尹愛經(jīng)，薛利紅，楊林章，段婧婧

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,南京 210014；2.農(nóng)業(yè)部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,南京 210014；3.省部共建國家重點實驗室培育基地-江蘇省食品質(zhì)量安全重點實驗室,南京 210014；4.江蘇灘涂生物農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇鹽城 224002）

生活污水灌溉對稻田土壤磷形態(tài)和吸附特征的影響

尹愛經(jīng)1，2，3，薛利紅1，2*，楊林章1，2，4，段婧婧1，2

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,南京 210014；2.農(nóng)業(yè)部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,南京 210014；3.省部共建國家重點實驗室培育基地-江蘇省食品質(zhì)量安全重點實驗室,南京 210014；4.江蘇灘涂生物農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇鹽城 224002）

通過設(shè)置不同氮、磷濃度的生活污水進行水稻的盆栽實驗,采用改進的Hedley法研究了生活污水灌溉后土壤磷形態(tài)和吸附特征的變化。結(jié)果表明,相對于施用化肥,生活污水灌溉下養(yǎng)分分散進入稻田,而且氮、磷投入量偏低。這導(dǎo)致了種植水稻后土壤總磷(TP）略有下降,土壤有效磷有顯著的降低。施化肥促進了土壤易利用態(tài)磷的增加,主要是碳酸氫鈉提取態(tài)無機磷(NaHCO3-Pi）的增加。水稻種植條件下生活污水灌溉顯著降低了土壤易利用態(tài)磷,增加了土壤中等活性磷,主要特征是土壤碳酸氫鈉提取態(tài)有機磷(NaHCO3-Po）減少,氫氧化鈉提取態(tài)無機磷(NaOH-Pi）增加。生活污水灌溉能增加土壤對磷的最大吸附量,增強了土壤對磷的吸附和緩沖能力。生活污水中不同氮、磷濃度對土壤磷的影響主要表現(xiàn)為高磷污水灌溉顯著增加了土壤氫氧化鈉提取態(tài)有機磷(NaOH-Po）的含量,而高氮污水灌溉促進了水稻生長,提高了土壤溶液磷的平衡濃度,從而促進水稻對磷的吸收并影響土壤的磷形態(tài)。生活污水灌溉對土壤有機磷礦化過程影響顯著,但其影響機理還需進一步研究。

生活污水；水稻；磷形態(tài)；Hedley；磷吸附

磷在作物生長中有不可替代的地位,但磷礦作為不可再生礦產(chǎn),面臨著開發(fā)殆盡的局面［1］。對工業(yè)、城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)含磷廢棄物進行回收利用是目前全球研究的熱點［2-4］。我國生活污水產(chǎn)生量大,氮、磷營養(yǎng)元素濃度高,生活污水農(nóng)田回用不僅能夠減少污水對水環(huán)境的污染負荷,而且能夠在保證產(chǎn)量的同時減少化肥的投入,這對面源污染的防控和可持續(xù)發(fā)展有重要的意義［5］。稻田作為一種特殊的人工濕地系統(tǒng),對污水的消納具有很大的潛力,經(jīng)處理后的生活污水有毒有害物質(zhì)很少,對水稻生長發(fā)育及糧食的安全沒有顯著的負面影響［6］。所以,在保證食品安全的前提下,生活污水作為水稻的灌溉用水具有巨大的經(jīng)濟和社會效益及廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有稻田污水利用的研究大多關(guān)注水稻濕地對污水中氮、磷的去除［7］、生活污水灌溉的田面水氮、磷動態(tài)變化［8-9］以及不同布水方式對水稻生長的影響等［10］。生活污水灌溉對土壤磷循環(huán)影響的研究較少［11］,尤其是對土壤中磷形態(tài)和磷的吸附特征的相關(guān)研究還較為缺乏。

土壤中磷的存在形態(tài)與其生物有效性密切相關(guān)［12-13］,對土壤肥力的管理具有重要意義。李中陽等［11］研究了城市再生水灌溉對黑麥草生長及土壤磷形態(tài)的影響,結(jié)果表明再生水灌溉增加了土壤鈣結(jié)合態(tài)磷,同時也增加了土壤活性有機磷含量。生活污水中養(yǎng)分含量較高,而且有大量的溶解有機質(zhì),其中氮、磷濃度受污水來源、當?shù)貧夂?、飲食以及污水處理工藝等因素影?差異較大［14］。生活污水的氮、磷濃度不僅影響水稻的生長和產(chǎn)量,而且對土壤的磷形態(tài)和磷的吸附特征也會產(chǎn)生一定影響。本研究采用不同氮、磷濃度的生活污水進行水稻灌溉,通過改進的Hedley法對土壤的磷形態(tài)進行分析,研究生活污水灌溉條件下水稻土壤磷形態(tài)的變化以及土壤磷的吸附特征的變化,以期為生活污水的稻田合理利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 盆栽設(shè)置

供試土壤來自南京市高淳區(qū)東壩鎮(zhèn)稻田,土壤類型為脫潛水稻土,土壤基本理化性質(zhì)見表1。實驗地點位于江蘇省農(nóng)業(yè)科學院內(nèi)溫室大棚。盆栽采用聚乙烯塑料桶(直徑30 cm）,填土厚度30 cm,填土質(zhì)量20 kg。水稻品種為武運粳23號,育苗移栽,每盆3穴,每穴3株。于2015年6月17日進行移栽,10月13日收獲。

1.2 實驗設(shè)計

實驗設(shè)置不施肥對照(N0P0）、常規(guī)施化肥對照(NcPc）及4個不同氮、磷濃度生活污水處理(低氮低磷N2P2、高氮低磷N4P2、低氮高磷N2P4、高氮高磷N4P4）,每個處理設(shè)置3個重復(fù)。對照采用自來水灌溉,污水處理均不施化肥,生活污水來自化糞池污水,原水水質(zhì)見表2,重金屬含量均滿足農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準(GB 5084—2005）。通過對化糞池污水進行不同倍數(shù)的稀釋獲得不同氮、磷濃度的生活污水,具體見表3。常規(guī)施化肥處理氮、磷、鉀的施用量分別為210 (N）、70(P2O5）、70(K2O）kg·hm-2,磷鉀肥全部作基肥,泡田時溶于水一次性施入；氮肥分3次施入,基肥、蘗肥、穗肥總氮(TN）施用量均為70 kg·hm-2,均為溶于水施入。

盆栽水稻整個生長期的用水量及通過污水灌溉帶來的氮、磷含量見表3。各處理設(shè)計的灌溉水量相同,并依照水稻生長實際需求灌溉。田面水自然下落至2 cm水深時進行灌溉,每次灌溉量約為2～4 L·盆-1,保持水層深度在2～6 cm。N0P0和NcPc處理生長期內(nèi)均用自來水灌溉,污水灌溉處理除烤田結(jié)束統(tǒng)一補水時用自來水灌溉外,均用生活污水灌溉。各處理生長期內(nèi)自來水和生活污水共灌溉14次,基肥、蘗肥、穗肥期的灌溉次數(shù)分別為3次、3次和8次。除施化肥組外,其他處理的灌溉量均為45 L·盆-1,由于施化肥組水稻生長旺盛,為避免田面水落干,實際灌水量偏多?？咎锴昂褪斋@前讓田面水自然落干。污水灌溉處理帶入的氮、磷分別為468～936 mg·盆-1(折合N 67.4～134.6 kg·hm-2）、27.3～54.6 mg·盆-1(折合P2O58.1～16.2 kg·hm-2）。以常規(guī)施化肥為參照,相當于替代32.1%～64.1%的氮,11.6%～23.2%的磷。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physico-chemical characteristics of the original soil(OS）used in the experiment

表2 實驗用原污水水質(zhì)Table 2 Water quality of original domestic wastewater in the experiment

1.3 樣品采集與分析

成熟期采集盆栽內(nèi)全部水稻的籽粒和秸稈,進行測產(chǎn)并分析產(chǎn)量構(gòu)成因素。籽粒和秸稈烘干后粉碎測定氮、磷含量。植株TN和總磷(TP）含量按農(nóng)業(yè)行業(yè)標準方法測定,用濃硫酸與雙氧水消解樣品,凱氏微量法測氮,磷鉬藍法測磷,并計算植株氮、磷吸收［15］。

水稻收獲后將盆栽土整體倒出,充分混合后作為待測土樣。土壤樣品室溫風干,過2 mm土篩,備用。土壤TP采用硫酸-高氯酸消解,磷鉬藍比色法測定［16］。土壤TN按濃硫酸與雙氧水消解后凱氏定氮法測定。土壤磷庫的變化指種植后盆栽土壤TP含量減去種植前土壤TP含量,即(收獲后土壤TP濃度-供試土壤TP濃度）×盆栽填土質(zhì)量。作物帶走磷包括秸稈和籽粒中的磷。本研究土壤呈酸性,所以有效磷采用0.03 mol· L-1NH4F和0.025 mol·L-1稀鹽酸混合溶液提?。?7］。

采用改進后的Hedley法進行磷形態(tài)連續(xù)提?。?8］。取過2 mm篩的土壤約0.5 g,分別加入25 mL提取液,震蕩16 h后離心,分析上清液,殘渣進行下一步提取分析。第一步加入陰離子交換樹脂膜(AMI）提取,為樹脂交換態(tài)磷(Resin-P）,是土壤中生物有效性最高的磷形態(tài)。第二步加入NaHCO3溶液提取,磷鉬藍法直接測定NaHCO3-Pi,代表吸附在晶體鐵鋁氧化物表面的無機磷,是土壤有效磷庫的重要組成部分［12,19］。NaHCO3提取液消解后測定TP,通過TP與NaHCO3-Pi相減后得到NaHCO3-Po,NaHCO3-Po是結(jié)構(gòu)較為簡單的鈣磷有機物,代表易礦化的有機磷。第三步加入NaOH溶液提取,磷鉬藍法直接測定NaOH-Pi,代表吸附于無定型鐵鋁氧化物的無機磷,是土壤供給作物磷的緩沖庫。溶液進一步消解后測定溶液TP,通過TP與NaOH-Pi相減后得到NaOH-Po,代表相對穩(wěn)定的有機磷。第四步加入HCl溶液提取HCl-P,代表鈣結(jié)合態(tài)礦物磷［19］,缺磷的條件下,其仍然可以為作物提供所需的磷［20］。Hedley法通常把Resin-P、NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po作為易利用態(tài)磷(L-P）,NaOH-Pi和NaOH-Po一般被認為是中等活性的磷形態(tài)(ML-P）,HCl-P是鈣結(jié)合態(tài)磷,性質(zhì)較為穩(wěn)定。

磷的等溫吸附實驗.取過2 mm土篩的土壤樣品2.5 g放入離心管,加入含磷量不同的0.01 mol·L-1的CaCl2溶液50 mL。磷的濃度梯度為0、2.5、5、10、25、50、80 mg·L-1,在各處理中滴兩滴甲苯以抑制微生物活性。在25℃下恒溫連續(xù)震蕩24 h,然后在10 000r·min-1的速度下離心,分別測定上清液中的磷濃度,以差減法計算吸附量。以平衡溶液的磷濃度為橫坐標,以土壤的吸磷量為縱坐標繪制等溫吸附曲線,并用Langmuir方程擬合。其表達式一般為.

表3 不同處理下水稻灌溉量及污水帶入的營養(yǎng)Table 3 The loads of water and nutrients under different irrigation treatments in the rice pot experiment

式中：C為吸附平衡液中的磷濃度,mg·L-1；S為單位質(zhì)量土壤固相對磷素的吸附量,mg·kg-1；KL是與結(jié)合能有關(guān)的一個常數(shù)(即吸附平衡常數(shù)）,L·mg-1；Sm為單位質(zhì)量土壤固相對磷素的飽和吸附量,mg·kg-1。由KL和Sm兩個數(shù)值的乘積,可計算得到磷素的最大緩沖容量(MBC）,mg·kg-1。并根據(jù)實驗結(jié)果計算易解吸磷(RDP）、磷零吸持平衡濃度(EPC0）等參數(shù)［21］。RDP是0.01 mol·L-1CaCl2溶液提取的磷,代表在一定條件下易溶磷從土壤進入溶液或地表徑流的難易程度。EPC0是土壤溶液中的磷在達到吸持與解吸動態(tài)平衡時的濃度,EPC0主要用來表征土壤的固磷能力,EPC0越小,土壤固磷能力越大,反之,則土壤固磷能力越?。?2］。原土(OS）和各處理(N0P0、NcPc、N2P2、N4P2、N2P4、N4P4）的3個重復(fù)樣品均進行了磷的等溫吸附實驗,各參數(shù)的最終結(jié)果表示為平均值±標準差。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；采用SPSS中Duncan法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析(P＜0.05）,采用Sigma plot軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤TP和有效磷的變化

水稻收獲后土壤TP和有效磷的含量見表4,土壤TP濃度介于628.6～769.2 mg·kg-1,除N4P4土壤TP含量顯著下降外(P＜0.05）,其他處理略有下降,但與原土差異不顯著。NcPc的土壤TP含量與原土含量沒有顯著差異,高氮處理組土壤TP含量略低于低氮處理組。各處理土壤有效磷介于5.42～13.0 mg·kg-1,經(jīng)過一季水稻種植,土壤有效磷顯著下降(P＜0.05）,其中NcPc有效磷含量顯著高于其他處理(P＜0.05）。各污水灌溉組土壤有效磷含量介于5.42～7.88 mg·kg-1,處理間沒有顯著差異,與N0P0土壤的有效磷含量也沒有顯著差異。

2.2 污水灌溉下土壤磷形態(tài)的變化

土壤中不同活性的磷含量見表5。各處理中土壤磷含量均表現(xiàn)為ML-P＞L-P＞HCl-P。種植水稻后,N0P0和NcPc的L-P均有顯著增加(P＜0.05）,除N2P2與原土的L-P含量沒有顯著差異外,其他污水灌溉處理均顯著下降(P＜0.05）。N0P0和NcPc土壤ML-P比OS略有下降,但差異不顯著,而高磷處理土壤ML-P含量顯著高于OS、N0P0和NcPc(P＜0.05）。水稻收獲后土壤HCl-P沒有顯著變化,各處理間差異也不顯著。

不同處理下土壤磷形態(tài)含量見圖1。OS處理中NaOH-TP含量最高(占TP的37.2%,其中NaOH-Pi占TP的25.1%）,其次為HCl-P(占TP的15.3%）和NaHCO3-TP(占TP的12.2%,其中NaHCO3-Pi占TP的10.7%）,Resin-P含量最少,僅占TP的7.4%。

表5 各處理土壤中不同活性的磷含量組成Table 5 P forms composition of different availability in the soil under different treatments

表4 收獲后不同處理水稻土壤TP和有效磷的變化Table 4 Changes of soil TP and available P under different treatments after harvest

經(jīng)過一季水稻種植后,各處理Resin-P顯著下降(P＜0.05）,從57.0 mg·kg-1下降至10 mg·kg-1左右,處理間沒有顯著差異。在水稻收獲后NaHCO3-Pi含量均有所增加,其中NcPc、N2P2和N4P4處理增加顯著(P＜0.05）,N0P0、NcPc和N2P2土壤的NaHCO3-Po含量也顯著增加(P＜0.05）,其他污水處理增加不顯著。在污水磷投入相同條件下,高氮處理的土壤NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po在低磷投入時均小于低氮處理,其中NaHCO3-Po的差異達顯著水平(P＜0.05）,在高磷投入時高氮處理的土壤NaHCO3-Pi含量比低氮處理高。在污水氮投入相同條件下,高磷處理的NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po在低氮投入下均低于低磷處理,其中NaHCO3-Po的差異達顯著水平(P＜0.05）,而在高氮投入下高磷處理的NaHCO3-Pi含量要高于低磷處理。

NaOH-Pi的含量在水稻收獲后均有所增加,其中污水處理組均顯著增加(P＜0.05）,不施肥對照和施化肥對照增加不顯著。NaOH-Po除污水高磷處理外,其他處理均顯著減少(P＜0.05）。在低磷投入下高氮處理土壤NaOH-Pi顯著小于低氮處理(P＜0.05）,在高磷投入下高氮處理與低氮處理沒有顯著差異；而NaOH-Po含量不受影響。收獲后土壤NaOH-Pi含量在高磷處理低氮條件下顯著小于低磷處理,高氮條件下沒有顯著差異；NaOH-Po含量則不受氮投入的影響,高磷處理無論在低氮還是高氮條件下均顯著高于低磷處理(P＜0.05）。

2.3 磷吸附曲線的變化

圖1 收獲后各處理下土壤磷形態(tài)的組成和差異Figure 1 The distribution of P forms in the soil after harvest under different treatments

磷吸附曲線可以通過Langmuir方程較好地擬合,決定系數(shù)均高于0.93,磷吸附曲線參數(shù)見表6。經(jīng)過一季水稻生長,土壤磷的最大吸附量Sm均有所提升,從235.4 mg·kg-1升高到434.9 mg·kg-1,各處理均達到顯著水平(P＜0.05）。KL在水稻收獲后也均有提高,僅有低氮污水處理組提高顯著(P＜0.05）。在種植水稻后土壤MBC也均有增加,污水灌溉處理和N0P0增加顯著(P＜0.05）,NcPc土壤MBC較低,但各處理間沒有顯著差異。收獲后各處理的RDP均顯著下降,NcPc降幅較小,N2P4降幅最大。本研究水稻土吸附平衡濃度EPC0介于0.065～0.102 mg·kg-1,收獲后土壤EPC0顯著下降,其中NcPc的EPC0值最高, N2P2、N4P2和N2P4顯著低于NcPc(P＜0.05）。

在低磷條件下,高氮處理與低氮處理的磷吸附參數(shù)沒有顯著的差異,高氮處理Sm略高,KL略低。在高磷條件下,高氮處理與低氮處理土壤的Sm、KL和MBC沒有顯著差異,但高氮處理的RDP和EPC0均顯著高于低氮處理(P＜0.05）。在同等氮投入條件下,高磷處理和低磷處理各參數(shù)沒有顯著差異,高磷處理的RDP和EPC0在低氮條件下略低于低磷處理,在高氮條件下則略高于低磷處理。

表6 不同處理下土壤磷的吸附曲線參數(shù)Table 6 P absorption characteristics of soil under different treatments

土壤磷的吸附參數(shù)與磷形態(tài)之間的相關(guān)系數(shù)見表7,Sm、KL、MBC均與NaOH-Pi顯著正相關(guān),與Resin-P顯著負相關(guān)(P＜0.05）。RDP、EPC0與Resin-P顯著正相關(guān),EPC0與NaOH-Pi顯著負相關(guān)(P＜0.05）。

表7 土壤磷的吸附參數(shù)與各磷形態(tài)的相關(guān)性(n=21）Table 7 The correlation between P absorption indexes and P forms in the soil(n=21）

3 討論

3.1 生活污水灌溉下土壤TP和磷形態(tài)的變化

本研究發(fā)現(xiàn),種植一季水稻后,NcPc的土壤TP含量基本持平,表明化肥處理中磷的投入與產(chǎn)出達到平衡；生活污水灌溉下,土壤TP含量有所下降,其中N4P4下降最多,平均降幅為19.0%。這主要是因為污水灌溉帶入的磷僅相當于施化肥處理的11.6%～23.2%,遠遠小于作物帶走的磷元素(見表4）。在高氮濃度的污水灌溉下,土壤TP含量較低,這是因為氮是水稻生長的重要營養(yǎng),高氮投入促進了水稻生長,從而增加了對磷的吸收［23］。本研究高氮污水處理下水稻植株的吸磷量與施化肥處理沒有顯著差異,這說明土壤在生活污水灌溉下為水稻提供了足夠的磷素。污水中帶入的磷量相對來說差異較小,不同磷濃度灌溉并沒有表現(xiàn)出土壤TP上的差異。各處理土壤有效磷在水稻收獲后均有顯著下降,NcPc的有效磷含量顯著高于N0P0和污水處理組。土壤有效磷(Bray法） 13～20 mg·kg-1是作物維持產(chǎn)量的區(qū)間［24］,污水處理組土壤有效磷偏低,水稻吸收的磷需要土壤中其他形態(tài)的磷轉(zhuǎn)化而來。

經(jīng)過一季水稻生長,除HCl-P外,土壤各磷形態(tài)有較為明顯的變化。生活污水灌溉組除了N2P2外,其他土壤L-P均有顯著的下降(P＜0.05）。ML-P則大多有所增加,其中N2P2、N4P2和N4P4增加顯著(P＜0.05）。Resin-P下降最為顯著,各處理間并沒有顯著差異,這與土壤有效磷的結(jié)果一致,說明無論施化肥或者生活污水灌溉,土壤Resin-P均為水稻提供了有效的磷供給。N0P0的土壤磷形態(tài)主要變化還包括NaHCO3-Po的顯著增加和NaOH-Po的顯著減少(P＜0.05）,說明不施肥條件下水稻生長主要影響土壤有機磷的轉(zhuǎn)變。NaOH-Po的減少和NaHCO3-Po的增加可能與水稻生長過程中根系和微生物作用有關(guān)。一方面,缺磷條件下,根系和微生物會分泌磷酸酶,促進有機磷的水解,另一方面,微生物的繁殖促進微生物磷的增加,此部分有機磷正是NaHCO3-Po的重要組成部分。

與N0P0相比,NcPc的土壤NaHCO3-Pi顯著增加(P＜0.05）,NaOH-Pi略有增加,其他形態(tài)磷沒有顯著變化。這與Linquist等［25］的研究結(jié)果一致,研究指出水稻施用的化肥和有機肥超出水稻帶走磷的那部分會成為土壤的NaHCO3-Pi和NaOH-Pi。Wang等［26］5年水稻盆栽實驗表明施磷肥不僅增加無機磷(Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi）含量,也增加有機磷(NaHCO3-Po、NaOH-Po）的含量。張奇春等［27］研究表明施化肥條件下,水稻土經(jīng)過多年耕作后NaHCO3-Po逐漸降低,NaOH-Po基本上沒有變化?？梢?土壤有機磷的變化影響因素較多,但本研究表明施化肥并未影響短期土壤有機磷的變化。

生活污水中的磷主要以無機磷的形式存在,有機磷不足10%,所以污水灌溉對土壤磷形態(tài)的影響與施化肥處理有相似之處。與不施肥對照相比,污水灌溉增加了NaHCO3-Pi的含量,其中N2P2和N4P4處理達到顯著性水平；NaOH-Pi也有所增加,N2P2處理增加顯著(P＜0.05）。但與NcPc相比,不同氮、磷濃度對NaHCO3-Pi和NaOH-Pi的影響有差異,比如,N2P4和N4P2處理NaHCO3-Pi含量顯著低于NcPc(P＜0.05）,而且N2P2、N4P2和N2P4處理的NaOH-Pi顯著高于NcPc(P＜0.05）。這一方面可能是因為生活污水中磷是分散投入,所以磷的吸附轉(zhuǎn)化有所不同；另一方面,生活污水中氮、磷有相互作用,水稻對磷的吸收利用存在差異,導(dǎo)致土壤磷形態(tài)的差異。然而,污水灌溉對土壤有機磷的影響與施化肥處理有明顯不同。生活污水處理土壤中NaHCO3-Po顯著低于N0P0和NcPc(P＜0.05）,說明污水灌溉促進了土壤中此類活性有機磷的礦化分解。污水磷濃度影響了NaOH-Po的變化。低磷污水灌溉處理NaOH-Po的下降,可能是土壤原有NaOH-Po的礦化分解導(dǎo)致的,相關(guān)研究指出缺磷條件下微生物和植物會利用此部分有機磷［28］。高磷污水NaOH-Po相對增加的原因一方面可能是污水帶入了部分NaOH-Po,另一方面,高濃度污水中無機磷會抑制土壤微生物和根系磷酸酶的產(chǎn)生［29］,減少了此部分有機磷的礦化。

土壤有機磷礦化是土壤磷循環(huán)的重要組成部分,對土壤肥力和供磷水平具有重要意義。Sharpley等［30］指出未施肥土壤有效磷與有機磷和磷酸酶活性有關(guān),說明有機磷礦化對土壤供磷具有重要作用。已有研究指出在不同施肥種類和方式下有機磷總量在短期并不會增加［19,31］,但本研究結(jié)果表明在短期的污水灌溉下有機磷的組成結(jié)構(gòu)有明顯的變化,即代表活性有機磷的NaHCO3-Po顯著下降。土壤有機磷的礦化過程主要是根系和土壤微生物產(chǎn)生的磷酸酶促進了有機磷的水解［32-33］。生活污水中溶解有機質(zhì)的氮的投入,對土壤微生物功能和群落結(jié)構(gòu)有改善的作用,能夠有效增加土壤微生物多樣性［34］。生活污水中帶入的微生物是否增加了土壤微生物的多樣性,及其對土壤磷循環(huán)的作用過程如何還需要進一步研究。

3.2 生活污水灌溉下土壤磷的吸附特征的變化

相比施化肥處理,污水灌溉的土壤磷的最大吸附量Sm和吸附參數(shù)KL顯著提高(P＜0.05）。土壤中磷的吸附受到土壤有機質(zhì)、鐵鋁氧化物、粘土礦物等成分的影響［35］。研究表明,溶解有機質(zhì)一方面與磷競爭吸附點位,減少磷的吸附［36］；另一方面,在土壤膠體表面,溶解有機質(zhì)通過與金屬離子橋接,增加磷的吸附［35］。本研究屬于后者,即污水有機質(zhì)與土壤金屬離子螯合,為磷提供了較多的吸附點位。這說明污水灌溉有利于提高土壤對磷的吸附容量,提高土壤磷的最大緩沖量MBC,從而增加土壤對肥料的緩沖。相關(guān)分析表明Sm與NaOH-Pi顯著正相關(guān)(P＜0.05）,在本研究中污水灌溉增加了土壤的吸附量,NaOH-Pi的增加也表明污水中無機磷能夠被鐵鋁氧化物吸附,促進土壤最大吸附量的增加。Bar-Yosef等［37］指出污水磷進入土壤剛開始以吸附為主,然后是沉淀,與本研究的結(jié)果一致。另外,表示吸附能力的KL值也表現(xiàn)為污水灌溉處理高于化肥處理,即增加了土壤對磷的吸附能力。土壤對磷的吸附和緩沖能力的增加有助于減少磷的徑流和滲漏損失。

生活污水氮、磷的濃度對土壤最大吸附量和吸附能力沒有顯著的影響,但對土壤RDP和EPC0有顯著的影響。高氮處理土壤的RDP和EPC0顯著高于低氮處理,這可能是因為高氮處理的生物量高于低氮處理［23］,根系分泌的有機酸對土壤的吸附能力有負面效果［38］,促進了土壤平衡溶液中磷濃度的增加,也促進了水稻對磷的吸收利用。

4 結(jié)論

生活污水灌溉下土壤的磷形態(tài)受污水灌溉中氮、磷的投入和水稻生長的共同影響。相比種植前,收獲后各處理土壤中Resin-P含量均有顯著的下降,而HCl-P含量沒有顯著變化。

由于生活污水投入磷含量較少,種植水稻后土壤TP略有下降,土壤有效磷有顯著的降低。施化肥主要促進了土壤L-P的增加,生活污水灌溉顯著降低了土壤L-P,增加了土壤ML-P,對土壤有機磷的礦化過程影響顯著,而且生活污水灌溉能增加土壤對磷的最大吸附量,增強土壤對磷的吸附。

生活污水中磷濃度的提高增加了土壤中等活性有機磷的含量,污水中氮濃度的提高促進了水稻的生長發(fā)育從而影響磷的吸收及土壤的磷形態(tài)。

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Influence of domestic sewage irrigation on phosphorus forms and adsorption in paddy soil

YIN Ai-jing1,2,3,XUE Li-hong1,2*,YANG Lin-zhang1,2,4,DUAN Jing-jing1,2
(1.Institute of Agricultural Resources and Environment,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China;2.China Ministry of Agriculture Key Laboratory at Yangtze River Plain for Agricultural Environment,Nanjing 210014,China;3.Key Lab of Food Quality and Safety of Jiangsu Province-State Key Laboratory Breeding Base,Nanjing 210014,China;4.Jiangsu Synthetic Innovation Center for Coastal Bio-agriculture,Yancheng 224002,China）

In this study,rice pot experiments were performed using irrigation with domestic sewage containing different nitrogen(N）and phosphorus(P）concentrations.Soil P forms were measured with the modified Hedley method,and soil P adsorption characteristics were also investigated under domestic sewage irrigation.N and P inputs from domestic sewage irrigation were much lower than those in common chemical fertilizers.Consequently,soil total P contents decreased slightly,and soil available P decreased significantly after one season of rice cultivation.Chemical fertilizer application mainly increased soil labile P,such as NaHCO3-Pi.Domestic sewage irrigation decreased soil labile P and increased soil moderately labile P,mainly through increases in NaOH-Pi and decreases in NaHCO3-Po.Domestic sewage irrigationalso increased soil maximum adsorbing capacity,adsorption intensity,and buffer capacity for P.Higher P concentrations in domestic sewage could significantly increase soil NaOH-Po content,whereas higher N concentrations in domestic sewage could affect soil P forms by increasing the P equilibrium concentration in the soil solution and enhancing the uptake of P by improving rice growth.Thus,these findings demonstrated that domestic sewage irrigation greatly affected soil organic P mineralization;further studies are needed to determine the mechanisms involved in this process.

domestic sewage;rice;phosphorus form;Hedley;phosphorus absorption

X592

A

1672-2043(2017）07-1434-09

10.11654/jaes.2017-0295

尹愛經(jīng),薛利紅,楊林章,等.生活污水灌溉對稻田土壤磷形態(tài)和吸附特征的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36(7）.1434-1442.

YIN Ai-jing,XUE Li-hong,YANG Lin-zhang,et al.Influence of domestic sewage irrigation on phosphorus forms and adsorption in paddy soil［J］.Journal of A gro-Environment Science,2017,36(7）.1434-1442.

2017-03-07

尹愛經(jīng)(1986—）,男,山東青州人,助理研究員,主要研究方向為生活污水農(nóng)田回用。E-mail:huanxueseng@163.com

*通信作者：薛利紅E-mail:njxuelihong@gmail.com

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè)）科研專項(201503106）；江蘇省自主創(chuàng)新項目(CX(14）2050）；國家自然科學基金青年科學基金(41501324）；江蘇省博士后科研資助計劃(1601109C）

Project supported：The Special Fund for Agro-scientific Research on Public Causes(201503106）；The Jiangsu Agriculture Science and Technology Innovation Fund(CX(14）2050）；The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(41501324）；The Postdoctoral Research Funding Plan of Jiangsu Province(1601109C）