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不同形态磷酸盐及施用方式对石灰性土壤磷移动性和有效性的影响

亢龙飞 王静 朱丽娜 褚贵新

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不同形态磷酸盐及施用方式对石灰性土壤磷移动性和有效性的影响

    作者简介: 亢龙飞 E-mail: kanglongfeishzu@163.com;
    通讯作者: 褚贵新, E-mail:chuguixinshzu@163.com
  • 基金项目: 兵团师域发展创新支持计划项目(2017BA041);深圳芭田生态股份有限公司横向课题。

Mobility and availability of phosphate under different phosphate sources and application methods in calcareous soils

    Corresponding author: CHU Gui-xin, E-mail:chuguixinshzu@163.com
  • 摘要:   【目的】  磷的固定是石灰性土壤中磷肥效益低的重要原因,研究两种施肥方式下不同形态磷源在石灰性土壤中的迁移以及有效性,为实现磷肥减施增效提供理论基础。  【方法】  采用土柱模拟试验方法进行研究,供试土壤为粘质和壤质石灰性土壤。供试磷酸盐为磷酸脲、焦磷酸和聚磷酸,壤土施磷量为0.0581 g/柱,粘土为0.0594 g/柱。施用方式包括一次施用和分4次滴施,同时以不施用磷酸盐土柱为对照。于地下室内 (27 ± 1.0)℃培养28天后将土柱在‒80℃条件下快速冷冻固形,从土表向下0—100 mm内每隔5 mm作为一个切割单元,100—300 mm间每隔20 mm作为一个切割单元,测定每层土壤的水溶性磷和Olsen-P含量。  【结果】  培养28天后,一次施用条件下,磷在壤土中的移动距离表现为聚磷酸 (90 mm) > 焦磷酸 (60 mm) > 磷酸脲 (50 mm),粘土中表现为聚磷酸 (80 mm) > 焦磷酸 (70 mm) > 磷酸脲 (60 mm)。分次滴施条件下,聚磷酸 (95 mm) 在壤土中的移动距离比磷酸脲 (65 mm) 和焦磷酸 (70 mm) 分别增加46.2%和35.7%,在粘土中聚磷酸 (90 mm) 的移动距离较磷酸脲 (70 mm) 和焦磷酸 (75 mm) 分别增加28.6%和20.0%。磷浓度下降到一半时所达到土柱深度 (半运移深度) 的结果表明,在壤土一次施用条件下,半运移深度表现为聚磷酸 (15.1 mm) > 焦磷酸 (11.4 mm) > 磷酸脲 (10.5 mm),分次滴施条件下半运移深度为聚磷酸 (20.0 mm) > 焦磷酸 (14.4 mm) > 磷酸脲 (14.3 mm)。在粘土一次施用条件下,半运移深度为聚磷酸 (17.7 mm) > 焦磷酸 (15.8 mm) > 磷酸脲 (14.8 mm),分次滴施条件下,聚磷酸、焦磷酸和磷酸脲的半运移深度依次为51.3、27.1和41.4 mm。相关性分析结果表明,不论一次施用还是分次滴施,聚磷酸和焦磷酸处理均随着水溶性磷含量的增加,有效磷含量在粘土上的增加量大于在壤土上的,分次滴施聚磷酸较一次施用在同样水溶性磷含量下,有效磷的含量在粘土和壤土中的差距减小,焦磷酸处理中水溶性磷与有效磷在两种土壤上较为接近。磷酸脲一次施用后,有效磷在粘土中随水溶性磷的变化量大于在壤土中,分次滴施结果则相反。  【结论】  在质地为壤土和粘土的石灰性土壤中,不论是一次性施用还是分次滴施,磷的移动性均表现为聚磷酸 > 焦磷酸 > 磷酸脲,且分次滴施3种磷源时磷的移动性和有效性均显著高于一次施用。同样水溶性磷含量条件下,粘土中磷的有效性高于壤土,分次滴施提高土壤磷素有效性的效果表现为粘土优于壤土。
  • 图 1  土柱结构示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of the soil column structure

    图 2  施用不同磷源28天后土柱不同深度水溶性磷含量

    Figure 2.  Water-P content in different depths of soil column under different P sources and application methods

    图 3  不同土层深度有效磷和水溶性磷的相关分析 (n = 57)

    Figure 3.  Correlations between soil Olsen-P and water-P in different soil depths (n=57)

    表 1  不同磷源在土柱中垂直运移的拟合方程

    Table 1.  Simulation equations of vertical movement of different P sources in soil column

    土壤质地
    Soil texture
    施肥方式
    Application method
    磷源
    P source
    方程
    Equation
    K
    (mm–1)
    半运移深度(mm)
    Half-depth
    R2

    壤土Loamy soil
    一次施用
    Single application
    P1 y = 120.27e–0.066x + 11.73 0.066 a 10.50 e 0.87
    P2 y = 192.85e–0.061x + 10.25 0.061 a 11.36 e 0.95
    P3 y = 340.79e–0.046x + 9.00 0.046 c 15.06 e 0.98
    分次滴施
    Repeated application
    P1 y = 106.14e–0.049x + 11.96 0.049 bc 14.29 e 0.98
    P2 y = 220.79e–0.048x + 13.11 0.048 b 14.38 e 0.98
    P3 y = 466.68e–0.035x – 1.48 0.035 e 19.96 d 0.97

    粘土Clayey soil
    一次施用
    Single application
    P1 y = 90.35e–0.047x + 12.05 0.046 bc 14.81 e 0.93
    P2 y = 133.77e–0.044x + 11.73 0.044 cd 15.79 e 0.97
    P3 y = 181.36e–0.039x + 8.44 0.039 de 17.73 de 0.96
    分次滴施
    Repeated application
    P1 y = 96.72e–0.017x – 7.56 0.017 g 41.38 b 0.90
    P2 y = 176.22e–0.026x – 7.02 0.026 f 27.06 c 0.92
    P3 y = 333.77e–0.014x – 80.77 0.014 g 51.29 a 0.96
    注(Note): P1—磷酸脲 Urea phosphate (CH4N2O·H3PO4); P2—焦磷酸 Pyrophosphate (H4P2O7); P3—聚磷酸 Polyphosphate (H6P4O13); K 代表每下降 1 mm 土壤中 Water-P 含量的降低值 K represents the decrease value in Water-P content with every mm deeper in soil column; 半运移深度表示 Water-P 含量降低一半需要下降的土柱深度 Half-depth is defined as the downward distance where the Water-P content is half decreased; 同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-28
  • 网络出版日期:  2020-08-26
  • 刊出日期:  2020-07-31

不同形态磷酸盐及施用方式对石灰性土壤磷移动性和有效性的影响

    作者简介:亢龙飞 E-mail: kanglongfeishzu@163.com
    通讯作者: 褚贵新, chuguixinshzu@163.com
  • 1. 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室/石河子大学农学院,新疆石河子 832000
  • 2. 绍兴文理学院环境科学与工程系,浙江绍兴 312000
  • 基金项目: 兵团师域发展创新支持计划项目(2017BA041);深圳芭田生态股份有限公司横向课题。
  • 摘要:   【目的】  磷的固定是石灰性土壤中磷肥效益低的重要原因,研究两种施肥方式下不同形态磷源在石灰性土壤中的迁移以及有效性,为实现磷肥减施增效提供理论基础。  【方法】  采用土柱模拟试验方法进行研究,供试土壤为粘质和壤质石灰性土壤。供试磷酸盐为磷酸脲、焦磷酸和聚磷酸,壤土施磷量为0.0581 g/柱,粘土为0.0594 g/柱。施用方式包括一次施用和分4次滴施,同时以不施用磷酸盐土柱为对照。于地下室内 (27 ± 1.0)℃培养28天后将土柱在‒80℃条件下快速冷冻固形,从土表向下0—100 mm内每隔5 mm作为一个切割单元,100—300 mm间每隔20 mm作为一个切割单元,测定每层土壤的水溶性磷和Olsen-P含量。  【结果】  培养28天后,一次施用条件下,磷在壤土中的移动距离表现为聚磷酸 (90 mm) > 焦磷酸 (60 mm) > 磷酸脲 (50 mm),粘土中表现为聚磷酸 (80 mm) > 焦磷酸 (70 mm) > 磷酸脲 (60 mm)。分次滴施条件下,聚磷酸 (95 mm) 在壤土中的移动距离比磷酸脲 (65 mm) 和焦磷酸 (70 mm) 分别增加46.2%和35.7%,在粘土中聚磷酸 (90 mm) 的移动距离较磷酸脲 (70 mm) 和焦磷酸 (75 mm) 分别增加28.6%和20.0%。磷浓度下降到一半时所达到土柱深度 (半运移深度) 的结果表明,在壤土一次施用条件下,半运移深度表现为聚磷酸 (15.1 mm) > 焦磷酸 (11.4 mm) > 磷酸脲 (10.5 mm),分次滴施条件下半运移深度为聚磷酸 (20.0 mm) > 焦磷酸 (14.4 mm) > 磷酸脲 (14.3 mm)。在粘土一次施用条件下,半运移深度为聚磷酸 (17.7 mm) > 焦磷酸 (15.8 mm) > 磷酸脲 (14.8 mm),分次滴施条件下,聚磷酸、焦磷酸和磷酸脲的半运移深度依次为51.3、27.1和41.4 mm。相关性分析结果表明,不论一次施用还是分次滴施,聚磷酸和焦磷酸处理均随着水溶性磷含量的增加,有效磷含量在粘土上的增加量大于在壤土上的,分次滴施聚磷酸较一次施用在同样水溶性磷含量下,有效磷的含量在粘土和壤土中的差距减小,焦磷酸处理中水溶性磷与有效磷在两种土壤上较为接近。磷酸脲一次施用后,有效磷在粘土中随水溶性磷的变化量大于在壤土中,分次滴施结果则相反。  【结论】  在质地为壤土和粘土的石灰性土壤中,不论是一次性施用还是分次滴施,磷的移动性均表现为聚磷酸 > 焦磷酸 > 磷酸脲,且分次滴施3种磷源时磷的移动性和有效性均显著高于一次施用。同样水溶性磷含量条件下,粘土中磷的有效性高于壤土,分次滴施提高土壤磷素有效性的效果表现为粘土优于壤土。

    English Abstract

    • 磷肥作为世界上最早应用的化学肥料,在培肥地力、改善作物磷素营养、提高产量等方面起着重要作用。随着磷肥在农业生产中大量施用,我国磷肥用量从2000年的1.58 × 103万t (折P2O5) 增至2017年的1.83 × 103万t[1]。然而,正磷酸盐为主要成分的磷施入土壤后极易与土壤中Al3+、Fe3+、Ca2+等离子产生化学沉淀或被土壤吸附固定[2-4],致使磷在土壤中移动性差,不易被作物根系吸收[4]。研究表明,磷在土壤中的移动以扩散为主,其移动距离仅为3~5 cm[5]。增加磷在土壤中的移动性,减少土壤对磷的固定是磷肥减量增效的突破口。

      传统理论认为,磷肥一次施用可以减少磷肥与土壤的接触,降低磷的无效固定[6]。近年的研究发现,磷肥分次施用不仅可显著提高磷的有效性,而且能降低土壤对磷的固定,更好地满足生长期作物对磷的需求[7-8],采用肥水灌溉技术的效果尤为明显。石灰性土壤磷肥利用率较低的原因很大程度上可归结为集中施磷处理的活性磷/非活性 (难溶性) 磷值低[7]。而磷肥一次施用后,土壤磷的起始浓度较高,且磷酸盐易与土壤中Ca2+产生沉淀。分次施磷,磷酸盐固定以土壤粘粒吸附为主[9],且土壤磷起始浓度较低,可增加土壤中磷的空间有效性[10]。已有研究表明,被粘粒吸附的磷活性显著高于沉淀反应固定的磷[11]

      石灰性土壤广泛分布于干旱半干旱区,因其属于钙质土,施入土壤中的磷会发生强烈的固定反应[12],致使磷肥在土壤中的移动性和有效性较差。近几年,聚磷酸类磷肥 (聚合度n = 3~20) 作为新型磷源备受关注[13-14],该类肥料是磷分子间通过共价缩合而成的一种支链或直链型聚合物[15]。由于聚磷酸类磷肥比普通正磷酸类肥料具有更多的磷原子,并有着更低的P/O,这些特征赋予聚磷酸类磷肥较好的水溶性[16-18]。有研究指出,与传统的正磷酸磷肥相比,聚磷酸类磷肥可显著提高土壤有效磷水平[19-20]、作物产量[21-22 ]和肥料利用率[23]。然而,目前对聚磷酸类磷肥在土壤中的移动性、有效性及影响因素研究尚为缺乏。本研究通过土柱模拟试验比较了一次施用和分次滴施条件下,磷酸脲、焦磷酸和聚磷酸在土壤中的有效性与移动性,为聚磷酸类磷肥在石灰性土壤中的合理施用提供参考。

      • 试验在新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室进行。供试两种土壤依据世界土壤资源参比基础 (World Reference Base for Soil Resources,WRB) 均属于灌淤土 (灌淤旱耕人为土,Calcaric Fluvisals)。其土壤质地按照卡庆斯基制土壤质地分类属于壤土和粘土。其中,1) 壤土 (粒径 < 0.01 mm为37.0% ± 0.02%),取自于新疆石河子市石河子大学试验站 (44°18′N、86°02′E),田间持水量为15.4%、pH为7.83、有机质21.0 g/kg、全氮0.85 g/kg、速效钾518 mg/kg、速效磷24.2 mg/kg、全磷1.22 g/kg、CaCO3含量16.1%;2) 粘土 (粒径 < 0.01 mm为71.4% ± 0.02%),取自于新疆生产建设兵团农六师新湖六分场 (44°37′N、86°10′E),田间持水量为19.4%、pH为8.15、有机质15.6 g/kg、全氮0.71 g/kg、速效钾291 mg/kg、速效磷11.9 mg/kg、全磷0.95 g/kg、CaCO3含量15.0%。土壤样品经除杂预处理后自然风干,然后充分混匀并过2 mm孔筛备用。

        供试磷源:1) 磷酸脲 (CH4N2O·H3PO4),纯度98%、密度0.1056 g/cm3、P2O5的含量为44.1% (Sigma-Aldrich Co.,美国);2)—焦磷酸 (H4P2O7),纯度90%、密度2.04 g/cm3、含P2O5 71.8% (上海楷洋生物技术有限公司,中国);3)—聚磷酸 (H6P4O13),纯度85%、密度2.1 g/cm3、聚合度n = 2.73、P2O5含量为71.5% (Aladdin Industrial Co.,美国)。

      • 试验所用柱体为高透明度的有机玻璃柱,柱高350 mm、内径64 mm (图1),在圆柱底部设置5个孔 (直径2 mm)。每个圆柱的底部放2张滤纸并铺垫1 cm砂层,在砂层表面再放2层滤纸,然后装入风干土壤,保持施肥灌水前每个土柱为风干土,壤土容重为1.35 g/cm3,粘土容重为1.38 g/cm3,即壤土处理每柱装土1302 g,粘土处理每柱装土1331 g,最终做成300 mm的模拟土柱。为保证整个土柱具有衡定的容重和均匀的透气性,装土柱时每50 mm土层为一个增量 (基本单元) 进行压实,用平面锥子反复多次对相邻土层之间的接触面进行锥压,排除不同土层接触界面的空气,然后将两张滤纸放在每个圆筒的顶部,避免浇水时冲散。

        图  1  土柱结构示意图

        Figure 1.  Schematic diagram of the soil column structure

        供试磷酸脲、焦磷酸和聚磷酸施肥量设置为常规大田施磷量的2倍。两种施磷方式:1) 一次施用,即在培养前,将全部肥料与土柱表层土壤 (20 mm) 均匀混合 (壤土每柱施磷量为0.0581 g,粘土每柱施磷量为0.0594 g),培养期28天内共灌溉4次;2) 分次滴施,将肥料先溶解于超纯水 (mili-Q) 中,在整个培养期内平均分4次施用 (壤土每柱每次施磷量为0.0145 g,粘土每柱每次施磷量为0.0149 g),每次随水滴施,施肥时间为每7天一次。采用模拟滴灌方式进行灌水,先将超纯水和肥料置于马氏瓶中并彻底溶解混匀,悬挂在每个圆柱体上方1.5 m处,将每个马氏瓶与单个土柱相连,控制灌水的水流速度在36 mL/min,保持土柱表面无积水。且壤土和粘土的单个土柱4次总灌水量分别为401.6和515.8 mL (此灌溉量按照田间持水量的50%作为依据),所有处理灌水周期为每7天一次,每次灌水结束后土柱下方并没有水从底部流出,但通过渗透可使整个土柱中的土壤浸湿。另设不施肥对照处理。每个处理重复3次,共42个土柱 (两种土壤CK处理6个,两种土壤条件下3种磷源一次施肥处理18个,两种土壤条件下3种磷源分次施肥处理18个)。最后将土柱竖直放置,大张滤纸置于柱口防尘并在地下室内室温 (27 ± 1.0)℃培养。

        培养28天后,将土柱运移至‒80℃超低温冰箱内进行快速冷冻固型,充分固型后利用精细车床 (型号:CW6163C,中国大连制造) 对冷冻后的土柱进行切割。从土表向下0—100 mm内每隔5 mm作为一个切割单元,获得20个土壤切片。土柱100—300 mm间每隔20 mm切割,获得10个土壤切片,然后分别测定每层土壤的水溶性磷和Olsen-P含量。试验中磷的移动距离测定起始于该土柱上部土面,终止于该土柱的第n个切片的顶端 (此切片测定磷浓度等于或小于对照处理磷浓度)。

      • 土壤基础理化性质指标中,土壤质地用比重计法测定[24],pH测定水土比为5∶1,有机质测定采用湿氧化法[25],全氮、速效钾和CaCO3的测定分别采用半微量凯氏定氮法、火焰分光光度法和中和滴定法[26]。土壤水溶性磷 (Water-P) 测定方法为:称取2 g风干土壤样品,放入100 mL离心管中,加入50 mL去离子水,在25℃下震荡1 h,然后在900 r/min条件下离心15 min,取上清液用孔雀石绿比色法在波长为610 nm条件下比色测定[27]。速效磷 (Olsen-P) 的测定采用0.5 mol/L的NaHCO3提取 (pH = 8.5),再加一小勺无磷活性碳,塞紧瓶塞后在振荡机上振荡30 min,立即用无磷滤纸过滤,过滤液采用钼蓝法测定Olsen-P含量。

      • 试验数据使用SPSS 18.0 (SPSS Inc.,Chicago,USA) 和Microsoft Excel 2010进行统计分析;用SigmaPlot 14.0 (Systat Software,Inc.,San Jose,CA) 进行有效磷和水溶磷相关分析。Graphpad Prism 7.0多元统计软件 (Graphpad software,Inc.,USA) 进行数据处理和图像制作,图中所有结果均为3次重复的平均值和标准差 (SD),所有分析P < 0.05则为显著。肥料磷在土柱中垂直运移方程拟合和半运移深度 (Half-depth,mm) 计算均由统计软件Graphpad Prism 7.0中指数方程拟合模型完成。

        其计算公式:Y = (Y0 ‒ Plateau) × exp (–K × X) + Plateau

        式中:X表示土柱深度 (mm);Y表示土柱中磷含量 (mg/kg);Y0是当X为0时的Y值;Plateau表示当X处于无穷远时的Y值;K为速率常数 (mm)。

      • 图2可知,施用磷酸脲、焦磷酸和聚磷酸3种磷源28天后,水溶性磷含量均随土层深度的增加而明显下降,在壤土和粘土中结果一致。一次施用处理下,不同磷源在土柱中的移动性存在明显差异,在壤土中磷的移动距离表现为聚磷酸 (90 mm) > 焦磷酸 (60 mm) > 磷酸脲 (50 mm),在粘土中表现为聚磷酸 (80 mm) > 焦磷酸 (70 mm) > 磷酸脲 (60 mm)。分次滴施条件下,聚磷酸 (95 mm) 在壤土中的移动距离比磷酸脲 (65 mm) 和焦磷酸 (70 mm) 分别增加46.2%和35.7%,在粘土中聚磷酸 (90 mm) 的移动距离较磷酸脲 (70 mm) 和焦磷酸 (75 mm) 分别增加28.6%和20.0%。两种质地土壤对比,在一次施用和分次滴施条件下3种磷源的移动性均表现为粘土略高于壤土。

        图  2  施用不同磷源28天后土柱不同深度水溶性磷含量

        Figure 2.  Water-P content in different depths of soil column under different P sources and application methods

        表1是磷在土柱中向下运移的数值拟合方程 (0.87 < R2 < 0.98)。K表示土柱深度每下降一个单位 (mm) 磷浓度下降的速率,半运移深度 (Half-depth) 表示当磷浓度下降到一半时所达到土柱的深度。K值越小,Half-depth越大,表征磷运移距离越长。由表1可以看出,壤土一次施用条件下,K值表现为聚磷酸 (0.046 mm–1) < 焦磷酸 (0.061 mm–1) < 磷酸脲 (0.066 mm–1);半运移深度为聚磷酸 (15.1 mm) > 焦磷酸 (11.4 mm) > 磷酸脲 (10.5 mm)。聚磷酸半运移深度分别比磷酸脲和焦磷酸高了43.4%和32.6%。壤土分次滴施条件下,K值为聚磷酸 (0.035 mm–1) < 焦磷酸 (0.048 mm–1) < 磷酸脲 (0.049 mm–1),半运移深度为聚磷酸 (20.0 mm) > 焦磷酸 (14.4 mm) > 磷酸脲 (14.3 mm),聚磷酸的半运移深度分别比磷酸脲和焦磷酸增加了39.7%和38.8%。粘土一次施用条件下,K值依次为聚磷酸 (0.039 mm–1) < 焦磷酸 (0.044 mm–1) < 磷酸脲 (0.046 mm–1),半运移深度为聚磷酸 (17.7 mm) > 焦磷酸 (15.8 mm) > 磷酸脲 (14.8 mm),聚磷酸的半运移深度分别比磷酸脲和焦磷酸增加了19.7%和12.3%;粘土分次滴施下,磷源对磷移动性的影响与一次施磷表现相似,即聚磷酸、焦磷酸和磷酸脲处理的半运移深度依次为51.3、27.1和41.4 mm,这表明与其他两种磷源相比,聚磷酸处理可显著提高磷在石灰性土壤中的移动性。

        表 1  不同磷源在土柱中垂直运移的拟合方程

        Table 1.  Simulation equations of vertical movement of different P sources in soil column

        土壤质地
        Soil texture
        施肥方式
        Application method
        磷源
        P source
        方程
        Equation
        K
        (mm–1)
        半运移深度(mm)
        Half-depth
        R2

        壤土Loamy soil
        一次施用
        Single application
        P1 y = 120.27e–0.066x + 11.73 0.066 a 10.50 e 0.87
        P2 y = 192.85e–0.061x + 10.25 0.061 a 11.36 e 0.95
        P3 y = 340.79e–0.046x + 9.00 0.046 c 15.06 e 0.98
        分次滴施
        Repeated application
        P1 y = 106.14e–0.049x + 11.96 0.049 bc 14.29 e 0.98
        P2 y = 220.79e–0.048x + 13.11 0.048 b 14.38 e 0.98
        P3 y = 466.68e–0.035x – 1.48 0.035 e 19.96 d 0.97

        粘土Clayey soil
        一次施用
        Single application
        P1 y = 90.35e–0.047x + 12.05 0.046 bc 14.81 e 0.93
        P2 y = 133.77e–0.044x + 11.73 0.044 cd 15.79 e 0.97
        P3 y = 181.36e–0.039x + 8.44 0.039 de 17.73 de 0.96
        分次滴施
        Repeated application
        P1 y = 96.72e–0.017x – 7.56 0.017 g 41.38 b 0.90
        P2 y = 176.22e–0.026x – 7.02 0.026 f 27.06 c 0.92
        P3 y = 333.77e–0.014x – 80.77 0.014 g 51.29 a 0.96
        注(Note): P1—磷酸脲 Urea phosphate (CH4N2O·H3PO4); P2—焦磷酸 Pyrophosphate (H4P2O7); P3—聚磷酸 Polyphosphate (H6P4O13); K 代表每下降 1 mm 土壤中 Water-P 含量的降低值 K represents the decrease value in Water-P content with every mm deeper in soil column; 半运移深度表示 Water-P 含量降低一半需要下降的土柱深度 Half-depth is defined as the downward distance where the Water-P content is half decreased; 同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 石灰性土壤上,Olsen-P包括水溶性磷和易溶解的磷酸盐,比水溶性磷可以更客观地反映作物的磷素供应能力,所以有效磷更多用于指导施肥。图3显示,聚磷酸一次施用,随着水溶性磷含量的增加,有效磷含量在粘土上的增加量大于在壤土上 (图3-A);分次滴施较一次施用在同样水溶性磷含量下,有效磷的含量在粘土和壤土上的差距减小 (图3-D)。焦磷酸处理水溶性磷和有效磷在粘土和壤土上,不论一次施用还是分次施用均较为接近 (图3-BE)。磷酸脲一次施用后,有效磷在粘土中随水溶性磷的变化量大于在壤土中,而在分次滴施条件下结果则相反 (图3-CF)。

        图  3  不同土层深度有效磷和水溶性磷的相关分析 (n = 57)

        Figure 3.  Correlations between soil Olsen-P and water-P in different soil depths (n=57)

      • 磷在土壤中的移动性和有效磷水平受磷源本身特性及土壤理化性质的影响。本研究结果表明,在石灰性土壤中,磷肥一次施用和分次滴施条件,均表现为聚磷酸和焦磷酸处理下磷的移动距离大于磷酸脲处理 (图2表1)。其原因可能是,1) 磷酸脲 [CO(NH2)2·H3PO4] 属于正磷酸盐类肥料,施入石灰性土壤后正磷酸盐在运移过程中与土壤中Ca2+、Fe3+、Al3+等或粘土矿物发生固定作用[11],致使可溶态磷的质量分数明显降低,最终表现为磷在土壤中运移受阻,导致有效性降低。而焦磷酸 (H4P2O7) 和聚磷酸 (H6P4O13) 均属于聚合态磷[28],二者只有在土壤生物或非生物因素影响下逐步水解为正磷酸盐才可被土壤固定[29]。因此,在一定时间内减少了磷的化学沉淀固定,有利于磷在土壤中的运移。此外,少量聚合态磷被矿物表面吸附后极大地延缓了聚合态磷的水解[30],进而增加土壤磷的有效性。2) 磷肥一次性施用条件下,磷酸脲是固态磷源,其颗粒进入到土壤后首先经过湿化、溶解等一系列反应,此时溶解态磷的扩散方向与水分运动的方向相反,使磷的扩散受到抑制,增加磷因沉淀反应而被固定的几率,最终导致磷移动的距离变小[31];而聚磷酸和焦磷酸作为液体磷源,由于本身含有一定的水分,溶液的渗透压 (离子强度) 较高,磷素养分会随着水分的运移而发生扩散,促进了磷由施肥点向外的运移与扩散。此外,本研究结果表明,磷肥一次施用条件下,3种磷源在壤土和粘土中的移动性差异不显著;但在分次滴施条件下,不同磷源在粘土中移动性略优于在壤土中 (表1中Half-depth)。此现象主要由土壤理化特性 (pH、质地、Ca2+含量等) 及肥料自身属性 (磷形态) 等多方面原因导致。

        Khatiwada等[32]测定了施磷5周后施肥位点的全磷含量,结果表明固体肥料 (MAP) 处理下施肥位点全磷含量显著高于液体肥料 (TG-MAP) 处理,证明液态磷肥较固体磷肥具有较好的移动性 (肥料磷运移至距离施肥点更远的位点);Lombi等[33]利用X-ray衍射分析技术和聚焦电子显微技术对施入土壤中的磷肥颗粒 (液体磷肥TG-MAP,固体磷肥MAP) 及施肥点周围区域的肥料颗粒密度变化进行分层成像,结果表明固体肥料施肥点及其毗邻的土壤肥料颗粒成像密度有所增加,而液体肥料颗粒的成像密度却在变小,证明液体肥料能够均匀的分布于土壤,故具有较好的移动性。此外,Lombi等[34]的研究表明,在栗钙土和灰钙土中,距离施肥位点不同,则来自肥料的磷占施入总磷的百分比 (N值) 不同,对于距离施肥点0~7.5 mm的N值而言,磷酸氢二铵 (DAP) 处理显著大于聚磷酸铵 (APP) 处理,而在距离施肥点7.5~25.5 mm则结果相反,表明聚磷酸盐在两种土壤中的移动性强于DAP。此外,本研究表明聚磷酸比焦磷酸更能提高磷在土壤中的移动性 (表1),这可能与肥料聚合态磷含量 (聚合率) 和聚合度密切相关。有研究表明,在常温条件下,四聚磷酸盐水解为三聚磷酸盐需时约1天,三聚磷酸盐水解为焦磷酸盐和正磷酸盐需时约7天,焦磷酸盐彻底水解需时约4~100天[35];Gao等[3]研究对比了不同聚合度和聚合率磷源在石灰性土壤中的有效性,结果显示与常规肥料 (MAP) 相比,聚合态磷肥可显著提高土壤磷的有效性,且高聚合率 (90%) 聚磷酸铵肥料的有效性高于低聚合率 (40%) 聚磷酸铵,但差异不显著。因此,高聚合态磷 (聚磷酸) 较低聚合态磷 (焦磷酸) 在运移过程中水解时间更长,很大程度上可减少土壤对其的化学沉淀与吸附,进而减少固定,提高肥料移动性和有效性。

        由于常规施磷以一次施用为主,在种植作物前一次性施入到土壤中,所施的肥料在单位土体中的磷浓度很高,加剧了磷的固定和吸附,导致磷在土壤中移动的距离较短。尹金来等[36]研究认为,磷肥一次施入与分次施入存在明显的剂量与时间效应的差异。从剂量效应分析,当一次施入磷肥时,磷起始浓度较高 (> 200 mg/kg),土壤固磷机制中的主要固定方式为化学沉淀;当分次施入磷肥时,磷起始浓度较低 (0~200 mg/kg),以粘粒吸附固定为主。时间效应则指被吸持固定或化学沉淀固定的磷在最初阶段均具有较高的有效性,随时间推移逐渐向难溶态磷转化 (磷的老化);而磷肥分次滴施时,在土壤中的浓度小且分散,Khatiwada等[32]的研究表明,磷肥分次施用较一次施用更能提高土壤磷的有效性和肥料利用率;张国桥[37]研究表明,磷肥一次施用为主的石灰性土壤H2PO4浓度高,大部分磷发生沉淀,而磷肥100% 随水分次滴施可大大降低土壤磷的浓度,且随水施入不会集中分布在某一施肥点,这样大大减少了磷与石灰性土壤Ca2+之间的沉淀反应,提高了磷素的有效性,与本研究结果相似 (图2表1)。

        就不同土壤而言,有研究证明粘粒含量与土壤最大磷吸附量呈显著正相关[38],但本研究结果表明不同处理下磷的移动性和有效性均为较高pH的粘土显著优于壤土 (表1图3),该结果与顾惠敏等[39]的结果一致,即施磷后不同质地棉田土壤有效磷含量为粘土 > 壤土;同时,供试粘土pH较高也是导致该结果的重要原因。颜晓等[38]对典型旱地土壤磷素有效性的研究发现,土壤pH与土壤对磷的吸附能力呈显著负相关,主要是可变电荷土壤的pH越低,土壤次生矿物表面或边缘羟基及有机胶体表面的某些基团的质子化过程越高,即能提供较多的阴离子吸附位点,进而降低外源磷的有效性;此外,该壤土中碳酸钙含量较高,致使施入的磷肥与土壤中的钙离子发生沉淀反应[11],进而较粘土降低壤土中磷素的移动性及有效性。总之,土壤基本特性 (土壤类型、质地、pH、肥力等)、生物因子[40]、自然和人为因素[28] (气候、灌溉、耕作模式和种植作物类型等) 均会影响施入磷肥在土壤中的移动性和有效性。

      • 在两种质地 (壤土和粘土) 的石灰性土壤中,不同磷源在一次施用和分次滴施条件下的移动性均表现为聚磷酸 > 焦磷酸 > 磷酸脲,说明聚合态磷源 (聚磷酸、焦磷酸) 较正磷酸类磷源具有更好的移动性和有效性。同时,3种磷源分次滴施后磷的移动性和有效性均显著高于一次施用。同样水溶性磷含量下,粘土中磷的有效性高于壤土,分次滴施提高土壤磷素有效性的效果表现为粘土优于壤土。

    参考文献 (40)

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