豬糞施用對黑土型水稻土磷轉(zhuǎn)化過程的影響

佟德利, 朱廣鵬,, 賀海升, 于 鑫,, 陳光蕾,于云飛, 李 爽, 劉靜華, 李夢琦,, 汪 玉

(1. 沈陽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034;2. 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(xué)院南京土壤研究所, 南京 210008;3. 沈陽師范大學(xué) 實驗教學(xué)中心, 沈陽 110034)

0 引 言

磷是作物生長的主要限制因素之一,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要影響[1]。過去幾十年間,化學(xué)磷肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的使用為我國糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn),但隨著化肥施用量的不斷增加,土壤磷素大量盈余,引發(fā)了土壤酸化、養(yǎng)分失衡以及農(nóng)業(yè)污染等一系列問題[2]。我國擁有豐富的有機肥資源,施用有機肥在避免資源浪費的同時可以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[3]。而與施用化肥相比,有機肥在提高土壤肥力、保持和提高農(nóng)田生產(chǎn)力、促進(jìn)化肥減量增效等方面也具有重要意義[4]。

有機肥施用可以影響稻田土壤磷素轉(zhuǎn)化過程。以往的研究表明,有機肥主要通過改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤磷庫庫容來影響土壤磷素的有效性,有機肥分解產(chǎn)生的有機酸可活化土壤中的磷,降低土壤對磷的固定,還能通過自身的有機磷礦化來提高磷素的利用率[5-7]。Luo和Sun[8]通過對藍(lán)紫色水稻土的研究發(fā)現(xiàn),有機肥通過增加有機磷礦化菌提高了土壤磷的有效性;Ahmed等[9]對中國南方水稻土的研究表明,化肥配施有機肥較單施化肥顯著增加了土壤TP,Olsen-P和有機質(zhì)的含量;謝堅[10]的研究發(fā)現(xiàn),長期氮鉀肥施用并配施豬糞對紅壤性水稻土Al-P,Ca-P影響較大,對閉蓄態(tài)磷(O-P)含量影響較小,并增加了高穩(wěn)性有機磷的含量,降低了中穩(wěn)性有機磷的含量。

水稻在種植過程中干濕交替的變化會顯著影響土壤磷組分,有研究表明,干濕交替的灌溉模式顯著提高了稻田土壤有效磷、有機磷和無機磷的含量[11]。但目前關(guān)于黑土區(qū)稻田土壤在淹水-落干變化下有機肥施用對土壤磷庫影響的研究仍很少。因此,本文通過培養(yǎng)試驗,模擬稻田淹水-落干條件變化,探究豬糞施用對黑土區(qū)水稻土磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響及其主控因素,研究結(jié)果對黑土地可持續(xù)發(fā)展與有機肥高效利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自遼寧省盤錦市盤山縣壩墻子鎮(zhèn)(N41°9′,E122°15′),該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫8.1 ℃,年降雨量611.6 mm。土壤類型為水稻土,采樣方法為五點取樣法,采樣深度0～20 cm。土壤和豬糞的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤和豬糞基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and pig manure

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置3個處理: 空白對照(標(biāo)記為CK)、化學(xué)磷肥(標(biāo)記為CF)和添加豬糞(標(biāo)記為PM)。每個處理重復(fù)3次。 CK為不施肥處理,化學(xué)磷肥為磷酸二氫鉀(KH2PO4),腐熟的豬糞采自浙江省嘉興市牧場, 分析前將糞肥風(fēng)干,研磨過篩(<4 mm)備用, 各施肥處理施P量均為100 mg·kg-1土。 將試驗土壤保持55%最大田間持水量(water holding capacity,WHC)預(yù)培養(yǎng)15 d(25 ℃)后, 稱取鮮土(干質(zhì)量250 g)與肥料混勻, 置于500 mL廣口玻璃瓶內(nèi),于25 ℃恒溫培養(yǎng)。 培養(yǎng)試驗總時長為60 d, 前40 d淹水培養(yǎng)(保持淹水2 cm,100% WHC), 結(jié)束后抽出水分, 落干培養(yǎng)(5%～10% WHC)20 d。 采取破壞性取樣方法采集第40 d與60 d土壤樣本, 一部分鮮土用于測定土壤微生物生物量,其余土樣風(fēng)干、研磨、過篩(2 mm)后保存,用于其他指標(biāo)測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤pH使用pH計(Thermo ORION STAR A211)測定,水土比2.5∶1, TP經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后鉬藍(lán)比色法測定,Olsen-P用碳酸氫鈉(0.5 mol·L-1,pH=8.5)浸提后鉬藍(lán)比色法測定[12]。全碳(total carbon,TC)、全氮(total nitrogen,TN)使用全自動碳氮分析儀(vario MACRO CN,Elementar Analysensysteme GmbH)測定。

無機磷分級采用顧益初-蔣柏藩[13]提出的分級方法,共分為6種形態(tài):0.25 mol·L-1NaHCO3提取的Ca2-P,0.5 mol·L-1NH4Ac提取的Ca8-P,0.5 mol·L-1NH4F提取的Al-P,0.1 mol·L-1NaOH-Na2CO3提取的Fe-P,0.3 mol·L-1檸檬酸鈉提取的O-P和0.5 mol·L-1H2SO4提取的Ca10-P。以上各組分提取后使用鉬藍(lán)比色法于分光光度計700 nm下進(jìn)行測定。

有機磷分級采用Bowman和Cole[14]提出的分級方法,分為4種形態(tài):0.5 mol·L-1NaHCO3提取的活性有機磷(labile organic P,LPo),0.1 mol·L-1HCl提取的中等活性有機磷(moderately labile organic P,MLPo),0.5 mol·L-1NaOH提取的中等穩(wěn)態(tài)有機磷(fulvic acid-associated organic P,FAPo)和穩(wěn)態(tài)有機磷(humic acid-associated organic P,HAPo)。其中,FAPo是在pH為1～1.5條件下不產(chǎn)生沉淀的富里酸磷,HAPo是在pH為1～1.5條件下產(chǎn)生沉淀的胡敏酸磷。

土壤微生物生物量用氯仿熏蒸法提取后測定[15-16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)檢驗不同處理下樣本間差異(Duncan檢驗);使用Canoco 5.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行環(huán)境因子與磷組分間的冗余分析并作圖;皮爾遜相關(guān)性分析(Pearson)用于分析土壤磷組分與土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)及微生物生物量間的相關(guān)性,使用Origin 2021函數(shù)繪圖軟件作圖。

2 結(jié) 果

2.1 豬糞添加對土壤速效磷和全磷含量的影響

如圖1所示,CF處理下淹水土壤Olsen-P和TP分別顯著增加344.9%和17.8%,落干時顯著增加386.4%和23.3%(P<0.05); PM處理在淹水時土壤Olsen-P和TP分別顯著增加276.3%和34.1%,落干后顯著增加213.1%和21.6%(P<0.05)。同淹水培養(yǎng)相比,落干后PM處理Olsen-P和TP含量顯著降低(P<0.05)。

圖1 豬糞添加對黑土(a)速效磷和(b)全磷的影響Fig.1 Effects of pig manure addition on black soil (a) available P and (b) total P

2.2 豬糞添加對土壤無機磷及有機磷形態(tài)的影響

如圖2所示,CF處理在淹水時Ca2-P,Ca8-P,Al-P,Fe-P分別顯著增加384.7%,142.9%,105.8%,44.1%,落干時分別顯著增加343.1%,113.7%,89.8%,35.8%(P<0.05);PM處理下淹水時顯著增加307.1%,318.6%,143.9%,64.8%,落干時顯著增加208.3%,95.8%,102.6%,43.5%(P<0.05)。而淹水-落干變化和施肥處理對O-P和Ca10-P均未產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)。

圖2 豬糞添加對黑土無機磷形態(tài)的影響Fig.2 Effects of pig manure addition on inorganic phosphorus form in black soil

如圖3所示,CF處理在淹水時顯著增加(P<0.05)中等活性有機磷(39.3%)和中等穩(wěn)態(tài)有機磷(33.7%),顯著降低穩(wěn)態(tài)有機磷(-52.1%,P<0.05),落干時顯著增加活性有機磷(110.2%,P<0.05),增加了穩(wěn)態(tài)有機磷;PM處理在淹水時顯著增加中等穩(wěn)態(tài)有機磷(36.6%,P<0.05),降低了活性有機磷和穩(wěn)態(tài)有機磷,落干后對各有機磷組分未產(chǎn)生顯著影響。同淹水培養(yǎng)相比,落干后各處理活性有機磷和中等活性有機磷顯著降低(P<0.05),中等穩(wěn)態(tài)有機磷顯著增加(P< 0.05),CF處理增加了穩(wěn)態(tài)有機磷,而PM處理穩(wěn)態(tài)有機磷含量降低。

2.3 豬糞添加對土壤微生物量及其比值的影響

如圖4所示,CF處理在淹水時降低了MBC,顯著增加MBP(16.0%,P<0.05),落干時降低了MBC,增加了MBP;PM處理在淹水和落干時均提高了MBC和MBP,其中MBP在淹水時顯著增加37.2%(P<0.05),落干時顯著增加37.3%(P<0.05)。同CK相比,在淹水和落干時CF處理下MBC/MBN(microbial biomass nitrogen),MBC/MBP和MBN/MBP均降低,PM處理下MBC/MBN升高,MBC/MBP和MBN/MBP降低。

圖4 豬糞添加對黑土微生物量及其計量比的影響Fig.4 Effects of pig manure addition on black soil microbial biomass and its stoichiometric ratio

3 討 論

在本文中,黑土型水稻土添加豬糞(PM)或化學(xué)磷肥(CF)均帶入了大量磷源[17-18],顯著增加了土壤速效磷和全磷含量(圖1),而PM處理下速效磷含量顯著低于CF處理,主要是糞肥的氮磷鉀養(yǎng)分較化肥含量低且其養(yǎng)分釋放的緩效性所致[19]。在黑土無機磷組分中,Ca2-P和Al-P是速效磷源,Ca8-P和Fe-P是緩效磷源,O-P和Ca10-P是潛在磷源[20]。有機肥含有土壤類似的無機磷組分,添加后可提高土壤無機磷含量[21]。本文中PM處理較CK顯著增加除O-P和Ca10-P外的無機磷組分,較CF處理主要增加了Ca8-P,Al-P,Fe-P含量,而對O-P和Ca10-P無顯著影響(圖2),這表明PM處理下土壤磷素主要增加有效態(tài)磷或緩效態(tài)磷,而PM處理下Ca2-P含量低于CF處理(圖2(a)),其主要原因是化學(xué)磷肥添加后,在短期內(nèi)會轉(zhuǎn)化為有效性較高的Ca2-P,進(jìn)而再轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)的中等活性無機磷[22]。郭玉冰[23]研究發(fā)現(xiàn)長期施磷肥或有機肥提高了土壤有機磷含量,單施磷肥顯著增加中等活性有機磷含量,單施有機肥顯著增加各有機磷組分含量。本文中,PM處理在淹水時較CK顯著增加中等穩(wěn)態(tài)有機磷,降低了穩(wěn)態(tài)有機磷,落干后對各有機磷組分無顯著影響,但較淹水時降低了穩(wěn)態(tài)有機磷(圖3),這表明豬糞添加在短期內(nèi)不會直接增加活性較高的有機磷組分,但促進(jìn)了穩(wěn)態(tài)有機磷向活性更高的有機磷組分轉(zhuǎn)變。而PM處理下活性有機磷含量有所降低,這可能是淹水培養(yǎng)時土壤活性有機磷易被微生物礦化分解,轉(zhuǎn)化成磷酸根離子[24],從而導(dǎo)致其含量下降。淹水時CF處理下中等活性有機磷和中等穩(wěn)態(tài)有機磷顯著增加,穩(wěn)態(tài)有機磷顯著降低,但落干后在顯著增加活性有機磷的同時增加了穩(wěn)態(tài)有機磷(圖3),這說明化學(xué)磷肥短期內(nèi)可提高供植物利用的速效磷源,但同時也增加了無效態(tài)磷含量。高等穩(wěn)態(tài)有機磷是與土壤胡敏酸結(jié)合的有機磷,而有機肥處理的土壤胡敏酸活度高于化學(xué)磷肥處理[25],故相較化學(xué)磷肥,豬糞添加促進(jìn)了穩(wěn)態(tài)有機磷的轉(zhuǎn)化。此外,豬糞添加提高了土壤有機質(zhì),淹水-落干變化致使團聚體被破壞,有機質(zhì)分解釋放富里酸聚等陰離子同磷酸鹽陰離子產(chǎn)生吸附競爭,減小土壤磷的吸附能力,促進(jìn)磷的釋放,提高了土壤磷素的有效性。淹水-落干變化促進(jìn)了活性有機磷和中等活性有機磷的轉(zhuǎn)化(圖3),淹水土壤落干過程中會壓縮在潮濕時卷入的空氣,將大團聚體轉(zhuǎn)變?yōu)樾F聚體,產(chǎn)生小顆粒物[26],增大比表面積,從而增加土壤對磷的吸附固定。

土壤微生物是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動力源,土壤微生物生物量水平可以反映土壤肥力的變化情況。李春越等[27]的研究表明,與不施肥處理相比,化肥處理下土壤MBC降低,MBN和MBP顯著增加,而施有機肥處理土壤MBC,MBN,MBP含量均顯著提高。在本文中,相較CK, PM處理在淹水和落干時均增加MBC和MBN,顯著增加MBP,CF處理降低了MBC,增加了MBN和MBP(圖4)。一方面,添加有機肥帶入了大量碳源,同時改善土壤養(yǎng)分和通氣性,促進(jìn)微生物生長繁殖[28],增加了土壤微生物生物量,而添加化學(xué)磷肥會導(dǎo)致土壤板結(jié),通氣性減弱,土壤C/N降低,促使有機碳礦化分解,土壤碳庫中有機碳總量降低[29],導(dǎo)致部分微生物將體內(nèi)固持的碳素釋放,降低了土壤MBC;另一方面,豬糞和化學(xué)磷肥添加提供了富磷環(huán)境,微生物可利用磷源增加使得更多的無機磷被微生物同化固定,增加了土壤MBP[30]。養(yǎng)分投入的差異會影響土壤微生物的養(yǎng)分供應(yīng),改變土壤微生物生物量,進(jìn)而影響土壤微生物量計量比。本文中豬糞添加改善了土壤微生物的生長環(huán)境,提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和碳源,增加了MBC和MBP,這是導(dǎo)致MBC/MBN升高、MBC/MBP和MBN/MBP降低的主要原因。

4 結(jié) 論

豬糞施用顯著增加了各培養(yǎng)時期黑土稻田土壤速效磷、全磷、活性較高的無機磷組分和微生物生物量磷含量,提高了土壤磷庫庫容和磷素有效性。淹水-落干條件變化主要影響了土壤有機磷轉(zhuǎn)化過程,促進(jìn)了活性有機磷和中等活性有機磷向中等穩(wěn)態(tài)有機磷轉(zhuǎn)化,而豬糞添加在落干后較淹水培養(yǎng)時促進(jìn)了穩(wěn)態(tài)有機磷的活化。綜上所述,豬糞施用和淹水-落干條件變化通過提高不同形態(tài)磷含量、土壤微生物生物量及其計量比,提高了土壤磷庫庫容和磷素有效性,對黑土稻田土壤磷素轉(zhuǎn)化及其有效性產(chǎn)生了重要影響。