螯合劑對(duì)不同磷源的釋磷效應(yīng)研究

劉石磊，王 祺，樊秉乾，張 強(qiáng)，陳 清，3*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，山東 臨沂 276700；3.養(yǎng)分資源開發(fā)與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 臨沂 276700）

磷素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要養(yǎng)分，農(nóng)田土壤每年需要施用大量磷肥來保證作物的產(chǎn)量，但施入到土壤中的磷肥除了部分被當(dāng)季作物吸收外，大部分均被土壤碳酸鹽化合物和鐵、鋁氧化物等吸附固定，并在土壤溶液中進(jìn)一步與金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固定[1]，導(dǎo)致當(dāng)季作物對(duì)磷素的吸收量只占施用量的15%～20%[2]，而殘留在土壤中逐年累積的磷素，通常以中穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)形式存在于土壤中[3]，雖然這期間通過生物作用發(fā)生土壤有機(jī)磷和無機(jī)磷的相互轉(zhuǎn)化，但通常比例很低[4]。因此，隨著當(dāng)前我國高品位磷礦的逐漸耗竭，如何提升土壤殘留磷的有效性已成為研究者非常關(guān)注的熱點(diǎn)問題[5-6]。

目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨著國家倡導(dǎo)的化肥減施行動(dòng)的推進(jìn)，一些可溶性的有機(jī)物質(zhì)，如氨基酸、腐植酸和EDTA類螯合態(tài)的微量元素等肥料產(chǎn)品在市場上越來越普及。這些有機(jī)類材料作為水溶性肥料的載體或者增效物質(zhì)除了可能存在的對(duì)于土壤物理化學(xué)生物性狀產(chǎn)生影響外，對(duì)于土壤殘留磷素的活性也可能產(chǎn)生很大的影響。研究表明，土壤中有機(jī)物質(zhì)（有機(jī)酸、腐植酸等）的施入可以減少磷的固定，如腐植酸等有機(jī)物提升土壤磷素有效性的影響已多有報(bào)道[7-9]。有機(jī)物主要通過螯合作用與磷競爭吸附位點(diǎn)來降低土壤對(duì)磷的吸附[10]，但事實(shí)上，有機(jī)物通過金屬離子的架橋作用還能為磷提供吸附位點(diǎn)[11-12]，并與磷作用形成膠體態(tài)磷等復(fù)合形態(tài)的磷[13-14]。雖然有研究通過間接方式支持了有機(jī)物-金屬離子-磷三元化合物假說的成立[15-17]，但目前有關(guān)有機(jī)物對(duì)不同磷源磷素的釋放研究，通常是將離心平衡后的溶液直接進(jìn)行鉬藍(lán)比色測定其磷素釋放量，并將測定結(jié)果認(rèn)為是游離態(tài)磷酸根的釋放量[18-19]，但溶液中產(chǎn)生的膠體態(tài)磷一般無法通過鉬藍(lán)比色法測定，從而造成溶液中磷素形態(tài)變化的低估[20]。因此，有機(jī)物與金屬離子發(fā)生螯合作用將土壤或磷酸鹽礦物中的磷素釋放出來后，平衡液中磷的形態(tài)是否會(huì)發(fā)生變化還沒有明確的結(jié)論。

本研究以EDTA-2Na為螯合劑，選取我國兩種典型的土壤以及土壤中五種主要的磷酸鹽化合物作為供試磷源，采用化學(xué)浸提方法，研究螯合劑對(duì)不同磷源磷素釋放后，平衡液中磷素形態(tài)的變化，為深入認(rèn)識(shí)螯合劑對(duì)土壤固定態(tài)磷的活化機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試螯合劑為EDTA-2Na（乙二胺四乙酸二鈉，分析純）。供試土壤為北方石灰性土壤和南方酸性紅壤，石灰性土壤取自北京市大興區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范站，采集越冬日光溫室0～20 cm的表層土壤進(jìn)行試驗(yàn)；酸性紅壤取自江西省撫州市南豐縣桔園試驗(yàn)基地，采集露天基地0～20 cm的表層土壤進(jìn)行試驗(yàn)。采集后的土壤經(jīng)自然風(fēng)干后挑去植物殘根和碎石，研磨后過2 mm篩備用。風(fēng)干土樣的具體理化性狀如表1所示。供試的五種磷酸鹽化合物分別為：磷酸氫二鈣（DCP）、磷酸八鈣（OCP）、羥基磷灰石（FA）、磷酸鋁（Al-P）和磷酸鐵（Fe-P），均為分析純，購自Sigma公司，供試磷酸鹽化合物性質(zhì)如表2所示。試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 試驗(yàn)方案與樣品分析

1.2.1 螯合劑對(duì)磷酸鹽化合物磷素的釋放試驗(yàn)

稱取不同的工業(yè)合成磷酸鹽化合物各0.250 0 g，置于一系列具塞50 mL離心管中，分別加入25 mL不同濃度的EDTA-2Na溶液（0.50、1.50、3.00 g·L-1），3次重復(fù)，以等體積超純水為對(duì)照，加入3滴氯仿以抑制微生物活性。離心管扣蓋后在25℃、160 r·min-1的條件下恒溫振蕩24 h，之后4000 r·min-1離心10 min，取離心后上清液過0.45 μm濾膜。過濾液分為兩份，一份直接采用鉬藍(lán)比色法測定鉬酸鹽直接反應(yīng)磷（MRP）[21]，另一份加過硫酸鉀消煮（121℃下消煮30 min）后采用鉬藍(lán)比色法測定總磷（TPL）[22]。過濾液中鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、鋁（Al）含量采用ICP-MS（Agilent 7500CX）測定。

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Properties of the tested soils

表2 供試磷酸鹽性質(zhì)Table 2 Properties of phosphates tested

1.2.2 螯合劑對(duì)土壤磷素的釋放試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取酸性紅壤和石灰性土壤各5.00 g，置于一系列100 mL塑料瓶中，分別加入40 mL不同濃度的EDTA-2Na溶液（1.50、3.00、6.00 g·L-1），3次重復(fù)，以等體積超純水為對(duì)照，加入3滴氯仿以抑制微生物活性。將上述溶液于25℃、160 r·min-1的條件下恒溫振蕩24 h，之后4000 r·min-1離心10 min以去除上清液中的粗顆粒，取離心后上清液過0.45 μm濾膜。各處理濾液中的TP、MRP以及金屬離子含量的測定方法同1.2.1所述。另取3.00 g·L-1EDTA-2Na溶液處理下的磷酸氫二鈣、磷酸鋁和磷酸鐵過濾液，通過離子色譜（ICS-900）分別測定消煮（消煮方法與濾液TP測定方法的處理相同）和未消煮處理下濾液中的游離態(tài)磷酸根離子含量，離子色譜淋洗液為3.2 mmol碳酸鈉+1 mmol碳酸氫鈉，再生液為0.5%的硫酸溶液。試驗(yàn)鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）和磷素釋放率的計(jì)算分別為公式（1）和公式（2）[23]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel 2010軟件和IBM SPSS Statistics 20對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算，所有數(shù)據(jù)結(jié)果均以3次重復(fù)的平均值表示，顯著性差異分析采用LSD法，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 螯合劑對(duì)不同磷源磷素釋放效果的影響

2.1.1 對(duì)合成磷源中磷素釋放效果的影響

圖1梯度EDTA-2Na溶液對(duì)不同磷酸鹽化合物中磷素的釋放效果Figure 1 Effects of gradient EDTA-2Na solution on phosphorus release from different phosphate compounds

圖1 為不同EDTA-2Na濃度溶液處理下，各磷酸鹽化合物中磷素的釋放效果。由圖1可知，同一磷酸鹽化合物中磷素的釋放率均隨著EDTA-2Na溶液濃度的增加相應(yīng)增大，并達(dá)到顯著性差異水平，且相同的EDTA-2Na濃度溶液處理下，鈣磷酸鹽化合物中磷素的釋放率大于鐵、鋁磷酸鹽化合物中磷素的釋放率。同時(shí)，在對(duì)照處理中（未加EDTA-2Na），除磷酸氫二鈣外（釋放率為1.20%），各種磷酸鹽化合物中磷素的釋放率均小于1%；而3.00 g·L-1的EDTA-2Na溶液試驗(yàn)處理中，EDTA-2Na對(duì)磷酸氫二鈣（DCP）、磷酸八鈣（OCP）、羥基磷灰石（FA）、磷酸鋁（Al-P）和磷酸鐵（Fe-P）中磷素的釋放率分別可達(dá)到22.86%、20.10%、12.19%、3.63%、10.49%。因此，由試驗(yàn)結(jié)果可知，EDTA-2Na對(duì)磷酸鹽化合物中的磷素均有一定的活化效果。在試驗(yàn)選擇的五種磷酸鹽化合物中，EDTA-2Na的釋磷效果為：磷酸氫二鈣（DCP）＞磷酸八鈣（OCP）＞羥基磷灰石（FA）＞磷酸鐵（Fe-P）＞磷酸鋁（Al-P）。EDTA-2Na對(duì)不同磷酸鹽化合物中磷素釋放率的差異可能和不同磷酸鹽化合物中磷酸根與金屬離子的結(jié)合能大小有關(guān)。

2.1.2 對(duì)土壤中磷素釋放效果的影響

由圖2可知，EDTA-2Na溶液濃度的增加對(duì)兩種土壤中磷素的釋放均有顯著促進(jìn)效果。對(duì)于酸性紅壤，EDTA-2Na螯合劑的添加對(duì)土壤磷素的釋放效果異常顯著，相比于CK（未添加螯合劑）處理的磷素釋放量，EDTA-2Na濃度為1.50、3.00、6.00 g·L-1處理對(duì)應(yīng)磷素的釋放量分別增加了11.2、14.4、20.8倍；而在石灰性土壤的浸提液中，EDTA-2Na濃度為1.50、3.00、6.00 g·L-1處理對(duì)應(yīng)磷素的釋放量，相比于CK處理分別增加了68.5%、82.8%、181.0%。這表明EDTA-2Na在土壤中同樣可以起到活化磷素的作用，且在酸性紅壤中效果較明顯。

圖2 梯度EDTA-2Na溶液對(duì)不同類型土壤中磷素的釋放效果Figure 2 Effects of gradient EDTA-2Na solution on phosphorus release from different soils

2.2 螯合劑對(duì)磷素釋放后上清液磷形態(tài)的影響

2.2.1 磷酸鹽化合物磷素釋放后上清液磷形態(tài)

各磷酸鹽化合物在對(duì)照（未加EDTA-2Na）處理下，對(duì)消煮和未消煮處理的濾液進(jìn)行鉬藍(lán)比色測得的磷含量并未出現(xiàn)顯著性差異（未列入圖中）。由圖3可知，經(jīng)過EDTA-2Na處理，各磷酸鹽礦物上清液中均產(chǎn)生一定的鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP），且占上清液中TP比例除磷酸鋁外均隨EDTA-2Na濃度的上升而增大。同時(shí)，3種鈣磷處理中的鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）占比普遍低于同濃度下鋁磷和鐵磷處理中鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）占比。

圖3 梯度EDTA-2Na溶液對(duì)上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷組分的影響Figure 3 Effects of gradient EDTA-2Na solution on the composition of molybdate unreactive phosphorus in supernatant

螯合劑對(duì)磷酸鹽化合物中磷素的釋放主要是通過絡(luò)合磷酸鹽中的金屬離子，進(jìn)而將磷酸根從磷酸鹽化合物中釋放出來。磷酸鹽化合物磷素釋放后上清液中MUP的存在，說明釋放出的游離態(tài)磷酸根在溶液中能與其他物質(zhì)作用轉(zhuǎn)化成非游離態(tài)的磷酸根。3.00 g·L-1EDTA-2Na濃度溶液處理下的磷酸氫二鈣、磷酸鋁和磷酸鐵上清液中游離態(tài)磷酸根的離子色譜檢測結(jié)果顯示（圖4），游離態(tài)的磷酸根含量占總磷含量的比例分別為0.43%、1.12%、0.63%。因此，對(duì)比溶液中游離態(tài)磷酸根占總磷的比值和鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）與總磷（TPL）的比值差異可以發(fā)現(xiàn)，溶液中有相當(dāng)一部分非游離態(tài)的磷酸根可以通過鉬藍(lán)比色進(jìn)行測定。這不僅說明鉬藍(lán)比色的酸性條件下，大部分的“有機(jī)物-金屬-P”都發(fā)生了水解，也說明螯合劑對(duì)磷酸鹽礦物中的磷素釋放后，通過鉬藍(lán)比色法直接測得的磷中僅有少量以游離態(tài)磷酸根形態(tài)存在。

2.2.2 土壤磷素釋放后上清液磷形態(tài)

圖4 3.00 g·L-1的EDTA-2Na溶液對(duì)磷酸鹽解吸液中磷素組分的影響Figure 4 Effects of 3.00 g·L-1EDTA-2Na solution on phosphorus fractions in phosphate resolution

由圖5可知，隨著EDTA-2Na溶液濃度的增加，兩種土壤上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）占比均表現(xiàn)為顯著性下降，說明隨著螯合劑濃度的增加，上清液中鉬酸鹽直接反應(yīng)磷（MRP）的增加速率大于鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）的增加速率。在酸性紅壤中，添加了EDTA-2Na的處理上清液中MUP的濃度顯著高于對(duì)照處理上清液中MUP的濃度，而在石灰性土壤中，當(dāng)EDTA-2Na溶液濃度為1.50 g·L-1時(shí)，上清液中MUP的濃度顯著高于對(duì)照處理中MUP的濃度，但當(dāng)EDTA-2Na溶液濃度上升至6.00 g·L-1時(shí)，上清液中MUP的濃度則顯著低于對(duì)照處理中的MUP濃度。同時(shí)，雖然在酸性紅壤上清液中MUP濃度高于石灰性土壤中MUP濃度，但是從其占全磷比例來看，石灰性土壤上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷占比更高。

2.3 螯合劑對(duì)不同磷源磷素釋放后上清液中總磷與金屬離子摩爾比的影響

兩種不同類型土壤和磷酸鹽化合物中磷素的釋放均會(huì)伴隨著相應(yīng)的金屬離子的釋放。表3為不同濃度的EDTA-2Na溶液處理下，不同磷源磷素釋放后上清液中總磷與金屬離子釋放量的摩爾比。雖然不同磷源中磷素的釋放量均隨著EDTA-2Na溶液濃度的增加而顯著增大，但是溶液中總磷釋放量與金屬離子釋放量的摩爾比隨EDTA-2Na溶液濃度的變化并未出現(xiàn)一定的規(guī)律性。總體來看，EDTA-2Na對(duì)酸性紅壤和磷酸鐵、磷酸鋁化合物中的磷素釋放后，隨著EDTA-2Na溶液濃度的增加，上清液中總磷與鐵、鋁的摩爾比變化不大；同樣，EDTA-2Na對(duì)石灰性土壤和三種鈣磷化合物中的磷素釋放后，隨著EDTA-2Na溶液濃度的增加，上清液中總磷與鈣離子的摩爾比基本不變，且其摩爾比均小于1。

3 討論

3.1 螯合劑對(duì)不同磷源和土壤中磷素釋放的影響

有研究結(jié)果表明，螯合劑EDTA對(duì)不同土壤速效磷的提升作用不同，且EDTA對(duì)添加氧化鐵處理土壤的速效磷提升作用更為明顯[24]。螯合劑主要通過螯合作用與磷酸根競爭吸附位點(diǎn)來促進(jìn)土壤磷素的釋放，該競爭吸附作用的強(qiáng)弱與土壤中磷酸根和黏土礦物或磷酸鹽礦物本身的結(jié)合能大小有關(guān)。土壤中磷酸根若以較強(qiáng)的結(jié)合能存在，則螯合劑對(duì)磷酸根的競爭吸附作用越弱，反之，則磷酸根越易被解吸。由圖1和圖2可知，在酸性紅壤中，EDTA-2Na對(duì)磷素的釋放率均高于EDTA-2Na對(duì)5種金屬磷酸鹽的釋放率，說明在酸性紅壤中，相較于金屬磷酸鹽，其他介質(zhì)中含磷較高，且對(duì)磷素固持能力較弱，即磷素在酸性紅壤中多以吸附態(tài)存在，外源添加螯合劑的情況下易于被解吸且不易被二次吸附。但是在石灰性土壤中，EDTA-2Na對(duì)磷素的釋放率普遍低于EDTA-2Na對(duì)3種磷酸鈣類化合物中磷素的釋放率，說明磷素在石灰性土壤中多以結(jié)合態(tài)形式存在，且其他介質(zhì)對(duì)磷素的吸附能力較強(qiáng)，被活化的磷素易被二次吸附和結(jié)合。因此，磷素在介質(zhì)中解吸釋放的能力取決于其在介質(zhì)中與其他物質(zhì)的結(jié)合形態(tài)，吸附占主導(dǎo)的介質(zhì)中磷素更易被活化釋放，但是結(jié)合占主導(dǎo)的介質(zhì)中磷素不易被活化釋放。

3.2 螯合劑對(duì)上清液中磷素形態(tài)的影響

圖5 梯度EDTA-2Na溶液對(duì)上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷組分的影響Figure 5 Effects of gradient EDTA-2Na solution on the composition of molybdate unreactive phosphorus in supernatant

表3 不同類型磷源磷素釋放后上清液中總磷與金屬離子的摩爾比Table 3 The molar ratio of total phosphorus to metal ions in the supernatant after phosphorus release from different phosphorus sources

由圖3、圖4和圖5可知，EDTA-2Na對(duì)合成磷源和土壤中的磷素釋放后，上清液中MUP/TP的比值表現(xiàn)出截然相反的趨勢。螯合劑對(duì)兩種不同類型土壤中的磷素釋放后，添加了EDTA-2Na的處理中，雖然酸性紅壤上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷的濃度遠(yuǎn)大于石灰性土壤上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷濃度，但酸性紅壤上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）占比卻低于石灰性土壤上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）的占比。“有機(jī)物-金屬-P”這種物質(zhì)是一種三聯(lián)結(jié)構(gòu)，它更多地屬于膠體磷的范疇，一般不易被鉬藍(lán)顯色法檢出。有研究表明，在鉬藍(lán)比色的酸性條件下，50%甚至高達(dá)80%的腐植酸-金屬-P復(fù)合物都會(huì)發(fā)生水解生成游離態(tài)磷，從而造成鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）的低估[25]。因此，隨著螯合劑濃度的增加，石灰性土壤中出現(xiàn)鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）濃度的下降可能與P-Ca-有機(jī)物這種復(fù)合物在低pH測定條件下和高離子強(qiáng)度下的穩(wěn)定性較低有關(guān)。螯合劑對(duì)合成磷源中的磷素釋放后，上清液中游離態(tài)磷與總磷的比值遠(yuǎn)低于鉬酸鹽直接反應(yīng)磷（MRP）與總磷（TPL）的比值。有研究表明，腐植酸等有機(jī)物對(duì)金屬離子的螯合能力受溶液pH的影響較大，隨著溶液pH的增大，螯合物的水溶性增加[26]，進(jìn)一步說明溶液中有相當(dāng)一部分非游離態(tài)磷在鉬藍(lán)比色的酸性條件下發(fā)生了水解，同樣造成對(duì)鉬酸鹽非反應(yīng)磷的嚴(yán)重低估。因此，EDTA-金屬-P復(fù)合物本身的穩(wěn)定性及檢測環(huán)境均有可能是造成梯度螯合劑溶液對(duì)土壤和磷酸鹽化合物中的磷素釋放后上清液中MUP/TPL值所表現(xiàn)出來的相反趨勢的原因。

3.3 螯合劑對(duì)上清液中磷與金屬離子摩爾比的影響

EDTA-2Na對(duì)3種鈣磷化合物中的磷素釋放后，雖然上清液中磷與鈣離子含量的摩爾比無顯著變化，但上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）占總磷（TPL）的比值卻隨EDTA-2Na溶液濃度的增加而顯著增大，說明上清液中螯合劑濃度對(duì)鉬酸鹽非反應(yīng)磷的形成也起著重要作用。在相同濃度螯合劑溶液的處理下，雖然磷酸鋁和磷酸鐵釋放出的鋁離子和鐵離子含量低于鈣磷化合物中鈣離子的釋放量，但磷酸鋁和磷酸鐵上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷（MUP）占總磷的比值卻大于鈣磷化合物上清液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷占總磷的比值，說明相同濃度的螯合劑處理下，相比于鈣離子，鋁離子和鐵離子等高價(jià)金屬離子更易于和磷酸根離子以及螯合劑作用，轉(zhuǎn)化為螯合劑-金屬-P復(fù)合物形態(tài)的磷。

4 結(jié)論

（1）不同磷源的磷素釋放率均隨螯合劑濃度的增加而顯著增加。同濃度螯合劑對(duì)不同磷源磷素釋放率的差異與磷酸根和礦物本身的結(jié)合形態(tài)有關(guān)，吸附占主導(dǎo)的磷素形態(tài)更易被活化釋放，而結(jié)合占主導(dǎo)的磷素形態(tài)則不易被活化釋放。

（2）3.00 g·L-1EDTA-2Na溶液處理下，鉬藍(lán)比色法測得磷酸氫二鈣、磷酸鋁和磷酸鐵浸提液中鉬酸鹽非反應(yīng)磷含量占總磷含量的比值均在18%以上，而離子色譜法實(shí)際測得其浸提液中游離態(tài)磷酸根的含量占總磷含量的比值分別僅為0.43%、1.12%、0.63%，說明鉬藍(lán)比色的酸性環(huán)境對(duì)絡(luò)合態(tài)磷具有極大的水解作用，進(jìn)而造成對(duì)浸提液中游離態(tài)磷酸根含量的高估。

（3）不同濃度螯合劑對(duì)不同磷酸鹽化合物中的磷素釋放后，浸提液中總磷與金屬離子的摩爾比并未隨著MUP/TPL的變化而變化，表明螯合劑濃度也是影響浸提液中磷素形態(tài)變化的重要因素。