性的影響，為科學施用磷肥及土壤氮素管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 處理設計

長期定位試驗地位于杭州市余杭區長崗農場永建分場(30°18′51.84″N，119°54′13.37″E)，氣候類型屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫15.9～17.0 ℃，年降水量1 380 mm，其中，6—7月為梅雨季節。供試土壤類型為沖積型水稻土。該地區常規施磷量為(40±10)kg·hm-2(以P計，下同)。

試驗采用完全隨機區組設計，磷肥采用過磷酸鈣，設4個施磷水平處理，即0、30、60和90 kg·hm-2，依次記為P-0、P-30、P-60、P-90。每處理重復3次。整個試驗區每年施170 kg·hm-2尿素和50 kg·hm-2氯化鉀作為常規肥。試驗期2 a，水稻分別于2013年6月初和2014年6月初種植，并于同年11月中旬收獲，在水稻種植半個月后施入過磷酸鈣，并人工翻入表層耕土中，水稻生長期間不再追施磷肥。

1.2 樣品采集與分析

土壤樣品分別于2013年5月、2013年8月、2013年11月和2014年5月、2014年11月采集。每個施磷水平的樣品按“S”形線路隨機采集耕土層0～20 cm的5個點的土壤進行混合，其中一部分過2 mm篩的新鮮土樣放置在4 ℃冰箱內用于土壤礦化速率和生物學指標的檢測，另一部分土樣風干后分別過60目和100目篩，用于土壤理化指標分析。

土壤涉磷生態酶酸性磷酸酶(acid phosphatase，AP)和涉氮生態酶N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(β-1, 4-N-acetyl-glucosaminidase，NAG)、亮氨酸氨基肽酶(leucine aminopeptidase，LAP)的活性采用微平板-熒光比色法測定，所用基質分別為4-MUB-N-acetyl-β-D-glucosaminide、L-Leucine-7-amino-4-methylcoumarin、4-MUB-phospate，酶活性計算采用Sinsabaugh等[12]和DeForest[15]的方法。

1.3 數據處理

試驗數據采用Origin 8.0與Excel 2013進行計算及統計分析，采用SPSS 15.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 涉磷指標分析

2.1.1 土壤總磷與速效磷

如圖1所示，在整個采樣期中，各采樣期的土壤TP含量均表現為隨施用磷肥水平的提高而顯著(P<0.05)上升。在2013年5月第1次采樣中，各處理組TP含量與對照組(P-0)相比分別提高了16%、35%和75%。由于同年6月底施入磷肥和常規肥，在8月第2次采樣中，各處理組TP含量均較5月份有所上升，但對照組P-0較首次下降了4%左右。2013年11月采樣中，各處理組TP含量與8月相比均有大幅下降，降率為22%～36%，這可能是期間水稻的生長吸收大量磷素所致，但全組TP含量仍保持隨施磷水平的增加而上升的趨勢。2014年的2次采樣中，TP含量的變化趨勢同2013年。縱觀整個采樣期，對照組(P-0)的TP含量處于一直下降的趨勢，到2014年11月，P-0的TP含量已較首次采樣時下降了45%，這說明長期施用磷肥對提高土壤磷庫的累積效應具有明顯作用。

圖1 各處理土壤全磷含量的變化

由圖2可知，土壤Olsen-P含量的變化趨勢同TP基本保持一致，均隨施用磷肥水平的提高而顯著(P<0.05)上升。縱觀整個采樣期，各采樣期間P-0的Olsen-P含量差異不大，由0.13 mmol·kg-1降至0.08 mmol·kg-1，期間下降最快的時期處于2013年5—8月，下降了0.03 mmol·kg-1，之后每次下降均保持在0.01 mmol·kg-1左右，這與顏曉等[16]和曲均峰等[17]長期定位試驗的結果一致。土壤速效磷含量基本不受土壤磷素表觀平衡的控制，在不施用磷肥和長期連續種植作物的處理中，土壤速效磷含量開始會快速下降，但降至某一水平后會基本保持穩定。

圖2 各處理土壤速效磷含量的變化

2.1.2 土壤生物量磷

MBP作為土壤有機磷組分中最活躍的部分，周轉速率快，更易被礦化為植物有效磷，從而迅速參與土壤中的養分循環。由圖3可知，隨采樣時間的推移，MBP含量的總體變化趨勢為先增加后降低，于2013年8月達到最高值，此時，P-30、P-60、P-90相較于對照組(P-0)的MBP含量分別增加了27%、57%、77%。這主要是由于在2013年6月有1次磷肥和常規肥的添加，以及夏季溫度升高提高了土壤微生物的活性所致。在整個采樣期中，除2014年2次采樣中P-60和P-90處理間差異未達到顯著水平外，其余采樣期的各處理間MBP含量隨施磷水平的增加均顯著(P<0.05)增加。

圖3 各處理土壤微生物量磷含量的變化

2.1.3 土壤涉磷生態酶活性

由圖4可知，隨采樣時間推移，酸性磷酸酶(AP)活性的變化趨勢表現為先增加后降低，于2013年8月達到最高值。但在每個采樣期內，AP活性隨施磷水平的增加而顯著(P<0.05)降低。在2013年5月第1次采樣中，各處理組AP活性與對照組(P-0)相比分別降低了10%、16%和29%，這表明隨施用磷肥水平的增加，AP活性呈下降趨勢。作為在土壤磷受限環境下將有機磷轉化為無機磷的重要磷素轉化酶，在施用磷肥提高了土壤速效磷含量以致土壤微生物和生長植物的磷限制效應得到緩解后，AP的活性降低，這與王飛祥等[18]的研究結果一致。

圖4 各處理酸性磷酸酶活性的變化

2.2 施用磷肥對土壤氮庫組分的影響

2.2.1 土壤全氮

如圖5所示，在2013年5月首次采樣中，各處理組TN含量隨施磷水平的增加而增加，與對照組(P-0)相比分別增加3%、8%和13%。2013年8月采樣時，全組TN含量均低于首次采樣，除P-60和P-90間無顯著差異外，施磷水平的增加顯著(P<0.05)增加了土壤TN含量，這表明施磷水平的增加可有效促進土壤總氮的積累。2013年11月與2014年11月的TN變化趨勢一致，2組TN含量分別為2013年和2014年的最低值，這可能是因為同年6月播種的水稻生長吸收了土壤中大量氮素所致。2013年11月與2014年11月的采樣結果顯示，與對照組(P-0)相比，P-60和P-90的TN含量增加，并在P-60處達到最高值，但P-30的TN含量降低了。這可能是因為隨著施磷水平的增加，受磷素積累刺激的土壤微生物分解土壤中的腐殖質而產生大量外源氮素，故P-60和P-90處理下土壤氮素表現為大量積累，但較P-60更高的施磷水平(P-90)可能會導致土壤氮素的損失。

圖5 各處理土壤全氮含量的變化

2.2.2 土壤微生物量氮

如圖6所示，MBN含量隨采樣時間推移總體呈先增加后降低的趨勢，但在每個采樣期內，施磷水平增加，土壤MBN含量相較對照組(P-0)顯著(P<0.05)增加。2013年5月首次采樣中，各施磷處理組MBN含量與對照組相比分別增加了14%、28%和50%。2013年8月采樣時，全組MBN含量均高于首次采樣，也是整個采樣期內的最高值，這可能與夏季高溫可提高土壤微生物活性相關[19]。后3次采樣的土壤MBN變化趨勢均與8月保持一致，組內表現為先增加后降低，并均于P-60處達到最高值，這與土壤TN的變化趨勢相似。可以看出，P-60的施磷處理對提高土壤MBN含量最有效。

圖6 各處理土壤微生物量氮含量的變化

2.2.3 土壤涉氮生態酶活性

N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)都是與土壤中氮素代謝轉化相關的生態酶，NAG可降解土壤腐殖質中幾丁質和肽聚糖，LAP可水解蛋白質和氨基酸，兩者活性可由NAG+LAP來表示[12]。如圖7所示，在整個采樣期中，隨時間推移，NAG+LAP活性的變化趨勢為先增加后降低，同MBN含量的時間變化趨勢一致。在2013年5月首次采樣中，隨施磷水平的增加，NAG+LAP活性呈現下降趨勢，但僅有P-90處理與對照組(P-0)相比差異達到顯著水平(P<0.05)。2013年8月各處理的NAG+LAP活性均為整個采樣周期中的最高值，組內變化趨勢表現為先降低后增加，于P-60處達到最低值，降幅為26%。后3次采樣的組內變化趨勢同8月一致，隨施磷水平的增加，NAG+LAP活性的變化趨勢與MBN含量的變化趨勢相反。這表明施用磷肥可明顯抑制土壤涉氮生態酶NAG+LAP的活性。這可能是因為土壤MBN含量的提高緩解了土壤氮素受限的狀況，故NAG+LAP活性降低。

圖7 各處理N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸基肽酶活性的變化

2.2.4 土壤氮礦化速率

如圖8所示，在2013年5月至2014年5月之間，土壤氮硝化、氨化和總礦化速率隨時間變化的總趨勢均為先降低后升高，并均于2013年11月第3次采樣時達到最低值，這可能與水稻的生長吸收了大量土壤氮素有關。在2013年5月首次采樣中，與對照組(P-0)對比，施用磷肥極顯著(P<0.01)地提升了土壤硝化、氨化和總礦化速率，但施磷處理組間并無顯著差異(P>0.05)。2013年8月各處理組土壤硝化、氨化和總礦化速率均低于首次采樣，隨施磷水平的增加，三者變化趨勢保持一致，先增加后降低，并均于P-60達到最高值。后3次采樣中，土壤硝化、氨化和總礦化速率在施磷處理下均表現為極顯著(P<0.01)提高，采樣組內變化趨勢同2013年8月一致，這說明施用磷肥可有效提升土壤氮礦化速率，加快土壤氮素周轉，但當磷肥施用量增加到一定水平時，促進作用將不再明顯，過高的施磷水平將會導致磷肥的浪費。相較于其他施磷處理，P-60對土壤氮素的積累和氮庫總體活性及周轉性的提升具有更好的效果。

圖8 各處理土壤氮礦化速率的變化

2.3 皮爾森(Pearson)相關性分析

如圖9所示，土壤TP與TN、Olsen-P呈顯著(P<0.05)正相關，與NAG+LAP、AP活性呈顯著(P<0.05)負相關；MBP與MBN、Olsen-P呈顯著(P<0.05)正相關；Olsen-P與MBN、TP和MBP呈顯著(P<0.05)正相關。這表明土壤磷庫特征的變化會直接影響土壤氮庫的變化。這可能是由于施用磷肥導致土壤TP含量增加，進而提高了土壤速效磷含量，促進了水稻根系的生長發育，分泌大量根系物質，增強土壤微生物活性，加速土壤中腐殖質殘渣的分解，進而提高了外源氮素的輸入，最終表現為土壤氮庫活性和周轉速率得到增強與土壤氮庫的增加。

灰色代表正相關；白色代表負相關；圓圈的大小代表相關性的高低；*表示達到顯著水平(P<0.05)圖9 土壤涉氮磷生化性質之間的相關性矩陣

3 小結

本研究表明，在自然降水條件下，向水田施用梯度磷肥后的土壤磷、氮素狀況差異明顯。隨施用磷肥水平提高，土壤TP、Olsen-P和MBP的含量顯著(P<0.05)提升，同時涉磷生態酶AP的活性顯著(P<0.05)降低，表明施用磷肥可明顯改善土壤磷素的營養狀況。土壤TN含量總體隨施磷水平的增加而增加，并于P-60處達到最高值，P-30處理下TN含量較未施磷處理的TN含量略低，表明施用磷肥可在一定程度上促進水稻對土壤氮素的吸收。土壤MBN含量與土壤氮硝化、氨化和總礦化速率均在施磷處理下表現為顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)增加，并均在P-60處達到最高值。涉氮生態酶NAG+LAP的活性受制于土壤氮素的狀況，因此在施用磷肥提高了土壤氮素含量的情況下，NAG+LAP活性顯著(P<0.05)降低，且于P-60處達到最低值。Pearson相關性分析顯示，TP、Olsen-P、MBP與TN、MBN呈顯著(P<0.05)正相關，而與NAG+LAP和AP的活性呈顯著(P<0.05)負相關，暗示土壤磷素特征的變化會直接改變土壤氮庫的特征。總體來看，水田施用磷肥可明顯提升土壤氮庫的活性和周轉特性，且以P-60處理下的效果最明顯。從有利于土壤氮庫積累與活性提升的角度出發，在本試驗條件下，以每年60 kg·hm-2左右的施磷量最佳。

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(責任編輯：高 峻)

2017-06-18

國家自然科學基金(41373073，41673081)；浙江省重點研發計劃項目(2013C03SA420001)

孫星照(1993—)，女，山東濱州人，碩士研究生，主要研究方向為水稻田生物地球化學循環，E-mail: sunxingzhao@foxmail.com。

張志劍(1973—)，男，浙江桐鄉人，博士，副教授，主要研究方向為元素循環與氣候變化，E-mail: zhangzhijian@zju.edu.cn。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170846

S153

A

0528-9017(2017)08-1447-05

文獻著錄格式：孫星照，沈建國，王忠，等. 水田施用磷肥對土壤氮庫活性及周轉特性的影響[J].浙江農業科學，2017，58(8)：1447-1451，1455.