周 龍,蘇麗珍,王思睿,王瑞雪,普正仙,鄭 毅,湯 利**

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 昆明 650201;2.云南云天化股份有限公司 昆明 650228)

磷作為植物生長發(fā)育必需三大營養(yǎng)元素之一,是限制作物生長的重要營養(yǎng)元素,也是引發(fā)水體污染的重要因素。磷素在土壤中的吸附與解吸特性是影響磷素遷移及其環(huán)境效應(yīng)的主要機(jī)制之一[1-2]。在我國農(nóng)田土壤中,由于土壤對磷的吸附和固定能力較強(qiáng),土壤磷有效性低,作物對磷肥的利用率較低,當(dāng)季利用率僅為10%～25%[3]。吸附/解吸通過制約土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力進(jìn)而影響植物對養(yǎng)分的吸收與利用,它對于土壤中養(yǎng)分的形態(tài)、有效性及其在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化起到至關(guān)重要的作用。

土壤pH、鐵鋁氧化物、鈣、有機(jī)質(zhì)、黏粒含量等均能影響土壤磷的吸附與解吸[4-6]。李壽田等[7]研究表明,磷肥施入土壤后很快被土壤中表面黏粒、有機(jī)質(zhì)以及不定形鐵、鋁和鈣等固定或吸附,大量磷素進(jìn)入難溶性磷庫,很難被植物利用[8]。尤其在吸附性較強(qiáng)的酸性紅壤中鐵鋁富集,受鐵、鋁等無機(jī)膠體固磷作用的影響,磷肥利用率僅為10%左右[8-9]。Zhang 等[10]通過研究5 種不同質(zhì)地潮土長期施肥后磷吸附解吸特征,發(fā)現(xiàn)黏粒、粉粒、有機(jī)質(zhì)和游離鐵氧化物是影響磷吸附的主要因素。Debicka 等[11]證明在砂質(zhì)土壤中pH、有機(jī)質(zhì)和鈣是影響磷吸附解吸的主要因素[12]。閆金龍等[13]通過選擇性去除土壤組分的方法證實(shí)土游離鐵氧化物是決定磷吸附和解吸的重要因素。此外,土壤顆粒組成[6]、黏粒含量[14]以及土壤類型[15]對磷素吸附與解吸變化特性均有顯著影響。當(dāng)前研究證實(shí)土壤類型[5,16-17]、土地利用方式[18-19]、施肥處理[20-21]和生物炭及外源物質(zhì)添加[22-23]等均對土壤磷素吸附和解吸產(chǎn)生影響,尤其在不同處理方式下土壤顆粒含量、土壤pH、有機(jī)質(zhì)、鐵、鋁氧化物和碳酸鈣對土壤磷素吸附解吸影響顯著[12,14,24]。

間作促進(jìn)磷素吸收利用[25-26],但間作對土壤磷吸附解吸的平衡效應(yīng)鮮見報(bào)道[23],尤其是間作和施磷條件下磷素吸附解吸的交互作用及機(jī)制更為少見。本文針對西南酸性紅壤研究間作與施磷水平對土壤吸附和解吸平衡效應(yīng)的影響,同時(shí),應(yīng)用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)闡述間作和施磷水平下磷吸附量和解吸量的因果關(guān)系,通過鄰接樹法(ABT)定量分析影響磷吸附和解吸的相對貢獻(xiàn),以揭示間作和施磷水平下影響磷吸附和解吸的關(guān)鍵因子,為優(yōu)化西南酸性紅壤合理施磷,提高磷肥有效性提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2017年5?10月在云南省昆明市官渡區(qū)云南農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院小哨校區(qū)試驗(yàn)農(nóng)場進(jìn)行(24°54′N、102°41′E),位于昆明市東北部,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,海拔1820.00 m,年平均氣溫14.40 ℃,年降雨量為850.00 mm,土壤類型為紅壤。土壤有機(jī)質(zhì)含量4.50 g?kg?1,全磷0.19 g?kg?1,有效磷4.02 mg?kg?1,容重1.36 mg?cm?3,pH 4.53。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)供試玉米(Zea maysL.)品種為‘云瑞88’,大豆(Glycine maxL.)品種為‘開育十二’。小區(qū)試驗(yàn)采用裂區(qū)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),以種植模式為主處理,施磷量為副處理,每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù),共2 種種植模式,4 個(gè)施磷水平,8 個(gè)處理,24 個(gè)小區(qū),小區(qū)面積28 m2(4 m×6.5 m)。

2 種種植模式分別為玉米||大豆間作(IM)和單作玉米(MM),間作采取玉米∶大豆=1∶1 的種植密度,玉米、大豆行距均為50 cm,株距均為25 cm,每行15 株,距邊25 cm;單作玉米行距50 cm,株距25 cm,每行15 株,距邊25 cm(圖1)。4 個(gè)施磷水平為不施磷(P0)、低磷[P60,60 kg(P2O5)?hm?2]、常規(guī)磷[P90,90 kg(P2O5)?hm?2]和高磷[P120,120 kg(P2O5)?hm?2]。氮肥和鉀肥施用為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量,分別為250 kg(N)?hm?2、75 kg(K2O)?hm?2。供試磷肥(14%過磷酸鈣)、鉀肥(50%硫酸鉀)均以基肥施入,氮肥(46%尿素)分基肥、小喇叭口期追肥、大喇叭口期追肥3 次施入,分別占總施氮量的40%、25%和35%。

玉米于2017年6月5日穴播,6月15日出苗,10月22日收獲。所有試驗(yàn)小區(qū)玉米生育過程中保持澆水、中耕除草、病蟲害防控等措施一致。

1.3 樣品采集及測定

玉米收獲后使用土鉆采集表層土壤樣品,間作處理取樣點(diǎn)在玉米與大豆間作條帶中間,單作處理在玉米與玉米種植的條帶中間,去除邊行隨機(jī)選取3 個(gè)點(diǎn)采集表層(0～20 cm)土壤樣品。將所取樣品混勻后挑出土壤中碎石、秸稈等雜物并通過四分法保留300 g 左右土壤裝于透明塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)干磨細(xì)后分別過0.25 mm 和1 mm 篩備用。

土壤指標(biāo)按照魯如坤[27]的方法進(jìn)行測定,土壤pH 采用電位法(土水比為1∶2.5),有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法,樹脂磷采用樹脂膜(46 mm×20 mm)提取使用Murphy-Riley 法測定,速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,全磷用NaOH 熔融-鉬銻抗比色法。速效磷和pH 測定使用過1 mm 篩土壤,全磷、有機(jī)質(zhì)測定土樣過0.25 mm 篩。

土壤磷等溫吸附試驗(yàn)[28]:稱取18 份過0.25 mm篩的風(fēng)干土1.25 g 于50 mL 離心管中,向每個(gè)離心管中分別加入(mg?L?1)0、5、10、15、20、30、60、75 和100 不同磷含量梯度的溶液25 mL(0.01 mol?L?1NaCl 配制定容),同時(shí)加入甲苯2～3 滴(抑制微生物活動(dòng)),加蓋后置于在(25±1)℃恒溫震蕩箱中振蕩24 h(180 r?min?1),取出后離心(8000 r?min?1)10 min,用鉬銻抗比色法測定上清液磷濃度,為平衡后液相磷濃度,差減法計(jì)算土壤吸磷量。吸附過程采用Langmuir、Freundlich 和Temkin 3 種等溫吸附方程擬合。

土壤磷等溫解吸試驗(yàn)[24]:吸附試驗(yàn)完成后棄去上清液并加入25 mL 飽和NaCl 溶液,搖勻后8000 r?min?1離心5 min 棄去上清液,再重復(fù)上述操作1 次,然后每管中加入不含磷的0.01 mol?L?1NaCl 溶液25 mL,加入甲苯2～3 滴,搖勻后(25±1)℃恒溫震蕩箱中震蕩24 h,取出后離心10 min(8000 r?min?1),上清液用鉬銻抗比色法測定磷含量,計(jì)算土壤磷解吸量。

1.4 相關(guān)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

1.4.1 Langmuir 等溫吸附方程[20,24]

式中:C為吸附試驗(yàn)平衡溶液磷濃度,mg?L?1;Q為土壤磷吸附量,mg?kg?1;Qm為土壤最大磷吸附量,mg?kg?1;K1為與結(jié)合能有關(guān)的吸附親和力常數(shù)。

土壤標(biāo)準(zhǔn)需磷量(standard phosphorus requirement,SPR,mg?kg?1)使用吸附試驗(yàn)平衡溶液中磷質(zhì)量濃度為0.2 mg?L?1時(shí)的磷吸附量來表征。

磷吸持指數(shù)(phosphorus sorption index,PSI),指等溫吸附試驗(yàn)中1.0 g 土壤加入1.5 mg 磷達(dá)到平衡時(shí),土壤磷吸持量[X,mg?(100g)?1]與上清液濃度(C,μmol?L?1)對數(shù)(lgC)的比例。

土壤磷吸附飽和度(degree of phosphorus saturation,DPS,%)指土壤有效磷(Olsen-P)與最大吸附量之比。

1.4.2 Freundlich 等溫吸附方程和Temkin 等溫吸附方程[24]

Freundlich 等溫吸附方程:

式中:K2為容量參數(shù),代表土壤對磷的吸附容量,mg?kg?1;1/n為吸附強(qiáng)度系數(shù),L?kg?1。

Temkin 等溫吸附方程:

式中:K3為容量參數(shù),代表土壤對磷的吸附容量,mg?kg?1;a為吸附強(qiáng)度系數(shù),L?kg?1。

1.4.3 土壤磷解吸滯后系數(shù)(HI)[29]

式中:Qad和Qde分別為一定溫度和濃度下土壤對磷的吸附量和解吸量,mg?kg?1;HI 是不可逆吸附程度的量化指標(biāo),HI 越大代表吸附和解吸過程相差的規(guī)律性越大。

1.4.4 其他計(jì)算

土壤磷活化系數(shù)(phosphorus activation coefficient,PAC,%)指土壤有效磷含量(Olsen-P)占全磷(total phosphorus,TP,mg?kg?1)含量的比例,是土壤磷素有效性的重要指標(biāo)。

土壤磷解吸率(phosphorus desorption rate,PDR,%)指土壤磷解吸量(Qde)占土壤磷吸附量(Qad)的比例,表征土壤的供磷能力。

采用Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,IBM-SPSS 24.0進(jìn)行處理間差異顯著性檢驗(yàn)和交互作用分析,Origin 2018 用于作圖。結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Modeling,SEM)運(yùn)行采用Amos 24.0,可有效地整合因子分析、回歸分析、路徑分析等多種方法,揭示因果關(guān)系[30],R 語言中的“gbmplus”程序包進(jìn)行鄰接樹法(aggregated boosted tree,ABT)分析,表征多個(gè)因子對某一因子單獨(dú)的解釋量[31]。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作對紅壤磷吸附的影響

圖2所示為不同處理土壤磷吸附量與平衡溶液磷濃度的關(guān)系。由圖2 可看出,不同間作和施磷處理磷等溫吸附曲線變化規(guī)律一致,土壤磷吸附量隨平衡溶液磷濃度的增加呈先快速上升再緩慢增加趨于飽和的趨勢。土壤對磷的吸附量在土壤平衡磷濃度小于20 mg?L?1時(shí)增長較快,各處理等溫線的斜率最大,隨平衡液磷濃度持續(xù)增加,磷吸附曲線變化平緩并趨于飽和。

無論玉米||大豆間作或是玉米單作,土壤磷吸附量隨施磷量的增加均逐漸降低。在不同施磷水平下,玉米||大豆間作土壤磷吸附量總體上高于玉米單作,單間作磷吸附量差異隨不同平衡液磷濃度增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

土壤對磷的吸附過程采用Langmuir、Freundlich 和Temkin 3 種等溫吸附方程進(jìn)行描述(表1),3種擬合方程均能較好地描述紅壤對磷的吸附效應(yīng)。其中,Langmuir 方程R2值最大。因此,本研究采用Langmuir 方程的各個(gè)擬合參數(shù)來表征間作和不同施磷量下紅壤對磷的吸附效應(yīng),并將擬合參數(shù)用于后續(xù)相關(guān)指標(biāo)計(jì)算。

表1 不同施磷水平下玉米||大豆間作(IM)和玉米單作(MM)的土壤磷等溫吸附方程Table 1 Equations of adsorption isotherms of phosphorus(P)in soil of maize-soybean intercropping(IM)and maize monoculture(MM)systems under different phosphorus levels

不同處理下土壤磷吸附量及由Langmuir 方程擬合計(jì)算的相關(guān)參數(shù)見表2。由表2 可知,種植模式和施磷水平以及種植模式與施磷水平的交互作用(除磷吸附量和吸持指數(shù))均對磷吸附量、最大吸附量、吸附親和力常數(shù)、最大緩沖容量、標(biāo)準(zhǔn)需磷量、磷吸持指數(shù)、吸附飽和度具有顯著或極顯著影響。不同種植模式下,磷肥施用顯著影響土壤磷素吸附量、最大吸附量、吸持指數(shù)和吸附飽和度。其中,施磷處理較不施磷處理土壤磷素吸附量、最大吸附量和吸持指數(shù)分別降低13.7%～36.1%、4.4%～24.6%和16.4%～43.8%(P<0.05),吸附飽和度顯著增加182.4%～488.4%(P<0.05)。隨施磷量增加土壤磷素吸附量、最大緩沖容量先增加后降低,最大吸附量和土壤磷吸持指數(shù)總體呈降低趨勢,磷吸附飽和度呈逐漸增加趨勢;吸附親和力常數(shù)和土壤標(biāo)準(zhǔn)需磷量在間作中呈現(xiàn)先增加后降低趨勢,在單作中呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。

表2 不同施磷水平下玉米||大豆間作(IM)和玉米單作(MM)的土壤磷吸附量及等溫吸附參數(shù)Table 2 Soil phosphorus(P)absorption and its isothermal adsorption parameters of maize-soybean intercropping(IM)and maize monoculture(MM)systems under different phosphorus levels

不同施磷水平下種植模式影響土壤磷素吸附量以及由Langmuir 方程擬合計(jì)算相關(guān)參數(shù)。總體上,間作處理較單作磷素吸附量、最大吸附量、吸持指數(shù)和吸附飽和度分別增加22.9%、9.3%、18.3%和6.1%,吸附親和力常數(shù)、最大緩沖容量、標(biāo)準(zhǔn)需磷量分別降低52.4%、51.9%和62.6%。其中,間作對吸附飽和度的影響在P60 和P120 處理達(dá)顯著水平(P<0.05),對吸持指數(shù)的影響在P90 和P120 處理達(dá)顯著水平(P<0.05),對最大吸附量和最大緩沖容量的影響在P0、P60 和P120 達(dá)顯著水平(P<0.05),對吸附親和力常數(shù)和土壤標(biāo)準(zhǔn)需磷量的影響在P0 和P60達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.2 間作對紅壤磷解吸的影響

土壤磷解吸量為土壤中吸附的磷部分解吸下來的量,圖3 為不同處理下土壤磷等溫解吸曲線。不同種植模式下,隨施磷水平增加,土壤磷解吸量呈增加趨勢。隨土壤磷吸附量的增加,在P0 和P60 處理,間作土壤磷解吸量高于單作,但在P90 和P120 處理下,單作處理土壤磷解吸量高于間作,且隨土壤磷吸附量增加,單間作差異逐漸加大。表明玉米||大豆間作對土壤磷吸附和解吸具有良好的緩沖能力,低磷水平下促進(jìn)磷素大量解吸供植物吸收利用,高磷水平下減緩磷素解吸有效降低磷素?fù)p失。

土壤磷解吸率指土壤磷解吸量占土壤磷吸附量的百分比,表征土壤供磷能力,磷解吸率值越大,土壤供磷能力越強(qiáng),可供植物吸收利用的磷含量越多,反之亦然[32]。不同處理下土壤磷解吸率變化特征如圖4所示,隨加入土壤中磷質(zhì)量濃度的增加,不同種植模式和施磷水平下紅壤磷解吸率逐漸增加。不同種植模式下,隨施磷水平增加,土壤磷解吸率呈增加趨勢。隨加入紅壤磷質(zhì)量濃度的增加,在P0 和P60處理,間作土壤磷解吸率高于單作,但在P90 和P120處理下,單作處理土壤磷解吸率高于間作,隨加入紅

壤磷質(zhì)量濃度的增加,單間作磷素解吸率差異逐漸加大。表明間作在低磷水平下可大量釋放磷素供給植物吸收利用,而在高磷水平下,間作能夠減少磷素解吸,有效減緩過多磷素的損失。這可能是在低磷水平下間作種間競爭誘導(dǎo)根構(gòu)型(根長、根尖數(shù)和根表面積等)發(fā)生改變、根系分泌磷活化物質(zhì)(質(zhì)子、有機(jī)酸、磷酸酶等)促進(jìn)土壤磷素釋放,而在高磷水平下種間互作促進(jìn)磷素高效吸收利用。

表3 為不同種植模式和施磷水平下紅壤磷素的解吸量、解吸率和滯后系數(shù)平均值。由表3 可看出,種植模式(除解吸量)、施磷水平以及種植模式與施磷水平的交互作用極顯著影響紅壤磷素的解吸量、解吸率和磷素滯后系數(shù)(P<0.01)。總體上,間作處理較單作磷素解吸量和滯后系數(shù)分別增加9.2%和3.2%,降低磷素解吸率18.4%。不同施磷水平下,間作對磷素的解吸特性不同,其中,磷解吸量在P0 和P60 處理間作較單作顯著增加90.2%和194.4%,而在P90 和P120 處理間作較單作減少52.1%和34.1%;間作磷解吸率在P0 和P60 處理較單作顯著增加68.1%和148.1%,而在P90 和P120 處理較單作降低66.5%和46.7%(表3)。

表3 不同施磷水平下玉米||大豆間作(IM)和玉米單作(MM)的土壤磷解吸量及滯后系數(shù)Table 3 Desorption and desorption hysteresis coefficients of phosphorus in soil of maize-soybean intercropping(IM)and maize monoculture(MM)systems under different phosphorus levels

磷素滯后系數(shù)(HI)為一定溫度和濃度下土壤對磷吸附量與解吸量的差值再除以吸附量,作為不可逆吸附程度的量化指標(biāo),其值越大代表吸附和解吸過程受外在因素影響的規(guī)律性越大[29]。隨施磷量增加,不同種植模式下土壤磷素滯后系數(shù)間作總體變化不大,而單作呈降低趨勢,表明高磷施用增加土壤中磷素的活動(dòng)性,利于磷素的解吸。不同施磷水平下,間作磷素滯后系數(shù)在P0 和P60 處理較單作顯著減少5.4%和11.8%,而在P90 和P120 處理較單作顯著增加19.4%和14.3%(P<0.05)。

2.3 間作影響紅壤磷吸附解吸附的關(guān)鍵因子及其相對貢獻(xiàn)

為進(jìn)一步了解土壤理化特性對磷吸附解吸特征的影響,運(yùn)用土壤理化因子(數(shù)據(jù)未列出)與紅壤磷吸附量和解吸量進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明(表4),土壤磷吸附量與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、樹脂磷、速效磷、全磷以及磷吸附飽和度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與游離氧化鐵、游離氧化鋁和磷吸持指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);土壤磷解吸量與標(biāo)準(zhǔn)需磷量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),其他指標(biāo)相關(guān)性不顯著。

表4 玉米||大豆間作和玉米單作紅壤性質(zhì)與磷吸附解吸特征參數(shù)的相關(guān)性Table 4 Relationship between red soil properties and phosphorus(P)sorption-desorption parameters of maize-soybean intercropping and maize monoculture systems

為深入探索不同種植模式與施磷水平對各理化因子的影響,進(jìn)而闡明間作和施磷水平對磷素吸附量和解吸量的關(guān)鍵因子,本研究運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM),對種植模式與磷水平下各指標(biāo)因子分析、回歸分析以及路徑分析進(jìn)行有效整合,揭示不同種植模式和施磷水平下磷素吸附量和解吸量的因果關(guān)系(圖5)。SEM 模型擬合不同種植模式和磷水平下土壤pH、有機(jī)質(zhì)、游離氧化鐵、游離氧化鋁、樹脂磷、速效磷、全磷調(diào)節(jié)土壤磷吸附量和解吸量的網(wǎng)絡(luò)交互圖是非常吻合的(χ2=57.70,Df.=17,P<0.01)。從圖中可看出,種植模式對土壤磷吸附量的影響主要是通過對游離氧化鐵、游離氧化鋁、樹脂磷、速效磷和全磷的調(diào)節(jié),對土壤磷解吸量的影響主要是通過游離氧化鋁、速效磷和全磷的改善;磷水平對土壤磷吸附量的影響主要是通過對土壤游離氧化鐵、游離氧化鋁、樹脂磷、速效磷和全磷的調(diào)節(jié),對土壤磷解吸量的影響主要是通過對游離氧化鋁、有效磷和全磷的調(diào)節(jié)。

為更進(jìn)一步剖析不同種植模式下土壤理化指標(biāo)與磷素吸附量和解吸量的關(guān)系,采用鄰接樹分析方法(aggregated boosted tree analysis,ABT)分析土壤理化指標(biāo)對紅壤磷吸附量和解吸量的相對重要性。從圖6 中可看出,影響玉米||大豆間作、玉米單作土壤磷吸附量的首要因子分別是pH 和有機(jī)質(zhì),相對貢獻(xiàn)率分別為37.58%和47.49%,影響間作和單作土壤磷解吸量的首要因子均為有機(jī)質(zhì),相對貢獻(xiàn)率分別為48.67%和41.58%?？傮w上,紅壤磷素的吸附和解吸不管在間作還是單作條件下,主要受pH、有機(jī)質(zhì)和游離氧化鐵影響,其對間作和單作吸附量的相對貢獻(xiàn)率以及解吸量的相對貢獻(xiàn)率分別高達(dá)87.61%、88.66%、88.05%和86.44%,不同種植模式改變土壤的pH、有機(jī)質(zhì)和游離氧化鐵含量造成單間作紅壤磷吸附量和解吸量的差異。

3 討論

3.1 施磷對紅壤磷吸附解吸效應(yīng)的影響

土壤中磷素的吸附解吸決定磷素在土壤中的有效性,二者轉(zhuǎn)化直接影響土壤磷素的供應(yīng)能力[33]。本研究中,間作和施磷處理磷等溫吸附曲線變化規(guī)律一致,土壤磷吸附量隨平衡溶液磷濃度增加呈先快速上升再緩慢增加趨于飽和的趨勢,Langmuir 等溫吸附方程可以很好地?cái)M合酸性紅壤對磷的吸附特征,這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[10,20,24]。同時(shí),當(dāng)土壤平衡磷濃度小于20 mg?L?1,各處理等溫線斜率最大,土壤對磷的吸附量增長較快,隨平衡液磷濃度持續(xù)增加,磷吸附曲線變化平緩并趨于飽和,王瓊等[20,24]的研究結(jié)果與本研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)殡S著吸附反應(yīng)的進(jìn)行,土壤表面的吸附位點(diǎn)逐漸趨于飽和,從而使得磷吸附速率有所下降,吸附反應(yīng)逐漸趨于平衡[22]。

土壤磷吸附量和吸附強(qiáng)度受土壤磷素水平影響較大[34]。本研究中,土壤磷吸附量隨施磷量的增加均逐漸降低,龔振平等[24]在黑土、Vu 等[35]在澳洲鈣質(zhì)土壤以及張海濤等[36]在潮褐土上研究施磷量對土壤磷吸附效應(yīng)的結(jié)果也證實(shí)這一點(diǎn)。這可能與隨著土壤中有效磷含量增加,土壤膠體表面的磷吸附位點(diǎn)逐漸被占據(jù),從而減弱土壤對磷的吸附有關(guān)[37]。

土壤磷解吸過程是磷吸附的逆過程,土壤解吸出的磷可轉(zhuǎn)化成不同形態(tài)的無機(jī)磷供植物吸收利用,在低磷水平下磷素的解吸比吸附更重要,而高磷水平下磷素的吸附更加關(guān)鍵,通常用解吸量和解吸率來表征土壤中磷的解吸特征[38-39]。張鑫等[40]研究表明,土壤磷解吸量隨加入外源磷濃度的增加而增加;Varinderpal-Singh 等[41]在印度玉米-小麥(Triticum aestivumL.)輪作區(qū)長達(dá)32 a 的定位試驗(yàn)也表明,隨施磷量的增加,土壤磷解吸率逐漸增大。本研究中,隨土壤磷吸附量的增加,不同種植模式和施磷水平下土壤磷解吸量逐漸增加。同時(shí),在不同種植模式下,隨施磷水平增加,土壤磷解吸量也呈增加趨勢,與王斌等[16]的研究結(jié)果一致。這主要是因土壤有效磷競爭磷吸附位點(diǎn)而有效降低土壤礦物膠體對磷酸根離子的吸附潛能,由此提高土壤磷的解吸特性[37]。此外,本試驗(yàn)中不同處理下的平均磷素解吸率與龔振平等[24]的研究結(jié)果均小于25%,說明土壤對磷的吸附-解吸存在明顯滯后現(xiàn)象。

3.2 間作對紅壤磷吸附解吸效應(yīng)的影響

土壤對磷的吸附與解吸特性除受土壤類型、施肥方式及施肥量等諸多因素的影響[42-43],不同種植模式也影響土壤磷素的吸附特性。前期研究表明間作處理能有效促進(jìn)作物對磷素的吸收和利用[25-26],然而關(guān)于間作影響磷素吸附解吸的研究較少,徐敏等[19]在紫色土上的研究表明,玉米/大豆套作與玉米單作和大豆單作相比土壤對磷具有更強(qiáng)的固持能力,套作在磷素利用率、磷流失風(fēng)險(xiǎn)等方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。本研究中,在不同施磷水平下,玉米||大豆間作土壤磷吸附量總體上高于玉米單作,單作和間作磷吸附量差異隨不同平衡液磷濃度增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。同時(shí),隨土壤磷吸附量的增加,在P0和P60 處理,間作土壤磷解吸量高于單作,在P90 和P120 處理下,單作處理土壤磷解吸量高于間作,且隨土壤磷吸附量增加,單間作差異逐漸加大。隨加入紅壤的磷增加,在P0 和P60 處理,間作土壤磷解吸率高于單作,在P90 和P120 處理下,單作處理土壤磷解吸率高于間作,單間作磷素解吸率差異隨加入紅壤磷的質(zhì)量濃度的增加逐漸加大,間作在低磷水平下可大量釋放磷素供給植物吸收利用,而在高磷水平下,間作能夠減少磷素解吸,有效減緩過多磷素的損失,表明間作玉米大豆對土壤磷吸附和解吸具有良好的緩沖能力,這可能與間作改變土壤理化指標(biāo)進(jìn)而增強(qiáng)其對磷素吸附解吸的緩沖性能有關(guān),與本研究中最大吸附量、最大緩沖容量以及滯后系數(shù)結(jié)果一致。

3.3 間作和施磷紅壤磷吸附解吸對土壤性質(zhì)的響應(yīng)

前人大量研究證實(shí),土壤pH、黏土礦物的類型和數(shù)量、有機(jī)質(zhì)含量和鐵、鋁氧化物含量影響土壤磷吸附[12]。土壤對磷的吸附解吸作用與土壤理化性質(zhì)(如土壤pH、黏粒含量和鐵、鋁氧化物以及有機(jī)質(zhì)的含量等)顯著相關(guān)[4-5]。本研究中土壤磷吸附量與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、樹脂磷、速效磷、全磷以及磷吸附飽和度呈極顯著負(fù)相關(guān),與游離氧化鐵、游離氧化鋁和磷吸持指數(shù)呈極顯著正相關(guān),土壤磷解吸量與標(biāo)準(zhǔn)需磷量呈極顯著負(fù)相關(guān),其他指標(biāo)相關(guān)性不顯著。

種植模式(除解吸量)、施磷水平以及種植模式與施磷水平的交互作用(除吸附量)極顯著影響紅壤磷素的吸附量、解吸量、解吸率和磷素滯后系數(shù)。結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)對種植模式與磷水平下各指標(biāo)因子分析、回歸分析以及路徑分析進(jìn)行有效整合結(jié)果表明:SEM 模型擬合不同種植模式和磷水平下土壤pH、有機(jī)質(zhì)、游離氧化鐵、游離氧化鋁、樹脂磷、速效磷、全磷調(diào)節(jié)土壤磷吸附量和解吸量的網(wǎng)絡(luò)交互圖是非常吻合的。種植模式通過調(diào)節(jié)游離氧化鐵、游離氧化鋁、樹脂磷、速效磷和全磷影響土壤磷吸附量,通過對游離氧化鋁、速效磷和全磷的改善影響土壤磷解吸量;磷水平對土壤磷吸附量的影響主要是通過對土壤游離氧化鐵、游離氧化鋁、樹脂磷、速效磷和全磷的調(diào)節(jié),對土壤磷解吸量的影響主要是通過對游離氧化鋁、速效磷和全磷的調(diào)節(jié)。ABT分析顯示,紅壤磷素的吸附和解吸不管在間作還是單作條件下,主要受pH、有機(jī)質(zhì)和游離氧化鐵的影響,間作玉米、單作玉米磷吸附量的首要因子分別是pH 和有機(jī)質(zhì),不同種植模式改變土壤的pH、有機(jī)質(zhì)和游離氧化鐵含量造成單間作紅壤磷吸附量和解吸量的差異。馬良等[44]研究表明,在磚紅壤和水稻土中,土壤中鐵、鋁氧化物含量和有機(jī)質(zhì)含量是影響磷吸附的主要因素,且隨pH 的升高磷的吸附量和解吸量均降低,與我們的研究結(jié)果一致。另外,土壤中的有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的有機(jī)酸釋放出的氫離子可使礦物表面基團(tuán)質(zhì)子化而增加磷吸附位點(diǎn),進(jìn)而促進(jìn)土壤對磷的吸附能力[45-46],另一方面,土壤有機(jī)質(zhì)具有明顯的凝膠特點(diǎn),以膠膜的形式包被氧化鐵鋁,從而降低土壤膠體對磷的吸附[47]。

4 結(jié)論

1)Langmuir 等溫吸附方程最適合擬合紅壤對磷的吸附特征,隨平衡溶液磷濃度的增加土壤磷吸附量呈先快速上升再緩慢增加趨于飽和的趨勢,且土壤磷吸附量隨施磷量的增加均逐漸降低;種植模式和施磷水平以及二者交互作用極顯著影響紅壤磷素的吸附量和解吸量。

2)紅壤磷素的吸附和解吸主要受pH、有機(jī)質(zhì)和游離氧化鐵的影響,其中,土壤磷吸附量與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、樹脂磷、有效磷、全磷以及磷吸附飽和度呈極顯著負(fù)相關(guān),與游離氧化鐵、游離氧化鋁和磷吸持指數(shù)呈極顯著正相關(guān);土壤磷解吸量與標(biāo)準(zhǔn)需磷量呈極顯著負(fù)相關(guān)。

3)間作具有較好的土壤磷緩沖能力,通過改變土壤的pH、有機(jī)質(zhì)和游離氧化鐵含量影響單間作紅壤磷吸附量和解吸量。在低磷水平下可促進(jìn)磷素解吸供植物吸收利用,提高磷素利用率,在高磷水平下,間作能降低磷素解吸,有效減緩磷素?fù)p失。