外源硅對堿性土壤磷位及磷有效性的影響

楊 丹，田 甜，閆 穎，何 娜，劉鳴達

沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧 沈陽 110866

外源硅對堿性土壤磷位及磷有效性的影響

楊 丹，田 甜，閆 穎，何 娜，劉鳴達*

沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧 沈陽 110866

磷位是表達土壤磷素有效性的強度指標，是決定土壤磷素有效性的首要因素。以分析施硅對土壤磷位的影響為切入點，探討施硅影響土壤磷素有效性的土壤化學機制，有利于促進硅肥的合理施用及土壤磷素的科學調控，對于減少磷礦資源開采及磷肥施用、防治農田面源污染具有重要意義。試驗選取遼寧省沈陽市康平縣水田耕層土壤為研究對象，設置4個硅酸鉀處理，添加量分別為 0、30、60、120 mg·kg-1（以 SiO2計），分別記作Si0、Si30、Si60、Si120；在中和硅酸鉀堿性和消除伴隨離子影響的基礎上，開展室內培養和水稻盆栽試驗，研究外源硅對土壤磷位和苗期水稻吸磷量的影響。結果表明：加硅極顯著提高了土壤浸提液中氫離子活度（P＜0.01），Si30、Si60、Si120處理分別比對照提高了26.02%、25.59%和146.77%；加硅同時極顯著提高了離子活度（P＜0.01），Si60、Si120處理分別比對照提高了30.25%和99.26%；加硅促進了水稻植株對磷的吸收，隨加硅量的增加，3個施硅處理吸磷量分別比對照處理提高了16.41%、19.20%和69.07%；加硅條件下土壤磷位和植株吸磷量間存在顯著負相關關系，說明磷位能較好地反映土壤磷的生物有效性。研究表明，施硅可提高土壤溶液中的活度，降低土壤磷位，提高土壤供磷強度，土壤磷位可作為指示土壤磷植物有效性的指標。

外源硅；水田土壤；磷位；生物有效性

磷是植物生長的必需元素，是農林業生產重要的物質保證。土壤作為植物磷素養分的主要供給庫，其中的磷素含量及存在形態可對植物的磷素營養及生長發育產生重要的影響。因此，世界各國都非常重視磷肥的施用。磷肥施用在一定程度上提高了土壤的供磷能力和作物產量，但由于不同土壤理化性質的差異、磷酸鹽化學行為的多變及其植物有效性較低等原因，土壤中能被植物直接吸收利用的有效態磷含量低于總磷含量的 5%。即使考慮肥料的后效性，磷肥的總利用率也不會超過25%，故有75%～90%的磷肥累積在土壤中（趙小蓉等，2001；時正元等，1995；Chaiharn et al.，2009）。磷肥來自于磷礦資源的開采與生產，不合理地施用磷肥不僅可導致更多的磷隨農田退水、淋溶下滲和地表徑流等過程進入地表水及地下水，引發水體富營養化，損害自然生態及人類的健康，還會加劇磷礦資源的枯竭，威脅農業乃至社會的可持續發展。因此，減少磷肥施用、科學調控土壤磷素肥力是土壤與環境科學研究領域亟需解決的問題（區惠平等，2016；Zhu et al.，2018）。

土壤磷素養分的供給情況通常可以從養分數量、供應強度和補給速度3個方面來考慮，供應強度是指作物從土壤中吸收一定量養分所消耗的能量，是決定養分是否有效的首要因素。只有在養分達到一定能量水平后，其數量才能發揮作用。根據熱力學中化學位原理，磷位是一個可以用來表征土壤磷有效性的強度指標，這一概念一度被土壤、植物營養學界的學者接受并應用，國內外學者就磷位與土壤磷有效性的關系問題也開展過一些研究（洪順山等，1979；林忠炎，1983；林克惠，1965；白錦鱗等，1989；Mchihiyo，1991）。這些研究結果表明，把磷位原理應用于土壤需磷診斷上，使之成為在生產中指導磷肥施用的有用工具是有一定意義的。然而，國內以往的相關研究都集中于中國南方酸性、中性土壤地區，而有關磷位原理在北方堿土地區的適用性尚無報導。

國內外關于施硅提高土壤有效磷含量、促進水稻增產、改善水稻磷素吸收及分布的報道較多（謝凡，2016；李仁英等，2014），但所施用的硅肥多為硅酸鹽（陳琨等，2015；翁穎等，2017）、復合硅肥（硅與其他養分元素復合配施）（許佳瑩，2012）或爐渣（王純等，2013；范呈根等，2017；張璐等，2017）等復雜物料，絕大多數研究未考慮到硅酸鹽的堿性、伴隨陽離子或其他元素等對試驗結果的干擾。堿性物料可能會改變土壤體系pH及土壤溶液的離子強度，從而導致Al-P、Ca-P及正磷酸鹽發生形態變化，或者使土壤顆粒吸附磷形成的配合物表面的陰電荷被陽離子（如K+、Na+）中和，進而影響磷的吸附-解吸和土壤磷有效性（程程等，2011；李仁英等，2013；閆金龍，2016；Bai et al.，2017）。因此，在消除pH和伴隨離子影響條件下，研究硅對磷有效性的影響是十分必要的。已有研究表明，在中和硅酸鉀的堿性和消除鉀離子影響的基礎上，加硅抑制了堿性土壤對磷的吸附，促進了磷的解吸（王耀晶等，2012）。從土壤中磷素能量狀態進行深入研究，對揭示硅提高堿性土壤磷有效性的作用機制具有重要意義。

為此，本研究在消除硅酸鉀堿性和鉀離子影響的基礎上，采取室內培養和生物試驗相結合的方式，研究外源硅對土壤磷位及磷植物有效性的影響，以期為生產中合理配施硅肥，減少磷肥施用，控制農業面源污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自遼寧省沈陽市康平縣，為水田0～20 cm耕層土壤，風干、研磨過1 mm篩備用。土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基本理化性質Table1 Physical and chemical properties of the soil used in the experiment

將硅酸鉀分別按 0、30、60、120 mg·kg-1（以SiO2計，分別記作Si0、Si30、Si60、Si120處理）的比例與一定量的土壤混勻，用鹽酸中和硅酸鉀的堿性，各處理間K+和Cl-的含量差異用氯化鉀補齊。保持土壤水分為田間持水量，在25 ℃下培養30 d，制備出不同加硅水平的土壤樣品，風干后備用。

1.2 磷位的測定與計算

取上述不同加硅水平的土壤樣品5.00 g，加入50 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液，恒溫（25 ℃）振蕩（200 r·min-1）60 min，過濾后測定濾液pH值及其中磷和鈣的濃度（White et al.，1964）。

（1）求各土壤浸提液的離子強度I：（2）求Ca2+、H+、等相關離子的活度系數及活度值：

式中，I為離子強度；C為離子濃度；Z為離子電價；a為活度；f為活度系數；B、ai、K2均為常數。

1.3 水稻盆栽試驗

取上述4個加硅水平的土壤進行盆栽試驗，供試水稻（Oryza.sativa L.）品種為遼粳212。選用1.5 dm3的塑料盆，裝入1.00 kg風干土壤，各處理重復3次。均施入分析純試劑尿素（N，0.2 g·kg-1）和氯化鉀（K2O，0.2 g·kg-1）作為底肥，平衡1周后，插入秧苗，每盆5株，整個生育期定量澆灌蒸餾水，盆缽隨機排列，按常規管理。水稻生長60 d后結束試驗，采集植物樣品測定干重及植株中磷含量，并計算植株吸磷量。

1.4 分析測定方法

土壤基本理化性質采用常規方法測定（魯如坤，2000）；浸提液 pH用酸度計測定；磷和鈣含量分別采用鉬藍比色法和原子吸收法測定；植株含磷量采用 H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法測定。

1.5 數據處理與統計分析

運用Excel 2003對數據進行處理并繪制相關圖表；利用SPSS 13.0軟件對數據進行方差分析，采用 Duncan法進行多重比較。圖表中不同小寫字母表示差異達到顯著水平（P＜0.05）；不同大寫字母表示差異達到極顯著水平（P＜0.01）。

2 結果分析與討論

2.1 外源硅對堿性土壤pH及磷濃度的影響

測定了不同處理土壤浸提液的pH及磷濃度，計算得到了H+、的離子活度，結果如圖1、圖2所示。

圖1 加硅對土壤浸提液氫離子活度的影響Fig.1 Effect of silicon on hydrogen ionic activity

圖2 加硅對土壤浸提液磷酸根離子活度的影響Fig.2 Effect of silicon on phosphate ionic activity

由圖1可知，與對照（Si0）相比，各加硅處理H+活度顯著提高（F=75658.69**，P=3.80×10-18）；H+活度隨著加硅量的增加而提高，Si30、Si60、Si120處理分別比對照提高了 26.02%、25.59 %和146.77%，Si120處理極顯著高于Si30和Si60處理，但Si30和Si60之間的差異未達到顯著水平。試驗中，用鹽酸中和硅酸鉀的堿性，相當于將硅酸鉀轉化成了氯化鉀和硅酸，所以加入土壤中的硅主要以硅酸形式存在，相對堿性土壤而言，作為一種弱酸，硅酸可使體系H+活度升高，而體系pH的下降有利于土壤中磷的活化。

2.2 外源硅對堿性土壤磷位的影響

圖3 硅對土壤磷位的影響Fig.3 Effect of silicon on phosphate potential of soil

由圖3可知，隨著硅添加量的增加，土壤磷位值有所下降；加硅量越多，磷位值下降幅度越大（F=21590.57**，P=5.72×10-16）；當加硅量達到 60 mg·kg-1和 120 mg·kg-1時，磷位值極顯著低于對照處理。由此表明，加硅導致磷位值降低，即土壤磷的供應強度隨硅的加入呈升高趨勢，即硅的加入可以提高土壤供磷能力。一般認為，磷位的臨界值可能在7左右，磷位值大于7說明土壤可能缺磷（毛達如，1994）。從圖中數據可以看出，當加硅量達到120 mg·kg-1時，土壤磷位值下降至7，說明土壤的缺磷情況得到了有效緩解。

前文結果顯示，加硅后土壤溶液中H2PO4-濃度提高，其活度相應提高了，這必然有利于土壤磷位降低。另一方面，王耀晶等（2012）發現Freundlich方程能較好地描述不同硅濃度條件下磷在堿性土壤中的吸附-解吸特征，隨著外源硅施入量的增加，Freundlich方程中n值變小，說明施硅減弱了土壤對磷的吸附強度。還有研究表明，硅的施入可以使鐵氧化物表面吸附的磷酸根基團發生紅移（向低波數移動）現象，紅外光譜屬于振動光譜，紅移現象表明振動所需的能量變低，指示鐵氧化物表面吸附的磷酸根基團變得更加不穩定（田甜，2017）。這些結果都能說明加硅后土壤固相磷更傾向于解吸或溶解到土壤溶液中，因此，磷位出現明顯的降低現象。

2.3 加硅條件下土壤磷位與水稻植株吸收磷的關系

植株吸磷量可以更直接地反映土壤磷的生物有效性。各處理水稻植株吸磷量結果如圖4所示。

圖4 外源硅對水稻植株吸磷量的影響Fig.4 Effect of silicon on phosphorus uptake of rice

由圖4可知，各加硅處理水稻植株從土壤中吸收的磷量均顯著高于對照處理，隨硅施入量的增加，水稻吸磷量逐漸升高，3個加硅處理植株吸磷量分別比對照處理增加了 16.41%、19.20%和69.07%。加硅量達到120 mg·kg-1處理植株吸磷量極顯著高于對照處理（F=7.89**，P=0.009）。試驗結果再一次驗證了加硅促進水稻吸收磷的結論，而吸磷量增加的原因可能是加硅增強了土壤的供磷能力、提高了土壤磷的生物有效性。

為進一步分析加硅對土壤磷素生物有效性的影響，探討磷位表征土壤磷素有效性的準確性，將各加硅土壤的磷位值與植株吸磷量進行相關分析，結果如圖5所示。

圖5 土壤磷位與植株吸磷量的關系Fig.5 Relationship between phosphate potential of soil and phosphorus uptake of rice

由圖5可知，隨土壤磷位值的升高，水稻植株吸磷量逐漸降低，二者間呈顯著的線性負相關關系（r=0.952*，n=4，）。因此，可以認為加硅條件下，磷位能較好地反映土壤磷的生物有效性。

3 結論

本文在中和硅酸鉀的堿性和消除鉀離子影響的基礎上，研究了不同硅濃度水平下堿性土壤磷位的變化及磷位與水稻植株吸磷量的關系，得出以下結論：

（2）加硅條件下土壤磷位與植株吸磷量之間存在顯著的負相關性，磷位能較好地反映土壤磷的植物有效性。

BAI J H, YE X F, JIA J, et al. 2017. 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, 188: 677-688.

CHAIHARN M, LUMYONG S. 2009. Phosphate solubilization potential and stress tolerance of rhizobacteria from rice soil in Northern Thailand[J]. World Journal Microbiol Biotechnol, 25: 305-314.

KUNDU S, KAMATH M B, GOSWAMI N N. 1998. Effect of sulfate silicate and fluoride anions I. Phosphate fixation in soil [J]. Journal of Indian Society Soil Science, 36: 43-47.

MCHIHIYO E P. 1991. Phosphate potential in Tanzania [J]. Fertilizer Research, 30:177-180.

WHITE R E, BECKETT P H T. 1964. Studies on the phosphate potentials of soils: part I - the measurement of phosphate potential [J]. Plant and Soil, 20(1): 1-16.

YONG B L, JOO K. 2007. Reduction of phosphate adsorption by ion competition with silicate in soil [J]. Korean Journal of Environmental Agriculture, 26(4): 286-293.

ZhU J, LI M, WHELAN M. 2018. Phosphorus activators contribute to legacy phosphorus availability in agricultural soils: A review [EB/OL].Science of the Total Environment, 612: 522-537.

白錦鱗, 張一平, 劉德江. 1989. 不同施肥土壤磷酸鹽位及磷酸吸附能量的研究[J]. 土壤通報, 20(5): 208-210.

陳琨, 秦魚生, 喻華, 等. 2015. 不同肥料/改良劑對冷泥田水稻生長、養分吸收及土壤性質的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 21(3): 773-781.

程程, 姜軍, 徐仁扣. 2011. 支持電解質濃度對磷酸在可變電荷土壤表面吸附和解吸的影響[J]. 土壤學報, 48(3): 557-561.

范呈根, 胡丹丹, 吳建富, 等. 2017. 施用鋼渣粉對水稻生長與產量及重金屬含量的影響[J]. 湖南農業大學學報: 自然科學版, 43(2):125-128.

洪順山, 朱祖祥. 1979. 從磷酸鹽位探討土壤中磷的固定機制及其有效度問題[J]. 土壤學報, 16(2): 94-109.

胡克偉, 顏麗, 關連珠. 2004. 土壤硅磷素交互作用研究進展[J]. 土壤通報, 35(2): 230-233.

李仁英, 邱譯萱, 劉春艷, 等. 2013. 硅對水稻土磷吸附-解吸行為的影響[J]. 土壤通報, 44(5): 786-791.

李仁英, 沈孝輝, 謝曉金, 等. 2014. 施硅對土壤-水稻系統中磷遷移的影響[J]. 土壤學報, 51(2): 423-428.

李學垣. 2005. 土壤化學[M]. 北京: 高等教育出版社: 100-117.

林克惠. 1965. 土壤中磷鹽的狀態、有效度及提高有效度的一般途徑[J].土壤通報, (3): 49-52.

林忠炎. 1983. 磷酸鹽位用于土壤需磷診斷的研究[J]. 土壤學報, 20(3):279-285.

魯如坤. 2000. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京: 中國農業科技出版社:12, 107, 166, 180, 201, 278.

毛達如. 1994. 植物營養研究方法[M]. 北京: 中國農業大學出版社:115-120.

區惠平, 周柳強, 黃美福, 等. 2016. 不同施磷量下稻田土壤磷素平衡及其潛在環境風險評估[J]. 植物營養與肥料學報, 22(1): 40-47.

2.4.2 術后隨訪 TURBT術后應規律隨訪，膀胱鏡檢為NMIBC患者隨訪的金標準，檢查過程中發現異常均應取活檢。推薦術后3個月時行第1次膀胱鏡檢，高危患者前2年每3個月1次，第3年開始每6個月1次，第5年開始每年1次直至終身。低危患者如第1次鏡檢陰性，可于術后1年行第2次鏡檢，之后每年1次直至第5年。中危患者介于兩者之間。隨訪過程中一旦出現復發，治療后的隨訪方案按上述方案重新開始。

時正元, 魯如坤, 顧益初. 1995. 土壤積累態磷研究Ⅰ.一次大量施磷的產量效應[J]. 土壤, (2): 57-59.

田甜. 2017. 外源硅對土壤吸附磷素特征及有效性的影響[D]. 沈陽: 沈陽農業大學.

王純, 王維奇, 林德華, 等. 2013. 施加鐵爐渣對福州平原稻田土壤養分動態的影響[J]. 水土保持學報, 27(2): 110-114.

王耀晶, 孫輝, 楊丹, 等. 2012. 施用高爐渣對土壤磷吸附-解吸特性的影響[J]. 環境工程學報, 6(8): 2887-2891.

翁穎, 張維玲, 陳國海, 等. 2017. 硅肥對水稻產量及養分吸收的影響[J]. 浙江農業科學, 58(8): 1312-1314.

謝凡. 2016. 不同硅肥用量對水稻生長發育及養分吸收的影響[D]. 南昌:江西農業大學: 15-18.

許佳瑩. 2012. 氮硅配施對不同品種水稻產量及生理特性的影響[D]. 北京: 中國水稻研究所: 28-30.

閆金龍. 2016. 鐵氧化物-有機質復合物對磷的吸附與形態調控效應研究[D]. 重慶: 西南大學: 43-44.

張璐, 蔡澤江, 文石林, 等. 2017. 兩種鋼渣源調理劑對水稻生長及氮磷鉀吸收量的影響[J]. 農業資源與環境學報, 34(5): 439-448.

趙小蓉, 林啟美. 2001. 微生物解磷的研究進展[J]. 土壤肥料, (3): 7-11.

朱祖祥. 1979. 土壤磷酸鹽位的理論與應用[J]. 土壤學報, 16(2):190-202.

Effect of Exogenous Silicon on Phosphate Potential and Phosphorus Availability in Alkaline Paddy Soil

YANG Dan, TIAN Tian, YAN Ying, HE Na, LIU Mingda*
College of Land and Environmental Sciences, Shenyang Agricultural University, Shenyang 100866, China

Phosphate potential is the intensity indicator and also the primary factor determining soil phosphorus (P) availability. The effect of silicon on soil phosphorus potential, soil chemical mechanisms of exogenous silicon application on soil P availability were investigated in order to optimize the application of silicon fertilizers and scientific regulation of soil phosphorus. These are also important to reduce the phosphate rock resources exploitation and the use of phosphate fertilizer as well as prevent and control non-point source pollution in farmlands. The pot and soil culture experiment were conducted with paddy topsoil collected from Kangping County of Shenyang. Four treatments ( potassium silicate content: 0, 30, 60, 120 mg·kg-1, marked as Si0, Si30, Si60,Si120, respectively ) were set up with neutralizing alkaline of potassium silicate and balancing K+to study the effect of exogenous silicon on soil phosphate potential and phosphate uptake by rice. The results showed that silicon enhanced H+activity in the soil extraction. Compared with the control, the H+activity in treatment of Si30、Si60 and Si120 increased 26.02%, 25.59 % and 146.77%,respectively.activity in the treatment of Si60 and Si120 increased 30.25 % and 99.26%, respectively. There were extremely significant differences for H+activity andion activity. The P uptake by rice increased with the application amount of silicon.While silicon was applied at 30, 60, 120 mg·kg-1, P uptake by plant increased 16.41%, 19.20% and 69.07%, respectively, compared with the control. There were significant negative correlation between phosphate potential and plant P uptake, indicating that phosphate potential might reflect the bio-availability of soil phosphorus. Our results indicates that silicon can increaseactivity, lower phosphate potential of soil and enhance soil P supplying intensity. Soil phosphate potential can be the index for soil P bio-availability.

exogenous silicon; paddy-field soil; phosphate potential; bio-availability

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.12.008

S156; X171.1

A

1674-5906（2017）12-2052-05

楊丹, 田甜, 閆穎, 何娜, 劉鳴達. 2017. 外源硅對堿性土壤磷位及磷有效性的影響[J]. 生態環境學報, 26(12):2052-2056.

YANG Dan, TIAN Tian, YAN Ying, HE Na, LIU Mingda. 2017. Effect of exogenous silicon on phosphate potential and phosphorus availability in alkaline paddy soil [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(12): 2052-2056.

沈陽市科技創新條件與環境建設項目（1091179-1-00）

楊丹（1977年生），女，副教授，博士，從事農業面源污染、污染土壤修復與利用等方面的教學及科研工作。E-mail:yangdan_dfcy@163.com

*通信作者。劉鳴達，E-mail: mdsausoil@163.com

2017-09-14