菌劑施用對夏填閑玉米吸收土壤磷素及其形態轉化的影響

摘要：通過施用微生物菌劑，研究夏休閑期設施土壤中磷素吸收利用及其形態轉化狀況，旨在為設施農田磷素有效利用與環境風險阻控提供理論參考。試驗設計6個不同菌劑用量處理，即T1（0 kg/hm2）、T2（90 kg/hm2）、T3（180 kg/hm2）、T4（360 kg/hm2）、T5（540 kg/hm2）、T6（720 kg/hm2），按隨機區組排列。結果表明，施加菌劑后總干物質積累量和總吸磷量最大的均為T2處理，分別較T1處理增長11.41%、35.77%，其中地上部干物質積累量、吸磷量遠高于地下根系，且同樣以T2處理最高；土壤總磷含量有所下降，在T2處理出現顯著下降；增施菌劑可增加土壤堿性磷酸酶活性，根際土壤堿性磷酸酶活性普遍高于非根際土壤，T4處理根際土壤堿性磷酸酶活性最高，T2次之；菌劑施用有效促進了土壤有機磷礦化分解，并且有利于潛在性無機磷源向緩效性無機磷源轉化，以及緩效性無機磷源向速效性磷源轉化，其中以T4處理最為明顯，T2次之。綜合分析發現，夏填閑期適量施用微生物菌劑，有利于提高設施菜田磷素有效利用及環境風險阻控，尤以T2處理較為明顯。

關鍵詞：設施夏填閑農田；微生物菌劑；磷素吸收；土壤磷素轉化

中圖分類號：S513.06 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）17-0218-06

收稿日期：2023-09-09

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2016YFD0801006）；天津市重點研發計劃科技支撐重點項目（編號：19YFZCSN00290）。

作者簡介：張迎珂（1997—），女，河南漯河人，碩士研究生，主要從事農田土壤與作物生長環境方面的研究。E-mail：z18236226610@163.com。

通信作者：盧樹昌，博士，教授，主要從事農田土壤質量與植物營養的教學與科研工作。E-mail：lsc9707@163.com。

磷作為植物生長不可或缺的營養元素之一，由于其在土壤中的固定性強、移動性較弱，導致磷肥當季利用率低，僅為15%～20%［1］。因此，農戶為滿足作物需求，增加糧食產量，在生產中會加大磷肥施用量。張懷志等通過調查天津、河北7個典型縣域156個農戶設施菜田施肥情況發現，磷肥平均投入量遠超推薦量的10.4倍，供大于求［2］。然而，當施磷量超過土壤最大固磷容量，土壤中有效磷的含量超過農學閾值時，繼續施磷反而會增加磷素淋失，導致土壤磷流失風險增大，破壞土壤健康，造成土壤退化、水體富營養化等環境問題［3-5］。北方設施農田尤其在夏季休閑期間，由于雨水集中，農田土壤磷素淋失風險更大。有研究表明，種植填閑作物（如糯玉米）可以有效提高磷素利用率，從而降低淋失風險［6］。另外，由于微生物菌劑中解磷微生物在提升磷素有效性方面，能夠利用其自身代謝產物或通過與其他生物的協同作用，將土壤中難溶性磷轉化為作物生長可利用磷，進而提高養分的有效性，降低土壤磷含量積累而備受關注［7］。1958年，俄羅斯首次將具有解磷功能的芽孢桿菌微生物菌劑應用于農業生產，大田產量增加了10%～70%［8］。隨著進一步深入研究，科學工作者發現解磷微生物具有將土壤中難溶性磷轉化成可溶性磷的作用，從而改善土壤結構，提高作物對磷的利用［9］。張輝等研究表明，含有多種菌株的微生物菌劑不但能促進土壤里的相關酶的活力，而且還能夠促進土壤中有機質的礦化分解［10］。有研究發現，枯草芽孢桿菌劑作用于土傳病蟲害的防治，能夠有效改善土壤微生物群落結構，促進作物生長［11］。解淀粉芽孢桿菌是一類植物根際促生細菌，在保護作物、促進生長和改良土壤等方面有著重要作用［12］。膠凍樣芽孢桿菌對土壤中云母和長石等含鉀的硅酸鹽礦石具有較強的分解能力［13］，應用于農業生產不僅可以起到解鉀溶磷的作用，還易形成較優的植株根系［14-15］。因此，本研究通過引種夏填閑作物與復合菌劑施用結合，探討設施夏休閑期土壤中磷素吸收利用形態轉化狀況，旨在為設施農田磷素有效利用與環境風險阻控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗基地概況

試驗基地位于天津市武清區大孟莊鎮后幼莊村（116°57′27.03″～116°57′51.87″E、39°32′8.24″～39°32′51.81″N），該地區屬于暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候。大棚冬春季以果菜類為主，夏季 7—8月份為夏休閑期，秋冬季以葉菜類為主，棚齡16年。土壤弱堿性，輕度鹽漬化，質地中等。地力屬于高肥力，有機質含量高，有效氮磷鉀含量均很高，其中土壤有效磷在土0～90 cm土層范圍內含量很高。說明表層土壤磷素發生下移，存在較高環境風險。土壤基本性狀見表1。

1.2 供試材料

供試作物：玉米，品種為彩玉仙子，甜糯鮮食玉米雜交種。

供試菌劑：坤益健50農用微生物菌劑（文中簡稱“菌劑”），購于天津坤禾生物科技集團股份有限公司。其中，有效功能菌種包括枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和膠凍樣類芽孢桿菌，菌種比例為（3 ∶3 ∶1），有效活菌數≥50.0×108 CFU/g，有利于有機物質的分解、土壤養分的釋放，促進根系生長發育，抑制土壤病害的發生。

1.3 試驗處理與田間管理

試驗設置6個不同菌劑用量處理，如表2所示。每個處理重復3次，按隨機區組排列，小區面積 24.3 m2（6 m×4.05 m）。2022年6月5日播種，種植密度采用裴志強等的研究結果（10.50萬株/hm2）［16］，2022年8月23日收獲。試驗過程未施用任何肥料。

1.4 采樣與測試

試驗收獲時，每個處理小區采集植物樣帶回實驗室，測定其干物質量及吸磷量。同時采集0～30 cm 的土樣，每個處理在小區前中后位置取土，并混合均勻，自然風干磨碎。根際土在末期收獲時選擇小區前中后3株植株，將其根系取出后用抖土方法獲取緊密附著在根系上的土作為根際土，收集于密封袋保存于4 ℃冰箱冷藏。

干物質量測定：將各小區所采的3株玉米植株（包括根、莖、葉）稱鮮重，計算其生物量，而后將植株放入烘箱內105 ℃下殺青1 h，然后75 ℃烘干至恒重，計算含水量，進一步折算干物質量。植物磷含量采用釩鉬黃比色法測定，計算植株吸磷量。干物質量、吸磷量計算公式如下：

干物質量＝植株鮮重×（1-含水量）；（1）

吸磷量＝收獲植株干物質量×含磷量。（2）

土壤無機磷組分的測定采用蔣柏藩等的石灰性土壤無機磷形態分級測定方法［17］測定；根據李志堅等對無機磷組分的分級方法，將無機磷組分分為速效性磷源（Ca2-P）、緩效性磷源（Ca8-P、Al-P、Fe-P）和潛在性磷源（O-P、Ca10-P）3類［18］。

土壤總磷含量采用濃硫酸－高氯酸消解；土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定［19］。

1.5 數據處理與分析

用Excel 2010進行數據處理，用SPSS 22.0軟件進行統計分析，應用Duncan’s法和LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理玉米干物質量與吸磷量狀況

由圖1可知，玉米地上部干物質積累量隨菌劑用量的增加呈下降趨勢。其中T2處理地上部干物質量積累最多，較T1處理增長9.75%，較干物質積累量最少的T6處理顯著增加35.12%，地上部干物質量各處理變化為T2>T1>T3>T4>T5>T6。地下部干物質量遠低于地上部，僅占地上部干物質量的22.56%左右，其中T3處理地下部干物質量最大，顯著高于其他處理，較T1處理顯著增長27.95%，較干物質積累量最少的T5處理顯著增加37.56%，其次為T2處理。總干物質積累量中，T2處理總干物質量最大，顯著高于其他處理，較T1和T6處理分別顯著增長11.41%和33.41%；地上部干物質量占總干物質量的77.75%～83.31%，地下部干物質量占總干物質量的16.69%～22.25%。總體來看，地上部干物質積累量占總干物質積累量的主要部分。說明適量施用菌劑有利于玉米干物質量積累。

由圖2可知，玉米吸磷量趨勢與干物質積累量基本一致。總吸磷量最高的同樣也是T2處理，顯著高于其他各處理，比T1處理顯著增長35.77%，T3次之。地上部吸磷量占總吸磷量的75.17%～84.29%，為總吸磷量的主要部分，地上部吸磷量的變化為T2>T3>T6>T5>T4>T1，其中在T2處理下玉米地上部的吸磷量最大為12.36 kg/hm2，顯著高于其他處理，比T1處理顯著增長34.06%。地下部吸磷量最高的為T3處理，其次為T2，T3較T1顯著增長43.19%，較吸磷量最低的T5顯著增長69.44%。綜合來看，T2處理可以促進玉米植株吸收。

2.2 不同處理土壤總磷變化狀況

由圖3可知，不同處理土壤總磷含量表現為 T2<T6<T3<T1<T4<T5。T2處理的總磷含量顯著低于其他處理，較T1處理顯著下降8.99%，較總

磷含量最高的T5處理顯著下降14.85%，其他各處理間差異不顯著。T2處理總磷含量下降最為明顯，與圖2玉米吸磷量成負相關，圖2中吸磷量越大的處理，總磷含量降低越明顯，說明T2處理可以提高玉米植株吸磷量，降低土壤總磷含量。

2.3 不同處理根際與非根際土壤磷酸酶活性狀況

土壤酶活性是土壤養分、土壤生物活性的有效指標之一，它與土壤養分轉化能力有關，土壤酶活性越高，微生物越活躍，并且它還是參與土壤養分磷轉化的主要酶類［20-21］。由圖4可知，根際土壤堿性磷酸酶活性普遍高于非根際土壤，根際土壤中堿性磷酸酶活性最高的是T4處理，為4.16 mg/（g·d），顯著高于其他處理，比T1處理顯著增加19.86%，比活性最低的T6處理顯著增加66.44%，T2次之。非根際土中T2處理堿性磷酸酶活性最高，為 3.34 mg/（g·d），比活性最低的T1顯著增加49.15%，比施用量最高的T6處理顯著增加33.65%，T5次之。T4處理根際土堿性磷酸酶活性較T1處理非根際土壤顯著增長86.05%，T2次之，分別較T1顯著增長51.91%。說明菌劑的施用對根際土壤中酶活性的影響要顯著高于非根際土壤。綜合來看，T2處理能增加土壤堿性磷酸酶活性。

2.4 不同處理土壤磷素形態變化

2.4.1 不同處理土壤有機磷與無機磷轉化

由表3可知，總無機磷含量均高于土壤總有機磷。其中T4處理土壤總無機磷含量最高，顯著高于其他各處理，較T1處理顯著增加13.32%，較無機磷含量最低的T3處理顯著增加28.38%，T2次之；土壤總有機磷含量的變化表現為T4<T2<T5<T1<T3<T6，其中T4處理土壤總有機磷含量最低，比T1顯著降低60.39%，T2次之。有機磷需要微生物的活動使其礦化分解為無機磷后才能被作物吸收利用，通過玉米總有機磷與總無機磷之比來看，T4處理最有利于有機磷礦化分解，其次為T2處理。

2.4.2 不同處理土壤無機磷形態間轉化狀況

由表4可知，土壤無機磷形態中緩效性磷源含量明顯著高于速效性磷源和潛在性磷源。其中速效性磷源最易被作物吸收利用。速效性磷源含量最高的是T1處理，為222.61 mg/kg，其次為T5和T4處理，但處理間差異不顯著；土壤緩效性磷含量最高的為T4處理，T4較T1和T6處理顯著增加21.08%和35.04%，且T4處理的潛在性磷源有所降低，可能是T4處理速效性磷源被作物吸收后，通過其它形態的磷補充，使潛在性磷源轉化為緩效性磷源，出現潛在性磷源降低的現象；土壤潛在性磷源含量最高的為T5處理，比T1和T6處理高出0.44%和9.31%。從占比來看，T1處理速效性磷源占緩效性磷源比例最高，其次為T5處理；T2處理潛在性磷源占總無機磷比例最少為20.76%，T4次之，說明在這兩個處理下，有利于潛在性磷源轉為緩效性磷源。綜合來看，T4處理有利于土壤潛在性磷源的轉化，其次為T2處理。

3 討論

研究發現，人為向土壤中添加微生物菌劑，有改善土壤理化性狀，促進作物生長發育，提高植株干物質量及吸磷量的作用［22］。本研究中，T2處理下玉米總干物質量和總吸磷量均為最高， 隨著菌劑用量的增加，干物質量并不會繼續積累，反而出現下降趨勢。說明在本試驗所選取的高磷土壤地塊中，菌劑用量為90 kg/hm2時玉米的干物質積累量會達到峰值，再繼續增加菌劑的投入量已無實際意義。李星星通過向馬鈴薯中施加菌劑發現，施加菌劑顯著提高了馬鈴薯地上部和地下部的干物質量，且干物質量隨菌劑用量的增加而減少［23］。彭鐵梨對番茄幼苗施用不同濃度的菌劑發現，隨菌劑濃度的增加，各器官干物質積累量呈先增加后降低的趨勢［24］，這與本研究結果基本一致。其主要原因和菌劑本身的微生物有關，菌劑施入土壤后，菌劑本身的微生物要吸收土壤里的營養物質來實現自身繁殖，適量的菌劑可以豐富微生物數量，促進作物生長，但菌劑施用過量，菌劑本身的微生物會搶奪作物的營養，導致作物生長和對磷的吸收都有所降低，出現高抑低促的現象。在本試驗中菌劑用量最低的處理干物質量就達到了峰值，后續還可以繼續降低用量來研究菌劑用量對玉米干物質量積累的影響。

根際微環境是微生物-土壤-植物系統中最為活躍的區域，也是磷礦化的熱區［25］。土壤酶大多數來自微生物和植物根［26］，土壤酶活性的高低直接反映土壤養分轉換能力的強弱。植物根際酶活性一般大于非根際，主要是因為根際受微生物和植物根際分泌物的影響程度顯著高于非根際［27］，這與本研究結果一致。本研究中T2和T4處理施加菌劑后可以有效提高根際及非根際土壤的堿性磷酸酶活性，且根際的酶活性普遍高于非根際土壤。這是由于菌劑中所含的有益菌群加速了土壤有機化合物的分解，提供了酶促反應底物，進而促進了微生物的生長，提高了土壤酶含量［28-29］，但菌劑用量過高的處理酶活性并沒有持續增加，原因是微生物在對土壤有機質進行分解時，會吸收同化更多的磷，來滿足其生長繁殖，從而出現生物固磷現象，減緩了微生物的生長，出現土壤酶含量降低的現象。又因為微生物可以通過增加磷酸酶的分泌將磷從有機養分轉化為無機養分，從而實現土壤中磷的活化，為植物提供速效養分［30］。因此通過土壤有機磷與無機磷轉化發現，微生物菌劑的施用有利于難溶性磷向有效性磷轉化，使土壤有效性磷增加［31-34］。T4和T2處理下菌劑用量對玉米土壤有機磷分解有促進作用，能有效提高土壤無機磷含量，且T4處理下速效性磷源較高，有利于作物吸收，潛在性磷源有所降低，原因可能是T4處理速效性磷源被作物吸收后，通過其他形態的磷補充，潛在性磷源轉化為緩效性磷源，出現潛在性磷源降低的現象。該種菌劑之所以能促進土壤有機磷的礦化分解，主要是因為該菌劑中的膠凍樣類芽孢桿菌含有解磷菌種，具有解磷功能，施入土壤后微生物快速繁殖，提高了土壤養分庫中磷素的生物有效性，從而促進了土壤有機磷分解。本結論與鄧天天等的研究結果［35］相反，原因是他們施用的微生物菌劑中不含有解磷功能的解磷菌，無法影響土壤中的有效性磷含量。

4 結論

從總干物質積累量和總吸磷量來看，T2處理總干物質量和總吸磷量最大，其中地上部占主要部分，地上部干物質量占總干物質量的77.75%～83.31%，吸磷量占總吸磷量的75.17%～84.29%%；地下部干物質量和吸磷量最大的為T3處理，其次為T2，且T2處理下土壤總磷含量出現顯著下降，較T1處理顯著下降8.99%。說明T2處理可以有效提高植株干物質量和吸磷量并降低土壤總磷含量。

玉米根際土中堿性磷酸酶活性普遍高于非根際土，其中T4處理最高，顯著高于其他處理，比T1處理顯著高出19.86%，T2次之；非根際土中T2處理堿性磷酸酶活性最高，比T1顯著高出49.15%；土壤總無機磷含量高于總有機磷，其中T4處理總無機磷含量最高，說明T4處理最有利于有機磷礦化分解，其次為T2處理；土壤緩效性磷源含量最高的為T4處理，且該處理的潛在性磷源有所降低，說明T4處理有利于潛在性磷源轉化為緩效性磷源，T2次之。

綜合來看，T2處理的微生物菌劑用量可以有效促進夏填閑玉米干物質積累量和吸磷量，促進土壤磷形態轉化，降低土壤磷素環境風險。

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