土壤磷素解吸模型及其特征值的作物效應(yīng).doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-土壤磷素解吸模型及其特征值的作物效應(yīng)陳子聰1，李娟1，章明清1,2，顏明娟1，林瓊1，吳啟堂2*1.福建省農(nóng)科院土壤肥料研究所，福建福州350013；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東廣州510642摘要：土壤有效磷數(shù)量和強(qiáng)度及其緩沖系數(shù)是評價土壤磷素供應(yīng)能力的重要指標(biāo)。通過解吸實(shí)驗、盆栽和田間試驗研究土壤磷解吸特性及其與供試蔬菜的效應(yīng)。38個磷素解吸實(shí)驗表明，土壤鎘解吸模型的修正式能很好地模擬土壤磷素解吸動態(tài)特征，有32個回歸模型達(dá)到顯著水平。土壤磷解吸模型可同時求得表征土壤磷有效性的磷可解吸數(shù)量Q和土壤溶液初始磷濃度Cli及其緩沖系數(shù)b。盆栽試驗表明，土壤磷解吸特征值Q和Cli與空心菜（Iponoeaaqatica）和菜心（Brassicaparachinensis）吸P量有顯著水平的拋物線型關(guān)系，且與土壤類型無關(guān)。田間試驗表明，Q值與供試蔬菜鮮重產(chǎn)量亦有顯著水平的拋物線型關(guān)系，可求得試驗條件下空心菜和萵苣（Lactucasativa）磷肥施用的Q值臨界指標(biāo)分別為11mg/kg和13mg/kg。解吸模型研究為評價土壤磷素有效性提供了一種新方法。關(guān)鍵詞：土壤；磷；解吸；模型；作物效應(yīng)中圖分類號：S147.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-2175（2007）01-0163-07土壤對植物養(yǎng)分供應(yīng)能力取決于土壤固相和液相該元素的濃度以及養(yǎng)分由固相向液相轉(zhuǎn)化的能力即土壤養(yǎng)分緩沖能力1。一般認(rèn)為，對于土壤吸附性較強(qiáng)的磷元素來講，其供應(yīng)能力可用土壤固相和液相磷濃度的關(guān)系曲線即土壤磷吸附等溫線來表達(dá)。吸附等溫線通常用平衡法測定，研究發(fā)現(xiàn)，平衡法測定的磷吸附等溫線受水土比的影響較大2-3。磷肥施入土壤后會被土壤吸附，解吸作用是補(bǔ)充土壤溶液磷素的主要過程4-5。隨著環(huán)境科學(xué)的興起和發(fā)展，研究土壤元素的解吸特征越顯得重要和迫切。土壤磷素解吸動力學(xué)雖然已做了許多研究6-10，但至今為止，由于動力學(xué)理論的困惑、實(shí)驗手段的限制以及土壤磷素形態(tài)的復(fù)雜性等因素影響了動力學(xué)方程的適用性，土壤磷解吸模型參數(shù)與作物實(shí)際反應(yīng)的報道還很少，有待深入研究。吳啟堂等人11提出的土壤鎘解吸模型能同時求得評價土壤鎘生物有效性的強(qiáng)度和數(shù)量指標(biāo)以及緩沖系數(shù)，試驗方法較簡單，可用于描述土壤鎘解吸動態(tài)特征。本文以該模型為基礎(chǔ)，探討福建幾種主要土壤類型磷解吸特性，以及解吸特征值對供試蔬菜磷吸收量和生物產(chǎn)量的效應(yīng)。1材料與方法1.1解吸實(shí)驗方法1.1.1土壤樣品由于供試蔬菜為淺根作物，取015cm耕層土樣4kg，在室溫下風(fēng)干。8個供試土壤的主要理化性質(zhì)如表1。測定方法分別為12：pH為電位法，有機(jī)質(zhì)為容量法，全氮為開氏法，全磷為鉬銻抗比色法，全鉀為火焰光度計法，堿解氮為堿解擴(kuò)散法，有效磷為0.5mol/L碳酸氫鈉提取鉬銻抗比色，速效鉀為1mol/L乙酸銨提取火焰光度計測定。陽離子交換量為乙酸銨法，質(zhì)地為比重計法測定。1.1.2土壤加肥培養(yǎng)稱取過1mm篩各土樣若干份，每份400g于表1供試土壤主要理化性狀Table1Maincharacteristicsofexperimentalsoils項目灰黃泥土No.A灰赤沙土No.B黃泥土No.C灰泥土No.D黃泥土No.E黃泥土No.F灰黃泥土No.W灰泥土No.XpH6.005.916.155.596.785.605.224.73有機(jī)質(zhì)/%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全鉀/%1.0330.7610.7941.1291.0603.0581.3062.696堿解氮/(mgkg-1)170.990.1129.7124.4143.1146.6135.8109.9速效磷/(mgkg-1)22.047.916.651.286.323.137.249.4速效鉀/(mgkg-1)68.3103.848.1148.2112.169.185.0102.5CEC/(cmolkg-1)8.5564.5375.9685.6611.237.266.215.67質(zhì)地：0.01mm47.7121.5533.1340.8742.5652.543.0438.44164生態(tài)環(huán)境第16卷第1期（2007年1月）同樣大小的塑料瓶中。各瓶中分別加入不同用量的養(yǎng)分，氮磷鉀養(yǎng)分形態(tài)分別采用分析純硫酸銨（N21.21%）、磷酸二氫鈣（P26.50%）和硫酸鉀（K44.83%）。A、B、C號土樣各處理N、K加入量分別為200、132.8mg/kg，A、B號土樣設(shè)5個P水平，P加入量分別為0、52.4、100、200、300mg/kg，C號土樣則設(shè)2個P水平，P加入量為0、52.4mg/kg。其中，N和K加入量以及P素的（1）、（2）處理與空心菜（Iponoeaaqatica）盆栽試驗施肥量相同。D號和E號土樣各處理N、K加入量分別為160、80mg/kg，P設(shè)5個水平，P加入量分別為0、14、28、42、56mg/kg。F號土樣各處理N、K加入量分別是180、120mg/kg，P設(shè)6個水平，P加入量分別為0、40、80、120、160、200mg/kg。養(yǎng)分加入量與空心菜和菜心（Brassicaparachinensis）盆栽試驗施肥量相同。W號土樣各處理N、K加入量分別為66.6、66.4mg/kg，P設(shè)5個水平，P加入量為0、5.8、11.6、17.4、23.3mg/kg；X號土樣則N、K加入量分別為80、44.3mg/kg，P加入量為0、8.7、17.5、26.2、34.9mg/kg。W號和X號土樣的養(yǎng)分加入量與空心菜和萵苣（Lactucasativa）田間試驗施肥量相同。肥料溶解于去離子水中，然后分別加入各自的塑料瓶，再加無離子水至每種土壤的田間持水量。用塑料紙覆蓋密封瓶子，放在室溫（253）中培養(yǎng)2周。然后將培養(yǎng)2周的土壤取出，在室溫下風(fēng)干，過1mm篩待用。1.2.3解吸實(shí)驗方法稱取上述每份過1mm篩待用風(fēng)干土樣各6份，其中一份50g，其它5份各30g，分別放入1000ml塑料瓶中，加去離子水使水土質(zhì)量比分別為11、21、31、51、101、201，50g的那份土樣用于配置水土質(zhì)量比為11。然后，放在震蕩器震蕩30min，后靜置24h，取清液在高速離心機(jī)上離心，測定離心液中P的質(zhì)量濃度。每個水土比重復(fù)3次。測定方法9為硫酸-高氯酸氧化-鉬銻抗比色紫外可見光光度計法。1.3盆栽試驗空心菜2個磷水平試驗：在試驗前2個月，取A、B、C3種不同土壤類型的供試土壤各800kg，在自然狀態(tài)下風(fēng)干。盆栽試驗前，破碎土壤，過3mm篩，去除小石頭等雜物。選擇2317的塑料盆，每盆裝土2.5kg，每個處理5盆。試驗時間為2004年911月。試驗設(shè)2個處理即（1）NK；（2）NPK。處理2的施N量為200mg/kg，NP2O5K2O質(zhì)量比例為10.60.8。肥料分別選用化學(xué)純的尿素(N46%)、KH2PO4(P2O552.2%,K2O34.5%)和氯化鉀（K2O60%）。肥料配成溶液后均勻噴施于每盆中并混合均勻，然后澆無離子水至土壤濕潤狀態(tài)，5天后播種。供試作物選用泰國空心菜。每盆播種空心菜種子20粒。齊苗后進(jìn)行間苗，每盆保持12株。在試驗期間，用無離子水澆灌，使每盆土壤保持濕潤狀態(tài)。A、B、C土壤初始重量含水量（下同）分別為25.3%、20.8%和26.6%。收獲時對每盆植株分別稱鮮重和烘干重，取植株樣品測定磷含量。菜心和空心菜5個磷水平試驗：供試土壤分別為D、E號土樣，在每盆施用N0.4g和K2O0.24g基礎(chǔ)上，設(shè)5個磷水平即P2O50、0.08、0.16、0.24、0.32g/盆。菜心和空心菜試驗分別在2005年45月和67月，選用廣州菜心和泰國空心菜。D、E號土壤初始含水量分別為28.7%和23.5%，其它試驗方法與上述A、B、C供試土壤的試驗相同。菜心6個磷水平試驗：供試土壤為F號土樣，在每盆施N0.45g和K2O0.4g基礎(chǔ)上，設(shè)6個磷水平，即P2O50、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g/盆。每個處理5盆，選用廣州菜心，其它試驗方法與上述盆栽試驗相同。試驗時間為2005年1011月，土壤初始含水量為29.5%。1.4田間試驗空心菜試驗：在平和縣的灰泥土（X）上進(jìn)行，在每公頃施N180kg和K2O120kg基礎(chǔ)上，設(shè)5個P水平，即P2O50、45、90、135、180kg/hm2。選擇肥力均勻的有代表性菜地，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積20m2。氮肥用尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀。試驗地不施有機(jī)肥。由于生長期短，化肥全部做基肥施用。試驗時間為2005年67月，每畝播種泰國空心菜種子9kg。收獲時測植株鮮重和烘干重，取各處理植株樣品測定磷含量。土壤初始含水量為23.3%。萵苣試驗：在平和縣的灰黃泥土（W）上進(jìn)行，在每公頃施N150kg和K2O180kg基礎(chǔ)上，設(shè)5個P水平，即P2O50、30、60、90、120kg/hm2。試驗時間為2005年14月，土壤初始含水量為25.0%。其它試驗方法與空心菜磷肥試驗相同。2結(jié)果與分析2.1土壤磷素解吸模型與參數(shù)估計用解吸的方法研究土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力一般是向重復(fù)的土樣中分別加入不同水土比的去離子水。土壤溶液中養(yǎng)分濃度（C）與水土比（H）的關(guān)系可用下式描述11：1CCH(01)（1）式中：C1為回歸常數(shù)，表示水土比為1時的土壤溶液養(yǎng)分濃度；描述C隨H變化的趨勢，陳子聰?shù)龋和寥懒姿亟馕Ｐ图捌涮卣髦档淖魑镄?yīng)165越大，土壤緩沖能力越弱。（1）式可用于土壤鎘解吸動態(tài)的模擬。但土壤磷素解吸實(shí)驗的實(shí)測結(jié)果表明，可能是由于南方土壤磷素以鐵磷、鋁磷、閉蓄態(tài)磷等復(fù)雜形態(tài)存在，化學(xué)性質(zhì)各不相同，其溶解-沉淀和解吸的特性復(fù)雜得多的緣故，在8個供試土壤中，除了少數(shù)供試土壤或處理的磷素解吸規(guī)律符合（1）式動態(tài)特征外，絕大多數(shù)的磷素解吸動態(tài)特征均表現(xiàn)為如圖1所示的W號土壤不同加磷水平下的解吸動態(tài)曲線。為此，需要對（1）式進(jìn)行修正。根據(jù)實(shí)測結(jié)果及其動態(tài)特征，在（1）式基礎(chǔ)上增加修正項即可描述圖1所表達(dá)的動態(tài)過程，即：1HCCHe（2）式中參數(shù)、描述C隨H的變化趨勢，當(dāng)0時，動態(tài)變化曲線形如圖1。根據(jù)解吸實(shí)驗土壤溶液磷濃度測定值與相應(yīng)的水土比，用OriginPro7.5軟件對（2）式解吸模型進(jìn)行參數(shù)估計（表2）。38個實(shí)驗結(jié)果表明統(tǒng)計不顯著的只有6個，且大都出現(xiàn)在D號和F號供試土壤的較高施磷處理中，原因有待進(jìn)一步研究。其它32個模型的R2達(dá)到顯著水平，表明土壤溶液磷濃度與水土比的關(guān)系大多滿足（2）式所描述的動態(tài)特征。在NH4+、P、K解吸能力研究中，由于受土壤理化性質(zhì)影響，不同土壤類型常需采用不同模型來表達(dá)13-14。本研究表明，除部分土樣的較高施磷處理外，在正常施磷量范圍內(nèi)，（2）式能很好地模擬土壤磷解吸規(guī)律，解吸模型的數(shù)學(xué)形式不受土壤類型和理化性質(zhì)的影響。由于值很?。ū?），可認(rèn)為C1表示水土比（H）約為1時的土壤溶液磷濃度，、越大土壤緩沖能力越弱。結(jié)果表明，磷素和平均分別為0.2945和0.04530（n=38），土壤對磷素有較高的緩沖能力，這是由于土壤對磷素具有較強(qiáng)的吸附能力的緣故。2.2土壤磷素解吸特征值根據(jù)（2）式，在某一水土比時解吸到土壤溶液中的元素總量為：11HqCHCHe由于解吸到土壤溶液中的磷被植物根系吸收，導(dǎo)致濃度下降。當(dāng)土壤溶液中的磷濃度降低至根系吸收動力學(xué)所要求的最小濃度Cmin時，土壤磷可解024681012141618200.50.60.70.80.911.11.21.3P水土比water/soilratio土壤溶液磷濃度mgkg-1Pconcentrationinsoilsolution從下到上解吸曲線的P加入量分別為0,5.8,11.6,17.4,23.3mg/kg,R2分別為0.8314*,0.9773*,0.9507*,0.9904*,0.9822*,圖1W號供試土壤不同施磷量的磷素解吸動態(tài)變化曲線（*表示實(shí)測值）Fig.1PdesorptioncurvefortheinvestigatedsoilW“*”wastheobservedvalues.表2供試土壤磷素解吸模型參數(shù)Table2Pdesorptionmodelparametersofinvestigatedsoils土壤施P/(mgkg-1)ClR2土壤施P/(mgkg-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：“*”表示達(dá)到0.01顯著水平，“*”表示達(dá)到0.05顯著水平。166生態(tài)環(huán)境第16卷第1期（2007年1月）吸的最大量即為可供根系吸收的量，或者說土壤有效磷數(shù)量。由于目前只有很少一部分植物和磷素的Cmin是知道的15，同時為避免遠(yuǎn)外推可能造成的誤差，在實(shí)用上可用試驗時的最大水土比Hmax來估計Q值，且稱為可解吸性磷數(shù)量：maxmax1max1HQCHCHe（3）由于水土比即為土壤濕度（含水量），因此（2）式也可用以估算土壤初始水分含量（Hi）條件下的土壤溶液磷濃度（Cli），即1HiCliCHie（4）該條件下的土壤磷素平均緩沖系數(shù)為：QbCli（5）因此，表征土壤磷素生物有效性的數(shù)量指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)以及緩沖系數(shù)都可通過（2）式模型同時得到。當(dāng)（2）式的導(dǎo)數(shù)等于零時，還可求得C的極大值及其對應(yīng)的水土比。土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力通常用數(shù)量因素和強(qiáng)度因素以及緩沖系數(shù)等指標(biāo)表達(dá)。計算結(jié)果表明，土壤磷素的Q和Cli與磷加入量呈正相關(guān)；緩沖系數(shù)b平均為34.639.2（n=38），有較大的緩沖系數(shù)，主要是由于土壤對磷有較強(qiáng)的吸附能力的緣故。磷素的b值與Q和Cli或有效磷含量和土壤質(zhì)地密切相關(guān)，8個供試土壤磷素緩沖系數(shù)變幅在1.2146.2之間。當(dāng)土壤有效磷含量高和質(zhì)地偏砂（表1）或Q和Cli較大（表3）時，不同施磷量的b值均較小，如B號供試土壤的初始有效磷含量達(dá)到47.9mg/kg，0.01mm粘粒含量僅21.55%，b值變幅在1.22.1之間；當(dāng)土壤初始速效磷含量較低（表1）或Q和Cli較?。ū?）時，b值則較大，如C號供試土壤有效磷含量16.6mg/kg，加入磷素0、52.6mg/kg時，b值分別為146.2和105.9。有關(guān)土壤溶液磷濃度的研究很少。據(jù)Mengel等人報道，在土壤飽和水條件下，美國土壤溶液P濃度為0.0011mmol/L，歐洲土壤溶液P濃度為0.0150.03mmol/L1。魯如坤等人對太湖地區(qū)水稻土在水飽和條件下的研究表明，土壤溶液P濃度為0.00120.0030mmol/L之間16。本研究表明，菜園在土壤初始水分含量下，不施磷時的土壤溶液P濃度是0.00030.20mmol/L，平均濃度高于太湖地區(qū)水稻土，主要是由于土壤初始水分含量低于土壤飽和持水量使P養(yǎng)分濃度升高的緣故。2.3土壤磷素解吸特征值對供試蔬菜的效應(yīng)2.3.1Q、Cli和C1/比值對供試蔬菜吸磷量的影響根據(jù)土壤磷素解吸模型（2）式，Q和Cli都表示植物有效形態(tài)的土壤磷含量，C1/比值越大，表示土壤供應(yīng)磷素能力越強(qiáng)。不區(qū)分土壤類型，將A、B、C和E號供試土壤的空心菜收