2015, Vol. 36
2. 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716
2. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Chongqing 400716, China
磷是植物生长必需的营养元素之一，施磷肥是补充土壤磷素营养，提高作物产量、 改善品质的重要措施[1]. 然而，目前施用的磷肥主要来自磷矿开采. 由于磷矿是一种不可再生资源[2]，大量施用磷肥使得人们可能在50~100 a里将面临磷资源耗竭[3]. 有机废弃物中含大量磷素，循环利用其中的磷不仅可减少磷矿资源的开采，还是有效处理有机废弃物，减少不当处理带来的环境污染问题的重要方式. 因而，有机物料作为土壤有机质及氮磷来源在国内外广泛使用[4]. 磷又是引起水体富营养化的关键营养因子之一，长期大量施用易造成磷素在土壤中累积，并通过地表径流或土壤渗漏进入水体，增加水体富营养化的环境风险[5,6]. 研究表明，有机物料中磷素的生物有效性和向水环境的移动性不仅与土壤、 气候等条件有关，还受有机物料中的磷含量及形态的影响，如Sharpley等[7]证实土壤淋滤液中的磷含量与有机物料中的水溶性磷密切相关，王涛[8]发现地表径流中的磷浓度与有机物料中的水溶性磷呈显著或极显著正相关. 因而研究有机物料中磷的形态有助于正确评价有机物料中磷素的生物有效性，预测其流失风险，是合理选取和施用有机物料的重要基础[9]，因此对有机物料中磷形态的研究受到人们的重视. 尽管已有作者对鸭粪、 猪粪[10]和污泥[11]及猪牛粪污[12]发酵过程中磷的形态进行了研究，但是受有机物料来源、 处理方式等因素的影响，不同物料间磷的形态差异较大，现有的关于有机物料中磷的形态及有效性研究不足以为各地有机物料的科学利用提供有效依据[13]. 本研究选取重庆市几种常见的有机物料，参照Dou等[14]提出的5级连续提取法对有机物料中的磷素形态进行分级，以了解不同有机物料磷的形态分布特征，以期为该地区有机物料的科学利用提供依据.
1 材料与方法 1.1 供试材料本试验选取7种有机物料：猪粪沼渣(ZZ)采自重庆某养猪场，牛粪沼渣(NZ)采自重庆某奶牛场，牛粪秸秆堆肥(NJD)取自重庆某堆肥场，污泥堆肥(WD)和农村生活垃圾堆肥1、 农村生活垃圾堆肥2和农村生活垃圾堆肥3(分别记为NSLD1、 NSLD2和NSLD3，由生活垃圾分别与0%、 10%和20%的城市污泥通过好氧堆肥获得)由本实验室提供. 样品经自然风干后，粉碎过1 mm筛，不同有机物料基本性质见表 1.
 | 表 1 供试有机物料基本性质Table 1 Basic properties of the seven organic materials used for the experiment |
有机物料经550℃高温烧灼后，用硫酸浸提-钼锑抗比色测定全磷，未经烧灼的有机物料用同浓度硫酸浸提-钼锑抗比色测定无机磷，全磷和无机磷差减法得到有机物料有机磷[15].
有机物料磷形态分级测定参照Dou等[14]对磷形态分析法进行. 称取0.300 g样品于离心管中，加30 mL浸提剂，150r ·min-1振荡浸提1 h，3 000r ·min-1离心10 min，上清液经0.45 μm无磷滤膜抽滤，滤膜上的残留物用30 mL下一形态浸提剂冲洗回离心管，重复上述浸提过程，浸提如图 1所示. 每步所得上清液用于测定其无机磷(Pi)和形态总磷(Pt)，最后一种形态浸提结束后，将滤膜上的残留物与离心管中的沉淀转入消化管中，180℃蒸发至干，H2SO4-H2O2消化后测定残留态磷(Presidues). 滤液中总磷(Pt)用K2S2O8氧化-钼蓝比色法测定[16]，滤液中无机磷(Pi)直接用钼蓝比色法测定，总磷和无机磷差减法得到滤液中有机磷(Po)，残留磷(Presidues)采用H2SO4-H2O2消煮-钒钼黄比色法测定[17].
 | 图 1 有机物料P形态连续浸提流程Fig. 1 Flow diagrams of P fractionation with a sequential extraction procedure |
采用Sigmaplot 12.5制作数据图、 SPSS 19.0进行数据分析.
2 结果与分析 2.1 有机物料中的全磷及各形态总磷如表 2所示，7种有机物料中的全磷含量以猪粪沼渣最高，达23.59g ·kg-1,牛粪沼渣全磷含量最低，仅3.61g ·kg-1，其它5种物料全磷含量在5.59~8.16g ·kg-1. 表明不同有机物料间的全磷含量存在一定差异，磷含量表现为猪粪沼渣>污泥堆肥>农村生活垃圾堆肥3>牛粪秸秆堆肥>农村生活垃圾堆肥2>农村生活垃圾堆肥1>牛粪沼渣，这可能与有机物料来源及处理方式有关. 本研究中，猪粪沼渣磷含量大于牛粪沼渣，与文献[18, 19]的研究结果相同，这与猪和牛饲料中的磷含量及组成有关. 通常情况下，猪以玉米、 大麦等为主要饲料，其中难以被像猪等非反刍动物利用的肌醇六磷酸磷含量高，而牛以牧草为饲料，其中的磷及肌醇六磷酸磷含量低[20]. 牛粪秸秆堆肥的磷含量高于牛粪沼渣，这与为减少堆肥过程中的氮素损失和促进堆腐进程向堆体添加了约1.5%的过磷酸钙有关. 农村生活垃圾堆肥全磷含量低于污泥堆肥，但又随堆肥过程中污泥添加量的增加而提高，增幅在6.26%~26.30%，这与原料污泥(7.24g ·kg-1)中全磷含量较农村生活垃圾(5.35g ·kg-1)中全磷含量高有关[21].
| 表 2 有机物料全磷(TP)及各形态总磷(Pt)含量/g ·kg-1Table 2 Contents of the total phosphorus (TP) and the total phosphorus of various forms (Pt) in organic materials/g ·kg-1 |
采用Dou等[18]的磷形态分级方法，获得7种有机物料各形态磷之和(回收全磷，Ptt)较实测全磷(TP)略低，回收率为91.49%~99.62%，但高于Turner等[22]对鸡粪、 牛粪和猪粪的测定结果(回收率分别在94%、 79%和92%)，在He等[23]不完全分离提取全磷方案的范围之内. 7种有机物料均以HCl-Pt形态总磷含量最高，但不同物料间的差异较大，猪粪沼渣HCl-Pt达19.95g ·kg-1，牛粪沼渣仅1.72g ·kg-1，二者相差11.6倍. 农村生活垃圾堆肥中各形态总磷的顺序为HCl-Pt>残留态-Pt>H2O-Pt>NaHCO3-Pt>NaOH-Pt(表 2)，其它物料各形态总磷依次为HCl-Pt>残留态-Pt>NaHCO3-Pt>NaOH-Pt>H2O-Pt. 本试验研究结果与付广青等[12]在猪粪、 牛粪中的测定结果一致.
5种形态的磷占回收全磷的比例(Pt/Ptt)如表 3所示. 7种有机物料中磷的形态也以HCl-Pt所占比例最高(47.75%~84.96%)，其次是残留态-Pt(8.82%~21.09%)，NaHCO3-Pt和H2O-Pt占全磷的比例分别是3.45%~16.43%和0.57%~13.31%，NaOH-Pt仅占2.19%~9.96%，表明不同有机物料中的磷素在各形态中的分布存在较大差异. 猪粪沼渣中H2O-Pt仅占回收全磷的0.57%，这与Sharpley[7]等测定的猪粪中H2O-P占回收全磷比例(23%)存在很大差异. 牛粪沼渣中H2O-Pt占全磷的9.46%，同样低于宋春萍等[24]测定的牛粪(20%). 研究表明，经厌氧发酵后的沼肥水溶性磷明显低于未经处理的粪肥[25]，这可能是本研究中猪粪沼渣和牛粪沼渣H2O-Pt比例低的原因. 牛粪秸秆堆肥和污泥堆肥中H2O-Pt占回收全磷比例为9.15%和6.81%，这与文献[26, 27]的结果相近. 3种农村生活垃圾堆肥中H2O-Pt占回收全磷比例均比其他4种有机物料高，可能与垃圾堆肥过程中存在大量的解磷菌对难溶性磷具有较强溶解作用有关[28]. 猪粪沼渣中NaHCO3-Pt(3.45%)和NaOH-Pt(2.19%)占回收全磷比例低于牛粪沼渣、 牛粪秸秆堆肥、 污泥堆肥及3种农村生活垃圾堆肥，与Ajiboye等[27]对污泥、 牛粪、 猪粪测定结果相同. 猪粪沼渣中HCl-Pt占回收全磷比例高达84.96%，污泥堆肥和3种农村生活垃圾堆肥HCl-Pt均超过50%，牛粪沼渣与牛粪秸秆堆肥中HCl-Pt占回收全磷比例虽然较其它两种物料低，但占全磷比例仍在50%左右,表明有机物料中的磷大部分更容易被如HCl等强浸提剂提取. 根据Pagliari等[29]对猪粪、 鸡粪等粪肥形态分级结果，易溶性磷(H2O-Pt+NaHCO3-Pt)为植物可以吸收或随水流失的形态，而被强酸浸提剂提取态磷为不易被植物利用或随水流失的形态. 本研究中，猪粪沼渣、 牛粪沼渣、 牛粪秸秆堆肥、 污泥堆肥及3种农村生活垃圾堆肥中易流失磷的比例分别为4.02%、 22.65%、 25.58%、 16.85%、 24.33%、 24.97%、 24.11%，表明牛粪秸秆堆肥的磷移动性和有效性较高而猪粪沼渣较低，可能与猪粪沼渣中HCl-P形态存在的比例远远高于牛粪秸秆堆肥有关. 7种有机物料易溶性磷比例低于宋春萍等[24]测得猪、 牛粪的易溶性磷的比例(40%~46%)，这与有机物料经发酵导致可溶性磷降低有关[24]，表明为降低有机物料农用的风险，有必要在粪肥施用前对其进行发酵等处理.
| 表 3 有机物料各形态总磷(Pt)占回收全磷(Ptt)比例/%Table 3 Proportion of the total phosphorus of various forms (Pt) in the total fractionated phosphorus (Ptt) of organic materials/% |
有机物料中磷的形态划分存在较大差异，传统分类是将其简单的区分为有机态和无机态[30]. 7种有机物料中无机磷、 有机磷含量及其占全磷比例如图 2所示，以猪粪沼渣无机磷含量最高，为20.60g ·kg-1，牛粪沼渣最低，为1.92g ·kg-1，经堆腐的牛粪秸秆堆肥无机磷为4.28g ·kg-1，是牛粪沼渣的2.23倍，农村生活垃圾堆肥3的无机磷含量高于其它2种农村生活垃圾堆肥，且与污泥堆肥相近. 有机物料中无机磷占全磷的比例在53.18%~87.33%，较分级提取的无机磷占全磷比例(31.89%~83.41%)略大(表 4)，仍以猪粪沼渣最高，牛粪沼渣最低，这可能与牛粪中混合有大量的草和尿液，在沼气发酵过程中其中的有机磷还未充分释放有关[27]. 有机物料中有机磷含量仅1.35~2.99g ·kg-1，为全磷的12.69%~46.82%. Ajiboye等[27]测定了猪粪、 牛粪、 污泥等7种有机物料中的无机磷及有机磷含量，发现除肉牛粪中Pi占全磷的50%外，其余物料中的Pi在54%~77%; Gagnon等[31]在7种有机堆肥中发现，无机磷占全磷的73%~96%; 王旭东等[32]研究指出，粪肥中无机磷占全磷的54.64%~63.22%. 表明粪肥及堆肥等有机物料中磷以无机态磷为主.
 | 图 2 有机物料中的无机磷(Pi)、 有机磷(Po)含量及占全磷比例Fig. 2 Contents of inorganic phosphorus (Pi) and organic phosphorus (Po) and their proportions in the total phosphorus in organic materials |
| 表 4 有机物料无机磷(Pi)、有机磷(Po)占各形态总磷(Pt)比例Table 4 Proportions of inorganic phosphorus (Pi) and organic phosphorus (Po) in the total phosphorus of various forms (Pt)/% |
不同浸提剂提取的各形态无机磷及有机磷含量如表 5所示. 本研究参照文献[27]，将残留态磷归为有机磷. 从中可见，猪粪沼渣和污泥堆肥各形态中无机磷含量高低为HCl-Pi>NaHCO3-Pi>NaOH-Pi>H2O-Pi，牛粪沼渣、 牛粪秸秆堆肥及农村生活垃圾堆肥1则为HCl-Pi>NaHCO3-Pi>H2O-Pi>NaOH-Pi. 牛粪秸秆堆肥中HCl-Pi较牛粪沼渣明显增加，Ngo等[26]也发现经堆腐后的牛粪堆肥和蚯蚓
堆肥HCl-Pi含量明显高于未堆腐的粪肥，表明堆肥过程有助于各形态的磷部分向HCl-Pi形态转化[25]. 各形态有机磷是各形态总磷与其无机磷的差值，从表 5看出，在有机物料各形态有机磷中，HCl-Po和残留态-Po含量较高，而H2O-Po、 NaHCO3-Po、 NaOH-Po含量均较低. 虽然7种有机物料的H2O-Po
(0.04~0.12g ·kg-1)、 NaHCO3-Po(0.04~0.11g ·kg-1)含量较其它形态浓度较低，但这部分磷在土壤中容易迁移和矿化，与植物生长及水环境质量密切相关[27].
| 表 5 有机物料各形态中无机磷(Pi)、有机磷(Po)含量/g ·kg-1Table 5 Contents of inorganic phosphorus (Pi) and organic phosphorus (Po) in various forms/g ·kg-1 |
有机物料中各形态无机磷(Pi)、 有机磷(Po)在各形态总磷(Pt)中的比例见表 4. 7种有机物料中，猪粪沼渣各形态磷中，HCl-Pi占形态总磷的比例最高，其次为NaHCO3-Pi，其余物料均以NaHCO3-Pi占形态总磷比例最高，其形态无机磷占形态总磷比例范围分别为79.72%~94.76%，Sharpley等[7]在牛粪堆肥和家禽堆肥中亦发现NaHCO3-Pi是各形态中最主要的形式，这部分也是在环境中容易流失的部分. 3种农村生活垃圾堆肥的NaOH-Pi和H2O-Pi占形态总磷比例随堆肥过程中污泥添加量的增加而提高，表明污泥有助于NaOH-P和H2O-P向无机态转化. 猪粪沼渣、 牛粪秸秆堆肥、 污泥堆肥及3种农村生活垃圾堆肥中NaOH-Pi在57.58%~86.65%，HCl-Pi在53.82%~92.38%，而牛粪沼渣中NaOH-Pi和HCl-Pi分别占形态总磷比例仅28.05%和22.70%，明显低于其它6种有机物料，表明牛粪沼渣中NaOH-P和HCl-P以有机磷为主. Pagliari等[29]研究发现，奶牛、 山羊等反刍动物的粪肥中NaOH-Pi占NaOH-P比例较低，范围在22%~32%，而作为非反刍动物的猪粪肥中NaOH-Pi占NaOH-P比例在53%，与本研究的结果相似，表明反刍动物的粪肥中NaOH提取的磷形态主要是以有机磷为主. 牛粪秸秆堆肥各形态Po/Pt较牛粪沼渣中各形态Po明显下降，表明好氧堆肥较厌氧发酵更有助于牛粪中的有机磷矿化，提高有机物料中磷的有效性[33].
2.4 各形态无机磷(Pi)、 有机磷(Po)在有机物料回收全磷(Ptt)中的分布有机物料各形态无机磷(Pi)、 有机磷(Po)在回收全磷(Ptt)中的分布如表 6所示. 从中可见，不同有机物料各形态Pi、 Po在全磷中的分布存在很大差异. H2O-Pi占全磷比例在0.4%~11.46%之间，以农村生活垃圾堆肥3最高，猪粪沼渣最低; NaHCO3-Pi占全磷比例在2.98%~15.38%之间，以牛粪秸秆堆肥最高，猪粪沼渣最低; NaOH-Pi在全磷的比例在1.57%~7.26%之间，以污泥堆肥最高，猪粪沼渣最低;
HCl-Pi占全磷比例在11.51%~78.45%之间，明显高于其它形态，以猪粪沼渣最高，牛粪沼渣最低，二者相差6.8倍. 根据各形态无机磷在全磷的比例可知，猪粪沼渣和污泥堆肥的无机磷主要分布在HCl-P中，牛粪沼渣和牛粪秸秆堆肥中的无机磷主要分布在HCl-P、 NaHCO3-P中，而3种农村生活垃圾堆肥中的无机磷则分布于HCl-P、 NaHCO3-P和H2O-P中. 7种有机物料H2O-Po、 NaHCO3-Po、 NaOH-Po占全磷比例均较低，各形态中Po主要分布于HCl(5.30%~39.26%)和残留态(8.82%~21.09%)中. 研究中除反刍动物牛粪沼渣中HCl-Po为主要的磷形态外，其它物料HCl-Pi占全磷的主要部分. Pagliari等[29]研究发现猪、 火鸡等非反
刍动物粪肥HCl-Pi在全磷中占主要部分(34%~60%)，这一方面是因为非反刍动物粪肥中可能含有大量与Ca结合稳定的磷酸盐，只溶于强酸浸提剂[29]，另一方面可能是由于像HCl等浸提剂提取磷的能力比水等中性浸提剂的浸提能力强，这也表明猪粪中的磷对比其它有机物料难降解部分多，易分解部分少[27]. 本试验中7种有机物料中易溶性的无机磷(H2O-Pi+NaHCO3-Pi)占全磷比例较低，为3.38%~23.68%，低于Takahashi[34]对秸秆堆肥测定结果(25.4%). 牛粪秸秆堆肥各形态Pi占Ptt比例对比牛粪沼渣均有所增加，增加幅度在1.24%~14.18%，而Po占Ptt比例均降低，表明可通过堆腐使Po矿化为Pi，从而促进植物对磷的利用[26].
| 表 6 有机物料各形态无机磷(Pi)、 有机磷(Po)占回收全磷(Ptt)比例/%Table 6 Proportions of inorganic phosphorus (Pi) and organic phosphorus (Po) in the total fractionated phosphorus(Ptt)/% |
(1)测定的7种有机物料中全磷含量因其来源及处理方式不同差异较大，以猪粪沼渣最高，其次为牛粪秸秆堆肥、 污泥堆肥及农村生活垃圾堆肥，以牛粪沼渣最低. 磷素在各形态中的分布也存在较大差异，其中以HCl-P含量及其占全磷比例最高，该部分磷容易在土壤中积累.
(2)有机物料的易溶形态磷(H2O-P+NaHCO3-P)以猪粪沼渣最低，牛粪秸秆堆肥最高，牛粪秸秆好氧堆制后其易溶态磷较经厌氧发酵的牛粪沼渣高，表明沼肥中的磷较其它有机物料更难被作物利用，而堆肥过程中添加不同比例污泥对农村生活垃圾堆肥中易溶态磷的影响不明显.
(3)7种有机物料中的磷主要以无机磷形式存在，占全磷比例达53.18%~87.33%. 除猪粪沼渣外，各形态中的无机磷占形态总磷比例以NaHCO3-Pi最高，对这部分磷在环境容易流失应给予更多关注. 回收全磷中的无机磷主要分布于HCl提取态，有机磷则主要分布于HCl-P和残留态-P.
(4)由于不同有机物料中磷素含量及形态差异很大，应进一步加强有机物料中磷的形态在土壤中的转化过程、 与土壤磷素供应或流失的关联规律、 影响因素研究，为有机物料的合理利用提供科学依据.
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