外源硅對堿性土壤磷位及磷有效性的影響

楊 丹，田 甜，閆 穎，何 娜，劉鳴達

沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110866

外源硅對堿性土壤磷位及磷有效性的影響

楊 丹，田 甜，閆 穎，何 娜，劉鳴達*

沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110866

磷位是表達土壤磷素有效性的強度指標，是決定土壤磷素有效性的首要因素。以分析施硅對土壤磷位的影響為切入點，探討施硅影響土壤磷素有效性的土壤化學機制，有利于促進硅肥的合理施用及土壤磷素的科學調控，對于減少磷礦資源開采及磷肥施用、防治農(nóng)田面源污染具有重要意義。試驗選取遼寧省沈陽市康平縣水田耕層土壤為研究對象，設置4個硅酸鉀處理，添加量分別為 0、30、60、120 mg·kg-1（以 SiO2計），分別記作Si0、Si30、Si60、Si120；在中和硅酸鉀堿性和消除伴隨離子影響的基礎上，開展室內培養(yǎng)和水稻盆栽試驗，研究外源硅對土壤磷位和苗期水稻吸磷量的影響。結果表明：加硅極顯著提高了土壤浸提液中氫離子活度（P＜0.01），Si30、Si60、Si120處理分別比對照提高了26.02%、25.59%和146.77%；加硅同時極顯著提高了離子活度（P＜0.01），Si60、Si120處理分別比對照提高了30.25%和99.26%；加硅促進了水稻植株對磷的吸收，隨加硅量的增加，3個施硅處理吸磷量分別比對照處理提高了16.41%、19.20%和69.07%；加硅條件下土壤磷位和植株吸磷量間存在顯著負相關關系，說明磷位能較好地反映土壤磷的生物有效性。研究表明，施硅可提高土壤溶液中的活度，降低土壤磷位，提高土壤供磷強度，土壤磷位可作為指示土壤磷植物有效性的指標。

外源硅；水田土壤；磷位；生物有效性

磷是植物生長的必需元素，是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)重要的物質保證。土壤作為植物磷素養(yǎng)分的主要供給庫，其中的磷素含量及存在形態(tài)可對植物的磷素營養(yǎng)及生長發(fā)育產(chǎn)生重要的影響。因此，世界各國都非常重視磷肥的施用。磷肥施用在一定程度上提高了土壤的供磷能力和作物產(chǎn)量，但由于不同土壤理化性質的差異、磷酸鹽化學行為的多變及其植物有效性較低等原因，土壤中能被植物直接吸收利用的有效態(tài)磷含量低于總磷含量的 5%。即使考慮肥料的后效性，磷肥的總利用率也不會超過25%，故有75%～90%的磷肥累積在土壤中（趙小蓉等，2001；時正元等，1995；Chaiharn et al.，2009）。磷肥來自于磷礦資源的開采與生產(chǎn)，不合理地施用磷肥不僅可導致更多的磷隨農(nóng)田退水、淋溶下滲和地表徑流等過程進入地表水及地下水，引發(fā)水體富營養(yǎng)化，損害自然生態(tài)及人類的健康，還會加劇磷礦資源的枯竭，威脅農(nóng)業(yè)乃至社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，減少磷肥施用、科學調控土壤磷素肥力是土壤與環(huán)境科學研究領域亟需解決的問題（區(qū)惠平等，2016；Zhu et al.，2018）。

土壤磷素養(yǎng)分的供給情況通常可以從養(yǎng)分數(shù)量、供應強度和補給速度3個方面來考慮，供應強度是指作物從土壤中吸收一定量養(yǎng)分所消耗的能量，是決定養(yǎng)分是否有效的首要因素。只有在養(yǎng)分達到一定能量水平后，其數(shù)量才能發(fā)揮作用。根據(jù)熱力學中化學位原理，磷位是一個可以用來表征土壤磷有效性的強度指標，這一概念一度被土壤、植物營養(yǎng)學界的學者接受并應用，國內外學者就磷位與土壤磷有效性的關系問題也開展過一些研究（洪順山等，1979；林忠炎，1983；林克惠，1965；白錦鱗等，1989；Mchihiyo，1991）。這些研究結果表明，把磷位原理應用于土壤需磷診斷上，使之成為在生產(chǎn)中指導磷肥施用的有用工具是有一定意義的。然而，國內以往的相關研究都集中于中國南方酸性、中性土壤地區(qū)，而有關磷位原理在北方堿土地區(qū)的適用性尚無報導。

國內外關于施硅提高土壤有效磷含量、促進水稻增產(chǎn)、改善水稻磷素吸收及分布的報道較多（謝凡，2016；李仁英等，2014），但所施用的硅肥多為硅酸鹽（陳琨等，2015；翁穎等，2017）、復合硅肥（硅與其他養(yǎng)分元素復合配施）（許佳瑩，2012）或爐渣（王純等，2013；范呈根等，2017；張璐等，2017）等復雜物料，絕大多數(shù)研究未考慮到硅酸鹽的堿性、伴隨陽離子或其他元素等對試驗結果的干擾。堿性物料可能會改變土壤體系pH及土壤溶液的離子強度，從而導致Al-P、Ca-P及正磷酸鹽發(fā)生形態(tài)變化，或者使土壤顆粒吸附磷形成的配合物表面的陰電荷被陽離子（如K+、Na+）中和，進而影響磷的吸附-解吸和土壤磷有效性（程程等，2011；李仁英等，2013；閆金龍，2016；Bai et al.，2017）。因此，在消除pH和伴隨離子影響條件下，研究硅對磷有效性的影響是十分必要的。已有研究表明，在中和硅酸鉀的堿性和消除鉀離子影響的基礎上，加硅抑制了堿性土壤對磷的吸附，促進了磷的解吸（王耀晶等，2012）。從土壤中磷素能量狀態(tài)進行深入研究，對揭示硅提高堿性土壤磷有效性的作用機制具有重要意義。

為此，本研究在消除硅酸鉀堿性和鉀離子影響的基礎上，采取室內培養(yǎng)和生物試驗相結合的方式，研究外源硅對土壤磷位及磷植物有效性的影響，以期為生產(chǎn)中合理配施硅肥，減少磷肥施用，控制農(nóng)業(yè)面源污染提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自遼寧省沈陽市康平縣，為水田0～20 cm耕層土壤，風干、研磨過1 mm篩備用。土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基本理化性質Table1 Physical and chemical properties of the soil used in the experiment

將硅酸鉀分別按 0、30、60、120 mg·kg-1（以SiO2計，分別記作Si0、Si30、Si60、Si120處理）的比例與一定量的土壤混勻，用鹽酸中和硅酸鉀的堿性，各處理間K+和Cl-的含量差異用氯化鉀補齊。保持土壤水分為田間持水量，在25 ℃下培養(yǎng)30 d，制備出不同加硅水平的土壤樣品，風干后備用。

1.2 磷位的測定與計算

取上述不同加硅水平的土壤樣品5.00 g，加入50 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液，恒溫（25 ℃）振蕩（200 r·min-1）60 min，過濾后測定濾液pH值及其中磷和鈣的濃度（White et al.，1964）。

（1）求各土壤浸提液的離子強度I：（2）求Ca2+、H+、等相關離子的活度系數(shù)及活度值：

式中，I為離子強度；C為離子濃度；Z為離子電價；a為活度；f為活度系數(shù)；B、ai、K2均為常數(shù)。

1.3 水稻盆栽試驗

取上述4個加硅水平的土壤進行盆栽試驗，供試水稻（Oryza.sativa L.）品種為遼粳212。選用1.5 dm3的塑料盆，裝入1.00 kg風干土壤，各處理重復3次。均施入分析純試劑尿素（N，0.2 g·kg-1）和氯化鉀（K2O，0.2 g·kg-1）作為底肥，平衡1周后，插入秧苗，每盆5株，整個生育期定量澆灌蒸餾水，盆缽隨機排列，按常規(guī)管理。水稻生長60 d后結束試驗，采集植物樣品測定干重及植株中磷含量，并計算植株吸磷量。

1.4 分析測定方法

土壤基本理化性質采用常規(guī)方法測定（魯如坤，2000）；浸提液 pH用酸度計測定；磷和鈣含量分別采用鉬藍比色法和原子吸收法測定；植株含磷量采用 H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

運用Excel 2003對數(shù)據(jù)進行處理并繪制相關圖表；利用SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，采用 Duncan法進行多重比較。圖表中不同小寫字母表示差異達到顯著水平（P＜0.05）；不同大寫字母表示差異達到極顯著水平（P＜0.01）。

2 結果分析與討論

2.1 外源硅對堿性土壤pH及磷濃度的影響

測定了不同處理土壤浸提液的pH及磷濃度，計算得到了H+、的離子活度，結果如圖1、圖2所示。

圖1 加硅對土壤浸提液氫離子活度的影響Fig.1 Effect of silicon on hydrogen ionic activity

圖2 加硅對土壤浸提液磷酸根離子活度的影響Fig.2 Effect of silicon on phosphate ionic activity

由圖1可知，與對照（Si0）相比，各加硅處理H+活度顯著提高（F=75658.69**，P=3.80×10-18）；H+活度隨著加硅量的增加而提高，Si30、Si60、Si120處理分別比對照提高了 26.02%、25.59 %和146.77%，Si120處理極顯著高于Si30和Si60處理，但Si30和Si60之間的差異未達到顯著水平。試驗中，用鹽酸中和硅酸鉀的堿性，相當于將硅酸鉀轉化成了氯化鉀和硅酸，所以加入土壤中的硅主要以硅酸形式存在，相對堿性土壤而言，作為一種弱酸，硅酸可使體系H+活度升高，而體系pH的下降有利于土壤中磷的活化。

2.2 外源硅對堿性土壤磷位的影響

圖3 硅對土壤磷位的影響Fig.3 Effect of silicon on phosphate potential of soil

由圖3可知，隨著硅添加量的增加，土壤磷位值有所下降；加硅量越多，磷位值下降幅度越大（F=21590.57**，P=5.72×10-16）；當加硅量達到 60 mg·kg-1和 120 mg·kg-1時，磷位值極顯著低于對照處理。由此表明，加硅導致磷位值降低，即土壤磷的供應強度隨硅的加入呈升高趨勢，即硅的加入可以提高土壤供磷能力。一般認為，磷位的臨界值可能在7左右，磷位值大于7說明土壤可能缺磷（毛達如，1994）。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，當加硅量達到120 mg·kg-1時，土壤磷位值下降至7，說明土壤的缺磷情況得到了有效緩解。

前文結果顯示，加硅后土壤溶液中H2PO4-濃度提高，其活度相應提高了，這必然有利于土壤磷位降低。另一方面，王耀晶等（2012）發(fā)現(xiàn)Freundlich方程能較好地描述不同硅濃度條件下磷在堿性土壤中的吸附-解吸特征，隨著外源硅施入量的增加，F(xiàn)reundlich方程中n值變小，說明施硅減弱了土壤對磷的吸附強度。還有研究表明，硅的施入可以使鐵氧化物表面吸附的磷酸根基團發(fā)生紅移（向低波數(shù)移動）現(xiàn)象，紅外光譜屬于振動光譜，紅移現(xiàn)象表明振動所需的能量變低，指示鐵氧化物表面吸附的磷酸根基團變得更加不穩(wěn)定（田甜，2017）。這些結果都能說明加硅后土壤固相磷更傾向于解吸或溶解到土壤溶液中，因此，磷位出現(xiàn)明顯的降低現(xiàn)象。

2.3 加硅條件下土壤磷位與水稻植株吸收磷的關系

植株吸磷量可以更直接地反映土壤磷的生物有效性。各處理水稻植株吸磷量結果如圖4所示。

圖4 外源硅對水稻植株吸磷量的影響Fig.4 Effect of silicon on phosphorus uptake of rice

由圖4可知，各加硅處理水稻植株從土壤中吸收的磷量均顯著高于對照處理，隨硅施入量的增加，水稻吸磷量逐漸升高，3個加硅處理植株吸磷量分別比對照處理增加了 16.41%、19.20%和69.07%。加硅量達到120 mg·kg-1處理植株吸磷量極顯著高于對照處理（F=7.89**，P=0.009）。試驗結果再一次驗證了加硅促進水稻吸收磷的結論，而吸磷量增加的原因可能是加硅增強了土壤的供磷能力、提高了土壤磷的生物有效性。

為進一步分析加硅對土壤磷素生物有效性的影響，探討磷位表征土壤磷素有效性的準確性，將各加硅土壤的磷位值與植株吸磷量進行相關分析，結果如圖5所示。

圖5 土壤磷位與植株吸磷量的關系Fig.5 Relationship between phosphate potential of soil and phosphorus uptake of rice

由圖5可知，隨土壤磷位值的升高，水稻植株吸磷量逐漸降低，二者間呈顯著的線性負相關關系（r=0.952*，n=4，）。因此，可以認為加硅條件下，磷位能較好地反映土壤磷的生物有效性。

3 結論

本文在中和硅酸鉀的堿性和消除鉀離子影響的基礎上，研究了不同硅濃度水平下堿性土壤磷位的變化及磷位與水稻植株吸磷量的關系，得出以下結論：

（2）加硅條件下土壤磷位與植株吸磷量之間存在顯著的負相關性，磷位能較好地反映土壤磷的植物有效性。

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2.4.2 術后隨訪 TURBT術后應規(guī)律隨訪，膀胱鏡檢為NMIBC患者隨訪的金標準，檢查過程中發(fā)現(xiàn)異常均應取活檢。推薦術后3個月時行第1次膀胱鏡檢，高?；颊咔?年每3個月1次，第3年開始每6個月1次，第5年開始每年1次直至終身。低危患者如第1次鏡檢陰性，可于術后1年行第2次鏡檢，之后每年1次直至第5年。中?；颊呓橛趦烧咧g。隨訪過程中一旦出現(xiàn)復發(fā)，治療后的隨訪方案按上述方案重新開始。

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Effect of Exogenous Silicon on Phosphate Potential and Phosphorus Availability in Alkaline Paddy Soil

YANG Dan, TIAN Tian, YAN Ying, HE Na, LIU Mingda*
College of Land and Environmental Sciences, Shenyang Agricultural University, Shenyang 100866, China

Phosphate potential is the intensity indicator and also the primary factor determining soil phosphorus (P) availability. The effect of silicon on soil phosphorus potential, soil chemical mechanisms of exogenous silicon application on soil P availability were investigated in order to optimize the application of silicon fertilizers and scientific regulation of soil phosphorus. These are also important to reduce the phosphate rock resources exploitation and the use of phosphate fertilizer as well as prevent and control non-point source pollution in farmlands. The pot and soil culture experiment were conducted with paddy topsoil collected from Kangping County of Shenyang. Four treatments ( potassium silicate content: 0, 30, 60, 120 mg·kg-1, marked as Si0, Si30, Si60,Si120, respectively ) were set up with neutralizing alkaline of potassium silicate and balancing K+to study the effect of exogenous silicon on soil phosphate potential and phosphate uptake by rice. The results showed that silicon enhanced H+activity in the soil extraction. Compared with the control, the H+activity in treatment of Si30、Si60 and Si120 increased 26.02%, 25.59 % and 146.77%,respectively.activity in the treatment of Si60 and Si120 increased 30.25 % and 99.26%, respectively. There were extremely significant differences for H+activity andion activity. The P uptake by rice increased with the application amount of silicon.While silicon was applied at 30, 60, 120 mg·kg-1, P uptake by plant increased 16.41%, 19.20% and 69.07%, respectively, compared with the control. There were significant negative correlation between phosphate potential and plant P uptake, indicating that phosphate potential might reflect the bio-availability of soil phosphorus. Our results indicates that silicon can increaseactivity, lower phosphate potential of soil and enhance soil P supplying intensity. Soil phosphate potential can be the index for soil P bio-availability.

exogenous silicon; paddy-field soil; phosphate potential; bio-availability

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.12.008

S156; X171.1

A

1674-5906（2017）12-2052-05

楊丹, 田甜, 閆穎, 何娜, 劉鳴達. 2017. 外源硅對堿性土壤磷位及磷有效性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 26(12):2052-2056.

YANG Dan, TIAN Tian, YAN Ying, HE Na, LIU Mingda. 2017. Effect of exogenous silicon on phosphate potential and phosphorus availability in alkaline paddy soil [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(12): 2052-2056.

沈陽市科技創(chuàng)新條件與環(huán)境建設項目（1091179-1-00）

楊丹（1977年生），女，副教授，博士，從事農(nóng)業(yè)面源污染、污染土壤修復與利用等方面的教學及科研工作。E-mail:yangdan_dfcy@163.com

*通信作者。劉鳴達，E-mail: mdsausoil@163.com

2017-09-14