腐殖酸和生物質(zhì)炭對土壤磷素轉(zhuǎn)化及甘蔗生長的影響

劉蕓渟, 潘俊臣, 莫碧霞, 姚校娟, 易 科, 覃 美, 唐新蓮

(廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院甘蔗生物學(xué)重點實驗室,廣西南寧 530004)

磷是植物必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素,對作物產(chǎn)量與品質(zhì)具有至關(guān)重要的作用[1]。甘蔗作為我國重要的經(jīng)濟作物,屬于多年生禾本科單子葉植物,其生長期長,對磷素需求量多,磷肥施用量大[2-3]。廣西壯族自治區(qū)地處熱帶、亞熱帶地區(qū),具有優(yōu)異的氣候條件和豐富的水資源,是我國甘蔗的主產(chǎn)區(qū);但廣西壯族自治區(qū)絕大多數(shù)蔗區(qū)土壤類型為酸性紅壤,該土壤脫硅富鋁、富鐵化嚴(yán)重,土壤中的鐵鋁氧化物極易將磷(P)固定成難溶性磷酸鹽而難以被植物直接吸收利用,進而導(dǎo)致土壤有效磷含量及甘蔗的當(dāng)季磷肥利用率低,僅有10%～25%[4]。為滿足甘蔗對磷含量的高需求,生產(chǎn)上普遍存在過量施用磷肥的情況,這不僅增加了生產(chǎn)成本,還導(dǎo)致酸性土壤區(qū)土壤磷素大量累積,增加了水土環(huán)境污染風(fēng)險,不利于甘蔗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此,研究減少土壤中磷的累積與固定、活化土壤磷庫中潛在的磷以提高磷肥利用率的有效措施非常關(guān)鍵,也是我國磷肥可持續(xù)發(fā)展中亟需解決的問題。

腐殖酸結(jié)構(gòu)上有酚羥基、羧基等含氧官能團,具有較強的離子交換性、吸附性,可降低土壤礦物對磷酸鹽的吸附。生物質(zhì)炭是一種富炭、穩(wěn)定性高的有機物質(zhì),具有透氣性較好、比表面積大、穩(wěn)定性高等特點,一般呈弱堿性[5]。研究表明,施用腐殖酸肥料能減少土壤對磷的固定,提高土壤速效磷含量[6],使土壤磷素主要以無機磷Fe-P、Al-P的形態(tài)存在[7-9],單施腐殖酸有機肥能增加玉米產(chǎn)量和肥料利用率[10-11],同時能改變土壤膠體對磷的吸附,促進磷的轉(zhuǎn)化。現(xiàn)有的研究表明,腐殖酸和生物質(zhì)炭都能活化土壤磷,但活化效果和機制尚不十分清楚,二者的復(fù)合作用也鮮見報道。近年來,腐殖酸和生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用主要集中在土壤改良、環(huán)境效應(yīng)等方面[12-13],而對土壤磷素轉(zhuǎn)化的影響,特別是對于南方酸性土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中腐殖酸和生物質(zhì)炭的響應(yīng)機制及對甘蔗生長和磷素吸收利用的研究還鮮有報道。因此,本研究采用盆栽試驗,設(shè)置了2個施磷水平和腐殖酸與生物質(zhì)炭2種磷素活化劑不同配比,探究腐殖酸與生物質(zhì)炭配合減量磷肥的施用對酸性土壤有機質(zhì)、速效磷含量,無機磷各形態(tài)轉(zhuǎn)化及磷肥利用率的影響,以期為今后腐殖酸和生物質(zhì)炭型活化土壤磷素專用肥的研發(fā)及甘蔗高產(chǎn)、磷高效的養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤材料

供試土壤采集自廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院實驗基地,為第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育的赤紅壤,基本理化性狀如下:含全氮0.63 g/kg,全磷0.45 g/kg,速效磷 10.52 mg/kg,堿解氮139.86 mg/kg,有效鉀 125.00 mg/kg,有機質(zhì)15.07 g/kg,Al-P 13.35 mg/kg,Fe-P 98.89 mg/kg,Ca-P 17.59 mg/kg,O-P 3.48 mg/kg,pH值為5.78。

供試材料為腐殖酸原粉、生物質(zhì)炭(稻殼)。供試氮肥為尿素(N含量46%)、磷肥(P2O5含量16%)、氯化鉀(K2O 60%),甘蔗供試品種為廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院甘蔗生物學(xué)重點研究室培育的中蔗9號(Z9),該品種具有早生、快發(fā)、晚熟和產(chǎn)量高的特點。

1.2 試驗設(shè)計

試驗磷肥設(shè)置0.1、0.2 g P2O5/kg土這2個水平,腐殖酸(F)和生物質(zhì)炭(S)處理組均設(shè)0、2 g/kg土這2個水平,加上空白對照(CK)共9個處理(試驗方案見表1),除CK外其余各處理的氮鉀肥均按0.4 g/kg土施用,每個處理3次重復(fù),完全隨機化設(shè)計。盆栽試驗每桶(高40 cm、直徑60 cm )裝入過 5 mm×5 mm 網(wǎng)篩的風(fēng)干土30 kg,按表1試驗方案將肥料與供試材料混勻裝入,澆自來水使土壤含水量達到田間最大持水量的60%。將中蔗9號切成長度4～5 cm 的單芽莖,經(jīng)浸泡催芽、長根,選取長勢一致的單芽莖。于2020年7月20日種植,每桶種植5株,2周后間苗定植3株,盆栽置于廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院溫網(wǎng)室種植,種植期間不追肥,2021年1月2日收獲。樣品采集稱質(zhì)量后裝至無菌袋中帶回實驗室,用去離子水清洗干凈,放置105 ℃烘箱殺青0.5 h后,于65 ℃烘箱完全烘干后稱質(zhì)量,粉碎混勻后用于測定全磷含量。

表1 盆栽試驗方案 g/kg

1.3 測定項目與方法

土壤pH值采用電極法,土水比為1 g ∶2.5 mL;土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;土壤堿解氮含量采用凱氏定氮蒸餾法測定;土壤有效鉀含量采用1 mol/L NH4OAc溶液浸提-火焰光度法測定;土壤磷酸酶活性采用對硝基苯磷酸二鈉(PNPP)法測定;土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)浸提-鉬銻抗比色法測定;土壤無機磷形態(tài)含量采用連續(xù)浸提法測定,其中土壤 Fe-P 含量采用0.1 mol/L NaOH浸提,土壤Al-P含量采用0.5 mol/L NH4F(pH 8.2)浸提,土壤 Ca-P 含量采用0.5 mol/L(1/2H2SO4)浸提,土壤O-P含量采用0.3 mol/L檸檬酸鈉溶液浸提,濾液均采用鉬銻抗比色法測定;甘蔗全磷含量采用H2SO4-H2O2消化-釩鉬黃比色法測定[14]。

按以下公式進行計算:

磷積累量(g/桶)=干質(zhì)量(g)×全磷含量(%);

磷肥利用率=(施磷處理甘蔗吸磷總含量-不施磷處理甘蔗磷總含量)/施磷量×100%;

磷素活化率(PAC)= (土壤速效磷含量/土壤全磷含量)×100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)整理、作圖,采用SPSS 23軟件的鄧肯比較法進行顯著性差異分析(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對酸性土壤速效磷含量及磷素活化率的影響

由表2可知,隨著種植時間的延長,土壤速效磷含量除P2FS外均呈先降低后升高的趨勢,且施用腐殖酸和生物質(zhì)炭的各處理在第180天的土壤速效磷含量除P2FS外均顯著高于空白對照(CK)和單施磷肥處理(P1和P2)。在種植的第60天、120天,P1F、P1S和P1FS處理顯著高于CK和P1處理,P2S和P2FS處理顯著高于CK和P1、P2處理。種植的第180天,P1F、P1S和P1FS處理的土壤速效磷含量顯著分別比P1處理高25.38%、24.42%和16.87%;P2F、P2S和P2FS處理的土壤速效磷含量分別比P2處理高14.21%、20.54%和10.31%,其中與單施磷肥的處理相比,P1F處理對速效磷含量的增加效果最顯著。

表2 不同處理對土壤速效磷含量及磷素活化率的影響

各處理的土壤磷素活化率變化規(guī)律與土壤速效磷含量變化規(guī)律相似。在種植的第60天、120天、180天施用腐殖酸和生物質(zhì)炭的各處理(P1F、P1S、P1FS、P2F、P2S、P2FS)土壤的磷素活化率顯著高于CK、P1和P2處理(P2F第60天除外)。種植第180天,P1F、P1S和P1FS處理是P1處理的1.21、1.18、1.12倍,P2F、P2S和P2FS處理的土壤磷素活化率是P2處理的1.12、1.19、1.10倍,其中以單施腐殖酸處理(P1F)對土壤磷素活化率的增加效果最顯著,表明施用腐殖酸與生物質(zhì)炭能提高土壤的速效磷素含量、磷酸酶活性,進而促進土壤磷素的轉(zhuǎn)化。

2.2 不同處理對土壤無機磷組分的影響

由表3可知,添加腐殖酸與生物質(zhì)炭的各處理土壤Fe-P的含量高于CK、P1、P2處理。P1F、P1S、P1FS處理的土壤Fe-P含量分別顯著高于P1處理25.33%、10.72%和7.73%,P1F處理的土壤Fe-P含量最高,顯著高于P2處理7.44%。添加腐殖酸與生物質(zhì)炭的各處理中,P1S、P1FS處理的土壤Al-P含量顯著高于P1處理27.85%、72.99%,P2F、P2FS處理的土壤Al-P含量高于P2處理36.51%、57.45%。P1F、P1S、P1FS處理的土壤 Ca-P 含量分別顯著高于P1處理42.27%、29.62%、60.17%,P2F、P2S處理顯著高于P2處理25.12%、40.82%。添加腐殖酸與生物質(zhì)炭的各處理土壤O-P含量低于CK、P1、P2處理,其中P1F、P2F處理的土壤O-P含量分別顯著低于P1、P2處理49.35%、33.02%。在2個施磷水平下,腐殖酸與生物質(zhì)碳的施用對土壤無機磷Fe-P含量提高最明顯,且對土壤無機磷形態(tài)增加大小為Fe-P>Ca-P>Al-P>O-P。

表3 不同處理對土壤無機磷組分的影響 mg/kg

綜上所述,腐殖酸與生物質(zhì)炭施用有效提高了土壤中Fe-P、Al-P、Ca-P的含量,使部分難溶性的O-P轉(zhuǎn)化為相對緩效的Fe-P、Al-P、Ca-P儲存在土壤中,促進難溶性磷O-P向潛在性磷源轉(zhuǎn)化,提高土壤有效性磷源的含量,進而提高土壤磷素的有效性。

2.3 不同處理對酸性土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響

由表4可知,添加生物質(zhì)炭處理的土壤pH值顯著高于CK、P1和P2處理,其中以P1FS處理的土壤pH值最高,可見,生物質(zhì)炭對酸性土壤的酸堿度有一定的調(diào)節(jié)作用。腐殖酸與生物質(zhì)炭施用明顯提高了土壤有機質(zhì)、有效鉀、堿解氮的含量及磷酸酶的活性。其中P1F、P1S和P1FS處理的土壤有機質(zhì)含量顯著高于P1處理10.51%、13.21%和21.44%,P2F、P2S和P2FS處理的土壤有機質(zhì)含量顯著高于P2處理14.39%、10.20%和26.90%,且P1FS和P2FS處理比CK顯著高29.31%、23.23%;P1S處理的土壤有效鉀含量最高,較P1處理顯著提高了24.01%,P2S和P2FS處理的土壤有效鉀含量顯著高于P2處理12.37%和20.55%。P1F、P1S和P1FS處理的土壤堿解氮含量顯著高于P1處理52.58%、89.44%和42.05%,P2F、P2S和P2FS的土壤堿解氮含量較P2處理有所增加,但差異不顯著。同時P1FS處理的土壤磷酸酶活性顯著高于P1處理10.89%,P2F、P2S和P2FS處理的土壤酸性磷酸酶活性顯著高于P2處理11.61%、8.93%和13.39%,且P1FS、P2FS處理的土壤磷酸酶活性比CK顯著高42.11%、33.68%。表明腐殖酸與生物質(zhì)炭的施用提高了土壤有機質(zhì)、有效鉀、堿解氮的含量及磷酸酶的活性,豐富了土壤中的速效養(yǎng)分含量。

表4 不同處理對土壤養(yǎng)分的影響

2.4 不同處理對甘蔗農(nóng)藝性狀及生物量的影響

由表5可知,添加腐殖酸與生物質(zhì)炭的各處理對甘蔗的生長有一定的促進作用。施用腐殖酸和生物質(zhì)炭的各處理株高、莖粗、SPAD值及整株鮮重高于CK、P1(P1F、P1S的株高除外)、P2處理,其中P2F、P2S處理的莖粗顯著高于P2處理14.68%、13.40%,P2F、P2S、P2FS處理的SPAD值顯著高于P2處理26.52%、 22.15%、 21.39%,P2F處理的甘蔗鮮質(zhì)量顯著高于P2處理6.43%。表明腐殖酸與生物質(zhì)炭的施用提高了甘蔗的莖粗、SPAD值和甘蔗的鮮質(zhì)量,進而促進了甘蔗的生長。

表5 不同處理對甘蔗農(nóng)藝性狀及生物量的影響

2.5 不同處理對甘蔗磷含量及磷素積累量的影響

由表6可知,施用腐殖酸與生物質(zhì)炭各處理的甘蔗磷素積累量、磷肥利用率高于CK、P1、P2(P1F、P1FS的磷積累量除外)處理,其中P1F、P1S處理的甘蔗全磷含量顯著高于P1處理7.87%、20.22%,P2F、P2S、P2FS處理的全磷含量顯著高于P2處理27.09%、23.41%、7.02%。P1S處理的甘蔗磷積累量顯著高于P1處理19.65%,P2F、P2S處理顯著高于P2處理27.92%、22.20%。P1S處理的磷肥利用率是P1處理的1.26倍,P2F、P2S、P2FS處理的磷肥利用率分別是P2處理的1.64、1.51、1.25倍。表明腐殖酸與生物質(zhì)炭施用通過提高了甘蔗的全磷和磷積累量,來促進甘蔗對磷素的吸收利用。

表6 不同處理對甘蔗磷含量及磷素積累量的影響

2.6 土壤養(yǎng)分與甘蔗農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表7)表明,土壤速效磷與PAC、Fe-P、有機質(zhì)、有效鉀、堿解氮含量、磷酸酶活性和整株鮮質(zhì)量呈極顯著的正相關(guān)。土壤PAC與Fe-P、Al-P、有機質(zhì)、有效鉀、堿解氮、磷酸酶活性、磷積累量及整株鮮質(zhì)量呈顯著或極顯著正相關(guān)。Fe-P含量與有機質(zhì)含量、有效鉀含量、堿解氮含量、磷酸酶活性及鮮質(zhì)量呈顯著正相關(guān)。Al-P含量與有機質(zhì)含量、有效鉀含量、磷酸酶活性呈顯著正相關(guān),但O-P含量與速效磷含量、PAC、Fe-P含量、有機質(zhì)含量、磷酸酶活性及鮮質(zhì)量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān),表明土壤速效磷含量的提高與土壤的有機質(zhì)、有效鉀、堿解氮含量及磷酸酶活性等養(yǎng)分含量有密切關(guān)系,同時速效養(yǎng)分含量的提高,有利于甘蔗的生長和對養(yǎng)分的吸收利用。

表7 土壤養(yǎng)分與甘蔗農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 腐殖酸和生物質(zhì)炭的施用對磷素轉(zhuǎn)化的影響

腐殖酸和生物質(zhì)炭可改變土壤對金屬離子的吸附,影響磷素有效性[15]。通過添加腐殖酸和生物質(zhì)炭與肥料的合理配施促進作物的生長,提高土壤磷素有效性,是解決磷肥利用率低和新型磷肥研發(fā)及施用問題的重要途徑。閆光第等研究報道,腐殖酸減少了土壤對磷的固定,提高了土壤速效磷的含量[16-17];高天一等研究表明,生物質(zhì)炭增加了土壤磷的積累,提高土壤中磷素有效性[18],且據(jù)楊彩迪等研究表明,施用生物質(zhì)炭提高了土壤中全磷、速效磷的含量[19]。而本研究結(jié)果表明,施用腐殖酸與生物質(zhì)炭顯著提高了土壤速效磷含量、磷素活化率及無機磷(Fe-P、Al-P)的含量,且單獨施用的處理較配合施用處理效果更顯著,其中以P1S處理的影響效果最顯著。

本研究發(fā)現(xiàn)CK處理的磷素活化率隨時間的增加呈降低的趨勢,這可能由于無外源磷施入,作物從土壤中持續(xù)吸收速效磷,使有效磷含量降低,進而使磷素活化率降低, 這個現(xiàn)象在魯艷紅等的研究中也有類似的報道[20]。南方酸性土壤中Fe-P、Al-P 和Ca-P可經(jīng)有機磷礦化轉(zhuǎn)化被植物吸收利用的形態(tài),且已被證實為土壤潛在性磷源、而O-P是難以被植物吸收利用的難溶性磷源[21]。本研究結(jié)果表明,施用腐殖酸與生物質(zhì)炭的各處理提高了土壤無機磷Fe-P、Al-P和Ca-P的含量,但降低了土壤O-P的含量,且無機磷主要以Fe-P形態(tài)增加,說明施用腐殖酸與生物質(zhì)炭促進了難溶性磷 O-P向潛在性磷源Fe-P、Al-P和Ca-P的轉(zhuǎn)化,其中以單獨施用腐殖酸的處理對O-P含量的降低效果最顯著,這可能與腐殖酸特殊的分子結(jié)構(gòu)有關(guān),較強的陽離子交換能力,可激活鋁、鐵等離子與磷酸根離子結(jié)合,減少磷的固定,還可通過增加土壤中Fe-P、Al-P和Ca-P的含量來增加土壤中有效態(tài)磷的儲量,促使更多的難溶性磷源O-P向有效態(tài)磷源Fe-P、Al-P和 Ca-P轉(zhuǎn)化,進而提高磷肥有效性。

3.2 腐殖酸和生物質(zhì)炭的施用對土壤養(yǎng)分的影響

土壤pH值可影響鈣、鐵、鋁等金屬離子和磷酸根的結(jié)合,減少土壤對磷的固定,提高土壤磷素有效性[22]。腐殖酸提高了土壤有機質(zhì)的含量[23]。高玉芬等研究結(jié)果表明,不同配比的黃腐酸肥均提高了土壤速效磷、速效鉀的含量[24]。本研究結(jié)果表明,施用腐殖酸與生物質(zhì)炭的各處理顯著提高了土壤中有機質(zhì)、有效鉀、堿解氮的含量及磷酸酶活性。這可能與腐殖酸可活化板結(jié)土壤,改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤的透氣性,協(xié)調(diào)土壤的水、肥、氣等狀況有關(guān);生物質(zhì)炭具有較強的吸附能力,能促進土壤對有機質(zhì)的吸附[25],有機質(zhì)能刺激植物根系分泌更多有機酸與鋅、鐵等元素螯合,促進難溶性磷轉(zhuǎn)化,活化土壤中被固定的磷,提高土壤磷素有效性。

3.3 腐殖酸和生物質(zhì)炭的施用對甘蔗生長及磷素吸收的影響

前人的研究表明,腐殖酸與生物質(zhì)炭改善了土壤的肥力狀況,提高了作物的產(chǎn)量[26]。生物質(zhì)炭與化肥配施顯著提高了水稻、玉米、花生等作物產(chǎn)量[27-29],施用腐殖酸對菜豆生長發(fā)育及產(chǎn)量有明顯促進作用[30],腐殖酸與生物質(zhì)炭的施用提高了甜高粱對磷素的吸收[31]。本研究結(jié)果表明,腐殖酸與生物質(zhì)炭的施用促進了甘蔗的生長,其中以P2F處理的甘蔗莖粗增加效果最顯著,顯著高于P2處理14.68%。施用腐殖酸與生物質(zhì)炭各處理的磷素積累量也顯著提高,其中以P2F處理的效果更顯著,顯著高于P2處理27.92%。

在本研究中,腐殖酸與生物質(zhì)炭的施用提高了磷肥利用率,其中以P1S處理效果最好。這可能與生物質(zhì)炭具有疏松的結(jié)構(gòu)和巨大的表面積有關(guān),生物質(zhì)炭的施入使土壤pH值和基本養(yǎng)分含量的增加,減少土壤對磷素的吸附,提高土壤有效磷含量,促進甘蔗對磷素的吸收利用。此外,在本研究條件下,在常規(guī)施磷的基礎(chǔ)上減量磷肥(P1),配施腐殖酸與生物質(zhì)炭的各處理磷肥利用率、磷積累量與常規(guī)磷肥P2水平處理相比,并未降低反而有增加的趨勢,說明配施腐殖酸與生物質(zhì)炭在適量減磷的條件下仍能滿足甘蔗對磷的需求和具有提高作物對磷肥利用的潛能,但該結(jié)論還需要結(jié)合田間試驗進行驗證。

4 結(jié)論

施用腐殖酸與生物質(zhì)炭的處理較CK、P1和P2處理土壤的速效磷、有機質(zhì)、有效鉀、磷酸酶及無機磷組分含量的有所提高,同時甘蔗莖粗增加,SPAD值、磷積累量、磷肥利用率也明顯提高。腐殖酸與生物質(zhì)炭活化土壤中被固定的磷,促進無效態(tài)磷源O-P向有效態(tài)磷源Fe-P、Al-P和Ca-P的轉(zhuǎn)化,從而促進甘蔗生長及對磷肥的高效利用。綜上所述,從土壤速效磷、磷素活化系數(shù)、無機磷轉(zhuǎn)化及甘蔗對磷素吸收利用的效應(yīng)綜合分析,對土壤磷素活化的效果由高到低表現(xiàn)為:生物質(zhì)炭>腐殖酸>腐殖酸與生物質(zhì)炭配施。