长期不同施肥对潮土磷素吸附特征的影响.pdf
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1、第 60 卷 第 4 期 土 壤 学 报 Vol.60,No.4 2023 年 7 月 ACTA PEDOLOGICA SINICA Jul.,2023 *国家自然科学基金项目(41877023)、国家重点研发计划项目(2016YFD0200304,2018YFD0200601)和江苏省农业科技自主创新资金项目(CX(20)2003)共同资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41877023),National Key Research and Development Projects(Nos.2
2、016YFD0200304,2018YFD0200601)and Jiangsu Agriculture Science and Technology Innovation Fund(No.CX(20)2003)通讯作者 Corresponding author,E-mail: 作者简介:杨 娇(1996),女,河南平顶山人,博士,主要从事土壤地力培育。E-mail: 收稿日期:20210806;收到修改稿日期:20211031;网络首发日期():20220426 http:/ DOI:10.11766/trxb202108060406 杨娇,信秀丽,钟新月,丁世杰,张先凤,任国翠,朱安宁.长
3、期不同施肥对潮土磷素吸附特征的影响J.土壤学报,2023,60(4):10471057.YANG Jiao,XIN Xiuli,ZHONG Xinyue,DING Shijie,ZHANG Xianfeng,REN Guocui,ZHU Anning.Effects of Long-term Fertilization on Phosphorus Adsorption Characteristics of Fluvo-aquic SoilsJ.Acta Pedologica Sinica,2023,60(4):10471057.长期不同施肥对潮土磷素吸附特征的影响*杨 娇1,2,信秀丽1,2,
4、钟新月1,丁世杰1,2,张先凤1,2,任国翠1,2,朱安宁1,2(1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室/封丘农业生态实验站(中国科学院南京土壤研究所),南京 210008;2.中国科学院大学,北京 100049)摘 要:土壤磷素是限制潮土生产力提高的重要营养元素。研究不同施肥处理磷素的吸附特征及其与土壤理化性质的关系,可以为提高潮土磷素有效性和合理施肥提供科学依据。本研究基于封丘长期定位施肥试验,选用七种处理:不施肥(CK)、氮钾施肥(NK)、氮磷施肥(NP)、磷钾施肥(PK)、氮磷钾施肥(NPK)、1/2 有机肥+1/2 氮磷钾(1/2OM)和有机肥(OM),通过测定土壤理化性质和磷素吸附
5、量,利用 Langmuir 和 Freundlich 等温吸附模型拟合了吸附曲线,并结合方程计算了最大吸附量(Qm)、亲和力常数(K)、最大缓冲能力(MBC)、吸附饱和强度(DPS)、Freundlich 吸附常数(a)和吸附指数(b);运用相关分析和冗余分析(RDA)探讨了影响土壤磷素吸附特征变化的主要因素。结果表明:随着平衡溶液磷浓度的增加,不同施肥处理的磷素吸附量均表现出先快速增加,后缓慢增加的趋势。与 CK 和 NK 处理相比,NP、PK 和 NPK 处理的磷素吸附能力增强,Qm和 MBC 分别增加了 15.62%23.60%和 2.94%23.46%;而 1/2OM 和 OM处理的磷
6、素吸附能力下降,K 和 MBC 分别降低了 39.60%49.57%和 36.09%56.15%。相关分析和 RDA 结果表明:有机质(SOM)、pH、游离氧化铝(Ald)和 C/P 是影响潮土磷素吸附特征的主要因素。此外,1/2OM 处理的 DPS 值相较于OM 处理降低了 30.92%。长期有机无机肥料配施可以增加有机质含量,降低磷素吸附能力,且相较于单施有机肥可以减少磷素流失风险。关键词:磷素吸附;长期施肥;潮土;土壤性质 中图分类号:S158;S153 文献标志码:A Effects of Long-term Fertilization on Phosphorus Adsorption
7、 Characteristics of Fluvo-aquic Soils YANG Jiao1,2,XIN Xiuli1,2,ZHONG Xinyue1,DING Shijie1,2,ZHANG Xianfeng1,2,REN Guocui1,2,ZHU Anning1,2(1.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture/State Experimental Station of Agro-Ecosystem in Fengqiu,Institute of Soil 1048 土 壤 学 报 60 卷 http:/ Sci
8、ence,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China;2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:【Objective】The availability of soil phosphorus(P)usually limits the productivity of fluvo-aquic soil.In order to provide a scientific basis for improving P use efficiency a
9、nd rational fertilization in fluvo-aquic soils,the adsorption characteristics of P and its relationship with soil properties under long-term fertilization were studied.【Method】We selected seven treatments:no fertilizer(CK),no P fertilizer(NK),no potassium fertilizer(NP),no nitrogen fertilizer(PK),mi
10、neral fertilizer NPK(NPK),half compost plus half mineral fertilizer NPK(1/2OM)and compost alone(OM)in a long-term fertilization experiment at Fengqiu,to determine soil properties and P adsorption capacity.The Langmuir and Freundlich equations were used to fit the isothermal adsorption curves.Further
11、more,the maximum adsorption capacity(Qm),adsorption constant(K),maximum buffer capacity(MBC),P adsorption saturation(DPS),Freundlich adsorption constant(a)and adsorption index(b)were calculated.Correlation analysis and redundancy analysis(RDA)were used to explore the vital factors affecting the soil
12、 P adsorption characteristics.【Result】The results showed that P adsorption in fluvo-aquic soil fitted both the Langmuir(R20.80)and Freundlich(R20.89)isotherms.With the increase of P concentration in the equilibrium solution,P adsorption capacity rapidly increased at first and then slowly afterwards.
13、Compared with CK and NK,Qm and MBC of NP,PK and NPK increased by 15.62%23.60%and 2.94%23.46%,respectively,however,K and MBC of 1/2OM and OM reduced by 39.60%49.57%and 36.09%56.15%,respectively.Correlation analysis and RDA results showed that organic matter(SOM),pH,free Al oxides(Ald)and C/P were the
14、 main factors affecting P adsorption characteristics of fluvo-aquic soil.In addition,the DPS of 1/2OM was 30.92%lower than that of OM.【Conclusion】Long-term combined NPK fertilizer with compost can increase the content of SOM,reduce P adsorption capacity and reduce the risk of P loss compared with OM
15、.Key words:Phosphorus adsorption;Long-term fertilization;Fluvo-aquic soil;Soil properties 磷是作物生长必需的大量营养元素之一,同时也是生物体内许多重要有机化合物(如:磷脂、核酸、ATP 酶等)的关键组成成分,直接参与作物的新陈代谢过程,在改善农产品品质、提高作物产量等方面具有重要作用1。由于磷素在土壤中固定性强,移动性弱,导致磷肥当季利用率仅有 15%20%。因此,为满足作物需求以及增加粮食产量,我国磷肥的施用量在过去的三十年间增加了两倍2。但是作物产量并不会随着施磷量的增加而一直增加,当土壤有效磷含量超
16、过农学阈值时,继续施用磷肥并不会显著提高作物产量3,反而会增加磷素淋失的风险,造成水体富营养化等环境问题4。此外,磷矿石是不可再生资源,按照目前的消耗速度,在未来的 50400 年间,磷矿资源将会枯竭1。因此,如何减少土壤对磷素的吸附固定作用,提高磷肥利用率以及磷素有效性一直是土壤磷素研究领域非常重要的研究热点。磷素吸附过程是其在土壤中被固定的主要机理之一,直接影响磷素有效性。研究表明,长期不同施肥处理会影响土壤磷素的吸附特征5-7。刘彦伶等7研究了长期不同施肥处理下黄壤磷素吸附解吸特征,结果显示,施肥模式对土壤磷素吸附解吸特征的影响大于施磷量的影响,长期施用有机肥可以降低土壤对磷素的吸附,提
17、高磷素有效性。也有研究表明,相较于长期施用化肥,施用有机肥提高了黑土对磷素的吸附能力8。由此可见,受土壤类型的影响,施肥对土壤磷素吸附特征影响的研究结果不尽相同。此外,长期不同施肥处理也会对土壤理化性质产生重要影响。比如施用有机肥可以显著提高石灰性土壤有机质含量,降低土壤 pH9;施用无机肥可以增加土壤铁铝氧化物的含量10等。进一步研究发现,pH、速效磷、有机质、铁铝氧化物、土壤黏粒含量等土壤理化性质会对磷素吸附产生不同程度的影响11-16。黄淮海平原是我国高度集约化农区和重要粮食主产区,现有耕地2.44108 hm2,约占全国的15.9%,主要种植模式是冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制,小麦和玉
18、米年产量分别占全国总产量的70%和30%左右,在中国粮食安全战略中具有举足轻重的地位17。潮土作为黄淮海平原最主要的农业土壤,磷素是限制其生产力提高的重要因子之一18。前期研究表明,长期施用磷肥可以显著提高潮土全磷和速效磷4 期 杨 娇等:长期不同施肥对潮土磷素吸附特征的影响 1049 http:/ 含量19,但对于长期不同施肥处理下潮土磷素吸附特征以及定量分析土壤理化性质对磷素吸附影响的研究相对较少。因此,本文以黄淮海平原典型潮土为研究对象,借助封丘长期定位施肥试验平台,研究长期不同施肥 25 年后的潮土磷素吸附特征,并采用相关分析和冗余分析定量研究土壤性质对磷吸附的影响,以期为潮土制定合理
19、的施肥方案和提高磷肥有效性提供科学依据。1 材料与方法 1.1 试验区概况 本研究基于黄淮海平原典型潮土区的长期定位施肥试验平台开展,该试验位于河南省封丘县中国科学院封丘农田生态实验站内(3500N,11424E)。该地区的气候类型属于典型的半干旱半湿润的暖温带大陆性季风气候,多年平均降雨量为 615 mm,主要集中于 78 月份,年均气温为 14.2,月均最低气温出现在 1 月份,为2.97,月均最高气温出现在 7 月份,为 28.7,无霜期 220 d 左右。土壤类型主要是黄河冲积物发育形成的典型潮土,耕层土壤质地为砂壤土(砂粒 52%、粉粒 33%和黏粒 15%)。农作物种植制度采用黄淮
20、海平原典型的冬小麦-夏玉米一年两熟制。1.2 试验设计 长期定位施肥试验开始于 1989 年秋季,在试验前连续匀地三年,不施用任何肥料。试验开始前耕层(020 cm)土壤的基础理化性质为:有机质 5.83 gkg1、全氮 0.45 gkg1、全磷 0.50 gkg1、全钾 18.60 gkg1、速效氮 9.51 mgkg1、速效磷1.93 mgkg1、速效钾 78.8 mgkg1、pH 为 8.65。试验采用随机区组设计,共设 7 个处理:不施肥(CK)、氮钾施肥(NK)、氮磷施肥(NP)、磷钾施肥(PK)、氮磷钾施肥(NPK)、1/2 有机肥+1/2氮磷钾(1/2OM)和有机肥(OM),每个
21、处理设 4组重复,共 28 个小区,小区面积为 9.55 m2。小麦季和玉米季氮肥(以 N 计)和钾肥(以 K2O 计)施用 150 kghm2;磷肥(以 P2O5计)分别施用 75 kghm2和 60 kghm2。供试化肥:氮肥为尿素;磷肥为过磷酸钙;钾肥为硫酸钾。供试有机肥是由秸秆、大 豆饼和棉籽饼以 1004540 的比例混合均匀,发酵两个月而成。有机肥在施用之前测定其 N、P、K含量,以等氮量为标准,磷钾不足的部分由磷肥和钾肥补足。磷肥和钾肥只用做基肥,而氮肥采用基肥+追肥的施肥方式,小麦季和玉米季氮肥的基追比分别为 23 和 32。1.3 土壤样品采集与分析 玉米收获完成后,按照五点
22、采样法在每个小区采集耕层土壤(020 cm)混合样品,风干后挑出根系和石砾等杂质,根据分析项目需要磨碎过筛。土 壤 理 化 性 质 测 定 方 法 如 下:土 壤 全 磷 采 用H2SO4-HClO4消煮,钼锑抗比色法测定;土壤速效磷采用 0.5 molL1 NaHCO3浸提,钼锑抗比色法测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定;土壤 pH 采用土水比 11 测定;土壤碳酸钙采用容量滴定法测定;土壤游离铁铝氧化物采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(DCB)浸提,ICP-OES 测定。磷素等温吸附实验20:称取过 2 mm 筛的风干土样 2.50 g 于 100 mL 离心管中,加入
23、30 mL 含磷量分别为 0、3、5、7、9、12、18、24、30、40、50 mgL1的溶液(0.01 molL 1 KCl 配制定容)。为防止微生物活动,在每个离心管内加入 3 滴氯仿,于 25恒温振荡 24 h,振荡速率为 180 rmin1。振荡结束后,以 3 000 rmin1的转速离心 10 min,采用钼锑抗比色法测定上清液中的磷含量即为平衡溶液中的磷浓度。初始溶液磷浓度与平衡溶液磷浓度之差即为土壤磷素吸附量。以平衡溶液磷浓度为横坐标,土壤磷吸附量为纵坐标拟合磷等温吸附曲线。1.4 磷素等温吸附模型及参数计算 目 前,采 用 等 温 吸 附 模 型(Langmuir 和Freu
24、ndlich 模型)模拟磷素吸附行为是研究磷素吸附特征最常用的方法,同时还可以获得一些吸附参数来评价土壤胶体对磷素的吸附能力21-24。Langmuir 等温吸附方程:mm1CCQKQQ (1)式中,C 为平衡溶液磷浓度(mgL1);Q 为土壤磷吸附量(mgkg1);K 为吸附亲和力常数;Qm为土壤磷最大吸附量(mgkg1)。1050 土 壤 学 报 60 卷 http:/ 依据 Langmuir 模型可以进一步计算得到磷素吸附参数,计算公式如下:MBC=K Qm (2)DPS=Olsen P/Qm 100%(3)AE=Q/Q0 100%(4)式中,MBC 为土壤磷最大缓冲容量(mgkg1);
25、DPS为磷吸附饱和度(%);Olsen-P 为土壤速效磷含量(mgkg1);AE 为土壤磷吸附率(%);Q0为初始溶液磷浓度(mgkg1)。Freundlich 等温吸附方程:Q=aCb (5)式中,a 为 Freundlich 吸附常数,b 为吸附指数。1.5 数据统计分析 采用 Microsoft Excel2019 进行数据计算与处理,SPSS23.0 进行单因素方差分析和相关分析,Origin 9.0 进行图形绘制。其中均值多重比较采用Duncan 法进行显著性检验,相关分析采用 Spearman双尾检验结果,显著性水平设定为 P=0.05。采用 R 语言中的 vegan 包进行冗余分
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