2023, Vol. 55
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
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近年来，我国面源磷污染已成为制约水质改善的主要原因，其中农业面源磷占总磷污染负荷的比例高达68%[1]。韦新东等[2]调查发现，在长江下游地区，面源磷污染主要由种植业产生；高田田等[3]对我国巢湖典型农村面源磷输出的调查结果表明，农田对面源总磷污染输出贡献达52%。农田面源磷污染主要由不合理的耕种措施、施肥强度和施肥方式等造成[4]。有机肥部分替代化肥因具有化肥的速效性和粪肥的缓释性等特点，被认为是优化资源配置和实现农业绿色发展的有效措施[5-6]。然而不同有机替代方式对环境的影响目前结果不一致。缪杰杰等[7]发现有机等氮磷替代30% 化肥处理较常规施肥处理的径流磷流失量降低了16.3%；谢勇等[8]认为等养分的有机替代处理下的磷径流流失量较单施化肥处理显著降低了25.0%。而Wang等[9]研究发现，等氮有机100% 替代较单施化肥农田磷流失增加了45% ~ 237%。因此，如何合理配施有机和无机肥以减少农田磷流失仍需进一步讨论。
此外，磷流失过程中的赋存形态对于面源污染管控也具有十分重要的意义[10]。以往研究较多关注溶解磷(DP，< 0.45 μm)和颗粒磷(PP，> 0.45 μm)两种流失形态[11]。土壤胶体因具有较大的比表面积和较强的吸附与迁移能力，其所携带的磷(正磷酸盐和部分可溶性有机磷等)是土壤磷向外界水体迁移的主要动力来源[12]。土壤胶体为粒径介于1 ~ 1 000 nm的细颗粒，广泛存在于土壤与水体环境中。Gottselig等[11]和Jiang等[13]研究表明，土壤中存在很大部分的胶体磷(Pcoll)，不同粒径颗粒对磷的富集具有一定的差异性，以0.45 μm划分的磷形态并非真正界限；Poirier等[14]认为在黏性土壤中有超过50% 的颗粒磷是粒径范围在0.05 ~ 1 μm的胶体磷；Mayer和Jarrell[15]则发现在水体环境中胶体磷浓度占比可达总磷的50%。土壤胶体磷形态也会因不同施肥管理模式具有差异性，例如，Ilg等[16]研究结果表明，与无机肥相比，施用有机肥会带入更多的有机磷并显著增加胶体磷的迁移量；Siemens等[17]研究发现，过高的施磷量会引起土壤中部分磷素形态发生变化，最终以胶体磷形式迁移。
本研究以苏南稻麦轮作农田为研究对象，依托不同有机替代方式田间试验(连续4 a控氮控磷和连续24 a控氮不控磷)，探究两种有机肥部分替代化肥措施下土壤胶体磷赋存形态和流失潜力的变化，揭示其与土壤磷组分之间的相关关系，以期为稻麦轮作农田养分投入优化管理及土壤磷流失阻控提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 控氮不控磷有机替代试验点概况和试验处理试验点位于江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站(31°33′ N，120°42′ E)，试验田土壤类型为水稻土，年均温为15.5 ℃，年均降水量为1 038 mm。试验始于1998年稻季，原始耕层土壤(0 ~ 20 cm)基本理化性质为[18]：全氮(TN)1.12 g/kg，全磷(TP)0.54 g/kg，全钾(TK)19.3 g/kg，有效磷(Olsen-P)9.41 mg/kg，有机碳(SOC)10.5 g/kg，pH 6.66。各小区面积4 m2，种植方式为稻麦轮作，采用随机区组设计，供试肥料为尿素(46% N)、过磷酸钙(12% P2O5)、氯化钾(60% K2O)和有机肥。有机肥为猪粪有机肥，其养分含量为N 27.1 g/kg、P2O5 34.7 g/kg、K2O 20.8 g/kg。试验设3个处理：不施肥(CK)、单施化肥(CF)、猪粪有机替代(稻季40% 猪粪+60% 化学氮肥，OF)，各处理均设置3个重复。稻季CF处理化肥施用量为尿素375 kg/hm2、过磷酸钙75 kg/hm2、氯化钾150 kg/hm2；在OF处理中，采用猪粪替代40% 尿素，具体施肥量见表 1。种植品种和田间管理均与当地一致。
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表 1 控氮不控磷有机替代方式下稻季养分投入 Table 1 Nutrient inputs in paddy field experiment |
试验点位于江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站宜兴基地(31°16′N，119°54′E)。土壤类型为典型水稻土，年均温为16.5 ℃，年均降水量为1 200 mm。试验始于2018年稻季，试验前测得的耕层土壤(0 ~ 20 cm)基本理化性质为：TN 2.40 g/kg，TP 0.46 g/kg，TK 5.40 g/kg，Olsen-P 15.5 mg/kg，SOC 9.10 g/kg，pH 5.24。各小区面积60 m2，种植方式为稻麦轮作，采用随机区组设计。试验设3个处理：不施磷肥(CK)、单施化肥(CF)、猪粪有机替代(30% 猪粪+ 70% 化学磷肥，OF)，各处理均设置3个重复。稻季CF处理化肥施用量为尿素240 kg/hm2、过磷酸钙60 kg/hm2、氯化钾60 kg/hm2；在OF处理中，采用猪粪替代30% 过磷酸钙，其养分含量为N 13.7 g/kg、P2O5 35.1 g/kg、K2O 23.4 g/kg，具体施肥量见表 2。供试肥料和施肥管理均与当地一致。
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表 2 控氮控磷有机替代方式下稻季养分投入量 Table 2 Nutrient inputs in paddy field experiment |
土壤样品采集于2021年水稻收获期，通过“S”形布点法在每个小区内随机取点采集0 ~ 20 cm耕层土壤。土壤样品经室内风干分别过20目和100目，分别测定土壤Olsen-P、CaCl2-P和不同土壤磷组分，TP及TC含量。
样品测定方法参照《土壤农业化学分析方法》[19]：土壤pH(水土质量比2.5︰1)采用pH计(Thermo ORION STAR A211, 美国)测定。土壤TC和SOC使用碳氮分析仪(vario MACRO CN, Elementar Analysensystem, GmbH，德国)测定；土壤Olsen-P采用NaHCO3(pH 8.5)浸提-钼蓝比色法测定(紫外分光光度计UVmini-1240, 日本)；土壤TP采用H2SO4-HClO4消煮提取-钼蓝比色法测定；CaCl2-P采用0.01 mol/L CaCl2溶液提取-钼锑抗比色法测定。
1.4 土壤胶体磷组分的分离与测定本文以通过膜分离法测定胶体溶液(< 1 000 nm)中 < 1 nm粒径的磷作为真溶态磷(TSP)，1 ~ 1 000 nm粒径的磷为胶体态磷(Pcoll)。其中，胶体态磷细分为纳米胶体态磷(NCP，1 ~ 100 nm)、细中等尺度胶体态磷(FMCP，100 ~ 450 nm)、大尺度胶体态磷(LCP，450 ~ 1 000 nm)[11, 20]。
土壤胶体磷分离参照Ilg等[21]方法：称取过8 mm筛土样，以土水质量比1︰8、160 r/min浸提24 h。上清液预离心10 min后，分别通过1 000、450、100 nm的微孔滤膜。各组分总磷含量采用K2S2O8消解–钼蓝比色法测定，胶体钼蓝反应磷(MRPcoll)采用钼蓝比色法测定，胶体钼蓝非反应磷(MUPcoll)由Pcoll与MRPcoll差减得到。Pcoll含量为通过1 000 nm和3 kDa滤膜的滤液中总磷之差。通过相邻滤膜间的滤液总磷含量之差计算分别得到不同粒径胶体态磷包括LCP、FMCP和NCP含量。另取15 mL过1 000 nm滤膜的滤液于孔径为3 kDa (≤1 nm)的超滤管(Millipore, USA)中，离心40 min后收集滤液，滤液中总磷含量为TSP组分。
胶体磷占胶体溶液总磷的比例定义为胶体磷的流失潜力(LPP)，反映了胶体磷的流失风险[22]。胶体钼蓝反应磷含量占比(RMRP)反映了胶体磷生物有效性的大小。LPP和RMRP均能表征胶体磷的环境释放风险。计算公式如下：
胶体磷流失潜力(LPP)=胶体磷含量(Pcoll)/ 胶体溶液总磷
胶体钼蓝反应磷占比(RMRP)=胶体钼蓝反应磷含量(MRPcoll)/胶体磷含量(Pcoll)
1.5 土壤磷组分的分级方法根据Moir和Tiessen[23]对Hedley磷分级的改进方法测定土壤各形态P组分。简要步骤为：称取0.50 g 20目风干土样于离心管中依次加入30 mL水+树脂条、0.5 mol/L NaHCO3溶液、0.1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L HCl溶液，采用钼蓝比色法测定无机磷浓度。NaHCO3和NaOH提取液中总磷(NaHCO3-TP和NaOH-TP)以H2SO4–(NH4)2S2O4消解后测定。NaHCO3-Po和NaOH-Po以总磷与无机磷之差计。采用H2SO4–H2O2消解后钼蓝法比色测定得到残留态磷(Residual-P)。
Resin-P(树脂提取磷)和NaHCO3-TP(NaHCO3- Pi+NaHCO3-Po)作为活性磷(LP)组分；NaOH-TP (NaOH-Pi+NaOH-Po)作为中等活性磷(MLP)组分；HCl-P和Residual-P作为稳定态磷(STP)组分。
1.6 数据统计分析采用Microsoft Excel 2020软件进行数据整理，用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)检验样本之间差异(Duncan检验)，采用Origin 2022软件进行数据可视化，采用R软件(Version 4.1.3)进行Pearson相关分析(Package=“Corrplot”)。
2 结果与分析 2.1 不同有机替代方式下土壤真溶态磷和胶体磷含量不同处理土壤TSP和Pcoll含量如图 1所示。与CK处理相比，两种有机替代处理均显著增加土壤TSP和Pcoll含量(P < 0.05)，控氮控磷和控氮不控磷下OF处理的TSP和Pcoll含量分别是CK处理的1.28倍、1.57倍和7.53倍、12.3倍。与CF处理相比，控氮控磷OF处理下的TSP和Pcoll含量无显著性差异；而控氮不控磷OF处理的TSP和Pcoll含量分别达到1.83和13.1 mg/kg，比CF处理显著提高165% 和213% (P < 0.05)。
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(CK：不施磷肥(控氮控磷)、不施肥(控氮不控磷)；CF：单施化肥；OF：猪粪与无机配施。图中小写字母不同表示处理间差异达显著水平(P < 0.05)，下同) 图 1 不同有机替代方式下土壤真溶态磷(TSP)和胶体磷(Pcoll)含量 Fig. 1 Soil truly soluble P and colloidal P contents under different organic substitution treatments |
如图 2所示，两种有机替代方式下两种土壤胶体磷形态(MRPcoll和MUPcoll)具有不同的变化趋势。相较于单施化肥CF处理，控氮控磷OF处理下MRPcoll和MUPcoll含量均无显著性差异；但是在控氮不控磷条件下OF处理显著增加了MRPcoll和MUPcoll含量(P < 0.05)，分别为CF处理的4.50倍和2.33倍。
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(MRPcoll：胶体钼蓝反应磷；MUPcoll：胶体钼蓝非反应磷) 图 2 不同有机替代方式下土壤不同形态胶体磷含量 Fig. 2 Soil Pcoll contents of different forms under different organic substitution treatments |
图 3进一步分析了两种有机替代方式下土壤不同粒径Pcoll含量。相比于CF处理，控氮控磷OF处理下NCP和FMCP的含量均无显著性差异，LCP含量显著增加(P < 0.05)；控氮不控磷OF处理各个粒径Pcoll的含量均显著增加(P < 0.05)，NCP、FMCP和LCP的含量分别为CF处理的2.64倍、2.22倍和9.42倍。
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(NCP：纳米胶体磷(1 ~ 100 nm)；FMCP：细中等尺度胶体磷(100 ~ 450 nm)；LCP：大尺度胶体磷(450 ~ 1 000 nm)) 图 3 不同有机替代方式下土壤不同粒径胶体磷含量 Fig. 3 Soil Pcoll contents of different particle sizes under different organic substitution treatments |
不同有机替代方式下土壤MRPcoll占比如图 4A所示。相较于CK处理，两种有机替代方式下OF处理的RMRP均显著升高(P < 0.05)。控氮控磷方式下OF处理Pcoll含量以MUPcoll为主，RMRP为21.5%，相较于CF处理，OF处理的RMRP显著降低(P < 0.05)；控氮不控磷方式下OF处理Pcoll含量以MRPcoll为主，RMRP达到52.7%，相较于CF处理，OF处理的RMRP显著增加了16.1%(P < 0.05)。
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(RMRP：胶体钼蓝反应磷占比；LPP：胶体磷流失潜力) 图 4 不同有机替代方式下土壤的胶体钼蓝反应磷占比(A)和胶体磷流失潜力(B) Fig. 4 Percentages of soil MRPcoll (RMRP) (A) and loss potentials of soil colloidal P (LPP) (B) under different organic substitution treatments |
图 4B为两种有机替代方式下土壤Pcoll流失潜力(LPP)。控氮控磷OF处理LPP较CF处理无显著差异，但有下降的趋势；控氮不控磷下OF处理LPP为87.7%，较CF处理增加了1.89%。
2.4 不同有机替代方式下土壤磷组分含量及与土壤胶体磷的相关性不同有机替代方式下土壤磷组分含量如图 5A、5B所示。在控氮控磷条件下，OF处理较CK处理Resin-P、NaHCO3-Pi和NaOH-Pi组分磷含量均显著增加(P < 0.05)，但与CF处理相比，不同磷组分均无显著性差异。控氮不控磷条件下，OF处理以HCl-P含量最高；并且较之CK与CF处理，各不同组分磷含量均显著增加(P < 0.05)，其中以NaHCO3-Pi含量增长最高，分别为CK和CF处理的67.3倍和4.67倍，以Residual-P含量增长最低，分别为1.32倍和1.15倍。
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(LP：活性磷组分；MLP：中等活性磷组分；STP：稳定磷组分) 图 5 不同有机替代方式下土壤磷组分含量(A、B) 及与土壤胶体磷的相关性(C、D) Fig. 5 Soil P fractionation contents (A, B) and correlation with soil Pcoll (C, D) under different organic substitution treatments |
土壤Pcoll与土壤磷组分的相关性如图 5C、5D所示。控氮控磷有机替代下，土壤Pcoll与LP呈极显著正相关(R2=0.909, P < 0.01)，与MLP显著正相关(R2=0.636, P < 0.05)；控氮不控磷有机替代下，土壤Pcoll与LP、MLP和STP均呈极显著正相关(P < 0.01)。
2.5 不同有机替代方式下土壤胶体磷与土壤基本理化性质关系图 6为两种有机替代方式下土壤SOC含量和pH。控氮控磷条件下，OF处理的pH和SOC含量与CF处理均无显著性差异；控氮不控磷条件下，OF处理的pH和SOC含量均显著高于CF处理(P < 0.01)，SOC含量为20.2 g/kg，是CF处理的1.78倍。
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图 6 不同有机替代方式下土壤有机碳含量与pH Fig. 6 Soil organic carbon contents and pH values under different organic substitution treatments |
通过Pearson相关分析(图 7)表明，两种有机替代下，土壤Pcoll与土壤TP、TSP、Olsen-P、CaCl2-P均呈极显著正相关关系(P < 0.01)，与土壤pH无显著相关性。土壤Pcoll与土壤SOC在控氮不控磷条件下呈显著正相关关系(P < 0.01)，但在控氮控磷条件下无显著相关性。
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(*、**分别表示相关性达 P < 0.05和P < 0.01显著水平) 图 7 不同有机替代方式下土壤胶体磷与土壤基本理化性质的相关性 Fig. 7 Relationships between soil Pcoll and soil physicochemical properties under different organic substitution treatments |
本研究结果显示，长期控氮不控磷的有机肥部分替代化肥方式下的土壤Pcoll含量显著增加，而控氮控磷有机替代条件下的土壤Pcoll含量与单施化肥相比无显著差异(图 1)，这可能与有机肥不同的替代方式和施磷量有关。一方面，较控氮控磷有机替代处理，长期控氮不控磷的有机替代方式向土壤带入更多的磷源，导致土壤TP过度积累，进而促进Pcoll含量升高，这也可以从土壤Pcoll与TP之间的显著正相关关系体现(图 7)。Audette等[24]研究表明，合理施用有机肥可提高磷素利用率，而过量施用磷肥会导致磷素不能被充分利用，从而加剧环境风险。另一方面，长期施入有机肥向土壤中增加了更多的有机胶体，其在土壤中可与黏土颗粒结合并吸附固定磷，导致土壤Pcoll含量升高[25]。
胶体磷流失潜力(LPP)值越高，表示土壤Pcoll向环境的流失风险越高[26]。而土壤Pcoll的迁移能力与生物有效性是决定其环境释放及流失风险的两个重要因素。较控氮控磷有机替代，长期控氮不控磷的有机肥部分替代化肥的施肥方式下的LPP显著升高(图 4B)，且NCP和FMCP均显著增加(图 3)，表明长期控氮不控磷有机替代施肥方式下的Pcoll具有更高的迁移能力，Pcoll的流失风险显著升高。前人研究也发现相似现象，例如，李发永[26]通过不同的分离方法表征了单季稻和稻麦轮作等种植体系下不同粒径的Pcoll含量，并发现小于220 nm部分的Pcoll含量最高，认为对Pcoll迁移能力及流失潜力的研究需重点关注细颗粒Pcoll。Hartland等[27]研究表明，不同粒径颗粒对磷的影响与其物理化学性质有关，胶体的比表面积随颗粒尺寸的减小而增大，更小粒径的Pcoll表现出更高的反应能力和移动性。此外，胶体钼蓝反应磷占比(RMRP)反映了生物有效性的大小，RMRP值越大，表示环境释放风险越高。两种有机替代施肥方式较不施肥相比均显著增加了RMRP，因此两种有机替代方式均可促进作物对磷的吸收利用，保证作物正常生长。但与单施化肥相比，控氮控磷条件下的RMRP降低，可能是由于添加有机物料会向土壤带入有机态Pcoll，增加更多的MUPcoll[25]；而控氮不控磷条件下的RMRP显著升高，可能受土壤碳输入的影响。Liang等[28]研究表明，有机肥含有丰富的碳源，长期施用粪肥可影响土壤碳含量，本文控氮不控磷方式下SOC含量显著增加结果(图 6)与此一致。Brookes等[29]研究表明可通过施入有机肥增加土壤碳含量，进而促进土壤中有机磷与无机磷间的转化。吴宪等[30]研究结果表明，添加粪肥通过影响SOC等基本理化性质，改变土壤微生物生物量，增强土壤中无效态磷向有效态磷的转化。本研究中土壤Pcoll与SOC间的显著正相关关系(图 7)也说明了Pcoll的活化受土壤碳的驱动。从磷平衡角度考虑，控氮不控磷的有机替代方式下磷输入量大于输出量，土壤磷库盈余使土壤颗粒的磷吸附饱和度升高，引起有机物质矿化和无机磷累积，导致钼蓝反应磷含量高于钼蓝非反应磷[31]。综上分析表明，Pcoll流失受磷输入量和土壤碳含量的影响，长期控氮不控磷的有机替代施肥方式下碳磷输入量较大，导致环境风险升高。
在Hou等人[32]研究中，土壤磷循环假设溶解态磷介导了土壤中不同活性磷之间的转化。土壤Pcoll主要由无磷胶体结合溶解态磷形成，由于磷组分间的化学活性不同，Pcoll很可能和土壤中某特定磷组分有关[33]。本研究发现，两种有机替代方式下，土壤Pcoll与土壤LP和MLP均呈显著正相关关系(P < 0.05)，且土壤Pcoll与土壤LP和MLP间较高的相关系数进一步说明了土壤Pcoll很可能来自活性和中等活性磷组分。刘瑾[33]研究也表明，土壤Pcoll与土壤活性和中等活性磷库的关系紧密。这也解释了本研究中土壤Pcoll与TSP、Olsen-P和CaCl2-P等土壤有效磷间的显著正相关关系的结果(图 7)。然而值得注意的是，较控氮控磷有机替代方式，控氮不控磷的有机肥替代方式下土壤Pcoll与土壤STP呈显著正相关关系。这可能是由于土壤STP包括HCl-P组分，该部分磷主要由钙磷矿物组成。长期控氮不控磷的有机替代施肥方式下以HCl-P含量最高(图 5B)，在长期施用有机肥的土壤中，土壤pH显著升高(图 6)。高pH下会破坏有机胶膜以释放水分散性胶体，并且钙磷结合可能较铁磷或铝磷结合更强，因此促进了相对可溶性的钙磷转化为更多的胶体结合态磷，最终以该部分无机胶体态磷释放[34]。Liang等[35]在pH对土壤Pcoll释放影响的研究中发现，pH 4.6 ~ 6.0的土壤Pcoll含量最低，低pH条件下矿物质的溶解可导致Pcoll在土壤中释放以及高pH条件下包裹在胶体表面的有机胶膜被去除从而增强Pcoll的释放速率，意味着在低pH和高pH下，均可促进Pcoll的释放。本研究中，可能由于施化肥降低了土壤pH，有机替代提高了土壤pH[6]，而两种施肥处理均增加了土壤Pcoll含量(图 1)，因此导致土壤Pcoll与pH无显著正相关性(图 7)。综上，Pcoll含量与土壤的活性和中等活性磷组分密切相关，但在长期控氮不控磷的有机肥施用下，Pcoll也可能是由土壤胶体结合活性较低的含钙磷酸盐组成。
4 结论长期控氮不控磷的有机肥部分替代化肥方式大幅提高了土壤各粒径和各形态的胶体磷含量、不同活性磷组分含量及土壤有机碳含量，且显著提高了胶体磷流失潜力。控氮控磷有机肥替代化肥方式下土壤胶体磷及土壤磷组分含量均无显著变化。通过相关性分析发现，稻田土壤胶体磷与土壤活性和中等活性磷组分联系紧密，胶体磷含量明显受土壤碳和磷含量的影响。因此，有机肥部分替代化肥时应考虑控制碳磷输入量，为改善农田磷流失造成的面源污染，推荐等氮磷的有机肥部分替代施肥方式。
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