吉林省典型土壤磷素形態及有效性

吳璐璐，柳小琪,張澤興，周 薇，呂家瓏

(1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西楊凌 712100;2.農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100)

磷是植物生長發育過程中不可缺少的大量元素之一，是植物體內許多重要有機化合物的組成成分，以多種方式參與植物體內的代謝活動[1]。植物生長所需要的磷素主要來源于土壤，磷在土壤中常以無機態、有機態兩種形式存在，無機磷一般占土壤磷庫的60%～80%，包括礦物態磷、吸附態磷和土壤溶液中的磷，有機磷包括植素類、磷脂類、核酸類[2]，土壤中磷素的豐缺及供給狀況直接影響著植物的生產水平，受地球化學過程、生物作用和人類活動的影響，磷素在土壤中存在著多種形態，各形態間也存在復雜的轉換關系，不同形態磷的生物有效性不同，其循環過程也存在差異，并在系統有效磷的供應中起著各自不同的作用[3]。吉林省作為中國主要的產糧大省，實現了糧食連年增產[4]，但農戶在作物種植中普遍大量施磷對農田營養造成影響[5]。有研究表明，土壤有效磷與磷肥施用量密切相關，一定范圍內增施磷肥可顯著提高土壤有效磷，超過這一范圍有效磷不再增加[6]，當土壤速效磷(Olsen-P)含量大于磷素淋失臨界值時，吉林省土壤磷存在磷素淋失風險[7]。土壤磷分級能夠很好地了解土壤中有效磷含量和磷素在土壤中的供應情況，如李運陽等[8]采用土壤無機磷分級的方法探究黑鈣土各組分無機磷的含量及其與速效磷的相關性。化黨領等[9]采用土壤無機磷分級的方法對吉林省西部黑鈣土進行無機磷組成進行研究，并研究石灰性土壤不同土層磷形態的空間分布特征。改進后的Hedley分級法[10]可將土壤磷按照其對植物有效性的大小和轉化特征的不同進行分級，該方法同時考慮了無機磷和有機磷，不同磷組分在內的量化。因而改進后的Hedley分級法被國內外學者廣泛用于土壤磷形態的研究中[11-13]。

近年來，國內外許多研究者先后提出了多種磷素分級方法，但不同的磷素分組方法對磷形態的描述也不同，土壤無機磷的分級早在20世紀30年代就已經進行，在石灰性土壤上應用最久、最多的方法是張守敬-杰克森法[14]，該方法將土壤無機磷分為5級：水溶性磷(H2O-P)由NH4Cl浸提出的磷；Al-P由中性NH4F溶液浸提出的磷；Fe-P由0.1mol/L NaOH浸提出的磷；閉蓄態磷(O-P)由檸檬酸鈉、低亞硫酸鈉、氫氧化鈉浸提出的磷；Ca-P由0.5mol/L1/2H2SO4浸提出的難溶態的磷酸鈣鹽。張-杰體系在石灰性土壤上存在一定的不足，如王艷玲[15]以吉林玉米帶黑土為供試土壤，重點研究了耕層土壤的磷素營養狀況、不同形態無機磷的組成、對磷素的吸附及解吸特性。因此，蔣柏藩-顧益初[16]于1989年將此方法進行改進，將磷酸鈣鹽進一步分成3種類型：Ca2-P、Ca8-P及Ca10-P。如李月芬等[17]對吉林省不同施肥條件下鹽堿土無機磷形態的研究，但該方法不足之處在于未能包含有機形態磷且在用NH4F溶液浸提時，會因產生CaF2而導致磷的沉淀(或吸附)，從而使Al-P偏低，Fe-P偏高[18]，對Al-P、Fe-P難以達到清楚分組的目的[19]，因此采用改進后的Hedley分級方法。1987年Bowman等[20]首次提出土壤有機磷對植物有效性分組較系統的化學鑒別法，將土壤有機磷分為：活性有機磷、中活性有機磷、中穩性有機磷、高穩性有機磷4組。王鳳菊[21]對黑土、紅壤以及潮褐土3種典型土壤進行有機磷素化學特征研究發現，該方法有機磷的測定主要是用間接法，如灼燒法或浸提法，都不夠準確。至今有機磷的測定仍然是研究土壤有機磷化合物轉化過程的一個突出問題[22]。

農田土壤中磷的形態和含量受多種因素的影響，如土壤類型、土壤性質、地理位置、氣候條件、作物種植方式和施肥方式等，同時還受土地利用類型和經營管理方式等的影響，然而對于某一特定區域涉及不同土壤類型的磷形態相關研究尚較少。因此，本研究采用土壤磷連續提取方法(改進后的Hedley分級方法)對吉林省黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤農田土壤進行研究，旨在探明吉林省不同土壤類型磷素形態的含量及分布特征，為科學評價土壤磷的有效性、實現磷素高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

吉林省位于中緯度歐亞大陸的東側，是東北亞地區的地理中心，主要位于東經121°38′～ 131°19′和北緯 40°52′～46°18′[23]，屬于溫帶大陸性季風氣候，地帶性土壤主要包括黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤等。其中黑土中耕地面積為 8.3×105hm2，占全省耕地面積的15.55%；白漿土中耕地面積為5.0×105hm2，占全省耕地面積的9.40%；黑鈣土中耕地面積為1.4×106hm2，占全省耕地面積的26.99%；暗棕壤中耕地面積為5.7×105hm2，占全省耕地面積的 10.68%[24]。土壤基本信息見表1。

表1 吉林省4種土壤類型基本信息Table 1 Basic information of 4 soil types in Jilin province

1.2 樣品采集和制備

供試土壤樣品2018年9月采于吉林省春玉米種植區，采集當地具有代表性、分布面積較大的4種土壤類型(黑土，29個；白漿土，46個；黑鈣土，21個；暗棕壤，44個)，根據“等量、隨機、多點混合”的取樣原則，同時避開堆肥、田埂、路沿等特殊區，取0～20 cm表層土壤，將采集的土樣自然風干，并分別通過孔徑2 mm、1 mm、0.25 mm、0.15 mm的篩子后，裝入封口袋供試驗分析。

1.3 試驗方法

Tiessen等[10]改進后的Hedley磷分級方法操作簡要如下：稱取過100目土壤樣品0.500 1 g(精確至0.1 mg)置于干凈的50 mL高速離心管中，向離心管中分別加入30 mL去離子水和1.0 g陰離子樹脂顆粒、0.5 mol/L NaHCO3、0.1 mol/L NaOH、1 mol/L HCl，運用鉬銻抗比色法分別測定樹脂磷(Resin-Pi)、碳酸氫鈉磷 (NaHCO3-P)、氫氧化鈉磷(NaOH-P)，稀鹽酸磷(D.HCl-P)；濃鹽酸磷(C.HCl-P)用濃鹽酸，水浴提取，用鉬銻抗測定；最后土樣用H2SO4-H2O2消煮30 min，進行轉移后定容，用鉬銻抗比色法測定Residual-P(殘留態磷)。

1.4 數據處理與計算

采用Excel 2003對試驗結果進行統計，用SPSS 16.0進行相關性分析(Correlate Pearson)及通徑分析(Path analysis)確定土壤有效磷與各形態磷組分之間的關系，采用單因素方差分析(Onen way ANOVA)中的LSD法對不同土壤類型之間各磷組分進行顯著性檢驗分析。

2 結果與分析

2.1 不同土壤類型無機磷素形態含量

由圖1可知，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤總無機磷含量占總磷含量的比例分別為56.73%、55.33%、55.57%、59.72%。無機形態的磷素中，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤中土壤類型的Resin-Pi在總無機磷中的平均占比分別為5.84%、 2.56%、3.37%、2.44%，不同土壤類型相比，黑土與暗棕壤之間無著差異，白漿土與黑鈣土之間無顯著差異，活性無機磷(NaHCO3-Pi)含量在4個土壤類型中的變化規律表現為：黑土>暗棕壤>白漿土>黑鈣土，各個土壤類型間的顯著差異性同Resin-Pi形態表現規律基本一致，這是因為Resin-Pi與NaHCO3-Pi均是土壤中可供植物直接吸收利用的活性磷形態；潛在活性無機磷(NaOH-Pi)含量在黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤上分別占總無機磷含量的15.94%、12.60%、 4.18%、10.13%，黑土與暗棕壤之間無顯著差異，而黑鈣土含量最低且顯著低于其余土壤；高穩性無機磷(C.HCl-Pi)含量在黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤中表現順序為暗棕壤>白漿土>黑土>黑鈣土，暗棕壤與其余土壤類型均存在極顯著性差異；不同土壤間穩定性無機磷(D.HCl-P)含量相比于其他無機磷形態含量均達到最高，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤各土壤類型含量在總無機磷中的平均占比分別為55.47%、60.34%、69.97%、66.53%，暗棕壤顯著高于其余3種土壤。

2.2 不同土壤類型有機磷素形態含量

4種不同土壤類型有機磷含量特征見圖2。與無機磷相比，土壤有機磷含量稍低，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤有機磷總含量分別占土壤磷素總量的43.27%、44.67%、44.43%、40.28%；NaHCO3-Po作為活性有機磷在4種土壤中的含量均較NaOH-Pi偏高，黑土與白漿土之間無顯著差異，而暗棕壤與其余土壤均呈顯著性差異；在潛在活性有機磷(NaOH-Po)中，暗棕壤含量最高，黑鈣土最低，黑土與白漿土之間無顯著差異，這與NaHCO3-Po形態的變化規律大體一致；穩定性有機磷(C.HCl-Po)在黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤土壤類型的總有機磷中的平均占比分別為11.02%、12.55%、14.52%、13.22%，暗棕壤與其余3種土壤類型均呈顯著差異；4種土壤類型中Residual-P(殘留態磷)含量在有機磷組分中均較高，含量變化在109.51～152.58 mg/kg，4種土壤之間均無顯著差異，總體變化幅度較小。

2.3 土壤有效磷與不同土壤類型各磷組分含量的相關性

土壤理化性質影響土壤磷的形態、有效性及供應潛力，通過對黑土、白漿土、黑鈣土農田土壤不同形態磷組分與有效磷之間的簡單相關分析中發現(表2)，黑土與白漿土的Resin-Pi、NaHCO3-P(NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)、NaOH-P(NaOH-Pi、NaOH-Po)與土壤的有效磷均呈極顯著正相關，且以活性磷組分NaHCO3-Pi與有效磷的相關系數最大，而C.HCl-P(C.HCl-Pi、C.HCl-Po)與有效磷相關性相對較低，均沒有達到顯著水平，說明有效性較高的磷組分之間容易發生轉化而互相補充，而穩定性高的HCl-P(D.HCl-P、C.HCl-P)轉化比較難。黑鈣土中的Resin-Pi、NaHCO3-P、NaOH-P均與有效磷達到極顯著正相關，而鹽酸提取態磷與有效磷之間均無相關性，其中以無機磷組分中的Resin-Pi與有效磷的相關性最好，達到極顯著水平，可見，在在黑鈣土中穩定性磷(HCl-P)較難轉化為有效磷，而活性磷(Resin-Pi、NaHCO3-P)與潛在活性磷(NaOH-P)是土壤中重要的磷源。

表2 不同土壤各磷素組分與有效磷相關關系Table 2 Correlation between various phosphorus components and avoilable phosphorus in different soils

暗棕壤的Resin-Pi、NaHCO3-P(NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)、D.HCl-P與土壤的有效磷均呈極顯著正相關，而NaOH-Po和濃鹽酸提取態磷 (C.HCl-P)與有效磷無顯著相關關系，其余土壤并沒有出現磷形態與潛在活性有機磷(NaOH-Po)無相關性，故對暗棕壤進行進一步的通徑分析，從表3可看出，Resin-Pi對有效磷的直接通徑系數為0.845，且表現為正效應，NaOH-Pi通過Resin-Pi對有效磷的間接通徑系數為 0.428，在所有間接通徑系數中也是最大的，且暗棕壤中的Resin-Pi與有效磷的相關關系最為顯著(P< 0.01)，相關系數達0.945，表明，同黑鈣土一樣，在暗棕壤中土壤主要磷源為Resin-Pi。

表3 暗棕壤土壤磷組分與土壤有效磷的通徑分析Table 3 Path analysis of phosphorus component in dark brown soil and available phosphorus in soil

3 討 論

3.1 不同土壤類型磷素形態含量特征

本文采用Hedley提出的土壤磷素的分級方法，對吉林省的4種典型土壤(黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤)進行磷素的分級，將土壤磷分為有機磷和無機磷。在無機磷中，Resin-Pi和NaHCO3-Pi是土壤各形態磷中最容易受到各種因素影響的部分，也是活性最強的部分，通常稱為土壤活性磷(Labile P)。結果表明，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤4種土壤類型的無機磷含量占總磷含量的平均比例分別為56.73%、55.34%、55.57%、 59.72%，這與劉建玲等[25]的研究結果一致，石灰性土壤中，無機磷含量占土壤全磷含量的比例最高。4種典型土壤中，Resin-Pi與NaHCO3-Pi作為活性磷大體變化規律基本一致，黑土與暗棕壤無顯著相關性，白漿土與黑鈣土無顯著相關性，這可能由于與白漿土和黑鈣土相比，黑土與暗棕壤的有效磷含量相對稍高；無機磷都以D.HCl-P為主，這與向萬勝等[26]研究結果一致，表明可供植物直接吸收利用的磷是土壤中水溶性磷，一般為無機磷，是土壤的最直接磷源。

Notes:The remaining diameter coefficient Pe=0.184, the determination coefficientR2=0.966,X1,X4,X7 represent Resin-Pi, NaOH-Pi, C.HCl-Pi,respectively.Yrepresents effective phosphorus.

在有機磷中，土壤的活性有機磷(NaHCO3-Po)和中等活性有機磷(NaOH-P)屬于較易礦化被植物吸收利用的磷形態[27]。本研究表明，中活性有機磷NaOH-Po含量較高，為30.84～155.40 mg/kg，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤中活性有機磷含量占總有機磷含量的平均比例分別為占 45.49%、43.37%、26.31%、49.51%，這與谷思玉等[28]的研究結果一致。4種典型土壤中，有機磷含量變化趨勢大體為中等活性有機磷(NaOH-Po)>活性有機磷(NaHCO3-Po)>高穩性有機磷 (C.HCl-Po)，這與馬艷梅[29]與梁運江等[30]的研究結果一致。

3.2 土壤磷素與有效磷的相關關系及有效性

土壤Hedley分級形態與有效磷存在一定關系，一般認為，土壤有效磷與某形態磷組分的相關性愈顯著，則該形態組分磷的有效性愈大，其相對有效性也越高[31]。在4種土壤中，土壤有效磷與不同的土壤之間具有不同的相關性，4種土壤有效磷均與各磷形態呈顯著相關關系，黑土與白漿土中Resin-Pi是土壤中最重要的磷源，而黑鈣土與暗棕壤中NaHCO3-Pi是作物吸收的最有效磷源，這與楊小燕[32]和謝英荷等[33]的結果一致。用0.1 mol/L NaOH溶液提取的磷包括與土壤Fe、Al化合物(化學吸附)以及粘粒結合的無機態磷(NaOH-Pi)和與土壤中腐殖酸結合的有機態磷(NaOH-Po)，它們都屬于中等活性的磷，4種土壤中，除暗棕壤的NaOH-Po形態外，其余土壤有效磷均與NaOH-P達到極顯著相關性，這與穆曉慧等[34]在黃土高原石灰性土壤中的研究結果一致。由于各磷素形態含量存在差異，因此通過簡單的相關分析不能很好的比較各形態磷組分對土壤磷素有效性的貢獻大小及方式，故對暗棕壤應用通徑分析(表3)通過得到的直接通徑系數、間接通徑系數和相關系數等參數來反映暗棕壤中NaOH-Po磷形態的相對有效性，經變量剔除后，Resin-Pi、NaOH-Pi和C.HCl-Pi被保留下來，它們是對土壤有效磷貢獻較大的磷素形態(剩余通徑系數Pe=0.184，決定系R2=0.966，說明所有重要因素都考慮在內)，表明在暗棕壤中Resin-Pi對有效磷的貢獻最大，這與向萬勝等[26]的研究結果一致。

土壤各磷組分之間存在一定的相互影響與制約，植物有效磷源的多少取決于土壤各磷組分之間的分布狀況和轉化方向，用稀HCl提取的磷(D.HCl-P)形態，類似于無機磷分級中的Ca-P，在石灰性土壤中主要提取磷灰石型磷，4種土壤類型中，非活性磷HCl-Pi與有效磷之間的相關系數均較低，但在黑土、白漿土、暗棕壤中，D.HCl-P與Resin-Pi、NaHCO3-Pi存在極顯著相關關系，說明非活性磷與其余某些磷組分之間存在相互轉化過程，可能是因為鹽酸磷是潛在的有效磷源這與滕澤琴等[35]的研究結果一致。Residual-P被認為是土壤中難溶性的磷，在土壤環境中發生的一系列變化可活化部分難溶性磷，使之向其他有效性較高的磷形態轉化，提高磷的有效性，也有研究表明，殘留磷在較長的時間內對植物是有效的[36-37]。

4 結 論

吉林省4種典型供試土壤無機磷素形態占總磷形態分別為56.73%、55.33%、55.57%、 59.72%，無機磷形態以HCl-P為主；NaOH-Po在有機磷形態所占比例較高，黑土、白漿土、黑鈣土、暗棕壤含量比例分別為29.04%、27.10%、 11.43%、34.00%，Residual-P含量在4種土壤中含量為109.51～152.58 mg/kg，變化幅度較小。4種典型土壤有效磷均與Resin-Pi、NaHCO3-P、NaOH-Pi存在極顯著相關性，除暗棕壤外，其余土壤也與NaOH-Po具有極顯著相關關系，NaOH-Po可通過其他磷素形態對土壤有效磷產生影響。黑土與白漿土中，NaHCO3-Pi是土壤中最直接的磷源，黑鈣土與暗棕壤中Resin-Pi是作物吸收的有效磷源。