2019, Vol. 39
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磷是最重要的生命必需元素, 是农作物生产需求量大的3种养分元素之一, 同时也是陆地水体富营养化发生的关键因子(Lijklema et al., 1980；Ekholm et al., 2012).土壤中磷的植物可用性通常用土壤有效磷含量(SAP)来衡量.SAP的高低受施磷量、耕作和土壤水分管理等影响, 并直接影响作物根系生长和产量(朱昌锋, 2008；鲁如坤, 2010).铁氧化物广泛存在于土壤中, 通常可区分为游离态和活性态, 前者是指岩石和粘土矿物长期风化后残留在土壤中的非活性或老化的铁氧化物, 后者是指土壤中弱结晶或无定形铁矿物(Oades, 1963；Schwertmann, 1966).施用有机肥显著提高了土壤中活性铁氧化物的含量(黄晓磊, 2017).由于土壤有机质组成十分复杂, 葡萄糖广泛存在于土壤有机质中, 因此, 葡萄糖常被用于模拟土壤有机质的研究中(Zhang et al., 2013).活性铁氧化物具有比表面积大、化学反应活性高、吸附能力强等特性(Zhang et al., 2003).水铁矿是活性铁氧化物中最活跃的部分, 也是土壤中少数几种天然纳米矿物(Hochella et al., 2008), 对土壤磷和有机物具有较强的吸附能力(邵兴华等, 2006；王慧, 2015), 同时也是土壤有机-无机胶体的重要组成部分, 对土壤物理和化学性质有重要影响(陈家坊等, 1983；苏玲, 2001).此外, 水铁矿对水中的磷也有强烈的吸附作用(丁秘, 2017).传统土壤学理论认为土壤有机质会竞争铁氧化物对磷的吸附位点, 提高SAP, 这一认识与长期施有机肥土壤磷累积多和SAP含量高的现象是一致的(Yan et al., 2015), 然而对于活性铁氧化物、有机物与SAP三者间的短期变化研究并不多见, 研究这种变化对于土壤、作物和环境管理具有重要的理论与实践意义.我国水体富营养化问题十分普遍, 尤其是磷流失风险较高的情况下, 研究土壤有效磷的人为调控措施, 可望更加有效地管理土壤磷状态, 防止磷对环境的潜在污染.
为了揭示土壤活性铁氧化物、有机物与SAP三者间的短期变化特征, 本文研究了添加外源水铁矿和葡萄糖对淹水和非淹水条件下SAP的动态变化, 并利用同步辐射红外显微成像方法探索土壤铁和磷之间的空间位置相关性特征.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 土壤采集与基本理化性质的测定土壤样品于2016年水稻收获后采自南京农业大学在江苏省常州市金坛区指前镇进行的稻麦轮作条件下长期不同施肥处理定位试验点.样品为自2010年10月以来没有施肥的4个不施肥对照小区.每个小区面积40 m2, 随机钻取5个孔, 采样深度为0~20 cm, 合并所有钻孔土壤样品为一个混合样.样品经混匀、风干、研磨成20目和100目子样后备用.土壤基本理化性质如下：土壤有机碳15.65 g·kg-1、全氮1.85 g·kg-1、全磷0.67 g·kg-1、全钾16.32 g·kg-1、pH 7.22、SAP13.7 mg·kg-1.
2.2 人工合成水铁矿取40 g Fe(NO3)3·9H2O溶于500 mL去离子水中, 加入330 mL 1 mol·L-1的KOH溶液(最后20 mL逐滴加入), 调节pH至7~8, 剧烈搅拌, 然后迅速离心(转速8000 r·s-1).将得到的固体物质多次洗涤以去除其电解质, 然后在常温下晾干备用(丁秘等, 2017).按该合成方法获得的水铁矿样品的XRD图谱表明, 合成物为2线水铁矿(丁秘等, 2017).
2.3 培养试验设计试验1：将10 g土壤样品放入50 mL离心管中, 加入磷酸二氢钾粉末0.0010 g, 用去离子水调节水分至土壤含水量为20%, 作为非淹水条件；并做同样的一批将水分调节至土壤含水量为100%, 作为淹水条件.试验设置不同浓度梯度外源水铁矿处理, 即0、0.143、0.712、1.43、2.86、7.12、14.3 g·kg-1等7个浓度梯度, 在室温下培养24 h后取出样品, 测定SAP.样品刚开始培养时称量其重量并记录, 培养时因为水分挥发使水分含量降低, 所以每间隔3 h称重并滴加去离子水使其至样品初始时的重量, 以保证含水量不变.
试验2：将10 g土体土壤样品放入50 mL离心管中, 用去离子水调节土壤水分含量为20%作为非淹水条件, 并做同样的一批将土壤水分含量调节为100%作为淹水条件.试验设置9个处理(表 1).
| 表 1 各个处理的外源水铁矿和葡萄糖添加量 Table 1 Content of additives in each treatment |
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同时做5个批次, 分别在室温条件下培养24、36、48、96和192 h后取出, 培养过程中保证水分含量不变, 水分控制方法同试验一.培养结束后土壤样品测定SAP等指标.
2.4 土壤中有效磷的测定采用鲍士旦(2000)的方法, 准确称取湿土壤样品2.50 g于150 mL三角瓶中, 加入0.5 mol·L-1NaHCO3溶液50 mL, 再加一勺无磷活性炭, 封口, 在振荡机上振荡30 min, 立即使用无磷滤纸过滤, 滤液承接于50 mL离心管中, 吸取滤液10 mL于容量瓶中, 加入钼锑抗试剂5 mL, 摇匀, 放置30 min后, 用880 nm波长比色, 以空白液的吸收值为0, 读出待测液的吸收值.根据吸光度、土壤质量和土壤含水量计算SAP.
2.5 同步辐射红外显微成像技术将培养192 h的土壤置于-20 ℃冰箱保存, 运送过程中用冰盒密封, 以保证土壤全程处于低温环境.取试验2中的处理编号为WT1和UT1(对照)、WT3和UT3(添加葡萄糖)、WT7和UT7(添加水铁矿)、WT9和UT9(添加葡萄糖与水铁矿)的淹水与非淹水条件下样品做同步辐射红外显微成像分析.将水包埋的少量土壤样品采用全封闭式快速冷冻切片机(徕卡, 型号CM1 950, 德国)进行低温(-20 ℃)冷冻切片, 切片的厚度约为2 μm.将切好的样品放置在低辐射(Low-E)(美国科弗里有限公司)镜片上, 带到国家蛋白质科学研究(上海)设施五线六站BL01B线站红外显微成像仪进行观察.同步辐射红外显微成像采集过程中通过仪器自带的OMNIC9.0软件设定参数.仪器参数设置如下：光谱范围, 650~4000 cm-1；光阑孔径, 20 μm×20 μm；步长, 10 μm×10 μm；光谱分辨率, 2 cm-1；扫描次数, 64次.根据每个样品所选图谱范围大小确定样品扫描时间, 一般在30 min~2 h.铁氧键(Fe—O, 655 cm-1)和磷素(P, 1136 cm-1)指定为主要官能团(Lehmann et al, 2007；Schwertmann et al, 2007).官能团吸光度的线性依存度和微区域红外光谱的提取通过OMNIC9.0和Origin 9.0软件实现.
2.6 数据处理数据采用Origin 9.0和SPSS20.0进行图形分析处理.微区域红外光谱和数据的提取通过OMNIC9.0实现.
3 结果(Results) 3.1 外源水铁矿对SAP的影响在培养24 h后测定不同浓度外源水铁矿处理的SAP.图 1的结果表明, 无论是在非淹水还是淹水条件下, 外源添加水铁矿对于SAP均有显著影响(图 1).外源水铁矿对土壤磷的影响为固定或强吸附作用, 添加低浓度水铁矿即可引起SAP的快速下降, 这一现象在淹水条件下更显著.淹水条件下不添加水铁矿的处理的SAP最高, 达到28.37 mg·kg-1, 随着添加水铁矿量的增加, SAP呈线性降低.最大下降了45%.淹水条件下添加低浓度外源水铁矿即可显著降低SAP, 在较高浓度添加量下随着添加水铁矿量的增加, SAP呈线性降低.24 h内非淹水条件下土壤对磷的固定大于淹水条件.
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| 图 1 淹水和非淹水条件下培养24 h后添加不同浓度水铁矿对SAP的影响 Fig. 1 Effect of exogenousferrihydrite amendments on soil available phosphorus (SAP) after 24 h incubationunder waterlogged and non-waterlogged conditions |
图 2a和图 2b结果表明：水铁矿、葡萄糖和培养时间这3个因素均能显著影响SAP, 与此同时它们的影响程度在淹水与非淹水条件下具有较大差异.在非淹水条件下, 各个处理的SAP下降8.3%~23.5%, 从处理UT1~UT3来看, 不添加水铁矿的情况下, 逐步增加葡萄糖浓度, SAP含量随之下降, 从处理UT1、UT4、UT7来看, 不添加葡萄糖的情况下, 逐步增加水铁矿浓度, SAP含量也随之下降；在非淹水条件下, 各个处理SAP下降11.2%~51.7%, 从处理WT1~WT3来看, 不添加水铁矿的情况下, 逐步增加葡萄糖浓度, SAP含量随之下降, 从处理WT1、WT4、WT7来看, 不添加葡萄糖的情况下, 逐步增加水铁矿浓度, SAP含量也随之下降, 但只添加葡萄糖处理的下降程度更大, 且在淹水条件下, 土壤固定或固持磷的能力相对更强, 并未出现磷解吸量大于吸附量的情况.从不同处理之间的差异来看, 无论是在淹水和非淹水条件下, 添加水铁矿或葡萄糖越多, 都会使SAP下降的更多.此外, 在淹水条件下, 相比WT1, WT3、WT7和WT9的SAP分别平均下降了23.6%、23.4%和42.6%.因此, 添加水铁矿和葡萄糖会使磷的有效性大大降低, 与非淹水条件相比, 在淹水条件下SAP较低, 且随着时间的增加, SAP呈现逐渐下降的趋势.
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| 图 2 外源水铁矿和葡萄糖对淹水(a)和非淹水(b)条件下SAP动态变化的影响 Fig. 2 Effect of exogenous ferrihydrite and glucose amendments on dynamic changes of SAP the waterlogged condition (a) and the nonwaterlogged condition (b) |
对培养时间为192 h的WT1、WT3、WT7、WT9、UT1、UT3、UT7和UT9处理样品进行了同步辐射红外成像技术分析.首先读取铁氧键与磷素吸光度数据, 然后采用线性回归方法分析磷素对铁氧键的依存度, 得出Fe—O键对P原位分布影响程度(决定系数R2)(图 3).在非淹水条件下处理UT1、UT3、UT7、UT9的铁氧键与磷素吸光度变化密切相关, R2比淹水条件下大, 且处理UT1的R2最大；淹水条件下处理WT1的R2最大, 而处理WT3、WT7和WT9的R2较小, 且低于非淹水条件下的相同处理.R2的差异表明, 无论是淹水条件还是非淹水条件下, 不添加水铁矿和葡萄糖的处理中铁与磷结合的更为紧密, 而添加水铁矿和葡萄糖均会降低铁与磷的结合程度；同时, 非淹水条件下各个处理铁与磷的结合程度均显著高于淹水条件下铁与磷的结合程度.因此, 在土壤中施加添加水铁矿或葡萄糖, 会打破原本土壤中的铁磷吸附平衡.
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| 图 3 非淹水(UT1~UT9)和淹水(WT1~WT9)条件下不同处理的土壤中磷素与铁氧键吸光度的线性回归模型 Fig. 3 Linear regression models between the absorbances of phosporus (P) and iron-oxygen bond ofdifferently treated soil samplesunder the non-waterlogged (UT1~UT9) and the waterlogged (WT1~WT9) conditions |
从光学照片和红外显微成像表征出的信息来看(图 4), 在非淹水条件下, 与不添加任何物质的处理(UT1)相比, 只添加葡萄糖处理(UT3)、只添加水铁矿处理(UT7)和同时添加葡萄糖和水铁矿处理(UT9)的铁氧化物和磷素的高红外光辐射中心化点更多, 且分布更为离散, 与此同时, 与只添加水铁矿处理(UT7)相比, 同时添加葡萄糖和水铁矿处理(UT9)的红外显微成像显示添加葡萄糖会遏止水铁矿的含量.在淹水条件下, 铁氧化物红外光辐射中心化点多, 但磷素的中心化程度更高, 分布更加集中, 且铁氧化物和磷素的含量显著低于非淹水条件表明在淹水条件下, 土壤中磷素更倾向于被铁氧化物集中吸附或固定.从不同处理之间来看, 不添加水铁矿和葡萄糖的处理(UT1和WT1)中铁氧化物与磷素分布更为相似；添加葡萄糖的处理(UT3和WT3)中铁氧化物与磷的空间分布更加分散, 打破了原有的铁磷吸附平衡, 使土壤的磷吸附能力更强.添加水铁矿的处理(UT7和WT7)铁氧化物的分布较为离散, 但对应的磷素分布相较其他处理更为集中；同时添加葡萄糖和水铁矿处理(UT9和WT9)不仅使铁氧化物与磷的空间分布更加分散, 而且增加了铁氧化物的中心点.
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| 图 4 非淹水(UT1~UT9)和淹水(WT1~WT9)条件下不同处理的光学和同步辐射红外显微成像图 Fig. 4 Opticalphotographand synchrotron radiation infrared micrographs ofdifferently treated soil samplesunder the non-waterlogged (UT1~UT9) and the waterlogged (WT1~WT9) conditions |
本研究探索了外源添加不同浓度水铁矿对SAP的影响, 研究结果表明, 与污水处理中添加水铁矿显著降低活性磷浓度的结果类似(Mahardika et al., 2018), 不管是在淹水条件下还是在非淹水条件下外源添加水铁矿短期内均会显著降低SAP.这一结果作物磷素养分管理和土壤磷面源污染防控均具有重要的参考意义.Yamamoto等(2018)认为在长期施用猪粪堆肥的土壤中与磷结合的主要矿物是针铁矿和水铁矿.Yan等(2016)认为铁氧化物吸附磷的主要机制是三价铁水解后形成水合铁氧化物胶体, 在胶体溶液中吸附磷.因此, 土壤中含有的无定形铁氧化物或弱晶型铁氧化物越多, 土壤吸附的磷就越多, 二者呈线性关系.本研究的结果表明, 在短时间内(24 h), 施加添加水铁矿的土壤就能有效降低SAP.淹水土壤中铁氧化物与SAP间的关系有不同的报道.有的认为, 淹水处理可增加水稻季土壤磷释放, 提高SAP(Wang et al., 2014)；土壤在淹水条件下氧化还原电位降低, 更多的三价Fe会被还原为二价Fe2+, 释放出游离态的磷酸根, 而在淹水落干后氧化还原电位升高, Fe2+又能被氧化成Fe3+, 进而吸附更多的磷(Pothuluri et al., 1986;鲁如坤等, 1996;何园球等, 2003).另一些研究则表明, 土壤淹水过程, 晶型氧化铁会逐渐减少, 而比面积更大、吸附能力更强的无定形氧化铁增加, 因此会增加土壤对磷的吸附, 减少土壤溶液中游离态磷酸根的存在(苏玲等, 2001).并且在淹水过程中, 土壤会释放出一些有机阴离子, 与铁和铝发生螯合作用, 增加SAP(邵兴华等, 2006).本研究结果支持苏玲等(2001)的结果, 但外源添加水铁矿对SAP的长期或在反复淹水-落干过程中的影响尚需进一步深入研究.
4.2 添加不同浓度葡萄糖对SAP的影响土壤有机质与SAP有密切关系, 随着土壤有机质含量的提高, 土壤对磷的吸附能力增强(谢林花等, 2004；夏海勇等, 2009；闫金龙, 2016).一般来说, 土壤中的有机物以两种不同的机制影响SAP.一是生物学机制, 即外源添加的新鲜有机物通过提供碳源增加土壤微生物数量, 吸收和固持土壤中的磷素(张宝贵等, 1998).葡萄糖作为一种易被土壤微生物利用的碳源, 可能会促进土壤微生物吸收利用磷养分, 使磷固持在土壤微生物体内, 从而降低SAP.二是物理化学机制, 即铁氧化物表面能够吸附有机物或者有机物分解产生的有机阴离子可能与磷酸根竞争吸附土壤固相表面的专性吸附位点, 从而减少铁氧化物与土壤中的磷酸盐离子的接触, 降低其对土壤中磷的吸附和固定, 提高SAP(章永松等, 1998, 闫金龙, 2016).而一般认为, 葡萄糖作为一种易被土壤微生物利用的碳源, 可能会促进土壤微生物吸收利用磷养分, 使磷固持在土壤微生物体内, 从而降低SAP.本研究的结果表明, 在所有不同外源水铁矿浓度下添加葡萄糖处理都会固定或吸附或固持更多的磷, SAP减少.这一现象与土壤微生物对磷的固持现象是一致的, 但不支持葡萄糖可能吸附在水铁矿表面的物理化学机制.我们认为外源葡萄糖的添加可能改变了土壤磷铁相互作用位点, 使磷铁的空间分布更分散, 磷更容易被铁氧化物吸附或固定.今后应深入研究扰动条件下磷铁相互作用的时间和空间关系.
4.3 土壤中铁氧化物与磷原位结合的可变化性土壤是一个固、液、气和生物共存的复杂系统, 常规土体土样分析方法很难揭示微观领域中土壤物质间的相互作用机制.同步辐射红外显微成像结合了同步辐射光源、傅里叶变换红外光谱仪和红外显微镜的特点(Sun et al., 2017).本研究采用此方法研究了土壤样品微米级区域内的Fe—O键和磷素的空间分布特征.不添加外源水铁矿和葡萄糖处理(UT1和WT1)磷素和Fe—O键吸光度的线性回归的决定系数R2最大, 表明外源添加水铁矿和葡萄糖处理对土壤磷素和Fe—O键间的关系可能有干扰作用, 并且在淹水条件下较非淹水条件下这种干扰更强.各处理同步辐射红外显微影像的特征表明外源添加葡萄糖使磷铁相互作用区域更分散, 而外源添加水铁矿使磷铁相互作用区域更集中.本研究结果表明, 更分散和更集中的磷铁作用区域都可能降低SAP或增加磷铁的结合.相关研究国内外很少报道, 今后应深入研究外源添加葡萄糖对土壤磷的固持机制和土壤磷铁作用位点的动态变化及其影响因素.
5 结论(Conclusions)1) 外源添加水铁矿会导致SAP减少, 短期内最大下降了45%.
2) 外源添加葡萄糖也会导致SAP减少, 短期内最大下降了51.7%.
3) 虽然过去对土壤有机质、磷和铁之间的相互作用已有较多研究, 但在微观区域更深入地研究三者间的关系, 有利于提高土壤磷的植物可用性及有效防治磷的面源污染.
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