全 文 ：白浆土植物系统营养物质转化机制及其有效性研究
.环境条件对土壤磷素有效性的影响*
李法云* * 高子勤* * * (中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
摘要! 根际试验研究表明, 水分、有机质、土壤酸度是影响白浆土磷素生物有效性的重要因子. 调节土壤水分
含量, 能增强土壤中铁、铝磷酸盐的溶解, 加速磷酸根离子从根际土壤向非根际土壤扩散. 增加土壤有机质含
量,降低了土壤对 P素的吸附自由能( K 值) , 提高土壤中的速效磷含量. 适量施用石灰, 调节白浆土酸度, 由于
化学溶解作用的影响, 促进了土壤中铁、铝磷酸盐的溶解,增强了土壤中磷素的生物有效性.
关键词 根际 水分 有机质 土壤酸度 磷素有效性
Transformation mechanism and availability of nutrients in albic soil- plant system . Effect of environmental fac
tors on phosphorus availability in albic soil. L i Fayun and Gao Ziqin( I nstitute of App lied Ecology , A cademia Sinica,
Shenyang 110015) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 1999, 10( 5) : 579~ 582.
Rhizospher ic experiment shows that the contents o f soil moisture and organic matter and soil pH are the important fac
tors affecting phosphorus availability in albic soil. Regulating soil moisture content could incr ease the solubility o f iron
and aluminum phosphates, and accelerate the diffusion of phosphatic ions from rhizospheric to nonrhizospher ic soil.
High content of or ganic matt er could decrease the free ener gy of phospho rus adsorption by soil, inducing an increase of
Olsen P content. A suitable liming application could adjust the soil pH and enhance the so lubility of iron and alu
minum phosphates, due to t he effect of chemical solution, and improve the biolog ical availabilit y of soil phosphorus.
Key words Rhizosphere, Soil moisture, Organic matter , pH, Phosphorus bioavailability.
* 国家自然科学基金资助项目( 49471043) .
* * 现在辽宁大学环境与生命科学学院.
* * * 通讯联系人
1998- 09- 03收稿, 1999- 04- 29接受.
1 引 言
白浆土自开垦至今已有 50余年,由于长期重用不
养的土壤利用方式, 使其土壤有机质和供 P 能力明显
降低, 土壤抗逆性减弱. P 素对作物的生物有效性与土
壤中 P 素的化学行为密切相关, 而 P 素的土壤化学行
为又直接受环境因子的影响[ 8] . 本文针对影响白浆土
P素有效性的 3个主要环境因素(土壤水、有机质、土
壤酸度) , 采用根际研究方法,旨在探明它们对 P 素生
物有效性的影响,及 P 素在根际与非根际土壤中的分
布特征,以期为白浆土 P 素肥力调控途径提供科学依
据.
2 材料与方法
2. 1 试验材料
土壤基本理化性状如前文所述[ 2] .
2. 2 试验方法
针对影响白浆土 P 素有效性的 3 个主要因素, 即土壤水
分、有机质及土壤酸度, 采用施加有机物料和施用石灰调节土
壤 pH,进行三因素三水平正交试验设计 ,采用 L 9( 34)正交设计
表,设计方案见表 1.正交表中水分一列 1、2、3 分别代表 20%、
50%及 100%的田间持水量 3 个不同水分水平. 有机质一列 1、
2、3 分别代表不加有机物料、加 2%的有机物料和 4%的有机物
料 3 个不同的有机物料水平.石灰一列 1、2、3 分别代表不加石
灰、加 2. 5g 石灰和加 5g 石灰 3 个水平. 采用根袋法(尼龙网
300 目)将土壤分为根际与非根际土壤,每盆装土 1. 5kg, 其中
根袋内装土 200g ,土壤施纯 N 0. 15g∀kg- 1土, K2O 0. 15g ,早晚
各称重一次控制土壤水分含量. 供试作物为油菜, 栽种 8 周后
收获油菜, 采集植株及土壤样品以供分析, 根袋装置如图 1 所
示.
表 1 根际试验正交设计表
Table 1 Orthogonal design of rhizospheric experiment
处 理
T reatment
水分
Water
有机质
Organ ic matter 石 灰Lime
1 1 1 1 1
2 1 2 2 2
3 1 3 3 3
4 2 1 2 3
5 2 2 3 1
6 2 3 1 2
7 3 1 3 2
8 3 2 2 3
9 3 3 1 1
3 结果与讨论
3. 1 水分条件对土壤磷素有效性的影响
土壤水分是土壤中许多物理、化学和生物学过程
应 用 生 态 学 报 1999 年 10 月 第 10 卷 第 5 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 1999, 10( 5)#579~ 582
图 1 根际试验装置
Fig. 1 Equipment for rhizospheric experiment .
A.油菜 Rape, B.根袋(根际土壤) Root bag( rhizospheric soil) , C. 非极际
土壤 Nonrhizospheric soil.
的必要条件,是影响土壤 P 素有效性的一个极为重要
的因子,作物对土壤中 P 素的吸收方式主要是依靠扩
散作用而进行的.研究根系截获、质流和扩散方式对作
物根系供给营养物质的作用表明, 扩散对于 P 素营养
具有极为重要的决定作用,作物通过扩散获取的 P 素
营养占 3种方式总和的 96% [ 4, 5, 12] .在白浆土中水分
对P素有效性的影响如图2所示. 结果表明, 在不同
图 2 不同水分条件下白浆土中有效磷的含量
Fig. 2 Ef fect of soil moisture on Olsen P content in albic soil.
∃ .根际 Rhizospheric soil, % . 非根际 Nonrhizospheric soil. 下同 The
same below .
水分条件下,根际土壤速效磷含量低于非根际土壤,速
效磷表现出根际亏缺效应,这是因为磷酸根离子在土
壤中的扩散系数小. 在白浆土中,根际土壤中速效磷含
量随着土壤含水量的提高而表现出增加的趋势,这与
土壤 P 素转化密切相关. 另外, 非根际土壤中速效磷
含量随土壤水分含量的提高而表现出轻微的下降趋
势,表明土壤水分含量提高后,磷酸根离子由非根际土
壤向根际土壤扩散的量增加.在土壤水分含量较低情
况下, 根际 P 素亏缺的范围增大, 这与在土壤水分含
量低的情况下, 磷酸根离子的有效扩散系数小,移动慢
有关[ 15] .若以根际速效磷亏缺率(根际速效磷亏缺率
= (非根际土壤速效磷- 根际土壤速效磷) /对照土壤
速效磷含量& 100% )来表示水分对土壤速效磷在根际
与非根际土壤中的分布特征, 其大小顺序为: 20%的田
间持水量(亏缺率为39. 1%) > 50%的田间持水量(亏
缺率为 28. 81% ) > 100% 的田间持水量(亏缺率为
19. 18%) .另外,水分含量低, 作物蒸腾速度小,通过质
流从非根际带来的 P 素养分也少, 这也是影响根际速
效磷分布的原因之一.
3. 2 有机质
土壤有机质在其分解过程中,除本身释放的 P 素
外,其分解产生的多种有机酸(包括腐殖酸本身) , 一方
面对土壤矿质部分有一定的溶解能力, 同时对土壤中
P素的形态转化产生极为显著的影响. 对白浆土调查
研究表明,土壤有机质与有效磷含量具有显著正相关
性. 32P 同位素试验中不同有机物料处理对土壤速效
磷影响的结果表明, 白浆土中有效磷含量较之仅施用
无机氮磷肥的处理明显增加[ 2, 3] . 白浆土中施加不同
水平的有机物料油菜根际试验表明, 根际速效磷表现
出亏缺现象,随着有机物料施加水平的提高, 根际与非
根际土壤速效磷呈增加趋势(图3) . 白浆土中P吸附
图 3 不同有机物料施用水平对白浆土有效磷含量的影响
Fig. 3 Ef fect of organic mat ter on Olsen P content in albic soil.
主要基质是无定形铁、铝氧化物,以及层状硅酸盐边缘
裸露的铝羟基( AlOH)和铁羟基 ( FeOH) [ 12] , 其对 P
素的吸附自由能( K值)大小与土壤有机质之间呈显著
负相关.采用有机措施培肥白浆土,提高白浆土中有机
质含量,其与土壤中的铁、铝氧化物结合形成了∋ Fe有
机质 (和∋ Al有机质(, 这两种铁、铝化合物吸附的 P
素,吸附自由能低, 其只是一种松弛的吸附行为,容易
释放出来变成生物有效性磷[ 11] .这进一步证明了有机
质能降低白浆土磷酸盐的结合能, 使得被吸附的 P 易
于解吸,其生物有效性也高.
另外, 白浆土硅铝晶格边缘和氧化物表面可变电
荷依 pH 而改变, 表层土壤中铁、铝离子的化合价以
+ 3价为主, ZPC 的范围为 6. 5~ 10. 0, 施用有机物料
580 应 用 生 态 学 报 10卷
后,土壤 pH 升高(图 4) , 胶体表面负电荷增加,对磷酸
的吸附力弱, P 的有效度增加,说明有机质有利于白浆
土P 素的解吸, 增加其对作物的有效性. 白浆土去除
有机质后的结果表明, 磷酸盐的解吸率呈下降趋
势[ 6] .
图 4 不同有机物料施用水平对土壤 pH 的影响
Fig. 4 Ef fect of organic mat ter on soil pH .
有机质在土壤分解过程中, 不但释放出植物有效
磷,其中间产物和所形成有机酸也对土壤中 P 素的化
学形为产生深刻影响[ 7, 13, 14] . 许多研究表明, 土壤有
机质分解、微生物和植物根系所分泌的有机酸(草酸、
苹果酸和柠檬酸等)对土壤中的无机磷形态转化具有
显著影响[ 10] .因此, 在白浆土上通过有机无机措施培
肥地力,其本身对土壤中无机磷具有活化作用.
3. 3 土壤酸度
土壤酸度与无机磷溶解度密切相关. 因此, 土壤
pH 不同,对 P 的有效度的影响也不一样. 通过在白浆
土中施用石灰调节土壤酸度,在一定程度上提高了该
土壤中有效磷的含量(图 5) .结果表明,根际土壤速效
磷表现出一定的亏缺,随着石灰施用量的增加,根际与
非根际土壤速效磷都上升,这与白浆土通过施用石灰
调节土壤酸度后,土壤 pH 提高,一定程度上促进土壤
中磷酸铁、磷酸铝中磷的释放有关[ 1] .
土壤无机磷的溶解度在很大程度上和酸度有关.
因此,土壤酸度不同,对 P 有效性的大小也不同[ 7] .白
图 5 不同石灰施用水平对白浆土有效磷含量的影响
Fig. 5 Ef fect of liming on Olsen P content in albic soil.
浆土是一种弱酸性土壤, 施入土壤中的 P 主要为铁、
铝氧化物所固定.因此,通过施用石灰调节土壤酸度,
促进土壤中铁、铝磷酸盐的溶解, 对提高土壤 P 素的
有效性具有重要作用.就各种固磷机制分析而言, 土壤
酸度对土壤中化学沉淀机制、表面反应机制或闭蓄机
制都有明显影响[ 1, 9] . 如图 6 所示,施用石灰后, 根际
与非根际土壤 pH 上升, 根际土壤 pH 被调节到 6~ 7
之间,对于白浆土这种弱酸性土壤来说,能明显地提高
其铁铝磷酸盐的溶解度, 提高土壤中有效磷的含量,这
也可从根际旺铝磷酸盐的形态分布及有效磷含量中得
到证明.
图 6 施用石灰后根际土壤 pH 值
Fig. 6 Ef fect of liming on rhizospheric soil pH.
3. 4 水分、有机质、土壤酸度对作物生物量干重及吸
P量的影响
将土壤植物系统视为统一整体, 研究不同环境因
子对植株生物量干重及吸 P 量的影响,是评价不同土
壤水分含量、不同有机物料及石灰施用水平对土壤有
效磷影响的重要组成部分.由表2可见, 不同环境条件
表 2 根际试验油菜植株生物量干重正交设计分析
Table 2 Analysi s of rape biomass in rhizospheric experiment after i t har
vested
处 理
T reatment
水 分
Water
有机质
Organic mat iter
石灰
Lime
干重
D. W . ( g)
1 1 1 1 1 098
2 1 2 2 2 127
3 1 3 3 3 187
4 2 1 2 3 151
5 2 2 3 1 104
6 2 3 1 2 365
7 3 1 3 2 1. 54
8 3 2 2 3 3. 13
9 3 3 1 1 4. 04
干重 K 1 412 403 867 606
D. W. K 2 620 543 591 646
K 3 871 957 445 651
平均 MeanK1 137 134 289 202
平均 MeanK2 207 181 197 215平均 MeanK3 290 319 148 217
平均极差 153 185 141 015
M ean ext reme
dif ference R
注:正交试验方差分析结果表明,油菜生物量干重 F= 8. 06* * ( F0. 01 =
5. 47) .进一步对不同水分条件、不同有机物料水平和石灰施用水平方
差分析表明,水分条件和有机物料水平 F 值分别为 5. 59* 和 8. 78* *
( F0. 05= 3. 98, F0. 01= 7. 20) ,施用石灰水平间 F< 1.
5815 期 李法云等:白浆土植物系统营养物质转化机制及其有效性研究.
对油菜生物量干重影响极为显著, 方差分析结果表明,
3个环境因素之中, 尤以有机质和水分条件影响最大
(图 7) , 各环境因素对油菜吸 P 量具有明显的影响,随
着土壤不同水分含量、有机物料和石灰施用水平的提
高,土壤 P 素有效性的增加, 吸 P 量也随之增加.水分
对油菜吸 P 量的影响顺序为: 100% 田间持水量>
50%田间持水量> 20%田间持水量; 不同有机物料水
平对油菜吸 P 量的影响顺序为: 4%有机物料> 2%有
机物料> CK;不同石灰施用水平对油菜吸 P 量的影响
为: 5g 和 2. 5g 施用水平油菜吸磷量基本持平, 二者明
显高于不施石灰水平.
图 7 不同环境因子对油菜吸磷量的影响
Fig. 7 Ef fect of environmental factors on phosphorus content uptake by
rape.
A.土壤水分含量 Soil moisture, B. 有机物料施用水平 Organic mat ter,
C.石灰施用水平 Lime.
4 结 论
4. 1 水分是限制白浆土 P 素有效性的重要因子, 水
分对根际与非根际土壤速效磷的亏缺率大小顺序是:
20%田间持水量> 50%的田间持水量> 100%的田间
持水量.根际土壤中速效磷含量随土壤水分含量提高
而上升.
4. 2 有机质显著影响白浆土中 P 素的生物有效性,
活化土壤中的 P. 根际与非根际土壤中速效磷含量随
有机物料施用水平的提高而增加, 根际试验方差分析
表明,有机质是影响白浆土 P 素有效性的重要因子,
增加土壤中有机质含量能提高土壤 P 素的生物有效
性,增加作物对土壤中 P 素的吸收.
4. 3 施用石灰调节白浆土酸度,随石灰施用水平的增
加,根际与非根际土壤速效磷含量提高, 植物吸 P 量
增加.
参考文献
1 朱祖祥. 1983.土壤学.北京:农业出版社.
2 李法云、高子勤. 1996.白浆土植物系统营养物质转化机制及其有
效性研究 I. 32 P 同位素示踪法对白浆土中 P 肥利用率. 应用生态
学报, 7( 2) : 174~ 178.
3 李法云、高子勤. 1999.白浆土植物系统营养物质转化机制及其有
效性研究% .白浆土无机磷形态变化.应用生态学报, 10 ( 4) : 419~
422.
4 凌云霄等. 1980.土壤中磷酸离子扩散的研究.土壤学进展, ( 4) : 1
~ 8.
5 徐明岗、张一平. 1997.根土界面养分运移研究进展. 土壤通报, 28
( 1) : 46.
6 夏汉平、高子勤. 1993.磷酸盐在白浆土中的吸附和解吸特性.土壤
学报, 30( 2) : 146~ 150.
7 袁可能编著. 1983.植物营养元素的土壤化学.北京:科学出版社.
8 鲁如坤. 1990.土壤磷素化学研究进展.土壤学进展, 18( 6) : 1~ 6.
9 Aarasiri, S. L. and Olsen, S. R. 1973. Liming as related to solubili
t y of P and plant growth in an acid tropical soil. S oil S ci ence Soci ety of
A merica Pr ocedure , 37: 716~ 721.
10 Appelt, H. et al . 1975, Ef fect of organic compounds on the adsorp
t ion of phosphate. Soi l S cience S ociety of A merica Proced ure , 39( 4) :
628~ 630.
11 Lewis, D. G. an d Quirk, J. P. 1967. Phosphate diffusion in soils and
uptake by plants II. Uptake by w heat plants. Plan t and Soil , 26:
119~ 128.
12 Lookman, R. and Grobet , P. et al . 1994. Phosphate sorption by sy
thet ic amorphous aluminum hydroxides: a 27Al and 31P solid - state
MAS NM R spectroscopy study. Eu ro. J. S oi l Sci . , 45: 37~ 44.
13 Lopez- Henandez, D. et al . 1979. The ef fect of some organic anions
on phosphate removal f rom acid and calcareous soils. S oi l S ci . , 128:
321~ 326.
14 Sibanda, H. M . and Young, S. D. 1986. Competit ive adsorpt ion of
humus acids and phosphate on geothite, gibbsite and tw o tropical soils.
J . S oi l Sci . , 37: 197~ 204.
15 T ara, S. e t al . 1994. Phosphorus depletion in the rh izosphere as inf lu
enced by soil moisture. Plant and Soil , 159: 213~ 218.
作者简介 李法云,男, 30 岁,博士, 副教授,现为湖南农业大学
博士后, 主要从事土壤生态与污染生态化学方面的研究, 已发
表论文 20 篇.
582 应 用 生 态 学 报 10卷