施有機肥對稻田剖面土壤膠體顆粒形態(tài)及膠體磷含量的影響

金熠 徐玲娥 盛晟 陳奮飛 高晗旸 梁新強

摘要：選取浙江省嘉興市農業(yè)科學研究院連續(xù)8年施用豬糞有機肥的稻田剖面（0～60 cm）土壤，研究施用有機肥對稻田土壤膠體含量、賦存形態(tài)及膠體磷分布的影響。將剖面土壤分為0～5、5～20、20～40、40～60 cm 4層，通過振蕩→離心→微濾→超濾等步驟獲取土壤膠體顆粒（1 nm～1 μm），并利用傅里葉紅外（FTIR）、X射線衍射（XRD）、掃描電鏡能譜（SEM-EDS）、透射電子顯微鏡（TEM）等技術對分離的土壤膠體顆粒進行表征分析，同時測定各層土壤膠體磷的含量。結果表明，施用有機肥顯著增加了深層土壤膠體顆粒的含量，在40～60 cm土層，高（M3）、中（M2）、低（M1）3種處理的土壤膠體含量分別是不施肥處理（CK）的1.51、1.38、1.33倍。施有機肥增加了0～20 cm土層土壤膠體顆粒多水高嶺石和白云母晶體礦物的含量。在各層土壤樣品中，溶解磷和膠體磷的含量隨有機肥施用量的增加而增加;在20 cm土層深度下，膠體磷的含量高于溶解磷含量。

關鍵詞：稻田土;有機肥;膠體;磷;顆粒形態(tài)

中圖分類號： S152;S511.06;X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0269-07

將畜禽糞便處理后作為有機肥輸入稻田土壤，一方面可以減少農村畜禽養(yǎng)殖廢棄物的排放，另一方面可以增加土壤肥力，保證作物養(yǎng)分供給。與化肥相比，有機肥的養(yǎng)分組成更加復雜，向土壤中輸入氮、磷等養(yǎng)分元素的同時帶入了大量有機質，且這些物質多數(shù)以膠體顆粒形式存在[1]。與氮素可能以濕沉降的方式進入土壤不同，磷進入土壤系統(tǒng)幾乎全部依靠外源肥料的輸入。隨著有機肥施用時間的增加，磷素在土壤中大量累積賦存，降水量大時可能發(fā)生地表徑流、下滲和側滲等多種途徑的流失。粒徑介于1 nm～1 μm之間的膠體顆粒具有液-固兩相的共性，是作為促進污染物向地下環(huán)境遷移的重要載體[2]。因此，闡明田間施用有機肥對土壤膠體顆粒賦存形態(tài)及膠體磷分布的影響，對稻田合理設計有機肥施用量及控制磷污染物流失具有實際意義。本試驗以連續(xù)8年施用有機肥的稻田土壤為研究對象，以田間小區(qū)試驗為基礎，在水稻收獲后采集剖面土壤并分離得到土壤膠體顆粒，考察不同有機肥用量對土壤剖面膠體顆粒及吸附磷含量的影響，利用傅里葉紅外（FTIR）、X射線衍射（XRD）、掃描電鏡能譜（SEM-EDS）和透射電子顯微鏡（TEM）技術對土壤膠體顆粒的物理化學形態(tài)進行表征，以期為杭嘉湖平原的稻田有機肥施肥管理和膠體顆粒促進的磷素遷移轉化規(guī)律研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

長期施用豬糞有機肥的試驗點位于浙江省嘉興市農業(yè)科學研究院的雙橋農場（120°40′E、30°50′N）。嘉興市地處典型的亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫為15.7～16.5 ℃，年平均降水量為1 300 mm左右，雨季在每年的3—9月。試驗點土壤系河湖海相沉積物發(fā)育，是1種典型的潛育性水稻土。從國際制土壤粒級分類標準判斷，該地土壤屬于黏土類型。當?shù)胤N植模式為水稻—油菜輪作，水稻季是從6月到11月，油菜季是從11月至翌年5月。試驗點土地自2005年起長期接受豬糞有機肥作為基肥用于水稻生產(chǎn)，水稻季僅追施無機氮肥，不補施磷肥。油菜季利用土壤自身肥力進行生產(chǎn)，不額外施肥。當?shù)馗麑樱?～15 cm）土壤pH值為7.2，陽離子交換量（CEC）為8.1 cmol/kg，土壤全碳含量為25.2 g/kg，全氮含量為3.0 g/kg，全磷含量為0.9 g/kg，土壤容重為 1.52 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗采用腐熟的豬糞作為有機肥。根據(jù)當?shù)剞r事習慣，共設計了4個有機肥施用水平，分別為CK（0 kg/hm2）、M1（1 930 kg/hm2）、M2（2 895 kg/hm2）、M3（3 860 kg/hm2），折合成磷素施用量分別為0、26、39、52 kg/hm2。每個處理設3個平行，共12個小區(qū)，隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積為20 m2（5 m×4 m），南北長，東西寬，呈2列排列。每年水稻季開始前，將豬糞作為基肥一次性輸入土壤表層并充分耘田。

1.3 樣品采集及分析方法

1.3.1 土壤樣品采集與膠體顆粒分離 本研究于2013年11月初水稻季結束、田面水完全落干后，利用長60 cm、直徑 5 cm 的土鉆采集試驗田0～60 cm土層土壤樣品，采樣時在每個小區(qū)內選取3處地點鉆取土柱，并將土柱分為0～5、5～20、20～40、40～60 cm 4個層次后裝入塑料封口袋內，保存在4 ℃移動冰箱中運回實驗室。將所有土壤樣品分為2個部分，一部分用烘箱烘干測定土壤含水率等基礎指標，另一部分自然風干10 d后用木棒碾磨，過2 mm篩后備用。

稱取10 g新鮮土壤樣品置于250 mL玻璃三角瓶中，加入80 mL去離子水;在培養(yǎng)箱中于25 ℃、120 r/min振蕩 16 h。將懸濁液在4 680 r/min條件下離心10 min;將上清液在真空抽濾瓶裝置上通過孔徑為1 μm的微孔濾膜，棄去前 5 mL 濾液;余下的濾液在42 000 r/min條件下離心2 h;將上清液小心吸出，待離心管中的沉淀物冷凍干燥后小心取出土壤膠體顆粒[3]，低溫保存。

1.3.2 土壤溶解磷和膠體磷的測定 測定土壤溶解磷和膠體磷的準備步驟同“1.3.1”節(jié)。吸取未經(jīng)過超高速離心和經(jīng)過超高速離心的水樣各5 mL置于25 mL比色管中，加入 1 mL 含150 mmol/L K2O8S2和180 mmol/L H2SO4的溶液，于95 ℃消煮60 min。消煮后利用鉬藍比色法測定樣品中的總磷濃度，溶解磷濃度=經(jīng)過超高速離心樣品中的總磷濃度;膠體磷濃度=未經(jīng)過超高速離心樣品的總磷濃度-經(jīng)過超高速離心樣品中的總磷濃度。

1.3.3 土壤理化分析 土壤pH值（土水比為1 g∶ 5 mL）用玻璃探頭pH計（PHS-3C，上海雷磁儀器廠）測定;土壤CEC采用乙酸銨法測定[4]。土壤養(yǎng)分測試內容包含總碳、總氮、總磷、土壤有機碳、有機磷和有效磷含量等。土壤總碳和總氮含量采用Vario MAX CNS元素分析儀（Elementar，德國）測定;土壤總磷含量采用H2SO4-HClO4高溫消解，鉬銻抗比色法測定;土壤有機碳含量采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定;土壤有機磷含量采用灼燒法測定;土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提法測定。

土壤膠體顆粒樣品（用“1.3.1”節(jié)中的方法獲?。┙?jīng)過離子濺射噴金處理，使樣品表面導電后置于熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，SIRION-100，荷蘭）下，在放大倍數(shù)5 000～10 000 之間觀察土壤膠體顆粒表面形貌。利用X射線能量色散譜儀（EDS，Genesis 4000，美國）分析土壤膠體顆粒上金屬元素（Fe、Al、Ca、Mg、Mn等）的分布及含量百分比。利用透射電鏡（TEM，Tecnai G2，荷蘭）在5 000～10 000倍的放大倍數(shù)下觀察土壤膠體顆粒的內部結構特征。

為測定土壤膠體顆粒表面官能團特征，將1 mg土壤膠體顆粒與溴化鉀研磨混合（質量比1 ∶ 200）壓片，在紅外光譜儀中（IR Prestige-21，日本）進行全波段掃描，以4 cm-1為步長掃描樣品，掃描范圍為400～4 000 cm-1。

為測定土壤膠體顆粒晶體礦物類型，采用X'Pert PRO型X射線衍射儀（PANalytical，荷蘭）對土壤膠體顆粒進行X射線衍射表征，入射角在5°～70°之間，掃描步長為0.017°，掃描速度為10 s。采用MDI Jade 5.0軟件處理XRD（X射線衍射）試驗數(shù)據(jù)，并用內置的物相比對卡確定衍射峰處的晶體物相類型。

1.4 圖像和數(shù)據(jù)處理

利用Origin 7.5和SPSS 18.0軟件進行繪圖和數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)為3次重復的平均值和1個標準偏差。利用單因素方差分析（one-way ANOVA）中的最小顯著差異法（LSD）進行不同處理間95%的顯著性差異分析，顯著性水平設定為0.05。

2 結果與分析

2.1 施有機肥對剖面土壤粒徑和磷素含量的影響

從表1可以看出，施用有機肥對0～20 cm土層土壤的pH值、CEC、總碳含量和總氮含量影響較大，隨著有機肥用量增加，表層0～20 cm土壤的CEC、總碳含量和總氮含量增加，且各處理與對照相比均存在明顯差異。表2中，黏粒比例為 38.5%～43.1%，粉粒比例為24.9%～33.5%，同種施肥處理的土壤剖面黏粒、粉粒百分比變化不大，長期增施豬糞對土壤粒徑分布的影響不大，各處理間無顯著差異。在0～5、5～20、20～40 cm土層中，隨著有機肥用量的增加，土壤總磷含量呈逐漸增加的趨勢。在0～5 cm土層中，土壤有機磷含量從M0處理下的0.22 g/kg增至M3處理下的 0.61 g/kg;施有機肥降低了有機磷占總磷的比例，從M0處理下的18.33%降至M3處理下的16.09%，但M1、M2和M3這3種處理間有機磷占總磷的比例無顯著差異。在5～20 cm土層，除了M0、M1與M3處理間差異顯著，4種施肥處理的有機磷含量無顯著差異，但隨著有機肥用量的增加，有機磷占總磷的比例逐漸降低，從M0處理下的19.81%降至M3處理下的9.97%，M0處理與其他3種有機肥處理間存在顯著差異（P<0.05）。4種施肥處理對0～5、5～20 cm土層的土壤有效磷影響較明顯，變化趨勢和土壤總磷相似。增施豬糞對20～40、40～60 cm土層土壤的有效磷含量影響不顯著，各處理間沒有顯著差異。

2.2 土壤膠體顆粒的形態(tài)表征

選取M3處理的0～5 cm土層土壤膠體顆粒用于掃描電鏡和透射電鏡圖譜分析，用于能量色散譜儀分析的土壤膠體顆粒分別來自M3處理的0～5、5～20、20～40、40～60 cm土層。在100～200 nm尺度上，通過透射電鏡可以觀察到土壤膠體顆粒呈現(xiàn)鱗片狀聚簇成團的形貌，很少有分散的球狀顆粒存在（圖1-a、圖1-b），這符合水云母多以鱗片狀結構存在的特征。在1～2 μm的尺度上，通過掃描電鏡可以觀察到土壤膠體顆粒呈現(xiàn)片狀堆疊的二聚體、三聚體形貌，這與透射電鏡的結果一致（圖1-c、圖1-d）。通過能譜分析可知，土壤膠體顆粒上存在的主要非金屬元素有O、Si、C。這可能是因為土壤膠體顆粒由硅酸鹽礦物質以及有機物組成。土壤膠體顆粒中主要存在的金屬元素有Al、Fe、Mg、K、Ca等，這與白云母、多水高嶺石等礦物晶體所含元素相吻合，與“2.5”節(jié)XRD分析結果一致。此外，在M3處理的20～40 cm土層，土壤膠體顆粒上還檢測到較多的磷元素（圖1-g）。

2.3 施有機肥對土壤膠體顆粒含量的影響

4種施肥處理下，土壤0～60 cm剖面的膠體顆粒含量分布見圖2?？梢钥闯?，隨土壤深度的增加，土壤水分散性膠體顆粒的含量總體上呈現(xiàn)增加的趨勢;但增施豬糞有機肥對土壤水分散性膠體顆粒含量的影響不一致。在0～5 cm土層，4個水平有機肥處理的土壤膠體顆粒含量的范圍是 0.93～337 g/kg，4種處理之間沒有顯著差異。5～20 cm土層的土壤膠體顆粒的含量比0～5 cm土層略有增加，但4種處理之間仍沒有顯著差異。在20～40 cm土層，膠體顆粒的含量比前2層顯著增加;M2和M3這2種處理的膠體含量間無顯著差異，但比M1和M0處理的膠體顆粒含量顯著提高。在40～60 cm土層，膠體顆粒的含量隨著有機肥施用量的增加而增加，最高值為M3處理下的10.7 g/kg。農田土壤系統(tǒng)中的膠體顆?？赡軄碜责ね恋V物、金屬氧化物和腐殖酸等天然有機質[2，5-6]。長期施肥會影響土壤理化性質，如pH值、Eh值（氧化還原電位）、有機質含量等，這些都與土壤膠體顆粒的釋放有密切的關系。有學者研究發(fā)現(xiàn)，從大孔隙中釋放的膠體與土壤黏粒含量呈顯著正相關關系[7]，土壤pH值的變化也會顯著影響膠體顆粒從土壤基質中的釋放量[3]。

2.4 施有機肥對土壤膠體顆粒官能團的影響

不同施肥處理對不同深度土壤膠體顆粒的FTIR吸收峰影響不大，僅在個別樣品中吸收峰的強度有差異。檢測到土壤膠體顆粒的吸收峰主要出現(xiàn)在3 700、3 628、3 391、2 938、2 874、1 645、1 385、1 107、1 039、912、868、748、692、532、467 cm-1 等波數(shù)處（圖3），各波數(shù)對應的主要官能團見表3。從峰型上看，400～1 300 cm-1的低頻區(qū)內吸收峰較多，而 1 300～4 000 cm-1的中高頻區(qū)內吸收峰較少。所有FTIR圖譜中，最明顯的是出現(xiàn)在1 039 cm-1處的強吸收峰，該吸收峰表明所有土壤膠體顆粒均可能含大量硅酸鹽。3 700、3 628 cm-1 2處是明顯的1 ∶ 1型高嶺石特征吸收峰。M1（40～60 cm）、M2（20～40 cm）和M3（40～60 cm）等樣品在 3 391 cm-1 處存在明顯較寬的吸收峰，表明這些土壤膠體顆粒礦物上可能含有較多的結晶水。在4種處理的40～60 cm土層均發(fā)現(xiàn)了2 938、2 874 cm-1 2個弱吸收峰，表明樣品具有明顯的脂肪族CH2、CH3伸縮振動。所有樣品在1 645 cm-1處具有明顯的吸收峰，這表明土壤膠體顆粒可能由含有芳香族CC基團的碳骨架構成。在40～60 cm土層，4種處理的土壤膠體顆粒均出現(xiàn)了1 385 cm-1的吸收峰;而在0～5、5～20 cm土層，4種處理的土壤膠體顆粒均沒有出現(xiàn)該吸收峰，這表明耕作層含羧酸鹽COO—鍵的礦物可能較少，施有機肥沒有增加耕層含這種官能團化合物的含量。

2.5 施有機肥對土壤膠體晶體結構的影響

根據(jù)XRD圖譜衍射峰的出峰位置和強度，推測嘉興土壤膠體顆粒的主要晶體結構組成可能有衍射峰出現(xiàn)在20.5°、352°、61.0°的多水高嶺石-7A（Al2Si2O5（OH）4）和衍射峰出現(xiàn)在18.5°、26.5°、35.0°、45.3°的白云母-3T（K，Na）（Al，Mg，F(xiàn)e）2（Si3.1Al0.9）O10（OH）2（圖4）。對比各處理間的XRD圖譜可以發(fā)現(xiàn)，增施豬糞有機肥對0～5、5～20 cm土層土壤膠體顆粒晶體結構的影響較明顯。相比于M0處理，M1、M2、M3處理的0～20 cm土層土壤膠體顆粒出現(xiàn)了20.5°、26.5°和352°這3處較強的衍射峰;但M1、M2、M3 3種處理之間衍射峰強度的差異不明顯。 在20 cm以下土層，4種處理的土壤膠體顆粒晶體結構差別不大。這表明相比于不施肥處理，長期增施豬糞有機肥可能增加了0～20 cm土層中土壤膠體顆粒上多水高嶺石和白云母晶體礦物質。土壤膠體顆粒中晶體礦物的種類受土壤基質發(fā)育來源、礦化過程及礦化時間的影響很大，且不同類型的土壤中天然膠體/納米顆粒的晶體結構差別很大[8]。王旭剛等利用FTIR和XRD技術表征了玄武巖赤紅壤中土壤膠體顆粒的晶體結構，結果發(fā)現(xiàn)，土壤剖面中膠體顆粒的FTIR圖譜差異不大，但XRD的結果顯示，深層土壤的礦物質結晶程度比表層土壤好[9]，這可能是由于表層土壤受到人為因素的影響較大，熟化程度較高。本研究中剖面土壤膠體的FTIR圖譜（圖

3）與王旭剛等的研究結果[9]相似;但XRD圖譜（圖4）有一定的差異，表現(xiàn)出增施有機肥反而增加了表層土壤中晶體礦物（多水高嶺石和白云母）的衍射峰強度，這可能是由于隨著有機肥用量的增加，沉淀—離心分離得到的“土壤”膠體顆粒中有一部分屬于豬糞直接釋放的水分散性膠體顆粒[10]。

2.6 施有機肥對剖面土壤不同磷形態(tài)含量的影響

增施豬糞有機肥對稻田土壤剖面水分散性膠體磷和溶解磷含量的影響如圖5所示。大量報道指出，膠體促動的磷素在農田徑流、河道、湖泊和土壤溶液中運移，已經(jīng)成為一種新的磷素遷移途徑[11-13]。在本研究的各層土壤中，溶解態(tài)磷的含量隨著有機肥施用量的增加而增加，且4種處理的溶解態(tài)磷含量都是在表層土壤中最高，最高值為M3處理下的 36.8 mg/kg。隨著土壤深度的增加，溶解態(tài)磷的含量逐漸降低;在40～60 cm土層，從M0至M3這4種施肥處理的溶解磷含量分別是0～5 cm土層的14.9%、18.0%、21.7%、21.9%。同樣，土壤各層中水分散性膠體磷的含量也都隨著有機肥施用量的增加而增加。在0～5、5～20 cm土層，4種處理的膠體磷含量均低于溶解態(tài)磷含量;但在20～40、40～60 cm土層，4種處理的膠體磷含量反而均高于溶解態(tài)磷含量。舉例來說，在0～5 cm 土層M0至M3這4種處理的膠體磷含量分別占溶解磷含量的60.1%、37.7%、35.6%、47.7%;在5～20 cm 土層，這一比例分別為95.3%、59.1%、47.3%、575%;在20～40 cm土層，從M0至M3這4種處理的膠體磷含量分別是溶解磷含量的1.13、1.25、1.28、1.03倍;在40～60 cm 土層，膠體磷含量分別是溶解磷含量的6.81、3.23、233、3.39倍。施肥量是影響土壤膠體磷含量差異的主要原因。長期施用有機肥會增加表層土壤磷素的含量，有機肥本身含有的膠體顆粒也可能會促進土壤膠體磷的遷移[14]。在本研究中，稻田土壤膠體磷含量隨著土壤深度增加而增加，這可能與深層土壤的厭氧環(huán)境促進膠體顆粒釋放有關[15]。

3 結論

嘉興稻田土壤膠體顆粒的形貌主要呈鱗片狀，賦存了較多的Al、Fe、Mg、K、Ca等金屬元素。增施豬糞有機肥對土壤剖面中膠體顆粒表面的官能團結構影響不大，但可能增加了0～20 cm表層中土壤膠體顆粒上多水高嶺石和白云母晶體礦物質的含量。

土壤膠體顆粒的含量隨土壤深度的增加而增加。增施豬糞有機肥對0～5、5～20 cm土層膠體顆粒含量的影響不顯著，但在20～40、40～60 cm土層，增施豬糞有機肥有增加土壤膠體顆粒含量的趨勢。這表明深層土壤中賦存的天然膠體顆粒比表層土壤中多，且增施豬糞有機肥可能促使土壤膠體顆粒向深層地下環(huán)境遷移。在0～5、5～20、20～40 cm土層，增施有機肥使土壤總磷和有效磷含量呈逐漸增加的趨勢，增施有機肥增加了0～20 cm土層土壤有機磷的含量，但有機磷占總磷的比例不升反降。各層土壤中，溶解磷和膠體磷的含量隨有機肥施用量增加而增加。隨土壤深度的增加，溶解磷含量有逐漸降低的趨勢，在20 cm土層深度以下，膠體磷的含量多于溶解磷。

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收稿日期：2018-09-28

基金項目：浙江省杰出青年科學基金（編號：LR16B070001）;國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金（編號：41522108）;國家重點研發(fā)計劃（編號：2017YFD0800103）;浙江省博士后擇優(yōu)資助項目（編號：zj2018016）。

作者簡介：金 熠（1989—），男，浙江杭州人，博士，主要從事農業(yè)面源污染控制與治理研究。E-mail：jinyi1989@163.com。