不同磷水平對紅壤溶液中錳、鋁、鎂和鈣濃度變化以及小麥生長的影響①

邵繼鋒，陳榮府，董曉英，沈仁芳*

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院，南京土壤研究所)南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049)

?

不同磷水平對紅壤溶液中錳、鋁、鎂和鈣濃度變化以及小麥生長的影響①

邵繼鋒1,2，陳榮府1，董曉英1，沈仁芳1*

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院，南京土壤研究所)南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049)

摘 要：為了探明不同磷水平對紅壤中土壤溶液主要金屬離子變化的影響以及小麥對磷的響應，確定紅壤中小麥適宜的施磷水平，采用原位提取土壤溶液和比較生物量的方法，監測了短期內紅壤溶液中主要金屬離子濃度變化及小麥生物量的變化。結果表明：碳酸鈣的加入可以顯著升高酸性紅壤的 pH，土壤溶液中鋁、錳和鎂濃度顯著低于未加碳酸鈣處理；800 mg/kg 磷處理后鋁、錳、鎂和鈣的濃度要比未加磷處理分別至少降低 47%、44%、37% 和 33%。隨著施磷量的增加，小麥在 200 mg/kg 磷處理時積累的生物量最大，隨后磷增加，小麥生物量反而降低。而加碳酸鈣處理小麥地下部生物量隨著施磷量增加則降低。結果表明碳酸鈣不僅可以有效升高土壤 pH，降低土壤溶液鋁濃度，還降低土壤溶液中錳的濃度。磷的加入同樣可以降低錳和鋁的濃度，緩解鋁和錳毒害。紅壤中生長小麥的適宜施磷量為 200 mg/kg。

關鍵詞：磷；紅壤；小麥

全世界酸性土壤有 39.5 億 hm2，其中可耕種面積為 1.79 億 hm2，主要分布在熱帶、亞熱帶及溫帶地區[1]。我國酸性土壤遍及南方 15 個省區，總面積為 2 030 萬 hm2，約占全國土地面積的21%[2]。研究表明，中國南方紅壤及磚紅壤養分退化明顯，以磷素退化最為嚴重[3]。由于酸性土壤中鐵、鋁活性高，與磷形成難溶性的鐵磷和鋁磷，甚至有效性更低的閉蓄態磷，使土壤磷和施入土壤中的肥料磷絕大部分轉化為固定態磷，致使絕大多數的酸性土壤都嚴重缺磷，嚴重影響植物生長期間對磷的吸收利用[4]。

許多研究表明酸性土壤中，施磷肥能夠改善土壤供磷水平從而增產[5]。文石林等[6]發現在紅壤中施磷可以顯著增加墨西哥玉米的產量。孫清斌等[7]報道在紅壤上施用磷肥可以有效增加胡枝子地上部生物量積累。在油茶中發現施磷不僅可以緩解鋁毒害，增加生物量，同時對油茶光合作用影響很大[8]。

由于酸性土壤溶液中鋁、錳等離子濃度較高，植物生長在受到鋁毒害等抑制因子影響的同時，土壤中離子間相互作用也強烈地影響著植物的生長。如通過影響土壤中化學平衡影響離子的活度，影響土壤中離子的擴散速率以及通過對根膜吸附位點的競爭影響離子的吸收與解析等[9]。那么磷施入對紅壤土壤溶液中主要金屬離子(錳、鋁、鎂、鈣)的影響如何？植物對磷的施入有何響應？這些研究有助于我們判斷紅壤中適宜的施磷水平。小麥是對酸鋁相對較敏感的植物，在酸性土壤區有一定的種植面積[10]。本文以小麥為試驗材料，通過紅壤的盆栽試驗，研究不同施磷水平對紅壤土壤溶液中錳、鋁、鎂、鈣濃度的變化以及植物對磷、鋁的響應，為在紅壤中施磷提供相應的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：采自江西鷹潭的第四紀紅黏土發育的紅壤，所取土壤經風干并全部過 2 mm 篩后混勻，待用。其基礎理化性質：體積質量 1.34 g/cm3，pH 4.40，EC 值 33.73 μS/cm，有機質 11.38 g/kg，全氮 0.98 g/kg，堿解氮 67.09 mg/kg，有效磷 0.21 mg/kg，速效鉀32.49 mg/kg，交換性鋁 320.78 mg/kg，交換性錳5.56 mg/kg，交換性鈣 125.63 mg/kg，交換性鎂 36.23 mg/kg。

小麥品種：鋁耐受型 Atlas66。

1.2 試驗設計和測定方法

1.2.1 試驗設計 設置不同磷素(KH2PO4)水平：

0(P0)、100(P100)、200(P200)、400(P400)、800(P800)mg/kg

紅壤，加入鉀用 KCl 補齊。其中添加或不添加 1.5 g/kg CaCO3，加(NH4)2SO40.74 g/ kg 作為基肥，混勻后裝在 1.5 L 盆中。8 粒催芽后的小麥種子直接播于土壤表面，重復 3 盆。在第 4 天剔苗，每盆保留 4 棵苗。小麥在人工氣候室內生長。白天 28℃/14 h，夜間25℃/10 h；光強 150 μmol/(m2·s)，相對濕度 65%。

1.2.2 原位土壤溶液的收集與元素測定 為更好地檢測土壤溶液的變化，將一種非破壞性土壤溶液采集器預先埋置于土壤中[11]。每隔 4 天用注射器抽取土壤溶液一次，抽出的土壤溶液立即用 pH 計(868,Thermo Orion,USA)測定溶液 pH。土壤溶液中的主要元素包括鋁、錳、鎂、鈣等用 ICP-AES(IRISAdvantage，Thermo Elemental,MA,USA)測定含量。

1.2.3 生物量測定 試驗結束后(32 天)，將植株分為地上部和地下部兩部分，先用自來水沖洗然后用蒸餾水沖洗，過 3 遍后，于 105℃ 殺青 30 min，然后 70℃ 烘干后稱重。

2 結果與分析

2.1 不同磷水平對pH變化的影響

從圖 1 可知，整個試驗期間，在前 8 天時間里，土壤溶液 pH 急劇升高，之后 pH 變化趨于穩定。加 CaCO3處理 pH 要顯著高于未加 CaCO3處理。圖 1A 可知在沒有加 CaCO3情況下，不同磷水平處理之間土壤溶液 pH 差異較大，當土壤中加入800 mg/kg 磷時，pH 最高，并且pH 有隨著施磷量增加而增加的趨勢。在加入 CaCO3后，不同磷素水平之間土壤溶液 pH 差異不顯著。

圖1　不同磷水平下種植小麥土壤 pH 變化Fig.1 Variations of pH value in different phosphorus rates after wheat planting

2.2 不同磷水平對錳變化的影響

錳毒害是酸性土壤中作物生長的限制因子之一[12]。從圖 2 可知，無論土壤是否施 CaCO3，土壤溶液中錳的濃度隨著種植時間增加逐漸降低，隨著磷素的增加，原位提取的土壤溶液中錳的濃度逐漸降低，說明磷的加入可以降低土壤溶液中錳的活度。圖 2A 可知，在沒有加 CaCO3的情況下，磷素水平 0 mg/kg時，前 8 天土壤溶液中錳的濃度迅速降低，隨種植時間的增加，錳濃度趨于穩定。施磷后，整個生育期錳濃度變化較小，在施磷 800 mg/kg 時，錳濃度顯著低于其他施磷處理，而且在整個生育期保持一致。此結果表明，磷的加入降低了土壤溶液中錳的活度。施 CaCO3顯著降低了土壤溶液錳的濃度(圖 2B)，不同施磷水平間，錳的濃度都隨著種植時間增加而逐漸降低。

圖2　不同磷水平下種植小麥土壤溶液錳濃度變化Fig.2 Variations of Mn concentrations in different phosphorus rates after wheat planting

2.3 不同磷水平對鋁變化的影響

圖 3 可知，鋁在土壤溶液中的變化趨勢和錳相似，隨著磷的增加溶液中鋁的濃度也逐漸降低。未施入磷時(圖 3A)，種植小麥后的 8 天，鋁濃度先快速降低，然后趨于平穩。不同磷水平處理下，小麥種植前后土壤溶液中鋁濃度變化變小，當磷水平到達 800 mg/kg時，鋁濃度變化最小。CaCO3的加入可以升高土壤pH，緩解鋁的毒害，由圖 3B 可知，加 CaCO3后溶液中的鋁含量大大降低，同時在 CaCO3降低鋁活度的前提下，磷的加入同樣可以降低鋁在土壤溶液中的濃度。

2.4 不同磷水平對鎂變化的影響

鎂在土壤溶液中濃度的變化趨勢和錳、鋁相似，隨著磷施入的增加溶液中鎂的濃度也逐漸降低(圖4)。CaCO3的加入同樣可以降低鎂的濃度，同時隨著種植時間的增加，濃度逐漸降低。

圖3　不同磷水平下種植小麥土壤溶液鋁濃度變化Fig.3 Variations of Al concentrations in different phosphorus rates after wheat planting

圖4　不同磷水平下種植小麥土壤溶液鎂濃度變化Fig.4 Variations of Mg concentrations in different phosphorus rates after wheat planting

2.5 不同磷水平對鈣變化的影響

在小麥種植前后，相比于鋁、錳、鎂，土壤溶液中鈣濃度變化量最小，但同樣鈣濃度有隨著磷水平的增加而降低的趨勢。CaCO3的加入顯著地增加了土壤溶液中鈣的濃度(圖 5B)。

2.6 小麥生長對不同磷水平的響應

從圖 6 可知，在未加 CaCO3的情況下(圖 6A)，小麥地上部生物量隨著磷水平的增加而增加，當磷水平達到 400 mg/kg 時，生物量達到最大，隨后磷增加小麥地上部生物量降低。小麥地下部生物量對磷的響應和地上部一致。施加 CaCO3后，地上部和地下部生物量都要高于未施加 CaCO3處理，地上部生物量增加趨勢和未加 CaCO3處理一致，但是在磷水平200 mg/kg 時，小麥生物量積累已達峰值，隨后磷施入量的增加并未增加地上部生物量的累積(圖 6B)。而地下部分生物量不同，隨著磷水平的增加，地下部生物量降低(圖 6B)。

圖5　不同磷水平下種植小麥土壤溶液鈣濃度變化Fig.5 Variations of Ca concentrations in different phosphorus rates after wheat planting

圖6　不同磷水平下小麥生物量變化Fig.6 Variations of biomasses in different phosphorus rates

3 結論與討論

在土壤溶液中，磷的加入降低了錳、鋁、鎂、鈣離子的濃度，而這種作用可能是磷離子在土壤溶液中的無機配體和土壤中其他金屬陽離子形成絡合物[13]，從而降低其在土壤中的活度。很多研究表明，磷可以降低鋁毒害，在本試驗中(圖 2)，隨著磷水平的增加，土壤溶液中的鋁濃度降低。這和 Sloan等[14]以及Wright等[15]的研究結果一致，他們發現隨著磷水平的增加，土壤中氯化鈣提取的鋁濃度降低。同時他們推斷加入的磷和鋁形成鋁磷化合物從而降低了鋁的活度。而鈣鎂等離子同樣可以和磷酸根離子形成相應的化合物，從而降低其離子的活度，對于錳的影響相關報道較少。在酸性土壤中施用石灰或者石灰石粉是改良酸性土壤的傳統和有效方法，使用石灰可以中和土壤的活性酸和潛性酸，生成氫氧化物沉淀，消除鋁毒，迅速降低酸性土壤的酸度，增加土壤中交換性鈣等的質量分數[16]。本試驗中，CaCO3施入的情況下，鈣離子濃度顯著提高，同時磷水平增加同樣可以降低土壤溶液中錳、鋁、鎂的濃度，說明在一定的 pH 范圍內，磷同樣可以和鋁、鎂配合從而降低其在土壤中的活性。

土壤中無機磷成分復雜，大致可以分為 3 種形態：水溶態、吸附態和礦物態[17]。而土壤 pH 直接關系到土壤中無機磷的存在形態，不同磷的存在形態和土壤中其他離子的相互作用，又影響了其他離子在土壤溶液中的有效性和活度。在酸性土壤中由于活性鐵、鋁對磷的吸附固定作用和沉積作用，可降低土壤無機磷的有效性，相反無機磷的加入又可以降低鐵、鋁在土壤中的活度。在不同 pH下，離子的形態以及離子間相互作用不同[18]，本試驗中，我們發現土壤pH 在種植后的 8 天急劇升高，隨后趨于穩定。這可能和土壤的氧化還原有關，土壤在淹水還原條件下鐵、錳、鋁等氧化物被還原，這一過程需要消耗 H+；土壤在落干氧化條件下一些還原性物質又重新被氧化，這一過程會釋放 H+，但這兩個相反過程并不是完全可逆的[19]。

根系作為植物吸收礦質元素的主要器官，具有高度的形態可塑性，能夠通過修飾自身的根系發育和構型以更好地適應多變的外部環境。在缺磷情況下，植物將更多的碳水化合物分配到根系，促進根系的生長，引起根冠比增大。低磷脅迫不僅增加根系的生物量，而且會引起植物根系形態結構發生顯著變化，包括總根、側根的長度和數目等，以提高根系與土壤的接觸面積，提高對土壤磷素的吸收利用效率[20-21]。本研究中(圖 6B)，在加入 CaCO3情況下，地上部生物量隨著磷水平的增加先增后降，而地下部生物量則不同，隨著磷水平的增加，地下部生物量降低。這可能是在CaCO3緩解了鋁毒害情況下，植物對磷的響應，在缺磷和低磷情況下，根系更加發達積累了更多的生物量，而隨著磷水平的增加土壤有效磷含量增加，植物更容易獲取磷，根系生物量積累反而降低。

從小麥生物量來看，本研究中無論施 CaCO3與否，200 mg/kg 磷水平下，小麥生長就可達到最佳。在不加 CaCO3時 200 mg/kg 磷水平下土壤溶液鋁含量相對對照降低了 40%，可以有效緩解鋁的毒害作用。據此，推斷在酸性紅壤中，小麥生長較適宜的施磷量為 200 mg/kg，折合 450 kg/hm2。

參考文獻：

[1]Kochian L V.Cellular mechanisms of aluminum toxicity and resistance in plants[J].Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology,1995,46:237-260

[2]熊毅,李慶逵.中國土壤[M].北京:科學出版,1987:39l

[3]魯如坤,時正元.退化紅壤肥力障礙特征及重建措施Ⅰ退化狀況評價及酸害糾正措施[J].土壤,2000,32(4):198-200

[4]周希琴,吉前華.鉻脅迫對不同玉米品種種子萌發生理生態的影響[J].湖北農業科學,2005(4):41-45

[5]蔣云芳,儲寅芳,蔣定安.湖白土水稻高產栽培磷肥適施量研究[J].江蘇農業科學,1999(2):46-48

[6]文石林,董春華,高菊生,等.酸性紅壤下施磷對墨西哥玉米生長和土壤肥力的影響[J].西北農業學報,2010,19(10):60-63

[7]孫清斌,董曉英,沈仁芳.施用磷、鈣對紅壤上胡枝子生長和礦質元素含量的影響[J].土壤,2009,41(2):206-211

[8]He G H,Zhang J F,Hu X H,et al.Effect of aluminum toxicity and phosphorus deficiency on the growth and photosynthesis of oil tea(Camellia oleifera Abel.)seedlings in acidic red soils[J].Acta Physiologiae Plantarum,2011,33:1 285-1 292

[9]Ritchie G S P.The chemical behaviour of aluminum hydrogen and manganese in acid soils // Robson A D.Soil Acidity and Plant Growth[M].Australia:Academic Press,1989:1-60

[10]林咸永,章永松,陶勤南.不同耐鋁的小麥基因型在酸性鋁毒土壤的適應性及其與體內養分狀況的關系[J].浙江大學學報(農業與生命科學版),2000,36(6):636-639

[11]Yanai J,Araki S,Kyuma K.Use of a looped hollow-fiber sampler as a device for nondestructive soil solution sampling from the heterogeneous root-zone[J].Soil Science and Plant Nutrition,1993,39:737-743

[12]Kochian L V,Hoekenga O A,Pineros M A.How do crop plants tolerate acid soils? Mechanisms of aluminum tolerance and phosphorous efficiency[J].Annual Review of Plant Biology,2004,55:459-493

[13]Lindsay W L,Vlek P L G,Chien S H.Phosphate minerals // Dixon J B,Weed S B.Minerals in Soil Environment,2 nd edn[M].Madison,WI,USA:Soil Science Society of America,1989:1 089-1 130

[14]Sloan J J,Basta N T,Westerman R L.Aluminum transformations and solution equilibria induced by banded phosphorus fertilizer in acid soil[J].Soil Science Society of America Journal,1995,59:357-364

[15]Wright R.J,Baligar V C,Belesky D P,et al.The effect of phosphate rock dissolution on soil chemical properties and wheat seedling root elongation[J].Plant and Soil ,1991,134:21-30

[16]王文軍,郭熙盛,武際,等.施用白云石對酸性黃紅壤作物產量及化學性質的影響[J].土壤通報,2006,37(4):723-726

[17]Deb D L,Datya N P.Effect of associating anions on phosphorus retention in soil，under variable anion concentration[J].Plant and Soil,1967,3:432-444

[18]沈乒松,張鼎華.酸性土壤無機磷研究進展[J].福建林業科技,2005,32(1):75-78

[19]朱玉祥,馬良,朱黎明,等.氧化還原條件下有機物料對酸性土壤pH、鐵形態和銅吸附解吸的影響[J].中國土壤與肥料,2011(5):65-68

[20]Mollier A,Pellein S J.Maize root system and development as influenced by phosphorus deficiency[J].Journal of Experimental Botany,1999,50:487-497

[21]潘相文,唐才賢,王光華,等.作物耐低磷適應機制研究進展[J].吉林農業大學學報,2005,27(4):434-441

Effects of Different Phosphorus Rates on Variations of Mn,Al,Mg and Ca Concentrations in Soil Solution and Wheat Growth in Acid Red Soil

SHAO Jifeng1,2,CHEN Rongfu1,DONG Xiaoying1,SHEN Renfang1*
(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture(Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences),Nanjing 210008,China; 2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:To investigate the effects of different phosphorus rates on the variations of Mn,Al,Mg and Ca concentrations in soil solutions and wheat responses to phosphorus in acid red soil,a pot experiment with a non-destructive soil-solution sampler preinstalled were conducted with increasing phosphorus fertilizer levels from 0 to 800 mg/kg.The results showed that pH was increased while the concentrations of Mn,Al,Mg and Ca in soil solutions were significance lower amended with CaCO3than without CaCO3.Compared to 0 mg/kg phosphorus treatment the concentrations of Al,Mn,Mg and Ca at least decreased 47%,44%,37% and 33% after 800 mg/kg phosphorus treatment no matter amended with CaCO3or not.Wheat biomass was accumulated highest in 200 mg/kg phosphorus treatment then decreased as phosphorus rates increased.However,the root biomass trended to decline as phosphorus rate increased while the soil was amended with CaCO3.Those results indicated that CaCO3could increase pH and decrease Mn,Al and Mg concentrations in soil solution.At the same time,phosphorus could alleviate Mn and Al toxicities in acid red soils while decrease Mn and Al concentrations in soil solution.200 mg/kg phosphorus fertilizer was suitable for wheat growth in acid red soil.

Key words:Phosphorus; Red soil; Wheat

作者簡介：邵繼鋒(1983—)，男， 浙江建德人，博士研究生，主要從事植物營養與逆境生理研究。E-mail:brianshao888@gmail.com

* 通訊作者(rfshen@issas.ac.cn)

基金項目：①國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2014CB441002)和國家杰出青年科學基金項目(41025005)資助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.005

中圖分類號：S512.1