王玉平, 鄭麗娜, 沈禹穎

(蘭州大學(xué) 草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院, 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州730020)

免耕和秸稈覆蓋對(duì)黑壚土磷素形態(tài)組分的影響

王玉平, 鄭麗娜, 沈禹穎

(蘭州大學(xué) 草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院, 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州730020)

[目的] 探究免耕及添加秸稈條件下黑壚土土壤磷組分特征及其與AM真菌侵染的關(guān)系，了解雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)磷素利用效率。[方法] 在隴東黃土高原黑壚土區(qū)域，測定傳統(tǒng)耕作、傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋、免耕和免耕+秸稈覆蓋4種處理小麥—玉米—大豆輪作系統(tǒng)中玉米階段土壤全磷、速效磷組分及AM真菌菌根侵染率。[結(jié)果] 水土保持耕作處理實(shí)施9 a后，免耕和秸稈覆蓋處理下0—5 cm土壤磷素含量顯著提高，活性磷組分H2O—Pi，NaHCO3—Pi，NaOH—Pi分別比對(duì)照提高84.6%，85.2%和56.6%；活性無機(jī)磷(H2O—Pi, NaHCO3—Pi之和)和潛在活性磷(NaOH—Pi)分別占總無機(jī)磷的11.4%和4.5%，全磷含量與磷組分、速效磷與磷組分呈顯著正相關(guān)，2個(gè)免耕處理菌根侵染率分別比對(duì)照增加20.8%和16.5%。[結(jié)論] 免耕和秸稈覆蓋顯著提高了土壤磷含量，免耕對(duì)AM真菌菌根侵染率有積極影響。

保護(hù)性耕作; 有機(jī)磷組分; 無機(jī)磷組分; 黃土高原

磷是植物必需的大量元素之一，不僅是植物生產(chǎn)力的重要限制因子，同時(shí)也是維持生態(tài)系統(tǒng)元素平衡的重要因素，土壤磷是植物磷元素吸收的主要來源[1]，其有效性在很大程度上取決于磷組分形態(tài)，主要分為無機(jī)磷和有機(jī)磷兩部分，其中無機(jī)磷約占磷總量的50%～80%[2]，為可被植物吸收利用H2O—Pi和NaOH—Pi等，有機(jī)態(tài)磷對(duì)土壤磷素供應(yīng)有非常重要的作用，隨著Hedley改進(jìn)法的廣泛應(yīng)用，對(duì)其組分特征的研究得到了深入。研究表明，耕作措施影響土壤有效磷含量，免耕提高了土壤全磷和速效磷含量[3]，耕作和免耕通過影響土壤物理結(jié)構(gòu)和氧化還原電位，進(jìn)而影響磷組分組成[4]，免耕下H2O—Pi和NaHCO3—Pi含量高于傳統(tǒng)耕作[5]，土壤總有機(jī)磷及其組分表現(xiàn)出明顯的空間分布和季節(jié)分布[6]，有機(jī)磷組分既與其轉(zhuǎn)化規(guī)律有關(guān),亦受耕作方式等管理措施的影響，秸稈覆蓋加免耕措施促進(jìn)了黃綿土壤各形態(tài)有機(jī)磷含量的提高[7]。從微生物因素來看，叢枝菌根真菌(Arbuscularmycorrhizalfungi, AMF)能與絕大多數(shù)作物共生,促進(jìn)根際有機(jī)磷礦化，提高其生物有效性[8]，免耕提高了玉米—小麥—大豆輪作系統(tǒng)中大豆階段花期AM真菌的侵染率，然而免耕加秸稈添加下的AM真菌侵染率卻低于耕作加秸稈添加[9]，目前對(duì)保護(hù)性耕作下土壤磷組分動(dòng)態(tài)及與AM真菌關(guān)系還需開展深入研究，本研究旨在確定免耕及秸稈添加下黑壚土土壤磷組分特征及與AM真菌侵染的關(guān)系，為改善雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)磷素利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于蘭州大學(xué)慶陽黃土高原試驗(yàn)站(35°39′N，107°51′E)，海拔1 297 m。多年平均年降水量為546 mm，平均氣溫8～10 ℃，極端最高氣溫為39.6 ℃，極端最低氣溫為-22.4 ℃，無霜期平均為161 d，年日照時(shí)數(shù)2 300～2 700 h。土壤為黑壚土，粉粒含量占70%，有機(jī)質(zhì)含量約1%，全N含量低于0.1%，pH值8～8.5[6]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

作物輪作序列為兩年三熟制的玉米(Zeamays)—冬小麥(Triticumaestivum)—大豆(Glycinemax)，4月中下旬播種玉米(播量30 kg/hm2，行距38 cm)，9月中下旬播種小麥(播量187 kg/hm2，行距15 cm)，第二年6月底或7月初收獲，隨后立即播種大豆(行距25 cm )，10月份中旬收獲。田間管理措施詳見參考文獻(xiàn)[10] 。本研究主要對(duì)輪作系統(tǒng)中玉米生長階段做詳細(xì)的討論。

自2001年開始實(shí)施設(shè)4個(gè)保護(hù)性耕作處理：傳統(tǒng)耕作+秸稈還田、免耕和免耕+秸稈還田，以傳統(tǒng)耕作為對(duì)照。耕作處理分別于作物收獲后和下茬作物播種前各耕作一次，耕深30 cm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為完全隨機(jī)區(qū)組排列，4個(gè)重復(fù)，小區(qū)大小4 m×13 m。

1.3 取樣與測定

1.3.1 土壤磷含量及組分 2009年玉米成熟期，在各小區(qū)用土鉆法取0—5和5—10 cm土樣，重復(fù)3鉆，相同層次土樣混合均勻，揀出土壤中可見雜物，36 ℃下烘干，分別過0.25 mm和2 mm篩，備用待測。

采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定全磷，Olsen—法測定速效磷[11]，修正的Hedley連續(xù)浸提分級(jí)法測定磷組分[12]，即用去離子水，0.5 mol/L NaHCO3，0.1 mol/L NaOH，1.0 mol/L稀鹽酸和濃鹽酸提逐步提取穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)的活性無機(jī)磷H2O—Pi，潛在活性磷NaHCO3—Pi和NaOH—Pi，穩(wěn)定性無機(jī)磷DHCL—Pi和高穩(wěn)定性無機(jī)磷HHCL—Pi；由0.5 mol/L NaHCO3，0.1 mol/L NaOH和濃鹽酸浸提液測定該組分的全磷和無機(jī)磷含量(Pi)，二者差值為有機(jī)態(tài)磷(Po)含量。

1.3.2 菌根侵染率 與土樣取樣同期，各小區(qū)中隨機(jī)采集3株玉米根系，混合后，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)隨機(jī)挑取長約1 cm的根段100根，于10%KOH溶液中，80 ℃水浴處理25 min，移入2% HCl 溶液中酸化30 min，常溫下用0.05%的臺(tái)盼藍(lán)染液染色30 min，置于脫色液中脫色2～3 d。以PVLG 為浮載劑，將染色根斷壓成顯微制片，置于普通光學(xué)顯微鏡200倍下觀察其AM 結(jié)構(gòu)。十字交叉法測定單位根長AM真菌菌根侵染率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件，雙因素方差分析耕作(t)和秸稈(s)效應(yīng)以及兩者的互作效應(yīng)(t*s)(p=0.05)對(duì)土壤各種磷形態(tài)的影響。采用最小差數(shù)法分析(LSD法)進(jìn)行各處理平均數(shù)間的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 免耕和秸稈覆蓋下0-10 cm土壤全磷和速效磷含量

免耕對(duì)0—5 cm土壤全磷有極顯著(p<0.01)效應(yīng)，免耕處理和免耕+秸稈還田中該層全磷含量分別比對(duì)照顯著提高8.5%和11.9%，在5—10 cm土層中，耕作處理對(duì)全磷含量效應(yīng)不明顯，免耕+秸稈還田處理下比對(duì)照增加了5.9 kg/hm2(p>0.05)。免耕對(duì)0—5 cm土壤速效磷有顯著的提高效應(yīng)，免耕和免耕+秸稈還田處理下比對(duì)照增加了5%和101.1%，免耕下5—10 cm土壤速效磷含量明顯低于其他3個(gè)處理(圖1)。免耕與秸稈覆蓋對(duì)土壤速效磷含量有極顯著的互作效應(yīng)(p<0.001)，主要是通過免耕加強(qiáng)了秸稈覆蓋的效應(yīng)。

圖1 免耕與秸稈覆蓋下土壤0-10 cm全磷和速效磷含量

2.2 免耕和秸稈覆蓋下0-10 cm土壤無機(jī)磷組分含量

土壤無機(jī)磷各組分含量由高到低的順序?yàn)椋篋HCl—Pi>HHCl—Pi>NaHCO3—Pi>NaOH—Pi>H2O—Pi，4個(gè)處理下，由H2O—Pi與NaHCO3—Pi組成的活性無機(jī)磷占總無機(jī)磷的6.0%～11.4%；潛在活性磷無機(jī)磷(NaOH—Pi)占3.32%～4.58%，穩(wěn)定無機(jī)磷占66.35%～71.59%。

免耕和秸稈覆蓋對(duì)0—5 cm土壤活性無機(jī)磷組分(H2O—Pi，NaHCO3—Pi)和潛在活性無機(jī)磷組分(NaOH—Pi)有顯著增加效應(yīng)(p<0.05)，2個(gè)免耕處理的各無機(jī)磷組分含量均高于傳統(tǒng)耕作處理，免耕+秸稈還田處理下H2O—Pi，NaHCO3—Pi組分和NaOH—Pi組分分別比對(duì)照處理下顯著提高了84.6%，85.2%和56.6%(p<0.05)；5—10 cm土層中，活性無機(jī)磷組分H2O—Pi，NaHCO3—Pi組分和潛在活性無機(jī)磷組分(NaOH—Pi)含量仍然以在免耕+秸稈還田處理下最高，分別比對(duì)照處理下增加了35.3%，34.5%和90.9%，免耕和秸稈覆蓋對(duì)穩(wěn)定性無機(jī)磷(DHCI—Pi)和高穩(wěn)定性無機(jī)磷(HHCI—PDHCl—Pi)含量無顯著影響，免耕處理下比對(duì)照處理提高15.8%和14.4%(p>0.05)(表1)。

表1 免耕和秸稈覆蓋下無機(jī)磷組分含量 mg/kg

注：ns表示差異不顯著； *表示在p≤0.05水平上顯著； **表示在p≤0.01水平上顯著； ***表示在p≤0.001水平上顯著。下同。

2.3 免耕和秸稈覆蓋下0-10 cm土壤有機(jī)磷組分含量

各處理下，土壤有機(jī)磷組分含量由高至低為HHCl—Po>NaOH—Po>NaHCO3—Po，除5—10 cm土層的NaOH—Po含量外，免耕顯著增加了各有機(jī)磷組分的含量。0—5 cm土層中NaHCO3—Po，NaOH—Po和HHCl—Po含量均以免耕處理下最高，分別比對(duì)照處理增加了36.9%，15.7%和90.5%，免耕+秸稈還田處理下次之；5—10 cm土層中，NaHCO3—Po含量在免耕+秸稈還田處理下最高，比對(duì)照處理顯著提高60.1%；免耕處理下HHCl—Po含量比對(duì)照處理提高43.2%。與無機(jī)磷組分的空間分布趨勢相同，NaOH—Po組分含量隨土層的加深而降低(表2)。

2.4 免耕和秸稈覆蓋土壤0-10 cm 各磷形態(tài)組分間的相關(guān)關(guān)系

土壤磷組分的關(guān)系如表3所示，H2O—Pi與NaHCO3—Pi，H2O—Pi與NaOH—Pi，H2O—Pi與DHCl—Pi，NaHCO3—Pi與NaOH—Pi，NaHCO3—Pi與DHCl—Pi之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.001)；NaOH—Pi與DHCl—Pi顯著相關(guān)(p<0.05)，DHCl—Pi與HHCl—Pi，HHCl—Pi與NaHCO3—Po，HHCl—Pi與NaOH—Po之間則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(p>0.05)。

0—10 cm土壤全磷和無機(jī)磷組分H2O—Pi，NaHCO3—Pi，NaOH—Pi和DHCl—Pi間呈極顯著(p<0.001)的正相關(guān)關(guān)系；速效磷和H2O—Pi，NaHCO3—Pi和DHCl—Pi間呈極顯著正相關(guān)(p<0.001)；NaHCO3—Po與全磷、速效磷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4)。

表2 免耕和秸稈覆蓋下0-10 cm土壤有機(jī)磷組分含量(mg/kg)

表3 免耕和秸稈覆蓋下0-10 cm土壤各磷組分間的相關(guān)系數(shù)

表4 免耕和秸稈覆蓋下0-10 cm土壤磷組分與全磷、速效磷含量的相關(guān)系數(shù)

2.5 免耕和秸稈覆蓋下AM菌根侵染率

免耕和秸稈覆蓋對(duì)玉米成熟期AM真菌菌根侵染率未產(chǎn)生顯著影響，但較傳統(tǒng)耕作AM真菌菌根侵染率有所提高，免耕+秸稈還田和免耕處理下菌根侵染率分別比對(duì)照增加20.8%和16.5%(p>0.05)(圖2)。

圖2 免耕和秸稈覆蓋下玉米AM真菌菌根侵染率

3 討 論

3.1 保護(hù)性耕作對(duì)表層土壤磷含量和磷組分的影響

保護(hù)性耕作可提高土壤全磷、速效磷含量，土壤0—5 cm和5—10 cm速效磷分別增加59.7%和49.9%[6, 11]，本研究亦表明，在2 a三熟的種植制度下，實(shí)施免耕結(jié)合秸稈覆蓋處理9 a后，表層土壤全磷、速效磷含量持續(xù)提高。天然草地開墾后，土壤全磷含量顯著降低，無機(jī)磷占全磷含量的比例提高，耕地退耕種植紫花苜蓿后，土壤全磷含量無顯著變化，但無機(jī)磷占全磷的比例則降低[13]，說明免耕不僅對(duì)提高土壤磷素成分有促進(jìn)作用，而且提高了土壤磷庫儲(chǔ)備。

無機(jī)磷組分中H2O—Pi和NaHCO3—Pi能夠直接被植物吸收利用，是活性態(tài)磷[14]，NaOH—Pi是Fe和Al結(jié)合態(tài)磷，被認(rèn)為是中等活性無機(jī)磷[15]，HCl—Pi則以Ca結(jié)合態(tài)磷為主，形態(tài)穩(wěn)定，為穩(wěn)定性無機(jī)磷組分[16]。本研究所見，免耕+秸稈還田處理下活性無機(jī)磷，F(xiàn)e，Al和Ca結(jié)合態(tài)磷組分含量均最高，說明免耕結(jié)合秸稈覆蓋促進(jìn)了土壤有機(jī)磷向活性形態(tài)轉(zhuǎn)化，使可溶性無機(jī)磷組分含量增加，增加了與Ca離子結(jié)合的磷組分含量，提高了土壤P素有效性，這與有機(jī)肥料添加可提高土壤無機(jī)磷組分的報(bào)道一致[15]。

土壤有機(jī)磷含量因土壤母質(zhì)、土壤類型、土壤特性、土質(zhì)地、植被類型、氣候季節(jié)變化及土地管理措施而不同，其中活性有機(jī)磷和部分中等活性有機(jī)磷較穩(wěn)定，有機(jī)磷更易被礦化，NaOH2—Po有機(jī)磷由腐殖酸和褐菌素等組成，黃土高原旱作條件下土壤有機(jī)磷組分含量從高到低依次為：HHCl—Po>NaOH—Po>NaHCO3—Po[7]，黑土和黑鈣土磷組分含量有相同趨勢[17]。秸稈添加下穩(wěn)定有機(jī)磷含量相對(duì)提高[18]。本研究中，秸稈覆蓋處理下土壤各磷素含量均有提高，免耕處理下有機(jī)磷提高，這是因?yàn)槊飧峦寥郎偈芨蓴_，有利于有機(jī)碳的累計(jì)，近一步促進(jìn)了土壤有機(jī)磷的積累。

土壤磷組分間的轉(zhuǎn)化受土壤類型的影響[17]，三江平原植物生長期間土壤無機(jī)磷和有機(jī)磷組分以NaOH溶液浸提的磷形態(tài)含量最高[15]，本研究發(fā)現(xiàn)黑壚土無機(jī)磷和有機(jī)磷以濃鹽酸浸提的磷形態(tài)含量最高，結(jié)合Ca離子的HCl—Pi組分占66.35%～71.59%，環(huán)境條件是影響土壤磷形態(tài)的重要因素，土壤水分通過控制有機(jī)物循環(huán)和礦物質(zhì)的溶解、沉淀，進(jìn)而影響土壤各磷形態(tài)的相對(duì)含量，溫室栽培條件下，F(xiàn)e和Al結(jié)合態(tài)NaOH—Pi的磷形態(tài)含量最高，相對(duì)水分含量較低的露地土壤以Ca結(jié)合態(tài)的HCl—Pi磷含量最高[19]，進(jìn)一步解釋了本研究中結(jié)合Ca離子的HCl—Pi組分比例偏高的原因。

3.2 全磷、速效磷與磷組分的關(guān)系

土壤中各磷組分之間通過轉(zhuǎn)化而互相影響與制約，植物有效磷源的多少取決于土壤各磷組分之間的分布狀況和轉(zhuǎn)化方向，無機(jī)磷通過生物固定轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷，有機(jī)磷通過土壤磷酸酶的作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷[20]。速效磷含量主要來源于有機(jī)磷的礦化作用[13]。有研究提出秸稈還田利于土壤磷向中穩(wěn)性和高穩(wěn)性有機(jī)磷轉(zhuǎn)化[21]。本研究中土壤全磷、速效磷之間呈極顯著正相關(guān)，速效磷含量隨著全磷含量的提高而提高，全磷與速效磷之間互相促進(jìn)其含量在土壤中的積累。本研究認(rèn)為磷組分之間的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在HCl—Pi與其他磷組分之間，HHCl—Pi與DHCl—Pi，NaHCO3—Po，NaOH—Po之間呈負(fù)相關(guān)，HCl—Pi與NaHCO3—Po，NaOH—Po通過礦化作用，進(jìn)一步轉(zhuǎn)為植物可以吸收的活性磷組分，可能由于HCL—Pi是潛在的有效磷源，植物對(duì)磷素的利用刺激穩(wěn)定性無機(jī)磷緩慢向活性無機(jī)磷轉(zhuǎn)化[22]。全磷、速效磷與各種無機(jī)磷組分之間存在顯著正相關(guān)，與趙靚等人的的研究結(jié)果相似[23]。

3.3 保護(hù)性耕作對(duì)菌根侵染率的影響

研究表明，AM 真菌對(duì)植物生長和植物營養(yǎng)的吸收具有重要的作用，菌根菌絲對(duì)植物磷營養(yǎng)吸收有益[24]。不同AM真菌(或真菌組合)對(duì)固沙植物白草均具顯著的侵染效應(yīng)；一定范圍內(nèi)，植株生物量、吸磷量隨菌根侵染率提高而顯著增加，免耕可以提高小麥?zhǔn)斋@期AM真菌菌根的侵染率[9]，本研究結(jié)果表明免耕及免耕加秸稈覆蓋，顯著提高了玉米菌根侵染率，因?yàn)槊飧麠l件下，AM真菌菌絲受到擾動(dòng)干擾小，菌根侵染率明顯提高，秸稈添加有利于有機(jī)質(zhì)的累積，為微生物生長創(chuàng)造了良好的底物供應(yīng)，從而促進(jìn)土壤磷素有效性。

4 結(jié) 論

免耕和秸稈覆蓋對(duì)土壤磷素累積效應(yīng)顯著。免耕顯著提高了土壤全磷，速效磷，0—5 cm土壤層無機(jī)磷組分H2O—Pi，NaHCO3—Pi和NaOH—Pi，5—10 cm土壤層主要有機(jī)磷組分，對(duì)AM真菌菌根侵染率有積極影響。秸稈覆蓋能顯著增加土壤全磷，速效磷，0—5 cm土壤無機(jī)磷組分H2O—Pi和NaHCO3—Pi含量。

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Effects of No-till and Stubble Retention on Phosphorus Fractions of Heilu Soil

WANG Yuping, ZHENG Lina, SHEN Yuying

(CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,Lanzhou730020,China)

[Objective] The objectives of the study are to investigate the characteristics of soil phosphorus fractions on Heilu soil and its relationships with AM fungi colonization under no-till and stubble retention, in order to understand the phosphate use efficiency in rain feed agricultural system. [Methods] Total phosphorus, available phosphorus and phosphorus fraction and arbuscular mycorrhizal(AM) fungi colonization were determined using classical methods for maize crop under 4 tillage managements: conventional tillage, tillage +stubble retention, no-till, no-till +stubble retention in the Loess Plateau. [Results] After nine-year conservation tillage implementation, the content of P in soil layer of 0—5 cm increased. Compared to conventional tillage, the fraction of H2O—P, NaHCO3—Piand NaOH—Piwas increased by 84.6%, 85.2% and 56.6%, respectively, under conservation tillage. Labile phosphorus (H2O—Pi, NaHCO3—Pi) and potential labile phosphorus(NaOH—Pi) accounted for 11.4% and 4.5% of total inorganic phosphorus. The total phosphorus showed a significantly positive correlation with available phosphorus and phosphorus fraction. Compared to conventional tillage, the AM fungi colonization increased by 20.8% and 16.5% under no-till manage ment. [Conclusion] The content of soil phosphorus was significantly improved under no-till and stubble retention, and the AM fungi colonization had a positive response to no-till.

conservation tillage; organic phosphorus fractions; inorganic phosphorus fractions; Loess Plateau

2014-08-19

2014-09-03

教育部重大科技項(xiàng)目“黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)糧草輪作系統(tǒng)調(diào)控有害生物的關(guān)鍵機(jī)理研究”(313028); 甘肅省重大科技專項(xiàng)“慶陽黃土高原生態(tài)治理和水資源高效利用的技術(shù)體系研究與示范”(1203FKDA035)； 教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)耦合與管理” (IRT13019)

王玉平(1990—),女(漢族),甘肅省白銀市人,碩士研究生,研究方向?yàn)椴輼I(yè)科學(xué)研究。E-mail:wangyp13@lzu.edu.cn。

沈禹穎(1965—),女(漢族),上海市人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究。E-mail:yy.shen@lzu.edu.cn。

A

1000-288X(2015)05-0149-06

S344.1