腐植酸增效剂对不同类型土壤中磷素形态转化的调控

时间：2024-05-25

刘文博，李絮花

（山东农业大学资源与环境学院／土肥资源高效利用国家工程实验室，山东泰安 271018）

磷作为植物体内仅次于氮和钾的大量元素，既是植物体内多种必需化合物的重要组成部分［1］，又参与植物的光合、代谢、呼吸和物质的运输等重要生理作用［2，3］，是植物生长发育不可替代的元素。施用磷肥是提高作物产量的重要措施，在农业生产中起到越来越大的作用［4］。近年来，随着全球人口数量的不断增加［5］，人们对粮食数量和质量需求不断提高，对磷肥的需求也日益增加，而磷肥的主要原料磷矿石数量有限且难以再生［6］，限制了磷肥产业的发展。与此同时，盲目、不合理的施用方式不仅造成磷素利用率低，更产生严重的环境污染［7］，限制了现代农业生产，威胁国家粮食安全。

腐植酸是一类天然大分子有机物质，含有羧基、羟基、甲氧基、醌基和酚羟基含氧活性官能团［8，9］，可以与磷素有效结合并生成HA－P复合物，使部分水溶性磷转化成枸溶性磷，对磷起到缓释作用［10］。腐植酸所起有机胶体的包被作用可在Al（OH）3、Fe（OH）3等表面形成一种保护膜，从而减轻铁、铝氢氧化物对磷酸根离子的吸附，增加磷的有效性，提高磷的利用率［11］。腐植酸可以通过其很强的负电性发生同晶替代作用，将被吸附的磷酸根离子从土壤矿物中取代出来，在这些过程中还伴有腐植酸与磷酸根离子形成可溶性鳌合物，减少土壤对磷的固定从而提高磷的利用率［12］。腐植酸可增加磷酸盐的移动性，进而增加植物根系与磷肥的接触面积，从而提高磷肥的利用率［13］。张继舟等［14］在腐植酸对设施土壤养分、盐分及番茄产量和品质影响的研究中发现，腐植酸能明显提高土壤速效磷含量。马金奉等［15］通过模拟淋溶试验发现生物腐植酸肥的施用可以减缓磷的淋失量。当前腐植酸对磷的相关研究，主要集中于腐植酸对土壤有效磷含量以及作物产量的影响，而对土壤磷素的形态转换鲜有研究。本试验利用腐植酸增效剂对潮土和红壤进行培养，研究不同用量腐植酸增效剂对有效磷以及Ca2－P、Ca8－P、Al－P、Fe－P、O－P和Ca10－P等不同形态无机磷含量的影响，探求腐植酸增效剂对磷形态影响的机制，以期为腐植酸在肥料领域以及土壤改良领域的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验于2018年5月在山东农业大学资源与环境学院实验室进行。供试土壤为采自中国农业科学院德州禹城试验基地的潮土和江西省农业科学院的红壤。土壤理化性质见表1。供试肥料为磷酸二铵（P2O546.0%，N 18.0%）和活化腐植酸。

表1 土壤基本理化性质

1.2 试验设计

按等量化肥磷（P2O5施用量为0.30 g／kg土）投入原则，试验设置5个处理：（1）CK，不施磷肥；（2）CK1，施用磷酸二铵；（3）HA1，磷酸二铵＋2.5%活化腐植酸；（4）HA2，磷酸二铵＋5.0%活化腐植酸；（5）HA3，磷酸二铵＋10.0%活化腐植酸。

将肥料与过4 mm筛的200 g土壤混匀，装入250 mL塑料培养杯中，用重量法调节土壤含水量至20%，塑料薄膜封口，并在薄膜上扎4个小孔，定期向培养杯中加水以保持土壤水分恒定。将培养杯置于25℃人工气候箱中进行培养，每处理重复3次。于培养后的第3、15、30、60、90 d取样测定相关指标。

1.3 测定项目与方法

按照蒋柏藩、顾益初［16］的土壤无机磷分级方法分别测定土壤样品中Ca2－P、Ca8－P、Al－P、Fe－P、O－P、Ca10－P的含量；采用Olsen法测定土壤有效磷含量。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel 2007进行数据整理与作图，用SAS软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 腐植酸增效剂对潮土和红壤有效磷含量的影响

由图1看出，施用磷肥可以显著提高培养期间潮土和红壤有效磷含量。相同施磷量条件下，添加活化腐植酸能够提高两种土壤有效磷含量，但有效磷含量达到峰值的时间不同，潮土有效磷含量在培养3 d时即达峰值，且随着培养时间的延长而降低，而红壤有效磷含量在培养30 d时才达到峰值，之后随着培养时间的延长呈降低趋势。

由图1A看出，添加活化腐植酸的HA1、HA2和HA3的潮土处理有效磷含量显著高于CK。培养3 d时，随着活化腐植酸添加量的增加土壤有效磷含量也随之增加，HA2和HA3处理显著高于CK1和HA1。培养15、60 d和90 d的HA1、HA2和HA3处理间土壤有效磷含量差异不显著。培养30、60 d和90 d时，与CK1相比，HA2和HA3处理有效磷含量显著上升。

由图1B看出，红壤添加不同用量的活化腐植酸均可显著提高30～90 d的有效磷含量。培养15～90 d，与CK1相比，HA3和HA2处理土壤有效磷含量均显著升高。培养30 d时，土壤有效磷含量随着腐植酸添加量的增加而提高，且处理间差异显著。培养90 d时，HA1、HA2和HA3处理间差异不显著，但均显著高于CK1。

图1 腐植酸增效剂对潮土和红壤有效磷含量的影响

2.2 腐植酸增效剂对潮土和红壤中各形态无机磷含量的影响

2.2.1 对土壤中Ca2－P含量的影响由图2看出，施用磷肥培养3 d时潮土Ca2－P含量远高于红壤，30 d和90 d差异仍较明显。潮土在培养3 d时Ca2－P含量达到峰值，之后随着培养时间的延长而降低；与潮土不同，红壤Ca2－P含量在培养30 d时达到峰值，在整个培养时期Ca2－P含量呈先增加后降低的趋势，总体变化不大。

由图2A看出，培养30 d时，潮土Ca2－P含量与培养3 d时相比大幅下降。CK1、HA1、HA2和HA3分别下降42.52%、41.44%、40.25%、48.89%。培养90 d时Ca2－P含量继续下降，但降幅较小，表明磷素在土壤培养中前期被快速固定。在培养3、30 d和90 d时，HA1、HA2和HA3的Ca2－P含量均显著高于CK1，培养3 d时，分别增加7.91%、7.88%、26.37%，HA3较HA1高18.02%。这表明活化腐植酸抑制土壤Ca2－P的固定，Ca2－P含量随着活化腐植酸添加量的增加而增加，HA3处理的含量在培养初期和后期显著高于HA1和HA2处理。

由图2B看出，施用磷肥后红壤Ca2－P含量也显著提高；添加腐植酸后，HA1及HA2处理的Ca2－P含量与CK1差异不显著；30 d和90 d时HA3处理的Ca2－P含量分别比CK1显著提高36.50%、17.53%。表明高量腐植酸增效剂在培养前期对红壤Ca2－P含量没有显著影响，培养后期能显著提高土壤Ca2－P含量。

图2 腐植酸增效剂对土壤Ca2－P含量的影响

2.2.2 对土壤中Ca8－P含量的影响由图3看出，施肥后潮土Ca8－P含量要远高于红壤，且随培养时间的延长呈上升趋势，而红壤的Ca8－P含量随培养时间的延长无明显变化。

由图3A看出，施磷肥显著提高潮土Ca8－P含量。处理间比较，培养3 d时HA1、HA2和HA3与CK1差异显著，Ca8－P含量分别增加18.06%、22.00%和32.45%，表明腐植酸增效剂提高了培养前期潮土Ca8－P含量；而培养30 d时HA1、HA2和HA3分别比CK1显著降低12.38%、7.64%、14.47%，培养90 d时则分别降低1.95%、10.12%、15.17%，其中HA3处理降低显著。表明，腐植酸增效剂促进培养初期潮土其它形态磷向Ca8－P的转化，而抑制培养后期向Ca8－P的转化。

图3 腐植酸增效剂对土壤中Ca8－P含量的影响

由图3B看出，施用磷肥能够显著提高红壤Ca8－P含量，但整个培养期Ca8－P含量变幅较小。培养3 d时HA1、HA2、HA3处理与CK1无显著差异；培养30 d和90 d时HA2、HA3与CK1差异显著，30 d时土壤Ca8－P含量分别增加14.67%、30.71%，90 d时分别增加12.12%、26.59%。表明腐植酸增效剂能促进培养中后期红壤其它形态磷向Ca8－P的转化。

2.2.3 对土壤中Al－P含量的影响由图4可知，红壤Al－P含量高于潮土，且施用磷肥和腐植酸增效剂对红壤Al－P的影响较大。施用磷肥能显著提高潮土和红壤Al－P含量，随着培养时间的延长红壤Al－P含量呈上升趋势，而潮土Al－P含量一直处于平稳状态。潮土在培养3～30 d时HA3处理土壤Al－P含量显著高于CK1（图4A），90 d时添加活化腐植酸的3个处理均与CK1差异不显著，表明高量腐植酸增效剂对潮土中前期Al－P含量影响显著，对后期影响较小。

由图4B看出，培养3 d时红壤的HA1、HA2、HA3处理Al－P含量显著低于CK1，分别降低24.29%、19.03%、20.65%；培养30 d时HA1、HA2、HA3处理分别比CK1显著降低25.76%、18.32%、8.61%；培养90 d时HA1处理比CK1显著降低30.35%，HA2、HA3也低于CK1，但差异不显著。表明腐植酸增效剂能大幅降低红壤Al－P含量，减少其它形态磷向Al－P的转化。

图4 腐植酸增效剂对土壤Al－P含量的影响

2.2.4 对土壤中Fe－P、O－P和Ca10－P含量的影响由表2可知，潮土各处理Fe－P含量远低于红壤，而Ca10－P含量比红壤高出数倍；两种土壤O－P含量差异较小。随着培养时间的延长潮土HA2、HA3处理的Ca10－P含量呈上升趋势，而Fe－P和O－P含量变化较小；红壤Fe－P、Ca10－P和O－P含量均变幅不大。与CK1相比，在整个培养过程中潮土HA1、HA2、HA3处理土壤Fe－P和Ca10－P含量没有显著差异，培养30 d时仅HA3处理的O－P含量与CK1差异显著，其余培养时间各处理均与CK1差异不显著。培养3 d时红壤HA1、HA2和HA3处理的土壤Fe－P含量分别比CK1高出1.37%、12.25%、20.81%，其中HA2和HA3差异达显著水平。

表2 腐植酸增效剂对土壤各形态无机磷含量的影响（mg／kg）

3 讨论

磷不但是作物生长所必需的大量营养元素，也是农业生产中重要的养分限制因子［17，18］。有效磷是指土壤中可被植物吸收利用磷的总称，早在1998年Helyar［19］就将磷的有效性作为衡量土壤质量的重要指标。樊红柱等［20］对紫色水稻土进行长期施肥发现，施化肥可以显著提高土壤有效磷含量和水稻产量。仲子文［21］、林诚［22］等的研究发现，有机无机肥料配施能显著提高有效磷含量。本研究也表明，与不施肥对照相比，施磷肥后培养3～90 d的红壤和潮土有效磷含量均显著上升；与CK1相比，添加5.0%和10.0%活化腐植酸的施肥处理可以显著提高培养15～90 d内潮土和红壤的有效磷含量。活化腐植酸对有效磷含量的正激发效应在裴瑞杰等［23］的研究中也有发现。本研究表明，潮土中HA1处理培养15 d时有效磷含量显著高于CK1，而培养3 d和30 d时HA2有效磷含量显著低于HA3处理的结果在15 d时没有出现，这可能与培养3～15 d内潮土有效磷含量整体迅速降低有关。培养60～90 d，潮土HA3、HA2和HA1处理间有效磷含量差异不显著，表明腐植酸增效剂用量对土壤有效磷含量的影响是有时限的。高量腐植酸增效剂可以显著增加潮土有效磷含量，但随着时间推移影响逐渐降低。红壤中HA1处理可以显著提高培养30 d时的土壤有效磷含量，而对之前的影响差异不显著。表明低量腐植酸增效剂对红壤的正效应需要一定的时间，这可能是红壤的低pH值导致的。3～60 d内HA1处理有效磷显著低于HA3，而3、15、60 d的HA2处理有效磷含量显著低于HA3，这表明增加活化腐植酸用量可以更显著地提高土壤有效磷含量。而90 d时HA1、HA2和HA3处理差异不显著，这表明腐植酸用量对红壤有效磷含量的促进作用也是有时限的。

土壤磷含量的60%～80%为无机磷，无机磷中又以矿物态磷为主。土壤中大量水溶性磷被Fe3＋、Al3＋、Ca2＋等离子固定为难溶磷酸盐，严重影响土壤磷的有效性。土壤磷含量的缺少与无机磷的形态密切相关。Shen等［24］发现，Ca2－P和Ca8－P的含量影响作物对磷的吸收。Ca2－P是土壤有效磷的重要组成成分，Ca8－P、Al－P和Fe－P则是缓效磷的重要组成部分。在潮土培养3～90 d和红壤培养30～90 d的HA3处理中Ca2－P含量均显著高于CK1，说明土壤有效磷含量升高的重要原因是Ca2－P含量的增加。培养3 d和90 d的潮土及培养30、90 d的红壤中HA3处理Ca2－P含量均高于HA1和HA2，且培养30 d的红壤Ca2－P含量明显高于3 d和90 d。这说明腐植酸增效剂用量对潮土Ca2－P含量的影响主要体现在培养前期（3 d）和后期（90 d），而对红壤Ca2－P含量的影响主要体现在中期（30 d）。

添加腐植酸处理的潮土Ca8－P含量在培养3 d时与CK1相比显著升高，HA3处理的Fe－P和Al－P含量也显著上升；而培养30 d时Ca8－P含量显著降低，O－P含量显著升高；培养90 d时，HA3处理Ca8－P含量显著降低，Fe－P和Al－P含量无显著差异。表明活化腐植酸促进培养初期潮土其它形态磷向Ca8－P的转化，抑制培养后期向Ca8－P的转化，足量的活化腐植酸（添加量≥5%）对培养前期的Fe－P和Al－P含量有显著影响，而对培养后期的影响不大。

添加腐植酸可以促进培养中后期红壤中其它形态磷向Ca8－P的转化。与潮土相比，腐植酸增效剂对红壤Ca8－P含量影响较弱，而对Al－P和Fe－P含量影响更强，这是由于腐植酸缓解了酸性土壤的低pH；但只有添加足量的腐植酸增效剂（添加量≥5%）才会对Ca8－P、Al－P和Fe－P含量产生显著影响。