長江中下游小麥產量、土壤酶活性及微生物群落結構對磷肥減施的響應

陳 露，王秀斌，朱瑞利，毛琳琳，孫靜文

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081）

磷是作物生長必需的大量營養元素。然而，在農業生態系統中磷的限制是一個全球性的問題[1]。為維持作物產量，在農業生產中常大量施用磷肥。但是大部分的磷素會被土壤吸附固定，無法被作物吸收利用，當季磷肥利用率只有10%～25%[2]，過低的磷肥利用率會導致土壤磷素的累積[3–4]。而當土壤中累積的磷素超過一定值時，會隨雨水或灌溉向水體移動，增加了水體富營養化風險[5]，同時也造成不可再生磷礦資源的浪費[6]。可見，合理減施磷肥對維持農田生態系統可持續發展和避免有限磷礦資源的浪費具有重要意義。

土壤酶在土壤養分循環中具有重要作用，是評價土壤質量的重要指標之一，其中磷酸酶在土壤磷循環過程中起著重要作用[7]。土壤有機磷占土壤總磷庫的30%～80%[8]，磷酸酶可以將有機磷礦化為有效磷。磷脂脂肪酸是所有生物細胞膜的重要組成部分，不僅作為微生物豐度和組成的生物指標，而且也是評價土壤質量的重要指標之一[9]。Samaddar等[10]在水稻土上研究表明，磷肥減施會顯著改變土壤微生物群落結構，而Shi等[11]在潮土上研究表明，磷肥減施并不影響土壤微生物群落結構。可見，磷肥減施對土壤微生物群落結構的影響存在不確定性。溶磷微生物廣泛分布于土壤，是一類能夠溶解土壤難溶磷、減少磷素固定的微生物類群，是廉價的、環保的土壤磷活化生物措施[12–13]。施用解磷菌劑可活化土壤難溶性磷，增加土壤有效磷含量，提高作物對磷肥的利用[14]。目前種肥同播技術在國內外也得到了廣泛的應用，可有效解決農戶對磷肥施用量把握不準的問題，提高磷肥利用率[15]。

作物產量先隨磷肥用量的增加而增加，但當超過一定量時，產量不再增加甚至減產[16-17]。馬琴等[18]研究發現，在陜西黑壚土上磷肥減施3年玉米產量均無顯著性差異，而土壤有效磷含量顯著降低。宋書會[19]的研究表明，在黑龍江黑土上磷肥減施5年，玉米產量均無顯著性差異，土壤有效磷含量從第三年開始顯著降低。小麥是我國三大糧食作物之一，長江流域是其主要生產區之一，其安全生產對保障我國糧食安全具有重要地位。王旭等[20]研究表明，與20世紀80年代初相比，長江中下游小麥磷肥農學效率下降了6.2%。陳善榮等[21]在2016—2019年分析長江流域的水質變化，發現總磷對長江流域水污染的貢獻率最大，且農業面源污染是河流中總磷主要來源之一。目前，關于種肥同播下磷肥減施對長江中下游地區土壤酶活性及微生物群落結構的影響研究相對較少。因此，本研究于2018年在湖北和浙江布置磷肥減施的田間試驗，研究種肥同播情況下磷肥減施對小麥產量、土壤化學性質、酶活性以及微生物群落結構的影響，為磷肥減施增效、保護農田生態環境提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗開始于2018年小麥季，試驗地位于湖北廣水市 (113°53′E、31°32′N) 和浙江平湖市 (121°14′E、30°38′N)。湖北廣水市地處亞熱帶濕潤季風氣候區，年均氣溫 15.5℃，年降雨量990 mm，無霜期約220天，年日照時數2083 h，供試土壤為黃壤，土壤質地為粘土，種植模式為小麥–水稻輪作，供試小麥品種為‘鄭麥1342’、水稻品種為‘晶兩優華占’。浙江平湖市地處亞熱帶濕潤季風氣候區，年均氣溫16.0℃，年降雨量1170 mm，無霜期約225天，年日照時數2000 h，供試土壤為黃斑田，土壤質地為粘壤土，種植模式為小麥–玉米輪作，供試小麥品種為‘揚麥20’、玉米品種為‘京科糯928’。試驗開始前湖北和浙江試驗基地0—20 cm土層土壤基礎理化性質如表1所示。

表 1 試驗基地0—20 cm土層基礎理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of 0–20 cm soil layer

1.2 試驗設計

本試驗采用隨機區組設計，3次重復，湖北廣水小區面積為20 m2，浙江平湖小區面積為40 m2，設置5個處理：不施磷肥對照 (CK)、習慣施磷量(FP)、80%習慣施磷量 (P80)、60%習慣施磷量(P60)、60%習慣施磷量+解磷菌劑 (PB60)。氮、磷、鉀肥品種分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀，解磷菌劑為江蘇納克生物工程公司生產，使用方法：將菌劑與清潔涼水1∶0.5混合，然后與種子拌勻，陰干后播種。小麥季種肥同播技術：按肥料用量將各種肥料稱好后均勻混合，采用溝施播種方式，一次性將所有肥料與麥種間隔埋入溝中，開溝深10 cm左右，溝寬7～10 cm，溝左側放入肥料，覆蓋約一半土，溝右側放種子，溝與溝的水平距離對應當地株距，氮磷鉀肥全部作為基肥一次性施用，不再追肥；水稻或玉米季施肥方式與當地一致。

在湖北小麥和水稻季，習慣施磷量均為P2O5150 kg/hm2，各處理氮、鉀肥施用量一樣，均為N 150 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。在小麥季，氮磷鉀肥作為基肥一次性施入；在水稻季，磷鉀肥一次性施入，氮肥80%用作基肥，20%用作穗肥。

在浙江小麥季，習慣施磷量為 P2O557 kg/hm2，各處理氮、鉀肥施用量一樣，均為N 190 kg/hm2，K2O 57 kg/hm2；在玉米季習慣施磷量為 P2O577 kg/hm2，各處理氮、鉀肥施用量為 N 159 kg/hm2、K2O 77 kg/hm2。所有氮磷鉀肥均作為基肥一次性施入。

1.3 樣品采集與分析

2019、2020年小麥成熟后對各小區進行測產，并于2020年小麥收獲時采集0—20 cm耕層土壤樣品。土壤樣品的基本理化性質參考《土壤農化分析》進行測定[22]。土壤微生物量磷采用氯仿熏蒸—NaHCO3浸提法提取測定[23]。土壤酶包括參與氮循環的乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶，參與磷循環的磷酸酶[24]，采用熒光微型板酶檢測技術進行測定[25]。磷脂脂肪酸 (PLFA) 采用 Wu 等[26]的方法進行測定，所得樣品通過氣相色譜儀 (Agilent 6890N，FID) 和MIDI微生物自動鑒定系統進行微生物PLFA 組成鑒定 (v4.5，MIDI Inc.，DE，USA)。以加入的內標 (19∶0) 為參考，計算 PLFAs濃度(nmol/g，dry soil)。每個樣品中PLFAs的豐度以mol%表示，通過之前已發表的PLFA生物標志物數據來分類[9,27]。細菌包括a13:0，i13:0，i14:0，i15:0，a15:0，i16:0，a17:0，i17:0，i18:0，14:1ω5c，16:1ω7c，17:1ω8c，18:1ω5c，18:1ω7c，20:1ω9c，22:1ω9c，cy19:0，20:1ω9c，14:0，16:0，17:0 和18:0；真菌包括18:1ω9c和18:2ω6c；叢枝菌根包括16:1ω5c。

1.4 數據統計分析

土壤磷活化系數 (phosphorus activation coefficient，PAC, %)=Olsen-P (mg/kg) / [全磷 (g/kg)×1000]×100[28]

利用Excel 2019對數據進行整理計算，采用Origin 2020b 進行基于Bray-Curtis距離非度量多維尺度分析 (non-metric multidimensional scaling，NMDS)及繪圖。采用SPSS 24.0進行方差分析，LSD最小顯著差數法進行多重比較。通過Canoco 5.0進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 小麥產量

從圖1可知，與FP處理相比，2019年湖北和浙江麥區CK處理小麥產量顯著降低，P80、P60和PB60處理無顯著差異；2020年湖北麥區CK、P80、P60和PB60處理的小麥產量分別顯著降低了63.95%、31.53%、21.51%和26.44%，浙江麥區P80和PB60處理的小麥產量無顯著差異，CK和P60處理顯著降低了9.76%和10.29%。同時發現，湖北麥區2019和2020年，PB60處理的小麥產量比P60顯著降低了13.80%和6.29%；浙江麥區2019年PB60處理的小麥產量與P60無顯著差異，2020年比P60顯著增產9.80%。

圖 1 磷肥減施對小麥產量的影響Fig.1 Wheat yield under different phosphorous application rates

2.2 土壤化學性質

由表2可知，與FP處理相比，磷肥減施對湖北和浙江麥區土壤pH、SOC、全氮以及速效鉀含量均無顯著性影響，但顯著增加了土壤NH4+-N含量，NO3–-N含量也有所增加。湖北麥區P80和P60處理NH4+-N含量分別提高61.18%和55.29%，NO3–-N含量分別提高18.11%和7.64%；浙江麥區P80和P60處理NH4+-N含量分別提高25.19%和22.22%，NO3–-N含量分別提高3.35%和3.88%。另外，在湖北和浙江麥區，與P60處理相比，PB60處理NH4+-N含量分別提高14.39%和5.45%；PB60處理NO3–-N含量分別提高24.54%和1.31%。

表2 小麥收獲后不同磷肥減施處理土壤理化性質Table 2 Physic-chemical properties of soils as affected by different phosphorous rates at wheat maturity

在湖北麥區種肥同播下，與FP處理相比，CK、P80和P60處理土壤全磷含量降低，其中CK和P60處理土壤全磷含量分別顯著降低16.67%和11.11%；與FP處理相比，CK、P80和P60處理土壤有效磷含量分別顯著降低70.21%、20.00%和38.84%；與FP處理相比，CK處理土壤MBP含量顯著降低40.57%，P80和P60處理土壤MBP含量分別增加37.46%和17.21%。在浙江麥區，種肥同播下，與FP處理相比，磷肥減施對土壤全磷含量無顯著性影響；與FP處理相比，P80處理土壤有效磷含量無顯著性差異，CK和P60處理土壤有效磷含量分別顯著降低38.72%和18.41%；與FP處理相比，種肥同播下P80和P60處理土壤MBP含量無顯著性差異，CK處理土壤MBP含量顯著降低55.86%。同時，可以發現，在湖北和浙江麥區，與P60處理相比，PB60處理的土壤有效磷含量分別顯著增加30.12%和27.58%，特別是浙江麥區PB60處理土壤有效磷含量與FP處理相當。而PB60處理的MBP含量較P60處理在湖北麥區顯著增加了23.32%，在浙江麥區無顯著性差異。

從圖2可知，在湖北和浙江麥區種肥同播下，與FP處理相比，CK、P60和P80處理均顯著降低土壤磷活化系數 (PAC)。與P60處理相比，PB60處理的PAC在湖北和浙江麥區分別顯著增加16.37%和22.98%。湖北麥區施磷處理的土壤磷活化系數高于浙江麥區。

圖 2 不同磷肥施用量下土壤磷活化系數Fig.2 Phosphorus activation coefficient of soil under different phosphorus application rates

2.3 土壤酶活性

圖3顯示，與FP處理相比，P80處理提高了乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶以及磷酸酶活性，在湖北麥區分別提高了13.22%、4.93%和1.37%，在浙江麥區分別提高了14.43%、175.42%和5.58%；P60處理提高了亮氨酸氨基肽酶活性，湖北和浙江麥區分別提高了15.78%和157.38%，降低了乙酰氨基葡萄糖苷酶活性，湖北和浙江麥區分別降低了17.16%和16.09%。與P60處理相比，湖北麥區PB60處理的土壤磷酸酶活性無顯著性差異，浙江麥區顯著提高了28.73%。

圖 3 小麥收獲期不同施磷處理土壤酶活性Fig.3 Soil enzyme activity as affected by different phosphorus application rates at wheat harvest stage

2.4 微生物群落組成

由表3可知，與FP處理相比，在湖北麥區CK、P80和P60處理的土壤總磷脂脂肪酸含量分別顯著降低了42.64%、21.23%和26.04%；而在浙江麥區CK處理與FP處理無顯著差異，P80和P60處理分別顯著提高了126.82%和290.23%。與P60相比，湖北麥區PB60處理的總磷脂脂肪酸含量顯著增加，而浙江麥區顯著降低。與FP處理相比，在湖北和浙江麥區CK、P80和P60處理的細菌相對豐度均無顯著性差異，真菌相對豐度顯著增加。與FP處理相比，在湖北麥區PB60處理的叢枝菌根的相對豐度無顯著差異，而在浙江麥區顯著提高了40.34%。與FP處理相比，CK、P80和P60處理均顯著降低了細菌與真菌的比值，在湖北麥區分別顯著降低了35.82%、26.44%和21.93%，在浙江麥區分別顯著降低了8.67%、7.86%和19.72%。

表 3 不同施磷處理土壤中總磷脂脂肪酸含量及微生物相對豐度Table 3 Total phospholipid fatty acid content and the relative abundance of microorganisms affected by different phosphorous application rates

NMDS分析 (圖4A和B) 顯示，磷肥減施顯著影響土壤微生物群落結構。通過冗余分析可知，在湖北麥區土壤MBP顯著影響了土壤微生物群落結構的變化 (F=4.1，P=0.002)，可解釋 24.1% 的群落結構變化 (圖4C)；浙江麥區土壤NH4+-N顯著影響了土壤微生物群落結構的變化 (F=6.8，P=0.002)，可解釋34.4%的群落結構變化 (圖4D)。

圖 4 土壤微生物群落組成的非度量多維尺度分析 (A和B) 及與土壤理化性質的冗余分析 (C和D)Fig.4 Non-metricmulti dimensional scaling (NMDS) of microbial community composition (A and B) and redundancy analysis with soil properties (C and D)

3 討論

磷是影響作物產量的重要營養元素之一。馮媛媛等[17]研究結果表明，在基礎土壤有效磷含量0～10和10～20 mg/kg條件下，小麥產量隨磷肥用量的增加呈直線上升趨勢，但0～10 mg/kg下的直線斜率大于 10～20 mg/kg 下，而土壤有效磷含量 > 20 mg/kg，小麥產量在磷肥用量達到一定水平后不再上升。孫慧敏等[29]研究發現，在初始有效磷含量為15.94和30.44 mg/kg的棕壤上，磷肥減施對小麥產量無顯著影響。本研究中，湖北麥區基礎有效磷含量較低，減少習慣施磷量的20%或40% (P80、P60)，第一年小麥產量與FP處理差異不顯著，第二年顯著低與FP處理；浙江麥區基礎有效磷含量相對較高，連續兩年減少20%的施磷量 (P80)，小麥均未減產，土壤基礎有效磷含量的差異可能是兩個麥區產量結果不同的原因[17,29]。吳良泉等[30]研究認為，長江流域小麥季的推薦施磷量為P2O570 kg/hm2。黃曉萌等[31]于2019年在長江流域布置共計50個試驗表明，農民習慣施磷量的80%為湖北和浙江麥區的推薦施磷量。在本研究中，湖北麥區農民習慣施磷量的 80% 是 P2O5120 kg/hm2，高于吳良泉等[30]推薦施磷量，而浙江麥區農民習慣施磷量的80%是P2O546 kg/hm2，低于吳良泉推薦施磷量。上述差異性結論主要是因為不同地區施磷量是基于目標產量、土壤有效磷含量及當地農民習慣施磷量進行調整而造成的[30]。在本研究中，湖北麥區的小麥產量要高于浙江麥區，黃曉萌[32]等調查了長江流域各省 (市) 小麥產量也得到類似研究結論，這可能與種植制度、土壤類型及氣候條件等有關[32-33]。

本試驗中，與習慣施磷量相比，連續2年不施磷和減施40%磷肥量 (CK、P60) 后，湖北麥區土壤全磷含量顯著下降，浙江麥區無顯著性變化，這可能與湖北土壤全磷含量相對較低有關。土壤有效磷含量反映了土壤的供磷能力，不施磷肥土壤的有效磷含量隨種植年限延長顯著降低[34-36]。陳磊等[37]在河北潮土上連續3年的試驗結果表明，減施20%～40%的磷肥用量會導致土壤有效磷含量的降低。本研究中，在湖北和浙江麥區，減少習慣施磷量的20%、40% (P80、P60) 也會降低土壤的有效磷含量。在湖北和浙江麥區，減少40%的習慣施磷量配施解磷菌劑 (PB60)，可顯著降低湖北麥區土壤有效磷含量的下降幅度，在浙江麥區則可避免土壤有效磷含量的下降，郜春花等[38]也有類似的報道，表明解磷菌劑在水旱輪作和旱旱輪作種植體系下均能活化土壤難溶性磷，增加土壤有效磷含量。土壤磷活化系數 (PAC) 表征土壤磷的供應能力，當 PAC > 2%時，土壤全磷的轉化率高，有機磷容量、供給強度較大[39]。本研究中所有施磷處理的土壤PAC > 2%，而不施磷處理的土壤PAC < 2%，表明湖北、浙江2個麥區只要有磷肥施入，就會提高土壤磷的供應能力。同時PAC受磷肥投入的影響，磷肥投入越大，PAC越大[40-41]。湖北麥區施磷土壤的PAC大于浙江麥區，這是因為湖北磷肥習慣施用量 (P2O5150 kg/hm2) 大于浙江習慣施用量 (P2O557 kg/hm2) 造成的。但是，PAC越大，磷的淋失風險也就越大。因此PAC也需要控制在一個合理的范圍內。

在本研究中，兩麥區不施磷處理的土壤有機碳、全氮、銨態氮以及硝態氮含量較習慣施磷量處理均無顯著性差異，而土壤有效磷和微生物量磷含量均顯著降低，Shi等[11]也發現在碳氮豐富而有效磷較低的情況的下，土壤微生物量磷主要受土壤有效磷含量的限制。本研究還發現，湖北麥區80%習慣施磷量處理土壤微生物量磷含量較習慣施磷量處理顯著增加，而浙江麥區差異不大，可能與土壤磷素平衡狀況相關。Liu等[42]研究顯示，在深灰色潛育土上，施用P2O540 kg/hm2時土壤微生物量磷含量最大，此時剛好處于磷平衡狀態。土壤酶是土壤氮、磷轉化的重要驅動因子，其活性是評價土壤質量和氮磷轉化能力的重要指標[43]。本研究發現，在湖北和浙江麥區，與習慣施磷量相比，80%和60%習慣施磷量處理均提高土壤銨態氮和硝態氮含量及參與氮循環的亮氨酸氨基肽酶活性，說明亮氨酸氨基肽酶活性對土壤銨態氮和硝態氮含量的變化具有正向調控作用。有研究表明，磷肥減施能促進土壤磷酸酶活性[44]，也有研究認為，磷肥減施對其活性沒有影響[45]或降低其活性[46]。本研究結果顯示，在湖北和浙江麥區，磷肥減施并沒有顯著影響土壤磷酸酶活性，與馬壘等[45]在安徽砂姜黑土上的研究結果相似。

磷脂脂肪酸被廣泛用于指示土壤微生物的生物標記。土壤磷脂脂肪酸總量能夠反映土壤總微生物量，施用氮肥、磷肥導致土壤理化性質變化進而影響土壤總微生物量，其中細菌、真菌等特征脂肪酸含量的響應特征受土壤磷水平的影響[47]。本研究結果顯示，在湖北麥區磷肥減施 (CK、P80和P60) 土壤總磷脂脂肪酸含量顯著下降，在浙江麥區磷肥減施提高了土壤總磷脂脂肪酸含量，可能由于湖北麥區基礎磷含量較低，磷肥減施后土壤磷含量顯著降低從而抑制了土壤微生物的生長[45]。叢枝菌根在植物根吸收土壤磷素過程中具有重要作用[48]。本研究中，在浙江麥區，與習慣施磷量 (FP) 相比，減少磷肥用量(P80和P60) 可增加土壤中的叢枝菌根相對豐度，配施解磷菌劑 (PB60) 后，叢枝菌根相對豐度的增加達到了顯著水平，促進了植物對土壤磷吸收，并且配施解磷菌劑 (PB60) 后可避免土壤有效磷含量下降，這也解釋了為什么浙江麥區2020年減施磷肥配施解磷菌劑處理能夠避免作物產量下降的原因。本研究中，在湖北、浙江兩麥區，與習慣施磷量相比，磷肥減施 (CK、P80和P60) 對細菌相對豐度無顯著性影響，而顯著提高真菌相對豐度，進而顯著降低細菌與真菌的比值，說明磷肥減施條件下有利于真菌的生長，這主要由于真菌偏好生存于低營養、有機物難分解環境；細菌偏好生存于營養豐富、有機物易分解環境[49]。目前微生物群落結構變化是否與磷肥施用相關也存在較大爭議，Shi等[11]研究表明，土壤微生物群落結構不受磷肥施用影響，而在本研究中微生物群落結構受磷肥施用的影響，與Wang等[50]在江蘇冬麥區的研究結果一致。根據資源配比理論，微生物群落結構隨著系統內潛在的生長限制資源的供應和比率的變化而變化[51]，本研究RDA分析也證實了這一觀點 (圖4)，在湖北麥區，土壤微生物量磷是影響微生物群落結構變化的主控因子；而在浙江麥區，土壤銨態氮是影響微生物群落結構變化的主控因子。

4 結論

在土壤有效磷含量含量較低的湖北麥區，磷肥減施后土壤有效磷含量顯著降低，在減施第二年出現減產，種肥同播下減量施磷的方法不宜推薦；在土壤有效磷含量較高的浙江麥區，減少20%的習慣施磷量對小麥產量和土壤有效磷含量均無不利影響，種肥同播下習慣施磷量80%是較為理想的施肥策略。此外，在湖北麥區，磷肥減施下施用解磷菌劑能減緩土壤有效磷下降幅度，但未減緩產量下降幅度；而在浙江麥區，施用解磷菌劑后土壤有效磷含量和小麥產量均能保持穩定。磷肥減施不會改變土壤磷酸酶活性，但顯著影響土壤微生物群落結構，增加了土壤真菌相對豐度以及降低了細菌/真菌比。在湖北麥區，土壤微生物量磷是影響微生物群落結構變化的主控因子；而在浙江麥區，土壤銨態氮是影響微生物群落結構變化的主控因子。