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长期不同施肥对黄壤磷素吸附–解吸特性的影响

刘彦伶 李渝 张萌 张雅蓉 黄兴成 蒋太明 张文安

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长期不同施肥对黄壤磷素吸附–解吸特性的影响

    作者简介: 刘彦伶E-mail:lyl890615@163.com;
    通讯作者: 李渝, E-mail:liyu83110@163.com
  • 基金项目: 贵州省科学技术基金项目(黔科合基础﹝2018﹞1154);国家自然科学基金项目(32060302);贵州省农业科学院青年基金(黔农科院青年基金﹝2018﹞19号);省科技平台及人才团队计划(黔科合平台人才﹝2018﹞5604号);中央引导地方财政科技发展专项资金项目(黔科中引地﹝2019﹞4003号);贵州省科技支撑计划项目(黔科合支撑﹝2018﹞2340号)

Effects of long-term fertilization on phosphorus adsorption and desorption characters in yellow soil

    Corresponding author: LI Yu, E-mail:liyu83110@163.com ;
  • 摘要:   【目的】  磷吸附–解吸特性对土壤磷素有效性和环境流失风险有重要影响。研究长期不同施肥对黄壤旱地磷吸附–解吸特性的影响,可为黄壤区合理施用磷肥提供理论依据。  【方法】  供试黄壤肥力长期定位试验位于贵阳,始于1995年。设有对照 (CK)、施氮钾肥 (NK)、施氮磷钾肥 (NPK)、单施有机肥 (M) 和有机肥化肥配施 (MNPK) 5个处理。采用恒温平衡方法,研究了磷最大吸附量 (Qm)、磷吸附常数 (K)、磷吸附自由能 (|ΔG|)、磷最大缓冲容量 (MBC)、磷吸附饱和度 (DPS)、磷固定量 (PI)、磷解吸率 (DR),不同施肥处理土壤对外源磷的吸附和解吸特征,并分析土壤磷吸附解吸特征参数与土壤理化性质之间的关系。  【结果】  M和MNPK处理显著降低了土壤中的黏粒含量,提高了有机质含量和pH,提高了土壤全磷和有效磷及微生物量磷含量;NK和NPK处理对土壤黏粒含量没有显著影响,但是降低了有机质和pH,NK处理降低了土壤的磷含量和有效性。Langmuir吸附等温线方程能很好地拟合土壤吸附磷和相应的平衡溶液磷浓度曲线 (R2为0.9532~0.9950,P < 0.01)。与CK相比,NK、NPK处理Qm分别显著增加了39.2%、40.9%,M处理Qm显著降低了20.0%,MNPK处理Qm无显著差异,说明施用化肥可增加土壤对磷素的吸附位点,而施用有机肥则减少了土壤对磷素的吸附位点,有机无机肥配施时则吸附位点无显著变化;各处理K、|ΔG|、MBC、PI表现为MNPK≤ M < CK < NPK < NK,DPS则表现为MNPK > M > NPK > CK > NK,DR均值表现为MNPK>M>CK>NPK>NK。当加入外源磷浓度 < 10 mg/L时,NK和NPK处理的磷固液比为85.8~100.3,CK为4.2~28.8,M和MNPK处理为2.5~7.7,说明当施用的外源磷浓度较低时,长期施用化肥处理中的磷大部分被土壤吸附,难以被作物利用,而长期施用有机肥处理中磷则大部分留存在液相中,有利于作物的吸收利用。相关分析表明,QmK、|ΔG|、MBC、PI等磷吸附特征参数与土壤黏粒含量、pH、有机质相关系数基本大于与土壤磷的相关系数,说明土壤黏粒含量、pH和有机质对土壤磷素吸附解吸特性的影响大于土壤磷素水平的影响。  【结论】  黄壤磷素吸附–解吸特性受磷肥性质的影响大于施磷量,长期施用有机肥可降低土壤对磷素的吸附,促进土壤磷素解吸,提高土壤磷素有效性,长期施用化肥效果则相反。长期有机无机肥配施可综合有机肥和化肥优势,在土壤磷浓度较低时,可降低土壤对磷的吸附,促进磷素解吸,提高土壤磷素的有效性;在土壤磷浓度较高时,可以降低土壤磷素解吸率,减小磷素环境流失风险,是黄壤旱地上最佳的施肥模式,但本研究中MNPK处理施磷量过高导致土壤磷素大量累积,磷素流失风险较大。
  • 图 1  不同施肥处理土壤对磷的等温吸附曲线

    Figure 1.  Curve of soil-phosphate isothermal adsorption under different long-term fertilization

    图 2  不同施肥处理土壤外源磷的固液相分配比随其加入浓度的变化

    Figure 2.  Dynamics of distribution ratio of exogenous P in solid and liquid phase with the increased adding concentration as affected by different long-term fertilization

    图 3  不同施肥处理土壤吸附磷的等温解吸曲线

    Figure 3.  Curve of soil-phosphate isothermal desorption under different long-term fertilization

    表 1  各施肥处理养分投入总量及1995—2016年玉米平均产量

    Table 1.  Total nutrient input and the average yield of maize during 1995–2016 in each treatment

    处理
    Treatment
    鲜牛厩肥 (t/hm2)
    Cow manure
    总氮量 (kg/hm2)
    Total N
    总磷量 (kg/hm2)
    Total P2O5
    总钾量 (kg/hm2)
    Total K2O
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    CK 00003240
    NK 0165.0082.55426
    NPK 0165.082.582.56516
    M 61.1165.079.4366.65518
    MNPK61.1330.0161.9449.17174
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    表 2  长期不同施肥处理对黄壤理化性质的影响

    Table 2.  Soil physical and chemical properties under different long-term fertilization

    处理
    Treatment
    黏粒含量 (%)
    Clay (size < 0.002 mm)
    pH
    有机质 (g/kg)
    Organic matter
    全磷 (g/kg)
    Total P
    有效磷 (mg/kg)
    Olsen-P
    微生物量磷 (mg/kg)
    Microbial biomass P
    CK 44.9 a6.74 b47.3 b0.71 c9.9 c3.0 d
    NK 49.5 a5.86 c35.8 c0.68 c9.4 c4.5 d
    NPK 45.9 a6.45 b37.1 c0.93 b31.6 b6.3 c
    M 34.7 b7.18 a57.7 a0.92 b31.3 b11.6 b
    MNPK36.3 b7.01 a52.9 a1.35 a51.0 a21.4 a
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different small letters in the same column represent significant difference among treatments at the 0.05 level.
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    表 3  不同施肥处理土壤磷Langmuir拟合方程与吸附特性参数

    Table 3.  Langmuir equations of P adsorption and parameter values under different long-term fertilization

    处理
    Treatment
    Langmuir 方程
    Langmuir function
    R2Qm
    (mg/kg)
    KG|
    (kJ/mol)
    MBC
    (mg/kg)
    DPS
    (%)
    PI
    (mg/kg)
    CK C/Q = 0.0021C + 0.00510.9748**469.0 b0.409 c23.4 c191.5 c2.11 d89.5 b
    NK C/Q = 0.0015C + 0.00120.9656**652.8 a1.361 a26.4 a888.9 a1.44 d120.8 a
    NPK C/Q = 0.0015C + 0.00180.9532**660.8 a0.944 b25.4 b636.4 b4.81 c113.0 a
    M C/Q = 0.0027C + 0.00950.9950**375.1 c0.283 cd22.4 d106.0 c8.36 b75.0 c
    MNPKC/Q = 0.0022C + 0.01190.9882**456.5 bc0.178 d21.3 e81.6 c11.20 a67.5 c
    注(Note):Qm—磷最大吸附量 Maximum P adsorption capacity;K—磷吸附亲和力常数 P adsorptoon constant;|ΔG|—磷吸附自由能 P adsorptoon free energy;MBC—土壤磷最大缓冲容量 Buffering capacity of soil P;DPS—磷吸附饱和度 P saturation degree;PI—磷固定量 P immobilization amount. 同列数据后不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平 Values followed by different small letters in the same column represent signigicant difference among treatments at the 0.05 level. **— P < 0.01.
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    表 4  不同施肥处理土壤的磷解吸率 (%)

    Table 4.  Desorption rate (DR) of soil P as affected bydifferent long-term fertilization

    加入磷浓度 (mg/L)
    P addition concentration
    CKNKNPKMMNPK
    32.31.03.45.010.7
    51.71.02.24.98.6
    72.30.71.75.27.8
    92.00.61.44.87.1
    122.91.01.95.96.8
    183.21.52.36.26.7
    243.91.82.66.77.1
    304.52.13.07.76.8
    405.12.73.58.37.3
    506.24.25.08.97.5
    平均 Average3.41.72.76.47.6
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    表 5  土壤磷素吸附解吸特性与土壤理化性质的关系

    Table 5.  The correlation coefficients of soil adsorption and desorption characteristics with soil physical and chemical properties

    项目 ItemQmKG|MBCDPSDRPI
    黏粒含量 Clay content0.736**0.786**0.844**0.753**–0.772**–0.908**0.861**
    pH –0.750**–0.855**–0.720**–0.855**0.760**0.743**–0.865**
    有机质 Organic matter–0.777**–0.775**–0.780**–0.763**0.631*0.709**–0.838**
    全磷 Total P–0.320–0.575*–0.676**–0.5100.902**0.720**–0.641*
    有效磷 Olsen-P–0.291–0.537*–0.635*–0.4630.940**0.703**–0.592*
    微生物量磷 MBP–0.463–0.617*–0.759**–0.568*0.936**0.808**–0.725**
    注(Note): MBP—微生物量磷 Microbial biomass P;Qm —磷最大吸附量 Maximum P adsorption capacity;K—磷吸附亲和力常数 P adsorptoon constant;|ΔG|—磷吸附自由能 P adsorptoon free energy;MBC—土壤磷最大缓冲容量 Buffering capacity of soil P;DPS—磷吸附饱和度 P saturation degree;DR—磷解吸率 P desorption rate;PI—磷固定量 P immobilization amount. *— P < 0.05; **— P < 0.01.
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  • [1] Grant C, Bittman S, Montreal M, et al. Soil and fertilizer phosphorus: Effects on plant P supply and mycorrhizal development[J]. Canadian Journal of Plant Science, 2005, 85(1): 3–14. doi:  10.4141/P03-182
    [2] Jalali M, Karamnejad L. Phosphorus leaching in a calcareous soil treated with plant residues and inorganic fertilizer[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2011, 174(2): 220–228. doi:  10.1002/jpln.201000087
    [3] 熊毅, 李庆逵. 中国土壤[M]. 北京: 科学出版社, 1987.

    Xiong Y, Li Q K. Soil of China[M]. Beijing: Science Press, 1987.
    [4] 展晓莹, 任意, 张淑香, 等. 中国主要土壤有效磷演变及其与磷平衡的响应关系[J]. 中国农业科学, 2015, 48(23): 4728–4737. Zhan X Y, Ren Y, Zhang S X, et al. Changes in Olsen phosphorus concentration and its response to phosphorus balance in the main types of soil in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23): 4728–4737. doi:  10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.014
    [5] Yan X, Wang D J, Zhang H L, et al. Organic amendments affect phosphorus sorption characteristics in a paddy soil[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2013, 175: 47–53. doi:  10.1016/j.agee.2013.05.009
    [6] Bai J, Ye X, Jia J, et al. 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, 2017, 188: 677–688. doi:  10.1016/j.chemosphere.2017.08.117
    [7] 龚振平, 杜婷婷, 闫超, 等. 玉米秸秆还田及施磷量对黑土磷吸附与解吸特性的影响[J]. 农业工程学报, 2019, 35(2): 161–169. Gong Z P, Du T T, Yan C, et al. Effects of corn straw returning and phosphorus application rate on phosphorus adsorption and desorption characteristics of black soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2019, 35(2): 161–169. doi:  10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.021
    [8] Dou Z X, Ramberg C F, Toth J D, et al. Phosphorus speciation and sorption-desorption characteristics in heavily manured soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 2009, 73(1): 93–101. doi:  10.2136/sssaj2007.0416
    [9] 夏文建, 梁国庆, 周卫, 等. 长期施肥条件下石灰性潮土磷的吸附解吸特征[J]. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(3): 431–438. Xia W J, Liang G Q, Zhou W, et al. Adsorption and desorption characteristics of soil phosphorus in calcareous fluvo-aquic soil under long-term fertilization[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2008, 14(3): 431–438. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2008.03.004
    [10] Yan Z J, Chen S, Dari B, et al. Phosphorus transformation response to soil properties changes induced by manure application in a calcareous soil[J]. Geoderma, 2018, 322: 163–171. doi:  10.1016/j.geoderma.2018.02.035
    [11] Fan B Q, Wang J, Fenton O, et al. Strategic differences in phosphorus stabilization by alum and dolomite amendments in calcareous and red soils[J]. Environmental Science and Pollution Research., 2019, 26(5): 4842–4854. doi:  10.1007/s11356-018-3968-9
    [12] 杨燕玲. 农田土壤对磷的吸附和解吸特性研究进展[J]. 安徽农业科学, 2019, 47(1): 4–5, 16. Yang Y L. Advances in phosphorus adsorption and desorption of farmland soils[J]. Anhui Agricultural Science, 2019, 47(1): 4–5, 16. doi:  10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.002
    [13] 徐秋桐, 张莉, 章明奎. 不同有机废弃物对土壤磷吸附能力及有效性的影响[J]. 农业工程学报, 2014, 30(22): 236–244. Xu Q T, Zhang L, Zhang M K. Effects of different organic wastes on phosphorus sorption capacity and availability in soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(22): 236–244. doi:  10.3969/j.issn.1002-6819.2014.22.029
    [14] 夏海勇, 王凯荣. 有机质含量对石灰性黄潮土和砂姜黑土磷吸附–解吸特性的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(6): 1303–1310. Xia H Y, Wang K R. Effects of soil organic matter on characteristics of phosphorus adsorption and desorption in calcareous yellow fluvoaquic soil and lime concretion black soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2009, 15(6): 1303–1310. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2009.06.009
    [15] 王新民, 侯彦林. 有机物料对石灰性土壤磷素形态转化及吸附特性的影响研究[J]. 环境科学学报, 2004, 24(3): 440–443. Wang X M, Hou Y L. Effects of organic matter addition on the characteristics of phosphate adsorption and forms of phosphorus in a calcareous soil[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2004, 24(3): 440–443. doi:  10.3321/j.issn:0253-2468.2004.03.013
    [16] 洪欠欠. 有机物料对红壤性稻田土壤磷吸附及其相关因素的影响[D]. 南昌: 江西农业大学硕士学位论文, 2018.

    Hong Q Q. Effects of organic amendments on soil phosphorus adsorption and related factors in reddish paddy soils[D]. Nanchang: MS Thesis of Jiangxi Agricultural University, 2018.
    [17] 刘真娟. 有机质对黑土磷吸附–解吸特性的影响[D]. 长春: 吉林农业大学硕士学位论文, 2019.

    Liu Z J. Effect of organic matter on phosphorus adsorption-desorption characteristics of black soil[D]. Changchun: MS Thesis of Jilin Agricultural University, 2019.
    [18] 刘彦伶, 李渝, 白怡婧, 等. 长期不同施肥对水稻干物质和磷素积累与转运的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(7): 1146–1156. Liu Y L, Li Y, Bai Y J, et al. Effect of long-term fertilization patterns on dry matter and phosphorus accumulation and translocation in rice[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(7): 1146–1156. doi:  10.11674/zwyf.18335
    [19] 李渝, 刘彦伶, 白怡婧, 等. 黄壤稻田土壤微生物生物量碳磷对长期不同施肥的响应[J]. 应用生态学报, 2019, 30(4): 1327–1334. Li Y, Liu Y L, Bai Y J, et al. Responses of soil microbial biomass C and P to different long-term fertilization treatments in the yellow paddy soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(4): 1327–1334.
    [20] 李渝, 张雅蓉, 刘彦伶, 等. 长期施肥条件下西南黄壤旱地有效磷对磷盈亏的响应[J]. 应用生态学报, 2016, 27(1): 2321–2328. Li Y, Zhang Y R, Liu Y L, et al. Response of Olsen-P to P balance in yellow soil upland of southwestern China under long-term fertilization[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(1): 2321–2328.
    [21] 鲁如坤. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 1999.

    Lu R K. Soil and agricultural chemistry analysis[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 1999.
    [22] 郭燕. 几种类型矿物对磷的吸附对比研究[D]. 合肥: 合肥工业大学硕士学位论文, 2007.

    Guo Y. Comparative study of adsorption of phosphate on several types of mineral[D]. Hefei: MS Thesis of Hefei University of Technology, 2007.
    [23] 夏汉平, 高子勤. 磷酸盐在土壤中的竞争吸附与解吸机制[J]. 应用生态学报, 1993, 4(1): 89–93. Xia H P, Gao Z Q. Mechanisms of competitive adsorption and desorption of phosphate in soils[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1993, 4(1): 89–93. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.1993.01.001
    [24] 王琼, 展晓莹, 张淑香, 等. 长期不同施肥处理黑土磷的吸附–解吸特征及对土壤性质的响应[J]. 中国农业科学, 2019, 52(21): 3866–3877. Wang Q, Zhan X Y, Zhang S X, et al. The impact on soil phosphorus adsorption characteristics and leaching change-point under long-term fertilization[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(21): 3866–3877. doi:  10.3864/j.issn.0578-1752.2019.21.015
    [25] 戚瑞生, 党廷辉, 杨绍琼, 等. 长期定位施肥对土壤磷素吸持特性与淋失突变点影响的研究[J]. 土壤通报, 2012, 43(5): 1187–1194. Qi R S, Dang T H, Yang S Q, et al. The impact on soil phosphorus adsorption characteristics and leaching change-point under long-term fertilization[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2012, 43(5): 1187–1194.
    [26] 王艳玲, 何园球, 吴洪生, 等. 长期施肥下红壤磷素积累的环境风险分析[J]. 土壤学报, 2010, 47(5): 880–887. Wang Y L, He Y Q, Wu H S, et al. Environmental risk analysis of accumulated phosphorus in red soil under long-term fertilization[J]. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47(5): 880–887. doi:  10.11766/trxb200901090016
    [27] 王斌, 刘骅, 李耀辉, 等. 长期施肥条件下灰漠土磷的吸附与解吸特征[J]. 土壤学报, 2013, 50(4): 726–733. Wang B, Liu H, Li Y H, et al. Phosphorus adsorption and desorption characteristics of gray desert soil under long-term fertilization[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(4): 726–733.
    [28] 张海涛, 刘建玲, 廖文华, 等. 磷肥和有机肥对不同磷水平土壤磷吸附–解吸特性的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(2): 284–290. Zhang H T, Liu J L, Liao W H, et al. Effect of phosphate fertilizer and manure on properties of phosphorus sorption and desorption in soils with different phosphorus levels[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2008, 14(2): 284–290. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2008.02.013
    [29] Sun T Y, Deng L Z, Fei K, et al. Characteristics of phosphorus adsorption and desorption in erosive weathered granite area and effects of soil properties[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2020, 27(23): 28780–28793. doi:  10.1007/s11356–020–08867–1
    [30] Wandruszka R V. Phosphorus retention in calcareous soils and the effect of organic matter on its mobility[J]. Geochemical Transactions, 2006: 6.
    [31] 王艳玲. 吉林玉米带黑土磷素形态及吸附–解吸特性研究[D]. 长春: 吉林农业大学硕士学位论文, 2004.

    Wang Y L. Study on the forms of phosphorus and characteristics of adsorption-desorption of the corn belt phaeozem in Jilin[D]. Changchun: MS Thesis of Jilin Agricultural University, 2004.
    [32] 李悦. 不同有机质含量黑土磷吸附–解吸特性的影响研究[D]. 哈尔滨: 东北农业大学硕士学位论文, 2018.

    Li Y. Study on adsorption-desorption properties of different organic matter black soil phosphorus[D]. Harbin: MS Thesis of Northeast Agricultural University, 2018.
    [33] Siddique M T, Robinson J S. Phosphorus sorption and availability in soils amended with animal manures and sewage sludge[J]. Journal of Environmental Quality, 2003, 32: 1114–1121. doi:  10.2134/jeq2003.1114
    [34] 郭胜利, 党廷辉, 刘守赞, 等. 磷素吸附特性演变及其与土壤磷素形态、土壤有机碳含量的关系[J]. 植物营养与肥料学报, 2005, 11(1): 33–39. Guo S L, Dang T H, Liu S Z, et al. Changes in characterization of phosphorus sorption in relation to its forms and soil organic carbon[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2005, 11(1): 33–39. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2005.01.006
    [35] 赵庆雷, 吴修, 袁守江, 等. 长期有机物循环对红壤稻田土壤磷吸附和解吸特性的影响[J]. 草业学报, 2009, 42(1): 355–362. Zhao Q L, Wu X, Yuan S J, et al. Effects of organic nutrient recycling on phosphorus adsorption-desorption characteristics in a reddish paddy rice system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(1): 355–362.
    [36] 李运阳. 黑钙土无机磷的形态及吸附–解吸特性[D]. 长春: 吉林农业大学硕士学位论文, 2018.

    Li Y Y. Study on the availability and adsorption-desorption characteristics of inorganic phosphorus in calcareous soils in western Jilin Province[D]. Changchun: MS Thesis of Jilin Agricultural University, 2018.
    [37] Shi R Y, Liu Z D, Li Y, et al. Mechanisms for increasing soil resistance to acidification by long-term manure application[J]. Soil & Tillage, 2019, 185: 77–84.
    [38] 薛巧云. 农艺措施和环境条件对土壤磷素转化和淋失的影响及其机理研究[D]. 杭州: 浙江大学博士学位论文, 2013.

    Xue Q Y. Effects of agronomic measures and environmental factors on soil phosphorus transformation and loss and corresponding mechanism[D]. Hangzhou: PhD Dissertation of Zhejiang University, 2013.
    [39] 林诚, 王飞, 林新坚, 等. 长期施肥对南方黄泥田土壤磷吸附与解吸的影响[J]. 福建农业学报, 2011, 26(6): 1034–1038. Lin C, Wang F, Lin X J, et al. The effection of phosphorus adsorption and desorption of long-term fertilization on south yellow clayey soil[J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences, 2011, 26(6): 1034–1038. doi:  10.3969/j.issn.1008-0384.2011.06.023
    [40] 夏文建, 冀建华, 刘佳, 等. 长期不同施肥红壤磷素特征和流失风险研究[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(12): 1876–1886. Xia W J, Ji J H, Liu J, et al. Effect of long-term fertilization on soil phosphorus characteristics and loss risk of red soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1876–1886.
    [41] Schoumans O F, Groenendijk P. Modeling soil phosphorus levels and phosphorus leaching from agricultural land in the Netherlands[J]. Journal of Environmental Quality, 2000, 29(1): 111–116.
    [42] Chrysostome M, Nair V D, Harris W G, et al. Laboratory validation of soil phosphorus storage capacity predictions for use in risk assessment[J]. Soil Science Society of America Journal, 2007, 71(5): 1564–1569. doi:  10.2136/sssaj2006.0094
    [43] 刘方, 黄昌勇, 何腾兵, 等. 不同类型黄壤旱地的磷素流失及其影响因素分析[J]. 水土保持学报, 2001, 15(2): 37–40. Liu F, Huang C Y, He T B, et al. Phosphorus loss by runoff in various dryland from yellow soil and its affecting factors[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2001, 15(2): 37–40. doi:  10.3321/j.issn:1009-2242.2001.02.010
  • [1] 王义祥黄家庆叶菁李艳春林怡刘岑薇 . 生物炭对酸化茶园土壤性状和细菌群落结构的影响. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(11): 1967-1977. doi: 10.11674/zwyf.20237
    [2] 刘彦伶李渝白怡婧黄兴成张雅蓉张萌张文安蒋太明 . 长期不同施肥对水稻干物质和磷素积累与转运的影响. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(7): 1146-1156. doi: 10.11674/zwyf.18335
    [3] 彭启超刘小华罗培宇梁伟健刘宁杨劲峰韩晓日 . 不同原料生物炭对氮、磷、钾的吸附和解吸特性. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(10): 1763-1772. doi: 10.11674/zwyf.18406
    [4] 黄兴成李渝白怡婧张雅蓉刘彦伶张文安蒋太明 . 长期不同施肥下黄壤综合肥力演变及作物产量响应. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(6): 1484-1491. doi: 10.11674/zwyf.18174
    [5] 郭振王小利徐虎段建军张雅蓉李渝蒋太明 . 长期施用有机肥增加黄壤稻田土壤微生物量碳氮. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(5): 1168-1174. doi: 10.11674/zwyf.17039
    [6] 夏红霞朱启红 . 腐植酸吸附土壤Cr(Ⅵ)条件优化. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(6): 1448-1455. doi: 10.11674/zwyf.2010.0621
    [7] 王鹏曾玲玲王发鹏周建朝张维理李志宏 . 黄壤上烤烟氮素积累、分配及利用的研究. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(3): 677-682.
    [8] 夏海勇王凯荣* . 有机质含量对石灰性黄潮土和砂姜黑土磷吸附–解吸特性的影响 . 植物营养与肥料学报, 2009, 15(6): 1303-1310. doi: 10.11674/zwyf.2009.0609
    [9] 章明奎郑顺安王丽平 . 动物粪液中可溶性磷在土壤中的吸附和迁移特性研究. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(1): 99-105. doi: 10.11674/zwyf.2008.0116
    [10] 张桃红徐国明陈苗苗张桂银袁建华 . 几种铵盐对土壤吸附Cd2+和Zn2+的影响. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(3): 445-449. doi: 10.11674/zwyf.2008.0306
    [11] 张海涛刘建玲廖文华张作新郝小雨 . 磷肥和有机肥对不同磷水平土壤磷吸附-解吸的影响 . 植物营养与肥料学报, 2008, 14(2): 284-290. doi: 10.11674/zwyf.2008.0213
    [12] 夏文建梁国庆周卫汪洪王秀斌孙静文 . 长期施肥条件下石灰性潮土磷的吸附解吸特征. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(3): 431-438. doi: 10.11674/zwyf.2008.0304
    [13] 刘秀梅张夫道冯兆滨张树清何绪生王茹芳王玉军 . 风化煤腐殖酸对氮、磷、钾的吸附和解吸特性. 植物营养与肥料学报, 2005, 11(5): 641-646. doi: 10.11674/zwyf.2005.0512
    [14] 胡红青李学垣贺纪正 . 有机酸对铝氧化物吸附磷的影响. 植物营养与肥料学报, 2000, 6(1): 35-41. doi: 10.11674/zwyf.2000.0106
    [15] 程明芳金继运 . 我国北方主要土壤吸附外源钾的动力学. 植物营养与肥料学报, 1999, 5(3): 214-220. doi: 10.11674/zwyf.1999.0303
    [16] 吴巍张宽王秀芳孙淑荣王晓村胡会军 . 土壤有效钾的吸附特征与钾肥有效性的研究. 植物营养与肥料学报, 1998, 4(3): 271-276. doi: 10.11674/zwyf.1998.0311
    [17] 胡红青李学垣贺纪正 . 有机酸根与铝氧化物表面吸附磷的解吸. 植物营养与肥料学报, 1998, 4(3): 249-256. doi: 10.11674/zwyf.1998.0308
    [18] 陈同斌陈志军 . 土壤中溶解性有机质及其对污染物吸附和解吸行为的影响. 植物营养与肥料学报, 1998, 4(3): 201-210. doi: 10.11674/zwyf.1998.0301
    [19] 沈阿林崔转玲姚同山李学垣徐凤琳 . 几种土壤对氟的吸附和解吸. 植物营养与肥料学报, 1997, 3(1): 9-15. doi: 10.11674/zwyf.1997.0102
    [20] 张军董晓霞张漱茗闫华王月明江丽华刘兆辉 . 土壤速效养分的吸附特征与生物有效性. 植物营养与肥料学报, 1996, 2(2): 116-124. doi: 10.11674/zwyf.1996.0204
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-10
  • 网络出版日期:  2021-04-02
  • 刊出日期:  2021-03-25

长期不同施肥对黄壤磷素吸附–解吸特性的影响

    作者简介:刘彦伶E-mail:lyl890615@163.com
    通讯作者: 李渝, liyu83110@163.com
  • 1. 贵州省农业科学院土壤肥料研究所,贵州贵阳 550006
  • 2. 农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站,贵州贵阳 550006
  • 3. 贵州省农业科学院茶叶研究所,贵州贵阳 550006
  • 基金项目: 贵州省科学技术基金项目(黔科合基础﹝2018﹞1154);国家自然科学基金项目(32060302);贵州省农业科学院青年基金(黔农科院青年基金﹝2018﹞19号);省科技平台及人才团队计划(黔科合平台人才﹝2018﹞5604号);中央引导地方财政科技发展专项资金项目(黔科中引地﹝2019﹞4003号);贵州省科技支撑计划项目(黔科合支撑﹝2018﹞2340号)
  • 摘要:   【目的】  磷吸附–解吸特性对土壤磷素有效性和环境流失风险有重要影响。研究长期不同施肥对黄壤旱地磷吸附–解吸特性的影响,可为黄壤区合理施用磷肥提供理论依据。  【方法】  供试黄壤肥力长期定位试验位于贵阳,始于1995年。设有对照 (CK)、施氮钾肥 (NK)、施氮磷钾肥 (NPK)、单施有机肥 (M) 和有机肥化肥配施 (MNPK) 5个处理。采用恒温平衡方法,研究了磷最大吸附量 (Qm)、磷吸附常数 (K)、磷吸附自由能 (|ΔG|)、磷最大缓冲容量 (MBC)、磷吸附饱和度 (DPS)、磷固定量 (PI)、磷解吸率 (DR),不同施肥处理土壤对外源磷的吸附和解吸特征,并分析土壤磷吸附解吸特征参数与土壤理化性质之间的关系。  【结果】  M和MNPK处理显著降低了土壤中的黏粒含量,提高了有机质含量和pH,提高了土壤全磷和有效磷及微生物量磷含量;NK和NPK处理对土壤黏粒含量没有显著影响,但是降低了有机质和pH,NK处理降低了土壤的磷含量和有效性。Langmuir吸附等温线方程能很好地拟合土壤吸附磷和相应的平衡溶液磷浓度曲线 (R2为0.9532~0.9950,P < 0.01)。与CK相比,NK、NPK处理Qm分别显著增加了39.2%、40.9%,M处理Qm显著降低了20.0%,MNPK处理Qm无显著差异,说明施用化肥可增加土壤对磷素的吸附位点,而施用有机肥则减少了土壤对磷素的吸附位点,有机无机肥配施时则吸附位点无显著变化;各处理K、|ΔG|、MBC、PI表现为MNPK≤ M < CK < NPK < NK,DPS则表现为MNPK > M > NPK > CK > NK,DR均值表现为MNPK>M>CK>NPK>NK。当加入外源磷浓度 < 10 mg/L时,NK和NPK处理的磷固液比为85.8~100.3,CK为4.2~28.8,M和MNPK处理为2.5~7.7,说明当施用的外源磷浓度较低时,长期施用化肥处理中的磷大部分被土壤吸附,难以被作物利用,而长期施用有机肥处理中磷则大部分留存在液相中,有利于作物的吸收利用。相关分析表明,QmK、|ΔG|、MBC、PI等磷吸附特征参数与土壤黏粒含量、pH、有机质相关系数基本大于与土壤磷的相关系数,说明土壤黏粒含量、pH和有机质对土壤磷素吸附解吸特性的影响大于土壤磷素水平的影响。  【结论】  黄壤磷素吸附–解吸特性受磷肥性质的影响大于施磷量,长期施用有机肥可降低土壤对磷素的吸附,促进土壤磷素解吸,提高土壤磷素有效性,长期施用化肥效果则相反。长期有机无机肥配施可综合有机肥和化肥优势,在土壤磷浓度较低时,可降低土壤对磷的吸附,促进磷素解吸,提高土壤磷素的有效性;在土壤磷浓度较高时,可以降低土壤磷素解吸率,减小磷素环境流失风险,是黄壤旱地上最佳的施肥模式,但本研究中MNPK处理施磷量过高导致土壤磷素大量累积,磷素流失风险较大。

    English Abstract

    • 磷是土壤肥力的重要组成因子,是作物生长发育不可缺少的大量营养元素,同时也是湖泊水体富营养化的主要因子[1-2]。在农业生产中,施用磷肥是提高作物产量的有效措施,但由于磷素在土壤中具有固定性强和移动性弱的显著特点,作物对磷肥的利用率较低,当季利用率仅为10%~25%,导致大量磷素累积在土壤中,增加了磷素流失和水体富营养化的风险[3-4]。土壤对磷的吸附和解吸特性对土壤磷素的有效性和环境流失风险具有重要影响,如何降低土壤对磷的吸附固定,提高磷的活性及磷肥利用效率,减少磷素流失一直是土壤磷素研究领域的热点[5-7]。人们一般采用磷的等温吸附曲线来研究土壤对磷的吸附和解吸行为,比较不同土壤之间磷素养分的差异[8-9]。目前常用Langmuir方程对土壤磷素的等温吸附曲线进行拟合,并通过该方程获得许多反映土壤磷运移能力及评价农田磷环境风险的重要参数,如土壤对磷的最大吸附量 (Qm)、土壤与磷的结合能常数 (K)、土壤对磷的最大缓冲容量 (MBC)、土壤对磷的吸附饱和度 (DPS) 等[10-11]。研究表明,土壤黏粒组成、铁铝氧化物、有机质含量、磷素水平是影响土壤磷吸附和解吸行为的重要因素[12-14],且不同的施肥措施可以改变土壤理化性质进而改变土壤对磷的吸附解吸特性。大量研究认为,土壤中施入有机肥和磷肥可导致土壤对磷的吸附量减少,促进土壤磷的解吸,从而有利于植物对磷的吸收,提高了土壤磷素有效性,但同时也增加了磷随排水流失的风险[15-17]。也有学者得出了相反的研究结果,认为有机质含量提高可增加土壤对磷素的吸附[13]。可见,受土壤性质的影响,施肥对土壤磷素吸附解吸特性的影响并不一致。黄壤是西南地区主要的地带性土壤,贵州省的黄壤旱地面积占全省旱地总面积的46.2%,土壤有效磷含量低是黄壤最主要的肥力限制因子之一。前期研究表明,黄壤有效磷含量的高低主要受施磷量的影响,施用有机肥可提高磷素利用效率[18-20],但长期采用不同的施肥措施对黄壤磷素有何影响尚缺乏深入研究。本研究依托黄壤长期定位试验,研究揭示连续采用不同施肥模式22年后的黄壤旱地土壤对磷的吸附解吸特性,以期为黄壤地区磷肥的合理施用及农业面源污染防治提供参考。

      • 本研究依托农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站进行。试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内 (106°39′52′′E、26°29′49′′N),地处黔中丘陵区,属亚热带季风气候,平均海拔1071 m,年均气温15.3℃,年均日照1354 h左右,相对湿度75.5%,全年无霜期270 天左右,年降水量1100~1200 mm。试验地土壤为黄壤黄泥土土种,成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。该长期定位试验从1995年开始正式运行。试验初始年份土壤的基本理化性质为pH 6.7、有机质43.6 g/kg、全氮2.05 g/kg、全磷0.96 g/kg、全钾10.7 g/kg、碱解氮131 mg/kg、有效磷17.0 mg/kg、速效钾385 mg/kg。种植制度为玉米—冬闲 (冬季翻耕炕田)。

      • 采用大区对比试验设计,小区面积340 m2。本研究选取其中5个处理:不施肥 (CK)、施氮钾肥 (NK)、施氮磷钾化肥 (NPK)、单施有机肥 (M) 和有机无机肥配施 (MNPK)。供试化肥为尿素 (N 46.0%)、过磷酸钙 (P2O5 12.0%) 和氯化钾 (K2O 60%),有机肥为牛厩肥 (N 2.7 g/kg、P2O5 1.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg,鲜基)。各处理施肥量及1995—2016 年玉米籽粒平均产量见表1。氮肥按幼苗肥∶大喇叭口肥为40%∶60%分两次追施,有机肥和磷钾肥作基肥一次施用。

        表 1  各施肥处理养分投入总量及1995—2016年玉米平均产量

        Table 1.  Total nutrient input and the average yield of maize during 1995–2016 in each treatment

        处理
        Treatment
        鲜牛厩肥 (t/hm2)
        Cow manure
        总氮量 (kg/hm2)
        Total N
        总磷量 (kg/hm2)
        Total P2O5
        总钾量 (kg/hm2)
        Total K2O
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        CK 00003240
        NK 0165.0082.55426
        NPK 0165.082.582.56516
        M 61.1165.079.4366.65518
        MNPK61.1330.0161.9449.17174
      • 将试验地沿长边三等分,设置3个调查取样重复小区。玉米收获后采用梅花形5点取样法采集0—20 cm土层土样,将采集的土样除去动、植物残体,风干后,参考鲁如坤《土壤农化分析》[21],用比重计法测定土壤黏粒 (粒径< 0.002 mm)含量,用pH计测定pH (土水比1∶5),采用重铬酸钾外加热法测定有机质含量,硫酸高氯酸消煮—钼锑抗比色法测定全磷含量,碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定有效磷 (Olsen-P) 含量,灼烧—钼锑抗比色法测定有机磷含量,氯仿熏蒸法测定微生物量磷含量。

      • 称取过0.85 mm筛孔的风干土样1.00 g于50 mL离心管中,共11份,分别加入20 mL 磷浓度为0、3、5、7、9、12、18、24、30、40、50 mg/L的工作溶液[用Ca (H2PO4)2·H2O 配制],每管加入3滴甲苯抑制微生物活动,加塞置于25℃下恒温振荡24 h (振速180 r/min),平衡后离心10 min (4000 r/min),吸取上清液测定磷浓度,溶液中磷的测定方法采用钼锑抗比色法,计算土壤吸磷量及吸附参数。

      • 吸附试验结束后,用饱和NaCl溶液20 mL清洗土样中游离的塑料管壁残留的磷酸盐各2次,加入20 mL CaCl2溶液 (0.01 mol/L),25℃下恒温震荡24 h (振速180 r/min),平衡后离心10 min (4000 r/min),取上清液测定溶液中磷浓度,计算磷解吸量。

      • 称取过0.85 mm筛孔的风干土样1.00 g于50 mL离心管中,加入P浓度为20 mg/L磷溶液 [用Ca (H2PO4)2·H2O配制]20 mL,振荡2 h,离心过滤后用钼锑抗比色法测定磷溶液浓度,计算土壤磷固定量。

      • 1) Langmuir方程:C/Q = 1/ (K × Qm) + C/Qm

        式中:C为平衡溶液中的磷浓度 (mg/L);Q为土壤磷的吸附量 (mg/kg);Qm为磷最大吸附量 (mg/kg);K为吸附亲和力常数。根据Langmuir方程计算以下参数。

        2) 吸附自由能|ΔG| (kJ/mol) = -5.7 log (K × 31000);

        3) 土壤磷最大缓冲容量 (MBC, mg/kg) = K × Qm

        4) 磷吸附饱和度 (DPS, %) = Olsen-P/Qm × 100;

        5) 磷解吸率 (DR, %) = 土壤解吸磷含量 (mg/kg)/土壤磷的吸附量 (mg/kg) × 100。

      • 试验数据采用Excel 2010软件进行计算处理和作图,利用SPASS 20.0软件进行统计分析,用Duncan新复极差法进行差异显著性分析,显著性水平设定为α = 0.05。

      • 长期施肥可显著改变土壤理化性质 (表2)。与CK相比,M和MNPK处理的土壤黏粒含量分别显著降低了19.2%和22.7%,pH提高了0.44和0.27,有机质含量提高了11.8%和22.0%;NK、NPK处理的土壤黏粒含量没有显著变化,有机质含量分别降低了21.6%、24.3%,NK处理的pH显著下降了0.88个单位。施磷肥 (NPK处理) 和厩肥 (M处理) 均显著增加土壤全磷、有效磷和微生物量磷含量,两个处理的全磷和有效磷含量没有显著差异,但M处理的土壤微生物量磷 (MBP) 含量比NPK处理显著提高了84.1%。同时使用化肥和有机肥处理 (MNPK) 由于磷总投入量增加了一倍,其提高土壤全磷、有效磷和微生物量磷的作用显著高于其他处理。可见,土壤黏粒含量、pH、有机质含量受磷素来源的影响,而土壤磷含量则主要受施磷量的影响。

        表 2  长期不同施肥处理对黄壤理化性质的影响

        Table 2.  Soil physical and chemical properties under different long-term fertilization

        处理
        Treatment
        黏粒含量 (%)
        Clay (size < 0.002 mm)
        pH
        有机质 (g/kg)
        Organic matter
        全磷 (g/kg)
        Total P
        有效磷 (mg/kg)
        Olsen-P
        微生物量磷 (mg/kg)
        Microbial biomass P
        CK 44.9 a6.74 b47.3 b0.71 c9.9 c3.0 d
        NK 49.5 a5.86 c35.8 c0.68 c9.4 c4.5 d
        NPK 45.9 a6.45 b37.1 c0.93 b31.6 b6.3 c
        M 34.7 b7.18 a57.7 a0.92 b31.3 b11.6 b
        MNPK36.3 b7.01 a52.9 a1.35 a51.0 a21.4 a
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different small letters in the same column represent significant difference among treatments at the 0.05 level.
      • 不同处理黄壤对磷的等温吸附曲线形状不同 (图1)。NK和NPK处理的等温吸附曲线较陡、斜率较大,磷吸附量在外源磷浓度极低时急剧增加,之后增幅虽减缓,但一直保持几近线性增加趋势,在本试验添加的磷最大浓度时,土壤对磷的吸附仍未达饱和;CK处理的等温吸附曲线第一阶段对磷的吸附作用也较强,随后明显地减弱,但一直呈现增加的趋势。M和MNPK处理的等温吸附曲线转折过程较平缓,土壤磷吸附量随外源磷浓度的增加而缓慢增加,在本试验添加的最大磷浓度时,土壤对磷的吸附基本已达饱和。

        图  1  不同施肥处理土壤对磷的等温吸附曲线

        Figure 1.  Curve of soil-phosphate isothermal adsorption under different long-term fertilization

      • 采用Langmuir方程拟合不同施肥处理磷等温吸附的动态变化趋势 (表3),5个处理方程的决定系数R2在0.9532~0.9950,均达极显著水平 (P < 0.01)。土壤磷最大吸附量 (Qm) 反映着土壤胶体吸附点位的多少,是影响土壤磷吸附容量的因素。各处理的Qm为375.1~660.8 mg/kg,与CK相比,NK和NPK处理的Qm分别提高了39.2%和40.9%,M处理降低了20.0%,MNPK处理的变化不显著。可见,施用化肥可增加土壤对磷素的吸附位点,而施用有机肥则减少了土壤对磷素的吸附位点,有机无机肥配施时则吸附位点变化不大。

        表 3  不同施肥处理土壤磷Langmuir拟合方程与吸附特性参数

        Table 3.  Langmuir equations of P adsorption and parameter values under different long-term fertilization

        处理
        Treatment
        Langmuir 方程
        Langmuir function
        R2Qm
        (mg/kg)
        KG|
        (kJ/mol)
        MBC
        (mg/kg)
        DPS
        (%)
        PI
        (mg/kg)
        CK C/Q = 0.0021C + 0.00510.9748**469.0 b0.409 c23.4 c191.5 c2.11 d89.5 b
        NK C/Q = 0.0015C + 0.00120.9656**652.8 a1.361 a26.4 a888.9 a1.44 d120.8 a
        NPK C/Q = 0.0015C + 0.00180.9532**660.8 a0.944 b25.4 b636.4 b4.81 c113.0 a
        M C/Q = 0.0027C + 0.00950.9950**375.1 c0.283 cd22.4 d106.0 c8.36 b75.0 c
        MNPKC/Q = 0.0022C + 0.01190.9882**456.5 bc0.178 d21.3 e81.6 c11.20 a67.5 c
        注(Note):Qm—磷最大吸附量 Maximum P adsorption capacity;K—磷吸附亲和力常数 P adsorptoon constant;|ΔG|—磷吸附自由能 P adsorptoon free energy;MBC—土壤磷最大缓冲容量 Buffering capacity of soil P;DPS—磷吸附饱和度 P saturation degree;PI—磷固定量 P immobilization amount. 同列数据后不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平 Values followed by different small letters in the same column represent signigicant difference among treatments at the 0.05 level. **— P < 0.01.

        吸附亲和力常数 (K值) 表示土壤胶体对磷酸根离子的亲和力高低,是土壤吸附磷的强度因素,在一定程度上反映了土壤吸附磷的能级。各处理的K值位于0.178~1.361。与CK处理相比,NK和NPK处理的K值分别显著增加了242.7%和130.8%,而M和MNPK处理的K值则分别下降了30.8%和56.5%。各处理土壤对磷的吸附自由能|ΔG|位于21.3~26.4 kJ/mol。一般来说,物理吸附的自由能变幅小于化学吸附,物理吸附在–20~0 kJ/mol范围内,而化学吸附在–400~–80 kJ/mol[22],表明长期不施肥和单施化肥处理的土壤对磷的吸附是物理吸附和化学吸附并存的过程,而长期施用有机肥的处理基本表现为物理吸附。K值和|ΔG|的下降意味着土壤与被吸附磷之间的结合能下降,即被吸附磷具有更大的有效性。

        QmK的乘积代表土壤磷最大缓冲能力 (MBC),是判断土壤供磷特性的一项综合参数,同时反映了土壤吸磷的强度因素 (K) 和容量因素 (Qm)。由表3可知,与CK处理相比,NK和NPK处理MBC含量分别显著提高了364.2%和232.3%,而M和MNPK处理则分别降低了44.6%和57.4%,但差异不显著。

        土壤对磷的吸附饱和度 (DPS) 能够综合反映土壤的磷素含量水平和土壤对磷的吸附特征,一般认为,DPS增加,土壤对磷的吸附能力减少,因为它含有更高的溶解态磷。各处理DPS处于1.44%~11.20%,具体为MNPK处理 > M处理 > NPK处理 > CK > NK处理。

        磷的固定量 (PI) 指从溶液中被土壤移走的磷,土壤对磷的固定量越大,土壤中磷的有效性就越低。各处理PI为67.5~120.8 mg/kg,具体为NK处理 > NPK处理 > CK > M处理 > MNPK处理。

      • 加入外源磷浓度 < 10 mg/L时,NK和NPK处理的磷固液相比为85.8~100.3,CK为4.2~28.8,M和MNPK为2.5~7.7。随外源磷的增加,5个处理磷土壤固液相比随之变小,但不同处理达到最低点 (平衡点) 的比例值不同 (图2)。NK和NPK处理的磷固液相比由起始的100和60左右下降至4左右,然后基本保持稳定,下降幅度达15~25倍;CK处理从30左右下降至2左右后基本稳定;而MNPK和M处理在起始时就接近“平衡点”,所以没有明显的下降阶段。表明长期施用化肥处理的土壤中,施用的外源磷浓度较低时,大部分被土壤吸附,难以被作物利用,而长期施用有机肥的土壤,即使外源磷浓度较低,也有大部分留存在液相中,有利于作物的吸收利用。

        图  2  不同施肥处理土壤外源磷的固液相分配比随其加入浓度的变化

        Figure 2.  Dynamics of distribution ratio of exogenous P in solid and liquid phase with the increased adding concentration as affected by different long-term fertilization

      • 各处理磷解吸曲线基本呈“J型”,在磷浓度较低时土壤对磷以高能吸附为主,吸附较牢固,磷解吸量较低,曲线平直;随着磷浓度的增加,高能吸附位点被饱和,磷的吸附转向低能吸附,磷的解吸量增加,曲线变陡 (图3)。M和MNPK处理的曲线位于CK处理的上方,NK和NPK处理的曲线位于CK处理的下方,以NK处理的曲线位置最低,说明长期施用有机肥可提高土壤磷解吸量,降低土壤对磷的吸附,而长期单施化肥尤其是不施磷肥的土壤则降低了土壤对磷的解吸能力。

        图  3  不同施肥处理土壤吸附磷的等温解吸曲线

        Figure 3.  Curve of soil-phosphate isothermal desorption under different long-term fertilization

        各处理土壤对磷的最大解吸率位于4.2%~10.7%之间 (表4)。在外源磷浓度 < 10 mg/L时,随外源磷浓度的增加MNPK和NPK处理对磷的解吸率有一个下降过程,M、CK、NK处理则基本不变。当外源磷浓度 > 10 mg/L时,MNPK处理解吸率基本稳定,其他处理则随外源磷浓度增加不断增加。这个结果意味着低磷浓度时,长期不施肥或单施化肥处理土壤的磷解吸率较低,易造成作物缺磷,而在高磷浓度时,土壤又具有较高的解吸率,不利于土壤对磷的保蓄;而有机无机肥配施处理的土壤在较低磷浓度下具有较高的解吸率,在高磷浓度下又具有较低的解吸率,具有调节土壤磷的保持和供应的功能。

        表 4  不同施肥处理土壤的磷解吸率 (%)

        Table 4.  Desorption rate (DR) of soil P as affected bydifferent long-term fertilization

        加入磷浓度 (mg/L)
        P addition concentration
        CKNKNPKMMNPK
        32.31.03.45.010.7
        51.71.02.24.98.6
        72.30.71.75.27.8
        92.00.61.44.87.1
        122.91.01.95.96.8
        183.21.52.36.26.7
        243.91.82.66.77.1
        304.52.13.07.76.8
        405.12.73.58.37.3
        506.24.25.08.97.5
        平均 Average3.41.72.76.47.6
      • 相关分析结果 (表5) 表明,土壤黏粒含量与QmK、|ΔG|、MBC、PI均呈极显著正相关,与DPS和DR呈极显著负相关,土壤pH和有机质与QmK、|ΔG|、MBC、PI均呈极显著负相关,与DPS和DR则呈显著或极显著正相关;土壤磷素养分与Qm和MBC之间相关性基本不显著,与K、|ΔG|、PI呈显著或极显著负相关,与DPS和DR呈显著或极显著正相关。除DPS外,其他吸附特征参数与土壤黏粒含量、pH和有机质的相关系数基本都高于其与土壤磷素的相关系数。可见,土壤黏粒含量、pH和有机质对土壤磷素吸附–解吸特性的影响较土壤磷素水平大。

        表 5  土壤磷素吸附解吸特性与土壤理化性质的关系

        Table 5.  The correlation coefficients of soil adsorption and desorption characteristics with soil physical and chemical properties

        项目 ItemQmKG|MBCDPSDRPI
        黏粒含量 Clay content0.736**0.786**0.844**0.753**–0.772**–0.908**0.861**
        pH –0.750**–0.855**–0.720**–0.855**0.760**0.743**–0.865**
        有机质 Organic matter–0.777**–0.775**–0.780**–0.763**0.631*0.709**–0.838**
        全磷 Total P–0.320–0.575*–0.676**–0.5100.902**0.720**–0.641*
        有效磷 Olsen-P–0.291–0.537*–0.635*–0.4630.940**0.703**–0.592*
        微生物量磷 MBP–0.463–0.617*–0.759**–0.568*0.936**0.808**–0.725**
        注(Note): MBP—微生物量磷 Microbial biomass P;Qm —磷最大吸附量 Maximum P adsorption capacity;K—磷吸附亲和力常数 P adsorptoon constant;|ΔG|—磷吸附自由能 P adsorptoon free energy;MBC—土壤磷最大缓冲容量 Buffering capacity of soil P;DPS—磷吸附饱和度 P saturation degree;DR—磷解吸率 P desorption rate;PI—磷固定量 P immobilization amount. *— P < 0.05; **— P < 0.01.
      • 土壤磷素总是处于吸附和解吸的动态平衡中,以维持植物对磷素的需求[23]。本研究中,与长期不施肥相比,长期施用化肥增加了土壤磷素吸附位点和吸附结合能,使土壤对磷的吸附能力增强,土壤磷素的解吸能力降低,而长期施用有机肥则降低了土壤磷素吸附位点和吸附结合能,增强了磷素解吸能力,提高土壤磷素的活性。长期单施化肥处理中,增施磷肥可在一定程度上降低土壤对磷素的吸附能力,但同等有机肥用量下,增施化学磷肥反而增加了土壤对磷素的吸附能力,可见,施肥结构对黄壤磷素吸附和解吸特性的影响大于施磷量的影响。上述结果与黑土[24]、黑垆土[25]、红壤[26]、灰漠土[27]等土壤上的研究结果有相似的地方,但也有不同的地方。相似之处为施用有机肥均可降低土壤对磷的吸附,提高土壤磷的解吸能力;不同之处为黄壤外的其他土壤类型中增施化学磷肥仍可降低土壤对磷素的吸附能力,促进土壤磷素的解吸。

        土壤黏粒组成、有机质含量、磷素水平是影响土壤磷吸附和解吸行为的重要因素[28-29]。本研究相关分析表明,土壤黏粒含量、pH、有机质及土壤磷素等土壤理化性质对土壤磷素吸附解吸特性有显著影响,其中土壤有机质、黏粒含量及pH对土壤磷素吸附解吸特性的影响较土壤磷素水平大,与王琼等[24]在黑土上的研究结果一致。土壤黏粒含量越低,其对磷的吸附能力越弱,原因是土壤黏粒含量的降低可减少土壤对磷素的吸附位点,减少土壤对磷的吸附量和降低土壤对磷的吸附结合能,导致被土壤吸附的磷更容易解吸。关于土壤有机质对土壤磷吸附解吸特性的影响,大多研究认为土壤有机质含量越高,对磷素的吸附能力越弱,解吸能力越强。其主要原因为:一方面,土壤有机质增加可减少土壤磷素吸附位点 (有机物质会占据土壤对磷的吸附位点或土壤粘粒被有机物覆盖减少了土壤矿物胶体对磷的吸附)[30];另一方面,土壤有机质具有较明显的凝胶特性,能有效降低土壤矿物胶体对磷的物理化学吸附潜能,使得吸附在土壤表面的磷更容易被解吸回到土壤溶液中[31]。但也有研究认为土壤有机质含量越高,土壤对磷的吸附能力越强[32],其原因是有机质含量增加使土壤中无定性铁铝氧化物增多,可增强土壤对磷的吸附能力。土壤磷素水平对土壤磷吸附解吸特性的影响机制,主要是土壤有效磷增加可提高土壤对磷的吸附饱和度,降低土壤对磷的固定率,促进其解吸[33-35]。本研究中土壤pH对土壤磷素吸附解吸特性影响较大,原因之一是长期不同施肥处理对土壤有机质含量和pH的影响规律是一致的,pH越高的处理有机质含量也越高。此外土壤pH改变可影响土壤中交换性铝含量[36-37],也会对土壤磷素的吸附特性产生影响,因而关于pH对黄壤磷吸附解吸特性的影响机理有待进一步深入研究。

        可见,长期不同施肥通过改变土壤理化性质而影响土壤对磷的吸附解吸特性。本研究中长期施用有机肥显著提高了土壤有机质含量和pH,降低了土壤黏粒含量,进而降低了土壤对磷素的吸附能力,促进土壤磷素的解吸;长期施用化肥则降低了土壤有机质含量和pH,增加了土壤黏粒含量,进而增强了土壤对磷的吸附能力;长期施用磷肥处理可提高土壤磷素养分水平,进而促进了土壤磷素的解吸。可见,本试验中长期不同施肥处理土壤磷素吸附解吸特性的改变是土壤磷水平与有机质、pH、黏粒含量等其他因素共同作用的结果。

      • 土壤对磷素吸附能力降低、解吸能力增加、提高土壤磷素活性的同时,也增加了土壤磷素流失的风险,土壤磷素积累造成环境风险增加的实质是进入径流 (或渗漏水) 的面源磷数量增大[38]。在外源磷浓度较低时,土壤有机质含量高有利于磷在液相中的分布,而在外源磷浓度高时,进入液相的磷的比例与不施肥或施用化肥处理土壤的情况相当。对有机无机肥配施处理的土壤来说,随外源磷浓度增加,磷的解吸率不断降低至基本稳定,与黄泥田[39]、石灰性潮土[9]、红壤[40]上的研究结果一致。可见,受有机肥和化肥的共同影响,在低磷条件下土壤主要表现出“源”功能,在高磷条件下又会表现出“汇”的功能,从而可较好的满足作物对磷素的需求,同时降低环境风险,是黄壤上较佳的施肥模式。

        DPS常被视作磷的土壤环境容量,用以评估土壤的固磷能力及磷随径流或被淋溶流失的风险。荷兰国家环保局[41]认为,当DPS达到25%时土壤磷素很容易流失。王艳玲等[26]研究认为,当DPS > 8%时红壤中的磷开始威胁环境安全。戚瑞生等[25]和Chrysostome等[42]则将DPS 15%作为土壤磷素流失的临界值。本课题组前期研究表明,黄壤旱地有效磷农学阈值为22.4 mg/kg[20],刘方等[43]研究认为,黄壤旱地磷素的流失临界值为有效磷40.0 mg/kg、DPS 15%。本研究中各处理DPS在1.44%~11.20%,均未达15%水平,但MNPK处理的土壤有效磷高达51.0 mg/kg,是农学阈值的2.3倍,已具有较高的流失风险,故认为本研究的土壤DPS达10%左右时,土壤磷素存在极高的流失风险。DPS受土壤有效磷和Qm共同影响,而土壤有效磷主要受磷肥施用量的影响,Qm主要受施肥结构的影响,因此在合理的磷肥用量下,调节有机无机肥配施比例,可使土壤既保持充足的磷素供应,又不超过环境风险临界值。在低磷黄壤上,应适当增加磷肥用量和有机肥施用比例,提高土壤磷素活性,增加土壤供磷能力;在适宜磷水平土壤上,可适当提高有机肥比例并减少磷肥用量,以提高磷肥利用效率的同时降低环境风险;在极高磷土壤上,应立即停止有机肥的施用,不施磷肥或少量施用化学磷肥,待土壤有效磷降低至适宜水平后,再重新施用磷肥。

      • 长期施肥条件下,肥料结构对土壤磷吸附解吸特性的影响较施磷量大。长期有机无机肥配施的土壤,其对磷的吸附和解吸能力受有机肥和化肥的共同影响,在土壤磷浓度较低时具有较高的解吸率,土壤磷素进入液相的比例大幅提高,可发挥“源”的功能;而随着磷浓度的上升,其对磷的解吸率有降低的趋势,使磷素进入液相的比例减少,发挥“汇”功能,从而较好地协调磷素供应,在提高磷素有效性的同时减少对水环境的污染风险,是黄壤旱地较佳的施肥模式。

    参考文献 (43)

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