不同石灰性土壤磷素形態(tài)及其有效性差異

卜玉山,梁美英,張廣峰,2,郭淑紅,3,史曉凱,馬茹茹

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,山西 太谷030801;2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所,山西 忻州034000;3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟作物研究所,山西汾陽 032200)

土壤是植物磷素營養(yǎng)的主要來源,而我國北方石灰性土壤缺磷現(xiàn)象十分普遍,施用磷肥成為提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要農(nóng)藝措施。但由于磷肥的當(dāng)季利用率低[1,2],大部分肥料磷被土壤吸附固定殘留于土壤中,連年大量施用磷肥會導(dǎo)致肥料磷在土壤中累積[1～7]。大量的研究表明,施肥特別是大量施用磷肥以及和有機肥配合施用不僅增加了土壤總磷庫[1～4,7～11]、有機磷庫[1,2,8,11～13]和無機磷庫[1,2,7～12,14～16],而且影響著土壤無機和有機形態(tài)磷的組成和分布,石灰性土壤中的累積態(tài)無機磷主要為二鈣磷(Ca2-P)、八鈣磷(Ca8-以及鋁磷,也有研究表明鐵磷(Fe-P)[8,9,14,16,17]、閉蓄態(tài)磷(OP)[9,12,14,16～18,20]、甚至十鈣磷(Ca10-P)[18]也呈現(xiàn)明顯的積累。而累積態(tài)有機磷多以活性有機磷(LOP)、中等活性有機磷(MLOP)和中穩(wěn)性有機磷(MROP)等形態(tài)為主[12,13,21]。土壤磷的累積顯著提高了土壤供磷能力[3,4,12],可為多茬作物持續(xù)利用[4],繼續(xù)不合理地施用磷肥,不僅造成磷肥資源的浪費[6],降低施肥的經(jīng)濟效益,同時也增大了土壤磷素的遷移性和環(huán)境風(fēng)險[2,3,6,11,20,22～24]。

為解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的不合理施肥現(xiàn)象,目前我國正在全面推廣測土配方施肥,測定土壤供磷能力(速效磷)是測土配方施肥的基礎(chǔ)工作,而土壤中無機、有機形態(tài)磷各組分是土壤速效磷的來源,它們的有效性大小一直是土壤磷素研究的一個重點。多年來許多研究者采用無機、有機形態(tài)磷與速效磷或生物效應(yīng)的簡單相關(guān)關(guān)系[1,9,15,25～30]對它們有效性進行了大量研究,利用通徑分析和逐步回歸[9,21,25～28,31]研究其有效性的也有一些報道。本文通過研究不同類型和利用狀況的石灰性土壤磷素形態(tài)的差異以及無機、有機形態(tài)磷各組分與速效磷的簡單相關(guān)關(guān)系,進而利用通徑分析將簡單相關(guān)關(guān)系區(qū)分為直接影響關(guān)系和間接影響關(guān)系,以進一步比較簡單相關(guān)分析與通徑分析結(jié)果的一致性,并評價通徑分析方法在研究和分析土壤不同磷素形態(tài)對速效磷貢獻大小的實用性,為不同農(nóng)田石灰性土壤合理高效施用磷肥和減少土壤磷素的環(huán)境風(fēng)險提供可能更為科學(xué)合理的理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為2008年春季采自山西省中部盆地與丘陵區(qū)的26個石灰性土壤,其中大棚蔬菜石灰性褐土3個,大田石灰性褐土4個,大田潮褐土3個,大田褐土性土5個,大田黃綿土5個,大田栗褐土3個,石灰性生土3個。大田和大棚土壤采集深度為0～20 cm,石灰性生土采自汾河二級階地2 m深以下,其上部發(fā)育的土壤為石灰性褐土。26個供試土壤的成土母質(zhì)都為黃土母質(zhì)。供試土壤部分性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤類型、利用狀況與部分性質(zhì)Table 1 Type,utilization state and some properties of experimental soils

1.2 研究方法與實施

土樣風(fēng)干后分別過18號和100號篩供室內(nèi)分析用。土壤 pH值(土∶水=1∶2.5)用電位法[32],有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)[32],土壤全氮用凱氏法[32],土壤速效磷采用0.5 mol?L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[32],土壤速效鉀采用 1 mol?L-1NH4OAc浸提火焰光度法[32]。土壤無機磷分組采用蔣柏藩和顧益初1989年提出的方法[33,34],將無機磷分為二鈣磷(Ca2-P)、八鈣磷(Ca8-P)、鋁磷(Al-P)、鐵磷(Fe-P)、閉蓄態(tài)磷(O-P)和十鈣磷(Ca10-P)六類。土壤有機磷的分組采用Bowman和Cole提出的方法[35],將有機磷分為活性有機磷(LOP)、中等活性有機磷(M LOP)、中穩(wěn)性有機磷(MROP)和高穩(wěn)性有機磷(HROP)四類。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003程序和DPS v6.50版軟件進行分析統(tǒng)計和制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 供試石灰性土壤不同磷素形態(tài)含量與分布的差異

26個供試石灰性土壤無機磷總量在304.5～2263.1 mg?kg-1范圍,平均 738.7 mg?kg-1,最高者是最低者的7倍多。不同類型和利用狀況的供試石灰性土壤無機磷總量從高到低依次為:大棚石灰性褐土＞大田潮褐土＞大田石灰性褐土＞大田褐土性土＞大田栗褐土＞大田黃綿土＞石灰性生土,而且全部供試土壤均以Ca-P為主,占到各自無機磷總量的64.8%～93.9%(圖1)。在 Ca-P中,除大棚石灰性褐土平均Ca8-P含量明顯高于平均Ca10-P外,其余土壤均以Ca10-P含量占優(yōu),平均占無機磷的35.4%～81.2%。同時,大棚石灰性褐土、大田石灰性褐土、潮褐土和褐土性土Ca2-P占無機磷比例大于2%、Ca8-P大于19%、Al-P大于12%,而Ca10-P占無機磷比例小于55%。但黃綿土、栗褐土和石灰性生土Ca2-P占無機磷比例小于2%、Ca8-P和Al-P均小于10%,而Ca10-P占無機磷比例大于70%。全部供試土壤O-P和Fe-P含量均較少,且差異也不大。

圖1 供試石灰性土壤無機磷形態(tài)的含量與分布Fig.1 Contents of inorganic phosphorus fractions of experimental calcareous soils

供試石灰性土壤的有機磷總量平均為482.1 mg?kg-1,但不同土壤之間也相差較大,最高者為1467.7 mg?kg-1,最低者僅為95.0 mg?kg-1,相差14倍多。全部供試石灰性土壤均以MLOP為主(見圖2),占有機磷總量的69.7%～91.3%,而LOP、MROP和 HROP僅分別占有機磷總量的0.3%～5.3%、2.5%～13.5%和1.3%～16.2%。大棚石灰性褐土不僅有機磷總量和MLOP均顯著高于其它供試土壤,而且其LOP和MROP也略高于其它土壤。

2.2 供試石灰性土壤無機形態(tài)磷之間及其與速效磷的關(guān)系

由表2可見,供試石灰性土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P均與土壤速效磷呈顯著的正相關(guān)。說明不同無機形態(tài)磷對供試石灰性土壤的速效磷供應(yīng)都有一定作用,從相關(guān)系數(shù)的相對大小可初步判斷Ca2-P對速效磷影響最大,其次為Ca8-P和Al-P,再其次為Fe-P和O-P和Ca10-P,表明Ca2-P、Ca8-P和Al-P三者對供試石灰性土壤有效態(tài)磷的補給和作物磷素供應(yīng)具有重要的作用,Fe-P和O-P甚至Ca10-P對土壤速效磷的補給和作物供磷也具有一定的作用。同時Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P相互之間也存在著顯著的正相關(guān),表明在供試石灰性土壤中6種無機形態(tài)磷相互之間存在著不同程度的內(nèi)在聯(lián)系。

圖2 供試石灰性土壤有機磷形態(tài)的含量與分布Fig.2 Contents of organic phosphorus fractions of experimental soils

表2 無機形態(tài)磷之間及其與速效磷的相關(guān)性Table 2 The correlations of different inorganic phosphorus fractions and available P

2.3 供試石灰性土壤有機形態(tài)磷之間及其與速效磷的關(guān)系

由表3可見,LOP、MLOP、MROP與土壤速效磷之間均達到顯著正相關(guān),而HROP與速效磷之間無相關(guān)性。同時,LOP、MLOP、MROP相互之間也存在著顯著正相關(guān),表明三者之間存在著明顯的相互聯(lián)系和相互影響的關(guān)系。從相關(guān)系數(shù)的大小看,MLOP對補充供試土壤速效磷作用最大,其次為 LOP,MROP也有一定作用,而 HROP因穩(wěn)定性高難于分解,對補給土壤有效性磷的作用很差。

表3 有機磷組分之間及其與速效磷的相關(guān)性Table 3 The correlations of different organic phosphorus fractions and available P

2.4 不同無機和有機形態(tài)磷對速效磷的直接和間接影響分析

因為無機形態(tài)磷相互之間、有機形態(tài)磷相互之間存在不同程度的相關(guān)性,以上利用簡單相關(guān)性分析不同無機和有機形態(tài)磷對土壤速效磷影響的結(jié)果并不能說明各種無機和有機形態(tài)磷對土壤速效磷的直接影響,而可能是間接影響。利用通徑分析可以將因果關(guān)系中的直接影響和間接影響區(qū)分開來。通徑分析結(jié)果 (表4)表明,無機形態(tài)磷中Ca2-P對供試土壤速效磷的直接影響達到顯著水平,其它5種無機形態(tài)磷對速效磷的直接影響均不顯著,但通過Ca2-P對速效磷的間接影響均達到顯著水平,因此,它們與速效磷顯著的正相關(guān)主要是由于間接影響。

表4 無機磷組分對速效磷的直接和間接影響Table 4 The direct and indirect effects of different inorganic phosphorus fractions on available P

表5通徑分析結(jié)果表明,MLOP和 LOP對供試土壤速效磷的直接影響均達到顯著水平,而MROP和HROP對速效磷基本無直接影響,而且LOP和MROP通過MLOP對速效磷的間接影響都達到顯著水平,但H ROP對速效磷也基本無間接影響。

表5 有機磷組分對速效磷的直接和間接影響Table 5 The direct and indirect effects of different organic phosphorus fractions on available P

3 結(jié)論與討論

供試26個石灰性土壤的有機磷和無機磷總量差異明顯,二者均以大棚石灰性褐土最高,石灰性生土最低。而且不同無機和有機形態(tài)磷的分布比例也有明顯不同。其原因雖與自然成土因素的不同有關(guān),但人為因素農(nóng)業(yè)利用和管理強度不同是導(dǎo)致其磷素差異的重要原因。周寶庫等[8]23年研究結(jié)果表明,施用磷肥黑土全磷增加53.9%～65.7%、速效磷增加6～15倍,無機形態(tài)磷中,Ca2-P增加4～15倍,Ca8-P增加4～16倍,Al-P增加1.6～11.8倍,Fe-P增加1.4～4.4倍,O-P增加0.6～1.7倍,Ca10-P增加0.3～0.7倍。謝林花等[12]的研究結(jié)果表明,23年長期施肥增加了塿土無機、有機磷總量,同時無機磷中Ca2-P、Ca8-P、A1-P的比例增大,Ca10-P、Fe-P、O-P的比例降低,有機肥可增加土壤有機磷各組分的含量,而化肥則主要是促進穩(wěn)定性有機磷向活性、中活性有機磷轉(zhuǎn)化。梁國慶等[18]研究結(jié)果表明,長期單施無機磷肥,石灰性潮土無機磷含量有所提高,積累的無機磷約60%轉(zhuǎn)化成Ca10-P和OP,有機肥與化肥配臺施用,積累的無機磷約有2/3轉(zhuǎn)化成Ca2-P和Ca8-P。Yang等[13]研究表明,施用有機物質(zhì)顯著增加水稻土活性有機磷、中活性有機磷和中穩(wěn)性有機磷。尹金來等[21]研究也表明,施用豬糞和磷肥顯著地增加了石灰性土壤活性、中活性和中穩(wěn)性有機磷的含量,其中以中活性有機磷增量最大。因此,在成土母質(zhì)均為性質(zhì)相似的黃土母質(zhì)條件下,可以認(rèn)為供試石灰性土壤有機磷和無機磷總量及其不同形態(tài)分布的差異主要是由于利用管理強度特別是施肥不同的結(jié)果。

大棚石灰性褐土不僅有機、無機磷總量顯著高于其它供試石灰性土壤,而且無機形態(tài)磷中活性較高的Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量顯著高于其它供試土壤,同時與其他供試土壤截然不同的是Ca8-P含量超過 Ca10-P,與李新平[14]、劉建玲[1,6]、李粉茹[19]、宋付朋[7]等大棚菜地或大田菜地的研究結(jié)果相一致。有機形態(tài)磷中MLOP含量顯著高于其它供試土壤,同時 LOP和MROP也略高于其它土壤。正如張維理等[23]研究指出,由于種植蔬菜效益高,菜農(nóng)為了追求效益,超高量施用氮、磷肥料,單季作物化肥純養(yǎng)分用量一般為普通大田作物的數(shù)倍甚至數(shù)十倍,導(dǎo)致土體養(yǎng)分大量積累,成為水體富營養(yǎng)化的主要潛在威脅之一。劉建玲等[1]的研究結(jié)果表明,北方蔬菜保護地土壤全磷、無機磷、有機磷、Olsen-P的平均含量是一般耕地土壤的2.7～14.0倍。李艾芬等[3]的研究結(jié)果表明,隨著種植年限的增加,蔬菜地土壤全磷、速效磷 (Olsen P)和NO3-N呈明顯的積累,同時土壤N和P垂直下移漸趨明顯,地表徑流中氮和磷濃度呈明顯增加。因此,對大棚蔬菜地及高肥力大田蔬菜地,應(yīng)改變目前為最求最大收入而不合理地大量投入肥料特別是磷肥的現(xiàn)狀,同時應(yīng)將目前以土壤供氮能力確定肥料用量的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝寥拦┝啄芰Υ_定肥料用量,以避免肥料磷在土壤中持續(xù)積累和增加,出現(xiàn)美國等發(fā)達國家正在大量研究解決的富磷土壤環(huán)境問題。

供試石灰性土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P均與土壤速效磷呈顯著的正相關(guān),與韓曉日等[28]的研究結(jié)果形同。通徑分析進一步表明,供試土壤無機磷中只有Ca2-P對速效磷具有顯著的直接影響,與沈仁芳等[27]黃土母質(zhì)或沖積性黃土母質(zhì)上發(fā)育的16個石灰性土壤不同無機形態(tài)磷對植物吸磷量的逐步回歸分析結(jié)果相一致。不同于Wang Jun等[9]黑壚土無機形態(tài)磷中Ca8-P對速效磷的直接影響最大的研究結(jié)果,也不同于向春陽等[25]白漿土上、王艷玲等[26]黑土上的通徑分析結(jié)果。Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P與速效磷顯著的相關(guān)性表現(xiàn)為它們通過Ca2-P均對速效磷有顯著的間接影響。有機磷中MLOP和LOP對速效磷均有顯著的直接影響,與尹金來等[21]3個石灰性土壤上黑麥草吸磷總量與土壤有機形態(tài)磷減少量的通徑分析結(jié)果基本一致。LOP和MROP通過MLOP對速效磷也具有顯著的間接影響,H ROP對速效磷既無明顯的直接影響,也無明顯的間接影響。因此,與簡單相關(guān)分析比較,分析不同形態(tài)磷素對土壤速效磷的影響用通徑分析更為簡單明確。

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