腐殖酸磷肥中的腐殖酸对磷迁移的影响及机理

景建元，袁亮，张水勤，李燕婷，赵秉强

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081

0 引言

【研究意义】磷肥为我国的粮食增产做出了巨大贡献[1]，但是全国范围内，我国小麦、水稻和玉米三大主要粮食作物磷肥利用率却低于 25%[2]。磷肥利用率低不仅造成了资源浪费，同时也存在严重的环境问题[3-4]。在磷肥生产过程中，添加微量腐殖酸，生产腐殖酸磷肥，可以有效提高磷肥利用率[5-7]。而腐殖酸磷肥中的腐殖酸（PHA）在实现磷肥增效方面，必然发挥了很大作用。对其进行研究，明晰相关机理具有重要意义。【前人研究进展】磷素在土壤中移动性差，易被固定是磷肥利用效率低的主要原因[8]。研究表明，肥料磷在酸性红壤中的垂直迁移距离不足5 cm[9]。而当施磷量超过1 600 kg·hm-2，肥料磷在水稻土中的移动距离仅达到10 cm[10]。另一方面，磷酸盐极易与土壤中 Ca2+、Fe2+及 Al3+等结合而被固定[11]，这也极大地影响了肥料磷的（生物）有效性，最终影响磷肥利用效率。腐殖酸作为一种高分子有机复合物，其本身对土壤磷素具有一定的活化功能，添加腐殖酸可以减少土壤对磷的固定，提高磷的有效性[12]。腐殖酸的含氧官能团（-COOH及酚-OH）也可以腐蚀难溶性磷，提高水溶性磷含量[13-14]。同时，腐殖酸与磷形成络合物，也能提高土壤磷的有效性[15]。而将腐殖酸与磷肥配施，可以大大提高肥料磷的迁移距离与土壤速效磷含量。如将腐殖酸与磷酸二氢钙配施，可以增加磷的移动距离与迁移量，显著提高肥际微域内有效磷的含量[16]。利用32P及放射性自显影技术，也发现腐铵、硝基腐铵及氯化腐铵配施磷肥可以减少土壤对磷的固定，有效提高肥料磷在土体中的迁移距离，迁移距离可提高1—3 cm[17]。但是以上研究中，腐殖酸的用量大，且使用方式均以与磷肥物理混合为主。近年来，很多研究发现，施用腐殖酸磷肥可以有效减少土壤对肥料磷的固定，提高土壤速效磷的含量及磷肥利用率。李志坚等[6]报道，与普通磷肥相比，施用腐殖酸磷肥可以有效提高土壤有效磷含量，降低石灰性潮土pH，减少土壤对磷的固定，同时提高土壤 Ca2-P与 Ca8-P含量，延缓Al-P向Fe-P的转化。土柱试验也表明，腐殖酸磷肥可以提高土壤速效磷的含量，进而提高玉米籽粒及植株地上部吸磷量[5,7]。而腐殖酸磷肥中的腐殖酸（PHA）在实现磷肥增效方面，必然发挥了很大作用。【本研究切入点】前期研究表明，磷肥生产过程中，酸碱环境及中和反应产生的高温[18-19]，已经造成了PHA结构不同于原腐殖酸（HA）[20]，因此PHA对肥料磷在土壤中的迁移过程可能不同于 HA，进行相关研究，将有利于阐明微量腐殖酸添加到磷肥中，提高磷肥利用效率的原因。【拟解决的关键问题】本文通过调节腐殖酸磷肥溶液pH至1.0，利用“碱溶酸析”原理得到腐殖酸磷肥中的腐殖酸（PHA），通过PHA和常规腐殖酸（HA）配施磷肥后土体中速效磷的分布情况，比较二者对磷肥转化运移的影响与差异；同时通过研究PHA与HA对Ca2+及磷酸盐吸附性能的差异对相关试验结果进行解释，进而为明晰腐殖酸磷肥中腐殖酸对磷肥增效的机理提供基础材料。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 腐殖酸（HA） 对传统“碱溶酸析”法提取腐殖酸的方法进行改进，从风化煤（45°23′ N, 119°15′ E；内蒙古自治区通辽市霍林郭勒市霍林河）中提取与纯化腐殖酸[21-23]。

1.1.2 腐殖酸磷肥中的腐殖酸（PHA） 将20 g HA加入装有37.36 g磷酸（85%）的烧杯中，搅拌均匀后，将42.64 g氢氧化钾（分析纯）加入到混合液中，反应完全后将反应物装袋密封，待冷却后将其粉碎，过筛（20目），制得腐殖酸磷肥产品。将腐殖酸磷肥以固液比1∶10溶于蒸馏水中，并通过6 mol·L-1HCl将溶液pH值调节至1.0。静止12 h后，通过以8 000 r/min的速度离心10 min，弃去上清液，以去除 PO43-、K+和其他离子。将沉淀与去离子水以1∶10的固液比混匀后，以8 000 r/min的速度离心10 min，去除上清液，此过程重复3次。沉淀经50℃干燥后粉碎（20目），得到腐殖酸磷肥中的腐殖酸PHA[20]。

分别对 HA及 PHA的比表面积（物理吸附仪ASAP 2460，麦克，美国）及凝聚限度[24]进行了测定，结果如表1。凝聚限度为0.2‰的腐殖酸碱性溶液在60 min内凝聚时需要加入 BaCl2的最小量，可以用于表征腐殖酸的移动性及化学活性。采用H2SO4消煮-钒钼黄比色法[25]测定了HA及PHA含磷量，结果发现二者含磷量可以忽略不计。

表1 HA及PHA比表面积与凝聚限度Table 1 BET surface area and flocculation limit of HA and PHA

1.1.3 磷肥 为保证试验过程中磷肥的一致性，通过模拟工业磷酸氢二钾生产工艺，在实验室制备磷肥：称取46.70 g磷酸（85%）于烧杯中，将53.30 g氢氧化钾（分析纯）缓慢加入，反应完成后将反应物装袋密封，待冷却后将其粉碎，过筛（20目），制得磷肥。采用 H2SO4消煮-钒钼黄比色法[25]测得磷肥中磷（P2O5）含量为37.22%。

1.1.4 供试土壤 为更加有效研究腐殖酸对肥料磷迁移的影响，试验所用土壤采自中国农业科学院德州实验站禹城试验基地常年不施肥匀地试验田耕层（0—20 cm）土壤，土壤类型为潮土，缺磷。土壤基础化学性质如下：有机质 4.05 g·kg-1，NH4+-N 14.81 mg·kg-1，NO3--N 3.28 mg·kg-1，速效磷 5.87 mg·kg-1，速效钾 89.74 mg·kg-1，pH 8.02（1∶2.5 水土比，w/v）。

1.2 试验设计与测定

1.2.1 HA与PHA对肥料磷迁移的影响 试验设置单施1.1.3所制磷肥处理（P；施磷量为3 g P2O5·kg-1干土），HA或 PHA与磷肥混合处理（施磷量为 3 g P2O5·kg-1干土）：HA和PHA施用量分别为磷肥施用量的0.5%（代号分别为0.5HA+P、0.5PHA+P）与5%（代号分别为5HA+P、5PHA+P），同时以不施用肥料为对照处理（CK）。试验前将定量的 HA和 PHA分别与磷肥混合均匀，即为 0.5HA+P、0.5PHA+P、5HA+P与5PHA+P处理所用肥料。HA与PHA的施用量主要是考虑到腐殖酸磷肥生产中，腐殖酸的添加量在 0.2%—5%之间，对提高磷肥利用率具有良好的作用，因此本研究设置了两个腐殖酸添加量。

将1.1.4所取土壤风干后过2 mm筛，调节土壤含水量至16%，置于25℃气候室中，黑暗环境中预培养5 d。称量1 kg预培养好的土壤（干土计），调节土壤含水量至20%后，装入如图1所示的10 cm长、10 cm宽、12 cm高的长方体容器中（10 cm×12 cm侧面可以拆卸），分层压实（土壤容重为1.389 g·cm-3）。将0.5HA+P、0.5PHA+P、5HA+P、5PHA+P及P处理所用肥料均匀地铺于土壤表面，容器顶部覆膜，扎孔以保证通气。将土壤置于25℃气候室中进行黑暗培养。每隔7 d通过称重法补充水分，使土壤含水量维持在20%左右，每个处理重复3次。

培养30 d后，如图1所示，移去容器可移动板，从土壤表层向下，每隔4 mm，使用特制刀片（0.15 mm厚度）对土壤进行切割。各层土壤风干后，使用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[25]测定土壤速效磷含量。根据以下公式计算各土层速效磷总量。

式中，PTotalAvail为土壤速效磷总量（mg）；PAvail为土壤速效磷含量（mg P·kg-1）；1.389 为土壤容重（g·cm-3）；40为各土层土壤体积（cm3）；10-3为换算成kg。

1.2.2 HA与PHA对Ca2+的吸附试验

（1）吸附动力学试验。分别称取0.50 g HA与PHA于一系列150 mL塑料瓶中，向其中加入50 mL pH为8.0 的50 mg Ca2+·L-1CaCl2溶液，在25℃下恒温振荡6 h，振荡速率180 r·min-1。分别在振荡开始后第5 min、15 min、30 min、1 h、2 h、3 h及6 h，每个处理随机取3个重复，过0.45 μm滤膜（PES 25×0.45，津腾），使用电感耦合等离子体发射光谱仪（5110 ICP-OES，Agilent Technologies）测定振荡前后溶液 Ca2+浓度，根据以下公式，计算Ca2+吸附量。

式中，Q为Ca2+吸附量（mg·g-1）；C0与Ce分别为振荡前后溶液 Ca2+的浓度（mg·L-1）；m 为样品质量（g）；V为CaCl2溶液体积（mL）。

通过各个时间点的吸附量qt对时间t作图，得到HA与PHA的动力学曲线，采用准一级、准二级吸附动力学方程及Weber-Morris内扩散模型对试验结果进行分析。

准一级动力学模型：ln(qe,cal-qt)=lnqe,cal-k1t

准二级动力学模型：t·qt-1=t·qe,cal-1+1·(k2·qe,cal2)-1

Weber-Morris模型：qt=ki·t1/2+C

式中，qe,cal为理论平衡吸附量（mg·g-1）；qt为振荡时间t时的吸附量（mg·g-1）；k1为准一级吸附速率常数，k2为准二级吸附速率常数，ki为颗粒内扩散速率常数，C为粒子扩散方程常数。

（2）吸附等温试验。使用CaCl2配制pH=8.0的不同Ca2+浓度梯度的溶液（20、30、40、50、60及90 mg Ca2+·L-1）各1 L。称取0.30 g HA与PHA于一系列150 mL塑料瓶中，分别加入不同浓度梯度的 CaCl2溶液50 mL，每个处理重复3次。将溶液在25℃下恒温振荡 6 h（180 r/min），过 0.45 μm 滤膜（PES 25×0.45，津腾），使用5110 ICP-OES光谱仪测定振荡前后溶液Ca2+浓度，计算Ca2+吸附量。通过平衡吸附量qe对平衡浓度Ce作等温吸附曲线，用Langmuir与Freundlich等温吸附模型对等温吸附过程进行描述。

Langmuir等温吸附模型：qe-1= (qmax·b)-1·Ce-1+qmax-1

Freundlich等温吸附模型：lnqe=ln kF+n-1·lnCe

式中，qmax为最大吸附量（mg·g-1）；b为吸附平衡常数；kF为吸附平衡常数；n用于评价浓度对吸附量影响的强弱，1＜n-1＜2时，易于吸附，n-1＞2时，难以吸附。

1.2.3 HA与PHA对磷酸盐的吸附动力学试验 分别称取0.20 g HA与PHA于一系列150 mL塑料瓶中，向其中加入50 mL pH为8.0 的50 mg P·L-1磷酸氢二钾溶液，在25℃下恒温振荡5 h，振荡速率180 r/min。分别在振荡开始后第5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、3 h、4 h及5 h，每个处理随机取3个重复，过0.45 μm滤膜（PES 25×0.45，津腾），使用5110 ICP-OES光谱仪测定振荡前后溶液磷浓度，计算磷吸附量。通过各个时间点的吸附量qt对时间t作图，得到HA与PHA对磷酸盐的吸附动力学曲线，同时采用准一级、准二级吸附动力学方程对试验结果进行分析。

1.3 数据处理

数据采用Excel进行数据整理，最小显著性检验法（LSD法，P＜0.05）进行单因素方差分析（SAS 9.1，SAS Institute Inc.，NC，USA），Origin 2021（Origin Lab Corporation，MA，USA）进行作图与曲线拟合。

2 结果

2.1 HA与PHA对肥料磷迁移的影响

HA和PHA配施磷肥可以提高肥料磷在土体中的迁移距离，其中PHA配施磷肥，肥料磷的迁移距离大于HA（图2-a）。从图2-a可以看出，随着距施肥层垂直距离的增加，施磷处理土壤速效磷含量均是先增加后降低，CK处理各土层土壤速效磷含量均处于较低水平。单施磷肥处理（P处理）在距施肥层46 mm处，土壤速效磷含量已经降低到较低水平（48.81 mg·kg-1），与 CK 无显著差异（P＞0.05），较 CK（18.64 mg·kg-1）高161.9%。然而，磷肥配施腐殖酸处理，该层土壤速效磷含量显著高于CK（P＜0.05），较CK高581.2%—1 435.6%，直至距施肥层50 mm（HA）或54 mm（PHA）处，土壤速效磷含量才降低到与CK相同水平。同时，土壤速效磷含量，距施肥层 46 mm处，0.5HA+P处理显著高于 5HA+P（P＜0.05），距施肥层50 mm处，0.5PHA+P 显著低于5PHA+P（P＜0.05）。

另一方面，HA和PHA配施磷肥可以提高肥料磷的迁移量（图 2-b）。各施磷处理土壤速效磷总量占总施磷量的累积百分数随着与施肥层垂直距离的增加而增加，在距施肥层垂直距离约42 mm处达到峰值，其后变化不大（图 2-b），该距离也是单施磷肥处理（P）肥料磷的迁移距离（图2-a）。整体上看，土壤速效磷总量占总施磷量的累积百分数：0.5HA+P ≈5PHA+P＞5HA+P＞0.5PHA+P＞P处理。

由于HA和PHA增加了肥料磷在土体中的迁移距离及迁移量，而影响磷素在石灰性土壤中迁移的障碍因子主要来源于土壤中Ca2+等的固定，因此本研究对HA和PHA对Ca2+（pH = 8.0）的吸附特征进行了研究。同时由于PHA和HA的配施量对肥料磷的迁移也表现出差异，因此对HA及PHA对磷酸盐（pH=8.0）的吸附特征进行了比较。

2.2 HA与PHA对Ca2+的吸附动力学特征

2.2.1 吸附动力学曲线 从图 3-a可以看出，HA与PHA在5—60 min内对Ca2+的吸附量随着振荡时间的延长而提高，超过15 min后，吸附速率放缓，60 min时吸附量趋于平衡，达到吸附-解吸平衡，此时，HA的平衡吸附量高于 PHA。使用准一级动力学方程与准二级动力学方程对 HA与 PHA对 Ca2+的吸附动力学曲线进行拟合（表 2）发现，HA对Ca2+吸附的准一级动力学方程相关系数高于准二级动力学方程，理论平衡吸附量为5.63 mg·g-1，更接近于吸附试验得到的实际吸附量 5.65 mg·g-1。PHA与之相反，准二级动力学模型相关系数高于准一级动力学方程，理论平衡吸附量5.39 mg·g-1，与吸附试验得到的实际吸附量相符。两种吸附模型均显示，HA的理论平衡吸附容量大于 PHA，这与吸附实验实测结果一致。

图3-b为HA与PHA对Ca2+吸附的 Weber-Morris内扩散模型拟合曲线，以30 min吸附平衡为节点，将吸附过程主要分为两个阶段，从 Weber-Morris内扩散模型拟合参数（表2）可以看出，HA与PHA在附段1的拟合相关系数较大，二者C值分别为4.71与4.52，说明HA及PHA对Ca2+的吸附是膜扩散与颗粒内扩散综合作用的结果[26-27]，且C值与Ki值，HA均高于PHA。

表2 HA与PHA吸附Ca2+动力学拟合参数Table 2 Adsorption kinetics fitting parameters of HA and PHA on Ca2+

2.2.2 等温吸附特征 图 4为 HA与 PHA对 Ca2+的吸附等温曲线，HA与PHA对Ca2+的平衡吸附量随着溶液Ca2+平衡浓度的提高而增加。使用Langmuir与Freundlich等温吸附模型分别对HA与PHA等温吸附过程进行拟合（表3），发现Langmuir等温吸附曲线相关系数更大，分别达到了0.996与0.989，HA与PHA对Ca2+的理论最大吸附量分别达到14.84与12.79 mg·g-1，PHA对Ca2+的最大吸附量低于HA，但仍保持较高的吸附容量。同时，Freundlich等温吸附模型，n＞1，说明HA与PHA均有利于Ca2+的吸附[28-29]。

表3 HA与PHA对Ca2+等温吸附拟合参数Table 3 Isotherm parameters for the adsorption of Ca2+ with HA and PHA

2.3 HA与PHA对磷的吸附动力学曲线

从图5可以看出，随着振荡时间的延长，HA与PHA对磷的吸附量先增加后趋于稳定，二者均在振动后30 min达到吸附平衡，HA对磷的平衡吸附量大于PHA。使用准一级动力学方程与准二级动力学方程对HA与PHA对磷酸盐的吸附动力学曲线进行拟合（表 4），发现准一级动力学方程与准二级动力学方程均可以很好地拟合HA对磷酸盐的吸附动力学曲线，R2分别达到了0.93与0.94，对磷酸盐的理论最大平衡吸附量分别达到3.83和3.99 mg P·g-1，与实际最大平衡吸附量相近。但是 PHA对磷酸盐的吸附动力学曲线，仅有准一级动力学曲线可以很好的拟合（R2=0.95），对磷酸盐的理论最大平衡吸附量仅为1.88 mg P·g-1，说明PHA较HA，对磷的吸附容量降低。

表4 HA与PHA吸附磷酸盐的动力学拟合参数Table 4 Adsorption kinetics fitting parameters of HA and PHA on phosphate

3 讨论

3.1 腐殖酸磷肥中的腐殖酸更有利于肥料磷的迁移

腐殖酸配施磷肥可以提高肥料磷在土体中的迁移距离（图2-a）。本研究中，各施磷处理肥料磷均迁移到了距施肥层垂直距离以下42 mm处，HA（普通腐殖酸）和PHA（腐殖酸磷肥中的腐殖酸）配施磷肥，速效磷总量占施磷量的累积百分数高于单施磷肥处理（图2-b），说明磷肥配施HA和PHA均有效促进了肥料磷的迁移，这与很多研究结果相似。如将腐殖酸与磷酸二氢钙配施，磷在肥际微域的迁移距离比单施磷肥提高2 mm[16]。将腐铵、硝基腐铵及氯化腐铵等腐铵类物质与磷肥配施，土壤对磷的固定量降低，肥料磷在土体中的迁移距离提高1—3 cm，其中腐铵与磷肥混合后施用，效果好于腐铵先与土壤混合，再施磷肥[17]。也有研究表明，腐铵与磷肥配施，可以抑制土壤对磷的固定，延缓土壤有效磷无效化过程[30]。李春越等[12]也报道，腐殖酸具有解磷功能，加入腐殖酸可以减少土壤对磷的固定（吸附）并降低固定率。

本研究认为，HA或PHA可以促进肥料磷的迁移，一定程度上是由于其可以吸附一定量的Ca2+，进而减少磷酸钙的生成（表2，表3）。对HA及PHA对Ca2+的吸附特征进行描述，结果发现，HA与PHA均可以吸附一定量的 Ca2+，Freundlich等温吸附模型中，二者n值均大于 1（表3），说明二者均有利于Ca2+的吸附[28-29]。进一步研究发现HA与PHA对Ca2+的最大吸附量分别为14.84 与12.79 mg·g-1（表3）。PHA对Ca2+的最大吸附量有所降低，这主要是由于 PHA较HA小分子量级分增多[20]，吸附螯合能力变弱[31]。但是 PHA仍然保留了对 Ca2+的吸附功能，可以减少肥料磷被土壤固定。另外，作为一种碳基材料，腐殖酸对金属离子本身存在一定的吸附能力[32-34]。

然而，PHA配施磷肥，肥料磷的迁移距离大于配施HA（图2-a）。本研究中，PHA与磷肥配施，距施肥层垂直距离50 mm处，土壤速效磷含量仍显著高于CK（P＜0.05，图2-a），而HA与磷肥配施处理该层土壤速效磷含量已经降低到与 CK无显著差异（P＞0.05，图2-a），说明配施PHA，肥料磷的迁移距离大于配施HA。这可能与PHA移动性强于HA有关，本研究发现PHA的凝聚限度大于HA（表1），说明PHA的移动性及化学活性要更强[35]，这将有利于提高PHA在土体中的作用范围。另一方面， PHA对肥料磷迁移的影响与其添加量的关系不同于 HA。从距施肥层垂直距离42 mm处，土壤速效磷总量占施磷量的累积百分比可以看出，0.5HA+P＞5HA+P，而 0.5PHA+P＜5PHA+P（图2-b）。提高HA的添加量对肥料磷迁移的促进作用变差，而PHA与之相反。这可能与HA对磷酸盐存在较强的吸附有关（图5，表4）[13,36-37]。本研究中，HA对磷酸盐的理论最大平衡吸附量可以达到 3.83 或 3.99 mg P·g-1，而 PHA 仅为 1.88 mg P·g-1（表4）。由于与土壤竞争吸附磷酸盐，HA或PHA对磷酸盐的吸附降低了土壤对磷的固定。但是由于HA对磷酸盐的吸附容量大于PHA，而PHA在土壤中的移动性（凝聚限度高）强于HA[31]，导致PHA配施磷肥，肥料磷的迁移距离大于HA，且提高HA的添加量对肥料磷迁移的促进作用开始变差。杨志福等[30]也报道，腐殖酸配施磷肥比例提高，会对磷的活化产生负面效果，最终不利于植物对磷的吸收。此外，由于PHA絮凝限度大于HA，PHA将更有利于活化肥料及土壤磷[24]。

3.2 腐殖酸磷肥中的腐殖酸改变了对Ca2+的吸附特征

本研究发现，准一级动力学方程可以很好地拟合HA对Ca2+的吸附动力学过程，而准二级吸附动力学模型可以更好地模拟 PHA对 Ca2+的吸附动力学过程（表2）。说明HA对Ca2+的吸附作用以物理吸附为主，而 PHA以化学吸附为主[38-39]，这种吸附主要是PHA基团与Ca2+发生化学反应，产生化学键导致，因此对Ca2+的吸附更为牢固。PHA的比表面积高于HA（表1），而PHA对Ca2+的吸附容量却低于HA（表3），也说明PHA对Ca2+的吸附不是以物理吸附为主。Weber-Morris内扩散模型（图3-b，表2）结果表明，HA与PHA处理，C值均不为0，表明二者对Ca2+的吸附是膜扩散与颗粒内扩散综合作用的结果[26-27]，但是二者对 Ca2+的吸附阻力发生了改变。PHA的Weber-Morris内扩散模型C值与Ki 值均低于HA，说明与HA相比，PHA对Ca2+的吸附阻力，来自液相边界层的阻力（膜扩散阻力）减小，Ca2+向腐殖酸颗粒表面扩散的难度降低，而Ca2+在腐殖酸内部的扩散难度加大[40-41]。总之，虽然腐殖酸磷肥中的腐殖酸对Ca2+的吸附容量降低，但是其吸附特征不同于普通腐殖酸，吸附作用强于HA（化学吸附为主）。

4 结论

腐殖酸与磷肥结合可以有效提高肥料磷在石灰性土壤中的迁移距离与迁移量，这与腐殖酸对Ca2+具有一定的吸附能力有关。与普通腐殖酸（HA）相比，腐殖酸磷肥中的腐殖酸（PHA）对Ca2+的吸附容量降低，但是对Ca2+的吸附以化学吸附为主，吸附力更强。与HA相比，磷肥配施PHA，肥料磷的迁移距离增加，且PHA配施量越高，肥料磷迁移量越多。HA由于对磷酸盐存在较强的吸附，提高其配施量，对肥料磷迁移的促进效果有减弱的趋势。