腐殖酸和生物质炭对土壤磷素转化及甘蔗生长的影响

刘芸渟, 潘俊臣, 莫碧霞, 姚校娟, 易 科, 覃 美, 唐新莲

(广西大学农学院甘蔗生物学重点实验室,广西南宁 530004)

磷是植物必需的矿质营养元素,对作物产量与品质具有至关重要的作用[1]。甘蔗作为我国重要的经济作物,属于多年生禾本科单子叶植物,其生长期长,对磷素需求量多,磷肥施用量大[2-3]。广西壮族自治区地处热带、亚热带地区,具有优异的气候条件和丰富的水资源,是我国甘蔗的主产区;但广西壮族自治区绝大多数蔗区土壤类型为酸性红壤,该土壤脱硅富铝、富铁化严重,土壤中的铁铝氧化物极易将磷(P)固定成难溶性磷酸盐而难以被植物直接吸收利用,进而导致土壤有效磷含量及甘蔗的当季磷肥利用率低,仅有10%～25%[4]。为满足甘蔗对磷含量的高需求,生产上普遍存在过量施用磷肥的情况,这不仅增加了生产成本,还导致酸性土壤区土壤磷素大量累积,增加了水土环境污染风险,不利于甘蔗产业的可持续发展。因此,研究减少土壤中磷的累积与固定、活化土壤磷库中潜在的磷以提高磷肥利用率的有效措施非常关键,也是我国磷肥可持续发展中亟需解决的问题。

腐殖酸结构上有酚羟基、羧基等含氧官能团,具有较强的离子交换性、吸附性,可降低土壤矿物对磷酸盐的吸附。生物质炭是一种富炭、稳定性高的有机物质,具有透气性较好、比表面积大、稳定性高等特点,一般呈弱碱性[5]。研究表明,施用腐殖酸肥料能减少土壤对磷的固定,提高土壤速效磷含量[6],使土壤磷素主要以无机磷Fe-P、Al-P的形态存在[7-9],单施腐殖酸有机肥能增加玉米产量和肥料利用率[10-11],同时能改变土壤胶体对磷的吸附,促进磷的转化。现有的研究表明,腐殖酸和生物质炭都能活化土壤磷,但活化效果和机制尚不十分清楚,二者的复合作用也鲜见报道。近年来,腐殖酸和生物质炭在农业生产上的应用主要集中在土壤改良、环境效应等方面[12-13],而对土壤磷素转化的影响,特别是对于南方酸性土壤磷素形态转化过程中腐殖酸和生物质炭的响应机制及对甘蔗生长和磷素吸收利用的研究还鲜有报道。因此,本研究采用盆栽试验,设置了2个施磷水平和腐殖酸与生物质炭2种磷素活化剂不同配比,探究腐殖酸与生物质炭配合减量磷肥的施用对酸性土壤有机质、速效磷含量,无机磷各形态转化及磷肥利用率的影响,以期为今后腐殖酸和生物质炭型活化土壤磷素专用肥的研发及甘蔗高产、磷高效的养分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验土壤材料

供试土壤采集自广西大学农学院实验基地,为第四纪红土母质发育的赤红壤,基本理化性状如下:含全氮0.63 g/kg,全磷0.45 g/kg,速效磷 10.52 mg/kg,碱解氮139.86 mg/kg,有效钾 125.00 mg/kg,有机质15.07 g/kg,Al-P 13.35 mg/kg,Fe-P 98.89 mg/kg,Ca-P 17.59 mg/kg,O-P 3.48 mg/kg,pH值为5.78。

供试材料为腐殖酸原粉、生物质炭(稻壳)。供试氮肥为尿素(N含量46%)、磷肥(P2O5含量16%)、氯化钾(K2O 60%),甘蔗供试品种为广西大学农学院甘蔗生物学重点研究室培育的中蔗9号(Z9),该品种具有早生、快发、晚熟和产量高的特点。

1.2 试验设计

试验磷肥设置0.1、0.2 g P2O5/kg土这2个水平,腐殖酸(F)和生物质炭(S)处理组均设0、2 g/kg土这2个水平,加上空白对照(CK)共9个处理(试验方案见表1),除CK外其余各处理的氮钾肥均按0.4 g/kg土施用,每个处理3次重复,完全随机化设计。盆栽试验每桶(高40 cm、直径60 cm )装入过 5 mm×5 mm 网筛的风干土30 kg,按表1试验方案将肥料与供试材料混匀装入,浇自来水使土壤含水量达到田间最大持水量的60%。将中蔗9号切成长度4～5 cm 的单芽茎,经浸泡催芽、长根,选取长势一致的单芽茎。于2020年7月20日种植,每桶种植5株,2周后间苗定植3株,盆栽置于广西大学农学院温网室种植,种植期间不追肥,2021年1月2日收获。样品采集称质量后装至无菌袋中带回实验室,用去离子水清洗干净,放置105 ℃烘箱杀青0.5 h后,于65 ℃烘箱完全烘干后称质量,粉碎混匀后用于测定全磷含量。

表1 盆栽试验方案 g/kg

1.3 测定项目与方法

土壤pH值采用电极法,土水比为1 g ∶2.5 mL;土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定;土壤碱解氮含量采用凯氏定氮蒸馏法测定;土壤有效钾含量采用1 mol/L NH4OAc溶液浸提-火焰光度法测定;土壤磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠(PNPP)法测定;土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)浸提-钼锑抗比色法测定;土壤无机磷形态含量采用连续浸提法测定,其中土壤 Fe-P 含量采用0.1 mol/L NaOH浸提,土壤Al-P含量采用0.5 mol/L NH4F(pH 8.2)浸提,土壤 Ca-P 含量采用0.5 mol/L(1/2H2SO4)浸提,土壤O-P含量采用0.3 mol/L柠檬酸钠溶液浸提,滤液均采用钼锑抗比色法测定;甘蔗全磷含量采用H2SO4-H2O2消化-钒钼黄比色法测定[14]。

按以下公式进行计算:

磷积累量(g/桶)=干质量(g)×全磷含量(%);

磷肥利用率=(施磷处理甘蔗吸磷总含量-不施磷处理甘蔗磷总含量)/施磷量×100%;

磷素活化率(PAC)= (土壤速效磷含量/土壤全磷含量)×100%。

1.4 数据分析

采用Excel软件进行数据整理、作图,采用SPSS 23软件的邓肯比较法进行显著性差异分析(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对酸性土壤速效磷含量及磷素活化率的影响

由表2可知,随着种植时间的延长,土壤速效磷含量除P2FS外均呈先降低后升高的趋势,且施用腐殖酸和生物质炭的各处理在第180天的土壤速效磷含量除P2FS外均显著高于空白对照(CK)和单施磷肥处理(P1和P2)。在种植的第60天、120天,P1F、P1S和P1FS处理显著高于CK和P1处理,P2S和P2FS处理显著高于CK和P1、P2处理。种植的第180天,P1F、P1S和P1FS处理的土壤速效磷含量显著分别比P1处理高25.38%、24.42%和16.87%;P2F、P2S和P2FS处理的土壤速效磷含量分别比P2处理高14.21%、20.54%和10.31%,其中与单施磷肥的处理相比,P1F处理对速效磷含量的增加效果最显著。

表2 不同处理对土壤速效磷含量及磷素活化率的影响

各处理的土壤磷素活化率变化规律与土壤速效磷含量变化规律相似。在种植的第60天、120天、180天施用腐殖酸和生物质炭的各处理(P1F、P1S、P1FS、P2F、P2S、P2FS)土壤的磷素活化率显著高于CK、P1和P2处理(P2F第60天除外)。种植第180天,P1F、P1S和P1FS处理是P1处理的1.21、1.18、1.12倍,P2F、P2S和P2FS处理的土壤磷素活化率是P2处理的1.12、1.19、1.10倍,其中以单施腐殖酸处理(P1F)对土壤磷素活化率的增加效果最显著,表明施用腐殖酸与生物质炭能提高土壤的速效磷素含量、磷酸酶活性,进而促进土壤磷素的转化。

2.2 不同处理对土壤无机磷组分的影响

由表3可知,添加腐殖酸与生物质炭的各处理土壤Fe-P的含量高于CK、P1、P2处理。P1F、P1S、P1FS处理的土壤Fe-P含量分别显著高于P1处理25.33%、10.72%和7.73%,P1F处理的土壤Fe-P含量最高,显著高于P2处理7.44%。添加腐殖酸与生物质炭的各处理中,P1S、P1FS处理的土壤Al-P含量显著高于P1处理27.85%、72.99%,P2F、P2FS处理的土壤Al-P含量高于P2处理36.51%、57.45%。P1F、P1S、P1FS处理的土壤 Ca-P 含量分别显著高于P1处理42.27%、29.62%、60.17%,P2F、P2S处理显著高于P2处理25.12%、40.82%。添加腐殖酸与生物质炭的各处理土壤O-P含量低于CK、P1、P2处理,其中P1F、P2F处理的土壤O-P含量分别显著低于P1、P2处理49.35%、33.02%。在2个施磷水平下,腐殖酸与生物质碳的施用对土壤无机磷Fe-P含量提高最明显,且对土壤无机磷形态增加大小为Fe-P>Ca-P>Al-P>O-P。

表3 不同处理对土壤无机磷组分的影响 mg/kg

综上所述,腐殖酸与生物质炭施用有效提高了土壤中Fe-P、Al-P、Ca-P的含量,使部分难溶性的O-P转化为相对缓效的Fe-P、Al-P、Ca-P储存在土壤中,促进难溶性磷O-P向潜在性磷源转化,提高土壤有效性磷源的含量,进而提高土壤磷素的有效性。

2.3 不同处理对酸性土壤理化性质及酶活性的影响

由表4可知,添加生物质炭处理的土壤pH值显著高于CK、P1和P2处理,其中以P1FS处理的土壤pH值最高,可见,生物质炭对酸性土壤的酸碱度有一定的调节作用。腐殖酸与生物质炭施用明显提高了土壤有机质、有效钾、碱解氮的含量及磷酸酶的活性。其中P1F、P1S和P1FS处理的土壤有机质含量显著高于P1处理10.51%、13.21%和21.44%,P2F、P2S和P2FS处理的土壤有机质含量显著高于P2处理14.39%、10.20%和26.90%,且P1FS和P2FS处理比CK显著高29.31%、23.23%;P1S处理的土壤有效钾含量最高,较P1处理显著提高了24.01%,P2S和P2FS处理的土壤有效钾含量显著高于P2处理12.37%和20.55%。P1F、P1S和P1FS处理的土壤碱解氮含量显著高于P1处理52.58%、89.44%和42.05%,P2F、P2S和P2FS的土壤碱解氮含量较P2处理有所增加,但差异不显著。同时P1FS处理的土壤磷酸酶活性显著高于P1处理10.89%,P2F、P2S和P2FS处理的土壤酸性磷酸酶活性显著高于P2处理11.61%、8.93%和13.39%,且P1FS、P2FS处理的土壤磷酸酶活性比CK显著高42.11%、33.68%。表明腐殖酸与生物质炭的施用提高了土壤有机质、有效钾、碱解氮的含量及磷酸酶的活性,丰富了土壤中的速效养分含量。

表4 不同处理对土壤养分的影响

2.4 不同处理对甘蔗农艺性状及生物量的影响

由表5可知,添加腐殖酸与生物质炭的各处理对甘蔗的生长有一定的促进作用。施用腐殖酸和生物质炭的各处理株高、茎粗、SPAD值及整株鲜重高于CK、P1(P1F、P1S的株高除外)、P2处理,其中P2F、P2S处理的茎粗显著高于P2处理14.68%、13.40%,P2F、P2S、P2FS处理的SPAD值显著高于P2处理26.52%、 22.15%、 21.39%,P2F处理的甘蔗鲜质量显著高于P2处理6.43%。表明腐殖酸与生物质炭的施用提高了甘蔗的茎粗、SPAD值和甘蔗的鲜质量,进而促进了甘蔗的生长。

表5 不同处理对甘蔗农艺性状及生物量的影响

2.5 不同处理对甘蔗磷含量及磷素积累量的影响

由表6可知,施用腐殖酸与生物质炭各处理的甘蔗磷素积累量、磷肥利用率高于CK、P1、P2(P1F、P1FS的磷积累量除外)处理,其中P1F、P1S处理的甘蔗全磷含量显著高于P1处理7.87%、20.22%,P2F、P2S、P2FS处理的全磷含量显著高于P2处理27.09%、23.41%、7.02%。P1S处理的甘蔗磷积累量显著高于P1处理19.65%,P2F、P2S处理显著高于P2处理27.92%、22.20%。P1S处理的磷肥利用率是P1处理的1.26倍,P2F、P2S、P2FS处理的磷肥利用率分别是P2处理的1.64、1.51、1.25倍。表明腐殖酸与生物质炭施用通过提高了甘蔗的全磷和磷积累量,来促进甘蔗对磷素的吸收利用。

表6 不同处理对甘蔗磷含量及磷素积累量的影响

2.6 土壤养分与甘蔗农艺性状的相关性分析

相关性分析结果(表7)表明,土壤速效磷与PAC、Fe-P、有机质、有效钾、碱解氮含量、磷酸酶活性和整株鲜质量呈极显著的正相关。土壤PAC与Fe-P、Al-P、有机质、有效钾、碱解氮、磷酸酶活性、磷积累量及整株鲜质量呈显著或极显著正相关。Fe-P含量与有机质含量、有效钾含量、碱解氮含量、磷酸酶活性及鲜质量呈显著正相关。Al-P含量与有机质含量、有效钾含量、磷酸酶活性呈显著正相关,但O-P含量与速效磷含量、PAC、Fe-P含量、有机质含量、磷酸酶活性及鲜质量呈显著或极显著负相关,表明土壤速效磷含量的提高与土壤的有机质、有效钾、碱解氮含量及磷酸酶活性等养分含量有密切关系,同时速效养分含量的提高,有利于甘蔗的生长和对养分的吸收利用。

表7 土壤养分与甘蔗农艺性状的相关性分析

3 讨论

3.1 腐殖酸和生物质炭的施用对磷素转化的影响

腐殖酸和生物质炭可改变土壤对金属离子的吸附,影响磷素有效性[15]。通过添加腐殖酸和生物质炭与肥料的合理配施促进作物的生长,提高土壤磷素有效性,是解决磷肥利用率低和新型磷肥研发及施用问题的重要途径。闫光第等研究报道,腐殖酸减少了土壤对磷的固定,提高了土壤速效磷的含量[16-17];高天一等研究表明,生物质炭增加了土壤磷的积累,提高土壤中磷素有效性[18],且据杨彩迪等研究表明,施用生物质炭提高了土壤中全磷、速效磷的含量[19]。而本研究结果表明,施用腐殖酸与生物质炭显著提高了土壤速效磷含量、磷素活化率及无机磷(Fe-P、Al-P)的含量,且单独施用的处理较配合施用处理效果更显著,其中以P1S处理的影响效果最显著。

本研究发现CK处理的磷素活化率随时间的增加呈降低的趋势,这可能由于无外源磷施入,作物从土壤中持续吸收速效磷,使有效磷含量降低,进而使磷素活化率降低, 这个现象在鲁艳红等的研究中也有类似的报道[20]。南方酸性土壤中Fe-P、Al-P 和Ca-P可经有机磷矿化转化被植物吸收利用的形态,且已被证实为土壤潜在性磷源、而O-P是难以被植物吸收利用的难溶性磷源[21]。本研究结果表明,施用腐殖酸与生物质炭的各处理提高了土壤无机磷Fe-P、Al-P和Ca-P的含量,但降低了土壤O-P的含量,且无机磷主要以Fe-P形态增加,说明施用腐殖酸与生物质炭促进了难溶性磷 O-P向潜在性磷源Fe-P、Al-P和Ca-P的转化,其中以单独施用腐殖酸的处理对O-P含量的降低效果最显著,这可能与腐殖酸特殊的分子结构有关,较强的阳离子交换能力,可激活铝、铁等离子与磷酸根离子结合,减少磷的固定,还可通过增加土壤中Fe-P、Al-P和Ca-P的含量来增加土壤中有效态磷的储量,促使更多的难溶性磷源O-P向有效态磷源Fe-P、Al-P和 Ca-P转化,进而提高磷肥有效性。

3.2 腐殖酸和生物质炭的施用对土壤养分的影响

土壤pH值可影响钙、铁、铝等金属离子和磷酸根的结合,减少土壤对磷的固定,提高土壤磷素有效性[22]。腐殖酸提高了土壤有机质的含量[23]。高玉芬等研究结果表明,不同配比的黄腐酸肥均提高了土壤速效磷、速效钾的含量[24]。本研究结果表明,施用腐殖酸与生物质炭的各处理显著提高了土壤中有机质、有效钾、碱解氮的含量及磷酸酶活性。这可能与腐殖酸可活化板结土壤,改善土壤结构,增加土壤的透气性,协调土壤的水、肥、气等状况有关;生物质炭具有较强的吸附能力,能促进土壤对有机质的吸附[25],有机质能刺激植物根系分泌更多有机酸与锌、铁等元素螯合,促进难溶性磷转化,活化土壤中被固定的磷,提高土壤磷素有效性。

3.3 腐殖酸和生物质炭的施用对甘蔗生长及磷素吸收的影响

前人的研究表明,腐殖酸与生物质炭改善了土壤的肥力状况,提高了作物的产量[26]。生物质炭与化肥配施显著提高了水稻、玉米、花生等作物产量[27-29],施用腐殖酸对菜豆生长发育及产量有明显促进作用[30],腐殖酸与生物质炭的施用提高了甜高粱对磷素的吸收[31]。本研究结果表明,腐殖酸与生物质炭的施用促进了甘蔗的生长,其中以P2F处理的甘蔗茎粗增加效果最显著,显著高于P2处理14.68%。施用腐殖酸与生物质炭各处理的磷素积累量也显著提高,其中以P2F处理的效果更显著,显著高于P2处理27.92%。

在本研究中,腐殖酸与生物质炭的施用提高了磷肥利用率,其中以P1S处理效果最好。这可能与生物质炭具有疏松的结构和巨大的表面积有关,生物质炭的施入使土壤pH值和基本养分含量的增加,减少土壤对磷素的吸附,提高土壤有效磷含量,促进甘蔗对磷素的吸收利用。此外,在本研究条件下,在常规施磷的基础上减量磷肥(P1),配施腐殖酸与生物质炭的各处理磷肥利用率、磷积累量与常规磷肥P2水平处理相比,并未降低反而有增加的趋势,说明配施腐殖酸与生物质炭在适量减磷的条件下仍能满足甘蔗对磷的需求和具有提高作物对磷肥利用的潜能,但该结论还需要结合田间试验进行验证。

4 结论

施用腐殖酸与生物质炭的处理较CK、P1和P2处理土壤的速效磷、有机质、有效钾、磷酸酶及无机磷组分含量的有所提高,同时甘蔗茎粗增加,SPAD值、磷积累量、磷肥利用率也明显提高。腐殖酸与生物质炭活化土壤中被固定的磷,促进无效态磷源O-P向有效态磷源Fe-P、Al-P和Ca-P的转化,从而促进甘蔗生长及对磷肥的高效利用。综上所述,从土壤速效磷、磷素活化系数、无机磷转化及甘蔗对磷素吸收利用的效应综合分析,对土壤磷素活化的效果由高到低表现为:生物质炭>腐殖酸>腐殖酸与生物质炭配施。