Methods of soil organic and inorganic phosphorus fractionation in karst areas

Abstract

为精准测定各形态磷含量，分析各形态磷对有效磷的贡献率，进而评价土壤的供磷能力，以贵州省晴隆县喀斯特地区草地、林地、耕地3种土地利用方式下土壤为研究对象，采用蒋柏藩-顾益初无机磷分级方法、Bowman-Cole有机磷分级方法和Tiessen-Moir有机无机磷结合分级方法进行比较研究。结果表明：各方法测定的土壤有机无机磷含量在不同土地利用方式下差异明显。综合各样地分析发现，采用蒋柏藩-顾益初法和Tiessen-Moir法测定的土壤无机磷形态含量相差不大，无机磷总量占全磷比例分别为20.13%和22.38%。采用Bowman-Cole法和Tiessen-Moir法测定的土壤有机磷含量占全磷比例相差较大，二者相差4.99个百分点，Bowman-Cole法测定土壤有机磷总量高于Tiessen-Moir法。各方法测定土壤有机无机磷形态含量与有效磷含量相关性分析表明，研究区采用蒋柏藩-顾益初土壤无机磷分级方法与Bowman-Cole有机磷分级方法更具代表性。综合考虑土壤有机无机磷的实际含量、各形态磷的化学性质及其生物有效性，研究区采用蒋柏藩-顾益初提出的土壤无机磷分级方法比较适合，Bowman-Cole提出的土壤有机磷分级方法较Tiessen-Moir法更适合于研究区土壤有机磷的分级。

The scientific method of soil phosphorous fractionation can accurately determine the pool of phosphorus in each form, analyzing the rate of contributions about the phosphorus in the form of available phosphorus, it can evaluate the phosphorus supply capacity of soil. In this study, soils of three land use patterns including grassland, woodland and cultivated field from the karst area of Qinglong County, Guizhou Province were examined using the methods of Jiang-Gu on soil inorganic phosphorus and Bowman-Cole on organic phosphorus, and Tiessen-Moir soil organic and inorganic phosphorus fractionation to carry out comparison study of soil phosphorous fraction. The results showed that, under different land use modes, the contents of soil organic and inorganic phosphorus differed significantly. Through comprehensive analysis, it was found that there was no significant difference in the content of soil inorganic phosphorus by using the methods of Jiang-Gu and Tiessen-Moir, and the total content of which accounted for total phosphorus was 20.13% and 22.38% respectively. The methods of Bowman-Cole and Tiessen-Moir were used to determine the organic phosphorus difference in the proportion of total phosphorus in soil, with the difference between the two as high as 4.99%. However, the total organic phosphorus in soil determined by the Bowman-Cole method was higher than that by the Tiessen-Moir method. The correlation analysis of soil organic and inorganic phosphorus contents with available phosphorus content showed that the methods of Jiang-Gu and Bowman-Cole were more representative in the study area. Considering the actual quantity of soil organic and inorganic phosphorus and the chemical properties of different forms of phosphorus and their biological effectiveness comprehensively, this research showed that the Jiang-Gu method on soil inorganic phosphorus fractionation was suitable for the study area, whereas the Bowman-Cole method on soil organic phosphorus fractionation was more suitable than the TiessenMoir method.

在土壤养分研究中，通常采用全磷评价土壤磷库大小，采用有效磷含量高低评价土壤供磷能力，而对土壤各形态磷库数量和不同形态磷可作为潜在磷源考虑较少^[1]。土壤磷素分为有机磷和无机磷两大类，磷素在土壤中的化学形态直接影响其生物有效性^[2-5]。国内外研究者较注重磷分级方法的探索和改进研究，但局限于农业土壤^[6-10]，不同分级方法对磷组分之间差异研究鲜见报道。早期土壤无机磷分级方法很粗略，直至Chang和Jackson于1957年提出土壤无机磷分级方法，土壤无机磷分级才得到进一步突破，但该方法对Ca-P、Al-P、Fe-P区分还存在问题^[11]。其后，蒋柏藩等^[12]将土壤Ca-P细分为Ca₂-P、Ca₈-P、Ca₁₀-P（蒋柏藩-顾益初无机磷分级方法），并普遍运用于石灰性、中性及酸性土壤^[13]。土壤有机磷形态较复杂，Bowmen等^[14]提出的有机磷分级方法体系（Bowmen-Cole有机磷分级方法）较为完整，是目前研究土壤有机磷组分与土壤供磷能力关系最广泛采用的方法^[1]。蒋柏藩-顾益初土壤无机磷分级方法与Bowmen-Cole有机磷分级方法是目前广泛采用的土壤有机无机磷分级方法^{[1, 12-13]}。Hedley等^[15]提出兼顾土壤有机磷和无机磷的测定方法，但该法对仪器精度要求高，且步骤繁琐、易损失磷素含量，众多学者都对其进行修正，但都有各自的优缺点，其中Tiessen等^[16]提出的修正法（Tiessen-Moir有机无机磷结合分级方法）最为经典，省去了含量较低的土壤微生物磷和土壤团聚体内磷，是目前应用最为广泛的Hedley磷素分级改进法^[7]。本研究采用蒋柏藩-顾益初无机磷分级方法、Bowman-Cole有机磷分级方法和Tiessen-Moir有机无机磷结合分级方法，对贵州省晴隆县喀斯特地区草地、林地、耕地3种土地利用方式下土壤磷形态进行比较研究，旨在确定适宜研究区磷素分析方法，为喀斯特地区磷素转化、生物有效性及生态恢复研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省黔西南州晴隆县（25°33′~26°11′N，105°01′~105°25′E，图 1），平均海拔1 456.67 m，年平均气温14 ℃，总降水量在1500~1650 mm之间，属高原亚热带季风气候区。贵州省喀斯特面积近13万km²，是我国西南地区喀斯特地貌发育的中心区域^[17-18]。晴隆县喀斯特面积占全县面积的57.92%，石漠化面积占全县面积的30.59%，是贵州省喀斯特地貌发育强烈、石漠化类型复杂以及石漠化面积分布较大的区域之一^[19-20]。研究区土壤母质为碳酸盐岩，土壤类型为棕色石灰土和黄色石灰土。碳酸盐岩分布区森林覆盖率低至5.02%，岩石裸露度高，石漠化面积占全省石漠化面积的40.56%^[21]，水土流失严重，土层浅薄，土地贫瘠，属于典型生态环境脆弱区。

图 1 研究区地理位置图 Figure 1 Location map of the study area

1.2 土样采集与处理

研究区位于晴隆县莲城镇，于2016年4月在研究区内选取草地、林地、耕地3种土地利用方式下的土壤为研究对象（图 2）。林地包括以杉木[Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook]和楸树（Catalpa bungei C. A. Mey）为主的天然林地和以扁柏[Platycladus orientalis（Linn.）Franco]为主的人工林地；草地包括以白茅[Imperata cylindrica（L.）Beauv]为主的天然草地和以三叶草（Trifolium repens L.）、皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）为主的人工草地；耕地种植玉米（Zea mays Linn. Sp）、萝卜（Raphanus sativus L）和烤烟。本研究共采集15个剖面55个土样，其中草地采集6个剖面24个土样，林地采集6个剖面22个土样，耕地采集3个剖面9个土样。土样采回后及时去除植物残体和其他侵入体，经室内风干后，分别研磨过2 mm和0.149 mm筛用于土壤基本理化性质和土壤有机无机磷组分的测定。供试土壤基本性质见表 1。

图 2 研究区土地利用及采样点示意图 Figure 2 Distribution of the land use types and sampling points in the study area

表 1 Table 1

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 The basic physical and chemical properties of the experimental soil

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 The basic physical and chemical properties of the experimental soil

1.3 测定方法与数据处理

土壤pH值采用蒸馏水浸提（土水比为1:2.5）电位法测定。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定。全磷（TP）采用HClO₄-H₂SO₄消煮，钼锑抗比色法测定。有效磷采用Olsen法，钼锑抗比色法测定。黏粒含量采用比重计法测定。土壤磷分级测定方法如下：

方法Ⅰ：无机磷的测定采用蒋柏藩等^[12]根据正磷酸盐结合阳离子差异所提出的土壤无机磷分级方法，具体为0.25 mo1·L^-1 NaHCO₃浸提磷酸二钙（Ca₂-P）；0.5 mol·L^-1 NH₄Ac浸提磷酸八钙（Ca₈-P）；0.5 mol·L^-1 H₂SO₄浸提磷酸十钙（Ca₁₀-P）；0.5 mol·L^-1 NH₄F浸提铝磷酸盐（Al-P）；0.l mol·L^-1 NaOH-Na₂CO₃浸提铁磷酸盐（Fe-P）；0.3 mol·L^-1柠檬酸钠-Na₂SO₄-NaOH浸提闭蓄态磷（O-P）；0.5 mol·L^-1（1/2 H₂SO₄）浸提钙磷（Ca-P）；总无机磷（Total IP）为各无机磷组分之和。有机磷的测定采用Bowman等^[14]根据土壤有机磷矿化率随活性增加而增加的理论所提出的有机磷分级方法，具体为0.5 mol·L^-1 NaHCO₃（pH 8.5）浸提活性有机磷（LOP）；1 mol·L^-1 H₂SO₄溶解的磷加上0.5 mol·L^-1 NaOH溶解的磷为中等活性有机磷（MLOP）；0.5 mol·L^-1 NaOH浸提中等稳定性有机磷（MROP，在pH 1~1.5的条件下不发生沉淀的部分富里酸磷）和高稳定性有机磷（HROP，pH 1~1.5的条件下发生沉淀的部分胡敏酸磷）；总有机磷（Total OP）为各有机磷组分之和。

方法Ⅱ：Tiessen等^[16]对Hedley磷素分级法作了进一步修正，具体为树脂浸提树脂交换磷（Resin-Pi）；0.5 mol·L^-1 NaHCO₃（pH 8.5）浸提得到NaHCO₃浸提态无机磷和有机磷（NaHCO₃-Pi和NaHCO₃-Po）；0.1 mol· L^-1 NaOH浸提得到NaOH浸提态无机磷和有机磷（NaOH-Pi和NaOH-Po）；1 mol·L^-1稀盐酸浸提得到稀盐酸浸提态无机磷（D.HCl-Pi）；1 mol·L^-1浓盐酸浸提得到浓盐酸浸提态无机磷和有机磷（C.HCl-Pi和C. HCl-Po）；1 mol·L^-1浓硫酸浸提得到残留态磷（Residual-P）。

利用Excel 2010对数据进行处理与制表，应用SPSS 23.0对数据进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 两种方法测定土壤磷组分含量的差异

由表 2和表 3可知，采用方法Ⅰ和方法Ⅱ测定土壤无机磷组分含量及其总量在相同土层不同土地利用方式下差异普遍不显著，除个别形态差异显著外，其他差异均不明显。采用方法Ⅰ测定土壤无机磷组分含量及其总量在不同土地利用方式下均表现为耕地含量最高，在草地和林地间差异不显著，这可能是因为耕地长期施肥能显著提高土壤无机磷组分含量^{[8-9, 13]}，而采用方法Ⅱ测定土壤无机磷组分含量在不同土地利用方式下变化规律不明显，无机磷总量表现为林地最高，但与耕地和草地的含量差异不显著，这与耕地长期施肥能显著提高土壤无机磷组分含量的说法不一致。

表 2 Table 2

表 2 方法Ⅰ测定各样地土壤无机磷组分含量（mg·kg^-1） Table 2 Determination of soil inorganic phosphorus content in each plot by method Ⅰ (mg·kg^-1)

表 2 方法Ⅰ测定各样地土壤无机磷组分含量（mg·kg^-1） Table 2 Determination of soil inorganic phosphorus content in each plot by method Ⅰ (mg·kg^-1)

表 3 Table 3

表 3 方法Ⅱ测定各样地土壤无机磷组分含量（mg·kg^-1） Table 3 Determination of soil inorganic phosphorus content in each plot by method Ⅱ (mg·kg^-1)

表 3 方法Ⅱ测定各样地土壤无机磷组分含量（mg·kg^-1） Table 3 Determination of soil inorganic phosphorus content in each plot by method Ⅱ (mg·kg^-1)

由表 4和表 5可知，采用方法Ⅰ和方法Ⅱ测定土壤有机磷组分含量及其总量在相同土层不同土地利用方式下有所差异，有机磷总量在耕地土壤中均显著高于草地和林地，在草地和林地间差异不显著。有研究表明，施无机肥料对有机磷组分含量影响结论不一致，但施有机肥料能增加土壤有机磷组分含量^[8-9]，其与方法Ⅰ和方法Ⅱ测定土壤有机磷组分含量及其总量结论一致。方法Ⅰ测定土壤有机磷总量均高于方法Ⅱ，这可能是因为不同分级方法之间存在差异。

表 4 Table 4

表 4 方法Ⅰ测定各样地土壤有机磷组分含量（mg·kg^-1） Table 4 Determination of soil organic phosphorus content in each plot by method Ⅰ (mg·kg^-1)

表 4 方法Ⅰ测定各样地土壤有机磷组分含量（mg·kg^-1） Table 4 Determination of soil organic phosphorus content in each plot by method Ⅰ (mg·kg^-1)

表 5 Table 5

表 5 方法Ⅱ测定各样地土壤有机磷组分含量（mg·kg^-1） Table 5 Determination of soil organic phosphorus content in each plot by method Ⅱ (mg·kg^-1)

表 5 方法Ⅱ测定各样地土壤有机磷组分含量（mg·kg^-1） Table 5 Determination of soil organic phosphorus content in each plot by method Ⅱ (mg·kg^-1)

2.2 两种方法测定土壤无机磷组分含量及比例的差异

由表 6可知，采用方法Ⅰ和方法Ⅱ浸提Total IP占TP比例相差不大，分别为20.13%和22.38%。方法Ⅱ中Resin-Pi、NaHCO₃-Pi和方法Ⅰ中Ca₂-P、Ca₈-P均为易浸提的活性无机磷，其平均含量之和相差较大，分别占TP的1.22%和0.46%，这可能是方法Ⅱ采用振荡过夜测定NaHCO₃-Pi，其浸提液包括土壤微生物体内的核酸、磷脂等活性无机磷^[15]。方法Ⅱ浸提出的NaOH-Pi是可与Fe、Al结合的无机磷，与方法Ⅰ浸提的Al-P、Fe-P平均含量之和相差不大，分别占TP的10.77%和10.18%。方法Ⅱ中C.HCl-Pi和方法Ⅰ中Ca₁₀-P、O-P为稳定态无机磷^[22]，平均含量之和相差不大，分别占TP的8.76%和9.22%。但方法Ⅰ将CaPi细分为Ca₂-P、Ca₈-P和Ca₁₀-P三级，并能把Fe-P、Al-P和O-P较好地分离开来。有研究表明，酸性旱作土壤中Al-P的有效性较高，水稻土淹水条件下FeP是有效磷源^[23]。石灰性土壤Ca₂-P有效性最高，Ca₈-P、Al-P和Fe-P可作为缓效磷源，Ca₁₀-P和O-P只是一种潜在磷源^[12]。而方法Ⅱ把Al-P、Fe-P笼统归类为NaOH-Pi，把钙磷笼统归类为C.HCl-Pi的分级方法较粗。因此，方法Ⅰ能更好地说明各形态磷的化学性质及其生物有效性。

表 6 Table 6

表 6 两种方法测定的土壤无机磷组分含量及比例 Table 6 Quantity and proportion of inorganic phosphorus components by two methods

表 6 两种方法测定的土壤无机磷组分含量及比例 Table 6 Quantity and proportion of inorganic phosphorus components by two methods

2.3 两种方法测定土壤有机磷组分含量及比例的差异

由表 7可知，采用方法Ⅰ和方法Ⅱ浸提的Total OP存在一定的差异，分别占TP的74.13%和69.14%，二者相差4.99个百分点。方法Ⅰ中LOP和方法Ⅱ中NaHCO₃-Po为易矿化的活性有机磷，其平均含量相差较大，分别占TP的0.60%和2.05%，这与活性无机磷相同，均受处理时间的影响。MLOP和NaOH-Po是与无定形结晶铝、铁磷酸盐以及胡敏酸和富里酸结合的磷，是较易矿化的中等活性有机磷。采用方法Ⅰ和方法Ⅱ浸提的中等活性有机磷相差较大，分别占TP的21.82%和26.84%。MROP和C.HCl-Po是难于矿化的中稳性有机磷^[24]，而采用两种方法浸提的中稳性有机磷相差不大，这与范业宽等^[6]得到的先用酸后用碱提取中等活性有机磷会降低其纯度和质量，而使中稳性有机磷含量提高的结论不一致。土壤有机磷的矿化受土壤特性^[25]、海拔高度^[26]、季节^[27]和人为因素等多种因素共同作用，因此，本研究采用两种方法浸提中等活性有机磷的差异性应从多方面影响因素作进一步分析。方法Ⅰ中浸提的HROP和方法Ⅱ浸提的Residual-P为不易矿化的高稳性有机磷^[28]，其平均含量相差最大，分别占TP的33.35%和22.05%，这可能是因为两种方法均采用连续提取的方法，浸提中等活性有机磷存在差异性而拉开了高稳性有机磷差距。方法Ⅰ的分级依据为有机磷组分的矿化速率随其活性增加而增加，能较好地监测土壤有机磷对植物有效性影响的高低^[16]。综上可知，从两种方法浸提有机磷的实际数量和能更好地说明有机磷对植物有效性两方面考虑，方法Ⅰ优于方法Ⅱ。

表 7 Table 7

表 7 两种方法测定的土壤有机磷组分含量及比例 Table 7 Quantity and proportion of organic phosphorus components by two methods

表 7 两种方法测定的土壤有机磷组分含量及比例 Table 7 Quantity and proportion of organic phosphorus components by two methods

2.4 两种方法测定土壤磷组分与有效磷的相关性分析

有效磷含量的高低通常用于评价土壤供磷能力。由表 8可知，采用两种方法测定土壤无机磷组分与有效磷的相关性较好，均达到1%的极显著水平，其中方法Ⅰ的Ca₂-P、Ca₈-P与有效磷的相关系数为0.645、0.954，达到极显著水平，这与Ca₂-P和Ca₈-P为主要有效磷源的说法相吻合。Al-P、Fe-P、Ca₁₀-P与有效磷的相关系数为0.893、0.902、0.518，达到极显著水平，研究表明在无机磷组分中Al-P、Fe-P和Ca₁₀-P为潜在的有效磷源^[23]。O-P与有效磷也达到极显著水平，这与O-P是一种潜在有效磷源的说法相吻合。而方法Ⅱ将钙磷和铁铝磷笼统地归类，特别是钙磷的不同形态磷活性有很大差异，将同一形态但不同有效性的磷划在一级不利于磷素有效性分析^[5]。

表 8 Table 8

表 8 两种方法测定土壤有机、无机磷组分与土壤有效磷的相关系数 Table 8 Correlation coefficient between available phosphorus and inorganic/organic phosphorus components by two methods

表 8 两种方法测定土壤有机、无机磷组分与土壤有效磷的相关系数 Table 8 Correlation coefficient between available phosphorus and inorganic/organic phosphorus components by two methods

两种方法测定土壤有机磷组分与有效磷的相关性存在较大的差异，方法Ⅰ测得的MLOP相关系数最大，达到极显著水平，表明其对有效磷的贡献最大，LOP相关系数最小。冯跃华等^[29]也认为，土壤有机磷组分中，MLOP是土壤有效磷的主要来源，因LOP含量太低，对有效磷的贡献太小，只有通过MLOP的不断补充，才能满足作物的磷素营养需求。方法Ⅱ中各有机磷组分与有效磷的相关系数大小顺序为活性有机磷（NaHCO₃-Po）>中稳性有机磷（C.HCl-Po）>高稳性有机磷（Residual-P）>中等活性有机（NaOHPo）。有机磷组分的矿化速率随其活性增加而增加，活性越高的有机磷组分对植物有效性也越高^[16]。方法Ⅱ中NaHCO₃-Po与有效磷的相关性达到极显著水平，这与活性有机磷为主要有效磷源的说法相吻合，但中等活性有机磷与有效磷的相关系数最小，中稳性有机磷相关系数反而达到0.507，与有效磷极显著相关，这与前人研究结论不一致。

3 结论

（1）土壤无机磷的测定采用蒋柏藩-顾益初法表现为耕地中含量较高，Tiessen-Moir法表现为林地中含量较高。不同土地利用方式下采用Bowman-Cole法测定的土壤有机磷总量均高于TiessenMoir法。

（2）研究区采用蒋柏藩-顾益初提出的土壤无机磷分级方法比较适合，Bowman-Cole提出的土壤有机磷分级方法较Tiessen-Moir法更适合研究区土壤有机磷的分级。

（3）与土壤有效磷相关性分析发现，研究区土壤采用蒋柏藩-顾益初无机磷分级方法与Bowman-Cole有机磷分级方法进行测定更具代表性。