氮對磷在潮土中遷移與轉(zhuǎn)化的影響

蘇同慶 ，王火焰 ，周健民

（1.南寧師范大學北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；2.南寧師范大學廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，廣西 南寧 530001；3.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008）

化學肥料集中施入土壤后，肥料顆粒附近養(yǎng)分濃度遠高于整個土體，其物理、化學和生物學性質(zhì)與整個土體有顯著差異，該區(qū)域?qū)Ψ柿系倪w移距離與形態(tài)轉(zhuǎn)化影響深遠。磷肥移動性差，施入土壤后大部分被吸附固定，特別是在石灰性土壤中，磷酸鈣鹽的固定作用更為劇烈，磷肥的有效性進一步降低。

磷肥在土壤中的遷移與形態(tài)轉(zhuǎn)化已有部分報道。已有研究表明，磷的遷移距離和形態(tài)轉(zhuǎn)化因磷肥種類［1-4］、土壤類型、施肥量和培養(yǎng)時間不同而存在顯著差異，土壤對磷吸附固定能力越強，磷的遷移距離越短［4-5］，施肥量越大，磷的遷移距離越長［6］，培養(yǎng)時間越長，磷的遷移距離越長［4-10］。施用磷肥同時配施不同肥料和肥效調(diào)節(jié)劑，對磷在土壤中的遷移和形態(tài)轉(zhuǎn)化存在顯著影響。在石灰性潮土中施磷同時配施腐植酸鈉，縮短了磷的遷移距離，降低了施肥點附近水溶性磷和酸溶性磷含量，而施磷同時配施腐殖酸則顯著增加了磷的遷移距離，施肥點附近不同形態(tài)磷的含量均有顯著提高［8］。在水稻土中施磷同時配施草酸，顯著增加了磷的遷移距離，施肥點附近水溶性磷和有效磷的含量均有顯著提高［4，7］，同時配以淹水條件，磷的遷移距離與形態(tài)轉(zhuǎn)化又存在明顯不同［7］。在酸性土壤中施磷同時配施石灰，土壤pH值升高，水溶性磷遷移距離縮短，施肥點附近濃度降低［10］。在酸性紅壤中施磷同時配施鉀肥、銨態(tài)氮肥和尿素，鉀肥、銨態(tài)氮肥和尿素均未改變磷在紅壤中的遷移距離，但是鉀肥和銨態(tài)氮肥顯著增加了施肥點附近酸溶性磷和有效磷含量［11］，而尿素則顯著降低了施肥點附近酸溶性磷和有效磷的含量［12］。在中國廣大北方地區(qū)的石灰性潮土中，碳酸鈣的存在導致磷的有效性進一步降低，而對不同形態(tài)氮肥在潮土中對磷肥的遷移與形態(tài)轉(zhuǎn)化的研究尚屬空白。

本研究以河北衡水的石灰性潮土為材料，采用室內(nèi)土柱培養(yǎng)、切片的方法，研究潮土中不同形態(tài)氮肥對磷肥的遷移與形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響，以期揭示磷肥在不同形態(tài)氮肥配施時的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為中國北方石灰性潮土中氮磷肥的合理配施提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為潮土，采自河北衡水市郊（37°44′N，115°47′E）耕層（0～20 cm），基本理化性質(zhì)如表1所示。土壤風干磨細過0.84 mm篩備用。供試肥料為分析純磷酸二氫鈣（MCP）、尿素（U）和硫酸銨（AS），磨細備用。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計與培養(yǎng)方法

本研究采用室內(nèi)土柱培養(yǎng)，所用容器為內(nèi)圓外方的蠟筒，高160 mm，內(nèi)徑50 mm。蠟筒底端用濾紙封口，均勻裝土435 g，裝土后土柱容重為1.34 g·cm-3。將裝好的土柱垂直放置在裝有去離子水的石英砂盤上，通過毛細作用使土柱吸水12 h至飽和。將吸水后的土柱移至干石英砂盤上去除重力水（12 h），用保鮮膜將整個蠟筒密封以防止水分散失，垂直放置，平衡48 h，此時土柱含水量為最大田間持水量。本研究設(shè)置單施磷酸二氫鈣（MCP）、磷酸二氫鈣和尿素共施（MCP+U）與磷酸二氫鈣和硫酸銨共施（MCP+AS）3個處理，每個處理重復3次，同時設(shè)置不施肥空白對照。磷酸二氫鈣用量為（以P2O5計）0.3 g·kg-1土，尿素和硫酸銨用量均為（以純N計）0.3 g·kg-1土。所有肥料磨細，準確稱重后，均勻撒在一塊塑料板上（土柱等直徑的圓內(nèi)），將水分已平衡好的土柱移至塑料板上，使肥料和土柱底端土壤緊密結(jié)合，置于25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)60 d，然后用自制的切片機每2 mm切片取樣，經(jīng)風干磨細后用于分析測試，切片機詳細信息參見相關(guān)文獻［13］。

1.3 樣品測定與數(shù)據(jù)分析

土樣pH值的測定：稱取1.00 g土樣于10 mL玻璃瓶中，加入已去除CO2的去離子水2.5 mL，于往返振蕩機上振蕩5 min，靜置30 min后，用pH計測定。

不同形態(tài)磷的提取過程如下：稱取0.50 g土樣于50 mL離心管中，加入30 mL去離子水，于往返振蕩機上振蕩1 h，離心取上清液用于水溶性磷（W-P）的測定。然后按照顧益初等提出的石灰性土壤無機磷分級方法［14］進行提取，電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES，Thermo Elemental）測定。

本試驗中，土壤樣品中磷含量用干基表示，有效磷含量為水溶性磷（W-P）與磷酸二鈣（Ca2-P）含量之和。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對潮土pH值的影響

不同施肥處理均降低了施肥點附近土壤的pH值（圖1）。單施磷酸二氫鈣處理施肥點附近0～2 mm土壤pH值從8.29降至7.82；磷酸二氫鈣與尿素共施處理pH值顯著下降至7.25，較單施磷酸二氫鈣降低7.3%；磷酸二氫鈣與硫酸銨共施處理pH值則顯著下降至6.47，較單施磷酸二氫鈣降低17.3%。隨距施肥點距離的增加，各施肥處理土壤的pH值均呈上升趨勢，直至與不施肥對照持平。單施磷酸二氫鈣對土壤pH值降低最小，影響距離最短（15 mm）；磷酸二氫鈣與尿素共施對土壤pH值降低較多，影響距離也是15 mm；磷酸二氫鈣與硫酸銨共施對土壤pH值降低最大，影響距離最長，直至80 mm仍與不施肥對照處理有顯著差異。

圖1 不同施肥處理對潮土pH值的影響

2.2 不同施肥處理對潮土中磷遷移與形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

不同施肥處理均提高了施肥點附近土壤的水溶性磷（W-P）、磷酸二鈣（Ca2-P）、磷酸八鈣（Ca8-P）和有效磷含量（圖 2）。單施磷酸二氫鈣處理施肥點附近0～2 mm土壤W-P含量達到了1 159 mg·kg-1，與硫酸銨共施處理顯著上升至1 470 mg·kg-1，較未施硫酸銨時增加26.9%，而與尿素共施處理則顯著下降到133 mg·kg-1，較未施尿素時降低88.5%（圖2a）。隨距施肥點距離的增加，W-P均呈下降趨勢，共施硫酸銨處理顯著高于等距離單施磷酸二氫鈣處理，遷移距離最長（21 mm），較單施磷酸二氫鈣處理（15 mm）增加了40%，而共施尿素處理施肥點附近0～2和2～4 mm土壤顯著低于，之后顯著高于等距離單施磷酸二氫鈣處理，遷移距離增加13.3%（17 mm）（圖 2a）。

土壤Ca2-P在施肥后也發(fā)生了顯著變化，但與W-P不盡相同（圖2b），單施磷酸二氫鈣處理施肥點附近0～2 mm土壤達到3 122 mg·kg-1，與硫酸銨共施處理為2 886 mg·kg-1，顯著性分析表明其和單施磷酸二氫鈣差異不顯著（P＞0.05），而與尿素共施處理則顯著下降至436 mg·kg-1，降幅高達86.0%。隨距施肥點距離的增加，各施肥處理Ca2-P均呈下降趨勢，在4 mm之后，Ca2-P含量共施硫酸銨＞共施尿素＞單施磷酸二氫鈣，且施肥引起新增Ca2-P分布范圍共施硫酸銨（21 mm）＞共施尿素（17 mm）＞單施磷酸二氫鈣（15 mm）（圖2b）。

圖2 不同施肥處理對潮土水溶性磷（W-P）、磷酸二鈣（Ca2-P）、磷酸八鈣（Ca8-P）和有效磷的影響

與W-P、Ca2-P不同，與硫酸銨共施處理施肥點附近0～2 mm土壤Ca8-P含量386 mg·kg-1，較單施磷酸二氫鈣（1 642 mg·kg-1）降低了76.5%，而與尿素共施處理則顯著上升至3 757 mg·kg-1，較單施磷酸二氫鈣提高至2.29倍（圖2c）。隨距施肥點距離的增加，各施肥處理的Ca8-P都呈下降趨勢，在4 mm之后，Ca8-P含量共施尿素處理＞共施硫酸銨處理＞單施磷酸二氫鈣處理，且施肥引起新增Ca8-P分布范圍共施尿素（21 mm）= 共施硫酸銨（21 mm）＞單施磷酸二氫鈣（13 mm），共施氮肥處理較單施磷肥處理分布范圍增加61.5%（圖 2c）。

土壤有效磷指能為當季作物吸收的磷量，W-P和Ca2-P活性高，易于被作物吸收利用，因此將W-P和Ca2-P含量之和作為土壤有效磷。有效磷含量在施用不同肥料之后有顯著增加。單施磷酸二氫鈣處理施肥點附近0～2 mm土壤有效磷含量達到4 282 mg·kg-1，與硫酸銨共施處理為4 437 mg·kg-1，顯著性分析表明其和單施磷酸二氫鈣差異不顯著（P＞0.05），而與尿素共施處理則顯著下降到569 mg·kg-1，較未施尿素時降低86.7%（圖2d）。隨距施肥點距離的增加，有效磷均呈下降趨勢，共施硫酸銨處理顯著高于等距離單施磷酸二氫鈣處理，施肥引起新增有效磷分布范圍最廣（21 mm），較單施磷酸二氫鈣處理（15 mm）增加了40%，而共施尿素處理施肥點附近0～2 mm土壤顯著低于，4～6 mm土壤及之后顯著高于等距離單施磷酸二氫鈣處理，施肥引起新增有效磷分布范圍增加13.3%（17 mm）（圖 2d）。

不同施肥處理明顯改變了施肥點區(qū)域土壤的磷酸鋁（Al-P）、磷酸鐵（Fe-P）、閉蓄態(tài)磷（O-P）和磷酸十鈣（Ca10-P）含量（圖3），相比W-P、Ca2-P和Ca8-P，Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P變化幅度相對較小。單施磷酸二氫鈣處理施肥點附近0～2 mm土壤Al-P含量達到448 mg·kg-1，與硫酸銨共施處理為219 mg·kg-1，較未施硫酸銨時降低 51.1%，而與尿素共施處理則顯著上升至824 mg·kg-1，較未施尿素時提高了83.9%（圖3a）。隨距施肥點距離的增加，各施肥處理Al-P均呈下降趨勢，且施肥引起新增Al-P分布范圍共施尿素與共施硫酸銨處理均15 mm，較單施磷酸二氫鈣（11 mm）增加了36.4%（圖3a）。單施磷酸二氫鈣處理施肥點附近0～2 mm土壤Fe-P、O-P和Ca10-P分別為134、271和455 mg·kg-1，共施硫酸銨處理Fe-P沒有明顯變化，共施尿素處理Fe-P降為32 mg·kg-1，比單施磷酸二氫鈣降低了76.3%，O-P和Ca10-P有不同程度的增加，分別達到408和651 mg·kg-1，比單施磷酸二氫鈣分別提高50.4%和43.1%（圖3b，3c，3d）。盡管不同施肥處理對施肥點附近Fe-P、O-P和Ca10-P含量影響較大，但對其施肥引起增量分布范圍沒有明顯影響，均只是影響到距離施肥點0～2 mm土壤。

圖3 不同施肥處理對潮土磷酸鋁（Al-P）、磷酸鐵（Fe-P）、閉蓄態(tài)磷（O-P）和磷酸十鈣（Ca10-P）的影響

2.3 不同施肥處理對潮土磷存在形態(tài)和增加量的影響

土壤無機磷分級測定結(jié)果表明，共施不同氮肥均對磷酸二氫鈣轉(zhuǎn)化過程有顯著影響，在距施肥點0～2 mm土壤表現(xiàn)更為突出（圖4）。單施磷酸二氫鈣，磷主要以W-P、Ca2-P和Ca8-P存在，分別為1 159、3 123和1 642 mg·kg-1，分別占距施肥點0～2 mm土壤無機磷總量的16.0%、43.2%和 22.7%，三者之和占總量的81.9%。共施硫酸銨處理，磷主要以W-P和Ca2-P存在，分別為1 470和2 886 mg·kg-1，兩者之和占無機磷總量的 77.9%。與單施磷酸二氫鈣相比，W-P顯著增加，增加量達26.9%，Ca8-P顯著下降，降低量達76.5%。共施尿素處理，磷主要以Ca8-P和Al-P存在，分別為3 757和824 mg·kg-1，兩者之和占無機磷總量的73.4%。與單施磷酸二氫鈣相比，W-P和Ca2-P顯著減少，分別達88.5%和86.0%，Ca8-P和Al-P顯著提高，分別提高129%和83.9%。

不同施肥處理均提高了土壤中無機磷總量（表2），單施磷酸二氫鈣、共施尿素和共施硫酸銨處理無機磷增量分別為38.9、42.4和47.2 mg，分別為施磷量的68.2%、74.4%和82.8%，而在W-P、Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P這7種形態(tài)中，3種施肥處理前4種形態(tài)磷增量之和分別占施磷量的66.2%、69.9%和82.3%。單施磷酸二氫鈣處理，W-P、Ca2-P、Ca8-P和Al-P增量分別為7.4、18.6、9.0和2.7 mg，分別占施磷量的13.0%、32.7%、15.8%和4.7%，而共施尿素處理分別為4.8%（2.7 mg）、11.3%（6.4 mg）、43.7%（24.9 mg）和10.1%（5.8 mg），共施硫酸銨處理分別為25.9%（14.8 mg）、43.1%（24.6 mg）、9.1%（5.2 mg）和4.2%（2.4 mg）。

圖4 不同施肥處理對潮土距施肥點0～2 mm土壤不同形態(tài)磷的影響

表2 不同施肥處理下不同形態(tài)磷在潮土中的增加量

2.4 不同施肥處理對潮土水溶性鈣、鎂的影響

不同施肥處理均提高了土壤水溶性鈣（WCa）、水溶性鎂（W-Mg）含量，同時增加了W-Ca、W-Mg的分布范圍。單施磷酸二氫鈣處理距施肥點0～2 mm土壤W-Ca含量為1 158 mg·kg-1，與硫酸銨共施處理顯著增加至6 301 mg·kg-1，較未施硫酸銨時增加了4.4倍，而與尿素共施處理則顯著下降到476 mg·kg-1，較未施尿素時降低58.9%（圖5a）。隨距施肥點距離的增加，各處理的W-Ca均有下降，且共施硫酸銨處理＞單施磷酸二氫鈣處理＞共施尿素處理，影響距離共施硫酸銨處理（15 mm）＞共施尿素處理（5 mm）＞單施磷酸二氫鈣處理（3 mm）（圖5a）。對于W-Mg，單施磷酸二氫鈣處理距施肥點0～2 mm含量為108 mg·kg-1，與硫酸銨共施處理則顯著上升至315 mg·kg-1，較未施硫酸銨時增加1.9倍，而與尿素共施處理含量為93 mg·kg-1，和未施尿素時差異不顯著（圖5b）。隨距施肥點距離的增加，各處理中的W-Mg均有下降，但共施硫酸銨處理的含量顯著高于等距離其他處理，且分布范圍最大，為15 mm，而單施磷酸二氫鈣處理和共施尿素處理僅為3 mm。

3 討論

本試驗中，不施肥對照處理土柱內(nèi)土壤pH值、不同形態(tài)磷含量、W-Ca、W-Mg含量均沒有顯著變化，且與距施肥點遠端沒有顯著差異，此結(jié)果與前人研究一致［2，15］。

土壤pH值是重要的土壤指標，對養(yǎng)分的吸附、解吸和形態(tài)轉(zhuǎn)化有重大影響。培養(yǎng)60 d后，磷酸二氫鈣在石灰性潮土中進行異成分溶解，使pH值顯著下降［2，16］。共施硫酸銨施肥點附近飽和溶液呈酸性反應(yīng)，pH值下降更劇烈［11-12］，共施尿素pH值下降較多，但相對共施硫酸銨為弱，原因在于NH4+對土壤固相表面H+的交換作用，尿素作用較弱是由于尿素水解產(chǎn)生的NH3在堿性土壤中會有部分逸出損失。在酸性紅壤中，磷酸二氫鈣與尿素共施土壤pH值有所升高［12］，這主要由于土壤性質(zhì)、培養(yǎng)時間和尿素水解反應(yīng)時間不同。

圖5 不同施肥處理對潮土水溶性鈣（W-Ca）和水溶性鎂（W-Mg）的影響

石灰性土壤中，磷的移動一般不超過1～3 cm。本試驗中，單施磷酸二氫鈣磷的遷移距離為15 mm，共施尿素為17 mm，共施硫酸銨為21 mm，共施尿素和共施硫酸銨均促進了磷在石灰性潮土中的遷移，以硫酸銨效果最為顯著。前人也有研究證實，施用磷酸氫二銨肥料磷的遷移距離顯著大于施用等量磷酸二氫鈣［1-2］，硫酸銨和氯化銨均對磷的擴散有影響，而硫酸銨影響最大［17］，銨態(tài)氮和尿素促進了磷在石灰性土壤中的遷移擴散［18］，說明陪伴離子對肥料磷的遷移有重要影響，且尿素水解產(chǎn)生NH3，在堿性環(huán)境中會有部分逸出損失，這是共施尿素磷的遷移距離小于共施硫酸銨的重要因素之一。

土壤無機磷分級測定結(jié)果表明，磷酸二氫鈣施入土壤培養(yǎng)60 d后，石灰性潮土中各種形態(tài)的無機磷均有增加，以有效性較高的W-P、Ca2-P和Ca8-P的增幅較大，這與前人的研究結(jié)果相一致［2，19-20］。與不同氮肥共施，肥料磷轉(zhuǎn)化的不同形態(tài)無機磷含量存在顯著差異，特別在施肥點附近區(qū)域（0～2 mm）磷轉(zhuǎn)化差異更為顯著。共施硫酸銨促進了更多的磷向W-P和Ca2-P的轉(zhuǎn)化，而共施尿素則促進了較多的磷向Ca8-P的轉(zhuǎn)化。原因可能是在石灰性潮土施肥點附近，磷酸離子濃度很高，磷的固定不是以吸附為主，而以沉淀為主。共施尿素降低了施肥點附近區(qū)域土壤pH值，但仍為堿性環(huán)境，尿素水解產(chǎn)生的NH4+會將土壤膠體表面吸附的 Ca2+、Mg2+等交換下來同磷酸離子生成沉淀而降低W-P和Ca2-P的含量，同時提高了Ca8-P含量。共施硫酸銨使土壤pH值降至酸性環(huán)境，盡管產(chǎn)生的Ca2+、Mg2+更多，但難與磷酸形成沉淀，故W-P和Ca2-P含量升高，Ca8-P含量降低。

磷肥對作物地上部生物量和產(chǎn)量構(gòu)成起重要作用，施肥位置和施肥方式對磷肥的當季利用率影響巨大，根區(qū)施肥［21］和磷肥深施［22-23］能夠有效提高作物產(chǎn)量和其對磷肥的吸收。江尚燾等［24-25］的田間微區(qū)試驗證實，距作物相同距離施用磷酸氫二銨處理作物較磷酸二氫鈣處理有更高的吸磷量，且差異顯著，這從田間間接證明配施氮肥促進了磷肥的移動，提高了磷肥的有效性，從而提高了磷肥的利用率，這也是本研究在生產(chǎn)實踐中的現(xiàn)實意義所在。

4 結(jié)論

硫酸銨和尿素與磷酸二氫鈣共施，顯著影響了土壤pH值、磷的遷移距離和形態(tài)轉(zhuǎn)化。單施磷酸二氫鈣降低了施肥點附近區(qū)域土壤的pH值，不同程度提高了不同形態(tài)的無機磷含量，且在施肥點附近區(qū)域（0～2 mm）增加最為顯著。配施硫酸銨和尿素均較單施磷肥降低了施肥點附近區(qū)域土壤的pH值，以配施硫酸銨降低幅度最大。配施硫酸銨較單施磷肥顯著提高了施肥點附近區(qū)域土壤的W-P含量，降低了Ca8-P含量，促進了磷的遷移，提高了磷肥的速效性，對于作物養(yǎng)分虧缺時及時供給磷素更為有利。配施尿素提高了施肥點附近區(qū)域土壤的Ca8-P含量，W-P和Ca2-P含量有所降低，磷肥的速效性有所降低，對于磷肥供作物中長期利用效果更顯著。