郭 濤,張思蘭

1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400716 2 國(guó)家紫色土土壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地, 重慶 400716

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不同磷濃度植株殘?bào)w降解對(duì)紫色土磷素有效性的影響

郭 濤1,2,*,張思蘭1

1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400716 2 國(guó)家紫色土土壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地, 重慶 400716

植株殘?bào)w降解可直接或間接地影響土壤磷素的有效性,為探討不同磷濃度植株殘?bào)w降解對(duì)紫色土磷分級(jí)體系的影響,結(jié)合31P核磁共振分析技術(shù),選取了3種磷濃度不同的植物殘?bào)w與兩種紫色土進(jìn)行室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn),得出了以下研究結(jié)論：(1)添加植株殘?bào)w顯著增強(qiáng)了紫色土呼吸強(qiáng)度,且紫色土分級(jí)體系中的活性磷含量均高于對(duì)照處理(2)31P-NMR分析結(jié)果得知,植株殘?bào)w的正磷酸鹽、磷酸單酯占濃縮液全磷比例的90%以上,高磷植株的正磷酸鹽和磷酸單酯含量顯著高于中磷和低磷植株,土壤磷素有效性的變化與植株殘?bào)w的正磷酸鹽和磷酸單酯含量有關(guān)；(3)紫色土分級(jí)體系中的活性磷在0 d含量最高,隨著培養(yǎng)周期的延長(zhǎng),土壤磷素有效性會(huì)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)；酸性紫色土的累積呼吸強(qiáng)度、分級(jí)體系中活性磷(Resin-P、NaHCO3-Pt)所占比例均高于中性紫色土,與土壤鈣含量有關(guān)。綜上所述,植株殘?bào)w的磷濃度越高,更有利于提高土壤磷素的有效性,本研究結(jié)果為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈還田技術(shù)提供了理論參考。

植株殘?bào)w；紫色土；正磷酸鹽

作物秸稈還田后,植物殘?bào)w直接影響到土壤有機(jī)質(zhì)以及氮(N)、磷(P)、鉀(K)等元素的累積和轉(zhuǎn)化。植株殘?bào)w在土壤微生物的作用下,釋放出C、N、P、K元素及各種中微量元素供作物吸利用,是秸稈還田技術(shù)培肥土壤地力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。植物殘?bào)w降解包括一系列復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程,這一過(guò)程可通過(guò)某些機(jī)制直接或間接地影響土壤磷素的有效性[2],例如植株殘?bào)w中有機(jī)磷、無(wú)機(jī)磷和有機(jī)酸的釋放[3],增加土壤有效磷含量。另外也能改善土壤持水能力和濕度,促進(jìn)植物根系生長(zhǎng),增強(qiáng)植物對(duì)土壤磷素的吸收；增加土壤微聚體體積,使土壤表面積和P吸附位點(diǎn)數(shù)量減少[4],降低土壤的磷素固定值；殘?bào)w降解過(guò)程中微生物也可固定無(wú)機(jī)磷[5],轉(zhuǎn)化為微生物磷,防止磷素被土壤吸附固定；還可在短期內(nèi)增加土壤的pH值6],提高磷素的有效性。由此可見(jiàn),植物殘?bào)w降解在土壤磷素循環(huán)中具有重要的意義,研究植株殘?bào)w降解對(duì)土壤磷素有效性的影響能為改善秸稈還田技術(shù)提供理論參考。

目前秸稈還田過(guò)程中養(yǎng)分釋放和循環(huán)研究主要集中在C、N、P、K的總量釋放方面[7- 9],而有關(guān)植株殘?bào)w降解過(guò)程中土壤磷素分級(jí)體系的變化情況尚不清楚,特別是對(duì)不同土壤類型的對(duì)比研究也鮮有報(bào)道。因此,本文采用室內(nèi)培養(yǎng)方法,結(jié)合31P核磁共振分析技術(shù)和土壤有機(jī)無(wú)機(jī)磷兼顧的分級(jí)方法探討不同磷濃度植株殘?bào)w降解對(duì)紫色土磷素形態(tài)變化的影響,為紫色土區(qū)秸稈還田技術(shù)改進(jìn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)采用酸性和中性兩種紫色土進(jìn)行研究。

酸性紫色土采自重慶市江津區(qū)的“黃莊現(xiàn)代糧油科技示范園區(qū)”,該示范區(qū)于2010年12月正式啟動(dòng)建設(shè),位于江津區(qū)永興鎮(zhèn)黃莊村,是江津區(qū)糧食生產(chǎn)歷史核心區(qū),地理位置為106°11′22″E,29°03′N,海拔270 m,年平均氣溫18.2℃,全年降水1034.7 mm,日照1207.9 h,為亞熱帶季風(fēng)氣候；土壤為沙溪廟組紫色母巖經(jīng)水耕熟化發(fā)育而成的水稻土,土壤養(yǎng)分特征為呈酸性,有機(jī)質(zhì)全氮含量高,有效磷缺乏,常規(guī)農(nóng)業(yè)種植制度為一季稻田(只種一季中稻,冬季閑置)。

中性紫色土采于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)教學(xué)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的“國(guó)家紫色土土壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地”,地理位置為106°26′E,30°26′N,海拔220 m,年平均氣溫18.4℃,全年降水1105.5 mm,日照1276.7 h,為亞熱帶季風(fēng)氣候,土壤是由侏羅紀(jì)沙溪廟組紫色泥、頁(yè)巖發(fā)育而成的紫色土(類),屬于中性紫色土亞類、灰棕紫泥土屬,約占紫色土類面積的40%,本試驗(yàn)采集的中性紫色土沒(méi)有進(jìn)行耕種,屬于長(zhǎng)期休閑處理。

土樣采集于2013年10月水稻收割后,用“S”型布點(diǎn)法采集,土樣風(fēng)干后過(guò)2 mm篩保存?zhèn)溆?其基本化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。開(kāi)展培養(yǎng)試驗(yàn)前,將土壤水分含量保持在70%的持水能力下,預(yù)培養(yǎng)14d,以增強(qiáng)土壤的微生物活性,也使土壤的理化性質(zhì)均一化。

1.2 供試植株

采集西南大學(xué)試驗(yàn)田的蠶豆(ViciafabaL.)和油菜(BrassicacampestrisL.)植株,將莖沖洗干凈后于105℃下殺青30 min,在60 ℃恒溫條件下烘干,磨細(xì)過(guò)0.25 mm篩后保存?zhèn)溆?其中高磷植株磷含量為1.72 g/kg,中磷植株磷含量為0.91 g/kg,低磷植株磷含量為0.33 g/kg,隨著磷含量的降低,植株C/N 和C/P逐漸升高,基本性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 供試土樣基本理化性質(zhì)

表2 植株殘?bào)w基本性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將以上3種供試植株殘?bào)w以20 g/kg的比率添加到土壤中,與土樣充分混勻,標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照是土壤中不加植物殘?bào)w,但要以同樣的方式將土壤混勻。稱取混勻的土樣35 g于500 mL的廣口瓶中,水分含量保持為田間持水量的70%,在28 ℃黑暗條件下,分0(添加殘留物3h后),14、28、56 d培養(yǎng),每個(gè)處理和培養(yǎng)時(shí)間設(shè)置4個(gè)重復(fù)。在培養(yǎng)期間,通過(guò)重量法測(cè)定土壤濕度,以保證土壤的含水量。培養(yǎng)結(jié)束后測(cè)采用Tiessen磷分級(jí)法對(duì)土壤進(jìn)行磷素分級(jí)測(cè)定,同時(shí)測(cè)定14 d培養(yǎng)過(guò)程中的累積呼吸強(qiáng)度,以確定植株殘?bào)w之間分解率的差異(添加植株殘?bào)w后的前兩周,呼吸速率最高,各處理的分解速率差異最明顯)；為了進(jìn)一步明確植株殘?bào)w屬性對(duì)土壤磷素有效性的影響,對(duì)植株殘?bào)w進(jìn)行31P核磁共振技術(shù)分析。

1.4 樣品分析

植株殘?bào)w分級(jí)測(cè)定采用31P-NMR技術(shù)[10]分析。稱取2.0 g植株樣,按照M(植株樣)∶V(提取劑)=1∶20的比例,加入40 mL NaOH-EDTA浸提劑,振蕩提取16 h,在1400 g條件下離心10 min,取20 mL上清液于離心管中,利用液氮速凍后凍干保存?zhèn)溆?取離心管中的凍干粉末溶解于2 mL的堿液和重水中,離心后取澄清樣品,上機(jī)測(cè)定,套管系統(tǒng)的a=0.246。

土壤磷分級(jí)參照Tiessen磷分級(jí)法[11]測(cè)定,依次采用樹(shù)脂膜、0.5 mol/L NaHCO3、0.1 mol/LNaOH、1 mol/LHCl、濃HCl提取,將土壤磷分成則將土壤磷素分為樹(shù)脂交換磷(Resin-P)、NaHCO3提取磷(NaHCO3-Pt)、NaOH提取磷(NaOH-Pt)、稀鹽酸提取磷(D.HCl-Pi)、濃鹽酸提取磷(C.HCl-Pt)和殘留態(tài)磷 (Residual-P)。Resin-P、D.HCl-Pi采用鉬藍(lán)比色法直接測(cè)定,NaHCO3-Pt、NaOH-Pt、C.HCl-Pt采用過(guò)硫酸銨消解-鉬藍(lán)比色法測(cè)定,Residual-P采用過(guò)氧化氫消解-鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

土壤呼吸強(qiáng)度采用堿液吸收滴定法[12]測(cè)定。培養(yǎng)過(guò)程中,密封廣口瓶的橡皮塞下懸掛一塑料杯,杯中加入3 mL 0.5 mol/L NaOH溶液以吸收土壤呼吸釋放的CO2。塑料杯及杯中NaOH溶液在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的前4天每天更換,第4天后每?jī)商旄鼡Q1次。吸收了CO2的NaOH溶液用0.1 mol/L HCl溶液準(zhǔn)確滴定,同時(shí)做空白,用滴定消耗HCl溶液量計(jì)算土壤CO2釋放量。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株殘?bào)w31P-NMR 分析

采用31P-NMR 分析法對(duì)3種植株殘?bào)w的NaOH-EDTA萃取濃縮液進(jìn)行了定量分析,圖1是不同植株殘?bào)w的磷組分柱狀分布圖,從上到下依次是焦磷酸鹽、磷酸二酯、磷酸單酯、正磷酸鹽。由圖1可以看出,NaOH-EDTA萃取濃縮液中絕大部分是正磷酸鹽,高磷、中磷、低磷植株的正磷酸鹽分別為66.30、33.10、11.16 mg/kg,分別占濃縮液TP的比例分別為71.89%、71.38%、66.80%；其次是磷酸單酯的比例較高,高磷、中磷、低磷植株的磷酸單酯分別為24.60、10.41、4.61 mg/kg,分別占濃縮液TP的比例分別為26.68%、22.32%、27.61%；高磷植株的正磷酸鹽和磷酸單酯含量顯著高于中低磷植株,正磷酸鹽分別是中低磷植株的2.3和5.94倍,磷酸單酯分別是中低磷植株的2.36和5.34倍；3種磷濃度植株殘?bào)w的磷酸二酯和焦磷酸鹽含量均較低,高磷植株的磷酸二酯含量為0.82 mg/kg,焦磷酸鹽含量為0.50 mg/kg,中磷、低磷植株的磷酸二酯含量分別為2.94、0.93 mg/kg,焦磷酸鹽均未檢測(cè)出。

2.2 土壤累積呼吸強(qiáng)度的差異

在適宜的溫度和水分條件下,土壤微生物的新陳代謝活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生CO2,當(dāng)在土壤中添加植株殘?bào)w時(shí),植株殘?bào)w會(huì)在微生物的作用下發(fā)生降解作用,土壤呼吸作用同時(shí)也會(huì)增強(qiáng),添加植株殘?bào)w后的前兩周,微生物活動(dòng)最強(qiáng)烈,因此本試驗(yàn)測(cè)定了14 d的土壤累積呼吸強(qiáng)度,以明確不同植株殘?bào)w在前14 d的分解速率差異。由圖2可以看出,添加植株殘?bào)w后,兩種紫色土的累積呼吸強(qiáng)度均顯著高于對(duì)照處理,且高磷處理的累積呼吸強(qiáng)度顯著高于中低磷處理,兩種紫色土高磷處理累積呼吸強(qiáng)度均達(dá)到1.30 mg CO2-C/g土,其中酸性紫色土高磷處理分別是中低磷處理的1.13倍和1.74倍,中性紫色土高磷處理分別是中低磷處理的1.28倍和2.59倍；與中性紫色土相比,酸性紫色土的中磷和低磷處理累積呼吸強(qiáng)度較高,分別是中性紫色土的1.13倍和1.5倍。

圖1 植株殘?bào)w的31P-NMR分析Fig.1 31P-NMR analysis of plant residues 不同大寫字母表示同一種磷濃度植株殘?bào)w不同磷形態(tài)間的差異顯著,不同小寫字母表示同一種磷形態(tài)在不同磷濃度植株殘?bào)w間的差異顯著(P<0.05,n=3)

圖2 不同處理14 d的土壤累積呼吸強(qiáng)度 Fig.2 Soil cumulative respiration intensity over 14 days of different treatments不同大寫字母表示同一種土壤不同植株殘?bào)w處理間累積呼吸強(qiáng)度的差異顯著,不同小寫字母表示同一種植株殘?bào)w處理不同土壤類型間累積呼吸強(qiáng)度的差異顯著(P<0.05,n=3)

2.3 土壤Olsen-P隨培養(yǎng)周期的變化

Olsen-P是表征土壤磷素有效性的重要指標(biāo),表3列舉了兩種紫色土添加植株殘?bào)w后Olsen-P隨培養(yǎng)時(shí)間的變化情況。由表3可以看出,隨著培養(yǎng)周期的延長(zhǎng),所有處理的土壤Olsen-P含量均呈現(xiàn)降低趨勢(shì),兩種紫色土的高磷和中磷處理在0 d(添加殘留物3h后)時(shí)Olsen-P含量均顯著高于14、28、56 d,培養(yǎng)14 d以后Olsen-P含量變化趨勢(shì)不明顯,說(shuō)明添加植株殘?bào)w對(duì)土壤磷素具有短期的激發(fā)效應(yīng)。在相同的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi),添加植株殘?bào)w后,兩種紫色土的高磷處理Olsen-P含量均顯著高于對(duì)照處理,中磷和低磷處理的Olsen-P含量與對(duì)照差異不顯著,各培養(yǎng)周期的土壤Olsen-P含量大小順序?yàn)楦吡?中磷>低磷,與各植株殘?bào)w的NaOH-EDTA萃取濃縮液中的正磷酸鹽分布相呼應(yīng),說(shuō)明植株磷形態(tài)在植株降解過(guò)程中對(duì)土壤Olsen-P的變化有重要影響。將兩種紫色土進(jìn)行對(duì)比分析可以看出,酸性紫色土在各培養(yǎng)周期和不同磷濃度處理中的Olsen-P均高于中性紫色土,這與兩種土壤的有效磷本底值對(duì)比是一致的。

表3 土壤Olsen-P隨培養(yǎng)時(shí)間的變化情況/(mg/kg)

不同大寫字母表示同一類土壤同一種磷濃度植株殘?bào)w不同培養(yǎng)時(shí)間處理間的差異顯著,不同小寫字母表示同一類型土壤同一培養(yǎng)時(shí)間不同磷濃度植株殘?bào)w處理間的差異顯著(P<0.05,n=4)

2.4 土壤磷素分級(jí)情況

為了進(jìn)一步探討添加植株殘?bào)w對(duì)紫色土磷素有效性的影響,本研究采用Tiessen磷分級(jí)法對(duì)兩種紫色土進(jìn)行了磷素分級(jí)測(cè)定,將磷素分為Resin-P、NaHCO3-Pt、NaOH-Pt、D.HCl-Pi、C.HCl-Pt和Residual-P,其中Resin-P、NaHCO3-Pt代表活性磷,NaOH-Pt代表中活性磷,D.HCl-Pi、C.HCl-Pt和Residual-P代表非活性磷,表4和表5分別列舉了酸性和中性紫色土在不同培養(yǎng)期的磷素分級(jí)情況。

在相同的培養(yǎng)周期內(nèi),與對(duì)照處理相比,添加植株殘?bào)w的酸性和中性紫色土活性磷(Resin-P、NaHCO3-Pt)、中活性磷(NaOH-Pt)和非活性磷(D.HCl-Pi、C.HCl-Pt、Residual-P)均有不同程度的增加,且高磷處理的活性磷和中活性磷顯著高于中低磷處理,但3種磷濃度處理間的非活性磷差異不明顯,由此說(shuō)明添加植株殘?bào)w對(duì)增強(qiáng)紫色土磷素有效性的作用明顯,且植株磷含量越高,越能增強(qiáng)土壤磷素有效性。

表4 酸性紫色土在不同培養(yǎng)期的磷素分級(jí)情況/(mg/kg)

不同大寫字母表示同一形態(tài)磷同一培養(yǎng)周期內(nèi)不同磷濃度植株殘?bào)w處理間的差異顯著,不同小寫字母表示同一形態(tài)磷同一磷濃度植株殘?bào)w不同培養(yǎng)周期處理間的差異顯著(P<0.05,n=4);Resin-P-樹(shù)脂交換磷、NaHCO3-Pt -NaHCO3提取磷、NaOH-Pt-NaOH提取磷、D.HCl-Pi-稀鹽酸提取磷、C.HCl-Pt濃鹽酸提取磷、Residual-P-殘留態(tài)磷

表5 中性紫色土在不同培養(yǎng)期的磷素分級(jí)情況/(mg/kg)

不同大寫字母表示同一形態(tài)磷同一培養(yǎng)周期內(nèi)不同磷濃度植株殘?bào)w處理間的差異顯著,不同小寫字母表示同一形態(tài)磷同一磷濃度植株殘?bào)w不同培養(yǎng)周期處理間的差異顯著(P<0.05,n=4)

同一磷濃度植株殘?bào)w處理,隨著培養(yǎng)周期的延長(zhǎng),紫色土中不同形態(tài)磷濃度變化趨勢(shì)不同。在0—14 d內(nèi),兩種紫色土均呈現(xiàn)活性磷降低,中活性磷升高的趨勢(shì)；在14—28 d內(nèi),酸性紫色土出現(xiàn)了活性磷升高的趨勢(shì),而中性紫色土的活性磷持續(xù)降低；在28—56 d內(nèi),酸性紫色土的活性和中活性磷持續(xù)降低,非活性磷趨于穩(wěn)定,而中性紫色土的活性、中活性和非活性磷均趨于穩(wěn)定,變化幅度不明顯。由此可以看出,兩種紫色土在添加植株殘?bào)w后的變化趨勢(shì)不一致,且隨著培養(yǎng)周期的延長(zhǎng),紫色土中的磷可能會(huì)相互轉(zhuǎn)化,秸稈還田過(guò)程中應(yīng)在活性磷含量較高的階段種植農(nóng)作物,提高土壤磷素的利用率。

對(duì)比分析兩種紫色土的磷素分級(jí)體系,酸性紫色土不同形態(tài)磷所占比例順序?yàn)镽esidual-P>NaOH-Pt>C.HCl-Pt>NaHCO3-Pt>D.HCl-Pi>Resin-P,比例范圍依次為25.18%—32.96%、23.39%—32.21%、19.14%—25.99%、8.44%—12.49%、5.15%—7.11%、1.51%—6.67%；中性紫色土不同形態(tài)磷所占比例順序?yàn)镈.HCl-Pi>C.HCl-Pt>Residual-P>NaOH-Pt> NaHCO3-Pt> Resin-P,比例范圍依次為49.81%—57.25%、13.13%—16.35%、11.87%—16.28%、8.33%—14.37%、3.42%—8.08%、1.24%—3.37%。由此看出,酸性和中性紫色土的磷素分級(jí)體系大不不同,且酸性紫色土的活性磷(Resin-P、NaHCO3-Pt)所占比例高于中性紫色土,這與土壤的養(yǎng)分含量和土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3 討論

3.1 植株殘?bào)w屬性對(duì)土壤磷素有效性的影響

研究結(jié)果表明,在紫色土中添加植株殘?bào)w后,高磷處理的14 d土壤累積呼吸強(qiáng)度、磷素分級(jí)體系中的活性磷均顯著高于對(duì)照處理,且高磷處理的增強(qiáng)效應(yīng)高于中低磷處理；在中低磷處理中,土壤中的分級(jí)體系中活性磷與對(duì)照處理沒(méi)有顯著差異,且在14 d和56 d時(shí),中性和酸性紫色土低磷處理的活性磷(Resin-P、NaHCO3-Pt)甚至低于對(duì)照處理,說(shuō)明在秸稈還田技術(shù)中植株殘?bào)w磷濃度是改變土壤磷素有效性的一個(gè)限制因素,但植株磷在土壤中固定和分解的臨界濃度在本研究中未能體現(xiàn)出來(lái),還需進(jìn)一步研究。White的研究指出植株磷在土壤中固定和分解的臨界濃度為2.4 g/kg[13],當(dāng)植株磷濃度大于2.4 g/kg時(shí)可以增加土壤活性磷含量,低于2.4 g/kg時(shí)則會(huì)被土壤固定轉(zhuǎn)化成有效性較低的有機(jī)和無(wú)機(jī)磷,而本研究中的最高植株殘?bào)w磷濃度僅為1.72 g/kg,同樣有增強(qiáng)土壤磷素有效性的作用,因此本研究進(jìn)一步延伸至植株磷形態(tài)的31P核磁共振(NMR)分析。

本試驗(yàn)31P-NMR分析檢測(cè)出了植株殘?bào)w中的正磷酸鹽、磷酸單酯、磷酸二酯和焦磷酸鹽,正磷酸鹽是活性磷,磷酸單酯、磷酸二酯是非常重要的有機(jī)磷,雖然其本身活性較低,卻是植株殘?bào)w磷釋放的潛在源,其礦化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生活性磷酸鹽[14- 15],焦磷酸鹽是高聚磷化合物,活性極低；研究結(jié)果指出,植株磷含量越高,正磷酸鹽和磷酸單酯含量越高,當(dāng)植株殘?bào)w在土壤中降解是更容易轉(zhuǎn)化為活性磷,增強(qiáng)土壤的磷素有效性,與研究中活性磷隨植株殘?bào)w磷含量的升高而增加的趨勢(shì)相呼應(yīng),說(shuō)明添加在土壤中的植株磷形態(tài)是影響土壤磷素有效性的重要因子,同時(shí)也說(shuō)明31P-NMR 分析技術(shù)能較好的反應(yīng)植株殘?bào)w的供磷潛力。

3.2 培養(yǎng)周期對(duì)土壤磷素有效性的影響

本研究結(jié)果表明酸性紫色土中的活性磷(Resin-P、NaHCO3-Pt)和中性紫色土中的活性磷(NaHCO3-Pt)和中活性磷(NaOH-Pt)隨著培養(yǎng)周期的延長(zhǎng)含量逐漸降低,而兩種紫色土的非活性磷(D.HCl-Pi、C.HCl-Pt、Residual-P)均隨著培養(yǎng)周期的延長(zhǎng)含量逐漸升高,說(shuō)明隨著培養(yǎng)周期的延長(zhǎng),土壤磷素有效性會(huì)出現(xiàn)降低的趨勢(shì),這與土壤微生物的代謝活性和土壤的交換吸附作用有關(guān)。植株殘?bào)w在土壤中的降解主要通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)完成,而微生物中的C、N、P含量是有限的[16],在適宜的水分和溫度條件下向土壤添加植株殘?bào)w,增加了土壤環(huán)境的C、N、P含量,短時(shí)間內(nèi)使土壤微生物代謝所需的養(yǎng)分增加,代謝活動(dòng)急劇增強(qiáng),不僅使微生物菌群擴(kuò)大,也促使植株殘?bào)w得到有效的分解,植株有機(jī)磷經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷,進(jìn)而使土壤磷素有效性增加[17]。但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),微生物活性逐漸減弱,礦化而來(lái)的無(wú)機(jī)磷在純培養(yǎng)條件下也被土壤膠體吸附,導(dǎo)致土壤磷素有效性逐漸降低。這一研究結(jié)果為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈還田的堆肥周期提供了理論參考。

3.3 不同土壤類型對(duì)土壤磷素有效性的影響

在本研究中,中性和酸性紫色土雖然都是低磷土,但添加相同的植株殘?bào)w后,磷素有效性發(fā)生了不同的變化。在每個(gè)培養(yǎng)階段,所有磷濃度處理中酸性紫色土的活性磷(Resin-P、NaHCO3-Pt)、中活性磷(NaOH-Pt)含量均高于中性紫色土。兩種土壤的磷素分級(jí)體系也有顯著的差異,中性紫色土中D.HCl-Pi所占的比例最高,范圍達(dá)到50.04%—57.42%,而酸性紫色土中D.HCl-Pi所占的比例范圍僅有5.40%—7.04%；酸性紫色土中NaOH-P所占的比例范圍是23.39%—34.02%,而中性紫色土中NaOH-P所占的比例范圍僅有8.49%—14.44%。D.HCl-Pi是1 mol/L的稀HCl提取的磷,有效性較低,與無(wú)機(jī)磷分級(jí)系統(tǒng)中Ca-P相呼應(yīng)[11],而中性紫色土中的Ca2+含量是酸性紫色土的3.19倍,所以中性紫色土的D.HCl-Pi顯著高于酸性紫色土。NaOH-P是0.1 mol/L NaOH提取的磷,與無(wú)機(jī)磷分級(jí)系統(tǒng)中Fe-P和Al-P相呼應(yīng)[11],酸性紫色土中的Fe-P和Al-P理應(yīng)高于中性紫色土,所以酸性紫色土的NaOH-P高于中性紫色土。中性和酸性紫色土的這些差異均與土壤的理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)相關(guān),微生物群落對(duì)磷素的分解和吸收能力以及產(chǎn)生的分解產(chǎn)物會(huì)有所不同,可以通過(guò)改變土壤的吸附容量來(lái)間接影響土壤磷素有效性的變化[18],在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步采用分子研究法對(duì)土壤的微生物群落進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

31P-NMR技術(shù)能夠有效的定量評(píng)估植物秸稈的磷組成。添加植物秸稈能夠有效的提高紫色土中的活性磷含量,但隨著培養(yǎng)周期的延長(zhǎng),土壤磷素有效性會(huì)出現(xiàn)降低的趨勢(shì),且在pH不同的兩種紫色土中變化趨勢(shì)不同,可能與土壤的土壤鈣含量有關(guān)。

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Effect of plant residue degradation on purple soil phosphorus availability

GUO Tao1,2,*, ZHANG Silan1

1CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China2TheNationalMonitoringBaseforPurpleSoilFertilityandFertilizerEfficiency,Chongqing400716,China

Phosphorus (P) is essential for plant growth and crop production and quality. Much information is available on the effects of plant residue quality on rates of decomposition and N mineralization, but fewer studies have evaluated the relationship between residue quality and P release during decomposition. It has been suggested that plant residues may play an important role in this effect due to the P added to soil by residues. However, little is known about the changes in P pools during legume residue decomposition. Residues fromViciafabaL.andBrassicacampestrisL. with varying P concentrations were added to two kinds of soil with low available P concentration, and the concentration of various soil P pools were assessed by soil P fractionation on days 0, 14, 28, and 56. In this study, P speciation was determined using solution31P nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to understand the potential fate of residue P in soils. The results showed that residue addition significantly increased cumulative respiration. The size of the P pools changed over time and was affected by both residue P concentration and soil type. For all plant samples, orthophosphate produced the most intense resonance in each spectrum and was the most abundant P species detected in shoot residue, which appeared to be related to their total P concentrations. For crop residues with higher total P concentrations, the greatest proportion was present as orthophosphate. More than 90% of the phosphorus detected in the plant residue was found to be orthophosphate and phosphate monoester. However, increasing plant concentration of total P did not affect pyrophosphate concentration. Olsen-phosphorus was highest when the experiment began (day 0) but decreased as the experiment progressed. The increase in residual P found in all residues indicated that part of the mineralized P was converted into stable organic and inorganic P, which occurred mainly in the initial phase. These changes were generally more pronounced in high- and medium-P residues than in low-P residues. More Resin-P, NaHCO3-Pt, and cumulative respiration was detected in the acid purple soil than in the neutral purple soil, which may be attributed to the high Ca2+concentration in the neutral purple soil. This study demonstrated that changes and transformations in soil P pools over time depend on residue P concentration and soil type, and that they have the potential to be delivered to soil in a form readily available to plants and soil microorganisms.

plant residue; purple soil; orthophosphate

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(XDJK2010B012);國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD05B03);農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201203030)

2016- 03- 17; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603170476

*通訊作者Corresponding author.E-mail: guotaosd@swu.edu.cn

郭濤,張思蘭.不同磷濃度植株殘?bào)w降解對(duì)紫色土磷素有效性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(10):3553- 3560.

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