连续6年施磷肥对土壤磷素积累、形态转化及有效性的影响

2016-01-27李新乐侯向阳穆怀彬李西良郭丰辉

草业学报 2015年8期

关键词：磷肥有效性

李新乐，侯向阳，穆怀彬，李西良，郭丰辉

(1.中国农业科学院草原研究所，内蒙古呼和浩特 010010；2.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古磴口 015200)

连续6年施磷肥对土壤磷素积累、形态转化及有效性的影响

李新乐1,2，侯向阳1*，穆怀彬1，李西良1，郭丰辉1

(1.中国农业科学院草原研究所，内蒙古呼和浩特 010010；2.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古磴口 015200)

摘要：长期施磷肥对土壤磷素积累、形态转化以及有效性的影响是国内外土壤化学研究的热点之一。本研究利用从2008年开始在京南地区进行的紫花苜蓿连续6年施用磷肥定位试验，研究不同施肥处理对紫花苜蓿田土壤磷素积累、形态转化及其有效性的影响。试验地土壤为褐潮土，试验开始前耕层(0～20 cm)土壤有机质为11.2 g/kg，全磷为0.77 g/kg，速效磷为5.66 mg/kg，pH为8.3。结果表明，连续不施磷肥土壤的全磷、速效磷、无机磷各组分含量较连续施磷肥处理均明显降低，说明连续施用磷肥可显著扩大土壤中的有效磷库；不施磷肥处理耕层(0～20 cm)土壤全磷下降了6.94%，速效磷下降了16.3%，施用磷肥处理耕层土壤全磷增加1.3%～13%，速效磷增加164.7%～335.9%；不同的施磷肥处理对Ca2-P含量的影响最大，不施磷肥的土壤Ca2-P几乎耗竭，而施磷处理的Ca2-P增加幅度可达19～36倍；此外，施用磷肥也使土壤Ca8-P、Ca10-P、Al-P、Fe-P、O-P有不同程度的提高。通过2013年的停施磷肥试验可知继续施磷肥的处理(F2)与停施磷肥的处理(F2′)在土壤磷素水平、苜蓿产量及养分含量上均没有显著差异，表明磷肥存在明显的后效作用，之前积累在土壤中的磷素具有生物有效性。

关键词：褐潮土；磷肥；磷素形态；有效性

DOI：10.11686/cyxb2014388http://cyxb.lzu.edu.cn

李新乐，侯向阳，穆怀彬，李西良，郭丰辉. 连续6年施磷肥对土壤磷素积累、形态转化及有效性的影响. 草业学报, 2015, 24(8): 218-224.

Li X L, Hou X Y, Mu H B, Li X L, Guo F H. P fertilization effects on the accumulation, transformation and availability of soil phosphorus. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(8): 218-224.

收稿日期：2014-09-15；改回日期：2014-12-25

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划(2012BAD12B02)资助。

作者简介：李新乐(1989-)，男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士。E-mail：nxylxl@126.com

通讯作者*Corresponding author. E-mail：houxy16@126.com

P fertilization effects on the accumulation, transformation and availability of soil phosphorus

LI Xin-Le1，2, HOU Xiang-Yang1*, MU Huai-Bin1, LI Xi-Liang1, GUO Feng-Hui1

1.GrasslandResearchInstituteofChineseAcademyofAgricultureSciences,Huhhot010010,China; 2.ExperimentalCenterofDesertForestry,ChinaAcademyofForestry,Dengkou015200,China

Abstract:The effects of phosphorus (P) fertilization on the accumulation, transformation and availability of P in soil chemistry have drawn much attention in recent years. This paper reports on a six-year fertilization experiment (beginning in 2008) with alfalfa grown in the south region of Beijing. The soil type in the study area is fluvo-aquic. Before the experiment was performed, soil organic matter was 11.2 g/kg, total P was 0.77 g/kg, available P was 5.66 mg/kg and soil pH was 8.3 in the topsoil (0-20 cm). The results showed that the contents of total P, available P and inorganic P in various forms decreased markedly without P fertilization and increased significantly when P fertilizer was applied. Total P and available P in soils without fertilization decreased by 6.94% and 16.3% respectively, while in soil treated with six years fertilization they increased by 1.3%-13.0% and 164.7%-335.9% respectively. The effects of different P fertilizer treatments on Ca2-P content were significant. Ca2-P content was almost depleted in the non-fertilization treatment, while levels in the fertilization treatment increased 19-36 times. P fertilization also increased the soil content of Ca8-P, Ca10-P, Al-P, Fe-P, O-P. When fertilization was stopped in 2013 it was found that no significant differences existed in soil P level, alfalfa yield and nutrient content between the treatments of continued fertilization (F2) and ceased fertilization (F2′). The results indicate that long term P fertilization has significant and continuous effects. The accumulation of P in soil contents should also enhance future biological performance.

Key words:Fluvo-aquic soil; phosphorus fertilizer; phosphorus forms; availability

磷是植物必需的大量元素之一，不仅是植物体内许多重要化合物的组成成分，而且以多种途径参与植物体内的代谢过程，从而影响植物的生长发育[1]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界广泛种植的一种优质蛋白饲草，被誉为“牧草之王”。全世界种植面积 3.3×107hm2，我国现有种植面积约 2.0×106hm2，居世界第6位，随着农业生产结构的调整，其种植面积将进一步扩大[2]。苜蓿是一种需磷量较大的多年生作物[3]，施用磷肥可以显著增加紫花苜蓿的根瘤数，加强根瘤菌的固氮作用，从而提高苜蓿的干物质产量[4]。此外，施磷明显可增强组织细胞膜的稳定性，增大气孔导度，使其对干旱的敏感性降低[5]。近年来，磷肥在苜蓿生产中的应用面积和数量在逐年增加[6]，但由于磷肥的利用率较低，当季利用率一般仅为15%～20%[7-8]，导致磷素在土壤中大量积累[9-10]，造成相当一部分土壤养分失调、磷肥利用率下降以及化肥资源的浪费[11]。如何利用这一积累的磷库资源达到节省磷肥，提高磷利用效率以及减少环境危害，对促进苜蓿产业的可持续发展具有重要的意义[12-14]。

有关施磷肥对土壤磷素积累、形态转化以及有效性的影响，一直是土壤化学的研究热点。英国洛桑试验站小麦(Triticumaestivum)连作101年(1843-1944年)后，无肥区土壤全磷含量为0.58 g/kg，而磷肥处理区土壤全磷含量则为1.08 g/kg[15]，说明长期施磷肥能促进土壤磷素累积。周宝库和张喜林[16]通过24年小麦-大豆(Glycinemax)-玉米(Zeamays)轮作施肥试验表明长期不施磷，土壤全磷下降了37.4%，施磷肥处理土壤全磷都有明显积累，尤其是施二倍量磷肥处理，其土壤全磷比对照增加了53.9%～65.7%。黄绍敏等[17]研究了小麦-玉米轮作方式下长期不同施肥量对潮土土壤P 素积累与利用，得出P素施入越多，残留在土壤中越多，P素利用率越低。Otto和Kilian[18]研究指出，当施P肥量在20 kg/hm2以上时，土壤P含量迅速提高。来璐等[19]对18年连作苜蓿条件下不同施肥处理对黄土P素的影响进行了研究，结果表明施肥可提高土壤耕层全P含量。

本研究以京南地区苜蓿长期水肥定位试验为平台，探讨连续6年不同施磷肥处理对土壤磷素积累、形态转化及有效性的影响，为苜蓿生产中合理地施用磷肥、提高肥料磷的有效性和利用率提供科学依据。

1材料与方法

1.1　试验区概况

试验地设在中国农业科学院廊坊实验基地，位于河北省廊坊市北部，地理位置116°34′60″-116°36′13″ E，39°35′44″-39°36′14″ N。试验区地势平坦，海拔25 m，属温带半干旱、半湿润大陆性季风气候。年均气温11.9℃，1月份最冷(平均气温-5.2℃，极端最低气温-25℃)，7月份气温最高(平均气温26℃，极端最高温40.2℃)，平均无霜期183 d，≥10℃的年均积温为4167℃，平均年日照数2659.6 h，年均降水量554.9 mm，降水高度集中在夏季(平均454.7 mm，占全年降水量的77%)。试验地土壤类型为褐潮土，实验开始前耕层(0～20 cm)土壤有机质为11.2 g/kg，全磷为0.77 g/kg，速效磷为5.66 mg/kg，pH为8.3。

1.2　试验设计

试验地种植植物为中苜2号紫花苜蓿，于2007年10月1日人工开沟条播，播种量为22.5 kg/hm2，播深2 cm，行距30 cm。研究于2008年3月份开始，本文所用数据截至2013年10月份，该实验至今仍在进行。采用完全随机区组设计，磷肥处理设置3个水平：分别为0，105，210 kg P2O5/hm2(记为F0、F1、F2)，分两次施用，即每次施肥量为0，52.5，105 kg/hm2，于每年苜蓿返青后以及第2茬刈割后结合灌溉进行施用，所施磷肥为粒状过磷酸钙(有效P2O5=12.0%，硫=10%，钙=10%)。每个处理设4个重复，每个小区面积为6 m×6 m，相邻小区间隔0.5 m，各小区间进行防水隔离处理。整个生育期不再施其他肥料，田间管理同大田。

2013年在保持之前实验设计方案不变的前提下，对F2施肥试验小区进行了画线切半处理，即50%仍然保持以前的施磷肥量(210 kg P2O5/hm2)，另50%则停施磷肥(0 kg P2O5/hm2)，记为F2′。此时小区面积为3 m×6 m，其他田间管理不变。

1.3　测定项目及方法

1.3.1苜蓿产量测定在每茬苜蓿的初花期进行刈割，一个生长季刈割4次，样方大小为1 m×1 m，留茬高度5 cm，每个小区3次重复，田间测鲜重。每个处理随机抽取 1 个 200 g 左右的小样本，放入保鲜袋中以防失水，带回实验室称鲜重，而后将草样于105℃杀青15 min，调至65℃烘至恒重，测其干重。通过计算烘干前后的样品重量的比值，即可得出干鲜比，进而换算得到干重产量。测完产后，各小区苜蓿全部刈割，留茬高度为5 cm。

1.3.2土壤磷素含量测定2013年第4茬苜蓿收割1周后(9月17日)，在各试验小区用土钻采集0～20 cm和20～40 cm土壤样品，采用S形取样方法，每个小区取5钻土壤样品混合。土壤样品经风干、去杂、磨细、过筛、混匀处理后，对无机磷分组采用顾益初和蒋柏藩[20]的分级方法。此外，按土壤农化常规分析方法[21]测定各层土壤中磷素的含量，其中，用碱熔-钼锑抗比色法测定全磷；用Olsen 法测定速效磷。

1.3.3苜蓿养分含量测定2013年分别取第4茬停施磷肥和继续施磷肥处理的苜蓿样品，烘干粉碎后，经H2SO4-H2O2消煮，按土壤农化常规分析方法[21]采用钒钼黄比色法测定植株全磷含量，凯氏定氮法测定全氮含量，火焰光度计法测定全钾含量。

1.4　数据分析

利用 Microsoft Excel 2003进行数据初步处理，Sigmaplot 10.0绘图，SPSS 13.0对数据进行分析。

2结果与分析

2.1　连续6年施磷肥对土壤磷素积累的影响

土壤全磷是土壤无机磷素和有机磷素的总和，能反映土壤磷库大小和潜在的供磷能力。从表1可知，对耕层(0～20 cm)土壤来说，施磷肥和不施磷肥的土壤全磷含量存在显著差异，施磷肥的处理土壤全磷有明显的积累，与不施磷肥土壤相比增加了8.3%～20.8%，且磷肥用量越多，土壤全磷含量越高。不施磷肥处理，土壤全磷由试验前的0.77 g/kg下降到2013年的0.72 g/kg，下降了6.94%，而F1、F2施磷处理土壤全磷比试验前提高0.01～0.10 g/kg，提高1.3%～13.0%。对于20～40 cm土层土壤来说，施磷肥对土壤全磷含量的影响没有显著差异。

土壤速效磷是指能被当季作物吸收的磷量，其含量高低是决定磷肥有无效果以及效果大小的主要因素。对耕层(0～20 cm)土壤来说，不同施肥处理的土壤速效磷含量存在显著差异(表1)。施磷肥处理土壤速效磷有显著的增加，与不施肥相比土壤速效磷增加3～5倍，施磷量越多，土壤速效磷积累的也越多。同时，施磷肥处理土壤速效磷较试验前提高164.7%～335.9%，不施肥处理，土壤速效磷较试验前下降了16.3%。对于20～40 cm土层土壤来说，施磷肥对土壤速效磷含量的影响也有显著差异，表现为F2>F1>F0，但F1和F2之间差异不显著。

表1　不同磷肥处理下土壤全磷和速效磷含量

注：同列同一土层不同字母表示在0.05水平上差异显著，下同。

Note: Different letters from the same soil layer in the same column mean significantly different at 5% level, the same below.

2.2　连续6年施磷肥对土壤磷素形态的影响

应用顾益初和蒋柏藩[20]石灰性土壤无机磷分级的测定方法，将土壤无机磷部分的磷酸钙盐分为Ca8-P，Ca10-P，Ca2-P，同时使用混合浸提剂提取磷酸铁盐，以评价磷肥施入土壤后的形态转化和有效性。从表2中可以看出，各土层土壤无机磷以Ca10-P为主，其次为Fe-P，Ca8-P，Al-P；Ca2-P和O-P含量相对较低，说明积累的磷素大部分以缓效态的形式存在土壤中。不同的施磷肥处理对Ca2-P含量的影响最大，不施磷肥的土壤Ca2-P几乎耗竭，而施用磷肥使耕层土壤Ca2-P提高19～36倍；此外，施磷肥使耕层土壤其他形态的无机磷均有不同程度的增加，其中Ca8-P提高了76.1%～127.2%，Ca10-P提高了104.0%～145.6%，Al-P提高了40.4%～71.2%，Fe-P提高了156.6%～200.6%，O-P提高了14.3%～54.1%。施磷肥对20～40 cm土层土壤不同形态无机磷有显著影响，但是提高幅度相对较小，其中Ca8-P提高了6.81%～9.60%，Ca10-P提高了6.78%～9.60%，Al-P提高了9.23%～9.57%， Fe-P提高了9.51%～78.40%，O-P提高了0.94%～15.70%。

表2　施磷肥对土壤无机磷形态的影响

注：“-” 代表微量，未检出。

Note: “-”represent traces, not detected.

2.3　土壤速效磷变化与苜蓿干重产量的关系

图1表明，种植6年苜蓿的土壤速效磷含量变化与苜蓿干重密切相关，相关系数达0.801，不同磷肥处理之间在速效磷水平上存在明显差异，因此导致苜蓿产量不同。由表3可知，3个磷肥处理土壤中速效磷在试验始末减少量的顺序为：F2>F1>F0，这个趋势和6年苜蓿年平均产量的趋势完全对应。可见，苜蓿产量和土壤速效磷的消耗关系存在明显地相关性。这也表明苜蓿生长的时间越长对土壤中速效磷的消耗也会越多，因此在苜蓿生长过程中追施磷肥对保证苜蓿草地的生产力是十分必要的。

图1　土壤速效磷变化与苜蓿干重之间的关系Fig.1　Relationship between variation of available P in the surface soil and dry matter of alfalfa

2.4　连续施磷肥对土壤磷素有效性的影响

为了进一步评价连续施磷肥下土壤磷素的有效性，2013年对F2试验小区进行了画线切半处理，通过对停施磷肥(F2′)和继续施磷肥(F2)两种处理下土壤速效磷、全磷含量的方差分析可知(图2)，不同试验处理对各土层土壤速效磷、全磷的影响均没有显著性差异，停施磷肥一年后，土壤的磷素水平并没有明显降低，仍然能够继续得到保持。

图2　不同磷肥处理下的土壤磷含量Fig.2　Soil P content under different P fertilizer treatment　　　不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。Different letters mean significantly different among treatments at 5% level. The same below.

此外，由图3方差分析结果可知，继续施磷肥的处理(F2)与停施磷肥的处理(F2′)苜蓿全年干重并没有显著性差异(P=0.267>0.05)，连续5年施用磷肥的土壤，在第6年停止施磷肥后，其苜蓿全年干重是继续施磷肥的92.2%～103.6%，停施磷肥的处理并没有减产。同时，F2′与F2两种处理的苜蓿氮磷钾养分含量也没有显著差异，这说明所施磷肥存在明显的后效作用，之前在土壤中积累的磷素对作物仍然是有效的。因此当土壤中积累磷素的情况下，可以不必每年施用磷肥。

图3　不同磷肥处理下的苜蓿产量和养分含量Fig.3　Alfalfa yield and nutrient content under different P fertilizer treatment

3讨论

本研究表明，连续施用磷肥使各土层土壤中全磷、有效磷含量均有相应提高。施磷肥后，加快了土壤有机物的循环利用，明显降低了耕层土壤对磷的吸附特性，促进了土壤中磷素的活化，改善了磷素肥力水平[22]。本研究区域属于磷素水平较低的石灰性土壤，各形态无机磷是苜蓿所需磷素的重要来源[23]，而施磷肥可促进各形态磷素含量提高。刘建玲和张福锁[24-25]研究发现，石灰性土壤长期大量施用磷肥主要增加土壤Ca2-P和Ca8-P，Fe-P和Al-P也有一定增加。有研究表明，土壤有效磷含量随磷肥施用年限的延长呈极显著(P<0.01)上升趋势，年均增加0.54 mg/kg，而不施肥处理土壤有效磷含量呈持平或下降趋势[26]。苜蓿作为一种大量需P的作物，随着种植年限的增加，土壤P含量呈下降的趋势，因此，在苜蓿到一定年限或频繁刈割后，应适当增施P肥，以保证植株的良好生长，促进土壤与植物中营养物质的良性循环[27]。

表3　不同磷肥处理下的苜蓿产量及土壤速效磷含量

注：同列不同字母表示在0.05水平上差异显著。

Note: Different letters in the same column mean significantly different at 5% level.

磷肥还存在明显的后效作用，之前积累在土壤中的磷素具有生物有效性。田忠孝和曹季江[28]研究认为磷肥施入土壤后，由于土壤对磷的固定作用和磷在土壤中的移动性差等原因，使磷肥当季利用率不高，把后效包括在内也不超过25%；未被利用的部分则以不同形态残留于土壤之中，并不断累积起来。国内外的长期定位试验结果表明，磷肥属于缓效肥，残留在土壤中的磷，在后茬会缓慢地释放供作物吸收利用[29-30]，把残效算在内的磷肥表观利用率可达到 40.8%～53.0%[31]，多年累积作物回收率可以达到50%～90%[32]。时正元和鲁如坤[33]在红壤和潮土上作了土壤磷积累的研究，得出在土壤磷不断积累的条件下，有效磷低的土壤随着土壤有效磷的提高，磷肥利用率可不断提高。有研究者通过连续4 年的磷肥残效定位试验，得出在连续施磷的情况下，残效可以叠加，从而显著提高了磷肥当季增产率。本研究通过磷肥停施试验得出：停施磷肥的处理与继续施磷肥的处理不仅在土壤磷素状况上没有显著差异，而且在苜蓿产量及养分含量均没有显著差异，表明磷肥存在明显的后效作用，从而使后茬苜蓿维持较高的产量。由上可知，施入土壤中的磷，即使在当年未被植物吸收利用，在以后的年份仍可以缓慢地被作物吸收利用，磷肥表现出很好的后效作用[34-35]。由于本研究只进行了一年的磷肥停施实验，究竟磷肥的后效作用能够维持多久，需要继续通过停施磷肥实验加以分析研究。

4结论

本研究探讨了连续6年施磷肥条件下土壤磷素的累积状况，土壤无机磷形态变化以及土壤积累磷素的有效性。定位试验表明，连续不施肥，土壤全磷和速效磷明显下降，施磷肥处理能够维持并提高土壤全磷和速效磷含量；褐潮土无机磷以Ca10-P为主，其次为Fe-P、Ca8-P、Al-P，Ca2-P和O-P含量相对较低；连续施肥可以使土壤中各种形态的磷累积，增加土壤中的有效磷养分，尤其对Ca2-P的提高效果更为显著。

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