磷肥輸入對稻田土壤剖面膠體磷含量的影響

趙 越, 梁新強,, *, 傅朝棟, 朱思睿, 金 熠, 葉玉適

1浙江大學環境保護研究所，杭州 310058 2浙江省水體污染控制與環境安全技術重點實驗室，杭州 310058

磷肥輸入對稻田土壤剖面膠體磷含量的影響

趙 越1, 梁新強1,2, *, 傅朝棟2, 朱思睿2, 金 熠1, 葉玉適1

1浙江大學環境保護研究所，杭州 310058 2浙江省水體污染控制與環境安全技術重點實驗室，杭州 310058

磷肥管理與土壤磷素賦存息息相關，選取杭嘉湖地區典型稻田定位實驗，研究磷肥輸入下稻田土壤剖面膠體磷含量的變化，分析不同施肥管理下膠體磷在土壤中的分布規律。結果表明，(1)膠體磷是磷素在土壤中賦存的重要形式，能夠占到土壤膠體溶液(<1μm)總磷的85%以上，土壤全磷的0.1%—2%；(2)磷肥施用增加了土壤膠體磷含量，特別是在有機肥處理下0—5cm土壤膠體磷含量達到了8.0mg/kg；(3)隨著土壤深度的增加，膠體磷含量減少，有機肥輸入下對深層土壤膠體磷含量的影響較無機肥明顯；(4)水稻收割后表層土壤膠體磷含量與油菜收割后相比減少明顯，0—5cm土壤膠體磷含量減少了90%左右，但有機肥施用下膠體磷含量減少較小；(5)水稻收割后30—60cm土壤膠體磷含量有所增加，可能與膠體磷發生的縱向遷移有關。了解磷肥輸入對稻田土壤剖面膠體磷含量的影響，為研究土壤磷素賦存形態及遷移變化提供科學依據，對有效評估膠體磷的環境風險起到指導作用。

磷肥管理；土壤剖面；膠體磷

我國不同類型土壤含磷量一般在0.31—1.72g/kg，并受到氣候條件、地理位置、土壤母質及理化性質、施肥方式等的影響[1]。磷肥和有機肥的過量施用增加了土壤磷素積累及其環境風險[2]。土壤膠體是粒徑介于1nm至1μm之間的細小顆粒，在土壤環境中廣泛存在，對污染物的運移變化具有重要作用[3-4]。土壤膠體磷是土壤磷素與土壤膠體結合形成的一種細顆粒態磷[5]，有研究表明因受土壤基質空間排阻和靜電斥力的作用，膠體磷比磷酸根遷移速度更快，移動性更強[6-7]，對環境的影響不可忽視。Hens等[8]的研究證實，耕地土壤溶液中40%—58%的MRP(鉬酸鹽反應性磷)及至少85%的MUP(鉬酸鹽非反應性磷)以膠體態存在。水分散膠體磷是底層土壤潛在可運移性磷的主要組成，是表征農田土壤膠體磷流失潛能的重要指標[9]。

農田土壤膠體磷的存在、運移與施肥密切相關，施肥能夠顯著影響耕層土壤磷素的組成，因水文條件變化和土壤膠體運移特征的影響，深層土壤也會受到施肥的影響。有研究發現糞便膠體結合態磷可通過土壤大孔隙優先發生縱向遷移，進而影響土壤磷素組成[10]。膠體磷是水提取態下土壤膠體溶液磷素的主要組成，占到其78%—91%左右，在磷肥特別是有機肥施用下，因有機膠體的產生，促進了膠體磷的積累和遷移[11]。膠體磷作為土壤磷素賦存的重要形態，其遷移不僅影響到農作物對磷素的吸收利用，更因其隨農田徑流的流失造成了水體富營養化風險，在土壤剖面的運移改變著土壤磷庫組成。膠體磷在土壤中的分布、遷移、變化對深入認識磷素的環境行為有重要意義。本文通過研究稻田剖面土壤水提取態膠體磷的分布變化情況，了解膠體磷在土壤中的賦存量及其與磷肥輸入的關系，同時結合水稻種植前后的變化，為土壤磷素賦存形態及遷移變化的研究提供科學依據，研究成果對合理評估膠體磷的環境風險具有積極作用。

1 材料與方法

1.1 實驗地點概況

實驗地點選在浙江省嘉興雙橋農場(120°40′E, 30°50′N)，地處杭嘉湖平原，屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫15.7℃，年降雨量1200mm左右，年均日照在2000小時以上，年均無霜期在230d左右。供試土壤為太湖地區典型青紫泥，潛育性水稻土，基本理化性質為：有機質19.2g/kg，全氮2.74g/k，全磷 0.47g/kg，CEC 8.10cmol/kg，pH值 6.78。

1.2 實驗設計

實驗田自2005年起實行水稻-油菜輪作，以過磷酸鈣作為無機肥，腐熟的豬糞為有機肥(理化性質見表1)，在保證氮肥施用量相同的情況下，設置4組磷肥水平：不施磷肥處理CK；無機磷肥處理P1，施磷量為26kg P/hm2；有機肥處理M，施磷量與P1保持相同；無機磷肥處理P2，施磷量為39kg P/hm2。每組3個平行，共12個小區，小區面積為20m2(5m×4m)，呈兩行隨機分布。磷肥作為基肥一次性采用撒施的方式施入。

1.3 樣品采集與測定

油菜、水稻收割后各采集土壤剖面，將剖面土壤分為4層，分別是0—5cm、5—30cm、30—60cm和60—100cm，土壤風干后研磨過2mm篩。土壤全磷測定采用硫酸-高氯酸消解法，具體操作參考魯如坤《土壤農業化學分析方法》[12]。土壤中水分散膠體磷參考Ilg等[9]采用的離心方法測定，具體操作如下：(1)10g土壤與80mL去離子水震蕩混合24h；(2)提取液在3000r/min下離心10min，去除粗顆粒；(3)然后將上清液過1μm生物膜，過膜液體被認為是土壤膠體溶液；(4)將此溶液在300000r/min下超速離心2h，去除土壤膠體顆粒；(5)未超速離心和超速離心的溶液，用酸性過硫酸鉀消解后鉬藍比色測定磷濃度，兩者之差即為膠體磷濃度[13]。超離心溶液經酸性過硫酸鉀消解后鉬藍比色得出水提取態真溶解性磷濃度。離心管在離心前后的質量差，可求得土壤膠體釋放量[14]。

表1 豬糞有機肥的理化性質Table 1 Properties of pig manure used in the study

1.4 數據處理

利用Excel 2010、SPSS 18.0軟件對數據進行統計作圖，所有數據測定結果均以3次重復的平均值表示，方差顯著性分析采用LSD法，顯著性水平設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 施肥對土壤全磷剖面分布的影響

水稻種植前后土壤全磷的變化情況(圖1)顯示，磷的輸入促進了磷素在表層土壤的集聚。油菜收割后在CK處理下，0—5cm土壤全磷含量為0.58g/kg，而P1、M、P2處理較CK處理分別高出48.2%、56.1%、73.7%。表層以下土壤，除M和P2處理下5—30cm土壤全磷明顯增加外，磷肥施用對全磷含量沒有影響。從水稻收割后土壤磷素的累積變化情況看，只有0—5cm和5—30cm土壤全磷與油菜收割后相比發生了變化。除CK處理下全磷減少外， P1、M、P2處理下0—5cm土壤全磷分別較油菜收割后提高了2.9%、7.4%、6.1%，5—30cm土壤全磷分別較油菜收割后提高4.7%、8.0%、3.9%。

施肥對土壤磷含量的影響主要體現在0—5cm和5—30cm的土壤。隨著施肥量的增加，土壤累積磷量也逐漸加大。由于植物的吸收利用，CK處理的磷素處于“負虧”狀態。長期過量施肥容易造成土壤磷素積累，增加磷素流失風險[15]。油菜收割后相比無機肥P1處理，P2處理下表層土壤全磷增量明顯。因為是撒施磷肥，水稻收割后施肥處理下的0—5cm土壤全磷較油菜收割后顯著提高，而5—30cm土壤全磷含量的增加表明在水稻淹水過程中磷素存在一定程度的下移。各施肥處理間30cm以下的土壤，全磷含量并無顯著性差異(P<0.05)，這說明土壤磷素下移程度有限，施肥對深層土壤的磷含量影響小。有研究表明長期施用有機肥容易造成磷素在土壤累積[16]。有機肥對磷素在土壤中的累積效應要高于無機磷肥處理，一方面可能是由于作物吸收主要是無機磷, 有機肥富含有機磷，有機磷能夠在土壤中集聚下來[17]，另一方面有機肥富含有機質，有機質可以通過競爭土壤礦物固磷點位而提高土壤磷素的活性，更易于發生遷移[18]。

圖1 不同施肥處理土壤剖面全磷含量Fig.1 The total P of soil profile in different fertilizer treatments

2.2 施肥對土壤剖面膠體釋放量的影響

土壤膠體釋放量隨土壤深度的增加，呈現增大趨勢(表2和表3)，且水稻種植前后發生了顯著變化。油菜收割后，施用有機肥增加了0—5cm和5—30cm的土壤膠體釋放量，與其它處理相比達到了顯著性差異(P<0.05)，而30cm以下土壤未出現差異。水稻淹水處理使0—5cm和5—30cm的土壤膠體釋放量減小，而30cm以下的土壤膠體釋放量有所增加。水稻收割后，有機肥處理下5—30cm和30—60cm的土壤膠體釋放量增加，無機肥和不施肥處理間并沒有差異。

表2 油菜收割后不同施肥處理土壤膠體釋放量/(g/kg)Table 2 The mass of soil colloidal particles in different fertilizer treatments after oilseed rape harvest

同一行中不同字母表示差異達到顯著水平(P<0.05)

表3 水稻收割后不同施肥處理土壤膠體釋放量/(g/kg)Table 3 The mass of soil colloidal particles in different fertilizer treatments after rice harvest

同一行中不同字母表示差異達到顯著水平(P<0.05)

從表2和表3可以看出，土壤膠體釋放量受到土壤深度影響，并隨土壤深度的增加而增加，這與Zang等[11]的研究一致。同時，施肥也對土壤膠體的釋放產生影響，主要是有機肥處理下有增加的趨勢，這可能是因為有機肥釋放有機膠體的原因所致[19]。水稻收割后0—5cm和5—30cm土壤膠體釋放量明顯減少，說明受淹水條件下土壤基質的活化、有機碳礦化[20]等過程影響，土壤膠體活化遷移流失。30cm以下土壤膠體釋放量的增加，則說明在水稻淹水過程中土壤膠體有可能隨土壤優勢流發生下移現象。因土壤膠體受多種因素的影響，深層土壤理化性質(pH值、電導率、氧化還原點位等)的變化，也可能是引起土壤膠體釋放量變化的原因。

2.3 施肥對土壤膠體磷剖面分布的影響

油菜收割后不同施肥處理土壤剖面膠體磷含量顯示(圖2)，土壤膠體溶液(<1μm)中磷素主要以膠體磷形式存在，膠體磷占到了土壤膠體溶液(<1μm)磷素的86.5%—92.7%， 占到了土壤全磷的0.6%—1.8%，且隨土壤深度的增加膠體磷含量逐漸減少。相比CK處理，施肥處理增加了0—5cm和5—30cm土壤膠體磷含量。0—5cm的土壤，CK、P1、M、P2各處理膠體磷含量分別為5.3、6.7、8.0、6.9mg/kg，占土壤膠體溶液(<1μm)總磷的86.5%、88.0%、90.1%、88.8%，占土壤全磷的0.9%、0.8%、0.7%、0.6%。5—30cm土壤，P1、M、P2處理膠體磷含量較CK處理分別提高了26.1%、39.0%、27.1%。有機肥處理下，膠體磷含量與無機肥處理相比達到了顯著性差異(P<0.05)。施肥對30cm以下土壤膠體磷含量沒有產生影響。

水稻收割后不同施肥處理土壤剖面膠體磷含量則顯示(圖3)，0—5cm和5—30cm土壤膠體溶液(<1μm)中磷素組成發生了顯著變化，膠體磷含量減少。0—5cm的土壤，CK、P1、M、P2各處理膠體磷含量分別為0.63、0.6、1.0、0.72mg/kg，僅為水稻種植前0—5cm土壤膠體磷的9.0%—12.5%，占到了土壤膠體溶液(<1μm)總磷的26.9%—36.2%，水提取態真溶解性磷成為了土壤膠體溶液磷素主要組成部分。5—30cm土壤膠體磷含量相比0—5cm增多，不同施肥處理之間并無顯著性差異。30cm以下的土壤膠體磷仍是土壤膠體溶液磷素的主要組成，均占到土壤膠體溶液(<1μm)總磷的90%以上。施肥對膠體磷含量的影響表現在30—60cm土壤中，有機肥處理下增量較大，與其它處理相比達到顯著性差異(P<0.05)，無機肥處理下膠體磷含量與不施肥處理相比也具有顯著性差異(P<0.05)。但不同處理間60—100cm土壤膠體磷含量沒有差異。

圖2 油菜收割后不同施肥處理土壤剖面膠體磷含量Fig.2 The contents of colloidal phosphorus of soil profile in different fertilizer treatments after oilseed rape harvest

圖3 水稻收割后不同施肥處理土壤剖面膠體磷含量Fig.3 The contents of colloidal phosphorus of soil profile in different fertilizer treatments after rice harvest

油菜收割后土壤膠體磷是土壤膠體溶液(<1μm)總磷的主要形態(圖3)，占到了85%以上。植物吸收利用主要是溶解態的磷，在溶解態磷和土壤固定的磷之間，膠體磷可能起到連接架橋的作用。磷素在土壤中易被固定，同時提取態的土壤膠體具有一定的吸附性能，所以水提取態下的真溶解性磷含量較少。Ilg等[9]對水溶劑提取下農田土壤磷有效性進行研究，發現土壤水提液中膠體磷含量明顯高于真溶解態磷，與我們的研究一致，這表明膠體磷是土壤活性磷的主要組成部分。因膠體特殊的遷移性，膠體磷在磷素遷移轉化中起到重要作用。

從油菜收割后土壤剖面膠體磷含量的變化可以看出，隨著土壤深度的增加，膠體磷含量減少。水稻收割后土壤膠體溶液(<1μm)的總磷含量發生顯著變化，0—5cm和5—30cm土壤膠體溶液磷含量減少，主要在于膠體磷的減少，水提取態真溶解性磷反而增加。這可能在于3個方面；一是水稻植株生長需吸收利用了大量磷素，膠體磷作為磷源，因解吸作用可以提供溶解性的磷；二是因為土壤淹水處理下顯著降低了土壤氧化還原電位，進而導致土壤膠體與土壤基質間結合的鐵膜被還原溶解，促發了土壤膠體或者膠體磷的徑流流失[7]；三是從土壤膠體釋放量的變化看，水稻收割后5—30cm和30—60cm的土壤膠體釋放量增加，這說明可能出現了膠體的下移，進而膠體磷也發生遷移。但由于膠體磷受多種環境因素影響，水稻淹水改變下層土壤的pH值、電導率等理化因素，進而改變土壤膠體的釋放影響膠體磷含量。

施肥對土壤膠體溶液(<1μm)磷素組成產生影響，增加了膠體磷含量。有機肥對土壤膠體磷的影響較無機肥處理更明顯，有機肥處理下30cm以上的土壤以及水稻收割后30—60cm的土壤，膠體磷含量與其它處理相比均具有顯著性差異，這可能是因為有機肥釋放有機膠體所致[19]。土壤膠體釋放量的變化，則進一步說明了有機肥的作用。王月立等[21]的研究證實施用有機肥更易于磷素向下遷移。而土壤大孔隙是糞便膠體結合態磷發生縱向遷移的重要通道[10]。從水稻種植前后剖面土壤膠體磷含量變化來看，水稻收割后30cm以下土壤膠體磷較油菜收割后增加了5.9%—18.3%，且30cm以上的土壤膠體磷含量減少，這說明了膠體磷可能存在的下移趨勢，且施用有機肥能夠促進這一趨勢。

3 結論

長期施肥試驗下土壤剖面磷素分布結果表明：施肥對土壤磷含量的影響主要集中在0—5cm和5—30cm的土壤。土壤膠體釋放量受到土壤深度影響，并隨土壤深度的增加而增加。稻田剖面土壤膠體磷含量約占土壤全磷的0.1%—2.0%，是磷素在土壤中賦存的重要形式，占到了土壤膠體溶液(<1μm)總磷的85%以上。磷肥施用能夠增加土壤膠體磷含量，有機肥對膠體磷的影響較無機肥顯著。水稻收割后，表層土壤膠體磷含量顯著減少。施有機肥、水旱輪作有助于保持土壤表層膠體磷庫的水平。水稻種植前后剖面土壤膠體釋放量和膠體磷含量的變化，特別是在有機肥處理下30—60cm的土壤，表明了膠體磷可能存在的縱向遷移。

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Effects of phosphorus addition on soil colloidal phosphorus content in a paddy soil profile

ZHAO Yue1, LIANG Xinqiang1,2,*, FU Chaodong2, ZHU Sirui2, JIN Yi1, YE Yushi1

1InstituteofEnvironmentalScienceandTechnology,Hangzhou310058,China2KeyLaboratoryofWaterPollutionControlandEnvironmentalSecurityTechnology,Hangzhou310058,China

Phosphorus (P) fertilization must be conducted with a clear understanding of P forms and their distribution in the soil profile.Excessive application of P fertilizers could eventually cause P accumulation, especially in the topsoil.P loss from a nutrient-enriched agricultural field can lead to eutrophication of water bodies, which has been a recent global concern.Traditionally, the P obtained after filtering a soil solution by using a 0.45-μm microporous membrane is defined as “particulate” or “dissolved” P species.Compared to the immobile soil matrix, colloidal particles (size, typically, between 1nm and 1μm) have larger surfaces and stronger sorption capacities.Colloid-facilitated P transport in agricultural soils has received much attention in recent decades because the binding of P species to colloidal particles can largely enhance its mobility.Therefore, colloidal P is an important contributor of P according to soil particle size fractionation, and it plays a significant role in the distribution, transformation, and variation of P in the soil environment.However, to date, few studies have shown the changes in soil colloidal P under long-term P fertilization.This study was based on long-term field experiments conducted in Hangjiahu Plain.We measured the changes of soil colloidal P contents and analyzed its distribution characteristics in a paddy soil profile, under different fertilization managements.Four P fertilizer treatments were applied: no fertilizer control (CK), low P fertilizer (P1, 26kg P /hm2), high P fertilizer (P2, 39kg P /hm2), and manure treatment (M, 26kg P /hm2).Soil samples were collected after oilseed rape and rice harvests, and the soil profiles were divided into four layers, 0—5, 5—30, 30—60, and 60—100cm.Soil total P concentration, mass of soil colloidal particles, and colloidal and truly dissolved P in water extraction were determined.Soil colloidal and truly dissolved P were determined using extraction with water, centrifugation, and ultra-centrifugation at 300000r/min for 2h to remove the colloids;P concentrations were determined using spectrophotometry based on binding with molybdenum and antimony.The mass of soil colloidal particles and colloidal P was calculated as the difference between non-ultracentrifuged and ultracentrifuged samples.Our results showed that colloidal P occupied at least 85% of the P in a soil colloidal solution and 0.1%—2% of the total P in the soil.P fertilization increased soil colloidal P concentration in all treatments, especially in the 0—5cm layer in the M treatment, in which colloidal P was 8.0mg/kg.Furthermore, soil colloidal P decreased with soil depth, except in the 0—5cm and 5—30cm layers after rice harvest.Colloidal P decreased significantly in these two layers after rice harvest, which might have resulted from the anoxic conditions during the flooded period of rice production.At 0—5cm depth, soil colloidal P after rice harvest was 90% lower than that after oilseed rape harvest;the reduction was less for the manure treatment.In general, compared to inorganic P fertilizer treatments, manure treatment had a more significant influence on soil colloidal P content.Colloidal P increased from 5.9% to 18.3% in the 30—60cm layer after rice harvest compared to that after oilseed rape harvest, mainly because of the vertical transport of colloidal P.Our results provide scientific evidence for the existing P forms within the soil profile and the transformation characteristics of P.Our study also offers guidance for evaluating the environmental risk of varying levels of colloidal P.

phosphorus addition;soil profile;colloidal phosphorus

國家自然科學基金面上項目(41271314);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07506-006-03)

2014-06-03; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:

日期:2015-05-20

10.5846/stxb201406031147

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liang410@zju.edu.cn

趙越, 梁新強, 傅朝棟, 朱思睿, 金熠, 葉玉適.磷肥輸入對稻田土壤剖面膠體磷含量的影響.生態學報,2015,35(24):8251-8257.

Zhao Y, Liang X Q, Fu C D, Zhu S R, Jin Y, Ye Y S.Effects of phosphorus addition on soil colloidal phosphorus content in a paddy soil profile.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8251-8257.