多年定位试验条件下不同施磷水平对土壤磷形态和生物有效性的影响

摘要

农业生产中长期大量施用磷肥,会导致土壤中磷素逐年累积,不仅影响磷肥利用率,还会造成资源浪费和磷素流失的风险.本研究基于石灰性潮土上小麦-玉米复种连作多年定位试验,研究磷素累积与消耗的变化,明确土壤中无机磷分级形态,同时探讨Olsen-P法、Mehlich3法、树脂交换法、CaCl2法测定的土壤有效磷与各形态无机磷的关系.通过室内培养试验提取土壤溶液,通过对不同施磷处理土壤溶液的离子组成、离子活度和磷素形态转化的分析,从理论上证实土壤磷素在潮土中的存在机制,找出石灰性土壤中磷酸盐的溶解度及其有效性的控制体系和影响因子.通过小麦盆栽试验,研究土壤中无机磷的形态转化及生物有效性的影响因子.主要研究结果如下: (1)小麦-玉米复种连作不同施磷水平7年14季定位试验土壤磷素状况的分析与评价.与2008年试验开始前土壤相比,CK、P0处理全磷总量分别降低了15.2%,29.7%,无机磷总量降低了13.5%,11.8%;P2、P3处理全磷总量分别增加了8.2%,27.2%,无机磷总量增加了11.1%,27.8%.供试土壤无机磷含量以Ca10-P、Ca8-P为主,施用磷肥可提高Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P占无机磷总量的相对比例.磷耗竭状态下,植物利用的无机磷来源于缓效磷源(Ca8-P、Al-P、Fe-P;75%)、无效磷源Ca10-P(11.5%~14.0%)、速效磷源Ca2-P(7.5%~8.9%);无机磷盈余状态下,积累的无机磷主要转化为Ca8-P(50%~70%)、Al/Fe-P(10%~23%)、O-P(8%)、Ca2-P(0.2%~1.8%).通径分析和逐步回归分析的结果表明,Ca2-P、Al-P对Olsen法、Mehlich3法、树脂交换法、CaCl2法测得的土壤有效磷均具有正向作用且贡献率较大.Olsen法测定的无机磷主要是Ca2-P、Ca8-P,Mehlich3法主要是Ca2-P、Ca8-P、Al-P,阴离子交换树脂法主要是Ca2-P、Fe-P,CaCl2法浸提的主要是Ca2-P.四种方法均适于评价供试土壤有效磷水平,Olsen法最优. (2)温度和施磷水平对土壤溶液离子组成、离子活度和磷素存在形态的影响.从供试潮土土壤溶液离子组成来看:土壤溶液中DP(水溶态磷)含量较低;土壤溶液的阳离子组成以Ca2+为主,其次为Na+、Mg2+、K+、Fe2+、Cu2+,而Al3+、Zn2+、Mn2+浓度较低.肥料施入土壤,土壤溶液中Ca2+和DP浓度受施磷水平影响显著,溶液电导率随着施磷量的增加呈增加趋势,土壤溶液pH受施磷水平影响不显著.温度升高,土壤pH呈上升趋势,土壤溶液中电导率、Ca2+和DP浓度显著降低.离子活度的结果进一步验证了温度对土壤溶液中离子的显著影响.土壤溶液中Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe2+、Cu2+、NO3ˉ、HPO42ˉ的离子活度随着温度升高而显著降低,Fˉ离子活性随温度升高显著增加.相关分析结果表明,土壤溶液pH显著影响离子活度.pH升高,土壤溶液中HPO42ˉ的离子活度增加,Ca2+离子活度降低.Ca2+活度与HPO42ˉ、H2PO4ˉ活度呈显著负相关.经过7年14季试验,土壤溶液磷素形态以自由态和无机离子络合态为主.占DP的比例分别为自由态HPO42ˉ＞CaHPO4(aq)＞CaPO4ˉ＞MgHPO4(aq)＞自由态H2PO4ˉ＞NaHPO4ˉ,其余形态磷素比例较低.随着施磷水平的增加,土壤溶液中自由态HPO42ˉ、MgHPO4(aq)和NaHPO4ˉ占DP的比例明显降低,CaHPO4(aq)和CaPO4ˉ的比例则显著提高;随着温度的升高,土壤溶液中自由态HPO42ˉ、H2PO4ˉ占DP的比例均呈明显降低趋势,无机络合态CaPO4ˉ的比例有增加趋势.CaHPO4(aq)和MgHPO4(aq)占DP的比例受温度影响不显著.土壤磷酸盐溶解平衡结果表明,各处理土壤溶液中Ca2+和H2PO4ˉ的离子活度均足以支持土壤中羟基磷灰石、磷酸三钙的稳定性,土壤溶液中磷酸盐活性受土壤固相磷酸三钙溶解度的影响. (3)温度和磷肥对盆栽试验上小麦苗期生长和土壤无机磷形态转化的影响.温度和磷素是影响小麦生长的重要因子,二者交互作用不显著.温度对小麦生长的影响大于施用磷肥,15℃是小麦苗期的适宜生长温度.与不施磷处理相比,5℃下,施用磷肥显著促进小麦生长,小麦地上部、根部生物量分别提高18.2%,33.3%,地上部、根部磷素积累量分别提高30.6%,13.3%,根冠比、株高、分蘖、根系活力分别提高3.5%,10.0%,10.5%,70.3%;15℃下,施用磷肥对小麦生物量、分蘖影响不显著,但小麦地上部、根部磷素积累量分别提高32.3%,23.8%,根冠比、株高、根系活力分别提高15.6%,2.5%,32.8%;25℃下施用磷肥对小麦生长没有显著促进作用.3种温度下,施磷能够显著增加各处理土壤Olsen-P及Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量.非根际土壤上,不施磷处理Olsen-P含量随温度升高显著降低,施磷处理受温度影响不显著;不施磷和施磷处理,温度对Ca2-P含量影响不显著,对Ca8-P、Fe-P、Al-P含量影响显著.Ca8-P、Fe-P含量表现为5℃＞15℃＞25℃;Al-P含量表现为25℃＞15℃＞5℃.小麦苗期可以吸收利用根际土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P,而Al-P、Fe-P对小麦的有效性明显低于Ca2-P、Ca8-P.小麦苗期各处理pH、O-P和Ca10-P差异不显著.总之,温度主要是靠影响小麦生长来影响磷素的吸收,低温下施用磷肥能显著促进小麦生长.高温能够加速石灰性土壤对磷的固定,施用磷肥能缓解这一过程.

目录

声明

符号说明

1前言

1.1我国农田磷肥施用状况及存在问题

1.2长期施肥对土壤磷素形态累积和生物有效性的研究

1.2.1土壤磷素形态及分级方法

1.2.2长期施肥对土壤磷素形态转化及生物有效性的影响

1.2.3土壤磷素有效性的影响因素研究

1.3土壤有效磷测定方法与土壤磷组分关系的研究进展

1.4土壤溶液中离子组成的研究进展

1.4.1土壤溶液的概念

1.4.2土壤溶液的提取方法

1.4.3施肥对土壤溶液中离子组分的影响

1.4.4 Visual MINTEQ模型的应用

1.5研究目的和意义

1.6技术路线

2材料与方法

2.1多年定位试验条件下不同施磷水平对土壤无机磷分级的影响

2.1.1试验材料

2.1.2试验设计

2.1.3样品采集方法

2.2温度和施磷水平对土壤溶液中离子组成和磷素存在形态的影响

2.2.1试验材料

2.2.2试验设计

2.2.3土壤溶液采集方法

2.3温度和磷肥对小麦苗期生长及无机磷形态转化的影响

2.3.1试验材料

2.3.2试验设计

2.3.3样品采集方法

2.4测定项目与方法

2.4.1土壤理化性质测定方法

2.4.2土壤溶液化学分析

2.4.3小麦植株各项指标的测定方法

2.5试验数据处理

3结果与分析

3.1多年定位试验条件下不同施磷水平对土壤无机磷分级的影响

3.1.1不同施磷量对冬小麦收获期土壤全磷、无机磷含量的影响

3.1.2不同施磷量对土壤无机磷组成的影响

3.1.3磷耗竭下土壤各形态无机磷的贡献率

3.1.4耕层土壤累积的各形态无机磷的转化

3.1.5土壤有效磷测定方法评价

3.1.6土壤各形态无机磷与4种有效磷测定方法之间的通径分析

3.2温度和施磷对土壤溶液离子组成的影响

3.2.1温度和施磷水平对土壤溶液pH和电导率的影响

3.2.2温度和施磷水平对土壤溶液离子组成的影响

3.2.3温度和施磷水平对土壤溶液中磷素形态分布的影响

3.2.4温度和施磷水平对土壤溶液中离子活度的影响

3.2.5土壤溶液离子活度之间的相关分析

3.2.6温度和施磷水平对土壤磷酸盐溶解平衡的影响

3.3温度和施磷对潮土上小麦苗期生长及无机磷形态转化的影响

3.3.1温度和施磷对小麦生物量和磷素吸收的影响

3.3.2温度和施磷对小麦根冠比、株高、分蘖数的影响

3.3.3温度和施磷对小麦根系活力的影响

3.3.4温度和施磷对土壤pH的影响

3.3.5温度和施磷对小麦非根际和根际土壤Olsen-P含量的影响

3.3.6温度和施磷对小麦非根际和根际土壤Ca2-P、Ca8-P含量的影响

3.3.7温度和施磷对小麦非根际和根际土壤Al-P、Fe-P含量的影响

3.3.8温度和施磷对小麦非根际和根际土壤O-P、Ca10-P含量的影响

4讨论

4.1多年定位试验条件下不同施磷水平对土壤无机磷分级的影响

4.1.1不同施磷量土壤磷含量的变化

4.1.2长期定位试验中4种有效磷测定方法评价

4.1.3土壤各形态无机磷与4种有效磷测定方法相关性

4.2温度和施磷对土壤溶液中离子组成和磷素存在形态的影响

4.2.1温度和施磷水平对土壤溶液基本性质的影响

4.2.2温度和施磷水平对土壤溶液中磷素形态分布的影响

4.2.3温度和施磷水平对土壤溶液中离子活度的影响

4.2.4温度和施磷水平对土壤磷酸盐溶解平衡的影响

4.3温度和施磷对小麦苗期生长和无机磷形态转化的影响

4.3.1温度和施磷对小麦苗期生长的影响

4.3.2温度和施磷对石灰性土壤pH、有效磷和无机磷组分的影响

4.3.3温度和施磷对小麦吸收利用土壤磷素的影响

5结论

6创新点

参考文献

致谢

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