2020, Vol. 28
2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081;
3. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北京 100081;
4. 新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所 乌鲁木齐 830091
2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
4. Institute of Soil and Fertilizer and Agricultural Water Saving, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China
为提高粮食产量, 我国连续多年大量施用磷肥, 在全球磷肥生产和消费中都占据重要地位[1]。2017年我国农田投入磷肥797.6万t、复合肥2 220.3万t[2], 尽管磷肥施用量巨大, 但由于土壤中磷素固定性强、有效性低等特点, 当季磷肥利用率仅有10%~25%[3], 这意味着大量磷素累积在土壤中, 称为土壤遗留磷[4]。以迟效态赋存在土壤中的遗留磷不能被植物直接吸收利用, 不仅造成磷矿资源浪费还会引发水体富营养化等环境问题[4]。加强土壤遗留磷资源化利用对缓解全球磷矿资源危机、降低环境污染、实现农业可持续发展都具有重要意义[5]。
施肥直接影响土壤磷素状况[6], 不同肥料(化肥、有机肥)中磷素形态不同, 施入土壤后的转化、归趋过程也存在差异[7]。不同施肥处理下土壤磷的赋存形态差异明显, 进而导致土壤的供磷潜力及土壤磷素的作物有效性有所不同[8]。例如, 研究表明长期不施肥土壤无机磷组分变化以Ca2-P、Ca8-P向Ca10-P转化为主, 施化学磷肥处理土壤无机磷主要向Ca8-P、Al-P和Ca2-P转化, 有机无机肥配施处理下土壤磷的解吸能力高于单施化肥, 施用有机肥可提高土壤有效磷累积[9-11]。
虽然土壤遗留磷大量累积, 但土壤中的有效磷库往往维持在较低水平, 在缺磷逆境胁迫下, 作物分泌低分子量有机酸活化土壤中的固相磷以提高磷的作物有效性是常见、有效的作物生理适应机制[12]。有机酸可以通过与铁、铝、钙等金属产生络合作用将作物可利用的磷酸盐释放到土壤中, 以增加磷的有效性[13-14]。利用低分子量有机酸对12种含磷矿物的活化研究表明, 含磷矿物的磷素释放量与有机酸、磷矿石种类密切相关[15], 通常条件下土壤磷的活化量随有机酸浓度的增加而增加[16]。由于不同有机酸的螯合能力不同, 有机酸类型会影响土壤磷素的活化效果, 其中柠檬酸的效果优于苹果酸[17]。此外, 大量研究表明有机酸对土壤磷的活化效果还受土壤含磷量及形态组成、土壤类型等因素的影响[18]。鉴于不同长期施肥导致土壤遗留磷存在差异, 有机酸对其土壤遗留磷的活化潜力及释放特征很可能有所不同, 有待于进一步探究。因此本研究以作物根系分泌物中常见低分子量有机酸——柠檬酸为例, 探究柠檬酸对不同长期施肥处理农田土壤遗留磷的释放潜力及活化机制, 以期为农田土壤遗留磷的资源化利用提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤样品采自新疆乌鲁木齐国家灰漠土土壤肥力与肥料效益监测站, 该站始建于1990年, 位于43°58′N, 87°25′E。试验区土壤为粉砂壤土, 碳酸盐含量64.2 g·kg-1。选择对照(不施肥, CK)、施用氮磷钾化肥(NPK)、氮磷钾化肥与有机肥配施(NPKM)3种处理, 以玉米(Zea mays)、小麦(Triticum aestivum)、棉花(Gossypium spp.)轮作, 一年1季[9]。NPK处理施肥量从1990年到1994年分别为N 99.4 kg·hm-2、P 29.2 kg·hm-2、K 18.8 kg·hm-2, 此后每年分别为N 241.5 kg·hm-2、P 60.2 kg·hm-2、K 50.4 kg·hm-2; NPKM处理施肥量从1990年到1994年分别为N 29.8 kg·hm-2、P 8.7 kg·hm-2、K 6.7 kg·hm-2, 此后每年分别为N 84.9 kg·hm-2、P 22.4 kg·hm-2、K 10.1 kg·hm-2; 有机肥为羊粪, 年施用量为30 t·hm-2[9]。长期定位施肥处理18年后于作物收获季, 每小区按“S”型随机采集0~20 cm耕层土壤5个样品, 混匀、风干后, 分别过2 mm和0.15 mm筛备用。供试土壤基本理化性质如表 1所示。
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表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Selected properties of the studied soil samples |
土壤总磷采用硫酸-高氯酸消煮, 钼锑抗比色法测定; 土壤有机磷采用灼烧法分析, 无机磷以总磷与有机磷差减法得到; 速效磷采用碳酸氢钠浸提, 钼锑抗比色法测定[19]。土壤经盐酸处理去除无机碳后, 元素分析仪测定总碳、总氮, 无机碳含量由盐酸处理前后总碳与有机碳差减法获得[20]。
1.2 试验设计 1.2.1 柠檬酸对土壤遗留磷的活化潜力准确称取过0.15 mm筛的土壤1.0 g于50 mL离心管中, 分别加入20 mL低浓度柠檬酸溶液(2 mmol·L-1)和高浓度柠檬酸溶液(10 mmol·L-1), 加入甲苯抑制微生物活性, 以等体积的去离子水为对照。恒温(25 ℃)振荡1 h为1个浸提周期, 振荡结束后, 混合液在4 800 r·min-1条件下离心20 min, 收集上清液, 随后重复上述操作连续浸提。使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)分析上清液中P、Ca、Fe、Al和Mg含量, 同时测定上清液pH, 直至活化磷量稳定, 共浸提24次。
1.2.2 柠檬酸对土壤遗留磷的活化特征准确称取过0.15 mm筛的土壤0.5 g于50 mL离心管中, 分别加入10 mL浓度为10 mmol·L-1的柠檬酸溶液, 加入甲苯抑制微生物活性, 以1 h为周期分别进行1、2、3、5、9次连续浸提, 设置两个平行。浸提结束后收集土壤, 使用无水乙醇清洗后, 40 ℃烘干。烘干后的土壤采用蒋柏藩-顾益初的方法[21]进行土壤磷组分分级提取, 各提取组分以ICP- OES测总磷含量, 钼锑抗比色法测无机磷含量, 有机磷由总磷与无机磷的差值计算。
1.3 数据处理以SPSS 25.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVE), 并以LSD法(P < 0.05)进行显著性检验, 采用Origin 9.1作图。
2 结果与分析 2.1 柠檬酸对灰漠土遗留磷的活化潜力和活化动态由图 1A可以看出, 与水相比, 柠檬酸显著促进农田土壤遗留磷的活化。对同一施肥处理的土壤而言, 高、低浓度柠檬酸对土壤遗留磷的活化总量基本相当, 高浓度柠檬酸活化下磷的释放较早达到平衡, 活化速率较低浓度柠檬酸更快。磷的活化总量随施肥处理的不同而不同, 其中, NPK最大, 其次是NPKM, CK最低, 这一顺序与活化前土壤总磷含量差异一致; 这很可能是柠檬酸活化磷量占总磷的百分比基本不受施肥处理影响的原因。高浓度柠檬酸下, CK、NPK、NPKM处理土壤磷的活化量分别为542.8 mg·kg-1、800.6 mg·kg-1和729.3 mg·kg-1, 与土壤总磷相比活化率分别为80.5%、83.5%和81.7%。低浓度柠檬酸下, CK、NPK、NPKM处理土壤磷的活化量分别为542.0 mg·kg-1、831.2 mg·kg-1和745.3 mg·kg-1, 活化率分别为土壤总磷的80.4%、86.7%和83.5%。
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图 1 柠檬酸对不同施肥处理下土壤遗留磷的活化及土壤浸提液pH的影响 Fig. 1 Impact of citric acid on the release of soil legacy phosphorus and pH of soil extractant under different fertilization treatments CK:不施肥对照; NPK:施用氮磷钾化肥; NPKM:氮磷钾化肥与有机肥配施; 水:无柠檬对照; 低酸: 2 mmol·L-1柠檬酸; 高酸: 10 mmol·L-1柠檬酸。CK: control of no fertilization; NPK: chemical nitrogen, phosphorus and potassium fertilization; NPKM: chemical nitrogen, phosphorus, potassium plus manure fertilization; water: control of no citric acid; Low citric acid: 2 mmol·L-1 citric acid; High citric acid: 10 mmol·L-1 citric acid. |
经低浓度柠檬酸处理, 活化前期(前6次提取)NPKM的磷释放量大于NPK, 活化后期则反之; 而高浓度柠檬酸活化的整个过程均是NPK大于NPKM(图 1A)。不同处理下磷的释放速率受土壤浸提液pH变化的影响。图 1B中, 高浓度柠檬酸前5次提取中, 土壤浸提液pH迅速下降且下降幅度较大, NPK、NPKM从6.53下降至2.77, CK从6.34下降至2.74。低浓度柠檬酸则在第5次到第10次提取中出现pH的大幅下降, NPKM、NPK、CK分别从7.08、7.09、6.94下降到3.70、3.59、3.31。从而可见, 高、低浓度柠檬酸提取过程中, 土壤浸提液pH快速降低期间供试土壤磷的活化速率显著提高。
为有效揭示供试土壤遗留磷的活化机制, 本试验重点对高、低浓度柠檬酸处理下土壤中与磷相关的金属元素(铝、铁、钙和镁)的活化动态加以研究。在低酸处理前期, NPKM释放的磷量大于NPK(图 1A), 而与磷相关金属元素中只有镁元素的释放量在处理前期NPKM大于NPK, 其他金属元素的释放为NPK大于NPKM(图 2), 由此推测低酸活化前期NPKM处理土壤磷的活化很可能来自镁磷。铝、铁、钙、镁4种磷相关的金属中, 钙的释放量最大。高浓度柠檬酸处理下, 4种金属前3次释放速率均较快, 第5次活化时, 钙的释放趋于平衡; 活化至第9次左右时, 铝、铁、镁的活化均出现拐点。由此推测, 在第1、2、3、5、9次提取时柠檬酸对土壤遗留磷的活化很可能与不同固相磷形态的转化过程密切相关, 相关形态转化的机制值得进一步探究。
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图 2 柠檬酸对不同施肥处理下土壤中磷相关金属元素活化动态的影响 Fig. 2 Impact of citric acid on the release of soil phosphorus-related metals under different fertilization treatments CK:不施肥对照; NPK:施用氮磷钾化肥; NPKM:氮磷钾化肥与有机肥配施; 水:无柠檬对照; 低酸: 2 mmol·L-1柠檬酸; 高酸: 10 mmol·L-1柠檬酸。CK: control of no fertilization; NPK: chemical nitrogen, phosphorus and potassium fertilization; NPKM: chemical nitrogen, phosphorus, potassium plus manure fertilization; water: control of no citric acid; Low citric acid: 2 mmol·L-1 citric acid; High citric acid: 10 mmol·L-1 citric acid. |
为了快速探究土壤磷形态变化规律, 选择高浓度柠檬酸活化第1、2、3、5、9次后的土壤进行分级提取(图 3)。土壤遗留磷总量随着柠檬酸活化次数的增加而减少, 其中, 第1、2、3、5次活化后, CK、NPK、NPKM处理的遗留磷均以无机磷为主, 第9次活化后无机磷与有机磷含量接近。第1次活化后CK、NPK、NPKM处理土壤无机磷在总提取磷中占比分别为86.9%、83.5%、81.9%, 有机磷为13.1%、16.5%、18.1%;第9次活化后CK、NPK、NPKM处理无机磷在总提取磷中占比分别为52.2%、52.1%、46.5%, 有机磷为47.8%、47.9%、53.5%, 这说明柠檬酸对土壤遗留磷的活化以无机磷为主。
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图 3 柠檬酸活化后不同施肥处理下土壤遗留磷形态组成 Fig. 3 Fractionation of soil legacy phosphorus under different fertilization treatments after the mobilization by citric acid IP:无机磷; OP:有机磷。CK:不施肥对照; NPK:施用氮磷钾化肥; NPKM:氮磷钾化肥与有机肥配施。IP: inorganic phosphorus; OP: organic phosphorus. CK: control of no fertilization; NPK: chemical nitrogen, phosphorus and potassium fertilization; NPKM: chemical nitrogen, phosphorus, potassium plus manure fertilization. |
高浓度柠檬酸活化后土壤磷形态组成与活化次数密切相关。NPKM处理土壤磷各组分含量都逐渐减少, 从第1次活化到第9次活化, Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P含量分别从20.45 mg·kg-1、251.35 mg·kg-1、33.05 mg·kg-1、87.35 mg·kg-1、10.35 mg·kg-1和421.30 mg·kg-1降至11.75 mg·kg-1、2.90 mg·kg-1、6.90 mg·kg-1、76.20 mg·kg-1、9.10 mg·kg-1和29.55 mg·kg-1, 其中Ca10-P和Ca8-P活化量最大, 分别占总活化量的57.0%和36.1%。其中, Ca8-P在第2次活化后含量为166.40 mg·kg-1, 其中无机磷118.50 mg·kg-1, 有机磷47.90 mg·kg-1; 第3次活化后含量为45.75 mg·kg-1, 其中无机磷31.35 mg·kg-1, 有机磷14.40 mg·kg-1。可见, Ca8-P活化主要集中在第1次至第3次活化, 且以无机磷为主。而针对Ca10-P, 第3次活化后含量为292.80 mg·kg-1, 其中无机磷含量291.85 mg·kg-1, 有机磷含量接近0;第5、9次活化后总磷含量分别为99.50 mg·kg-1、29.55 mg·kg-1, 未检测到有机磷。可见, Ca10-P的活化主要集中在第3次至第5次活化, 且主要是无机磷参与。而CK、NPK处理土壤磷各组分变化也呈现相似规律。结果表明, 遗留磷的释放前期以无机态Ca8-P为主, 后期以无机态Ca10-P为主。
3 讨论灰漠土作为我国西北地区的主要耕作土壤, 常年施肥导致土壤磷素累积而形成土壤遗留磷。长期以来, 灰漠土磷养分主要侧重于不同施肥处理对土壤磷形态转化及其对作物产量的影响[9, 22], 而对于土壤遗留磷养分的活化潜力则鲜有报道。在高、低浓度柠檬酸处理下, 不同施肥模式下的灰漠土中磷素释放量均超过土壤总磷的80%, 表明灰漠土遗留磷具有较高的活化潜力。丁佳惠等[23]利用0.5 g·L-1(~2.6 mmol·L-1)的柠檬酸溶液对石灰性土壤(含磷量1.90 g·kg-1)中磷进行连续10次浸提, 发现可被柠檬酸活化的磷占总磷的比例仅超过20%。该试验中所用的柠檬酸浓度与本试验中低浓度柠檬酸处理基本相当, 从而表明低浓度柠檬酸对土壤遗留磷的活化潜力与土壤类型密切相关, 柠檬酸对灰漠土中遗留磷的高活化潜力有利于磷肥减施和养分高效利用管理。此外, 前期也有研究表明柠檬酸可以显著促进灰漠土遗留磷的活化[24], 但是其试验目的在于对比不同有机酸的活化能力, 而对于土壤遗留磷的活化潜力缺乏探究。另外, 本研究在第1 h的酸浸提中, 磷的活化量随柠檬酸浓度增加而增大, 这一结论与龚松贵等[16]的结论一致。但是在24次浸提结束后, 高、低浓度柠檬酸对同一处理土壤的磷活化总量无显著差别, 这表明不同浓度柠檬酸对土壤遗留磷的活化潜力基本相当。不同施肥处理之间, 高、低浓度柠檬酸对土壤磷的活化总量与土壤总磷含量差异顺序一致, 均是NPK > NPKM > CK, 这表明低分子量有机酸对土壤遗留磷的活化量受土壤含磷量的影响, 与杨绍琼等[25]的研究结果相符。这些结果进一步说明柠檬酸可有效活化灰漠土中的遗留磷, 尤其在遗留磷富集的条件下。鉴于柠檬酸是作物根系分泌物中的常见组分之一, 加之在缺磷条件下, 作物根系分泌物中有机酸分泌量可进一步提高[7], 因此在高遗留磷的灰漠土中, 适当减施磷肥, 促进作物根系有机酸分泌, 有望提升土壤遗留磷的作物利用率。
柠檬酸对土壤遗留磷的活化动态及机制主要集中在石灰性土壤, 对于灰漠土还鲜有研究。本试验中, 在低浓度柠檬酸活化下, 前期磷与镁的释放动态变化均为NPKM > NPK, 而钙、铝、铁元素没有出现类似规律, 说明在低浓度柠檬酸处理前期, NPKM处理土壤中的镁磷较其他金属结合态磷优先释放, 可能是NPKM处理土壤中的一种有效态磷库。但是长期以来针对钙质土壤磷形态的研究主要基于连续提取法, 该方法并未有效考量镁磷对土壤磷库的贡献[21], 因此有待于在土壤磷形态研究方法学上进一步完善。丁佳惠等[23]针对高磷石灰性土壤磷动态释放的研究中也发现低浓度柠檬酸提取的磷与镁的释放量显著相关。Liu等[22]基于同步辐射技术的研究也发现有机无机配施土壤中磷酸氢镁是土壤一种潜在的有效磷源, 其活性高于常见的Ca2-P。
柠檬酸对土壤遗留磷的活化涉及酸溶解、竞争吸附、配合等多种机制[25]。鉴于高、低浓度柠檬酸作用下, 所有供试土壤遗留磷的急剧释放伴随着土壤pH的急剧下降, 表明酸溶解是柠檬酸活化土壤遗留磷的重要机制。另外, 土壤遗留磷活化过程中释放大量钙、铝和铁等金属离子, 表明该过程很可能改变土壤遗留磷中钙磷、铝磷和铁磷等的赋存形态。因此, 本研究进一步利用连续提取法表征了高浓度柠檬酸处理后, 结果均发现柠檬酸处理前期磷素活化以无机Ca8-P为主, 后期以无机Ca10-P释放为主。该结果表明柠檬酸活化土壤磷的优先顺序主要取决于土壤磷的溶解性, 易于溶解的无机Ca8-P优先释放, 而难以溶解的无机Ca10-P则相对滞后释放, 从而进一步证明柠檬酸诱导的酸溶解机制是促发供试土壤遗留磷释放的主要机制。鉴于柠檬酸是作物根系分泌物的主要有机酸组分, 在作物根际环境中可能富集而促进土壤遗留磷中Ca8-P和Ca10-P溶解, 因此在灰漠土中, Ca8-P和Ca10-P可能是供试土壤的主要潜在磷库, 在作物根系分泌的低分子量有机酸作用下而释放, 供作物吸收。Wang等[26]针对有机酸对土壤磷的活化机制进行研究, 发现柠檬酸通过络合作用活化土壤遗留磷主要发生在酸性而非碱性土壤中。可见, 在灰漠土中, 柠檬酸主要通过酸化作用而非与铁、铝等阳离子配合作用而促进土壤遗留磷的释放, 该研究结果与前人发现钙质土壤中pH降低可导致土壤羟基磷灰石结合态磷溶解释放, 进而活化土壤磷素的结果相一致[27]。
4 结论不同长期施肥处理导致新疆灰漠土中遗留磷的累积量表现为NPK > NPKM > CK, 柠檬酸作用下的土壤遗留磷的活化潜力也呈相似规律, 而柠檬酸活化磷量占总磷的百分比基本不受柠檬酸浓度及施肥处理的影响。高浓度柠檬酸对不同施肥处理灰漠土遗留磷的活化前期均以无机Ca8-P活化为主, 后期均以无机Ca10-P活化为主, 柠檬酸诱导的酸溶解是促进土壤遗留磷释放的主要驱动因子。NPKM处理的土壤中, 镁磷可能是一种潜在的有效磷源。该研究结果在国内外还鲜有报道, 说明在灰漠土中进行无机肥与有机肥配施有利于保持土壤中磷素活性, 进而很可能提高磷肥的作物利用率。上述研究结果对于有效评估不同施肥模式下灰漠土遗留磷作物有效性及供给潜力提供了重要的理论依据。
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