施磷对土壤环境以及土壤微生物的影响

李城佰

昆明学院，云南昆明 650214

作为地球上的一个重要组成部分，土壤能为植物的生长提供营养。土地的肥力是保证粮食生产的前提，肥料是提高土地肥力的重要方法。然而，化肥在保障我国粮食产量的同时，也产生了一些不容忽视的环境问题，如土壤的硬化、磷的积累、水体的富营养化等。土壤中的大量微生物是影响土壤肥力和保护生态环境的关键因素。土壤中的微生物作为土壤物质的调节因子，参与土壤中的各种代谢活动，包括土壤中的腐植质、有机物的分解、污染物的降解、土壤中的能量和营养的循环。土壤中三大类微生物群落的比率是土壤肥力的重要指标，土壤中细菌和放线菌的浓度越高，说明土壤的肥力越高。研究围绕施加磷肥对土壤环境的危害，以及如何利用微生物加快植物对磷肥的吸收展开了详细的介绍，强调在磷肥过度施加的作用下，土壤微生物产生了适应作用。

1.1 施加磷肥的现状

植物中磷素的主要来源是土壤，磷肥的施用是保证土壤含磷的重要保证。土壤矿物对磷素的吸附与固定作用较强，仅5%以下的磷可以被植物吸收。单纯提高施磷量是不适宜的，持续施用磷肥会引起土壤板结、品质下降、环境污染。我国在过去的半个多世纪里一直在施用磷肥，导致土壤表面磷素的富集，但大部分都是无用的或利用性低的Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P和有机磷。

1.2 土壤磷素的形态

磷的质量分数与土壤母质类型及磷矿石肥有关。全国的土壤中磷含量在0.02%～0.11%之间。东北地区的土壤中含磷水平普遍高于全国平均水平，平均为0.17%。由于人类活动的作用，磷的含量在一定程度上具有区域性的变化。通常将土壤中的磷分为两大类：一种是有机磷，另一种是无机磷。

1.2.1 有机磷 不同有机质的含量差异较大，其中有机磷的含量差异较大，南方红壤的有机磷含量在1%以下，而有机磷占全磷10%以下。东北黑土中有机质含量为3%～5%，而有机磷占磷总量的70%。目前，仅有少数几种主要的有机磷结合形式被证实。这些都是植物中常见的植素，占总有机磷的20%～50%，而在动植物和微生物中只有1%的磷脂，而核酸中的磷则有待研究。

1.2.2 无机磷 无机磷的结构比较复杂，可分为溶解型、吸附型和矿化型。无机磷主要成分是矿物态磷。目前对无机磷的有效性的研究仍在进行中，其结果尚需进一步探讨。结果显示，钙磷与钙质土壤中的有效磷水平存在明显的正相关。但也有一些研究显示，磷肥和磷肥能为农作物提供有效的磷源，而钙磷则不行。

1.3 施肥对土壤中磷素的影响

施用化肥是增加土壤中有效磷最直接的途径，但不同的施肥方式，施用比例对土壤中磷的影响也会有所不同。结果显示，长期使用磷肥，能够提高土壤有机质中Al-P、Ca-P的含量，从而提高土壤中磷的利用率，但长期使用则会导致土壤的闭蓄态磷水平下降。施用磷肥后，钙磷、铝磷、铁磷的含量都明显提高，而钙磷的变化最大。长期施用有机肥特别是厩肥，能明显地增加土壤的全磷和有效磷的含量，但比有机无机肥料混合施加的作用要小。

1.4 土壤有机质对土壤肥力的影响

土壤中有机质的营养成分比较全面，它是植物与土壤微生物营养的主要来源。土壤有机质中的胡敏酸具有芳香族的多元酚官能团，可以强化植物呼吸过程中的活动，提高细胞膜的渗透性，促进养料物质迅速进入植物体。土壤有机质能促进土壤良好结构的形成，增加土壤的疏松性、通气性及透水性；
土壤有机质还能提高土壤的保肥力、缓冲性，大量使用有机肥料可以在更大范围内高效率地实现物质的流通和良性循环。

不同的有机肥料具有不同的特点、如粗细、肥力、气味、干湿等。肥力高、有异味的肥料如花生麸、鸡屎肥、猪粪肥等宜深施；
肥力低、无异味的肥料如泥炭土、木屑肥、米糠肥等则可以表施。此外，蘑菇肥、骨粉木渣肥等颗粒较大的适合在种植苗木、铺种草皮时拌土使用。

公园可逐步实现有机肥料的“自产自销”。利用修剪草坪的草屑和乔灌木的枯枝落叶回收，经过粉碎可以产生大量有机肥料“原料”，公厕化粪池沉积产生的发酵物对“原料”进行腐熟后便形成了“产品”。利用自身资源生产有机肥料既免除了公厕化粪池容物外运成本，又节省了购买有机肥料的资金。当微生物肥料中的腐熟剂与这些有机肥料混合施用或预发酵，均可达到增效的目的。

化学肥料的长期、低效施用，往往会造成土壤中某些元素的过分积累和土壤理化性质的变化以及环境污染，给食物安全和人类健康带来影响。微生物肥料的施用对提高土壤养分利用率、改善土壤环境、调控土壤肥力产生巨大的作用。

磷肥生产向复合化、高效浓缩、专业化方向发展，但是，由于原矿的杂质和生产过程中的环境污染，使磷肥中往往含有大量的重金属、有毒化合物和放射性元素。在磷肥生产中，部分有毒有害物质进入磷肥产品。例如，某些小型磷肥厂生产的含三氯乙醛等有害物质，经施用后进入土壤。化肥的使用对土壤的生态环境产生了不可忽略的作用。

2.1 磷肥中的重金属对土壤生态环境的影响

磷肥中的重金属元素与生产磷肥时所用的磷矿石沉淀有关。与火成沉淀相比较，沉淀磷矿中的镉和其他金属含量较高，而砷金属含量较低。所采用的生产过程还可以将岩石中的金属转化为肥料。在制取过磷酸钙时，需要将矿石中的全部金属都转移至磷酸盐，但在制取湿法磷酸时，重金属主要集中在磷酸和磷石膏中，60%～70%的镉进入磷酸，70%～95%的铀、铜、锌及其他金属存在于F型过滤级磷酸中，其余的则加入磷石膏，而磷石膏中的铅为70%～95%[1]。

目前，土壤中镉、铅、砷等有害物质的积累和对环境的潜在威胁已受到重视。根据在山东、北京、云南、浙江和湖南的抽样调查，普钙、磷矿粉、钙镁磷肥、铬渣磷肥中的重金属含量很高。磷矿中的镉含量在80%左右，而铅、砷等的含量则稍低于62%。在毛期施磷后，土壤中镉含量明显增加。澳大利亚新南威尔上因长期过量使用磷，每年施磷450 kg/hm2，一些蔬菜地的土壤中碳氮含量增加了10多倍。另外，四川省的白缮土在15年内连续使用了15年，土壤中镉的浓度从0.052 5 mg/kg增加到0.069 4 mg/kg。重金属是化肥的一种污染物质。

不同类型的磷肥对土壤生态系统的影响表现有所不同。土壤中的汞以无机和有机2种形式存在，并且在特定的环境中相互转换，无机汞的溶解性较低，在土壤中的迁移转化能力较差，而在壤土中微生物的作用下，汞可以转变为甲基化。在好氧和厌氧2种情况下，微生物合成甲基汞。在好氧条件下，甲基汞是以脂溶性的形式存在的，通过微生物可以吸附和累积，进入食品，引起人类的健康损害。不同的作物品种和不同的生长期，汞对植物的伤害也不同。

土壤中的镉有多种形式，主要有2种：一种是水溶性的，另一种是不溶性的。在植物体内，以离子和络合态的形式存在着很大的毒性，而非水溶性的镉则很难被植物吸收，而在不同的环境条件下，它们可以相互转换。比如，在酸性土壤中，镉的溶解度增加，更容易在土壤中迁移；
在土壤的氧化作用下，中国主要磷矿物中的镉含量在0.1～571 mg/kg之间，大多数在0.2～2.5 mg/kg之间，镉很容易被作物吸收。除了pH值和Eh值外，镉的吸附和迁移也受到了伴生离子的影响。

土壤中的铅容易与有机质相结合，而且很难溶解，大部分的铅都是在表层土中出现的，而且基本上不会向下运动。铅对植株的损害主要是叶片中的叶绿素含量降低，影响了植株的呼吸和光合作用[2]。稻谷的吸铅量最大，但以根为主，其次是茎秆和秆实。因此，在铅污染的土地上，草秆是不适宜作为草料的。

2.2 磷肥中放射性元素对土壤生态环境的影响

磷矿中含有铀、镭、氡等少量放射性元素，使用后会造成土地放射性污染。《中国磷肥的放射性“Ra”限量（GB 8921—19）》中，磷肥中“Ra”的含量不应大于500 Bq/kg，而国内生产的磷肥“Ra”含量一般低于国家规定的这一标准。因此，按照当前的磷水平，长期使用不会造成严重的辐射污染。而从国外进口磷矿中获得的“Ra”含量则更高，比如浙江省部分磷肥厂使用摩洛哥磷矿石生产的“Ra”含量都超过了国家二级限值，达到了1 681.5 Bq/kg。因此，进口磷矿石需与国产磷矿石混合，降低“Ra”含量至国家标准以下，方能保证安全生产。

土壤微生物对磷素的生物化学作用有重要的影响。土壤微生物是植物的第2个基因组，可以为有效地利用磷提供绿色途径。长期施用磷肥对土壤中的微生物起着选择性作用，使土壤中的微生物发生了适应作用[3]。

3.1 增强了微生物对土壤磷的转化和利用

土壤中的很多微生物都能将不易被植物吸收的磷转变成可以利用的形式磷。土壤中存在着细菌、真菌和放线菌等微生物，这些微生物在土壤中的分布受土壤类型、利用方式、种植方式等因素的影响。土壤溶解磷微生物在早地中的含量为27%～82%，以细菌最多；
在高有机质含量的黑钙土中，解磷细菌的数目为4.89×107个，而在瓦碱土中只有2×1014个；
在田间土壤中，解磷菌的含量占全磷量1/10左右。

3.2 凸显微生物对无机固定态磷的溶解作用

在土壤中，大量的微生物会导致不溶于水的无机磷被植物吸收。一些学者用钙磷灰石培养基对100多种细菌进行了研究，发现它们不但可以自我繁殖，还可以在单个菌群中形成一个溶蚀环。另有研究认为，黑曲霉、简易青霉、金黄青霉等对难溶性AlPO4有较好的溶解性。林启美等[4]以磷矿粉为唯一磷源进行解磷细菌，6 d后，其溶磷质量分数较未接种时提高10倍以上，且对磷矿粉的溶解性能优于细菌。在3个星期的时间里，高岭石、针铁矿和无定形氧化铝对磷的吸收效率分别为42%～43%、42%～46%、38%～43%，而微生物转化后的磷P含量为17%～34%。

目前，土壤微生物对难溶性无机磷的溶解机制尚不明确。人们普遍认为，微生物活动产生的有机酸或释放出的质子会使土壤 pH值下降，从而加速难溶性磷酸盐的溶解；
微生物对磷的专性吸收也有影响，即有机阴离子与磷酸盐之间存在着竞争的吸附作用，从而释放出磷酸盐[5]。

3.3 促进了微生物降解矿化作用

有机磷质量分数是全磷总量的1/3～1/2，主要由核酸、植素和磷脂3种物质组成，这些物质必须经过降解和矿化才能被植物所吸收。土壤中有机磷的矿化与累积是由土壤微生物通过磷酸酶的催化而发生的。在磷成为制约植物和微生物的最主要因素时，由微生物产生的酸性或碱性磷酸酶将植酸盐、磷脂等有机磷化物分解成简单的无机化合物供植物吸收。有数据表明，用解磷处理的巨型芽孢杆菌可以使土壤有机质含量增加15%；
将该解磷菌接种于含机磷含量高的松软土壤，效果最佳。这主要是由于解磷微生物将有机磷释放而使其成为有用的无机磷。

3.4 提高了微生物对磷的固持效率

有机质的矿化与微生物的固持是土壤有机磷与有机磷转换的重要环节，其主要表现为：有机磷化合物的矿化转化为PO43－，而PO43－则被生物固着转变为有机磷化物。土壤中的磷含量是由2个方向相反且同时进行的2种反应速度决定的。土壤中可降解有机物的磷含量是微生物固定和释放的重要因素。在有机质w (C)/w (P)＞300的情况下，土壤的固持率比矿化率高，且存在着微生物的净固持性；
相反，在此比值小于200时，土壤固持率低于矿化率，则为有机质净矿化。当含磷量低于0.2%～0.3%时，秸秆等植物的残体会发生降解，从而产生有效磷的净固持，使土壤中的有效磷被微生物所占据，引起作物在生长过程中发生竞争关系。在绿肥和肥料的分解前期，土壤中的无机磷和无机磷的降解都表现出了微生物对无机磷的吸附[6]。微生物通过其本身溶解或矿化的部分磷，在其增殖过程中形成了自己的细胞。微生物体内的磷很容易被矿物转化成植物的有效磷，因此，微生物激活的磷必须包含自己所使用的磷。

3.5 VA-菌根真菌对磷的作用效果明显

菌根真菌对土壤磷的吸收和利用具有较大的优势。菌根真菌除了有利用普通微生物激活土壤磷素的作用之外，还可以延伸至其他植物根系无法触及的区域，即植物根系无法渗透的大团块。此外，菌丝体对土壤中低浓度养分的吸收效果优于植株根系，并能增强新根对土壤渗透能力的影响。以VA-菌根真菌为代表的小麦为例，其菌根的酸性、碱性磷酸酶活力、植株对磷素的吸收能力都有所提高。大量的研究数据表明，在大多数主要农作物中，特别是在豆科、禾谷等作物中，菌根对低级磷灰石的利用有显著的促进作用。

磷是植物生长所必需的养分，目前我国1/3～1/2耕地的土壤中普遍存在磷含量不足10 mg/kg的情况。施用磷肥后，容易生成难溶的磷酸盐，很快被土壤中的矿物质所吸收，或被微生物所固持，其当季利用率通常只有10%～25%。磷的利用率较低，但粮食产量的大幅增加又往往需要大量的磷肥，这不但会造成有限磷肥资源的浪费，而且会增加农田径流中的磷含量，从而加剧水体的富营养化。许多土壤中的微生物能够释放出大量的质子和有机酸，从而使不溶于水的无机磷被分解，产生磷酸酶来降解。其中，以磷最为活跃，转化效率高，可转化为高效磷 。因此，寻找有效地激活土壤中的植物磷资源，以提高其利用效率，是促进农业可持续发展和维持生态环境的关键。土壤微生物是土壤中营养物质的转换与循环的重要力量。因此，通过微生物的作用，可以有效地提高土壤营养素的利用率。

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