传统的磷循环认为气态磷化氢是不存在的，磷素只在可溶态与不可溶态以及无机态与有机态之间进行转化.Dévai 1988年首次在污水处理厂污泥和浅水湖泊沉积物中检测到磷化氢(PH₃)的释放(Dévai et al., 1988).随后，在垃圾填埋场、养殖场、湿地、水稻田、沉积物中均发现磷化氢的存在(Han et al., 2003; 王晓蓉等，2003；Glindemann et al., 2005; Zhu et al., 2009; 洪宇宁，2010)，磷化氢已被证实广泛存在于自然环境中.PH₃作为一种痕量挥发性磷化物，必然在磷的生物地球化学循环中发挥作用，这是对磷循环理论的重要补充.

我国74% 的耕地土壤缺磷，且土壤中95%以上的磷为无效磷，磷素缺乏已成为制约我国农业发展的一个重要因素.Han等研究发现，水稻田是大气环境中磷化氢产生的一个重要来源，水稻田上空大气中的磷化氢浓度明显要高于其他环境中磷化氢的浓度(Han et al., 2000).Niu等也发现水稻植株是磷化氢释放的主要途径，产生的气态PH₃释放到大气之前首先与土壤达到吸附解吸平衡，其中不被吸附的过量气态PH₃才释放到大气中(Niu et al., 2013).磷化氢是一种强还原性气体，在环境中极易被氧化为可被植物利用的磷酸盐.

目前，有关磷化氢的研究主要集中在环境中磷化氢的产生和分布，而关于磷化氢对水稻根际环境及土壤中有效磷的影响研究尚未见报道.虽然对于磷化氢在土壤中具体的循环机制尚不明确，但是如果磷化氢的转化可以作为作物生长所需磷的一种补充，这将具有十分重要的理论与现实意义.鉴于此，本文通过模拟研究磷化氢对水稻根际环境(pH值、氧化还原电位、Fe²⁺、Mn²⁺、磷酸酶活性)和土壤中有效磷的影响，旨在探讨磷化氢的环境效应.

水稻供试品种为天优3618，由广东省农业科学院水稻研究所提供.土壤为黄壤土，来自广州华南农业大学试验田.供试土壤的基本情况如下：pH 6.78； 有机质含量27.54 g · kg^-1； 全氮含量 0.72 g · kg^-1； 全磷含量 0.93 g · kg^-1； 速效磷含量 25.62 mg · kg^-1(0.5 mol · L^-1 NaHCO₃ 溶液浸提)；有效钾 63.67 mg · kg^-1(1 mol · L^-1 NH₄OAC 溶液浸提).

水稻种子经0.2% 高锰酸钾消毒10 min后，用蒸馏水冲洗干净，去离子水浸泡4 h后平铺在托盘中，用湿润的纱布覆盖，置于25 ℃恒温箱中浸种48 h，然后选根、芽生长状况一致的稻苗播入装有土的根袋分根装置中.根袋分根系统主要包括1个直径为18 cm的PVC柱，PVC柱中包含一个直径为7 cm根袋(由25 μm的尼龙网构成).水稻幼苗在根袋中生长，通过网格空隙从土壤中吸收水分及养分，同时阻止水稻根系超出根袋生长，达到根际分离的效果.自然条件下培养1个月后，选择生长状况相似的水稻幼苗作试验材料，将实验水稻幼苗置于植物培养箱中培养，具体条件为：光照14 h/10 h，光照强度为550 lx，昼夜温度为25 ℃/20 ℃，空气相对湿度为80%，每天早上浇水以保持2 cm覆水.水稻苗的磷化氢处理包括0，1.4，4.2，7.0 mg · m^-3 4个浓度水平，0 mg · m^-3的磷化氢水平为空白对照.植物培养箱中不同浓度的磷化氢是通过磷化氢控制器进行控制，由培养箱的空气，二氧化碳和1390 mg · m^-3浓度的磷化氢混合确定.每批处理持续30 d，每天晚上19:00～20:30通入磷化氢90 min.

磷化氢处理水稻苗期间，水稻根际与非根际土壤的pH和氧化还原电位的测定需每天定时进行，Fe²⁺、Mn²⁺、磷酸酶和有效磷的测定则在第0 d，5 d，10 d，15 d，20 d，25 d和30 d进行.

(1)pH、氧化还原电位和温度的测定

水稻根际与非根际土壤pH、土壤氧化还原电位(E_h，mV)和温度通过土壤测定仪(Spectrums，IQ 170，U.S.A.)进行原位测定.

(2)Fe²⁺和Mn²⁺的测定

称取10 g 新鲜土样，加入硫酸铝浸提剂(0.1 mol · L^-1，pH:2.5)150 mL，振荡5 min后，用干滤纸过滤，并立即分别进行各项测定.Fe²⁺采用邻菲啰啉法，Mn²⁺的测定采用高碘酸钾法(刘志光和于天仁，1962).

(3)磷酸酶的测定

磷酸酶的测定采用磷酸苯二钠比色法进行测定(Zhu et al., 2011).

(4)有效磷的测定

有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定(王芹等，2009).

所有试验数据采用3次重复的平均值，由SPSS 19.0 进行统计分析.显著性分析采用LSD双因素(在磷化氢浓度和暴露时间之间)分析(p≤0.05).

磷化氢对水稻根际与非根际土壤pH、E_h和温度的影响见表 1，由表 1可知，水稻非根际土壤pH明显高于根际土壤pH，说明水稻根系具有较强的有机酸分泌能力.经磷化氢处理后，根际土壤pH明显下降，而在非根际土壤中磷化氢对pH的影响不明显.磷化氢对E_h的影响与pH不同，磷化氢的处理使得水稻根际与非根际土壤的E_h均增大.但相比而言，根际土壤的E_h要高于非根际土壤的E_h.而水稻根际与非根际土壤的温度基本上没变化，都保持在23 ℃附近.

表1(Table 1)

表1 不同浓度磷化氢作用下水稻根际与非根际土壤的pH、Eh和温度的变化 Table 1 Changes of pH，Eh and temperature in rhizosphere and non-rhizosphere soil of rice seedlings under different concentrations of phosphine

表1 不同浓度磷化氢作用下水稻根际与非根际土壤的pH、Eh和温度的变化 Table 1 Changes of pH，Eh and temperature in rhizosphere and non-rhizosphere soil of rice seedlings under different concentrations of phosphine 测试指标土样 pH Eh 温度/℃ 根际 非根际 根际 非根际 根际 非根际 0 mg·m-3 6.88(0.06) 7.14(0.10) 10.5(0.21) -3.52(0.12) 22.4(0.03) 22.0(0.04) 1.4 mg·m-3 6.57(0.07) 7.01(0.09) 22.7(2.25) 6.78(0.13) 23.0(0.22) 22.7(0.29) 4.2 mg·m-3 6.59(0.12) 6.99(0.07) 21.5(1.78) 10.2(0.86) 23.6(0.98) 23.7(1.08) 7 mg·m-3 6.59(0.11) 7.03(0.10) 17.0(1.77) 8.42(1.23) 22.8(0.27) 22.9(0.30) 注：表中数据为30 d数据的平均值，括号内的是标准偏差.

磷化氢对水稻根际与非根际土壤Fe²⁺的影响见图 1，在水稻根际土壤中，磷化氢处理的前10 d内，Fe²⁺含量基本保持不变，15 d后，Fe²⁺含量急剧下降.而且，随着磷化氢浓度的增大，Fe²⁺含量下降的越少.30 d后，水稻根际土壤中Fe²⁺含量在磷化氢0，1.4，4.2，7.0 mg · m^-3浓度下，分别下降至84.3、97.0、157、159 mg · kg^-1(图 1a)；在水稻非根际土壤中，Fe²⁺含量在磷化氢作用下变化不明显，基本维持在350～400 mg · kg^-1(图 1b).水稻非根际土壤的Fe²⁺含量比根际土壤的Fe²⁺含量高.

图 1(Fig. 1)

图 1 磷化氢对水稻根际与非根际土壤(a.根际土；b. 非根际土)Fe2+含量的影响(不同小写字母表示不同暴露时间之间水稻根际与非根际土壤Fe2+含量存在显著性差异；不同大写字母表示不同磷化氢处理之间水稻根际与非根际土壤Fe2+含量存在显著性差异) Fig. 1 Effects of phosphine on Fe2+ content in rhizosphere and non-rhizosphere soil for rice seedlings(a. rhizosphere soil; b.non-rhizosphere soil)

磷化氢对水稻根际与非根际土壤Mn²⁺的影响，与磷化氢对水稻根际与非根际土壤Fe²⁺的影响呈现相似的趋势，见图 2.由图 2a可以看出，在水稻根际土壤中，磷化氢处理的前15 d内，Mn²⁺含量下降比较平缓，15 d之后，亚锰含量急剧下降.而且，随着磷化氢浓度的增大，Mn²⁺含量下降的越少.30 d后，水稻根际土壤中Mn²⁺含量在磷化氢为0、1.4、4.2、7.0 mg · m^-3时，分别下降至0.27、0.72、1.51、2.37 mg · kg^-1.在水稻非根际土壤中，Mn²⁺含量在磷化氢作用下变化不明显，基本维持在9.50～12.50 mg · kg^-1.水稻非根际土壤的Mn²⁺含量比根际土壤的Mn²⁺含量高.

图 2(Fig. 2)

图 2 磷化氢对水稻根际与非根际土壤(a.根际土；b.非根际土)Mn2+含量的影响(不同小写字母表示不同暴露时间之间水稻根际与非根际土壤Mn2+含量存在显著性差异；不同大写字母表示不同磷化氢处理之间水稻根际与非根际土壤Mn2+含量存在显著性差异) Fig. 2 Effects of phosphine on Mn2+ content in rhizosphere and non-rhizosphere soil for rice seedlings(a. rhizosphere soil; b. non-rhizosphere soil)

磷酸酶活性是评价土壤磷素生物转化方向与强度的指标.在pH 4~9的土壤中存在碱性磷酸酶，土壤中的有机磷通过碱性磷酸酶转化为无机磷供作物吸收利用.磷化氢对水稻根际与非根际土壤碱性磷酸酶活性的影响如图 3所示，分析发现，磷化氢对水稻根际与非根际土壤碱性磷酸酶活性的影响表现出相同的变化趋势，磷化氢处理前15 d，碱性磷酸酶活性相对较低且变化不明显，15 d后，碱性磷酸酶活性随着磷化氢浓度和暴露时间的增加而增加，而且在高浓度的磷化氢(7.0 mg · m^-3)作用下，相比较于低浓度磷化氢(0，1.4，4.2 mg · m^-3)，碱性磷酸酶活性升高幅度更大.在磷化氢的处理下，水稻根际土壤的碱性磷酸酶活性明显高于非根际土壤的碱性磷酸酶活性(p≤0.05).

图 3(Fig. 3)

图 3 磷化氢对水稻根际与非根际土壤(a.根际土；b.非根际土)碱性磷酸酶活性的影响(不同小写字母表示不同暴露时间之间水稻根际与非根际土壤碱性磷酸酶活性存在显著性差异；不同大写字母表示不同磷化氢处理之间水稻根际与非根际土壤碱性磷酸酶活性存在显著性差异) Fig. 3 Effects of phosphine on alkaline phosphatase activities in rhizosphere and non-rhizosphere soil for rice seedlings(a. rhizosphere soil; b. non-rhizosphere soil)

磷化氢对水稻根际与非根际土壤有效磷的影响见图 4，水稻非根际土壤的有效磷含量高于根际土壤的有效磷，但是两者相差不大.磷化氢对水稻根际与非根际土壤有效磷含量的影响表现出相同的变化趋势，均随着磷化氢浓度和暴露时间的增加而增加.在7.0 mg · m^-3磷化氢浓度下处理30 d时，土壤中有效磷含量达到最大，根际土壤中有效磷含量是空白对照的1.69倍，而非根际土壤中有效磷含量是空白对照的1.75倍.而且，随着磷化氢浓度的增大，根际与非根际土壤中有效磷含量的差异越来越小.

图 4(Fig. 4)

图 4 磷化氢对水稻根际与非根际土壤(a.根际土；b.非根际土)有效磷含量的影响(不同小写字母表示不同暴露时间之间水稻根际与非根际土壤有效磷存在显著性差异；不同大写字母表示不同磷化氢处理之间水稻根际与非根际土壤有效磷存在显著性差异) Fig. 4 Effects of phosphine on available phosphorus content in rhizosphere and non-rhizosphere soil for rice seedlings(a. rhizosphere soil; b. non-rhizosphere soil)

养分的有效性是由土壤物理、化学和生物学特性，特别是根系主导的根际动态过程所决定的(刘世亮等，2003).根系引起根际pH值和氧化还原电位、根分泌物以及由此引起酶活性的改变，从根本上决定着根际养分的动态(张福锁和曹一平，1992).表 1表明在磷化氢影响下，土壤pH呈现下降趋势，这也与Niu et al.(2013)结果相同.而氧化还原电位的变化与pH的变化相反，可能是由于水稻是一种嫌气生长的植物，拥有通气组织从地上部向根输送O₂，并由根释放到根际，使根际氧化还原电位升高.而且，磷化氢是一种还原性物质，需要较高的氧化还原电位将其氧化成可供植物利用的磷形态.根际酸化作用增加了Fe(Ⅲ)的溶解度和移动性，同时也有利于它的还原和被吸收.另外，由于水稻根际比非根际的氧化还原电位要高，从而导致根际Fe²⁺浓度比非根际相对要低.而作为另一还原性物质之一的Mn²⁺，与亚铁表现出了相似的变化趋势.耿金菊等在模拟环境条件下研究湖泊沉积物中磷化氢的行为发现，Fe³⁺能够加速沉积物中PH₃的消失(耿金菊等，2005).而Zhu 等也发现了磷化氢的释放和Fe、Al、Mn 3种金属的含量表现出明显的正相关趋势(Zhu et al., 2006).而这也与我们的实验结果是相符的，随着磷化氢含量的增加，Fe²⁺和Mn²⁺含量增加(图 1和图 2).

土壤酶是一类能催化土壤生物学反应的蛋白质，主要来自微生物和植物根系的分泌作用，是土壤肥力的一个重要标志，也是土壤有机养分转化的一个重要因素(张亮，2008).碱性磷酸酶，作为土壤酶中的水解酶类，能够转化有机磷为无机磷，用来表征土壤磷的状况.图 3表明，磷化氢处理前15 d，碱性磷酸酶活性相对较低且变化不大，15 d后，碱性磷酸酶活性随着磷化氢浓度和暴露时间的增加而增加.其原因一方面可能是碱性磷酸酶活性随着水稻的生长发育而增加，在磷化氢处理的前15 d内，水稻根系系统处于恢复阶段，水稻生长相对较慢，且水稻吸收营养物质的能力相对较弱.而随着磷化氢处理时间的延长，水稻也向着分蘖期和拔高期生长.而这段时间是水稻生长最旺盛的阶段，也是土壤酶活性最强的时期(李阳生和李绍清，2000).为了促进水稻的新陈代谢，水稻根系将分泌出更多的有机酸和碳水化合物，进而刺激相关酶的活性.另一方面可能是高浓度的磷化氢加强了磷酸酶活性.Zhu发现磷化氢浓度与碱性磷酸酶活性呈现明显的正相关关系(Zhu et al., 2011，2013).也正是由于根际土壤中有水稻根系的存在，根际土壤的碱性磷酸酶活性要明显高于非根际土壤碱性磷酸酶活性(p≤0.05).虽然非根际土壤中没有植物根系的活动，但碱性磷酸酶活性也是逐步增高的.这可能与微生物活动加强而分泌磷酸酶以及其它土壤生物活动的加强有关.

土壤缺磷是制约作物生产的主要因素之一，尽管土壤总磷含量很高，但是土壤中的磷素大部分以迟效性状态存在，土壤有效磷含量仅仅只占土壤总磷的极少部分，所以寻求一种促进土壤磷向土壤有效磷转化的途径具有至关重要的意义.在图 4中，根际土壤中有效磷含量要比非根际土壤有效磷含量低，表明水稻根际出现了磷的亏缺.这是由于水稻根系的吸收，限制了磷酸根离子的迁移与扩散，导致水稻根际磷的损耗(Chen et al., 2002).随着磷化氢浓度的增加，根际与非根际土壤的有效磷含量都有提高，这说明一定浓度的磷化氢对土壤磷表现出活化效应.Hong 发现在黄海西南部磷化氢与无机磷表现出明显的正相关关系(Hong et al., 2010).而且，Zhu 也发现沉积物中基质结合态磷化氢的产生与有机磷的降解和微生物介导的其他因素具有一定关系(Zhu et al., 2014).所以，图 4的结果可能是由于一方面存在水稻根系对磷的吸收，另一方面由于磷化氢的处理，使得土壤中存在一系列其他的根际过程，来抵消水稻根系的吸收损耗.

1)一定浓度的磷化氢，导致根际土壤pH明显下降，而非根际土壤中pH的变化不明显.磷化氢对氧化还原电位(E_h)的影响与pH不同，磷化氢的处理，使水稻根际与非根际土壤的E_h均增大.

2)Fe²⁺、Mn²⁺同作为还原性物质，磷化氢对水稻根际与非根际土壤Fe²⁺、Mn²⁺的影响具有相似性.在水稻根际土壤中，磷化氢处理的前15 d，Fe²⁺、Mn²⁺含量下降的比较平缓，15 d后，Fe²⁺、Mn²⁺含量急剧下降.且随着磷化氢浓度的增大，Fe²⁺、Mn²⁺含量下降的越少.在非根际土壤中，亚铁、亚锰含量随暴露时间和磷化氢浓度的变化都不明显.

3)磷化氢对水稻根际与非根际土壤碱性磷酸酶活性的影响表现出：在磷化氢处理前15 d，碱性磷酸酶活性相对较低且表现出轻微的浮动，15 d后，碱性磷酸酶活性随着磷化氢浓度和暴露时间的增加而增加.总体上来看，在磷化氢的处理下，水稻根际土壤的碱性磷酸酶活性明显高于非根际土壤的碱性磷酸酶活性.

4)水稻在磷化氢的处理下，根际土壤中有效磷含量要比非根际土壤有效磷含量低，水稻根际出现了磷的亏缺.随着磷化氢浓度的增加，根际与非根际土壤的有效磷含量都有提高，表明一定浓度的磷化氢对土壤磷表现出活化效应.这可能是水稻在磷化氢的处理下，土壤中存在一系列其他的根际过程，来抵消水稻根系的吸收损耗.