茶園土壤磷生物活化研究

李干蓉，張 友，方小寧

(銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

1 引言

磷是植物生長發(fā)育與繁殖必需的營養(yǎng)元素，土壤缺磷已成為限制農(nóng)作物產(chǎn)量的一個重要因素[1]。世界上40%～60%的可耕地的作物產(chǎn)量受到磷利用率的限制[2]。我國耕地中有74%土壤缺磷，土壤中95%的磷難以被植物直接吸收利用[3, 4]。施用化肥是補充土壤磷和提高作物產(chǎn)量的重要途徑，然而，磷肥的持續(xù)生產(chǎn)和應(yīng)用依賴于不可再生磷礦資源[2]。長期以來，大量磷肥被投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但磷肥很容易被土壤中的鈣、鎂、鋁等礦物離子固定，磷肥當季利用只有5%～25%[5]。長期大量的磷在土壤中累積，學(xué)術(shù)界把這部分磷稱作土壤遺留磷[6]。研究表明，土壤無機磷平均含量為1006±115 kg/hm2，而單酯磷含量為587±32 kg/hm2，磷酸二酯磷為64±7 kg/hm2[7]，磷的過量投入不僅會加快磷礦資源匱乏[8]，還會通過地表徑流和漏失進入周圍水體，引發(fā)水華等生態(tài)問題[9, 10]。目前面臨著地球上磷資源稀缺，土壤及水體嚴重污染雙重挑戰(zhàn)，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和資源永續(xù)利用，提升土壤磷利用效率可能在減少全球磷肥使用量方面發(fā)揮了作用[7, 11]。因此，本文將近年來關(guān)于土壤磷生物活化的研究以及存在的問題進行闡述，對解決我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥資源緊缺、減少環(huán)境問題提供參考。

2 土壤磷的形態(tài)及含量

我國不同類型的土壤類型的磷含量統(tǒng)計如表1 所示，全磷含量在0.19～1.20 g/kg，速效磷含量在6.77～107.80 mg/kg，潛在有效磷占比為90.9%～98.9%。可知，土壤作為巨大的土壤“磷”庫資源，土壤磷的再利用對緩解磷礦資源匱乏，改善環(huán)境質(zhì)量方面具有巨大潛力。

表1 不同土壤類型潛在有效磷含量

磷在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化過程及其環(huán)境效應(yīng)和風(fēng)險取決于磷的賦存形態(tài)[12]。土壤中的磷分為有機磷和無機磷兩類，有機磷可以在磷酸酶介導(dǎo)下轉(zhuǎn)化為無機磷。無機磷是土壤磷的主體，占土壤全磷的60%～80%，無機磷主要以礦物態(tài)、吸附態(tài)和水溶態(tài)形式存在，無機磷主要以Ca-P、Fe-P、Al-P等礦物態(tài)存在[13]。有機磷作為土壤磷的重要組成部分，在土壤中含量變幅比較大，一般占土壤全磷20%～50%，在森林和草原植被發(fā)育的土壤能達到50%～80%[14, 15]。常見的有機磷形態(tài)有肌醇磷酸鹽，核酸，磷脂，磷酸糖等，肌醇磷酸鹽的礦物結(jié)合能力較強，與土壤中的鈣、鎂、鋁和鐵等離子結(jié)合形成磷酸酯，在磷酸酶和微生物分解為磷酸。核酸占有機磷的0.2%～2.5%，在磷酸酶催化作用下水解為磷酸和糖類，磷脂和膦酸糖在土壤中容易分解，在土壤中含量很少，不足有機磷的1%[16]。另外，有學(xué)者單獨將微生物量磷提出，作為動態(tài)的有機磷庫，包含核酸、酸溶解性磷酯類、磷脂，占總有機磷的2%～5%，在土壤中周轉(zhuǎn)周期快[13]。施入到土壤的磷，其轉(zhuǎn)化過程受土壤類型的影響而不同；例如，在石灰性和中性土壤上，磷的化學(xué)固定主要由鈣鎂體系所控制，使可溶性的磷酸二鈣(Ca2-P)逐漸向磷酸八鈣(Ca8-P)、羥基磷灰石等難溶性磷酸鈣鹽轉(zhuǎn)化，從而降低了磷在土壤中的有效性[17]。在酸性土壤中，土壤中交換性鐵、鋁、錳等離子與磷產(chǎn)生沉淀反應(yīng)，不同程度地降低了磷的有效性[18]。除了化學(xué)沉淀外，土壤對磷的固定還有吸附和生物固定等。

由于土壤有機磷形態(tài)更為復(fù)雜，特別是高分子有機磷，目前的研究技術(shù)還不能完全表征有機磷的形態(tài)[12]。另外，與無機磷相比，土壤有機磷相對活動性較大，被土壤無機礦物的固定程度較低，且與土壤化學(xué)計量比C/P無關(guān)，磷酸酶調(diào)控技術(shù)可以從土壤有機磷中釋放活性磷而不影響有機碳的穩(wěn)定，礦化過程不會造成碳損失。但這些過程都受有機磷形態(tài)、磷酸酶的活性，豐度和功能的調(diào)節(jié)。

3 耕地磷素生物活化研究

3.1 土壤磷的植物活化

植物對土壤磷的活化調(diào)控主要從植物結(jié)構(gòu)特征、形態(tài)特征、生理特征和共生特征方面提高作物磷獲取效率[25]。在低磷脅迫下，植物最先受影響的是根系。根系通過形態(tài)學(xué)的變化，以提高植物對磷的吸收效率[26]。例如，低磷脅迫下，辣椒會通過降低的株高、根系直徑，增加根冠比、細根的根長途徑提高了植株的磷利用效率[27]。另外，根際釋放的有機陰離子和磷酸酶來應(yīng)對缺磷環(huán)境，蘋果酸和檸檬酸是缺磷條件下根系釋放的主要成分。例如，白羽扇豆和燕麥在低磷脅迫下利用根系分泌的蘋果酸、檸檬酸來應(yīng)對低磷有效性[2, 28, 29]。大麥通過控制磷酸酶活性來調(diào)節(jié)活性磷的含量和比例[30]。根際有機陰離子在提高土壤磷素有效性和植物磷素獲得方面發(fā)揮著重要作用。

大多數(shù)植物與真菌形成菌根共生關(guān)系，從而促進養(yǎng)分和水分的獲取，提高寄主植物的適應(yīng)性。約80%～90%的陸地植物物種建立叢枝菌根(Arbuscular Mycorrhizal，AM)共生關(guān)系[31]。AM真菌是一種專性的生物營養(yǎng)生物，它定植于根皮層，并發(fā)展出一個外部菌絲，過度生長在植物根周圍的土壤中[22]。菌根植物有兩種潛在的磷攝取途徑，一種是通過根表皮細胞和根毛的直接途徑，另一種是通過AM真菌共生菌的菌根途徑。菌根吸收途徑吸收的磷占植物總磷吸收量的70%～100%[61]。不同植物在AM共生中獲磷能力存在差異。Adam評價了不同植物對不同AM真菌接種的生長和營養(yǎng)物質(zhì)的反應(yīng)結(jié)果表明C3作物對AM真菌的響應(yīng)性低于C4作物，盡管反應(yīng)不同，增加AM真菌的多樣性可能會增加C3和C4植物的生長和養(yǎng)分吸收[33]。在土壤缺磷情況下，AM真菌自由基內(nèi)和自由基外結(jié)構(gòu)的增加提高了玉米地上部生物量和磷的吸收等[34]。AM可能滲出自身的磷酸酶，促使有機磷礦化，并獲得非菌根植物無法活化磷源。另外，土壤微生物可能通過分解釋放無機磷，以交換菌絲排出的碳[15]。

植物可以協(xié)調(diào)其不同的根系功能性狀提高對土壤磷利用率。根系較細的物種顯著增加了根系分枝、根長、或增加土壤勘探來提高磷的獲取；相反，根系較粗的物種主要依賴于AM來補償較低的根系吸收表面或釋放更多分泌物來挖掘根鞘中少量可溶性磷，根系直徑可以很好地預(yù)測根系功能性狀在磷脅迫時功能表達[35]。玉米的根系形態(tài)特征比生理特征對缺磷的響應(yīng)更強烈；蠶豆的生理性狀對缺磷的響應(yīng)比形態(tài)性狀更強[24]。總之，不同植物根系表現(xiàn)出不同的根系功能特征提高土壤遺留磷的有效性。然而，關(guān)于作物調(diào)控技術(shù)的研究還處在試驗階段，尚未大規(guī)模應(yīng)用到農(nóng)業(yè)土壤中。試驗大部分通過水培法、盆載試驗或根盒在室內(nèi)控溫室下實現(xiàn)的，而野外實驗面臨著采樣方法和降雨、氣溫、雜草等復(fù)雜的復(fù)雜的環(huán)境因素的影響，阻礙植物調(diào)控技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的研發(fā)與應(yīng)用。

3.2 土壤磷的微生物活化

微生物通過自身分泌有機酸、質(zhì)子及各種酶來溶解、螯合、水解作用提高土壤磷的有效性。微生物土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動因子[35]，主要有溶磷細菌 (phosphatesolubilizingbacteria)、溶磷真菌 (phosphatesolubilizingfungus)和溶磷放線菌 (phosphatesolubilizingactinomycete)。溶磷細菌是根際土壤中解磷最主要的微生物，主要有芽孢桿菌屬 (Bacillus)、假單胞菌屬 (Pseudomonas)、歐文氏菌屬 (Erwinia)、沙雷氏菌屬 (Serratia)；黃桿菌屬 (Flavobacterium)；鏈霉菌屬 (Streptomyces)等。根據(jù)細菌的解磷機理分為無機磷細菌和有機磷細菌；有機磷細菌產(chǎn)生的植酸酶、核酸酶和磷酸脂酶加速了植酸、核酸、磷脂等有機磷水解。無機磷細菌能夠溶解磷酸三鈣、磷酸鐵、羥基磷灰石和磷酸鋅等釋放無機磷[46]。溶磷真菌主要有青霉菌屬 (Penicillium)、曲霉菌屬 (Aspergillus)、根霉屬 (Rhizopus)、鏈格孢屬(Alternaria)、短梗霉屬(Aureobasidium)、鐮刀菌屬(Fusarium)、假絲酵母屬(Candida)等,其中，酵母菌、霉菌等解磷真菌對難溶性磷酸鹽的溶解能力較強，這主要是由于真菌分泌的有機酸與Ca-P、Fe-P和Al-P等礦物態(tài)磷進行螯合，提高難溶磷生物有效性。真菌的溶磷率(5.24%～6.68%)約為細菌溶磷率(1.26%～2.37%)的2～4倍[37]。溶磷放線菌相對較少，主要有鏈霉菌屬(Streptomyces)和小單胞菌屬(Micromonospora)等[38]。有研究表明，溶磷放線菌不但能轉(zhuǎn)化磷素溶解狀態(tài)，還能抑制作物病害發(fā)生，促進作物生長等。隨著解磷菌研究的深入，將解磷菌替代化肥應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐上得到一定發(fā)展，例，鄭立成等將Ap-號黑曲霉制成的溶磷菌能使土壤速效磷提141.94%。并成功應(yīng)用到煙草種植上[39, 40]。同樣，劉玲利等[71]研究發(fā)現(xiàn)添加解磷菌能提高土壤有效磷含量，顯著提高作物產(chǎn)量。洪堅平[42]等在貧速效磷和富難溶性磷土壤上施用溶磷細菌降低了難溶態(tài)的Ca-P含量，提高土壤中Ca2-P和Al-P的含量增加，從而使土壤中有效磷含量增加。另外，喻曉等[43]研究發(fā)現(xiàn)，溶磷菌混合菌比單一溶磷菌施用效果更好，但其中的耦合機制還沒有明確。土壤理化性質(zhì)、氣候條件，土壤肥力、管理制度等環(huán)境限制解磷微生物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用[74]。今后進一步加強溶磷菌混合施用對難容磷的耦合機制和解除土壤抑菌效應(yīng)的研究，提高解磷菌的應(yīng)用效果。

3.3 蚯蚓對土壤磷的活化調(diào)控

土壤動物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，并土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中起到非常關(guān)鍵的作用。蚯蚓掘穴、取食、消化、排泄等活動可以改變土壤理化性質(zhì)而被稱為“生態(tài)系統(tǒng)的工程師”[49, 50]。蚯蚓對土壤磷的活化主要通過改變土壤pH值、分泌碳水化合物和羧基團、增加微生物的數(shù)量和磷酸酶活性等途徑或活化土壤磷[51]。蚯蚓通過生物擾動改變土壤剖面，改變土壤孔隙度、曝氣和水滲透；其次蚯蚓以有機物為食，增加粉碎，刺激微生物活性，影響分解速率和營養(yǎng)循環(huán)，也被 “腸道啟動效應(yīng)”[52]。劉德輝等[53]研究發(fā)現(xiàn)紅壤接種蚯蚓使土壤NaHCO3溶解態(tài)磷，微生物磷，有機磷含量不同程度提高。土壤動物、微生物和植物之間協(xié)同作用增強土壤磷活化和植物對磷的吸收[55，56]。張寶貴[58]等研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓促進被微生物固持的養(yǎng)分的釋放和增強土壤微生物群體活性。蚯蚓的腸道微生物及酶把食物中的植物激素前體物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了植物激素，并通過某種機制將植物激素富集在蚓糞中，或土壤微生物在激素的下產(chǎn)生出更多的植物激素，最終加速植物對營養(yǎng)的吸收和生長[57,60]。蚯蚓活動受包括溫度、水分、土壤質(zhì)量、季節(jié)變化、土壤污染物等環(huán)境因素的影響[61]。例，蚯蚓適宜在堿性的環(huán)境，含水量大致為40%～65%，最適溫度為22～26 ℃。環(huán)境條件改變必須影響蚯蚓活化土壤磷的影響。目前很少有關(guān)于環(huán)境因素對蚯蚓活化土壤磷的影響的報道。關(guān)于除了蚯蚓，其他土壤動物對土壤磷活化也具有相似的作用。例如，螞蟻筑巢活動增加蟻丘土壤有效磷的含量[61]，食細菌線蟲的捕食活動能增加解磷微生物的豐度和堿性磷酸酶活性[62，63]。土壤動物土壤形成和演變的重要驅(qū)動力，同時也是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部平衡的重要調(diào)控者。相比植物和微生物，對土壤動物的研究相對較少，主要涉及到的蚯蚓、線蟲、螞蟻等大型土壤動物，研究內(nèi)容集中在土壤動物多樣性、應(yīng)對氣候變化響應(yīng)、參與養(yǎng)分循環(huán)、重金屬污染修復(fù)等方面[64～66]，土壤動物-微生物-農(nóng)作物之間的協(xié)作關(guān)系在可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的積極作用，但目前對土壤動物-微生物-農(nóng)作物之間生物驅(qū)動機制還不明確。

4 結(jié)論與展望

茶園土壤作為巨大的土壤“磷“庫資源，土壤中的遺留磷的再利用對緩解磷礦資源匱乏，改善環(huán)境質(zhì)量方面具有巨大潛力。目前仍然有許多科學(xué)問題需要進一步探究：

(1)加強土壤磷的研究方法和技術(shù)研究，精準掌握土壤的磷的形態(tài)及其生物有效性。目前分析技術(shù)固有的局限性不足以對遺留磷庫的實際大小和分布進行準確評估。未來迫切需要需要具有高特異性、高靈敏度、高重現(xiàn)性、樣本處理、最小、快速分析、更少的矩陣干擾、低成本和適合現(xiàn)場應(yīng)用是環(huán)境中的常規(guī)磷素分析技術(shù)，從分子水平上揭示土壤磷素的形態(tài)、分布、轉(zhuǎn)化及歸趨機制，并根據(jù)作物生育期和產(chǎn)量變化特征，精準施策，將土壤磷活化與農(nóng)學(xué)有機結(jié)合。

(2)系統(tǒng)揭示生物對土壤磷的活化機制，提升生物對土壤磷活化效率。植物和微生物通過多種途徑來增強從土壤中獲取磷。但不同磷酸酶協(xié)同作用對增強有機磷水解能力機制，以及溶磷菌混合施用對難容磷的耦合機制還夠明確。與植物機制相比，土壤微生物對提高土壤遺留磷(特別是有機磷)有效性的相對貢獻尚不完全清楚。此外，土壤動物是物質(zhì)循環(huán)和能量流動正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當前對生物調(diào)控研究主要集中于植物和微生物調(diào)控，當前研究還較少關(guān)注到土壤動物，特別是在高標準農(nóng)田建設(shè)中，應(yīng)考慮土壤動物的功能作用，掌握土壤動物-微生物-農(nóng)作物之間生物驅(qū)動機制。

(3)強化土壤磷流失/漏失風(fēng)險評估，精準施策，提升土壤磷的使用效率。我國南北土壤性質(zhì)差異大，并且土壤是復(fù)雜和多樣的化學(xué)、生化和生物系統(tǒng)，目前對土壤遺留磷的調(diào)控效率較低，適用范圍窄，另外，土壤遺留磷活化勢必會增加土壤磷的淋溶和滲透量，從而導(dǎo)致大量土壤磷流失，可能會加劇周邊水生生態(tài)的環(huán)境污染風(fēng)險。亟需開發(fā)新技術(shù)，因地制宜，針對不同土壤類型遺留磷形態(tài)和含量，精準實施調(diào)控技術(shù)，提升茶園土壤磷的使用效率。