凍融條件下黑土無機磷分級及有效性研究①

喬思宇，周麗麗，范昊明，賈燕鋒，武　敏

（沈陽農業大學水利學院，沈陽　110866）

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凍融條件下黑土無機磷分級及有效性研究①

喬思宇，周麗麗*，范昊明，賈燕鋒，武敏

（沈陽農業大學水利學院，沈陽110866）

摘要：土壤無機磷是生態系統中磷素的重要組成部分，而凍融作用是土壤無機磷賦存形態與轉化的重要影響因素。本研究以黑土為試驗土壤，在室內模擬凍融環境，研究凍融前后黑土無機磷各組分含量變化及其有效性。結果表明：凍融后無機磷各組分絕對含量總體呈現增加的趨勢；凍融前后相對含量沒有表現出明顯差異，均呈現出O-P＞Fe-P＞Al-P＞Ca-P；相關分析和通徑分析結果顯示，Al-P、Fe-P為有效磷源，并且直接影響有效磷含量，而O-P、Ca-P與Al-P有較大的通徑鏈系數，即O-P、Ca-P通過Al-P間接影響有效磷含量；凍融循環條件下Olsen-P（Y）與有效磷源Al-P（X1）、Fe-P（X2）間呈線性關系。

關鍵詞：凍融循環；黑土；無機磷；分級；有效性

凍融作用是指氣候的日、年和多年變化導致特定區域地球表層一定范圍內土壤的凍結和融化作用［1-2］。凍融作用對土壤養分的遷移和轉化具有很大影響［3］，而且冬季凍融作用時間的長短和凍融循環次數也直接影響土壤有效養分的供應，進而影響農作物的種植和生長［4］。土壤中磷肥當季利用率一般只有10% ～ 25%，其余的則以不同形態的磷酸化合物積累在土壤中。土壤中的無機磷是土壤磷素富集在土壤表層的主要形式，也是植物營養的主要來源［5］。因此，磷素在土壤中的化學行為和存在形態，以及對作物的有效性一直受到人們的廣泛關注［6-7］。黑土是我國東北地區主要的耕作土壤，含有大量的有機質，土壤孔隙度高，偏酸性［8］，未耕墾的黑土全磷含量較高，其中約40% 為無機磷。在無機磷含量低的土壤中有機磷只有經過礦化為無機磷酸鹽才能被植物所利用，而無機磷的可給性與磷素的組成有關，在一定條件下，各種形態的無機磷可以相互轉化［9-10］。土壤溫度、水分、氣候條件和耕墾年限等因素均會影響土壤無機磷形態及其有效性，其中，季節性凍融作用是我國東北黑土區的主要氣候特點，也是黑土無機磷形態發生變化的原因之一。我國黑土分布區，土壤凍土層深厚、凍結時間長，春季頻繁的凍融交替主要發生在土壤表層［11-12］，而凍融作用可改變土壤結構和含水量分布，促進有機質礦化，進而造成土壤中營養物質的流失［13］。本文采用室內模擬凍融環境的方法，研究凍融條件下黑土無機磷各組分含量變化規律及其有效性，為東北黑土區耕作土壤合理施肥、提高磷肥利用率以及凍融期土壤侵蝕和磷素遷移提供理論依據。

1　材料與方法

試驗土壤取自黑龍江省北安市二井鎮（126°33′E，48°21′N），該地區是典型的黑土區，也是我國東北重要的產糧區。本研究取土時間為2011年10月，農作物已經收割完畢，黑土取自農田邊0 ～ 20 cm的表層土壤。土壤運回后過5 mm篩，將土壤中的碎石、植物殘體等雜物去除，于室內通風陰涼處自然風干，其基本理化性質見表1。

表1　供試黑土基本理化性質Table 1　The physical and chemical properties of the black soil tested

1.1土樣的制備

將風干的黑土分別配置成有效磷含量為20、40、60、80、100、120 mg/kg和質量含水率為20%、30%、40%、50%、60% 的土樣。試驗用水為去離子水，速效磷含量的配置采用土壤表面均勻噴灑KH2PO4溶液的方法。將配置好的土樣置于30 cm × 20 cm × 10 cm的試驗槽中，然后分批放置在凍融循環儀中進行凍融試驗。在東北黑土區，春季解凍期表層土壤夜晚凍結，白天消融。春分白晝等長，可認為是春季解凍期的開始，據此將凍融循環設定為凍結12 h和融解12 h，一次凍融循環為24 h。根據東北春季解凍期多年平均日較差，選取其有代表性的 -10 ～ 7 ℃ 為試驗控制溫差。鑒于東北黑土地區土壤凍結層深厚，季節性凍層較為明顯、春季解凍期持續的時間較長等特點，本研究將凍融循環次數設定為30次，在0、1、2、3、5、10、15、20、30次循環后分別取樣測定其無機磷各組分含量。凍融試驗開始于2012年5月，無機磷分級測定于2014年4月完成。

1.2測定方法

土壤有效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提法，土壤無機磷分級采用 Chang-Jackson 無機磷分級方法［14］。無機磷各形態絕對含量增值的計算方法為，△= ai- a0。其中，ai為 1、2、3、5、10、15、20、30 次凍融循環后測得的無機磷各形態絕對含量，單位為 mg/kg；a0為未凍融時土壤無機磷各形態絕對含量，單位為 mg/kg。

2　結果與討論

2.1凍融前后黑土無機磷各組分含量變化與方差分析

采用單變量多因素方差分析方法研究 3個控制變量與各形態無機磷含量、無機磷總量（TIP）之間的關系，結果見表2。由表2可知，有效磷背景值（APb）和凍融循環次數（FTC）對無機磷總量和O-P（閉蓄態磷）影響極顯著，含水率（W）表現為不顯著，其中有效磷背景值的影響占主導地位，F值分別為 76.992和48.128。對于Al-P（磷酸鋁鹽），有效磷背景值的影響程度遠遠超過凍融循環次數和含水率，其 F值為102.239。3個控制變量對Fe-P（磷酸鐵鹽）和Ca-P（磷酸鈣鹽）影響均極顯著，含水率的影響僅次于有效磷背景值占第二位。可見，有效磷背景值是影響凍融條件下無機磷各形態絕對含量和無機磷總量的主要因素。

在無機磷含量分析中，有效磷背景值的影響明顯占有絕對優勢，因此，需要進一步分析3個控制變量對各形態無機磷絕對含量增值的影響，結果見表2。與上述各形態無機磷含量分析比較，有效磷背景值（APb）的影響明顯減小，凍融循環次數（FTC）的影響增強，含水率（W）除對△O-P的影響減小外，其他也均表現為增強。總體而言，凍融循環次數（FTC）是影響△Al-P、△O-P、△Ca-P和△TIP變化的主要因素，含水率（W）是影響△Fe-P的主要因素。

本研究有效磷背景值設計為20 ～ 120 mg/kg的6個水平，而有效磷施入土壤后被迅速固定，且主要以無機磷的形式存在，因此，在凍融循環過程中有效磷背景值直接影響黑土無機磷各形態絕對含量，且表現為各水平差異極顯著。凍融循環作用可以改變土壤的理化性質，對土壤具有結構性的破壞，土壤團聚體和微生物活性會發生改變從而更加有利于土壤磷素的釋放，因此，對于各形態無機磷絕對含量增值的影響凍融循環次數（FTC）各水平差異極顯著。含水率直接影響土壤的凍結狀態和無機磷存在環境，由于Fe-P與水分顯著相關［15］，因此含水率（W）是△Fe-P變化的主要原因。

表2　無機磷總量、各形態含量及其絕對含量增值的方差分析Table 2　Contents of various forms and total inorganic phosphorus and ANOVA statistics of the increase in their absolute contents

凍融前后各形態無機磷的絕對含量增值和相對含量見表3。凍融后無機磷各形態與凍融前相比絕對含量呈現不同程度的增加趨勢，其中以 O-P含量增加最多，平均為31.70 mg/kg，在磷背景值為80 mg/kg時增加了60.77 mg/kg。其余3種無機磷形態，Al-P的增幅范圍為2.18 ～ 9.05 mg/kg，平均為5.60 mg/kg；Ca-P的增幅范圍為 -0.66 ～ 7.54 mg/kg，平均為3.79 mg/kg；Fe-P的增幅范圍為 -7.88 ～ 6.46 mg/kg，平均為2.15 mg/kg。可見，凍融作用能促進土壤中無機磷的形成。

凍融前后無機磷各形態相對含量均以 O-P占絕大多數，占無機磷總含量的41.9% ～ 56.0%，凍融前后平均含量分別為50.2% 和52.0%，增幅1.8%；其次是Fe-P，占無機磷總含量的24.2% ～ 38.8%，凍融前后平均含量分別為30.7% 和28.6%，減幅2.2%；再次是Al-P，占無機磷總含量的11.5% ～ 15.1%，凍融前后平均含量均為12.9%；最后是Ca-P，占無機磷總含量的 4.8% ～ 8.0%，凍融前后平均含量分別為6.2% 和 6.5%，增幅 0.3%。雖然凍融作用有助于土壤中無機磷酸鹽的累積，但凍融前后無機磷各形態相對含量沒有明顯差異，均表現為O-P＞Fe-P＞Al-P＞Ca-P。非凍融條件下無機磷各形態相對含量測定結果與古思玉等［16］的研究存在一定差異，這與黑土開墾年限以及長期的施肥過程相關。綜上，無論是否發生凍融作用，供試土壤各無機磷形態之間均保持著相對穩定的比例。

黑土的成土母質多為黃土狀沉積物，地表有較高的風化度，土壤偏酸性，存在大量游離氧化鐵，很大一部分磷酸鐵被氧化鐵薄膜包裹成為閉蓄態磷，因此，黑土無機磷中O-P含量最高。O-P只有在外界強烈的風化作用下磷素才能釋放，而凍融作用沒有使O-P釋放磷素，相反在增施有效磷的情況下，O-P增加最多。黑土風化程度較高，因此Fe-P相對較多，而Ca-P相對較少。凍融作用有利于Al-P的形成，特別是增施有效磷后，促進了更多的活性磷被鋁固定，Al-P絕對含量增加明顯。

表3　凍融前后無機磷各形態絕對含量增值和相對含量Table 3　Changes of inorganic phosphorus content before and after freezing and thawing

2.2凍融循環后無機磷各組分與有效磷的相關分析

土壤有效磷含量常作為磷肥施用的重要指標之一，而土壤中有效磷主要來源于無機磷的轉化。分析各形態無機磷含量與Olsne-P的關系，可以探索無機磷各組分的有效性。如表4所示，經過凍融作用，無機磷各組分與Olsne-P的相關性均顯著，其中Al-P、Fe-P與Olsne-P的相關系數最高，其次是Ca-P、O-P，不同形態無機磷的有效性順序為Al-P＞Fe-P＞Ca-P＞O-P。因為O-P是Fe2O3膠膜所包被的磷酸鐵以及磷酸鋁，在非強烈的還原條件下很難釋放出來，因此，在凍融條件下Al-P、Fe-P、Ca-P可以作為黑土的有效磷源，而 O-P則是潛在磷源。不同組分無機磷之間的相關性也均顯著，說明凍融作用對黑土中無機磷各組分的活性產生影響，可以為凍融地區研究土壤有效磷提供重要依據。

表4　黑土無機磷組分與Olsen-P間的相關關系Table 4　The relationship between inorganic phosphorus fractions and Olsen-P in black soil

2.3凍融循環后各組分無機磷與有效磷的通徑分析

土壤有效磷和某一組分無機磷的相關性愈顯著，說明該組分無機磷的有效性愈高，對有效磷的影響也就愈大［17］。但是，影響土壤中無機磷各組分的因子比較多，而且無機磷各組分之間的影響也比較大，所以只考慮相關系數的做法不夠充分。因此，結合相關分析，計算黑土無機磷各組分與Olsen-P間的通徑系數與通徑鏈系數（表5），可得出無機磷各組分相對有效性。比較土壤中各組分無機磷對有效磷的通徑系數大小，可以看出它們對有效磷的相對重要性依次為：

Al-P（Py1=0.275）＞Fe-P（Py2=0.245）＞Ca-P（Py4=0.179）＞O-P（Py3=0.088），這與相關分析結果一致，即凍融作用下黑土中的 Al-P、Fe-P對有效磷的直接影響最大，而Ca-P、O-P相對較小。由表5可知，O-P主要是通過影響Al-P間接影響有效磷（Py，31=0.154），而Ca-P不僅直接影響有效磷（Py4=0.179），還通過影響 Al-P間接影響有效磷的含量（Py，41=0.133）。

在相關分析中無機磷各組分與有效磷的相關性較高，但無法說明其直接或間接影響有效磷的程度。而通過分析通徑鏈系數的大小可以明確無機磷各組分與有效磷之間是否存在直接關系，進一步分析通徑系數可以判斷無機磷各組分是通過哪一種無機磷形態間接影響有效磷。綜合相關分析和通徑分析可以看出，任何形態無機磷組分的變化都或多或少地影響到土壤有效磷的水平波動，而Al-P不僅其自身與有效磷的通徑鏈系數最高，并且Ca-P、O-P和Fe-P通過Al-P影響有效磷的通徑系數也較高，因此，可以判斷Al-P是供試黑土有效磷的主要組分，凍融作用能促進土壤中Al-P的形成，從而有利于季節性凍融區土壤有效磷的累積與持續利用。

表5　黑土無機磷各組分對Olsen-P的通徑系數和通徑鏈系數Table 5　The path coefficients and path chain coefficients of inorganic phosphorus fractions and Olsen-P in black soil

2.4凍融循環前后各組分無機磷與有效磷的回歸分析

在相關分析和通徑分析基礎上，對凍融循環前后黑土中無機磷各組分與有效磷進行逐步回歸分析。在引入全部因子的情況下得出回歸方程：Y=0.201X1+ 0.247X2+0.013X3+0.176X4-17.578（r=0.552），可以看出X1、X2、X3、X4都與 Y有直接作用，但是由于X3所起的作用甚微，所以剔除因子 X3，得出回歸方程：Y=0.235X1+0.253X2+0.180X4-17.466（r=0.547），可以看出X1、X2、X4都對Y起著直接的作用，但Ca-P在供試土壤中含量少，所以剔除因子X4，得到回歸方程：Y=0.284X1+0.262X2-16.492（r=0.532），該方程得出了經過凍融循環后黑土無機磷 Al-P、Fe-P與 Olsen-P的相關關系。通過分析不同凍融循環次數條件下Olsen-P與Al-P、Fe-P的相關關系，得出如表6所列回歸方程。

表6　不同凍融循環次數條件下Olsen-P與Al-P、Fe-P之間的回歸分析Table 6　The regression analysis between Olsen-P and Al-P，Fe-P under different freeze-thaw cycles

對表6中回歸方程的各項系數進行曲線擬合，發現凍融循環次數對回歸方程中 Al-P（X1）、Fe-P（X2）系數和常數項的影響呈二次多項式分布：

Al-P系數：a = 0.021X2+ 0.228R2=0.923；

Fe-P系數：b = -0.028X2+ 0.149R2=0.835；

常數項：c = -0.104X2+ 3.486X - 36.994R2=0.775。

通過上述分析，可以得到：Y = （0.021X2+0.228）X1-（0.028X2-0.149）X2-（0.104X2-3.486X+36.994）；式中：Y代表有效磷含量，X代表凍融循環次數，X1為Al-P的含量，X2為Fe-P的含量，a代表Al-P的系數，b代表 Fe-P的系數，c代表常數項。該式可以預測凍融條件下黑土有效磷的含量。

3　結論

凍融后黑土無機磷各形態的絕對含量較凍融前相比呈現增加趨勢，其中以 O-P的增幅為最大，其次是Al-P，再次是Ca-P，最后是Fe-P。但無機磷各組分的相對含量沒有呈現顯著變化，均為O-P＞Fe-P＞Al-P＞Ca-P。有效磷背景值是影響凍融條件下無機磷各形態絕對含量和無機磷總量的主要因素，凍融循環次數（FTC）是影響△Al-P、△O-P、△Ca-P和△TIP變化的主要因素，含水率（W）是影響△Fe-P的主要因素。凍融作用雖影響了無機磷各組分的比例，但有效磷源并沒有改變，凍融前后黑土無機磷各組分均與有效磷達到顯著相關，不同形態無機磷對有效磷含量的影響貢獻大小依次為：Al-P（Py1=0.275）＞Fe-P（Py2=0.245）＞Ca-P（Py4=0.179）＞O-P（Py3=0.088），Al-P、Fe-P是有效磷源。Olsen-P與有效磷源Al-P（X1）、Fe-P（X2）間的線性回歸方程：Y = aX1+ bX2- c，凍融循環次數對回歸方程中 Al-P（X1）、Fe-P（X2）系數和常數項的影響呈二次多項式分布。

致謝：感謝賈玉華老師對論文初稿提出的修改建議。

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Classification and Efficiency of Inorganic Phosphorus in Black Soil Under Freezing and Thawing Conditions

QIAO Siyu， ZHOU Lili*， FAN Haoming， JIA Yanfeng， WU Min
（College of Water Conservancy， Shenyang Agricultural University， Shenyang110866， China）

Abstract：The freezing and thawing action is an important factor affecting the form and transformation of soil inorganic phosphorus， which is an essential element of ecosystem. In order to examine the changes of inorganic phosphorus fractions and their efficiency under freezing and thawing conditions， a black soil was selected， and the inorganic phosphorus fractions and their efficiency were measured with the method of Chang-Jackson under indoor simulation conditions. The results showed that the absolute contents of inorganic phosphorus fractions increased generally after freezing-thawing， while the relative content of inorganic phosphorus did not change significantly. The contents of inorganic phosphorus fractions followed the order： O-P＞Fe-P＞Al-P＞Ca-P. Correlation analysis and path analysis indicated that Al-P and Fe-P were the available phosphorus source and affected the content of soil available phosphorus directly； while O-P， Ca-P and Al-P had larger coefficient of size chain， indicating that O-P and Ca-P indirectly affect the available phosphorus content through their interactions with Al-P. A good linear relationship was observed between Olsen-P（Y） and Al-P （X1） and Fe-P （X2）.

Key words：Freezing-thawing cycles； Black soil； Inorganic phosphorus； Fractions； Efficiency

中圖分類號：S153；S157.4

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.008

基金項目：①國家自然科學基金項目（41101256、41471225）和遼寧省農業領域青年科技創新人才培養計劃項目（2014054）資助。

* 通訊作者（zhoulilia@163.com）

作者簡介：喬思宇（1990—），女，內蒙古通遼人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕與磷素遷移研究。E-mail： 18740022995@163.com