土壤酸性磷酸酶與微生物群落結構對磷素養分變化的響應

摘" 要：土壤酸性磷酸酶及微生物群落與磷素養分有密切關系。試驗研究土壤酸性磷酸酶基因、微生物群落等對磷素指標變化的響應。結果表明，土壤有效磷含量變化從14.63 mg/kg到110.70 mg/kg時，酸性磷酸酶與有效磷呈現顯著的正相關（Plt;0.05），當有效磷含量變化從14.63 mg/kg到213.93 mg/kg時，酸性磷酸酶與有效磷相關性不顯著；土壤酸性磷酸酶對有效磷/全磷比值變化的響應與有效磷相似；土壤酸性磷酸酶與全磷變化的相關性不顯著。土壤有效磷、有效磷/全磷等與19個溶磷細菌屬呈現極顯著的相關性（Plt;0.001），酸性磷酸酶與其中的3個屬呈現極顯著的相關性（Plt;0.001），全磷與9個屬呈現極顯著相關性（Plt;0.001）。RDA分析表明土壤4個磷素指標對溶磷微生物屬變異的解釋量為94.05%，且對土壤溶磷微生物屬的影響都達到極顯著的水平（Plt;0.000 5）。

關鍵詞：酸性磷酸酶；溶磷微生物；有效磷；酸性磷酸酶基因；磷素變化

中圖分類號：S154.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2025）05-0026-06

Abstract： Soil acid phosphatases and microbial communities are closely related to phosphorus nutrients. Experiments were conducted to study the responses of soil acid phosphatase genes and microbial communities to changes in phosphorus indicators. The results showed that： When the soil available phosphorus content changed from 14.63 mg/kg to 110.70 mg/kg， there was a significant positive correlation between acid phosphatase and available phosphorus （Plt;0.05）. When the available phosphorus content changed from 14.63 mg/kg to 213.93 mg/kg， there was no significant correlation between acid phosphatase and available phosphorus; the response of soil acid phosphatase to changes in the available phosphorus/total phosphorus ratio was similar to that of available phosphorus; the correlation between soil acid phosphatase and total phosphorus was not significant. Soil available phosphorus， available phosphorus/total phosphorus， etc. showed extremely significant correlations with 19 phosphorus-solubilizing bacterial genera （Plt;0.001）， acid phosphatase showed extremely significant correlations with 3 genera （Plt;0.001）， and total phosphorus showed extremely significant correlations with 9 genera （Plt;0.001）. RDA analysis showed that the four soil phosphorus indicators accounted for 94.05% of the variation of phosphorus dissolving microbial genera， and all had a very significant impact on soil phosphorus dissolving microbial genera （Plt;0.000 5）.

Keywords： acid phosphatase; phosphorus-dissolving microorganism; available phosphorus; acid phosphatase gene; phosphorus changes

磷作為植物生長最重要的營養元素之一[1]，磷素豐缺影響農業生態系統結構和功能穩定性[2]，土壤有效磷和全磷是反應磷素變化最直接的指標[3]。土壤磷酸酶在有機磷轉化成無機磷過程中發揮重要作用[4]，酸性磷酸酶是我國農業和自然生態系統磷素有效性的重要預測因子[5]。王敦剛等[6]研究表明，在不同土地利用方式下，有效磷和酸性磷酸酶變化表現出一致性；陳云峰等[7]對南方稻區酸性土壤有效磷與酸性磷酸酶相關性研究表明，二者具有顯著相關性。土壤酸性磷酸酶對土壤磷素變化的響應與土壤磷素豐缺有關，Helal[8]發現缺磷或低磷條件下作物根系可顯著促進酸性磷酸酶的分泌進而提高其含量，王兵爽等[9]研究認為高磷條件對土壤酸性磷酸酶含量影響不顯著。磷也是微生物生命活動必不可少的元素，是生物體大分子物質（核酸）、ATP等的組成成分，現有研究也表明土壤磷素養分變化會改變微生物群落組成[10]。以上研究都基于不同的人工試驗處理，土壤磷素變化范圍有限，且如何界定低磷和高磷條件都不明確，有必要在磷素變化更大的磷素變化范圍研究其對土壤磷酸酶和微生物群落的影響。

本試驗以近年大田試驗和盆栽試驗的169個土樣為試驗樣品，測定了土壤有效磷、全磷、酸性磷酸酶等指標，分析了酸性磷酸酶對土壤有效磷、全磷、有效磷/全磷比值變化的響應；微生物群落結構復雜，種類繁多，試驗通過宏基因組測序得到的土壤微生物屬2 500個，選取了假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）等23個溶磷微生物屬作為微生物群落結構的研究對象，研究其對土壤磷素養分變化的響應。通過上述研究以期為評價土壤磷素有效性和磷素高效利用提供理論依據。

1" 研究設計

1.1" 試驗區概況

大田試驗區位于貴州省安順市西秀區大西橋鎮同心村（東經 106°11′，北緯 26°65′），該區域屬于典型的高原濕潤亞熱帶氣候，全年平均降水量在1 360 mm，年均溫14 ℃。

1.2" 試驗土壤

試驗土壤樣品總計169份，包括采集于試驗區的大田土壤樣品70份，盆栽試驗土壤樣品99份（均采自大田試驗區），大田試驗種植作物為玉米（盆栽為油菜）。采集作物根際新鮮土樣500 g左右，除去雜草等雜質后充分混勻，取出50 g左右樣品放置在塑封袋后保存在干冰箱中寄送至生工生物工程（上海）股份有限公司，進行土壤宏基因組測序；剩余的土樣風干后過篩，進行土壤酸性磷酸酶、有效磷、全磷等指標的測定。

1.3" 測定方法

土壤有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定；土壤全磷采用硫酸高氯酸消煮，鉬銻抗比色法測定；土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定。

1.4" 土壤宏基因組測定

1.4.1" 土壤DAN提取和宏基因組測序

稱取土樣0.5 g，使用E.Z.N.A Mag-Bind Soil DNA Kit試劑盒按照說明提取總群落基因組DNA，使用Qubit 4.0對基因組濃度進行精確定量，以確保文庫構建所加入的DNA總量。取500 ng DNA樣品進行宏基因組測序，采用Illumina NovaSeq 6000高通量測序平臺測序。

1.4.2" 宏基因組序列分析

對原始數據質量等信息進行統計，并使用Fastp對樣本的測序數據質量進行可視化評估；測得的原始數據使用Trimmonmatic進行過濾處理，默認參數值Q20，去除得分低于20的低質量序列，得到Clean數據。

1.4.3" 物種豐度分析方法

使用DIAMOND將基因集蛋白序列與Nr（NCBI non-redundant protein sequences）數據庫進行blastp同源性比對，得到功能注釋和同源物種信息，篩選條件：E-valelt;1e-5，Scoregt;60，同時根據NCBI的微生物分類學信息數據庫，獲得基因的物種注釋信息，并在不同水平上統計物種的相對豐度。

1.5" 數據處理

采用 Excel 2016做數據處理及線性關系圖，采用 spss20.0 等軟件進行數據顯著性分析，借助微科盟生科云平臺對微生物相關數據進行作圖。

2" 結果分析

2.1" 土壤磷素養分指標情況分析

土壤有效磷、全磷、有效磷與全磷比值、酸性磷酸酶等指標最小值、最大值、平均值、標準差和變異系數等情況見表1。由表1可知，169個土樣有效磷含量范圍在14.63～213.93 mg/kg，平均值為82.31 mg/kg，變異系數為49.69%；土壤全磷含量范圍在0.58～1.48 g/kg，平均值為1.03 g/kg，變異系數為19.13%；有效磷與全磷比值范圍在2.12%～9.44%，平均值為6.68%，變異系數為27.24%；酸性磷酸酶最小值為0.44 mg/kg，最大值為5.8 mg/kg，平均值為2.68 mg/kg，變異系數為34.99%。

2.2" 土壤酸性磷酸酶對磷素養分變化的響應

2.2.1" 土壤酸性磷酸酶與有效磷含量變化響應

土壤酸性磷酸酶與有效磷含量變化線性關系如圖1所示。由圖1可知，土壤有效磷的變化對酸性磷酸酶的影響較大。圖1（a）中，土壤有效磷含量變化范圍在14.63～82.71 mg/kg之間（平均值附近），酸性磷酸酶與有效磷呈現極顯著的正相關（Plt;0.001，n=95），線性相關系數R2為0.233 2；土壤有效磷含量變化范圍在14.63～97.99 mg/kg之間，酸性磷酸酶與有效磷依然呈現極顯著的正相關（Plt;0.01，n=117），線性相關系數如圖1（b）所示；當土壤有效磷含量變化從14.63 mg/kg到110.70 mg/kg時，酸性磷酸酶與有效磷依呈現顯著的正相關（Plt;0.05，n=127），如圖1（c）所示；當土壤有效磷含量變化從14.63 mg/kg到213.93 mg/kg時，酸性磷酸酶與有效磷相關性不顯著（n=169），如圖1（d）所示。

2.2.2" 土壤酸性磷酸酶對全磷含量變化的響應

土壤酸性磷酸酶與有全磷含量變化線性關系如圖2所示。由圖2（a）可知，土壤全磷含量變化范圍在0.58～1.03 g/kg之間（平均值），酸性磷酸酶與全磷相關性不顯著（n=91）；在圖2（b）中，土壤全磷含量變化范圍在0.58～1.48 g/kg之間，酸性磷酸酶與全磷也呈現不顯著相關性（n=169）；土壤全磷變化對酸性磷酸酶的影響較小。

2.2.3" 土壤酸性磷酸酶對有效磷/全磷比值變化的響應

土壤酸性磷酸酶與有效磷/全磷比值變化的線性關系如圖3所示。由圖3可知，土壤有效磷/全磷比值變化對酸性磷酸酶的影響較大。在圖3（a）中，土壤有效磷/全磷比值范圍在2.12%～6.75%（平均值附近）之間，酸性磷酸酶與土壤有效磷/全磷比值呈現極顯著的正相關（Plt;0.01，n=88），線性相關系數R2為0.100 5；土壤有效磷/全磷比值范圍在2.12%～7.51%之間，酸性磷酸酶與土壤有效磷/全磷比值依然呈現極顯著的正相關（Plt;0.01，n=97），線性相關系數如圖3（b）所示；當土壤有效磷/全磷比值從2.12%變化到12.88%時，酸性磷酸酶與土壤有效磷/全磷比值呈現顯著的正相關（Plt;0.05，n=133），如圖3（c）所示；當土壤有效磷/全磷比值從2.12%變化到17.33%時，酸性磷酸酶與有效磷/全磷比值相關性不顯著（n=169），如圖3（d）所示。

2.3" 土壤溶磷微生物對土壤磷素養分指標變化的響應

在微生物中，具有溶磷功能的主要有假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）等23個[11]。土壤磷素指標的變化與溶磷微生物的作用密不可分。土壤有效磷、全磷、酸性磷酸酶、有效磷/全磷比值等磷素指標與溶磷微生物23個屬的相關性如圖4所示。由圖4可知，土壤有效磷除與Chromobacterium、Arthrobacter等屬無顯著相關性外，與其他21個屬均呈現極限著的相關性（Plt;0.01），其中與Agrobacterium、Alternaria、Bradyrhizobium、Thiobacillus 4個屬呈現極顯著負相關，與Pseudomonas、Bacillus等17個屬呈現極顯著正相關；土壤有效磷/全磷比值和溶磷微生物屬的關系與有效磷表現出一致的相關性。土壤酸性磷酸酶與Thiobacillus、Alternaria呈現極顯著正相關性（Plt;0.01），與Bradyrhizobium、Chromobacterium、Agrobacter

ium 3個屬呈現顯著的正相關性（Plt;0.05），與Bacillus、Fusarium、 Acinetobacter、Serratia、Streptomyces、Salmonella和Talaromyces7個屬呈現顯著或者極顯著的負相關；土壤全磷與Serratia、Acinetobacter、Alternaria 3個屬無顯著相關性，與其他20個屬均表現出顯著（極顯著）的相關性（正或負）。

土壤磷素指標與溶磷微生物23個屬的RDA分析如圖5所示。由圖5可知，土壤4個磷素指標（有效磷、全磷、酸性磷酸酶和有效磷/全磷）對溶磷微生物屬變異的解釋量為94.60%，第一排序軸解釋了89.37%的變異量，第二排序軸解釋了5.23%。由土壤磷素指標與溶磷微生物屬RDA分析envfit函數擬合關系（表2）可知，有效磷、酸性磷酸酶、全磷和有效磷/全磷比值等4個磷素指標的相關系數（R2）分別為0.376、0.313、0.162和0.557，對土壤溶磷微生物屬的影響都達到極顯著的水平（Plt;0.000 5），影響次序依次為有效磷/全磷大于有效磷大于酸性磷酸酶大于全磷。

3" 討論與結論

3.1" 土壤酸性磷酸酶與有效磷變化的相關性

本研究中169個土樣有效磷、全磷、酸性磷酸酶含量范圍分別在14.63～213.93 mg/kg、0.58～1.48 g/kg、0.44～5.80 mg/kg，變異系數分別為49.69%、19.13%、34.99%；有效磷與全磷比值范圍在2.12%～9.44%，變異系數為27.24%。磷素養分變化范圍較大，樣品數量也較多，對該地區磷素養分變化的研究具有一定代表性。

酸性磷酸酶可以促進有機磷化合物上酯磷鍵的水解，轉化成相關的醇和無機磷[12]。本研究中，當土壤有效磷變化范圍在14.63～110.70 mg/kg之間與酸性磷酸酶有顯著正相關，當有效磷變化范圍在14.63～213.93 mg/kg時，二者相關性不顯著。這與王兵爽等[9]的研究一致。土壤酸性磷酸酶主要來自作物根系分泌[13] ，當土壤環境有效磷濃度較低時，植物根系為適應低磷環境促進酸性磷酸酶的分泌，土壤酸性磷酸酶含量增加[14]，此時土壤有效磷與酸性磷酸酶表現出顯著的一致相關性；當土壤環境中有效磷濃度較高時，可能抑制根系土壤磷酸酶的活性[15]，同時作物根系感受土壤磷脅迫的壓力較低[16]，隨著土壤環境磷濃度的增加，二者的相關性不再顯著。宋摯等[17]研究土壤有效磷在72.06～99.76 mg/kg之間與酸性磷酸酶呈現顯著正相關，Ma等[18]證實在富磷條件下，根系仍然可以激活酸性磷酸酶的分泌；本研究在有效磷變化較大范圍內（14.63～110.70 mg/kg）內都與土壤酸性磷酸酶呈顯著正相關。王子騰等[19]對國家生態系統觀測研究網絡科技資源服務系統的21個農業生態站點有效磷數據（2015年）分析表明，監測點有效磷最大值為84.07 mg/kg，遠低于試驗范圍值的110.70 mg/kg，因此土壤酸性磷酸酶可以在一定程度上作為作物反饋土壤環境磷素豐缺的重要指標。酸性磷酸酶與全磷變化的相關性表明，二者相關性不顯著，這與黃瑞靈等[20]的研究結果相同。土壤酸性磷酸酶對全磷的影響較小，這可能與全磷形態多樣化和磷轉化的復雜化有關[21]。

3.2" 土壤溶磷微生物群落結構與磷素指標變化的相關性

溶磷微生物在促進土壤磷素有效化過程中具有重要作用，是土壤磷素研究的熱點方向。通過溶磷微生物的作用，可以提高化學磷肥利用率，減少磷素累積，增加土壤有效磷含量和作物產量等[22]。土壤磷素養分的變化必然導致溶磷微生物群落的變化，本研究23個溶磷微生物屬有Pseudomonas、Bacillus等17個與有效磷變化呈現正相關，與全磷呈負相關，溶磷微生物屬與有效磷、全磷之間相反的相關性，在很大程度上說明溶磷微生物在磷素有效化中的積極作用。Agrobacterium、Bradyrhizobium、Thiobacillus 3個屬與有效磷變化呈顯著負相關，與全磷呈正相關，這3個屬微生物隨著土壤有效磷的增加其相對豐度呈現減少的趨勢，Agrobacterium、Bradyrhizobium、Thiobacillus 3個屬均屬于變形菌門，這3個屬與有效磷、全磷的相關性和其所屬的門類表現出一致性。

RDA相關性分析表明，土壤有效磷、全磷、酸性磷酸酶和有效磷/全磷比值等對溶磷微生物屬變異的解釋量為94.05%，土壤磷素養分變化對溶磷微生物影響較大，這與王敦剛等[6]的研究一致。在以上4個指標中，最能反應土壤磷素有效性的指標是有效磷/全磷比值，也稱磷活化系數[23]，它的高低反映土壤磷素供應水平。溶磷微生物可以將土壤中難溶態磷轉化為有效磷，對土壤磷活化系數可以產生直接的影響[24]。本研究中土壤有效磷/全磷比值與溶磷微生物屬的相關系數（R2）為0.557，遠高于其他3個指標，因此在溶磷微生物與土壤磷素相關性研究中，選擇有效磷/全磷比值作為磷素養分指標更具有實際意義。

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基金項目：2022年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202210667003）；安順學院校級科研項目（asxykyfb202302）

第一作者簡介：張永杰（2001-），男。研究方向為土壤功能微生物的應用。

*通信作者：喬志偉（1985-），男，博士，副教授。研究方向為土壤微生物。