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无机磷肥施入土壤后很快发生物理化学反应转化为溶解度低且难被植物吸收利用的磷酸盐形态,从而造成磷肥的当年利用率很低。粪肥或粪肥-无机磷肥配施可以减少磷素在土壤中的固定及促进作物的吸收,从而提高磷肥利用率。在农业生产中适当合理地施加粪肥不仅可以缓解磷矿资源日益减少的现状,实现对动物粪便的再利用,还能提高无机磷肥的利用率。因此,深入了解并评估施加粪肥后土壤磷素转化规律及淋溶迁移风险,对指导合理施肥及降低环境风险具有重要意义。 本文利用化学分级法和液相31P-NMR技术系统地研究了牛粪和鸡粪中的磷素形态,并以我国河北衡水市的潮土、湖北潜江市的水稻土和江西鹰潭市的红壤三种典型土壤为实验材料,采用室内土壤培养试验研究了粪肥单施或与无机磷肥(K2HPO4)配施对土壤磷素形态及其转化规律的影响;采用室内土柱模拟淋溶试验研究了在潮土和红壤上施加牛粪和鸡粪后,磷在土壤中的淋溶迁移特征。 论文主要结果如下: (1)水溶性磷(H2O-P)和NaHCO3提取磷(NaHCO3-P)等活性磷占总磷的比例鸡粪为55.9%,低于牛粪的71.3%,但其在鸡粪的含量(6.66 g·kg-1)却明显高于牛粪(4.43 g·kg-1);鸡粪的NaOH提取磷(NaOH-P)和HCl提取磷(HCl-P)的比例及含量均高于牛粪。与牛粪相比,鸡粪磷更多的以有机磷形式存在,粪肥有机磷以正磷酸单酯为主,肌醇六磷酸是最主要的单酯磷,其在鸡粪中的含量远高于牛粪;粪肥含有的少量双酯磷主要来自于微生物残体。 (2)粪肥自身的磷素组成显著影响着土壤有效磷及有机磷的含量。按照等磷量施加粪肥,牛粪可以在短期内提供更多的有效磷,并能逐步增加土壤有机磷的含量;鸡粪可以大量地增加土壤有机磷,而有机磷的矿化不断释放并增加土壤有效磷,表现出一定的长效作用。 (3)随培养时间延长,单施无机磷后在潮土中磷酸二钙(Ca2-P)逐渐向磷酸八钙(Ca8-P)、铁磷(Fe-P)和铝磷(Al-P)转化,水稻土中Ca2-P则主要向Ca8-P和Al-P转化;施加牛粪后土壤Ca2-P逐渐向Ca8-P转化,而鸡粪则促进了土壤Ca8-P向Ca2-P的转化。在红壤上,施加无机磷肥后土壤增加的磷以Al-P和Fe-P为主,随时间延长,牛粪处理的易溶态磷逐渐降低,而鸡粪处理则基本不变;施加两种粪肥后土壤的Fe-P随时间延长逐渐降低,而Al-P、闭蓄态磷(O-P)和磷酸十钙(Ca10-P)随时间的变化不大。 (4)通过31P-NMR技术可以直观地了解施加粪肥后各形态有机磷在土壤中的变化规律,施加粪肥丰富并提高了土壤有机磷的形态和含量,并依粪肥种类的不同而不同,这与粪肥中有机磷形态和含量有直接关系。施人土壤的正磷酸单酯不断矿化为无机磷,而土壤无机磷被微生物固持后形成核酸类的正磷酸双酯。 (5) Langmuir等温方程可以很好地描述施加粪肥后磷在潮土和红壤上的等温吸附过程。两种粪肥处理的土壤磷最大吸附量Xm随时间的变化规律不尽相同:随培养时间延长,牛粪处理的Xm逐渐降低,而鸡粪处理则刚好相反,这可能与有机质不同的调节机制有关。 (6)施加粪肥改变了潮土和红壤淋溶液pH,使其趋向于中性,有利于降低土壤对磷的吸附。淋溶液磷以可溶性有机磷(DOP)为主,颗粒态磷(PP)次之,可溶性反应磷(DRP)最少。在潮土上施加粪肥显著提高了淋溶液DOP的含量,存在较大的淋溶流失风险,与牛粪相比,在潮土上施加鸡粪带来的淋溶风险可能更大;红壤对磷表现出很强的阻滞作用,施加粪肥对淋溶液磷含量没有明显影响,淋溶风险较小。 (7)潮土和红壤吸持固定磷的容量很大,磷在土壤中很难向下迁移,施加粪肥仅提高了施肥土层以下5 cm范围内的NaHCO3-P含量,施肥土层的H2O-P、NaHCO3-P和活性有机磷含量均维持在较高水平,存在农田径流流失风险。