不同供磷水平下紫色土磷素赋存及土壤微生物活化利用潜力分析

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在农业生产中,磷(Phosphorus)能提高作物的抗旱、抗寒能力,对作物的高产、优质等方面具有非常重要的作用。近年来,由于磷的过量投入,造成磷素大量在土壤中累积,成为土壤面源污染的潜在危险源。如何提高肥料磷和土壤累积态磷的利用效率,实现“减磷增效”目标,具有重要的理论意义与应用价值。磷肥在土壤转化同时受菌根、解磷菌和根瘤菌等微生物的影响,菌根被证明是植物获取磷的另一重要途径,长期以来,微生物增强根系磷吸收的研究较多,而田间条件下菌根和微生物对作物磷吸收的贡献潜力缺乏相应研究。因此,本研究利用重庆市江津区永兴镇的大田定位试验(0、25、50、100、200、400 kg/ha),研究不同供磷水平下紫色土磷素的赋存情况,在此基础上利用高通量定量PCR技术,比较了参与土壤磷地球化学循环不同功能基因的表达,评价微生物活化利用累积磷的潜能;通过大田原位实验,分析丛枝菌根真菌对宿主植物磷营养状况的贡献,为挖掘土壤微生物供磷潜力提供理论依据。主要研究结果如下:(1)不同供磷水平下的土壤Olsen-P、全磷的含量都随磷肥用量的增加而显著增加,不施磷条件下,土壤每亏缺100 kg/ha的磷素,其有效磷降低4.659 mg/kg,施磷条件下,不同供磷水平下随施磷量的增加,有效磷的累积随磷素盈余量的增加量不同,最大的是当施磷量为400 kg/ha时,土壤每盈余100 kg/ha的磷素,其有效磷的增加量为11.72 mg/kg。磷分级结果表明,无机磷各组分含量随施肥量增加而增加,长期施肥后,活性磷(Resin-Pi,Na HCO3-Pi和Na HCO3-Po)和稳定性磷(C.HCl-Pi,C.HCl-Po和Residual-P)占全磷的百分比随施肥量的增加先升后降,中活性磷(Na OH-Pi、Na OH-Po和D.HCl-Pi)先降后升,P400处理中活性磷最高,活性磷和稳定性磷降低,向中活性磷转化;有机磷各组分的磷含量也随施肥量的增加而增加;Residual-P随施肥量的增加而增加,但是各处理间没有达到显著性差异。不施肥处理中,C.HCl-Pi和Na OH-Pi为无机磷主要磷源,Na HCO3-Pi、Resin-P、D.HCl-Pi和C.HCl-Pi作为植物的潜在磷源。随着施肥量的增加,Na OH-Pi变为主要磷源。通径分析表明,在有机、无机各形态磷组分中,对有效磷贡献最大的是Resin-Pi、Na HCO3-Pi、Na HCO3-Po、Na OH-Po,氢氧化钠浸提的磷是有机磷主要的赋存形态。(2)对磷的吸附特性与Langmuir、Freundlich以及Temkin三种等温方程式吻合度高,决定系数相关性均达极显著水平。吸附磷量随着平衡液浓度的增加而逐渐升高的趋势,吸附曲线呈现多个吸附能级,解吸量随着平衡液浓度的增加而增加,P200和P400相比于其他处理曲线突跃较大。施肥降低了土壤最大吸附量Qm的大小,K值随施肥量的增加而显著增加,施肥增强了土壤对磷的缓冲能力(MBC),施肥量越大,缓冲能力越大。提高土壤磷素的吸附饱和度(DPS),处理P200和P400的DPS值远远大于临界值25%,对环境有极大的风险。Qm与有效磷、p H、有机质之间呈负相关;K与有效磷显著正相关,相关系数达到0.5779,与有机质呈正相关,与p H负相关;MBC与有效磷显著正相关,相关系数为0.8028,与有机质呈正相关,与p H负相关,没有达到显著性;RDP与有效磷显著正相关,相关系数为0.7826,与有机质呈正相关,与p H负相关,没有达到显著性;DPS与有效磷显著正相关,相关系数为0.9429,与有机质呈正相关,与p H负相关,没有达到显著性。(3)酶学分析表明土壤酸性磷酸酶(AP)、碱性磷酸酶(ALP)两种磷酸酶酶活性均在施肥量为50 kg/ha时活性达到最高点,随施磷量的增加,酶活性先升高后降低,表明低施磷水平促进酸性磷酸的酶活性升高,高施磷量抑制磷酸酶活性。高通量定量PCR数据表明,不同供磷水平对磷循环中的关键过程(有机磷矿化、无机磷溶解、无机磷水解)相关的基因有显著影响;在在施肥量为50 kg/ha时,有机磷矿化的基因phn K和pho D、无机磷溶解的gm GDH、pqq C以及与水解的基因ppx的基因拷贝数最大,与其他处理之间差异性极显著,表明在此试验条件下施肥量为25 kg/ha是有利于矿化作用、溶解与水解活动等土壤磷生物化学循环的进行。而后随施肥量的不断增加,各类基因拷贝数渐渐降低,在高磷浓度下表现出明显的抑制作用,施肥量超过200 kg/ha以后,除基因phn K外,其他基因拷贝数就显著低于不施磷处理中的拷贝数。(4)大田原位试验结果表明,不旋转处理下的玉米生物量、磷含量以及磷吸收量高于旋转处理,表明不旋转处理中,与玉米形成共生关系的菌根真菌,其菌丝能够从环境中吸取磷养分,满足作物的生长需要,因此,土著AMF能与玉米形成共生体,改善玉米的磷营养状况,并有效的促进了玉米的生长,初步说明了AMF在大田条件下应用潜力。综上所述,不同供磷水平对土壤Olsen-P、全磷、无机磷各组分含量、有机磷各组分含量、磷酸酶活性及磷循环功能基因均有影响,综合环境、经济等因素,施肥量在25~100 kg/ha较好。
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