不同磷肥施用量对油橄榄根际土壤微环境及生长发育的影响

刘 鑫，王 天，宋佳承，焦 健，李朝周*

（1.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省作物遗传改良和种质创新重点实验室，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070）

油橄榄（Olea europaeaL.）是世界上4种主要的木本油料植物之一［1-2］，原产于地中海沿岸，如今在我国，特别是在甘肃省陇南市也有大面积种植［3-4］。油橄榄具有很好的社会、经济和生态效益，可为生产橄榄油、药品、保健品以及工业原料提供大量原材料［5-6］。当前，油橄榄产业和国际油橄榄市场持续扩张，在我国更是飞速发展，我国也成为最大的橄榄油潜在消费市场。甘肃省陇南市自引种油橄榄以来，油橄榄种植面积快速发展，现已达到2万hm2，橄榄油产量占全国的93%左右，成为国内最大的初榨橄榄油生产基地，部分果园挂果和出油率甚至高于油橄榄的原产地［7］。

磷是植物的重要组成成分，通过多种途径参与植物体内的新陈代谢过程。增施适量磷肥可显著提高作物产量［8］，但磷肥过量会导致土壤磷素累积，造成资源浪费，甚至引发水体富营养化等一系列环境问题［9-10］。根际是植物根系周围受植物、土壤、微生物共同影响的特殊生态微域，具有特殊的物理、化学及生物学特性，也是植物根系自身生命活动影响最直接、最强烈的区域［11］。植物根系的生长和形态与植株地上部生长发育及产量形成密切相关，活跃的根系可以为地上部提供充足的营养、水分和植物激素，从而促进生物产量的形成，而地上部分的良好发育能够制造充足的碳水化合物并转运到根系，增强根系功能［11］。

油橄榄自20世纪60年代引进我国以来，一直缺乏系统科学的施肥理论，许多种植户只能借鉴其他果树的施肥措施，以致肥料利用效率低下，因此研究制定适合油橄榄生长的肥力营养调控和土壤管理措施是当前油橄榄产业发展亟待解决的问题之一。国内外关于施肥对植物根系生长发育和土壤环境影响的研究众多，赵家煦等［12］在不同施磷量对大豆产量影响的研究中表明，适量施用磷肥对大豆植株生长和产量均有显著促进作用；陈波浪等［13］在磷肥对棉田土壤的影响研究中发现施磷可以提高根际土壤酶活性及有效磷含量。关于施肥对油橄榄根系和根际土壤微环境的影响，以及二者互作机制的研究鲜有报道。本文以一年生油橄榄为供试材料，探究不同磷肥施用量对油橄榄幼苗根系生理、根系形态、根际土壤理化性质、土壤肥力相关酶活性以及微生物数量的影响，旨在确定油橄榄苗期最优的磷肥施用量，为促进油橄榄苗期生长，提高经济效益以及减少资源浪费提供科学合理的施肥理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与供试土壤概况

供试油橄榄幼苗取自甘肃省陇南市武都区的大堡油橄榄试验园，品种为“鄂植8号”，一年生。供试土壤质地属壤土，取自大堡油橄榄试验园内，试验前进行土壤理化性质测定，具体指标见表1。

表1 土壤理化性质

1.2 试验方法

油橄榄盆栽于2017年9月25日在甘肃农业大学实验中心进行。选取生长健壮、长势一致的油橄榄幼苗，移栽于25 cm×30 cm（口径×高）的盆中，每盆栽植1株；栽种前将所需氮肥、钾肥一次性施入供试土壤中并混合均匀，所用氮肥为尿素（N 46%），用量为12 g·株-1；钾肥为硫酸钾（K2O 约51%），用量为10 g·株-1，各组处理用量一致，后期不再追肥。为了避免肥料散失，每个盆都配有托盘，移栽后进行充分灌溉，待油橄榄幼苗恢复生长。

磷肥施用量设置5个水平，所用磷肥为磷酸二氢钠（P2O559%），分析纯，由天津市光复科技发展有限公司生产。各处理施肥量折合P2O5含量分别为15、30、45、60和75 g·株-1，分别记作P1、P2、P3、P4和P5，另设不施肥（CK）为对照，各处理设9个重复。于2017年10月25日进行额外施加磷肥处理，施肥前将各处理所用全部磷肥充分溶于水中，以溶液形式一次性施入油橄榄幼苗根系周围，施肥后充分灌溉。试验过程中，除磷肥施用量外，各处理的油橄榄幼苗灌溉、光照等试验条件均保持一致。

1.3 油橄榄根系及根际土样采集

于2018年10月25日进行油橄榄根系、根际土样的采集。

根系采集：选取各处理中长势相似的油橄榄幼苗，将植株完整取出，并在其根系近地面处剪断，抖落余土，置根系于轻缓的流水下冲洗干净，取部分根系用吸水纸吸干进行根系生理指标测定；其余根系均匀分展开，进行根系形态指标的测定。

根际土样采集：根际土壤取样时，先用土壤刀从油橄榄基部开始，逐层挖去上层土壤，直至侧根暴露后将其剪下，将侧根和须根上附着的土壤轻轻抖落于密封袋中保存。所取的根际土壤分为2份，一份用于土壤肥力相关酶以及微生物含量测定；另一份放置于实验室自然风干，用于后续理化性质及养分含量的测定。

1.4 指标及测定方法

1.4.1 根系生理及根系形态指标

根系含水量：采用称重法，计算公式为：含水量=（Wf-Wd）/Wd×100%，式中Wf为根系鲜重，Wd为根系干重。根系活力、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量采用邹琦［14］的方法。根系形态：使用数字化扫描仪（EPSON Perfection V700 Photo/V750 Pro，日本）对各处理的根系分别进行扫描，扫描完成后运用Win-RHIZOTM2008a（加拿大）对扫描后的根系图像进行形态指标的分析。根系扫描后的总根长、根表面积、根平均直径、根体积以及根尖数可以通过图片分析直接获得［15］。

1.4.2 生长发育指标

株高：以植株最高部位（顶端生长中心）距地面的高度为准，用直尺测量；茎粗：以油橄榄近地面处地上茎的直径代表，用游标卡尺测量；根干重与地上部干重：将植株从茎基部剪下，获得完整的根系和地上部分；用蒸馏水冲洗干净，用滤纸擦干表面水分后置于烘箱中，105℃下杀青20 min，85℃烘干至恒重（精确至0.01 g），用电子天平称重，分别记录根干重、地上部干重；根冠比=根干重 / 地上部干重。

1.4.3 土壤理化指标

去除所采集根际土壤中的杂物和石块，过2 mm筛后混合均匀，进行下列指标测定：

pH采用雷磁25型酸度计，1∶5土水质量比浸提法；碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾、有机质含量采用鲍士旦［16］的方法。

1.4.4 土壤肥力相关酶

土壤酶活性的测定根据关松荫［17］的方法，土壤蔗糖酶活性、脲酶活性、碱性磷酸酶活性、过氧化氢酶活性分别采用3，5-二硝基水杨酸比色法、靛酚蓝比色法、磷酸苯二钠比色法、高锰酸钾滴定法测定。

1.4.5 土壤微生物数量

细菌数量：采用牛肉膏蛋白胨培养基培养法；放线菌数量：采用高氏1号培养基培养法；真菌数量：采用改良马丁氏培养基（每1000 mL培养基中加1%孟加拉红水溶液0.33 mL、1%链霉素0.3 mL）培养法。结果计算：每克基质中菌数=（菌落平均数×稀释倍数×10） / 基质［18］。

1.5 数据处理

采用Excel 2013对数据进行处理和绘图，数据用“平均值±标准误差”表示，采用SPSS 19.0对数据进行差异显著性分析，采用Ducan法进行各指标间差异的显著性比较，不同英文小写字母表示处理间差异达显著水平（P<0.05），各项指标重复测定3～5次。

2 结果与分析

2.1 不同磷肥施用量对油橄榄根系生理的影响

增施磷肥对油橄榄根系活力影响显著，其中P3处理根系活力达到峰值（图1A），较CK提高了80.06%，说明适量增施磷肥可大幅度提高油橄榄根系活力；高浓度的磷肥施用（P4、P5）使根系活力大幅度降低，分别比CK降低了12.28%和14.36%，这可能因为过量的磷肥对根系造成一定程度的渗透胁迫，损伤根系。由图1B可知，各处理下油橄榄根含水量随磷肥施用量的增加先升高后降低，其中P1、P2、P3处理下的根含水量分别较CK增长了9.73%、9.94%、15.27%，说明磷营养改善了根系的水分状况，但P5处理的根含水量显著低于包括CK在内的其他处理，这可能与土壤中磷素过多导致土壤溶液浓度升高，从而造成根系吸水困难有关。

从图1C、D、E可以看出，施用磷肥整体上提高了油橄榄根系中可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的含量，且三者均随磷肥施用量增加呈现先升高后降低的趋向。其中，P3处理下根系中可溶性糖和脯氨酸含量较CK增长最高，较CK分别增长了115.15%和54.88%。可溶性蛋白含量增长趋势较为平缓，但各磷肥处理总体上均高于CK，且在P3处理出现最大值，比CK增加了33.03%。整体来看，施用适量磷肥提高了油橄榄根系的渗透调节能力。

2.2 不同磷肥施用量对油橄榄根系形态的影响

由图2A、B可知，油橄榄根系总长度和根表面积随磷肥施用量的增加呈现先升高后降低的变化趋势，且均在P3处理达到峰值，分别比CK增高了133.79%和114.36%，增长显著；但随施肥量持续增加，P5处理的油橄榄总根长和根表面积较CK明显下降，分别降低了30.16%和12.16%。

与根长和根表面积的变化趋势相似，随磷肥施用量的增加，油橄榄幼苗根体积呈现低水平促进、高水平抑制的变化趋势（图2C）。在P3处理下，根体积达到最大值，较CK增加了51.22%；P5处理下油橄榄根体积最小，较CK降低了5.21%。

由图2D可知，油橄榄根平均直径随着施磷量的增加先降低后升高，并在P2处理降到最低，较CK降低了20.65%；P5处理根平均直径达到最大，较CK提高了26.85%。结合上述指标来看，中量施磷处理下油橄榄根系整体变长、变细，吸收面积变大，使油橄榄在土壤中的吸收范围更深、更广。从图2E可以看出，P2处理的油橄榄根尖数较CK增加了132.63%，效果最为显著；而P5处理的根尖数显著低于CK，仅为CK根尖数的49.63%。

整体上看，施用适量磷肥可以促进油橄榄根系生长发育，优化根系在土壤中的空间分布，而过量磷肥会导致根系受到胁迫，抑制根系生长。

2.3 不同磷肥施用量对油橄榄株高、茎粗、生物量及根冠比的影响

由图3可知，磷素供应不足会影响油橄榄植株的生长发育。总体上看，随磷肥施用量的增加，油橄榄幼苗株高和茎粗均出现先升高后降低的变化趋势（图3A、B）。除P5处理外，其余各施磷处理油橄榄株高均大于CK，P1～P4处理较CK分别增加了3.00%、8.50%、10.06%和2.08%，其中P3处理效果最为显著，但总体上增长幅度较小；在P3处理下，油橄榄茎粗达到最大值，较CK增加了15.41%。

由图3C、D可以看出，根干重与地上部干重的最大值均为P3处理，二者随磷肥施用量的增大呈现单峰增加的变化模式。P3处理根干重与地上部干重较CK分别增加了72.48%和28.13%；在磷肥施用量过高的条件下（P5），根干重与地上部干重均有不同程度的降低，较CK分别降低了5.73%和9.69%（P<0.05）。

根冠比反映了根系与地上部生长的协调状况。图3E显示，磷肥增施提高了油橄榄幼苗根冠比，各施磷处理根冠比均高于CK，P3处理根冠比达到峰值，较CK增加了34.52%。

总体来看，P3处理效果最佳。适宜的磷肥用量可以增加油橄榄干物质累积，对植物生长发育起到促进作用，而磷肥浓度过高则会抑制植株生长。

2.4 不同磷肥施用量对油橄榄根际土壤pH及速效养分含量的影响

由表2可知，油橄榄根际土壤pH随磷肥施用量的增加略有降低，P1～P5处理较CK分别降低了1.29%、2.42%、4.55%、6.51%和9.07%，这 是由于酸性磷肥的施用降低了土壤pH。随磷肥施用量的增加，油橄榄根际土壤中碱解氮含量先升高后降低，各施磷处理土壤碱解氮含量均高于CK，在P3处理下出现最大值，较CK增加了105.57%（P<0.05）。有效磷的含量随磷肥施用量增加不断上升，各施肥处理的土壤中有效磷均高于CK，分别较CK增加了25.44%、81.05%、110.63%、188.52%和201.34%，可以看出，与CK处理相比，高用量磷肥处理（P4、P5）土壤中有效磷含量增长十分明显，可能与磷肥过量不能被植物体充分吸收利用相关。土壤中速效钾含量随磷肥施用量增加出现先降低后升高的变化模式，P1～P5处理速效钾含量较CK分别降低了7.47%、18.78%、16.65%、3.90%和5.78%，其中P2处理速效钾含量最低（P<0.05）。

表2 不同磷肥施用量对油橄榄根际土壤pH及速效养分含量的影响

2.5 不同磷肥施用量对油橄榄根际土壤全量养分及有机质含量的影响

由表3可知，磷肥的施用使土壤全氮含量略有增加，各处理下土壤全氮含量大小为P3>P5>P4>P2>P1>CK，其中P3处理较CK增加了5.38%。

表3 不同磷肥施用量对油橄榄根际土壤全量养分及有机质含量的影响

油橄榄根际土壤全磷含量随磷肥用量的增加而不断增大，P1～P5处理全磷含量较CK分别增加了7.44%、30.67%、33.21%、45.37%和47.19%，说明磷肥可以加速全磷在土壤中的累积。

随磷肥施用量的增加，土壤中全钾含量整体上呈现先降低后升高的变化趋势。各磷肥处理组土壤全钾含量均小于CK，分别较CK降低了18.70%、11.62%、20.87%、13.25%和2.01%，其最小值出现在P3处理。与土壤全钾含量变化趋势相反，土壤有机质含量在P3处理下达到最大，较CK增加了52.30%，说明增施适量磷肥可以增加油橄榄根际土壤中有机质含量。

2.6 不同磷肥施用量对油橄榄根际土壤肥力相关酶活性的影响

由图4A可以看出，脲酶活性随磷肥施用量的增加而降低，P1～P5处理脲酶活性较CK分别降低了29.95%、42.78%、46.03%、64.48%和71.84%。由于各处理土壤施氮、施钾量均保持一致，故随着磷肥施用量的增加，土壤pH有所下降，影响了脲酶的活性。

油橄榄根际土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性均随磷肥施用量的增加呈先升高后降低的变化趋势（图4B、C）。其中蔗糖酶活性在P3处理下达到最大值（图4B），比CK提高了67.11%；但随磷肥施用量持续增加，P5处理酶活性低于CK，较CK降低了12.02%。5组施磷处理中碱性磷酸酶活性均高于对照组（图4C），较CK分别增加了13.43%、66.49%、108.82%、142.06%和77.07%，其中P4处理碱性磷酸酶活性最强。从图4D中可以看出，过氧化氢酶活性变化幅度相对较为平缓，且随磷肥施用量的提高呈现低水平促进、高水平抑制的趋势，但各施磷处理过氧化氢酶活性均高于CK，P3处理下酶活性达到最大值，较CK处理提高了56.92%。由此可见，适量施用磷肥可以显著提高土壤肥力相关酶活性，但继续增加磷肥施用量会导致土壤酶活性降低。

2.7 不同磷肥施用量对油橄榄根际土壤微生物数量的影响

从表4可以看出，不同施肥处理油橄榄根际土壤微生物数量存在明显差异，其中细菌占绝对优势，放线菌次之，真菌最少。随着磷肥施用量的提高，油橄榄根际土壤中细菌数量呈现先升高后降低的变化趋势。相较于CK，P1～P4磷肥处理土壤细菌数量均有提高，较CK分别增加了1.75%、14.43%、40.08%和12.75%，但P5处理土壤细菌含量较CK降低了10.60%。

随磷肥施用量增大，油橄榄根际土壤放线菌数量出现低促高抑的反应。除P5处理外，各施磷处理土壤放线菌数量均高于CK，且在P3处理下达到峰值，较CK增加了117.06%，说明适量增施磷肥有助于土壤中放线菌的快速繁殖。

土壤中真菌数量随磷肥施用量的增大呈现先降低后升高的趋势，且在P3处理时土壤中真菌数量最低，为CK的76.43%；P5处理真菌含量最高，较CK增加了38.75%。由表4可以看出，施用适量磷肥可以显著提高土壤细菌与真菌的比值（B/F）。在P3处理下，土壤B/F最高，为CK的1.83倍（P<0.05）。

表4 不同磷肥施用量对油橄榄根际土壤微生物数量的影响

3 讨论

根际是植物根系-土壤-微生物相互作用的特殊微生态环境［11］。根际土壤速效与全量养分、土壤肥力相关酶活性以及微生物数量与种类是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标［15］。土壤酶主要来源于微生物代谢分泌和植物根系的自身分泌，是土壤物质和能量代谢旺盛程度的重要体现，土壤中多种重要的生化反应都是在相关土壤酶作用下完成的［19-20］。朱丛飞等［21］在对油茶的研究中发现，随磷肥施用量的增加，根际土壤有效磷含量呈上升趋势，有机质含量呈先上升后下降趋势，而碱解氮和速效钾均呈下降趋势；磷酸酶、过氧化氢酶及蔗糖酶活性先增高后降低，脲酶活性呈下降趋势。潘芳慧等［22］研究表明，蔗糖酶的活性随磷肥增施先降低后升高，而对磷酸酶的活性表现抑制作用。本研究结果显示，增施适量磷肥增加了根际土壤中碱解氮、有效磷和有机质含量，并显著降低了根际土壤pH，这说明磷的施用可以增加土壤速效养分的积累，提高根系对土壤水分的利用效率；而根际土壤pH的改变在一定程度上是由于酸性磷肥的施用和土壤微生物的活动所致。增施磷肥使土壤中碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性均有显著提高，但随磷肥施用量的增大，土壤中脲酶活性持续降低，这可能与施磷处理降低了根际土壤pH，同时加速了氮的消耗有关。黄莹等［23］在对玉米的研究中提出，施磷肥土壤全磷、全氮含量有升高趋势，但全钾含量呈下降趋势；本试验结果与其一致，增施适量磷肥显著提高了油橄榄根际土壤全氮、全磷含量；土壤速效钾与全钾含量随磷肥施用量的增加出现先降低后增加的变化趋势，说明磷肥在一定程度上有效促进了油橄榄的生长发育，从而增加了油橄榄幼苗对钾营养的摄取，导致土壤钾元素降低。

长期以来，施肥如何影响土壤微生物的研究一直是土壤生态学研究的热点问题。肥料的施入可直接影响土壤物理性质和化学成分，从而引起土壤微生物数量、活性和群落结构发生改变［24］。Ndayegamiye等［25］研究表明长期施肥可显著提高土壤中细菌、真菌和放线菌的数量。朱丛飞等［21］发现随磷肥施用量的增加，细菌、真菌及放线菌数量呈先上升后下降趋势。本文研究结果显示，增施磷肥后土壤中细菌、放线菌数量显著增加，总体呈现随磷肥施用量增加先升高后降低的变化趋势；而真菌数量的变化与之相反，这与Nanda等［26］研究结果一致。总的来说，增施适量磷肥可增加土壤中有益菌含量，提高B/F，为植物生长发育创造良好环境。

根系作为植物与土壤之间物质相互交换的主要场所，对植株水分、营养物质的吸收和利用起到重要作用［27］。磷肥是影响作物根系生长的重要因素，施加磷肥可以显著加速作物根系生长，提高根干重，从而增强作物对养分的吸收、积累和增强作物抗瘠薄能力［28-29］。根系活力可以在一定程度上反映作物吸收水分和养分的能力，根系活力越高，吸收能力就越强。本试验结果显示，适量增施磷肥可显著提高油橄榄根系可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸的含量，提高油橄榄根系活力和含水量。这说明增施适量磷肥能有效促进油橄榄幼苗根系细胞中渗透调节物质的累积，降低细胞渗透势，增强根系活力，缓解外界环境对油橄榄根系生长造成的损伤，从而增强油橄榄幼苗根系的吸收和保水能力。若磷肥过量，会导致根系活力减弱，根系含水量明显降低，这可能与土壤盐分浓度过高对根系造成了一定程度的盐胁迫有关。也有研究指出，增施磷肥可显著增加小麦的总根长和根表面积［30］。本试验发现，增施磷肥可提高油橄榄的总根长、根表面积、根体积与根尖数，但根平均直径整体上呈下降趋势，由此可知，适量施磷处理使油橄榄根系整体变长，细根增多。总体上看，油橄榄会通过根系形态的改变来响应土壤中的磷营养，尤其对于磷这种扩散速率低、移动性差的营养元素而言，根系形态的优化可能是针对其在土壤中利用率低的一种补偿机制。

众多研究表明，适当的施用磷肥可以促进碳水化合物在植株体内的运输和转移，有利于植株的生长发育，增加地上部、地下部干物质积累，从而提高植物基径、株高、生长量和根冠比，使作物增产［31-36］。根冠比的大小反映了植物地下部分和地上部分的相关性，研究根冠比对合理利用肥料、调控作物生长有重要的指导意义。本试验结果与前人结果相似，通过增施磷肥，油橄榄株高、茎粗、根干重、地上部干重及根冠比均有不同程度的提高，说明增施适量磷肥可以促进光合产物由地上部分向根系的运输，有利于油橄榄根系和地上部的生长，从而对油橄榄植株整体的生长发育产生积极影响。

4 结论

增施适量磷肥可降低油橄榄根际土壤pH，增加土壤中养分含量，增强土壤肥力相关酶的活性，整体上改善油橄榄根际土壤理化性质和生物学性质，提高土壤质量；此外，施磷还提高了油橄榄根系渗透调节能力，增强了根系活力，促进了根系生长，优化其在土壤中的空间分布，最终表现为油橄榄的株高、茎粗、地上部干重、根干重和根冠比均有显著提高。总之，增施适量磷肥对于油橄榄根际土壤微环境及根系发育皆有积极的影响，并以每株45 g磷肥施用量效果最佳。