水田施用磷肥对土壤氮库活性及周转特性的影响

孙星照，沈建国，王 忠，李 霞，张志剑,3*

(1.浙江大学环境与资源学院 环境与健康研究所，浙江 杭州 310058； 2.余杭区农业科学研究所，浙江 杭州 311113；3.杭州谷胜农业科技有限公司，浙江 杭州 311108)

水田施用磷肥对土壤氮库活性及周转特性的影响

孙星照1，沈建国2，王 忠2，李 霞1，张志剑1,3*

(1.浙江大学环境与资源学院 环境与健康研究所，浙江 杭州 310058； 2.余杭区农业科学研究所，浙江 杭州 311113；3.杭州谷胜农业科技有限公司，浙江 杭州 311108)

以2005年开始的水田长期定位试验为载体，设计4个施磷水平，以P计分别为0(P-0)、30(P-30)、60(P-60)和90 kg·hm-2(P-90)，研究水田施用磷肥对土壤氮库活性及周转特性的动态影响。结果表明，随施用磷肥水平的增加，土壤总氮(TN)含量和微生物量氮(MBN)含量显著(P<0.05)增加，且均在P-60施磷水平处达到最高值；涉氮生态酶，如N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)的活性，随施磷水平的增加而降低，最高下降率达26%；与土壤氮库矿化相关的硝化、氨化和总氮矿化指标含量均在施磷处理下呈极显著(P<0.01)提高，并于P-60施磷处理下达到最高值。在各施磷水平处理下，土壤涉磷生化指标与土壤全氮、微生物量氮和涉氮生态酶活性呈现显著相关性，说明水田施用磷肥显著影响土壤氮素状况，每年60 kg·hm-2的施磷量对提高土壤氮库活性及周转特性效果最佳。

水田； 长期定位试验； 梯度施磷； 土壤氮库； 周转特性

施用磷肥是确保水稻产量和提高土壤肥力的主要措施之一，但不合理的施用也会造成土壤营养元素的失衡[1-2]，影响植株对土壤养分的吸收[3-4]。土壤氮素养分作为评价土壤肥力的重要指标，其在土壤中的分布规律、形态转化和在各种影响因素作用下的反应机理一直是土壤学研究的热点。近年来，已经有部分研究报道了不同施肥措施下土壤中氮素养分的分布规律[5-6]，以及各种施肥措施对土壤氮素组分[7-8]、累积[9-10]和活性[11]的影响，但有关磷肥对土壤氮库活性及周转特性影响的研究不多，且各试验条件差异较大，因此，需要从施磷的角度作进一步探索，以充实土壤氮库的相关研究。为此，本研究拟以自2005年建立的水田长期定位试验为载体，探索不同施磷水平下水田耕土层中氮素含量、生态酶(ecoenzymatic)[12]活性以及矿化速率的变化规律，以揭示水田施用磷肥对土壤氮库活性及周转特性的影响，为科学施用磷肥及土壤氮素管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 处理设计

长期定位试验地位于杭州市余杭区长岗农场永建分场(30°18′51.84″N，119°54′13.37″E)，气候类型属于亚热带季风气候，年平均气温15.9～17.0 ℃，年降水量1 380 mm，其中，6—7月为梅雨季节。供试土壤类型为冲积型水稻土。该地区常规施磷量为(40±10)kg·hm-2(以P计，下同)。

试验采用完全随机区组设计，磷肥采用过磷酸钙，设4个施磷水平处理，即0、30、60和90 kg·hm-2，依次记为P-0、P-30、P-60、P-90。每处理重复3次。整个试验区每年施170 kg·hm-2尿素和50 kg·hm-2氯化钾作为常规肥。试验期2 a，水稻分别于2013年6月初和2014年6月初种植，并于同年11月中旬收获，在水稻种植半个月后施入过磷酸钙，并人工翻入表层耕土中，水稻生长期间不再追施磷肥。

1.2 样品采集与分析

土壤样品分别于2013年5月、2013年8月、2013年11月和2014年5月、2014年11月采集。每个施磷水平的样品按“S”形线路随机采集耕土层0～20 cm的5个点的土壤进行混合，其中一部分过2 mm筛的新鲜土样放置在4 ℃冰箱内用于土壤矿化速率和生物学指标的检测，另一部分土样风干后分别过60目和100目筛，用于土壤理化指标分析。

土壤涉磷生态酶酸性磷酸酶(acid phosphatase，AP)和涉氮生态酶N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(β-1, 4-N-acetyl-glucosaminidase，NAG)、亮氨酸氨基肽酶(leucine aminopeptidase，LAP)的活性采用微平板-荧光比色法测定，所用基质分别为4-MUB-N-acetyl-β-D-glucosaminide、L-Leucine-7-amino-4-methylcoumarin、4-MUB-phospate，酶活性计算采用Sinsabaugh等[12]和DeForest[15]的方法。

1.3 数据处理

试验数据采用Origin 8.0与Excel 2013进行计算及统计分析，采用SPSS 15.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 涉磷指标分析

2.1.1 土壤总磷与速效磷

如图1所示，在整个采样期中，各采样期的土壤TP含量均表现为随施用磷肥水平的提高而显著(P<0.05)上升。在2013年5月第1次采样中，各处理组TP含量与对照组(P-0)相比分别提高了16%、35%和75%。由于同年6月底施入磷肥和常规肥，在8月第2次采样中，各处理组TP含量均较5月份有所上升，但对照组P-0较首次下降了4%左右。2013年11月采样中，各处理组TP含量与8月相比均有大幅下降，降率为22%～36%，这可能是期间水稻的生长吸收大量磷素所致，但全组TP含量仍保持随施磷水平的增加而上升的趋势。2014年的2次采样中，TP含量的变化趋势同2013年。纵观整个采样期，对照组(P-0)的TP含量处于一直下降的趋势，到2014年11月，P-0的TP含量已较首次采样时下降了45%，这说明长期施用磷肥对提高土壤磷库的累积效应具有明显作用。

图1 各处理土壤全磷含量的变化

由图2可知，土壤Olsen-P含量的变化趋势同TP基本保持一致，均随施用磷肥水平的提高而显著(P<0.05)上升。纵观整个采样期，各采样期间P-0的Olsen-P含量差异不大，由0.13 mmol·kg-1降至0.08 mmol·kg-1，期间下降最快的时期处于2013年5—8月，下降了0.03 mmol·kg-1，之后每次下降均保持在0.01 mmol·kg-1左右，这与颜晓等[16]和曲均峰等[17]长期定位试验的结果一致。土壤速效磷含量基本不受土壤磷素表观平衡的控制，在不施用磷肥和长期连续种植作物的处理中，土壤速效磷含量开始会快速下降，但降至某一水平后会基本保持稳定。

图2 各处理土壤速效磷含量的变化

2.1.2 土壤生物量磷

MBP作为土壤有机磷组分中最活跃的部分，周转速率快，更易被矿化为植物有效磷，从而迅速参与土壤中的养分循环。由图3可知，随采样时间的推移，MBP含量的总体变化趋势为先增加后降低，于2013年8月达到最高值，此时，P-30、P-60、P-90相较于对照组(P-0)的MBP含量分别增加了27%、57%、77%。这主要是由于在2013年6月有1次磷肥和常规肥的添加，以及夏季温度升高提高了土壤微生物的活性所致。在整个采样期中，除2014年2次采样中P-60和P-90处理间差异未达到显著水平外，其余采样期的各处理间MBP含量随施磷水平的增加均显著(P<0.05)增加。

图3 各处理土壤微生物量磷含量的变化

2.1.3 土壤涉磷生态酶活性

由图4可知，随采样时间推移，酸性磷酸酶(AP)活性的变化趋势表现为先增加后降低，于2013年8月达到最高值。但在每个采样期内，AP活性随施磷水平的增加而显著(P<0.05)降低。在2013年5月第1次采样中，各处理组AP活性与对照组(P-0)相比分别降低了10%、16%和29%，这表明随施用磷肥水平的增加，AP活性呈下降趋势。作为在土壤磷受限环境下将有机磷转化为无机磷的重要磷素转化酶，在施用磷肥提高了土壤速效磷含量以致土壤微生物和生长植物的磷限制效应得到缓解后，AP的活性降低，这与王飞祥等[18]的研究结果一致。

图4 各处理酸性磷酸酶活性的变化

2.2 施用磷肥对土壤氮库组分的影响

2.2.1 土壤全氮

如图5所示，在2013年5月首次采样中，各处理组TN含量随施磷水平的增加而增加，与对照组(P-0)相比分别增加3%、8%和13%。2013年8月采样时，全组TN含量均低于首次采样，除P-60和P-90间无显著差异外，施磷水平的增加显著(P<0.05)增加了土壤TN含量，这表明施磷水平的增加可有效促进土壤总氮的积累。2013年11月与2014年11月的TN变化趋势一致，2组TN含量分别为2013年和2014年的最低值，这可能是因为同年6月播种的水稻生长吸收了土壤中大量氮素所致。2013年11月与2014年11月的采样结果显示，与对照组(P-0)相比，P-60和P-90的TN含量增加，并在P-60处达到最高值，但P-30的TN含量降低了。这可能是因为随着施磷水平的增加，受磷素积累刺激的土壤微生物分解土壤中的腐殖质而产生大量外源氮素，故P-60和P-90处理下土壤氮素表现为大量积累，但较P-60更高的施磷水平(P-90)可能会导致土壤氮素的损失。

图5 各处理土壤全氮含量的变化

2.2.2 土壤微生物量氮

如图6所示，MBN含量随采样时间推移总体呈先增加后降低的趋势，但在每个采样期内，施磷水平增加，土壤MBN含量相较对照组(P-0)显著(P<0.05)增加。2013年5月首次采样中，各施磷处理组MBN含量与对照组相比分别增加了14%、28%和50%。2013年8月采样时，全组MBN含量均高于首次采样，也是整个采样期内的最高值，这可能与夏季高温可提高土壤微生物活性相关[19]。后3次采样的土壤MBN变化趋势均与8月保持一致，组内表现为先增加后降低，并均于P-60处达到最高值，这与土壤TN的变化趋势相似。可以看出，P-60的施磷处理对提高土壤MBN含量最有效。

图6 各处理土壤微生物量氮含量的变化

2.2.3 土壤涉氮生态酶活性

N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)都是与土壤中氮素代谢转化相关的生态酶，NAG可降解土壤腐殖质中几丁质和肽聚糖，LAP可水解蛋白质和氨基酸，两者活性可由NAG+LAP来表示[12]。如图7所示，在整个采样期中，随时间推移，NAG+LAP活性的变化趋势为先增加后降低，同MBN含量的时间变化趋势一致。在2013年5月首次采样中，随施磷水平的增加，NAG+LAP活性呈现下降趋势，但仅有P-90处理与对照组(P-0)相比差异达到显著水平(P<0.05)。2013年8月各处理的NAG+LAP活性均为整个采样周期中的最高值，组内变化趋势表现为先降低后增加，于P-60处达到最低值，降幅为26%。后3次采样的组内变化趋势同8月一致，随施磷水平的增加，NAG+LAP活性的变化趋势与MBN含量的变化趋势相反。这表明施用磷肥可明显抑制土壤涉氮生态酶NAG+LAP的活性。这可能是因为土壤MBN含量的提高缓解了土壤氮素受限的状况，故NAG+LAP活性降低。

图7 各处理N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸基肽酶活性的变化

2.2.4 土壤氮矿化速率

如图8所示，在2013年5月至2014年5月之间，土壤氮硝化、氨化和总矿化速率随时间变化的总趋势均为先降低后升高，并均于2013年11月第3次采样时达到最低值，这可能与水稻的生长吸收了大量土壤氮素有关。在2013年5月首次采样中，与对照组(P-0)对比，施用磷肥极显著(P<0.01)地提升了土壤硝化、氨化和总矿化速率，但施磷处理组间并无显著差异(P>0.05)。2013年8月各处理组土壤硝化、氨化和总矿化速率均低于首次采样，随施磷水平的增加，三者变化趋势保持一致，先增加后降低，并均于P-60达到最高值。后3次采样中，土壤硝化、氨化和总矿化速率在施磷处理下均表现为极显著(P<0.01)提高，采样组内变化趋势同2013年8月一致，这说明施用磷肥可有效提升土壤氮矿化速率，加快土壤氮素周转，但当磷肥施用量增加到一定水平时，促进作用将不再明显，过高的施磷水平将会导致磷肥的浪费。相较于其他施磷处理，P-60对土壤氮素的积累和氮库总体活性及周转性的提升具有更好的效果。

图8 各处理土壤氮矿化速率的变化

2.3 皮尔森(Pearson)相关性分析

如图9所示，土壤TP与TN、Olsen-P呈显著(P<0.05)正相关，与NAG+LAP、AP活性呈显著(P<0.05)负相关；MBP与MBN、Olsen-P呈显著(P<0.05)正相关；Olsen-P与MBN、TP和MBP呈显著(P<0.05)正相关。这表明土壤磷库特征的变化会直接影响土壤氮库的变化。这可能是由于施用磷肥导致土壤TP含量增加，进而提高了土壤速效磷含量，促进了水稻根系的生长发育，分泌大量根系物质，增强土壤微生物活性，加速土壤中腐殖质残渣的分解，进而提高了外源氮素的输入，最终表现为土壤氮库活性和周转速率得到增强与土壤氮库的增加。

灰色代表正相关；白色代表负相关；圆圈的大小代表相关性的高低；*表示达到显著水平(P<0.05)图9 土壤涉氮磷生化性质之间的相关性矩阵

3 小结

本研究表明，在自然降水条件下，向水田施用梯度磷肥后的土壤磷、氮素状况差异明显。随施用磷肥水平提高，土壤TP、Olsen-P和MBP的含量显著(P<0.05)提升，同时涉磷生态酶AP的活性显著(P<0.05)降低，表明施用磷肥可明显改善土壤磷素的营养状况。土壤TN含量总体随施磷水平的增加而增加，并于P-60处达到最高值，P-30处理下TN含量较未施磷处理的TN含量略低，表明施用磷肥可在一定程度上促进水稻对土壤氮素的吸收。土壤MBN含量与土壤氮硝化、氨化和总矿化速率均在施磷处理下表现为显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)增加，并均在P-60处达到最高值。涉氮生态酶NAG+LAP的活性受制于土壤氮素的状况，因此在施用磷肥提高了土壤氮素含量的情况下，NAG+LAP活性显著(P<0.05)降低，且于P-60处达到最低值。Pearson相关性分析显示，TP、Olsen-P、MBP与TN、MBN呈显著(P<0.05)正相关，而与NAG+LAP和AP的活性呈显著(P<0.05)负相关，暗示土壤磷素特征的变化会直接改变土壤氮库的特征。总体来看，水田施用磷肥可明显提升土壤氮库的活性和周转特性，且以P-60处理下的效果最明显。从有利于土壤氮库积累与活性提升的角度出发，在本试验条件下，以每年60 kg·hm-2左右的施磷量最佳。

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(责任编辑：高 峻)

2017-06-18

国家自然科学基金(41373073，41673081)；浙江省重点研发计划项目(2013C03SA420001)

孙星照(1993—)，女，山东滨州人，硕士研究生，主要研究方向为水稻田生物地球化学循环，E-mail: sunxingzhao@foxmail.com。

张志剑(1973—)，男，浙江桐乡人，博士，副教授，主要研究方向为元素循环与气候变化，E-mail: zhangzhijian@zju.edu.cn。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170846

S153

A

0528-9017(2017)08-1447-05

文献著录格式：孙星照，沈建国，王忠，等. 水田施用磷肥对土壤氮库活性及周转特性的影响[J].浙江农业科学，2017，58(8)：1447-1451，1455.