不同施肥配比對(duì)土壤磷素固液相分配及組分的影響

李春越,王 益,黨廷輝*,王萬(wàn)忠,劉文兆(.陜西師范大學(xué)西北國(guó)土資源研究中心,陜西 西安 7006；.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,水土保持研究所,陜西 楊凌 700)

不同施肥配比對(duì)土壤磷素固液相分配及組分的影響

李春越1,王 益2,黨廷輝2*,王萬(wàn)忠2,劉文兆2(1.陜西師范大學(xué)西北國(guó)土資源研究中心,陜西 西安 710062；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

以陜西長(zhǎng)武國(guó)家長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站土壤樣品為研究對(duì)象,采用25a小麥連作試驗(yàn)田不同氮磷配比處理11個(gè),氮磷有機(jī)肥配施處理8個(gè)來(lái)研究不同肥料處理對(duì)磷素固液相分配及其磷素組分的影響,結(jié)果表明,黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)磷素固液相分配系數(shù)與 Ca2-P和活性有機(jī)磷具有一定的相關(guān)性.同等氮素水平下(N90),隨著施入磷素的增加,土壤中全磷、固相磷和液相磷的含量均呈增加趨勢(shì),而固液相分配系數(shù)卻呈減少趨勢(shì).同一磷素(P90)水平下,氮素的施入對(duì)磷素利用也存在一定的影響,全磷在 N135時(shí)達(dá)到最小值,固相速效磷有減少趨勢(shì),液相磷在N135時(shí)達(dá)到最大值,固液相分配系數(shù)以單施磷處理(無(wú)氮肥施入)最大.Ca2-P和活性有機(jī)磷對(duì)于磷素的固液相分配起著一定的決定作用,有機(jī)物質(zhì)對(duì)磷素的有效性具有很大的激發(fā)作用.平衡施肥對(duì)磷素高效利用和減少面源污染具有很重要作用.

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)；施肥；土壤磷素；固液相分配系數(shù)；面源污染

磷素是作物生長(zhǎng)的重要需求元素之一.然而,我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料利用率相對(duì)較低,磷素單季利用率僅為 10%~20%,不僅造成磷肥資源的浪費(fèi),而且這部分累積在土壤中的磷素通過(guò)農(nóng)田排水、地表和地下徑流以及漏滲等方式進(jìn)入水體,導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題.提高磷素利用,減少面源污染,將對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起著重要作用[1-4].

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)是通過(guò)長(zhǎng)期施肥(化肥、有機(jī)肥等)而建立起來(lái)的土壤養(yǎng)分庫(kù),其多年連續(xù)的跟蹤研究和大量數(shù)據(jù)的積累,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境研究都具有指導(dǎo)和參考價(jià)值[5-7].對(duì)于磷素的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究,已經(jīng)取得一些成果.如長(zhǎng)期不同施肥方式都會(huì)導(dǎo)致土壤中全磷和速效磷含量產(chǎn)生不同程度的累積[8-9].還有學(xué)者研究了在長(zhǎng)期定位施肥條件下土壤全磷、速效磷、無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷的剖面分布特征、分析了不同形態(tài)土壤磷素之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系及其有效性,不同施肥條件下土壤磷素有效性規(guī)律、空間分布規(guī)律以及形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律等等[10-14].但是以往的研究對(duì)于環(huán)境直接相關(guān)的固液相分配規(guī)律研究較少.本研究基于 25a長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)肥料配比試驗(yàn)樣品,利用高速離心法研究施肥后的磷素固液相分配特征的影響,同時(shí),分析磷素組分與固液相分配的關(guān)系,旨在探討肥料配施和不同肥料配比對(duì)磷素有效性的影響,從而為提高磷素利用率,減少面源污染提供合理科學(xué)的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原南部的長(zhǎng)武塬區(qū)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站十里鋪輪作與肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)場(chǎng)(107°44.703′E,35°12.787′N(xiāo)),塬面地勢(shì)平坦,屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候.海拔 1220m,多年平均降水 584mm,且季節(jié)性分布不均,年均氣溫9.1℃,無(wú)霜期171d.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴生育期的天然降水和前期土壤蓄水,屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū).土壤類(lèi)型為黃蓋黏黑壚土,母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土.土層深厚,土質(zhì)疏松,肥力中等,田間持水量為 22.4%,凋萎濕度 9%.長(zhǎng)期定位試驗(yàn)于1984年秋季開(kāi)始,布置試驗(yàn)時(shí)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量 10.5g/kg,全氮 0.8g/kg,速效磷4.58mg/kg,速效鉀 129.3mg/kg.地下水埋深 60m.樣品的采集包括小麥連作肥料氮磷配比和小麥輪作氮磷有機(jī)肥配施試驗(yàn)兩部分.

1.1.1 氮磷配比試驗(yàn) 氮磷配比處理試驗(yàn)共設(shè)計(jì) 11 個(gè)處理,分別為:及 N90P90K90,即對(duì)照,同等磷素(P2O590kg/hm2)水平下,設(shè)置的 N素水平分別為每 hm2施純氮0,45,90,135,180kgN kg/hm2;同等氮素(N 90kg/hm2)水平下,設(shè)置的 P素水平分別相當(dāng)于每 hm2施P2O50,45,90,135,180kg P2O5kg/hm2.每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),小區(qū)面積為22m2.

1.1.2 氮磷有機(jī)肥配施試驗(yàn) 氮、磷、有機(jī)肥配施是從 25a長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)中選取小麥連作施肥的 8個(gè)處理,分別為 L-CK(不施肥)、L-N(單施氮肥)、L-P(單施磷肥)、L-NP(氮、磷肥配施)、L-M(單施有機(jī)肥)、L-NM(氮肥、有機(jī)肥配施)、L-PM(磷肥、有機(jī)肥配施)、L-NPM(氮、磷、有機(jī)肥配施).隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù).試驗(yàn)施尿素(以 N 計(jì))120kg/hm2,過(guò)磷酸鈣(以 P2O5計(jì))90kg/hm2,有機(jī)肥為廄肥 75t/hm2(有機(jī)質(zhì)含量10. 6%,全氮含量0.265%,速效磷含量109.3mg/kg,速效鉀含量644.8mg/kg).每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),小區(qū)面積6.6m×10m.

試驗(yàn)作物為冬小麥,品種1984、1985年用秦麥4號(hào),1986~1995年用長(zhǎng)武13號(hào),1996年以后用長(zhǎng)武134號(hào),播種期為9月中下旬,每年小麥?zhǔn)斋@期為 6月下旬,所有肥料于每年作物播種前撒施地表,翻入土中.試驗(yàn)管理措施同大田.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 固液相分配測(cè)定 在以上試驗(yàn)處理小區(qū),用日本日立公司生產(chǎn)的 Himac-CR21型高速離心機(jī)配置的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀采取土樣.采樣前后稱(chēng)取環(huán)刀重量,并測(cè)定土壤含水量,在實(shí)驗(yàn)室將其具有樣品的環(huán)刀置入一定體積的水溶液的托盤(pán)中(同時(shí)用蒸餾水飽和土樣作為對(duì)照),使其吸水飽和,擱置沙盤(pán)上排去重力水,培養(yǎng)平衡1周時(shí)間,然后將環(huán)刀裝入離心管,用日本日立公司生產(chǎn)的Himac-CR21型高速離心機(jī)設(shè)置不同高轉(zhuǎn)速離心.離心前后稱(chēng)重,并收集平衡液,同時(shí)取離心后的土樣,測(cè)定溶液與土樣中有效磷(Olsen法).另取一部分土樣在 105℃下烘干測(cè)定相應(yīng)的土壤含水量.每處理重復(fù)3次.其中土壤固液相分配系數(shù) Kd＝土壤中固相磷素含量 X1(單位:mg/kg)/溶液中磷素含量X2(單位:mg/kg).

1.2.2 有機(jī)、無(wú)機(jī)磷組分等項(xiàng)目測(cè)定 無(wú)機(jī)磷分級(jí)采用文獻(xiàn)[15]方法;有機(jī)磷分組用 Bowmancole法[16];全磷測(cè)定采用HCl04-H2SO4消煮法;有效磷采用 Olsen法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法;土壤pH值用電位測(cè)定法[17].

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用 SAS 8.2統(tǒng)計(jì)軟件統(tǒng)計(jì)分析和Sigmaplot 11.0軟件繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥連作試驗(yàn)不同氮、磷配比對(duì)磷素固液相分配的影響

圖1為氮磷配比施肥的11個(gè)處理各磷素含量.從圖 1可以看出,25a連續(xù)不同處理施肥的土壤與對(duì)照相比,肥料施入土壤后,土壤的固相磷、液相磷、Kd和全磷均發(fā)生不同比例的變化,但是施入的氮磷配比不同,土壤中各種狀態(tài)的磷素變化幅度不同.土壤液態(tài)磷是可供植物直接吸收的磷,是植物吸收利用的最有效形態(tài),某種程度上它的大小直接影響著磷素利用率,其含量較低.從圖1c可以看出,不同施肥處理中土壤液相磷含量變化幅度在0.1~0.8mg/kg之間,且隨著土壤施入磷量的增加而增加.土壤溶液中磷濃度一般受施肥方式及土壤固相磷的數(shù)量和結(jié)合狀態(tài)影響,它的補(bǔ)給可能主要依賴于磷酸鹽礦物的溶解和吸附固定態(tài)磷的釋放[18].土壤固相磷是土壤中的速效磷除去液相的磷,存在于土粒當(dāng)中的磷素,在不同肥料處理中的含量在5~30mg/kg之間(圖 1d).在同一氮水平下(N90),固相磷在土壤中的變化趨勢(shì)基本與液態(tài)磷保持一致,隨著磷素的增加,其固相磷素增加;而在同一磷素水平下(P90),隨著氮素的增加,土壤中的固相磷卻有明顯減少趨勢(shì).施肥對(duì)全磷也有一定的影響,但是其變化趨勢(shì)不是很大,基本波動(dòng)在對(duì)照的 30%以內(nèi)變動(dòng),其變化趨勢(shì)基本與固相磷一致,就是沒(méi)有固相磷變化幅度大.

如圖 1a所示,在同一氮水平下(N90),隨著施入磷素的增加,土壤中全磷,固相磷和液相磷的含量均呈增加趨勢(shì),但固液相分配系數(shù)卻成減少趨勢(shì).與不施肥對(duì)照相比,施肥使磷素 Kd均有稍微的增加趨勢(shì)(圖 1b).同一磷素水平下(P90),全磷在N135時(shí)達(dá)到最小值,隨著氮素施入量的增加,也就是氮素水平低于一定范圍時(shí)候,氮肥的施入能降低全磷和固相磷的含量,加速磷素的衰竭[19].固相速效磷有減少趨勢(shì),液相磷在N135時(shí)達(dá)到最大值,固液相分配系數(shù)以單施入磷素呈最大值.

另外,與N90P90相比,施入N90P90K90對(duì)磷素全量,速效養(yǎng)分和液相養(yǎng)分均有增加趨勢(shì),固液相分配系數(shù)有減少趨勢(shì),也更進(jìn)一步說(shuō)明肥料配施,均衡施肥更有利于增加磷素的有效性和增加土壤肥力.

圖1 氮磷配比施肥對(duì)磷素的影響Fig.1 Effect of the nitrogen and phosphate fertilizing proportion on phosphorus

2.2 不同氮、磷、有機(jī)肥配施對(duì)磷素固液相分配的影響

圖2為氮磷有機(jī)肥配試驗(yàn)的8個(gè)處理各磷素含量.如圖2所示,8個(gè)不同氮、磷、有機(jī)肥配施處理,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期定位施肥,各種磷素的變化幅度和狀態(tài)盡不相同.和前述結(jié)論一樣,與不施肥對(duì)照相比,肥料的施入不同程度地改變了土壤養(yǎng)分的含量,肥料配施有利于提高其養(yǎng)分總量,尤其是施入有機(jī)肥.與不施肥對(duì)照相比,有機(jī)肥的施入極其明顯增加土壤中固相磷和液相磷的含量.磷肥配合有機(jī)肥施用,土壤中的各個(gè)磷素含量都有所提高,這可能是由于有機(jī)無(wú)機(jī)肥料的施入,不僅提高了土壤磷庫(kù)的積累,而且通過(guò)土壤微生物的活化有效的提高了土壤中的有機(jī)磷.

圖2 氮磷有機(jī)肥配施對(duì)磷素的影響Fig.2 Effect of the nitrogen,phosphate and organic fertilizing proportion on phosphorus

2.3 磷素分級(jí)組分及土壤其他性狀與固液相分配系數(shù)的相關(guān)性

2.3.1 施肥對(duì)磷素?zé)o機(jī)、有機(jī)組分的影響 肥料施入土壤以后,微生物對(duì)肥料中的磷素分解、礦化和固定,導(dǎo)致土壤中各種形態(tài)的磷素均有發(fā)生變化,各個(gè)組分占總量的比例也發(fā)生變化.如表 1所示,土壤中的不同組分的磷素含量差異較大,其中以Ca10-P、Ca8-P和中活性有機(jī)磷占全磷的比例較大,所占比例高達(dá)全磷的 80%以上,而活性較高的 Ca2-P和活性有機(jī)磷含量都較低.

與土壤磷素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)關(guān)系較為密切的活性有機(jī)磷和中活性有機(jī)磷約占有機(jī)磷 75%左右,中活性有機(jī)磷占有比例較大,施肥處理使土壤中,活性有機(jī)磷和中活性有機(jī)磷的均高于不施肥處理.在所測(cè)試的石灰性氮磷配比試驗(yàn)土壤中有機(jī)磷占全磷的 30%~40%左右,其中以單施氮處理比例最高,占全磷含量的高達(dá) 44%.總體而言,土壤中磷素組分含量高低順序?yàn)?Ca10-P>中活性有機(jī)磷>Ca8-P>(Al-P,Fe-P,中穩(wěn)性有機(jī)磷,高穩(wěn)性有機(jī)磷)>O-P>Ca2-P>活性有機(jī)磷.Ca10-P含量最高,可高達(dá) 389mg/kg.Ca2-P和活性有機(jī)磷含量很低,Ca2-P在4~20mg/kg之間,活性有機(jī)磷在 1.5~6.9mg/kg之間.由此看來(lái),磷素在土壤中大多以緩效磷源和潛在磷源存在,這也是磷素容易積累且有效性和利用率低的原因.

2.3.2 磷素組分與固液相分配系數(shù)的關(guān)系 表2為磷素組分和固液相分配系數(shù)、固相磷、液相磷和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性分析,從表2可知,土壤磷素固液相分配系數(shù)與 Ca2-P和活性有機(jī)磷存在一定的相關(guān)性.有機(jī)質(zhì)與高穩(wěn)性的有機(jī)磷具有相關(guān)性.Ca2-P和Ca8-P,Fe-P對(duì)速效磷貢獻(xiàn)最大,是作物的主要磷源,而 Al-P,中穩(wěn)性有機(jī)磷也具有一定的貢獻(xiàn),石灰性土壤中Al-P作為一種相當(dāng)有效的磷源也已經(jīng)被許多學(xué)者所證實(shí)[10-12].液相磷受較多組分的影響.但是O-P與這些均無(wú)任何相關(guān)性,可能由于 O-P屬于閉蓄態(tài)的磷,以及大部分Ca10-P為植物難利用的磷,理論上不能作為作物的有效磷源.

表1 不同氮磷配比施肥11個(gè)試驗(yàn)處理土壤中各磷素組分含量(mg/kg)Table 1 The result of phosphorus component in different nitrogen and phosphate fertilizing proportion(mg/kg)

表2 磷素組分與土壤磷素固相、液相、固液相分配系數(shù)及有機(jī)質(zhì)的關(guān)系Table 2 The relationship between phosphorus component and solid phase phosphorus, liquid phase phosphorus, organic matter and Kd

3 討論

3.1 有機(jī)物質(zhì)對(duì)土壤中磷素的激發(fā)作用

有機(jī)物質(zhì)對(duì)土壤中磷素具有一定的活化作用[19].與不施肥對(duì)照相比,有機(jī)肥的施入明顯增加土壤中固相磷和液相磷的含量.這可能是由于土壤中長(zhǎng)期施入有機(jī)肥料后,提高了土壤中有機(jī)磷的含量,通過(guò)礦化,釋放出無(wú)機(jī)磷.有機(jī)肥本身可以提供大量的陰離子,這些陰離子一方面與鐵,鋁和鈣等基質(zhì)形成穩(wěn)定的螯合物,從而釋放其中的磷,另一方面有機(jī)陰離子可參與競(jìng)爭(zhēng)土壤固相表面的專(zhuān)性吸附點(diǎn),從而降低對(duì)磷的吸附固定.有機(jī)物質(zhì)分解產(chǎn)生某些有機(jī)酸可與土壤中難溶性磷酸鹽的金屬離子絡(luò)合反應(yīng),從而釋放其中的磷[20-22].增施有機(jī)肥有利于土壤無(wú)機(jī)磷向有效態(tài)轉(zhuǎn)化,極大地提高了無(wú)機(jī)磷的有效性和利用率[23].

磷肥配合有機(jī)肥利用,土壤中各種形態(tài)的磷素含量都有所提高,由于有機(jī)無(wú)機(jī)肥料的施入,不僅提高了土壤磷庫(kù)的積累,而且通過(guò)土壤微生物的同化,有效的提高了土壤中的有機(jī)磷.有機(jī)肥的施用也提高了土壤中相當(dāng)數(shù)量的氨基酸,核酸,糖等有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),提高土壤養(yǎng)分的含量,促進(jìn)磷組成向有效化轉(zhuǎn)化[24-25].

3.2 土壤磷素組分與固液相分配的關(guān)系及其環(huán)境效應(yīng)

磷素的固液相分配直接決定著磷素利用及其環(huán)境效應(yīng),不同質(zhì)地土壤中磷的吸附機(jī)理及其影響因素是復(fù)雜的,固液相分配的影響因素時(shí)常涉及到溫度、水分及土壤基本性質(zhì)等多種因素的綜合作用,但這些因素也影響著磷素組分之間的轉(zhuǎn)化及其水溶性磷流失強(qiáng)度.本研究表明,決定磷素環(huán)境效應(yīng)的重要指標(biāo)Kd與Ca2-P和活性有機(jī)磷具有一定的相關(guān)性,這可能因?yàn)?Ca2-P易被植物吸收利用,是作物的直接有效磷源,而活性有機(jī)磷也包含有一部分直接可以被植物利用的如己糖磷酸脂、甘油磷酸脂,甚至分子較大的核酸等物質(zhì)[11],因此這二者對(duì)于磷素的固液相分配起著一定的決定作用.而液相磷受多種磷素組分的影響,黃土高原Ca2-P含量對(duì)其速效磷的貢獻(xiàn)最大,也與土壤中磷素流失的難易程度極其相關(guān),其機(jī)理過(guò)程有待于進(jìn)一步的研究.

4 結(jié)論

4.1 有機(jī)物質(zhì)對(duì)養(yǎng)分的利用具有很大的激發(fā)作用.有機(jī)肥的施入可以活化土壤中的微生物活性和酶活性,從而間接地活化土壤磷素本身,相對(duì)的減少了磷素的吸附作用和向水體流失量,增加磷素有效性.土壤中化學(xué)物質(zhì)之間存在極其復(fù)雜的相互關(guān)系,平衡施肥對(duì)養(yǎng)分高效利用和減少磷素面源污染具有很重要作用.

4.2 Ca2-P和活性有機(jī)磷對(duì)于磷素的固液相分配起著一定的決定作用,而液相磷受多種磷素組分的影響,黃土高原石灰性土 Ca2-P含量高低可作為衡量該區(qū)磷素流失難易程度一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo).

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Effect of fertilizing proportion on the distribution of phosphorus between solid and liquid phase in long term experiment.

LI Chun-yue1, WANG Yi2, DANG Ting-hui2*WANG Wan-zhong2, LIU Wen-zhao2(1.Northwest Land and Resources Research Center, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China；2. Institute of Soil and Water Conservation,College of Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：265~270

It is important to enhance the phosphorus utilization efficiency by the suitable land management to decrease the non-point source pollution in the sustainable and stable of ecological agriculture. The main objective of this research is to declare how the different fertilizer treatments influence the phosphorus distribution between solid and liquid phase. This experiment tested 11nitrogen-phosphorus, 8nitrogen-phosphorus-organic fertilizer ratios in a 25years long-term wheat experiment field in Changwu research station. The distribution coefficient of phosphorus between solid and liquid phase had correlation with Ca2-P and active organic phosphorus. Despite the distribution coefficient appeared reverse trend, the total P, P in solid phase and P in liquid phase all were increased with the P fertilizer application when in the same nitrogen fertilizer level (N90). The nitrogen fertilizer applications can affect the phosphorus usage. The total P was the minimum,the P in liquid phase was the maximum and the available P in solid phase has a decrease trend at N135when P fertilizer at the same level. The distribution coefficient was the maximum at only applying P fertilizer (No nitrogen). The organic matter can trigger the effectiveness of P. Balanced fertilization has magnitude effect on P efficient utilization.

long-term experiment；fertilizing；soil phosphorus；distribution coefficient；non-point pollution

X592

A

1000-6923(2010)02-0265-06

2010-06-29

國(guó)家“973”項(xiàng)目(2005CB121102)；中國(guó)科學(xué)院重要方向項(xiàng)目(kzcx2-yw-424-2)；陜西師范大學(xué)青年科技項(xiàng)目(200901002)*責(zé)任作者, 研究員, dangth@ms.iswc.ac.cn

李春越(1978-),女,陜西鳳翔人,助理研究員,博士,主要從事水土資源與生態(tài)環(huán)境方面研究.發(fā)表論文10余篇.