魏文靜，李廷軒，張錫洲

（四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，四川成都 611130）

近年來，隨著我國養(yǎng)豬業(yè)迅速發(fā)展，豬糞排放量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，2015年我國豬糞排放量高達16.4億t，且成逐年增加的趨勢[1]。由于豬糞中磷養(yǎng)分含量豐富[2-3]，合理施用有助于土壤養(yǎng)分循環(huán)和維持土壤肥力，是一種理想的肥料[4-5]。然而，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通常將豬糞作為有機肥長期不合理還田，施入土壤的磷遠超過作物所需，導致磷在土壤中不斷累積，進而加劇磷素的流失風險[6-8]。研究表明，長期施用或堆積豬糞的土壤中總磷超標20倍以上，是滲漏或淋溶流失磷素的主要來源[9-10]。據(jù)報道，每年全球大約有30～40萬t的土壤磷遷移至受納水體[2]，該面源污染造成對水體總污染的貢獻率高達93%[11]。因此，找到一種切實有效的方法提取豬糞處理土壤中過量的磷，降低磷對環(huán)境的威脅具有重要的現(xiàn)實意義。

利用磷富集植物提取土壤中的過量磷具有經(jīng)濟、環(huán)境友好、避免二次污染等優(yōu)點，是降低磷素流失風險的一種切實有效措施[12-13]。已有研究表明，室內(nèi)土培條件下，黑麥草在高濃度豬糞處理下，體內(nèi)磷含量能達到10 g/kg，對豬糞處理土壤中磷的積累能力較強[14]。與南瓜 (Cucurbita moschata) 和蘇丹草 (Sorghum sudanense) 相比，向日葵 (Helianthus annuus) 對土壤中磷的富集能力最強，是一種潛在的磷修復植物[15]。Priya和Sahi[16]選育出一種雜交草(Duo festulolium) 對豬糞處理土壤中磷的磷富集特性較強。其他磷富集植物如象草 (Pennisetum purpureum Schum)[17]、澳洲狐尾 (Ptilotus polystachyus)[18]、礦山生態(tài)型粗齒冷水花 (Pilea sinofasciata)[19]、蠶繭蓼(Polygonum japonicum)[20]對施用豬糞土壤中磷也具有較好的吸收積累能力?？梢姡壳皩α赘患参锏南嚓P(guān)研究主要是在室內(nèi)土培條件下研究它們對土壤中磷的富集特征，極少或忽略了它們在大田應用中對土壤中磷的吸取凈化效果研究。

由于施入土壤中的磷易被固定、移動性較差，短期內(nèi)淋溶流失磷的量很小[21-22]，相對于植物磷積累量可忽略不計。因此，磷富集植物對土壤中磷的吸取凈化效果可通過種植磷富集植物后土壤中易溶性磷含量的變化反映。土壤中的易溶性磷主要以水溶性磷和有效磷的形式存在[23-24]，種植磷富集植物后水溶性磷和有效磷降低幅度越大，表明磷富集植物對土壤中磷的吸取凈化效果越好[25]。前期篩選出對磷富集能力較強的水蓼[26]，在室內(nèi)土培條件下對豬糞處理土壤中磷的積累能力也很強[27-28]。由于生態(tài)型差異，礦山生態(tài)型水蓼對磷的積累能力顯著強于非礦山生態(tài)型，其地上部磷積累量最大時達211 mg/株[29]。因此，本研究在此基礎(chǔ)上通過微區(qū)模擬試驗，結(jié)合豬糞處理土壤中易溶性磷含量變化，明確礦山生態(tài)型水蓼對豬糞處理土壤中磷的吸取凈化效果，為后期合理利用礦山生態(tài)型水蓼提取豬糞處理土壤中的過量磷、降低磷素的流失風險提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試植物：礦山生態(tài)型水蓼 (Polygonum hydropiper)，種子源自四川省什邡市磷礦區(qū) (104°01′E, 31°25′ N)。

供試土壤：灰潮土，采自四川省都江堰市蒲陽鎮(zhèn)雙柏村，其基本理化性質(zhì)為pH 7.18、有機質(zhì)22.5 g/kg、全氮2.54 g/kg、堿解氮52.5 mg/kg、速效鉀25.8 mg/kg、有效磷14.6 mg/kg和水溶性磷5.26 mg/kg。

供試豬糞采自都江堰市規(guī)?；B(yǎng)殖場，其基本理化性質(zhì)為pH 6.89、有機質(zhì)196 g/kg、全氮15.0 g/kg、全鉀10.3 g/kg、全磷23.0 g/kg、無機磷13.8 g/kg、有機磷9.17 g/kg、有效磷6.31 g/kg和水溶性總磷4.31 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計與處理

采用隨機區(qū)組設(shè)計，根據(jù)農(nóng)田磷肥安全用量(〈200 kg/hm2)，設(shè)1、2和3 kg/m2共3個豬糞用量(相當于200、400和600 kg/hm2的磷肥施用量)，以不施豬糞為對照，共4個處理，每處理重復3次。通過微區(qū)模擬試驗，微區(qū)面積1.5 m2(1.5 m×1.0 m)。豬糞于4月份一次性施入，并將其混入0-20 cm土層中，陳化一個月后移栽礦山生態(tài)型水蓼幼苗。

礦山生態(tài)型水蓼經(jīng)選種育苗，待植株生長至10 cm左右時選擇生長狀況良好長勢一致的幼苗，按每微區(qū)56穴 (間距20 cm×15 cm)，每穴1株進行移栽。植株生長期間按常規(guī)管理，并記錄其生長狀況。

1.3 樣品采集與制備

于初花期 (移栽后3個月) 收獲植株地上部，先采用棋盤法每小區(qū)采集9株，每3株作為1個混合樣，稱鮮重后先用自來水沖洗，再用蒸餾水潤洗，洗凈后用吸水紙擦干，裝到信封袋中105°C殺青30 min，75°C烘干至恒重，稱重，然后粉碎過篩用于地上部磷含量測定。

分別于礦山生態(tài)型水蓼移栽和收獲當天按“S”型5點采樣法分別采取0-20和20-40 cm土層土壤，土壤風干、磨碎、過篩后，測定土壤水溶性磷、有效磷含量。

1.4 測定項目與方法

土壤基本理化性質(zhì)的測定采用常規(guī)分析方法[30]；植株地上部生物量 (干重) 采用烘干稱重法測定；植株地上部磷含量采用微波消解儀 (CEM MARS5,USA) 消解—全自動間斷化學分析儀 (AQ2, UK) 測定[29]；土壤水溶性磷采用去離子水浸提—鉬銻抗比色法測定[30]；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定[30]；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定[30]；無機磷采用0.5 mol/L (1/2 H2SO4) 浸提—鉬銻抗比色法測定[30]；有機磷的含量為全磷和無機磷的差值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

地上部磷積累量 (mg/株) = 地上部生物量×地上部磷含量；

采用SPSS (20.0) 進行統(tǒng)計分析，用LSD法進行多重比較，采用Origin (8.0)制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同豬糞用量對礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量的影響

隨著豬糞用量的增加，礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量逐漸增大，增幅在11.3%～51.1%之間。各豬糞處理下，礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量顯著大于不施豬糞處理，1、2和3 kg/m2豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量分別由不施豬糞處理的36.2 g/株 增加到54.6、60.8和78.2 g/株，分別增加了18.4、24.6和42.0 g/株，分別是不施豬糞處理的1.51、1.68和2.16倍。說明施用豬糞有利于礦山生態(tài)型水蓼吸取凈化土壤中的過量磷 (圖1)。

圖1 不同豬糞用量下礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量Fig. 1 Biomass of shoot in mine ecotype Polygonum hydropiper grown under different swine manure dosages

2.2 不同豬糞用量對礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量和積累的影響

礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量隨著豬糞用量的增加而增大，增幅在9.11%～21.3%之間。與不施豬糞處理相比，各豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量顯著增大，1、2和3 kg/m2豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量分別由不施豬糞處理的2.82 g/kg增加到3.42、3.73和4.31 g/kg，分別增高了0.60、0.91和1.49 g/kg，分別為不施豬糞處理的1.21、1.32 和 1.53 倍 (圖 2)。

圖2 不同豬糞用量下礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量和積累量Fig. 2 Concentrations and accumulation of P in shoots of mine ecotype Polygonum hydropiper grown under different swine manure dosages

隨著豬糞用量的增加，礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量顯著增大，增幅在21.9%～81.5%之間。各豬糞處理下，礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量顯著大于不施豬糞處理，1、2和3 kg/m2豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量分別由不施豬糞處理的102 mg/株 增加到了186、226和338 mg/株，分別增加了84.0、124和236 mg/株，分別是不施豬糞的1.45、2.22和3.32倍。說明種植礦山生態(tài)型水蓼能有效吸取土壤中的過量磷 (圖2)。

2.3 種植礦山生態(tài)型水蓼前后土壤中易溶性磷含量的變化

隨著豬糞用量的增加，種植礦山生態(tài)型水蓼前0—20 cm土層中的水溶性磷含量顯著增大，種植礦山生態(tài)型水蓼后除3 kg/m2豬糞處理外，0—20 cm土層中的水溶性磷含量均無明顯變化；種植礦山生態(tài)型水蓼前后20—40 cm土層中的水溶性磷含量均無明顯變化。種植礦山生態(tài)型水蓼后各處理0—20 cm土層中的水溶性磷含量與種植前相比顯著降低，分別由種植前的5.62、16.4、26.1和35.9 mg/kg降低到了2.64、3.73、4.82和9.01 mg/kg，分別降低了2.98、12.7、21.3和26.9 mg/kg。其中，豬糞處理下0—20 cm土層中的水溶性磷含量降低了74.9%～81.5%，遠大于不施豬糞處理的53.0%。各處理下，種植礦山生態(tài)型水蓼后20—40 cm土層中的水溶性磷含量較種植前均無明顯變化 (圖3)。

圖3 礦山生態(tài)型水蓼種植前后0—20、20—40cm土層中水溶性磷和有效磷含量Fig. 3 Contents of water-soluble and available P in 0-20 and 20-40 cm soil layers before and after mine ecotype Polygonum hydropiper planting

種植礦山生態(tài)型水蓼前后，0—20 cm土層中的有效磷含量均隨豬糞用量的增加而顯著增大，20—40 cm土層中無明顯變化。各處理下種植礦山生態(tài)型水蓼后0—20 cm土層中的有效磷含量與種植前相比顯著降低，分別由種植前的14.6、35.1、54.1和74.6 mg/kg降低到了6.48、14.0、27.6和37.3 mg/kg，分別降低8.12、21.1、26.5和37.3 mg/kg，降幅分別為55.6%、60.0%、48.9%和50.0%。各處理下，種植礦山生態(tài)型水蓼后20—40 cm土層中的有效磷含量較種植前均無明顯變化 (圖3)。

3 討論

3.1 礦山生態(tài)型水蓼對土壤中磷的提取能力

目前，有關(guān)磷富集植物提取土壤中磷的研究較多，但是對于磷富集植物在實際應用中對土壤中磷提取效果的研究還很缺乏。前期通過室內(nèi)土培實驗研究發(fā)現(xiàn)，礦山生態(tài)型水蓼對土壤中磷的耐性、活化能力和積累能力均很強，顯著強于非礦山生態(tài)型[27-28]。因此，本研究在前期研究的基礎(chǔ)上通過微區(qū)模擬試驗，結(jié)合土壤中易溶性磷含量的變化，探討礦山生態(tài)型水蓼對土壤中磷的吸取凈化效果。

相關(guān)研究表明，豬糞中養(yǎng)分含量豐富[2-3]，合理施用豬糞有助于土壤養(yǎng)分循環(huán)和磷富集植物的生長，從而有利于磷富集植物提取土壤中的過量磷[18,29]。對土壤中磷吸取凈化效果較好的磷富集植物如雜交草 (Duo festulolium)[16]、黑麥草 (Lolium rigidumGaudin)[31]等地上部干重均隨著豬糞用量的增加而增大，最大時分別為51.0和46.2 g/株。

本研究中，各豬糞處理下，礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量顯著大于不施豬糞處理，最大時高達78.2 g/株，遠大于以上磷富集植物。磷富集植物要有效地提取土壤中的過剩磷，除了有較大的地上部生物量外，其地上部磷含量也應較高，至少應達10 g/kg[13,32]。雖然本研究中礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量隨豬糞用量的增加而增大，但最大時仍不足10 g/kg。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，植物對磷的吸收在很大程度上受根際磷素有效性的影響，土壤中有機磷占總磷的百分比越高植物體內(nèi)磷含量越低[33-34]。即使是同種植物，在無機磷處理下其體內(nèi)磷含量也顯著大于有機磷及雞糞處理[14,20]。

本研究中施用的豬糞，有機磷占總磷的39.9%，施入土壤后這部分磷需經(jīng)磷酸酶礦化分解為無機磷才能被礦山生態(tài)型水蓼吸收利用。一些磷提取效果較好的富磷植物如一年生黑麥草 (Lolium multiflorum)[35]、馬唐 (Digitaria ciliaris)[36]在豬糞處理下其地上部磷含量也不足10 g/kg。磷富集植物吸取凈化土壤中磷的高效率主要通過地上部帶走磷的總量反映。本研究中，礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量隨豬糞用量增加顯著增大，最大時可高達P 338 mg/株，相比黑麥草等更有利于富集土壤中的過量磷。而用于修復污水的鳳眼蓮 (Eichhornia crassipes)、粉綠狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)和水浮蓮 (Pistia stratiotes)地上部磷積累量最高也僅為80.1、38.7和31.7 mg/株[37]。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在1 kg/m2豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量、磷含量和磷積累量的增幅均最大，這與李青軍等對棉花的研究結(jié)果相似[38]，可能與植物在苗期吸磷量較多有關(guān)，若苗期缺磷，會影響植物后期生長?？梢?，豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼對土壤中磷的富集能力很強。

3.2 礦山生態(tài)型水蓼對土壤中磷的吸取凈化效果

土壤中的易溶性磷主要以水溶性磷和有效磷的形式存在，其含量越高，磷素流失的風險越大[23-24]。相關(guān)研究表明，豬糞中的磷養(yǎng)分含量豐富，當豬糞作為有機肥不合理還田時，土壤中的水溶性磷和有效磷含量迅速增加[39-40]。

本研究中，隨著豬糞用量的增加，種植礦山生態(tài)型水蓼前，0—20 cm土層中的水溶性磷和有效磷含量顯著增加，與上述研究結(jié)果一致。種植礦山生態(tài)型水蓼后，除3 kg/m2豬糞處理外，0—20 cm土層中的水溶性磷含量均無明顯變化，這主要與水溶性磷是土壤中活性最高的磷組分，能被植物直接吸收利用有關(guān)[28]。0—20 cm土層中的有效磷含量隨豬糞用量增加而顯著增加，這主要是因為施用豬糞后土壤有效磷的增加量明顯大于植物吸收利用的磷含量。20—40 cm土層中的水溶性磷和有效磷含量均無明顯變化，這主要是由于施入土壤中的磷易被固定、移動性較差，短期內(nèi)淋溶流失磷的量很小[21-22]。

已有研究表明，利用磷富集植物提取土壤中的過量磷是降低磷素流失風險的一種切實有效措施[12-13]。磷富集植物對土壤中磷的吸取凈化效果，主要通過磷富集植物對土壤中水溶性磷和有效磷的吸取凈化效果反映[25,33,41]。

本研究中，各豬糞處理下種植礦山生態(tài)型水蓼后0—20 cm土層中的水溶性磷含量較種植前顯著降低，降幅高達74.9%～81.5%，遠大于不施豬糞處理的53.0%。相比牧草 (Herbage)、紫花苜蓿 (Alfalfa)等磷富集植物的30.6%～60.1%和40.3%～56.8%，礦山生態(tài)型水蓼對土壤水溶性磷的吸取凈化效果明顯更好[25,33]。同時，種植礦山生態(tài)型水蓼后，本研究各處理0—20 cm土層中的有效磷含量較種植前均顯著降低，降幅為48.9%～60.0%，遠大于種植不同作物和不同基因型豇豆后有效磷最大降幅34.5%和22.1%[42]。另外，本研究中種植礦山生態(tài)型水蓼后，20—40 cm土層中的水溶性磷和有效磷含量均無明顯變化，這主要是因為水蓼是須根系植物，根系主要生長在0—20 cm土層中?？梢姡V山生態(tài)型水蓼較其他磷富集植物對土壤中磷的吸取凈化效果明顯更好。因此，可通過收獲礦山生態(tài)型水蓼地上部，有效降低土壤中的過量磷，減少磷素流失對環(huán)境的威脅。

4 結(jié)論

1) 礦山生態(tài)型水蓼對土壤中的磷具有很強的富集能力，且隨著豬糞用量的增加其對土壤中磷的富集能力顯著增強，在3 kg/m2時其地上部磷積累量最大，高達P 338 mg/株。

2) 種植并收獲礦山生態(tài)型水蓼可顯著降低0—20 cm土層中的水溶性磷和有效磷含量，水溶性磷含量最大可降低81.5%，有效磷含量最大可降低60.0%?？梢?，礦山生態(tài)型水蓼是凈化豬糞帶入土壤中過量磷的高效植物。