有效磷含量對(duì)設(shè)施土壤有機(jī)碳組分的影響研究

蘇紅麗，嚴(yán)雪偉，楊灝秋，陳 珂，郝一影，李 磊，邢文聽

(河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052)

設(shè)施土壤長期在“高溫、高濕、高度連作、連續(xù)過量施肥、無降水淋洗”等特殊環(huán)境條件下，有機(jī)碳含量比露地高11.6%～62.8%，而總磷較露地高1 000 mg/kg左右，設(shè)施土壤中有機(jī)碳、磷明顯富集，嚴(yán)重影響地下水環(huán)境質(zhì)量，同時(shí)極易發(fā)生連作障礙，對(duì)土壤環(huán)境存在極大威脅[1-2]。

土壤有機(jī)碳作為土壤的重要成分，不僅為土壤微生物提供能源，促進(jìn)土壤環(huán)境向有利于微生物生命活動(dòng)的方向發(fā)展。根據(jù)活性大小，可將土壤有機(jī)碳分為活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳。土壤有機(jī)碳的活性部分是指示土壤有機(jī)碳狀態(tài)、反映土壤碳庫動(dòng)態(tài)的敏感性指標(biāo)，主要包括可溶性有機(jī)碳、微生物量碳、易氧化有機(jī)碳；土壤有機(jī)碳的惰性部分是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，主要包括腐植酸、富里酸、胡敏酸、胡敏素。

本研究通過選取不同有效磷含量典型設(shè)施菜地土壤，對(duì)其有機(jī)碳組分進(jìn)行測(cè)定分析，旨在了解不同有效磷含量條件下有機(jī)碳的含量及組分的變化特征，解釋有效磷含量與有機(jī)碳組分之間的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

土壤分別采自北京市海淀、昌平、房山、通州、順義、密云、大興等7 個(gè)區(qū)設(shè)施菜地及部分農(nóng)田。供試土壤地形為平原，土壤類型為潮土，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)土壤。種植模式分別為荒地、糧田、露地菜、溫室等。采用多點(diǎn)混合法在采樣區(qū)域內(nèi)隨機(jī)采集表層土壤(0～20 cm)，裝入自封袋中，記錄采樣時(shí)間、地點(diǎn)，調(diào)查施肥方式，共61個(gè)土壤樣品，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后所有土壤充分?jǐn)嚢杌靹驍傞_，并除去可見的植物殘?bào)w和礫石，室內(nèi)風(fēng)干到一定程度后研磨過2 mm篩。將過篩后的土壤用蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含水量到最大持水量(WHC)的45%，然后放入恒溫[(25±1)℃]恒濕箱中預(yù)培養(yǎng)7天。

培養(yǎng)完所有樣品后，用鉬藍(lán)法檢測(cè)有效磷含量，根據(jù)有效磷含量從上述61個(gè)土壤樣品中挑選出約15個(gè)土壤，對(duì)有機(jī)碳組分進(jìn)行檢測(cè)，以期探究不同有效磷含量條件下土壤有機(jī)碳含量及組分的變化特征，揭示磷與有機(jī)碳組分之間的相關(guān)性。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1常規(guī)碳指標(biāo)的測(cè)定

土壤總有機(jī)碳采用外加熱源重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化，并用硫酸亞鐵滴定剩余重鉻酸鉀測(cè)定[9]。土壤可溶性有機(jī)碳用水土比4∶1蒸餾水振蕩提取，過0.45 μm濾膜后，濾液用總碳分析儀(Elementar Analysensysteme GmbH,德國)測(cè)定。易氧化有機(jī)碳用333 mmol/L KMnO4溶液氧化后，利用紫外分光光度計(jì)比色法測(cè)定。

1.2.2土壤微生物量碳

土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4(0.5 mol/L)溶液浸提后，土壤濾液中的有機(jī)碳含量采用總碳分析儀測(cè)定。

1.2.3土壤腐植酸的測(cè)定

將土壤挑去粗根并通過1 mm篩孔，去除細(xì)根，40 ℃遠(yuǎn)紅外烘干，準(zhǔn)確稱取土壤樣品5.00 g。加入0.1 mol/L的NaP2O7-0.1 mol/L的NaOH混合提取液(土∶混合提取液=1∶10)，間歇攪拌，置沸水浴中加熱浸提30 min，不時(shí)搖動(dòng)。取出冷卻，定容。準(zhǔn)確吸取上述浸提液5 mL于100 mL試管中，在沸水浴中蒸發(fā)近干，然后用K2Cr2O7-H2SO4溶液測(cè)定含碳量，計(jì)算總腐植酸含量。取100 mL試管，準(zhǔn)確吸取上述浸提液10 mL，用6 mol/L H2SO4將pH值調(diào)至1.0～1.5。胡敏酸經(jīng)沉淀離心后，用0.1 mol/L NaOH溶解，定容。取100 mL試管，準(zhǔn)確吸取5 mL，在沸水浴中蒸發(fā)近干，測(cè)定胡敏酸中的碳含量，計(jì)算出胡敏酸碳提取量。富里酸的提取量可用差減法求得[3]。胡敏素在土壤中與礦質(zhì)土粒結(jié)合十分牢固，活性很低，很難受土壤中有機(jī)碳和有效磷含量的變化而變化，故本試驗(yàn)未給予測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

所有數(shù)據(jù)均以3次重復(fù)的平均值表示，用SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，采用LSD方法進(jìn)行處理間顯著性差異(P=0.05)比較。文中圖表均用Excel 2007完成。

2 結(jié)果分析

2.1 土樣理化性質(zhì)(見表1)

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

從表1可知，供試土壤pH值在7.20～8.38，為堿性土；土壤有機(jī)碳含量在6.55～26.83 g/kg，平均為12.20 g/kg，全N在0.53～2.75 g/kg，平均為1.15 g/kg；土壤有效磷含量5.03～391.45 mg/kg內(nèi)變化，變化范圍較大。

2.2 有效磷含量對(duì)總有機(jī)碳的影響

總有機(jī)碳與有效磷含量關(guān)系見圖1。

圖1 總有機(jī)碳與有效磷含量的關(guān)系

從圖1可以看出，供試土壤有效磷變化范圍為5～400 mg/kg，土壤有機(jī)碳含量在5～30 g/kg。有機(jī)碳含量與有效磷含量之間呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)線性關(guān)系(R2=0.693 9)，說明土壤中有機(jī)碳含量隨著有效磷含量的增加而增加。

2.3 有效磷含量對(duì)活性有機(jī)碳組分的影響

可溶性有機(jī)碳(a)、易氧化有機(jī)碳(b)含量與有效磷含量的關(guān)系見圖2，微生物生物量碳(a)、微生物量碳磷比(b)與有效磷含量的關(guān)系見圖3。

圖2 可溶性有機(jī)碳(a)、易氧化有機(jī)碳(b)含量與有效磷含量的關(guān)系

圖3 微生物生物量碳(a)、微生物量碳磷比(b)與有效磷含量的關(guān)系

從圖2(a)中可以看出，供試土壤水溶性有機(jī)碳(DOC)含量在150～350 mg/kg，其含量多少不受土壤有效磷水平的影響。從圖2(b)中可以看出，供試土壤易氧化有機(jī)碳(ROOC)含量在5～20 mg/kg。易氧化有機(jī)碳含量與有效磷含量之間呈現(xiàn)極顯著線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.475 7)，土壤中易氧化有機(jī)碳含量隨著有效磷含量的增加而增加。

從圖3(a)、(b)可知，供試土壤微生物量碳(SMBC)含量在10～400 mg/kg。微生物量碳與有效磷含量之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系(R2=0.584 6)，微生物量碳磷比與有效磷含量之間顯著相關(guān)(R2=0.421 8)。有效磷含量增加導(dǎo)致MBC含量增加，同時(shí)降低了MBC/MBP，說明有效磷含量增加可以提高微生物釋放磷的潛力。MBC在Olsen-P<60 mg/kg的條件下隨著磷含量的增加而急劇增加，在超過這一值后趨于平衡。

2.4 有效磷含量對(duì)惰性有機(jī)碳組分的影響

腐植酸(a)、胡敏酸(b)與有效磷含量的關(guān)系如圖4所示。

從圖4(a)、(b)可知，供試土壤腐植酸含量在1 000～2 000 mg/kg。土壤中胡敏酸有含量在500～2 000 mg/kg。腐植酸與有效磷含量之間存在顯著相關(guān)關(guān)系(R2=0.320 9)。腐植酸中的胡敏酸與有效磷含量之間顯著相關(guān)(R2=0.313 2)。隨著有效磷含量的增加，腐植酸和胡敏酸均有極顯著增加趨勢(shì)，而富里酸含量無明顯變化，推測(cè)隨有效磷含量增加的腐植酸以胡敏酸為主。

圖4 腐植酸(a)、胡敏酸(b)與有效磷含量的關(guān)系

3 結(jié)論

3.1 有效磷含量對(duì)總有機(jī)碳的影響

本研究結(jié)果顯示，有效磷含量與有機(jī)碳存在極顯著線性相關(guān)關(guān)系，隨著有效磷含量的升高，有機(jī)碳含量也升高，可能是由于磷輸入為微生物提供營養(yǎng)，使土壤微生物生命活動(dòng)增強(qiáng)，促進(jìn)了有機(jī)碳的生物轉(zhuǎn)化。

3.2 有效磷含量對(duì)活性有機(jī)碳組分的影響

有研究顯示，磷源能增加設(shè)施土壤可溶性有機(jī)碳含量。但本研究結(jié)果顯示，土壤DOC含量隨著有效磷含量的增加，并無明顯變化?？赡苡捎诠┰囃寥李愋秃唾|(zhì)地一致，施肥模式類似，而DOC是存在于土壤溶液中的可溶性有機(jī)碳，在土壤中存在一動(dòng)態(tài)平衡過程，當(dāng)DOC含量降低時(shí)其它有機(jī)碳組分不斷分解轉(zhuǎn)化，釋放到土壤溶液中，從而導(dǎo)致土壤溶液中的DOC含量相對(duì)恒定所致。

有研究把土壤Olsen-P含量在55.6～63.0 mg/kg定義為土壤磷流失顯著增加的“突變點(diǎn)”，當(dāng)土壤Olsen-P含量大于“突變點(diǎn)”時(shí)，土壤磷的流失風(fēng)險(xiǎn)顯著增大[4]。本研究顯示，土壤微生物量碳在Olsen-P<60 mg/kg條件下，隨有效磷含量增加而增加，當(dāng)超過這一值后變化緩慢，趨于平衡。一方面，有效磷含量增加可能會(huì)導(dǎo)致微生物數(shù)量增加。磷是微生物數(shù)量增長的限制因子，在Olsen-P<60 mg/kg時(shí)，隨著有效磷含量的增加，微生物數(shù)量急劇增加；當(dāng)有效磷含量超過這一值時(shí)，磷含量不再限制微生物數(shù)量的增長，故而隨著有效磷含量的增加，微生物的數(shù)量變化緩慢。同時(shí)，來璐等[5]研究表明，MBC/MBP與土壤有效磷含量顯著相關(guān)，可能是土壤微生物吸收富集磷素所致。這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

李平儒[6]研究表明，施肥可增加土壤中ROOC含量且隨時(shí)間推移均增加趨勢(shì)。佳穎[7]通過對(duì)設(shè)施土壤ROOC含量變化研究結(jié)果表明，長期施用有機(jī)肥能夠顯著提高土壤中ROOC的含量。本研究結(jié)果也顯示，土壤中有效磷含量增加，ROOC含量也隨之增加。

3.3 有效磷含量對(duì)惰性有機(jī)碳組分的影響

腐植質(zhì)作為土壤有機(jī)質(zhì)的主體，其結(jié)構(gòu)變化和組成將直接改變土壤肥力性質(zhì)，并顯著地影響土壤污染物質(zhì)和養(yǎng)分的遷移和歸宿。

在土壤腐植質(zhì)的組成中，由于胡敏酸的腐植化程度較富里酸的高，具體表現(xiàn)為胡敏酸的相對(duì)分子質(zhì)量較富里酸的大，縮合程度、芳構(gòu)化程度較富里酸的高，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，故而隨著施肥量的增加較易表現(xiàn)出明顯的增高趨勢(shì)[8]。本研究表明，腐植酸和胡敏酸與有效磷含量之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，富里酸不受有效磷含量多少的影響。隨著有效磷含量的增加，腐植酸和胡敏酸均有極顯著的增加趨勢(shì)，而富里酸含量無明顯變化，因此隨有效磷含量增加的腐植酸主要是以較為穩(wěn)定的胡敏酸為主。