腐殖酸與生物質碳對土壤磷素活化及無機磷形態轉化的影響

劉蕓渟，莫碧霞，潘俊臣，姚校娟，楊夢樂，唐新蓮

（廣西大學農學院甘蔗生物學重點實驗室，廣西 南寧 530004）

【研究意義】磷是植物生長的必需營養元素，但也是引起水體富營養化的重要因子，在我國南方，酸性土壤面積大，施入土壤的磷肥極易被鐵、鋁離子固定在土壤中，以無效態磷的形式存在，磷素的有效性低，造成我國磷肥的當季利用率僅為10%～25%［1-2］。同時，隨著我國人口的不斷增長，加劇了對糧食產量和質量的需求，為提高作物產量，磷肥施用量逐年增加，導致土壤磷素累積，增加了土壤中磷的移動性，引發農田磷素表面面源污染和水體富營養化等環境問題［3］。因此，通過添加土壤調理劑與磷肥配合施用，活化土壤中被固定的磷，改變傳統的磷肥施用方式，是提高土壤磷有效性的有效途徑。而土壤速效磷能被植物吸收利用，磷素活化系數表征磷的有效性，活化系數越高，則磷的有效性越高。因此，如何利用被固定在土壤中的磷，挖掘土壤的潛在肥力，有效提高土壤中難溶性磷的利用，是當前值得研究的熱點。

【前人研究進展】目前，對磷素活化劑的研究主要有腐殖酸、草酸、木質素、沸石、檸檬酸鈉等種類［4-5］。腐殖酸是一種天然大分子有機物質，含有羥基、羧基、甲氧基等含氧活性官能團，具有一定的親水性、吸附能力，可促進作物對土壤磷素養分的吸收［6］。研究發現，腐殖酸可活化土壤中的難溶性磷，減少磷素在土壤中的吸附和固定，提高磷在土壤的有效性［7］。由于腐殖酸有很強的吸附作用，通過陰離子間相互替代作用，可以把吸附在土壤中的磷酸根離子從土壤礦物中替代出來，減少土壤對磷的固定，提高磷素有效性［8］。張繼舟等［9］在腐殖酸對設施養分、鹽分及番茄產量和品質影響的研究中發現，施用腐殖酸可以提高土壤中速效磷的含量。生物質碳具有發達的孔隙結構和巨大的比表面積，有極強吸附性。前人研究表明，在土壤中施加生物質碳可改善土壤結構、提高肥水利用率、促進作物的生長，特別是在改變磷素有效性方面影響顯著［10-12］。生物質碳在農業生產應用上也有諸多研究，在水稻、玉米等大田作物上的應用取得了一定效果，研究發現施用生物質碳可明顯提高土壤水分與肥料的利用率，番茄的產量也有很大提高［13］。【本研究切入點】目前對腐殖酸和生物質碳在土壤中的應用研究主要集中在對土壤有效磷含量及對作物產量的影響方面，而對土壤磷素活化機制及無機磷各組分形態轉化還鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】本研究設置2 個施磷水平，分別與腐殖酸、生物質碳2 種土壤調理劑進行不同配比，通過研究腐殖酸與生物質炭配合減少磷肥施用對土壤磷素活化及土壤無機磷各組分形態轉化的影響，探究腐殖酸與生物質碳配施對土壤磷素的活化效果及無機磷各組分Fe-P、Al-P、Ga-P、O-P轉化的影響，更好地認識和評價腐殖酸、生物質碳在活化土壤磷中的重要作用，旨在為今后腐殖酸、生物質碳在磷肥減量施用及新型磷肥的研發和應對由磷素積累帶來的磷環境風險問題提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采集自廣西大學農學院試驗基地，基本理化性質為：全氮0.63 g/kg，全磷0.45 g/kg，速效磷10.52 mg/kg，Al-P 13.35 mg/kg，Fe-P 98.89 mg/kg，Ca-P 17.59 mg/kg，O-P 3.48 mg/kg，pH 5.78。

供試腐殖酸原粉、生物質碳(稻殼)、磷肥。

1.2 試驗設計

試驗設0.1 g/kg（P1）、0.2 g/kg（P2）兩個磷（P2O5）水平，腐殖酸（F）和生物質碳（S）均分別設1、2 g/kg 兩個水平，共14 個處理（表1），每個處理18 次重復。

表1 試驗設計方案Table 1 Design scheme

室內培養試驗于2020年7月開始，采取0～20 cm耕層土壤，自然風干后過0.85 mm 篩，攪拌均勻后準確稱取100.00 g 裝進白色培養瓶，將土壤調至最大田間持水量的45%，蓋好蓋子，并在瓶蓋上面打5～6 個孔，將所有培養瓶置于培養箱中以25 ℃恒溫避光條件預培養7 d，按上述試驗方案加入磷肥、腐殖酸和生物質碳混勻，保持田間持水量的65%繼續培養，并每隔1 d 補充去離子水以維持水分相對穩定。分別于培養0、18、30、45、60 d 取土樣測定相關指標。

1.3 測定指標及方法

土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤全磷含量采用HClO4-H2SO 消解-鉬銻抗比色法測定，土壤Al-P 含量采用0.5 mol/L NH4F(pH 8.2)浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤Fe-P 含量采用0.1 mol/L NaOH 浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤Ga-P 含量采用0.5 mol/L (1/2H2SO4)浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤O-P含量采用0.3 mol/L檸檬酸鈉浸提-鉬銻抗比色法測定［14］。

試驗數據采用Excel2018 進行處理和作圖，用SPSS26 和鄧肯比較法進行統計分析。

磷素活化系數(%)=（土壤速效磷含量/土壤全磷含量）×100

2 結果與分析

2.1 腐殖酸與生物質碳配施對土壤速效磷含量的影響

由表2 可知，腐殖酸、生物質碳均能顯著提高土壤速效磷含量，P2 水平下，與單施磷肥處理（CK2）相比，配施腐殖酸處理（P2F1、P2F2）均顯著提高土壤速效磷的含量，并且呈現先增加后趨向穩定的特點，其中以P2F2 處理效果較好；配施生物質碳處理（P2S1、P2S2）亦顯著提高速效磷的含量，其中在培養45 d 達到最高，P2S2 處理比CK2 高20.67%；聯合施用腐殖酸和生物質碳處理（P2F1S1、P2F2S2）均顯著提高土壤速效磷的含量，在培養18 d 達到最高，且以P2F1S1處理效果較好，比CK2 高27.13%。

表2 腐殖酸與生物質碳施用對土壤速效磷含量的影響Table 2 Effect of application of humic acid and biomass carbon on soil available phosphorus content

P1 水平下，與單施磷肥處理（CK1）相比，配施腐殖酸處理（P1F1、P1F2）顯著提高土壤速效磷的含量，呈現先增加后趨于穩定的特點，其中以P1F2 處理培養18 d 土壤速效磷含量最高，比CK1 高69.83%；配施生物質碳處理（P1S1、P1S2）能提高土壤速效磷的含量，其中P1S1 處理在培養45 d 達到最高，比CK1 高12.80%；聯合施用腐殖酸和生物質碳的處理（P1F1S1、P1F2S2）與CK1 差異不顯著。

可見，施用腐殖酸、生物質碳各處理的土壤速效磷含量均顯著高于CK2、CK1，配合施用腐殖酸與生物質碳亦均可顯著提高土壤中速效磷的含量，其中P2 水平下各處理均較P1 水平好。

2.2 腐殖酸與生物質碳配施對土壤磷素活化系數的影響

由表3 可知，腐殖酸和生物質碳均能顯著提高土壤磷素活化系數，P2 水平下，與單施磷肥處理（CK2）相比，配施腐殖酸處理（P2F1、P2F2）均顯著提高土壤磷素活化系數，其中以P2F2 處理培養45 d 達到最高，比CK2 高24.84%；配施生物質碳處理（P2S1、P2S2）均顯著提高土壤磷素活化系數，呈現先增加后趨向穩定的特點，且均在培養45 d 達到最高，P2S2 處理比CK2 高23.87%；聯合施用腐殖酸和生物質碳的處理（P2F1S1、P2F2S2）均顯著提高土壤磷素活化系數，在培養18 d 速效磷含量達到最高，且以P2F1S1 處理效果較好，P2F2S2 處理比CK2高20.47%。

表3 腐殖酸與生物質碳施用對土壤磷素活化系數的影響Table 3 Effect of application of humic acid and biomass carbon on soil phosphorus activation coefficient

在P1 水平下，與單施磷肥處理（CK1）相比，配施腐殖酸處理（P1F1、P1F2）顯著提高土壤磷素活化系數，呈現先增加后穩定的特點，其中以P1F2 處理培養18 d 土壤磷素活化系數最高，比CK1 高64.84%；配施生物質碳處理（P1S1）土壤磷素活化系數在培養30 d 達到最高，比CK1高14.80%；聯合施用腐殖酸和生物質碳的處理（P1F1S1、P1F2S2）只在培養30 d時與CK1差異顯著。

綜上所述，施用腐殖酸與生物質碳處理的土壤磷素活化系數顯著高于CK2、CK1，且P2 水平下各處理較P1 水平好。

2.3 腐殖酸與生物質碳配施對土壤無機磷各形態含量的影響

2.3.1 對Fe-P 含量的影響 由圖1A 可知，在P2 水平下，施用腐殖酸、生物質碳各處理的土壤Fe-P 含量均顯著高于CK2，且在試驗的前18 d先降低后增加。其中，P2F2 處理培養45 d 的土壤Fe-P 含量與CK2 差異顯著，比CK2 高15.33%；P2S2 處理培養30、45 d 的土壤Fe-P 含量均與CK2 差異顯著，分別高15.01%、25.00%；P2F2S2處理培養30 d 的土壤Fe-P 含量達到最高，比CK2 顯著高21.63%。

圖1 腐殖酸與生物質碳對土壤Fe-P 含量的影響Fig.1 Effects of humic acid and biomass carbon on soil Fe-P content

由圖1B 可知，施用腐殖酸和生物質碳各處理的土壤Fe-P 含量高于CK1 處理，其中以P1F2處理的土壤 Fe-P 含量最高，CK1 的土壤Fe-P 含量隨著時間的延長逐漸降低，而施加腐殖酸和生物質碳的處理隨著時間的延長而增加。在P1水平下，在培養試驗的前18 d，P1F2 處理的土壤Fe-P 含量與CK1 差異不顯著，但在30 d 后差異顯著，且以45 d 時達到最高，比CK1 顯著高31.08%；P1S2 處理在培養期間變化不大；P1F2S2處理的土壤Fe-P 含量呈先降低后增加的趨勢，在60 d 時比CK1 顯著高11.76%。可見，腐殖酸和生物質碳能有效提高土壤Fe-P 含量。

2.3.2 對Al-P 含量的影響 由圖2 可知，各處理的土壤Al-P 含量在培養的前18 d 無明顯變化，之后隨著培養時間的延長，Al-P 含量逐漸增加，在培養30 d 時出現峰值，之后略有下降。其中，施用腐殖酸和生物質碳各處理的土壤Al-P 含量顯著高于CK2，以P2F2 處理的Al-P 含量明顯高于其他各處理，并在30 d 時達到最高值。在P2 水平下，與CK2 處理相比，P2F2 處理的土壤Al-P含量在30 d 之后差異顯著，且以45 d 時達到最高，比CK2 顯著高26.93%；P2S2 處理培養30、45、60 d 的土壤Al-P 含量與CK2 差異顯著，分別比CK2 高61.40%、14.79%、17.77%；P2F2S2 處 理在30 d 之后與CK2 差異顯著，并在45 d 時出現峰值，分別比CK2 顯著高36.71%、28.76%（圖2A）。

如圖2B 所示，P1F2、P1S2 處理的土壤Al-P含量變化明顯高于其他各處理，其中以P1F2 處理提高效果明顯，并在30 d 時出現峰值。在P1水平下，與CK1 處理相比，P1F2 處理的土壤Al-P 含量在30 d 時存在顯著差異，顯著比CK1高35.79%；P1S2 處理的土壤Al-P 含量在30 d 時比CK1 顯著高22.49%；P1F2S2 處理與CK1 差異不顯著。由此可知，腐殖酸與生物質碳的施用對土壤Al-P 的活化作用有一定的增強。

圖2 腐殖酸與生物質碳對土壤Al-P 含量的影響Fig.2 Effects of humic acid and biomass carbon on soil Al-P content

2.3.3 對Ga-P 含量的影響 由圖3 可知，在試驗培養期間，各處理的土壤Ga-P 含量呈下降趨勢，其中以CK2 降低趨勢最明顯。P2F2、P2S2、P2F2S2 處理的土壤Ga-P 含量均高于CK2，在18 d 時差異顯著，并分別比CK2 高51.73%、47.08%和113.06%（圖3A）。P1F2、P1S2 處理的土壤Ga-P 含量均分別高于CK1 和P1F2S2 處理，并在18 d 時出現峰值，分別比CK1 高115.26%和193.20%；P1F2S2 處理與CK2、CK1 差異不顯著（圖3B）。可見，腐殖酸與生物質碳對土壤Ga-P 有一定的維持作用。

圖3 腐殖酸與生物質碳對土壤Ga-P 含量的影響Fig.3 Effects of humic acid and biomass carbon on soil Ga-P content

2.3.4 對O-P 含量的影響 由圖4 可知，CK2與P2S2 處理的土壤O-P 含量在18 d 時有較大的波動并出現峰值，之后趨向穩定，但CK2 的O-P含量一直保持最高水平；P2F2、P2F2S2 處理一直趨于穩定，但O-P 含量始終低于CK2，其中以P2S2 處理降低效果最明顯，其次是P2F2S2 處理。P2F2、P2S2 和P2F2S2 處理的土壤O-P 含量低于CK2，在45 d 時差異顯著，分別比CK2 顯著低26.36%、24.20%和20.58%（圖4A）。圖4B 所示，在培養試驗的前30 d，CK1 的土壤O-P 含量始終高于其他各處理，P1F2、P1S2 處理與CK1 差異不顯著，P1F2S2 處理在18、45 d 時與CK1 差異顯著，土壤O-P 含量分別顯著降低13.25%和17.57%。

圖4 腐殖酸與生物質碳對土壤O-P 含量的影響Fig.4 Effects of humic acid and biomass carbon on soil O-P content

2.4 土壤速效磷與磷素活化系數、Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P 的相關分析

由表4 可知，土壤速效磷含量與磷素活化系數、Al-P 含量呈極顯著正相關關系，與Ca-P 含量呈極顯著負相關關系；磷素活化系數與Al-P含量呈極顯著正相關關系，與Fe-P、Ca-P 含量呈顯著負相關關系；而Al-P 含量與Ca-P 含量呈顯著負相關關系。

3 討論

3.1 腐殖酸與生物質碳配施對土壤磷有效性的影響

磷素是土壤中重要的生產力，但也是農業生產中重要的養分限制因子。由于長期大量施用肥料，作物對磷的利用率僅有10%～25%［15］，使得土壤中各形態無機磷均出現不同程度累積，有效地活化土壤中難溶性磷以提高土壤有效磷含量是減少磷肥施用量、提高磷肥利用率的重要措施。研究表明，腐殖酸與生物質碳能提高土壤無機磷庫，并影響土壤無機磷組分比例和分布，促進無效態磷向有效態轉化。李軍等［16］研究發現，添加腐殖酸可減少土壤中磷的固定，提高土壤速效磷的含量。添加生物質碳也可減少土壤中磷的固定，促進難溶性磷的活化，影響土壤中無機磷的形態［17］。高紀超等［18］研究發現，腐殖酸可提高肥料的有效性。包立等［19］研究報道，添加腐殖酸可提高大棚土壤有效磷與全磷的比例，而土壤磷素活化系數表征土壤磷素的有效化程度［20］。本研究結果表明，不同的施磷水平對土壤的速效磷含量與磷素活化系數有顯著影響，施用腐殖酸與生物質碳均能提高土壤中速效磷的含量和磷素活化系數，與前人結果一致。在兩個施磷水平下，單獨施用腐殖酸與生物質碳和聯合配施的處理均可提高土壤中速效磷含量與磷素活化系數，其含量可表征土壤磷的有效性，腐殖酸與生物質碳通過提高土壤中速效磷含量及磷素活化系數來提高磷的有效性，直接促進土壤磷有效性的提高，同時發現各處理的土壤速效磷含量相比并未顯著降低，說明適當減施磷肥配合施用腐殖酸與生物質碳在短時間內不會出現磷匱乏的現象。

3.2 腐殖酸與生物質碳配施對土壤無機磷形態的影響

我國南方酸性土壤無機磷主要以Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P 形態存在，并且Fe-P、Al-P已被證明是潛在的有效磷源，部分鈣磷酸鹽不能被植物直接吸收利用，但可作為潛在的有效磷源，而O-P 是幾乎不能被利用的難溶性磷源［21］。有研究表明，施用稻草生物炭可提高水稻土中的Ga-P、Al-P 和Fe-P 含量，降低O-P 含量［22］。劉暢等［23］在高磷條件下腐殖酸與生物質碳配施對土壤磷素轉化的研究中發現，腐殖酸與生物質碳配合施用可以促進土壤中磷素的轉化，提高磷肥的利用率。而土壤磷素的轉化過程主要包括磷素的沉淀和溶解、吸附和解吸、無機磷的固定與有機磷的礦化［24］。本試驗結果發現，施用腐殖酸與生物質碳的各處理均能顯著提高土壤中Fe-P、Al-P 的含量，并主要以增加Fe-P 含量為主，而土壤Al-P 含量在培養30、45 d 時出現峰值后趨向穩定，說明腐殖酸與生物質碳對土壤Al-P的影響主要體現在培養中期；各處理的土壤Ca-P含量呈現出先降低后穩定的特點，而O-P 含量則隨試驗時間的延長逐漸降低。其中，P2S2 處理的土壤Fe-P 含量在30、45 d 與CK2 差異顯著，并分別比CK2 高15.01%、25.00%；P2F2S2 處理在30 d 時土壤的Fe-P 含量達到最高，比CK2 顯著高21.63%，這可能與生物質碳和腐殖酸的結構特點有關，對磷素的解吸和溶解，生物質碳具有較多的陰陽離子交換位點，能夠降低土壤中的鐵、鋁離子含量，與其競爭磷酸根離子，干擾鐵鋁氧化物對磷的固定［25］。同時，施用生物質碳改變了土壤的理化性質，而腐殖酸含有多種官能團，有一定的吸附和陽離子交換能力，可與土壤中的氫離子競爭吸附電位，減少土壤對磷酸根離子的吸附固定，增強其活化能力，通過增加土壤中的Fe-P、Al-P 含量增加磷庫，促進難溶性的O-P向潛在磷源的轉化，進而提高土壤的磷素有效性。綜上所述，腐殖酸與生物質碳通過對磷素的溶解和解吸過程，減少土壤中磷的固定，促進閉蓄態磷的降低，增加有效性磷源的含量，提高土壤磷素的有效性。說明腐殖酸與生物質碳的施用可通過降低土壤O-P 的含量，提高Fe-P、Al-P 的含量，使土壤中閉蓄態磷向有效態磷方向轉化，提高土壤的磷素有效性。

4 結論

本試驗結果表明，土壤各形態無機磷所占比例大小為Fe-P＞ Ca-P＞ Al-P＞ O-P，添加腐殖酸與生物質碳顯著提高土壤中速效磷含量、磷素活化系數、土壤無機磷組分中有效磷源Fe-P、Al-P 含量及組成比例，降低無效磷源 Ca-P、O-P 含量及組成比例，從而活化土壤磷素，增強土壤磷素的有效性。其 中，與CK1 處理相比，P1F2 處理在18 d 時土壤速效磷含量最高，顯著提高69.83%；與CK2 處理相比，P2F2、P2S2 和P2F2S2 處理的土壤O-P 含量顯著低26.36%、24.20%和20.58%。表明腐殖酸與生物質碳聯合磷肥減量施用對土壤中固定的磷有活化作用，有利于難溶性的O-P 向有效態Fe-P、Al-P 轉化，降低潛在的磷環境風險問題，可為腐殖酸與生物質碳在新型高效磷肥研發方面提供科學參考。