2023, Vol. 55
2. 砀山县农业农村局, 安徽宿州 235300;
3. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所, 合肥 230001
磷是一种重要的矿质营养元素，在植物生长发育、生理代谢以及维持产量等方面发挥着重要作用[1-2]。磷在土壤中移动性差，施入土壤中的磷肥极易被固定，导致磷肥利用效率低且土壤中磷的盈余量增加[3]。有研究表明，磷肥当季利用率仅为5% ~ 15%[4]。因此，充分挖掘土壤中固有磷的有效性，减少磷肥投入量，对降低土壤中磷的流失至关重要。
有机碳源可为土壤中解磷微生物生长提供能量，促进磷酸酶分泌，或与土壤中磷酸根竞争吸附位点，从而促进土壤累积态磷的释放[5-6]。已有研究表明，添加碳源可以影响磷转化过程和土壤磷有效性[7]。陈倩等[8]研究发现木质素能提高土壤中有效磷的含量。Zhang等[9]研究发现果糖也可以促进有机磷的矿化过程，进而提高磷的有效性。Wu等[10]研究结果显示，添加葡萄糖促进了缓效磷铝磷(A1-P)和铁磷(Fe-P)的活化，提高了土壤有效磷含量。而周文杰等[11]研究表明，培养60 d后葡萄糖和淀粉处理土壤微生物群落和功能存在显著差异。由此可以推测，不同碳源其化学结构和组成不同，被土壤微生物分解的速率和利用程度不同，对提高土壤磷有效性和促进其形态转化的效果也存在差异。目前，关于不同分子量碳源对提高土壤中磷有效性和作物磷吸收的影响缺乏系统的研究。
由此，本研究以安徽省典型砂姜黑土为供试土壤，以不同碳源作为供试材料，通过盆栽试验研究不同分子量碳源对砂姜黑土磷有效性以及玉米磷吸收的影响，以期为实现砂姜黑土“以碳调磷”，提高土壤磷素有效性提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土壤为砂姜黑土，取自安徽农业大学皖北综合试验站。土壤的基本理化性质为：pH 7.63，有机质13.47 g/kg，有效磷6.78 mg/kg，速效钾272.62 mg/kg，碱解氮76.73 mg/kg，全氮0.86 g/kg，全磷0.74 g/kg。土样自然风干后，研磨过5目筛备用。供试作物为玉米，品种为郑单958。
1.2 试验设计盆栽试验在安徽农业大学农萃园内进行，试验设置4个处理，分别为空白对照、果糖处理、蔗糖处理和纤维素处理，每个处理3个重复。试验时，取7 kg过5目筛土壤装于塑料盆，每盆的肥料供应量为：磷酸二氢钾2.15 g，尿素3.5 g，氯化钾1.4 g。根据碳磷比(C/P)为200添加碳源，将土壤、碳源和肥料充分混匀，加水使其含水量达到田间持水量的70% 后，进行播种。播种前，挑选大小均匀、无破损的玉米种子，放入10% 过氧化氢溶液中浸泡30 min消毒，再用去离子水反复冲洗干净后置于纯水浸润的滤纸上，于30℃培养箱内催芽，待出芽后进行播种。播种后，在玉米长至三叶期时间苗，每盆保留1株长势一致的幼苗。种植期间每隔2 d采用称重法浇水，保持土壤含水量恒定。分别在间苗0、3、7、15、30、60、90 d后采集土样，风干过筛后测定土壤中有效磷含量及相关指标；并在间苗90 d后采集地上部和地下部植株样品，将样品放入烘箱105 ℃杀青30 min，65 ℃下烘干至恒重，称量植株干重，后粉碎测定其磷含量。
1.3 测定指标与方法土壤pH的测定采用电位法(土水质量比1∶2.5)[12]；Olsen-P含量测定[13]采用0.5 mol/L NaHCO3浸提–钼锑抗比色法；无机磷的测定采用顾益初和蒋柏藩[14]的分级方法，包括NaHCO3溶性磷(Ca2-P)、NH4OAc溶性磷(Ca8-P)、NaOH-Na2CO3溶性磷(Fe-P)、NH4F溶性磷(Al-P)、闭蓄态磷(O-P)和H2SO4溶性磷(Ca10-P)；有机磷的测定采用Bowman和Cole[15]有机磷分级方法，包括活性有机磷(LOP)、中等活性有机磷(MLOP)、中稳定性有机磷(MROP)和高稳定性有机磷(HROP)。
土壤中可溶性有机碳(DOC)含量的测定[16]：称取10 g鲜土，装入盛有50 mL去离子水的100 mL塑料离心管中，室温下以200 r/min振荡浸提30 min，4 000 r/min离心10 min后过0.45 μm滤膜，利用总有机碳分析仪测定浸提液中有机碳含量。土壤交换性钙含量的测定采用1 mol/L乙酸铵交换–原子吸收分光光度法[17]。
土壤磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠比色法[18]：取10 g风干土，置于100 mL容量瓶中，加入1.5 mL甲苯，轻摇15 min后加入磷酸苯二钠溶液10 mL，以及相应缓冲液10 mL，其中，酸性磷酸酶(ACP)用pH 5.0的醋酸缓冲液，中性磷酸酶(NP)用pH 7.0的柠檬酸缓冲液，碱性磷酸酶(ALP)用pH 10.0的硼酸缓冲液，摇匀后37 ℃培养24 h，测定磷酸酶活性。
植株全磷含量的测定：采用浓硫酸–双氧水法消煮，钼黄显色法测定。
1.4 数据分析植株磷吸收量(mg/plant)=植株干物质量(g/plant)×植株磷含量(mg/g)
数据分析采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析，采用Duncan多重比较分析组间差异(P < 0.05)，利用Excel 2021软件进行作图。
2 结果与分析 2.1 不同分子量碳源对土壤Olsen-P含量动态变化的影响添加不同分子量碳源后，土壤Olsen-P含量随时间的变化先增加后降低(图 1)，其中在玉米间苗种植7 d后果糖处理达到最大值，15 d后纤维素处理达到最大值；90 d后纤维素处理的土壤Olsen-P含量显著高于其他处理(P < 0.05)，较对照、果糖和蔗糖处理分别提高了79.74%、54.03% 和30.03%。90 d后，与对照相比，果糖处理显著增加了16.69%，蔗糖处理和对照处理之间没有显著差异(P > 0.05)。
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图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05)，下同 图 1 不同分子量碳源处理下土壤Olsen-P含量变化 Fig. 1 Changes of soil Olsen-P content under carbon sources with different molecular weights |
玉米间苗种植90 d后，纤维素处理玉米植株干物质量显著高于对照、果糖和蔗糖处理(P < 0.05)，分别提高了14.02%、11.40% 和12.01%，且对照、果糖和蔗糖处理之间无显著差异(图 2A)。添加碳源的处理玉米磷含量显著高于对照处理(图 2B)。玉米磷吸收量变化趋势与干物质量一致，纤维素处理较对照、果糖和蔗糖处理分别增加了46.20%、19.05% 和19.28%(图 2C)。
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图 2 不同分子量碳源处理下玉米干物质量(A)、磷含量(B)及磷吸收量(C) Fig. 2 Dry matter mass (A), P contents (B) and P uptakes (C) of corns under carbon sources with different molecular weights |
玉米间苗种植90 d后，与对照处理相比较，添加碳源处理显著提高了土壤Ca8-P含量(P < 0.05)，减少了土壤Fe-P和Ca10-P含量(图 3A)。相对于果糖和蔗糖处理，纤维素处理土壤Ca2-P和Ca8-P含量显著增加(P < 0.05)，Fe-P含量显著降低(P < 0.05)，其中Ca2-P含量分别增加了20.57% 和24.96%。由图 3B可以看出，与对照处理相比较，纤维素处理下Ca2-P和Ca8-P含量的增加主要来自于Fe-P和Ca10-P的转化。
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图 3 不同分子量碳源处理下土壤各形态无机磷含量(A)及其占比(B) Fig. 3 Contents (A) and proportions (B) of soil inorganic P fractions under carbon sources with different molecular weights |
玉米间苗种植90 d后，与对照、果糖和蔗糖处理相比较，纤维素处理土壤LOP和MLOP含量显著增加(P < 0.05)，但MROP含量显著降低(P < 0.05)，而HROP含量则与果糖和蔗糖处理无显著差异，但显著低于对照(P < 0.05，图 4A)。纤维素处理下LOP含量较对照、果糖和蔗糖处理显著提高了165.13%、54.23% 和45.42%(P < 0.05)。由图 4B可以看出，与对照、果糖和蔗糖处理相比较，纤维素处理LOP和MLOP含量的增加来自于MROP的转化。
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图 4 不同分子量碳源处理下土壤各形态有机磷含量(A)及其占比(B) Fig. 4 Contents (A) and proportions (B) of soil organic P fractions under carbon sources with different molecular weights |
玉米间苗种植90 d后，纤维素处理土壤pH显著低于其他处理(P < 0.05)，相较于对照、果糖和蔗糖处理，分别降低了4.13%、2.04% 和3.36%；果糖处理则显著低于对照和蔗糖处理，分别减少了2.13% 和1.34%；而对照和蔗糖处理之间无显著差异(图 5)。
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图 5 不同分子量碳源处理下土壤pH变化 Fig. 5 Changes of soil pH under carbon sources with different molecular weights |
在玉米种植期内，土壤中DOC含量随时间变化先增加后降低，其中果糖处理在玉米间苗3 d后达到最大值，蔗糖处理在7 d后达到最大值，纤维素处理在15 d后达到最大值(图 6A)。玉米间苗种植90 d后，纤维素处理下土壤DOC含量显著高于其他处理(P < 0.05)，较对照、果糖和蔗糖处理分别增加了303.70%、175.95% 和100.00%，但对照、果糖和蔗糖处理之间无显著差异；而纤维素处理土壤可交换性钙含量显著降低，相较于对照、果糖和蔗糖处理，分别减少了58.46%、46.95% 和46.07%，而对照、果糖和蔗糖处理之间无显著差异(图 6B)。
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图 6 不同分子量碳源处理下土壤DOC(A)和交换性钙含量变化(B) Fig. 6 Changes of soil DOC (A) and exchangeable calcium (B) under carbon sources with different molecular weights |
如图 7所示，玉米间苗种植90 d后，添加碳源处理土壤碱性磷酸酶活性显著高于对照处理(P < 0.05)。其中，纤维素处理碱性磷酸酶活性最高，相较于对照、果糖和蔗糖处理分别增加了37.26%、17.34% 和26.68%，而果糖和蔗糖处理之间无显著差异。纤维素处理土壤酸性磷酸酶和中性磷酸酶活性显著高于其他处理(P < 0.05)，但对照、果糖和蔗糖处理之间无显著差异。
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图 7 不同分子量碳源处理下土壤磷酸酶活性 Fig. 7 Soil phosphatase activities under carbon sources with different molecular weights |
本研究结果显示，不同分子量碳源处理下，土壤Olsen-P含量随时间变化规律存在显著差异。在玉米间苗种植前7 d，果糖处理土壤Olsen-P含量最高(图 1)，这可能是由于果糖是单糖，可直接作为微生物吸收利用的碳源，提高了微生物的解磷能力[19]；而7 d后，果糖处理土壤Olsen-P含量逐渐降低，这与Huang等[20]研究结果一致，其也发现在培养后期葡萄糖处理土壤Olsen-P含量下降。另外，间苗种植15 d后，与其他处理相比较，纤维素处理土壤Olsen-P含量最高，这主要是因为纤维素是高分子化合物，需要先降解成单糖后才可被利用[21]，因此纤维素处理下土壤Olsen-P含量的增加在种植后期更加显著。
本研究中，玉米间苗种植90 d后，对照、果糖和蔗糖处理之间土壤Ca2-P含量无显著差异，相对于对照，纤维素处理土壤Ca2-P和Ca8-P含量显著增加，Fe-P和Ca10-P含量显著降低(图 3)。纤维素处理促进Ca2-P和Ca8-P含量显著增加与土壤性质的变化有关。首先，相比于对照，纤维素处理使土壤pH降低了0.31个单位(图 5)。已有研究表明，碱性土壤pH降低会导致磷酸钙增溶的增加[22]，从而促进Ca2-P含量的增加。Huang等[20]研究表明半纤维素可以通过影响微生物的代谢降低土壤pH。其次，纤维素处理下土壤DOC含量显著增加，相较于对照提高了303.70%(图 6A)。而DOC可通过配位交换等方式与土壤矿物吸附位点结合以及与铁铝氧化物络合[23-24]，与磷酸根竞争吸附位点，提高土壤磷有效性。有研究表明，无论在红壤上还是在潮土上，DOC都明显降低土壤对磷的吸附，对土壤本身固有的磷也存在明显的解吸作用[25]。而纤维素降解产生的DOC含量随时间的变化逐渐高于果糖和蔗糖。最后，纤维素处理显著降低了土壤交换性钙含量(图 6B)。纤维素是一种高分子物质，含各种官能团如羟基、羧基、甲氧基和酚基[26]，这些官能团较高的阳离子代换量对钙有很强的吸附性能，可降低交换性钙含量[27]，而交换性钙对磷酸根离子的结合能力强，降低了交换性钙含量，从而提高了土壤磷素有效性[28]。
本研究结果显示，玉米间苗种植90 d后，与对照、果糖和蔗糖处理相比，纤维素处理显著增加了土壤LOP和MLOP含量，其中LOP含量分别提高了165.13%、54.23% 和45.42%，MLOP含量提高了60.54%，39.42% 和30.77%，并显著降低了MROP含量(图 4)。这与纤维素处理下较高的磷酸酶活性有关，尤其是土壤碱性磷酸酶活性的提高，能够加速有机磷的矿化[29]。本研究中，纤维素处理下土壤磷酸酶活性显著高于其他处理，其中碱性磷酸酶活性最高，可促进土壤中有机磷的转化。Sun等[30]研究结果也显示在旱地土壤中纤维素可以显著提高土壤中磷酸酶活性。同时，本研究中，90 d后纤维素处理下土壤DOC含量显著高于对照、果糖和蔗糖处理(图 6A)。有研究显示，DOC是土壤微生物可直接利用的有机碳源，可为微生物生长提供能源物质[31]，而解磷微生物可以通过分泌磷酸酶、植酸酶等胞外酶实现有机磷的矿化[32]，DOC可以促进解磷微生物的生长，从而提高土壤磷素有效性。
玉米磷吸收量与土壤有效磷水平密切相关[33]。本研究中，玉米间苗种植90 d后，相比于对照、果糖和蔗糖处理，纤维素处理下玉米磷吸收量显著增加了46.20%、19.05% 和19.28%，而果糖和蔗糖处理之间没有显著差异(图 2C)。这是因为一方面纤维素处理下玉米干物质量和磷含量显著高于其他处理，另一方面纤维素处理土壤Olsen-P含量相较于对照、果糖和蔗糖处理显著增加。刘宏元等[34]研究显示改性纤维素可以提高土壤有效磷含量和作物生物量。邢磊等[35]研究表明纤维素对作物株高和地上部分生物量积累有促进作用，可以促进作物对养分的吸收。
4 结论添加纤维素有利于砂姜黑土磷有效性的提升，土壤Olsen-P含量较对照、果糖和蔗糖处理分别提高了79.74%、54.03% 和30.03%。纤维素促进了土壤中Ca10-P和Fe-P向Ca2-P和Ca8-P的转化，中稳定性有机磷(MROP)和高稳定性有机磷(HROP)向中等活性有机磷(MLOP)和活性有机磷(LOP)的转化，且其对玉米生长和磷吸收的促进作用显著强于果糖和蔗糖。因此，从整个培养期看，与低分子量碳源(果糖和蔗糖)相比，高分子量碳源(纤维素)更有利于砂姜黑土固有磷素高效利用。
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