不同改良材料對灌漠土微生物量磷及生物有效性的影響

譚雅茹，張育林，王旭東

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

土壤微生物參與土壤中C、N、P、K等元素的循環(huán)，對提高土壤養(yǎng)分有效性具有重要作用[1]。微生物量磷是土壤中重要的活性磷源，能反映土壤磷素肥力水平[2]。在某種意義上，微生物量磷所占比例越大，被土壤吸附固定的磷就越少，土壤磷活性越大[3]。由于受一定程度鹽漬化的影響，甘肅河西走廊地區(qū)土壤對水溶性磷的吸持和固定作用強(qiáng)烈，磷肥施用后，大部分速效磷被轉(zhuǎn)化為溶解度低的Ca-P形態(tài)[4]，導(dǎo)致其磷肥當(dāng)季利用率僅有10%～20%[5]。因此，提高土壤微生物磷量與提高河西地區(qū)鹽漬化土壤磷素有效性密切相關(guān)。毛文娟等[6]研究發(fā)現(xiàn)，施用硫磺粉能有效降低北方鹽堿土土壤的堿度和交換性鈉離子含量，改善了土壤物理結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)了鹽堿土的改良。El-Sayed等[7]研究表明，生物菌肥通過微生物生命代謝活動(dòng)，改善養(yǎng)分吸收狀況可改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤微生物數(shù)量。吳立鵬等[8]在濱海鹽漬化土壤連續(xù)兩年的定位試驗(yàn)表明，有機(jī)肥與磷肥合理配施能夠通過外加碳源促進(jìn)微生物生長繁殖，加強(qiáng)微生物對磷素形態(tài)的轉(zhuǎn)化利用。郭成藏等[9]對于長年連作棉田的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田條件下土壤微生物量磷含量隨著連作年限的延長呈逐漸增加的變化趨勢。目前，國內(nèi)外學(xué)者多從土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和土地利用方式等方面對土壤微生物生物量、微生物數(shù)量的影響進(jìn)行研究，而關(guān)于不同改良材料作用下土壤微生物量磷含量變化及其與土壤Olsen P、生物有效性之間關(guān)系的研究卻較少。由此，本文針對河西走廊具有一定程度鹽漬化的土壤，選擇4種不同改良材料(硫磺、生物菌肥、有機(jī)肥和秸稈)進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)，研究了4種改良材料不同添加比例對土壤微生物量磷的影響，最終為鹽漬土壤磷素高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土樣類型為灌漠土，2018年4月采自甘肅省金昌市永昌縣紅山窖鄉(xiāng)張家莊村(38°21′25″N，101°37′20″E)農(nóng)田，含鹽量為0.11%，屬輕度鹽漬化土[10]。采樣深度為土壤表層0～20 cm，土壤的基本理化性質(zhì)見表1。供試材料分別是硫磺粉(分析純，含S 99.5%)、生物菌肥(上海時(shí)科生物科技有限公司研制)、有機(jī)肥(寧夏新方向生物科技有限公司生產(chǎn))和小麥秸稈。其中，有機(jī)肥主要成分為：有機(jī)質(zhì)≥49%，N+P2O5+K2O≥5%；生物菌肥主要成分為：有機(jī)質(zhì)≥45%，氨基酸≥3%，腐殖酸≥6%，有效活菌數(shù)≥2.0 億·g-1。不同材料的全磷含量分別為：硫磺：0 g·kg-1；生物菌肥：0.19 g·kg-1；有機(jī)肥：3.3 g·kg-1；秸稈：0.37 g·kg-1。供試肥料為尿素(N 46%)。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

培養(yǎng)試驗(yàn)：稱取100 g過1 mm篩的風(fēng)干土樣置于培養(yǎng)盒中(盒底直徑5.4 cm，盒口直徑7.3 cm，斜高3.9 cm)，添加不同比例的硫磺粉(每100 g干土中添加改良材料的用量，用百分?jǐn)?shù)表示，S：0.05%、0.15%、0.45%，分別記為S0.05、S0.15、S0.45)、生物菌肥(B：0.25%、0.50%、1.00%，分別記為B0.25、B0.50、B1.00)、有機(jī)肥(OM：0.50%、1.00%、2.00%，分別記為OM0.50、OM1.00、OM2.00)、秸稈(WS：1.00%、2.00%、4.00%，分別記為WS1.00、WS2.00、WS4.00)。然后向土壤中加入100 mg·kg-1的P(KH2PO4)充分混勻，加蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量 的75%。同時(shí)設(shè)置對照(CK，不添加改良材料)。25℃下恒溫培養(yǎng)，培養(yǎng)盒蓋中央留一小孔，保證土壤微生物氧氣供應(yīng)。培養(yǎng)過程維持土壤含水量不變。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。在培養(yǎng)的第2、4、6、8、12、16、20、24、30天取樣，進(jìn)行微生物量磷和Olsen P的測定。

盆栽試驗(yàn)：小麥盆栽試驗(yàn)在光照溫室進(jìn)行(與培養(yǎng)試驗(yàn)保持相同溫度)。稱取過2 mm篩的風(fēng)干土2 kg裝入盆缽，分別添加不同比例的硫磺粉(S)、生物菌肥(B)、有機(jī)肥(OM)、秸稈(WS)(和培養(yǎng)試驗(yàn)添加比例相同)，加入KH2PO4(含P 22.75%)0.8791 g，尿素0.5434 g，混合均勻，加水使土壤含水量保持在田間持水量的75%。每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，種植小麥(隴春26號)，出苗后保留5株。小麥生長30 d后收獲，60℃烘干至恒重并測定植株含磷量。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì) 土壤pH采用電位法測定[11](雷磁PHS-3C pH計(jì)，上海)，土水比為1∶2.5；電導(dǎo)率采用電導(dǎo)法測定[12](雷磁DDS-307A電導(dǎo)率儀，上海)，土水比為1∶5；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[13]、土壤全氮采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定[13]、土壤全磷采用H2SO4-HClO4消煮，鉬銻抗比色法測定[13]。

1.3.2 小麥植株全磷、土壤Olsen P和微生物量磷 小麥植株全磷用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法測定[13]；土壤Olsen P(反映土壤磷素的有效性[14])用0.5 mol·L-1·NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定[13]；土壤微生物量磷采用土壤熏蒸提取法測定[15-16]。

微生物量磷的計(jì)算采用公式：

SMBp=(F-UF)/(Kp×R)

式中，F(xiàn)和UF分別為熏蒸和未熏蒸的土壤浸提液中的磷量(mg·kg-1)；Kp為微生物量磷系數(shù)，表示微生物量磷浸提測定比例，取0.4；R為所加入無機(jī)磷的回收率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 20和Excel 2013，LSD法比較處理間的差異顯著性，顯著性水平P<0.05。使用SigmaPlot 12.5軟件作圖及擬合。其中，0 d時(shí)的Olsen P值為試驗(yàn)前土壤Olsen P含量與試驗(yàn)中磷加入量(100 mg·kg-1)之和。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良材料對土壤微生物量磷的影響

不同改良材料對土壤微生物量磷影響程度不同。培養(yǎng)初期，各處理土壤微生物量磷均呈持續(xù)上升趨勢。和對照相比，在第2天添加改良材料的土壤增加幅度更大。不同處理土壤微生物量磷含量幾乎都在第16天左右達(dá)到最高值(圖1)，然后迅速降低并逐漸穩(wěn)定。30 d培養(yǎng)結(jié)束時(shí)各處理土壤的微生物量磷都高于原始含量且與培養(yǎng)起始階段(第2～4天)水平無顯著性差異。不同改良材料之間相比，生物菌肥處理微生物量磷的提高幅度更大。

注:S:硫磺粉；B:生物菌肥；OM:有機(jī)肥；WS:小麥秸稈。下同。Note: S: sulfur; B: biological fertilizer; OM: organic fertilizer; WS: wheat straw. The same below.

土壤微生物量磷隨4種改良材料添加量的增加而增加。培養(yǎng)16 d時(shí)，加入0.45%硫磺處理的土壤微生物量磷比對照增加了23.90%，比加入0.05%硫磺的土壤增加了10.67%。土壤微生物量磷對生物菌肥的施用比較敏感，隨生物菌肥添加比例的增加都有不同程度的提高。在培養(yǎng)的第30天，添加1.00%生物菌肥的土壤微生物量磷比對照增加了43.08%，比添加0.25%生物菌肥處理增加了27.64%；加入2.00%有機(jī)肥處理的土壤微生物量磷比對照增加了47.92%，較0.50%有機(jī)肥處理提高了28.02%；添加4.00%秸稈的土壤微生物量磷較加入1.00%秸稈處理顯著增加了22.61%(P<0.05)。

2.2 不同改良材料對土壤Olsen P的影響

土壤Olsen P是對土壤生物(包括微生物和植物)最有效的磷素形態(tài)。在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，單獨(dú)施用磷肥的對照處理土壤Olsen P含量呈現(xiàn)先急速下降后逐漸穩(wěn)定的趨勢，添加改良材料的各處理Olsen P含量的變化趨勢與對照一致(圖2)。在培養(yǎng)的第16天，S0.45、B1.00、OM2.00和WS4.00處理土壤Olsen P含量與對照之間差異性均不顯著，而其他處理低于對照(P<0.05)，且WS4.00處理顯著高于其他處理(P<0.05)。這可能與改良材料促進(jìn)Olsen P向微生物磷轉(zhuǎn)化有關(guān)。

圖2 不同培養(yǎng)時(shí)間下不同改良材料對土壤速效磷含量的影響

2.3 土壤微生物量磷與土壤Olsen P之間的相關(guān)性

在30 d培養(yǎng)周期內(nèi)，添加磷肥和改良材料土壤微生物量磷與土壤Olsen P呈拋物線關(guān)系(圖3)，其中生物菌肥處理下兩者相關(guān)性極顯著(P<0.01)。在一定濃度范圍內(nèi)(Olsen P約90 mg·kg-1)，微生物量磷隨著Olsen P濃度的增加而增加。添加硫磺、生物菌肥、有機(jī)肥和秸稈4種改良材料，拋物線對應(yīng)的微生物量磷最大值分別是40.04、47.53、45.24 mg·kg-1和44.26 mg·kg-1，此時(shí)對應(yīng)的Olsen P濃度分別是88.89、91.64、90.83 mg·kg-1和90.23 mg·kg-1。

圖3 添加不同改良材料土壤微生物量磷與速效磷之間的關(guān)系

2.4 土壤微生物量磷與小麥吸磷量的關(guān)系

為探討土壤微生物量磷與小麥吸磷量間的關(guān)系，對小麥植株吸磷量與培養(yǎng)16 d和30 d的土壤微生物量磷進(jìn)行相關(guān)分析(圖4，圖5)。由圖可以看出，小麥植株吸磷量與培養(yǎng)16 d、30 d的土壤微生物量磷之間均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。相比較而言，培養(yǎng)16 d的相關(guān)系數(shù)(R2)比培養(yǎng)30 d的小(秸稈處理除外)。

圖4 小麥吸磷量與培養(yǎng)16 d的土壤微生物量磷的關(guān)系

圖5 小麥吸磷量與培養(yǎng)30 d的土壤微生物量磷之間的關(guān)系

不同處理土壤微生物量磷與小麥吸磷量之間所得直線方程的斜率在16 d時(shí)以添加小麥秸稈的相對較大，說明此時(shí)該處理微生物磷對促進(jìn)磷素吸收的作用更大；在30 d時(shí)以添加硫磺的最大，反映了硫磺粉對微生物磷和小麥吸收磷方面的促進(jìn)作用。

3 討 論

3.1 不同改良材料作用下的土壤微生物量磷變化

土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力，它所含的養(yǎng)分是植物生長所需養(yǎng)分的一個(gè)重要來源[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，硫磺粉、生物菌肥、有機(jī)肥和小麥秸稈作用下的土壤微生物量磷均表現(xiàn)出初期持續(xù)上升的趨勢，并在第16天左右達(dá)到峰值然后降低并趨于穩(wěn)定。王巖等[18]研究表明，施用有機(jī)、無機(jī)肥后，土壤微生物量磷迅速增加隨后逐漸降低并基本保持穩(wěn)定。趙小蓉等[19]通過向石灰性土壤中加入磷和小麥秸稈培養(yǎng)90 d后發(fā)現(xiàn)，土壤微生物量磷含量在培養(yǎng)第20天達(dá)到最大值，與本研究結(jié)果有所不同。究其原因，可能與供試土壤類型和性質(zhì)不同有關(guān)。本研究和其他的研究結(jié)果均證實(shí)加入土壤的無機(jī)磷能夠迅速被土壤微生物吸收固定轉(zhuǎn)化為微生物量磷[20]，并以多聚磷酸鹽形式富集在微生物細(xì)胞體內(nèi)[21]，且微生物生物量越大，富集磷的能力越強(qiáng)，本試驗(yàn)中生物菌肥處理的微生物量磷含量較高就說明了這一點(diǎn)。

3.2 土壤微生物量磷與土壤Olsen P之間的關(guān)系

本試驗(yàn)結(jié)果表明，在30 d的培養(yǎng)周期內(nèi)，土壤微生物量磷呈現(xiàn)先上升后下降并逐步穩(wěn)定的趨勢，且顯著高于單獨(dú)添加磷肥的對照處理。無機(jī)磷肥的加入使土壤速效磷在培養(yǎng)初期急劇下降后逐漸穩(wěn)定，這是土壤對加入磷肥中水溶性磷的固定所引起的。培養(yǎng)前期土壤的速效磷高(固定的時(shí)間短)，而微生物量磷的形成需要一個(gè)微生物數(shù)量的增加過程，其值隨時(shí)間推移逐漸增加，但超過一定時(shí)間后(大約16 d左右)，微生物量磷又隨碳源等減少、微生物死亡而下降。因此在添加無機(jī)磷肥和改良材料的培養(yǎng)試驗(yàn)30 d期間，土壤速效磷與土壤微生物量磷表現(xiàn)為拋物線關(guān)系，這與來璐等[28]關(guān)于在潮土中加入無機(jī)磷，土壤有效磷與微生物量磷之間存在極顯著的拋物線關(guān)系的結(jié)果相似。Chauhan等[29]也證實(shí)土壤中有效磷含量對土壤微生物量磷有顯著影響。但也有不同的報(bào)道，如謝林花等[30]指出，石灰性土壤施磷和小麥秸稈后，土壤微生物磷與土壤速效磷之間呈極顯著正相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，土壤速效磷含量低于90 mg·kg-1時(shí)，土壤微生物量磷濃度隨速效磷提高而提高。

3.3 小麥植株吸磷量與土壤微生物量磷的關(guān)系

土壤微生物量磷關(guān)系到土壤磷素的供給和調(diào)節(jié)[31]，其植物有效性問題一直受到土壤工作者的重視。本研究結(jié)果表明，硫磺粉、生物菌肥、有機(jī)肥和秸稈處理的小麥植株吸磷量與培養(yǎng)16 d和30 d的土壤微生物量磷均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系。Ayaga等[32]報(bào)道，有機(jī)無機(jī)肥配合施用于低磷土壤，可以促進(jìn)生物循環(huán)，提高其有效性，從而提高植物對土壤和肥料磷的吸收。陳國潮等[33]研究表明，紅壤微生物量磷與黑麥草吸磷量之間的相關(guān)性達(dá)極顯著水平。

4 結(jié) 論

采用甘肅河西地區(qū)灌漠土添加不同改良材料對土壤微生物磷及其生物有效性的研究證明，與單獨(dú)添加磷肥的對照相比，硫磺、生物菌肥、有機(jī)肥和秸稈4種改良材料都能在一定程度上提高土壤微生物磷含量，且隨著改良材料用量的增加而增加，在第16天時(shí)土壤微生物磷含量達(dá)到最大，這在一定程度上減少了磷的物理化學(xué)固定，從而提高磷肥利用效率。土壤微生物量磷與土壤Olsen P之間存在顯著的拋物線關(guān)系，且小麥吸磷量與土壤微生物量磷(16 d和30 d)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。相比而言，生物菌肥較其他材料更能促進(jìn)土壤微生物磷增加，提高磷的生物有效性。