腐植酸增效劑對(duì)不同類型土壤中磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的調(diào)控

劉文博，李絮花

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院／土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018）

磷作為植物體內(nèi)僅次于氮和鉀的大量元素，既是植物體內(nèi)多種必需化合物的重要組成部分［1］，又參與植物的光合、代謝、呼吸和物質(zhì)的運(yùn)輸?shù)戎匾碜饔茫?，3］，是植物生長(zhǎng)發(fā)育不可替代的元素。施用磷肥是提高作物產(chǎn)量的重要措施，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起到越來(lái)越大的作用［4］。近年來(lái)，隨著全球人口數(shù)量的不斷增加［5］，人們對(duì)糧食數(shù)量和質(zhì)量需求不斷提高，對(duì)磷肥的需求也日益增加，而磷肥的主要原料磷礦石數(shù)量有限且難以再生［6］，限制了磷肥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。與此同時(shí)，盲目、不合理的施用方式不僅造成磷素利用率低，更產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染［7］，限制了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，威脅國(guó)家糧食安全。

腐植酸是一類天然大分子有機(jī)物質(zhì)，含有羧基、羥基、甲氧基、醌基和酚羥基含氧活性官能團(tuán)［8，9］，可以與磷素有效結(jié)合并生成HA－P復(fù)合物，使部分水溶性磷轉(zhuǎn)化成枸溶性磷，對(duì)磷起到緩釋作用［10］。腐植酸所起有機(jī)膠體的包被作用可在Al（OH）3、Fe（OH）3等表面形成一種保護(hù)膜，從而減輕鐵、鋁氫氧化物對(duì)磷酸根離子的吸附，增加磷的有效性，提高磷的利用率［11］。腐植酸可以通過(guò)其很強(qiáng)的負(fù)電性發(fā)生同晶替代作用，將被吸附的磷酸根離子從土壤礦物中取代出來(lái)，在這些過(guò)程中還伴有腐植酸與磷酸根離子形成可溶性鰲合物，減少土壤對(duì)磷的固定從而提高磷的利用率［12］。腐植酸可增加磷酸鹽的移動(dòng)性，進(jìn)而增加植物根系與磷肥的接觸面積，從而提高磷肥的利用率［13］。張繼舟等［14］在腐植酸對(duì)設(shè)施土壤養(yǎng)分、鹽分及番茄產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究中發(fā)現(xiàn)，腐植酸能明顯提高土壤速效磷含量。馬金奉等［15］通過(guò)模擬淋溶試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物腐植酸肥的施用可以減緩磷的淋失量。當(dāng)前腐植酸對(duì)磷的相關(guān)研究，主要集中于腐植酸對(duì)土壤有效磷含量以及作物產(chǎn)量的影響，而對(duì)土壤磷素的形態(tài)轉(zhuǎn)換鮮有研究。本試驗(yàn)利用腐植酸增效劑對(duì)潮土和紅壤進(jìn)行培養(yǎng)，研究不同用量腐植酸增效劑對(duì)有效磷以及Ca2－P、Ca8－P、Al－P、Fe－P、O－P和Ca10－P等不同形態(tài)無(wú)機(jī)磷含量的影響，探求腐植酸增效劑對(duì)磷形態(tài)影響的機(jī)制，以期為腐植酸在肥料領(lǐng)域以及土壤改良領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)于2018年5月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試土壤為采自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院德州禹城試驗(yàn)基地的潮土和江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的紅壤。土壤理化性質(zhì)見表1。供試肥料為磷酸二銨（P2O546.0%，N 18.0%）和活化腐植酸。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按等量化肥磷（P2O5施用量為0.30 g／kg土）投入原則，試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理：（1）CK，不施磷肥；（2）CK1，施用磷酸二銨；（3）HA1，磷酸二銨＋2.5%活化腐植酸；（4）HA2，磷酸二銨＋5.0%活化腐植酸；（5）HA3，磷酸二銨＋10.0%活化腐植酸。

將肥料與過(guò)4 mm篩的200 g土壤混勻，裝入250 mL塑料培養(yǎng)杯中，用重量法調(diào)節(jié)土壤含水量至20%，塑料薄膜封口，并在薄膜上扎4個(gè)小孔，定期向培養(yǎng)杯中加水以保持土壤水分恒定。將培養(yǎng)杯置于25℃人工氣候箱中進(jìn)行培養(yǎng)，每處理重復(fù)3次。于培養(yǎng)后的第3、15、30、60、90 d取樣測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

按照蔣柏藩、顧益初［16］的土壤無(wú)機(jī)磷分級(jí)方法分別測(cè)定土壤樣品中Ca2－P、Ca8－P、Al－P、Fe－P、O－P、Ca10－P的含量；采用Olsen法測(cè)定土壤有效磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖，用SAS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐植酸增效劑對(duì)潮土和紅壤有效磷含量的影響

由圖1看出，施用磷肥可以顯著提高培養(yǎng)期間潮土和紅壤有效磷含量。相同施磷量條件下，添加活化腐植酸能夠提高兩種土壤有效磷含量，但有效磷含量達(dá)到峰值的時(shí)間不同，潮土有效磷含量在培養(yǎng)3 d時(shí)即達(dá)峰值，且隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，而紅壤有效磷含量在培養(yǎng)30 d時(shí)才達(dá)到峰值，之后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)。

由圖1A看出，添加活化腐植酸的HA1、HA2和HA3的潮土處理有效磷含量顯著高于CK。培養(yǎng)3 d時(shí)，隨著活化腐植酸添加量的增加土壤有效磷含量也隨之增加，HA2和HA3處理顯著高于CK1和HA1。培養(yǎng)15、60 d和90 d的HA1、HA2和HA3處理間土壤有效磷含量差異不顯著。培養(yǎng)30、60 d和90 d時(shí)，與CK1相比，HA2和HA3處理有效磷含量顯著上升。

由圖1B看出，紅壤添加不同用量的活化腐植酸均可顯著提高30～90 d的有效磷含量。培養(yǎng)15～90 d，與CK1相比，HA3和HA2處理土壤有效磷含量均顯著升高。培養(yǎng)30 d時(shí)，土壤有效磷含量隨著腐植酸添加量的增加而提高，且處理間差異顯著。培養(yǎng)90 d時(shí)，HA1、HA2和HA3處理間差異不顯著，但均顯著高于CK1。

圖1 腐植酸增效劑對(duì)潮土和紅壤有效磷含量的影響

2.2 腐植酸增效劑對(duì)潮土和紅壤中各形態(tài)無(wú)機(jī)磷含量的影響

2.2.1 對(duì)土壤中Ca2－P含量的影響 由圖2看出，施用磷肥培養(yǎng)3 d時(shí)潮土Ca2－P含量遠(yuǎn)高于紅壤，30 d和90 d差異仍較明顯。潮土在培養(yǎng)3 d時(shí)Ca2－P含量達(dá)到峰值，之后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低；與潮土不同，紅壤Ca2－P含量在培養(yǎng)30 d時(shí)達(dá)到峰值，在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)期Ca2－P含量呈先增加后降低的趨勢(shì)，總體變化不大。

由圖2A看出，培養(yǎng)30 d時(shí)，潮土Ca2－P含量與培養(yǎng)3 d時(shí)相比大幅下降。CK1、HA1、HA2和HA3分別下降42.52%、41.44%、40.25%、48.89%。培養(yǎng)90 d時(shí)Ca2－P含量繼續(xù)下降，但降幅較小，表明磷素在土壤培養(yǎng)中前期被快速固定。在培養(yǎng)3、30 d和90 d時(shí)，HA1、HA2和HA3的Ca2－P含量均顯著高于CK1，培養(yǎng)3 d時(shí)，分別增加7.91%、7.88%、26.37%，HA3較HA1高18.02%。這表明活化腐植酸抑制土壤Ca2－P的固定，Ca2－P含量隨著活化腐植酸添加量的增加而增加，HA3處理的含量在培養(yǎng)初期和后期顯著高于HA1和HA2處理。

由圖2B看出，施用磷肥后紅壤Ca2－P含量也顯著提高；添加腐植酸后，HA1及HA2處理的Ca2－P含量與CK1差異不顯著；30 d和90 d時(shí)HA3處理的Ca2－P含量分別比CK1顯著提高36.50%、17.53%。表明高量腐植酸增效劑在培養(yǎng)前期對(duì)紅壤Ca2－P含量沒(méi)有顯著影響，培養(yǎng)后期能顯著提高土壤Ca2－P含量。

圖2 腐植酸增效劑對(duì)土壤Ca2－P含量的影響

2.2.2 對(duì)土壤中Ca8－P含量的影響 由圖3看出，施肥后潮土Ca8－P含量要遠(yuǎn)高于紅壤，且隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，而紅壤的Ca8－P含量隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)無(wú)明顯變化。

由圖3A看出，施磷肥顯著提高潮土Ca8－P含量。處理間比較，培養(yǎng)3 d時(shí)HA1、HA2和HA3與CK1差異顯著，Ca8－P含量分別增加18.06%、22.00%和32.45%，表明腐植酸增效劑提高了培養(yǎng)前期潮土Ca8－P含量；而培養(yǎng)30 d時(shí)HA1、HA2和HA3分別比CK1顯著降低12.38%、7.64%、14.47%，培養(yǎng)90 d時(shí)則分別降低1.95%、10.12%、15.17%，其中HA3處理降低顯著。表明，腐植酸增效劑促進(jìn)培養(yǎng)初期潮土其它形態(tài)磷向Ca8－P的轉(zhuǎn)化，而抑制培養(yǎng)后期向Ca8－P的轉(zhuǎn)化。

圖3 腐植酸增效劑對(duì)土壤中Ca8－P含量的影響

由圖3B看出，施用磷肥能夠顯著提高紅壤Ca8－P含量，但整個(gè)培養(yǎng)期Ca8－P含量變幅較小。培養(yǎng)3 d時(shí)HA1、HA2、HA3處理與CK1無(wú)顯著差異；培養(yǎng)30 d和90 d時(shí)HA2、HA3與CK1差異顯著，30 d時(shí)土壤Ca8－P含量分別增加14.67%、30.71%，90 d時(shí)分別增加12.12%、26.59%。表明腐植酸增效劑能促進(jìn)培養(yǎng)中后期紅壤其它形態(tài)磷向Ca8－P的轉(zhuǎn)化。

2.2.3 對(duì)土壤中Al－P含量的影響 由圖4可知，紅壤Al－P含量高于潮土，且施用磷肥和腐植酸增效劑對(duì)紅壤Al－P的影響較大。施用磷肥能顯著提高潮土和紅壤Al－P含量，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)紅壤Al－P含量呈上升趨勢(shì)，而潮土Al－P含量一直處于平穩(wěn)狀態(tài)。潮土在培養(yǎng)3～30 d時(shí)HA3處理土壤Al－P含量顯著高于CK1（圖4A），90 d時(shí)添加活化腐植酸的3個(gè)處理均與CK1差異不顯著，表明高量腐植酸增效劑對(duì)潮土中前期Al－P含量影響顯著，對(duì)后期影響較小。

由圖4B看出，培養(yǎng)3 d時(shí)紅壤的HA1、HA2、HA3處理Al－P含量顯著低于CK1，分別降低24.29%、19.03%、20.65%；培養(yǎng)30 d時(shí)HA1、HA2、HA3處理分別比CK1顯著降低25.76%、18.32%、8.61%；培養(yǎng)90 d時(shí)HA1處理比CK1顯著降低30.35%，HA2、HA3也低于CK1，但差異不顯著。表明腐植酸增效劑能大幅降低紅壤Al－P含量，減少其它形態(tài)磷向Al－P的轉(zhuǎn)化。

圖4 腐植酸增效劑對(duì)土壤Al－P含量的影響

2.2.4 對(duì)土壤中Fe－P、O－P和Ca10－P含量的影響 由表2可知，潮土各處理Fe－P含量遠(yuǎn)低于紅壤，而Ca10－P含量比紅壤高出數(shù)倍；兩種土壤O－P含量差異較小。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)潮土HA2、HA3處理的Ca10－P含量呈上升趨勢(shì)，而Fe－P和O－P含量變化較??；紅壤Fe－P、Ca10－P和O－P含量均變幅不大。與CK1相比，在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中潮土HA1、HA2、HA3處理土壤Fe－P和Ca10－P含量沒(méi)有顯著差異，培養(yǎng)30 d時(shí)僅HA3處理的O－P含量與CK1差異顯著，其余培養(yǎng)時(shí)間各處理均與CK1差異不顯著。培養(yǎng)3 d時(shí)紅壤HA1、HA2和HA3處理的土壤Fe－P含量分別比CK1高出1.37%、12.25%、20.81%，其中HA2和HA3差異達(dá)顯著水平。

表2 腐植酸增效劑對(duì)土壤各形態(tài)無(wú)機(jī)磷含量的影響 （mg／kg）

3 討論

磷不但是作物生長(zhǎng)所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的養(yǎng)分限制因子［17，18］。有效磷是指土壤中可被植物吸收利用磷的總稱，早在1998年Helyar［19］就將磷的有效性作為衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。樊紅柱等［20］對(duì)紫色水稻土進(jìn)行長(zhǎng)期施肥發(fā)現(xiàn)，施化肥可以顯著提高土壤有效磷含量和水稻產(chǎn)量。仲子文［21］、林誠(chéng)［22］等的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施能顯著提高有效磷含量。本研究也表明，與不施肥對(duì)照相比，施磷肥后培養(yǎng)3～90 d的紅壤和潮土有效磷含量均顯著上升；與CK1相比，添加5.0%和10.0%活化腐植酸的施肥處理可以顯著提高培養(yǎng)15～90 d內(nèi)潮土和紅壤的有效磷含量?；罨菜釋?duì)有效磷含量的正激發(fā)效應(yīng)在裴瑞杰等［23］的研究中也有發(fā)現(xiàn)。本研究表明，潮土中HA1處理培養(yǎng)15 d時(shí)有效磷含量顯著高于CK1，而培養(yǎng)3 d和30 d時(shí)HA2有效磷含量顯著低于HA3處理的結(jié)果在15 d時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)，這可能與培養(yǎng)3～15 d內(nèi)潮土有效磷含量整體迅速降低有關(guān)。培養(yǎng)60～90 d，潮土HA3、HA2和HA1處理間有效磷含量差異不顯著，表明腐植酸增效劑用量對(duì)土壤有效磷含量的影響是有時(shí)限的。高量腐植酸增效劑可以顯著增加潮土有效磷含量，但隨著時(shí)間推移影響逐漸降低。紅壤中HA1處理可以顯著提高培養(yǎng)30 d時(shí)的土壤有效磷含量，而對(duì)之前的影響差異不顯著。表明低量腐植酸增效劑對(duì)紅壤的正效應(yīng)需要一定的時(shí)間，這可能是紅壤的低pH值導(dǎo)致的。3～60 d內(nèi)HA1處理有效磷顯著低于HA3，而3、15、60 d的HA2處理有效磷含量顯著低于HA3，這表明增加活化腐植酸用量可以更顯著地提高土壤有效磷含量。而90 d時(shí)HA1、HA2和HA3處理差異不顯著，這表明腐植酸用量對(duì)紅壤有效磷含量的促進(jìn)作用也是有時(shí)限的。

土壤磷含量的60%～80%為無(wú)機(jī)磷，無(wú)機(jī)磷中又以礦物態(tài)磷為主。土壤中大量水溶性磷被Fe3＋、Al3＋、Ca2＋等離子固定為難溶磷酸鹽，嚴(yán)重影響土壤磷的有效性。土壤磷含量的缺少與無(wú)機(jī)磷的形態(tài)密切相關(guān)。Shen等［24］發(fā)現(xiàn)，Ca2－P和Ca8－P的含量影響作物對(duì)磷的吸收。Ca2－P是土壤有效磷的重要組成成分，Ca8－P、Al－P和Fe－P則是緩效磷的重要組成部分。在潮土培養(yǎng)3～90 d和紅壤培養(yǎng)30～90 d的HA3處理中Ca2－P含量均顯著高于CK1，說(shuō)明土壤有效磷含量升高的重要原因是Ca2－P含量的增加。培養(yǎng)3 d和90 d的潮土及培養(yǎng)30、90 d的紅壤中HA3處理Ca2－P含量均高于HA1和HA2，且培養(yǎng)30 d的紅壤Ca2－P含量明顯高于3 d和90 d。這說(shuō)明腐植酸增效劑用量對(duì)潮土Ca2－P含量的影響主要體現(xiàn)在培養(yǎng)前期（3 d）和后期（90 d），而對(duì)紅壤Ca2－P含量的影響主要體現(xiàn)在中期（30 d）。

添加腐植酸處理的潮土Ca8－P含量在培養(yǎng)3 d時(shí)與CK1相比顯著升高，HA3處理的Fe－P和Al－P含量也顯著上升；而培養(yǎng)30 d時(shí)Ca8－P含量顯著降低，O－P含量顯著升高；培養(yǎng)90 d時(shí)，HA3處理Ca8－P含量顯著降低，F(xiàn)e－P和Al－P含量無(wú)顯著差異。表明活化腐植酸促進(jìn)培養(yǎng)初期潮土其它形態(tài)磷向Ca8－P的轉(zhuǎn)化，抑制培養(yǎng)后期向Ca8－P的轉(zhuǎn)化，足量的活化腐植酸（添加量≥5%）對(duì)培養(yǎng)前期的Fe－P和Al－P含量有顯著影響，而對(duì)培養(yǎng)后期的影響不大。

添加腐植酸可以促進(jìn)培養(yǎng)中后期紅壤中其它形態(tài)磷向Ca8－P的轉(zhuǎn)化。與潮土相比，腐植酸增效劑對(duì)紅壤Ca8－P含量影響較弱，而對(duì)Al－P和Fe－P含量影響更強(qiáng)，這是由于腐植酸緩解了酸性土壤的低pH；但只有添加足量的腐植酸增效劑（添加量≥5%）才會(huì)對(duì)Ca8－P、Al－P和Fe－P含量產(chǎn)生顯著影響。

4 結(jié)論

4.1 添加5.0%和10.0%活化腐植酸處理可以顯著提高兩種土壤培養(yǎng)15～90 d的有效磷含量。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，潮土有效磷含量出現(xiàn)遞減趨勢(shì)，紅壤有效磷含量出現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)且培養(yǎng)期變幅較小。

4.2 10.0%活化腐植酸處理可以顯著增加培養(yǎng)前期潮土Ca2－P、Ca8－P、Al－P、Fe－P含量和后期Ca2－P含量，并可增加紅壤培養(yǎng)中后期Ca2－P、Ca8－P及前中期Fe－P含量，降低整個(gè)培養(yǎng)期的Al－P含量。

添加5.0%活化腐植酸處理可以增加潮土整個(gè)培養(yǎng)期Ca2－P及前期Ca8－P和Fe－P含量，并可增加紅壤培養(yǎng)后期Ca2－P和中后期Ca8－P含量，降低整個(gè)培養(yǎng)期的Al－P含量。

添加2.5%活化腐植酸處理可以顯著增加潮土整個(gè)培養(yǎng)期Ca2－P含量和前期Ca8－P含量，顯著降低紅壤整個(gè)培養(yǎng)期的Al－P含量。