小麦−大豆−玉米轮作体系长期不同施肥黑土磷素平衡及有效性

马星竹，周宝库，郝小雨，陈雪丽，高中超，迟凤琴

（黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所/黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，哈尔滨 150086）

磷是作物生长的必需营养元素之一，作物可直接吸收利用的磷主要来自于土壤[1–2]，土壤磷素中的全磷和有效磷 (Olsen-P) 分别反映了土壤磷库的大小和可供作物当季吸收利用的磷素水平，其中Olsen-P是评价土壤供磷能力的重要指标[3]，土壤有效磷水平过低会导致农作物减产，但过量累积则会增加土壤磷素淋失风险，引发环境污染[2]。农业生产中磷肥的当季利用率较低 (10%～25%)，大量的磷肥以磷酸盐残留在土壤中[4]，土壤磷含量水平与作物产量和环境安全关系密切[5–6]。不同土壤类型和施肥模式均对土壤磷素含量影响较大，樊红柱等[7]指出紫色水稻土磷素有效性随着土壤磷素盈亏而变化，单施无机磷肥提升土壤磷含量的速率大于施用有机肥；李渝等[8]指出黄壤旱地不同施磷处理对Olsen-P的提升幅度主要与磷肥施用量有关，土壤每年磷盈余和Olsen-P含量与磷肥施用量呈极显著正相关关系，西南黄壤旱地长期施用有机肥处理单位累积磷盈余量提升土壤Olsen-P的速率大于单施化学磷肥处理；袁天佑等[9]对潮土研究结果表明，长期不施肥处理土壤磷素常年处于亏缺状态，有效磷处于耗竭状态，长期常规施肥条件下多数监测点土壤有效磷含量随年份显著上升，土壤有效磷的变化量与磷的盈亏量呈极显著正相关；长期施肥下红壤性水稻土磷素研究指出，化学磷肥和有机肥配施相比单施化肥或有机肥能够显著提高红壤性水稻土土壤有效磷、全磷含量 (土壤有效磷含量增长速率为0.2～1.6 mg/kg，土壤全磷含量年变化速率为4.2～22.9 mg/kg)，同时能够增加磷素活化效率[10]；张丽等[2]对18 个黑土监测点土壤磷素进行研究，结果表明土壤有效磷的变化量与土壤累积磷呈显著正相关关系，土壤每盈余100 kg P/hm2，有效磷可增加5.28 mg/kg，常规施肥条件下，经过8～25 年的种植，61%的监测点土壤累积磷表现为盈余，39%的监测点有效磷含量显著升高。

综上所述，不同气候条件、不同施肥措施和不同土壤类型条件下，土壤磷素变化及对累积磷的响应均不同。黑土作为我国重要的土壤资源之一，主要分布在我国东北地区，黑土面积为国家耕地面积的10%左右[2]，而我国东北黑土区长期不同施肥条件下土壤磷素含量变化与磷盈余的响应关系尚不清楚，尤其是对长期施用不同肥料特别是单施有机肥、单施化肥及有机无机配施下磷库演变与磷盈亏相关关系研究较少。本研究以开始于1979年的黑土肥力定位试验为依托，根据长期不同施肥下土壤磷素年际变化特征、磷素表观平衡以及磷素盈亏变化，探讨有机肥和化肥对有效磷增加量的影响，明确黑土有效磷变化与磷平衡的关系，为黑土区合理施用磷肥和磷素资源的持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

黑土长期定位试验始于1979 年，位于黑龙江省哈尔滨市黑龙江省农业科学院试验基地 (126°35′E，45°40′N)，海拔151 m，属松花江二级阶地，地处中温带，一年一熟制，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，≥ 10℃平均有效积温2 700℃，年均日照时数2 600～2 800 h，无霜期约135 d。试验地为旱地黑土，成土母质为洪积黄土状粘土。试验开始时耕层(0—20 cm) 土壤pH 7.2、有机质26.7 g/kg、全氮1.47 g/kg、碱解氮151 mg/kg、全磷 (P) 0.47 g/kg、有效磷 (P) 22.2 mg/kg、全钾 (K) 10.4 g/kg、速效钾 (K)83 mg/kg。

1.2 试验设计

黑土长期定位试验10个处理的试验设计和施肥量见表1。 2010年之前试验采取随机排列方式，无重复，小区面积168 m2。2010年冬季利用土壤冻结，将土壤切割成1.1 m3（地上面积1 m2，深度1.1 m）的多个原状土块，搬至哈尔滨市道外区民主乡试验基地，并保持原来的试验处理不变，每个处理3次重复，小区面积36 m2，每个小区间有水泥板隔离。试验地无灌溉设施，为自然雨养农业。种植制度为小麦−大豆−玉米轮作模式，一年一季，秋季施肥，有机肥为马粪，施用于玉米茬。各处理作物地上部分带走，秸秆不还田。秋季收获后各小区单独测产。

表1 长期定位试验各处理施肥量Table 1 Annual fertilizer rate in the treatments of long-term experiment

1.3 样品采集与分析

样品采集是在每年秋季作物收获后，按“S”型采集0—20 cm混合土壤样品，室内风干，装瓶保存备用。作物产量于收获期将小区划分10 m2样区，全部收获，人工脱粒，晒干后称取风干质量，并测定其含水率，计算作物产量。土壤分析测定方法全磷用碱熔−钼锑抗比色法，有效磷用Olsen法。植株样品用H2SO4−H2O2消化，钼锑抗比色法测磷[11]。

1.4 数据处理方法

土壤磷活化系数PAC (%) = Olsen-P (mg/kg)/[全磷 (g/kg) × 1000] × 100

作物吸磷量 (kg/hm2) = 籽粒产量 (kg/hm2) × 籽粒含磷量 (%) + 秸秆产量 (kg/hm2) × 秸秆含磷量 (%)

土壤累积磷盈亏 (P，kg/hm2) = 累积施磷量 – 作物累积吸磷量

试验数据采用Excel2007 分析作图，SPSS软件进行统计分析，差异显著性检验采用LSD法(P ＜ 0.05)。

2 结果与分析

2.1 长期施肥土壤全磷含量的变化

长期不同施肥下黑土全磷含量变化如图1所示，长期不同施肥下土壤全磷的时间变化趋势均存在明显差异。不施磷肥的CK和N两个处理，土壤全磷含量从开始时 (1979年) 的0.47 g/kg分别下降到2015年的0.32 g/kg和0.33 g/kg，分别下降了31.9%和29.8%，土壤全磷含量与试验年限的延长呈负相关关系 (P ＜0.01)。施用含磷素肥料处理的土壤全磷含量随种植时间延长表现出上升趋势，与试验年限的延长分别呈现显著 (P ＜ 0.05)、极显著正相关关系 (P ＜ 0.01)。施用化学磷肥处理 (P、NP、NPK)，土壤全磷含量由试验开始时 (1979年) 的0.47 g/kg分别上升到2015年的0.70 g/kg、0.58 g/kg、0.60 g/kg，分别上升了48.9%、23.4%和27.7%。有机肥配施化肥处理 (MNPK) 从开始时的0.47 g/kg上升到2015年的0.64 g/kg ，全磷增加量为0.17 g/kg。此结果说明施用磷肥处理和有机无机肥配施处理均能提高黑土区旱地土壤全磷含量。

2.2 长期不同施肥对土壤有效磷含量的影响

图2所示，长期不施磷肥处理土壤有效磷 (Olsen-P)含量呈下降趋势，本研究中CK、N两个处理土壤Olsen-P含量从开始时 (1979年) 的22.2 mg/kg分别下降到2015年的2.4 mg/kg和2.23mg/kg，土壤Olsen-P达到极缺程度。有机肥处理、有机肥配合氮肥处理 (M、MN) 土壤Olsen-P含量减少，从开始时的22.2 mg/kg分别下降到2015年的5.0 mg/kg和4.67 mg/kg。施用磷肥之后，土壤Olsen-P含量均随种植时间延长呈现上升趋势，与时间呈现正相关关系。

图1 不同施肥年限黑土全磷含量的变化(1979—2015)Fig. 1 Changes of soil total P after different fertilizer years

图2 不同施肥年限黑土速效磷含量(1979—2015)Fig. 2 Soil Olsen-P content after different fertilization years

2.3 长期施肥土壤全磷与有效磷的关系

从长期施肥下黑土磷活化系数 (PAC) 随时间的变化规律(图3)可知，不施磷肥的处理 (CK、N) 和有机肥配合氮肥处理 (MN) 的PAC与试验年限呈现极显著负相关 (P ＜ 0.01)，有机肥处理 (M) 呈显著负相关 (P ＜ 0.05)，四个处理的PAC随施肥时间延长均表现为下降趋势，由试验开始时 (1979年) 的4.75%分别下降到2015年的0.76%、0.67%、1.16%和1.28%，平均PAC分别为2.9%、2.6%、3.9%和3.7%。施用磷肥处理，土壤PAC随施肥时间延长均呈现上升趋势，2015年P、NP以及NPK处理的PAC分别增加到7.0%、6.0%和7.1%，多年平均值分别为9.4%、8.0%和9.7%，而2015年MP、MNP以及MNPK处理的PAC分别为9.3%、6.4%和9.7%，多年平均值分别为10.0%、9.3%和9.4%，有机肥与磷肥配施处理的PAC整体高于单施化学磷肥的处理。

2.4 长期施肥土壤有效磷对磷盈亏的响应

图3 不同施肥年限黑土磷素活化系数的变化 (1979—2015)Fig. 3 Dynamic of PAC value after different fertilizations years

图4 长期不同施肥处理黑土有效磷增量与累积磷盈亏的关系(1979—2015)Fig. 4 Correlations between soil Olsen-P change and P balance under long-term different fertilizations

图4 结果表明，不施磷肥处理 (CK、N) 土壤Olsen-P变量与土壤累积磷亏缺值呈正相关关系，CK和N处理土壤每亏缺磷100 kg/hm2，Olsen-P分别下降1.83和1.46 mg/kg。施用化学磷肥的三个处理 (P、NP、NPK)，土壤每积累磷100 kg/hm2，Olsen-P分别上升 1.56、1.45和1.69 mg/kg。单施有机肥 (M) 和有机肥配施氮肥 (MN) 处理土壤Olsen-P变化量与磷盈余表现为负相关关系，土壤每积累磷100 kg/hm2，M和MN处理土壤Olsen-P分别下降1.38和1.24 mg/kg。有机肥配施化学磷肥处理 (MP、MNP、MNPK) 土壤每盈余磷100 kg/hm2，三种处理土壤Olsen-P分别上升0.63、0.53和0.96 mg/kg，上升幅度较低。36年间18个年份里所有处理土壤的Olsen-P变化量与土壤累积磷盈亏值之间的关系表明 (图5)，随着土壤累积磷的增加，土壤有效磷含量呈增加趋势，黑土磷素每盈余100 kg/hm2，Olsen-P上升1.28 mg/kg。

3 讨论

图5 黑土所有处理Olsen-P与土壤累积磷盈亏的关系Fig. 5 Correlation between soil Olsen-P change and P balance under long-term different treatments

磷素在土壤中的形态较稳定，因而土壤磷库的变化过程较缓慢，有研究表明，长期不施磷肥处理土壤磷含量呈现降低趋势，过量施用磷肥使得土壤磷含量增加[12–13]。本试验结果表明，长期不施用磷肥的CK和N处理，土壤全磷含量随施肥年限的延长均呈现下降趋势，到2015年含量下降了约三分之一，土壤Olsen-P含量下降到试验初始时的十分之一左右，下降幅度较大。CK和N处理由于长期不施磷肥，其他来源的磷素不多，作物收获后带走土壤中的磷素，进而导致土壤中的全磷和有效磷含量降低，以上与以往研究结果一致[10,13–14]。本研究中磷肥处理 (P、NP、NPK) 的土壤全磷、有效磷含量随着施肥年限的延长而增加，红壤性水稻土和黑垆土上也有同样的研究结果[10,15]。说明磷肥的长期施用对于增加土壤有效磷的含量起到重要作用，土壤有效磷的变化量与土壤磷素积累量呈正相关关系[9,14]。单施有机肥及其与化学氮肥配施处理 (M、MN) 土壤全磷和有效磷含量均呈现下降趋势，土壤全磷、有效磷含量低于有机无机磷肥配施处理 (MP、MNP、MNPK)，高于不施磷肥处理 (CK、N)，黄晶等也得出了相似的研究结果[10]，主要原因可能是因为施入土壤中的有机质或残留在土壤中的有机质在腐化过程中产生有机酸根离子，有机酸活化了土壤磷素，降低了磷的吸附，使得土壤中的磷素更易于向深层移动[16–18]，进而降低了表层土壤全磷和有效磷的含量。这也是有机肥与无机肥配施土壤全磷和有效磷含量增加少于单施化肥磷的原因。

土壤磷素活化系数 (PAC) 是有效磷与全磷的比值，用来表征土壤磷素的有效化程度。总的来说，施磷肥处理土壤PAC值高于不施肥处理，有机无机肥配施PAC值高于单施化肥[10,19]。本研究结果中2015年度不施化学磷肥处理 (CK、N、MN、M) 的PAC值均低于2%，土壤磷的有效性性较低。由于化肥中的有效磷含量较高，施用化学磷肥可大大增加土壤中的有效磷含量，增加PAC[20]。所有施磷处理中，有机肥与磷肥配施处理的PAC值高于单施磷肥，与主要与有机肥增加了土壤有机质含量，减少了有效磷在土壤中的固定有关[21–22]。另外，有机质中富含的有机酸可以将土壤溶液中的磷酸根离子置换出来，增加有效磷含量[23]。在红壤的相关研究中也表明，土壤磷素活化系数增加的主要原因是磷在土壤中的固定能力降低了[10,24]。鉴于以上分析，不同施肥处理有效磷对磷盈亏的响应各异，将土壤磷盈余量与有效磷含量变化量进行回归，在本试验条件下，不施磷肥处理 (CK、N)、单施有机肥 (M) 和有机肥配施氮肥 (MN) 处理，土壤每盈余磷100 kg/hm2，四个处理土壤有效磷增量下降幅度较小，范围为1.24～1.83 mg/kg，施用化肥处理的有效磷增量高于有机肥和化肥配施处理。不同土壤类型差别较大，南方黄泥田有机和化肥配施处理有效磷增量大于化肥处理[19]、红壤性水稻土和黑垆土化肥处理有效磷增量较高[10,14]。

已有研究结果表明，土壤有效磷的变化量与磷盈亏呈正相关关系，土壤每累积100 kg/hm2磷，单施化学磷肥处理土壤有效磷含量平均提高2.6 ～21.2 mg/kg，有机肥配施化学磷肥处理有效磷含量平均提高0.56～41.3 mg/kg[19]。本研究所有土壤样品的有效磷与累积磷盈亏关系表明，黑土磷素每盈余100 kg/hm2，Olsen-P浓度上升1.28 mg/kg，与已有研究的有机肥配施化肥处理浓度相近。本研究有机肥配施化学磷肥的处理土壤有效磷浓度基本在此范围，化肥处理的土壤有效磷浓度略低于该范围，而此结果可能与试验地的环境、土壤性质以及种植制度等因素有关。具体原因有待进一步研究和探讨。

4 结论

施肥影响黑土磷素的平衡和有效性。长期不施磷肥黑土全磷含量随试验年限的延长而降低，在试验年限内，有效磷含量下降幅度小于全磷，显示了对土壤磷库的耗竭。施用磷肥可增加黑土全磷和有效磷含量，土壤磷素活化系数即磷素的有效性也随施肥时间的增加而增加。有机肥与磷肥配合施用不仅可增加磷素的累积量，更有效增加磷素的有效性。