土壤质地调控柑橘根际中磷素动态、酶活性及根系对磷、锌和生物肥料输入的响应

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Soil Texture Modulates Phosphorus Dynamics, Enzyme Activity and root Responses to Phosphorus, zinc and Biofertilizer Inputs in Citrus Rhizosphere

　　

摘要

目的：磷（P）施肥对热带土壤中柑橘建园至关重要，土壤质地强烈影响磷的有效性及根际养分动态。本研究评估了局部施磷（单独施用或与锌（Zn）或生物输入配合施用）对‘瓦伦西亚’甜橙（嫁接于‘斯温格尔’枳柚砧木）在两种对比土壤建园初期阶段根际磷动态、土壤酶活性、植株营养状况及根系发育的影响。方法：采用根箱（rhizotron）温室试验，填充黏质土和砂质土，完全随机5×2因子设计。评估五种施肥策略（对照、磷酸一铵（MAP）、MAP+Zn、MAP+Bio、有机肥）。测定土壤化学性质、磷分级、酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶活性、叶片磷和锌浓度及根系形态性状。结果：在黏质土中，MAP处理使有效磷增加327%，其中中活性磷占总根际磷的比例高达93%。相反，砂质土中以非活性磷组分为主，占总磷的67%–90%。黏质土中酶活性高出3–5倍，表明生物养分循环增强。MAP+Zn和有机肥提高了土壤锌有效性和叶片锌浓度，而MAP+Zn处理促进了最高的叶片磷浓度。供磷还刺激了根系丛生，使总根面积增加高达62%，主根直径增加高达312%，而磷缺乏促进了根系向深层生长。结论：土壤质地调控了柑橘根际磷的分配，并决定了磷酸盐施肥的生物学、营养及根系响应。这些发现增进了对热带对比土壤中磷循环的理解，并证明土壤质地可调控柑橘建园初期根际磷动态、养分获取及根系发育。

论文解读：土壤质地调控柑橘根际磷动态、酶活性及根系对磷、锌和生物肥料输入的响应

一、研究背景与问题

柑橘是全球重要的农业经济作物，巴西是最大的橙子生产国和浓缩汁出口国。柑橘园生产力直接依赖养分管理，尤其在幼树建园阶段，根系发育和早期植株建成决定了整个生产周期中水分和养分的吸收效率。在热带土壤中，磷（P）是限制柑橘生长的重要养分元素，但磷在土壤中移动性低、反应性强，施入后大量磷可被铁铝氧化物快速吸附或转化为缓效态，导致农学效率低下。即使长期施用磷肥，土壤中仍有大量磷以中活性磷（MLP）或非活性磷（NLP）形式累积，难以被植物直接利用。

锌（Zn）是热带地区农业生产中最重要的微量元素限制因子之一，参与多种酶的结构与活化，影响光合作用、激素代谢和抗氧化机制。但锌的有效性受土壤性质及与磷的交互作用强烈影响，过量施磷可能降低植物对锌的吸收和利用，造成植株组织中锌浓度降低。近年来，将矿物肥料与生物组分结合，如有机肥和生物输入（bioinput），已成为提高肥料利用效率的重要策略。根际是土壤-植物系统中最活跃的区域，根际中的pH变化、根系分泌物、微生物活动和胞外酶产生直接影响磷形态转化及其向土壤溶液中的释放。然而，已有研究通常将磷有效性、土壤生物活性、植物营养和根系发育分开评估，缺乏对磷肥与锌或生物输入联用时，在不同质地土壤中同时影响根际磷分配、土壤酶活性、植株营养状况和根系构型的整合理解。该知识空白限制了对土壤质地调控柑橘建园期磷利用效率化学、生物学和生理学机制的认识。

二、研究目标与实验设计

研究人员基于“局部施磷与锌或生物输入联用将根据土壤质地影响磷分配和根际生物活性，进而影响柑橘建园初期养分获取和根系发育”的假设，开展了一项温室实验。实验在巴西圣保罗州Cordeirópolis的Sylvio Moreira柑橘中心（CCSM）进行，时间为2024年5月至2025年5月。供试材料为‘瓦伦西亚’甜橙[Citrus sinensis (L.) Osbeck]嫁接在‘斯温格尔’枳柚[Citrus paradisi Macf. × Poncirus trifoliata (L.) Raf.]砧木上。植株被移栽到半圆形根箱（rhizotron，长100 cm、直径12.5 cm，容量约30 kg土壤）中，根箱以65°角倾斜放置，以促进根系沿透明表面生长并可监测根系统。实验采用两种质地对比土壤：黏质土（>500 g kg?1黏粒）和砂质土（~200 g kg?1黏粒）。黏质土初始性质：pH (CaCl?)=5.2，树脂提取P=16 mg dm?3，DTPA-Zn=1.1 mg dm?3；砂质土初始性质：pH (CaCl?)=5.9，树脂提取P=12 mg dm?3，DTPA-Zn=1.3 mg dm?3。处理包括：(i)对照（不施磷）；(ii)磷酸一铵（MAP，含11% N和45% P?O?）；(iii) MAP+Zn（含0.5% Zn）；(iv) MAP+Bio（MAP包膜有机肥）；(v)有机肥（城市植物残渣和污水污泥堆肥，pH (CaCl?)=7.3，有机碳=244 g kg?1，P含量=4.5 g kg?1，Zn含量=190 mg kg?1）。施磷量按Quaggio等人（2022）推荐，相当于每根箱25.6 g MAP（即160 kg ha?1 P?O?）。MAP+Zn处理在相同MAP剂量下补充0.5% Zn。有机肥处理调整用量以提供与MAP+Zn等量的锌输入，即每根箱674 g有机肥。未以磷为基础标准化处理，因为需要大幅提高有机肥用量，从而改变有机质和锌的相对输入，影响可比性。实验按完全随机5×2因子设计（5种施肥策略×2种土壤类型），4次重复。

三、主要方法与关键技术

研究采用的主要技术方法包括：根箱培养系统（rhizotron）结合图像分析（ImageJ?+SmartRoot?插件）定量根系总面积和平均根直径；根系深度动态监测（每15天记录一次，共记录至120天）；植株营养分析采用硝酸-高氯酸消化后电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定各器官P和Zn浓度；土壤化学分析采用离子交换树脂法测定有效P、DTPA提取法测定有效Zn、CaCl?测定pH、比色法测定土壤有机质（SOM）、计算阳离子交换量（CEC）；根际土壤磷分级采用Hedley等人（1982）的连续提取程序，将磷分为活性、中活性（MLP）和非活性（NLP）库，并用Murphy和Riley（1962）钼蓝比色法测定各提取液磷浓度；土壤酶活性测定采用Tabatabai（1994）的比色法测定酸性磷酸酶（AP）、β-葡萄糖苷酶（BG）和芳基硫酸酯酶（AS），以对硝基苯酚（p-nitrophenol）为标准定量。统计分析采用双因素方差分析（ANOVA），Tukey检验（p≤0.05）进行均值比较，并通过Pearson相关矩阵分析各变量间关联。

四、主要研究结果

1. 土壤化学参数

磷酸盐施肥在两种土壤中均提高了磷有效性。MAP、MAP+Zn和MAP+Bio处理的有效磷浓度最高，平均值分别为126.4、120.4和118.0 mg dm?3，比对照增加超过160%。有机肥处理有效磷居中（91.6 mg dm?3），对照最低。锌有效性受处理和土壤类型交互作用影响，在两种土壤中，MAP+Zn和有机肥处理均产生最高的有效锌浓度。砂质土中，MAP+Zn和有机肥将锌浓度提高至10.8和10.5 mg dm?3，约为对照（5.4 mg dm?3）的两倍；黏质土中，两处理分别达到9.4和9.5 mg dm?3。黏质土在所有处理中均表现出更高的SOM和CEC。砂质土中有机肥处理使SOM比MAP处理增加约22%（11.0 vs. 9.0 g dm?3），并产生最高CEC（83.7 mmolc dm?3）。有机肥处理使砂质土pH达到6.8，黏质土pH达到6.3；而MAP+Zn和MAP+Bio处理，尤其在砂质土中，pH接近5.3。

2. 根际土壤磷化学分级

磷库分布受处理和土壤类型交互作用显著影响。在黏质土中，活性无机磷占总磷的比例极小（<1%至约6%）。MAP和MAP+Zn处理使活性无机磷含量达到132.7和124.0 mg kg?1，比对照（3.4 mg kg?1）高出35倍以上。砂质土中，各处理活性无机磷含量均较高（182–333 mg kg?1），其中MAP+Bio和MAP处理最高，比对照增加约80%。MLP库在黏质土中占总磷的57%–93%，MAP、MAP+Zn和MAP+Bio处理的MLP含量最高（约1900–2000 mg kg?1），比对照提高48%–58%。砂质土中MLP库的贡献显著较低，但有机肥处理达最高值（790 mg kg?1），约为对照的12倍。NLP库在砂质土中占总磷的67%–90%，对照最高，MAP和MAP+Zn处理显著降低了NLP的相对贡献。黏质土中，MAP+Bio处理的NLP含量最高（1373 mg kg?1），约为对照的两倍，而MAP和MAP+Zn处理最低。总体而言，土壤质地强烈调控了磷库分布：黏质土以MLP为主，砂质土以NLP为主。

3. 根际土壤酶活性

黏质土的三种酶活性均显著高于砂质土。AP活性在黏质土中，MAP处理最高（699 μg p-nitrophenol g?1 soil h?1），约为有机肥处理的两倍；砂质土中各处理间无显著差异（114–145 μg p-nitrophenol g?1 soil h?1）。BG活性在黏质土中，MAP、对照和MAP+Zn处理最高（72–85 μg p-nitrophenol g?1 soil h?1）；砂质土中有机肥处理最高，比对照高约60%，是MAP+Zn处理的两倍以上。AS活性在砂质土中，对照处理约为MAP、MAP+Zn和有机肥处理的三倍；黏质土中MAP+Zn处理最高（902 μg p-nitrophenol g?1 soil h?1）。综合来看，黏质土维持了更高的根际生物活性；矿物肥料主要增强黏质土中的AP和BG活性，而有机肥促进砂质土中的BG活性。

4. 植株营养状况

成熟叶P浓度在黏质土中，MAP+Zn处理最高（1.34 g kg?1），比有机肥处理高约22%；砂质土中各处理无显著差异（1.06–1.19 g kg?1）。幼叶P浓度仅受处理效应显著影响，对照和MAP处理最高，有机肥处理最低。成熟叶Zn浓度在黏质土中，MAP+Zn和有机肥处理最高（104和93 mg kg?1），MAP、MAP+Bio和对照较低；砂质土中有机肥和MAP+Bio处理最高，MAP+Zn处理最低。幼叶Zn浓度在砂质土中MAP+Zn处理最高（26.4 mg kg?1），比对照和MAP高约30%；黏质土中差异较小，对照和MAP较高，有机肥最低。结果表明，磷与锌配合主要促进了黏质土成熟叶和砂质土幼叶中的锌积累。

5. 根系生物量与形态分析

根系总面积的交互作用显著。黏质土中，MAP、MAP+Zn和MAP+Bio处理促进最高根面积（23.8–25.6 cm2），对照最小（15.8 cm2），MAP+Bio处理比对照增加约62%；砂质土中各处理无显著差异（23.3–25.6 cm2）。主根平均直径在黏质土中，所有施磷处理均比对照增加，MAP+Zn最高（0.33 cm），对照最低（0.08 cm），增加幅度高达312%；砂质土中各处理间差异不显著（0.19–0.28 cm）。根系深度在整个实验期间受磷供应影响，两种土壤中对照处理均表现出更深的根系下扎，120天时差异最明显；施磷处理之间根系深度相似。

6. 根际磷动态、土壤生物活性与植物响应的整合

Pearson相关分析显示，MLP库与AP（r=0.88）、BG（r=0.86）、AS（r=0.88）活性以及SOM（r=0.92）和CEC（r=0.93）呈强正相关（p<0.001）。NLP库则与AP（r=-0.83）、BG（r=-0.84）、AS（r=-0.81）、SOM（r=-0.85）和CEC（r=-0.78）呈负相关。有效磷与活性无机磷（r=0.90）和MLP库强正相关，并与AP、BG、AS活性高度相关（r=0.81–0.87）。幼叶Zn浓度与土壤酶活性呈强正相关（r=0.93–0.98），有效Zn与pH中等正相关（r=0.60）。

五、讨论总结

研究表明，土壤质地不仅影响磷有效性，还决定了磷在根际中的分配、生物活性、养分获取和根系发育。黏质土中磷主要分配至MLP库，这与铁铝氧化物的高吸附能力有关，MLP可作为潜在有效磷的储备库，并通过高磷酸酶活性维持向植物持续供磷。砂质土中NLP库占优势，表明磷在根际中经历了微生物固定、共沉淀和有机矿物结合等再组织过程。黏质土中较高的AP、BG和AS活性反映了更强的微生物活动和养分循环强度；而砂质土中对照处理较高的AP和AS活性以及有机肥处理较高的BG活性，表明养分缺乏和有机质输入刺激了补偿性的养分获取与回收机制。施磷处理中较低的酶活性说明当磷直接供应时，植物对生物磷动员的需求降低。MAP+Zn处理在黏质土中提高成熟叶磷浓度，与MLP库作为储备库的功能一致；砂质土中幼叶磷浓度响应更快，可能与低缓冲容量下根系快速吸收有关。根系构型的可塑性表现为高磷供应促进根系分枝和直径增加，而磷缺乏则诱导根系向深层探索。Pearson相关分析证实了MLP与SOM、CEC、酶活性、叶片锌浓度和根系发育的正向关联，而NLP则相反，表明磷肥效率取决于土壤化学和生物属性的整合，而非仅提高磷有效性。

六、研究结论

研究结果表明，柑橘磷酸盐施肥的效率取决于施肥策略与土壤质地之间的交互作用，同时影响根际磷动态、土壤生物活性、植株营养状况和根系发育。对于与本研究矿物学特征相似的热带土壤，在黏质土中，将磷酸一铵（MAP）与锌（Zn）或生物输入配合施用是提高养分有效性和促进根系发育的有效策略；而在砂质土中，含有有机组分的肥料来源显示出更大的刺激土壤生物活性和养分循环的潜力。这些发现表明，应根据土壤矿物学特征和区域立地条件选择施肥策略，这是提高柑橘建园初期磷利用效率的有前景的途径。