黑土有效磷閾值區(qū)間的磷形態(tài)特征及對土壤化學性質的響應

秦貞涵，王瓊，張乃于，金玉文，張淑香

黑土有效磷閾值區(qū)間的磷形態(tài)特征及對土壤化學性質的響應

秦貞涵，王瓊，張乃于，金玉文，張淑香

中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081

【目的】土壤有效磷（Olsen P）的農學閾值及環(huán)境閾值是土壤磷素管理的重要依據，但不同閾值區(qū)間磷形態(tài)學特征尚不明確。研究黑土有效磷不同閾值區(qū)間的磷形態(tài)特征及其影響因素，有助于理解土壤磷的轉化過程，為優(yōu)化有效磷管理和提高磷資源利用效率提供參考?！痉椒ā坎杉止鲙X市9個有效磷含量不同（11、21、31、40、57、69、128、331、490 mg·kg-1）的農田耕層（0—20 cm）土壤，利用Tiessen-Moir修正的Hedley磷分級法，對土壤無機磷和有機磷進行分級，并分析其與土壤有機質（SOM）、C/P、鐵鋁氧化物等土壤化學性質之間的關系，明確土壤有效磷不同閾值區(qū)間的磷形態(tài)特征及主控因素?！窘Y果】黑土磷庫以無機磷為主，占比為71.25%—96.19%，有機磷占比較小，約為3.81%—28.75%。有效磷水平低于農學閾值（7.4—13 mg·kg-1）時，活性態(tài)磷（LP）占比最?。?9.89%）；有效磷水平低于環(huán)境閾值（51.0—56.4 mg·kg-1）時，中活性態(tài)磷（ML-P）和穩(wěn)定態(tài)磷（OP）占比接近，分別為36.03%和35.49%，均高于LP占比（28.48%）；有效磷水平高于環(huán)境閾值時，LP占比最高（42.86%）。有效磷水平高于環(huán)境閾值時，土壤的LP、ML-P的含量顯著高于有效磷水平低于環(huán)境閾值的土壤，樹脂磷（Resin-P）是環(huán)境閾值前后區(qū)間變幅最大的磷形態(tài)。PAC、M3-Al、游離態(tài)鋁（Ald）、絡合態(tài)鐵鋁（Fep、Alp）、非晶質態(tài)鐵鋁（Feo、Alo）隨有效磷水平的增加而顯著增加，C/P隨有效磷水平增加而顯著降低。相關分析表明，有效磷水平低于環(huán)境閾值時，SOM和活性較高的無機態(tài)磷（Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi）呈顯著正相關關系；有效磷水平高于環(huán)境閾值時，Fep+Alp與無機態(tài)磷（Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、D.HCl-Pi、C.HCl-Pi）呈顯著正相關關系。冗余分析結果表明，有效磷水平低于環(huán)境閾值時，SOM和M3-Fe是影響黑土磷形態(tài)變化的關鍵因子，分別解釋了全部變異的50.2%和24.1%；有效磷水平高于環(huán)境閾值時，Fep+Alp是造成磷形態(tài)差異的關鍵因子，解釋了全部變異的68.1%?！窘Y論】活性態(tài)磷在有效磷水平低于農學閾值時占比最小，在有效磷水平超過環(huán)境閾值時，其占比最大，Resin-P是在環(huán)境閾值前后區(qū)間變幅最大的磷形態(tài)。SOM和M3-Fe是土壤有效磷水平低于環(huán)境閾值、Fep+Alp是高于環(huán)境閾值土壤影響磷形態(tài)變化的關鍵因子。

黑土；有效磷；農學閾值；環(huán)境閾值；磷形態(tài)；土壤化學性質

0 引言

【研究意義】磷是植物生長和發(fā)育的關鍵營養(yǎng)元素之一[1]。土壤中可被植物直接吸收利用的磷通常被定義為有效磷（Olsen P），是評估土壤磷素的重要指標[2]。為了增產穩(wěn)產，長期大量的磷肥被投入到農田，土壤中有效磷含量明顯增加[3-4]。當土壤有效磷含量超過某一臨界值，作物產量不再隨施磷量的增加而明顯增加，該值即為土壤有效磷農學閾值[5]。當有效磷含量繼續(xù)升高超過某一臨界值，會顯著增加磷素通過徑流或淋失造成嚴重面源污染的風險，該值被稱為土壤有效磷環(huán)境閾值[6]。目前我國農田土壤磷素水平多高于農學閾值甚至超過環(huán)境閾值[7]，合理施用磷肥對保持農業(yè)高產和環(huán)境保護意義重大。研究有效磷不同閾值區(qū)間土壤磷素形態(tài)特征及其影響因素，可為土壤磷素高效利用提供科學依據?！厩叭搜芯窟M展】土壤磷素形態(tài)是影響土壤有效磷水平的重要因素[8]。土壤磷形態(tài)分級的分析方法為土壤磷形態(tài)研究提供了重要基礎，1982年由Hedley等[9]提出，Tiessen等[10]修正的分級法是基于植物有效性大小和轉化特征來表征不同無機（Pi）和有機（Po）磷形態(tài)最常用的方法，廣泛應用于評價土壤有效磷庫大小及土壤磷素的供應狀況[11-12]。該方法將磷分為活性態(tài)磷（Resin-P，NaHCO3-Pi+Po），中活性態(tài)磷（NaOH-Pi+Po，D.HCl-Pi）和穩(wěn)定態(tài)磷（C.HCl-Pi+ Po，Residual-P）[11]。其中，活性態(tài)磷有效性最高，可被植物直接吸收利用。土壤磷形態(tài)特征和轉化受到多種因素的影響，如施肥措施、土壤類型、作物體系等。有研究表明，長期持續(xù)施用化學磷肥會增加Resin-P、NaHCO3-Pi等可利用態(tài)無機磷的含量和相對比例，降低殘余態(tài)磷和有機磷的比例[13-14]。而化肥有機肥配施則會增加NaOH-Pi等中活性態(tài)磷含量[15]。有研究發(fā)現石灰性土壤上水稻-小麥體系的NaOH-Pi和D. HCl-Pi含量顯著高于玉米-小麥和玉米連作體系[16]。另外長期的撂荒會顯著降低活性態(tài)磷的含量及比例[17]。土壤化學性質也會對磷形態(tài)特征產生重要影響，如焦亞鵬等[18]通過RDA分析研究發(fā)現，土壤有機碳是影響甘肅黃綿土無機磷形態(tài)變化的主要因子。王蕾等[19]在紅壤旱地上的研究認為，pH和CEC是影響磷素有效性的主控因子。而磷在土壤中的存在形態(tài)也會受到鐵鋁氧化物等的影響，如土壤中的磷會吸附在晶型較差的鐵鋁氧化物（絡合態(tài)和非晶質態(tài)等）表面而形成NaOH-Pi等中活性態(tài)磷，當土壤中磷濃度下降，這部分磷也會解吸出來[20-21]。另外游離態(tài)鐵鋁氧化物的增加會增強對磷酸根的吸附，提高土壤最大吸磷量[22-23]。大量研究表明，土壤磷形態(tài)與有效磷含量存在較強的相關性[14,24]，王瓊等[25]認為有效磷含量的變化值與Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、C.HCl-Po變化值間存在極顯著的相關性。吳璐璐等[24]在潮土上的研究發(fā)現，除NaOH-Po外，其他形態(tài)磷含量均與有效磷含量極顯著相關?！颈狙芯壳腥朦c】東北黑土區(qū)是我國最主要的糧食生產基地之一，對國家糧食安全起著重要作用。目前該地區(qū)有效磷農學閾值為7.4—13.0 mg·kg-1[26]，環(huán)境閾值為51.0—56.4 mg·kg-1[7, 27]，由于長期不同用量的磷肥投入，造成土壤有效磷含量差異大[4]，部分土壤有效磷水平高于農學閾值和環(huán)境閾值。現階段關于磷形態(tài)的研究集中于不同施肥措施、土壤類型，但關于土壤有效磷不同閾值區(qū)間的磷形態(tài)特征及其影響因素的研究還不多見。【擬解決的關鍵問題】采集吉林公主嶺經長期施磷后有效磷含量不同的土壤樣品，采用Hedley等提出，經Tiessen等修正的連續(xù)浸提分級法進行磷形態(tài)測定，研究土壤有效磷閾值區(qū)間的磷形態(tài)特征及主控因素，以期為制定合理的磷素管理策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于吉林省公主嶺市（43.5047° N，124.8228° E），該地區(qū)地勢平坦，海拔為600 m，屬于溫帶大陸性季風氣候，長期平均年降水量為572 mm，年平均氣溫為4—5℃，年積溫2 800℃。土壤為壤質黏土，成土母質為第四紀黃土狀沉積物。試驗區(qū)耕層（0—20 cm）土壤有機質含量平均為22.8 g·kg-1、全氮1.40 g·kg-1、全磷0.60 g·kg-1、全鉀18.42 mg·kg-1、有效磷11.80 mg·kg-1、容重1.20 g·cm-3，pH 5.60。

1.2 試驗設計

該定位試驗始于2013年，設置6個施磷量水平，按P2O5計分別為0、67.5、135、180、225、360 kg·hm-2，重復3次。各處理氮肥用量180 kg·hm-2，鉀肥用量100 kg·hm-2。供試作物為玉米連作，一年一季。玉米品種為鄭丹958，于4月末播種，9月末收獲，化肥在播種期前一次性施入。土壤樣品采集于2016—2019年的不同施磷水平的土壤，每個處理均采用“S”形布點采集耕層土樣5點，充分混勻，揀去石礫和動植物殘體，風干并過2 mm及0.149 mm目篩備用。共采集土壤樣品162個，在分析基本化學性質的基礎上，選擇有效磷梯度（Olsen P含量11—490 mg·kg-1）土壤樣品9組（P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9），各組土壤Olsen P水平分別為：11、21、32、40、57、69、128、331、490 mg·kg-1，其中P1低于該地區(qū)的農學閾值（At=7.4—13.0 mg·kg-1）[26]，P2—P5處于農學閾值和環(huán)境閾值（Et= 51.0—56.4 mg·kg-1）[7, 27]之間，P6—P9高于環(huán)境閾值。選擇3個Olsen P含量變異系數小于5.79%的土壤樣本作為同一水平的重復，共有土壤樣品27個。

1.3 樣品分析

采用Olsen方法測定土壤有效磷（Olsen P）；氫氧化鈉熔融鉬銻抗比色法測定全磷（TP）；重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機質（SOM）；玻璃電極pH計測定pH，土水比為1﹕2.5；用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-碳酸氫鈉（DCB），酸性草酸銨、焦磷酸鈉及Mehlich3分別浸提游離鐵鋁氧化物（Fed、Ald）、非晶質鐵鋁氧化物（Feo、Alo）、絡合態(tài)鐵鋁（Fep、Alp）及M3-Fe、M3-Al、M3-Ca和M3-Mg，并用ICP-AES測定。土壤磷素分級采用了TIESSEN修正HEDLEY提出的磷素分級方法[10]。簡要操作步驟如下：稱取0.5000 g過0.149 mm篩的風干土壤樣品于50 mL離心管中，依次用1.00 g陰離子交換樹脂加30 mL去離子水、0.5 mol·L-1NaHCO3（pH 8.50）、0.1 mol·L-1NaOH、1 mol·L-1稀鹽酸（HCl）、12 mol·L-1濃鹽酸分別提取，每次振蕩提取16 h，每次提取后離心，過濾分離上清液。其中樹脂去離子水（Resin-P）、稀鹽酸（D.HCl-Pi）提取的磷使用鉬藍比色法測定，NaHCO3（NaHCO3-Pi+ Po）、NaOH（NaOH-Pi+Po）、濃鹽酸（C.HCl-Pi+Po）提取的磷包括無機磷和有機磷，無機磷采用鉬藍比色法測定，同時，取一定體積提取液用過硫酸銨+濃硫酸高溫（（120±1）℃）消化，測定提取液中的總磷，有機磷含量即為總磷和無機磷之差。剩余的樣用濃硫酸與雙氧水進行消煮，鉬藍比色法測定殘余態(tài)磷（Residual-P）。

1.4 數據處理與分析

1.4.1 土壤磷活化系數（PAC）

1.4.2 數據分析 采用Excel 2016軟件進行數據整理，采用SPSS 20軟件對數據進行差異顯著性檢驗（LSD法），采用Origin 2018軟件進行主成分分析（PCA），采用R4.1.1進行相關分析，采用Canoco5軟件進行冗余分析（RDA）。

2 結果

2.1 不同閾值區(qū)間土壤各形態(tài)磷相對含量

圖1為不同閾值區(qū)間黑土各形態(tài)磷相對含量。不同有效磷含量的黑土磷庫組成以無機磷為主（圖1-a），占土壤總磷的71.25%—96.19%。有效磷水平低于環(huán)境閾值（≤Et）時，無機磷占比平均為78.72%，顯著低于有效磷含量＞Et土壤的無機磷平均占比（90.47%，＜0.05）。隨著有效磷水平的增加，黑土活性態(tài)和中活性態(tài)磷含量占總磷比例呈上升趨勢，穩(wěn)定態(tài)磷占比呈下降趨勢（圖1-b）。當有效磷水平低于農學閾值（＜At）時，土壤中穩(wěn)定態(tài)磷占比最大為43.99%，顯著高于其他水平（＜0.05），LP占比最小，為19.89%，顯著低于其他水平（＜0.05）。當有效磷水平低于環(huán)境閾值（≤Et）時，土壤中的ML-P和OP占比接近，平均占比分別為36.03%和35.49%；LP平均占比最少，為28.48%。當有效磷水平高于環(huán)境閾值（＞Et）時，LP占比為39.54%— 48.38%，平均占比42.86%，相比于≤Et部分，顯著增加了14.38%（＜0.05）；ML-P占比次之為36%— 43.57%，平均占比40.16%；OP占比為24.46%—8.05%，平均占比16.97%，相比于≤Et部分顯著降低了18.52%（＜0.05）。

LP：活性態(tài)磷Labile phosphorus；ML-P：中活性態(tài)磷Middle-labile phosphorus；OP：穩(wěn)定態(tài)磷Occlude phosphorus；At：農學閾值Agronomy threshold；Et：環(huán)境閾值Environmental threshold；Pi：總無機磷Total inorganic phosphorus；Po：總有機磷Total organic phosphorus。P1—P9：Represents nine groups of soils with different levels of Olsen P。下同 The same as below

2.2 不同閾值區(qū)間土壤各形態(tài)磷含量

圖2為不同閾值區(qū)間黑土各形態(tài)磷含量?？傮w來看，隨有效磷水平的增加，各形態(tài)磷含量均有不同程度的變化，相比于OP，LP和ML-P的變幅較大。對于LP，其變幅為82.85—1 282.14 mg·kg-1（圖2-a），有效磷水平低于農學閾值（＜At）時，LP含量為81.54 mg·kg-1，其中Resin-P、NaHCO3-Pi含量分別為44.13、10.54 mg·kg-1，顯著低于其他水平，NaHCO3-Po含量為26.88 mg·kg-1，顯著高于其他水平（＜0.05）。有效磷水平低于環(huán)境閾值（≤Et）LP的均值為145.71 mg·kg-1，顯著小于有效磷水平高于環(huán)境閾值（＞Et）土壤的均值（623.36 mg·kg-1，＜0.05），其中Resin-P變幅最大，為44.13—917.86 mg·kg-1。NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的變幅依次為10.54—280.99和11.6— 26.88 mg·kg-1。ML-P的變幅為150.27—1 069.68 mg·kg-1（圖2-b），有效磷水平＜At時，ML-P含量為148.01 mg·kg-1，其中NaOH-Pi、D.HCl-Pi的含量分別為42.93、45.76 mg·kg-1。有效磷水平低于環(huán)境閾值土壤（≤Et）ML-P的均值為183.22 mg·kg-1，顯著低于＞Et土壤的均值（547.77 mg·kg-1，＜0.05），其中NaOH-Pi的變幅最大，為42.93— 811.51 mg·kg-1，D.HCl-Pi和NaOH-Po的變幅依次為44.79—220.40和52.2—57.45 mg·kg-1。OP變幅較小，為155.40—201.39 mg·kg-1（圖2-c），環(huán)境閾值前后區(qū)間土壤的OP未出現顯著性差異。

圖中不同小寫字母表示同一形態(tài)磷含量在不同土壤樣品間差異顯著（P＜0.05），不同大寫字母表示同一形態(tài)磷的平均含量在環(huán)境閾值（Et）區(qū)間差異顯著（P＜0.05）

2.3 土壤各形態(tài)磷和有效磷的關系

為進一步探討環(huán)境閾值（Et）區(qū)間的土壤有效磷含量和各形態(tài)磷含量的關系，對土壤有效磷含量和不同磷形態(tài)進行擬合（表1）。不論有效磷水平高于還是低于Et值，土壤無機磷（Pi）含量均與有效磷含量顯著正相關（2分別為0.97和0.99，＜0.01）。無機磷中除Residual-P外，其他形態(tài)磷在Et前后區(qū)間均與有效磷含量呈正相關關系（＜0.01）。Resin-P和NaOH-Pi與有效磷的相關斜率（K）最大，說明它們對有效磷的貢獻最大。隨著有效磷含量的增加，不同形態(tài)磷含量的斜率在環(huán)境閾值區(qū)間存在差異，其中Resin-P的斜率變化最大，相比于≤Et（K=2.93），＞Et（K=1.62）降低了80.86%，其他形態(tài)斜率變幅依次為D.HCl-Pi（26.32%）＞NaHCO3-Pi（15.38%）＞NaOH-Pi（5.33%）。

2.4 不同閾值區(qū)間土壤化學性質的差異特征

由表2可知，當有效磷水平低于農學閾值（At時，全磷（TP）、有機質（SOM）、土壤磷活化系數（PAC）、Feo、Alo、Fep、Alp、M3-Fe、M3-Al出現最小值，其中SOM、PAC、Feo顯著低于其他水平（＜0.05）。隨有效磷水平的增加SOM、pH、M3-Ca、M3-Mg、M3-Fe和Fed未出現規(guī)律性變化，且在環(huán)境閾值（Et）前后區(qū)間無顯著變化。Olsen P、PAC和全磷隨著有效磷水平的增加呈上升趨勢，且有效磷水平＞Et土壤的均值顯著高于有效磷水平≤Et土壤（＜0.05），在P9下出現最大值，分別為490.25 mg·kg-1、16.84%和3.12 g·kg-1。C/P表現相反趨勢，在P9下出現最小值，為4.23，且＞Et土壤的均值（10.30）顯著低于≤Et的土壤（23.70，＜0.05）。對于≤Et的土壤，Ald、Alp、Alo、Fep及Feo含量在不同有效磷水平間差異較??；對于＞Et的土壤，Ald、Alp、Alo、Fep及Feo隨有效磷水平的增加而顯著增加（＜0.05），相比于P1增幅依次為：Fep（61.08%—178.94%）＞Alp（32.76%—145.84）＞Alo（47.97%—106.47%）＞Feo（40.30%—74.32%）＞Ald（18.81%—81.32%）。M3-Al、Fed、Ald、Fep、Alp、Feo和Alo在＞Et土壤的均值顯著高于≤Et的土壤（＜0.05）。

表1 黑土不同形態(tài)磷含量與有效磷含量的回歸方程

*:＜0.05; **:＜0.01. Et: 環(huán)境閾值Environmental threshold

表2 不同閾值區(qū)間黑土性質的差異

不同小寫字母表示同一土壤化學性質在不同土壤樣品間差異顯著（＜0.05）；不同大寫字母表示同一土壤化學性質的均值在環(huán)境閾值區(qū)間差異顯著（＜0.05），Mean：≤Et及＞Et部分的均值。TP：全磷

Different lowercase letters indicate significant differences in the same soil chemical properties among different soil samples at 5% level; Different capital letters indicate significant differences for the mean value in the same soil chemical properties above and below the environmental threshold region at 5% level. Mean: Mean values of≤Et and >Et . TP: Total phosphorus

由圖3主成分分析表明，第一主成分和第二主成分分別解釋了51.5%和22.8%的土壤化學性質變化，對于有效磷水平≤Et的P1—P5土壤，因C/P、M3-Ca含量和pH較高且相互之間存在正相關關系而聚在一起。有效磷水平＞Et的P6、P7土壤中M3-Mg、M3-Al、M3-Fe和SOM的含量較高且相互之間有較強正相關關系，均與M3-Ca呈負相關；Ald、Fep、Alp、Feo、Alo和PAC在P8、P9水平下較高且相互之間有較高的相關性，均與C/P和pH存在負相關關系。

圖3 土壤化學性質的主成分分析

2.5 環(huán)境閾值區(qū)間的黑土磷形態(tài)對土壤化學性質的響應

對環(huán)境閾值（Et）前后區(qū)間的土壤化學性質與磷組分相互關系進行了冗余分析（圖4）。結果表明，有效磷水平≤Et時（圖4-a），土壤化學性質能解釋磷組分全部變異的92.3%，排序軸1（RDA1）解釋了82.12%，排序軸2（RDA2）解釋了6.59%。SOM和M3-Fe是造成磷組分差異的主要因素，分別解釋了全部變異的50.2%（＜0.01）和24.1%（＜0.05）。SOM與Resin-P、NaHCO3-Pi和NaOH-Pi呈顯著的正相關關系，M3-Fe與Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、D.HCl-Pi和C.HCl-Pi之間存在顯著的正相關關系（圖5-a）。有效磷水平＞Et時，土壤化學性質能解釋磷組分全部變異的99%（圖4-b），排序軸1和排序軸2的解釋量分別為74.46%和18.45%。Alp+Fep是影響磷組分變化的最重要因子，對方差的解釋率為68.1%。Fep+Alp與Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、D.HCl-Pi和C.HCl-Pi呈顯著的正相關關系（圖5-b）。

3 討論

3.1 黑土不同有效磷閾值區(qū)間的磷形態(tài)特征

（a）、（b）分為有效磷水平低于環(huán)境閾值（Et）和高于環(huán)境閾值時的冗余分析

在本研究中，有效磷水平超過環(huán)境閾值時，土壤以活性態(tài)磷（LP）為主，穩(wěn)定態(tài)磷（OP）占比下降（圖1），顏曉軍等[35]在果園酸性土壤上得到了類似的結果，他認為在酸性土壤中磷大量累積時，閉蓄態(tài)磷（OP）占全磷比例降低，而以有效性較好的Al-P、Fe-P（中活性態(tài)磷）為主?？赡艿脑蚴峭寥牢搅孜稽c的飽和狀況（DPS）受有效磷的影響，隨有效磷含量的增加而增加[33,36]，當土壤有效磷水平超過環(huán)境閾值，磷的高能吸附點位趨于飽和[37]。土壤吸附磷位點越接近飽和，土壤固相的磷越容易解吸進入液相[38]，而Resin-P和NaHCO3-Pi是分別是土壤溶液處于平衡狀態(tài)的土壤固相無機磷及吸附在土壤顆粒表面有效性較高的磷[39-40]，此時土壤對磷的吸附能力已經接近最大值，土壤中含有更高的溶解態(tài)磷[41]。對于NaHCO3-Po，其含量在有效磷水平低于農學閾值（At）時顯著高于其他水平（圖2）。本研究P1水平土壤采自不施磷處理，而劉瑾在對27年磷虧缺黑土的研究中發(fā)現，各形態(tài)有機磷出現了累積[42]，在美國俄亥俄州土壤中有機磷水平在11年磷肥限制后也呈增加趨勢[42]，與本結果一致。可能的原因是，作物在收獲后植物殘體及根部殘留在土壤中[43-44]，這些作物殘體中的有機化合物會作為土壤微生物的基質，從而增加了土壤微生物生物量磷含量，進而提高了土壤有機磷[45]。中活性態(tài)磷（ML-P）的含量和比例隨著有效磷水平的增加也有所增加（圖2、3）。當有效磷水平超過環(huán)境閾值時，土壤ML-P的含量和平均占比顯著高于環(huán)境閾值前（＜0.05），主要來自于NaOH-Pi和D.HCl-Pi的增加（圖2、3）。閆金垚等[30]研究結果表明，NaOH-Pi含量隨Olsen P水平的提高顯著增加，與本結果基本相符。NaOH-Pi和D.HCl-Pi分別是吸附在非晶質態(tài)Fe、Al氧化物上以及與鈣結合的原生礦物態(tài)磷[46-47]。有研究表明，隨著對磷酸根吸附的增加，會促進結晶性鐵氧化物向非晶型氧化物轉化[48]，在本研究中，有效磷水平超過環(huán)境閾值時，絡合態(tài)（Fep、Alp）等活性較高的鐵鋁氧化物含量顯著增加（表2），Fep、Alp有較大的吸磷表面，對土壤磷素有很強的吸附能力[49]，而NaOH-Pi是易于吸附在鐵鋁化合物表面的磷[50]，受到土壤中鐵鋁氧化物的類型和含量的影響[48]，這部分磷在受到環(huán)境因素的影響時也會解吸到土壤溶液中[20]，這可能是導致ML-P在有效磷水平超過環(huán)境閾值后顯著增加的原因。

（a）、（b）分為有效磷水平≤Et和＞Et的相關分析?！?”代表在P＜0.01水平顯著

穩(wěn)定態(tài)磷（OP）的絕對含量在環(huán)境閾值區(qū)間未出現顯著性變化（圖2），說明其含量是相對穩(wěn)定的。并且其中除C.HCl-Pi與Olsen P存在顯著的正相關關系外，其他兩種形態(tài)（C.HCl-Po和Residual-P）與Olsen P之間相關性不顯著（表1）。閆金垚等[30]在長江流域也得到了相似結論，但也有研究認為，Olsen P變化值與C.HCl-Pi變化量之間無顯著關系[25]。可能的原因是，C.HCl-Pi和Residual-P均屬于閉蓄態(tài)磷，分別被纖維素包被和與難溶性的鈣結合，一般情況下難以被植物利用。短期內其含量相對穩(wěn)定，同時也有研究表明，這部分磷極端缺磷的情況下也會通過活化作用，轉化為有效性較高的磷，因此長時間內對植物是有效的[51]。

3.2 環(huán)境閾值區(qū)間土壤化學性質的特征及與磷形態(tài)的響應關系

土壤中不同形態(tài)的磷的轉化在很大程度上受到有機質和金屬氧化物如鐵、鋁氧化物等的影響[52-53]。以往研究多集中于不同施肥措施下土壤性質對磷形態(tài)的影響[18-19]，但土壤對磷形態(tài)的影響十分復雜，往往受到多因素的共同影響，且在不同磷水平的土壤上其影響因素往往存在差異[54]。SOM、M3-Fe和Fep+Alp分別是環(huán)境閾值區(qū)間影響磷形態(tài)變化的關鍵因子（圖5），有研究表明黑土中鐵鋁氧化物含量豐富，它們在控制磷素吸收方面發(fā)揮著重要作用[55-56]。有效磷水平低于環(huán)境閾值時，SOM與活性較高的磷形態(tài)（Resin-P、NaHCO3-Pi和NaOH-Pi）呈顯著的正相關關系（圖5-a）?？赡艿脑蚴牵袡C質的分解產物（小分子有機酸、腐殖酸等）一方面可以與土壤溶液中磷酸根競爭鐵鋁氧化物表面的吸附位點；同時可以通過改變鐵鋁氧化物的表面電荷對磷酸鹽產生排斥從而降低其對磷的吸附作用[53,57]。有效磷水平高于環(huán)境閾值時，Alp+Fep含量顯著增加且與各形態(tài)無機磷（Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、D.HCl-Pi和C.HCl-Pi）呈顯著正相關關系（表2、圖5-b），此時土壤中含大量的磷酸根離子，可能的原因是隨著磷酸根吸附量的增加，晶型的鐵礦表面形成無定型磷酸鐵沉淀，促進結晶性鐵氧化物向非晶型氧化物轉化[48]，另外有機質會緊密吸附在水合氧化物表面而阻礙晶核的形成，也促進非晶質鐵鋁氧化物形成的原因之一[58]。而在鐵鋁氧化物中，晶型較差的鐵鋁氧化物表現出巨大的吸磷能力，可增加對磷的吸附量[21,59]。當非晶質態(tài)鐵鋁氧化物表面吸附點位接近飽和時，土壤對磷素的固定能力下降[60]，磷素在土壤中以活性較高的形態(tài)累積，可能是造成環(huán)境閾值后土壤各形態(tài)無機磷增加的原因。

綜上，針對土壤有效磷含量不同的土壤應采取不同的磷肥管理策略。對于低于農學閾值的土壤，可增加磷肥投入，提高活性態(tài)磷含量。對于低于環(huán)境閾值的土壤，可以考慮增加有機物的投入，適當減少磷肥投入，提高土壤有機質，促進磷的活化，提高磷素有效性。對于高于環(huán)境閾值的土壤，建議不施磷肥，充分利用土壤中大量的活性態(tài)磷，以減少磷素損失和保護環(huán)境[61-62]。

4 結論

在不同有效磷水平下，活性無機磷是黑土玉米種植區(qū)最有效的磷源。在有效磷水平低于農學閾值和環(huán)境閾值時，土壤以中活性態(tài)和穩(wěn)定態(tài)磷為主，SOM和M3-Fe是影響黑土磷形態(tài)變化的關鍵因子；在有效磷水平高于環(huán)境閾值時，土壤以活性態(tài)磷為主，Fep+Alp是影響土壤磷形態(tài)變化的關鍵因子。因此，在有效磷水平較低時可通過增加土壤有機質來提高活性磷含量和促進中活性態(tài)及穩(wěn)定態(tài)磷的活化，對于有效磷水平接近或高于環(huán)境閾值的土壤，應減少磷的投入，充分利用土壤中大量活性態(tài)磷。

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Characteristics of Phosphorus Fractions and Its Response to Soil Chemical Properties Under the Threshold Region of Olsen P in Black Soil

QIN ZhenHan, WANG Qiong, ZHANG NaiYu, JIN YuWen, ZHANG ShuXiang

Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081

【Objective】Agronomic and environmental thresholds of Olsen phosphorus (P) are the most important parameters for soil P management, but the characteristics of phosphorus fractions under the different threshold regions are not clear. This research evaluated the characteristics of the P fraction under the different threshold regions of Olsen P and its influencing factors in black soils for enabling to understand the transformation process of soil P, so as to provide a reference for optimizing the Olsen-P management strategy and improving the efficiency of P resource utilization .【Method】9 Olsen P levels (11, 21, 31, 40, 57, 69, 128, 331, and 490 mg·kg-1) of agricultural fields plow layer (0-20 cm) soil samples were collected in Gongzhuling, Jilin Province. Tiessen-Moir modified Hedley phosphorus classification method was used to classify soil inorganic phosphorus and organic phosphorus. The relationship between the phosphorus fractions and soil chemical properties, such as soil organic matter (SOM), C/P, Fe, and Al oxides, was also analyzed to clarify the characteristics of phosphorus fractions and the main controlling factors under the different threshold regions of soil Olsen P.【Result】The P pool was dominated by Pi, accounting for 71.25%-96.19%, with Po accounting for 3.81%-28.75%. When the Olsen P level was below the agronomic threshold (7.4-13 mg·kg-1), the proportion of liable P (LP) of 19.89% was the lowest in comparation with other P fractions. When the Olsen P level was below the environmental threshold (51.0-56.4 mg·kg-1), the proportion of medium active phosphorus (ML-P) and stable phosphorus (OP) is close, 36.03% and 35.49% respectively, both higher than the proportion of LP (28.48%). The highest proportion of LP (42.86%) was observed when the Olsen P level was above the environmental threshold. When the Olsen P level is higher than the environmental threshold, the content of LP and ML-P in the soil is significantly higher than that in the soil where the Olsen P level is lower than the environmental threshold, and the resin-P showed the greatest variation with Olsen P above and below the environmental threshold. The value of P activation coefficient (PAC), and the concentration of Mehlich-3 extractable aluminum (M3-Al), free Al oxide (Ald), organic-bound Fe, Al oxide (Fep, Alp), and amorphous Fe, Al oxide (Feo, Alo) increased significantly, while a significant decrease in C/P was observed with increasing Olsen P levels. The correlation analysis shows that when the Olsen P level was below the environmental threshold, the soil organic matter was positively and significantly correlated with the highly active inorganic P fractions (Resin-P, NaHCO3-Pi, NaOH-Pi) above the environmental threshold; when the Olsen P level was above the environmental threshold, Fep+Alp showed a strong positive correlation with each inorganic P fraction blow the environmental threshold. The redundancy analysis results showed that when the Olsen P level was below the environmental threshold, SOM and M3-Fe were the key factors for affecting the change of P fractions in black soils, explaining 50.2% and 24.1% of the total variation, respectively; when the Olsen P level was above the environmental threshold, Fep+Alp was the main factor influencing the change of P fractions, explaining 68.1% of the total variation.【Conclusion】When the Olsen P level was below the agronomic threshold, the liable P accounted for the lowest proportion; however, which was the greatest proportion when the Olsen P level was above the environmental threshold. In addition, the Resin-P is the phosphorus fraction with the largest variation below and above the environmental threshold. SOM, M3-Fe, and Fep+Alp were the key factors affecting the change of P fractions below and above the environmental threshold, respectively.

black soil; available phosphorus; agronomic threshold; environmental threshold; phosphorus fractions; soil chemical properties

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.22.008

2021-12-19；

2022-02-22

國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1500205）、國家自然科學基金項目（41977103）

秦貞涵，E-mail：qzh7017@163.com。通信作者張淑香，E-mail：zhangshuxiang@caas.cn

（責任編輯 李云霞）