添加紫云英對稻田土壤顆粒吸附磷酸鹽的影響

章 文，王 慧，李 敏，程文龍，卜容燕，唐 杉，韓 上，武 際*，朱 林，余慶柱

（1 安徽農業大學資源與環境學院, 安徽合肥 230036;；2 安徽省農業科學院土壤肥料研究所 / 養分循環與資源環境安徽省重點實驗室, 安徽合肥 230031；3 安徽省桐城市呂亭鎮農技站, 安徽桐城 231402）

磷素是植物生長發育所必需的三大營養元素之一，植物主要從土壤磷庫和磷肥中獲取磷素[1]。由于土壤對磷有強烈的吸附固定作用，磷肥施入土壤后，很容易被土壤顆粒表面或土壤中的鐵鋁氧化物等吸附轉化成作物難以吸收的難溶性磷酸鹽，導致磷肥當季利用率降低[2]，因此如何提高磷肥當季利用率和土壤磷素有效性一直是磷素研究的熱點。磷素的界面反應在一定程度上影響著磷的地球化學行為和生態系統的生產率，其在土壤礦物表面的吸附、解吸和沉淀等界面反應影響和決定著磷的形態、遷移以及循環過程，受土壤pH、有機質、有機酸、施肥水平、土壤質地、土壤礦物類型等多種因素的影響[3-7]。

紫云英是我國南方稻田主要的冬季豆科綠肥，具有固碳固氮、活化土壤養分、增加土壤有機質和改善土壤環境等作用，對提高水稻產量、維持水稻可持續發展和保護農田生物多樣性具有重要意義[8]。豆科作物的根系分泌物能夠提高土壤磷素有效性，促進植物活化吸收難溶性磷酸鹽的能力[9]。研究認為綠肥影響土壤磷素吸附-解吸主要是由綠肥翻壓腐解產生的可溶性有機物引起[10]，綠肥翻壓還田后的腐解過程會向土壤中釋放有機酸及陰離子，增強與磷素的競爭吸附，降低土壤對磷素的固持[11]。同時紫云英根系分泌的有機酸對土壤難溶性磷素的活化有很好的促進作用，提高土壤磷素有效性[12-14]。一方面有機酸分子可與礦物表面的配位基發生交換反應，進而增加磷等陰離子養分的植物有效性[15]，另一方面，有機酸通過與磷酸根離子競爭吸附點位而降低土壤對磷的吸附固定，促進磷的解吸增加磷的有效性[5]。紫云英翻壓還田通過提高參與磷轉化的酶活性、增加土壤微生物數量等改善土壤磷素養分狀況，顯著提升土壤有效磷含量[16]。紫云英根部具有聚磷能力，作為綠肥還田，再經過腐解、積累，增加了磷素的投入量，土壤磷總量提高，紫云英根系分泌的磷酸酶，能夠促進土壤潛在磷的生物轉化，通過提高土壤中磷的解吸速率的方式，從而減少了土壤對磷的吸附固定[17]，并且在紫云英翻壓初期向土壤釋放較多的質子，促進鐵磷和鋁磷等含磷礦物的溶解，從而有利于磷素的釋放[18]。

我們從不同粒級土壤顆粒對外源帶入的磷素的吸附能力角度，研究紫云英添加下影響磷素吸附特征的肥力因子，旨在為紫云英翻壓還田土壤磷素管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自安徽省桐城市未種植過紫云英的稻田，該土壤含有機質25.07 g/kg、全氮1.27 g/kg、全磷0.37 g/kg、有效磷19.50 mg/kg、速效鉀165 mg/kg、pH為5.47。紫云英采集于安徽省桐城市，其全碳、全氮、全磷、全鉀含量(干重)分別為462.60 g/kg、27.18 g/kg、3.28 g/kg、18.75 g/kg。

1.2 試驗設計

采用土培試驗，設置0、15000、22500和30000 kg/hm2共4個紫云英添加量，分別為CMV0、CMV1、CMV2和CMV3。將采集的土壤風干捶碎后，稱取1400 g與不等量的紫云英鮮樣進行充分混合，然后裝入高20 cm、直徑15 cm圓形塑料桶進行土培試驗，其中紫云英鮮樣剪成1～2 cm長度。土培試驗全程保持淹水狀態，淹水深度約為1 cm，每隔3天通過稱重法補充水量。在土培時間30天采集土壤樣品，每個處理重復3次。土培結束后取出全部土壤樣品，風干，一部分分別過0.85 mm和0.15 mm篩，用于測定土壤基本養分含量；另一部分過0.25 mm篩，用于土壤顆粒提取。

1.3 土壤顆粒分級與性質測定

1.3.1 土壤顆粒分級 通過濕篩法將土壤顆粒進行分級。具體如下：首先過48 μm孔徑濕篩，分離出粒徑為48～250 μm的細砂粒。48 μm粒徑以下部分采用沉降法，根據Stokes定律計算沉降時間，用虹吸管反復吸取土壤溶液上層粒徑＜2 μm的粘粒，加入0.5 mol/L CaCl2對粘粒進行絮凝[19]。然后用去離子水和95%酒精進行清洗，直至AgNO3檢測無Cl-存在。大燒杯底部所沉降顆粒為粒徑2～48 μm的粉粒。以上3種土壤顆粒洗凈放置于40℃烘箱烘干，即得到細砂粒 (48～250 μm)、粉粒 (2～48 μm)和粘粒 (＜2 μm)。

1.3.2 土壤顆粒性質測定 土壤顆粒基本理化指標的測定采用常規分析方法[20]。土壤顆粒比表面積采用氮氣吸附法—比表面積測定儀進行測定。

1.4 吸附試驗

1.4.1 等溫吸附 在50 mL離心管中加入10 mL濃度為8 g/L土壤懸浮液，隨后加入一定量的磷酸鹽溶液(KH2PO4)，使磷酸鹽的最終濃度分別為0、2、5、10、20、50、80、100、200 μmol/L，總反應體積為20 mL，不足部分用背景電解質溶液補充，反應水土比4∶1，背景電解質濃度為0.01 mol/L KNO3。用0.01 mol/L KOH和0.01 mol/L KNO3調節反應體系pH為5.50。該體系在25℃恒溫搖床上震蕩24 h，轉速180 r/min。反應結束后在8000 r/min條件下離心10 min，用0.45 μm微孔濾膜抽濾，獲取上清液，采用鉬銻抗分光光度法(λ=880 nm)測定上清液中磷濃度。根據吸附反應前后溶液中磷的濃度差，計算磷的吸附量。

1.4.2 動力學吸附 配制50 μmol/L的磷溶液(KH2PO4) 400 mL，使得其水土比4∶1，離子背景濃度 0.01 mol/L KNO3。分別于 10、20、30、60、90、120、150、180、240、360、540、720、1440 min，吸取10 mL混合液于50 mL離心管，立即在8000 min的條件下離心10 min。用0.01 mol/L KOH和0.01 mol/L KNO3調節反應體系pH為5.50。用0.45 μm微孔濾膜抽濾獲取上清液，采用鉬銻抗分光光度法(λ=880 nm)測定上清液中磷濃度。磷的吸附量計算如上。

1.5 數據處理

1.5.1 等溫吸附 磷吸附試驗擬合方程應用修正后的Langmuir方程：

式中，Qe為磷在供試土壤表面的平衡吸附量 (μmol/g)；Qm為磷在供試土壤顆粒表面的理論最大吸附量(μmol/g)；Ceq為平衡吸附上清液中的磷濃度 (μmol/L)；NAP為土壤本底吸磷量 (μmol/g)；KL為供試土壤對磷的吸附力常數，反映結合鍵能的大小。EPC0為該擬合方程與X軸的截距，表示供試土壤既不吸附也不向溶液中解吸磷時水土界面的磷臨界濃度；Kp為磷在土壤的分離系數，表示土壤對磷的親和力的大小。

1.5.2 動力學吸附 本試驗采用二級動力學模型對試驗數據進行擬合。方程如下：

式中，Qt為t時刻土壤對磷的吸附量(μmol/g)；t為反應時間 (min)；Qe為平衡吸附量 (μmol/g)；k2為吸附速率常數；H=k2Qe2，為初始吸附速率。

1.5.3 數據分析 本試驗數據用Microsoft Office 2003軟件進行處理，用SPSS 26.0進行差異顯著性分析檢驗[Ducan (D)，P＜0.05]和Pearson相關分析，運用Origin 2017軟件進行數據擬合并作圖。

2 結果與分析

2.1 不同紫云英添加量下土壤顆粒表面磷的等溫吸附

從磷酸鹽在不同粒徑土壤顆粒表面的等溫吸附曲線(圖1)可以看出，磷酸鹽的吸附量隨著平衡液磷濃度的增加先快速增加后緩慢上升，呈“L”型，用Langmuir方程對數據進行擬合，均獲得較好的擬合結果 (R2＞0.89，P＜0.01)，擬合參數見表1。

圖1 添加紫云英(CMV)下土壤顆粒對磷的等溫吸附曲線Fig.1 Isothermal adsorption curves of phosphorus on soil particles with the addition of CMV

從表1可以看出，在砂粒中，添加紫云英處理的最大吸附量(Qm)值、土壤本底吸磷量(NAP)值、吸附力常數(KL)值、磷臨界濃度(EPC0)值和分離系數(Kp)值分別比CMV0提高了4.02%～46.81%、18.82%～40.91%、3.15%～58.71%、1.86%～26.03%和2.74%～38.36%。其中CMV2處理的Qm、KL、EPC0、NAP分別比CMV0處理提高了46.81%、45.86%、26.03%和28.27%。CMV2處理Qm和EPC0值最大，比CMV0、CMV1和CMV3處理分別提高了8.99%～46.81%和8.58%～26.03%；CMV1處理的Kp最大，為2.02。在粉粒中，添加紫云英處理的Qm值、NAP值、KL值、EPC0值和Kp值分別比CMV0提高1.24%～52.81%、116.77%～210.78%、29.55%～69.05%、93.62%～141.28%和11.97%～28.87%。其中CMV3處理的Qm、KL、EPC0、NAP分別比CMV0處理提高了33.61%、69.05%、124.68%和171.26%，此外，CMV2處理EPC0、NAP和Kp值均最大。在粘粒中，添加紫云英處理的Qm值、NAP值、KL值和EPC0值分別比CMV0提高4.04%～9.63%、1.86%～18.85%、24.45%～91.78%和32.92%～52.17%。其中CMV2處理的Qm、KL、EPC0、NAP值分別比CMV0處理提高了9.48%、51.95%、44.10%和18.85%，其中CMV2處理的NAP最大；Kp則隨著紫云英添加量的增加而降低。因此紫云英添加提高了砂粒和粉粒對磷的吸附量、吸附強度以及對磷素的親和力；增加了粘粒對磷的吸附量和吸附強度，但降低對磷的分離系數。

表1 添加紫云英(CMV)下土壤顆粒對磷的等溫吸附擬合參數Table 1 The Langmuir fitting parameters of phosphate adsorption on soil particles with the addition of CMV

不同粒徑土壤顆粒之間相比較，Qm、NAP、Kp均在粘粒中達到最大值，按大小排列為粘粒＞砂粒＞粉粒。KL和EPC0在砂粒中最大，按大小排列為砂粒＞粉粒＞粘粒。

2.2 不同紫云英添加量下土壤顆粒表面磷的動力學吸附

將磷酸鹽在不同粒徑土壤顆粒表面動力學吸附數據用二級動力學方程進行擬合，均獲得較好的擬合結果(R2＞0.99，P＜0.01) (圖2和表2)。在砂粒中，紫云英添加提高了平衡吸附量(Qe)、初始吸附速率(H)和吸附速率常數(k2)，分別增加了2.43%～5.02%、5.26%～76.69%和5.31%～91.54%；其中H和k2均在CMV2最大。在粉粒中，添加紫云英提高了Qe、H和k2值，分別提高了2.39%～14.68%、1.57%～24.40%和7.98%～35.69%，其中H和k2值也均在CMV2最大。在粘粒中，添加紫云英提高了Qe、H和k2值，分別增加1.09%～9.30%、25.77%～98.20%和25.74%～111.15%；其中CMV2處理的H和k2值最大。由上可知，添加紫云英提高了各粒徑土壤顆粒對磷的初始吸附速率(H)和吸附速率常數(k2)，其中CMV2處理的H值和k2最高；添加紫云英對粘粒的H值和k2值增加幅度最高。

表2 添加紫云英(CMV)下不同粒徑土壤顆粒表面磷的二級動力學吸附參數Table 2 The secondary kinetic adsorption parameters of phosphorus on soil particles under different CMV addition

圖2 添加紫云英(CMV)下土壤顆粒對磷的動力學吸附Fig.2 The kinetic adsorption of phosphorus on soil particles under different CMV addition

不同粒徑之間相比較，Qe按大小排列為粘粒＞砂粒＞粉粒；H值的大小順序依次為砂粒＞粘粒＞粉粒；k2值大小順序依次為砂粒＞粉粒＞粘粒。

2.3 不同紫云英添加量下土壤顆粒中的養分含量與比表面積

表3表明，相同粒徑下，添加紫云英3個處理的土壤有機質含量顯著高于不添加紫云英處理(CMV0)，處理中砂粒、粉粒和粘粒中CMV1、CMV2和CMV3處理有機質含量比CMV0處理分別增加了33.42%～81.04%、13.43%～20.37%和1.43%～10.36%，在砂粒中添加紫云英下土壤有機質含量增幅最高。對于全氮含量，在砂粒和粘粒中，CMV1、CMV2和CMV3處理比CMV0分別顯著增加了4.83%～15.17%、1.56%～7.55%；但在粉粒中各處理土壤全氮含量差異不明顯。添加紫云英也顯著提高了砂粒、粉粒和粘粒中全磷含量，其中在砂粒中全磷提高幅度最高，CMV1、CMV2和CMV3處理全磷含量比CMV0增加了45.45%～51.52%；但在砂粒CMV1、CMV2和CMV3處理之間土壤全磷含量差異不明顯。添加紫云英也顯著提高了砂粒、粉粒和粘粒中有效磷含量，砂粒的有效磷提高幅度最高，為40.76%～60.70%；同時在粉粒和粘粒中CMV2處理有效磷含量分別比CMV0處理提高了52.20%和12.70%，均達到顯著性差異(P＜0.05)；對比不同紫云英添加量之間，在各粒級中CMV2處理土壤有效磷含量均為最高，在砂粒和粉粒中CMV2處理明顯高于其他處理，達到顯著性差異。綜上，添加紫云英處理均顯著提高了砂粒、粉粒和粘粒中有機質、全氮、全磷和有效磷含量，其中添加紫云英在砂粒中土壤各養分含量提升幅度最大。土壤各養分含量大小依次排列為粘粒＞砂粒＞粉粒。

表3 添加紫云英(CMV)下土壤顆粒養分含量與比表面積Table 3 The nutrient content and specific surface area (SSA) of soil particles as affected by CMV addition

對比土壤顆粒比表面積(SSA)，添加紫云英3個處理顯著增加了粉粒的SSA值，但明顯降低了砂粒和粘粒的SSA值。對比不同粒徑，粘粒的土壤比表面積最大，土壤顆粒比表面積大小依次為粘粒＞砂粒＞粉粒。

2.4 土壤理化性質和比表面積與等溫吸附參數的相關關系

將等溫吸附參數與土壤理化性質進行相關性分析(表4)表明，砂粒中的Qm與土壤有效磷含量顯著相關(P＜0.05)；NAP與土壤全磷含量和比表面呈極顯著相關(P＜0.01)；EPC0與土壤全氮和有效磷含量顯著相關(P＜0.05)。在粉粒中，Qm與土壤全磷含量顯著相關；NAP與土壤有機質和全磷含量極顯著相關(P＜0.01)，與土壤有效磷含量顯著相關；EPC0與土壤有機質、全磷含量極顯著相關(P＜0.01)，與土壤有效磷含量顯著相關；KL與土壤全磷含量顯著相關；Kp與土壤有機質、全磷和有效磷含量極顯著相關。在粘粒中，Qm與土壤全磷和有效磷含量極顯著相關(P＜0.01)；EPC0與土壤有機質、全氮、全磷含量和比表面積極顯著相關；Kp與土壤顆粒有機質、全氮含量和比表面積呈極顯著相關(P＜0.01)。

3 討論

在本試驗中，添加紫云英顯著提高了土壤有機質、全氮、全磷和有效磷含量。大量研究證明紫云英腐解速率對土壤肥力具有重要影響。由于紫云英中可溶性及易分解有機物質豐富，為土壤微生物提供大量的碳源和養分，致使前期腐解較快[21]。宋莉等[22]發現，紫云英腐解總的特征是前期快、后期慢，主要集中在前30天，腐解達到總腐解量的90%。稻田翻壓紫云英通過提高參與碳、氮、磷等養分轉化的酶活性，增加相關微生物量，提高土壤活性有機碳含量和碳轉化酶活性，進而培育土壤碳庫和氮庫，對土壤有機質、全氮具有顯著提升作用，改善土壤速效養分；同時降低了土壤容重，增加土壤孔隙度和毛管孔隙度，提高了粒徑＞2 mm土壤團聚體的比例和土壤團聚體的穩定性[8,23-25]，改善土壤肥力。

土壤肥力特征是影響土壤吸附磷的重要因素，在本試驗中通過相關關系分析表明，土壤有機質、全氮、全磷、有效磷均與土壤磷吸附參數呈現顯著或極顯著的相關關系(表4)。土壤有機質是影響磷素行為的重要因素之一。研究認為有機質對磷的吸附具有雙重作用[26]：一方面土壤有機質在磷的吸附過程中與土壤中陰離子結合，增加與磷的礦物吸附位點的競爭；另一方面土壤有機質與鐵鋁螯合形成陽離子橋，增加磷吸附位點，從而提高土壤吸附固定磷能力[27-29]。本試驗中添加紫云英處理顯著提高砂粒、粉粒和粘粒中有機質含量，而添加紫云英后的砂粒、粉粒和粘粒中磷素的吸附量(Qm)也分別提高4.02%～46.81%、1.24%～52.81%和4.04%～9.63%，且有機質與NAP (粉粒)、Kp(粉粒)呈極顯著正相關關系，因此紫云英添加到土壤后在腐解過程中產生大量的有機酸，在提高土壤有機質的同時，也可能溶解了土壤中的結晶態鐵鋁，提高土壤鐵鋁等氧化物的活性[18]，增加土壤顆粒中磷素吸附位點和對磷素的吸附強度，提高土壤顆粒對磷的吸附量(Qm)、本底吸磷量(NAP)和土壤顆粒對磷的親和力(Kp)。Fan等[30]和Pizzeghello 等[31]在南方泥田土和紅壤中施入有機肥也顯著增加磷的最大吸附量。因此添加紫云英通過提高土壤顆粒中有機質含量，大幅增加土壤顆粒對磷素的吸附能力。

表4 土壤養分含量與等溫吸附參數的相關性Table 4 Correlation between soil nutrient content and isothermal adsorption parameters

土壤有效磷以及全磷常用作衡量土壤供磷能力和評估磷素流失風險的主要指標[1]。在本試驗中土壤全磷和有效磷含量與Qm、NAP、EPC0、KL和Kp均達到顯著相關關系，特別是土壤有效磷分別與Qm、NAP以及EPC0之間呈現出顯著或極顯著的正相關關系(表4)。添加紫云英通過活化土壤中難溶態磷的含量以及自身磷素釋放入土壤中，增加磷素吸附的“源”[32]。這與張海濤等[33]的磷肥施用或土壤磷水平的增加，土壤最大吸磷量(Qm)呈降低趨勢研究結果相反。這主要可能由于本試驗中砂粒和粉粒中全磷(＜0.50 g/kg)與有效磷 (＜36.27 mg/kg)均較低，低濃度磷土壤顆粒對磷的吸附固定能力較強，從而土壤顆粒中全磷和有效磷含量增加，提高土壤顆粒吸附磷的“源”；但磷“源”增加的絕對值較低，不足以提高磷素的流失風險。而在粘粒中，Qm和顆粒中全磷和有效磷呈顯著正相關關系，NAP和KL也都與有效磷呈正相關關系，這可能與粘粒中鐵鋁氧化物、鈣鎂含量及表面電化學性質等相關。

土壤顆粒的比表面積也影響著土壤磷素吸附行為，隨著土壤顆粒粒徑減小，比表面積增大，顆粒表面提供的有效吸附位點增多，提高土壤顆粒對磷的吸附量[34]。本試驗在砂粒中，土壤比表面積與NAP值呈極顯著負相關；在粘粒中與EPC0值、Kp值分別呈極顯著負相關關系和正相關關系，這表明磷素在土壤顆粒表面的吸附，是多因素綜合影響的結果。同時也看到，在砂粒和粘粒中，紫云英添加降低了這兩個粒徑土壤顆粒的比表面積，這可能由于過量地添加紫云英大幅提高土壤有機質含量，促進土壤顆粒之間的凝聚，甚至這些有機物質包被在土壤顆粒表面[35]，降低了土壤顆粒的比表面，這與王瓊等[36]在黑土上的研究結果一致。

土壤顆粒類型也是影響磷素吸附的重要因素，粘粒對磷的吸附量和吸附能力要高于粉粒和砂粒[30,36-37]。在本試驗中添加紫云英提高了砂粒和粉粒對磷素的Qm和KL值，但對粘粒的Qm和KL值影響較小，也即添加紫云英可以提高砂粒和粉粒對磷的吸持，特別在含砂粒和粉粒較多的土壤中添加紫云英可以提高土壤顆粒對磷的吸持。本研究中，添加紫云英在顯著提高土壤各養分含量的同時，還提高了不同顆粒粒徑對磷的吸附量、吸附強度和吸附速率。但應當注意的是，在砂粒和粘粒中，CMV3處理的磷素最大理論吸附量Qm值和NAP值都要低于CMV2處理，也即CMV2處理各土壤顆粒粒徑的磷素吸附量和吸附強度達到最高，而在粉粒中，CMV3處理的磷素最大理論吸附量Qm值和KL值最高，因此在農業生產中要結合土壤質地控制好紫云英的添加量。綜上，添加適量的紫云英不僅可以提高磷的生物有效性，還可以提高土壤各種粒徑顆粒對磷的吸持能力，是稻田土壤磷素科學管理的有效途徑。

4 結論

添加紫云英可顯著提高不同粒徑土壤顆粒中的養分含量，以砂粒中的提升幅度最大，其中有機質、全氮、全磷、有效磷含量提高幅度分別達81.04%、15.17%、51.52%和60.70%。

添加紫云英有效提高不同粒徑土壤顆粒對磷的最大理論吸附量(Qm)、土壤本底吸磷量(NAP)和吸附強度(KL)，砂粒中磷的Qm可提高46.81%，粉粒中磷的吸附強度(KL)、土壤磷臨界濃度(EPC0)和土壤本底吸磷量(NAP)，可分別提高69.05%、124.68%和171.26%。各粒徑下，等溫吸附參數與土壤各養分含量分別呈顯著或極顯著相關關系。

不同紫云英添加量下，土壤顆粒對磷的動力學吸附過程符合二級動力學方程模型。各粒徑下，添加紫云英可以有效提高初始吸附速率(H)和吸附速率常數(k2)。在粘粒中，相較于不添加紫云英處理，H和k2分別提高了98.20%和111.15%。