夏文建, 冀建華, 劉 佳, 李祖章, 余喜初, 王 萍, 李大明, 劉秀梅**, 王少先, 李 瑤

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長期不同施肥紅壤磷素特征和流失風險研究*

夏文建1,2, 冀建華1,2, 劉 佳1,2, 李祖章1,2, 余喜初2,3, 王 萍1,2, 李大明2,3, 劉秀梅1,2**, 王少先1,2, 李 瑤1,2

(1. 江西省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與資源環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部長江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室 南昌 330200; 2. 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心 南昌 330200; 3. 江西紅壤研究所 進賢 331717)

為探索長期施肥對紅壤磷素吸附固持的影響, 分析不同施肥土壤磷流失風險及影響因素。在南方丘陵區(qū)紅壤上開展了持續(xù)25年的長期定位試驗, 處理包括: 不施肥(CK)、施氮肥(N)、施磷肥(P)、施鉀肥(K)、施氮磷鉀肥(NPK1)、施2倍量氮磷鉀肥(NPK2)、單施有機肥(OM)和氮磷鉀配施有機肥(MNPK)。研究了不同施肥下土壤全磷、Olsen-P、Mehlich 1-P、CaCl2-P含量及磷吸持指數(shù)(PSI)、磷飽和度(DPS)的變化, 探討不同施肥處理土壤對磷的吸附和解吸特征, 并分析了土壤磷指標與土壤有機碳、pH、CEC之間的關(guān)系。結(jié)果表明: 長期施用化學磷肥有利于補充土壤磷素, 特別是土壤全磷, 并使Olesn-P和Mehlich 1-P有增加趨勢, 而對CaCl2-P影響不顯著; 施用化肥對DPS影響不顯著, 單施磷會降低PSI, 低量氮磷鉀提高了PSI, 高量氮磷鉀處理與對照差異不顯著; 長期施用有機肥(豬糞)土壤全磷增加, 而Olsen-P、Mehlich 1-P和CaCl2-P則大幅累積, PSI顯著降低, DPS顯著增加。長期施用化肥處理土壤對新添加磷的吸附較強, 長期施用有機肥降低了土壤對新添加磷的吸附; 土壤全磷、Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P、PSI、DPS及最大吸附容量(m)與土壤pH、CEC、土壤總有機碳(TSOC)、土壤水溶性有機碳[冷水提取水溶性有機碳(CWSOC)和熱水提取水溶性有機碳(HWSOC)]間相關(guān)性較高; 土壤磷指標和土壤有機碳、pH、CEC指標之間存在典型相關(guān)關(guān)系, 第1對和第2對典型變量的典型相關(guān)系數(shù)分別為0.997和0.951, 達顯著水平。研究表明, 施用有機肥是調(diào)節(jié)土壤磷的供給和保持的重要措施, 土壤水溶性有機碳和pH可能是反映紅壤磷素供應(yīng)和流失的關(guān)鍵指標。

紅壤; 長期施肥; 有機肥; 土壤磷; 吸附解吸特征; 典型相關(guān)

磷肥的當季利用率一般在10%~25%, 在紅壤中受鐵、鋁、錳等無機膠體對磷的固定影響, 磷肥利用率僅為10%左右[1]。紅壤中有機磷含量低, 土壤中的磷大部分以無機磷形式存在, 由于紅壤形成過程中鐵、鋁富集, 無機磷以閉蓄態(tài)的Fe-P為主, 占80%以上, 而可溶態(tài)和有機磷不足20%[2-3]。紅壤具有兩性電荷特征, 隨著pH降低, 表面正電荷增加、負電荷減少, 將增加土壤對磷酸根的吸附量, 因此紅壤酸化會降低土壤磷的有效性[3-6]。而且隨著紅壤酸化, 土壤溶液中鐵、鋁離子增加, 從而影響土壤磷的解吸過程[3-4]。長期施用有機肥有利于土壤磷素的積累, 特別是有機無機肥配施能提供土壤全磷和速效磷含量, 有利于土壤有效磷的穩(wěn)定供給[7-8]。同時有機肥可活化土壤中的磷, 影響土壤中磷的分布特征和解吸釋放行為, 隨著土壤有機質(zhì)提升, 土壤吸附磷量下降[5]。有機物料腐解過程中產(chǎn)生的有機酸對土壤磷具有活化作用, 高分子有機物質(zhì)如腐殖質(zhì)等包被土壤黏粒表面也會減少土壤膠體對磷的吸附固定[9]。土壤中有機陰離子對土壤中鐵、鋁等金屬離子的螯合作用, 以及對土壤中磷吸附位點的競爭會增加磷酸根離子的解吸, 可能會導(dǎo)致潛在的環(huán)境風險問題[10]。通過長期定位試驗研究表明, 土壤中全磷、有機磷和速效磷與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān), 有機肥中碳水化合物對土壤中磷的吸附位具有掩蔽作用[11]。長期不同施肥改變了土壤理化性質(zhì), 特別是土壤pH和有機碳等變化, 影響了土壤對磷素的吸附固持。

同時施肥對土壤磷素狀況有更直接的影響。20世紀80年代以來, 隨著肥料的大量施用, 我國土壤磷素從虧缺到盈余轉(zhuǎn)變[12], 許多學者通過磷平衡研究了我國農(nóng)田土壤磷素狀況, 研究認為全國土壤磷平均盈余59.2 kg(P2O5)?hm-2, 以華北和長江中下游盈余較多, 而經(jīng)濟作物高于糧食作物[12-14]。盈余的磷積累在土壤中能提高土壤磷的供應(yīng)潛力, 同時也存在一定的潛在風險, 土壤磷的環(huán)境風險也越來越受到重視。土壤磷的流失潛能受土壤磷素水平影響, 速效磷含量在一定程度上可用于評估磷素流失風險[15]。英國洛桑實驗站著名的Broadbalk長期定位試驗結(jié)果表明, 當土壤中Olsen-P超過60 mg?kg-1時會導(dǎo)致磷的淋失量急劇上升[16]。除可溶性磷CaCl2-P、Olsen-P外, 土壤最大吸磷量(m)[17]、土壤磷素吸持指數(shù)(phosphate sorption index, PSI)[18]和磷吸持飽和度(degree of P saturation, DPS)[19]等指標也被用來評價土壤磷素環(huán)境風險[20]。PSI用于表征土壤固相磷向液相釋放的可能性大小[21], 紅壤PSI隨著長期施用磷肥或配施有機肥顯著降低, 并隨著土壤pH提高、有機質(zhì)含量增加而降低, 并且與m顯著線性相關(guān), 可用于表征土壤固磷和供磷能力[22]。DPS表征了土壤已吸附磷素的多少, 是土壤磷素吸持能力指標, 可用于評價磷的土壤環(huán)境容量, 預(yù)測土壤磷素流失潛能[19]。魏紅安等[6]分析了紅壤磷有效性衰減過程和農(nóng)學與環(huán)境學磷素指標之間的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)農(nóng)學指標與環(huán)境指標間存在明顯的“突變點”, 可用于測算環(huán)境風險臨界值。

然而長期施肥條件下紅壤磷素特征、環(huán)境風險, 以及長期施肥土壤有機碳、pH、CEC等變化與土壤磷素特征和流失風險之間的關(guān)系尚不清楚, 如何評價長期不同施肥模式下土壤磷素和流失風險, 探索影響磷有效性和潛在流失風險的機制, 還有待進一步深入。本文以持續(xù)了25年的紅壤旱地長期定位施肥試驗, 研究長期施肥條件下紅壤磷素的變化和流失風險, 通過等溫吸附和解吸試驗分析土壤對磷的吸附和解吸特征, 并采用相關(guān)分析和典型相關(guān)分析等方法解析土壤有機碳、pH、CEC與幾種土壤磷和流失指標的關(guān)系, 為指導(dǎo)紅壤合理施肥提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

紅壤長期定位試驗始于1986年[23], 位于江西省進賢縣(28°37’N, 116°26’E)。該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候, 年均氣溫17.7 ℃, 年均降雨1 727 mm。土壤母質(zhì)為第四紀紅黏土, 質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土。試驗前土壤基本性質(zhì)為: pH 6.0, 容重1.20 g?cm-3, 有機碳含量9.39 g?kg-1, 全氮(N)、全磷(P2O5)、全鉀(K2O)分別為0.98 g?kg-1、0.62 g?kg-1和11.36 g?kg-1, 堿解氮60.3 mg?kg-1, 有效磷(NaHCO3-P)5.6 mg?kg-1, 速效鉀(NH4OAc-K)70.2 mg?kg-1, 陽離子交換量(CEC) 10.7 cmol(+)?kg-1, 黏粒含量(<0.002 mm) 41.0%。

試驗共有10個處理, 本研究選取其中的8個處理, 包括對照、單施化肥或有機肥、NPK平衡施肥和有機無機配施進行研究, 具體處理為: 不施肥(CK)、施氮肥(N)、施磷肥(P)、施鉀肥(K)、施氮磷鉀肥(NPK1)、施2倍量氮磷鉀肥(NPK2)、單施有機肥(OM)和氮磷鉀配施有機肥(MNPK)。小區(qū)面積22.2 m2, 每個處理3次重復(fù), 隨機區(qū)組設(shè)計, 種植制度采用春玉米(4—7月)-夏玉米(7—10月)-冬閑制。每年肥料用量分兩季施用, 每季施用純N 60 kg?hm-2、P2O530 kg?hm-2和K2O 60 kg?hm-2?；史N類分別為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀; 有機肥為新鮮豬糞, 含水量為80%, 干物質(zhì)含碳量為40%, N、P2O5、K2O為0.40%、0.35%和0.50%, 施用量15 t?hm-2。磷、鉀肥和有機肥均基施, 氮肥2/3作基肥, 1/3追肥。本研究樣品采集于2011年11月玉米收獲后, 每個小區(qū)按S型采集0~20 cm表層土壤樣品并混勻, 土樣自然風干, 過2 mm篩備用。

1.2 分析項目與測定方法

1.2.1 土壤有機碳及常規(guī)理化指標

土壤有機碳和常規(guī)理化指標采用常規(guī)方法測定[24]。土壤pH采用水浸提(土液比1∶2.5)pH計測定; 土壤總有機碳(total soil organic carbon, TSOC)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定; 土壤水溶性有機碳采用25 ℃[冷水提取水溶性有機碳(cold water soluble organic carbon, CWSOC)]和70 ℃[熱水提取水溶性有機碳(hot water soluble organic carbon, HWSOC)]蒸餾水提取[25], 碳氮分析儀(multi C/N 2100)測定。

土壤活性有機碳(active soil organic carbon, ASOC)[26]采用333 mmol?L-1高錳酸鉀氧化法測定: 稱取1.00 g過0.25 mm篩的土壤樣品于50 mL離心管中, 加入333 mmol?L-1KMnO425 mL, 振蕩1 h, 離心5 min(轉(zhuǎn)速5 000 r?min-1), 取上清液用去離子水按1∶250稀釋, 在565 nm比色, 根據(jù)KMnO4濃度的變化求出樣品的活性有機碳(1 mmol KMnO4消耗0.75 mmol C)、碳庫管理指數(shù)(carbon management index, CMI), 參考徐明崗等[26]的方法計算。

1.2.2 土壤磷素指標

全磷(TP)采用HClO4-H2SO4消化-鉬銻抗比色法; 土壤Olsen-P采用NaHCO3浸提(土液比1∶20), 土壤酸提取磷(Mehlich 1-P)[27]采用稀酸(0.05 mol·L-1HCl+0.0125 mol·L-1H2SO4)提取(土液比1∶10), 水溶性磷CaCl2-P采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提(土液比1∶20), 鉬銻抗比色法測定[24]。

磷吸持指數(shù)(PSI)[6], 稱取過2 mm篩風干土樣2.00 g于50 mL聚乙烯塑料離心管中, 加入含磷量為150 mg?L-1的0.01 mol?L-1CaCl2溶液20 mL(每1.0 g土壤加入1.5 mg磷), 同時加入2滴甲苯抑制微生物生長, 加塞于25 ℃恒溫振蕩24 h, 7 000 r?min-1離心5 min。采用鉬銻抗比色法測定上清液磷濃度(, μmol?L-1)計算磷吸持量[, mg?(100g)-1]。

磷的等溫吸附[28]: 稱取過0.25 mm篩風干土樣1.00 g于50 mL聚乙烯塑料離心管中, 每個處理9份, 加入含0.01 mol?L-1CaCl2的磷工作液20 mL[用Ca(H2PO4)2·H2O配制, 濃度依次為(mg?L-1)0、5、10、25、50、100、200、400和800], 加數(shù)滴甲苯抑制微生物生長, 加塞于25 ℃恒溫振蕩24 h, 5 000 r?min-1離心5 min。采用鉬銻抗比色法測定上清液磷濃度。

土壤吸附磷的等溫解吸[29]: 上述高速離心后棄去上清液的土樣先用0.01 mol?L-1CaCl2溶液洗2遍, 減少殘留磷平衡溶液的影響, 再加入20 mL 0.01 mol?L-1CaCl2溶液, 同上25 ℃恒溫振蕩24 h、5 000 r?min-1離心5 min, 測定磷的解吸量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007進行處理后用SPSS22進行統(tǒng)計分析, 采用Origin 9.0繪圖。

1)磷等溫吸附Langmuir方程擬合[29]:

m×(×)/(1+×) (1)

式中:表示土壤中磷的吸附量(mg?kg-1),表示平衡溶液中磷的濃度(mg?L-1);m表示土壤中磷的潛在最大吸附容量(mg?kg-1),表示吸附平衡常數(shù)(土壤與磷的結(jié)合能有關(guān))。

2)磷吸持指數(shù)(PSI)[6]:

PSI=/lg(2)

式中:為土壤吸磷量[mg?(100g)-1],為平衡溶液中磷的濃度(μmol?L-1)。

3)土壤磷飽和度(DPS)[27,29]

土壤磷飽和度(DPS)表示土壤膠體上已吸附磷的數(shù)量占土壤磷總吸附容量的百分數(shù), 計算公式如下:

DPS=e/(m+e)×100% (3)

式中:m+e為土壤磷總吸附容量;m為潛在的磷最大吸附容量, 通過Langmuir方程計算獲得;e為吸附態(tài)磷,本試驗用Olsen-P表示[27,29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥處理對土壤磷素的影響

長期不同施肥處理土壤磷素發(fā)生了顯著變化(表1)。土壤全磷含量為0.51~1.59 g?kg-1, 施氮肥(N)全磷含量比對照(CK)下降8.93%, 但差異不顯著; 單施磷肥(P)、鉀肥(K)和氮磷鉀肥配施(NPK1和NPK2)處理土壤全磷含量為0.68~0.77 g?kg-1, 顯著高于對照, 但4個處理之間差異不顯著; 而施用有機肥(OM)和有機肥與氮磷鉀肥配施處理(MNPK)土壤全磷含量分別為1.35 g?kg-1和1.59 g?kg-1, 顯著高于對照和其他施肥處理。對照及化肥處理土壤Olsen-P、Mehlich 1-P和CaCl2-P含量范圍分別為12.76~39.47 mg?kg-1、18.67~53.02 mg?kg-1、0.84~2.55 mg?kg-1, 而有機肥處理(OM和MNPK)分別為95.61~99.90 mg?kg-1、192.53~232.40 mg?kg-1、30.14~44.46 mg?kg-1。單施磷肥(P)和鉀肥(K)及高量氮磷鉀(NPK2)處理Olsen-P含量顯著高于對照(CK)和單施氮(N)處理, 單施磷肥(P)、鉀肥(K)和常量氮磷鉀肥(P、K和NPK1)處理之間Olsen-P含量差異不顯著; 高量氮磷鉀(NPK2)處理Mehlich 1-P含量顯著高于對照(CK)和單施氮(N)處理, 各化肥處理之間Mehlich 1-P含量差異不顯著; 對照及化肥處理之間CaCl2-P含量差異不顯著。與對照和化肥處理相比, 施用有機肥顯著提高了土壤Olsen-P、Mehlich 1-P和CaCl2-P含量。

表1 長期不同施肥處理對紅壤土壤磷素狀況的影響

CK: 不施肥; N: 單施氮肥; P: 單施磷肥; K: 單施鉀肥; NPK1: 施常量氮磷鉀肥; NPK2: 施2倍量氮磷鉀肥; OM: 單施有機肥; MNPK: 常量氮磷鉀配施有機肥。同列數(shù)字后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。CK: no-fertilizer control; N: sole chemical N fertilizer; P: sole chemical P fertilizer; K: sole chemical K fertilizer; NPK1: chemical N, P, and K fertilizers; NPK2: double doses of chemical N, P, and K fertilizers; OM: organic manure; MNPK: organic manure plus N, P and K. Values followed by different letters in a column are significantly different at 5% level.

土壤磷吸持指數(shù)(PSI)用于表征土壤固相磷向液相釋放的可能性大小, 反映了土壤磷的吸持或釋放潛力。對照(CK)和施用化肥(N、P、K、NPK1和NPK2)處理的PSI為22.02~33.30, 與對照(CK)相比, 單施氮(N)、高量氮磷鉀(NPK2)處理差異不顯著, 而常量氮磷鉀肥(NPK1)處理PSI顯著提高, 單施磷肥(P)和鉀肥(K)處理顯著降低; 有機肥處理(OM和MNPK)的PSI為11.82~11.89, 顯著低于對照和化肥處理。土壤磷飽和度(DPS)表示土壤已吸附磷素的多少, 反映了土壤磷素吸持能力, 對照(CK)和施用化肥(N、P、K、NPK1和NPK2)處理的DPS為0.63%~2.13%, 處理之間差異不顯著; 有機肥處理(OM和MNPK)的DPS為8.38%~10.66%, 顯著高于對照和化肥處理?？梢娪袡C肥處理顯著降低了土壤磷吸持指數(shù), 提高了土壤磷飽和度。

圖1 長期不同施肥處理下紅壤土壤的磷等溫吸附特征

CK: 不施肥; N: 單施氮肥; P: 單施磷肥; K: 單施鉀肥; NPK1: 施常量氮磷鉀肥; NPK2: 施2倍量氮磷鉀肥; OM: 單施有機肥; MNPK: 常量氮磷鉀配施有機肥。CK: no-fertilizer control; N: sole chemical N fertilizer; P: sole chemical P fertilizer; K: sole chemical K fertilizer; NPK1: chemical N, P, and K fertilizers; NPK2: double doses of chemical N, P, and K fertilizers; OM: organic manure; MNPK: organic manure plus N, P and K.

2.2 長期不同施肥處理下土壤磷的吸附特征

圖1顯示, 不同施肥處理間土壤磷的等溫吸附曲線存在較大差異, 其中有機肥處理(OM和MNPK)吸附曲線的位置明顯較低, 表明在平衡溶液相同磷濃度下, 有機肥處理下土壤對磷的吸附量明顯下降。氮磷鉀處理(NPK1和NPK2)在平衡溶液磷濃度較低時(0~400 mg?L-1), 曲線位置較高, 而隨著磷濃度提高, 與對照和其他化肥處理比較曲線位置降低, 反映了在磷濃度較高時氮磷鉀處理(NPK1和NPK2)對磷的吸附有所下降。單施氮肥(N)和對照處理曲線處于較高位置, 可能是因為長期不施磷肥土壤磷素虧缺導(dǎo)致土壤對磷的吸附增加有關(guān)。施用磷肥和鉀肥處理等溫吸附曲線有所下降, 表明長期施用磷肥或鉀肥會影響土壤對磷的吸附固定。

采用Langmuir方程對土壤磷的等溫吸附曲線進行擬合(表2), 各施肥處理磷吸附等溫曲線的方程決定系數(shù)為0.862~0.989, 表明Langmuir方程能很好地擬合不同施肥處理下土壤對磷的吸附特征。擬合方程參數(shù)顯示, 不同施肥處理最大吸磷量(m)為798.8~ 2 522.3 mg?kg-1, 其中單施氮肥(N)的最高, 為2 522.3 mg?kg-1, 其他施用化肥處理范圍為1 800.5~2 053 mg?kg-1, 和對照(1 790.4 mg?kg-1)差異不大, 而施用有機肥處理(OM和MNPK)最大吸磷量m為798.8~1 043.4 mg?kg-1, 有明顯降低。參數(shù)反映了土壤對磷的吸附結(jié)合能, 對照處理(CK)和氮磷鉀配施處理(NPK1和NPK2)值較高, 而有機肥(OM)處理值最低, 其次是單施化肥處理(N、K、P)和有機肥與氮磷鉀配施處理(MNPK)。

表2 長期不同施肥處理下紅壤土壤磷等溫吸附Langmuir方程擬合參數(shù)

CK: 不施肥; N: 單施氮肥; P: 單施磷肥; K: 單施鉀肥; NPK1: 施常量氮磷鉀肥; NPK2: 施2倍量氮磷鉀肥; OM: 單施有機肥; MNPK: 常量氮磷鉀配施有機肥。*和**分別表示達5%和1%顯著水平。CK: no-fertilizer control; N: sole chemical N fertilizer; P: sole chemical P fertilizer; K: sole chemical K fertilizer; NPK1: chemical N, P, and K fertilizers; NPK2: double doses of chemical N, P, and K fertilizers; OM: organic manure; MNPK: organic manure plus N, P and K.* and ** mean significant at 5% and 1% levers, respectively.

2.3 長期不同施肥處理下土壤磷的解吸特征

從磷的等溫解吸曲線(圖2)可以看出, 有機肥處理(OM和MNPK)解吸曲線位置在化肥處理及對照之上, 單施磷肥(P)和鉀肥(K)處理曲線位置居中, 而單施氮肥(N)處理曲線在最下面。說明長期施用有機肥土壤對磷的吸附較弱, 新加入的磷更容易被解吸; 長期單施氮肥的土壤對磷的吸附較強, 新加入的磷更難解吸出來。吸附曲線的形狀上, 在磷吸附量較低時(500 mg?kg-1以下)解吸曲線較平緩, 而磷吸附量較高時, 解吸曲線明顯變陡。表明在不同磷濃度下, 土壤對磷的吸附可能存在不同的吸附位點, 高磷濃度吸附的磷更容易被解吸下來。

圖2 長期不同施肥對紅壤土壤吸附磷等溫解吸的影響

CK: 不施肥; N: 單施氮肥; P: 單施磷肥; K: 單施鉀肥; NPK1: 施常量氮磷鉀肥; NPK2: 施2倍量氮磷鉀肥; OM: 單施有機肥; MNPK: 常量氮磷鉀配施有機肥。CK: no-fertilizer control; N: sole chemical N fertilizer; P: sole chemical P fertilizer; K: sole chemical K fertilizer; NPK1: chemical N, P, and K fertilizers; NPK2: double doses of chemical N, P, and K fertilizers; OM: organic manure; MNPK: organic manure plus N, P and K.

從土壤解吸磷占被土壤吸附磷的比例上看(圖3), 對照和化肥處理隨著加入磷濃度的增加, 解吸磷百分比增加。有機肥處理(OM和MNPK)磷解吸比例先降低后升高, 在磷加入濃度100~200 mg?L-1時, 解吸比例最低, 有機肥與氮磷鉀肥配施(MNPK)處理解吸磷的比例低于單施有機肥(OM)處理。有機肥處理(OM和MNPK)在加入磷溶液濃度5~10 mg·L-1時解吸比例有超過100%, 這是由于土壤中本身的易解吸磷較高造成的。

圖3 長期不同施肥對紅壤土壤吸附磷解吸率的影響

CK: 不施肥; N: 單施氮肥; P: 單施磷肥; K: 單施鉀肥; NPK1: 施常量氮磷鉀肥; NPK2: 施2倍量氮磷鉀肥; OM: 單施有機肥; MNPK: 常量氮磷鉀配施有機肥。CK: no-fertilizer control; N: sole chemical N fertilizer; P: sole chemical P fertilizer; K: sole chemical K fertilizer; NPK1: chemical N, P, and K fertilizers; NPK2: double doses of chemical N, P, and K fertilizers; OM: organic manure; MNPK: organic manure plus N, P and K.

表3 紅壤土壤磷與有機碳、pH、CEC的相關(guān)系數(shù)

TSOC: 土壤有機碳; ASOC: 土壤活性有機碳; CWSOC: 冷水提取水溶性有機碳; HWSOC: 熱水提取水溶性有機碳; CMI: 碳庫管理指數(shù); TP: 全磷; Olsen-P: 有效磷; Mehlich1-P: 酸提取磷; CaCl2-P: 水溶性磷; PSI: 磷素吸持指數(shù);m: 最大吸磷量;: 吸附結(jié)合能常數(shù); DPS: 磷飽和度。TSOC: total soil organic carbon; ASOC: active soil organic carbon; CWSOC: cold water abstracted soluble organic carbon; HWSOC: hot water abstracted soluble organic carbon; CMI: carbon management index; TP: total phosphorus; Olsen-P: available phosphorus; Mehlich1-P: double acid-extractable phosphorus; CaCl2-P: water-soluble phosphorus; PSI: phosphate sorption index;m: maximal phosphorus adsorption;: phosphorus adsorption affinity constant; DPS: degree of phosphorus saturation.

2.4 長期不同施肥處理下土壤磷與有機碳、pH、CEC的相關(guān)性

為研究土壤有機碳、pH和CEC對土壤磷及流失風險吸附固持的影響, 對土壤磷指標和有機碳指標等進行了相關(guān)分析(表3)。結(jié)果顯示: TP、Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P、PSI、DPS及m等指標與土壤有機碳(TSOC)、水溶性有機碳(CWSOC和HWSOC)、pH和CEC之間的相關(guān)性均達到極顯著水平; 各類磷指標與碳庫管理指數(shù)(CMI)間相關(guān)性不顯著; TP、Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P、DPS等指標與土壤活性有機碳(ASOC)之間相關(guān)性達極顯著, 但DPS和m與ASOC之間相關(guān)性不顯著。土壤磷的吸附結(jié)合能常數(shù)()僅與土壤pH和PSI之間相關(guān)性達顯著水平, 與其他指標間相關(guān)性不顯著?？傮w上, 土壤Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P與CWSOC、HWSOC相關(guān)系數(shù)最高, 其次TP、Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P、PSI、DPS及m等與土壤pH、CEC和有機碳指標間TSOC相關(guān)性較高, 而與土壤有機碳指標和CEC相關(guān)性不顯著。

2.5 長期不同施肥處理下土壤磷與有機碳、pH、CEC的典型相關(guān)分析

典型相關(guān)分析是一種研究兩組變量整體之間相關(guān)的統(tǒng)計方法, 對土壤磷指標和土壤有機碳、pH、CEC指標進行典型相關(guān)分析可以得到7對典型變量(表4), 其中第1對和第2對典型變量的典型相關(guān)系數(shù)分別為0.997和0.951, 達到了顯著水平, 剩余幾對變量未達到顯著。

第1對典型變量和第2對典型變量的表達式為:

1=0.0861-0.0542-0.813+0.084+0.0855-

0.3146-0.0667(4)

1=0.0391+0.2822-0.7563-0.3034+0.1145-

0.0736-0.0077-0.2348(5)

2=0.6731-0.4372-3.8123+2.5334+0.2855+

0.3636+0.7397(6)

2=3.2121+1.0242-2.4123-0.3434+0.6765-

0.2446-0.0187-0.918(7)

典型變量和分別表示土壤有機碳、pH、CEC指標和土壤磷指標,1234567分別表示總有機碳(TSOC)、活性有機碳(ASOC)、冷水提取水溶性有機碳(CWSOC)、熱水提取水溶性有機碳(HWSOC)、碳庫管理指數(shù)(CMI)、土壤pH、陽離子交換量(CEC);12345678分別表示土壤全磷(TP)、速效磷(Olsen-P)、酸提取磷(Mehlich1-P)、水溶性磷(CaCl2-P)、磷吸持指數(shù)(PSI)、最大吸附容量(m)、磷吸附結(jié)合能指數(shù)()、磷吸附飽和度(DPS)。

表達式中各指標的系數(shù)反映了其所占典型變量的權(quán)重和相關(guān)性的正負[30]。典型變量1中CWSOC和pH占的權(quán)重較大,2中CWSOC、HWSOC占的權(quán)重較大;1中Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P占的權(quán)重較大,2中TP、Olsen-P、Mehlich1-P和DPS占的權(quán)重較大。每個典型變量的意義主要由負載最高的變量決定, 可以認為1綜合反映了土壤水溶性有機碳和土壤酸度,2主要代表土壤有機碳中水溶性組分,1主要代表土壤速效磷或土壤磷中較活躍的組分,2綜合反映土壤磷素總體狀況。同時,1和1與原始有機碳、pH、CEC指標中CWSOC、HWSOC相關(guān)性較高, 其次是pH,1和1與磷素指標中全磷、Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P和DPS相關(guān)性較高, 均為負相關(guān), 相關(guān)系數(shù)達到了-0.9以上; 而2和2與土壤有機碳、CEC和全磷相關(guān)性較高(表5)。

表4 紅壤土壤磷與有機碳、pH、CEC的典型變量

表5 紅壤土壤有機碳、pH、CEC、土壤磷等指標與典型變量之間的相關(guān)性

TSOC: 土壤有機碳; ASOC: 土壤活性有機碳; CWSOC: 冷水提取水溶性有機碳; HWSOC: 熱水提取水溶性有機碳; CMI: 碳庫管理指數(shù); TP: 全磷; Olsen-P: 有效磷; Mehlich1-P: 酸提取磷; CaCl2-P: 水溶性磷; PSI: 磷素吸持指數(shù);m: 最大吸磷量;: 吸附結(jié)合能常數(shù); DPS: 磷飽和度。TSOC: total soil organic carbon; ASOC: active soil organic carbon; CWSOC: cold water abstracted soluble organic carbon; HWSOC: hot water abstracted soluble organic carbon; CMI: carbon management index; TP: total phosphorus; Olsen-P: available phosphorus; Mehlich1-P: double acid-extractable phosphorus; CaCl2-P: water-soluble phosphorus; PSI: phosphate sorption index;m: maximal phosphorus adsorption;: phosphorus adsorption affinity constant; DPS: degree of phosphorus saturation.

來自土壤有機碳、pH和CEC指標的第1典型變量1和第2典型變量2可以解釋相應(yīng)土壤碳、pH和CEC的61.6%和6.5%的組內(nèi)方差, 可以解釋對應(yīng)磷相關(guān)變量的61.2%和5.9%的組內(nèi)方差; 來自土壤磷素指標的第1典型變量1和第2典型變量2可以解釋相應(yīng)磷指標的79.0%和4.3%的組內(nèi)方差, 可以解釋對應(yīng)土壤碳、pH和CEC的78.5%和3.9%的組內(nèi)方差。

3 討論

3.1 長期施肥對土壤磷累積與流失風險的影響

紅壤旱地施用磷肥是補充磷的有效措施。本研究表明長期單施磷肥以及氮磷鉀處理土壤磷素有所累積。長期施用化學磷肥有利于補充土壤磷素, 特別是土壤全磷, 并使Olesn-P和Mehlich 1-P有增加趨勢, 而對CaCl2-P影響不顯著。單施氮和高量氮磷鉀處理對磷吸持指數(shù)PSI無顯著影響, 而單施磷、鉀處理顯著降低PSI, 而氮磷鉀處理顯著提高PSI?？梢? 化肥氮磷鉀元素的搭配對于PSI影響較為復(fù)雜, PSI表征了土壤固相磷向液相釋放的潛力, 土壤磷數(shù)量和形態(tài)以及土壤對磷的吸附固持能力均會影響PSI, 常量氮磷鉀處理PSI較高可能與土壤對磷的吸附較強有關(guān)(表2可見, 土壤磷等溫吸附曲線Langmuir方程擬合NPK1處理最大吸磷量m和吸附結(jié)合能常數(shù)均較高), 而高量氮磷鉀處理土壤對磷吸附較強, 但土壤磷含量較高抵消了土壤吸附的影響?；侍幚砗蛯φ罩g磷飽和度DPS差異不顯著。

長期單施鉀肥下土壤Olsen-P、Mehlich 1-P和CaCl2-P含量高于對照和單施氮肥, 與單施磷肥和NPK1處理相當。孫倩倩等[31]在紫色菜園土的定位試驗發(fā)現(xiàn)增施鉀肥提高了表層土壤磷含量, 認為是增鉀促進了植物對深層土壤磷的吸收利用。類似的結(jié)果在顏雄等[32]的數(shù)據(jù)中也可以看到, 施鉀肥處理土壤全磷和速效磷高于對照以及施磷肥處理, 接近施用氮磷鉀肥處理, 與本研究的結(jié)果一致。施用鉀肥土壤速效磷含量高于對照處理, 但差異并不顯著, 其可能的原因是鉀肥促進了植物根系生長, 進而增強了耕層土壤微生物活動, 在微生物的協(xié)同作用下有利于土壤磷向有效態(tài)轉(zhuǎn)化。

有機無機肥配施提高土壤磷含量的同時, 增加了無機磷組分中的有效磷源和緩效磷源的比例, 被認為是最優(yōu)的施肥處理[31]。本研究中施用有機肥(OM和MNPK)與對照和化肥處理相比, 土壤全磷、Olsen-P、Mehlich 1-P和CaCl2-P顯著提高, 同時土壤磷吸持指數(shù)(PSI)顯著下降, 磷飽和度(DPS)顯著上升(表1)。紅壤旱地長期施用有機肥導(dǎo)致土壤中磷素的大量累積, 可能會導(dǎo)致磷流失風險。魯如坤等[33]提出土壤Olsen-P為50~70 mg?kg-1是農(nóng)田磷滲漏污染的臨界指標。魏紅安等[6]分析了紅壤中磷的環(huán)境風險和臨界值, 認為Olsen-P的含量臨界值是50~60 mg?kg-1, 對應(yīng)的磷吸持指數(shù)(PSI)的臨界值為23.46。我們研究中有機肥處理土壤Olsen-P達95.61~99.91 mg?kg-1, PSI為11.82~11.89, 顯示存在較大的磷流失風險, 而施有機肥土壤DPS為8.38%~10.67%, 處于較低水平(表1)。王經(jīng)緯等[34]研究認為紅壤旱地有效磷大于260 mg?kg-1或DPS大于28%時土壤磷具有極高的流失風險, 而習斌等[19]認為紅壤的DPS臨界值為12.87%。長期施用糞肥會顯著提高土壤Olsen-P、CaCl2-P和DPS的增加速率, 提高了土壤磷素淋失風險[35]。本研究中根據(jù)豬糞測定數(shù)據(jù)計算, 有機肥處理每季磷肥用量約為P2O552.5 kg?hm-2, MNPK處理為82.5 kg?hm-2, 高于其他常規(guī)施磷處理, 但施用量上低于紅壤區(qū)油菜[36]和菜地[1]施磷量, 也低于小麥玉米主產(chǎn)區(qū)的磷肥用量[37]?？赡苡捎诒狙芯恐辛追适┯昧坎桓? 土壤磷的飽和度并不高, 但施用有機肥導(dǎo)致土壤磷的累積風險值得關(guān)注。采用不同指標的分析結(jié)果不盡相同, 運用多指標綜合評價更有利于客觀反映和分析土壤磷素狀況和流失風險。

3.2 長期施肥對土壤磷吸附、解吸特征的影響

長期不同施肥會影響土壤對磷的吸附與解吸行為, 采用Langmuir方程能很好地擬合不同施肥處理紅壤土壤對磷的等溫吸附特征。施用磷肥使土壤對磷的吸附有所下降, 表現(xiàn)在同等平衡溶液磷濃度下土壤對磷的吸附量較對照低, 但Langmuir方程擬合其潛在最大吸磷量m比對照高, 而吸附結(jié)合能常數(shù)較低。單施氮肥處理m最高, 而值比對照低, 可能與單施氮肥土壤磷素虧缺嚴重有關(guān), 同時單施氮肥土壤酸化[8]和土壤結(jié)構(gòu)破壞影響了土壤對磷的吸附。氮磷鉀處理(NPK1和NPK2)土壤對磷的吸附較強, 特別是低量氮磷鉀的m和值均較高。有機肥處理(OM和MNPK)土壤對磷的吸附固定下降,m和值均明顯較低。

從磷的等溫解吸曲線上看, 施用化肥處理與對照比較相似, 其中施用磷肥和施用鉀肥的處理磷較容易解吸, 化肥處理中土壤解吸磷占吸附磷的百分比也是單施磷肥和單施鉀肥較高, 其他化肥處理與對照接近。長期施用磷肥紅壤中累積了較多的磷素, 使土壤對磷的吸附有所下降, 同時吸附的磷更容易解吸; 而長期施用鉀肥對土壤磷的吸附解吸特征有較大影響, 氮磷鉀配施(NPK1和NPK2)與對照處理土壤對磷的吸附和解吸特征比較接近。長期施用有機肥土壤對磷的吸附下降, 包括磷的最大吸附容量m和吸附結(jié)合能均下降, 同時土壤新添加磷更容易被解吸。而土壤解吸磷占被吸附磷的比例呈先下降后上升的趨勢, 反映了施用有機肥處理在低磷濃度下能釋放較多的土壤磷, 對于改善土壤供磷具有積極意義; 而施用化肥處理在低磷濃度下磷的解吸比例很低, 只有投入較多的磷才能釋放足夠的磷, 滿足作物需求。趙慶雷等[38]研究了長期有機物料循環(huán)對紅壤稻田磷的吸附解吸的影響, 所得結(jié)論與本研究相似, 認為長期施用化肥處理對磷的吸附解吸影響不大, 有機肥與無機肥配施可顯著降低耕層土壤磷的吸附性, 促進磷的解吸。但長期基于作物氮素養(yǎng)分需求的施肥方案, 有機肥比無機肥可能更容易導(dǎo)致土壤磷素的累積和環(huán)境風險[39]。

3.3 土壤pH、CEC和有機碳對土壤磷素的影響分析

紅壤對磷的吸附和保持主要受pH、CEC和總有機碳等影響, 土壤中有機碳、CEC增加會減弱紅壤對磷的吸附, 降低磷的最大吸附容量。紅壤隨著pH降低, 土壤H+增加, 會增加土壤對磷酸根離子的吸附, 因此紅壤酸化會加劇土壤磷的固定, 降低土壤磷的有效性。但長期施肥處理土壤TP、Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P等與pH呈顯著正相關(guān), 可能是由于施用有機肥[11]和鈣鎂磷肥提高了土壤磷, 同時也可以在一定程度上緩解土壤酸化[40]。

典型相關(guān)分析可以更進一步揭示影響土壤磷素特征的關(guān)鍵指標, 是解釋較為復(fù)雜的土壤科學問題的有效手段[30]。土壤磷素指標與土壤有機碳、pH、CEC指標之間存在顯著的典型相關(guān)關(guān)系, CWSOC和pH權(quán)重較大的典型變量1與Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P權(quán)重較大的1之間相關(guān)性達0.997, CWSOC、HWSOC占權(quán)重較大的2與TP、Olsen-P、Mehlich1-P和DPS占權(quán)重較大的2之間相關(guān)性為0.951。反映了土壤水溶性有機碳和pH可能是影響紅壤供磷和流失風險的關(guān)鍵因素, 并且水溶性有機碳的權(quán)重要大于pH。結(jié)合簡單相關(guān)分析的結(jié)果, 土壤水溶性有機碳與土壤TP、Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P、磷飽和度DPS等呈正相關(guān), 與土壤磷吸持指數(shù)PSI和最大吸附容量m呈負相關(guān)?？梢钥闯? 長期施用豬糞在土壤磷素累積的同時, 通過增加了土壤水溶性有機碳含量并緩解了土壤酸化, 從而影響土壤磷素的吸持和固定。

4 結(jié)論

長期施用化學磷肥有利于補充土壤磷素, 特別是土壤全磷, 并使Olesn-P和Mehlich 1-P有增加趨勢, 而對CaCl2-P影響不顯著, 施用化肥對磷飽和度DPS影響不顯著, 單施磷會降低磷吸持指數(shù)PSI, 而氮磷鉀搭配的影響較復(fù)雜, 低量氮磷鉀提高了PSI, 高量氮磷鉀處理與對照差異不顯著; 長期施用有機肥(豬糞)土壤全磷增加, 而Olsen-P、Mehlich 1-P和CaCl2-P則大幅累積, 土壤磷吸持指數(shù)PSI顯著降低, 磷飽和度DPS顯著增加, 土壤磷的流失風險加劇。

長期施用化肥處理土壤對新添加磷的吸附較強, 長期施用有機肥降低了土壤對新添加磷的吸附?；侍幚黼S著磷濃度提高, 解吸率升高; 有機肥處理低磷濃度有較高的解吸率, 在適宜的磷濃度下解吸率下降, 表明施用有機肥在調(diào)節(jié)土壤磷的供給和保持上具有積極作用。

土壤Olsen-P、Mehlich 1-P和CaCl2-P等磷指標和土壤水溶性有機碳(CWSOC和HWSOC)相關(guān)性最高, 其次土壤TP、Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P及磷吸持指數(shù)PSI、磷飽和度DPS及最大吸附容量m等指標與土壤pH、CEC和TSOC相關(guān)性較高。典型相關(guān)分析顯示, 由Olsen-P、Mehlich1-P、CaCl2-P代表的第1對典型變量1與主要由土壤pH和HWSOC代表的1相關(guān)性0.997, 可以分別解釋相應(yīng)磷指標79%和土壤有機碳、pH、CEC指標61.6%的組內(nèi)方差。水溶性有機碳(HWSOC和CWSOC)與1、1的相關(guān)系數(shù)較大, 其次是pH。

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Effect of long-term fertilization on soil phosphorus characteristics and loss risk of red soil*

XIA Wenjian1,2, JI Jianhua1,2, LIU Jia1,2, LI Zuzhang1,2, YU Xichu2,3, WANG Ping1,2, LI Daming2,3, LIU Xiumei1,2**, WANG Shaoxian1,2, LI Yao1,2

(1. Institute of Soil Fertilizer and Resource Environment, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Farming System for Middle and Lower Reaches of Yangtze River, Ministry of Agriculture, Nanchang 330200, China; 2. National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330200, China; 3. Jiangxi Institute of Red Soil, Jinxian 331717, China)

In order to determine the effects of long-term fertilization on soil phosphorus loss risk in red soil, a study on soil phosphorus adsorption and retention and the related driving factors in red soils was conducted. A long-term fertilization experiment was started in 1986 under double corn cropping system in Jingxian County, Jiangxi Province. The treatments included no-fertilizer control (CK), sole chemical nitrogen fertilizer (N), sole chemical phosphorus fertilizer (P), sole chemical potassium fertilizer (K), chemical N, P and K fertilizers (NPK1), double doses of chemical N, P and K fertilizers (NPK2), sole organic manure (OM), and organic manure plus chemical N, P and K fertilizers (MNPK). Soil total phosphorus (TP), available phosphorus (Olsen-P), double acid-extractable phosphorus (Mehlich 1-P), water-soluble phosphorus (CaCl2-P), phosphate sorption index (PSI), and phosphorus saturation degree (DPS) were measured. Isothermal adsorption and desorption characteristics of soil phosphorus were determined and the relationship between soil phosphorus parameters and soil organic carbon, pH and CEC analyzed using simple and canonical correlation analyses. The results showed that long-term application of chemical phosphorus fertilizer supplemented soil phosphorus (especially TP) and increased Olsen-P and Mehlich 1-P, but had no significant effect on CaCl2-P. The effect of chemical fertilizer application on DPS was not significant. Phosphorus fertilizer reduced PSI, NPK1treatment increased PSI, but NPK2had no significant difference with CK. Under long-term application of organic manure (pig manure, OM and MNPK), soil TP and DPS increased, then Olsen-P, Mehlich 1-P and CaCl2-P accumulated significantly, but PSI decreased. Results from soil P sorption isotherms simulated using the Langmuir equation produced a coefficient in the range of 0.862–0.989. CK and chemical fertilizer treatments had high maximal phosphorus adsorption (m) and phosphorus adsorption affinity constant (), while under long-term organic manure application (OM and MNPK treatments)mandreduced. The isotherms for phosphorus desorption showed that CK and chemical fertilizer treatments increased phosphorus desorption rate with increasing phosphorus concentration. Organic fertilizer treatments (OM and MNPK) had high phosphorus desorption rate under low phosphorus concentration, but low phosphorus desorption rate under high phosphorus concentration. Under long-term application of chemical fertilizers, soils phosphorus adsorption and fixation increased with new additions of phosphorus, but organic fertilizers reduced phosphorus adsorption in the soil. Soil TP, Olsen-P, Mehlich 1-P, CaCl2-P, PSI, DPS andmhad significant correlation with pH, CEC, soil total organic carbon (TSOC), cold water soluble organic carbon (CWSOC) and hot water soluble organic carbon (HWSOC). There was a canonical correlation between soil phosphorus indexes and soil organic carbon, pH and CEC, with significantly canonical correlation coefficients of 0.997 and 0.951 for the first and second pairs of typical variables. The correlation coefficient between water soluble organic carbon (HWSOC and CWSOC) and the first pair of typical variables (1and1) was highest, followed by soil pH. The study showed that the application of organic fertilizer positively affected soil phosphorus supply and retention. Soil water soluble organic carbon and pH were key indexs of phosphorus supply and risk of phosphorus loss in red soils.

Red soil; Long-term fertilization; Organic manure; Soil phosphate; Adsorption and desorption characteristics; Canonical correlation

, E-mail: lxm3392@163.com

Jun. 6, 2018;

Sep. 30, 2018

S153

A

1671-3990(2018)12-1876-11

10.13930/j.cnki.cjea.180532

* 國家自然科學基金項目(31560582, 31560585)、國家科技支撐計劃項目(2011BAD41B01, 2015BAD23B03-01)、江西省農(nóng)業(yè)科學院博士啟動基金(2011CBS005)和江西省協(xié)同創(chuàng)新項目(JXXTCX2015003-001)資助

劉秀梅, 主要從事紅壤改良和新型肥料研發(fā)工作。E-mail: lxm3392@163.com

夏文建, 主要從事農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)研究工作。E-mail: xiawenjian@163.com

2018-06-06

2018-09-30

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31560582, 31560585), the National Key Technology R& D Program of the Ministry of Science and Technology of China (2011BAD41B01, 2015BAD23B03-01), Doctoral Starting Foundation of Jiangxi Academy of Agricultural Sciences (2011CBS005) and Collaborative Innovation Funds of Jiangxi Province (JXXTCX2015003-001).

夏文建, 冀建華, 劉佳, 李祖章, 余喜初, 王萍, 李大明, 劉秀梅, 王少先, 李瑤. 長期不同施肥紅壤磷素特征和流失風險研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2018, 26(12): 1876-1886

XIA W J, JI J H, LIU J, LI Z Z, YU X C, WANG P, LI D M, LIU X M, WANG S X, LI Y. Effect of long-term fertilization on soil phosphorus characteristics and loss risk of red soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1876-1886