吉林省典型土壤磷素形态及有效性

吴璐璐，柳小琪,张泽兴，周 薇，吕家珑

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西杨凌 712100;2.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100)

磷是植物生长发育过程中不可缺少的大量元素之一，是植物体内许多重要有机化合物的组成成分，以多种方式参与植物体内的代谢活动[1]。植物生长所需要的磷素主要来源于土壤，磷在土壤中常以无机态、有机态两种形式存在，无机磷一般占土壤磷库的60%～80%，包括矿物态磷、吸附态磷和土壤溶液中的磷，有机磷包括植素类、磷脂类、核酸类[2]，土壤中磷素的丰缺及供给状况直接影响着植物的生产水平，受地球化学过程、生物作用和人类活动的影响，磷素在土壤中存在着多种形态，各形态间也存在复杂的转换关系，不同形态磷的生物有效性不同，其循环过程也存在差异，并在系统有效磷的供应中起着各自不同的作用[3]。吉林省作为中国主要的产粮大省，实现了粮食连年增产[4]，但农户在作物种植中普遍大量施磷对农田营养造成影响[5]。有研究表明，土壤有效磷与磷肥施用量密切相关，一定范围内增施磷肥可显著提高土壤有效磷，超过这一范围有效磷不再增加[6]，当土壤速效磷(Olsen-P)含量大于磷素淋失临界值时，吉林省土壤磷存在磷素淋失风险[7]。土壤磷分级能够很好地了解土壤中有效磷含量和磷素在土壤中的供应情况，如李运阳等[8]采用土壤无机磷分级的方法探究黑钙土各组分无机磷的含量及其与速效磷的相关性。化党领等[9]采用土壤无机磷分级的方法对吉林省西部黑钙土进行无机磷组成进行研究，并研究石灰性土壤不同土层磷形态的空间分布特征。改进后的Hedley分级法[10]可将土壤磷按照其对植物有效性的大小和转化特征的不同进行分级，该方法同时考虑了无机磷和有机磷，不同磷组分在内的量化。因而改进后的Hedley分级法被国内外学者广泛用于土壤磷形态的研究中[11-13]。

近年来，国内外许多研究者先后提出了多种磷素分级方法，但不同的磷素分组方法对磷形态的描述也不同，土壤无机磷的分级早在20世纪30年代就已经进行，在石灰性土壤上应用最久、最多的方法是张守敬-杰克森法[14]，该方法将土壤无机磷分为5级：水溶性磷(H2O-P)由NH4Cl浸提出的磷；Al-P由中性NH4F溶液浸提出的磷；Fe-P由0.1mol/L NaOH浸提出的磷；闭蓄态磷(O-P)由柠檬酸钠、低亚硫酸钠、氢氧化钠浸提出的磷；Ca-P由0.5mol/L1/2H2SO4浸提出的难溶态的磷酸钙盐。张-杰体系在石灰性土壤上存在一定的不足，如王艳玲[15]以吉林玉米带黑土为供试土壤，重点研究了耕层土壤的磷素营养状况、不同形态无机磷的组成、对磷素的吸附及解吸特性。因此，蒋柏藩-顾益初[16]于1989年将此方法进行改进，将磷酸钙盐进一步分成3种类型：Ca2-P、Ca8-P及Ca10-P。如李月芬等[17]对吉林省不同施肥条件下盐碱土无机磷形态的研究，但该方法不足之处在于未能包含有机形态磷且在用NH4F溶液浸提时，会因产生CaF2而导致磷的沉淀(或吸附)，从而使Al-P偏低，Fe-P偏高[18]，对Al-P、Fe-P难以达到清楚分组的目的[19]，因此采用改进后的Hedley分级方法。1987年Bowman等[20]首次提出土壤有机磷对植物有效性分组较系统的化学鉴别法，将土壤有机磷分为：活性有机磷、中活性有机磷、中稳性有机磷、高稳性有机磷4组。王凤菊[21]对黑土、红壤以及潮褐土3种典型土壤进行有机磷素化学特征研究发现，该方法有机磷的测定主要是用间接法，如灼烧法或浸提法，都不够准确。至今有机磷的测定仍然是研究土壤有机磷化合物转化过程的一个突出问题[22]。

农田土壤中磷的形态和含量受多种因素的影响，如土壤类型、土壤性质、地理位置、气候条件、作物种植方式和施肥方式等，同时还受土地利用类型和经营管理方式等的影响，然而对于某一特定区域涉及不同土壤类型的磷形态相关研究尚较少。因此，本研究采用土壤磷连续提取方法(改进后的Hedley分级方法)对吉林省黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤农田土壤进行研究，旨在探明吉林省不同土壤类型磷素形态的含量及分布特征，为科学评价土壤磷的有效性、实现磷素高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吉林省位于中纬度欧亚大陆的东侧，是东北亚地区的地理中心，主要位于东经121°38′～ 131°19′和北纬 40°52′～46°18′[23]，属于温带大陆性季风气候，地带性土壤主要包括黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤等。其中黑土中耕地面积为 8.3×105hm2，占全省耕地面积的15.55%；白浆土中耕地面积为5.0×105hm2，占全省耕地面积的9.40%；黑钙土中耕地面积为1.4×106hm2，占全省耕地面积的26.99%；暗棕壤中耕地面积为5.7×105hm2，占全省耕地面积的 10.68%[24]。土壤基本信息见表1。

表1 吉林省4种土壤类型基本信息Table 1 Basic information of 4 soil types in Jilin province

1.2 样品采集和制备

供试土壤样品2018年9月采于吉林省春玉米种植区，采集当地具有代表性、分布面积较大的4种土壤类型(黑土，29个；白浆土，46个；黑钙土，21个；暗棕壤，44个)，根据“等量、随机、多点混合”的取样原则，同时避开堆肥、田埂、路沿等特殊区，取0～20 cm表层土壤，将采集的土样自然风干，并分别通过孔径2 mm、1 mm、0.25 mm、0.15 mm的筛子后，装入封口袋供试验分析。

1.3 试验方法

Tiessen等[10]改进后的Hedley磷分级方法操作简要如下：称取过100目土壤样品0.500 1 g(精确至0.1 mg)置于干净的50 mL高速离心管中，向离心管中分别加入30 mL去离子水和1.0 g阴离子树脂颗粒、0.5 mol/L NaHCO3、0.1 mol/L NaOH、1 mol/L HCl，运用钼锑抗比色法分别测定树脂磷(Resin-Pi)、碳酸氢钠磷 (NaHCO3-P)、氢氧化钠磷(NaOH-P)，稀盐酸磷(D.HCl-P)；浓盐酸磷(C.HCl-P)用浓盐酸，水浴提取，用钼锑抗测定；最后土样用H2SO4-H2O2消煮30 min，进行转移后定容，用钼锑抗比色法测定Residual-P(残留态磷)。

1.4 数据处理与计算

采用Excel 2003对试验结果进行统计，用SPSS 16.0进行相关性分析(Correlate Pearson)及通径分析(Path analysis)确定土壤有效磷与各形态磷组分之间的关系，采用单因素方差分析(Onen way ANOVA)中的LSD法对不同土壤类型之间各磷组分进行显著性检验分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤类型无机磷素形态含量

由图1可知，黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤总无机磷含量占总磷含量的比例分别为56.73%、55.33%、55.57%、59.72%。无机形态的磷素中，黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤中土壤类型的Resin-Pi在总无机磷中的平均占比分别为5.84%、 2.56%、3.37%、2.44%，不同土壤类型相比，黑土与暗棕壤之间无著差异，白浆土与黑钙土之间无显著差异，活性无机磷(NaHCO3-Pi)含量在4个土壤类型中的变化规律表现为：黑土>暗棕壤>白浆土>黑钙土，各个土壤类型间的显著差异性同Resin-Pi形态表现规律基本一致，这是因为Resin-Pi与NaHCO3-Pi均是土壤中可供植物直接吸收利用的活性磷形态；潜在活性无机磷(NaOH-Pi)含量在黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤上分别占总无机磷含量的15.94%、12.60%、 4.18%、10.13%，黑土与暗棕壤之间无显著差异，而黑钙土含量最低且显著低于其余土壤；高稳性无机磷(C.HCl-Pi)含量在黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤中表现顺序为暗棕壤>白浆土>黑土>黑钙土，暗棕壤与其余土壤类型均存在极显著性差异；不同土壤间稳定性无机磷(D.HCl-P)含量相比于其他无机磷形态含量均达到最高，黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤各土壤类型含量在总无机磷中的平均占比分别为55.47%、60.34%、69.97%、66.53%，暗棕壤显著高于其余3种土壤。

2.2 不同土壤类型有机磷素形态含量

4种不同土壤类型有机磷含量特征见图2。与无机磷相比，土壤有机磷含量稍低，黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤有机磷总含量分别占土壤磷素总量的43.27%、44.67%、44.43%、40.28%；NaHCO3-Po作为活性有机磷在4种土壤中的含量均较NaOH-Pi偏高，黑土与白浆土之间无显著差异，而暗棕壤与其余土壤均呈显著性差异；在潜在活性有机磷(NaOH-Po)中，暗棕壤含量最高，黑钙土最低，黑土与白浆土之间无显著差异，这与NaHCO3-Po形态的变化规律大体一致；稳定性有机磷(C.HCl-Po)在黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤土壤类型的总有机磷中的平均占比分别为11.02%、12.55%、14.52%、13.22%，暗棕壤与其余3种土壤类型均呈显著差异；4种土壤类型中Residual-P(残留态磷)含量在有机磷组分中均较高，含量变化在109.51～152.58 mg/kg，4种土壤之间均无显著差异，总体变化幅度较小。

2.3 土壤有效磷与不同土壤类型各磷组分含量的相关性

土壤理化性质影响土壤磷的形态、有效性及供应潜力，通过对黑土、白浆土、黑钙土农田土壤不同形态磷组分与有效磷之间的简单相关分析中发现(表2)，黑土与白浆土的Resin-Pi、NaHCO3-P(NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)、NaOH-P(NaOH-Pi、NaOH-Po)与土壤的有效磷均呈极显著正相关，且以活性磷组分NaHCO3-Pi与有效磷的相关系数最大，而C.HCl-P(C.HCl-Pi、C.HCl-Po)与有效磷相关性相对较低，均没有达到显著水平，说明有效性较高的磷组分之间容易发生转化而互相补充，而稳定性高的HCl-P(D.HCl-P、C.HCl-P)转化比较难。黑钙土中的Resin-Pi、NaHCO3-P、NaOH-P均与有效磷达到极显著正相关，而盐酸提取态磷与有效磷之间均无相关性，其中以无机磷组分中的Resin-Pi与有效磷的相关性最好，达到极显著水平，可见，在在黑钙土中稳定性磷(HCl-P)较难转化为有效磷，而活性磷(Resin-Pi、NaHCO3-P)与潜在活性磷(NaOH-P)是土壤中重要的磷源。

表2 不同土壤各磷素组分与有效磷相关关系Table 2 Correlation between various phosphorus components and avoilable phosphorus in different soils

暗棕壤的Resin-Pi、NaHCO3-P(NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)、D.HCl-P与土壤的有效磷均呈极显著正相关，而NaOH-Po和浓盐酸提取态磷 (C.HCl-P)与有效磷无显著相关关系，其余土壤并没有出现磷形态与潜在活性有机磷(NaOH-Po)无相关性，故对暗棕壤进行进一步的通径分析，从表3可看出，Resin-Pi对有效磷的直接通径系数为0.845，且表现为正效应，NaOH-Pi通过Resin-Pi对有效磷的间接通径系数为 0.428，在所有间接通径系数中也是最大的，且暗棕壤中的Resin-Pi与有效磷的相关关系最为显著(P< 0.01)，相关系数达0.945，表明，同黑钙土一样，在暗棕壤中土壤主要磷源为Resin-Pi。

表3 暗棕壤土壤磷组分与土壤有效磷的通径分析Table 3 Path analysis of phosphorus component in dark brown soil and available phosphorus in soil

3 讨 论

3.1 不同土壤类型磷素形态含量特征

本文采用Hedley提出的土壤磷素的分级方法，对吉林省的4种典型土壤(黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤)进行磷素的分级，将土壤磷分为有机磷和无机磷。在无机磷中，Resin-Pi和NaHCO3-Pi是土壤各形态磷中最容易受到各种因素影响的部分，也是活性最强的部分，通常称为土壤活性磷(Labile P)。结果表明，黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤4种土壤类型的无机磷含量占总磷含量的平均比例分别为56.73%、55.34%、55.57%、 59.72%，这与刘建玲等[25]的研究结果一致，石灰性土壤中，无机磷含量占土壤全磷含量的比例最高。4种典型土壤中，Resin-Pi与NaHCO3-Pi作为活性磷大体变化规律基本一致，黑土与暗棕壤无显著相关性，白浆土与黑钙土无显著相关性，这可能由于与白浆土和黑钙土相比，黑土与暗棕壤的有效磷含量相对稍高；无机磷都以D.HCl-P为主，这与向万胜等[26]研究结果一致，表明可供植物直接吸收利用的磷是土壤中水溶性磷，一般为无机磷，是土壤的最直接磷源。

Notes:The remaining diameter coefficient Pe=0.184, the determination coefficientR2=0.966,X1,X4,X7 represent Resin-Pi, NaOH-Pi, C.HCl-Pi,respectively.Yrepresents effective phosphorus.

在有机磷中，土壤的活性有机磷(NaHCO3-Po)和中等活性有机磷(NaOH-P)属于较易矿化被植物吸收利用的磷形态[27]。本研究表明，中活性有机磷NaOH-Po含量较高，为30.84～155.40 mg/kg，黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤中活性有机磷含量占总有机磷含量的平均比例分别为占 45.49%、43.37%、26.31%、49.51%，这与谷思玉等[28]的研究结果一致。4种典型土壤中，有机磷含量变化趋势大体为中等活性有机磷(NaOH-Po)>活性有机磷(NaHCO3-Po)>高稳性有机磷 (C.HCl-Po)，这与马艳梅[29]与梁运江等[30]的研究结果一致。

3.2 土壤磷素与有效磷的相关关系及有效性

土壤Hedley分级形态与有效磷存在一定关系，一般认为，土壤有效磷与某形态磷组分的相关性愈显著，则该形态组分磷的有效性愈大，其相对有效性也越高[31]。在4种土壤中，土壤有效磷与不同的土壤之间具有不同的相关性，4种土壤有效磷均与各磷形态呈显著相关关系，黑土与白浆土中Resin-Pi是土壤中最重要的磷源，而黑钙土与暗棕壤中NaHCO3-Pi是作物吸收的最有效磷源，这与杨小燕[32]和谢英荷等[33]的结果一致。用0.1 mol/L NaOH溶液提取的磷包括与土壤Fe、Al化合物(化学吸附)以及粘粒结合的无机态磷(NaOH-Pi)和与土壤中腐殖酸结合的有机态磷(NaOH-Po)，它们都属于中等活性的磷，4种土壤中，除暗棕壤的NaOH-Po形态外，其余土壤有效磷均与NaOH-P达到极显著相关性，这与穆晓慧等[34]在黄土高原石灰性土壤中的研究结果一致。由于各磷素形态含量存在差异，因此通过简单的相关分析不能很好的比较各形态磷组分对土壤磷素有效性的贡献大小及方式，故对暗棕壤应用通径分析(表3)通过得到的直接通径系数、间接通径系数和相关系数等参数来反映暗棕壤中NaOH-Po磷形态的相对有效性，经变量剔除后，Resin-Pi、NaOH-Pi和C.HCl-Pi被保留下来，它们是对土壤有效磷贡献较大的磷素形态(剩余通径系数Pe=0.184，决定系R2=0.966，说明所有重要因素都考虑在内)，表明在暗棕壤中Resin-Pi对有效磷的贡献最大，这与向万胜等[26]的研究结果一致。

土壤各磷组分之间存在一定的相互影响与制约，植物有效磷源的多少取决于土壤各磷组分之间的分布状况和转化方向，用稀HCl提取的磷(D.HCl-P)形态，类似于无机磷分级中的Ca-P，在石灰性土壤中主要提取磷灰石型磷，4种土壤类型中，非活性磷HCl-Pi与有效磷之间的相关系数均较低，但在黑土、白浆土、暗棕壤中，D.HCl-P与Resin-Pi、NaHCO3-Pi存在极显著相关关系，说明非活性磷与其余某些磷组分之间存在相互转化过程，可能是因为盐酸磷是潜在的有效磷源这与滕泽琴等[35]的研究结果一致。Residual-P被认为是土壤中难溶性的磷，在土壤环境中发生的一系列变化可活化部分难溶性磷，使之向其他有效性较高的磷形态转化，提高磷的有效性，也有研究表明，残留磷在较长的时间内对植物是有效的[36-37]。

4 结 论

吉林省4种典型供试土壤无机磷素形态占总磷形态分别为56.73%、55.33%、55.57%、 59.72%，无机磷形态以HCl-P为主；NaOH-Po在有机磷形态所占比例较高，黑土、白浆土、黑钙土、暗棕壤含量比例分别为29.04%、27.10%、 11.43%、34.00%，Residual-P含量在4种土壤中含量为109.51～152.58 mg/kg，变化幅度较小。4种典型土壤有效磷均与Resin-Pi、NaHCO3-P、NaOH-Pi存在极显著相关性，除暗棕壤外，其余土壤也与NaOH-Po具有极显著相关关系，NaOH-Po可通过其他磷素形态对土壤有效磷产生影响。黑土与白浆土中，NaHCO3-Pi是土壤中最直接的磷源，黑钙土与暗棕壤中Resin-Pi是作物吸收的有效磷源。