我國北方3種典型土壤-作物體系中微生物量磷庫特征

李炎龍,季榮博,吳 云,秦澤峰,彭 懿,蓋京蘋,馮 固

中國農業大學資源與環境學院,北京 100193

土壤微生物量磷(Microbial Biomass Phosphorus,MBP)既是土壤磷素循環與轉化的 “中轉站”,又是土壤磷素生物肥力的主要貢獻者,在植物磷素生物有效性的再分配過程中發揮著關鍵作用[1]。盡管MBP在土壤中僅占總磷庫的1.6%左右[2],但其周轉快、易礦化,是土壤磷組分中最為活躍的形態,能夠隨著微生物自身不斷更新而周轉釋放出來供植物和土壤中其他的微生物吸收利用,調節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強度[3—5]。此外,土壤MBP對周圍環境條件變化極為靈敏,能及時準確反映生境條件改變和人類活動引起的土壤磷素固定和周轉,可作為表征土壤供磷能力早期變化的敏感指標[6—7]。

近年來,學者們對于土壤MBP進行了大量的研究,從空間“點”上的研究到宏觀“面”上的研究均有報道。然而,這些研究大多集中在它的季節性含量或濃度變化特征[8—10]、周轉通量[11—13]、影響因素[14—17]和對其在小區域尺度上空間含量變化規律的揭示[18—20]等方面,僅有少數文獻報道了土壤MBP庫容的大小及其對植物磷營養的潛在貢獻能力。例如,Achat等[21]估算了法國西南地區松樹林表層(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的年流通量在數量上是植物每年吸磷量的4—10倍。因此,土壤MBP庫是一個巨大的活性磷養分儲庫,在補充土壤速效磷庫和調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揮著巨大的潛在貢獻,但我們在農田生態系統中土壤MBP庫對于植物養分磷吸收的貢獻潛力方面的認識還很有限。

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定任務的繁重性,我國北方集約化農田生態系統中MBP庫容的大小及其影響因素尚未被系統研究。定量農田土壤MBP庫容的大小有助于深入了解土壤磷素循環與轉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田3種典型的農田土壤-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)為研究對象,基于GIS定點采樣,通過大尺度的調查案例分析,來量化我國北方農田典型土壤-作物體系MBP庫容的大小,揭示其在大空間農田尺度上的影響因素,以期為優化我國農田土壤磷肥管理、評估土壤微生物的固磷能力及其對改善作物磷營養的貢獻潛力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究自2017—2019年期間分別從我國北方三大農產區(東北區、華北區、西北區)45個采樣點收集土壤樣品,這些采樣點包括我國北方地區廣泛分布的土壤(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。研究區各采樣點的分布如下所示(圖1)。

圖1 采樣點的分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points

1.2 研究方法

運用“S”型采樣法,采集耕作層(0—30 cm)土壤樣品,每個采樣點隨機選取5個取樣點混勻后作為一個土壤樣品放入裝有冰袋的冰盒。回實驗室后,去除動植物殘體和較大的石土塊,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的測定,另一份置于室溫條件下自然風干,用于土壤理化指標的測定。本次采集黑土-春玉米體系土壤樣品159個,潮土-冬小麥/夏玉米輪作體系土壤樣品135個,灰漠土-棉花體系土壤樣品68個,共計362個土壤樣品。

土壤MBP采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液浸提—鉬銻抗比色法測定[23],運用酶標儀測定比色后的吸光度值,在進行熏蒸之前,將土壤含水率調至合適范圍(10%—15%,干基),在恒溫培養箱里培養一周后,稱取一定量土壤樣品進行熏蒸測定。土壤MBP的計算公式為：

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的轉換系數,取值為0.4,R為加入的無機磷的回收率。回收率(R)計算公式為：

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),不同地區當季作物需磷量數據來源于張福鎖等《中國主要作物施肥指南》[24]。

土壤理化指標的測定參照魯如坤[25]的方法,土壤pH使用pH計測定(水∶比=2.5∶1),土壤電導率使用電導儀測定(水∶土=5∶1),土壤含水率采用烘干法測定,土壤容重采用環刀法測定,土壤有機質采用濃H2SO4-K2CrO4外加熱法測定,土壤速效磷采用Olsen-P法測定。

1.3 數據處理與統計分析

采樣點的定位圖是基于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),運用Arcgis10.7軟件進行篩選和檢索以確定采樣點的土壤類型。采用Excel 2019和Origin Pro 2017軟件對試驗數據進行整理、計算和繪圖,運用SPSS 25.0軟件對不同土壤-作物MBP含量數據進行單因素方差統計分析(One-way ANOVA),利用最小顯著差異法(LSD)進行顯著性檢驗,顯著性水平為0.05,運用R4.0.3軟件的nlme 3.1-152包的lme模塊構建線性混合效應模型[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因子,采樣地點為隨機效應因子[27—28]。

2 結果與分析

2.1 采樣區土壤理化性質和作物產量

不同土壤-作物體系的土壤pH、電導率、有機碳、速效磷、碳磷比(C/P)、含水率和容重等土壤理化指標及作物產量的數據如下所示(表1)。在3種典型的農田土壤中,黑土的有機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,當季作物的產量分別為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及作物產量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

結合張福鎖等[24]《中國主要作物施肥指南》的數據,發現在黑土-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庫儲存的磷在數量上分別相當于當季作物需磷量的2.73、1.63、1.73倍和1.10倍。表明土壤MBP庫是我國北方農田土壤中一個潛在的巨大養分磷儲存庫。

2.4 土壤微生物量磷與土壤理化性質之間的關系

土壤MBP與土壤理化性質的相關性分析結果如下所示(表3)。在黑土-春玉米體系中,土壤MBP與土壤pH、土壤C/P比極顯著負相關(P<0.01),與土壤速效磷極顯著正相關,與土壤電導率、有機碳和容重顯著正相關(P<0.05)。在潮土-冬小麥/夏玉米輪作體系中,土壤MBP與土壤pH極顯著負相關,與土壤C/P比和容重顯著負相關,與土壤有機碳和速效磷極顯著正相關,與土壤電導率無關。在灰漠土-棉花體系中,土壤MBP與土壤pH和容重極顯著負相關,與土壤有機碳和速效磷極顯著正相關,與土壤電導率和C/P比無關。在我國北方農田3種典型土壤作物體系中,土壤MBP與土壤理化性質相關性較好,表明在我國集約化農業生產系統中土壤MBP能夠作為反映土壤質量變化的一個重要生物指標。

表3 不同土壤-作物體系微生物量磷與土壤理化性質相關分析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

為進一步解析采樣點環境變量對于土壤MBP的綜合影響作用,應用線性混合效應模型分析了環境變量與MBP的關系,結果表明,土壤pH、有機碳、年均氣溫和年均降雨量能夠解釋我國北方農田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,隨著有機碳和年均氣溫的增加而增加(圖3,表4)。

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

表4 采樣點土壤微生物量磷線性混合效應模型的相關系數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上,分別在我國北方三大農產區代表作物種植范圍內進行取樣,比較系統地研究了我國北方農田典型土壤-作物體系MBP的含量特征。雖然在黑土和灰漠土上采樣點未覆蓋整個分布區,但選擇的采樣點集中于當地典型作物分布優勢區域,例如,在新疆灰漠土上,所有采樣點廣泛分布于北疆主棉區、重棉區和次重棉區。因此,這些采樣點在一定程度上能夠代表所在區域典型的土壤-作物體系。

土壤MBP是土壤磷素中最為活躍的形態,但其在土壤中的含量較小,且易受環境因素的影響,因此,在大多數集約農業系統中,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范圍內變化,這一結果與前人研究的結果基本一致[29—31]。但我國北方農田生態系統中MBP的平均含量13.52 mg/kg要略低于全球農田平均水平15.5 mg/kg[2]。這可能與我國農民的施肥習慣有關,表現為化肥的過量施用和有機肥投入的相對不足,加劇了我國農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,從而導致了較高的MBP含量；另一方面可能是因為水分狀況,本次采樣黑土區年均降雨量為567 mm,而灰漠土區年均降雨量不足200 mm,微生物受干旱脅迫,活性較低。

土壤微生物調節著包括碳、氮、磷等元素循環與轉化在內的多種土壤生態過程,在能量流動與養分釋放過程中發揮著關鍵作用,然而,微生物控制的這些生態過程強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,本研究從土壤性質和氣候因素等方面較為系統分析了采樣點環境變量對土壤MBP的多因素綜合影響作用,發現土壤MBP與土壤pH、有機碳、速效磷和容重等指標顯著相關,表明在農田土壤中MBP與土壤性質具有緊密聯系,能夠作為反映土壤質量變化的一個敏感生物學指標,進一步驗證前人的研究結果[33—36]。此外,采樣點的年均氣溫和年均降雨量對土壤MBP也有顯著效應,增溫能夠提高微生物活性,促進其生長,進而提高土壤MBP的含量,與前人所做結論一致[37—38]。

土壤微生物具有溶解、礦化和固定磷的能力,被認為是土壤活性磷的“源”和“庫”,在土壤磷素循環和對植物磷生物有效性等方面扮演著重要角色。本研究發現土壤MBP庫是我國北方農田土壤中一個潛在的巨大養分磷儲庫,其儲存磷的數量相當于當季作物需磷量的1.10至2.73倍,這與前人在其他生態系統研究中得到的結論相符[21—22]。在土壤磷素充足時,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,降低了農田生態系統磷的損失途徑。然而,微生物的這種固持作用只是暫時的,由于土壤微生物的壽命較短以及種間捕食關系的發生,土壤MBP庫極易發生周轉,將這部分磷釋放出來供植物吸收利用,進而改善植物的磷營養狀況[39—40]。

4 結論

土壤MBP庫是我國北方農田土壤中一個巨大的養分磷儲庫,其在改善作物磷營養狀況方面所發揮的潛在作用不容忽視。在我國北方3種典型農田土壤中,耕層(0—30 cm)土壤微生物固持在自身生物量中的磷的數量為39.80—83.60 kg P/hm2,在數量上相當于當季作物需磷量的1.10—2.73倍。其庫容的大小受土壤肥力的影響,其中,土壤有機碳含量是我國北方農田3種典型土壤-作物體系中MBP庫容大小的主要影響因素。今后應當加強有機肥的施用和秸稈還田、合理調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業磷肥管理模型,以達到優化磷肥施用量的目標。