土壤磷素解吸模型及其特征值的作物效应.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-土壤磷素解吸模型及其特征值的作物效应陈子聪1，李娟1，章明清1,2，颜明娟1，林琼1，吴启堂2*1.福建省农科院土壤肥料研究所，福建福州350013；2.华南农业大学资源环境学院，广东广州510642摘要：土壤有效磷数量和强度及其缓冲系数是评价土壤磷素供应能力的重要指标。通过解吸实验、盆栽和田间试验研究土壤磷解吸特性及其与供试蔬菜的效应。38个磷素解吸实验表明，土壤镉解吸模型的修正式能很好地模拟土壤磷素解吸动态特征，有32个回归模型达到显著水平。土壤磷解吸模型可同时求得表征土壤磷有效性的磷可解吸数量Q和土壤溶液初始磷浓度Cli及其缓冲系数b。盆栽试验表明，土壤磷解吸特征值Q和Cli与空心菜（Iponoeaaqatica）和菜心（Brassicaparachinensis）吸P量有显著水平的抛物线型关系，且与土壤类型无关。田间试验表明，Q值与供试蔬菜鲜重产量亦有显著水平的抛物线型关系，可求得试验条件下空心菜和莴苣（Lactucasativa）磷肥施用的Q值临界指标分别为11mg/kg和13mg/kg。解吸模型研究为评价土壤磷素有效性提供了一种新方法。关键词：土壤；磷；解吸；模型；作物效应中图分类号：S147.5文献标识码：A文章编号：1672-2175（2007）01-0163-07土壤对植物养分供应能力取决于土壤固相和液相该元素的浓度以及养分由固相向液相转化的能力即土壤养分缓冲能力1。一般认为，对于土壤吸附性较强的磷元素来讲，其供应能力可用土壤固相和液相磷浓度的关系曲线即土壤磷吸附等温线来表达。吸附等温线通常用平衡法测定，研究发现，平衡法测定的磷吸附等温线受水土比的影响较大2-3。磷肥施入土壤后会被土壤吸附，解吸作用是补充土壤溶液磷素的主要过程4-5。随着环境科学的兴起和发展，研究土壤元素的解吸特征越显得重要和迫切。土壤磷素解吸动力学虽然已做了许多研究6-10，但至今为止，由于动力学理论的困惑、实验手段的限制以及土壤磷素形态的复杂性等因素影响了动力学方程的适用性，土壤磷解吸模型参数与作物实际反应的报道还很少，有待深入研究。吴启堂等人11提出的土壤镉解吸模型能同时求得评价土壤镉生物有效性的强度和数量指标以及缓冲系数，试验方法较简单，可用于描述土壤镉解吸动态特征。本文以该模型为基础，探讨福建几种主要土壤类型磷解吸特性，以及解吸特征值对供试蔬菜磷吸收量和生物产量的效应。1材料与方法1.1解吸实验方法1.1.1土壤样品由于供试蔬菜为浅根作物，取015cm耕层土样4kg，在室温下风干。8个供试土壤的主要理化性质如表1。测定方法分别为12：pH为电位法，有机质为容量法，全氮为开氏法，全磷为钼锑抗比色法，全钾为火焰光度计法，碱解氮为碱解扩散法，有效磷为0.5mol/L碳酸氢钠提取钼锑抗比色，速效钾为1mol/L乙酸銨提取火焰光度计测定。阳离子交换量为乙酸铵法，质地为比重计法测定。1.1.2土壤加肥培养称取过1mm筛各土样若干份，每份400g于表1供试土壤主要理化性状Table1Maincharacteristicsofexperimentalsoils项目灰黄泥土No.A灰赤沙土No.B黄泥土No.C灰泥土No.D黄泥土No.E黄泥土No.F灰黄泥土No.W灰泥土No.XpH6.005.916.155.596.785.605.224.73有机质/%2.6361.4001.9061.4001.8941.6381.8231.338全氮/%0.1660.0830.1160.1220.1070.1220.1530.146全磷/%0.0700.0690.0530.1200.1040.0470.1160.237全钾/%1.0330.7610.7941.1291.0603.0581.3062.696碱解氮/(mg·kg-1)170.990.1129.7124.4143.1146.6135.8109.9速效磷/(mg·kg-1)22.047.916.651.286.323.137.249.4速效钾/(mg·kg-1)68.3103.848.1148.2112.169.185.0102.5CEC/(cmol·kg-1)8.5564.5375.9685.6611.237.266.215.67质地：<0.01mm47.7121.5533.1340.8742.5652.543.0438.44164生态环境第16卷第1期（2007年1月）同样大小的塑料瓶中。各瓶中分别加入不同用量的养分，氮磷钾养分形态分别采用分析纯硫酸铵（N21.21%）、磷酸二氢钙（P26.50%）和硫酸钾（K44.83%）。A、B、C号土样各处理N、K加入量分别为200、132.8mg/kg，A、B号土样设5个P水平，P加入量分别为0、52.4、100、200、300mg/kg，C号土样则设2个P水平，P加入量为0、52.4mg/kg。其中，N和K加入量以及P素的（1）、（2）处理与空心菜（Iponoeaaqatica）盆栽试验施肥量相同。D号和E号土样各处理N、K加入量分别为160、80mg/kg，P设5个水平，P加入量分别为0、14、28、42、56mg/kg。F号土样各处理N、K加入量分别是180、120mg/kg，P设6个水平，P加入量分别为0、40、80、120、160、200mg/kg。养分加入量与空心菜和菜心（Brassicaparachinensis）盆栽试验施肥量相同。W号土样各处理N、K加入量分别为66.6、66.4mg/kg，P设5个水平，P加入量为0、5.8、11.6、17.4、23.3mg/kg；X号土样则N、K加入量分别为80、44.3mg/kg，P加入量为0、8.7、17.5、26.2、34.9mg/kg。W号和X号土样的养分加入量与空心菜和莴苣（Lactucasativa）田间试验施肥量相同。肥料溶解于去离子水中，然后分别加入各自的塑料瓶，再加无离子水至每种土壤的田间持水量。用塑料纸覆盖密封瓶子，放在室温（25±3）中培养2周。然后将培养2周的土壤取出，在室温下风干，过1mm筛待用。1.2.3解吸实验方法称取上述每份过1mm筛待用风干土样各6份，其中一份50g，其它5份各30g，分别放入1000ml塑料瓶中，加去离子水使水土质量比分别为11、21、31、51、101、201，50g的那份土样用于配置水土质量比为11。然后，放在震荡器震荡30min，后静置24h，取清液在高速离心机上离心，测定离心液中P的质量浓度。每个水土比重复3次。测定方法9为硫酸-高氯酸氧化-钼锑抗比色紫外可见光光度计法。1.3盆栽试验空心菜2个磷水平试验：在试验前2个月，取A、B、C3种不同土壤类型的供试土壤各800kg，在自然状态下风干。盆栽试验前，破碎土壤，过3mm筛，去除小石头等杂物。选择23×17的塑料盆，每盆装土2.5kg，每个处理5盆。试验时间为2004年911月。试验设2个处理即（1）NK；（2）NPK。处理2的施N量为200mg/kg，NP2O5K2O质量比例为10.60.8。肥料分别选用化学纯的尿素(N46%)、KH2PO4(P2O552.2%,K2O34.5%)和氯化钾（K2O60%）。肥料配成溶液后均匀喷施于每盆中并混合均匀，然后浇无离子水至土壤湿润状态，5天后播种。供试作物选用泰国空心菜。每盆播种空心菜种子20粒。齐苗后进行间苗，每盆保持12株。在试验期间，用无离子水浇灌，使每盆土壤保持湿润状态。A、B、C土壤初始重量含水量（下同）分别为25.3%、20.8%和26.6%。收获时对每盆植株分别称鲜重和烘干重，取植株样品测定磷含量。菜心和空心菜5个磷水平试验：供试土壤分别为D、E号土样，在每盆施用N0.4g和K2O0.24g基础上，设5个磷水平即P2O50、0.08、0.16、0.24、0.32g/盆。菜心和空心菜试验分别在2005年45月和67月，选用广州菜心和泰国空心菜。D、E号土壤初始含水量分别为28.7%和23.5%，其它试验方法与上述A、B、C供试土壤的试验相同。菜心6个磷水平试验：供试土壤为F号土样，在每盆施N0.45g和K2O0.4g基础上，设6个磷水平，即P2O50、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g/盆。每个处理5盆，选用广州菜心，其它试验方法与上述盆栽试验相同。试验时间为2005年1011月，土壤初始含水量为29.5%。1.4田间试验空心菜试验：在平和县的灰泥土（X）上进行，在每公顷施N180kg和K2O120kg基础上，设5个P水平，即P2O50、45、90、135、180kg/hm2。选择肥力均匀的有代表性菜地，3次重复，随机区组排列，小区面积20m2。氮肥用尿素，磷肥用过磷酸钙，钾肥用氯化钾。试验地不施有机肥。由于生长期短，化肥全部做基肥施用。试验时间为2005年67月，每亩播种泰国空心菜种子9kg。收获时测植株鲜重和烘干重，取各处理植株样品测定磷含量。土壤初始含水量为23.3%。莴苣试验：在平和县的灰黄泥土（W）上进行，在每公顷施N150kg和K2O180kg基础上，设5个P水平，即P2O50、30、60、90、120kg/hm2。试验时间为2005年14月，土壤初始含水量为25.0%。其它试验方法与空心菜磷肥试验相同。2结果与分析2.1土壤磷素解吸模型与参数估计用解吸的方法研究土壤养分的供应能力一般是向重复的土样中分别加入不同水土比的去离子水。土壤溶液中养分浓度（C）与水土比（H）的关系可用下式描述11：1CCH(0<<1)（1）式中：C1为回归常数，表示水土比为1时的土壤溶液养分浓度；描述C随H变化的趋势，陈子聪等：土壤磷素解吸模型及其特征值的作物效应165越大，土壤缓冲能力越弱。（1）式可用于土壤镉解吸动态的模拟。但土壤磷素解吸实验的实测结果表明，可能是由于南方土壤磷素以铁磷、铝磷、闭蓄态磷等复杂形态存在，化学性质各不相同，其溶解-沉淀和解吸的特性复杂得多的缘故，在8个供试土壤中，除了少数供试土壤或处理的磷素解吸规律符合（1）式动态特征外，绝大多数的磷素解吸动态特征均表现为如图1所示的W号土壤不同加磷水平下的解吸动态曲线。为此，需要对（1）式进行修正。根据实测结果及其动态特征，在（1）式基础上增加修正项即可描述图1所表达的动态过程，即：1HCCHe（2）式中参数、描述C随H的变化趋势，当<0和>0时，动态变化曲线形如图1。根据解吸实验土壤溶液磷浓度测定值与相应的水土比，用OriginPro7.5软件对（2）式解吸模型进行参数估计（表2）。38个实验结果表明统计不显著的只有6个，且大都出现在D号和F号供试土壤的较高施磷处理中，原因有待进一步研究。其它32个模型的R2达到显著水平，表明土壤溶液磷浓度与水土比的关系大多满足（2）式所描述的动态特征。在NH4+、P、K解吸能力研究中，由于受土壤理化性质影响，不同土壤类型常需采用不同模型来表达13-14。本研究表明，除部分土样的较高施磷处理外，在正常施磷量范围内，（2）式能很好地模拟土壤磷解吸规律，解吸模型的数学形式不受土壤类型和理化性质的影响。由于值很小（表2），可认为C1表示水土比（H）约为1时的土壤溶液磷浓度，、越大土壤缓冲能力越弱。结果表明，磷素和平均分别为0.2945和0.04530（n=38），土壤对磷素有较高的缓冲能力，这是由于土壤对磷素具有较强的吸附能力的缘故。2.2土壤磷素解吸特征值根据（2）式，在某一水土比时解吸到土壤溶液中的元素总量为：11HqCHCHe由于解吸到土壤溶液中的磷被植物根系吸收，导致浓度下降。当土壤溶液中的磷浓度降低至根系吸收动力学所要求的最小浓度Cmin时，土壤磷可解024681012141618200.50.60.70.80.911.11.21.3P水土比water/soilratio土壤溶液磷浓度mgkg-1Pconcentrationinsoilsolution从下到上解吸曲线的P加入量分别为0,5.8,11.6,17.4,23.3mg/kg,R2分别为0.8314*,0.9773*,0.9507*,0.9904*,0.9822*,图1W号供试土壤不同施磷量的磷素解吸动态变化曲线（*表示实测值）Fig.1PdesorptioncurvefortheinvestigatedsoilW“*”wastheobservedvalues.表2供试土壤磷素解吸模型参数Table2Pdesorptionmodelparametersofinvestigatedsoils土壤施P/(mg·kg-1)ClR2土壤施P/(mg·kg-1)ClR2A00.0258-0.60880.04740.8077*B05.28510.14350.09510.9831*52.40.0341-0.28530.00180.8283*52.46.36070.25450.05820.9753*1000.0368-0.74750.03990.8379*10010.0970.34400.06150.9896*2000.2905-0.44750.04630.9724*20018.4480.33460.07030.9960*3000.9697-0.21240.03360.658330019.4060.32510.06730.9946*D00.3614-0.53480.08920.9517*E03.5626-0.93990.22200.8584*140.3816-0.15020.01030.9122*146.16450.12530.09030.9857*280.3973-0.16930.01740.9159*287.42700.05520.04490.9865*420.4988-0.15690.01890.7457429.34450.10400.04580.9841*560.5568-0.08670.01350.72865611.13750.16690.03940.9965*F00.0181-0.57030.04900.7987*C00.0266-0.66180.03490.9716*400.0336-0.86880.07820.9072*52.40.0660-0.63760.04560.9258*800.1264-0.57700.06990.6548-1200.44600.2957-0.03730.4960-1600.5834-0.14400.02010.2816-2000.7544-0.32720.04090.8264*-W00.7921-0.03160.02410.8314*X00.5934-0.12440.02500.9911*5.80.8708-0.09740.02450.9773*8.70.6680-0.12430.02620.9663*11.60.9540-0.08890.02580.9507*17.50.7033-0.14590.02520.9208*17.41.10700.03660.01300.9904*26.20.8199-0.12550.02090.8712*23.31.20810.02380.01390.9822*34.91.0141-0.11620.02590.8831*注：“*”表示达到0.01显著水平，“*”表示达到0.05显著水平。166生态环境第16卷第1期（2007年1月）吸的最大量即为可供根系吸收的量，或者说土壤有效磷数量。由于目前只有很少一部分植物和磷素的Cmin是知道的15，同时为避免远外推可能造成的误差，在实用上可用试验时的最大水土比Hmax来估计Q值，且称为可解吸性磷数量：maxmax1max1HQCHCHe（3）由于水土比即为土壤湿度（含水量），因此（2）式也可用以估算土壤初始水分含量（Hi）条件下的土壤溶液磷浓度（Cli），即1HiCliCHie（4）该条件下的土壤磷素平均缓冲系数为：QbCli（5）因此，表征土壤磷素生物有效性的数量指标和强度指标以及缓冲系数都可通过（2）式模型同时得到。当（2）式的导数等于零时，还可求得C的极大值及其对应的水土比。土壤养分供应能力通常用数量因素和强度因素以及缓冲系数等指标表达。计算结果表明，土壤磷素的Q和Cli与磷加入量呈正相关；缓冲系数b平均为34.6±39.2（n=38），有较大的缓冲系数，主要是由于土壤对磷有较强的吸附能力的缘故。磷素的b值与Q和Cli或有效磷含量和土壤质地密切相关，8个供试土壤磷素缓冲系数变幅在1.2146.2之间。当土壤有效磷含量高和质地偏砂（表1）或Q和Cli较大（表3）时，不同施磷量的b值均较小，如B号供试土壤的初始有效磷含量达到47.9mg/kg，<0.01mm粘粒含量仅21.55%，b值变幅在1.22.1之间；当土壤初始速效磷含量较低（表1）或Q和Cli较小（表3）时，b值则较大，如C号供试土壤有效磷含量16.6mg/kg，加入磷素0、52.6mg/kg时，b值分别为146.2和105.9。有关土壤溶液磷浓度的研究很少。据Mengel等人报道，在土壤饱和水条件下，美国土壤溶液P浓度为0.0011mmol/L，欧洲土壤溶液P浓度为0.0150.03mmol/L1。鲁如坤等人对太湖地区水稻土在水饱和条件下的研究表明，土壤溶液P浓度为0.00120.0030mmol/L之间16。本研究表明，菜园在土壤初始水分含量下，不施磷时的土壤溶液P浓度是0.00030.20mmol/L，平均浓度高于太湖地区水稻土，主要是由于土壤初始水分含量低于土壤饱和持水量使P养分浓度升高的缘故。2.3土壤磷素解吸特征值对供试蔬菜的效应2.3.1Q、Cli和C1/比值对供试蔬菜吸磷量的影响根据土壤磷素解吸模型（2）式，Q和Cli都表示植物有效形态的土壤磷含量，C1/比值越大，表示土壤供应磷素能力越强。不区分土壤类型，将A、B、C和E号供试土壤的空心菜收获时相应处理的磷吸收量分别与相应处理的Q或Cli或C1/比值组合进行回归分析，对D和F号供试土壤的菜心盆栽试验亦做同样处理。图2的a和b是空心菜和菜心盆栽试验不同磷素Q值对供试蔬菜磷吸收量影响表3供试土壤磷素解吸特征值Table3Pdesorptioncharacteristicvalueforthesoils土壤施P量/(mg·kg-1)Q/(mg·kg-1)Cli/(mg·L-1)b土壤施P量/(mg·kg-1)Q/(mg·kg-1)Cli/(mg·L-1)bA01.20.01392.3B010.36.2451.652.41.60.016100.052.418.58.8042.11003.10.025124.010021.115.7381.32008.80.17650.020033.228.3291.230018.70.76224.530038.229.4481.3D09.00.27632.6E014.01.09712.8149.20.33227.71429.56.9374.3289.30.33827.52851.37.8186.64210.90.42925.44254.810.4175.35611.00.51221.55661.413.3994.6F00.80.01172.7W010.80.75914.2401.90.015126.75.814.30.77618.4803.50.07447.311.614.90.85817.41207.80.58613.317.415.31.14413.416012.00.51023.523.317.01.23013.820017.70.55831.7-X010.50.50820.7C01.90.013146.28.711.50.57120.152.43.60.034105.917.513.20.58722.5-26.215.70.70222.4-34.917.10.87619.5-