長期不同施肥模式下稻田土壤磷吸附與解吸的動態研究

趙慶雷，吳修，袁守江，王凱榮 ，高潔，陳峰，張士永，孫公臣，謝小立，馬加清*

(1.山東省水稻研究所山東省水稻工程技術研究中心，山東濟南250100;2.青島農業大學農業生態與環境健康研究所，山東青島266109;3.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南長沙410125)

磷是土壤肥力的重要組成因子，是作物生長發育不可缺少的大量營養元素［1］。我國土壤普遍缺磷［2］，主要原因是土壤對磷素有強烈的吸附固定作用，施入土壤中的有效磷大量轉化為難以被作物利用的形態，在土壤中儲存起來［3］。磷肥的當季利用率一般只有10% ～25%［4］。我國自50年代使用化學磷肥以來，儲存積累在土壤中的難溶性磷高達6000萬t［5］，成為一巨大的有待開發的可利用資源。如何降低土壤對磷的吸附固定作用，提高磷素的有效性一直是科研人員關心的課題。

相關學者從不同角度對土壤中磷素的活化效應展開研究，結果表明，有機質是影響土壤磷素活化的主要因素之一［6-7］。有機質中的腐殖酸和有機酸對土壤磷素有一定的活化作用［8-11］，而且腐殖酸可以提高磷肥的穩定性和有效性［12］;夏海勇和王凱榮［13］研究認為，土壤中有機質含量與土壤對磷的活化效應呈二次拋物線關系，即隨著有機質含量的提高，土壤對磷的解吸能力先降低后增強。而近年來研究表明，土壤磷酸酶的活性、土壤溫度、土地利用方式和耕作種植方式等也都會影響到土壤中磷素的活化。有研究表明［14-15］，磷利用效率高的作物品種和丘陵區表層土壤生物節皮之所以能夠活化土壤中的磷素，與土壤中磷酸酶活性的提高關系密切;孫桂芳［16］研究顯示，土壤溫度影響到土壤中磷素的有效性，且影響效果與土壤溶液中磷濃度關系密切:在一定溫度范圍內，不施磷土壤磷的有效性隨溫度升高而提高，施磷土壤磷的有效性則隨溫度升高而降低;有研究顯示［17］，保護性耕作可明顯改善土壤供磷特性，且使土壤磷在0～5 cm土層表聚化;謝昭良等［18］研究表明，種植燕麥(Avena sativa)可提高土壤中酶的活性，改善冬閑田土壤供磷狀況;與退耕草地相比，長期農業耕作可顯著提高土壤無機磷含量，但使土壤有機磷含量顯著降低，且農田土壤磷組分間的轉化主要發生在耕層［19］;王蕙等［20］研究顯示，長期封育的沙質草地可顯著改善土壤供磷狀況，且養分含量沿上坡到下坡呈增加趨勢。

土壤對磷的固定與釋放是一個長期的過程，已有的研究多為培養18～48 h后一次性測定［13，21-27］，對添加有機物料后土壤與磷素間的固定與釋放過程的研究有待深入。本研究基于20年的長期定位試驗，采用連續振蕩培養法，旨在模擬磷肥施入稻田后土壤對磷素的固定與釋放過程，探討長期添加有機物料對土壤中磷素的活化機理，以期為優化紅壤稻田施肥模式，提高磷肥利用率提供參考。

1 材料與方法

1.1 田間試驗設計

田間定位試驗設在中國科學院桃源農業生態試驗站，為第四紀紅土發育的水稻土。定位試驗始于1990年，設10種施肥模式，3次重復，隨機區組排列，小區面積為4.1 m×8.1 m。本研究選取其中的4個處理進行土壤磷吸附和解吸特性測定，分別為:Ⅰ無肥對照(CK);Ⅱ 無肥基礎上的有機物循環利用(C);Ⅲ 氮、磷、鉀化肥配施(NPK);Ⅳ氮、磷、鉀化肥基礎上的有機物循環利用(NPK+C)。試驗中的“有機物循環利用”(處理Ⅱ和Ⅳ)是指該小區早、晚稻秸稈全量還田，收獲稻谷的80%(1995年后改為50%)及全部空秕谷作飼料喂豬，豬糞尿還田原小區，冬種紫云英(Astragalus sinicus)還田。無“循環”處理(處理Ⅰ和Ⅲ)稻田冬季無綠肥，板田越冬。供試化肥為尿素、普通過磷酸鈣和氯化鉀。1990－1996年，氮肥施用量為268.3 kg N/hm2;磷肥為52.4 kg P/hm2;鉀肥為137.0 kg K/hm2。1993－1996年，試驗田水稻產量出現了逐年降低的趨勢，分析為氮、鉀養分失調。故從1997年開始，調減化肥氮用量為182.3 kg N/hm2，磷肥施用量不變;鉀肥用量增至197.2 kg K/hm2。1990－2010年各處理年均養分投入量見表1。

表1 1990－2010年年均養分輸入量Table 1 Average annual nutrient input from different sources during 1990－2010 kg/hm2

1.2 土壤磷吸附與解吸特性測定

1.2.1 土壤采集與制備 于2011年4月在各處理區分別采集0～20 cm(耕層)和20～40 cm(亞耕層)2個土層的土壤樣品。土樣經自然風干后碾粹過2 mm篩，分析相關的肥力特性(表2)，測定方法參見《土壤農化分析》［28］。

1.2.2 土壤磷吸附培養與解吸［22］4個處理分別稱取質量為2.5 g的7份土樣，放入100 mL離心管中，分別加入50 mL含磷量為0，5，10，20，40，60和100 mg/L的0.01 mol/L CaCl2背景溶液，同時加入3滴甲苯以抑制微生物活動，蓋緊離心管，使土壤與溶液充分混合后，置于(25±1)℃恒溫搖床中，以150 r/min的速度振蕩培養。到每一設定的反應時間 (1，2，8，15 d)時取出離心管，以4000 r/min的速度離心10 min，吸取1.00 mL上清液，以鉬銻抗比色法測定磷含量［28］。蓋緊離心管并上下振蕩，待土壤與溶液充分混合后放入搖床繼續培養，直至培養結束。

選取起始培養液磷濃度分別為40，60，100 mg/L的處理，吸附試驗結束后傾出上清液，向殘渣土壤中加入0.01 mol/L的CaCl2背景溶液50 mL，待溶液與土壤充分混合后，置于(25±1)℃恒溫搖床中，以150 r/min的速度振蕩培養。每隔24 h取出離心管，測定浸提液中磷含量，方法同吸附試驗。然后再倒掉上清液，重新加入50 mL 0.01 mol/L的CaCl2溶液，連續浸提測定16次，計算土壤磷的解吸量和累積解吸率。

表2 不同施肥處理土壤肥力性狀Table 2 Soil fertility characters of different fertilization treatments

1.3 數據處理

土壤磷吸附量是指培養至設定時間后，以培養前加入的磷量減去上清液中及樣品測定所消耗的磷量。土壤對磷的解吸量是指培養至設定時間后，從殘渣土壤中浸提出來的磷量。土壤對磷的累積解吸率是指相應浸提次數的解吸磷量的累加值占吸附試驗結束時土壤吸附磷量的百分比。

所有數據經Excel 2003軟件處理后，用SPSS 11.5進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤磷吸附量隨培養時間的變化動態

2.1.1 0～20 cm土壤磷的吸附量 由圖1可以發現，各起始培養液磷濃度下，各處理土壤對磷的吸附量在前2 d的培養時間增長較快，培養2 d后增長速度放緩，最終趨于穩定。各處理土壤磷吸附量隨起始培養液磷濃度的增大而增大。處理C與CK在起始培養液磷濃度為5和10 mg/L時，各培養時間段均差異不大，在起始培養液磷濃度為20，40，60和100 mg/L，培養至15 d時，前者土壤磷吸附量比后者分別減小6.1%，11.1%，13.9%和19.7%。處理NPK+C與NPK在各起始培養液磷濃度下，培養至8和15 d時均呈顯著差異，各起始培養液磷濃度下，前者土壤磷吸附量培養至 15 d 與后者相比分別減小 4.7%，9.5%，11.9%，14.4%，13.5%和 20.1%。

處理NPK與CK相比，土壤磷吸附量在起始培養液磷濃度較低時差異不顯著，起始培養液磷濃度較高時(40，60和100 mg/L)，前者土壤磷吸附量分別比后者減小7.7%，8.8%和11.0%。

以上結果表明，耕層土壤對磷的吸附量在培養初始的2 d內增長較快，隨后逐漸放緩至趨于穩定。有機物循環利用和氮、磷、鉀化肥配施基礎上的有機物循環利用均可顯著減小耕層土壤對磷的吸附量，而后者效果更好。與無肥處理相比，長期氮、磷、鉀化肥配施可在一定程度上減小耕層土壤對磷素的吸附量。

2.1.2 20～40 cm土壤磷的吸附量 圖2為亞耕層土壤磷吸附量隨培養時間的變化動態。由圖2可知，與耕層土壤類似，亞耕層土壤對磷的吸附量在前2 d增長較快，隨后增長速度放緩，在起始培養液磷濃度小于10 mg/L時趨于穩定，土壤磷吸附量隨起始培養液磷濃度的提高而增大。處理C與CK對土壤磷的吸附量在各起始培養液磷濃度下差異均不顯著。處理NPK+C與NPK僅在起始培養液磷濃度為60和100 mg/L、培養至一定時間段時才呈顯著差異。

以上結果表明，與耕層土壤類似，亞耕層土壤對磷的吸附量培養前2 d快速增長，隨后增長速度放緩。長期施肥對亞耕層土壤磷吸附量的影響明顯低于耕層土壤。各施肥處理僅NPK+C與NPK在起始培養液磷濃度為60和100 mg/L時才呈現出一定差異。

圖1 0～20 cm土壤磷吸附量隨培養時間的變化動態Fig.1 Dynamics of 0 －20 cm soil P adsorption capacity with incubation time

2.2 土壤磷解吸量隨培養時間的變化動態

2.2.1 0～20 cm土壤磷解吸量 圖3為耕層土壤磷解吸量隨浸提次數的變化動態。由圖中可以發現，土壤對磷的解吸量隨浸提次數的增多先快速減小后緩慢減小。起始培養液磷濃度越大，土壤對磷的解吸量越大。3個起始培養液磷濃度均表現為:前3次浸提，解吸量較大的是處理NPK+C和處理C，其次為處理CK，處理NPK解吸量最小。首次浸提后，起始培養液磷濃度為40，60和100 mg/L時，處理C土壤磷解吸量分別比處理CK提高38.4%，98.2%和25.6%，處理NPK+C土壤磷解吸量分別比處理NPK提高79.3%，99.9%和74.4%。從第4次浸提開始，各處理土壤對磷的解吸量差異不明顯，且隨浸提次數的增多而逐漸減小，但第6次浸提時，土壤對磷解吸量較前1次浸提稍有增加。

這說明，有機物循環利用(處理NPK+C和C)可明顯提高耕層土壤對磷的解吸量，以NPK化肥基礎上的有機物循環利用效果更好。長期氮、磷、鉀化肥配施無助于土壤中磷素的解吸。

2.2.2 20～40 cm土壤磷解吸量 由圖4可知，亞耕層土壤磷解吸量隨浸提次數的變化動態與耕層土壤類似，解吸量隨浸提次數的增多先快速減小后緩慢減小。與耕層土壤不同的是，各施肥模式對該層土壤磷解吸量影響較小:只有處理NPK+C在首次浸提時與其余處理有一定差異，其余3個處理間無明顯差異。同一處理，亞耕層土壤對磷的解吸量均高于耕層土壤。

圖2 20～40 cm土壤磷吸附量隨培養時間的變化動態Fig.2 Dynamics of 20 －40 cm soil P adsorption capacity with incubation time

2.3 土壤磷累積解吸率隨培養時間的變化動態

2.3.1 0～20 cm土壤磷累積解吸率 由圖5可以發現，耕層土壤對磷的累積解吸率隨浸提次數的增多而逐漸增大，最終趨于穩定。各施肥處理累積解吸率在3個起始培養液磷濃度下均呈明顯差異:處理NPK+C最大，其次為處理C，處理CK和NPK累積解吸率最小。起始培養液磷濃度為40，60和100 mg/L時，處理C累積解吸率在培養結束時分別比處理CK提高10.0%，49.3%和22.0%，處理NPK+C分別比處理NPK提高72.2%，57.1%和50.6%。說明長期有機物循環利用(NPK+C和C)可明顯提高耕層土壤磷的累積解吸率，氮、磷、鉀化肥配施基礎上的有機物循環利用效果更好。

2.3.2 20～40 cm土壤磷累積解吸率 由圖6可知，隨著浸提次數的增多，20～40 cm土壤磷累積解吸率逐漸增大，最終趨于穩定，這與耕層土壤是一致的。不同的是，隨浸提次數的增多，各施肥處理土壤磷累積解吸率僅處理NPK+C與其他處理存在一定差異。同一處理，亞耕層土壤對磷的累積解吸率均高于耕層土壤。這說明長期施肥對亞耕層土壤磷的累積解吸率影響有限，僅氮、磷、鉀化肥基礎上的有機物循環利用對提高該層土壤磷累積解吸率有一定效果。

圖3 0～20 cm土壤磷解吸量隨浸提次數的變化動態Fig.3 Dynamics of 0 －20 cm soil P desorption capacity with leaching time

圖4 20～40 cm土壤磷解吸量隨浸提次數的變化動態Fig.4 Dynamics of 20 －40 cm soil P desorption capacity with leaching time

3 討論

3.1 長期施肥條件下土壤磷吸附特性隨培養時間的變化動態

有人研究認為，土壤中的磷總是處于吸附和解吸的動態平衡中，以維持植物對磷素的需求［29］。土壤中吸附磷的區域共有3個，其中吸附Ⅰ區和Ⅱ區主要是以共價鍵結合的化學吸附為主，吸附Ⅲ區主要以物理吸附為主［29］。本研究結果顯示，耕層土壤各施肥模式對土壤磷的吸附量均呈現隨培養時間先增大后穩定的態勢，亞耕層土壤對磷的吸附量在起始培養液磷濃度足夠大時隨培養時間呈一直增大的態勢。這可能是由于耕層土壤含磷量相對較高，隨著培養時間的延長，部分物理吸附態磷從土壤固相表面溶解釋放出來，最后處于吸附與解吸的動態平衡中，亞耕層土壤由于含磷量較低，對土壤磷的吸附容量較大，在起始培養液磷濃度較高時，對土壤磷的吸附量在有限的培養時間內一直增大(圖2)。

圖5 0～20 cm土壤對磷累積解吸率隨浸提次數的變化動態Fig.5 Dynamics of 0 －20 cm soil P cumulative desorption rate with leaching time

圖6 20～40 cm土壤對磷累積解吸率隨培養時間的變化動態Fig.6 Dynamics of 20 －40 cm soil P cumulative desorption rate with leaching time

夏海勇和王凱榮［13］研究認為，土壤對磷的吸附與解吸特性與有機碳含量間呈二次拋物線關系，拋物線拐點之前，隨有機質含量的提高，磷的吸附能力增強;拐點之后，吸附能力降低。本研究結果顯示，部分處理耕層土壤對磷的吸附量高于亞耕層土壤。這可能是土壤中磷素與有機質共同作用的結果:耕層土壤有機質較亞耕層土壤含量高，部分處理有機質含量處于拐點之前［13］，促進了土壤對磷的吸附，同時，有機質含量的提高，加快了土壤對磷素的吸附進程，縮短了達到吸附平衡的時間。

張海濤等［22］通過盆栽試驗，研究了磷肥和有機肥對不同磷水平土壤磷吸附和解吸特性的影響，結果表明，施用有機肥可使低磷和較高磷土壤易解吸磷量顯著增加，而極高磷土壤易解吸磷量則明顯降低，也就意味著低磷和較高磷土壤對磷的吸附量低，高磷土壤吸附量高。本試驗中的有機物循環利用(C)和NPK化肥基礎上的有機物循環處理(NPK+C)屬于較低和中等磷水平，結果顯示，這2個處理明顯減小了土壤對磷的吸附量，這與張海濤等［22］的研究結果是一致的。這說明，有機質對土壤中的磷素能起到很好的緩沖效果:高磷環境中主要增加了土壤磷的吸附位點，相應增加了土壤磷的吸附能力［22，30］，低磷環境中主要增加了土壤中可溶性磷的含量，促進了土壤中磷素的解吸［22，31］，能較好地滿足作物對磷素的需求。

本研究結果顯示，與無肥處理相比，長期NPK化肥配施降低了耕層土壤對磷素的吸附量(圖1)。這是因為長期NPK化肥配施處理促進了土壤中磷素的積累，提高了耕層土壤中有效磷和全磷含量，而有效磷含量是影響土壤磷吸附特性的重要因子［32］。Siddique和Robinson［31］和郭勝利等［33］研究表明，磷肥的施用使土壤最大吸磷量呈降低趨勢，這是由于土壤磷水平增加導致土壤磷吸附飽和度增加，從而導致土壤對磷的固定率降低［22］。本試驗中循環處理土壤吸附性能的改變可能是土壤磷水平與有機質等其他因素共同作用的結果。

3.2 長期施肥條件下土壤磷解吸特性隨培養時間的變化動態

有研究認為［29］，與吸附過程對應，解吸過程也分為3個階段:最初為快速解吸，緊接著為中速解吸，最后為慢速解吸。本研究結果表明，土壤對磷的解吸量主要集中在前幾次，并隨浸提次數的增多逐漸減小，這與李壽田等［34］的研究結果是一致的。這是由于在劇烈振蕩的土壤懸浮液中，水溶態磷和物理吸附態磷之間達到平衡的速度非常快［34-35］，而從難溶態磷向物理吸附態磷的轉變速度則相對緩慢，屬中速解吸，這個轉變過程的機理可能是磷由鍵能較低的共價鍵結合的表面位點向物理吸附態磷的釋放過程［34］。本研究結果還表明(圖3和圖4)，第6次浸提磷量較第5次稍有增加，這可能是因為這2次浸提為中速解吸向慢速解吸的過渡帶，從第6次浸提開始，土壤對磷的解吸過程為以高能鍵結合的牢固吸持的磷向土壤溶液的緩慢釋放過程［24］。

本研究結果顯示，長期有機物循環利用與化肥配施明顯提高了耕層土壤對磷的解吸量和累積解吸率，這主要得益于該處理明顯提高了耕層土壤中有機質、有效磷和全磷含量［36］。土壤有機質，特別是胡敏酸類腐殖質具有明顯的凝膠特性，能有效降低土壤礦物膠體對磷的物理化學吸附潛能［37］，使得吸附在土壤表面的磷更容易被解吸回到土壤溶液之中［38］。耕層土壤與亞耕層土壤相比，后者對磷的解吸量和累積解吸率均高于前者，這與王道涵等［39］的研究結果是一致的，這可能是由于耕層土壤處于好氧狀態，鐵、鋁呈非定性的氧化態形式，與亞耕層土壤相比吸附能力強，能與磷形成難溶的復合物，解吸能力相對較弱［40］，影響機理還有待于進一步研究。

4 結論

長期不同施肥模式下，耕層和亞耕層土壤對磷的吸附量均呈現出培養前期快速增長的態勢;培養后期，前者對磷的吸附量逐漸趨于平穩，后者對磷的吸附量在培養液中磷濃度足夠高時呈緩慢增長態勢。化肥基礎上的有機物循環利用明顯降低了耕層土壤對磷的吸附特性，其對耕層土壤磷吸附量降低幅度達20.1%;長期有機物循環利用對亞耕層土壤磷的吸附特性影響較小。

耕層和亞耕層土壤對磷素呈現出相同的解吸動態:解吸量主要集中在前幾次浸提，且隨浸提次數的增多逐漸減小，累積解吸率隨浸提次數的增多逐漸增大，最終趨于穩定。化肥基礎上的有機物循環利用明顯提高了耕層土壤磷的解吸特性，其對耕層土壤磷的累積解吸率提高幅度達72.2%;長期有機物循環利用對亞耕層土壤磷的解吸特性影響較小。耕層土壤對磷的解吸量和累積解吸率均低于亞耕層土壤。

化肥基礎上的有機物循環利用的施肥模式，明顯提高了耕層土壤有機質含量，促進了耕層土壤中磷素的活化，改善了土壤磷庫的供磷能力。且該施肥模式避免了農村秸稈的污染和浪費，有利于生態環境的改善。

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