秸秆还田下水分管理措施对稻田土壤中磷素有效性的影响

Effects of Water Management Practices on Phosphorus Availability in Paddy Soils Under Straw Incorporation

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2025.02.002

张沪宁 Huning ZHANG , 尹毅冉 Yiran YIN , 景建元 Jianyuan JING , 徐刚 Gang XU , 叶新新 Xinxin YE , 熊启中 Qizhong XIONG , 李虹颖 Hongying LI

1 宿州市埇桥区农业技术推广中心安徽宿州 234000 Agricultural Technology Extension Centre of Yongqiao District, Suzhou City, Suzhou, Anhui 234000, China 2 农田生态保育与养分资源高效利用安徽省重点实验室/安徽省绿色磷肥智能制造与高效利用工程研究中心/自然资源部江淮耕地资源保护与生态修复重点实验室/安徽农业大学资源与环境学院安徽合肥 230036 Anhui Province Key Lab of Farmland Ecological Conservation and Nutrient Utilization/Anhui Province Engineering and Technology Research Center of Intelligent Manufacture and Efficient Utilization of Green Phosphorus Fertilizer/Key Laboratory of Jianghuai Arable Land Resources Protection and Eco-restoration, Ministry of Natural Resources/College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036, China 3 安徽省农业科学院蔬菜研究所安徽合肥 230031 Institute of Vegetables, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei, Anhui 230031, China

Author notes:

Correspondence to: 熊启中(1986—)，男，博士，副教授，研究方向为新型肥料研发；qzxiong@ahau.edu.cn Correspondence to: 李虹颖(1981—)，女，博士，副研究员，研究方向为农业资源与环境；nmglihongying@126.com

摘要：

为探究不同水分管理措施下秸秆还田对稻田土壤中磷素有效性的影响，明确土壤中有效磷的形态转化与土壤中可溶性有机碳含量、Fe³⁺/Fe²⁺比率之间的相关性，开展了室内模拟培养试验。试验共设淹水(W1)、干旱(W2)、干湿交替(W3)、淹水+秸秆(W1+S)、干旱+秸秆(W2+S)、干湿交替+秸秆(W3+S)等6个处理，分析了秸秆在不同腐解时间下土壤中各有效磷素的形态、含量、比例的变化。结果表明：秸秆还田可显著提高土壤中有效磷含量，W1+S处理的土壤中有效磷含量最高，W2和W3处理的较低；淹水可充分释放添加秸秆后土壤中可溶性有机碳，W1+S处理的土壤中可溶性有机碳含量最高，W2处理的最低，且土壤中可溶性有机碳含量与土壤中有效磷含量呈极显著正相关；淹水并添加秸秆，可使土壤中Fe-P中的Fe³⁺还原成Fe²⁺并释放H⁺，与W1处理相比，土壤pH下降0.48，有助于土壤中Ca₁₀-P向Ca₂-P和Ca₈-P转化，Ca₂-P和Ca₈-P占比显著提高，而Fe-P占比显著降低。淹水条件下实施秸秆还田，有助于提高稻田土壤中磷素的有效性。

关键词：

水稻土; 秸秆还田; 水分管理; 可溶性有机碳; 磷素有效性;

Abstract：

To investigate the effects of straw incorporation combined with different water management practices on phosphorus availability in paddy soils, and to elucidate the correlations between transformation of soil available phosphorus forms and soluble organic carbon content and Fe³⁺/Fe²⁺ ratio in soil, an indoor simulated cultivation experiment is conducted. Six treatments are designed: flooding (W1), drought (W2), alternate wetting and drying (W3), flooding+straw incorporation (W1+S), drought+straw incorporation (W2+S), and alternate wetting and drying+straw incorporation (W3+S). Changes in soil available phosphorus forms, content, and fractions are analyzed during different stages of straw decomposition. The results show that straw incorporation significantly increases soil available phosphorus content, with W1+S showing the highest levels, while W2 and W3 exhibited lower values. Flooding can fully release soluble organic carbon in soil after adding straw, with W1+S achieving the highest soluble organic carbon content and W2 the lowest. A highly significant positive correlation is observed between soluble organic carbon content and available phosphorus content. Under flooding with straw incorporation, the Fe³⁺ from Fe-P in soil is reduced to Fe²⁺, accompanied by H⁺ release, leading to a 0.48 pH decrease compared to W1, and promotes the transformation of Ca₁₀-P into more Ca₂-P and Ca₈-P in soil, significantly increasing their proportions while reducing Fe-P. Straw incorporation under flooding conditions effectively enhances phosphorus availability in paddy soils.

Keyword：

paddy soil; straw incorporation; water management; soluble organic carbon; phosphorus availability;

磷(P)是作物正常生长发育必需的大量营养元素，直接影响作物的产量和品质^[1]。然而，磷肥的高投入和低利用率(15%~25%)是导致农田土壤中大量有效磷盈余、环境污染和资源浪费的主要原因^[2]。因此，提高土壤中磷素的利用率是减少土壤中磷素流失的关键。

有机碳源可为土壤中解磷微生物的生长提供能量，在微生物的作用下，植物残体中的木质组织逐渐分解，释放出磷酸盐，这些磷酸盐既可以直接构成土壤中可溶性和可交换性磷酸盐，也可以通过竞争吸附位点促进累积态磷的释放^[3]。秸秆作为一种重要的天然有机碳源，不仅产量大，且含有丰富的磷素^[4-5]。研究表明，秸秆还田是循环利用磷养分资源的重要途径，能显著提高土壤中磷的含量^[6]。近年来，有许多研究集中于水稻田中秸秆还田的效果。Yang等^[7]在湖南省南县的双稻轮作系统中发现，秸秆还田能提高土壤中的有效磷含量。王保君等^[8]的定位试验表明，在等施氮量条件下，秸秆还田处理的稻田土壤中有效磷含量可提高4.69%~54.64%。Jing等^[9]的研究进一步表明，多种秸秆生物炭均能够有效提升稻田的有效磷水平。

土壤中水分条件的变化可以直接影响土壤中磷的转化和有效性，氧化还原条件会随着土壤中水分含量的变化而改变，这不仅会对土壤的物理、化学性状产生影响，还会影响土壤对磷的吸附及调和能力^[10]。Borch等^[11]的研究表明，淹水会影响土壤中磷的形态和生物有效性。Feng等^[12]的研究表明，干旱会降低土壤中无机磷的含量，有机磷和闭蓄态磷的含量则会增加。田仓等^[13]的研究表明，干湿交替可提高土壤中有机磷的含量和各形态无机磷的含量。

本文以安徽省水稻土为供试土壤，基于相同秸秆量及不同水分管理条件，采用室内土壤模拟培养的试验方法，探究秸秆施入土壤后对土壤中有效态磷含量及无机磷组分的影响，阐明秸秆还田和水分管理对土壤中磷素有效性的影响趋势。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自安徽省铜陵市普济圩农场0~20 cm的表层水稻土，其基本理化性状：pH为6.85，w(有机质)为35.09 g/kg，w(有效磷)为22.13 mg/kg，w(全磷)为0.72 g/kg，w(速效钾)为390 mg/kg，田间持水量为34.25%。

供试秸秆为普济圩农场稻虾田新优188品种成熟期水稻秸秆，其基本性质：w(全氮)为9.1 g/kg，w(全磷)为1.98 g/kg，w(全钾)为18.9 g/kg，w(有机碳)为384.12 g/kg。

主要仪器：FE20-standard型pH计，梅特勒-托利多仪器有限公司；Multi N/C 3100型分析仪，德国耶拿分析仪器股份公司；Cary 3500型分光光度计，安捷伦科技公司。

1.2 试验设计及样品采集

试验采用室内恒温培养的方法，共设6个处理：W1，淹水处理，淹水保持2 cm土层；W2，干旱处理，加水调至田间持水量的70%；W3，干湿交替处理，干旱-淹水-回旱；W1+S，淹水+秸秆处理；W2+S，干旱+秸秆处理；W3+S，干湿交替+秸秆处理。各处理恒温25 ℃培养60 d，每个处理设置3次重复。试验时，称取过2.00 mm筛的供试土壤500 g，按每500 g土壤(干质量)中添加10 g粉碎后的秸秆，充分混匀后装入培养容器中。培养期间采用差重法补充去离子水，分别在第1、3、5、7、15、30、45、60天进行取样，取完土样后继续进行培养。

1.3 测定项目及方法

pH：采用电位法测定，水土质量比为2.5 ∶1^[14]。土壤中Olsen-P含量采用0.5 mol/L NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法测定。无机磷分级采用顾益初-蒋柏藩分级方法，分为Ca₂-P、Ca₈-P、Ca₁₀-P、Fe-P、Al-P和O-P^[15]。

土壤中可溶性有机碳(DOC)含量：取过2 mm筛的新鲜土样10 g置于100 mL离心管内，加入去离子水20 mL(土水质量比为1 ∶2)；在25 ℃下，以转速250 r/min恒温振荡30 min，以转速4 000 r/min离心20 min；将上清液用真空泵抽滤过0.45 μm微孔滤膜，收集滤液至50 mL塑料瓶中；取部分滤液直接在Multi N/C 3100型分析仪上测定^[16]。

土壤中Fe²⁺含量：采用0.2% 2, 2′-联吡啶+0.1 mol/L KCl溶液(pH为7.5)提取后测定^[17]。

1.4 数据处理分析

采用Microsoft Excel 2021软件进行数据处理，Origin 2022软件绘图，SPSS 26.0软件进行数据统计分析，差异显著性分析采用Duncan法，相关性分析采用Pearson法。

2 结果与分析

2.1 水分管理和秸秆还田对土壤中磷有效性的影响

随着土壤培养时间的延长，不同处理的土壤中有效磷含量呈现出第1天至第3天快速增加，3 d后趋于稳定的变化趋势。土壤培养60 d后，W1+S处理的土壤中有效磷含量最高(见图 1，图中不同小写字母表示处理间差异显著，下同)，其次是W3+S、W1、W2+S、W3处理，W2处理的最低；W1+S处理的土壤中有效磷含量较W2处理的提高35.81%。

图 1

不同处理的土壤中有效磷含量的变化

2.2 水分管理和秸秆还田对土壤中无机磷形态的影响

土壤培养60 d后，不同处理的土壤中Ca₂-P含量存在显著性差异(见图 2)，其变化趋势为W1+S＞W1＞W3≈W2+S＞W3+S＞W2，W1+S处理的土壤中Ca₂-P含量比W2处理的提高22.25%。W1+S处理的土壤中Ca₈-P的含量最高，Ca₁₀-P、Fe-P的含量最低。6个处理的土壤中，Al-P、O-P的含量无显著性差异。

图 2

不同处理的土壤中各形态无机磷含量

2.3 水分管理和秸秆还田对土壤中不同磷组分占比的影响

土壤培养60 d后，W1+S处理的土壤中Ca₂-P和Ca₈-P占比显著增加、Fe-P占比显著减少(见图 3)，这说明W1+S处理的土壤中Ca₂-P和Ca₈-P含量的增加主要来自土壤中Fe-P的转化。

图 3

不同处理的土壤中各形态无机磷占比

2.4 水分管理和秸秆还田对土壤理化性状的影响2.4.1土壤pH

随着土壤培养时间的延长，不同处理的土壤pH变化趋势为：第1至第7天快速增大，第7天后趋于稳定。土壤培养60 d后，W1处理的土壤pH最大(见图 4)，其次是W3、W2+S、W2和W3+S处理的，W1+S处理的最小，W1+S处理的土壤pH比W1处理的降低0.48。

图 4

不同处理的土壤pH的变化

2.4.2 土壤中DOC含量

土壤培养60 d后，不同处理的土壤中DOC含量存在显著性差异，见图 5。土壤中DOC含量的变化趋势为W1+S＞W1＞W3+S＞W2+S＞W3＞W2，W1+S处理的土壤中DOC含量比W2处理的提高753.56%。

图 5

不同处理的土壤中DOC含量

2.4.3 土壤中Fe²⁺含量

土壤培养60 d后，不同处理的土壤中Fe²⁺含量存在显著差异，见图 6。总体来说，W1+S处理的土壤中Fe²⁺含量最高，其次是W1、W2+S、W3、W2处理的，W3+S处理的最低。与W3+S处理相比，W1+S处理的土壤中Fe²⁺含量提高41.73%。

图 6

不同处理的土壤中Fe²⁺含量

2.5 土壤中的有效磷含量与无机磷形态、pH及DOC、Fe²⁺含量的相关性分析

土壤培养60 d后，在不同水分管理条件下，土壤中的有效磷含量与无机磷形态、pH及DOC、Fe²⁺含量的相关性分析见图 7(图中*表示P≤0.05，**表示P≤0.01)。

图 7

土壤中有效磷含量与土壤中无机磷形态、pH及DOC、Fe²⁺含量的相关性

由图 7可知：土壤中Olsen-P含量与Ca₂-P、DOC含量呈极显著正相关关系，与Ca₈-P含量呈显著正相关关系，相关性系数分别为0.79、0.84和0.58；Fe²⁺含量与Ca₂-P、Ca₈-P含量呈极显著正相关关系，与DOC含量呈显著正相关关系，相关性系数分别为0.63、0.74和0.55；Fe²⁺含量与Fe-P含量呈显著负相关关系，相关性系数为-0.66。

3 讨论

3.1 水分管理和秸秆还田对土壤中有效磷含量的影响

试验结果显示，不同水分条件下，土壤中有效磷含量存在显著差异。W1处理的土壤中有效磷含量显著高于W3、W2处理的，这表明水稻土在淹水的情况下有效磷含量显著增加。亢龙飞^[18]的研究发现，水稻土在淹水条件下有效磷含量会显著增加；在土壤淹水的条件下，随着有机质腐解中间产物的增加，螯合的金属离子被释放，能够促进有效态磷含量的增加。

试验结果还显示，在相同水分条件下，与不添加秸秆的处理相比，添加秸秆的处理在培养60 d后，土壤中有效磷含量升高11.22%~18.48%。查庆南等^[19]的研究发现，添加秸秆可以显著提高土壤中有效磷含量。Maranguit等^[20]的研究表明，在土壤添加秸秆的培养试验中，前3周土壤中有效磷含量达到了峰值。秸秆还田处理可以减弱土壤对磷的吸附作用，对土壤中有效磷含量的提高有积极的作用^[21]。

土壤中DOC含量是衡量土壤养分状况的重要指标。试验表明，W1、W1+S处理能提高土壤中DOC含量，在长期淹水条件下，能充分释放秸秆还田后土壤中的DOC。陈全胜等^[22]的研究发现, 土壤水分的变化能使土壤中DOC含量产生改变，这与试验结果一致。Borken等^[23]的研究发现，淹水可通过调控微生物的活性来提高土壤中DOC的水平。

试验结果显示：土壤中DOC含量的升高与有效磷含量升高呈极显著正相关关系；土壤中DOC含量升高的同时，也能对土壤中有效磷含量起到积极的调控作用。秸秆碳能通过驱动土壤中不同形态磷的转化，促进土壤中有机磷的矿化来提高有效磷含量^[24]。DOC能够激活土壤中的残留磷，并减少磷的固定^[25]。Guppy等^[26]发现，碳的官能团能争夺磷的吸附位点，添加DOC后显著降低了磷与Fe/A1氧化物的吸附，这与试验结果中淹水+秸秆处理能够使DOC含量达到最高，同时伴随土壤中Fe-P含量降低的现象一致。也有研究认为，DOC在腐解过程中会产生有机酸等物质，这些物质可以与Fe/A1形成络合物并减少土壤对磷的吸附固定。在石灰性土壤中，有机质竞争磷与CaCO₃的吸附位点，进而减少土壤磷的吸附^[18]。同时，DOC在腐解过程中会释放出CO₂和碳酸，可提高Ca、Mg等磷酸盐的溶解度。有机碳中的腐殖酸盐还可以在胶体的氧化物上形成一个保护面，减少磷酸盐的固定^[27]。

3.2 水分管理和秸秆还田对土壤中无机磷形态的影响

磷素在土壤中易被固定，其赋存形态是土壤中磷素有效性的决定性因素^[21]。试验结果显示，W1+S处理能显著提升土壤中Ca₂-P、Ca₈-P含量，并能降低土壤中Ca₁₀-P、Fe-P含量，由此可推断出淹水+秸秆处理能促进土壤中Ca₁₀-P和Fe-P向Ca₂-P和Ca₈-P的转化。已有研究表明，高含水量有利于Ca₂-P、O-P的累积，增施有机物料在淹水条件下对土壤中的Ca₁₀-P、O-P及Fe-P有显著的活化作用^[28]。

铁循环对稻田土壤有着重要影响。在稻田的淹水-干燥交替过程中，主要通过氧化还原过程来调控土壤养分的形态和有效性，从而影响金属元素的迁移以及微生物群落的组成^[29]。试验结果表明，在淹水+秸秆的处理条件下，土壤中Ca₂-P和Ca₈-P的占比升高，Fe-P的占比降低(见图 3)，且土壤中Fe²⁺的含量也有所升高(见图 6)。这表明，淹水+秸秆处理可以将土壤中Fe-P的Fe³⁺还原成Fe²⁺，并释放H⁺，促使土壤中Ca₁₀-P向Ca₂-P和Ca₈-P转化。已有研究表明，淹水能够降低土壤的氧化还原电位，导致大量的铁氧化物被还原，使Fe²⁺的浓度提高，从而促进作物对养分的吸收^[30]，这与试验结果一致。淹水条件不会使土壤中的闭蓄态磷全部释放并转化成有效磷，但可以使O-P活化并向Fe-P转变^[31]。随着土壤中Fe³⁺还原成Fe²⁺，铁结合的磷酸盐得到释放^[32]。此外，也有研究表明，在长期淹水的情况下，水稻土的pH会显著上升，这可能是因为淹水导致土壤中铁的还原，消耗了大量的H⁺^[33]。杨志敏等^[34]的研究认为，秸秆还田后，在微生物作用下，秸秆腐解会释放腐殖酸到土壤中，导致土壤pH降低。这与试验中随着培养时间的延长，添加秸秆处理的土壤pH较未添加秸秆处理的低的结果一致(见图 4)。

4 结语

试验在淹水(W1)、干旱(W2)、干湿交替(W3)、淹水+秸秆(W1+S)、干旱+秸秆(W2+S)、干湿交替+秸秆(W3+S)等6个处理条件下，验证了土壤中各有效磷素的形态、含量、比例的变化趋势，明确了土壤中有效磷的形态转化与土壤中DOC含量、Fe³⁺/Fe²⁺比率之间的相关性。结果表明：秸秆还田处理能够促进土壤中有效磷素含量的提高；在淹水+秸秆的条件下，土壤中有效磷含量显著增加。长期淹水能充分释放秸秆还田后土壤中的DOC，DOC含量的升高与土壤中有效磷含量的升高呈极显著正相关关系。淹水+秸秆处理能促进土壤中Fe-P中的Fe³⁺还原成Fe²⁺，并释放H⁺，促使土壤中Ca₁₀-P向Ca₂-P和Ca₈-P转化。因此，从整个培养期看，在淹水条件下，秸秆还田更有利于稻田土壤中磷素有效性的提高。

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