高磷小麥秸稈提高砂姜黑土磷有效性并促進土壤磷素的轉化

查慶南，申 昊，李虹穎，熊啟中，徐 剛，田 達，馬 超，李軍利，郜紅建，葉新新*

（1 安徽農業大學資源與環境學院 / 安徽省綠色磷肥智能制造與高效利用工程研究中心 / 農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室 / 江淮耕地資源保護與生態修復重點實驗室，安徽合肥 230036；2 安徽省農業科學院土壤肥料研究所，安徽合肥 230001）

磷是作物生長所必需的營養元素[1]。然而磷在土壤中的移動性弱[2]，容易被固定形成難溶性的磷酸鹽，難以被作物吸收利用，導致磷肥利用率較低(10%～25%)[3]；大部分的磷以非有效形態積累于土壤中，磷在土壤中的盈余量較高[4]。因此，如何挖掘土壤中累積態磷是實現磷素高效利用的重要途徑之一。

有機碳源可為土壤微生物生長供應所需能量，通過激發微生物增殖，啟動微生物在磷周轉中的調控作用，進而提升土壤的供磷能力[5–6]。秸稈作為一種有機碳源，年產量巨大；我國主要作物秸稈年生產量約為8億t，并且作物秸稈是十分重要的磷養分資源，秸稈中磷養分資源量年均為237.5萬t[7]。秸稈還田是循環利用碳、磷養分資源的重要途徑，秸稈也是土壤生物活性的有效調控劑[8]。雖然目前關于秸稈還田對土壤磷素有效性的影響已有不少報道，但結論并不完全一致。欒天浩等[9]研究表明，在東北平原秸稈還田后土壤有效磷含量提升了67.17%；韓新忠等[10]通過大田試驗研究發現，不同小麥秸稈還田量對土壤有效磷含量的影響不顯著；黃少輝等[11]的長期小麥秸稈還田試驗表明，小麥秸稈還田處理的土壤有效磷含量下降了1.95 mg/kg。已有研究表明，施入土壤中的有機物料C∶P值會影響土壤中磷的有效性和形態轉化[12]；添加的有機碳源可以通過啟動微生物介導土壤微生物量磷的周轉，從而影響土壤磷有效性[13]。因此，研究作物秸稈C∶P值對土壤磷素形態轉化和微生物量磷周轉的影響，對于探索通過添加碳源強化土壤微生物提高土壤磷利用效率的調控措施至關重要。

砂姜黑土是淮河流域的典型中低產田，面積共計371萬hm2，其中以安徽面積最大，占44.4%；砂姜黑土全磷含量多低于0.5 g/kg，有效磷含量多低于4 mg/kg，嚴重制約作物產量和品質形成[14]。本研究以安徽省典型砂姜黑土為供試土壤，以不同磷含量小麥秸稈作為供試材料，通過室內模擬培養試驗，研究不同磷含量小麥秸稈還田對土壤磷素有效性的影響以及微生物量磷的周轉特征。研究結果可為秸稈還田促進砂姜黑土磷高效利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用砂姜黑土取自安徽農業大學皖北試驗站。土壤采樣深度為0—20 cm，土樣自然風干后，研磨過2 mm篩。土壤的基本理化性質為：pH 7.43，有機質 23.87 g/kg，全氮 0.69 g/kg，全磷 1.34 g/kg，有效磷9.69 mg/kg。低磷小麥秸稈采自于試驗區不施用磷肥處理的地塊，高磷小麥秸稈采自于試驗區施用磷肥處理的地塊，小麥品種是安農178，秸稈的基本理化性質如表1。

表1 供試小麥秸稈養分含量Table 1 Nutrient contents of the wheat straws

1.2 試驗設計

采用室內恒溫培養方法，試驗設3個處理，分別為對照 (CK)、加低磷小麥秸稈 (LS)、加高磷小麥秸稈 (HS)。取 1 kg 過 2 mm 篩的土裝于 2 L 塑料桶中，添加20 g經磨碎過篩的秸稈粉末，與土壤混勻處理，加水保持70%的田間持水量，25℃恒溫培養90天，每隔5天使用重量法加入去離子水保持土壤含水量恒定，每個試驗處理4次重復。在培養0、3、7、15、30、60、90天時取土樣，取完土樣后繼續進行培養。

1.3 測定指標及方法

pH測定[15]采用電位法 (土水質量比1∶2.5)。土壤Olsen-P含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定[16]。無機磷分級采用顧益初－蔣柏藩分級方法[17]，分為 Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、Al-P、O-P 和Ca10-P。有機磷分級采用Bowman等[18]的方法，分為活性有機磷、中等活性有機磷、中穩定性有機磷和高穩定性有機磷。

土壤微生物量碳 (MBC)采用氯仿熏蒸，濃硫酸–重鉻酸鉀外加熱法[19]測定，土壤微生物量磷 (MBP)采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法[20]測定。

土壤磷酸酶活性采用苯磷酸二鈉比色法測定[21]：取10 g風干土，置于100 mL容量瓶中，加入1.5 mL甲苯，輕搖15 min后，加入磷酸苯二鈉溶液10 mL，再加入相應緩沖液 (酸性磷酸酶用pH 5.0的醋酸緩沖液，中性磷酸酶用pH 7.0的檸檬酸緩沖液，堿性磷酸酶用 pH 10.0 的硼酸緩沖液) 10 mL，搖勻后 37℃培養24 h，測定磷酸酶活性。

解磷細菌數量采用平板計數法測定[22]。解有機磷細菌選擇培養基成分包括：葡萄糖10 g，(NH4)2SO40.5 g，KCl 0.3 g，NaCl 0.3 g，MgSO4·4H2O 0.03 g，FeSO4·7H2O 0.03 g，CaCO35.0 g，卵磷脂 0.2 g，無菌水1000 mL，瓊脂18 g。解無機磷細菌選擇培養基成分包括：葡萄糖 10 g，(NH4)2SO40.5 g，KCl 0.2 g，NaCl 0.2 g，MgSO4·7H2O 0.1 g，FeSO4·7H2O 0.03 g，MnSO4·4H2O 0.03 g，Ca3(PO4)25.0 g，酵母粉 0.5 g，無菌水 1000 mL，瓊脂 18 g。稱取新鮮土壤樣品 10 g，加入 90 ml去離子水，180 r/min 震蕩稀釋配置為土壤懸濁液，土壤懸濁液接種于選擇培養基上。培養箱溫度設置為30℃恒溫，將接種后的選擇培養基放入培養箱，分別培養5、7 天。根據選擇培養基上的透明圈情況統計解有機磷細菌和解無機磷細菌數量。

1.4 數據處理分析

參考王曄青等[23]的文獻，微生物量磷 (MBP)的累積礦化量和累積同化量分別為培養期內微生物量的動態減少量、動態增加量，二者數量的絕對值之和定義為微生物量磷的周轉量[mg/ (kg·a)]。

微生物量磷周轉強度 (%)=1/2 周轉量/各時期平均微生物量磷含量×100；

微生物量磷周轉期=1/周轉強度。

通過SPSS 18.0進行統計分析，采用最小顯著差數法進行差異顯著性檢驗 (P<0.05)，利用Excel 2016軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤Olsen-P和pH的影響

培養0～15天內，HS處理下土壤Olsen-P含量呈增加趨勢，培養第15天達到穩定 (圖1)。從培養第3天開始，HS處理下土壤Olsen-P含量顯著 (P<0.05)高于CK和LS處理；在培養第90天，HS處理Olsen-P含量比CK和LS處理分別提高了59.4%和47.4%，LS比CK顯著降低了23.9%。在整個培養期內，3個處理下土壤pH保持穩定，無顯著差異(P>0.05)。

圖1 不同處理土壤Olsen-P含量和pH變化Fig.1 Dynamics of soil Olsen-P contents and pH in different treatments

2.2 不同處理對土壤無機形態磷含量的影響

培養90天時，CK處理與試驗前原始土壤無機磷形態進行比較發現，二者間無顯著變化。表明恒溫培養不會對無機磷形態有顯著的影響。培養90天時，HS處理下Ca2-P含量顯著高于CK和LS處理(P<0.05)，分別較CK和LS處理高65.0%和44.7%，而LS和CK處理之間Ca2-P含量無顯著差異 (圖2)。與CK 處理相比較，添加秸稈處理顯著 (P<0.05)增加了Ca8-P含量，減少了Fe-P和Ca10-P含量，LS和HS處理這3種形態磷含量間無顯著差異。與CK處理相比較，HS處理下Ca2-P和Ca8-P占比增加，Fe-P和Ca10-P占比減小，說明Ca2-P和Ca8-P占比的增加主要來自于Fe-P和Ca10-P的轉化。

圖2 不同處理土壤各形態無機磷含量及其占比Fig.2 Content and proportion of soil inorganic P fractions in different treatments

2.3 不同處理對土壤有機形態磷含量的影響

培養90天時，CK處理與試驗前原始土壤中有機磷形態進行比較發現，二者間無顯著變化。培養90天時，與CK處理相比較，HS和LS處理下活性有機磷 (LOP)和中等活性有機磷 (MLOP)含量顯著提高，而中等穩定性有機磷 (MSOP)含量顯著降低(P< 0.05)，3 個處理間高穩定性有機磷 (HSOP)含量無顯著差異 (圖3)。3個處理LOP含量差異顯著(P<0.05)，HS處理最高，其次是LS處理，CK處理最低；HS處理相比于LS和CK處理分別提高了37%和158%，LS處理較CK處理增加了87.6%。與CK處理相比較，HS和LS處理LOP和MLOP占比增加，MSOP占比減小，說明LOP和MLOP占比的增加來自于MSOP的轉化。

圖3 不同處理下土壤各形態有機磷含量及其比例Fig.3 Fractions of soil organic P and proportion of organic P fraction in different treatments

2.4 不同處理對土壤微生物量碳 (MBC)、磷(MBP)及微生物量碳磷比的影響

在培養期內，添加秸稈可以顯著增加MBC，在培養第3天MBC達到最大，HS和LS處理間無顯著差異，但是二者顯著高于CK處理 (圖4)。添加秸稈也顯著 (P<0.05)增加MBP，在培養第15天MBP達到最大；培養90天時，MBP含量大小順序為HS>LS>CK。在培養期間，HS和LS處理下MBC:MBP值呈現先上升后下降再趨于穩定，并在培養第3天達到最大值；CK處理基本保持穩定。培養90天時，HS處理MBC:MBP值顯著低于LS和CK處理，LS和CK處理間差異不顯著。

圖4 不同處理土壤微生物量碳磷含量及比例隨培養時間的變化Fig.4 Dynamics of MBC, MBP and MBC: MBP ratio with incubation days under different treatments

2.5 不同處理對土壤磷酸酶活性的影響

從3個處理土壤磷酸酶活性的變化(圖5)可知，培養90天時，添加秸稈的處理中土壤磷酸酶活性顯著高于不添加秸稈處理。HS和LS處理的土壤堿性磷酸酶活性和中性磷酸酶活性顯著高于CK處理，而LS和HS處理之間無顯著差異。對于酸性磷酸酶活性，HS處理比LS和CK處理分別顯著 (P<0.05)提高了22.1%和55.4%。

圖5 培養90天各處理土壤的磷酸酶活性Fig.5 Soil phosphatase activities at 90 days of incubation under different treatments

2.6 不同處理對土壤解磷細菌豐度的影響

3個處理對土壤有機和無機磷細菌的影響如圖6所示，培養90天時，添加秸稈后，解有機磷細菌數量顯著 (P<0.05)升高，大小順序為HS>LS>CK，HS處理相比LS和CK處理分別提高了51.9%和120.5%。HS和LS處理下土壤解無機磷細菌數量顯著 (P<0.05)高于CK處理，而HS和LS處理之間無顯著差異。

圖6 培養90天各處理土壤解磷細菌數量Fig.6 Population of soil phosphorus-solubilizing bacteria in different treatments at 90 days of incubation

2.7 不同處理下土壤微生物量磷(MBP)的周轉

由表2可知，添加秸稈之后增加了土壤MBP的累積同化量、累積礦化量、周轉量和周轉強度，其中HS處理最高，其次是LS處理，CK最低。土壤MBP的周轉期變化是HS

表2 不同處理土壤微生物量磷的周轉量及周轉期Table 2 The turnover amount and time of soil microbial biomass P in different treatments

3 討論

3.1 秸稈C∶P值對土壤磷素有效性和形態轉化的影響

土壤磷素存在無機和有機等多種形態，且各種形態在土壤中處于動態平衡。土壤 Olsen-P 是植物最容易吸收和利用的部分，是衡量土壤磷素供應能力強弱的關鍵性指標[24]。已有研究表明，土壤外源添加有機物的C∶P值會影響土壤Olsen-P含量變化，這與土壤中微生物對磷素固定與釋放有關系[25]。當向土壤中添加的有機物C∶P值大于300，土壤中磷的固持速率大于礦化速率，出現微生物對磷的凈固持；當添加的有機物料C∶P值低于200，有機物礦化釋放出的磷素大于微生物需求，表現為磷的凈釋放，進而增加土壤有效磷含量[24,26]。與CK處理相比較，HS處理下土壤Olsen-P含量有顯著 (P<0.05)提高，而LS處理則是顯著降低，這種現象可能是由于HS處理C∶P值為 186，其值小于300，較低的C∶P值引起土壤微生物對有效磷的凈礦化而使土壤Olsen-P 含量顯著上升；而LS處理的C∶P值為833，其值遠高于 300，較高的 C∶P值會引起秸稈在礦化過程中由于微生物的同化作用而造成磷的生物固持[27–28]，從而使土壤有效磷含量降低。劉娜等[29]的研究結果發現，土壤有效磷與有機物料C∶P值呈負相關關系，C∶P值越低的有機物施入土壤，土壤有效磷含量提升越明顯。

從無機磷形態來看，Ca2-P是土壤磷素的有效磷源，Ca8-P、Fe-P和Al-P是緩效磷源，O-P和Ca10-P是惰性磷源[30]。在本試驗中，HS增加了Ca2-P和Ca8-P含量，降低了Fe-P和Ca10-P含量 (圖2)；趙慶雷等[31]研究表明，秸稈還田措施可顯著提高砂姜黑土中Ca2-P的含量，減少Ca10-P的含量；黃欣欣等[32]研究表明，秸稈還田無機磷增幅最大的是Ca2-P，其次是Ca8-P。LS處理下Ca2-P含量與CK處理無顯著差異，可能是因為其秸稈C∶P值較高所致。對于有機磷形態，秸稈添加增加了活性有機磷(LOP)和中等活性有機磷(MLOP)的比例，而降低中等穩定性有機磷(MSOP)的比例，說明秸稈還田促進土壤中穩定形態的有機磷向活性形態有機磷轉化 (圖3)。HS處理的LOP含量顯著高于LS處理。有研究[33]表明，有機物料的C∶P值對土壤有機磷形態轉化有重要影響，當加入土壤中的植物殘體C∶P值較低時，植物殘體分解更快，穩定性較高的有機磷組分向活性較高的有機磷組分轉化，并進一步礦化轉化為有效磷。

在本試驗中，添加秸稈處理的土壤磷酸酶活性以及解有機無機磷細菌的數量均顯著高于不施秸稈處理的土壤 (圖5和圖6)。土壤磷酸酶活性與有效磷的供應密切相關[34]，可以促進土壤有機無機磷形態的轉化[35]。有研究表明，秸稈還田過程中，微生物新陳代謝活動促進土壤磷酸酶分泌，造成土壤中磷酸酶活性增加[36]。薩如拉等[37]的田間試驗研究發現，兩年秸稈還田可以顯著提高土壤解磷細菌的數量。因此，本試驗中土壤磷有效性的提高與秸稈添加后土壤中解有機和無機磷細菌數量的增加和磷酸酶活性提高有關。

3.2 秸稈C∶P值對土壤微生物量磷含量及其周轉的影響

微生物量磷(MBP)與土壤供磷水平有關[38]，當土壤缺磷嚴重時，土壤微生物會分泌磷酸酶加快MBP分解來滿足植株對磷素的需求；當土壤磷素供應充足時，土壤微生物會同化吸收過多的磷素[39]。在本試驗中，添加秸稈使土壤MBP含量大幅增加(圖4)，這是因為秸稈對土壤微生物的激發效應：一方面土壤微生物在短期內獲得了充足的碳源而快速繁殖，其間會同化大量磷素 (主要是 Olsen-P)，以MBP的形式固定于體內；另一方面外源性碳源提高了土壤磷酸酶的活性，加速了微生物對有機磷的分解和利用[25]。HS處理下土壤MBP增加量顯著高于LS處理 (圖4)，原因可能是由于HS和LS處理輸入到土壤中的磷總量與秸稈分解速率不同所致。HS處理含磷量 (2.17 g/kg)是 LS (0.51 g/kg)處理的近4倍。土壤微生物會優先利用有機物料釋放的磷而形成 MBP[20]。在土壤氮素充足的情況下，含磷高的秸稈更加容易分解并釋放出磷素，磷是C∶P值高的秸稈分解的限制因素[40]。

微生物更新自身體內全部磷素所需的時間稱為MBP 周轉期，可表征土壤微生物量磷庫周轉強度；周轉期越短表明經微生物轉化釋放磷素供應能力越強，周轉期越長則說明土壤微生物對養分的固定能力越強[39]。本研究中，與 CK 處理相比較，秸稈還田處理大幅縮短了微生物量磷周轉期 (表2)，其原因可能是秸稈還田可以為微生物提供豐富的能源，進而使微生物生長繁殖加快，微生物對磷素轉化作用大大加強[41]，這與秸稈還田處理的磷酸酶活性高相一致(圖5)。高磷小麥秸稈處理相對于低磷小麥秸稈顯著(P<0.05)增加了MBP累積同化量、MBP累積礦化量和周轉量，而縮短了MBP周轉期。其原因：一方面是因為施高磷小麥秸稈后土壤有效磷含量增加，微生物可利用磷素增加，使更多的無機磷被同化固定到微生物體內；另一方面是施用高磷小麥秸稈顯著增加了土壤磷酸酶活性，從而增加了土壤MBP 的分解速率，使 MBP 周轉期縮短。

對比不施秸稈處理，添加秸稈可以改變土壤MBC∶MBP值，培養期間MBC∶MBP值出現明顯的波動，先上升后下降并趨于平緩。有研究[42]表明，土壤MBC∶MBP值能反映土壤微生物對磷有效性的調節作用，土壤MBC∶MBP值小，表明土壤微生物具有較大的通過循環周轉而釋放磷素的能力，反之微生物會因自身磷養分不足而具有同化有效磷的趨勢。在培養90天時，HS處理下土壤MBC∶MBP值顯著低于LS和CK處理，促進MBP的周轉量，提高砂姜黑土潛在的供磷能力。

4 結論

土壤磷有效性的提高和形態的轉化，與秸稈添加后土壤中解有機和無機磷細菌數量的增加和磷酸酶活性提高有關。與低磷小麥秸稈相比，高磷小麥秸稈更有利于砂姜黑土中Ca10-P和Fe-P向Ca2-P和Ca8-P的轉化，有利于中等穩定有機磷 (MSOP)向中等活性 (MLOP)和活性有機磷 (LOP)的轉化。高磷小麥秸稈還田可加強土壤微生物對磷素的轉化作用，降低土壤MBC∶MBP值，增加微生物量磷MBP周轉量并縮短MBP周轉期。高磷秸稈還田更有利于土壤有效磷的提高。