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量和提高作物品質的十分重要的營養(yǎng)元素。農業(yè)生產中，為了獲得作物高產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，這一現象已經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、有效的預測農田土壤P素累積狀態(tài)、提高作物產量和保護生態(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，應用長期（1986-2009年，共24年）、大區(qū)域（河南、河北、山東、山西，共4?。?、大范圍（監(jiān)測區(qū)小麥玉米種植面積及總產量約占我國小麥-玉米輪作區(qū)域總面積的40％和總產量的43％）、多站點（58個站點）、大樣本（411個樣本）、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（單施化學磷肥、單施有機磷肥、化學磷肥與有機磷肥同時施用，共3種條件）下的國家級耕地土壤質量監(jiān)測數

3、據對其進行驗證，驗證通過后的模型應用國家灰漠土土壤肥力與肥料效益長期監(jiān)測數據，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，應用蔣柏藩-顧益初(1989)連續(xù)浸提法與同步輻射X射線吸收近邊結構技術(XANES)、Bowman-Cole(1978)連續(xù)浸提法與核磁共振(NMR)技術相結合的辦法得到灰漠土土壤磷素組分累積規(guī)律，應用等溫吸附與解吸實驗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

4、用線線模型（Line-Line model，簡寫為LL）、線平臺模型（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農學閾值，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、保障作物高產與生態(tài)環(huán)境安全的目的。主要研究結果與結論如下:

5、
　　1.應用我國小麥-玉米輪作主產區(qū)、大區(qū)域尺度、長期監(jiān)測的歷史數據，驗證了基于初始土壤Olsen-P含量、磷肥施用量、作物產量和土壤pH的土壤Olsen-P累積模型的有效性和可靠性;應用模型得到該區(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，土壤Olsen-P平均增加1.1mg·kg-1。此結果說明新疆干旱灰漠土區(qū)土壤對磷的長期固定能力強于我國一年兩季小麥玉米輪

7、作主產區(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;土壤無機磷在組分間循環(huán)轉化，使土壤無機磷總量基本恒定。長期施肥（NPK、NPKM、NPKS）條件下，灰漠土土壤無機磷總量極顯著增加，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;土壤無機磷組分中Ca8-P轉化率（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法得出一致結論:長期不同施肥條件下，土壤無機磷組分間累積轉化92％發(fā)生在Ca-P和Al-P之間，二者平均轉化率分別為68％和24％。
　　4.NMR方法得到:灰

9、漠土長期不同施肥條件下，土壤有機磷主要以磷酸單酯形態(tài)存在，實驗條件范圍內沒有檢測到其他形態(tài)土壤有機磷，磷肥施用類型（包括CK、NPK、NPKM及NPKS）對灰漠土有機磷形態(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磷組分中中活性有機磷(Moderatelylabile organic phosphorus，簡寫MLOP)相對含量最大、其次是高穩(wěn)性有機磷(Highly resistant organicphosphorus，簡寫HROP)和中穩(wěn)性有機磷(Moderately resistant organic phosphorus，簡寫MROP)

11、、活性有機磷（Labile organic phosphorus，簡寫LOP）最小，4種組分占土壤有機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，土壤有機磷組分間主要發(fā)生MLOP向LOP、MROP及HROP的轉化，其中，HROP的轉化率最高、達到56％-399％，其次為MROP、達到21％-82％，LOP為-6％-11％、轉化率最小。
　　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）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K大、吸附能力強是灰漠土區(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農學閾值為25mg·kg-1。
　　我們的研究結果表明，土壤中磷素的累積量化關系可以用初始土壤Olsen-P含量、磷肥施用量、作物產量和土壤pH之間建立的模型準確模擬。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，無機磷（占全磷的80％左右）和有機磷（