高 珊，楊勁松，姚榮江，曹逸凡，朱 海，孫運朋，王相平，謝文萍

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049)

磷是作物生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素，作物生長所需的磷主要源于土壤，土壤中磷的形態(tài)直接影響著土壤供磷狀況和植物對磷的吸收利用[1]。但磷在土壤中移動性較差，易被轉(zhuǎn)化為作物難以利用的磷酸鹽形態(tài)積累在土壤中，造成磷肥的當季利用率僅為10% ～ 25%[2]。因此，土壤中磷的形態(tài)及其有效化問題一直被國內(nèi)外學者關(guān)注[3-4]。根際是植物吸收磷的主要區(qū)域，根際過程決定了土壤磷的轉(zhuǎn)化及有效性[5]。因此，研究根際土壤磷素形態(tài)有效化以及作物對磷素的吸收利用，對于明確土壤磷庫狀況、提高磷利用效率有重要意義。

濱海鹽漬土改良利用過程中存在磷素有效性低這一突出問題。在鹽漬土中，由于土壤鹽度或堿度的影響，施入土壤的磷以有效性低的難溶性磷酸鹽形態(tài)存在[6]。電導率增高不僅影響土壤結(jié)構(gòu)、容重、滲透性等土壤理化性質(zhì)[7]，同時降低土壤微生物生物量碳及堿性磷酸酶等多種酶活性[8-9]，影響土壤中磷素的轉(zhuǎn)化，阻礙作物對磷的吸收，從而導致磷素的化學有效性和生物有效性降低。

長期以來，國內(nèi)外學者為改良鹽漬土、提高磷素有效性進行了大量研究[10-24]。施用生物質(zhì)炭、腐殖酸和有機肥對改良鹽漬土、提高磷素有效性均有一定的效果[10-12]。夏陽等[13]研究表明，鹽堿土中添加低量生物炭能降低土壤pH 和鹽分，提高植物根際土壤有效磷含量。此外，生物質(zhì)炭本身含有一定量的磷，施入土壤后能提高Olsen-P 含量，促進磷素的形態(tài)轉(zhuǎn)化，有助于提高土壤中磷的有效性[14]。腐殖酸具有良好的吸收、交換、絡合等功能，能夠改善土壤鹽堿指標、提高土壤保水能力[15]。楊凱等[16]研究添加外源腐殖酸對石灰性土壤無機磷組分的影響結(jié)果表明，施入腐殖酸能減少閉蓄態(tài)磷，活化無機磷組分?；逝c有機肥配施作為傳統(tǒng)農(nóng)藝調(diào)控措施，被廣泛應用到鹽漬土的改良和培肥方面，大部分研究集中在對土壤培肥功能方面，如有機肥提高土壤有機質(zhì)含量及維持養(yǎng)分平衡，進而促進作物生長[17]；也有研究報道了有機肥改善鹽漬土壤結(jié)構(gòu)，促進鹽漬土壤洗鹽、脫鹽效果及土壤難溶性磷向其他形態(tài)磷素轉(zhuǎn)化[18-19]。

雖然上述研究分別報道了生物質(zhì)炭、腐殖酸和有機肥作為鹽漬土改良劑對鹽漬土性質(zhì)的改善功能及對磷養(yǎng)分的提升效果，但目前的研究多側(cè)重于對鹽漬土壤本身改良效果、作物產(chǎn)量以及土壤有效磷的測定，且研究方法較為單一。Hedley 磷素分級法是一種能兼顧有機磷和無機磷的較為合理的磷素分級方法，受到國外學者廣泛認可[20]。目前國內(nèi)對土壤磷素的分級研究仍多采用傳統(tǒng)的分級方法，部分學者采用Hedley 磷素分級法在復墾土[21]、林地[22]、農(nóng)田[23]等土壤上進行了初步研究，而鹽漬化農(nóng)田土壤上的Hedley 磷素分級研究還不是很充分，而且從根際微域的角度探究鹽堿障礙下不同調(diào)控措施對根際磷形態(tài)轉(zhuǎn)化與有效性影響的研究比較有限。本研究以蘇北濱海灘涂農(nóng)田輕度和中度鹽漬土為研究對象，采用根袋法盆栽試驗研究不同調(diào)控措施對鹽漬土根際磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化及作物磷素吸收利用的影響，對于揭示濱海鹽漬化農(nóng)田土壤磷庫狀況及高效利用磷素具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽用土采自江蘇省東臺市弶港鎮(zhèn)條子泥墾區(qū)(32°39′ N，120°56′ E)，屬于濱海新圍墾灘涂土壤(圍墾時間2016 年)，土壤類型為沖積鹽土類，潮鹽土亞類，是典型的淤泥質(zhì)海岸帶鹽漬土。供試土壤為粉砂質(zhì)土壤，其中砂粒(2 ～ 0.22 mm)、粉砂(0.22 ～ 0.002 mm)和黏粒(＜0.002 mm)的質(zhì)量分數(shù)分別為 3.48%、75.76%、20.76%[24]，土壤的其他基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of tested soils

試驗大麥為揚啤5 號，由上海黃海種業(yè)有限公司提供。試驗用氮肥為尿素(含N 466 g/kg)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O5140 g/kg)。生物質(zhì)炭由江蘇華豐農(nóng)業(yè)生物工程有限公司提供(原材料為秸稈稻殼，炭化溫度600℃，炭化時間20 s，有效磷含量為29.5 mg/kg)，腐殖酸由大連九成物產(chǎn)有限公司提供，商品有機肥由東臺新宏陽有機肥有限公司提供(有機質(zhì)460 g/kg，N 12 g/kg，P2O531 g/kg，K2O 10 g/kg)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2017—2018 年在中國科學院南京土壤研究所網(wǎng)室進行。試驗分別在非鹽漬土(S)、輕度鹽漬土(D)和中度鹽漬土(Z)上設(shè)不施磷肥(CK0)、常規(guī)磷肥(CK)、磷肥+生物炭(FC)、磷肥+腐殖酸(FH)、磷肥+商品有機肥(FM)共5 個處理，每個處理重復3 次。試驗采用根袋法，將風干土壤磨細過10 目篩后混勻，每個塑料桶(直徑25 cm，高26 cm)裝土11 kg。利用300目尼龍網(wǎng)(25 cm × 35 cm)將土壤劃分成2個區(qū)域，其中根袋內(nèi)裝土3 kg，埋入裝有8 kg 土壤的塑料桶中央。塑料桶底開有排水孔，灌溉中若有鹽分的淋洗則承接在托盤中再倒回土壤，保證無鹽分的淋失。N和P2O5施用量分別為100 mg/kg 和67 mg/kg。其中氮肥為尿素，基追比為6∶2∶2，磷肥為過磷酸鈣，作基肥一次性施入，其中添加生物質(zhì)炭和商品有機肥處理的磷肥施用量按等磷原則予以減少。在播種之前將肥料、改良劑(生物質(zhì)炭、腐殖酸和商品有機肥)與土壤混勻(根袋內(nèi)與根袋外均施肥料與改良劑)，按照容重1.3 g/cm3分層裝土。采用稱重法監(jiān)測土壤含水量，定期補水，使土壤保持田間持水量的60% ～ 90%。大麥種子經(jīng)拌種后播入根袋內(nèi)(播種時間2017 年11月30 日)，每盆保留8 株(按大田播種密度計)。大麥收獲后(2018 年5 月16 日)分別采集根袋內(nèi)土壤(根區(qū)土)和桶內(nèi)距根袋2 cm 外的土壤(非根區(qū)土)以及植株樣用于分析測定。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 在大麥收獲后，用土鉆分別采集根袋內(nèi)外0 ～ 20 cm 土樣，每盆3 個點，混合均勻后經(jīng)風干、過篩后用于全磷、有效磷的測定。采集植株樣本，剪去根部，在105℃殺青30 min，70℃下烘干至恒重，秸稈和籽粒粉碎過0.5 mm 篩，分別測定全磷含量。

1.3.2 樣品測定方法 土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，全磷用H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定。土壤磷素分級采用Tissen[26]修正的Hedley 磷素分級方法，依次采用去離子水、0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)、0.1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl 浸提土壤，鉬銻抗比色法測定上述浸提液中的無機磷(Pi)含量(H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi)，后將NaHCO3和NaOH 浸提液經(jīng)硫酸-過硫酸銨消煮后，測定全磷(Pt)含量后計算有機磷(Po)含量(Pt和Pi的差值)(H2O-Po、NaHCO3-Po和NaOH-Po)。最后將土壤殘渣采用H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定殘留態(tài)磷含量(R-P)。植株樣品全磷采用H2SO4-H2O2消煮，鉬銻抗比色法測定。

1.3.3 計算公式 TS = 2.47×EC1:5+0.26，式中：TS 為土壤全鹽含量(g/kg)，EC1:5為土水質(zhì)量比1∶5時的土壤電導率(dS/m)； 作物吸磷量 (kg/hm2) =籽粒產(chǎn)量(kg/hm2) × 籽粒含磷量(%) + 秸稈產(chǎn)量(kg/hm2) × 秸稈含磷量 (%)；磷肥利用率(%)=(施磷區(qū)地上部吸磷量-不施磷區(qū)地上部吸磷量)/施磷量×100。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析均采用 Microsoft Excel 2010 軟件和IBM SPSS Statistics 20.0 軟件，不同處理間的差異顯著性水平運用Duncan 法進行多重比較，采用SigmaPlot 13.0 軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)控措施對根區(qū)內(nèi)外土壤有效磷含量的影響

由圖1 所示，與SCK0處理(表示非鹽漬土上的不施磷處理，以下表示方法類同)相比，DCK0、ZCK0處理根區(qū)土壤有效磷含量分別降低45.17%、69.15%，表現(xiàn)為有效磷含量隨鹽分的升高而降低，說明鹽堿障礙降低土壤有效磷含量。在輕度鹽漬土上，調(diào)控措施均能不同程度提高根區(qū)內(nèi)外有效磷含量，其中DFC處理根區(qū)土壤有效磷含量較DCK 處理提高40.72%，差異顯著，DFH、DFM 處理較DCK 處理分別提高10.48%、6.65%。在中度鹽漬土上，除ZFH 處理略有降低外，其他不同調(diào)控措施下根區(qū)內(nèi)外土壤有效磷含量均有所提高。其中ZFC 處理顯著增加根區(qū)有效磷含量，比ZCK 處理提高84.80%，ZFM 處理較ZCK處理提高9.67%。由于作物對土壤磷素的吸收，不同處理下根區(qū)土壤有效磷含量均低于非根區(qū)。輕度、中度鹽漬土不同調(diào)控措施下根區(qū)土壤有效磷含量顯著低于非根區(qū)，表現(xiàn)出明顯的根際效應。

2.2 調(diào)控措施對大麥產(chǎn)量及磷素利用率的影響

2.2.1 大麥產(chǎn)量及磷素吸收量 由表2 可知，與非鹽漬土相比，鹽堿障礙降低大麥產(chǎn)量，常規(guī)施磷處理下輕度、中度鹽漬土大麥產(chǎn)量較DCK0、ZCK0分別提高了10.36%、64.71%；添加生物質(zhì)炭能提高鹽漬土大麥生物量，其中在中度鹽漬土上生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果顯著，較ZCK 處理提高了63.20%；在輕度鹽漬土上，DFH 和DFM 處理大麥的產(chǎn)量較DCK 處理略有降低，而在中度鹽漬土上，ZFH、ZFM 處理能提高大麥產(chǎn)量，說明中度鹽漬土上腐殖酸、商品有機肥處理的改良效果優(yōu)于輕度鹽漬土。在輕度鹽漬土上，DFC、DFH、DFM 處理均能顯著提高大麥地上部吸磷量，較DCK 處理分別提高16.73%、17.77% 和12.81%；而在中度鹽漬土上，ZFC、ZFM 處理顯著促進大麥對磷素的吸收，較 ZCK 處理分別提高67.73%、32.03%，而ZFH 處理在中度鹽漬土上對作物吸磷量的促進效果不明顯。

圖1 不同調(diào)控措施下根區(qū)內(nèi)外土壤有效磷含量Fig. 1 Contents of available P in rhizosphere and non-rhizosphere soils under different treatments

表2 不同調(diào)控措施對大麥產(chǎn)量、磷素吸收利用的影響Table 2 Grain yields and P uptake of barleys under different measures

2.2.2 大麥磷素利用率 在非鹽漬土上，除SFC處理能顯著提高磷肥利用率外，其他處理下磷肥利用率較SCK 處理差異不大。施磷處理下磷肥利用率表現(xiàn)為SCK＞DCK＞ZCK，說明鹽堿障礙降低磷肥利用效率。在輕度鹽漬土上，DFC、DFH、DFM 處理顯著提高磷肥利用率，較DCK 處理分別提高了4.24%、3.67%、2.99%。而在中度鹽漬土上，僅ZFC、ZFM 處理顯著提高磷肥利用率，ZFH 處理的效果不明顯。

2.3 調(diào)控措施對根區(qū)土壤磷素形態(tài)的影響

在Hedley 磷素分級方法中，H2O-Pi和NaHCO3-Pi是植物主要吸收利用的磷組分，為土壤活性磷庫的主要組成部分[27]。由表3 所示，與SCK0處理相比，DCK0與ZCK0處理活性無機磷的比例分別降低3.58%、6.69%。非鹽漬土不同調(diào)控措施下活性無機磷占比約為8.20% ～ 10.13%，除SFH 處理較SCK 處理顯著降低土壤活性無機磷占比外，其余處理與SCK 處理無顯著差異。在輕度、中度鹽漬土上，添加生物質(zhì)炭均能顯著提高土壤活性無機磷比例，較DCK 和ZCK處理分別提高了1.8%、3.42%。添加腐殖酸能顯著增加輕度鹽漬土活性無機磷的比例，較DCK 處理提高了0.58%，而在中度鹽漬土上略有降低。ZFM 處理較ZCK 處理也能提高輕度、中度鹽漬土活性無機磷的比例。

NaOH-Pi對植物的有效性低，可作為潛在磷源緩慢礦化補充土壤中的有效磷，屬于中等活性無機磷[28]。與非鹽漬土相比，鹽堿障礙降低土壤NaOH-Pi的比例。添加生物質(zhì)炭能不同程度提高輕度、中度鹽漬土NaOH-Pi比例，其中ZFC 處理較ZCK 處理提高了0.29%，具有顯著差異。其他措施下NaOH-Pi比例與常規(guī)磷肥對照處理差異不大。

NaHCO3-Po主要是可溶性有機磷，可向土壤溶液中補充有效磷素。而NaOH-Po主要是土壤中腐殖酸類物質(zhì)結(jié)合的有機磷[29]。由表3 可知，濱海鹽漬土土壤磷庫中有機磷的比例很少，僅占1.49% ～ 2.48%。添加生物質(zhì)炭、腐殖酸和商品有機肥處理較SCK 處理能一定程度上提高非鹽漬土中NaHCO3-Po的比例；而在鹽漬土上NaHCO3-Po比例與單施磷肥相比均降低，說明在鹽堿障礙下調(diào)控措施能促進土壤有機磷的礦化，其中DFM 和ZFM 處理均顯著降低了土壤NaHCO3-Po比例。而各處理下NaOH-Po所占比例與常規(guī)磷肥對照處理無顯著差異，鹽堿障礙下不同調(diào)控措施對土壤NaOH-Po的活化能力有限。

HCl-Pi很難轉(zhuǎn)化成有效磷被植物利用，被認為是穩(wěn)定性磷[30]。由表3 可知，濱海鹽漬土土壤磷庫中的磷主要以HCl-Pi形態(tài)存在，占可提取磷素含量的68.10% ～ 78.06%。各土壤中HCl-Pi比例的變化與H2O-Pi、NaHCO3-Pi和NaOH-Pi相反。與非鹽漬土相比，鹽堿障礙提高了土壤中HCl-Pi的比例，降低土壤磷的有效性。非鹽漬土上不同調(diào)控措施均能顯著降低土壤HCl-Pi比例，促進磷的有效化。在中度鹽漬土上，ZFC 和ZFM 處理均能顯著降低土壤HCl-Pi比例，較ZCK 處理分別降低5.21%、3.69%，ZFH 處理下土壤HCl-Pi比例變化不大。而在輕度鹽漬土上各調(diào)控措施對土壤HCl-Pi比例的降低效果不顯著。

3 討論

3.1 調(diào)控措施對鹽漬土有效磷及作物磷素吸收利用的影響

土壤有效磷能夠直接被作物吸收利用，一直是判斷土壤磷素豐缺的重要指標。由于鹽漬土中土壤磷素易被固定，提高根際土壤磷的有效性是提高磷素利用效率的關(guān)鍵[31]。研究表明，由于作物的生長吸收及對土壤難溶性磷素的活化，根際土壤中有效磷含量通常會出現(xiàn)虧缺，表現(xiàn)出明顯的根際效應[32-34]，這與本試驗所得的結(jié)果一致。在輕度鹽漬土上，大麥收獲后根區(qū)土壤有效磷含量顯著低于非根區(qū)土壤，表現(xiàn)出明顯的根區(qū)有效磷虧缺現(xiàn)象。而中度鹽漬土不同調(diào)控措施下根區(qū)有效磷含量與非根區(qū)差異較小，這可能是由于在鹽分脅迫較強的情況下抑制了大麥對土壤磷素的吸收，從而使根際效應不明顯[35]。本研究表明，在輕度和中度鹽漬土除ZFH 處理外，其他調(diào)控措施均能不同程度提高根區(qū)和非根區(qū)土壤有效磷含量。其中DFC 和ZFC 處理下根區(qū)土壤有效磷含量較單施磷肥處理顯著提高，表明施用生物質(zhì)炭能提高鹽漬土有效磷含量，這與蘇倩等[36]的結(jié)果一致。生物質(zhì)炭促進土壤磷素含量增加的原因在于生物質(zhì)炭本身富有豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分；生物質(zhì)炭具有巨大的比表面積，可對土壤溶液中的離子起到吸附、緩釋的作用。此外，生物質(zhì)炭還可通過改善鹽漬土的土壤環(huán)境進而影響微生物的活性，使得土壤對磷的吸附、釋放過程產(chǎn)生間接影響[37-38]。已有研究表明，鹽分作為土壤的障礙因子能影響磷素轉(zhuǎn)化，進而降低作物對養(yǎng)分的吸收和肥料利用效率[39]。在本試驗中，與非鹽漬土相比，鹽堿障礙降低作物產(chǎn)量，抑制作物對磷素的吸收，其原因是鹽漬土中存在大量Cl-、SO等離子與磷元素產(chǎn)生競爭，使得植株吸磷量減少[40]。在鹽堿障礙下，與單施磷肥相比，不同調(diào)控措施能不同程度促進輕度、中度鹽漬土上大麥對磷素的吸收，提高磷肥利用率。李軍等[41]的研究表明，磷肥中添加10 ～ 200 g/kg腐殖酸可提高玉米磷素吸收量及土壤中有效磷的含量?？等辗宓萚42]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物質(zhì)炭肥料能提高小麥植株生物量，促進磷養(yǎng)分的吸收。陳貴等[43]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)7 a 有機肥與化肥配施能顯著促進水稻對氮、磷養(yǎng)分的吸收，提高養(yǎng)分利用率。這與本試驗結(jié)果相似。與常規(guī)施磷肥相比，不同調(diào)控措施在提高大麥對土壤磷素吸收的同時還能不同程度提高土壤有效磷含量，說明不同調(diào)控措施能減少磷的固定，活化土壤難溶性磷，提高磷肥在土壤中的有效性。

3.2 調(diào)控措施對鹽漬土磷組分含量的影響

在Hedley 磷素分級中，H2O-Pi、NaHCO3-Pi和NaOH-Pi被認為是相當有效的無機磷源，而HCl-Pi難以轉(zhuǎn)化成有效磷被植物利用，被認為是低活性磷[44-45]。本研究結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭能提高輕度、中度鹽漬土活性無機磷、NaOH-Pi占比，降低土壤中HCl-Pi的比例，且在中度鹽漬土上HCl-Pi的比例顯著降低，這與王寧[46]的研究結(jié)果一致。生物質(zhì)炭具有多孔性、比表面積大等特點，施入土壤中會干擾土壤鐵鋁氧化物對磷的吸附，從而減少土壤對磷酸根離子的吸附[47]。腐殖酸施入土壤后可通過解離羥基、酚基等官能團與磷酸根競爭土壤膠體表面的吸附位點，同時還可與鈣離子等絡合形成HA-M-磷酸鹽絡合物，減少土壤對磷的吸附，提高土壤磷素有效性[48]。Alvarez等[49]研究表明，在pH 7.5 條件下腐殖酸可有效減緩有效磷向難溶性磷的轉(zhuǎn)化。本研究中，輕度鹽漬土添加腐殖酸能一定程度提高土壤中活性無機磷、NaOH-Pi比例，降低HCl-Pi比例，而中度鹽漬土效果不明顯。這可能是由于中度鹽漬土pH 較高，影響了腐殖酸對土壤磷素的轉(zhuǎn)化作用。有機肥可以減少土壤對化肥磷的固定，促進磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化，為作物提供有效磷源[50]。本研究中，輕度、中度鹽漬土不同調(diào)控措施土壤NaHCO3-Po和NaOH-Po含量較常規(guī)磷肥對照處理有所下降，但差異不顯著，說明雖然土壤中潛在可以轉(zhuǎn)化的有機磷數(shù)量減少，但由于鹽堿障礙土壤的有機質(zhì)含量較低，不同調(diào)控措施對土壤中NaHCO3-Po和NaOH-Po的活化作用有限。

4 結(jié)論

1) 鹽堿障礙降低根區(qū)內(nèi)外土壤有效磷含量，表現(xiàn)為非鹽漬土＞輕度鹽漬土＞中度鹽漬土。調(diào)控措施均能不同程度提高根區(qū)土壤有效磷磷含量，其中添加生物質(zhì)炭能顯著提高輕度、中度鹽漬土根區(qū)土壤有效磷，較常規(guī)施磷處理分別提高40.72%、84.80%。

2) 與非鹽漬土相比，鹽堿障礙降低大麥產(chǎn)量，抑制大麥地上部對磷素的吸收。不同調(diào)控措施能不同程度促進鹽漬土上大麥對磷素的吸收，提高磷肥利用率。輕度鹽漬土上不同調(diào)控措施的增產(chǎn)效果不顯著，但中度鹽漬土上添加生物質(zhì)炭能顯著提高大麥產(chǎn)量，較常規(guī)施磷處理提高63.20%。

3) 濱海鹽漬土土壤磷庫中磷主要以HCl-Pi形態(tài)存在。鹽堿障礙降低土壤活性無機磷、中等活性無機磷和有機磷的比例，提高HCl-Pi比例。添加生物質(zhì)炭處理能顯著提高鹽漬土活性無機磷比例，從而提高土壤磷的有效性。各調(diào)控措施對中度鹽漬土HCl-Pi比例的降低效果優(yōu)于輕度鹽漬土。鹽漬土中有機質(zhì)含量低，不同調(diào)控措施對土壤有機磷的活化作用有限。