周 龙,苏丽珍,王思睿,王瑞雪,普正仙,郑 毅,汤 利**

(1.云南农业大学 昆明 650201;2.云南云天化股份有限公司 昆明 650228)

磷作为植物生长发育必需三大营养元素之一,是限制作物生长的重要营养元素,也是引发水体污染的重要因素。磷素在土壤中的吸附与解吸特性是影响磷素迁移及其环境效应的主要机制之一[1-2]。在我国农田土壤中,由于土壤对磷的吸附和固定能力较强,土壤磷有效性低,作物对磷肥的利用率较低,当季利用率仅为10%～25%[3]。吸附/解吸通过制约土壤的养分供应能力进而影响植物对养分的吸收与利用,它对于土壤中养分的形态、有效性及其在环境中的迁移转化起到至关重要的作用。

土壤pH、铁铝氧化物、钙、有机质、黏粒含量等均能影响土壤磷的吸附与解吸[4-6]。李寿田等[7]研究表明,磷肥施入土壤后很快被土壤中表面黏粒、有机质以及不定形铁、铝和钙等固定或吸附,大量磷素进入难溶性磷库,很难被植物利用[8]。尤其在吸附性较强的酸性红壤中铁铝富集,受铁、铝等无机胶体固磷作用的影响,磷肥利用率仅为10%左右[8-9]。Zhang 等[10]通过研究5 种不同质地潮土长期施肥后磷吸附解吸特征,发现黏粒、粉粒、有机质和游离铁氧化物是影响磷吸附的主要因素。Debicka 等[11]证明在砂质土壤中pH、有机质和钙是影响磷吸附解吸的主要因素[12]。闫金龙等[13]通过选择性去除土壤组分的方法证实土游离铁氧化物是决定磷吸附和解吸的重要因素。此外,土壤颗粒组成[6]、黏粒含量[14]以及土壤类型[15]对磷素吸附与解吸变化特性均有显著影响。当前研究证实土壤类型[5,16-17]、土地利用方式[18-19]、施肥处理[20-21]和生物炭及外源物质添加[22-23]等均对土壤磷素吸附和解吸产生影响,尤其在不同处理方式下土壤颗粒含量、土壤pH、有机质、铁、铝氧化物和碳酸钙对土壤磷素吸附解吸影响显著[12,14,24]。

间作促进磷素吸收利用[25-26],但间作对土壤磷吸附解吸的平衡效应鲜见报道[23],尤其是间作和施磷条件下磷素吸附解吸的交互作用及机制更为少见。本文针对西南酸性红壤研究间作与施磷水平对土壤吸附和解吸平衡效应的影响,同时,应用结构方程模型(SEM)阐述间作和施磷水平下磷吸附量和解吸量的因果关系,通过邻接树法(ABT)定量分析影响磷吸附和解吸的相对贡献,以揭示间作和施磷水平下影响磷吸附和解吸的关键因子,为优化西南酸性红壤合理施磷,提高磷肥有效性提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2017年5−10月在云南省昆明市官渡区云南农业职业技术学院小哨校区试验农场进行(24°54′N、102°41′E),位于昆明市东北部,属北亚热带季风气候,海拔1820.00 m,年平均气温14.40 ℃,年降雨量为850.00 mm,土壤类型为红壤。土壤有机质含量4.50 g∙kg−1,全磷0.19 g∙kg−1,有效磷4.02 mg∙kg−1,容重1.36 mg∙cm−3,pH 4.53。

1.2 试验设计

本试验供试玉米(Zea maysL.)品种为‘云瑞88’,大豆(Glycine maxL.)品种为‘开育十二’。小区试验采用裂区随机区组设计,以种植模式为主处理,施磷量为副处理,每个处理设3 次重复,共2 种种植模式,4 个施磷水平,8 个处理,24 个小区,小区面积28 m2(4 m×6.5 m)。

2 种种植模式分别为玉米||大豆间作(IM)和单作玉米(MM),间作采取玉米∶大豆=1∶1 的种植密度,玉米、大豆行距均为50 cm,株距均为25 cm,每行15 株,距边25 cm;单作玉米行距50 cm,株距25 cm,每行15 株,距边25 cm(图1)。4 个施磷水平为不施磷(P0)、低磷[P60,60 kg(P2O5)∙hm−2]、常规磷[P90,90 kg(P2O5)∙hm−2]和高磷[P120,120 kg(P2O5)∙hm−2]。氮肥和钾肥施用为当地常规施肥量,分别为250 kg(N)∙hm−2、75 kg(K2O)∙hm−2。供试磷肥(14%过磷酸钙)、钾肥(50%硫酸钾)均以基肥施入,氮肥(46%尿素)分基肥、小喇叭口期追肥、大喇叭口期追肥3 次施入,分别占总施氮量的40%、25%和35%。

玉米于2017年6月5日穴播,6月15日出苗,10月22日收获。所有试验小区玉米生育过程中保持浇水、中耕除草、病虫害防控等措施一致。

1.3 样品采集及测定

玉米收获后使用土钻采集表层土壤样品,间作处理取样点在玉米与大豆间作条带中间,单作处理在玉米与玉米种植的条带中间,去除边行随机选取3 个点采集表层(0～20 cm)土壤样品。将所取样品混匀后挑出土壤中碎石、秸秆等杂物并通过四分法保留300 g 左右土壤装于透明塑料袋中带回实验室,风干磨细后分别过0.25 mm 和1 mm 筛备用。

土壤指标按照鲁如坤[27]的方法进行测定,土壤pH 采用电位法(土水比为1∶2.5),有机质采用重铬酸钾外加热法,树脂磷采用树脂膜(46 mm×20 mm)提取使用Murphy-Riley 法测定,速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法,全磷用NaOH 熔融-钼锑抗比色法。速效磷和pH 测定使用过1 mm 筛土壤,全磷、有机质测定土样过0.25 mm 筛。

土壤磷等温吸附试验[28]:称取18 份过0.25 mm筛的风干土1.25 g 于50 mL 离心管中,向每个离心管中分别加入(mg∙L−1)0、5、10、15、20、30、60、75 和100 不同磷含量梯度的溶液25 mL(0.01 mol∙L−1NaCl 配制定容),同时加入甲苯2～3 滴(抑制微生物活动),加盖后置于在(25±1)℃恒温震荡箱中振荡24 h(180 r∙min−1),取出后离心(8000 r∙min−1)10 min,用钼锑抗比色法测定上清液磷浓度,为平衡后液相磷浓度,差减法计算土壤吸磷量。吸附过程采用Langmuir、Freundlich 和Temkin 3 种等温吸附方程拟合。

土壤磷等温解吸试验[24]:吸附试验完成后弃去上清液并加入25 mL 饱和NaCl 溶液,摇匀后8000 r∙min−1离心5 min 弃去上清液,再重复上述操作1 次,然后每管中加入不含磷的0.01 mol∙L−1NaCl 溶液25 mL,加入甲苯2～3 滴,摇匀后(25±1)℃恒温震荡箱中震荡24 h,取出后离心10 min(8000 r∙min−1),上清液用钼锑抗比色法测定磷含量,计算土壤磷解吸量。

1.4 相关计算与统计分析

1.4.1 Langmuir 等温吸附方程[20,24]

式中:C为吸附试验平衡溶液磷浓度,mg∙L−1;Q为土壤磷吸附量,mg∙kg−1;Qm为土壤最大磷吸附量,mg∙kg−1;K1为与结合能有关的吸附亲和力常数。

土壤标准需磷量(standard phosphorus requirement,SPR,mg∙kg−1)使用吸附试验平衡溶液中磷质量浓度为0.2 mg∙L−1时的磷吸附量来表征。

磷吸持指数(phosphorus sorption index,PSI),指等温吸附试验中1.0 g 土壤加入1.5 mg 磷达到平衡时,土壤磷吸持量[X,mg∙(100g)−1]与上清液浓度(C,μmol∙L−1)对数(lgC)的比例。

土壤磷吸附饱和度(degree of phosphorus saturation,DPS,%)指土壤有效磷(Olsen-P)与最大吸附量之比。

1.4.2 Freundlich 等温吸附方程和Temkin 等温吸附方程[24]

Freundlich 等温吸附方程:

式中:K2为容量参数,代表土壤对磷的吸附容量,mg∙kg−1;1/n为吸附强度系数,L∙kg−1。

Temkin 等温吸附方程:

式中:K3为容量参数,代表土壤对磷的吸附容量,mg∙kg−1;a为吸附强度系数,L∙kg−1。

1.4.3 土壤磷解吸滞后系数(HI)[29]

式中:Qad和Qde分别为一定温度和浓度下土壤对磷的吸附量和解吸量,mg∙kg−1;HI 是不可逆吸附程度的量化指标,HI 越大代表吸附和解吸过程相差的规律性越大。

1.4.4 其他计算

土壤磷活化系数(phosphorus activation coefficient,PAC,%)指土壤有效磷含量(Olsen-P)占全磷(total phosphorus,TP,mg∙kg−1)含量的比例,是土壤磷素有效性的重要指标。

土壤磷解吸率(phosphorus desorption rate,PDR,%)指土壤磷解吸量(Qde)占土壤磷吸附量(Qad)的比例,表征土壤的供磷能力。

采用Excel 2013 进行数据处理,IBM-SPSS 24.0进行处理间差异显著性检验和交互作用分析,Origin 2018 用于作图。结构方程模型(Structural Equation Modeling,SEM)运行采用Amos 24.0,可有效地整合因子分析、回归分析、路径分析等多种方法,揭示因果关系[30],R 语言中的“gbmplus”程序包进行邻接树法(aggregated boosted tree,ABT)分析,表征多个因子对某一因子单独的解释量[31]。

2 结果与分析

2.1 间作对红壤磷吸附的影响

图2所示为不同处理土壤磷吸附量与平衡溶液磷浓度的关系。由图2 可看出,不同间作和施磷处理磷等温吸附曲线变化规律一致,土壤磷吸附量随平衡溶液磷浓度的增加呈先快速上升再缓慢增加趋于饱和的趋势。土壤对磷的吸附量在土壤平衡磷浓度小于20 mg∙L−1时增长较快,各处理等温线的斜率最大,随平衡液磷浓度持续增加,磷吸附曲线变化平缓并趋于饱和。

无论玉米||大豆间作或是玉米单作,土壤磷吸附量随施磷量的增加均逐渐降低。在不同施磷水平下,玉米||大豆间作土壤磷吸附量总体上高于玉米单作,单间作磷吸附量差异随不同平衡液磷浓度增加呈现先增加后降低的趋势。

土壤对磷的吸附过程采用Langmuir、Freundlich 和Temkin 3 种等温吸附方程进行描述(表1),3种拟合方程均能较好地描述红壤对磷的吸附效应。其中,Langmuir 方程R2值最大。因此,本研究采用Langmuir 方程的各个拟合参数来表征间作和不同施磷量下红壤对磷的吸附效应,并将拟合参数用于后续相关指标计算。

表1 不同施磷水平下玉米||大豆间作(IM)和玉米单作(MM)的土壤磷等温吸附方程Table 1 Equations of adsorption isotherms of phosphorus(P)in soil of maize-soybean intercropping(IM)and maize monoculture(MM)systems under different phosphorus levels

不同处理下土壤磷吸附量及由Langmuir 方程拟合计算的相关参数见表2。由表2 可知,种植模式和施磷水平以及种植模式与施磷水平的交互作用(除磷吸附量和吸持指数)均对磷吸附量、最大吸附量、吸附亲和力常数、最大缓冲容量、标准需磷量、磷吸持指数、吸附饱和度具有显著或极显著影响。不同种植模式下,磷肥施用显著影响土壤磷素吸附量、最大吸附量、吸持指数和吸附饱和度。其中,施磷处理较不施磷处理土壤磷素吸附量、最大吸附量和吸持指数分别降低13.7%～36.1%、4.4%～24.6%和16.4%～43.8%(P<0.05),吸附饱和度显著增加182.4%～488.4%(P<0.05)。随施磷量增加土壤磷素吸附量、最大缓冲容量先增加后降低,最大吸附量和土壤磷吸持指数总体呈降低趋势,磷吸附饱和度呈逐渐增加趋势;吸附亲和力常数和土壤标准需磷量在间作中呈现先增加后降低趋势,在单作中呈现逐渐降低趋势。

表2 不同施磷水平下玉米||大豆间作(IM)和玉米单作(MM)的土壤磷吸附量及等温吸附参数Table 2 Soil phosphorus(P)absorption and its isothermal adsorption parameters of maize-soybean intercropping(IM)and maize monoculture(MM)systems under different phosphorus levels

不同施磷水平下种植模式影响土壤磷素吸附量以及由Langmuir 方程拟合计算相关参数。总体上,间作处理较单作磷素吸附量、最大吸附量、吸持指数和吸附饱和度分别增加22.9%、9.3%、18.3%和6.1%,吸附亲和力常数、最大缓冲容量、标准需磷量分别降低52.4%、51.9%和62.6%。其中,间作对吸附饱和度的影响在P60 和P120 处理达显著水平(P<0.05),对吸持指数的影响在P90 和P120 处理达显著水平(P<0.05),对最大吸附量和最大缓冲容量的影响在P0、P60 和P120 达显著水平(P<0.05),对吸附亲和力常数和土壤标准需磷量的影响在P0 和P60达显著水平(P<0.05)。

2.2 间作对红壤磷解吸的影响

土壤磷解吸量为土壤中吸附的磷部分解吸下来的量,图3 为不同处理下土壤磷等温解吸曲线。不同种植模式下,随施磷水平增加,土壤磷解吸量呈增加趋势。随土壤磷吸附量的增加,在P0 和P60 处理,间作土壤磷解吸量高于单作,但在P90 和P120 处理下,单作处理土壤磷解吸量高于间作,且随土壤磷吸附量增加,单间作差异逐渐加大。表明玉米||大豆间作对土壤磷吸附和解吸具有良好的缓冲能力,低磷水平下促进磷素大量解吸供植物吸收利用,高磷水平下减缓磷素解吸有效降低磷素损失。

土壤磷解吸率指土壤磷解吸量占土壤磷吸附量的百分比,表征土壤供磷能力,磷解吸率值越大,土壤供磷能力越强,可供植物吸收利用的磷含量越多,反之亦然[32]。不同处理下土壤磷解吸率变化特征如图4所示,随加入土壤中磷质量浓度的增加,不同种植模式和施磷水平下红壤磷解吸率逐渐增加。不同种植模式下,随施磷水平增加,土壤磷解吸率呈增加趋势。随加入红壤磷质量浓度的增加,在P0 和P60处理,间作土壤磷解吸率高于单作,但在P90 和P120处理下,单作处理土壤磷解吸率高于间作,随加入红

壤磷质量浓度的增加,单间作磷素解吸率差异逐渐加大。表明间作在低磷水平下可大量释放磷素供给植物吸收利用,而在高磷水平下,间作能够减少磷素解吸,有效减缓过多磷素的损失。这可能是在低磷水平下间作种间竞争诱导根构型(根长、根尖数和根表面积等)发生改变、根系分泌磷活化物质(质子、有机酸、磷酸酶等)促进土壤磷素释放,而在高磷水平下种间互作促进磷素高效吸收利用。

表3 为不同种植模式和施磷水平下红壤磷素的解吸量、解吸率和滞后系数平均值。由表3 可看出,种植模式(除解吸量)、施磷水平以及种植模式与施磷水平的交互作用极显著影响红壤磷素的解吸量、解吸率和磷素滞后系数(P<0.01)。总体上,间作处理较单作磷素解吸量和滞后系数分别增加9.2%和3.2%,降低磷素解吸率18.4%。不同施磷水平下,间作对磷素的解吸特性不同,其中,磷解吸量在P0 和P60 处理间作较单作显著增加90.2%和194.4%,而在P90 和P120 处理间作较单作减少52.1%和34.1%;间作磷解吸率在P0 和P60 处理较单作显著增加68.1%和148.1%,而在P90 和P120 处理较单作降低66.5%和46.7%(表3)。

表3 不同施磷水平下玉米||大豆间作(IM)和玉米单作(MM)的土壤磷解吸量及滞后系数Table 3 Desorption and desorption hysteresis coefficients of phosphorus in soil of maize-soybean intercropping(IM)and maize monoculture(MM)systems under different phosphorus levels

磷素滞后系数(HI)为一定温度和浓度下土壤对磷吸附量与解吸量的差值再除以吸附量,作为不可逆吸附程度的量化指标,其值越大代表吸附和解吸过程受外在因素影响的规律性越大[29]。随施磷量增加,不同种植模式下土壤磷素滞后系数间作总体变化不大,而单作呈降低趋势,表明高磷施用增加土壤中磷素的活动性,利于磷素的解吸。不同施磷水平下,间作磷素滞后系数在P0 和P60 处理较单作显著减少5.4%和11.8%,而在P90 和P120 处理较单作显著增加19.4%和14.3%(P<0.05)。

2.3 间作影响红壤磷吸附解吸附的关键因子及其相对贡献

为进一步了解土壤理化特性对磷吸附解吸特征的影响,运用土壤理化因子(数据未列出)与红壤磷吸附量和解吸量进行相关分析,结果表明(表4),土壤磷吸附量与土壤pH、有机质、树脂磷、速效磷、全磷以及磷吸附饱和度呈极显著负相关(P<0.01),与游离氧化铁、游离氧化铝和磷吸持指数呈极显著正相关(P<0.01);土壤磷解吸量与标准需磷量呈极显著负相关(P<0.01),其他指标相关性不显著。

表4 玉米||大豆间作和玉米单作红壤性质与磷吸附解吸特征参数的相关性Table 4 Relationship between red soil properties and phosphorus(P)sorption-desorption parameters of maize-soybean intercropping and maize monoculture systems

为深入探索不同种植模式与施磷水平对各理化因子的影响,进而阐明间作和施磷水平对磷素吸附量和解吸量的关键因子,本研究运用结构方程模型(SEM),对种植模式与磷水平下各指标因子分析、回归分析以及路径分析进行有效整合,揭示不同种植模式和施磷水平下磷素吸附量和解吸量的因果关系(图5)。SEM 模型拟合不同种植模式和磷水平下土壤pH、有机质、游离氧化铁、游离氧化铝、树脂磷、速效磷、全磷调节土壤磷吸附量和解吸量的网络交互图是非常吻合的(χ2=57.70,Df.=17,P<0.01)。从图中可看出,种植模式对土壤磷吸附量的影响主要是通过对游离氧化铁、游离氧化铝、树脂磷、速效磷和全磷的调节,对土壤磷解吸量的影响主要是通过游离氧化铝、速效磷和全磷的改善;磷水平对土壤磷吸附量的影响主要是通过对土壤游离氧化铁、游离氧化铝、树脂磷、速效磷和全磷的调节,对土壤磷解吸量的影响主要是通过对游离氧化铝、有效磷和全磷的调节。

为更进一步剖析不同种植模式下土壤理化指标与磷素吸附量和解吸量的关系,采用邻接树分析方法(aggregated boosted tree analysis,ABT)分析土壤理化指标对红壤磷吸附量和解吸量的相对重要性。从图6 中可看出,影响玉米||大豆间作、玉米单作土壤磷吸附量的首要因子分别是pH 和有机质,相对贡献率分别为37.58%和47.49%,影响间作和单作土壤磷解吸量的首要因子均为有机质,相对贡献率分别为48.67%和41.58%。总体上,红壤磷素的吸附和解吸不管在间作还是单作条件下,主要受pH、有机质和游离氧化铁影响,其对间作和单作吸附量的相对贡献率以及解吸量的相对贡献率分别高达87.61%、88.66%、88.05%和86.44%,不同种植模式改变土壤的pH、有机质和游离氧化铁含量造成单间作红壤磷吸附量和解吸量的差异。

3 讨论

3.1 施磷对红壤磷吸附解吸效应的影响

土壤中磷素的吸附解吸决定磷素在土壤中的有效性,二者转化直接影响土壤磷素的供应能力[33]。本研究中,间作和施磷处理磷等温吸附曲线变化规律一致,土壤磷吸附量随平衡溶液磷浓度增加呈先快速上升再缓慢增加趋于饱和的趋势,Langmuir 等温吸附方程可以很好地拟合酸性红壤对磷的吸附特征,这与大多数研究结果一致[10,20,24]。同时,当土壤平衡磷浓度小于20 mg∙L−1,各处理等温线斜率最大,土壤对磷的吸附量增长较快,随平衡液磷浓度持续增加,磷吸附曲线变化平缓并趋于饱和,王琼等[20,24]的研究结果与本研究结果一致。这可能是因为随着吸附反应的进行,土壤表面的吸附位点逐渐趋于饱和,从而使得磷吸附速率有所下降,吸附反应逐渐趋于平衡[22]。

土壤磷吸附量和吸附强度受土壤磷素水平影响较大[34]。本研究中,土壤磷吸附量随施磷量的增加均逐渐降低,龚振平等[24]在黑土、Vu 等[35]在澳洲钙质土壤以及张海涛等[36]在潮褐土上研究施磷量对土壤磷吸附效应的结果也证实这一点。这可能与随着土壤中有效磷含量增加,土壤胶体表面的磷吸附位点逐渐被占据,从而减弱土壤对磷的吸附有关[37]。

土壤磷解吸过程是磷吸附的逆过程,土壤解吸出的磷可转化成不同形态的无机磷供植物吸收利用,在低磷水平下磷素的解吸比吸附更重要,而高磷水平下磷素的吸附更加关键,通常用解吸量和解吸率来表征土壤中磷的解吸特征[38-39]。张鑫等[40]研究表明,土壤磷解吸量随加入外源磷浓度的增加而增加;Varinderpal-Singh 等[41]在印度玉米-小麦(Triticum aestivumL.)轮作区长达32 a 的定位试验也表明,随施磷量的增加,土壤磷解吸率逐渐增大。本研究中,随土壤磷吸附量的增加,不同种植模式和施磷水平下土壤磷解吸量逐渐增加。同时,在不同种植模式下,随施磷水平增加,土壤磷解吸量也呈增加趋势,与王斌等[16]的研究结果一致。这主要是因土壤有效磷竞争磷吸附位点而有效降低土壤矿物胶体对磷酸根离子的吸附潜能,由此提高土壤磷的解吸特性[37]。此外,本试验中不同处理下的平均磷素解吸率与龚振平等[24]的研究结果均小于25%,说明土壤对磷的吸附-解吸存在明显滞后现象。

3.2 间作对红壤磷吸附解吸效应的影响

土壤对磷的吸附与解吸特性除受土壤类型、施肥方式及施肥量等诸多因素的影响[42-43],不同种植模式也影响土壤磷素的吸附特性。前期研究表明间作处理能有效促进作物对磷素的吸收和利用[25-26],然而关于间作影响磷素吸附解吸的研究较少,徐敏等[19]在紫色土上的研究表明,玉米/大豆套作与玉米单作和大豆单作相比土壤对磷具有更强的固持能力,套作在磷素利用率、磷流失风险等方面均表现出明显优势。本研究中,在不同施磷水平下,玉米||大豆间作土壤磷吸附量总体上高于玉米单作,单作和间作磷吸附量差异随不同平衡液磷浓度增加呈现先增加后降低的趋势。同时,随土壤磷吸附量的增加,在P0和P60 处理,间作土壤磷解吸量高于单作,在P90 和P120 处理下,单作处理土壤磷解吸量高于间作,且随土壤磷吸附量增加,单间作差异逐渐加大。随加入红壤的磷增加,在P0 和P60 处理,间作土壤磷解吸率高于单作,在P90 和P120 处理下,单作处理土壤磷解吸率高于间作,单间作磷素解吸率差异随加入红壤磷的质量浓度的增加逐渐加大,间作在低磷水平下可大量释放磷素供给植物吸收利用,而在高磷水平下,间作能够减少磷素解吸,有效减缓过多磷素的损失,表明间作玉米大豆对土壤磷吸附和解吸具有良好的缓冲能力,这可能与间作改变土壤理化指标进而增强其对磷素吸附解吸的缓冲性能有关,与本研究中最大吸附量、最大缓冲容量以及滞后系数结果一致。

3.3 间作和施磷红壤磷吸附解吸对土壤性质的响应

前人大量研究证实,土壤pH、黏土矿物的类型和数量、有机质含量和铁、铝氧化物含量影响土壤磷吸附[12]。土壤对磷的吸附解吸作用与土壤理化性质(如土壤pH、黏粒含量和铁、铝氧化物以及有机质的含量等)显著相关[4-5]。本研究中土壤磷吸附量与土壤pH、有机质、树脂磷、速效磷、全磷以及磷吸附饱和度呈极显著负相关,与游离氧化铁、游离氧化铝和磷吸持指数呈极显著正相关,土壤磷解吸量与标准需磷量呈极显著负相关,其他指标相关性不显著。

种植模式(除解吸量)、施磷水平以及种植模式与施磷水平的交互作用(除吸附量)极显著影响红壤磷素的吸附量、解吸量、解吸率和磷素滞后系数。结构方程模型(SEM)对种植模式与磷水平下各指标因子分析、回归分析以及路径分析进行有效整合结果表明:SEM 模型拟合不同种植模式和磷水平下土壤pH、有机质、游离氧化铁、游离氧化铝、树脂磷、速效磷、全磷调节土壤磷吸附量和解吸量的网络交互图是非常吻合的。种植模式通过调节游离氧化铁、游离氧化铝、树脂磷、速效磷和全磷影响土壤磷吸附量,通过对游离氧化铝、速效磷和全磷的改善影响土壤磷解吸量;磷水平对土壤磷吸附量的影响主要是通过对土壤游离氧化铁、游离氧化铝、树脂磷、速效磷和全磷的调节,对土壤磷解吸量的影响主要是通过对游离氧化铝、速效磷和全磷的调节。ABT分析显示,红壤磷素的吸附和解吸不管在间作还是单作条件下,主要受pH、有机质和游离氧化铁的影响,间作玉米、单作玉米磷吸附量的首要因子分别是pH 和有机质,不同种植模式改变土壤的pH、有机质和游离氧化铁含量造成单间作红壤磷吸附量和解吸量的差异。马良等[44]研究表明,在砖红壤和水稻土中,土壤中铁、铝氧化物含量和有机质含量是影响磷吸附的主要因素,且随pH 的升高磷的吸附量和解吸量均降低,与我们的研究结果一致。另外,土壤中的有机质分解产生的有机酸释放出的氢离子可使矿物表面基团质子化而增加磷吸附位点,进而促进土壤对磷的吸附能力[45-46],另一方面,土壤有机质具有明显的凝胶特点,以胶膜的形式包被氧化铁铝,从而降低土壤胶体对磷的吸附[47]。

4 结论

1)Langmuir 等温吸附方程最适合拟合红壤对磷的吸附特征,随平衡溶液磷浓度的增加土壤磷吸附量呈先快速上升再缓慢增加趋于饱和的趋势,且土壤磷吸附量随施磷量的增加均逐渐降低;种植模式和施磷水平以及二者交互作用极显著影响红壤磷素的吸附量和解吸量。

2)红壤磷素的吸附和解吸主要受pH、有机质和游离氧化铁的影响,其中,土壤磷吸附量与土壤pH、有机质、树脂磷、有效磷、全磷以及磷吸附饱和度呈极显著负相关,与游离氧化铁、游离氧化铝和磷吸持指数呈极显著正相关;土壤磷解吸量与标准需磷量呈极显著负相关。

3)间作具有较好的土壤磷缓冲能力,通过改变土壤的pH、有机质和游离氧化铁含量影响单间作红壤磷吸附量和解吸量。在低磷水平下可促进磷素解吸供植物吸收利用,提高磷素利用率,在高磷水平下,间作能降低磷素解吸,有效减缓磷素损失。