长期不同施肥模式下南方典型农田磷肥回收率变化

黄 晶，张淑香，石孝均，黄庆海，聂 军，徐明岗*，张会民*

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2 西南大学资源环境学院，重庆 400715；3 江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心/农业部江西耕地保育科学观测实验站，江西南昌 330046；4 湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙 410125）

磷是作物生长不可缺少的重要元素，自20世纪60年代以来越来越受到重视，为满足人口增长的粮食需求，我国磷肥 (P2O5) 消费量从1961年的12万t增加到2012年的1176万t[1]。随着磷肥的连续施用，土壤磷库增加较快，但由于磷肥在土壤中的移动性较差，磷肥利用率处于较低的水平，我国农田磷肥的当季利用率仅为10%～20%[2]。磷肥利用率偏低不仅造成严重的资源浪费，还会使大量的磷素积累在土壤中。李书田等[3]对我国不同区域农田养分盈亏状况进行了估算，结果显示我国各地区磷的输入都大于输出，从数量上看，全国共盈余1035.8万t，相当于化肥磷投入的68.5%，或相当于化肥磷和有机肥磷肥总投入的48.9%。从单位种植面积盈余看，全国平均盈余59.2 kg/hm2。盈余的磷积累在土壤中虽能提高土壤磷的供应潜力，但也存在一定的环境风险，并且磷肥回收率会明显降低。

土壤的供磷能力对作物的磷素吸收有重要作用，如何利用简便易行的措施提高土壤磷的有效性和磷肥回收效率，国内外对此已展开大量研究。潮土20年小麦–玉米轮作定位试验结果表明，磷肥利用率多年平均值为，单施有机肥或有机肥与无机肥配施处理较单施氮磷钾化肥处理分别提高8.0%和6.2%[4]。在中度或严重缺磷的红壤性水稻土，化肥氮磷钾配施稻草和单施氮磷钾比较，短期施磷的磷肥利用效率没有明显差异[5]。红壤性水稻土15年长期施肥试验结果则表明，化肥氮磷钾配施有机肥的吸磷量、磷肥利用效率显著高于单施氮磷钾处理[6]。从单个试验点的研究结果来看，不同施肥模式都会对作物磷肥回收效率产生影响，但结果不尽一致。已有研究表明，不同土壤类型 (红壤、黑土、均壤质潮土、轻壤质潮土、土和黄棕壤) 下作物磷肥回收率对施肥措施和土壤性质的响应存在差异，小麦当季磷肥回收率与土壤全磷和pH 值之间均具有显著的正相关关系；同时，土壤pH值通过影响土壤磷的形态，从而对磷肥回收率产生显著影响；随着土壤 pH 值由酸性向碱性演变，土壤磷的主要形态由O-P演变为 Ca-P，小麦磷肥回收率逐渐提高[7–8]。国外的长期试验研究结果也表明，一般可以通过施用有机肥来提高作物产量，从而提高磷肥利用率[9–10]。但通过对位于英国洛桑(Rothamsted)、德国Bad Lauchstaedt和波兰斯凯尔涅维采 (Skierniewice) 的3个长期施用有机肥和化学肥料的作物磷吸收和磷平衡的比较，其中2个试验点(Rothamsted和Bad Lauchstaedt) 以施用有机肥(Farmyard manure) 处理的磷利用率最高，另1个试验点 (Skierniewice) 以施用化学磷肥的磷利用率最高[11]。可见磷利用率在不同土壤类型上对不同外源磷肥的响应不同。在洛桑 (Rothamsted) 不同Olsen-P含量(9～31 mg/kg) 的粉质黏土进行4年的定位试验结果表明，每年施用P 20 kg/hm2，可维持土壤Olsen-P含量基本不变，冬小麦籽粒和秸秆产量随土壤Olsen-P含量增加而增加，磷肥利用率 (作物地上部吸收磷/磷投入) 在70%～94%之间[12]。因此，在正确的时间，正确的位置，以正确的用量施用正确的磷肥类型，可以有效提高磷利用效率[13]。

我国南方的土壤大部分缺磷，20世纪60年代的施肥试验确认了施用磷肥的产量效应[14]，从而推动农田磷肥的大量投入。但南方土壤中一般都含有大量的无定型AlOx和FeOx，当磷肥施进土壤之后，历经一系列复杂的物理化学和生物化学过程，极易被此类土壤矿物吸附形成难溶的磷酸盐[15]，从而极大地降低了磷肥的回收率。基于浙江省南部永安流域21个乡镇的历年 (1980—2010年) 磷素平衡和磷利用效率的研究表明，随着磷肥投入量的增加，磷利用率从1980年的34%降低到2010年的28%，且在相同年份，21个乡镇之间磷利用率呈现2～3倍的空间变异[16]。可见，磷肥利用率具有很强的空间变异性。因此，针对我国大范围的南方典型农田，明确长期不同施肥下磷肥回收率的变化特征，从而采取合理的施肥措施提高磷肥回收率显得尤为必要。

本研究依托我国南方红壤、紫色土典型轮作制度的3个长期不同施肥定位试验，通过比较不同土壤类型、不同施肥措施下的土壤供磷能力和磷肥回收率，揭示长期施肥下磷肥回收率变化特征，以期在本研究区域内通过优化施肥措施达到提高磷肥回收率的目的。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和试验设计

本研究选取位于我国长江中上游区域的3个长期定位试验点，重庆市北碚点代表了该区域典型稻麦轮作区的中性紫泥田，湖南省望城、江西省进贤点代表了该区域典型双季稻区的第四纪红粘土母质发育的红壤性水稻土。这些试验点建立于20世纪80年代初或90年代初，针对当时的农业生产实际问题，探究长期化肥与有机肥配合施用对作物产量、养分利用效率和土壤肥力的影响。3个试验点进贤 (N 28°35′、E 106°26′) 和北碚 (N 30°26′、E 116°17′) 基本处于同一温度带，年均温度在17.0～18.5℃，年均降水量在1105～1370 mm之间，海拔由266 m降低到50 m。试验点开始时的土壤理化性状见表1，土壤Olsen-P含量在4～10 mg/kg之间，处于中等偏低水平。

3个试验点具体试验设计处理见《中国农田土壤肥力长期试验网络》[17]。本研究选取的处理包括：1) 不施磷肥处理 (CK、NK)；2) 施用有机肥磷处理 (M、NKM)；3) 施用化肥磷处理 (NP、NPK)；4) 有机肥磷与化肥磷配施处理 (NPM、PKM、NPKM、NPKS)。北碚点氮肥为尿素 (含N 46%)、磷肥为过磷酸钙 (含P2O512%)、钾肥为氯化钾 (含K2O 60%)。1991—1996年每季肥料用量为N 150 kg/hm2、P 32.7 kg/hm2、K 62.2 kg/hm2、厩肥 22.5 t/hm2，水稻秸秆还田7.5 t/hm2。厩肥和水稻秸秆 (干基) 含磷量分别为0.7 g/kg和0.8 g/kg。从1996 年秋季之后，每季磷、钾用量分别改为26.2和49.8 kg/hm2；小麦氮用量改为135 kg/hm2，水稻氮肥用量不变。厩肥和水稻秸秆于每年小麦播种前撒入。水稻和小麦均使用60%的氮肥及全部磷、钾肥作为基肥，40%氮肥作为分蘖肥。1991—2011年一直采用水稻–小麦轮作制。望城点氮肥为尿素 (含N46%)、磷肥为过磷酸钙 (含P2O512%)、钾肥为氯化钾 (含K2O 60%)。化肥氮按早稻150 kg/hm2和晚稻180 kg/hm2的用量施入；化肥磷早、晚稻每季用量均为38.7 kg/hm2；化肥钾早、晚稻每季用量均为99.6 kg/hm2。猪粪施用量每年为30 t/hm2，其中含磷 60.6 kg/hm2。稻草还田量每年为4.2 t/hm2，其中含磷 5.6 kg/hm2。猪粪和碎稻草在犁田前撒施并混入土壤，化肥磷、钾在移栽前做基肥一次性施用，化肥氮分二次施用，70%作基肥于插秧前1d施入，30%在分蘖始期追施。进贤点氮肥为尿素 (含N46%)、磷肥为钙镁磷肥 (含P2O512.5%)、钾肥为氯化钾 (含K2O 60%)，化肥用量为早稻、晚稻每季施氮 90 kg/hm2，施磷 19.6 kg/hm2，施钾62.6 kg/hm2。有机肥料为早稻季施紫云英 (来源于冬季小区内种植的紫云英)(鲜重22500 kg/hm2，含水量为70%，磷含量为1.1 g/kg)、晚稻季施猪粪 (鲜重22500 kg/hm2，含水量为75%，磷含量为4.5 g/kg)；氮肥60%作基肥，其余40%与全部的钾肥于水稻返青后作追肥施用；磷肥和有机肥全部作基肥。各试验点试验开始以来各处理化学氮磷钾肥和不同种类有机肥的年均施用量情况见表2。

表1 长期定位试验点基础土壤理化性状Table 1 Initial soil physical and chemical properties at the long-term experiment sites

1.2 数据处理

作物磷肥回收率 (phosphorus recovery efficiency,PRE) 和磷肥累积回收率 (cumulative recovery efficiency of phosphorus, CPRE) 计算公式如下[7]：

PRE = [施磷肥处理作物当季吸磷量(kg/hm2) −不施磷肥处理作物当季吸磷量(kg⁄hm2)]/作物施磷量(kg/hm2)×100%

CPRE = [施磷肥处理作物历年累积吸磷量(kg/hm2) −不施磷肥处理作物历年累积吸磷量(kg/hm2)]/历年累积施磷量(kg/hm2)×100%

式中：作物施磷量包括了化肥、有机肥和秸秆还田的磷投入量；作物 (籽粒和秸秆) 吸磷量为每年产量与其对应磷含量的乘积，作物磷含量为多年测定平均值；作物吸磷量、磷肥利用率等与施肥年限的相关关系，用线性方程拟合，从而获得其年际变化速率。

1.3 统计分析

利用SPSS 19.0对不同施肥处理土壤吸磷量、磷肥回收率历年平均值进行分析；利用年份作为重复，通过方差分析法 (ANOVA)，比较不同施肥处理下差异的显著性，并用最小显著性检验法 (LSD) 对方程及各参数进行检验。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式下作物吸磷量的变化特征

在氮、钾养分不限制作物生长的条件下，长期不施磷 (NK处理)，作物对磷的吸收量反映了土壤自然供磷力。在各试验点中，NK处理作物吸收的磷主要来源于土壤中矿质磷和含磷有机质的矿化以及随降水、降尘、灌溉水、种苗等带入的磷。连续21年不施磷肥的NK处理，北碚紫色土小麦和水稻年均吸磷量分别为4.28和15.98 kg/hm2；连续21～27年不施磷肥，北碚、望城和进贤3个试验点NK处理的水稻年均吸磷量为9.71～19.58 kg/hm2，平均为14.72 kg/hm2，以进贤红壤性水稻土最高，望城红壤性水稻土最低。各试验点随着试验时间的延长，土壤自然供磷力均呈显著下降趋势 (图1)，北碚、望城和进贤点的年下降速率分别为0.60、0.48和0.63 kg/hm2。连续21～27年不施磷之后，北碚、望城和进贤点的土壤磷素自然供给量分别为试验开始时的28%、58%和82%。进贤点因其试验开始时的土壤磷素自然供给量较高(45.16 kg/hm2)比另外2个点高出22%～43%，所以即使该点的土壤磷素自然供给量年下降速率最快，但多年不施磷之后，其依然保持较高的土壤磷素自然供给量。

从不同试验点作物历年平均吸磷量来看，磷肥的施用促进了作物对磷肥的吸收 (表3)，小麦季、早稻季和晚稻季不同施肥处理间吸磷量表现出相同趋势。从全年作物吸磷量来看，不同处理作物吸磷量的大小顺序为NPK、NPKS和NPKM ＞ NP、NKM ＞ CK、NK(P ＜ 0.05)。NPKS和NPKM处理作物吸磷量较NPK处理增加1.7%～21.0%；NPK、NPKS和NPKM处理吸磷量较不施磷处理 (CK和NK) 增加 13.9%～204.1%，除进贤点之外，NPK和NPKM、NPKS之间的作物吸磷量没有显著差异；NP、NKM处理吸磷量较不施磷处理 (CK和NK) 增加34.4%～143.9%。

2.2 不同施肥模式下作物磷肥回收率变化特征

不同施肥下，3个试验点磷肥回收率随着施肥年限的增加而提高，不同试验点相同施肥措施下磷肥回收率变化趋势相似 (图2)。化学磷肥 (NP和NPK处理) 每季作物施磷量为19.6～38.7 kg/hm2时，北碚紫色土磷肥回收率每年增加1.01%～1.94%，望城和进贤红壤性水稻土磷肥回收率每年增加0.15%～0.89%；化学磷肥和有机肥磷配施 (NPKM和NPKS) 每季作物施磷量在27～45 kg/hm2时，北碚紫色土磷肥回收率每年增加1.08%～1.60%，望城和进贤红壤性水稻土磷肥回收率每年增加0.07%～0.81%。NPK的磷肥回收率增加速率大于NPKM和NPKS处理，紫色土磷肥回收率年增加速率大于红壤性水稻土。

量anure含磷肥15.8 15.86.06.0 15.86.0 30.3 2.8 25.0机有P content in m ure an ure ure ure eat 肥机an an Organic m an Later rice/Wh 有种类Type yard m Barn yard m Barn Rice straw Rice straw yard m Barn Rice straw anure Pig m Rice straw anure Pig m肥肥草草 肥草 粪 草 粪n rowing seaso 麦 厩 厩 厩 猪 猪/小稻0 0 0 0 0晚00稻用量ount Am 2250 2250 7500稻7500稻2250 751500 2100稻2250 0.2 06262.2 rates for each g.2 62.2 0 62000.8 49.8 49.8 49.8 490.6 99.6 K 990.6 99.6 9900.2 62.2 62.2 62 0肥son)]0.7 32.7 Mineral fertilizer.7 32 P .700 32.2.2 0 32.2.2.7 00 0 0.7.70.60.6.6 m2·sea 化26262626383838191919 0 N 0 150 150 1500 150 15000 150 150 150 150 150 180 180 180 180 180090909090各ical fertilizer app g/(h[k lication量量an ure肥施含.3理磷肥302.8 7.0处机tent in m有P con试ch 验em位anure定肥期机2 长 有Organic m类pe种Ty anure Milk vetch表t treatments and Pig m Rice straw英en Early rice/Late rice粪草云紫猪erim 稻xp /水稻量ount 000 500 Table 2 E 早 用Am 152100稻22 0062.2 K 062.2 62.2 62.200049.8 49.8 49.8 49.8099.6 99.6099.6 99.60062.2 62.2 62.2肥化Mineral fertilizer P 0032.7032.7 32.7 32.70026.2026.2 26.2 26.200038.7 38.7 38.7019.6019.6 19.6 N 00 150 150 150 150 15000 135 135 135 135 1350 150 150 150 150 150090909090理ent处Treatm CK K KM KS K KM KS M K KS K KM M NP NK NP NP NP CK M NP NK NP NP NP CK NK NK NP NP NP CK NP NK NP NP点验碚1996)periment site碚2012)城eng,xi贤试北北望进Ex 重Beibei,gqing庆Chon1—(199重Beibei,gqing庆Chon6—(199湖Wangch南Hunan江Jinxian, Jiang西

图1 各试验点不施磷处理作物吸磷量变化Fig. 1 P uptake from different soils without phosphorus input across all sites[注 (Note)：**—P ＜ 0.01.]

表3 各试验点不同处理作物历年平均吸磷量 (P kg/hm2)Table 3 The phosphorus uptake of crop in different treatments across all sites

图2 不同处理磷肥回收率年际变化Fig. 2 Interannual variation of P recovery efficiency (PRE) in different treatments

北碚紫色土NP、NPK、NPKM和NPKS处理小麦磷肥回收率的多年平均值分别为27.8%、39.1%、33.5%和35.9%，以NPK处理磷肥回收率最高，显著高于NP处理 (P ＜ 0.05)，相比较化肥氮磷偏施，化肥氮磷钾全施或配施有机肥能够提高磷肥回收率5.7%～11.3%。

北碚紫色土NPK处理的水稻磷肥回收率多年平均值为26.3%，望城和进贤红壤性水稻土NPK处理早、晚稻磷肥回收率多年平均值在29.4%～33.7%之间；NPKM和NPKS处理，北碚紫色土水稻磷肥回收率多年平均值为29.8%～39.1%，望城和进贤红壤性水稻土早、晚稻磷肥回收率多年平均值在24.9%～32.3%之间。化肥偏施情况下 (NP和NKM处理)，北碚紫色土水稻磷肥回收率多年平均值为20.3%，望城和进贤红壤性水稻土早、晚稻磷肥回收率多年平均值在9.9%～26.8%之间，显著低于化肥氮磷钾全施或配施有机肥 (P ＜ 0.05)。

2.3 不同施肥模式下作物累积磷肥回收率变化特征

经过21～27年不同施肥后，各试验点不同处理之间累积磷肥回收率表现出明显差异 (表4)。连续偏施化肥 (NP处理)，累积磷肥回收率在21.5%～36.1%之间，而NPK处理，累积磷肥回收率在37.8%～61.5%之间，北碚紫色土、望城和进贤红壤性水稻土NPK处理的累积磷肥回收率较NP处理相应分别提高了21.9%、27.3%和186.0%。NPKM和NPKS处理，其累积磷肥回收率较NPK处理降低了3.0%～34.3%。

表4 不同处理累积磷肥回收率变化Table 4 Variations of the cumulative recovery efficiency of P (CPRE) under different treatments

3 讨论

3.1 不同施肥模式下作物吸磷量差异

作物吸磷量由作物产量和作物磷含量决定，施磷肥主要通过提高作物产量和籽粒、秸秆的磷含量来提高吸磷量，产量通常比作物磷含量对作物吸磷量的影响更大[18]。各试验点随着种植时间的延长，土壤的自然供磷力逐渐降低，这表明在长期试验中作物产量的提高是相对的，主要是因为NK处理长期不施磷肥，土壤磷素供应不足严重限制水稻干物质量的形成[19]。但NK处理的作物吸磷量不会无限降低，连续21～27年不施磷肥后，水稻仍然能每年从土壤携带出磷素 (P) 约15～40 kg/hm2。这可能是由于农田会通过灌溉、干湿沉降、秧苗等途径输入一定量的磷肥。再者，长期不施肥处理，微生物对土壤积累态磷素的活化利用能够提高土壤供磷能力，通过微生物固持磷量约为 36.0～50.6 kg/hm2，这部分磷可能主要来自土壤有机磷[6]。同时在磷胁迫条件下，植物体内许多基因的表达发生改变，以适应介质中磷浓度变化[20]。进贤点NPKM和NPK相比较，作物吸磷量显著增加，主要是因为有机和无机磷的配合施用可以促进土壤微生物对施入无机磷的吸收利用、提高土壤供磷能力和植物对磷的吸收[21]。水稻吸磷的多少很大程度上受氮肥投入水平的影响，氮肥对水稻吸收磷素具有较强的促进作用[22]。本研究中，作物吸磷量 (y) 与施氮量 (x，包括化肥氮和有机肥氮施入量)呈显著正相关关系 (y = 0.0496x + 21.858，R2= 0.3384*，n = 17)，施氮量每增加100 kg/hm2，作物吸磷量增加约5 kg/hm2。进贤点NPKM处理的年施氮量 (241 kg/hm2) 比NPK处理(180 kg/hm2) 增加了 61 kg/hm2，因此其吸磷量显著增加。而北碚点和望城点NPK配施厩肥或秸秆，其氮肥投入量和NPK处理相当。北碚点NPKM和NPKS施氮量分别为297和299 kg/hm2，望城点NPKS处理施氮量为338 kg/hm2，北碚和望城点NPK处理施氮量分别为285和330 kg/hm2，因此作物吸磷量没有显著变化。NPK和不同种类的有机肥配施对水稻吸磷量的影响有差异，全量无机肥配施猪粪相比较秸秆，更有利于水稻对磷肥的吸收。这可能是由于作物吸磷量大小与有机肥的种类、C/P值大小有密切关系。C/P小的粪肥、绿肥类，磷的吸收量与化学磷肥相当或略高于化学磷肥；而C/P高的秸秆类，磷的吸收量则低于化学磷肥[23]。

3.2 不同施肥下磷肥回收率差异

小麦、水稻磷肥回收率均随着施肥年限的延长呈增加趋势，这与潮土20年不同施肥下小麦−玉米轮作体系的研究结果相似[4]，连续多年施用磷肥，由于残效的迭加作用，可使当季磷肥的回收率逐渐提高[24]。紫色土磷肥回收率增加速率大于红壤性水稻土。这可能是由于土壤的矿物组成、pH等影响无机磷的动态转化，在风化程度较低的紫色土中，形成吸附态的钙磷与沉淀态的磷酸钙盐，风化程度较高的红壤性水稻土对磷的吸附主要是土壤中无定形的铁铝氧化物胶体，以及层状硅酸盐边缘裸露的铝羟基 (Al-OH) 和铁羟基 (Fe-OH)[25]。磷酸钙和磷酸铁铝作为土壤矿物态磷的两大类型，其相对含量随土壤pH 而改变，pH 6.5 至7.5 是转化点。本研究中红壤性水稻土pH在6.6～6.9之间，紫色土pH为7.7。土壤pH ＜ 5.0 时磷酸根被可溶性的铁、铝以及含水氧化铁、铝化合物固定；土壤pH在6.5 附近时磷易被硅酸盐固定，pH ＞ 7.5 时大部分磷与碳酸钙形成沉淀物，或形成盐基性磷酸盐[26]。土壤矿物组成和pH等差异，导致土壤无机磷形态转化特征不同，长期施肥后红壤性水稻土无机磷组分主要以O-P和Fe-P为主，其次是 Ca10-P和Al-P，分别占无机磷总量的 39.2%、38.6%、11.4%和7.2%[27]。而紫色水稻土无机磷组分以Ca10-P 和O-P为主，其次为Al-P和Fe-P，分别占无机磷总量的53.4%、28.6%、6.4%和6.0%[28]。紫色土相比红壤性水稻土含有更多的作物潜在磷源 (Ca10-P 和O-P)，可能是导致紫色土磷肥回收率的增速大于红壤性水稻土的原因。经过20多年连续施肥后，本试验条件下，化肥平衡施用(NPK)，作物磷肥回收利用率在29.0%～44.5%，累积回收利用率在37.8%～61.5%，高于相近区域的短期试验的结果[29–30]，可能是由于短期试验结果忽略了土壤中残留的磷[31]。相同施肥处理小麦的磷肥回收率均高于水稻。这是因为小麦产量的地力贡献率较水稻低7%，说明小麦产量对肥料的依赖程度大于水稻[32]，小麦对磷肥的回收利用率高于水稻[33]。NPK配施有机肥处理的磷肥回收率低于NPK处理。本研究中NPK处理磷肥年施用量为 P 39.2～77.4 kg/hm2，随着磷肥投入量 (x) 增加，磷肥回收率 (y)显著降低 (y = −0.0884x + 38.48，R2= 0.9661**，n =5)，磷肥施用量每增加 P 10 kg /hm2，磷肥回收率将下降约0.9%，符合报酬递减规律[7]。另外，还有可能是由于有机肥的施入可以直接给土壤带入更多的有效磷，因为有机肥可以激活土壤中存在的部分难溶性磷，同时有机肥的施入，通过提高作物产量，以根茬等形式为下一个作物季带入更多的磷[34]。

4 结论

土壤的磷素自然供给量随着作物种植年限的增加而显著下降，北碚、望城和进贤点的年下降速率分别为0.60、0.48和0.63 kg/hm2。磷肥的施用能够显著提高作物的吸磷量，氮磷钾平衡施用的吸磷量显著高于化肥偏施；氮肥投入量每增加100 kg/hm2，作物吸磷量增加约5 kg/hm2。各试验点磷肥回收率随施肥年份的延长而增加，作物磷肥回收率均以NPK处理相对较高 (29.4%～39.1%)，氮磷钾配施有机肥(猪粪、厩肥或秸秆) 相对于NPK处理，降低了磷肥的累积回收率。磷肥施用量每增加P 10 kg/hm2，磷肥回收率将下降约0.9%，氮磷钾与磷含量较高的有机肥 (如猪粪) 配合施用的情况下，可以考虑通过适当减少化学磷肥投入的措施，提高磷肥回收效率。