礦山生態(tài)型水蓼對(duì)施用豬糞土壤中磷的吸取凈化效果

魏文靜，李廷軒，張錫洲

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川成都 611130）

近年來(lái)，隨著我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)迅速發(fā)展，豬糞排放量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)豬糞排放量高達(dá)16.4億t，且成逐年增加的趨勢(shì)[1]。由于豬糞中磷養(yǎng)分含量豐富[2-3]，合理施用有助于土壤養(yǎng)分循環(huán)和維持土壤肥力，是一種理想的肥料[4-5]。然而，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通常將豬糞作為有機(jī)肥長(zhǎng)期不合理還田，施入土壤的磷遠(yuǎn)超過(guò)作物所需，導(dǎo)致磷在土壤中不斷累積，進(jìn)而加劇磷素的流失風(fēng)險(xiǎn)[6-8]。研究表明，長(zhǎng)期施用或堆積豬糞的土壤中總磷超標(biāo)20倍以上，是滲漏或淋溶流失磷素的主要來(lái)源[9-10]。據(jù)報(bào)道，每年全球大約有30～40萬(wàn)t的土壤磷遷移至受納水體[2]，該面源污染造成對(duì)水體總污染的貢獻(xiàn)率高達(dá)93%[11]。因此，找到一種切實(shí)有效的方法提取豬糞處理土壤中過(guò)量的磷，降低磷對(duì)環(huán)境的威脅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

利用磷富集植物提取土壤中的過(guò)量磷具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好、避免二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是降低磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的一種切實(shí)有效措施[12-13]。已有研究表明，室內(nèi)土培條件下，黑麥草在高濃度豬糞處理下，體內(nèi)磷含量能達(dá)到10 g/kg，對(duì)豬糞處理土壤中磷的積累能力較強(qiáng)[14]。與南瓜 (Cucurbita moschata) 和蘇丹草 (Sorghum sudanense) 相比，向日葵 (Helianthus annuus) 對(duì)土壤中磷的富集能力最強(qiáng)，是一種潛在的磷修復(fù)植物[15]。Priya和Sahi[16]選育出一種雜交草(Duo festulolium) 對(duì)豬糞處理土壤中磷的磷富集特性較強(qiáng)。其他磷富集植物如象草 (Pennisetum purpureum Schum)[17]、澳洲狐尾 (Ptilotus polystachyus)[18]、礦山生態(tài)型粗齒冷水花 (Pilea sinofasciata)[19]、蠶繭蓼(Polygonum japonicum)[20]對(duì)施用豬糞土壤中磷也具有較好的吸收積累能力?？梢姡壳皩?duì)磷富集植物的相關(guān)研究主要是在室內(nèi)土培條件下研究它們對(duì)土壤中磷的富集特征，極少或忽略了它們?cè)诖筇飸?yīng)用中對(duì)土壤中磷的吸取凈化效果研究。

由于施入土壤中的磷易被固定、移動(dòng)性較差，短期內(nèi)淋溶流失磷的量很小[21-22]，相對(duì)于植物磷積累量可忽略不計(jì)。因此，磷富集植物對(duì)土壤中磷的吸取凈化效果可通過(guò)種植磷富集植物后土壤中易溶性磷含量的變化反映。土壤中的易溶性磷主要以水溶性磷和有效磷的形式存在[23-24]，種植磷富集植物后水溶性磷和有效磷降低幅度越大，表明磷富集植物對(duì)土壤中磷的吸取凈化效果越好[25]。前期篩選出對(duì)磷富集能力較強(qiáng)的水蓼[26]，在室內(nèi)土培條件下對(duì)豬糞處理土壤中磷的積累能力也很強(qiáng)[27-28]。由于生態(tài)型差異，礦山生態(tài)型水蓼對(duì)磷的積累能力顯著強(qiáng)于非礦山生態(tài)型，其地上部磷積累量最大時(shí)達(dá)211 mg/株[29]。因此，本研究在此基礎(chǔ)上通過(guò)微區(qū)模擬試驗(yàn)，結(jié)合豬糞處理土壤中易溶性磷含量變化，明確礦山生態(tài)型水蓼對(duì)豬糞處理土壤中磷的吸取凈化效果，為后期合理利用礦山生態(tài)型水蓼提取豬糞處理土壤中的過(guò)量磷、降低磷素的流失風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試植物：礦山生態(tài)型水蓼 (Polygonum hydropiper)，種子源自四川省什邡市磷礦區(qū) (104°01′E, 31°25′ N)。

供試土壤：灰潮土，采自四川省都江堰市蒲陽(yáng)鎮(zhèn)雙柏村，其基本理化性質(zhì)為pH 7.18、有機(jī)質(zhì)22.5 g/kg、全氮2.54 g/kg、堿解氮52.5 mg/kg、速效鉀25.8 mg/kg、有效磷14.6 mg/kg和水溶性磷5.26 mg/kg。

供試豬糞采自都江堰市規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)，其基本理化性質(zhì)為pH 6.89、有機(jī)質(zhì)196 g/kg、全氮15.0 g/kg、全鉀10.3 g/kg、全磷23.0 g/kg、無(wú)機(jī)磷13.8 g/kg、有機(jī)磷9.17 g/kg、有效磷6.31 g/kg和水溶性總磷4.31 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，根據(jù)農(nóng)田磷肥安全用量(〈200 kg/hm2)，設(shè)1、2和3 kg/m2共3個(gè)豬糞用量(相當(dāng)于200、400和600 kg/hm2的磷肥施用量)，以不施豬糞為對(duì)照，共4個(gè)處理，每處理重復(fù)3次。通過(guò)微區(qū)模擬試驗(yàn)，微區(qū)面積1.5 m2(1.5 m×1.0 m)。豬糞于4月份一次性施入，并將其混入0-20 cm土層中，陳化一個(gè)月后移栽礦山生態(tài)型水蓼幼苗。

礦山生態(tài)型水蓼經(jīng)選種育苗，待植株生長(zhǎng)至10 cm左右時(shí)選擇生長(zhǎng)狀況良好長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，按每微區(qū)56穴 (間距20 cm×15 cm)，每穴1株進(jìn)行移栽。植株生長(zhǎng)期間按常規(guī)管理，并記錄其生長(zhǎng)狀況。

1.3 樣品采集與制備

于初花期 (移栽后3個(gè)月) 收獲植株地上部，先采用棋盤法每小區(qū)采集9株，每3株作為1個(gè)混合樣，稱鮮重后先用自來(lái)水沖洗，再用蒸餾水潤(rùn)洗，洗凈后用吸水紙擦干，裝到信封袋中105°C殺青30 min，75°C烘干至恒重，稱重，然后粉碎過(guò)篩用于地上部磷含量測(cè)定。

分別于礦山生態(tài)型水蓼移栽和收獲當(dāng)天按“S”型5點(diǎn)采樣法分別采取0-20和20-40 cm土層土壤，土壤風(fēng)干、磨碎、過(guò)篩后，測(cè)定土壤水溶性磷、有效磷含量。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定采用常規(guī)分析方法[30]；植株地上部生物量 (干重) 采用烘干稱重法測(cè)定；植株地上部磷含量采用微波消解儀 (CEM MARS5,USA) 消解—全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀 (AQ2, UK) 測(cè)定[29]；土壤水溶性磷采用去離子水浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定[30]；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定[30]；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定[30]；無(wú)機(jī)磷采用0.5 mol/L (1/2 H2SO4) 浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定[30]；有機(jī)磷的含量為全磷和無(wú)機(jī)磷的差值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

地上部磷積累量 (mg/株) = 地上部生物量×地上部磷含量；

采用SPSS (20.0) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用LSD法進(jìn)行多重比較，采用Origin (8.0)制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同豬糞用量對(duì)礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量的影響

隨著豬糞用量的增加，礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量逐漸增大，增幅在11.3%～51.1%之間。各豬糞處理下，礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量顯著大于不施豬糞處理，1、2和3 kg/m2豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量分別由不施豬糞處理的36.2 g/株 增加到54.6、60.8和78.2 g/株，分別增加了18.4、24.6和42.0 g/株，分別是不施豬糞處理的1.51、1.68和2.16倍。說(shuō)明施用豬糞有利于礦山生態(tài)型水蓼吸取凈化土壤中的過(guò)量磷 (圖1)。

圖1 不同豬糞用量下礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量Fig. 1 Biomass of shoot in mine ecotype Polygonum hydropiper grown under different swine manure dosages

2.2 不同豬糞用量對(duì)礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量和積累的影響

礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量隨著豬糞用量的增加而增大，增幅在9.11%～21.3%之間。與不施豬糞處理相比，各豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量顯著增大，1、2和3 kg/m2豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量分別由不施豬糞處理的2.82 g/kg增加到3.42、3.73和4.31 g/kg，分別增高了0.60、0.91和1.49 g/kg，分別為不施豬糞處理的1.21、1.32 和 1.53 倍 (圖 2)。

圖2 不同豬糞用量下礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量和積累量Fig. 2 Concentrations and accumulation of P in shoots of mine ecotype Polygonum hydropiper grown under different swine manure dosages

隨著豬糞用量的增加，礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量顯著增大，增幅在21.9%～81.5%之間。各豬糞處理下，礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量顯著大于不施豬糞處理，1、2和3 kg/m2豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量分別由不施豬糞處理的102 mg/株 增加到了186、226和338 mg/株，分別增加了84.0、124和236 mg/株，分別是不施豬糞的1.45、2.22和3.32倍。說(shuō)明種植礦山生態(tài)型水蓼能有效吸取土壤中的過(guò)量磷 (圖2)。

2.3 種植礦山生態(tài)型水蓼前后土壤中易溶性磷含量的變化

隨著豬糞用量的增加，種植礦山生態(tài)型水蓼前0—20 cm土層中的水溶性磷含量顯著增大，種植礦山生態(tài)型水蓼后除3 kg/m2豬糞處理外，0—20 cm土層中的水溶性磷含量均無(wú)明顯變化；種植礦山生態(tài)型水蓼前后20—40 cm土層中的水溶性磷含量均無(wú)明顯變化。種植礦山生態(tài)型水蓼后各處理0—20 cm土層中的水溶性磷含量與種植前相比顯著降低，分別由種植前的5.62、16.4、26.1和35.9 mg/kg降低到了2.64、3.73、4.82和9.01 mg/kg，分別降低了2.98、12.7、21.3和26.9 mg/kg。其中，豬糞處理下0—20 cm土層中的水溶性磷含量降低了74.9%～81.5%，遠(yuǎn)大于不施豬糞處理的53.0%。各處理下，種植礦山生態(tài)型水蓼后20—40 cm土層中的水溶性磷含量較種植前均無(wú)明顯變化 (圖3)。

圖3 礦山生態(tài)型水蓼種植前后0—20、20—40cm土層中水溶性磷和有效磷含量Fig. 3 Contents of water-soluble and available P in 0-20 and 20-40 cm soil layers before and after mine ecotype Polygonum hydropiper planting

種植礦山生態(tài)型水蓼前后，0—20 cm土層中的有效磷含量均隨豬糞用量的增加而顯著增大，20—40 cm土層中無(wú)明顯變化。各處理下種植礦山生態(tài)型水蓼后0—20 cm土層中的有效磷含量與種植前相比顯著降低，分別由種植前的14.6、35.1、54.1和74.6 mg/kg降低到了6.48、14.0、27.6和37.3 mg/kg，分別降低8.12、21.1、26.5和37.3 mg/kg，降幅分別為55.6%、60.0%、48.9%和50.0%。各處理下，種植礦山生態(tài)型水蓼后20—40 cm土層中的有效磷含量較種植前均無(wú)明顯變化 (圖3)。

3 討論

3.1 礦山生態(tài)型水蓼對(duì)土壤中磷的提取能力

目前，有關(guān)磷富集植物提取土壤中磷的研究較多，但是對(duì)于磷富集植物在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)土壤中磷提取效果的研究還很缺乏。前期通過(guò)室內(nèi)土培實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，礦山生態(tài)型水蓼對(duì)土壤中磷的耐性、活化能力和積累能力均很強(qiáng)，顯著強(qiáng)于非礦山生態(tài)型[27-28]。因此，本研究在前期研究的基礎(chǔ)上通過(guò)微區(qū)模擬試驗(yàn)，結(jié)合土壤中易溶性磷含量的變化，探討礦山生態(tài)型水蓼對(duì)土壤中磷的吸取凈化效果。

相關(guān)研究表明，豬糞中養(yǎng)分含量豐富[2-3]，合理施用豬糞有助于土壤養(yǎng)分循環(huán)和磷富集植物的生長(zhǎng)，從而有利于磷富集植物提取土壤中的過(guò)量磷[18,29]。對(duì)土壤中磷吸取凈化效果較好的磷富集植物如雜交草 (Duo festulolium)[16]、黑麥草 (Lolium rigidumGaudin)[31]等地上部干重均隨著豬糞用量的增加而增大，最大時(shí)分別為51.0和46.2 g/株。

本研究中，各豬糞處理下，礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量顯著大于不施豬糞處理，最大時(shí)高達(dá)78.2 g/株，遠(yuǎn)大于以上磷富集植物。磷富集植物要有效地提取土壤中的過(guò)剩磷，除了有較大的地上部生物量外，其地上部磷含量也應(yīng)較高，至少應(yīng)達(dá)10 g/kg[13,32]。雖然本研究中礦山生態(tài)型水蓼地上部磷含量隨豬糞用量的增加而增大，但最大時(shí)仍不足10 g/kg。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，植物對(duì)磷的吸收在很大程度上受根際磷素有效性的影響，土壤中有機(jī)磷占總磷的百分比越高植物體內(nèi)磷含量越低[33-34]。即使是同種植物，在無(wú)機(jī)磷處理下其體內(nèi)磷含量也顯著大于有機(jī)磷及雞糞處理[14,20]。

本研究中施用的豬糞，有機(jī)磷占總磷的39.9%，施入土壤后這部分磷需經(jīng)磷酸酶礦化分解為無(wú)機(jī)磷才能被礦山生態(tài)型水蓼吸收利用。一些磷提取效果較好的富磷植物如一年生黑麥草 (Lolium multiflorum)[35]、馬唐 (Digitaria ciliaris)[36]在豬糞處理下其地上部磷含量也不足10 g/kg。磷富集植物吸取凈化土壤中磷的高效率主要通過(guò)地上部帶走磷的總量反映。本研究中，礦山生態(tài)型水蓼地上部磷積累量隨豬糞用量增加顯著增大，最大時(shí)可高達(dá)P 338 mg/株，相比黑麥草等更有利于富集土壤中的過(guò)量磷。而用于修復(fù)污水的鳳眼蓮 (Eichhornia crassipes)、粉綠狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)和水浮蓮 (Pistia stratiotes)地上部磷積累量最高也僅為80.1、38.7和31.7 mg/株[37]。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在1 kg/m2豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼地上部生物量、磷含量和磷積累量的增幅均最大，這與李青軍等對(duì)棉花的研究結(jié)果相似[38]，可能與植物在苗期吸磷量較多有關(guān)，若苗期缺磷，會(huì)影響植物后期生長(zhǎng)?？梢?，豬糞處理下礦山生態(tài)型水蓼對(duì)土壤中磷的富集能力很強(qiáng)。

3.2 礦山生態(tài)型水蓼對(duì)土壤中磷的吸取凈化效果

土壤中的易溶性磷主要以水溶性磷和有效磷的形式存在，其含量越高，磷素流失的風(fēng)險(xiǎn)越大[23-24]。相關(guān)研究表明，豬糞中的磷養(yǎng)分含量豐富，當(dāng)豬糞作為有機(jī)肥不合理還田時(shí)，土壤中的水溶性磷和有效磷含量迅速增加[39-40]。

本研究中，隨著豬糞用量的增加，種植礦山生態(tài)型水蓼前，0—20 cm土層中的水溶性磷和有效磷含量顯著增加，與上述研究結(jié)果一致。種植礦山生態(tài)型水蓼后，除3 kg/m2豬糞處理外，0—20 cm土層中的水溶性磷含量均無(wú)明顯變化，這主要與水溶性磷是土壤中活性最高的磷組分，能被植物直接吸收利用有關(guān)[28]。0—20 cm土層中的有效磷含量隨豬糞用量增加而顯著增加，這主要是因?yàn)槭┯秘i糞后土壤有效磷的增加量明顯大于植物吸收利用的磷含量。20—40 cm土層中的水溶性磷和有效磷含量均無(wú)明顯變化，這主要是由于施入土壤中的磷易被固定、移動(dòng)性較差，短期內(nèi)淋溶流失磷的量很小[21-22]。

已有研究表明，利用磷富集植物提取土壤中的過(guò)量磷是降低磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的一種切實(shí)有效措施[12-13]。磷富集植物對(duì)土壤中磷的吸取凈化效果，主要通過(guò)磷富集植物對(duì)土壤中水溶性磷和有效磷的吸取凈化效果反映[25,33,41]。

本研究中，各豬糞處理下種植礦山生態(tài)型水蓼后0—20 cm土層中的水溶性磷含量較種植前顯著降低，降幅高達(dá)74.9%～81.5%，遠(yuǎn)大于不施豬糞處理的53.0%。相比牧草 (Herbage)、紫花苜蓿 (Alfalfa)等磷富集植物的30.6%～60.1%和40.3%～56.8%，礦山生態(tài)型水蓼對(duì)土壤水溶性磷的吸取凈化效果明顯更好[25,33]。同時(shí)，種植礦山生態(tài)型水蓼后，本研究各處理0—20 cm土層中的有效磷含量較種植前均顯著降低，降幅為48.9%～60.0%，遠(yuǎn)大于種植不同作物和不同基因型豇豆后有效磷最大降幅34.5%和22.1%[42]。另外，本研究中種植礦山生態(tài)型水蓼后，20—40 cm土層中的水溶性磷和有效磷含量均無(wú)明顯變化，這主要是因?yàn)樗な琼毟抵参?，根系主要生長(zhǎng)在0—20 cm土層中?？梢?，礦山生態(tài)型水蓼較其他磷富集植物對(duì)土壤中磷的吸取凈化效果明顯更好。因此，可通過(guò)收獲礦山生態(tài)型水蓼地上部，有效降低土壤中的過(guò)量磷，減少磷素流失對(duì)環(huán)境的威脅。

4 結(jié)論

1) 礦山生態(tài)型水蓼對(duì)土壤中的磷具有很強(qiáng)的富集能力，且隨著豬糞用量的增加其對(duì)土壤中磷的富集能力顯著增強(qiáng)，在3 kg/m2時(shí)其地上部磷積累量最大，高達(dá)P 338 mg/株。

2) 種植并收獲礦山生態(tài)型水蓼可顯著降低0—20 cm土層中的水溶性磷和有效磷含量，水溶性磷含量最大可降低81.5%，有效磷含量最大可降低60.0%?？梢?，礦山生態(tài)型水蓼是凈化豬糞帶入土壤中過(guò)量磷的高效植物。