施有机肥对稻田剖面土壤胶体颗粒形态及胶体磷含量的影响

作者:未知

  摘要:选取浙江省嘉兴市农业科学研究院连续8年施用猪粪有机肥的稻田剖面(0~60 cm)土壤,研究施用有机肥对稻田土壤胶体含量、赋存形态及胶体磷分布的影响。将剖面土壤分为0~5、5~20、20~40、40~60 cm 4层,通过振荡→离心→微滤→超滤等步骤获取土壤胶体颗粒(1 nm~1 μm),并利用傅里叶红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜能谱(SEM-EDS)、透射电子显微镜(TEM)等技术对分离的土壤胶体颗粒进行表征分析,同时测定各层土壤胶体磷的含量。结果表明,施用有机肥显著增加了深层土壤胶体颗粒的含量,在40~60 cm土层,高(M3)、中(M2)、低(M1)3种处理的土壤胶体含量分别是不施肥处理(CK)的1.51、1.38、1.33倍。施有机肥增加了0~20 cm土层土壤胶体颗粒多水高岭石和白云母晶体矿物的含量。在各层土壤样品中,溶解磷和胶体磷的含量随有机肥施用量的增加而增加;在20 cm土层深度下,胶体磷的含量高于溶解磷含量。
  关键词:稻田土;有机肥;胶体;磷;颗粒形态
  中图分类号: S152;S511.06;X53 文献标志码: A 文章编号:1002-1302(2019)23-0269-07
  将畜禽粪便处理后作为有机肥输入稻田土壤,一方面可以减少农村畜禽养殖废弃物的排放,另一方面可以增加土壤肥力,保证作物养分供给。与化肥相比,有机肥的养分组成更加复杂,向土壤中输入氮、磷等养分元素的同时带入了大量有机质,且这些物质多数以胶体颗粒形式存在[1]。与氮素可能以湿沉降的方式进入土壤不同,磷进入土壤系统几乎全部依靠外源肥料的输入。随着有机肥施用时间的增加,磷素在土壤中大量累积赋存,降水量大时可能发生地表径流、下渗和侧渗等多种途径的流失。粒径介于1 nm~1 μm之间的胶体颗粒具有液-固两相的共性,是作为促进污染物向地下环境迁移的重要载体[2]。因此,阐明田间施用有机肥对土壤胶体颗粒赋存形态及胶体磷分布的影响,对稻田合理设计有机肥施用量及控制磷污染物流失具有实际意义。本试验以连续8年施用有机肥的稻田土壤为研究对象,以田间小区试验为基础,在水稻收获后采集剖面土壤并分离得到土壤胶体颗粒,考察不同有机肥用量对土壤剖面胶体颗粒及吸附磷含量的影响,利用傅里叶红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜能谱(SEM-EDS)和透射电子显微镜(TEM)技术对土壤胶体颗粒的物理化学形态进行表征,以期为杭嘉湖平原的稻田有机肥施肥管理和胶体颗粒促进的磷素迁移转化规律研究提供理论依据。
  1 材料与方法
  1.1 试验区概况
  长期施用猪粪有机肥的试验点位于浙江省嘉兴市农业科学研究院的双桥农场(120°40′E、30°50′N)。嘉兴市地处典型的亚热带季风气候区,年平均气温为15.7~16.5 ℃,年平均降水量为1 300 mm左右,雨季在每年的3—9月。试验点土壤系河湖海相沉积物发育,是1种典型的潜育性水稻土。从国际制土壤粒级分类标准判断,该地土壤属于黏土类型。当地种植模式为水稻—油菜轮作,水稻季是从6月到11月,油菜季是从11月至翌年5月。试验点土地自2005年起长期接受猪粪有机肥作为基肥用于水稻生产,水稻季仅追施无机氮肥,不补施磷肥。油菜季利用土壤自身肥力进行生产,不额外施肥。当地耕层(0~15 cm)土壤pH值为7.2,阳离子交换量(CEC)为8.1 cmol/kg,土壤全碳含量为25.2 g/kg,全氮含量为3.0 g/kg,全磷含量为0.9 g/kg,土壤容重为 1.52 g/cm3。
  1.2 试验设计
  试验采用腐熟的猪粪作为有机肥。根据当地农事习惯,共设计了4个有机肥施用水平,分别为CK(0 kg/hm2)、M1(1 930 kg/hm2)、M2(2 895 kg/hm2)、M3(3 860 kg/hm2),折合成磷素施用量分别为0、26、39、52 kg/hm2。每个处理设3个平行,共12个小区,随机区组设计,小区面积为20 m2(5 m×4 m),南北长,东西宽,呈2列排列。每年水稻季开始前,将猪粪作为基肥一次性输入土壤表层并充分耘田。
  1.3 样品采集及分析方法
  1.3.1 土壤样品采集与胶体颗粒分离 本研究于2013年11月初水稻季结束、田面水完全落干后,利用长60 cm、直径 5 cm 的土钻采集试验田0~60 cm土层土壤样品,采样时在每个小区内选取3处地点钻取土柱,并将土柱分为0~5、5~20、20~40、40~60 cm 4个层次后装入塑料封口袋内,保存在4 ℃移动冰箱中运回实验室。将所有土壤样品分为2个部分,一部分用烘箱烘干测定土壤含水率等基础指标,另一部分自然风干10 d后用木棒碾磨,过2 mm篩后备用。
  称取10 g新鲜土壤样品置于250 mL玻璃三角瓶中,加入80 mL去离子水;在培养箱中于25 ℃、120 r/min振荡 16 h。将悬浊液在4 680 r/min条件下离心10 min;将上清液在真空抽滤瓶装置上通过孔径为1 μm的微孔滤膜,弃去前 5 mL 滤液;余下的滤液在42 000 r/min条件下离心2 h;将上清液小心吸出,待离心管中的沉淀物冷冻干燥后小心取出土壤胶体颗粒[3],低温保存。
  1.3.2 土壤溶解磷和胶体磷的测定 测定土壤溶解磷和胶体磷的准备步骤同“1.3.1”节。吸取未经过超高速离心和经过超高速离心的水样各5 mL置于25 mL比色管中,加入 1 mL 含150 mmol/L K2O8S2和180 mmol/L H2SO4的溶液,于95 ℃消煮60 min。消煮后利用钼蓝比色法测定样品中的总磷浓度,溶解磷浓度=经过超高速离心样品中的总磷浓度;胶体磷浓度=未经过超高速离心样品的总磷浓度-经过超高速离心样品中的总磷浓度。
  1.3.3 土壤理化分析 土壤pH值(土水比为1 g∶ 5 mL)用玻璃探头pH计(PHS-3C,上海雷磁仪器厂)测定;土壤CEC采用乙酸铵法测定[4]。土壤养分测试内容包含总碳、总氮、总磷、土壤有机碳、有机磷和有效磷含量等。土壤总碳和总氮含量采用Vario MAX CNS元素分析仪(Elementar,德国)测定;土壤总磷含量采用H2SO4-HClO4高温消解,钼锑抗比色法测定;土壤有机碳含量采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定;土壤有机磷含量采用灼烧法测定;土壤有效磷含量采用碳酸氢钠浸提法测定。   土壤胶体颗粒样品(用“1.3.1”节中的方法获取)经过离子溅射喷金处理,使样品表面导电后置于热场发射扫描电子显微镜(SEM,SIRION-100,荷兰)下,在放大倍数5 000~10 000 之间观察土壤胶体颗粒表面形貌。利用X射线能量色散谱仪(EDS,Genesis 4000,美国)分析土壤胶体颗粒上金属元素(Fe、Al、Ca、Mg、Mn等)的分布及含量百分比。利用透射电镜(TEM,Tecnai G2,荷兰)在5 000~10 000倍的放大倍数下观察土壤胶体颗粒的内部结构特征。
  为测定土壤胶体颗粒表面官能团特征,将1 mg土壤胶体颗粒与溴化钾研磨混合(质量比1 ∶ 200)压片,在红外光谱仪中(IR Prestige-21,日本)进行全波段扫描,以4 cm-1为步长扫描样品,扫描范围为400~4 000 cm-1。
  为测定土壤胶体颗粒晶体矿物类型,采用X'Pert PRO型X射线衍射仪(PANalytical,荷兰)对土壤胶体颗粒进行X射线衍射表征,入射角在5°~70°之间,扫描步长为0.017°,扫描速度为10 s。采用MDI Jade 5.0软件处理XRD(X射线衍射)试验数据,并用内置的物相比对卡确定衍射峰处的晶体物相类型。
  1.4 图像和数据处理
  利用Origin 7.5和SPSS 18.0软件进行绘图和数据分析,数据为3次重复的平均值和1个标准偏差。利用单因素方差分析(one-way ANOVA)中的最小显著差异法(LSD)进行不同处理间95%的显著性差异分析,显著性水平设定为0.05。
  2 结果与分析
  2.1 施有机肥对剖面土壤粒径和磷素含量的影响
  从表1可以看出,施用有机肥对0~20 cm土层土壤的pH值、CEC、总碳含量和总氮含量影响较大,随着有机肥用量增加,表层0~20 cm土壤的CEC、总碳含量和总氮含量增加,且各处理与对照相比均存在明显差异。表2中,黏粒比例为 38.5%~43.1%,粉粒比例为24.9%~33.5%,同种施肥处理的土壤剖面黏粒、粉粒百分比变化不大,长期增施猪粪对土壤粒径分布的影响不大,各处理间无显著差异。在0~5、5~20、20~40 cm土层中,随着有机肥用量的增加,土壤总磷含量呈逐渐增加的趋势。在0~5 cm土层中,土壤有机磷含量从M0处理下的0.22 g/kg增至M3处理下的 0.61 g/kg;施有机肥降低了有机磷占总磷的比例,从M0处理下的18.33%降至M3处理下的16.09%,但M1、M2和M3这3种处理间有机磷占总磷的比例无显著差异。在5~20 cm土层,除了M0、M1与M3处理间差异显著,4种施肥处理的有机磷含量无显著差异,但随着有机肥用量的增加,有机磷占总磷的比例逐渐降低,从M0处理下的19.81%降至M3处理下的9.97%,M0处理与其他3种有机肥处理间存在显著差异(P<0.05)。4种施肥处理对0~5、5~20 cm土层的土壤有效磷影响较明显,变化趋势和土壤总磷相似。增施猪粪对20~40、40~60 cm土层土壤的有效磷含量影响不显著,各处理间没有显著差异。
  2.2 土壤胶体颗粒的形态表征
  选取M3处理的0~5 cm土层土壤胶体颗粒用于扫描电镜和透射电镜图谱分析,用于能量色散谱仪分析的土壤胶体颗粒分别来自M3处理的0~5、5~20、20~40、40~60 cm土层。在100~200 nm尺度上,通过透射电镜可以观察到土壤胶体颗粒呈现鳞片状聚簇成团的形貌,很少有分散的球状颗粒存在(图1-a、图1-b),这符合水云母多以鳞片状结构存在的特征。在1~2 μm的尺度上,通过扫描电镜可以观察到土壤胶体颗粒呈现片状堆叠的二聚体、三聚体形貌,这与透射电镜的结果一致(图1-c、图1-d)。通过能谱分析可知,土壤胶体颗粒上存在的主要非金属元素有O、Si、C。这可能是因为土壤胶体颗粒由硅酸盐矿物质以及有机物组成。土壤胶体颗粒中主要存在的金属元素有Al、Fe、Mg、K、Ca等,这与白云母、多水高岭石等矿物晶体所含元素相吻合,与“2.5”节XRD分析结果一致。此外,在M3处理的20~40 cm土层,土壤胶体颗粒上还检测到较多的磷元素(图1-g)。
  2.3 施有机肥对土壤胶体颗粒含量的影响
  4种施肥处理下,土壤0~60 cm剖面的胶体颗粒含量分布见图2。可以看出,随土壤深度的增加,土壤水分散性胶体颗粒的含量总体上呈现增加的趋势;但增施猪粪有机肥对土壤水分散性胶体颗粒含量的影响不一致。在0~5 cm土层,4个水平有机肥处理的土壤胶体颗粒含量的范围是 0.93~337 g/kg,4种处理之间没有显著差异。5~20 cm土层的土壤胶体颗粒的含量比0~5 cm土层略有增加,但4种处理之间仍没有显著差异。在20~40 cm土层,胶体颗粒的含量比前2层显著增加;M2和M3这2种处理的胶体含量间无显著差异,但比M1和M0处理的胶体颗粒含量显著提高。在40~60 cm土层,胶体颗粒的含量随着有机肥施用量的增加而增加,最高值为M3处理下的10.7 g/kg。农田土壤系统中的胶体颗粒可能来自黏土矿物、金属氧化物和腐殖酸等天然有机质[2,5-6]。长期施肥会影响土壤理化性质,如pH值、Eh值(氧化还原电位)、有机质含量等,这些都与土壤胶体颗粒的释放有密切的关系。有学者研究发现,从大孔隙中释放的胶体与土壤黏粒含量呈显著正相关关系[7],土壤pH值的变化也会显著影响胶体颗粒从土壤基质中的释放量[3]。
  2.4 施有机肥对土壤胶体颗粒官能团的影响
  不同施肥处理对不同深度土壤胶体颗粒的FTIR吸收峰影响不大,仅在个别样品中吸收峰的强度有差异。检测到土壤胶体颗粒的吸收峰主要出现在3 700、3 628、3 391、2 938、2 874、1 645、1 385、1 107、1 039、912、868、748、692、532、467 cm-1 等波数处(图3),各波数对应的主要官能团见表3。从峰型上看,400~1 300 cm-1的低频区内吸收峰较多,而 1 300~4 000 cm-1的中高频区内吸收峰较少。所有FTIR图谱中,最明显的是出现在1 039 cm-1处的强吸收峰,该吸收峰表明所有土壤胶体颗粒均可能含大量硅酸盐。3 700、3 628 cm-1 2处是明显的1 ∶ 1型高岭石特征吸收峰。M1(40~60 cm)、M2(20~40 cm)和M3(40~60 cm)等样品在 3 391 cm-1 处存在明显较宽的吸收峰,表明这些土壤胶体颗粒矿物上可能含有较多的结晶水。在4种处理的40~60 cm土层均发现了2 938、2 874 cm-1 2个弱吸收峰,表明样品具有明显的脂肪族CH2、CH3伸缩振动。所有样品在1 645 cm-1处具有明显的吸收峰,这表明土壤胶体颗粒可能由含有芳香族CC基团的碳骨架构成。在40~60 cm土层,4种处理的土壤胶体颗粒均出现了1 385 cm-1的吸收峰;而在0~5、5~20 cm土层,4种处理的土壤胶体颗粒均没有出现该吸收峰,这表明耕作层含羧酸盐COO—键的礦物可能较少,施有机肥没有增加耕层含这种官能团化合物的含量。   2.5 施有机肥对土壤胶体晶体结构的影响
  根据XRD图谱衍射峰的出峰位置和强度,推测嘉兴土壤胶体颗粒的主要晶体结构组成可能有衍射峰出现在20.5°、352°、61.0°的多水高岭石-7A(Al2Si2O5(OH)4)和衍射峰出现在18.5°、26.5°、35.0°、45.3°的白云母-3T(K,Na)(Al,Mg,Fe)2(Si3.1Al0.9)O10(OH)2(图4)。对比各处理间的XRD图谱可以发现,增施猪粪有机肥对0~5、5~20 cm土层土壤胶体颗粒晶体结构的影响较明显。相比于M0处理,M1、M2、M3处理的0~20 cm土层土壤胶体颗粒出现了20.5°、26.5°和352°这3处较强的衍射峰;但M1、M2、M3 3种处理之间衍射峰强度的差异不明显。 在20 cm以下土层,4种处理的土壤胶体颗粒晶体结构差别不大。这表明相比于不施肥处理,長期增施猪粪有机肥可能增加了0~20 cm土层中土壤胶体颗粒上多水高岭石和白云母晶体矿物质。土壤胶体颗粒中晶体矿物的种类受土壤基质发育来源、矿化过程及矿化时间的影响很大,且不同类型的土壤中天然胶体/纳米颗粒的晶体结构差别很大[8]。王旭刚等利用FTIR和XRD技术表征了玄武岩赤红壤中土壤胶体颗粒的晶体结构,结果发现,土壤剖面中胶体颗粒的FTIR图谱差异不大,但XRD的结果显示,深层土壤的矿物质结晶程度比表层土壤好[9],这可能是由于表层土壤受到人为因素的影响较大,熟化程度较高。本研究中剖面土壤胶体的FTIR图谱(图
  3)与王旭刚等的研究结果[9]相似;但XRD图谱(图4)有一定的差异,表现出增施有机肥反而增加了表层土壤中晶体矿物(多水高岭石和白云母)的衍射峰强度,这可能是由于随着有机肥用量的增加,沉淀—离心分离得到的“土壤”胶体颗粒中有一部分属于猪粪直接释放的水分散性胶体颗粒[10]。
  2.6 施有机肥对剖面土壤不同磷形态含量的影响
  增施猪粪有机肥对稻田土壤剖面水分散性胶体磷和溶解磷含量的影响如图5所示。大量报道指出,胶体促动的磷素在农田径流、河道、湖泊和土壤溶液中运移,已经成为一种新的磷素迁移途径[11-13]。在本研究的各层土壤中,溶解态磷的含量随着有机肥施用量的增加而增加,且4种处理的溶解态磷含量都是在表层土壤中最高,最高值为M3处理下的 36.8 mg/kg。随着土壤深度的增加,溶解态磷的含量逐渐降低;在40~60 cm土层,从M0至M3这4种施肥处理的溶解磷含量分别是0~5 cm土层的14.9%、18.0%、21.7%、21.9%。同样,土壤各层中水分散性胶体磷的含量也都随着有机肥施用量的增加而增加。在0~5、5~20 cm土层,4种处理的胶体磷含量均低于溶解态磷含量;但在20~40、40~60 cm土层,4种处理的胶体磷含量反而均高于溶解态磷含量。举例来说,在0~5 cm 土层M0至M3这4种处理的胶体磷含量分别占溶解磷含量的60.1%、37.7%、35.6%、47.7%;在5~20 cm 土层,这一比例分别为95.3%、59.1%、47.3%、575%;在20~40 cm土层,从M0至M3这4种处理的胶体磷含量分别是溶解磷含量的1.13、1.25、1.28、1.03倍;在40~60 cm 土层,胶体磷含量分别是溶解磷含量的6.81、3.23、233、3.39倍。施肥量是影响土壤胶体磷含量差异的主要原因。长期施用有机肥会增加表层土壤磷素的含量,有机肥本身含有的胶体颗粒也可能会促进土壤胶体磷的迁移[14]。在本研究中,稻田土壤胶体磷含量随着土壤深度增加而增加,这可能与深层土壤的厌氧环境促进胶体颗粒释放有关[15]。
  3 结论
  嘉兴稻田土壤胶体颗粒的形貌主要呈鳞片状,赋存了较多的Al、Fe、Mg、K、Ca等金属元素。增施猪粪有机肥对土壤剖面中胶体颗粒表面的官能团结构影响不大,但可能增加了0~20 cm表层中土壤胶体颗粒上多水高岭石和白云母晶体矿物质的含量。
  土壤胶体颗粒的含量随土壤深度的增加而增加。增施猪粪有机肥对0~5、5~20 cm土层胶体颗粒含量的影响不显著,但在20~40、40~60 cm土层,增施猪粪有机肥有增加土壤胶体颗粒含量的趋势。这表明深层土壤中赋存的天然胶体颗粒比表层土壤中多,且增施猪粪有机肥可能促使土壤胶体颗粒向深层地下环境迁移。在0~5、5~20、20~40 cm土层,增施有机肥使土壤总磷和有效磷含量呈逐渐增加的趋势,增施有机肥增加了0~20 cm土层土壤有机磷的含量,但有机磷占总磷的比例不升反降。各层土壤中,溶解磷和胶体磷的含量随有机肥施用量增加而增加。随土壤深度的增加,溶解磷含量有逐渐降低的趋势,在20 cm土层深度以下,胶体磷的含量多于溶解磷。
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  收稿日期:2018-09-28
  基金项目:浙江省杰出青年科学基金(编号:LR16B070001);国家自然科学基金优秀青年科学基金(编号:41522108);国家重点研发计划(编号:2017YFD0800103);浙江省博士后择优资助项目(编号:zj2018016)。
  作者简介:金 熠(1989—),男,浙江杭州人,博士,主要从事农业面源污染控制与治理研究。E-mail:jinyi1989@163.com。
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