有效磷含量对设施土壤有机碳组分的影响研究

苏红丽，严雪伟，杨灏秋，陈 珂，郝一影，李 磊，邢文听

(河南省化工研究所有限责任公司，河南 郑州 450052)

设施土壤长期在“高温、高湿、高度连作、连续过量施肥、无降水淋洗”等特殊环境条件下，有机碳含量比露地高11.6%～62.8%，而总磷较露地高1 000 mg/kg左右，设施土壤中有机碳、磷明显富集，严重影响地下水环境质量，同时极易发生连作障碍，对土壤环境存在极大威胁[1-2]。

土壤有机碳作为土壤的重要成分，不仅为土壤微生物提供能源，促进土壤环境向有利于微生物生命活动的方向发展。根据活性大小，可将土壤有机碳分为活性有机碳和惰性有机碳。土壤有机碳的活性部分是指示土壤有机碳状态、反映土壤碳库动态的敏感性指标，主要包括可溶性有机碳、微生物量碳、易氧化有机碳；土壤有机碳的惰性部分是维持土壤结构稳定性的重要因素，主要包括腐植酸、富里酸、胡敏酸、胡敏素。

本研究通过选取不同有效磷含量典型设施菜地土壤，对其有机碳组分进行测定分析，旨在了解不同有效磷含量条件下有机碳的含量及组分的变化特征，解释有效磷含量与有机碳组分之间的相关性。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

土壤分别采自北京市海淀、昌平、房山、通州、顺义、密云、大兴等7 个区设施菜地及部分农田。供试土壤地形为平原，土壤类型为潮土，土壤质地为砂质土壤。种植模式分别为荒地、粮田、露地菜、温室等。采用多点混合法在采样区域内随机采集表层土壤(0～20 cm)，装入自封袋中，记录采样时间、地点，调查施肥方式，共61个土壤样品，运回实验室后所有土壤充分搅拌混匀摊开，并除去可见的植物残体和砾石，室内风干到一定程度后研磨过2 mm筛。将过筛后的土壤用蒸馏水调节土壤含水量到最大持水量(WHC)的45%，然后放入恒温[(25±1)℃]恒湿箱中预培养7天。

培养完所有样品后，用钼蓝法检测有效磷含量，根据有效磷含量从上述61个土壤样品中挑选出约15个土壤，对有机碳组分进行检测，以期探究不同有效磷含量条件下土壤有机碳含量及组分的变化特征，揭示磷与有机碳组分之间的相关性。

1.2 测定项目与方法

1.2.1常规碳指标的测定

土壤总有机碳采用外加热源重铬酸钾-硫酸溶液氧化，并用硫酸亚铁滴定剩余重铬酸钾测定[9]。土壤可溶性有机碳用水土比4∶1蒸馏水振荡提取，过0.45 μm滤膜后，滤液用总碳分析仪(Elementar Analysensysteme GmbH,德国)测定。易氧化有机碳用333 mmol/L KMnO4溶液氧化后，利用紫外分光光度计比色法测定。

1.2.2土壤微生物量碳

土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4(0.5 mol/L)溶液浸提后，土壤滤液中的有机碳含量采用总碳分析仪测定。

1.2.3土壤腐植酸的测定

将土壤挑去粗根并通过1 mm筛孔，去除细根，40 ℃远红外烘干，准确称取土壤样品5.00 g。加入0.1 mol/L的NaP2O7-0.1 mol/L的NaOH混合提取液(土∶混合提取液=1∶10)，间歇搅拌，置沸水浴中加热浸提30 min，不时摇动。取出冷却，定容。准确吸取上述浸提液5 mL于100 mL试管中，在沸水浴中蒸发近干，然后用K2Cr2O7-H2SO4溶液测定含碳量，计算总腐植酸含量。取100 mL试管，准确吸取上述浸提液10 mL，用6 mol/L H2SO4将pH值调至1.0～1.5。胡敏酸经沉淀离心后，用0.1 mol/L NaOH溶解，定容。取100 mL试管，准确吸取5 mL，在沸水浴中蒸发近干，测定胡敏酸中的碳含量，计算出胡敏酸碳提取量。富里酸的提取量可用差减法求得[3]。胡敏素在土壤中与矿质土粒结合十分牢固，活性很低，很难受土壤中有机碳和有效磷含量的变化而变化，故本试验未给予测定。

1.3 数据处理及分析

所有数据均以3次重复的平均值表示，用SPSS 17.0软件对数据进行单因素方差分析(ANOVA)，采用LSD方法进行处理间显著性差异(P=0.05)比较。文中图表均用Excel 2007完成。

2 结果分析

2.1 土样理化性质(见表1)

表1 供试土壤基本理化性质

从表1可知，供试土壤pH值在7.20～8.38，为碱性土；土壤有机碳含量在6.55～26.83 g/kg，平均为12.20 g/kg，全N在0.53～2.75 g/kg，平均为1.15 g/kg；土壤有效磷含量5.03～391.45 mg/kg内变化，变化范围较大。

2.2 有效磷含量对总有机碳的影响

总有机碳与有效磷含量关系见图1。

图1 总有机碳与有效磷含量的关系

从图1可以看出，供试土壤有效磷变化范围为5～400 mg/kg，土壤有机碳含量在5～30 g/kg。有机碳含量与有效磷含量之间呈现极显著的正相关线性关系(R2=0.693 9)，说明土壤中有机碳含量随着有效磷含量的增加而增加。

2.3 有效磷含量对活性有机碳组分的影响

可溶性有机碳(a)、易氧化有机碳(b)含量与有效磷含量的关系见图2，微生物生物量碳(a)、微生物量碳磷比(b)与有效磷含量的关系见图3。

图2 可溶性有机碳(a)、易氧化有机碳(b)含量与有效磷含量的关系

图3 微生物生物量碳(a)、微生物量碳磷比(b)与有效磷含量的关系

从图2(a)中可以看出，供试土壤水溶性有机碳(DOC)含量在150～350 mg/kg，其含量多少不受土壤有效磷水平的影响。从图2(b)中可以看出，供试土壤易氧化有机碳(ROOC)含量在5～20 mg/kg。易氧化有机碳含量与有效磷含量之间呈现极显著线性相关关系(R2=0.475 7)，土壤中易氧化有机碳含量随着有效磷含量的增加而增加。

从图3(a)、(b)可知，供试土壤微生物量碳(SMBC)含量在10～400 mg/kg。微生物量碳与有效磷含量之间存在极显著相关关系(R2=0.584 6)，微生物量碳磷比与有效磷含量之间显著相关(R2=0.421 8)。有效磷含量增加导致MBC含量增加，同时降低了MBC/MBP，说明有效磷含量增加可以提高微生物释放磷的潜力。MBC在Olsen-P<60 mg/kg的条件下随着磷含量的增加而急剧增加，在超过这一值后趋于平衡。

2.4 有效磷含量对惰性有机碳组分的影响

腐植酸(a)、胡敏酸(b)与有效磷含量的关系如图4所示。

从图4(a)、(b)可知，供试土壤腐植酸含量在1 000～2 000 mg/kg。土壤中胡敏酸有含量在500～2 000 mg/kg。腐植酸与有效磷含量之间存在显著相关关系(R2=0.320 9)。腐植酸中的胡敏酸与有效磷含量之间显著相关(R2=0.313 2)。随着有效磷含量的增加，腐植酸和胡敏酸均有极显著增加趋势，而富里酸含量无明显变化，推测随有效磷含量增加的腐植酸以胡敏酸为主。

图4 腐植酸(a)、胡敏酸(b)与有效磷含量的关系

3 结论

3.1 有效磷含量对总有机碳的影响

本研究结果显示，有效磷含量与有机碳存在极显著线性相关关系，随着有效磷含量的升高，有机碳含量也升高，可能是由于磷输入为微生物提供营养，使土壤微生物生命活动增强，促进了有机碳的生物转化。

3.2 有效磷含量对活性有机碳组分的影响

有研究显示，磷源能增加设施土壤可溶性有机碳含量。但本研究结果显示，土壤DOC含量随着有效磷含量的增加，并无明显变化。可能由于供试土壤类型和质地一致，施肥模式类似，而DOC是存在于土壤溶液中的可溶性有机碳，在土壤中存在一动态平衡过程，当DOC含量降低时其它有机碳组分不断分解转化，释放到土壤溶液中，从而导致土壤溶液中的DOC含量相对恒定所致。

有研究把土壤Olsen-P含量在55.6～63.0 mg/kg定义为土壤磷流失显著增加的“突变点”，当土壤Olsen-P含量大于“突变点”时，土壤磷的流失风险显著增大[4]。本研究显示，土壤微生物量碳在Olsen-P<60 mg/kg条件下，随有效磷含量增加而增加，当超过这一值后变化缓慢，趋于平衡。一方面，有效磷含量增加可能会导致微生物数量增加。磷是微生物数量增长的限制因子，在Olsen-P<60 mg/kg时，随着有效磷含量的增加，微生物数量急剧增加；当有效磷含量超过这一值时，磷含量不再限制微生物数量的增长，故而随着有效磷含量的增加，微生物的数量变化缓慢。同时，来璐等[5]研究表明，MBC/MBP与土壤有效磷含量显著相关，可能是土壤微生物吸收富集磷素所致。这与本试验结果一致。

李平儒[6]研究表明，施肥可增加土壤中ROOC含量且随时间推移均增加趋势。佳颖[7]通过对设施土壤ROOC含量变化研究结果表明，长期施用有机肥能够显著提高土壤中ROOC的含量。本研究结果也显示，土壤中有效磷含量增加，ROOC含量也随之增加。

3.3 有效磷含量对惰性有机碳组分的影响

腐植质作为土壤有机质的主体，其结构变化和组成将直接改变土壤肥力性质，并显著地影响土壤污染物质和养分的迁移和归宿。

在土壤腐植质的组成中，由于胡敏酸的腐植化程度较富里酸的高，具体表现为胡敏酸的相对分子质量较富里酸的大，缩合程度、芳构化程度较富里酸的高，结构较稳定，故而随着施肥量的增加较易表现出明显的增高趋势[8]。本研究表明，腐植酸和胡敏酸与有效磷含量之间存在极显著的相关关系，富里酸不受有效磷含量多少的影响。随着有效磷含量的增加，腐植酸和胡敏酸均有极显著的增加趋势，而富里酸含量无明显变化，因此随有效磷含量增加的腐植酸主要是以较为稳定的胡敏酸为主。