豬糞施用對黑土型水稻土磷轉化過程的影響

佟德利, 朱廣鵬,, 賀海升, 于 鑫,, 陳光蕾,于云飛, 李 爽, 劉靜華, 李夢琦,, 汪 玉

(1. 沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034;2. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室/中國科學院南京土壤研究所, 南京 210008;3. 沈陽師范大學 實驗教學中心, 沈陽 110034)

0 引 言

磷是作物生長的主要限制因素之一,對農業生產有重要影響[1]。過去幾十年間,化學磷肥在農業生產過程中的使用為我國糧食穩產增產做出了重要貢獻,但隨著化肥施用量的不斷增加,土壤磷素大量盈余,引發了土壤酸化、養分失衡以及農業污染等一系列問題[2]。我國擁有豐富的有機肥資源,施用有機肥在避免資源浪費的同時可以降低農業生產成本、提高農產品品質[3]。而與施用化肥相比,有機肥在提高土壤肥力、保持和提高農田生產力、促進化肥減量增效等方面也具有重要意義[4]。

有機肥施用可以影響稻田土壤磷素轉化過程。以往的研究表明,有機肥主要通過改善土壤理化性質、增加土壤磷庫庫容來影響土壤磷素的有效性,有機肥分解產生的有機酸可活化土壤中的磷,降低土壤對磷的固定,還能通過自身的有機磷礦化來提高磷素的利用率[5-7]。Luo和Sun[8]通過對藍紫色水稻土的研究發現,有機肥通過增加有機磷礦化菌提高了土壤磷的有效性;Ahmed等[9]對中國南方水稻土的研究表明,化肥配施有機肥較單施化肥顯著增加了土壤TP,Olsen-P和有機質的含量;謝堅[10]的研究發現,長期氮鉀肥施用并配施豬糞對紅壤性水稻土Al-P,Ca-P影響較大,對閉蓄態磷(O-P)含量影響較小,并增加了高穩性有機磷的含量,降低了中穩性有機磷的含量。

水稻在種植過程中干濕交替的變化會顯著影響土壤磷組分,有研究表明,干濕交替的灌溉模式顯著提高了稻田土壤有效磷、有機磷和無機磷的含量[11]。但目前關于黑土區稻田土壤在淹水-落干變化下有機肥施用對土壤磷庫影響的研究仍很少。因此,本文通過培養試驗,模擬稻田淹水-落干條件變化,探究豬糞施用對黑土區水稻土磷形態轉化的影響及其主控因素,研究結果對黑土地可持續發展與有機肥高效利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自遼寧省盤錦市盤山縣壩墻子鎮(N41°9′,E122°15′),該地區屬溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫8.1 ℃,年降雨量611.6 mm。土壤類型為水稻土,采樣方法為五點取樣法,采樣深度0～20 cm。土壤和豬糞的基礎理化性質見表1。

表1 土壤和豬糞基礎理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and pig manure

1.2 試驗設計

試驗設置3個處理: 空白對照(標記為CK)、化學磷肥(標記為CF)和添加豬糞(標記為PM)。每個處理重復3次。 CK為不施肥處理,化學磷肥為磷酸二氫鉀(KH2PO4),腐熟的豬糞采自浙江省嘉興市牧場, 分析前將糞肥風干,研磨過篩(<4 mm)備用, 各施肥處理施P量均為100 mg·kg-1土。 將試驗土壤保持55%最大田間持水量(water holding capacity,WHC)預培養15 d(25 ℃)后, 稱取鮮土(干質量250 g)與肥料混勻, 置于500 mL廣口玻璃瓶內,于25 ℃恒溫培養。 培養試驗總時長為60 d, 前40 d淹水培養(保持淹水2 cm,100% WHC), 結束后抽出水分, 落干培養(5%～10% WHC)20 d。 采取破壞性取樣方法采集第40 d與60 d土壤樣本, 一部分鮮土用于測定土壤微生物生物量,其余土樣風干、研磨、過篩(2 mm)后保存,用于其他指標測定。

1.3 測定指標與方法

土壤pH使用pH計(Thermo ORION STAR A211)測定,水土比2.5∶1, TP經H2SO4-H2O2消煮后鉬藍比色法測定,Olsen-P用碳酸氫鈉(0.5 mol·L-1,pH=8.5)浸提后鉬藍比色法測定[12]。全碳(total carbon,TC)、全氮(total nitrogen,TN)使用全自動碳氮分析儀(vario MACRO CN,Elementar Analysensysteme GmbH)測定。

無機磷分級采用顧益初-蔣柏藩[13]提出的分級方法,共分為6種形態:0.25 mol·L-1NaHCO3提取的Ca2-P,0.5 mol·L-1NH4Ac提取的Ca8-P,0.5 mol·L-1NH4F提取的Al-P,0.1 mol·L-1NaOH-Na2CO3提取的Fe-P,0.3 mol·L-1檸檬酸鈉提取的O-P和0.5 mol·L-1H2SO4提取的Ca10-P。以上各組分提取后使用鉬藍比色法于分光光度計700 nm下進行測定。

有機磷分級采用Bowman和Cole[14]提出的分級方法,分為4種形態:0.5 mol·L-1NaHCO3提取的活性有機磷(labile organic P,LPo),0.1 mol·L-1HCl提取的中等活性有機磷(moderately labile organic P,MLPo),0.5 mol·L-1NaOH提取的中等穩態有機磷(fulvic acid-associated organic P,FAPo)和穩態有機磷(humic acid-associated organic P,HAPo)。其中,FAPo是在pH為1～1.5條件下不產生沉淀的富里酸磷,HAPo是在pH為1～1.5條件下產生沉淀的胡敏酸磷。

土壤微生物生物量用氯仿熏蒸法提取后測定[15-16]。

1.4 數據分析

采用SPSS 19.0數據分析軟件進行單因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)檢驗不同處理下樣本間差異(Duncan檢驗);使用Canoco 5.0數據分析軟件進行環境因子與磷組分間的冗余分析并作圖;皮爾遜相關性分析(Pearson)用于分析土壤磷組分與土壤基礎理化性質及微生物生物量間的相關性,使用Origin 2021函數繪圖軟件作圖。

2 結 果

2.1 豬糞添加對土壤速效磷和全磷含量的影響

如圖1所示,CF處理下淹水土壤Olsen-P和TP分別顯著增加344.9%和17.8%,落干時顯著增加386.4%和23.3%(P<0.05); PM處理在淹水時土壤Olsen-P和TP分別顯著增加276.3%和34.1%,落干后顯著增加213.1%和21.6%(P<0.05)。同淹水培養相比,落干后PM處理Olsen-P和TP含量顯著降低(P<0.05)。

圖1 豬糞添加對黑土(a)速效磷和(b)全磷的影響Fig.1 Effects of pig manure addition on black soil (a) available P and (b) total P

2.2 豬糞添加對土壤無機磷及有機磷形態的影響

如圖2所示,CF處理在淹水時Ca2-P,Ca8-P,Al-P,Fe-P分別顯著增加384.7%,142.9%,105.8%,44.1%,落干時分別顯著增加343.1%,113.7%,89.8%,35.8%(P<0.05);PM處理下淹水時顯著增加307.1%,318.6%,143.9%,64.8%,落干時顯著增加208.3%,95.8%,102.6%,43.5%(P<0.05)。而淹水-落干變化和施肥處理對O-P和Ca10-P均未產生顯著影響(P>0.05)。

圖2 豬糞添加對黑土無機磷形態的影響Fig.2 Effects of pig manure addition on inorganic phosphorus form in black soil

如圖3所示,CF處理在淹水時顯著增加(P<0.05)中等活性有機磷(39.3%)和中等穩態有機磷(33.7%),顯著降低穩態有機磷(-52.1%,P<0.05),落干時顯著增加活性有機磷(110.2%,P<0.05),增加了穩態有機磷;PM處理在淹水時顯著增加中等穩態有機磷(36.6%,P<0.05),降低了活性有機磷和穩態有機磷,落干后對各有機磷組分未產生顯著影響。同淹水培養相比,落干后各處理活性有機磷和中等活性有機磷顯著降低(P<0.05),中等穩態有機磷顯著增加(P< 0.05),CF處理增加了穩態有機磷,而PM處理穩態有機磷含量降低。

2.3 豬糞添加對土壤微生物量及其比值的影響

如圖4所示,CF處理在淹水時降低了MBC,顯著增加MBP(16.0%,P<0.05),落干時降低了MBC,增加了MBP;PM處理在淹水和落干時均提高了MBC和MBP,其中MBP在淹水時顯著增加37.2%(P<0.05),落干時顯著增加37.3%(P<0.05)。同CK相比,在淹水和落干時CF處理下MBC/MBN(microbial biomass nitrogen),MBC/MBP和MBN/MBP均降低,PM處理下MBC/MBN升高,MBC/MBP和MBN/MBP降低。

圖4 豬糞添加對黑土微生物量及其計量比的影響Fig.4 Effects of pig manure addition on black soil microbial biomass and its stoichiometric ratio

3 討 論

在本文中,黑土型水稻土添加豬糞(PM)或化學磷肥(CF)均帶入了大量磷源[17-18],顯著增加了土壤速效磷和全磷含量(圖1),而PM處理下速效磷含量顯著低于CF處理,主要是糞肥的氮磷鉀養分較化肥含量低且其養分釋放的緩效性所致[19]。在黑土無機磷組分中,Ca2-P和Al-P是速效磷源,Ca8-P和Fe-P是緩效磷源,O-P和Ca10-P是潛在磷源[20]。有機肥含有土壤類似的無機磷組分,添加后可提高土壤無機磷含量[21]。本文中PM處理較CK顯著增加除O-P和Ca10-P外的無機磷組分,較CF處理主要增加了Ca8-P,Al-P,Fe-P含量,而對O-P和Ca10-P無顯著影響(圖2),這表明PM處理下土壤磷素主要增加有效態磷或緩效態磷,而PM處理下Ca2-P含量低于CF處理(圖2(a)),其主要原因是化學磷肥添加后,在短期內會轉化為有效性較高的Ca2-P,進而再轉化為其他形態的中等活性無機磷[22]。郭玉冰[23]研究發現長期施磷肥或有機肥提高了土壤有機磷含量,單施磷肥顯著增加中等活性有機磷含量,單施有機肥顯著增加各有機磷組分含量。本文中,PM處理在淹水時較CK顯著增加中等穩態有機磷,降低了穩態有機磷,落干后對各有機磷組分無顯著影響,但較淹水時降低了穩態有機磷(圖3),這表明豬糞添加在短期內不會直接增加活性較高的有機磷組分,但促進了穩態有機磷向活性更高的有機磷組分轉變。而PM處理下活性有機磷含量有所降低,這可能是淹水培養時土壤活性有機磷易被微生物礦化分解,轉化成磷酸根離子[24],從而導致其含量下降。淹水時CF處理下中等活性有機磷和中等穩態有機磷顯著增加,穩態有機磷顯著降低,但落干后在顯著增加活性有機磷的同時增加了穩態有機磷(圖3),這說明化學磷肥短期內可提高供植物利用的速效磷源,但同時也增加了無效態磷含量。高等穩態有機磷是與土壤胡敏酸結合的有機磷,而有機肥處理的土壤胡敏酸活度高于化學磷肥處理[25],故相較化學磷肥,豬糞添加促進了穩態有機磷的轉化。此外,豬糞添加提高了土壤有機質,淹水-落干變化致使團聚體被破壞,有機質分解釋放富里酸聚等陰離子同磷酸鹽陰離子產生吸附競爭,減小土壤磷的吸附能力,促進磷的釋放,提高了土壤磷素的有效性。淹水-落干變化促進了活性有機磷和中等活性有機磷的轉化(圖3),淹水土壤落干過程中會壓縮在潮濕時卷入的空氣,將大團聚體轉變為小團聚體,產生小顆粒物[26],增大比表面積,從而增加土壤對磷的吸附固定。

土壤微生物是土壤養分轉化的動力源,土壤微生物生物量水平可以反映土壤肥力的變化情況。李春越等[27]的研究表明,與不施肥處理相比,化肥處理下土壤MBC降低,MBN和MBP顯著增加,而施有機肥處理土壤MBC,MBN,MBP含量均顯著提高。在本文中,相較CK, PM處理在淹水和落干時均增加MBC和MBN,顯著增加MBP,CF處理降低了MBC,增加了MBN和MBP(圖4)。一方面,添加有機肥帶入了大量碳源,同時改善土壤養分和通氣性,促進微生物生長繁殖[28],增加了土壤微生物生物量,而添加化學磷肥會導致土壤板結,通氣性減弱,土壤C/N降低,促使有機碳礦化分解,土壤碳庫中有機碳總量降低[29],導致部分微生物將體內固持的碳素釋放,降低了土壤MBC;另一方面,豬糞和化學磷肥添加提供了富磷環境,微生物可利用磷源增加使得更多的無機磷被微生物同化固定,增加了土壤MBP[30]。養分投入的差異會影響土壤微生物的養分供應,改變土壤微生物生物量,進而影響土壤微生物量計量比。本文中豬糞添加改善了土壤微生物的生長環境,提供了豐富的營養物質和碳源,增加了MBC和MBP,這是導致MBC/MBN升高、MBC/MBP和MBN/MBP降低的主要原因。

4 結 論

豬糞施用顯著增加了各培養時期黑土稻田土壤速效磷、全磷、活性較高的無機磷組分和微生物生物量磷含量,提高了土壤磷庫庫容和磷素有效性。淹水-落干條件變化主要影響了土壤有機磷轉化過程,促進了活性有機磷和中等活性有機磷向中等穩態有機磷轉化,而豬糞添加在落干后較淹水培養時促進了穩態有機磷的活化。綜上所述,豬糞施用和淹水-落干條件變化通過提高不同形態磷含量、土壤微生物生物量及其計量比,提高了土壤磷庫庫容和磷素有效性,對黑土稻田土壤磷素轉化及其有效性產生了重要影響。