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磷肥施入土壤后,短期内会在肥料颗粒周围的肥际微域内形成很高的养分浓度,而高浓度的磷酸根离子对土壤矿物具有强烈的破坏作用,因此肥际反应可能对磷肥的有效性有着至关重要的作用。我国北方广泛分布的石灰性土壤,肥料磷在土壤中的钙镁固定作用强烈,导致磷肥的作物当季利用率通常很低。植物根系分泌物对植物的磷素营养具有重要的改善作用,且有研究表明分泌物中的低分子量有机酸对土壤难溶性磷具有明显的活化能力。因此,深入研究肥料磷在该土壤肥际中的转化过程及其反应机制,探明肥料磷在土壤中无效化的关键步骤及其主控因素,在此基础上研究低分子量有机酸对磷肥有效性的调控作用及机制,对推动磷肥有效化研究深入发展具有重要意义。此外,因磷肥进入土壤后很快转化形成各种非水溶性的磷酸盐,导致作物主要从这些转化产物获取磷素营养,土壤中磷肥转化产物的鉴定对研究磷的转化过程和机理具有重要意义,但目前仍然缺乏成熟可靠的方法。
本文以河南封丘潮土为试验材料,通过室内土柱培养和薄层切片取样方法,研究了磷酸二氢钙(MCP)、磷酸二氢铵(MAP)和磷酸氢二铵(DAP)在石灰性土壤肥际中的转化及肥料磷的迁移,在此基础上研究了草酸(OA)、柠檬酸(CA)、苹果酸(MA)和酒石酸(TA)对MCP肥效的调控作用及机理,同时探讨了应用傅里叶红外光声光谱(FTIR-PAS)鉴定土壤中磷肥转化产物的可能性。主要结果如下:
MCP异成分溶解引起近30%的肥料磷原位沉淀,限制了肥料磷向土壤中的迁移。此外,肥料伴随离子的移动性对肥料磷的迁移起着重要作用,导致MCP施肥处理肥料磷的迁移性远低于MAP与DAP施肥处理。
磷肥的施用对土壤碳酸盐具有强烈的分解破坏作用,特别是酸性的MCP与MAP施肥处理破坏作用尤为显著。磷肥的施用还促进了土壤难溶性铁、铝矿物的溶解,提高了土壤铁、铝活性,尤其是磷酸铵施肥极显著地提高了土壤铁的活性。磷肥施入土壤后,对土壤碳酸盐及铁、铝矿物的溶解破坏释放出的Ca2+、Fe3+、Al3+等离子是引起肥料磷固定,限制肥料磷迁移并降低磷肥有效性的根本原因。由于酸性的MCP与MAP施肥处理对土壤碳酸盐的破坏作用强烈,MCP与MAP转化形成的磷酸钙盐的比例显著高于DAP施肥;相应地,DAP更为显著地提高了土壤铁的活性,因而DAP施肥处理显著促进了与铁相关的铁磷和闭蓄态磷的生成。此外,因为磷肥对土壤原有矿物的溶解破坏反应集中在肥际微域内,导致肥料磷的固定亦主要发生在肥际,造成进入土壤的肥料磷于肥际集中分布,特别是酸性的MCP与MAP施肥处理。
总体上,肥料的酸碱性与肥料伴随离子对磷的有效性起到至关重要的作用,弱碱性的DAP施肥处理进入土壤的肥料磷仍有较大比例能够保持水溶态,肥料磷的移动性及有效性均较高,说明弱碱性的DAP更适宜于石灰性土壤。
低分子量有机酸(low-molecular-weight organic acids,LMWOAs)能够显著调节石灰性土壤中MCP的有效性,且不同LMWOAs存在显著差异。添加LMWOAs处理对石灰性土壤中MCP的溶解具有显著影响,但不同LMWOAs之间的表现因其酸性不同而存在明显差异。OA与TA显著促进了MCP的溶解,促进了肥料磷向土壤中的迁移;CA没有明显影响;而MA则减少了MCP的溶解,增加了施肥点肥料磷的原位沉淀。然而,OA显著促进了土壤碳酸盐的溶解,加剧了肥料磷的磷酸钙固定,促进了磷酸八钙的形成;而MA则减少了土壤碳酸盐的分解,促进了肥料磷在土壤中的移动。此外,所有添加LMWOAs处理均显著促进了土壤难溶性铁的释放,因而促进了MCP施肥后石灰性土壤中铁磷和闭蓄态磷的形成。
LMWOAs对肥际土壤pH及土壤原有矿物的破坏程度的调节作用及其对相关金属离子活性及其移动性的影响,是其对肥料磷的有效性与移动性调节的基础。LMWOAs能够提高肥料磷的移动性,并能在施肥初期显著提高磷的有效性,说明LMWOAs具有作为增效剂提高磷肥有效性的应用潜力,但LMWOAs的分解过程存在水溶性磷转化固定的风险。
不同含磷矿物的傅里叶变换红外光声光谱(FTIR-PAS)特性存在明显差异。且石灰性土壤不同磷肥处理肥际土壤的FTIR-PAS光谱特性也明显不同,说明傅里叶变换红外光声光谱具有原位鉴定土壤中磷肥转化产物的可行性。