磷矿粉在水稻土中的溶解—转化特性及生物有效性研究

论文摘要

自从上世纪80年代初开展的全国第二次土壤普查以来,随着对磷肥施用的重视,至20世纪末水稻土中磷素大多有不同程度的积累,某些地区甚至出现了盈余过大的现象,生产上表现为磷肥对当季作物增产效果大多不明显,且连续在高磷水平土壤上施用水溶性磷肥有因磷素流失引起水体富营养化的风险。为了维持土壤有效磷水平和达到植物的最大产量和最佳品质,合理的磷肥施用是必可不少的。因此,寻找既能维持原有的土地生产力,又能降低农田磷的损失风险的磷源,作为水溶性磷肥的补充或替代有着重要的意义。大量研究表明,在大多数热带和亚热带地区酸性土壤上施用磷矿粉能够取得与水溶性磷肥相当的效果。从创造可持续性和环境友好型农业生产系统出发,深入开展磷矿粉作为高磷水稻土维持性磷肥的研究,就显得很有必要。本论文采用室内培养和温室盆栽试验相结合,探讨了磷矿粉在水稻土中的溶解-转化特性及其生物有效性,揭示了施用磷矿粉后土壤磷素组分的变化以及对植物生长和土壤微生物群落的影响。获得的主要研究结果如下:（1）通过对除磷素水平外其他性质基本相同的三个酸性水稻土进行培养试验,研究了淹水时间对土壤树脂提取态磷以及土壤对磷吸附、解吸特性的影响。结果显示:随着淹水时间的延长,三个土壤的pH值均不断升高,而树脂提取态磷不断下降,且均在14天左右趋于稳定。磷的等温吸附试验表明:5个培养时间段上三种土壤对磷的吸附特征都能很好地用Langmuir方程描述,相关性均达到极显著水平。三个土壤对磷的吸附能力均随着淹水时间的延长而不断增加;且从淹水培养7天至28天,低磷土壤（NK和CK）的最大吸磷量（Xm）、最大缓冲容量（MBC）和标准需磷量（SRP）三个吸附常数均显著高于高磷土壤（NPK）。通过采用交换性离子树脂球对土壤进行磷的解吸试验发现:土壤磷的解吸量与吸附量呈极显著的线性相关,土壤对磷的解吸率均随着淹水时间的延长而不断下降;在各个淹水时间段内,高磷土壤磷的解吸率始终显著高于低磷土壤。（2）研究了淹水条件下贵州省开阳磷矿（GPR）和江西省吴村磷矿（WPR）两种磷矿粉在上述三个水稻土中溶解性和有效性的动态变化特征。结果表明,两种磷矿粉在水稻土中的溶解量随淹水时间延长而增加。两种磷矿粉在土壤NK和CK中的溶解量显著大于在土壤NPK中的溶解量。WPR在土壤中的溶解量大于GPR。两种磷矿粉在三个土壤中的溶解动态都能很好地用Mitscherlich方程进行拟合,相关性均能达到显著性水平。施磷矿粉后土壤的有效磷含量都有不同程度的增加,但动态变化较为复杂。施WPR后土壤有效磷增加量的平均值随淹水时间延长而增加,而施GPR后土壤有效磷增加量的平均值随淹水时间延长而减小。与GPR相比,施用WPR能更多的增加土壤有效磷含量。（3）采用淹水培养试验对影响磷矿粉在水稻土中的溶解和有效性因素进行了研究。研究发现,磷矿粉在水稻土中的溶解量与土壤pH、交换性钙离子含量以及土壤粉粒含量呈极显著或显著的负相关,而与土壤粘粒含量呈显著的正相关。经逐步回归建立了磷矿粉溶解量（y）与土壤性质的方程为y=41.76-5.58[pH（KCl）]+8.81[K],其中K为土壤对磷的吸附常数,土壤pH（KCl）是影响磷矿粉溶解的最重要的因素。加入磷矿粉后土壤有效磷的增加量（ΔResin-P）和加入水溶性磷肥后土壤ΔResin-P之间有很好的相关性,且两者均与土壤的Olsen-P含量呈极显著的正相关。加入MCP后土壤ΔResin-P占ΔNaOH-P的百分比[ΔResin-P/ΔNaOH-P（%）]与土壤Olsen-P含量呈极显著的正相关。加入WPR后土壤ΔResin-P/ΔNaOH-P（%）与土壤Olsen-P含量呈极显著性正相关,而与土壤粘粒含量、最大吸磷量（Xm）呈显著的负相关。经逐步回归建立加入磷矿粉后土壤ΔResin-P/ΔNaOH-P（%）（y1）与土壤性质间的方程为y1=55.22+0.73[Olsen-P]一0.17[Xm],土壤Olsen-P含量是影响其变化的最重要因素。（4）通过在前述三个不同磷水平水稻土上进行盆栽试验,研究了不同磷肥处理对黑麦草生长的影响及种植黑麦草后土壤磷组分的变化。磷肥处理包括不施磷（Control）、施KPR（全P）500 mg P/kg(KPR500)、施KPR（全P）1000 mg P/kg(KPR1000)和施水溶性过磷酸钙22 mg P/kg（SSP）。结果表明,与不施磷处理相比,施磷后低磷土壤（NK和CK）上黑麦草干物质重和吸磷量的增幅范围分别为32.7%～53.0%和82.4%～151.9%;在高磷土壤（NPK）上其增幅较小,分别为11.0%～14.0%和51.1%～65.0%。相同施肥处理时,三个土壤上黑麦草干物质重和吸磷量的大小顺序均为NPK>NK>CK。三个土壤经KPR500、KPR1000和SSP施磷处理后黑麦草的磷肥农学利用率（AEP）平均值分别为5.6、2.5和124.2,磷肥表观回收率（REP）平均值分别为1.0、0.7和21.1。种植黑麦草后，与不施磷处理相比,施磷矿粉后土壤无机磷组分Resin-P,NaHCO3-Pi和NaOH-Pi均有不同程度的增加。当磷矿粉施用量达到1000 mg P/kg时三个土壤中活性有机磷组分NaHCO3-Po出现明显的积累,三个土壤中NaHCO3-Po含量平均增加了10.69 mg P/kg,而NaOH-Po含量不受施磷影响。施磷矿粉后土壤HCl-P和Residual-P含量显著增加。（5）通过温室盆栽试验研究了两种不同磷水平土壤上不同磷肥处理对黑麦草生长的影响,并采用Hedley等的方法间接追踪了植物对磷矿粉溶解的促进作用。研究结果表明:低磷土壤上施磷能显著增加黑麦草的干物质重和吸磷量;高磷土壤上施用磷肥黑麦草增产效果不明显,且出现了对磷的奢侈吸收。施用水溶性磷肥显著增加了Resin-P、NaHCO3-Pi和NaOH-Pi三个无机磷组分的含量。磷矿粉施用显著提高了土壤Resin-P和HCl-P的含量。与第5章磷矿粉大量施用（1000 mg P/kg）不同,在本章磷矿粉施用量（≤250 mg P/kg）的情况下有机磷组分NaHCO3-Po比较稳定,无显著性变化。通过相关分析发现,黑麦草吸磷量与土壤Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Pi等组分呈极显著的正相关关系。通过Tambunan等人的方法计算磷矿粉的溶解量发现:黑麦草对磷矿粉溶解存在促进作用,且这种促进作用更容易体现在高磷土壤上。（6）应用磷脂脂肪酸（PLFA）法研究了不同施磷处理对土壤微生物群落的影响。研究发现,种植黑麦草促使含有20:4特征磷脂脂肪酸的丛枝菌根真菌与其产生了共生作用。高量磷矿粉和水溶性磷肥施用显著增加了土壤微生物生物量。土壤真菌对磷肥施用的反映最为灵敏,KPR50、KPR250和MCP50处理土壤真菌生物量分别比不施磷处理增加了72%、106%和71%。施用水溶性磷肥的土壤微生物群落明显不同于施用磷矿粉和不施磷处理。磷肥的有效性及其改善土壤磷素有效性的能力可能是推动其微生物群落显著改变的一个因素。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 文中缩写
• 第1章 绪论
• 1.1 磷矿粉的化学组成
• 1.2 影响磷矿粉农学利用效率的因素
• 1.2.1 磷矿粉自身的活性
• 1.2.2 土壤的性质
• 1.2.3 作物类型
• 1.2.4 气候条件
• 1.2.5 管理措施
• 1.3 改善磷矿粉农学肥效的方法
• 1.3.1 生物学方法
• 1.3.2 化学方法
• 1.3.3 物理方法
• 1.4 磷矿粉应用的研究进展
• 1.5 磷的吸附与解吸
• 1.5.1 磷的吸附与解吸的机理
• 1.5.2 土壤对磷吸附和解吸的数学模拟方程
• 1.6 土壤中磷素的分级
• 1.7 施肥对土壤中微生物群落的影响
• 1.8 问题的提出
• 第2章 淹水时间对土壤磷的吸附和解吸的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 土壤
• 2.2.2 土壤pH值和树脂磷
• 2.2.3 土壤固磷能力测定方法
• 2.2.4 土壤磷解吸能力测定方法
• 2.2.5 数据分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 淹水时间对pH值和树脂磷的影响
• 2.3.2 淹水时间对土壤固磷能力的影响
• 2.3.3 淹水时间对磷的解吸特性的影响
• 2.4 讨论
• 2.5 本章小结
• 第3章 磷矿粉在不同磷素水平酸性水稻土中的溶解动态研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 土壤样品
• 3.2.2 磷矿粉
• 3.2.3 磷矿粉在水稻土中的溶解和有效性
• 3.2.4 数据分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 磷矿粉在水稻土中的溶解
• 3.3.2 运用Mitscherlich方程模拟磷矿粉溶解动态
• 3.3.3 加入磷矿粉后水稻土有效磷的变化
• 3.4 讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 影响磷矿粉在淹水水稻土中溶解和有效性的因素研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 水稻土
• 4.2.2 磷肥品种
• 4.2.3 测定指标
• 4.2.4 数据分析
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 供试土壤的理化性质
• 4.3.2 磷的等温吸附曲线
• 4.3.3 不同磷肥加入后ΔNaOH-P的变化
• 4.3.4 加入磷肥后土壤有效磷增加量的变化
• 4.3.5 加入后磷肥ΔResin-P占ΔNaOH-P的百分比的变化
• 4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 磷肥在酸性水稻土中生物有效性研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 土壤
• 5.2.2 磷肥品种
• 5.2.3 盆栽试验设计
• 5.2.4 数据分析
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 磷肥处理对黑麦草生长和磷素养分吸收的影响
• 5.3.2 磷肥处理对黑麦草吸磷量的影响
• 5.3.3 黑麦草的磷肥利用效率
• 5.3.4 磷肥对土壤各形态磷的影响
• 5.4 讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 不同磷素水平水稻土中植物促进磷矿粉溶解作用的研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 土壤
• 6.2.2 磷肥品种
• 6.2.3 盆栽试验设计
• 6.2.4 数据分析
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 黑麦草的生长情况
• 6.3.2 黑麦草干物质重与吸磷量的关系
• 6.3.3 土壤磷的分级
• 6.4 讨论
• 6.4.1 吸磷量与土壤磷素分级之间的关系
• 6.4.2 磷矿粉的溶解量
• 6.5 本章小结
• 第7章 不同磷肥处理对土壤微生物群落的影响
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 土壤
• 7.2.2 磷脂脂肪酸分析
• 7.2.3 数据分析
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 不同磷肥处理对微生物生物量的影响
• 7.3.2 不同微生物菌群生物量的变化
• 7.3.3 微生物群落结构的变化
• 7.4 讨论
• 7.5 本章小结
• 第8章 研究结论、创新点及展望
• 8.1 研究结论
• 8.1.1 淹水时间对土壤磷的吸附和解吸能力的影响
• 8.1.2 磷矿粉在不同磷素水平酸性水稻土中的溶解特性
• 8.1.3 淹水条件下影响磷矿粉溶解和有效性的因素
• 8.1.4 磷肥在不同磷素水平酸性水稻土中的生物有效性
• 8.1.5 不同磷素水平酸性水稻土中植物对磷矿粉溶解促进作用
• 8.1.6 不同磷肥处理对微生物群落的影响
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 作者简历