洪欠欠，顏 曉，魏宗強(qiáng)，吳建富

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045)

磷是土壤肥力的重要組成因子，是作物生長發(fā)育不可缺少的大量營養(yǎng)元素，同時(shí)也是引發(fā)水體富營養(yǎng)化的一個(gè)關(guān)鍵因素。在我國，大約有4 600萬hm2農(nóng)田種植水稻，水稻產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的30%[1]。在一些水稻產(chǎn)區(qū)，不合理的施用磷肥，特別是基于作物氮素需求施用有機(jī)肥易引起磷在水稻土中顯著富集，成為周邊水體環(huán)境安全的隱患。例如，太湖流域水稻土中過量的磷富集被證明是引起太湖水體富營養(yǎng)化的重要因素[2]。

土壤磷的流失風(fēng)險(xiǎn)受土壤性質(zhì)、磷水平、水文等多種因素的影響[3]。綜合考慮這些因素，研究土壤磷吸附性能與磷吸附飽和度(degree of phosphorus saturation,DPS)可能比單獨(dú)研究土壤性質(zhì)與磷水平更有助于評價(jià)土壤磷累積的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。土壤磷的吸附性能可通過土壤磷等溫吸附試驗(yàn)進(jìn)行表征(如采用Langmuir與Freundlich方程計(jì)算)；DPS是指土壤浸提磷占最大吸磷量的百分比，由于土壤磷等溫吸附試驗(yàn)操作較繁瑣，因此DPS的計(jì)算也經(jīng)常被簡化為酸性草酸銨或Mehlich 3(M3)浸提磷與相應(yīng)浸提液中鐵、鋁含量之和的比值，即P-ox/(Fe-ox+Al-ox)或P-M3/(Fe-M3+Al-M3)。一般來講，土壤磷吸附性能越弱，DPS越大，土壤磷流失的風(fēng)險(xiǎn)越大[4]。土壤磷吸附特性受土壤pH值、無定型鐵鋁、有機(jī)質(zhì)、粘粒等因素影響[5-6]。與單施化肥相比，長期施用有機(jī)物料不僅直接影響土壤各組分磷的含量，還會引起土壤磷吸附相關(guān)土壤性質(zhì)的變化[7-8]。因此，有必要研究長期不同施肥措施及相關(guān)土壤性質(zhì)對稻田土壤磷吸附特性的影響，以便更好地管控稻田富集磷的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

本研究以雙季稻產(chǎn)區(qū)長期定位試驗(yàn)(始于1981年)為基礎(chǔ)，借助常用的幾種等溫吸附方程式，即Langmuir、Freundlich及Temkin方程，研究了不同施肥處理下水稻土磷的吸附特征以及影響水稻土磷吸附能力相關(guān)土壤性質(zhì)的變化。研究結(jié)果可為水稻土磷素的科學(xué)管理，優(yōu)化紅壤稻田施肥模式及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園的長期定位試驗(yàn)，該長期定位試驗(yàn)始于1981年，土壤類型為第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育的潴育型水稻土。土壤肥力中上，質(zhì)地為重壤土。試驗(yàn)起始時(shí)，土壤pH值6.5，有機(jī)質(zhì)含量33.6 g·kg-1，全氮含量1.8 g·kg-1，堿解氮90.0 mg·kg-1，有效磷20.8 mg·kg-1，速效鉀87.0 mg·kg-1[9]。至2014年，各處理土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 各處理0～15 cm土壤的基本性質(zhì)

注：P-ox、Fe-ox、Al-ox表示酸性草酸銨浸提態(tài)磷、鐵、鋁；Mg-M3、Ca-M3表示Mehlich 3浸提態(tài)鎂、鈣。同一列數(shù)字后面的不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土樣采集涉及4個(gè)試驗(yàn)處理：(1)無肥；(2)單施化肥；(3)稻草(早稻以紫云英作基肥，晚稻以稻草作基肥)；(4)沼肥(早稻以紫云英和沼液作基肥，晚稻以沼液作基肥)，試驗(yàn)為完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每處理3個(gè)重復(fù)。除無肥處理，其余3個(gè)處理按等養(yǎng)分輸入(N-P2O5-K2O=270-135-270 kg·hm-2·年-1)，其中早、晚稻肥料各占一半。稻草處理和沼肥處理具體養(yǎng)分施入量按每次的實(shí)際測定結(jié)果計(jì)算，磷、鉀養(yǎng)分不足的部分用化肥補(bǔ)足?；什牧蠟槟蛩?、鈣鎂磷肥、氯化鉀。其中紫云英鮮草及稻草切碎后施用，紫云英每公頃約施22 500～30 000 kg，稻草(折合干草)每公頃約施3 000 kg，沼液每公頃約施15 000 kg。早、晚稻磷肥均用作基肥；氮、鉀肥均分基肥、分蘗肥、穗粒肥3次施用，各期施用比例為5∶2∶3。水稻生長期間的田間管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)措施。試驗(yàn)為微區(qū)試驗(yàn)，小區(qū)間用水泥埂隔離，各小區(qū)面積為1.0 m2。

1.3 樣品采集與測試

1.3.1 土壤采集與基本理化性質(zhì)分析

于2014年晚稻收獲后在各小區(qū)分別采集0～15 cm的耕層土壤樣品，每小區(qū)取3鉆(直徑5 cm)組成一個(gè)混合樣。待土壤樣品自然風(fēng)干后磨碎，分別過2和0.15 mm篩，用于測定土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)。

土壤pH值采用電位法測定(土水比1∶2.5)，有機(jī)質(zhì)通過重鉻酸鉀氧化法測定，機(jī)械組成采用微吸管法測定。土壤無定型鐵、鋁及其結(jié)合態(tài)磷采用酸性草酸銨(pH值3.0)浸提(土液比1∶40 w/v)；交換態(tài)鈣、鎂采用M3浸提劑按1∶10土液比浸提。酸性草酸銨與M3浸提液經(jīng)離心、過濾后采用ICP-OES測定相應(yīng)元素的含量[10]。

1.3.2 土壤磷等溫吸附試驗(yàn)

稱取風(fēng)干土樣(<2 mm)1.00 g置于50 mL的聚乙烯塑料離心管內(nèi)，每個(gè)土樣稱9份，分別加入含不同磷濃度的0.01 mol·L-1CaCl2溶液20 mL(加KH2PO4配制)，磷濃度依次為0、1、2、4、10、20、30、40、50 mg·L-1，同時(shí)加入3滴氯仿以抑制微生物的活動，加塞于25 ℃恒溫振蕩24 h，之后用離心機(jī)以5 000 r·min-1離心5 min，然后立刻用慢速濾紙過濾，吸取適量濾液進(jìn)行磷的測定，根據(jù)其濃度變化計(jì)算土壤的吸磷量。固體表面磷吸附量可通過計(jì)算吸附試驗(yàn)前后溶液磷濃度之差求得。

采用Langmuir、Freundlich和Temkin 3種等溫吸附方程擬合土壤磷等溫吸附曲線，并計(jì)算相關(guān)參數(shù)值。其中，Langmuir等溫吸附方程：

C/X=C/Xm+1/(K1Xm)

式中的C為平衡液磷濃度(mg·L-1)，X為磷吸附量(mg·kg-1)，Xm為最大吸附量(mg·kg-1)，K1為吸附常數(shù)(L·mg-1)，本研究中X是等溫吸附試驗(yàn)固體表面磷吸附量與原始吸附磷(P-ox)之和[11]。采用Langmuir方程進(jìn)一步計(jì)算土壤最大緩沖容量(MBC)與磷吸附飽和度(DPS)。其中，MBC=K1×Xm，是判斷土壤供磷特性的一項(xiàng)綜合指標(biāo)[12-14]，該值越大，說明土壤貯存磷的能力越強(qiáng)，供磷特性越大；DPS=(P-ox/Xm)×100%，是評判農(nóng)田土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為，DPS越高，土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)越大[15]。

Freundlich等溫吸附方程:

lgX=nlgC+lgK2

式中X同上，C同上，K2為磷吸附常數(shù)(mg·kg-1)，n為強(qiáng)度常數(shù)(L·kg-1)。

Temkin等溫吸附方程:

X=a+K3lnC

式中X同上,C同上，K3為磷吸附常數(shù)(J·mol-1)，a為強(qiáng)度常數(shù)[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)Excel 2003處理后,用SPSS 10.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析、相關(guān)分析及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤磷吸附特性

在試驗(yàn)所添加磷濃度范圍內(nèi)，各處理土壤磷吸附量均隨磷濃度的增加逐漸增大(圖1)。其中，在0～10 mg·L-1范圍內(nèi)，各處理土壤吸磷量增速最大，而后各處理土壤磷吸附趨勢有所放緩。即在低磷濃度時(shí),曲線上升快而陡，隨著加入磷濃度的增大，曲線趨于平緩。說明在低濃度時(shí)，加入的磷極易被土壤吸附，達(dá)到一定濃度時(shí)土壤吸磷量可能基本達(dá)到飽和狀態(tài)。在4個(gè)處理中，沼肥處理土壤磷吸附量明顯高于其余3個(gè)處理，而稻草與單施化肥處理的土壤磷吸附量比較接近(圖1)。

圖1 不同處理土壤磷的等溫吸附曲線

分別采用Langmuir、Freundlich和Temkin等溫吸附方程，對各處理土壤磷的等溫吸附曲線進(jìn)行了擬合，結(jié)果如表2所示。3種方程均能較好地描述土壤吸磷量隨平衡液磷濃度的變化趨勢，擬合均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。但是，Langmuir方程的擬合優(yōu)勢度R2值均大于0.99，較Freundlich方程和Temkin方程高，擬合效果更好，所以本試驗(yàn)進(jìn)一步用Langmuir方程來描述各處理磷的吸附特性。

表2 不同處理土壤磷的等溫吸附方程及參數(shù)

如表3所示，不同施肥處理土壤磷最大吸附量(Xm)依次為：沼肥>稻草>單施化肥>無肥，且沼肥與稻草處理顯著高于無肥處理(P<0.05)，說明相對不施肥而言，長期施用有機(jī)物料提高了土壤對磷的吸附潛能。各處理吸附常數(shù)(K1)大小順序?yàn)榈静?沼肥>無肥>單施化肥，但處理間無顯著差異(表3)。沼肥與稻草處理的MBC值較高，主要是由于它們具有較高的Xm值和K1值。這兩個(gè)處理的土壤貯存磷的能力強(qiáng)，供磷特性大，能向土壤提供更多的有效磷。各處理土壤DPS大小依次為沼肥>稻草>單施化肥>無肥，且處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。沼肥、稻草和單施化肥的DPS值均顯著高于無肥處理(P<0.05)，說明施肥提高了土壤DPS值。其中沼肥的DPS值顯著高于單施化肥，說明長期施用沼肥更易提高土壤DPS值，土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)比較大，易引發(fā)一系列環(huán)境問題。

表3 不同處理土壤磷的吸附參數(shù)

2.2 影響磷吸附的土壤性質(zhì)

2.2.1 土壤性質(zhì)與磷吸附參數(shù)之間的關(guān)系

由表4可以看出，草酸浸提態(tài)磷(P-ox)、無定型鐵、鋁(Fe-ox、Al-ox)及交換性鈣、鎂(Ca-M3、Mg-M3)對土壤的吸磷能力有重要的影響。其中，P-ox和Fe-ox分別與土壤Xm呈極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.95和0.64。說明P-ox和Fe-ox是影響土壤磷最大吸附量的重要因素，其含量越高，土壤對磷的吸附能力越強(qiáng)。土壤中的P-ox與DPS存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，Ca-M3與Mg-M3也影響了DPS值，與DPS存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和粘粒含量對土壤磷吸附參數(shù)影響相對較小，相關(guān)性不顯著。土壤磷吸附親合力常數(shù)(K1)與土壤基本性質(zhì)間無顯著相關(guān)性。

表4 土壤性質(zhì)與磷吸附參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)

注:*表示顯著相關(guān)(P<0.05)，**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。下同。

如表5所示，影響磷吸附的土壤性質(zhì)之間也存在相互關(guān)系。土壤pH值與交換性鈣、鎂之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與無定型鋁呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與無定型鐵相關(guān)關(guān)系不顯著。無定型鐵、鋁之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.64，P<0.05)，交換性鈣、鎂之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.97，P<0.01)。值得注意的是，P-ox與交換性鈣、鎂之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.69和0.63。

表5 影響磷吸附土壤性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)

2.2.2 影響磷吸附參數(shù)的主要土壤性質(zhì)

對12個(gè)樣點(diǎn)的土壤理化性質(zhì)及最大吸磷量進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果如表6所示，特征值大于1的3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.6%，因此，本次分析提取了3個(gè)主成分。第一主成分主要與土壤交換態(tài)鈣、鎂含量有關(guān)，對數(shù)據(jù)變異的貢獻(xiàn)率為47.0%；第二主成分對數(shù)據(jù)變異的貢獻(xiàn)率為28.5%，主要與土壤無定型鐵、鋁含量有關(guān)；第三主成分對數(shù)據(jù)變異的貢獻(xiàn)率為12.1%，主要與有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。綜上，交換態(tài)鈣、鎂與無定型鐵、鋁對第一、二主成分貢獻(xiàn)率最大，說明這些因素是引起長期不同施肥措施土壤磷吸附差異的主要因素(圖2)。

表6 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

圖2 各處理土壤磷吸附與相關(guān)土壤性質(zhì)在第一與第二主成分上的分布注：括號中數(shù)字表示相應(yīng)主成分的貢獻(xiàn)率。

3 討論

3.1 不同施肥處理對水稻土壤磷吸附特性的影響

本研究采用Langmuir、Freundlich和Temkin方程擬合不同施肥處理水稻土壤磷的吸附曲線，發(fā)現(xiàn)Langmuir方程擬合效果最優(yōu),擬合優(yōu)勢度大于0.99，這與有關(guān)學(xué)者[14]在南方酸性水稻土及北方石灰性旱地土壤上試驗(yàn)所得結(jié)果基本一致。有研究[17]指出，在施用磷肥的基礎(chǔ)上添加有機(jī)肥，土壤最大吸磷量隨著有機(jī)肥用量的增加明顯降低。楊芳等[18]也認(rèn)為長期廄肥與化肥配施可降低紅壤磷最大吸附量。本研究中，沼肥處理表現(xiàn)出較高的磷吸附能力，最大吸磷量顯著高于其它處理(表3)，這與前人的研究結(jié)論不太一致，主要是因?yàn)閄m計(jì)算方法不同，本研究中Xm的計(jì)算加上了土壤初始吸磷量(P-ox)，而上述相關(guān)研究并未計(jì)算土壤初始吸磷量。沼肥處理P-ox(即土壤初始吸磷量)顯著高于其它處理(表1)，從而導(dǎo)致其具有較高的Xm值。

3.2 土壤相關(guān)性質(zhì)對水稻土壤磷吸附特性的影響

土壤對磷的吸附能力與土壤理化性質(zhì)有關(guān),同一土壤在長期不同施肥方式下性質(zhì)發(fā)生變化，對磷的吸附能力也會發(fā)生相應(yīng)變化。一般來講，鐵、鋁氧化物是酸性土壤主要的固磷介質(zhì)[5]。不同施肥處理Fe-ox與Xm呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(表4),說明無定型鐵對該水稻土的磷吸附有重要貢獻(xiàn)。有研究指出，土壤吸磷能力還與晶質(zhì)氧化鐵、鋁有關(guān)[19]，本研究未測定晶質(zhì)氧化鐵、鋁含量，主要是因?yàn)橄啾葻o定型鐵、鋁，晶質(zhì)鐵、鋁氧化物對磷的吸附能力相對較低[5]。另外，鐵鋁氧化物可能會與有機(jī)質(zhì)形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，其中的鐵、鋁為無定型，從而增加對磷的吸附[7, 11]。有機(jī)物料處理的Fe-ox、Al-ox含量較高(表1)，說明施用有機(jī)物料可以促進(jìn)有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的形成，從而提高了土壤對磷的吸附能力(沼肥與稻草處理的Xm較高)。鈣離子也是影響土壤磷吸附的重要因素，特別是在中性與堿性土壤中，鈣結(jié)合磷是土壤磷的主要形態(tài)，但是在酸性土壤中仍然存在鈣結(jié)合磷[20-21]。本研究發(fā)現(xiàn)交換態(tài)鈣、鎂與P-ox及Xm存在較高的相關(guān)性，說明在此酸性水稻土中，交換態(tài)鈣、鎂對磷的吸附仍有影響。沼肥等有機(jī)肥鹽基離子較豐富，呈弱堿性，長期施用可能會增加土壤鈣、鎂含量[22],從而進(jìn)一步影響土壤對磷的吸附。以往研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)在土壤磷吸附中的作用非常復(fù)雜，一方面有機(jī)質(zhì)可以與鐵、鋁氧化物形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，增加對磷的吸附位點(diǎn)而有利于磷的吸附[11]。另一方面，有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的有機(jī)陰離子又與磷競爭吸附點(diǎn)位，降低磷的吸附量[18]。本研究中，有機(jī)質(zhì)與土壤磷吸附參數(shù)并沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。這與夏瑤等[14]、宋春麗等[23]研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

不同施肥處理水稻土壤的磷素吸附等溫線可以用Langmuir、Freundlich和Temkin 3種方程擬合，而Langmuir方程對不同施肥處理水稻土壤的等溫吸附數(shù)據(jù)擬合優(yōu)勢度高于Freundlich和Temkin方程，是最優(yōu)模型?；贚angmuir方程發(fā)現(xiàn)，長期施用沼肥的土壤Xm和DPS顯著高于無肥與單施化肥處理，說明等磷施用情況下施用沼肥可更有效地提高土壤磷水平與貯磷能力。不同施肥措施引起土壤理化性質(zhì)變化會進(jìn)一步影響土壤對磷的吸附特性。土壤中的Fe-ox與P-ox均與Xm值存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，P-ox和交換態(tài)鈣、鎂含量會影響土壤DPS，交換態(tài)鈣、鎂和無定型鐵、鋁是引起長期不同施肥措施土壤磷吸附差異的主要因素。

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