环境科学  2017, Vol. 38 Issue (4): 1606-1612   PDF    
引用本文
蔡观, 胡亚军, 王婷婷, 袁红朝, 王久荣, 李巧云, 葛体达, 吴金水. 基于生物有效性的农田土壤磷素组分特征及其影响因素分析[J]. 环境科学, 2017, 38(4): 1606-1612.
CAI Guan, HU Ya-jun, WANG Ting-ting, YUAN Hong-zhao, WANG Jiu-rong, LI Qiao-yun, GE Ti-da, WU Jin-shui. Characteristics and Influencing Factors of Biologically-based Phosphorus Fractions in the Farmland Soil[J]. Environmental Science, 2017, 38(4): 1606-1612.
基于生物有效性的农田土壤磷素组分特征及其影响因素分析
蔡观1,2 , 胡亚军3 , 王婷婷3 , 袁红朝2,3 , 王久荣2,3 , 李巧云1 , 葛体达3 , 吴金水3     
1. 湖南农业大学生物科学技术学院, 长沙 410128;
2. 中国科学院亚热带农业生态研究所公共技术服务中心, 长沙 410125;
3. 中国科学院亚热带农业生态研究所, 农业生态系统过程重点实验室, 长沙 410125
收稿日期: 2016-08-25; 修订日期: 2016-10-30
基金项目: 国家自然科学基金项目（41430860）；中国科学院战略性先导科技专项（XDB15020401）；湖南省国际与区域合作重点项目（2013WK4009）
作者简介: 蔡观 (1992~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤生态学, E-mail:caiguan1992@163.com
通讯联系人, 李巧云, E-mail:1753994368@qq.com
摘要: 适宜的磷素分级方法是研究磷素组分特征与评价其有效性的关键.以磷素的化学与生物活化特点，采用改进的生物有效性的磷素分级方法，应用其研究不同土地利用方式下旱地土与水田土中磷素组分与有效磷（Olsen-P）的关系，并分析环境因子对磷组分的影响.磷素分级方法将磷素分为4个组分：①  自由扩散或根际截留的磷（CaCl2-P）；②  有机酸活化和无机弱结合磷（Citrate-P）；③  系列酶矿化的有机磷（Enzyme-P）；④  潜在活化的无机磷库（HCl-P）.结果表明，旱地土及水田土4种磷素组分含量均表现为：HCl-P > Citrate-P>Enzyme-P > CaCl2-P，且旱地土各磷组分均显著高于水田土.Olsen-P与各磷素组分均呈显著正相关，表明各磷素组分对有效磷都有贡献.具体表现为：在旱地土中，Olsen-P与CaCl2-P和Enzyme-P相关性较高（R2=0.359；R2=0.386）；在水田土中，Olsen-P与Citrate-P相关性较高（R2=0.788），说明旱地土中有效磷主要来自土壤自由扩散的无机磷和易矿化的有机磷部分，而水田土中有效磷主要来自弱酸活化的无机磷.冗余分析结果表明，磷素组分主要受土壤pH和黏粒含量的影响，指示在农业生产活动中，可通过调节土壤pH值，提高土壤有效磷含量.
关键词: 磷素分级      生物有效性      环境因子      旱地土      水田土     
Characteristics and Influencing Factors of Biologically-based Phosphorus Fractions in the Farmland Soil
CAI Guan1,2 , HU Ya-jun3 , WANG Ting-ting3 , YUAN Hong-zhao2,3 , WANG Jiu-rong2,3 , LI Qiao-yun1 , GE Ti-da3 , WU Jin-shui3     
1. College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;
2. Public Service Technology Center, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China;
3. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China
Abstract: A suitable fractionation method of phosphorus (P) is a key to effective assessment of soil P componential features. Here a new biologically-based P (BBP) method was used to evaluate the P fractions in the upland and paddy soils across large-scale area in China. The soil P was divided into four components:① soluble or rhizosphere-intercepted (CaCl2-P), ② organic acid activated and inorganic weakly bound (Citrate-P), ③ enzyme mineralization of organic P (Enzyme-P), ④ potential activation of inorganic P (HCl-P). Then, the relationships between biologically-based P fractions and standard Olsen-P were investigated, and driving factors of P fractions were identified. The results showed that P content was in order of HCl-P>Citrate-P>Enzyme-P>CaCl2-P. All P components of upland soil displayed higher levels than those of paddy soil. Moreover, the P components were highly positively correlated with the Olsen-P, suggesting that each P component contributed to soil P availability. However, it was found that Olsen-P was most highly correlated with CaCl2-P and Enzyme-P (R2=0.359; R2=0.386) in upland soil, while Olsen-P was most highly with Citrate-P (R2=0.788) in paddy soil. This result indicated that available P of upland soil was mainly from organic P mineralization and soluble P, and available P in paddy soil was mainly from inorganic P activation. Redundancy analysis (RDA) showed that the P components were mainly affected by soil pH and silt content, which suggested that it could enhance the P availability via regulating soil pH in the agricultural activities.
Key words: phosphorus fractionation      bio-availability      environmental factors      upland soil      paddy soil     

磷是作物生长发育的必须营养元素，是影响作物生长和产量的关键因素.土壤中存在多种形态的磷，磷的不同形态直接决定其生物有效性[1, 2].土壤有效磷是土壤中可被植物吸收的磷组分，一般采用NaHCO3提取的Olsen-P表征，这部分磷主要来自土壤中全部水溶性磷、部分吸附态磷、有机磷和某些沉淀态磷.为探讨不同的磷组分对有效磷的贡献，可对土壤磷进行分级.传统上，无机磷分级一般采用Chang-Jackson法分为磷酸铝盐 (Al-P)、磷酸铁盐 (Fe-P)、闭蓄态磷酸盐 (O-P) 和磷酸钙盐 (Ca-P，含Ca2-P、Ca8-P和Ca10-P) 这4个组分[3, 4].有机磷分级一般采用Bowman-Cole法分为活性有机磷、中活性有机磷、中稳性有机磷、高稳性有机磷这4个组分[5~7].然而，鉴于土壤磷化合物的成分复杂性[8]，采用化学溶剂提取并对磷素分级存在诸多问题.如：采用化学溶剂连续提取磷组分时，每种化学溶剂并不能对与之对应的磷组分提取完全[9]；部分有机磷被包裹在团聚体中，尽管这部分有机磷能够被化学溶剂提取，但并不能被微生物矿化并释放，导致有机磷的生物有效性的评价产生偏差.此外，针对不同类型的土壤，各种磷分级方法具有局限性，如范业宽等[10]认为Bowman-Cole法应用于石灰性土壤时，在土壤预处理、浸提顺序、浸提剂浓度、中稳性和高稳性有机磷pH分界值都需要修正.此外，不同的土壤采用不同磷分级方法，如酸性土壤中无机磷分级一般采用Chang-Jackson的方法[11]，而在石灰性土中，一般采用蒋柏藩的提取方法[12].这种方法上的差异，导致大尺度下磷分级评价方法统一的困难.更为重要的是，这些分级方法不能充分反映土壤根际过程.因此，磷素分级方法是否能科学客观地反映不同形态磷在土壤中的真实分布情况和磷素分级方法的广泛适用性有待深入研究.

客观反映磷生物有效性的准确性是磷素分级方法优化的关键. Deluca等[13]从生物学利用难易程度开发了基于生物有效性的磷素分级方法 (biologically based P, BBP法). BBP方法主要考虑微生物分泌有机酸、酸性磷酸酶等活化的磷表征磷形态，分为4个组分：① 0.01 mol ·L-1 CaCl2提取的可溶性磷 (CaCl2-P)，模拟能直接被根际截留或扩散的磷酸根离子；② 10 mmol ·L-1柠檬酸提取的磷 (Citrate-P)，模拟能够被有机酸活化释放的无机磷；③ 0.02 EU ·mL-1酶提取的磷 (Enzyme-P)，模拟易被微生物和植物分泌的酸性磷酸酶和植酸酶矿化有机磷部分；④ 1 mol ·L-1盐酸提取的无机磷 (HCl-P)，模拟氢质子活化的最大潜力磷库.该方法主要特点是模拟微生物和植物根系的磷矿化利用，恰当的评价了各磷形态的生物有效性.因此，本研究在优化的BBP方法基础上，分析我国典型农田土壤的磷素组分特征，并评价其与有效磷之间的关系，通过明确基于生物有效性的磷组分含量，以期为磷肥的合理施用和农业的可持续发展提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 样品采集

景观尺度上，在作物生长季 (6月) 采集水田土和旱地土 (种植玉米) 耕层 (0~20 cm) 土壤样品各43个.采集过程中兼顾土壤类型，选择典型红壤、潮土和黑土这3种土壤类型，其中红壤选自湖南、江西 (水田土和旱地土各15个)；潮土选自河南、广西、江苏 (水田土和旱地土各15个)；黑土选自吉林 (水田土和旱地土各13个).

1.2 土壤培养

土壤样品挑除沙砾、作物根系残体和可见动物，过2 mm筛并充分混匀，然后取300 g混匀土壤装入200 mL的塑料广口瓶，置于25℃下遮光培养14d.旱地土壤培养过程中土壤水分保持在田间持水量的40%左右，水田土壤采用淹水培养 (淹水深度为2 cm).

1.3 BBP磷分级方法

基于生物有效性的土壤磷分级测定采用Deluca的BBP方法，其简要步骤为：称取0.5 g土壤加入10 mL的提取液，装入15 mL离心管25℃恒温振荡3 h (180 r ·min-1)，离心提取上清液.其中，0.01 mol ·L-1 CaCl2提取液用于提取CaCl2-P，10 mmol ·L-1柠檬酸提取液用于提取Citrate-P，0.02 EU ·mL-1酶提取液用于提取Enzyme-P，1 mol ·L-1盐酸提取液用于提取HCl-P.研究中0.02 EU ·mL-1酶的提取液包含植酸酶 (Sigma P1259; Enzyme Commission Number 3.1.3.26)、酸性磷酸酶 (Sigma P3627; Enzyme Commission Number 232-630-9) 和碱性磷酸酶 (Sigma P5931；Enzyme Commission Number3.1.3.1)，3种酶的浓度均为0.02 EU ·mL-1.鉴于植酸酶本身含磷，在使用之前采用透析袋对植酸酶4℃条件下透析5 d，去除植酸酶含有的磷.采用孔雀石绿法测定磷浓度[14]，孔雀石绿法具有较高的灵敏性，能够准确测定磷含量较低的样品，如提取CaCl2-P.而对于高磷含量样品，则对样品进行适当的稀释后 (如：Citrate-P和HCl-P) 测定.此外，孔雀石绿法能在酸性条件下准确测定溶液磷浓度.

1.4 BBP磷分级方法优化

Deluca磷分级方法提取的有机磷是酸性磷酸酶 (植物来源) 和植酸酶所活化的有机磷.鉴于微生物的磷酸酶活化作用，本方法在此基础上，添加碱性磷酸酶 (微生物来源)，使提取的活化有机磷组分更全面和更具代表性.此外，Deluca磷分级方法以醋酸钠溶液 (50 mmol ·L-1) 为提取缓冲液，且添加了0.008 g ·L-1氯化镁作为碱性磷酸酶的激活剂.研究发现，该提取缓冲液 (不添加酶) 能够提取到土壤较高的无机磷.为避免该有机磷组分受无机磷影响，采用纯水代替醋酸钠缓冲溶液.同时采用纯水提取无机磷，利用差减法扣除纯水提取的无机磷.

1.5 土壤理化性质测定

供试土壤基本理化性质见表 1，测定方法为：土壤pH测定采用PHS-3C酸度计测定 (1 :2.5土水比，PHS-3C, 上海利达).土壤总氮采用碳氮自动分析仪测定.土壤速效钾采用1mol ·L-1乙酸铵 (pH=7.0) 浸提.土壤有机碳采用外加热重铬酸钾容量法[15].土壤有效磷 (Olsen-P) 采用0.5 mol ·L-1 NaHCO3浸提，钼蓝比色法测定[16].土壤粒径分析采用激光粒度仪 (Mastersizer 2000，英国Malvern) 测量土壤粒径的体积分数，为降低试验误差，每个样品设置3个重复.

表 1 供试土壤的基本性质 Table 1 Selected properties of upland and paddy soils used in the experiment

1.6 数据处理

采用SPSS 20.0进行Pearson相关分析和T检验.采用冗余分析 (redundancy analysis，RDA) 评价环境因子对磷组分的影响.在冗余分析之前，对磷组分矩阵进行除趋势对应排序分析 (detrended correspondence analysis，DCA)，鉴定出本数据适合线性模型 (即数据适合冗余分析).冗余分析通过Canoco 5.0软件实现.

2 结果与分析 2.1 基于生物有效性的土壤磷素组分含量与有效磷 (Olsen-P) 含量特征

供试土壤有效磷 (Olsen-P) 含量从10.40~56.61 mg ·kg-1，变异幅度大 (变异系数为64.9%；n=86).土地利用方式显著影响Olsen-P含量，表现为旱地土高于水田土 (图 1).根据磷素生物可利用性划分的4种磷组分含量也差异显著，由高到低依次HCl-P>Citrate-P>Enzyme-P>CaCl2-P.进一步的T检验结果表明，旱地土的各磷素组分含量均显著高于水田土.其中旱地土和水田土CaCl2-P含量分别为0.18~20.3 mg ·kg-1和0.02~6.57 mg ·kg-1；Enzyme-P含量分别为0.71~45.9 mg ·kg-1和0.24~13.88 mg ·kg-1；Citrate-P含量分别为13.2~820.9 mg ·kg-1和7.17~481.3 mg ·kg-1；HCl-P含量分别为65.0~1 365.6 mg ·kg-1和6.33~1 115.7 mg ·kg-1(图 1).

a、b字母表示旱地土与水稻土磷含量差异显著 (P < 0.05) 图 1 基于生物有效性的土壤磷素组分含量特征 Fig. 1 Composition characteristics of soil phosphorus based on the biological availibility

2.2 基于生物有效性的土壤磷素组分与有效磷 (Olsen-P) 关系

分别对基于生物可利用性 (BBP法) 的旱地土和水田土的4个磷组分与Olsen-P进行相关分析，结果表明土壤Olsen-P与各磷组分均呈显著正相关：在旱地土中，Olsen-P与Enzyme-P (R2=0.386, P < 0.001) 和CaCl2-P (R2=0.359, P < 0.001) 相关性较与Citrate-P (R2=0.197, P=0.002) 和HCl-P (R2=0.158, P=0.005) 高 (图 2)；在水田土中，Olsen-P与Citrate-P相关性高 (R2=0.788, P < 0.001)，与CaCl2-P (R2=0.205, P=0.001)、Enzyme-P (R2=0.267, P < 0.001) 和HCl-P (R2=0.300, P < 0.001) 相关性较低 (图 3).

图 2 旱地土壤中4种不同生物有效性磷与有效磷 (Olsen-P) 相关性 Fig. 2 Relationships between Olsen-P content and the four fractions of the proposed biologically-based P in upland soil

图 3 水田土壤中4种不同生物有效性磷与有效磷 (Olsen-P) 相关性 Fig. 3 Relationships between Olsen-P content and the four fractions of the proposed biologically-based P in paddy soil

2.3 基于生物有效性的土壤磷素组分与环境因子的关系

利用Canoco软件RDA分析土壤理化性状对土壤磷组分的影响，采用正向选择筛选显著影响磷素组分的土壤理化因子 (P < 0.05)(图 4).土壤理化因子共解释磷素组分21.02%的变异，其中，第一排序轴解释变异 (21.01%)，为显著性轴 (P < 0.05).因子筛选结果表明，土壤pH值 (F=15.31, P=0.002) 和土壤黏粒含量 (F=6.07, P=0.01) 是影响磷素组分的显著因子.且各磷组分与土壤pH值显著正相关，与土壤黏粒含量显著负相关.

仅显示差异性显著的环境因子 图 4 环境因子与4种生物有效性磷和有效磷 (Olsen-P) RDA分析 Fig. 4 Redundancy analysis (RDA) revealing the effects of environmental factors on biologically-based P (BBP) and the conventional Olsen-P

3 讨论

BBP方法旨在考虑土壤根际过程的基础上建立一套简单的磷素评估体系，并能在复杂的景观尺度上运用.需要指出的是，BBP方法中Citrate-P和HCl-P采用较高浓度的柠檬酸和盐酸提取，高于植物和微生物分泌的有机酸和氢质子浓度.因此，BBP方法提取的Citrate-P和HCl-P更倾向表征微生物和植物活化磷素的最大潜能.在Deluca的BBP提取方法中，Enzyme-P只包括酸性磷酸酶和植酸酶矿化的有机磷，且采用了50 mmol ·L-1的醋酸钠为缓冲体系.本研究在此基础上，考虑了酸性、碱性磷酸酶和植酸酶矿化的有机磷，更加全面地反映了土壤中易被矿化的有机磷.通过比较发现，Deluca提取的Enzyme-P的含量均值在500 mg ·kg-1，远高于本研究中提取的Enzyme-P含量 (一般低于40 mg ·kg-1).进一步分析发现，作为缓冲液的醋酸钠能够直接提取到较高含量的无机磷，这可能导致Deluca的BBP方法高估Enzyme-P含量.因此，本研究采用纯水为缓冲液，同时本研究在土壤本身的pH值条件下进行酶促反应，使酶的矿化条件更加接近实际情况.

本研究发现，在旱地土和水田土中，尽管Olsen-P与各磷素组分均显著相关，但与不同的磷素组分相关系数明显不同，表明旱地土和水田土Olsen-P来源不同.旱地土的Olsen-P主要来自溶解性的无机磷和酶矿化的有机磷，而水田土的Olsen-P主要来自有机酸活化的无机磷部分.在旱地土壤中，Enzyme-P要高于CaCl2-P，表明Enzyme-P对Olsen-P的贡献更为重要.传统上采用Bowman-Cole有机磷分级研究发现，土壤有效磷与活性有机磷、中活性有机磷以及中稳性有机磷都呈显著相关，表明土壤有机磷库矿化可直接补充有效磷源, 并影响土壤速效磷的水平[17].本研究比Bowman-Cole有机磷分级更进一步，直接证明酶矿化的有机磷与有效磷的关系.值得注意的是，在旱地土中有效磷可能主要来自酶矿化的有机磷，表明旱地土有机磷矿化作用在作物磷营养中的重要地位.这主要原因是由于有机磷在淹水或湿度大的状态下矿化速率快[18, 19]，导致旱地有机磷底物含量可能较水田土高.此外，由于旱地土比水田土对无机磷具有更强的固定作用，磷的有效性更低[20]，这也促进微生物不断地转化无机磷为有机磷.在水田土中，Citrate-P的Olsen-P的贡献较大，表明有机酸活化的无机磷作用重要.以往研究表明，水田土中，磷的有效性与铁、铝离子参与的化学过程关系密切[21].本研究结果暗示了微生物作用不能忽视.在厌氧的条件下，土壤微生物分泌更多的有机阴离子，在磷酸根离子的专性吸附位点进行竞争吸附，通过配位交换提高有效磷含量[22].

土壤pH值显著影响磷素组分[23]，研究发现pH是影响土壤磷组分的关键因子，这与Deluca等[13]的大尺度的结果相一致.这可能的原因是，在酸性或中性的土壤中，pH值的升高降低了活性铁、铝含量，进而使铁铝的吸附固定和沉积作用降低，导致表观上pH值与各磷组分的正相关性[24].此外，在本研究中，土壤黏粒也是影响磷组分的显著因子，表明土壤质地是影响磷组分的关键因素.以往的研究表明，土壤黏粒含量越高，土壤磷吸附能力越强[25~27].这主要原因是黏性的活性表面积大，对磷酸根离子具有强吸附作用.另外，黏粒中无定型凝胶和结晶态矿物的胶态微粒对磷也产生吸附固定.

4 结论

(1) 供试土壤的各磷素组分含量表现为：HCl-P > Citrate-P > Enzyme-P > CaCl2-P，旱地土各磷素组分含量高于水田土各磷素组分含量.

(2) 旱地土壤有效磷主要来自自由扩散的无机磷和易矿化的有机磷，而水田土有效磷主要来自弱酸活化的无机磷.

(3) 土壤pH值和黏粒含量是影响磷素组分特征的关键因素.

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