土壤磷素累積、形態(tài)演變及閾值研究.pdf

1、磷(P)是植物生長中能夠增加作物產(chǎn)量和提高作物品質(zhì)的十分重要的營養(yǎng)元素。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了獲得作物高產(chǎn)而施用高于作物推薦施肥水平的情況非常普遍，過量施肥尤其是磷肥使農(nóng)田耕層土壤中磷素大量累積、盈余，這使磷肥利用率降低和面源污染加劇，這一現(xiàn)象已經(jīng)威脅到我國乃至世界多國的生態(tài)環(huán)境安全。土壤P素累積規(guī)律、形態(tài)演變及歸宿的研究對于合理、有效的預(yù)測農(nóng)田土壤P素累積狀態(tài)、提高作物產(chǎn)量和保護(hù)生態(tài)環(huán)境均具有十分重要的作用。本論文以土壤有效磷(Olsen-

2、P)累積模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用長期（1986-2009年，共24年）、大區(qū)域（河南、河北、山東、山西，共4省）、大范圍（監(jiān)測區(qū)小麥玉米種植面積及總產(chǎn)量約占我國小麥-玉米輪作區(qū)域總面積的40％和總產(chǎn)量的43％）、多站點(diǎn)（58個(gè)站點(diǎn)）、大樣本（411個(gè)樣本）、多土壤類型（潮土、褐土、黃褐土、砂姜黑土、紅粘土、棕壤、粗骨土，共7類土壤）以及多施磷肥條件（單施化學(xué)磷肥、單施有機(jī)磷肥、化學(xué)磷肥與有機(jī)磷肥同時(shí)施用，共3種條件）下的國家級(jí)耕地土壤質(zhì)量監(jiān)測數(shù)

3、據(jù)對其進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后的模型應(yīng)用國家灰漠土土壤肥力與肥料效益長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到我國干旱灰漠土區(qū)一年一季小麥、玉米、棉花輪作下的土壤Olsen-P累積模型，同時(shí)，應(yīng)用蔣柏藩-顧益初(1989)連續(xù)浸提法與同步輻射X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)技術(shù)(XANES)、Bowman-Cole(1978)連續(xù)浸提法與核磁共振(NMR)技術(shù)相結(jié)合的辦法得到灰漠土土壤磷素組分累積規(guī)律，應(yīng)用等溫吸附與解吸實(shí)驗(yàn)方法得到含磷不同水平的灰漠土土壤磷素吸附與解吸特征，應(yīng)

4、用線線模型（Line-Line model，簡寫為LL）、線平臺(tái)模型（Line-Plateau model，簡寫為LP）以及米切里西模型（Mitscherlish，簡寫為Exp）得到我國干旱區(qū)小麥、玉米、棉花3種作物土壤Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值，從而闡明長期施肥條件下，我國西北干旱灰漠土區(qū)土壤磷素累積、形態(tài)演變及閾值，以期達(dá)到為我國西北干旱區(qū)作物一年一季生長條件下，提高磷肥利用率、保障作物高產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境安全的目的。主要研究結(jié)果與結(jié)論如下:

5、
　　1.應(yīng)用我國小麥-玉米輪作主產(chǎn)區(qū)、大區(qū)域尺度、長期監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了基于初始土壤Olsen-P含量、磷肥施用量、作物產(chǎn)量和土壤pH的土壤Olsen-P累積模型的有效性和可靠性;應(yīng)用模型得到該區(qū)域土壤Olsen-P年累積率平均為1.29mg·kg-1，土壤每公頃盈余100kg P導(dǎo)致土壤Olsen-P平均增加2.2mg·kg-1。
　　2.在新疆干旱灰漠土區(qū)小麥、玉米、棉花一年一季輪作條件下，修正土壤Olsen-P累

6、積模型參數(shù)后得到:新疆灰漠土區(qū)土壤Olsen-P含量在不施磷肥條件下，以每年0.12mg·P·kg-1（從每年0.067mg·kg-1到0.26mg·kg-1）的速度下降，而在施磷條件下以每年0.36mg·kg-1（從每年0.083mg·kg-1到0.47mg·kg-1）的速度增加;每公頃土壤盈余100 kg P時(shí)，土壤Olsen-P平均增加1.1mg·kg-1。此結(jié)果說明新疆干旱灰漠土區(qū)土壤對磷的長期固定能力強(qiáng)于我國一年兩季小麥玉米輪

7、作主產(chǎn)區(qū)土壤。
　　3.長期只種作物不施肥條件下，灰漠土耕層土壤無機(jī)磷總量無顯著變化，組分間Ca2-P和Ca8-P含量顯著降低而Ca10-P含量顯著增加;土壤無機(jī)磷在組分間循環(huán)轉(zhuǎn)化，使土壤無機(jī)磷總量基本恒定。長期施肥（NPK、NPKM、NPKS）條件下，灰漠土土壤無機(jī)磷總量極顯著增加，其增加量主要來源于土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P，其中前三者增加作用較為顯著、相對含量提高較快;土壤無機(jī)磷組分中Ca8-P轉(zhuǎn)化率（指

8、土壤磷素某一組分P的變化量占土壤磷素變化總量的比例）最高、占土壤無機(jī)磷變化總量的39％-50％，其次是Al-P、占16％-30％，再次是Ca2-P、占10％-29％，三者合計(jì)占78％-88％，其余三種組分Fe-P、O-P、Ca10-P占12％-22％。連續(xù)浸提法與XANES法得出一致結(jié)論:長期不同施肥條件下，土壤無機(jī)磷組分間累積轉(zhuǎn)化92％發(fā)生在Ca-P和Al-P之間，二者平均轉(zhuǎn)化率分別為68％和24％。
　　4.NMR方法得到:灰

9、漠土長期不同施肥條件下，土壤有機(jī)磷主要以磷酸單酯形態(tài)存在，實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)沒有檢測到其他形態(tài)土壤有機(jī)磷，磷肥施用類型（包括CK、NPK、NPKM及NPKS）對灰漠土有機(jī)磷形態(tài)無顯著影響。長期定位條件下，施肥（NPK、NPKM及NPKS）處理的磷酸單酯含量隨時(shí)間極顯著增大，23年間NPKM、NPKS以及NPK處理分別提高了4.52倍、2.23倍和2.29倍，而CK的磷酸單酯含量基本保持不變。
　　Bowman-Cole連續(xù)浸提法得到:

10、土壤有機(jī)磷總量在長期不施條件下極顯著降低、而在施肥條件下極顯著提高。長期定位條件下，不同施肥處理土壤有機(jī)磷組分中中活性有機(jī)磷(Moderatelylabile organic phosphorus，簡寫MLOP)相對含量最大、其次是高穩(wěn)性有機(jī)磷(Highly resistant organicphosphorus，簡寫HROP)和中穩(wěn)性有機(jī)磷(Moderately resistant organic phosphorus，簡寫MROP)

11、、活性有機(jī)磷（Labile organic phosphorus，簡寫LOP）最小，4種組分占土壤有機(jī)磷總量的比例分別為56％-69％、15％-22％、12％-19％和1％-6％。長期施肥條件下，土壤有機(jī)磷組分間主要發(fā)生MLOP向LOP、MROP及HROP的轉(zhuǎn)化，其中，HROP的轉(zhuǎn)化率最高、達(dá)到56％-399％，其次為MROP、達(dá)到21％-82％，LOP為-6％-11％、轉(zhuǎn)化率最小。
　　5.不同Olsen-P水平的灰漠土土壤，隨

12、外源磷量（0～100mg·P·L-1范圍內(nèi)）增加，磷的吸附量、解吸量及解吸率均逐漸增大、而吸附率逐漸減小?；夷罰素吸附過程符合Langmuir等溫方程，吸附常數(shù)K大、吸附能力強(qiáng)是灰漠土區(qū)百公斤P盈余增加Olsen-P量較小和土壤P素累積模型中D值較低的主要原因。
　　6.通過雙直線、直線-平臺(tái)及米切里西三種模型，得到新疆干旱區(qū)灰漠土一年一季條件下，小麥、玉米和棉花土壤磷素平均閾值分別為15mg·kg-1、13mg·kg-1和25

13、mg·kg-1。綜合分析得出，新疆灰漠土區(qū)土壤Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值為25mg·kg-1。
　　我們的研究結(jié)果表明，土壤中磷素的累積量化關(guān)系可以用初始土壤Olsen-P含量、磷肥施用量、作物產(chǎn)量和土壤pH之間建立的模型準(zhǔn)確模擬。24年間（1989-2012年），施磷條件下，新疆灰漠土土壤Olsen-P含量累積了8.64mg·kg-1、年平均累積率為0.36mg·kg-1;灰漠土土壤磷素組分中，無機(jī)磷（占全磷的80％左右）和有機(jī)磷（