外源硅对碱性土壤磷位及磷有效性的影响

杨 丹，田 甜，闫 颖，何 娜，刘鸣达

沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866

外源硅对碱性土壤磷位及磷有效性的影响

杨 丹，田 甜，闫 颖，何 娜，刘鸣达*

沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866

磷位是表达土壤磷素有效性的强度指标，是决定土壤磷素有效性的首要因素。以分析施硅对土壤磷位的影响为切入点，探讨施硅影响土壤磷素有效性的土壤化学机制，有利于促进硅肥的合理施用及土壤磷素的科学调控，对于减少磷矿资源开采及磷肥施用、防治农田面源污染具有重要意义。试验选取辽宁省沈阳市康平县水田耕层土壤为研究对象，设置4个硅酸钾处理，添加量分别为 0、30、60、120 mg·kg-1（以 SiO2计），分别记作Si0、Si30、Si60、Si120；在中和硅酸钾碱性和消除伴随离子影响的基础上，开展室内培养和水稻盆栽试验，研究外源硅对土壤磷位和苗期水稻吸磷量的影响。结果表明：加硅极显著提高了土壤浸提液中氢离子活度（P＜0.01），Si30、Si60、Si120处理分别比对照提高了26.02%、25.59%和146.77%；加硅同时极显著提高了离子活度（P＜0.01），Si60、Si120处理分别比对照提高了30.25%和99.26%；加硅促进了水稻植株对磷的吸收，随加硅量的增加，3个施硅处理吸磷量分别比对照处理提高了16.41%、19.20%和69.07%；加硅条件下土壤磷位和植株吸磷量间存在显著负相关关系，说明磷位能较好地反映土壤磷的生物有效性。研究表明，施硅可提高土壤溶液中的活度，降低土壤磷位，提高土壤供磷强度，土壤磷位可作为指示土壤磷植物有效性的指标。

外源硅；水田土壤；磷位；生物有效性

磷是植物生长的必需元素，是农林业生产重要的物质保证。土壤作为植物磷素养分的主要供给库，其中的磷素含量及存在形态可对植物的磷素营养及生长发育产生重要的影响。因此，世界各国都非常重视磷肥的施用。磷肥施用在一定程度上提高了土壤的供磷能力和作物产量，但由于不同土壤理化性质的差异、磷酸盐化学行为的多变及其植物有效性较低等原因，土壤中能被植物直接吸收利用的有效态磷含量低于总磷含量的 5%。即使考虑肥料的后效性，磷肥的总利用率也不会超过25%，故有75%～90%的磷肥累积在土壤中（赵小蓉等，2001；时正元等，1995；Chaiharn et al.，2009）。磷肥来自于磷矿资源的开采与生产，不合理地施用磷肥不仅可导致更多的磷随农田退水、淋溶下渗和地表径流等过程进入地表水及地下水，引发水体富营养化，损害自然生态及人类的健康，还会加剧磷矿资源的枯竭，威胁农业乃至社会的可持续发展。因此，减少磷肥施用、科学调控土壤磷素肥力是土壤与环境科学研究领域亟需解决的问题（区惠平等，2016；Zhu et al.，2018）。

土壤磷素养分的供给情况通常可以从养分数量、供应强度和补给速度3个方面来考虑，供应强度是指作物从土壤中吸收一定量养分所消耗的能量，是决定养分是否有效的首要因素。只有在养分达到一定能量水平后，其数量才能发挥作用。根据热力学中化学位原理，磷位是一个可以用来表征土壤磷有效性的强度指标，这一概念一度被土壤、植物营养学界的学者接受并应用，国内外学者就磷位与土壤磷有效性的关系问题也开展过一些研究（洪顺山等，1979；林忠炎，1983；林克惠，1965；白锦鳞等，1989；Mchihiyo，1991）。这些研究结果表明，把磷位原理应用于土壤需磷诊断上，使之成为在生产中指导磷肥施用的有用工具是有一定意义的。然而，国内以往的相关研究都集中于中国南方酸性、中性土壤地区，而有关磷位原理在北方碱土地区的适用性尚无报导。

国内外关于施硅提高土壤有效磷含量、促进水稻增产、改善水稻磷素吸收及分布的报道较多（谢凡，2016；李仁英等，2014），但所施用的硅肥多为硅酸盐（陈琨等，2015；翁颖等，2017）、复合硅肥（硅与其他养分元素复合配施）（许佳莹，2012）或炉渣（王纯等，2013；范呈根等，2017；张璐等，2017）等复杂物料，绝大多数研究未考虑到硅酸盐的碱性、伴随阳离子或其他元素等对试验结果的干扰。碱性物料可能会改变土壤体系pH及土壤溶液的离子强度，从而导致Al-P、Ca-P及正磷酸盐发生形态变化，或者使土壤颗粒吸附磷形成的配合物表面的阴电荷被阳离子（如K+、Na+）中和，进而影响磷的吸附-解吸和土壤磷有效性（程程等，2011；李仁英等，2013；闫金龙，2016；Bai et al.，2017）。因此，在消除pH和伴随离子影响条件下，研究硅对磷有效性的影响是十分必要的。已有研究表明，在中和硅酸钾的碱性和消除钾离子影响的基础上，加硅抑制了碱性土壤对磷的吸附，促进了磷的解吸（王耀晶等，2012）。从土壤中磷素能量状态进行深入研究，对揭示硅提高碱性土壤磷有效性的作用机制具有重要意义。

为此，本研究在消除硅酸钾碱性和钾离子影响的基础上，采取室内培养和生物试验相结合的方式，研究外源硅对土壤磷位及磷植物有效性的影响，以期为生产中合理配施硅肥，减少磷肥施用，控制农业面源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自辽宁省沈阳市康平县，为水田0～20 cm耕层土壤，风干、研磨过1 mm筛备用。土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table1 Physical and chemical properties of the soil used in the experiment

将硅酸钾分别按 0、30、60、120 mg·kg-1（以SiO2计，分别记作Si0、Si30、Si60、Si120处理）的比例与一定量的土壤混匀，用盐酸中和硅酸钾的碱性，各处理间K+和Cl-的含量差异用氯化钾补齐。保持土壤水分为田间持水量，在25 ℃下培养30 d，制备出不同加硅水平的土壤样品，风干后备用。

1.2 磷位的测定与计算

取上述不同加硅水平的土壤样品5.00 g，加入50 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液，恒温（25 ℃）振荡（200 r·min-1）60 min，过滤后测定滤液pH值及其中磷和钙的浓度（White et al.，1964）。

（1）求各土壤浸提液的离子强度I：（2）求Ca2+、H+、等相关离子的活度系数及活度值：

式中，I为离子强度；C为离子浓度；Z为离子电价；a为活度；f为活度系数；B、ai、K2均为常数。

1.3 水稻盆栽试验

取上述4个加硅水平的土壤进行盆栽试验，供试水稻（Oryza.sativa L.）品种为辽粳212。选用1.5 dm3的塑料盆，装入1.00 kg风干土壤，各处理重复3次。均施入分析纯试剂尿素（N，0.2 g·kg-1）和氯化钾（K2O，0.2 g·kg-1）作为底肥，平衡1周后，插入秧苗，每盆5株，整个生育期定量浇灌蒸馏水，盆钵随机排列，按常规管理。水稻生长60 d后结束试验，采集植物样品测定干重及植株中磷含量，并计算植株吸磷量。

1.4 分析测定方法

土壤基本理化性质采用常规方法测定（鲁如坤，2000）；浸提液 pH用酸度计测定；磷和钙含量分别采用钼蓝比色法和原子吸收法测定；植株含磷量采用 H2SO4-H2O2消煮-钒钼黄比色法测定。

1.5 数据处理与统计分析

运用Excel 2003对数据进行处理并绘制相关图表；利用SPSS 13.0软件对数据进行方差分析，采用 Duncan法进行多重比较。图表中不同小写字母表示差异达到显著水平（P＜0.05）；不同大写字母表示差异达到极显著水平（P＜0.01）。

2 结果分析与讨论

2.1 外源硅对碱性土壤pH及磷浓度的影响

测定了不同处理土壤浸提液的pH及磷浓度，计算得到了H+、的离子活度，结果如图1、图2所示。

图1 加硅对土壤浸提液氢离子活度的影响Fig.1 Effect of silicon on hydrogen ionic activity

图2 加硅对土壤浸提液磷酸根离子活度的影响Fig.2 Effect of silicon on phosphate ionic activity

由图1可知，与对照（Si0）相比，各加硅处理H+活度显著提高（F=75658.69**，P=3.80×10-18）；H+活度随着加硅量的增加而提高，Si30、Si60、Si120处理分别比对照提高了 26.02%、25.59 %和146.77%，Si120处理极显著高于Si30和Si60处理，但Si30和Si60之间的差异未达到显著水平。试验中，用盐酸中和硅酸钾的碱性，相当于将硅酸钾转化成了氯化钾和硅酸，所以加入土壤中的硅主要以硅酸形式存在，相对碱性土壤而言，作为一种弱酸，硅酸可使体系H+活度升高，而体系pH的下降有利于土壤中磷的活化。

2.2 外源硅对碱性土壤磷位的影响

图3 硅对土壤磷位的影响Fig.3 Effect of silicon on phosphate potential of soil

由图3可知，随着硅添加量的增加，土壤磷位值有所下降；加硅量越多，磷位值下降幅度越大（F=21590.57**，P=5.72×10-16）；当加硅量达到 60 mg·kg-1和 120 mg·kg-1时，磷位值极显著低于对照处理。由此表明，加硅导致磷位值降低，即土壤磷的供应强度随硅的加入呈升高趋势，即硅的加入可以提高土壤供磷能力。一般认为，磷位的临界值可能在7左右，磷位值大于7说明土壤可能缺磷（毛达如，1994）。从图中数据可以看出，当加硅量达到120 mg·kg-1时，土壤磷位值下降至7，说明土壤的缺磷情况得到了有效缓解。

前文结果显示，加硅后土壤溶液中H2PO4-浓度提高，其活度相应提高了，这必然有利于土壤磷位降低。另一方面，王耀晶等（2012）发现Freundlich方程能较好地描述不同硅浓度条件下磷在碱性土壤中的吸附-解吸特征，随着外源硅施入量的增加，Freundlich方程中n值变小，说明施硅减弱了土壤对磷的吸附强度。还有研究表明，硅的施入可以使铁氧化物表面吸附的磷酸根基团发生红移（向低波数移动）现象，红外光谱属于振动光谱，红移现象表明振动所需的能量变低，指示铁氧化物表面吸附的磷酸根基团变得更加不稳定（田甜，2017）。这些结果都能说明加硅后土壤固相磷更倾向于解吸或溶解到土壤溶液中，因此，磷位出现明显的降低现象。

2.3 加硅条件下土壤磷位与水稻植株吸收磷的关系

植株吸磷量可以更直接地反映土壤磷的生物有效性。各处理水稻植株吸磷量结果如图4所示。

图4 外源硅对水稻植株吸磷量的影响Fig.4 Effect of silicon on phosphorus uptake of rice

由图4可知，各加硅处理水稻植株从土壤中吸收的磷量均显著高于对照处理，随硅施入量的增加，水稻吸磷量逐渐升高，3个加硅处理植株吸磷量分别比对照处理增加了 16.41%、19.20%和69.07%。加硅量达到120 mg·kg-1处理植株吸磷量极显著高于对照处理（F=7.89**，P=0.009）。试验结果再一次验证了加硅促进水稻吸收磷的结论，而吸磷量增加的原因可能是加硅增强了土壤的供磷能力、提高了土壤磷的生物有效性。

为进一步分析加硅对土壤磷素生物有效性的影响，探讨磷位表征土壤磷素有效性的准确性，将各加硅土壤的磷位值与植株吸磷量进行相关分析，结果如图5所示。

图5 土壤磷位与植株吸磷量的关系Fig.5 Relationship between phosphate potential of soil and phosphorus uptake of rice

由图5可知，随土壤磷位值的升高，水稻植株吸磷量逐渐降低，二者间呈显著的线性负相关关系（r=0.952*，n=4，）。因此，可以认为加硅条件下，磷位能较好地反映土壤磷的生物有效性。

3 结论

本文在中和硅酸钾的碱性和消除钾离子影响的基础上，研究了不同硅浓度水平下碱性土壤磷位的变化及磷位与水稻植株吸磷量的关系，得出以下结论：

（2）加硅条件下土壤磷位与植株吸磷量之间存在显著的负相关性，磷位能较好地反映土壤磷的植物有效性。

BAI J H, YE X F, JIA J, et al. 2017. Phosphorus sorption-desorption and effects of temperature, pH and salinity on phosphorus sorption in marsh soils from coastal wetlands with different flooding conditions[J]. Chemosphere, 188: 677-688.

CHAIHARN M, LUMYONG S. 2009. Phosphate solubilization potential and stress tolerance of rhizobacteria from rice soil in Northern Thailand[J]. World Journal Microbiol Biotechnol, 25: 305-314.

KUNDU S, KAMATH M B, GOSWAMI N N. 1998. Effect of sulfate silicate and fluoride anions I. Phosphate fixation in soil [J]. Journal of Indian Society Soil Science, 36: 43-47.

MCHIHIYO E P. 1991. Phosphate potential in Tanzania [J]. Fertilizer Research, 30:177-180.

WHITE R E, BECKETT P H T. 1964. Studies on the phosphate potentials of soils: part I - the measurement of phosphate potential [J]. Plant and Soil, 20(1): 1-16.

YONG B L, JOO K. 2007. Reduction of phosphate adsorption by ion competition with silicate in soil [J]. Korean Journal of Environmental Agriculture, 26(4): 286-293.

ZhU J, LI M, WHELAN M. 2018. Phosphorus activators contribute to legacy phosphorus availability in agricultural soils: A review [EB/OL].Science of the Total Environment, 612: 522-537.

白锦鳞, 张一平, 刘德江. 1989. 不同施肥土壤磷酸盐位及磷酸吸附能量的研究[J]. 土壤通报, 20(5): 208-210.

陈琨, 秦鱼生, 喻华, 等. 2015. 不同肥料/改良剂对冷泥田水稻生长、养分吸收及土壤性质的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 21(3): 773-781.

程程, 姜军, 徐仁扣. 2011. 支持电解质浓度对磷酸在可变电荷土壤表面吸附和解吸的影响[J]. 土壤学报, 48(3): 557-561.

范呈根, 胡丹丹, 吴建富, 等. 2017. 施用钢渣粉对水稻生长与产量及重金属含量的影响[J]. 湖南农业大学学报: 自然科学版, 43(2):125-128.

洪顺山, 朱祖祥. 1979. 从磷酸盐位探讨土壤中磷的固定机制及其有效度问题[J]. 土壤学报, 16(2): 94-109.

胡克伟, 颜丽, 关连珠. 2004. 土壤硅磷素交互作用研究进展[J]. 土壤通报, 35(2): 230-233.

李仁英, 邱译萱, 刘春艳, 等. 2013. 硅对水稻土磷吸附-解吸行为的影响[J]. 土壤通报, 44(5): 786-791.

李仁英, 沈孝辉, 谢晓金, 等. 2014. 施硅对土壤-水稻系统中磷迁移的影响[J]. 土壤学报, 51(2): 423-428.

李学垣. 2005. 土壤化学[M]. 北京: 高等教育出版社: 100-117.

林克惠. 1965. 土壤中磷盐的状态、有效度及提高有效度的一般途径[J].土壤通报, (3): 49-52.

林忠炎. 1983. 磷酸盐位用于土壤需磷诊断的研究[J]. 土壤学报, 20(3):279-285.

鲁如坤. 2000. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社:12, 107, 166, 180, 201, 278.

毛达如. 1994. 植物营养研究方法[M]. 北京: 中国农业大学出版社:115-120.

区惠平, 周柳强, 黄美福, 等. 2016. 不同施磷量下稻田土壤磷素平衡及其潜在环境风险评估[J]. 植物营养与肥料学报, 22(1): 40-47.

2.4.2 术后随访 TURBT术后应规律随访，膀胱镜检为NMIBC患者随访的金标准，检查过程中发现异常均应取活检。推荐术后3个月时行第1次膀胱镜检，高危患者前2年每3个月1次，第3年开始每6个月1次，第5年开始每年1次直至终身。低危患者如第1次镜检阴性，可于术后1年行第2次镜检，之后每年1次直至第5年。中危患者介于两者之间。随访过程中一旦出现复发，治疗后的随访方案按上述方案重新开始。

时正元, 鲁如坤, 顾益初. 1995. 土壤积累态磷研究Ⅰ.一次大量施磷的产量效应[J]. 土壤, (2): 57-59.

田甜. 2017. 外源硅对土壤吸附磷素特征及有效性的影响[D]. 沈阳: 沈阳农业大学.

王纯, 王维奇, 林德华, 等. 2013. 施加铁炉渣对福州平原稻田土壤养分动态的影响[J]. 水土保持学报, 27(2): 110-114.

王耀晶, 孙辉, 杨丹, 等. 2012. 施用高炉渣对土壤磷吸附-解吸特性的影响[J]. 环境工程学报, 6(8): 2887-2891.

翁颖, 张维玲, 陈国海, 等. 2017. 硅肥对水稻产量及养分吸收的影响[J]. 浙江农业科学, 58(8): 1312-1314.

谢凡. 2016. 不同硅肥用量对水稻生长发育及养分吸收的影响[D]. 南昌:江西农业大学: 15-18.

许佳莹. 2012. 氮硅配施对不同品种水稻产量及生理特性的影响[D]. 北京: 中国水稻研究所: 28-30.

闫金龙. 2016. 铁氧化物-有机质复合物对磷的吸附与形态调控效应研究[D]. 重庆: 西南大学: 43-44.

张璐, 蔡泽江, 文石林, 等. 2017. 两种钢渣源调理剂对水稻生长及氮磷钾吸收量的影响[J]. 农业资源与环境学报, 34(5): 439-448.

赵小蓉, 林启美. 2001. 微生物解磷的研究进展[J]. 土壤肥料, (3): 7-11.

朱祖祥. 1979. 土壤磷酸盐位的理论与应用[J]. 土壤学报, 16(2):190-202.

Effect of Exogenous Silicon on Phosphate Potential and Phosphorus Availability in Alkaline Paddy Soil

YANG Dan, TIAN Tian, YAN Ying, HE Na, LIU Mingda*
College of Land and Environmental Sciences, Shenyang Agricultural University, Shenyang 100866, China

Phosphate potential is the intensity indicator and also the primary factor determining soil phosphorus (P) availability. The effect of silicon on soil phosphorus potential, soil chemical mechanisms of exogenous silicon application on soil P availability were investigated in order to optimize the application of silicon fertilizers and scientific regulation of soil phosphorus. These are also important to reduce the phosphate rock resources exploitation and the use of phosphate fertilizer as well as prevent and control non-point source pollution in farmlands. The pot and soil culture experiment were conducted with paddy topsoil collected from Kangping County of Shenyang. Four treatments ( potassium silicate content: 0, 30, 60, 120 mg·kg-1, marked as Si0, Si30, Si60,Si120, respectively ) were set up with neutralizing alkaline of potassium silicate and balancing K+to study the effect of exogenous silicon on soil phosphate potential and phosphate uptake by rice. The results showed that silicon enhanced H+activity in the soil extraction. Compared with the control, the H+activity in treatment of Si30、Si60 and Si120 increased 26.02%, 25.59 % and 146.77%,respectively.activity in the treatment of Si60 and Si120 increased 30.25 % and 99.26%, respectively. There were extremely significant differences for H+activity andion activity. The P uptake by rice increased with the application amount of silicon.While silicon was applied at 30, 60, 120 mg·kg-1, P uptake by plant increased 16.41%, 19.20% and 69.07%, respectively, compared with the control. There were significant negative correlation between phosphate potential and plant P uptake, indicating that phosphate potential might reflect the bio-availability of soil phosphorus. Our results indicates that silicon can increaseactivity, lower phosphate potential of soil and enhance soil P supplying intensity. Soil phosphate potential can be the index for soil P bio-availability.

exogenous silicon; paddy-field soil; phosphate potential; bio-availability

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.12.008

S156; X171.1

A

1674-5906（2017）12-2052-05

杨丹, 田甜, 闫颖, 何娜, 刘鸣达. 2017. 外源硅对碱性土壤磷位及磷有效性的影响[J]. 生态环境学报, 26(12):2052-2056.

YANG Dan, TIAN Tian, YAN Ying, HE Na, LIU Mingda. 2017. Effect of exogenous silicon on phosphate potential and phosphorus availability in alkaline paddy soil [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(12): 2052-2056.

沈阳市科技创新条件与环境建设项目（1091179-1-00）

杨丹（1977年生），女，副教授，博士，从事农业面源污染、污染土壤修复与利用等方面的教学及科研工作。E-mail:yangdan_dfcy@163.com

*通信作者。刘鸣达，E-mail: mdsausoil@163.com

2017-09-14