全 文 ：东北黑土有机磷的矿化过程研究*
赵少华1, 2
宇万太1* *
张
璐1
沈善敏1
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳 110016; 2中国科学院研究生院,北京 100039)
摘要
用室内恒温控湿培养法和埋袋法研究了不同时间序列下黑土有机磷的矿化过程.结果表明, 无论
是实验室培养法还是埋袋法, 有机磷含量和矿化速率都逐渐下降, 累积矿化率逐渐上升.培养法中, 两个处
理的矿化速率均在 1 个月时最大,分别为 31
67 和 38
75 mg!kg- 1!month- 1, 6 个月时累积矿化率和矿化
速率分别为 7
94% , 13
26 mg!kg- 1!month- 1 ; 9
24% , 17
99 mg!kg - 1!month- 1. 埋袋法中, 5 个有机物料
处理的矿化速率均在 1 年时最大, 分别为 55
67、55
65、49
60、19
71 和 22
52 mg!kg- 1!month- 1, 3 年时
玉米根和小麦根处理的累积矿化率和矿化速率较高(二者 3 年的累积矿化率约 50% , 矿化速率约 35 mg!
kg- 1!month- 1) ,而大豆根和草根的处理则较低.同时, 两种研究方法均表明, 有机磷初始含量影响其矿化
率和矿化速率, 有机磷初始含量愈高,其矿化率和矿化速率就愈高.
关键词
黑土
有机磷
矿化过程
文章编号
1001- 9332( 2005) 10- 1858- 04
中图分类号
S153
6
文献标识码
A
Research on mineralization process of organic phosphorus in black soil in Northeast China. ZHAO Shaohua1, 2 ,
YU Wantai1 , ZHANG Lu1 , SHEN Shanmin1 ( 1 I ns titute of Applied Ecology , Chinese A cademy of Sciences ,
Shenyang 110016, China; 2 Graduate School of Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100039, China) . Chin .
J . A pp l. Ecol . , 2005, 16( 10) : 1858~ 1861.
Buried bag and incubation experiments w er e conducted to study miner alization process of organic phosphorus in
black soil in Northeast China under different t ime sequences. The results showed that bot h the content and min
er alized velocity of org anic P decreased gradually as time went on, the cumulativ e mineralized rate increased step
by step, whether it w as used by the method of incubation or buried bag . Under incubation, tw o treatments∀ min
er alized velocity reached the max imum at first month ( 31
67, 38
75 mg!kg- 1!month- 1, respectively) , and their
cumulativ e mineralized rate and miner alized velocity at six months were 7
94% , 13
26 mg!kg- 1!month- 1 and
9
24% , 17
99 mg!kg- 1!mont h- 1 , respectively. Under buried bag , the miner alized velocity of five treatments all
reached the max imum at first year ( 55
67, 55
65, 49
60, 19
71, 22
52 mg!kg- 1!month- 1 , respectively) , and
the cumulat ive mineralized rate and mineralized velocity of maize root and w heat root treatments at three years
both were approx imately 50% and 35 mg!kg - 1!month- 1, w hich were higher than those under soybean root and
grass r oot treatments. Fr om two methods o f studies on the miner alization process of or ganic P, it could be seen
that the orig inal content of organic P influenced its miner alized rate and mineralized velocity: t he higher of t he o
rig inal content of or ganic P, the higher of its miner alized r ate and mineralized velocity.
Key words
Black soil, Organic phosphorus, M ineralization process.
* 中国科学院知识创新工程重大项目 ( KZCX24134)、国家重点基
础研究发展规划项目( NKBRSF、G1999011804)和中国科学院沈阳应
用生态研究所知识创新工程资助项目( SCXM S0301) .
* * 通讯联系人.
2004- 10- 19收稿, 2005- 06- 21接受.
1
引

言
矿化作为分解过程的一部分, 是指有机质通过
物理、化学和生物反应而逐渐分解的过程.一般情况
下,土壤有机磷需先进行矿化才能被植物吸收,也有
一些报道认为某些有机磷化合物可以被植物直接吸
收[ 15, 17] .通过对土壤溶液中有机磷的研究证明, 通
常发现的土壤有机磷化合物, 是可以被植物吸收利
用的, 但这在作物整个供磷量中所占比例不
大[ 8, 16] . 有机磷矿化的同时, 还进行着生物固定作
用,二者是一个动态过程;矿化使有机态磷转化为无
机态磷,而固定则使无机态磷转化为有机态磷.多数
情况下,土壤有机磷含量愈高,其矿化量也就愈高,
生物固定磷量就少. 随着矿化时间的延长, 矿化减
少,生物固定增加,二者逐渐达到一个动态平衡; 如
果有机磷含量很低,生物固定作用又很强,则表现出
的只有生物固定作用, 有机磷的矿化几乎不发
生[ 5, 11, 22] .土壤有机磷在土壤微生物和土壤酶的作
用下进行矿化,其矿化过程主要取决于微生物活动
和磷酸酶活性[ 6, 9] ,同时还受其它多种因素影响,诸
如土壤温度、湿度、土壤 pH、通气状况、耕作管理措
施等[ 2, 18, 19] .
目前国内外对土壤有机质矿化的研究, 多集中
在有机碳和有机氮的研究上,在有机碳、有机氮的矿
应 用 生 态 学 报
2005 年 10 月
第 16 卷
第 10 期






























CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Oct. 2005, 16( 10)#1858~ 1861
化过程、矿化模型等方面均有大量报道[ 10, 21, 23, 24] ,
而对土壤有机磷矿化的研究还不多. Saggar 等[ 14]对
不同磷状况下(对照即无磷, 低磷和高磷)的松树林
土壤上采用磷的放射性同位素稀释法研究土壤分解
过程中碳、磷变化过程,结果表明, 矿化过程中,对照
和低磷样品的磷净矿化量基本没有变化, 而高磷样
品则有轻微增加. M afongoya 等[ 13]对树叶、粪肥腐
解过程中碳、氮、磷的矿化进行研究,结果表明,这些
树叶由于磷含量低和氮、磷固定的延长,不能满足作
物对氮、磷的需求;而粪肥有较高的含磷量和矿化速
率,是作物良好的磷源.黑土作为有机磷含量较高的
土壤,其有机磷的矿化作用较强.本文以东北黑土为
研究对象,通过对农田土壤中有机磷(包括未开垦荒
地的有机磷和有机物料中的有机磷)的矿化过程研
究,揭示了农田生态系统中土壤有机磷矿化的动态
变化,为深入探讨有机磷的矿化和生物固定机制、生
态环境中磷的循环等研究提供科学依据.
2
材料与方法
2
1
供试土壤
本试验的材料分两部分, 一部分是实验室培养土样 (两
个培养土样) ,土样均采自黑龙江省赵光农场三队的林地; 另
一部分采用埋袋法土样, 土样采自中国科学院海伦农业生态
试验站, 其土样基本理化性质如表 1 所示.
表 1
土壤样品基本理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of tested soil
采样地点
S ample site
pH 有机碳
O. C.
( g!kg- 1)
全氮
Total N
(g!kg- 1)
全钾
Total K
( g!kg- 1)
全磷
Total P
( g!kg- 1)
速效钾
AvailableK
( mg!kg- 1)
速效磷
OlsenP
( mg!kg- 1)
有机磷
Organ icP
( mg!kg- 1)
赵光 1 Zhaoguang 1 6
10 70
20 5
23 13
92 1
23 125
86 18
30 1002
50
赵光 2 Zhaoguang 2 5
90 61
28 5
24 15
40 1
30 135
87 14
98 1168
33
海伦 Hailun 6
80 32
54 2
52 16
00 0
61 180
00 9
45 543
33
2
2
试验方法
实验室培养于 2004 年 1 月开始, 对 2 个林地土样进行
室内恒温控湿好气培养, 温度控制在 30∃ 1 % , 水分维持在
土壤最大持水量的 50% ,用称重法定期补水, 每个处理 4 次
重复,分别在 2004年 2月 (第 1 个月)、2004 年 4 月(第 3 个
月)、2004 年 7 月(第 6 个月)时取样, 风干, 储存备用. 埋袋
法是把土样或掺有有机物料的土样装在袋子里,埋入地下,
在设计时间分别取样. 埋袋试验始于 2000 年, 分别在 2001
年、2002 年、2003 年取样, 之后风干, 储存备用. 该埋袋试验
中所有土样和有机物料的比例均为 100#3, 埋袋土样分为 6
个处理,分别为& . CK ,本底土样; ∋ . 猪粪+ 土样; ( . 玉米
根+ 土样; ). 小麦根+ 土样; ∗ .大豆根+ 土样; + . 草根+
土样,每个处理 4 次重复.
2
3
测定分析
土壤全磷测定采用碳酸钠熔融钼锑抗比色法(熔融用
日本产的马福炉进行; 比色用岛津 2401紫外可见分光光度
计进行) ,土壤有机磷测定采用灼烧钼锑抗比色法(同上) ,
速效磷测定采用 Olsen钼锑抗比色法. 土壤有机碳、全氮用
元素分析仪测定( Elementar verio ( , 德国) , 土壤 pH 值采用
pH 计测定(土#水= 1#2
5, 日本) . 全钾用氢氧化钠碱融火
焰光度法,速效钾用乙酸铵提取火焰光度法[ 1, 12] .
2
4
计算方法
2
4
1 矿化量计算
该时段初的有机磷量减去该时段末的
有机磷量,它指本时段有机磷矿化的多少.
2
4
2 矿化率计算
该时段的矿化量比该时段初的有机磷
量,此处用来指该时段有机磷矿化的百分比.
2
4
3 矿化速率计算
该时段的矿化量比该时段的时间, 此
处指该时段有机磷矿化的快慢.
需要说明的是, 矿化量是绝对矿化量, 即一个矿化阶段
结束时的净矿化量, 因为土壤中有机磷矿化的同时, 还进行
着生物固定作用, 二者之间是一个动态过程, 我们这里已经
扣除掉生物固定作用的影响. 如果要考虑相对矿化量, 则很
难计算,目前还没有适合的方法, 矿化率和矿化速率的计算
也是如此.
3
结果与讨论
3
1
培养条件下有机磷矿化特征
Whalen等[ 20]在连续 25年施用牛粪处理的土
壤上,每 5年采集 1次样品, 采用温、湿度的正交设
计,实验室培养条件下研究氮、磷矿化势, 结果表明,
长期施用粪肥增加了土壤中潜在矿化的氮、磷比例.
当培养在温度 20 % 和湿度 75% FC(田间持水量)的
条件下,描述氮、磷最大矿化量的回归方程的斜率最
大;但实验室的储藏和培养条件影响该斜率.本文培
养实验则有所不同,为纯土培养.培养条件下有机磷
矿化特征如图 1 所示, 从图 1可知, 随时间延长, 两
个培养的有机磷含量和矿化速率都逐渐减少,而累
积矿化率却逐渐增加.培养 6个月后累积矿化率分
别为 7
94%和 9
24% (月矿化率分别为 1
32%和
1
54% ) ,矿化速率分别为 13
26和 17
99 mg!kg- 1
!month- 1,其矿化速率的最大值均在第一个月, 分
别为 31
67和 38
75 mg!kg- 1!month- 1. 然而, 与一
般值相比,这些值均较大,这是因为培养样品均为未
开垦的林地土壤, 有机磷含量较高.另外培养时间为
185910 期














赵少华等: 东北黑土有机磷的矿化过程研究











图 1
培养条件下土壤有机磷的矿化特征
Fig. 1 Mineralized characterist ics of soil organic P under incubation.
&
林地土样 1 Forest lan d No. 1; ∋
林地土样 2 Forest land No. 2.
矿化前期的几个月, 属于有机磷的快速分解阶段. 从
图 1还可看出, 赵光 2土壤有机磷初始含量高于赵
光1,其矿化率(包括累积矿化率和月矿化率)和矿
化速率也是如此,说明有机磷的初始含量影响其矿
化率和矿化速率:有机磷初始含量越高,其矿化率和
矿化速率也就越高.
通过此培养实验来模拟农田生态系统中荒地开
垦后有机磷的矿化过程, 然而限于时间问题, 该培养
实验目前只做到了 6个月(即 2004 年 7月)土样的
测定分析,与埋袋法相比(时间跨度 3年) ,其时间尺
度较短,也许还不足以准确地描述培养条件下有机
磷矿化过程,但却初步揭示了荒地开垦初期有机磷
矿化特征,鉴于此培养实验总体设计时间为 3年, 预
计到 2007年将完成全部取样,到时将会在相对较长
时间尺度上对荒地开垦初期的有机磷矿化特征做出
更好的描述.
3
2
埋袋条件下有机磷矿化特征
在自然埋袋条件下, 有机物料中的有机磷在土
图 2
埋袋条件下有机物料中有机磷的矿化特征
Fig. 2 Mineralized characteristics of organic P in organic materials under
buried bag.
∋ .猪粪 Pig feces; ( . 玉米根 Maize root; ). 小麦根 Wheat root ;
∗ .大豆根 Soybean root ; + .草根 Grass root .
壤中的矿化特征如图 2所示,从图 2可以看出, 随时
间的延长,有机磷含量和矿化速率都逐渐减少, 图中
所示的 5 个处理:猪粪、玉米根、小麦根、大豆根、草
根均表现出这种趋势, 并且这种减少的程度逐渐降
低;而有机磷累积矿化率随时间延长而逐渐增加,其
幅度也逐渐降低, 即有机磷年矿化率逐渐降低. 由图
2还可看出, 玉米根和小麦根处理的矿化率和矿化
速率较高(二者 3 年累积矿化率分别为 50
77%、
51
26% ;年平均矿化率分别为 16
92%、17
09%;
矿化速率分别为 34
09、36
66 mg!kg- 1!month- 1) ,
而大豆根和草根处理的这些指标则较低(其 3年累
积矿化率分别为 11
63%、25
41%; 年平均矿化率
分别为 3
88%、8
47%; 矿化速率分别为 7
35、
16
96 mg!kg- 1!month- 1) ,这可能与各自物料本身
的特性有关,具体原因还待深入研究.
从图 2可以发现, 与纯土相比,这些有机物料中
有机磷累积矿化率和矿化速率都要高于纯土的对应
1860



















应
用
生
态
学
报

















16 卷
指标,这是由于有机物料中有机磷初始含量均较高,
并且矿化时间较长的缘故(均在 2 300 mg!kg- 1以
上) . 同时,有机物料为微生物活动提供了能量,导致
其活动频繁,促进了有机质的分解[ 3, 4] , 再次说明了
有机磷初始含量影响其矿化特征:有机磷初始含量
越高, 其矿化率和矿化速率也就越高, 这与黄耀
等[ 7]对植物残体分解时全 N 初始含量的影响类似.
由此可知,有机物料是农田土壤的重要肥源, 其有机
磷具有较高含量和矿化速率, 是构成农田土壤有机
磷的重要组分, 对磷含量较低的土壤,可通过添加有
机物料的途径有效地改善土壤中磷的水平, 扩大并
建立土壤磷库.
4
结

论
4
1
培养条件下有机磷矿化特征表现出随着时间
的延长,有机磷含量和矿化速率也逐渐下降, 累积矿
化率逐渐上升.
4
2
埋袋条件下有机磷矿化特征也表现为随时间
的延长,有机磷含量和矿化速率逐渐下降,累积矿化
率逐渐上升,但其变化(下降或上升)幅度逐渐减小.
4
3
两种矿化过程的研究方法均表明,有机磷初始
含量影响其矿化率(包括累积矿化率和单位时间矿
化率)和矿化速率, 有机磷初始含量愈高, 其矿化率
和矿化速率就愈高.
4
4
无论培养法还是埋袋法,可以预测, 如果在足
够长的时间序列上分析有机磷的矿化特征, 即随着
时间的推移,有机磷含量、累积矿化率和矿化速率最
终都将趋于稳定,其矿化作用和固定作用将达一个
动态平衡.
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作者简介
赵少华, 男, 1980 年生,硕士研究生.主要从事农
业生态方面的研究, 发表论文 3 篇. Email: shzhao@ eyou.
com
186110 期














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