土壤全磷含量驱动持续淹水稻田土壤中磷形态的动态变化

本研究针对稻田土壤在氧化还原波动条件下磷转化与有效性机制不清的问题，通过分析不同全磷含量土壤中无机磷和有机磷的动态变化，发现全磷含量显著调控磷形态组成与转化路径，揭示了有机磷库对水稻磷营养的贡献机制，为稻田磷高效利用提供了重要理论依据。

　　

磷是植物生长发育必需的营养元素，但在大多数农业土壤中，磷酸盐由于与土壤组分的强亲和力而成为植物最难以获取的营养元素。随着农业生产需求的不断增加，磷在过去十年中受到越来越多的关注，特别是对用于生产化学磷肥的不可再生资源磷矿石的长期可用性的担忧。这使研究焦点从肥料磷转向土壤“遗留磷”，即先前施用的磷肥在土壤中积累但不能立即被植物吸收利用的部分。遗留磷主要指的是磷酸盐，而对土壤全磷含量及其包含的各种无机磷(P_i)和有机磷(P_o)化合物的关注较少。

在稻田土壤中，氧化还原波动强烈影响无机磷和有机磷形态的转化和有效性。铁(氢)氧化物是对磷化合物循环最具反应性的表面，特别是在稻田土壤等氧化还原波动条件下。虽然目前对还原条件下磷循环有一定了解，但需要更仔细的评估来理解水稻生长周期中氧化还原波动的影响。磷酸盐被氧化还原敏感表面强烈保留，但在土壤淹水后铁(氢)氧化物发生还原溶解时会释放出来。然而，持续还原条件可能导致磷被重新吸附或与可溶性Fe(II)共沉淀，从而降低磷的有效性。

为了探究土壤全磷含量如何调控磷形态组成与转化机制，研究人员开展了一项系统研究。他们选取了12种不同全磷含量的稻田土壤（高磷>800 mg kg^?1，中磷500–800 mg kg^?1，低磷<500 mg kg^?1），在水稻生长60天前后进行分析。研究采用了一系列先进技术方法：通过顺序磷分级分析操作定义的磷库（可溶性磷、交换性磷、氧化还原敏感磷）；利用液态³¹P核磁共振光谱技术解析有机磷组成；通过磷酸单酯酶活性测定评估酶水解潜力；使用NaOH-EDTA提取和原子吸收光谱分析元素含量。所有土壤样品来自意大利伦巴第地区稻田表层土壤，代表了波河平原水稻种植区。

研究结果显示，氧化还原敏感P_i和P_o是所有土壤中的主要磷库，分别占总磷的约50%和18%。可溶性和交换性磷库仍然较少。P_i和P_o的浓度在高磷土壤中最高，在低磷土壤中最低。

在高磷土壤中，正磷酸单酯占主导地位，并且在植物生长期间保持相当稳定，这可能是由于在重复的铁氧化还原循环下肌醇磷酸盐的选择性积累。相比之下，中磷和低磷土壤中的正磷酸二酯是P_o中最不稳定的组分，在水稻生长期间迅速水解以缓解磷限制。

NaOH-EDTA可提取磷浓度占土壤全磷的42–74%，从高磷土壤中提取的百分比更大。通过³¹P-NMR光谱发现，正磷酸盐占提取磷的55.6–85.1%，高磷样品中的正磷酸盐浓度最高。有机磷化合物类别分为膦酸盐、正磷酸单酯和正磷酸二酯。

高磷土壤的特征是正磷酸单酯的优势，包括肌醇磷酸盐，而正磷酸二酯的贡献较低。中磷和低磷土壤在种植前呈现不同的P_o形态，具有相当数量的正磷酸单酯和二酯。随着水稻生长，磷含量较低的土壤经历了P_o的净消耗，α-和β-甘油磷酸盐以及单核苷酸大量损失。

酸性磷酸单酯酶(Ac-PME)的潜力活性远高于碱性磷酸单酯酶(Alk-PME)。在所有研究的土壤中，水稻生长后测得的Ac-PME活性显著高于种植前。特异性酶活性在土壤之间显示出更大的差异，尽管只有特异性Ac-PME活性显示出磷水平和采样时间之间的显著交互作用。

研究结论表明，土壤全磷含量与无机磷和有机磷库的动态之间存在基本相互联系。在高磷土壤中，水稻的磷有效性由土壤溶液中的P_i维持，由不易利用的P_i库持续补充，而P_o形态反映了长期的氧化还原循环，导致如肌醇磷酸盐等磷酸单酯的选择性积累。相反，磷含量有限的土壤依赖于磷脂中的α-和β-甘油磷酸盐以及单核苷酸的快速周转——这些不稳定的P_o化合物循环迅速并释放磷酸盐以支持植物吸收。

这些发现表明，土壤磷遗产和氧化还原驱动的转化可以战略性地利用来优化水稻系统中的磷利用效率。调整氧化还原条件的定制水分管理实践，以及对微生物群落与P_o形式相互作用的更深入了解，可以增强低磷土壤中遗产磷的动员，并减少对外部磷输入的依赖。

该研究由意大利都灵大学农业、森林和食品科学系完成，发表在《Geoderma》期刊上，为理解稻田系统中磷循环机制提供了重要见解，对发展可持续水稻种植系统具有重要指导意义。