腐植酸增效劑對不同類型土壤中磷素形態轉化的調控

劉文博，李絮花

（山東農業大學資源與環境學院／土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安 271018）

磷作為植物體內僅次于氮和鉀的大量元素，既是植物體內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、呼吸和物質的運輸等重要生理作用［2，3］，是植物生長發育不可替代的元素。施用磷肥是提高作物產量的重要措施，在農業生產中起到越來越大的作用［4］。近年來，隨著全球人口數量的不斷增加［5］，人們對糧食數量和質量需求不斷提高，對磷肥的需求也日益增加，而磷肥的主要原料磷礦石數量有限且難以再生［6］，限制了磷肥產業的發展。與此同時，盲目、不合理的施用方式不僅造成磷素利用率低，更產生嚴重的環境污染［7］，限制了現代農業生產，威脅國家糧食安全。

腐植酸是一類天然大分子有機物質，含有羧基、羥基、甲氧基、醌基和酚羥基含氧活性官能團［8，9］，可以與磷素有效結合并生成HA－P復合物，使部分水溶性磷轉化成枸溶性磷，對磷起到緩釋作用［10］。腐植酸所起有機膠體的包被作用可在Al（OH）3、Fe（OH）3等表面形成一種保護膜，從而減輕鐵、鋁氫氧化物對磷酸根離子的吸附，增加磷的有效性，提高磷的利用率［11］。腐植酸可以通過其很強的負電性發生同晶替代作用，將被吸附的磷酸根離子從土壤礦物中取代出來，在這些過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性，進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］在腐植酸對設施土壤養分、鹽分及番茄產量和品質影響的研究中發現，腐植酸能明顯提高土壤速效磷含量。馬金奉等［15］通過模擬淋溶試驗發現生物腐植酸肥的施用可以減緩磷的淋失量。當前腐植酸對磷的相關研究，主要集中于腐植酸對土壤有效磷含量以及作物產量的影響，而對土壤磷素的形態轉換鮮有研究。本試驗利用腐植酸增效劑對潮土和紅壤進行培養，研究不同用量腐植酸增效劑對有效磷以及Ca2－P、Ca8－P、Al－P、Fe－P、O－P和Ca10－P等不同形態無機磷含量的影響，探求腐植酸增效劑對磷形態影響的機制，以期為腐植酸在肥料領域以及土壤改良領域的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗于2018年5月在山東農業大學資源與環境學院實驗室進行。供試土壤為采自中國農業科學院德州禹城試驗基地的潮土和江西省農業科學院的紅壤。土壤理化性質見表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

1.2 試驗設計

按等量化肥磷（P2O5施用量為0.30 g／kg土）投入原則，試驗設置5個處理：（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4 mm篩的200 g土壤混勻，裝入250 mL塑料培養杯中，用重量法調節土壤含水量至20%，塑料薄膜封口，并在薄膜上扎4個小孔，定期向培養杯中加水以保持土壤水分恒定。將培養杯置于25℃人工氣候箱中進行培養，每處理重復3次。于培養后的第3、15、30、60、90 d取樣測定相關指標。

1.3 測定項目與方法

按照蔣柏藩、顧益初［16］的土壤無機磷分級方法分別測定土壤樣品中Ca2－P、Ca8－P、Al－P、Fe－P、O－P、Ca10－P的含量；采用Olsen法測定土壤有效磷含量。

1.4 數據分析

用Microsoft Excel 2007進行數據整理與作圖，用SAS軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 腐植酸增效劑對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，但有效磷含量達到峰值的時間不同，潮土有效磷含量在培養3 d時即達峰值，且隨著培養時間的延長而降低，而紅壤有效磷含量在培養30 d時才達到峰值，之后隨著培養時間的延長呈降低趨勢。

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3 d時，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30、60 d和90 d時，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30 d時，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90 d時，HA1、HA2和HA3處理間差異不顯著，但均顯著高于CK1。

圖1 腐植酸增效劑對潮土和紅壤有效磷含量的影響

2.2 腐植酸增效劑對潮土和紅壤中各形態無機磷含量的影響

2.2.1 對土壤中Ca2－P含量的影響 由圖2看出，施用磷肥培養3 d時潮土Ca2－P含量遠高于紅壤，30 d和90 d差異仍較明顯。潮土在培養3 d時Ca2－P含量達到峰值，之后隨著培養時間的延長而降低；與潮土不同，紅壤Ca2－P含量在培養30 d時達到峰值，在整個培養時期Ca2－P含量呈先增加后降低的趨勢，總體變化不大。

由圖2A看出，培養30 d時，潮土Ca2－P含量與培養3 d時相比大幅下降。CK1、HA1、HA2和HA3分別下降42.52%、41.44%、40.25%、48.89%。培養90 d時Ca2－P含量繼續下降，但降幅較小，表明磷素在土壤培養中前期被快速固定。在培養3、30 d和90 d時，HA1、HA2和HA3的Ca2－P含量均顯著高于CK1，培養3 d時，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前期對紅壤Ca2－P含量沒有顯著影響，培養后期能顯著提高土壤Ca2－P含量。

圖2 腐植酸增效劑對土壤Ca2－P含量的影響

2.2.2 對土壤中Ca8－P含量的影響 由圖3看出，施肥后潮土Ca8－P含量要遠高于紅壤，且隨培養時間的延長呈上升趨勢，而紅壤的Ca8－P含量隨培養時間的延長無明顯變化。

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3 d時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前期潮土Ca8－P含量；而培養30 d時HA1、HA2和HA3分別比CK1顯著降低12.38%、7.64%、14.47%，培養90 d時則分別降低1.95%、10.12%、15.17%，其中HA3處理降低顯著。表明，腐植酸增效劑促進培養初期潮土其它形態磷向Ca8－P的轉化，而抑制培養后期向Ca8－P的轉化。

圖3 腐植酸增效劑對土壤中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，但整個培養期Ca8－P含量變幅較小。培養3 d時HA1、HA2、HA3處理與CK1無顯著差異；培養30 d和90 d時HA2、HA3與CK1差異顯著，30 d時土壤Ca8－P含量分別增加14.67%、30.71%，90 d時分別增加12.12%、26.59%。表明腐植酸增效劑能促進培養中后期紅壤其它形態磷向Ca8－P的轉化。

2.2.3 對土壤中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，隨著培養時間的延長紅壤Al－P含量呈上升趨勢，而潮土Al－P含量一直處于平穩狀態。潮土在培養3～30 d時HA3處理土壤Al－P含量顯著高于CK1（圖4A），90 d時添加活化腐植酸的3個處理均與CK1差異不顯著，表明高量腐植酸增效劑對潮土中前期Al－P含量影響顯著，對后期影響較小。

由圖4B看出，培養3 d時紅壤的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30 d時HA1、HA2、HA3處理分別比CK1顯著降低25.76%、18.32%、8.61%；培養90 d時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，減少其它形態磷向Al－P的轉化。

圖4 腐植酸增效劑對土壤Al－P含量的影響

2.2.4 對土壤中Fe－P、O－P和Ca10－P含量的影響 由表2可知，潮土各處理Fe－P含量遠低于紅壤，而Ca10－P含量比紅壤高出數倍；兩種土壤O－P含量差異較小。隨著培養時間的延長潮土HA2、HA3處理的Ca10－P含量呈上升趨勢，而Fe－P和O－P含量變化較小；紅壤Fe－P、Ca10－P和O－P含量均變幅不大。與CK1相比，在整個培養過程中潮土HA1、HA2、HA3處理土壤Fe－P和Ca10－P含量沒有顯著差異，培養30 d時僅HA3處理的O－P含量與CK1差異顯著，其余培養時間各處理均與CK1差異不顯著。培養3 d時紅壤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差異達顯著水平。

表2 腐植酸增效劑對土壤各形態無機磷含量的影響 （mg／kg）

3 討論

磷不但是作物生長所必需的大量營養元素，也是農業生產中重要的養分限制因子［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量的重要指標。樊紅柱等［20］對紫色水稻土進行長期施肥發現，施化肥可以顯著提高土壤有效磷含量和水稻產量。仲子文［21］、林誠［22］等的研究發現，有機無機肥料配施能顯著提高有效磷含量。本研究也表明，與不施肥對照相比，施磷肥后培養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15～90 d內潮土和紅壤的有效磷含量。活化腐植酸對有效磷含量的正激發效應在裴瑞杰等［23］的研究中也有發現。本研究表明，潮土中HA1處理培養15 d時有效磷含量顯著高于CK1，而培養3 d和30 d時HA2有效磷含量顯著低于HA3處理的結果在15 d時沒有出現，這可能與培養3～15 d內潮土有效磷含量整體迅速降低有關。培養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土壤有效磷含量的影響是有時限的。高量腐植酸增效劑可以顯著增加潮土有效磷含量，但隨著時間推移影響逐漸降低。紅壤中HA1處理可以顯著提高培養30 d時的土壤有效磷含量，而對之前的影響差異不顯著。表明低量腐植酸增效劑對紅壤的正效應需要一定的時間，這可能是紅壤的低pH值導致的。3～60 d內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HA1、HA2和HA3處理差異不顯著，這表明腐植酸用量對紅壤有效磷含量的促進作用也是有時限的。

土壤磷含量的60%～80%為無機磷，無機磷中又以礦物態磷為主。土壤中大量水溶性磷被Fe3＋、Al3＋、Ca2＋等離子固定為難溶磷酸鹽，嚴重影響土壤磷的有效性。土壤磷含量的缺少與無機磷的形態密切相關。Shen等［24］發現，Ca2－P和Ca8－P的含量影響作物對磷的吸收。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3～90 d和紅壤培養30～90 d的HA3處理中Ca2－P含量均顯著高于CK1，說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3 d和90 d的潮土及培養30、90 d的紅壤中HA3處理Ca2－P含量均高于HA1和HA2，且培養30 d的紅壤Ca2－P含量明顯高于3 d和90 d。這說明腐植酸增效劑用量對潮土Ca2－P含量的影響主要體現在培養前期（3 d）和后期（90 d），而對紅壤Ca2－P含量的影響主要體現在中期（30 d）。

添加腐植酸處理的潮土Ca8－P含量在培養3 d時與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30 d時Ca8－P含量顯著降低，O－P含量顯著升高；培養90 d時，HA3處理Ca8－P含量顯著降低，Fe－P和Al－P含量無顯著差異。表明活化腐植酸促進培養初期潮土其它形態磷向Ca8－P的轉化，抑制培養后期向Ca8－P的轉化，足量的活化腐植酸（添加量≥5%）對培養前期的Fe－P和Al－P含量有顯著影響，而對培養后期的影響不大。

添加腐植酸可以促進培養中后期紅壤中其它形態磷向Ca8－P的轉化。與潮土相比，腐植酸增效劑對紅壤Ca8－P含量影響較弱，而對Al－P和Fe－P含量影響更強，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%）才會對Ca8－P、Al－P和Fe－P含量產生顯著影響。

4 結論

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15～90 d的有效磷含量。隨著培養時間的延長，潮土有效磷含量出現遞減趨勢，紅壤有效磷含量出現先增加后減少趨勢且培養期變幅較小。

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

添加5.0%活化腐植酸處理可以增加潮土整個培養期Ca2－P及前期Ca8－P和Fe－P含量，并可增加紅壤培養后期Ca2－P和中后期Ca8－P含量，降低整個培養期的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培養期Ca2－P含量和前期Ca8－P含量，顯著降低紅壤整個培養期的Al－P含量。