不同施肥配比对土壤磷素固液相分配及组分的影响

李春越,王 益,党廷辉*,王万忠,刘文兆(.陕西师范大学西北国土资源研究中心,陕西 西安 7006；.西北农林科技大学资源环境学院,水土保持研究所,陕西 杨凌 700)

不同施肥配比对土壤磷素固液相分配及组分的影响

李春越1,王 益2,党廷辉2*,王万忠2,刘文兆2(1.陕西师范大学西北国土资源研究中心,陕西 西安 710062；2.西北农林科技大学资源环境学院,水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

以陕西长武国家长期定位试验站土壤样品为研究对象,采用25a小麦连作试验田不同氮磷配比处理11个,氮磷有机肥配施处理8个来研究不同肥料处理对磷素固液相分配及其磷素组分的影响,结果表明,黄土高原农田生态系统磷素固液相分配系数与 Ca2-P和活性有机磷具有一定的相关性.同等氮素水平下(N90),随着施入磷素的增加,土壤中全磷、固相磷和液相磷的含量均呈增加趋势,而固液相分配系数却呈减少趋势.同一磷素(P90)水平下,氮素的施入对磷素利用也存在一定的影响,全磷在 N135时达到最小值,固相速效磷有减少趋势,液相磷在N135时达到最大值,固液相分配系数以单施磷处理(无氮肥施入)最大.Ca2-P和活性有机磷对于磷素的固液相分配起着一定的决定作用,有机物质对磷素的有效性具有很大的激发作用.平衡施肥对磷素高效利用和减少面源污染具有很重要作用.

长期定位试验；施肥；土壤磷素；固液相分配系数；面源污染

磷素是作物生长的重要需求元素之一.然而,我国农业生产中肥料利用率相对较低,磷素单季利用率仅为 10%~20%,不仅造成磷肥资源的浪费,而且这部分累积在土壤中的磷素通过农田排水、地表和地下径流以及漏渗等方式进入水体,导致水体富营养化等生态环境问题.提高磷素利用,减少面源污染,将对生态环境的保护起着重要作用[1-4].

长期定位试验是通过长期施肥(化肥、有机肥等)而建立起来的土壤养分库,其多年连续的跟踪研究和大量数据的积累,对农业生产和生态环境研究都具有指导和参考价值[5-7].对于磷素的长期定位试验研究,已经取得一些成果.如长期不同施肥方式都会导致土壤中全磷和速效磷含量产生不同程度的累积[8-9].还有学者研究了在长期定位施肥条件下土壤全磷、速效磷、无机磷和有机磷的剖面分布特征、分析了不同形态土壤磷素之间的相互转化关系及其有效性,不同施肥条件下土壤磷素有效性规律、空间分布规律以及形态转化规律等等[10-14].但是以往的研究对于环境直接相关的固液相分配规律研究较少.本研究基于 25a长期肥料定位试验肥料配比试验样品,利用高速离心法研究施肥后的磷素固液相分配特征的影响,同时,分析磷素组分与固液相分配的关系,旨在探讨肥料配施和不同肥料配比对磷素有效性的影响,从而为提高磷素利用率,减少面源污染提供合理科学的理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验区位于黄土高原南部的长武塬区中国科学院长武农业生态试验站十里铺轮作与肥料长期定位试验场(107°44.703′E,35°12.787′N),塬面地势平坦,属暖温带半湿润大陆性季风气候.海拔 1220m,多年平均降水 584mm,且季节性分布不均,年均气温9.1℃,无霜期171d.农业生产主要依赖生育期的天然降水和前期土壤蓄水,属于典型的旱作农业区.土壤类型为黄盖黏黑垆土,母质为中壤质马兰黄土.土层深厚,土质疏松,肥力中等,田间持水量为 22.4%,凋萎湿度 9%.长期定位试验于1984年秋季开始,布置试验时耕层土壤有机质含量 10.5g/kg,全氮 0.8g/kg,速效磷4.58mg/kg,速效钾 129.3mg/kg.地下水埋深 60m.样品的采集包括小麦连作肥料氮磷配比和小麦轮作氮磷有机肥配施试验两部分.

1.1.1 氮磷配比试验 氮磷配比处理试验共设计 11 个处理,分别为:及 N90P90K90,即对照,同等磷素(P2O590kg/hm2)水平下,设置的 N素水平分别为每 hm2施纯氮0,45,90,135,180kgN kg/hm2;同等氮素(N 90kg/hm2)水平下,设置的 P素水平分别相当于每 hm2施P2O50,45,90,135,180kg P2O5kg/hm2.每个处理3个重复,小区面积为22m2.

1.1.2 氮磷有机肥配施试验 氮、磷、有机肥配施是从 25a长期定位施肥试验中选取小麦连作施肥的 8个处理,分别为 L-CK(不施肥)、L-N(单施氮肥)、L-P(单施磷肥)、L-NP(氮、磷肥配施)、L-M(单施有机肥)、L-NM(氮肥、有机肥配施)、L-PM(磷肥、有机肥配施)、L-NPM(氮、磷、有机肥配施).随机区组设计,3次重复.试验施尿素(以 N 计)120kg/hm2,过磷酸钙(以 P2O5计)90kg/hm2,有机肥为厩肥 75t/hm2(有机质含量10. 6%,全氮含量0.265%,速效磷含量109.3mg/kg,速效钾含量644.8mg/kg).每个处理3个重复,小区面积6.6m×10m.

试验作物为冬小麦,品种1984、1985年用秦麦4号,1986~1995年用长武13号,1996年以后用长武134号,播种期为9月中下旬,每年小麦收获期为 6月下旬,所有肥料于每年作物播种前撒施地表,翻入土中.试验管理措施同大田.

1.2 实验方法

1.2.1 固液相分配测定 在以上试验处理小区,用日本日立公司生产的 Himac-CR21型高速离心机配置的标准环刀采取土样.采样前后称取环刀重量,并测定土壤含水量,在实验室将其具有样品的环刀置入一定体积的水溶液的托盘中(同时用蒸馏水饱和土样作为对照),使其吸水饱和,搁置沙盘上排去重力水,培养平衡1周时间,然后将环刀装入离心管,用日本日立公司生产的Himac-CR21型高速离心机设置不同高转速离心.离心前后称重,并收集平衡液,同时取离心后的土样,测定溶液与土样中有效磷(Olsen法).另取一部分土样在 105℃下烘干测定相应的土壤含水量.每处理重复3次.其中土壤固液相分配系数 Kd＝土壤中固相磷素含量 X1(单位:mg/kg)/溶液中磷素含量X2(单位:mg/kg).

1.2.2 有机、无机磷组分等项目测定 无机磷分级采用文献[15]方法;有机磷分组用 Bowmancole法[16];全磷测定采用HCl04-H2SO4消煮法;有效磷采用 Olsen法测定;有机质的测定采用重铬酸钾容量法;土壤pH值用电位测定法[17].

1.3 数据处理

数据处理采用 SAS 8.2统计软件统计分析和Sigmaplot 11.0软件绘图.

2 结果与分析

2.1 小麦连作试验不同氮、磷配比对磷素固液相分配的影响

图1为氮磷配比施肥的11个处理各磷素含量.从图 1可以看出,25a连续不同处理施肥的土壤与对照相比,肥料施入土壤后,土壤的固相磷、液相磷、Kd和全磷均发生不同比例的变化,但是施入的氮磷配比不同,土壤中各种状态的磷素变化幅度不同.土壤液态磷是可供植物直接吸收的磷,是植物吸收利用的最有效形态,某种程度上它的大小直接影响着磷素利用率,其含量较低.从图1c可以看出,不同施肥处理中土壤液相磷含量变化幅度在0.1~0.8mg/kg之间,且随着土壤施入磷量的增加而增加.土壤溶液中磷浓度一般受施肥方式及土壤固相磷的数量和结合状态影响,它的补给可能主要依赖于磷酸盐矿物的溶解和吸附固定态磷的释放[18].土壤固相磷是土壤中的速效磷除去液相的磷,存在于土粒当中的磷素,在不同肥料处理中的含量在5~30mg/kg之间(图 1d).在同一氮水平下(N90),固相磷在土壤中的变化趋势基本与液态磷保持一致,随着磷素的增加,其固相磷素增加;而在同一磷素水平下(P90),随着氮素的增加,土壤中的固相磷却有明显减少趋势.施肥对全磷也有一定的影响,但是其变化趋势不是很大,基本波动在对照的 30%以内变动,其变化趋势基本与固相磷一致,就是没有固相磷变化幅度大.

如图 1a所示,在同一氮水平下(N90),随着施入磷素的增加,土壤中全磷,固相磷和液相磷的含量均呈增加趋势,但固液相分配系数却成减少趋势.与不施肥对照相比,施肥使磷素 Kd均有稍微的增加趋势(图 1b).同一磷素水平下(P90),全磷在N135时达到最小值,随着氮素施入量的增加,也就是氮素水平低于一定范围时候,氮肥的施入能降低全磷和固相磷的含量,加速磷素的衰竭[19].固相速效磷有减少趋势,液相磷在N135时达到最大值,固液相分配系数以单施入磷素呈最大值.

另外,与N90P90相比,施入N90P90K90对磷素全量,速效养分和液相养分均有增加趋势,固液相分配系数有减少趋势,也更进一步说明肥料配施,均衡施肥更有利于增加磷素的有效性和增加土壤肥力.

图1 氮磷配比施肥对磷素的影响Fig.1 Effect of the nitrogen and phosphate fertilizing proportion on phosphorus

2.2 不同氮、磷、有机肥配施对磷素固液相分配的影响

图2为氮磷有机肥配试验的8个处理各磷素含量.如图2所示,8个不同氮、磷、有机肥配施处理,经过长期定位施肥,各种磷素的变化幅度和状态尽不相同.和前述结论一样,与不施肥对照相比,肥料的施入不同程度地改变了土壤养分的含量,肥料配施有利于提高其养分总量,尤其是施入有机肥.与不施肥对照相比,有机肥的施入极其明显增加土壤中固相磷和液相磷的含量.磷肥配合有机肥施用,土壤中的各个磷素含量都有所提高,这可能是由于有机无机肥料的施入,不仅提高了土壤磷库的积累,而且通过土壤微生物的活化有效的提高了土壤中的有机磷.

图2 氮磷有机肥配施对磷素的影响Fig.2 Effect of the nitrogen,phosphate and organic fertilizing proportion on phosphorus

2.3 磷素分级组分及土壤其他性状与固液相分配系数的相关性

2.3.1 施肥对磷素无机、有机组分的影响 肥料施入土壤以后,微生物对肥料中的磷素分解、矿化和固定,导致土壤中各种形态的磷素均有发生变化,各个组分占总量的比例也发生变化.如表 1所示,土壤中的不同组分的磷素含量差异较大,其中以Ca10-P、Ca8-P和中活性有机磷占全磷的比例较大,所占比例高达全磷的 80%以上,而活性较高的 Ca2-P和活性有机磷含量都较低.

与土壤磷素营养供应关系较为密切的活性有机磷和中活性有机磷约占有机磷 75%左右,中活性有机磷占有比例较大,施肥处理使土壤中,活性有机磷和中活性有机磷的均高于不施肥处理.在所测试的石灰性氮磷配比试验土壤中有机磷占全磷的 30%~40%左右,其中以单施氮处理比例最高,占全磷含量的高达 44%.总体而言,土壤中磷素组分含量高低顺序为:Ca10-P>中活性有机磷>Ca8-P>(Al-P,Fe-P,中稳性有机磷,高稳性有机磷)>O-P>Ca2-P>活性有机磷.Ca10-P含量最高,可高达 389mg/kg.Ca2-P和活性有机磷含量很低,Ca2-P在4~20mg/kg之间,活性有机磷在 1.5~6.9mg/kg之间.由此看来,磷素在土壤中大多以缓效磷源和潜在磷源存在,这也是磷素容易积累且有效性和利用率低的原因.

2.3.2 磷素组分与固液相分配系数的关系 表2为磷素组分和固液相分配系数、固相磷、液相磷和有机质的相关性分析,从表2可知,土壤磷素固液相分配系数与 Ca2-P和活性有机磷存在一定的相关性.有机质与高稳性的有机磷具有相关性.Ca2-P和Ca8-P,Fe-P对速效磷贡献最大,是作物的主要磷源,而 Al-P,中稳性有机磷也具有一定的贡献,石灰性土壤中Al-P作为一种相当有效的磷源也已经被许多学者所证实[10-12].液相磷受较多组分的影响.但是O-P与这些均无任何相关性,可能由于 O-P属于闭蓄态的磷,以及大部分Ca10-P为植物难利用的磷,理论上不能作为作物的有效磷源.

表1 不同氮磷配比施肥11个试验处理土壤中各磷素组分含量(mg/kg)Table 1 The result of phosphorus component in different nitrogen and phosphate fertilizing proportion(mg/kg)

表2 磷素组分与土壤磷素固相、液相、固液相分配系数及有机质的关系Table 2 The relationship between phosphorus component and solid phase phosphorus, liquid phase phosphorus, organic matter and Kd

3 讨论

3.1 有机物质对土壤中磷素的激发作用

有机物质对土壤中磷素具有一定的活化作用[19].与不施肥对照相比,有机肥的施入明显增加土壤中固相磷和液相磷的含量.这可能是由于土壤中长期施入有机肥料后,提高了土壤中有机磷的含量,通过矿化,释放出无机磷.有机肥本身可以提供大量的阴离子,这些阴离子一方面与铁,铝和钙等基质形成稳定的螯合物,从而释放其中的磷,另一方面有机阴离子可参与竞争土壤固相表面的专性吸附点,从而降低对磷的吸附固定.有机物质分解产生某些有机酸可与土壤中难溶性磷酸盐的金属离子络合反应,从而释放其中的磷[20-22].增施有机肥有利于土壤无机磷向有效态转化,极大地提高了无机磷的有效性和利用率[23].

磷肥配合有机肥利用,土壤中各种形态的磷素含量都有所提高,由于有机无机肥料的施入,不仅提高了土壤磷库的积累,而且通过土壤微生物的同化,有效的提高了土壤中的有机磷.有机肥的施用也提高了土壤中相当数量的氨基酸,核酸,糖等有机营养物质,提高土壤养分的含量,促进磷组成向有效化转化[24-25].

3.2 土壤磷素组分与固液相分配的关系及其环境效应

磷素的固液相分配直接决定着磷素利用及其环境效应,不同质地土壤中磷的吸附机理及其影响因素是复杂的,固液相分配的影响因素时常涉及到温度、水分及土壤基本性质等多种因素的综合作用,但这些因素也影响着磷素组分之间的转化及其水溶性磷流失强度.本研究表明,决定磷素环境效应的重要指标Kd与Ca2-P和活性有机磷具有一定的相关性,这可能因为 Ca2-P易被植物吸收利用,是作物的直接有效磷源,而活性有机磷也包含有一部分直接可以被植物利用的如己糖磷酸脂、甘油磷酸脂,甚至分子较大的核酸等物质[11],因此这二者对于磷素的固液相分配起着一定的决定作用.而液相磷受多种磷素组分的影响,黄土高原Ca2-P含量对其速效磷的贡献最大,也与土壤中磷素流失的难易程度极其相关,其机理过程有待于进一步的研究.

4 结论

4.1 有机物质对养分的利用具有很大的激发作用.有机肥的施入可以活化土壤中的微生物活性和酶活性,从而间接地活化土壤磷素本身,相对的减少了磷素的吸附作用和向水体流失量,增加磷素有效性.土壤中化学物质之间存在极其复杂的相互关系,平衡施肥对养分高效利用和减少磷素面源污染具有很重要作用.

4.2 Ca2-P和活性有机磷对于磷素的固液相分配起着一定的决定作用,而液相磷受多种磷素组分的影响,黄土高原石灰性土 Ca2-P含量高低可作为衡量该区磷素流失难易程度一个评价指标.

[1] 杨 龙,王晓燕,王子健,等.基于磷阈值的富营养化风险评价体系 [J]. 中国环境科学, 2010,30(Suppl.):29-34.

[2] 张丽媛,王圣瑞,储昭升,等.洋河水库流域土壤与库区沉积物中磷形态特征研究 [J]. 中国环境科学, 2010,30(11):1529-1536.

[3] Macrae M L, Redding T E, Creed I F, et al. Soil surface water and ground water phosphorus relationships in a partially harvested Boreal Plain aspen catchment [J]. Forest Ecology and Management, 2005,206:315-329.

[4] 武慧君,袁增伟,毕 军.巢湖流域农田生态系统磷代谢分析 [J].中国环境科学, 2010,30(12):1658-1663.

[5] 沈善敏.长期土壤肥力试验的科学价值 [J]. 植物营养与肥料学报, 1995,1(1):1-9.

[6] 穆韩锋.黄土旱塬长期定位施肥对土壤磷素分级-空间分布及有效性的影响 [D]. 西安:西北大学, 2008.

[7] Bolland M D A, Weatherley A J, Gilkes R J. The long-term residual value of rock phosphate and super phosphate fertilizers for various species under field conditions [J]. Fertilizer Research,2005,20(2):89-100.

[8] 刘建玲,张福锁.小麦-玉米轮作长期施肥定位试验中土壤磷库的变化I．磷肥产量效应及土壤,总磷库、无机磷库的变化 [J].应用生态学报, 2000,11(3):360-364.

[9] 陈 磊,郝明德,戚龙海.长期施肥对黄土旱塬区土壤—植物系统中氮、磷养分的影响 [J]. 植物营养与肥料学, 2007,13(6):1006-1012.

[10] 赵吴琼,李菊梅,徐明岗,等.长期不同施肥下灰漠土有机磷组分的变化 [J]. 生态环境, 2007,16(2):569-572.

[11] 王 平,李凤民,刘淑英,等.长期施肥对黑垆土无机磷形态的影响研究 [J]. 土壤, 2005,37(5):534-540.

[12] Haynes R J, Willians P H. Long-term effect of superphosphate on accumulation of soil phosphorus and exchangeable cations on a grazed, irrigated pasture site [J]. Plant and Soil, 2009,142:123-133.

[13] Liptzin D, Silver W L. Effects of carbon additions on iron reduction and phosphorus availability in a humid tropical forest soil [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2009,41:1696-1702.

[14] Makarov M I, Haumaier L, Zech W. Organic phosphorus compounds in particle-size fractions of mountain soils in the northwestern Caucasus [J]. Geoderma, 2004,118:101-114.

[15] 顾益初,蒋柏藩.石灰性土壤无机磷分级的测定方法 [J]. 土壤,1990,22(2):101-102.

[16] Bowman R A, Cole C A. An exploratory method for fractionation of organic phosphorus from Grassland soil [J]. Soil Science,1998:125,95-101.

[17] 鲁如坤.土壤农化分析方法 [M]. 北京:中国农业科学技术出版社, 1999.

[18] 陈 欣,宇万太.磷肥低量施用制度下土壤磷库的发展变化,土壤有效磷及土壤无机磷组成Ⅱ [J]. 土壤学报, 1997,34(1):81-88.

[19] 赵晓弃,鲁如坤.有机肥对土壤磷素吸附的影响 [J]. 土壤通报,1991,28(1):7-l3.

[20] 陈 倩,穆环珍,黄衍初,等.木质素对土壤磷素形态转化及对磷有效性的影响 [J]. 农业环境科学学报, 2003,22(6):745-748.

[21] Esilaba A O, Eghball B, Sander D H. Soil test phosphorus availability as affected by time after phosphorus fertilization [J]. Soil Science Society of American Journal, 2002,56(6):1967-1973.

[22] Fan Yekuan, Li Shijun. Fractionation of moderately and highly stable organic phosphorus in Acid soil [J]. PedosPhere, 1998,8(3):261-266.

[23] Tiessen H, Stewart J W B, Moir J Q. Changes in organic and inorganic phosphorus composition of two grassland soils and their Particle size fractions during 40-90years of cultivation [J]. Soil Science, 2003,34:815-823.

[24] 陈伏生,曾德慧.耕种对沙地土壤全磷空间变异性的影响 [J].中国环境科学, 2005,25(1):85-88.

[25] Benjamin L Turner, Ian D Mckelvie, Philip M Haygrth.Characterization of water-extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2002,34:27-35.

Effect of fertilizing proportion on the distribution of phosphorus between solid and liquid phase in long term experiment.

LI Chun-yue1, WANG Yi2, DANG Ting-hui2*WANG Wan-zhong2, LIU Wen-zhao2(1.Northwest Land and Resources Research Center, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China；2. Institute of Soil and Water Conservation,College of Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：265~270

It is important to enhance the phosphorus utilization efficiency by the suitable land management to decrease the non-point source pollution in the sustainable and stable of ecological agriculture. The main objective of this research is to declare how the different fertilizer treatments influence the phosphorus distribution between solid and liquid phase. This experiment tested 11nitrogen-phosphorus, 8nitrogen-phosphorus-organic fertilizer ratios in a 25years long-term wheat experiment field in Changwu research station. The distribution coefficient of phosphorus between solid and liquid phase had correlation with Ca2-P and active organic phosphorus. Despite the distribution coefficient appeared reverse trend, the total P, P in solid phase and P in liquid phase all were increased with the P fertilizer application when in the same nitrogen fertilizer level (N90). The nitrogen fertilizer applications can affect the phosphorus usage. The total P was the minimum,the P in liquid phase was the maximum and the available P in solid phase has a decrease trend at N135when P fertilizer at the same level. The distribution coefficient was the maximum at only applying P fertilizer (No nitrogen). The organic matter can trigger the effectiveness of P. Balanced fertilization has magnitude effect on P efficient utilization.

long-term experiment；fertilizing；soil phosphorus；distribution coefficient；non-point pollution

X592

A

1000-6923(2010)02-0265-06

2010-06-29

国家“973”项目(2005CB121102)；中国科学院重要方向项目(kzcx2-yw-424-2)；陕西师范大学青年科技项目(200901002)*责任作者, 研究员, dangth@ms.iswc.ac.cn

李春越(1978-),女,陕西凤翔人,助理研究员,博士,主要从事水土资源与生态环境方面研究.发表论文10余篇.