猪粪施用对黑土型水稻土磷转化过程的影响

佟德利, 朱广鹏,, 贺海升, 于 鑫,, 陈光蕾,于云飞, 李 爽, 刘静华, 李梦琦,, 汪 玉

(1. 沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034;2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室/中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008;3. 沈阳师范大学 实验教学中心, 沈阳 110034)

0 引 言

磷是作物生长的主要限制因素之一,对农业生产有重要影响[1]。过去几十年间,化学磷肥在农业生产过程中的使用为我国粮食稳产增产做出了重要贡献,但随着化肥施用量的不断增加,土壤磷素大量盈余,引发了土壤酸化、养分失衡以及农业污染等一系列问题[2]。我国拥有丰富的有机肥资源,施用有机肥在避免资源浪费的同时可以降低农业生产成本、提高农产品品质[3]。而与施用化肥相比,有机肥在提高土壤肥力、保持和提高农田生产力、促进化肥减量增效等方面也具有重要意义[4]。

有机肥施用可以影响稻田土壤磷素转化过程。以往的研究表明,有机肥主要通过改善土壤理化性质、增加土壤磷库库容来影响土壤磷素的有效性,有机肥分解产生的有机酸可活化土壤中的磷,降低土壤对磷的固定,还能通过自身的有机磷矿化来提高磷素的利用率[5-7]。Luo和Sun[8]通过对蓝紫色水稻土的研究发现,有机肥通过增加有机磷矿化菌提高了土壤磷的有效性;Ahmed等[9]对中国南方水稻土的研究表明,化肥配施有机肥较单施化肥显著增加了土壤TP,Olsen-P和有机质的含量;谢坚[10]的研究发现,长期氮钾肥施用并配施猪粪对红壤性水稻土Al-P,Ca-P影响较大,对闭蓄态磷(O-P)含量影响较小,并增加了高稳性有机磷的含量,降低了中稳性有机磷的含量。

水稻在种植过程中干湿交替的变化会显著影响土壤磷组分,有研究表明,干湿交替的灌溉模式显著提高了稻田土壤有效磷、有机磷和无机磷的含量[11]。但目前关于黑土区稻田土壤在淹水-落干变化下有机肥施用对土壤磷库影响的研究仍很少。因此,本文通过培养试验,模拟稻田淹水-落干条件变化,探究猪粪施用对黑土区水稻土磷形态转化的影响及其主控因素,研究结果对黑土地可持续发展与有机肥高效利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自辽宁省盘锦市盘山县坝墙子镇(N41°9′,E122°15′),该地区属温带大陆性季风气候,年均气温8.1 ℃,年降雨量611.6 mm。土壤类型为水稻土,采样方法为五点取样法,采样深度0～20 cm。土壤和猪粪的基础理化性质见表1。

表1 土壤和猪粪基础理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and pig manure

1.2 试验设计

试验设置3个处理: 空白对照(标记为CK)、化学磷肥(标记为CF)和添加猪粪(标记为PM)。每个处理重复3次。 CK为不施肥处理,化学磷肥为磷酸二氢钾(KH2PO4),腐熟的猪粪采自浙江省嘉兴市牧场, 分析前将粪肥风干,研磨过筛(<4 mm)备用, 各施肥处理施P量均为100 mg·kg-1土。 将试验土壤保持55%最大田间持水量(water holding capacity,WHC)预培养15 d(25 ℃)后, 称取鲜土(干质量250 g)与肥料混匀, 置于500 mL广口玻璃瓶内,于25 ℃恒温培养。 培养试验总时长为60 d, 前40 d淹水培养(保持淹水2 cm,100% WHC), 结束后抽出水分, 落干培养(5%～10% WHC)20 d。 采取破坏性取样方法采集第40 d与60 d土壤样本, 一部分鲜土用于测定土壤微生物生物量,其余土样风干、研磨、过筛(2 mm)后保存,用于其他指标测定。

1.3 测定指标与方法

土壤pH使用pH计(Thermo ORION STAR A211)测定,水土比2.5∶1, TP经H2SO4-H2O2消煮后钼蓝比色法测定,Olsen-P用碳酸氢钠(0.5 mol·L-1,pH=8.5)浸提后钼蓝比色法测定[12]。全碳(total carbon,TC)、全氮(total nitrogen,TN)使用全自动碳氮分析仪(vario MACRO CN,Elementar Analysensysteme GmbH)测定。

无机磷分级采用顾益初-蒋柏藩[13]提出的分级方法,共分为6种形态:0.25 mol·L-1NaHCO3提取的Ca2-P,0.5 mol·L-1NH4Ac提取的Ca8-P,0.5 mol·L-1NH4F提取的Al-P,0.1 mol·L-1NaOH-Na2CO3提取的Fe-P,0.3 mol·L-1柠檬酸钠提取的O-P和0.5 mol·L-1H2SO4提取的Ca10-P。以上各组分提取后使用钼蓝比色法于分光光度计700 nm下进行测定。

有机磷分级采用Bowman和Cole[14]提出的分级方法,分为4种形态:0.5 mol·L-1NaHCO3提取的活性有机磷(labile organic P,LPo),0.1 mol·L-1HCl提取的中等活性有机磷(moderately labile organic P,MLPo),0.5 mol·L-1NaOH提取的中等稳态有机磷(fulvic acid-associated organic P,FAPo)和稳态有机磷(humic acid-associated organic P,HAPo)。其中,FAPo是在pH为1～1.5条件下不产生沉淀的富里酸磷,HAPo是在pH为1～1.5条件下产生沉淀的胡敏酸磷。

土壤微生物生物量用氯仿熏蒸法提取后测定[15-16]。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0数据分析软件进行单因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)检验不同处理下样本间差异(Duncan检验);使用Canoco 5.0数据分析软件进行环境因子与磷组分间的冗余分析并作图;皮尔逊相关性分析(Pearson)用于分析土壤磷组分与土壤基础理化性质及微生物生物量间的相关性,使用Origin 2021函数绘图软件作图。

2 结 果

2.1 猪粪添加对土壤速效磷和全磷含量的影响

如图1所示,CF处理下淹水土壤Olsen-P和TP分别显著增加344.9%和17.8%,落干时显著增加386.4%和23.3%(P<0.05); PM处理在淹水时土壤Olsen-P和TP分别显著增加276.3%和34.1%,落干后显著增加213.1%和21.6%(P<0.05)。同淹水培养相比,落干后PM处理Olsen-P和TP含量显著降低(P<0.05)。

图1 猪粪添加对黑土(a)速效磷和(b)全磷的影响Fig.1 Effects of pig manure addition on black soil (a) available P and (b) total P

2.2 猪粪添加对土壤无机磷及有机磷形态的影响

如图2所示,CF处理在淹水时Ca2-P,Ca8-P,Al-P,Fe-P分别显著增加384.7%,142.9%,105.8%,44.1%,落干时分别显著增加343.1%,113.7%,89.8%,35.8%(P<0.05);PM处理下淹水时显著增加307.1%,318.6%,143.9%,64.8%,落干时显著增加208.3%,95.8%,102.6%,43.5%(P<0.05)。而淹水-落干变化和施肥处理对O-P和Ca10-P均未产生显著影响(P>0.05)。

图2 猪粪添加对黑土无机磷形态的影响Fig.2 Effects of pig manure addition on inorganic phosphorus form in black soil

如图3所示,CF处理在淹水时显著增加(P<0.05)中等活性有机磷(39.3%)和中等稳态有机磷(33.7%),显著降低稳态有机磷(-52.1%,P<0.05),落干时显著增加活性有机磷(110.2%,P<0.05),增加了稳态有机磷;PM处理在淹水时显著增加中等稳态有机磷(36.6%,P<0.05),降低了活性有机磷和稳态有机磷,落干后对各有机磷组分未产生显著影响。同淹水培养相比,落干后各处理活性有机磷和中等活性有机磷显著降低(P<0.05),中等稳态有机磷显著增加(P< 0.05),CF处理增加了稳态有机磷,而PM处理稳态有机磷含量降低。

2.3 猪粪添加对土壤微生物量及其比值的影响

如图4所示,CF处理在淹水时降低了MBC,显著增加MBP(16.0%,P<0.05),落干时降低了MBC,增加了MBP;PM处理在淹水和落干时均提高了MBC和MBP,其中MBP在淹水时显著增加37.2%(P<0.05),落干时显著增加37.3%(P<0.05)。同CK相比,在淹水和落干时CF处理下MBC/MBN(microbial biomass nitrogen),MBC/MBP和MBN/MBP均降低,PM处理下MBC/MBN升高,MBC/MBP和MBN/MBP降低。

图4 猪粪添加对黑土微生物量及其计量比的影响Fig.4 Effects of pig manure addition on black soil microbial biomass and its stoichiometric ratio

3 讨 论

在本文中,黑土型水稻土添加猪粪(PM)或化学磷肥(CF)均带入了大量磷源[17-18],显著增加了土壤速效磷和全磷含量(图1),而PM处理下速效磷含量显著低于CF处理,主要是粪肥的氮磷钾养分较化肥含量低且其养分释放的缓效性所致[19]。在黑土无机磷组分中,Ca2-P和Al-P是速效磷源,Ca8-P和Fe-P是缓效磷源,O-P和Ca10-P是潜在磷源[20]。有机肥含有土壤类似的无机磷组分,添加后可提高土壤无机磷含量[21]。本文中PM处理较CK显著增加除O-P和Ca10-P外的无机磷组分,较CF处理主要增加了Ca8-P,Al-P,Fe-P含量,而对O-P和Ca10-P无显著影响(图2),这表明PM处理下土壤磷素主要增加有效态磷或缓效态磷,而PM处理下Ca2-P含量低于CF处理(图2(a)),其主要原因是化学磷肥添加后,在短期内会转化为有效性较高的Ca2-P,进而再转化为其他形态的中等活性无机磷[22]。郭玉冰[23]研究发现长期施磷肥或有机肥提高了土壤有机磷含量,单施磷肥显著增加中等活性有机磷含量,单施有机肥显著增加各有机磷组分含量。本文中,PM处理在淹水时较CK显著增加中等稳态有机磷,降低了稳态有机磷,落干后对各有机磷组分无显著影响,但较淹水时降低了稳态有机磷(图3),这表明猪粪添加在短期内不会直接增加活性较高的有机磷组分,但促进了稳态有机磷向活性更高的有机磷组分转变。而PM处理下活性有机磷含量有所降低,这可能是淹水培养时土壤活性有机磷易被微生物矿化分解,转化成磷酸根离子[24],从而导致其含量下降。淹水时CF处理下中等活性有机磷和中等稳态有机磷显著增加,稳态有机磷显著降低,但落干后在显著增加活性有机磷的同时增加了稳态有机磷(图3),这说明化学磷肥短期内可提高供植物利用的速效磷源,但同时也增加了无效态磷含量。高等稳态有机磷是与土壤胡敏酸结合的有机磷,而有机肥处理的土壤胡敏酸活度高于化学磷肥处理[25],故相较化学磷肥,猪粪添加促进了稳态有机磷的转化。此外,猪粪添加提高了土壤有机质,淹水-落干变化致使团聚体被破坏,有机质分解释放富里酸聚等阴离子同磷酸盐阴离子产生吸附竞争,减小土壤磷的吸附能力,促进磷的释放,提高了土壤磷素的有效性。淹水-落干变化促进了活性有机磷和中等活性有机磷的转化(图3),淹水土壤落干过程中会压缩在潮湿时卷入的空气,将大团聚体转变为小团聚体,产生小颗粒物[26],增大比表面积,从而增加土壤对磷的吸附固定。

土壤微生物是土壤养分转化的动力源,土壤微生物生物量水平可以反映土壤肥力的变化情况。李春越等[27]的研究表明,与不施肥处理相比,化肥处理下土壤MBC降低,MBN和MBP显著增加,而施有机肥处理土壤MBC,MBN,MBP含量均显著提高。在本文中,相较CK, PM处理在淹水和落干时均增加MBC和MBN,显著增加MBP,CF处理降低了MBC,增加了MBN和MBP(图4)。一方面,添加有机肥带入了大量碳源,同时改善土壤养分和通气性,促进微生物生长繁殖[28],增加了土壤微生物生物量,而添加化学磷肥会导致土壤板结,通气性减弱,土壤C/N降低,促使有机碳矿化分解,土壤碳库中有机碳总量降低[29],导致部分微生物将体内固持的碳素释放,降低了土壤MBC;另一方面,猪粪和化学磷肥添加提供了富磷环境,微生物可利用磷源增加使得更多的无机磷被微生物同化固定,增加了土壤MBP[30]。养分投入的差异会影响土壤微生物的养分供应,改变土壤微生物生物量,进而影响土壤微生物量计量比。本文中猪粪添加改善了土壤微生物的生长环境,提供了丰富的营养物质和碳源,增加了MBC和MBP,这是导致MBC/MBN升高、MBC/MBP和MBN/MBP降低的主要原因。

4 结 论

猪粪施用显著增加了各培养时期黑土稻田土壤速效磷、全磷、活性较高的无机磷组分和微生物生物量磷含量,提高了土壤磷库库容和磷素有效性。淹水-落干条件变化主要影响了土壤有机磷转化过程,促进了活性有机磷和中等活性有机磷向中等稳态有机磷转化,而猪粪添加在落干后较淹水培养时促进了稳态有机磷的活化。综上所述,猪粪施用和淹水-落干条件变化通过提高不同形态磷含量、土壤微生物生物量及其计量比,提高了土壤磷库库容和磷素有效性,对黑土稻田土壤磷素转化及其有效性产生了重要影响。