不同石灰性土壤磷素形态及其有效性差异

卜玉山,梁美英,张广峰,2,郭淑红,3,史晓凯,马茹茹

(1.山西农业大学 资源环境学院,山西 太谷030801;2.山西省农业科学院玉米研究所,山西 忻州034000;3.山西省农业科学院 经济作物研究所,山西汾阳 032200)

土壤是植物磷素营养的主要来源,而我国北方石灰性土壤缺磷现象十分普遍,施用磷肥成为提高作物产量和品质的重要农艺措施。但由于磷肥的当季利用率低[1,2],大部分肥料磷被土壤吸附固定残留于土壤中,连年大量施用磷肥会导致肥料磷在土壤中累积[1～7]。大量的研究表明,施肥特别是大量施用磷肥以及和有机肥配合施用不仅增加了土壤总磷库[1～4,7～11]、有机磷库[1,2,8,11～13]和无机磷库[1,2,7～12,14～16],而且影响着土壤无机和有机形态磷的组成和分布,石灰性土壤中的累积态无机磷主要为二钙磷(Ca2-P)、八钙磷(Ca8-以及铝磷,也有研究表明铁磷(Fe-P)[8,9,14,16,17]、闭蓄态磷(OP)[9,12,14,16～18,20]、甚至十钙磷(Ca10-P)[18]也呈现明显的积累。而累积态有机磷多以活性有机磷(LOP)、中等活性有机磷(MLOP)和中稳性有机磷(MROP)等形态为主[12,13,21]。土壤磷的累积显著提高了土壤供磷能力[3,4,12],可为多茬作物持续利用[4],继续不合理地施用磷肥,不仅造成磷肥资源的浪费[6],降低施肥的经济效益,同时也增大了土壤磷素的迁移性和环境风险[2,3,6,11,20,22～24]。

为解决农业生产中普遍存在的不合理施肥现象,目前我国正在全面推广测土配方施肥,测定土壤供磷能力(速效磷)是测土配方施肥的基础工作,而土壤中无机、有机形态磷各组分是土壤速效磷的来源,它们的有效性大小一直是土壤磷素研究的一个重点。多年来许多研究者采用无机、有机形态磷与速效磷或生物效应的简单相关关系[1,9,15,25～30]对它们有效性进行了大量研究,利用通径分析和逐步回归[9,21,25～28,31]研究其有效性的也有一些报道。本文通过研究不同类型和利用状况的石灰性土壤磷素形态的差异以及无机、有机形态磷各组分与速效磷的简单相关关系,进而利用通径分析将简单相关关系区分为直接影响关系和间接影响关系,以进一步比较简单相关分析与通径分析结果的一致性,并评价通径分析方法在研究和分析土壤不同磷素形态对速效磷贡献大小的实用性,为不同农田石灰性土壤合理高效施用磷肥和减少土壤磷素的环境风险提供可能更为科学合理的理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤为2008年春季采自山西省中部盆地与丘陵区的26个石灰性土壤,其中大棚蔬菜石灰性褐土3个,大田石灰性褐土4个,大田潮褐土3个,大田褐土性土5个,大田黄绵土5个,大田栗褐土3个,石灰性生土3个。大田和大棚土壤采集深度为0～20 cm,石灰性生土采自汾河二级阶地2 m深以下,其上部发育的土壤为石灰性褐土。26个供试土壤的成土母质都为黄土母质。供试土壤部分性质见表1。

表1 供试土壤类型、利用状况与部分性质Table 1 Type,utilization state and some properties of experimental soils

1.2 研究方法与实施

土样风干后分别过18号和100号筛供室内分析用。土壤 pH值(土∶水=1∶2.5)用电位法[32],有机质采用重铬酸钾容量法(外加热法)[32],土壤全氮用凯氏法[32],土壤速效磷采用0.5 mol◦L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[32],土壤速效钾采用 1 mol◦L-1NH4OAc浸提火焰光度法[32]。土壤无机磷分组采用蒋柏藩和顾益初1989年提出的方法[33,34],将无机磷分为二钙磷(Ca2-P)、八钙磷(Ca8-P)、铝磷(Al-P)、铁磷(Fe-P)、闭蓄态磷(O-P)和十钙磷(Ca10-P)六类。土壤有机磷的分组采用Bowman和Cole提出的方法[35],将有机磷分为活性有机磷(LOP)、中等活性有机磷(M LOP)、中稳性有机磷(MROP)和高稳性有机磷(HROP)四类。

试验数据采用Excel 2003程序和DPS v6.50版软件进行分析统计和制图。

2 结果与讨论

2.1 供试石灰性土壤不同磷素形态含量与分布的差异

26个供试石灰性土壤无机磷总量在304.5～2263.1 mg◦kg-1范围,平均 738.7 mg◦kg-1,最高者是最低者的7倍多。不同类型和利用状况的供试石灰性土壤无机磷总量从高到低依次为:大棚石灰性褐土＞大田潮褐土＞大田石灰性褐土＞大田褐土性土＞大田栗褐土＞大田黄绵土＞石灰性生土,而且全部供试土壤均以Ca-P为主,占到各自无机磷总量的64.8%～93.9%(图1)。在 Ca-P中,除大棚石灰性褐土平均Ca8-P含量明显高于平均Ca10-P外,其余土壤均以Ca10-P含量占优,平均占无机磷的35.4%～81.2%。同时,大棚石灰性褐土、大田石灰性褐土、潮褐土和褐土性土Ca2-P占无机磷比例大于2%、Ca8-P大于19%、Al-P大于12%,而Ca10-P占无机磷比例小于55%。但黄绵土、栗褐土和石灰性生土Ca2-P占无机磷比例小于2%、Ca8-P和Al-P均小于10%,而Ca10-P占无机磷比例大于70%。全部供试土壤O-P和Fe-P含量均较少,且差异也不大。

图1 供试石灰性土壤无机磷形态的含量与分布Fig.1 Contents of inorganic phosphorus fractions of experimental calcareous soils

供试石灰性土壤的有机磷总量平均为482.1 mg◦kg-1,但不同土壤之间也相差较大,最高者为1467.7 mg◦kg-1,最低者仅为95.0 mg◦kg-1,相差14倍多。全部供试石灰性土壤均以MLOP为主(见图2),占有机磷总量的69.7%～91.3%,而LOP、MROP和 HROP仅分别占有机磷总量的0.3%～5.3%、2.5%～13.5%和1.3%～16.2%。大棚石灰性褐土不仅有机磷总量和MLOP均显著高于其它供试土壤,而且其LOP和MROP也略高于其它土壤。

2.2 供试石灰性土壤无机形态磷之间及其与速效磷的关系

由表2可见,供试石灰性土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P均与土壤速效磷呈显著的正相关。说明不同无机形态磷对供试石灰性土壤的速效磷供应都有一定作用,从相关系数的相对大小可初步判断Ca2-P对速效磷影响最大,其次为Ca8-P和Al-P,再其次为Fe-P和O-P和Ca10-P,表明Ca2-P、Ca8-P和Al-P三者对供试石灰性土壤有效态磷的补给和作物磷素供应具有重要的作用,Fe-P和O-P甚至Ca10-P对土壤速效磷的补给和作物供磷也具有一定的作用。同时Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P相互之间也存在着显著的正相关,表明在供试石灰性土壤中6种无机形态磷相互之间存在着不同程度的内在联系。

图2 供试石灰性土壤有机磷形态的含量与分布Fig.2 Contents of organic phosphorus fractions of experimental soils

表2 无机形态磷之间及其与速效磷的相关性Table 2 The correlations of different inorganic phosphorus fractions and available P

2.3 供试石灰性土壤有机形态磷之间及其与速效磷的关系

由表3可见,LOP、MLOP、MROP与土壤速效磷之间均达到显著正相关,而HROP与速效磷之间无相关性。同时,LOP、MLOP、MROP相互之间也存在着显著正相关,表明三者之间存在着明显的相互联系和相互影响的关系。从相关系数的大小看,MLOP对补充供试土壤速效磷作用最大,其次为 LOP,MROP也有一定作用,而 HROP因稳定性高难于分解,对补给土壤有效性磷的作用很差。

表3 有机磷组分之间及其与速效磷的相关性Table 3 The correlations of different organic phosphorus fractions and available P

2.4 不同无机和有机形态磷对速效磷的直接和间接影响分析

因为无机形态磷相互之间、有机形态磷相互之间存在不同程度的相关性,以上利用简单相关性分析不同无机和有机形态磷对土壤速效磷影响的结果并不能说明各种无机和有机形态磷对土壤速效磷的直接影响,而可能是间接影响。利用通径分析可以将因果关系中的直接影响和间接影响区分开来。通径分析结果 (表4)表明,无机形态磷中Ca2-P对供试土壤速效磷的直接影响达到显著水平,其它5种无机形态磷对速效磷的直接影响均不显著,但通过Ca2-P对速效磷的间接影响均达到显著水平,因此,它们与速效磷显著的正相关主要是由于间接影响。

表4 无机磷组分对速效磷的直接和间接影响Table 4 The direct and indirect effects of different inorganic phosphorus fractions on available P

表5通径分析结果表明,MLOP和 LOP对供试土壤速效磷的直接影响均达到显著水平,而MROP和HROP对速效磷基本无直接影响,而且LOP和MROP通过MLOP对速效磷的间接影响都达到显著水平,但H ROP对速效磷也基本无间接影响。

表5 有机磷组分对速效磷的直接和间接影响Table 5 The direct and indirect effects of different organic phosphorus fractions on available P

3 结论与讨论

供试26个石灰性土壤的有机磷和无机磷总量差异明显,二者均以大棚石灰性褐土最高,石灰性生土最低。而且不同无机和有机形态磷的分布比例也有明显不同。其原因虽与自然成土因素的不同有关,但人为因素农业利用和管理强度不同是导致其磷素差异的重要原因。周宝库等[8]23年研究结果表明,施用磷肥黑土全磷增加53.9%～65.7%、速效磷增加6～15倍,无机形态磷中,Ca2-P增加4～15倍,Ca8-P增加4～16倍,Al-P增加1.6～11.8倍,Fe-P增加1.4～4.4倍,O-P增加0.6～1.7倍,Ca10-P增加0.3～0.7倍。谢林花等[12]的研究结果表明,23年长期施肥增加了塿土无机、有机磷总量,同时无机磷中Ca2-P、Ca8-P、A1-P的比例增大,Ca10-P、Fe-P、O-P的比例降低,有机肥可增加土壤有机磷各组分的含量,而化肥则主要是促进稳定性有机磷向活性、中活性有机磷转化。梁国庆等[18]研究结果表明,长期单施无机磷肥,石灰性潮土无机磷含量有所提高,积累的无机磷约60%转化成Ca10-P和OP,有机肥与化肥配台施用,积累的无机磷约有2/3转化成Ca2-P和Ca8-P。Yang等[13]研究表明,施用有机物质显著增加水稻土活性有机磷、中活性有机磷和中稳性有机磷。尹金来等[21]研究也表明,施用猪粪和磷肥显著地增加了石灰性土壤活性、中活性和中稳性有机磷的含量,其中以中活性有机磷增量最大。因此,在成土母质均为性质相似的黄土母质条件下,可以认为供试石灰性土壤有机磷和无机磷总量及其不同形态分布的差异主要是由于利用管理强度特别是施肥不同的结果。

大棚石灰性褐土不仅有机、无机磷总量显著高于其它供试石灰性土壤,而且无机形态磷中活性较高的Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量显著高于其它供试土壤,同时与其他供试土壤截然不同的是Ca8-P含量超过 Ca10-P,与李新平[14]、刘建玲[1,6]、李粉茹[19]、宋付朋[7]等大棚菜地或大田菜地的研究结果相一致。有机形态磷中MLOP含量显著高于其它供试土壤,同时 LOP和MROP也略高于其它土壤。正如张维理等[23]研究指出,由于种植蔬菜效益高,菜农为了追求效益,超高量施用氮、磷肥料,单季作物化肥纯养分用量一般为普通大田作物的数倍甚至数十倍,导致土体养分大量积累,成为水体富营养化的主要潜在威胁之一。刘建玲等[1]的研究结果表明,北方蔬菜保护地土壤全磷、无机磷、有机磷、Olsen-P的平均含量是一般耕地土壤的2.7～14.0倍。李艾芬等[3]的研究结果表明,随着种植年限的增加,蔬菜地土壤全磷、速效磷 (Olsen P)和NO3-N呈明显的积累,同时土壤N和P垂直下移渐趋明显,地表径流中氮和磷浓度呈明显增加。因此,对大棚蔬菜地及高肥力大田蔬菜地,应改变目前为最求最大收入而不合理地大量投入肥料特别是磷肥的现状,同时应将目前以土壤供氮能力确定肥料用量的方式转变为以土壤供磷能力确定肥料用量,以避免肥料磷在土壤中持续积累和增加,出现美国等发达国家正在大量研究解决的富磷土壤环境问题。

供试石灰性土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P均与土壤速效磷呈显著的正相关,与韩晓日等[28]的研究结果形同。通径分析进一步表明,供试土壤无机磷中只有Ca2-P对速效磷具有显著的直接影响,与沈仁芳等[27]黄土母质或冲积性黄土母质上发育的16个石灰性土壤不同无机形态磷对植物吸磷量的逐步回归分析结果相一致。不同于Wang Jun等[9]黑垆土无机形态磷中Ca8-P对速效磷的直接影响最大的研究结果,也不同于向春阳等[25]白浆土上、王艳玲等[26]黑土上的通径分析结果。Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P与速效磷显著的相关性表现为它们通过Ca2-P均对速效磷有显著的间接影响。有机磷中MLOP和LOP对速效磷均有显著的直接影响,与尹金来等[21]3个石灰性土壤上黑麦草吸磷总量与土壤有机形态磷减少量的通径分析结果基本一致。LOP和MROP通过MLOP对速效磷也具有显著的间接影响,H ROP对速效磷既无明显的直接影响,也无明显的间接影响。因此,与简单相关分析比较,分析不同形态磷素对土壤速效磷的影响用通径分析更为简单明确。

[1]刘建玲,张福锁,杨奋翩.北方耕地和蔬菜保护地土壤磷素状况研究[J].植物营养与肥料学报,2000,6(2):179-186.

[2]Guo Sheng-li,Dang Ting-hui,Hao Ming-de.Phosphorus changes and sorption characteristics in a calcareous soil under long-term fertilization[J].Pedosphere,2008,18(2):248-256.

[3]李艾芬,章明奎.浙北平原不同种植年限蔬菜地土壤氮磷的积累及环境风险评价[J].农业环境科学学报,2010,29(1):122-127.

[4]黄绍敏,宝德俊,皇甫湘荣,等.长期施肥对潮土土壤磷素利用与积累的影响 [J].中国农业科学,2006,39(1):102-108.

[5]Darilek J L,Huang Biao,Li De-Cheng.Effect of land use conversion from rice paddies to vegetable fields on soil phosphorus fractions[J].Pedosphere,2010,20(2):137-145.

[6]刘建玲,廖文华,张作新,等.磷肥和有机肥的产量效应与土壤积累磷的环境风险评价 [J].中国农业科学,2007,40(5):959-965.

[7]宋付朋,张民,于林.石灰性菜园土壤中各形态磷素的富集与变异特征 [J].水土保持学报,2005,19(6):65-69.

[8]周宝库,张喜林.长期施肥对黑土磷素积累、形态转化及其有效性影响的研究[J].植物营养与肥料学报,2005,11(2):143-147.

[9]Wang Jun,Liu Wen-zhao,M u Han-feng,et al.Inorganic phosphorus fractions and phosphorus availability in a calcareous soil receiving 21-year superphosphate application[J].Pedosphere,2010,20(3):304-310.

[10]Lee Chang-hoon,Park Chang-young,PA RK Ki-do,et al.Long-term effects of fertilization on the forms and availability of soil phos-phorus in rice paddy[J].Chemosphere,2004,56(1):299-304.

[11]单艳红,杨林章,沈明星,等.长期不同施肥处理水稻土磷素在剖面的分布与移动 [J].土壤学报,2005,42(6):970-976.

[12]谢林花,吕家珑,张一平,等.长期施肥对石灰性土壤磷素肥力的影响Ⅱ.无机磷和有机磷 [J].应用生态学报,2004,15(5):790-794.

[13] Yang Chang-ming,Yang Lin-zhang,Lee Jian-hua.Organic phosphorus fractions in organically amended paddy soils in continuously and intermittently flooded conditions[J].J.Environ.Qual.,2006,35(4):1142-1150.

[14]李新平,张亚林,魏玉奎,等.杨凌地区大棚土壤无机磷形态及有效性研究 [J].水土保持学报,2009,23(4):195-199.

[15]Vu D T,Tang C,Armstrong R D.Changes and availability of P fractions following 65 years of P application to a calcareous soil in a M editerranean climate[J].Plant Soil,2008,304(1):21-33.

[16]江晶,张仁陟,索东让.长期施肥对河西灌漠土无机磷形态的影响 [J].土壤通报,2010,41(4):783-787.

[17]刘建玲,李仁崮,张凤华.栗钙土中磷肥转化及效应的研究 [J].植物营养与肥料学报,1996,2(3):206-211.

[18]梁国庆,林葆,林继雄,等.长期施肥对石灰性潮土无机磷形态的影响[J].植物营养与肥料学报,2001,7(3):241-248.

[19]李粉茹,于群英,邹长明.设施菜地土壤pH值、酶活性和氮磷养分含量的变化[J].农业工程学报,2009,25(1):217-222.

[20]张树金,余海英,李廷轩,等.温室土壤磷素迁移变化特征研究[J].农业环境科学学报,2010,29(8):1534-1541.

[21]尹金来,沈其荣,周春霖,等.猪粪和磷肥对石灰性土壤有机磷组分及有效性的影响[J].土壤学报,2001,38(3):295-300.

[22]张作新,刘建玲,廖文华,等.磷肥和有机肥对不同磷水平土壤磷渗漏影响研究 [J].农业环境科学学报,2009,28(4):729-735.

[23]张维理,武淑霞,冀宏杰,等.中国农业面源污染估计及控制对策Ⅰ.21世纪初期中国农业面源污染的形势估计[J].中国农业科学,2004,37(7):1008-10171.

[24]张凤华,刘建玲,廖文华.农田磷的环境风险及评价研究进展 [J].植物营养与肥料学报,2008,14(4):797-805.

[25]向春阳,马艳梅,田秀平.长期耕作施肥对白浆土磷组分及其有效性的影响 [J].作物学报,2005,31(1):48-52.

[26]王艳玲,王杰,赵兰坡,等.黑土无机磷形态及其有效性研究 [J].水土保持学报,2004,18(3):85-89.

[27]沈仁芳,蒋柏藩.石灰性土壤无机磷的形态分布及其有效性 [J].土壤学报,1992,29(1):80-86.

[28]韩晓日,马玲玲,王晔青,等.长期定位施肥对棕壤无机磷形态及剖面分布的影响 [J].水土保持学报,2007,21(4):51-55,144.

[29]杨慧,曹建华,孙蕾,等.岩溶区不同土地利用类型土壤无机磷形态分布特征[J].水土保持学报,2010,24(2):135-140.

[30]Shen J,Li R,Zhang F.Crop yields,soil fertility and phosphorus fractions in response to long-term fertilization under the rice monoculture sy stem on a calcareous soil[J].Field crops research,2004,86(2):225-238.

[31]杨芳,何园球,李成亮,等.不同施肥条件下红壤旱地磷素形态及有效性分析[J].土壤学报,2006,43(5):793-799.

[32]南京农业大学.土壤农化分析 [M].北京:农业出版社,1992(2):74-75,79-82,99-101,115-116,166-169.

[33]蒋柏藩,顾益初.石灰性土壤无机磷分级体系的研究 [J].中国农业科学,1989,22(3):58-66.

[34]顾益初,蒋柏藩.石灰性土壤无机磷分级测定方法[J].土壤,1990,22(2):101-106.

[35]Bowman R A,Cole C V.An explorato ry method for fraction of organic phosphorus g rassland soils[J].Soil Sci.,1978,125(2):95-101.