不同有機(jī)替代方式下稻田土壤膠體磷流失潛力研究①

李 爽，王 鈺，于云飛，陳光蕾，趙洪猛，趙 旭，王慎強(qiáng)，汪 玉*

不同有機(jī)替代方式下稻田土壤膠體磷流失潛力研究①

李 爽1,2，王 鈺3，于云飛1,2，陳光蕾1，趙洪猛1，趙 旭1,2，王慎強(qiáng)1,2，----汪 玉1,2*

(1 江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 中交上海航道局有限公司，上海 200120)

土壤膠體因具有較大的比表面積及較強(qiáng)的吸附與遷移能力，其所攜帶的磷(膠體磷)已成為農(nóng)田磷流失過程中的重要形態(tài)。為評(píng)估不同有機(jī)替代方式下稻田土壤膠體磷(Pcoll)的活性和流失潛力，本文依托兩種有機(jī)肥部分替代化肥(控氮控磷與控氮不控磷)方式下稻麥輪作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，探討了Pcoll含量變化、流失風(fēng)險(xiǎn)及其與不同土壤活性磷組分之間的關(guān)系?？氐亓自囼?yàn)(4 a)設(shè)有3個(gè)處理：不施磷肥(CK)、單施化肥(CF)、豬糞有機(jī)肥替代30% 化學(xué)磷肥(OF)；控氮不控磷試驗(yàn)(24 a)設(shè)有3個(gè)處理：不施肥(CK)、單施化肥(CF)、豬糞有機(jī)肥替代40% 化學(xué)氮肥(OF)。結(jié)果表明：在控氮控磷條件下，有機(jī)替代處理較單施化肥處理，土壤有機(jī)碳(SOC)、Pcoll含量及其流失潛力(LPP)均無(wú)顯著性差異，膠體鉬藍(lán)反應(yīng)磷占比(MRP, MRPcoll/Pcoll)顯著降低1.76%(<0.05)。在控氮不控磷條件下，有機(jī)替代處理的土壤Pcoll和SOC含量分別為13.08 mg/kg和20.19 g/kg，顯著高于單施化肥78% 和212.6%(<0.05)；較單施化肥，土壤LPP和MRP分別顯著升高了1.89% 和16.05%(<0.05)。兩種有機(jī)替代方式下土壤Pcoll與土壤全磷(TP)、真溶解態(tài)磷(TSP)、Olsen-P、CaCl2-P等均呈極顯著正相關(guān)(<0.01)；與土壤有機(jī)碳(SOC)在控氮不控磷條件下呈極顯著正相關(guān)(< 0.01)，在控氮控磷條件下無(wú)顯著相關(guān)性。以上結(jié)果表明，較控氮控磷有機(jī)替代方式，長(zhǎng)期僅控氮的有機(jī)肥施用顯著增加了土壤有機(jī)碳、膠體磷和不同活性磷組分含量，磷流失風(fēng)險(xiǎn)升高。因此，有機(jī)肥部分替代化肥養(yǎng)分等量控制是改善農(nóng)田磷流失可行的施肥方式。

有機(jī)替代；稻田；膠體磷；磷流失風(fēng)險(xiǎn)

近年來(lái)，我國(guó)面源磷污染已成為制約水質(zhì)改善的主要原因，其中農(nóng)業(yè)面源磷占總磷污染負(fù)荷的比例高達(dá)68%[1]。韋新東等[2]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)江下游地區(qū)，面源磷污染主要由種植業(yè)產(chǎn)生；高田田等[3]對(duì)我國(guó)巢湖典型農(nóng)村面源磷輸出的調(diào)查結(jié)果表明，農(nóng)田對(duì)面源總磷污染輸出貢獻(xiàn)達(dá)52%。農(nóng)田面源磷污染主要由不合理的耕種措施、施肥強(qiáng)度和施肥方式等造成[4]。有機(jī)肥部分替代化肥因具有化肥的速效性和糞肥的緩釋性等特點(diǎn)，被認(rèn)為是優(yōu)化資源配置和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的有效措施[5-6]。然而不同有機(jī)替代方式對(duì)環(huán)境的影響目前結(jié)果不一致。繆杰杰等[7]發(fā)現(xiàn)有機(jī)等氮磷替代30% 化肥處理較常規(guī)施肥處理的徑流磷流失量降低了16.3%；謝勇等[8]認(rèn)為等養(yǎng)分的有機(jī)替代處理下的磷徑流流失量較單施化肥處理顯著降低了25.0%。而Wang等[9]研究發(fā)現(xiàn)，等氮有機(jī)100% 替代較單施化肥農(nóng)田磷流失增加了45% ～ 237%。因此，如何合理配施有機(jī)和無(wú)機(jī)肥以減少農(nóng)田磷流失仍需進(jìn)一步討論。

此外，磷流失過程中的賦存形態(tài)對(duì)于面源污染管控也具有十分重要的意義[10]。以往研究較多關(guān)注溶解磷(DP，<0.45 μm)和顆粒磷(PP，>0.45 μm)兩種流失形態(tài)[11]。土壤膠體因具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附與遷移能力，其所攜帶的磷(正磷酸鹽和部分可溶性有機(jī)磷等)是土壤磷向外界水體遷移的主要?jiǎng)恿?lái)源[12]。土壤膠體為粒徑介于1 ～ 1 000 nm的細(xì)顆粒，廣泛存在于土壤與水體環(huán)境中。Gottselig等[11]和Jiang等[13]研究表明，土壤中存在很大部分的膠體磷(Pcoll)，不同粒徑顆粒對(duì)磷的富集具有一定的差異性，以0.45 μm劃分的磷形態(tài)并非真正界限；Poirier等[14]認(rèn)為在黏性土壤中有超過50% 的顆粒磷是粒徑范圍在0.05 ～ 1 μm的膠體磷；Mayer和Jarrell[15]則發(fā)現(xiàn)在水體環(huán)境中膠體磷濃度占比可達(dá)總磷的50%。土壤膠體磷形態(tài)也會(huì)因不同施肥管理模式具有差異性，例如，Ilg等[16]研究結(jié)果表明，與無(wú)機(jī)肥相比，施用有機(jī)肥會(huì)帶入更多的有機(jī)磷并顯著增加膠體磷的遷移量；Siemens等[17]研究發(fā)現(xiàn)，過高的施磷量會(huì)引起土壤中部分磷素形態(tài)發(fā)生變化，最終以膠體磷形式遷移。

本研究以蘇南稻麥輪作農(nóng)田為研究對(duì)象，依托不同有機(jī)替代方式田間試驗(yàn)(連續(xù)4 a控氮控磷和連續(xù)24 a控氮不控磷)，探究?jī)煞N有機(jī)肥部分替代化肥措施下土壤膠體磷賦存形態(tài)和流失潛力的變化，揭示其與土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系，以期為稻麥輪作農(nóng)田養(yǎng)分投入優(yōu)化管理及土壤磷流失阻控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 控氮不控磷有機(jī)替代試驗(yàn)點(diǎn)概況和試驗(yàn)處理

試驗(yàn)點(diǎn)位于江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(31°33′ N，120°42′ E)，試驗(yàn)田土壤類型為水稻土，年均溫為15.5 ℃，年均降水量為1 038 mm。試驗(yàn)始于1998年稻季，原始耕層土壤(0 ～ 20 cm)基本理化性質(zhì)為[18]：全氮(TN)1.12 g/kg，全磷(TP)0.54 g/kg，全鉀(TK)19.3 g/kg，有效磷(Olsen-P)9.41 mg/kg，有機(jī)碳(SOC)10.5 g/kg，pH 6.66。各小區(qū)面積4 m2，種植方式為稻麥輪作，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，供試肥料為尿素(46% N)、過磷酸鈣(12% P2O5)、氯化鉀(60% K2O)和有機(jī)肥。有機(jī)肥為豬糞有機(jī)肥，其養(yǎng)分含量為N 27.1 g/kg、P2O534.7 g/kg、K2O 20.8 g/kg。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：不施肥(CK)、單施化肥(CF)、豬糞有機(jī)替代(稻季40% 豬糞+60% 化學(xué)氮肥，OF)，各處理均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。稻季CF處理化肥施用量為尿素375 kg/hm2、過磷酸鈣75 kg/hm2、氯化鉀150 kg/hm2；在OF處理中，采用豬糞替代40% 尿素，具體施肥量見表1。種植品種和田間管理均與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

表1 控氮不控磷有機(jī)替代方式下稻季養(yǎng)分投入

注：CK，不施肥；CF，單施化肥；OF，豬糞與無(wú)機(jī)配施。氮肥按基肥∶追肥1∶追肥2=3∶4∶3施用，有機(jī)肥與鉀肥和磷肥作基肥一次性施用，下同。

1.2 控氮控磷有機(jī)替代試驗(yàn)點(diǎn)概況和試驗(yàn)處理

試驗(yàn)點(diǎn)位于江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站宜興基地(31°16′N，119°54′E)。土壤類型為典型水稻土，年均溫為16.5 ℃，年均降水量為1 200 mm。試驗(yàn)始于2018年稻季，試驗(yàn)前測(cè)得的耕層土壤(0 ～ 20 cm)基本理化性質(zhì)為：TN 2.40 g/kg，TP 0.46 g/kg，TK 5.40 g/kg，Olsen-P 15.5 mg/kg，SOC 9.10 g/kg，pH 5.24。各小區(qū)面積60 m2，種植方式為稻麥輪作，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：不施磷肥(CK)、單施化肥(CF)、豬糞有機(jī)替代(30% 豬糞 + 70% 化學(xué)磷肥，OF)，各處理均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。稻季CF處理化肥施用量為尿素240 kg/hm2、過磷酸鈣60 kg/hm2、氯化鉀60 kg/hm2；在OF處理中，采用豬糞替代30% 過磷酸鈣，其養(yǎng)分含量為N 13.7 g/kg、P2O535.1 g/kg、K2O 23.4 g/kg，具體施肥量見表2。供試肥料和施肥管理均與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

表2 控氮控磷有機(jī)替代方式下稻季養(yǎng)分投入量

注：CK，不施磷肥；CF，單施化肥；OF，豬糞與無(wú)機(jī)配施。

1.3 土壤樣品采集和化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

土壤樣品采集于2021年水稻收獲期，通過“S”形布點(diǎn)法在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取點(diǎn)采集0 ～ 20 cm 耕層土壤。土壤樣品經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干分別過20目和100目，分別測(cè)定土壤Olsen-P、CaCl2-P和不同土壤磷組分，TP及TC含量。

樣品測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[19]：土壤pH(水土質(zhì)量比2.5︰1)采用pH計(jì)(Thermo ORION STAR A211, 美國(guó))測(cè)定。土壤TC和SOC使用碳氮分析儀(vario MACRO CN, Elementar Analysensystem, GmbH，德國(guó))測(cè)定；土壤Olsen-P采用NaHCO3(pH 8.5)浸提-鉬藍(lán)比色法測(cè)定(紫外分光光度計(jì)UVmini-1240, 日本)；土壤TP采用H2SO4-HClO4消煮提取-鉬藍(lán)比色法測(cè)定；CaCl2-P采用0.01 mol/L CaCl2溶液提取-鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.4 土壤膠體磷組分的分離與測(cè)定

本文以通過膜分離法測(cè)定膠體溶液(<1 000 nm)中<1 nm粒徑的磷作為真溶態(tài)磷(TSP)，1 ～ 1 000 nm 粒徑的磷為膠體態(tài)磷(Pcoll)。其中，膠體態(tài)磷細(xì)分為納米膠體態(tài)磷(NCP，1 ～ 100 nm)、細(xì)中等尺度膠體態(tài)磷(FMCP，100 ～ 450 nm)、大尺度膠體態(tài)磷(LCP，450 ～ 1 000 nm)[11, 20]。

土壤膠體磷分離參照Ilg等[21]方法：稱取過8 mm篩土樣，以土水質(zhì)量比1︰8、160 r/min浸提24 h。上清液預(yù)離心10 min后，分別通過1 000、450、100 nm的微孔濾膜。各組分總磷含量采用K2S2O8消解–鉬藍(lán)比色法測(cè)定，膠體鉬藍(lán)反應(yīng)磷(MRPcoll)采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，膠體鉬藍(lán)非反應(yīng)磷(MUPcoll)由Pcoll與MRPcoll差減得到。Pcoll含量為通過1 000 nm和3 kDa 濾膜的濾液中總磷之差。通過相鄰濾膜間的濾液總磷含量之差計(jì)算分別得到不同粒徑膠體態(tài)磷包括LCP、FMCP和NCP含量。另取15 mL過1 000 nm濾膜的濾液于孔徑為3 kDa (≤1 nm)的超濾管(Millipore, USA)中，離心40 min后收集濾液，濾液中總磷含量為TSP組分。

膠體磷占膠體溶液總磷的比例定義為膠體磷的流失潛力(LPP)，反映了膠體磷的流失風(fēng)險(xiǎn)[22]。膠體鉬藍(lán)反應(yīng)磷含量占比(MRP)反映了膠體磷生物有效性的大小。LPP和MRP均能表征膠體磷的環(huán)境釋放風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算公式如下：

膠體磷流失潛力(LPP)= 膠體磷含量(Pcoll)/ 膠體溶液總磷

膠體鉬藍(lán)反應(yīng)磷占比(MRP)=膠體鉬藍(lán)反應(yīng)磷含量(MRPcoll)/膠體磷含量(Pcoll)

1.5 土壤磷組分的分級(jí)方法

根據(jù)Moir和Tiessen[23]對(duì)Hedley磷分級(jí)的改進(jìn)方法測(cè)定土壤各形態(tài)P組分。簡(jiǎn)要步驟為：稱取0.50 g 20目風(fēng)干土樣于離心管中依次加入30 mL水+樹脂條、0.5 mol/L NaHCO3溶液、0.1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L HCl溶液，采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定無(wú)機(jī)磷濃度。NaHCO3和NaOH提取液中總磷(NaHCO3-TP和NaOH-TP)以H2SO4–(NH4)2S2O4消解后測(cè)定。NaHCO3-Po和NaOH-Po以總磷與無(wú)機(jī)磷之差計(jì)。采用H2SO4–H2O2消解后鉬藍(lán)法比色測(cè)定得到殘留態(tài)磷(Residual-P)。

Resin-P(樹脂提取磷)和NaHCO3-TP(NaHCO3- Pi+NaHCO3-Po)作為活性磷(LP)組分；NaOH-TP (NaOH-Pi+NaOH-Po)作為中等活性磷(MLP)組分；HCl-P和Residual-P作為穩(wěn)定態(tài)磷(STP)組分。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2020軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)樣本之間差異(Duncan檢驗(yàn))，采用Origin 2022軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，采用 R軟件(Version 4.1.3)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析(Package=“Corrplot”)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)替代方式下土壤真溶態(tài)磷和膠體磷含量

不同處理土壤TSP和Pcoll含量如圖1所示。與CK處理相比，兩種有機(jī)替代處理均顯著增加土壤TSP和Pcoll含量(<0.05)，控氮控磷和控氮不控磷下OF處理的TSP和Pcoll含量分別是CK處理的1.28倍、1.57倍和7.53倍、12.3倍。與CF處理相比，控氮控磷OF處理下的TSP和Pcoll含量無(wú)顯著性差異；而控氮不控磷OF處理的TSP和Pcoll含量分別達(dá)到1.83和13.1 mg/kg，比CF處理顯著提高165% 和213% (<0.05)。

(CK：不施磷肥(控氮控磷)、不施肥(控氮不控磷)；CF：?jiǎn)问┗剩籓F：豬糞與無(wú)機(jī)配施。圖中小寫字母不同表示處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，下同)

2.2 不同有機(jī)替代方式下土壤不同形態(tài)和粒徑膠體磷含量

如圖2所示，兩種有機(jī)替代方式下兩種土壤膠體磷形態(tài)(MRPcoll和MUPcoll)具有不同的變化趨勢(shì)。相較于單施化肥CF處理，控氮控磷OF處理下MRPcoll和MUPcoll含量均無(wú)顯著性差異；但是在控氮不控磷條件下OF處理顯著增加了MRPcoll和MUPcoll含量(<0.05)，分別為CF處理的4.50倍和2.33倍。

(MRPcoll：膠體鉬藍(lán)反應(yīng)磷；MUPcoll：膠體鉬藍(lán)非反應(yīng)磷)

圖3進(jìn)一步分析了兩種有機(jī)替代方式下土壤不同粒徑Pcoll含量。相比于CF處理，控氮控磷OF處理下NCP和FMCP的含量均無(wú)顯著性差異，LCP含量顯著增加(<0.05)；控氮不控磷OF處理各個(gè)粒徑Pcoll的含量均顯著增加(<0.05)，NCP、FMCP和LCP的含量分別為CF處理的2.64倍、2.22倍和9.42倍。

(NCP：納米膠體磷(1 ～ 100 nm)；FMCP：細(xì)中等尺度膠體磷(100 ～ 450 nm)；LCP：大尺度膠體磷(450 ～ 1 000 nm))

2.3 不同有機(jī)替代方式下土壤膠體磷流失潛力評(píng)估

不同有機(jī)替代方式下土壤MRPcoll占比如圖4A所示。相較于CK處理，兩種有機(jī)替代方式下OF處理的MRP均顯著升高(<0.05)?？氐亓追绞较翺F處理Pcoll含量以MUPcoll為主，MRP為21.5%，相較于CF處理，OF處理的MRP顯著降低(<0.05)；控氮不控磷方式下OF處理Pcoll含量以MRPcoll為主，MRP達(dá)到52.7%，相較于CF處理，OF處理的MRP顯著增加了16.1%(<0.05)。

(RMRP：膠體鉬藍(lán)反應(yīng)磷占比；LPP：膠體磷流失潛力)

圖4B為兩種有機(jī)替代方式下土壤Pcoll流失潛力(LPP)。控氮控磷OF處理LPP較CF處理無(wú)顯著差異，但有下降的趨勢(shì)；控氮不控磷下OF處理LPP為87.7%，較CF處理增加了1.89%。

2.4 不同有機(jī)替代方式下土壤磷組分含量及與土壤膠體磷的相關(guān)性

不同有機(jī)替代方式下土壤磷組分含量如圖5A、5B所示。在控氮控磷條件下，OF處理較CK處理Resin-P、NaHCO3-Pi和NaOH-Pi組分磷含量均顯著增加(<0.05)，但與CF處理相比，不同磷組分均無(wú)顯著性差異?？氐豢亓讞l件下，OF處理以HCl-P含量最高；并且較之CK與CF處理，各不同組分磷含量均顯著增加(<0.05)，其中以NaHCO3-Pi含量增長(zhǎng)最高，分別為CK和CF處理的67.3倍和4.67倍，以Residual-P含量增長(zhǎng)最低，分別為1.32倍和1.15倍。

( LP：活性磷組分；MLP：中等活性磷組分；STP：穩(wěn)定磷組分)

土壤Pcoll與土壤磷組分的相關(guān)性如圖5C、5D所示。控氮控磷有機(jī)替代下，土壤Pcoll與LP呈極顯著正相關(guān)(2=0.909,<0.01)，與MLP顯著正相關(guān)(2=0.636,<0.05)；控氮不控磷有機(jī)替代下，土壤Pcoll與LP、MLP和STP均呈極顯著正相關(guān)(<0.01)。

2.5 不同有機(jī)替代方式下土壤膠體磷與土壤基本理化性質(zhì)關(guān)系

圖6為兩種有機(jī)替代方式下土壤SOC含量和pH。控氮控磷條件下，OF處理的pH和SOC含量與CF處理均無(wú)顯著性差異；控氮不控磷條件下，OF處理的pH和SOC含量均顯著高于CF處理(<0.01)，SOC含量為20.2 g/kg，是CF處理的1.78倍。

通過Pearson相關(guān)分析(圖7)表明，兩種有機(jī)替代下，土壤Pcoll與土壤TP、TSP、Olsen-P、CaCl2-P均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，與土壤pH無(wú)顯著相關(guān)性。土壤Pcoll與土壤SOC在控氮不控磷條件下呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，但在控氮控磷條件下無(wú)顯著相關(guān)性。

圖6 不同有機(jī)替代方式下土壤有機(jī)碳含量與pH

( *、**分別表示相關(guān)性達(dá) P<0.05和P<0.01顯著水平)

3 討論

本研究結(jié)果顯示，長(zhǎng)期控氮不控磷的有機(jī)肥部分替代化肥方式下的土壤Pcoll含量顯著增加，而控氮控磷有機(jī)替代條件下的土壤Pcoll含量與單施化肥相比無(wú)顯著差異(圖1)，這可能與有機(jī)肥不同的替代方式和施磷量有關(guān)。一方面，較控氮控磷有機(jī)替代處理，長(zhǎng)期控氮不控磷的有機(jī)替代方式向土壤帶入更多的磷源，導(dǎo)致土壤TP過度積累，進(jìn)而促進(jìn)Pcoll含量升高，這也可以從土壤Pcoll與TP之間的顯著正相關(guān)關(guān)系體現(xiàn)(圖7)。Audette等[24]研究表明，合理施用有機(jī)肥可提高磷素利用率，而過量施用磷肥會(huì)導(dǎo)致磷素不能被充分利用，從而加劇環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，長(zhǎng)期施入有機(jī)肥向土壤中增加了更多的有機(jī)膠體，其在土壤中可與黏土顆粒結(jié)合并吸附固定磷，導(dǎo)致土壤Pcoll含量升高[25]。

膠體磷流失潛力(LPP)值越高，表示土壤Pcoll向環(huán)境的流失風(fēng)險(xiǎn)越高[26]。而土壤Pcoll的遷移能力與生物有效性是決定其環(huán)境釋放及流失風(fēng)險(xiǎn)的兩個(gè)重要因素。較控氮控磷有機(jī)替代，長(zhǎng)期控氮不控磷的有機(jī)肥部分替代化肥的施肥方式下的LPP顯著升高(圖4B)，且NCP和FMCP均顯著增加(圖3)，表明長(zhǎng)期控氮不控磷有機(jī)替代施肥方式下的Pcoll具有更高的遷移能力，Pcoll的流失風(fēng)險(xiǎn)顯著升高。前人研究也發(fā)現(xiàn)相似現(xiàn)象，例如，李發(fā)永[26]通過不同的分離方法表征了單季稻和稻麥輪作等種植體系下不同粒徑的Pcoll含量，并發(fā)現(xiàn)小于220 nm部分的Pcoll含量最高，認(rèn)為對(duì)Pcoll遷移能力及流失潛力的研究需重點(diǎn)關(guān)注細(xì)顆粒Pcoll。Hartland等[27]研究表明，不同粒徑顆粒對(duì)磷的影響與其物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，膠體的比表面積隨顆粒尺寸的減小而增大，更小粒徑的Pcoll表現(xiàn)出更高的反應(yīng)能力和移動(dòng)性。此外，膠體鉬藍(lán)反應(yīng)磷占比(MRP)反映了生物有效性的大小，MRP值越大，表示環(huán)境釋放風(fēng)險(xiǎn)越高。兩種有機(jī)替代施肥方式較不施肥相比均顯著增加了MRP，因此兩種有機(jī)替代方式均可促進(jìn)作物對(duì)磷的吸收利用，保證作物正常生長(zhǎng)。但與單施化肥相比，控氮控磷條件下的MRP降低，可能是由于添加有機(jī)物料會(huì)向土壤帶入有機(jī)態(tài)Pcoll，增加更多的MUPcoll[25]；而控氮不控磷條件下的MRP顯著升高，可能受土壤碳輸入的影響。Liang等[28]研究表明，有機(jī)肥含有豐富的碳源，長(zhǎng)期施用糞肥可影響土壤碳含量，本文控氮不控磷方式下SOC含量顯著增加結(jié)果(圖6)與此一致。Brookes等[29]研究表明可通過施入有機(jī)肥增加土壤碳含量，進(jìn)而促進(jìn)土壤中有機(jī)磷與無(wú)機(jī)磷間的轉(zhuǎn)化。吳憲等[30]研究結(jié)果表明，添加糞肥通過影響SOC等基本理化性質(zhì)，改變土壤微生物生物量，增強(qiáng)土壤中無(wú)效態(tài)磷向有效態(tài)磷的轉(zhuǎn)化。本研究中土壤Pcoll與SOC間的顯著正相關(guān)關(guān)系(圖7)也說明了Pcoll的活化受土壤碳的驅(qū)動(dòng)。從磷平衡角度考慮，控氮不控磷的有機(jī)替代方式下磷輸入量大于輸出量，土壤磷庫(kù)盈余使土壤顆粒的磷吸附飽和度升高，引起有機(jī)物質(zhì)礦化和無(wú)機(jī)磷累積，導(dǎo)致鉬藍(lán)反應(yīng)磷含量高于鉬藍(lán)非反應(yīng)磷[31]。綜上分析表明，Pcoll流失受磷輸入量和土壤碳含量的影響，長(zhǎng)期控氮不控磷的有機(jī)替代施肥方式下碳磷輸入量較大，導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)升高。

在Hou等人[32]研究中，土壤磷循環(huán)假設(shè)溶解態(tài)磷介導(dǎo)了土壤中不同活性磷之間的轉(zhuǎn)化。土壤Pcoll主要由無(wú)磷膠體結(jié)合溶解態(tài)磷形成，由于磷組分間的化學(xué)活性不同，Pcoll很可能和土壤中某特定磷組分有關(guān)[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，兩種有機(jī)替代方式下，土壤Pcoll與土壤LP和MLP均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05)，且土壤Pcoll與土壤LP和MLP間較高的相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步說明了土壤Pcoll很可能來(lái)自活性和中等活性磷組分。劉瑾[33]研究也表明，土壤Pcoll與土壤活性和中等活性磷庫(kù)的關(guān)系緊密。這也解釋了本研究中土壤Pcoll與TSP、Olsen-P和CaCl2-P等土壤有效磷間的顯著正相關(guān)關(guān)系的結(jié)果(圖7)。然而值得注意的是，較控氮控磷有機(jī)替代方式，控氮不控磷的有機(jī)肥替代方式下土壤Pcoll與土壤STP呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于土壤STP包括HCl-P組分，該部分磷主要由鈣磷礦物組成。長(zhǎng)期控氮不控磷的有機(jī)替代施肥方式下以HCl-P含量最高(圖5B)，在長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的土壤中，土壤pH顯著升高(圖6)。高pH下會(huì)破壞有機(jī)膠膜以釋放水分散性膠體，并且鈣磷結(jié)合可能較鐵磷或鋁磷結(jié)合更強(qiáng)，因此促進(jìn)了相對(duì)可溶性的鈣磷轉(zhuǎn)化為更多的膠體結(jié)合態(tài)磷，最終以該部分無(wú)機(jī)膠體態(tài)磷釋放[34]。Liang等[35]在pH對(duì)土壤Pcoll釋放影響的研究中發(fā)現(xiàn)，pH 4.6 ～ 6.0的土壤Pcoll含量最低，低pH條件下礦物質(zhì)的溶解可導(dǎo)致Pcoll在土壤中釋放以及高pH條件下包裹在膠體表面的有機(jī)膠膜被去除從而增強(qiáng)Pcoll的釋放速率，意味著在低pH和高pH下，均可促進(jìn)Pcoll的釋放。本研究中，可能由于施化肥降低了土壤pH，有機(jī)替代提高了土壤pH[6]，而兩種施肥處理均增加了土壤Pcoll含量(圖1)，因此導(dǎo)致土壤Pcoll與pH無(wú)顯著正相關(guān)性(圖7)。綜上，Pcoll含量與土壤的活性和中等活性磷組分密切相關(guān)，但在長(zhǎng)期控氮不控磷的有機(jī)肥施用下，Pcoll也可能是由土壤膠體結(jié)合活性較低的含鈣磷酸鹽組成。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期控氮不控磷的有機(jī)肥部分替代化肥方式大幅提高了土壤各粒徑和各形態(tài)的膠體磷含量、不同活性磷組分含量及土壤有機(jī)碳含量，且顯著提高了膠體磷流失潛力。控氮控磷有機(jī)肥替代化肥方式下土壤膠體磷及土壤磷組分含量均無(wú)顯著變化。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，稻田土壤膠體磷與土壤活性和中等活性磷組分聯(lián)系緊密，膠體磷含量明顯受土壤碳和磷含量的影響。因此，有機(jī)肥部分替代化肥時(shí)應(yīng)考慮控制碳磷輸入量，為改善農(nóng)田磷流失造成的面源污染，推薦等氮磷的有機(jī)肥部分替代施肥方式。

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Loss Potential of Colloidal Phosphorus in Paddy Soil Under Different Organic Substitution Fertilizations

LI Shuang1,2, WANG Yu3, YU Yunfei1,2, CHEN Guanglei1, ZHAO Hongmeng1, ZHAO Xu1,2, WANG Shenqiang1,2, WANG Yu1,2*

(1 Changshu National Agro-Ecosystem Observation and Research Station, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 CCCC Shanghai Dredging Co., Ltd., Shanghai 200120, China)

Phosphorus (P) loss from farmland is one of the important sources of agricultural non-point source pollution, and colloidal P (Pcoll) is an important form due to its large specific surface area, strong adsorption and migration capacity. In order to evaluate the activity and loss potential of Pcollin paddy soil under different organic substitution methods, this study relied on a long-term experiment of rice-wheat rotation under two partial substitution methods of organic fertilizers (N and P fertilizer application control and N fertilizer application control only) to explore the changes in soil Pcollcontent and its loss risk, as well as its relationship with different P components and soil chemical properties. The treatments of N and P fertilizer application control (4 a) included no P fertilizer (CK), chemical fertilizer (CF), and pig manure instead of 30% chemical P fertilizer (OF); the treatments of control N fertilizer application only (24 a) included no fertilizer (CK), chemical fertilizer (CF), and pig manure instead of 40% chemical N fertilizer (OF). The results showed that, for the fertilization of N and P control, there were no significant differences in soil organic carbon (SOC), Pcollcontent and colloidal phosphorus loss potential (LPP) between the organic substitution treatment and the chemical fertilizer treatment. The proportion of soil MRPcoll(MRP, MRPcoll/TPcoll) was significantly (<0.05) reduced by 1.76% than that of the chemical fertilizer treatment. For the fertilization of N control only, soil Pcolland SOC content of organic substitution treatment were 13.08 mg/kg and 20.19 g/kg, respectively, which were significantly (<0.05) increased by 78% and 212.6% compared with the application of chemical fertilizer alone; soil LPP andMRPwere significantly (<0.05) increased by 1.89% and 16.05%, respectively. Soil Pcollwas positively (<0.01) correlated with soil TP, TSP, Olsen-P and CaCl2-P under the two organic substitution methods. Soil Pcollhad no significant correlation with SOC under the fertilization of N and P control, however showed a significant positive correlation (<0.01) under the fertilization of N control only. Compared with the treatments of N and P fertilizer application control, the long-term application of organic fertilizer with only N control significantly increased the content of SOC, Pcolland different active P components in the soil, thus may induce the risk of phosphorus loss. Therefore, equaling nutrient application is a feasible organic substitution fertilization to reduce the P loss in farmland.

Organic substitution; Paddy field; Colloidal phosphorus; Phosphorus loss risk

S153；S151.9

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.016

李爽, 王鈺, 于云飛, 等. 不同有機(jī)替代方式下稻田土壤膠體磷流失潛力研究. 土壤, 2023, 55(4): 821–828.

長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)聯(lián)合研究二期項(xiàng)目(2022-LHYJ-02-0504-02)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42277026)和內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)(NMKJXM202009)資助。

(wangyu@issas.ac.cn)

李爽(1998—)，女，山西運(yùn)城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源磷污染管控。E-mail: lishuang@issas.ac.cn