鄂西植烟土壤磷素形态分布特征研究

周剑雄，邓建强，徐大兵，向修志，赵书军，任晓红

（1.湖北省农业科学院植保土肥研究所/农业农村部废弃物肥料利用重点实验室，武汉 430064；2.湖北省烟草公司恩施州公司，湖北 恩施 445000）

磷（P）是烤烟生长必需的三大营养元素之一，对烟株新陈代谢和生长发育起重要作用［1］。在农业生产上施用磷肥是提高作物产量的有效措施之一，但是磷肥的当季利用率一般都很低，导致大量磷素在土壤中富集［2］，同时土壤中富集的磷素还会向附近的水体迁移，造成水体的富营养化［3］。因此对土壤磷素的研究一直是作物养分研究的热点。磷素供应状况直接影响到烟叶的产量和品质［4，5］。磷素供应适宜时，烟株生长较好，烟叶易烘烤，化学成分协调、烟叶品质好［4］。而磷素过多则易造成烟叶栅栏组织及烟叶变厚，烘烤后烟叶缺乏油分和弹性、易破碎，烟叶的产量和品质下降［6］。然而磷素的供应直接受土壤对磷吸附作用的制约［7］。目前对土壤磷素形态特征的研究一直受到人们的关注［8-10］。水稻、小麦、蔬菜等农作物土壤磷素形态研究常见报道，同时烟草上关于磷素的研究主要集中在不同类型磷肥对烟草生理和品质的影响［11，12］，对植烟土壤磷素形态研究尚不多见，特别是富磷情况下土壤磷素形态特征的研究。

土壤中磷可分为无机态磷和有机态磷，前者包括可溶态磷、吸附态磷、矿物态磷。其中，可溶态磷是植物吸收利用的主要形态。由于直接测定土壤无机磷比较困难，因此，通常采用蒋柏藩等［13］无机磷分级、Bowman等［14］有机磷分级体系来评价土壤有效磷库的大小和土壤磷素的供应状况。Tiessen等［15］对磷素分级法做了进一步修正，该方法已经成为目前应用最广泛的磷素分级法。同时土壤磷素活性还受土壤氧化还原电位、土壤质地、有机质含量、含水量、pH、微生物活性等诸多因素影响［16］。本研究以鄂西长期连作优质的植烟土壤为研究对象，通过对植烟土壤速效磷、pH、有机质的分析测定，研究了速效磷、pH、有机质对土壤磷素形态的关系，旨在为磷肥的田间施用以及土壤磷素的科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

在烟叶采烤结束后，采用多点采样法采集0～20 cm耕层混合土样，带回实验室去除土壤中的植物残渣以及小石块，经过自然风干后过筛（20目和100目）待测，恩施州一共采集48份土样，每个取样点采用GPS定位。

1.2 测定项目及方法

土壤有机质（SOM，外加热-重铬酸钾氧化法）、pH（土水比1∶2.5，电位法）、速效钾和碱解氮采用常规方法测定［17］，磷素形态测定采用Tiessen-Moir［16］分级法。

1.3 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理，单因素ANOVA方差分析和Duncan比较采用SPSS 22.0软件。

2 结果与分析

2.1 植烟黄棕壤磷素形态和相关性分析

从表1可以看出，植烟土壤pH、有机质、碱解氮都属于中等水平，而速效磷和速效钾则比较丰富。水溶性磷、碳酸氢钠-总磷、氢氧化钠-总磷、盐酸-总磷和残渣磷分别占总磷的2.96%、26.56%、38.45%、10.22%和21.80%，其中无机磷和有机磷分别占总磷的51.91%和48.09%。

表1 土壤基本属性和磷素形态描述性分析

从表2可以看出，pH与氢氧化钠-总磷、氢氧化钠-无机磷呈显著负相关，而与盐酸-无机磷呈现出极显著的正相关。有机质与水溶性磷、氢氧化钠-有机磷、总磷和有机磷均呈现出显著的正相关，而速效磷与碳酸氢钠-总磷、碳酸氢钠-无机磷、氢氧化钠-总磷、氢氧化钠-无机磷、总磷和无机磷均呈现出显著的正相关。然而速效钾与磷素形态相关性较小。

表2 植烟土壤磷素形态特征与土壤基本属性相关性分析

2.2 不同速效磷水平土壤磷素形态特征分析

将植烟土壤速效磷含量按照小于30 mg/kg（LAP）、30～50 mg/kg（MAP）和大于50 mg/kg（HAP）的标准分类（表3），土壤速效磷分别为20.84、42.22、68.14 mg/kg，且3个水平间差异达显著水平。随着速效磷水平的提高，水溶性磷、碳酸氢钠-总磷、氢氧化钠-总磷、盐酸-总磷和残渣磷含量均逐渐增加。与LAP相比，MAP和HAP有效性磷（水溶性磷、碳酸氢钠-总磷）分别增加了2.35倍和361%；有效性磷占总磷百分比分别为13.00%、28.73%和31.43%。MAP和HAP缓效和难溶性磷（氢氧化钠-总磷、盐酸-总磷、残渣磷）分别比LAP增加了24.02%和50.25%，其占总磷的百分比分别达到了87.00%、71.27%和68.57%。

表3 不同速效磷水平土壤磷素形态与含量（单位：mg/kg）

从图1可以看出，随着速效磷含量的增加，无机磷形态中水溶性磷和NaHCO3浸提磷逐渐增加，HAP土壤均显著高于LAP土壤，且水溶性磷和NaHCO3浸提磷分别增加了9.92倍和2.55倍。而HCl浸提无机磷则逐渐减少。与LAP相比，MAP和HAP总的无机磷（水溶性浸提磷、NaHCO3浸提磷、NaOH浸提磷、HCl浸提磷）分别增加了45.53%和69.00%，且主要增加了水溶性磷和NaHCO3浸提磷的占比。

图1 不同速效磷水平土壤无机磷形态特征

从图2可以看出，有机磷形态中NaOH浸提磷、HCl浸提磷和残渣磷均随着速效磷水平的提高逐渐增加。与LAP相比，MAP和HAP总的有机磷（NaOH浸提磷、NaHCO3浸提磷、HCl浸提磷、残渣磷）分别增加了59.09%和119%，且主要增加了NaHCO3和HCl浸提磷的占比。但是与LAP相比，MAP中NaHCO3浸提有机磷、NaOH浸提有机磷、HCl浸提有机磷和残渣磷分别增加了9.00倍、15.35%、5.03倍和16.74%，而HAP则分别增加8.43倍、75.92%、14.71倍和50.29%。

图2 不同速效磷水平土壤有机磷形态特征

2.3 不同pH条件下土壤磷素形态特征分析

将植烟土壤pH按照小于5.50（LpH）、5.50～6.50（MpH）和大于6.50（HpH）的标准分类（表4），随着pH的增加，土壤速效磷含量逐渐降低，但是差异不显著（表4），说明土壤酸化会导致速效磷的富集。与LpH（<5.50）相比，MpH（5.50～6.50）条件下土壤水溶性磷、碳酸氢钠-总磷、盐酸-总磷和残渣磷分别增加了1.02倍、6.70%、57.92%和8.99%，而氢氧化钠-总磷则减少了22.62%。与HpH相比（＞6.50），MpH条件下土壤水溶性磷、碳酸氢钠-总磷、氢氧化钠-总磷和盐酸-总磷分别增加了34.25%、56.40%、27.36%和9.53%，而残渣磷则减少了21.25%。LpH条件下总磷和缓效难溶性磷（氢氧化钠-总磷、盐酸-总磷和残渣磷之和）分别比MpH增加了0.33%和5.53%，而有效性磷（水溶性磷和碳酸氢钠-总磷之和）则减少了13.06%。

表4 不同pH条件下土壤磷素形态分布特征（单位：mg/kg）

从图3可以看出，与MpH相比，LpH条件下土壤无机磷形态中水溶性磷、NaHCO3浸提磷和HCl浸提磷分别减少了50.55%、6.28%和36.68%，而NaOH浸提磷和总无机磷则分别增加了29.24%和8.08%，这主要是降低了水溶性磷、NaHCO3浸提磷和HCl浸提磷的占比。

图3 不同pH条件下土壤无机磷形态特征

从图4可以看出，与MpH相比，LpH条件下土壤有机磷形态中NaHCO3浸提磷、HCl浸提磷和总有机磷分别减少了0.21%、37.97%和7.47%，而NaOH浸提磷则增加了9.58%，这主要是降低了HCl浸提磷和残渣磷的占比，但是增加了NaHCO3浸提磷和NaOH浸提磷的占比。

图4 不同pH条件下土壤有机磷形态特征

2.4 不同有机质含量土壤磷素形态特征分析

将植烟土壤有机质按照小于45 mg/kg（LOM）、45～60 mg/kg（MOM）和大于60 mg/kg（HOM）的标准分类（表5），随着有机质含量的增加，土壤速效磷含量也逐渐增加。与LOM相比，MOM和HOM氢氧化钠-总磷、总磷（水溶性磷、碳酸氢钠-总磷、氢氧化钠-总磷、盐酸-总磷和残渣磷之和）分别增加了5.57%和31.63%、42.26%和48.04%，且总磷差异均达显著水平。对水溶性磷、碳酸氢钠-总磷、盐酸-总磷和残渣磷而言，MOM最高，且分别比LOM增加了2.32倍、49.64%、2.12倍、65.27%。

表5 不同有机质含量土壤磷素形态特征分析（单位：mg/kg）

从图5可以看出，与LOM相比，MOM无机磷形态中水溶性磷、NaHCO3浸提磷和总无机磷分别增加了2.32倍、49.63%和29.58%，HOM则分别增加了2.06倍、38.13%和13.52%，而NaOH浸提无机磷则随着有机质含量的升高而降低。

图5 不同有机质含量土壤无机磷形态特征

从图6可以看出，与LOM相比，MOM有机磷形态中NaOH浸提磷、HCl浸提磷、残渣磷和总有机磷分别增加40.97%、12.32倍、65.27%和59.44%，而HOM则 分 别 增 加 了1.76倍、15.10倍、48.86%和94.81%。随着有机质含量的增加，主要是降低了NaHCO3浸提有机磷和残渣磷的占比。

图6 不同有机质含量土壤有机磷形态特征

3 讨论

3.1 速效磷对土壤磷素形态的影响

施入土壤的磷肥受土壤内部环境等因素的影响，会转化为其他磷素组分［18］，致使不同形态磷的含量及有效程度改变。土壤各磷组分之间存在一定的协同与拮抗作用，作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［19］，各磷组分之间的转化实质也是无机磷和有机磷之间的转化。因此，通过对土壤速效磷的分析，来窥伺土壤中各组分磷素形态的转化与影响。本研究中，随着速效磷含量的增加，水溶性磷和碳酸氢钠浸提磷逐渐增加，而盐酸浸提磷则逐渐减少。与低磷土壤相比，中磷土壤中碳酸氢钠浸提有机磷、氢氧化钠浸提有机磷、盐酸浸提有机磷和残渣磷分别增加了9.00倍、15.35%、5.03倍和16.74%，而高磷土壤则分别增加8.43倍、75.92%、14.71倍和50.29%。吴璐璐等［20］认为土壤中除有机磷与速效磷无相关关系外，其余各形态磷均与速效磷存在相关关系，相关系数为Resin-Pi（0.909）>NaHCO3-Pi（0.873）>NaOH-Pi（0.851）>Residual-P（0.789）>D.HCl-Pi（0.727）＞NaHCO3-Po（0.674）>C.HCl-Pi（0.640）>C.HCl-Po（0.555）。

3.2 pH对土壤磷素形态的影响

有学者认为［21］，调节土壤pH能够释放出有效磷。当土壤pH为6～7时，土壤中的Fe、Al、Ca等元素对磷素的固定作用最小。本研究中随着土壤pH增加，速效磷含量呈降低的趋势，说明土壤酸化会导致速效磷的富集。有研究表明，聚磷酸盐对金属离子有一定的螯合能力，在碱性土壤中具有更好的稳定性［22］。另有研究表明，土壤pH低，但有效磷含量不低，是因为土壤中可能含有大量能被植物直接吸收利用的正磷酸根，有利于烟株的生长发育［23］。这与当前鄂西烟区植烟土壤磷素富集比较一致。

3.3 有机质对土壤磷素形态的影响

关于有机质对土壤磷素形态的影响，前人在秸秆还田以及施用有机肥方面做了大量研究，较为一致的结论是，增加土壤中有机质的含量不仅可以增加土壤有效养分含量，还可以提高作物对肥料的吸收利用效率，进而达到作物提质增效的效果。有研究表明，施用生物炭不仅可以促进棕壤磷素积累并提高其活性，还活跃了Al-P、LOP等棕壤磷素的组分［24］。另有学者的研究表明，有机肥合理配施化肥，可以激发磷素后效，使积累磷素向有效态转化，施用有机肥料能显著提高土壤中各磷组分含量，可以通过施用有机肥或秸秆来保持高比例的土壤有效磷库［21］。本研究中，随着有机质含量的增加，土壤速效磷含量也逐渐增加。对水溶性磷、碳酸氢钠浸提磷、盐酸浸提磷和残渣磷而言，MOM最高，且分别比LOM增加了2.32倍、49.64%、2.12倍65.27%。而氢氧化钠浸提无机磷则随着有机质含量的升高而降低。随着有机质含量的增加，主要是降低了碳酸氢钠浸提有机磷和残渣磷的占比。因此，鄂西烟区在充分利用有机肥的基础上，提高土壤有机质，对节省资源、减少环境污染、增产增效和增加农民收入具有重要意义。