吉林省典型土壤磷素形態(tài)及有效性

吳璐璐，柳小琪,張澤興，周 薇，呂家瓏

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100;2.農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100)

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中不可缺少的大量元素之一，是植物體內(nèi)許多重要有機(jī)化合物的組成成分，以多種方式參與植物體內(nèi)的代謝活動(dòng)[1]。植物生長(zhǎng)所需要的磷素主要來源于土壤，磷在土壤中常以無機(jī)態(tài)、有機(jī)態(tài)兩種形式存在，無機(jī)磷一般占土壤磷庫的60%～80%，包括礦物態(tài)磷、吸附態(tài)磷和土壤溶液中的磷，有機(jī)磷包括植素類、磷脂類、核酸類[2]，土壤中磷素的豐缺及供給狀況直接影響著植物的生產(chǎn)水平，受地球化學(xué)過程、生物作用和人類活動(dòng)的影響，磷素在土壤中存在著多種形態(tài)，各形態(tài)間也存在復(fù)雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系，不同形態(tài)磷的生物有效性不同，其循環(huán)過程也存在差異，并在系統(tǒng)有效磷的供應(yīng)中起著各自不同的作用[3]。吉林省作為中國(guó)主要的產(chǎn)糧大省，實(shí)現(xiàn)了糧食連年增產(chǎn)[4]，但農(nóng)戶在作物種植中普遍大量施磷對(duì)農(nóng)田營(yíng)養(yǎng)造成影響[5]。有研究表明，土壤有效磷與磷肥施用量密切相關(guān)，一定范圍內(nèi)增施磷肥可顯著提高土壤有效磷，超過這一范圍有效磷不再增加[6]，當(dāng)土壤速效磷(Olsen-P)含量大于磷素淋失臨界值時(shí)，吉林省土壤磷存在磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)[7]。土壤磷分級(jí)能夠很好地了解土壤中有效磷含量和磷素在土壤中的供應(yīng)情況，如李運(yùn)陽等[8]采用土壤無機(jī)磷分級(jí)的方法探究黑鈣土各組分無機(jī)磷的含量及其與速效磷的相關(guān)性?；h領(lǐng)等[9]采用土壤無機(jī)磷分級(jí)的方法對(duì)吉林省西部黑鈣土進(jìn)行無機(jī)磷組成進(jìn)行研究，并研究石灰性土壤不同土層磷形態(tài)的空間分布特征。改進(jìn)后的Hedley分級(jí)法[10]可將土壤磷按照其對(duì)植物有效性的大小和轉(zhuǎn)化特征的不同進(jìn)行分級(jí)，該方法同時(shí)考慮了無機(jī)磷和有機(jī)磷，不同磷組分在內(nèi)的量化。因而改進(jìn)后的Hedley分級(jí)法被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛用于土壤磷形態(tài)的研究中[11-13]。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多研究者先后提出了多種磷素分級(jí)方法，但不同的磷素分組方法對(duì)磷形態(tài)的描述也不同，土壤無機(jī)磷的分級(jí)早在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)進(jìn)行，在石灰性土壤上應(yīng)用最久、最多的方法是張守敬-杰克森法[14]，該方法將土壤無機(jī)磷分為5級(jí)：水溶性磷(H2O-P)由NH4Cl浸提出的磷；Al-P由中性NH4F溶液浸提出的磷；Fe-P由0.1mol/L NaOH浸提出的磷；閉蓄態(tài)磷(O-P)由檸檬酸鈉、低亞硫酸鈉、氫氧化鈉浸提出的磷；Ca-P由0.5mol/L1/2H2SO4浸提出的難溶態(tài)的磷酸鈣鹽。張-杰體系在石灰性土壤上存在一定的不足，如王艷玲[15]以吉林玉米帶黑土為供試土壤，重點(diǎn)研究了耕層土壤的磷素營(yíng)養(yǎng)狀況、不同形態(tài)無機(jī)磷的組成、對(duì)磷素的吸附及解吸特性。因此，蔣柏藩-顧益初[16]于1989年將此方法進(jìn)行改進(jìn)，將磷酸鈣鹽進(jìn)一步分成3種類型：Ca2-P、Ca8-P及Ca10-P。如李月芬等[17]對(duì)吉林省不同施肥條件下鹽堿土無機(jī)磷形態(tài)的研究，但該方法不足之處在于未能包含有機(jī)形態(tài)磷且在用NH4F溶液浸提時(shí)，會(huì)因產(chǎn)生CaF2而導(dǎo)致磷的沉淀(或吸附)，從而使Al-P偏低，F(xiàn)e-P偏高[18]，對(duì)Al-P、Fe-P難以達(dá)到清楚分組的目的[19]，因此采用改進(jìn)后的Hedley分級(jí)方法。1987年Bowman等[20]首次提出土壤有機(jī)磷對(duì)植物有效性分組較系統(tǒng)的化學(xué)鑒別法，將土壤有機(jī)磷分為：活性有機(jī)磷、中活性有機(jī)磷、中穩(wěn)性有機(jī)磷、高穩(wěn)性有機(jī)磷4組。王鳳菊[21]對(duì)黑土、紅壤以及潮褐土3種典型土壤進(jìn)行有機(jī)磷素化學(xué)特征研究發(fā)現(xiàn)，該方法有機(jī)磷的測(cè)定主要是用間接法，如灼燒法或浸提法，都不夠準(zhǔn)確。至今有機(jī)磷的測(cè)定仍然是研究土壤有機(jī)磷化合物轉(zhuǎn)化過程的一個(gè)突出問題[22]。

農(nóng)田土壤中磷的形態(tài)和含量受多種因素的影響，如土壤類型、土壤性質(zhì)、地理位置、氣候條件、作物種植方式和施肥方式等，同時(shí)還受土地利用類型和經(jīng)營(yíng)管理方式等的影響，然而對(duì)于某一特定區(qū)域涉及不同土壤類型的磷形態(tài)相關(guān)研究尚較少。因此，本研究采用土壤磷連續(xù)提取方法(改進(jìn)后的Hedley分級(jí)方法)對(duì)吉林省黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤農(nóng)田土壤進(jìn)行研究，旨在探明吉林省不同土壤類型磷素形態(tài)的含量及分布特征，為科學(xué)評(píng)價(jià)土壤磷的有效性、實(shí)現(xiàn)磷素高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省位于中緯度歐亞大陸的東側(cè)，是東北亞地區(qū)的地理中心，主要位于東經(jīng)121°38′～ 131°19′和北緯 40°52′～46°18′[23]，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地帶性土壤主要包括黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤等。其中黑土中耕地面積為 8.3×105hm2，占全省耕地面積的15.55%；白漿土中耕地面積為5.0×105hm2，占全省耕地面積的9.40%；黑鈣土中耕地面積為1.4×106hm2，占全省耕地面積的26.99%；暗棕壤中耕地面積為5.7×105hm2，占全省耕地面積的 10.68%[24]。土壤基本信息見表1。

表1 吉林省4種土壤類型基本信息Table 1 Basic information of 4 soil types in Jilin province

1.2 樣品采集和制備

供試土壤樣品2018年9月采于吉林省春玉米種植區(qū)，采集當(dāng)?shù)鼐哂写硇?、分布面積較大的4種土壤類型(黑土，29個(gè)；白漿土，46個(gè)；黑鈣土，21個(gè)；暗棕壤，44個(gè))，根據(jù)“等量、隨機(jī)、多點(diǎn)混合”的取樣原則，同時(shí)避開堆肥、田埂、路沿等特殊區(qū)，取0～20 cm表層土壤，將采集的土樣自然風(fēng)干，并分別通過孔徑2 mm、1 mm、0.25 mm、0.15 mm的篩子后，裝入封口袋供試驗(yàn)分析。

1.3 試驗(yàn)方法

Tiessen等[10]改進(jìn)后的Hedley磷分級(jí)方法操作簡(jiǎn)要如下：稱取過100目土壤樣品0.500 1 g(精確至0.1 mg)置于干凈的50 mL高速離心管中，向離心管中分別加入30 mL去離子水和1.0 g陰離子樹脂顆粒、0.5 mol/L NaHCO3、0.1 mol/L NaOH、1 mol/L HCl，運(yùn)用鉬銻抗比色法分別測(cè)定樹脂磷(Resin-Pi)、碳酸氫鈉磷 (NaHCO3-P)、氫氧化鈉磷(NaOH-P)，稀鹽酸磷(D.HCl-P)；濃鹽酸磷(C.HCl-P)用濃鹽酸，水浴提取，用鉬銻抗測(cè)定；最后土樣用H2SO4-H2O2消煮30 min，進(jìn)行轉(zhuǎn)移后定容，用鉬銻抗比色法測(cè)定Residual-P(殘留態(tài)磷)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

采用Excel 2003對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用SPSS 16.0進(jìn)行相關(guān)性分析(Correlate Pearson)及通徑分析(Path analysis)確定土壤有效磷與各形態(tài)磷組分之間的關(guān)系，采用單因素方差分析(Onen way ANOVA)中的LSD法對(duì)不同土壤類型之間各磷組分進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤類型無機(jī)磷素形態(tài)含量

由圖1可知，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤總無機(jī)磷含量占總磷含量的比例分別為56.73%、55.33%、55.57%、59.72%。無機(jī)形態(tài)的磷素中，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤中土壤類型的Resin-Pi在總無機(jī)磷中的平均占比分別為5.84%、 2.56%、3.37%、2.44%，不同土壤類型相比，黑土與暗棕壤之間無著差異，白漿土與黑鈣土之間無顯著差異，活性無機(jī)磷(NaHCO3-Pi)含量在4個(gè)土壤類型中的變化規(guī)律表現(xiàn)為：黑土>暗棕壤>白漿土>黑鈣土，各個(gè)土壤類型間的顯著差異性同Resin-Pi形態(tài)表現(xiàn)規(guī)律基本一致，這是因?yàn)镽esin-Pi與NaHCO3-Pi均是土壤中可供植物直接吸收利用的活性磷形態(tài)；潛在活性無機(jī)磷(NaOH-Pi)含量在黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤上分別占總無機(jī)磷含量的15.94%、12.60%、 4.18%、10.13%，黑土與暗棕壤之間無顯著差異，而黑鈣土含量最低且顯著低于其余土壤；高穩(wěn)性無機(jī)磷(C.HCl-Pi)含量在黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤中表現(xiàn)順序?yàn)榘底厝?白漿土>黑土>黑鈣土，暗棕壤與其余土壤類型均存在極顯著性差異；不同土壤間穩(wěn)定性無機(jī)磷(D.HCl-P)含量相比于其他無機(jī)磷形態(tài)含量均達(dá)到最高，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤各土壤類型含量在總無機(jī)磷中的平均占比分別為55.47%、60.34%、69.97%、66.53%，暗棕壤顯著高于其余3種土壤。

2.2 不同土壤類型有機(jī)磷素形態(tài)含量

4種不同土壤類型有機(jī)磷含量特征見圖2。與無機(jī)磷相比，土壤有機(jī)磷含量稍低，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤有機(jī)磷總含量分別占土壤磷素總量的43.27%、44.67%、44.43%、40.28%；NaHCO3-Po作為活性有機(jī)磷在4種土壤中的含量均較NaOH-Pi偏高，黑土與白漿土之間無顯著差異，而暗棕壤與其余土壤均呈顯著性差異；在潛在活性有機(jī)磷(NaOH-Po)中，暗棕壤含量最高，黑鈣土最低，黑土與白漿土之間無顯著差異，這與NaHCO3-Po形態(tài)的變化規(guī)律大體一致；穩(wěn)定性有機(jī)磷(C.HCl-Po)在黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤土壤類型的總有機(jī)磷中的平均占比分別為11.02%、12.55%、14.52%、13.22%，暗棕壤與其余3種土壤類型均呈顯著差異；4種土壤類型中Residual-P(殘留態(tài)磷)含量在有機(jī)磷組分中均較高，含量變化在109.51～152.58 mg/kg，4種土壤之間均無顯著差異，總體變化幅度較小。

2.3 土壤有效磷與不同土壤類型各磷組分含量的相關(guān)性

土壤理化性質(zhì)影響土壤磷的形態(tài)、有效性及供應(yīng)潛力，通過對(duì)黑土、白漿土、黑鈣土農(nóng)田土壤不同形態(tài)磷組分與有效磷之間的簡(jiǎn)單相關(guān)分析中發(fā)現(xiàn)(表2)，黑土與白漿土的Resin-Pi、NaHCO3-P(NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)、NaOH-P(NaOH-Pi、NaOH-Po)與土壤的有效磷均呈極顯著正相關(guān)，且以活性磷組分NaHCO3-Pi與有效磷的相關(guān)系數(shù)最大，而C.HCl-P(C.HCl-Pi、C.HCl-Po)與有效磷相關(guān)性相對(duì)較低，均沒有達(dá)到顯著水平，說明有效性較高的磷組分之間容易發(fā)生轉(zhuǎn)化而互相補(bǔ)充，而穩(wěn)定性高的HCl-P(D.HCl-P、C.HCl-P)轉(zhuǎn)化比較難。黑鈣土中的Resin-Pi、NaHCO3-P、NaOH-P均與有效磷達(dá)到極顯著正相關(guān)，而鹽酸提取態(tài)磷與有效磷之間均無相關(guān)性，其中以無機(jī)磷組分中的Resin-Pi與有效磷的相關(guān)性最好，達(dá)到極顯著水平，可見，在在黑鈣土中穩(wěn)定性磷(HCl-P)較難轉(zhuǎn)化為有效磷，而活性磷(Resin-Pi、NaHCO3-P)與潛在活性磷(NaOH-P)是土壤中重要的磷源。

表2 不同土壤各磷素組分與有效磷相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation between various phosphorus components and avoilable phosphorus in different soils

暗棕壤的Resin-Pi、NaHCO3-P(NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)、D.HCl-P與土壤的有效磷均呈極顯著正相關(guān)，而NaOH-Po和濃鹽酸提取態(tài)磷 (C.HCl-P)與有效磷無顯著相關(guān)關(guān)系，其余土壤并沒有出現(xiàn)磷形態(tài)與潛在活性有機(jī)磷(NaOH-Po)無相關(guān)性，故對(duì)暗棕壤進(jìn)行進(jìn)一步的通徑分析，從表3可看出，Resin-Pi對(duì)有效磷的直接通徑系數(shù)為0.845，且表現(xiàn)為正效應(yīng)，NaOH-Pi通過Resin-Pi對(duì)有效磷的間接通徑系數(shù)為 0.428，在所有間接通徑系數(shù)中也是最大的，且暗棕壤中的Resin-Pi與有效磷的相關(guān)關(guān)系最為顯著(P< 0.01)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.945，表明，同黑鈣土一樣，在暗棕壤中土壤主要磷源為Resin-Pi。

表3 暗棕壤土壤磷組分與土壤有效磷的通徑分析Table 3 Path analysis of phosphorus component in dark brown soil and available phosphorus in soil

3 討 論

3.1 不同土壤類型磷素形態(tài)含量特征

本文采用Hedley提出的土壤磷素的分級(jí)方法，對(duì)吉林省的4種典型土壤(黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤)進(jìn)行磷素的分級(jí)，將土壤磷分為有機(jī)磷和無機(jī)磷。在無機(jī)磷中，Resin-Pi和NaHCO3-Pi是土壤各形態(tài)磷中最容易受到各種因素影響的部分，也是活性最強(qiáng)的部分，通常稱為土壤活性磷(Labile P)。結(jié)果表明，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤4種土壤類型的無機(jī)磷含量占總磷含量的平均比例分別為56.73%、55.34%、55.57%、 59.72%，這與劉建玲等[25]的研究結(jié)果一致，石灰性土壤中，無機(jī)磷含量占土壤全磷含量的比例最高。4種典型土壤中，Resin-Pi與NaHCO3-Pi作為活性磷大體變化規(guī)律基本一致，黑土與暗棕壤無顯著相關(guān)性，白漿土與黑鈣土無顯著相關(guān)性，這可能由于與白漿土和黑鈣土相比，黑土與暗棕壤的有效磷含量相對(duì)稍高；無機(jī)磷都以D.HCl-P為主，這與向萬勝等[26]研究結(jié)果一致，表明可供植物直接吸收利用的磷是土壤中水溶性磷，一般為無機(jī)磷，是土壤的最直接磷源。

Notes:The remaining diameter coefficient Pe=0.184, the determination coefficientR2=0.966,X1,X4,X7 represent Resin-Pi, NaOH-Pi, C.HCl-Pi,respectively.Yrepresents effective phosphorus.

在有機(jī)磷中，土壤的活性有機(jī)磷(NaHCO3-Po)和中等活性有機(jī)磷(NaOH-P)屬于較易礦化被植物吸收利用的磷形態(tài)[27]。本研究表明，中活性有機(jī)磷NaOH-Po含量較高，為30.84～155.40 mg/kg，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤中活性有機(jī)磷含量占總有機(jī)磷含量的平均比例分別為占 45.49%、43.37%、26.31%、49.51%，這與谷思玉等[28]的研究結(jié)果一致。4種典型土壤中，有機(jī)磷含量變化趨勢(shì)大體為中等活性有機(jī)磷(NaOH-Po)>活性有機(jī)磷(NaHCO3-Po)>高穩(wěn)性有機(jī)磷 (C.HCl-Po)，這與馬艷梅[29]與梁運(yùn)江等[30]的研究結(jié)果一致。

3.2 土壤磷素與有效磷的相關(guān)關(guān)系及有效性

土壤Hedley分級(jí)形態(tài)與有效磷存在一定關(guān)系，一般認(rèn)為，土壤有效磷與某形態(tài)磷組分的相關(guān)性愈顯著，則該形態(tài)組分磷的有效性愈大，其相對(duì)有效性也越高[31]。在4種土壤中，土壤有效磷與不同的土壤之間具有不同的相關(guān)性，4種土壤有效磷均與各磷形態(tài)呈顯著相關(guān)關(guān)系，黑土與白漿土中Resin-Pi是土壤中最重要的磷源，而黑鈣土與暗棕壤中NaHCO3-Pi是作物吸收的最有效磷源，這與楊小燕[32]和謝英荷等[33]的結(jié)果一致。用0.1 mol/L NaOH溶液提取的磷包括與土壤Fe、Al化合物(化學(xué)吸附)以及粘粒結(jié)合的無機(jī)態(tài)磷(NaOH-Pi)和與土壤中腐殖酸結(jié)合的有機(jī)態(tài)磷(NaOH-Po)，它們都屬于中等活性的磷，4種土壤中，除暗棕壤的NaOH-Po形態(tài)外，其余土壤有效磷均與NaOH-P達(dá)到極顯著相關(guān)性，這與穆曉慧等[34]在黃土高原石灰性土壤中的研究結(jié)果一致。由于各磷素形態(tài)含量存在差異，因此通過簡(jiǎn)單的相關(guān)分析不能很好的比較各形態(tài)磷組分對(duì)土壤磷素有效性的貢獻(xiàn)大小及方式，故對(duì)暗棕壤應(yīng)用通徑分析(表3)通過得到的直接通徑系數(shù)、間接通徑系數(shù)和相關(guān)系數(shù)等參數(shù)來反映暗棕壤中NaOH-Po磷形態(tài)的相對(duì)有效性，經(jīng)變量剔除后，Resin-Pi、NaOH-Pi和C.HCl-Pi被保留下來，它們是對(duì)土壤有效磷貢獻(xiàn)較大的磷素形態(tài)(剩余通徑系數(shù)Pe=0.184，決定系R2=0.966，說明所有重要因素都考慮在內(nèi))，表明在暗棕壤中Resin-Pi對(duì)有效磷的貢獻(xiàn)最大，這與向萬勝等[26]的研究結(jié)果一致。

土壤各磷組分之間存在一定的相互影響與制約，植物有效磷源的多少取決于土壤各磷組分之間的分布狀況和轉(zhuǎn)化方向，用稀HCl提取的磷(D.HCl-P)形態(tài)，類似于無機(jī)磷分級(jí)中的Ca-P，在石灰性土壤中主要提取磷灰石型磷，4種土壤類型中，非活性磷HCl-Pi與有效磷之間的相關(guān)系數(shù)均較低，但在黑土、白漿土、暗棕壤中，D.HCl-P與Resin-Pi、NaHCO3-Pi存在極顯著相關(guān)關(guān)系，說明非活性磷與其余某些磷組分之間存在相互轉(zhuǎn)化過程，可能是因?yàn)辂}酸磷是潛在的有效磷源這與滕澤琴等[35]的研究結(jié)果一致。Residual-P被認(rèn)為是土壤中難溶性的磷，在土壤環(huán)境中發(fā)生的一系列變化可活化部分難溶性磷，使之向其他有效性較高的磷形態(tài)轉(zhuǎn)化，提高磷的有效性，也有研究表明，殘留磷在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)對(duì)植物是有效的[36-37]。

4 結(jié) 論

吉林省4種典型供試土壤無機(jī)磷素形態(tài)占總磷形態(tài)分別為56.73%、55.33%、55.57%、 59.72%，無機(jī)磷形態(tài)以HCl-P為主；NaOH-Po在有機(jī)磷形態(tài)所占比例較高，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤含量比例分別為29.04%、27.10%、 11.43%、34.00%，Residual-P含量在4種土壤中含量為109.51～152.58 mg/kg，變化幅度較小。4種典型土壤有效磷均與Resin-Pi、NaHCO3-P、NaOH-Pi存在極顯著相關(guān)性，除暗棕壤外，其余土壤也與NaOH-Po具有極顯著相關(guān)關(guān)系，NaOH-Po可通過其他磷素形態(tài)對(duì)土壤有效磷產(chǎn)生影響。黑土與白漿土中，NaHCO3-Pi是土壤中最直接的磷源，黑鈣土與暗棕壤中Resin-Pi是作物吸收的有效磷源。