长期施用磷肥水稻土微生物量磷的季节变化特征与差异

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长期施用磷肥水稻土微生物量磷的季节变化特征与差异
刘凯1,2，刘佳3，陈晓芬3，李委涛1，江春玉1,2，吴萌1,2，樊剑波1，李忠佩1,2，刘明1,2

（1中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；2中国科学院大学，北京 100049；3江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌 330200）

摘要：【目的】研究长期不同施肥处理下，水稻不同生育时期土壤微生物量磷的动态变化与差异，揭示其变化特征与土壤磷素供应的关系。【方法】以长期试验小区为平台，设置对照（CK）、氮钾肥（NK）、氮磷肥（NP）、氮磷钾肥（NPK）等4个不同施肥处理，在水稻的分蘖期、孕穗期、灌浆期、完熟期分别采集0—20 cm土层土壤，测定土壤全磷、有效磷、微生物量磷和酸性磷酸酶活性。【结果】与不施磷肥处理（CK、NK）相比，施磷肥处理（NP、NPK）显著提高了土壤全磷和有效磷含量，增幅分别达88%—118%和337%—903%。不同施肥处理对微生物量磷具有显著影响，除分蘖期外，施磷肥处理（NP、NPK）微生物量磷含量显著高于不施磷肥处理（CK、NK），提高了103%—250%；微生物量磷的季节变化呈先上升后下降的趋势，在灌浆期达到最高。酸性磷酸酶活性以NK处理灌浆期最高，比CK高38%；同时，该处理微生物量磷的周转率最大，每个生育期内可循环1.31次。相关性分析表明，土壤微生物量磷与土壤全磷和有效磷显著正相关。【结论】微生物量磷随不同施肥处理和水稻生育时期变化规律明显，与土壤磷有效性密切相关。

关键词：长期施肥；磷肥；微生物量磷；水稻土；季节变化

0 引言
【研究意义】磷肥是农业生产中作物重要的磷素来源，然而磷肥当季利用率较低，我国目前主要粮食作物的磷肥利用率仅为7.3%—20.1%[1]。而微生物在驱动土壤磷素转化、循环及维持养分平衡的过程中起着重要作用[2]。通过微生物活动释放出的磷可提高土壤有效磷含量、增强土壤磷素供应能力[3-4]。微生物量磷周转速率快，是土壤有效磷的重要来源，可以反映出土壤磷素供应水平[5]。研究氮、磷、钾等肥料配施处理对磷肥有效性及土壤微生物量磷的季节变化特征和周转的影响，对于提高土壤潜在供磷能力具有重要的理论和实际意义。【前人研究进展】一般认为，施用磷肥会使微生物吸收同化更多的磷，从而导致微生物量磷含量升高；而当土壤中有效磷出现耗竭时，微生物体内的磷将被迫释放出来，并形成有效磷供作物吸收[6-7]。有研究表明，施用无机磷肥可提高潮土微生物量磷含量[8]。长期施用无机磷肥、有机肥或有机无机配施也能增加棕壤[9]、强淋溶土[10]以及红壤性水稻土[11-12]微生物量磷含量。陈安磊等[13]指出在施NP和NPK肥的基础上增施有机肥可显著提高土壤微生物量磷的含量，且随着NPK肥配合程度的提高，微生物量磷的提高量呈现上升趋势。但是也有研究结果表明单施氮肥降低了棕壤微生物量磷含量[6]；长期施磷降低了麦田土壤[14]和森林土壤[15]微生物量磷含量和磷酸酶活性。由此可见，不同施肥方式下土壤微生物量磷的变化较为复杂，目前研究结论并不一致。【本研究切入点】以往研究多关注长期施磷对土壤微生物量磷的影响，而关于氮、钾等肥料与磷肥配施条件下土壤微生物量磷季节变化及其潜在供磷能力尚不清楚。因此本研究以长期不同施肥处理定位试验为平台，以探明氮、磷、钾等肥料及其配施对水稻不同生育期内红壤性水稻土微生物量磷的变化及周转的影响为切入点展开研究。【拟解决的关键问题】明确长期不同施肥处理下，水稻不同生育时期土壤微生物量磷的动态变化和周转差异；阐明微生物量磷库容与周转对红壤水稻土潜在供磷能力的影响，为指导红壤合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验区概况
不同施肥处理长期试验小区位于江西省鹰潭市中国科学院红壤生态实验站（E 116°55′39″，N 28°12′27″）。该地区属于亚热带季风气候，水热资源充足，年均降雨量为1 795 mm，年均蒸发量1 318 mm，年均温17.6℃，每年3—6月降雨较集中，无霜期261 d。不同施肥处理长期试验开始于1990年，供试土壤发育自第四纪红黏土。长期试验小区作物轮作模式为水稻（Oryza sativa L.）-水稻（Oryza sativa L.），早稻于每年4月底5月初移栽，7月底收获，晚稻于7月底8月初移栽，11月初收获。

1.2 试验设计与样品采集
本试验设4个不同施肥处理，每个处理3次重复。各施肥处理分别为：（1）对照（CK，不施肥）；（2）化学氮钾肥（NK）；（3）化学氮磷肥（NP）；（4）化学氮磷钾肥（NPK）。其中，氮肥为尿素，钾肥为氯化钾，磷肥为钙镁磷肥，每季相应施用量为N 115 kg·hm-2，K2O 42 kg·hm-2，P2O5 68 kg·hm-2。其中，氮肥按照8﹕7的比例分为基肥和追肥两次施入，钾肥和磷肥一次性以基肥形式施入。小区面积为30 m2。

于2015年晚稻的分蘖期、孕穗期、灌浆期和完熟期进行采样，每个处理按五点法采集0—20 cm土层土样，新鲜样品混匀后，经适当晾干，挑去肉眼可见的细根等杂物，分成两部分，一部分自然风干、过筛后用于测定土壤全磷和有效磷含量；另一部分鲜样保存于4℃冰箱内，用于测定土壤微生物量磷含量和酸性磷酸酶活性。

1.3 测试方法
参照鲁如坤[16]方法对土壤理化指标进行分析测定。土壤全磷的测定采用酸溶-钼锑抗比色法；土壤有效磷的测定采用碳酸氢钠法（Olsen法）；酸性磷酸酶的测定采用对硝基苯磷酸盐法；土壤微生物量磷的测定采用氯仿熏蒸-浸提法。

1.4 数据处理与分析
表层土壤有效磷库计算公式如下：

APpool=AP/106×Weightsoil （1）

式中，APpool为有效磷库（kg·hm-2），AP为土壤速效磷含量（mg·kg-1），Weightsoil为每公顷表土质量，按2 250 000 kg·hm-2计算。

表层土壤微生物量磷库计算公式如下：

MBPpool=MBP/106×Weightsoil （2）

式中，MBPpool为微生物量磷库（kg·hm-2），MBP为土壤微生物量磷含量（mg·kg-1），Weightsoil为每公顷表土质量，按2 250 000 kg·hm-2计算。

根据微生物量磷的季节变化对微生物量磷的周转率[17-18]进行计算：

微生物量磷周转率=

width=139.25,height=26.6 （3）
微生物量磷周转量= MBPpool×周转率 （4）

采用Excel 2013进行试验数据计算和图表绘制。采用SPSS 21.0进行试验数据的统计分析，其中单因素方差分析（One-way ANOVA）用于不同施肥处理之间的差异，双因素方差分析（Two-way ANOVA）用于明确不同施肥处理、不同生育期及其交互作用对各指标的影响，各处理间差异显著性用Duncan法检验（P = 0.05）；相关性采用Pearson分析。

2 结果
2.1 土壤全磷、有效磷含量
土壤全磷含量0.29—0.64 g·kg-1，几乎不随水稻生育时期而变化；但施磷肥处理（NP、NPK）的土壤全磷含量显著高于不施磷肥处理（CK、NK），提高了88%—118%（图1-a，表1）。土壤有效磷含量1.65—15.39 mg·kg-1，也有相似的变化特征，不随水稻生育时期而变化，但施磷处理（NP、NPK）土壤显著高于不施磷处理（CK、NK），比CK提高了337%—903%（图1-b，表1）。

表1 不同施肥处理和不同生育时期对土壤全磷、有效磷、酸性磷酸酶和微生物量磷影响的主体间效应检验

Table 1 Inter-subject effect test of soil total phosphorus, available phosphorus, acid phosphatase and microbial biomass phosphorus in different fertilization treatments and growth periods


来源指的是施肥处理、生育时期等控制变量以及控制变量之间的交互作用。因变量指的是受到控制变量作用影响后而发生变化的变量

The source refers to the control variables such as fertilization treatment, growth period and the interaction among the control variables. Dependent variable refers to the variable that changes after being affected by the control variable

width=321.1,height=344.9
图中字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著，P=0.05，下同

In the figure, same letter means no significant difference, and different letter means significant difference, P=0.05. The same as below

图1 长期不同施肥处理下水稻各生育时期土壤全磷（a）和有效磷（b）变化

Fig. 1 Changes of total phosphorus (a) and available phosphorus (b) in the soils in different growth periods of rice under different long-term fertilization treatments

2.2 土壤微生物量磷和酸性磷酸酶活性
土壤微生物量磷含量3.04—44.01 mg·kg-1。在整个生育期内呈现先增长后下降的变化规律，在灌浆期达到最高（图2-a，表1）。除分蘖期外，施磷肥处理（NP、NPK）微生物量磷含量显著高于不施磷肥处理（CK、NK），提高了103%—250%（图2-a，表1）。土壤酸性磷酸酶活性在80.57—114.7mg·g-1·24h-1，其中在灌浆期NK处理酸性磷酸酶活性最高，比对照高38%（图2-b，表1）。

2.3 土壤微生物量磷的周转
根据公式（3）（4）对不同施肥处理下的土壤微生物量磷的周转率和周转量进行计算，结果表明，CK处理微生物量磷的周转率为0.59，即耕层土壤微生物量磷在整个水稻生长季内可循环0.59次，而NK、NP和NPK处理的微生物量磷的周转率分别为1.31、1.07和1.28（表2）。微生物量磷的周转量则以NPK处理最高，达到70.57 kg·hm-2，NP和NK处理次之，CK处理最低。微生物量磷库及其周转量均高于有效磷库。

2.4 相关性分析
Pearson相关性分析结果表明，长期不同施肥处理下水稻各生育时期微生物量磷含量与土壤全磷含量极显著正相关（r=0.424**），与有效磷含量显著正相关（r=0.353*）；土壤有效磷与土壤全磷含量极显著正相关（r=0.954**）。而酸性磷酸酶活性则与土壤全磷、有效磷和微生物量磷均无显著相关性。

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图2 长期不同施肥处理下水稻各生育时期土壤微生物量磷（a）和酸性磷酸酶活性（b）的变化

Fig. 2 Changes of microbial biomass phosphorus (a) and acid phosphatase activity (b) in the soils in different growth periods of rice under different long-term fertilization treatments

表2 不同施肥处理下土壤微生物量磷的周转

Table 2 Turnover of soil microbial biomass phosphorus under different fertilization treatments


3 讨论
3.1 不同施肥处理下土壤微生物量磷季节变化特征
由于微生物量磷周转速率快，是植物有效磷的重要来源，对土壤磷素养分转化和循环起重要作用[19-20]。本研究发现，在整个水稻生长季中，总体上施磷肥处理（NP、NPK）的土壤微生物量磷均显著高于不施磷肥处理（CK、NK）。该结果与前人研究结果相似[10-11,21]。即施磷后，微生物能够快速的吸收利用和同化土壤中的磷。微生物量磷也是土壤磷素供应水平动态反映的重要指标[15]，然而此前关于作物生育期内土壤微生物量磷的动态变化研究较少。本研究发现，水稻整个生育期内，微生物量磷逐渐升高，随后在完熟期下降。可能的原因是，随着水稻的生长，根系生长迅速，分泌物和脱落物增加，微生物生长迅速，导致了微生物量磷的增加，而生长后期，随着根系对养分吸收减缓，分泌物减少，最终又造成了微生物量磷的下降[22]。

土壤中有机磷的分解转化速率和磷素有效性都受到土壤磷酸酶活性的直接影响[23]。此前关于施磷对酸性磷酸酶活性影响的研究结果并不一致。有研究表明施用无机磷抑制磷酸酶活性[24]，但也有相反的研究报道[25]。本研究发现在水稻的孕穗期和灌浆期，NK处理土壤酸性磷酸酶活性明显高于其他处理。在上述两个水稻生长旺盛阶段，一方面，由于NK处理水稻植株生物量相对于CK处理较大，需磷量较高；另一方面，又因未施磷肥土壤磷素含量较低。为保证植物磷素供应，土壤中磷酸酶活性升高，从而分解转化土壤中难分解磷以供植株吸收[26-27]。

有研究表明，微生物量磷、磷酸酶活性与土壤全磷和有效磷密切相关[28-30]。本研究结果也表明，微生物量磷与土壤全磷和有效磷呈显著正相关，而磷酸酶活性与土壤全磷、有效磷没有明显相关性。因此，相较于磷酸酶活性指标，微生物量磷可能更能有效反映土壤磷素水平和供应特征。

3.2 长期不同施肥处理下微生物量磷的周转
微生物生长一方面可以同化利用磷素组建自身细胞成分，另一方面可以降解转化土壤中难溶性磷，从而调节土壤磷的矿化与固定过程[31]，在很大程度上能够反映土壤活性磷库的容量和周转强度[32]。一般认为，微生物量磷的年周转量是植物吸磷量的4—10倍[4,33]。本研究表明，微生物量磷库明显高于有效磷库，并且施磷处理（NP、NPK）微生物量磷库要高于缺磷处理（CK和NK）。然而从微生物量磷的周转率来看，虽然施磷处理可以促进微生物量磷的周转，但是NK处理周转率却最大，可能在长期没有磷素投入，土壤中磷素水平较低，但是作物生长需求又比较旺盛的情况下，微生物对磷的转化速度加快，为作物生长发育过程中利用磷素提供了一条有效途径，这一结果也与该处理下酸性磷酸酶活性最高相吻合[9]。

虽然微生物量磷不能被植物直接吸收利用，但是由于微生物量磷的周转能够缓慢释放无机磷，因此长期以来，其一直被认为是土壤中容易利用的有效磷组分，对于植物生长非常重要[34]。本文研究结果提示我们，不同施肥处理下，微生物量磷的库容和周转对于红壤性水稻土潜在供磷能力具有重要意义。未来，或可通过合理施肥，增加土壤微生物量磷库，提高其周转能力，从而改善红壤性水稻土潜在供磷能力。

4 结论
4.1 不同施肥处理下，红壤性水稻土微生物量磷在整个水稻生育期先升高后下降。施磷处理土壤微生物量磷显著高于不施磷处理。

4.2 土壤微生物量磷与全磷、有效磷密切相关；微生物量磷的库容和周转对于提高红壤性水稻土潜在供磷能力具有重要意义。

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Seasonal Variation and Differences of Microbial Biomass Phosphorus in Paddy Soils Under Long-Term Application of Phosphorus Fertilizer

LIU Kai1,2, LIU Jia3, CHEN XiaoFen3, LI WeiTao1, JIANG ChunYu1,2, WU Meng1,2, FAN JianBo1,2, LI ZhongPei1,2, LIU Ming1,2

(1Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences/State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Nanjing 210008; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049; 3Soil and Fertilizer & Resources and Environment Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences/ National Engineering & Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330200)

Abstract: 【Objective】The seasonal dynamics of microbial biomass phosphorus (MBP) in paddy soils under long-term different fertilization treatments were studied to reveal the relationship between the variation characteristics and soil phosphorus supply. 【Method】Taking the long-term experimental plot as a platform, four different fertilization treatments, including CK, NK, NP and NPK, were set up to collect 0-20 cm soil layer at tillering stage, booting stage, filling stage and full ripe stage of rice, respectively, and to determine soil total phosphorus (TP), available phosphorus (AP), acid phosphatase (ACP) activity and MBP.【Result】Compared with CK and NK treatments, NP and NPK treatments significantly increased the contents of TP and AP in soil, with an increase of 88%-118% and 337%-903%, respectively. MBP was significantly affected by fertilization treatment, and was significantly higher in phosphate fertilization treatment than in non-phosphate fertilization treatment, NP and NPK treatments increased 103%-250% in the whole growth period (except tillering stage) compared with CK and NK treatments; seasonal variation of MBP showed a trend of first increasing and then decreasing and reached the highest level in the filling stage of rice in all fertilization treatments. The activity of acid phosphatase in NK treatment was the highest at grain filling stage, 38% higher than that under CK. At the same time, the turnover rate of microbial biomass phosphorus under this treatment was the highest, which could be recycled 1.31 times in the whole growth period. The correlation analysis showed that soil microbial biomass P was positively correlated with soil total P and available P. 【Conclusion】The variation of microbial biomass phosphorus with different fertilization treatments and rice growth period was obvious, which was closely related to soil phosphorus availability.

Key words: long-term fertilization; phosphorus fertilizer; microbial biomass phosphorus; paddy soil; growth period

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doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.07.010

收稿日期：2019-06-13；

接受日期：2019-08-22

基金项目：国家重点研发计划（2018YFD0301104）、国家自然科学基金青年基金（41201242）、“一三五”计划和领域前沿项目（ISSASIP1642）

联系方式：刘凯，E-mail：kliu@issas.ac.cn。刘佳，E-mail：liujia422@126.com。刘凯和刘佳为同等贡献作者。通信作者刘明，E-mail：mliu@issas.ac.cn。通信作者李忠佩，E-mail：zhpli@issas.ac.cn

（责任编辑 李云霞）