邵繼鋒，陳榮府，董曉英，沈仁芳*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院，南京土壤研究所)南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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不同磷水平對(duì)紅壤溶液中錳、鋁、鎂和鈣濃度變化以及小麥生長(zhǎng)的影響①

邵繼鋒1,2，陳榮府1，董曉英1，沈仁芳1*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院，南京土壤研究所)南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘 要：為了探明不同磷水平對(duì)紅壤中土壤溶液主要金屬離子變化的影響以及小麥對(duì)磷的響應(yīng)，確定紅壤中小麥適宜的施磷水平，采用原位提取土壤溶液和比較生物量的方法，監(jiān)測(cè)了短期內(nèi)紅壤溶液中主要金屬離子濃度變化及小麥生物量的變化。結(jié)果表明：碳酸鈣的加入可以顯著升高酸性紅壤的 pH，土壤溶液中鋁、錳和鎂濃度顯著低于未加碳酸鈣處理；800 mg/kg 磷處理后鋁、錳、鎂和鈣的濃度要比未加磷處理分別至少降低 47%、44%、37% 和 33%。隨著施磷量的增加，小麥在 200 mg/kg 磷處理時(shí)積累的生物量最大，隨后磷增加，小麥生物量反而降低。而加碳酸鈣處理小麥地下部生物量隨著施磷量增加則降低。結(jié)果表明碳酸鈣不僅可以有效升高土壤 pH，降低土壤溶液鋁濃度，還降低土壤溶液中錳的濃度。磷的加入同樣可以降低錳和鋁的濃度，緩解鋁和錳毒害。紅壤中生長(zhǎng)小麥的適宜施磷量為 200 mg/kg。

關(guān)鍵詞：磷；紅壤；小麥

全世界酸性土壤有 39.5 億 hm2，其中可耕種面積為 1.79 億 hm2，主要分布在熱帶、亞熱帶及溫帶地區(qū)[1]。我國(guó)酸性土壤遍及南方 15 個(gè)省區(qū)，總面積為 2 030 萬 hm2，約占全國(guó)土地面積的21%[2]。研究表明，中國(guó)南方紅壤及磚紅壤養(yǎng)分退化明顯，以磷素退化最為嚴(yán)重[3]。由于酸性土壤中鐵、鋁活性高，與磷形成難溶性的鐵磷和鋁磷，甚至有效性更低的閉蓄態(tài)磷，使土壤磷和施入土壤中的肥料磷絕大部分轉(zhuǎn)化為固定態(tài)磷，致使絕大多數(shù)的酸性土壤都嚴(yán)重缺磷，嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)期間對(duì)磷的吸收利用[4]。

許多研究表明酸性土壤中，施磷肥能夠改善土壤供磷水平從而增產(chǎn)[5]。文石林等[6]發(fā)現(xiàn)在紅壤中施磷可以顯著增加墨西哥玉米的產(chǎn)量。孫清斌等[7]報(bào)道在紅壤上施用磷肥可以有效增加胡枝子地上部生物量積累。在油茶中發(fā)現(xiàn)施磷不僅可以緩解鋁毒害，增加生物量，同時(shí)對(duì)油茶光合作用影響很大[8]。

由于酸性土壤溶液中鋁、錳等離子濃度較高，植物生長(zhǎng)在受到鋁毒害等抑制因子影響的同時(shí)，土壤中離子間相互作用也強(qiáng)烈地影響著植物的生長(zhǎng)。如通過影響土壤中化學(xué)平衡影響離子的活度，影響土壤中離子的擴(kuò)散速率以及通過對(duì)根膜吸附位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)影響離子的吸收與解析等[9]。那么磷施入對(duì)紅壤土壤溶液中主要金屬離子(錳、鋁、鎂、鈣)的影響如何？植物對(duì)磷的施入有何響應(yīng)？這些研究有助于我們判斷紅壤中適宜的施磷水平。小麥?zhǔn)菍?duì)酸鋁相對(duì)較敏感的植物，在酸性土壤區(qū)有一定的種植面積[10]。本文以小麥為試驗(yàn)材料，通過紅壤的盆栽試驗(yàn)，研究不同施磷水平對(duì)紅壤土壤溶液中錳、鋁、鎂、鈣濃度的變化以及植物對(duì)磷、鋁的響應(yīng)，為在紅壤中施磷提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：采自江西鷹潭的第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤，所取土壤經(jīng)風(fēng)干并全部過 2 mm 篩后混勻，待用。其基礎(chǔ)理化性質(zhì)：體積質(zhì)量 1.34 g/cm3，pH 4.40，EC 值 33.73 μS/cm，有機(jī)質(zhì) 11.38 g/kg，全氮 0.98 g/kg，堿解氮 67.09 mg/kg，有效磷 0.21 mg/kg，速效鉀32.49 mg/kg，交換性鋁 320.78 mg/kg，交換性錳5.56 mg/kg，交換性鈣 125.63 mg/kg，交換性鎂 36.23 mg/kg。

小麥品種：鋁耐受型 Atlas66。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)定方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)置不同磷素(KH2PO4)水平：

0(P0)、100(P100)、200(P200)、400(P400)、800(P800)mg/kg

紅壤，加入鉀用 KCl 補(bǔ)齊。其中添加或不添加 1.5 g/kg CaCO3，加(NH4)2SO40.74 g/ kg 作為基肥，混勻后裝在 1.5 L 盆中。8 粒催芽后的小麥種子直接播于土壤表面，重復(fù) 3 盆。在第 4 天剔苗，每盆保留 4 棵苗。小麥在人工氣候室內(nèi)生長(zhǎng)。白天 28℃/14 h，夜間25℃/10 h；光強(qiáng) 150 μmol/(m2·s)，相對(duì)濕度 65%。

1.2.2 原位土壤溶液的收集與元素測(cè)定 為更好地檢測(cè)土壤溶液的變化，將一種非破壞性土壤溶液采集器預(yù)先埋置于土壤中[11]。每隔 4 天用注射器抽取土壤溶液一次，抽出的土壤溶液立即用 pH 計(jì)(868,Thermo Orion,USA)測(cè)定溶液 pH。土壤溶液中的主要元素包括鋁、錳、鎂、鈣等用 ICP-AES(IRISAdvantage，Thermo Elemental,MA,USA)測(cè)定含量。

1.2.3 生物量測(cè)定 試驗(yàn)結(jié)束后(32 天)，將植株分為地上部和地下部?jī)刹糠?，先用自來水沖洗然后用蒸餾水沖洗，過 3 遍后，于 105℃ 殺青 30 min，然后 70℃ 烘干后稱重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷水平對(duì)pH變化的影響

從圖 1 可知，整個(gè)試驗(yàn)期間，在前 8 天時(shí)間里，土壤溶液 pH 急劇升高，之后 pH 變化趨于穩(wěn)定。加 CaCO3處理 pH 要顯著高于未加 CaCO3處理。圖 1A 可知在沒有加 CaCO3情況下，不同磷水平處理之間土壤溶液 pH 差異較大，當(dāng)土壤中加入800 mg/kg 磷時(shí)，pH 最高，并且pH 有隨著施磷量增加而增加的趨勢(shì)。在加入 CaCO3后，不同磷素水平之間土壤溶液 pH 差異不顯著。

圖1　不同磷水平下種植小麥土壤 pH 變化Fig.1 Variations of pH value in different phosphorus rates after wheat planting

2.2 不同磷水平對(duì)錳變化的影響

錳毒害是酸性土壤中作物生長(zhǎng)的限制因子之一[12]。從圖 2 可知，無論土壤是否施 CaCO3，土壤溶液中錳的濃度隨著種植時(shí)間增加逐漸降低，隨著磷素的增加，原位提取的土壤溶液中錳的濃度逐漸降低，說明磷的加入可以降低土壤溶液中錳的活度。圖 2A 可知，在沒有加 CaCO3的情況下，磷素水平 0 mg/kg時(shí)，前 8 天土壤溶液中錳的濃度迅速降低，隨種植時(shí)間的增加，錳濃度趨于穩(wěn)定。施磷后，整個(gè)生育期錳濃度變化較小，在施磷 800 mg/kg 時(shí)，錳濃度顯著低于其他施磷處理，而且在整個(gè)生育期保持一致。此結(jié)果表明，磷的加入降低了土壤溶液中錳的活度。施 CaCO3顯著降低了土壤溶液錳的濃度(圖 2B)，不同施磷水平間，錳的濃度都隨著種植時(shí)間增加而逐漸降低。

圖2　不同磷水平下種植小麥土壤溶液錳濃度變化Fig.2 Variations of Mn concentrations in different phosphorus rates after wheat planting

2.3 不同磷水平對(duì)鋁變化的影響

圖 3 可知，鋁在土壤溶液中的變化趨勢(shì)和錳相似，隨著磷的增加溶液中鋁的濃度也逐漸降低。未施入磷時(shí)(圖 3A)，種植小麥后的 8 天，鋁濃度先快速降低，然后趨于平穩(wěn)。不同磷水平處理下，小麥種植前后土壤溶液中鋁濃度變化變小，當(dāng)磷水平到達(dá) 800 mg/kg時(shí)，鋁濃度變化最小。CaCO3的加入可以升高土壤pH，緩解鋁的毒害，由圖 3B 可知，加 CaCO3后溶液中的鋁含量大大降低，同時(shí)在 CaCO3降低鋁活度的前提下，磷的加入同樣可以降低鋁在土壤溶液中的濃度。

2.4 不同磷水平對(duì)鎂變化的影響

鎂在土壤溶液中濃度的變化趨勢(shì)和錳、鋁相似，隨著磷施入的增加溶液中鎂的濃度也逐漸降低(圖4)。CaCO3的加入同樣可以降低鎂的濃度，同時(shí)隨著種植時(shí)間的增加，濃度逐漸降低。

圖3　不同磷水平下種植小麥土壤溶液鋁濃度變化Fig.3 Variations of Al concentrations in different phosphorus rates after wheat planting

圖4　不同磷水平下種植小麥土壤溶液鎂濃度變化Fig.4 Variations of Mg concentrations in different phosphorus rates after wheat planting

2.5 不同磷水平對(duì)鈣變化的影響

在小麥種植前后，相比于鋁、錳、鎂，土壤溶液中鈣濃度變化量最小，但同樣鈣濃度有隨著磷水平的增加而降低的趨勢(shì)。CaCO3的加入顯著地增加了土壤溶液中鈣的濃度(圖 5B)。

2.6 小麥生長(zhǎng)對(duì)不同磷水平的響應(yīng)

從圖 6 可知，在未加 CaCO3的情況下(圖 6A)，小麥地上部生物量隨著磷水平的增加而增加，當(dāng)磷水平達(dá)到 400 mg/kg 時(shí)，生物量達(dá)到最大，隨后磷增加小麥地上部生物量降低。小麥地下部生物量對(duì)磷的響應(yīng)和地上部一致。施加 CaCO3后，地上部和地下部生物量都要高于未施加 CaCO3處理，地上部生物量增加趨勢(shì)和未加 CaCO3處理一致，但是在磷水平200 mg/kg 時(shí)，小麥生物量積累已達(dá)峰值，隨后磷施入量的增加并未增加地上部生物量的累積(圖 6B)。而地下部分生物量不同，隨著磷水平的增加，地下部生物量降低(圖 6B)。

圖5　不同磷水平下種植小麥土壤溶液鈣濃度變化Fig.5 Variations of Ca concentrations in different phosphorus rates after wheat planting

圖6　不同磷水平下小麥生物量變化Fig.6 Variations of biomasses in different phosphorus rates

3 結(jié)論與討論

在土壤溶液中，磷的加入降低了錳、鋁、鎂、鈣離子的濃度，而這種作用可能是磷離子在土壤溶液中的無機(jī)配體和土壤中其他金屬陽離子形成絡(luò)合物[13]，從而降低其在土壤中的活度。很多研究表明，磷可以降低鋁毒害，在本試驗(yàn)中(圖 2)，隨著磷水平的增加，土壤溶液中的鋁濃度降低。這和 Sloan等[14]以及Wright等[15]的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)隨著磷水平的增加，土壤中氯化鈣提取的鋁濃度降低。同時(shí)他們推斷加入的磷和鋁形成鋁磷化合物從而降低了鋁的活度。而鈣鎂等離子同樣可以和磷酸根離子形成相應(yīng)的化合物，從而降低其離子的活度，對(duì)于錳的影響相關(guān)報(bào)道較少。在酸性土壤中施用石灰或者石灰石粉是改良酸性土壤的傳統(tǒng)和有效方法，使用石灰可以中和土壤的活性酸和潛性酸，生成氫氧化物沉淀，消除鋁毒，迅速降低酸性土壤的酸度，增加土壤中交換性鈣等的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[16]。本試驗(yàn)中，CaCO3施入的情況下，鈣離子濃度顯著提高，同時(shí)磷水平增加同樣可以降低土壤溶液中錳、鋁、鎂的濃度，說明在一定的 pH 范圍內(nèi)，磷同樣可以和鋁、鎂配合從而降低其在土壤中的活性。

土壤中無機(jī)磷成分復(fù)雜，大致可以分為 3 種形態(tài)：水溶態(tài)、吸附態(tài)和礦物態(tài)[17]。而土壤 pH 直接關(guān)系到土壤中無機(jī)磷的存在形態(tài)，不同磷的存在形態(tài)和土壤中其他離子的相互作用，又影響了其他離子在土壤溶液中的有效性和活度。在酸性土壤中由于活性鐵、鋁對(duì)磷的吸附固定作用和沉積作用，可降低土壤無機(jī)磷的有效性，相反無機(jī)磷的加入又可以降低鐵、鋁在土壤中的活度。在不同 pH下，離子的形態(tài)以及離子間相互作用不同[18]，本試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)土壤pH 在種植后的 8 天急劇升高，隨后趨于穩(wěn)定。這可能和土壤的氧化還原有關(guān)，土壤在淹水還原條件下鐵、錳、鋁等氧化物被還原，這一過程需要消耗 H+；土壤在落干氧化條件下一些還原性物質(zhì)又重新被氧化，這一過程會(huì)釋放 H+，但這兩個(gè)相反過程并不是完全可逆的[19]。

根系作為植物吸收礦質(zhì)元素的主要器官，具有高度的形態(tài)可塑性，能夠通過修飾自身的根系發(fā)育和構(gòu)型以更好地適應(yīng)多變的外部環(huán)境。在缺磷情況下，植物將更多的碳水化合物分配到根系，促進(jìn)根系的生長(zhǎng)，引起根冠比增大。低磷脅迫不僅增加根系的生物量，而且會(huì)引起植物根系形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，包括總根、側(cè)根的長(zhǎng)度和數(shù)目等，以提高根系與土壤的接觸面積，提高對(duì)土壤磷素的吸收利用效率[20-21]。本研究中(圖 6B)，在加入 CaCO3情況下，地上部生物量隨著磷水平的增加先增后降，而地下部生物量則不同，隨著磷水平的增加，地下部生物量降低。這可能是在CaCO3緩解了鋁毒害情況下，植物對(duì)磷的響應(yīng)，在缺磷和低磷情況下，根系更加發(fā)達(dá)積累了更多的生物量，而隨著磷水平的增加土壤有效磷含量增加，植物更容易獲取磷，根系生物量積累反而降低。

從小麥生物量來看，本研究中無論施 CaCO3與否，200 mg/kg 磷水平下，小麥生長(zhǎng)就可達(dá)到最佳。在不加 CaCO3時(shí) 200 mg/kg 磷水平下土壤溶液鋁含量相對(duì)對(duì)照降低了 40%，可以有效緩解鋁的毒害作用。據(jù)此，推斷在酸性紅壤中，小麥生長(zhǎng)較適宜的施磷量為 200 mg/kg，折合 450 kg/hm2。

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Effects of Different Phosphorus Rates on Variations of Mn,Al,Mg and Ca Concentrations in Soil Solution and Wheat Growth in Acid Red Soil

SHAO Jifeng1,2,CHEN Rongfu1,DONG Xiaoying1,SHEN Renfang1*
(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture(Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences),Nanjing 210008,China; 2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:To investigate the effects of different phosphorus rates on the variations of Mn,Al,Mg and Ca concentrations in soil solutions and wheat responses to phosphorus in acid red soil,a pot experiment with a non-destructive soil-solution sampler preinstalled were conducted with increasing phosphorus fertilizer levels from 0 to 800 mg/kg.The results showed that pH was increased while the concentrations of Mn,Al,Mg and Ca in soil solutions were significance lower amended with CaCO3than without CaCO3.Compared to 0 mg/kg phosphorus treatment the concentrations of Al,Mn,Mg and Ca at least decreased 47%,44%,37% and 33% after 800 mg/kg phosphorus treatment no matter amended with CaCO3or not.Wheat biomass was accumulated highest in 200 mg/kg phosphorus treatment then decreased as phosphorus rates increased.However,the root biomass trended to decline as phosphorus rate increased while the soil was amended with CaCO3.Those results indicated that CaCO3could increase pH and decrease Mn,Al and Mg concentrations in soil solution.At the same time,phosphorus could alleviate Mn and Al toxicities in acid red soils while decrease Mn and Al concentrations in soil solution.200 mg/kg phosphorus fertilizer was suitable for wheat growth in acid red soil.

Key words:Phosphorus; Red soil; Wheat

作者簡(jiǎn)介：邵繼鋒(1983—)，男， 浙江建德人，博士研究生，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與逆境生理研究。E-mail:brianshao888@gmail.com

* 通訊作者(rfshen@issas.ac.cn)

基金項(xiàng)目：①國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB441002)和國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41025005)資助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.005

中圖分類號(hào)：S512.1