长期有机无机肥配施提高黑土磷含量和活化系数

王 琼，展晓莹，张淑香，彭 畅，高洪军，张秀芝，朱 平，Colinet Gilles

（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 Gembloux Agro-Bio Tech,University of Liege, Passage des déportés 2, 5030 Gembloux, Belgium；3 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；4 吉林省农业科学院农业环境与资源研究中心，长春 130033）

磷是作物生长的必需营养元素[1]，对植物生长发育和生命活动发挥重要作用[2]。有效磷是土壤磷库中对作物最为有效的部分，可直接被作物吸收利用，表征土壤供磷能力[3]。由于作物对磷肥的当季利用率较低，大约有75%～85%的磷素以难利用态积累在土壤中[4-5]。因此大量施肥后的土壤中并不缺少磷素，而是缺少可被植物利用的磷素[6]。因此，如何提高土壤中磷的有效性以及磷肥利用率对合理预测施用磷肥用量具有非常重要的作用。

活化土壤固定的和不易被植物吸收的磷素是提高磷肥利用率的主要途径[6]，研究土壤磷形态的分布和转化对提高磷肥有效性具有重要意义。土壤中的磷包括溶液中的磷、吸附态磷 (吸附在黏土矿物、有机物表面)、矿物态磷、有机磷化合物以及微生物态磷[7–8]，各形态之间存在复杂的转化关系[9]。由Hedley提出[10]和Tiessen等[8]修正的连续浸提分级法可浸提9种不同形态的磷，全面估计土壤中磷素状态[11–12]。Resin-P和NaHCO3-P (Pi + Po) 活性较高，可被植物直接利用，是土壤活性磷的主要成分，称为活性态磷[11–13]，NaOH-P (Pi + Po) 和稀 HCl浸提的 Dil.HCl-Pi可通过解吸、风化等作用间接被植物利用吸收，称为中活性态[11,14]，浓盐酸浸提的Conc HCl-P (Pi +Po) 和Residual-P一般条件下极难被作物利用，称为稳定态磷[16]。国内外关于施肥后土壤磷形态变化的研究已取得一定的进展[9,15]，水稻土长期单施化肥主要增加了NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi无机磷含量，长期秸秆和绿肥配施无机肥料显著增加了NaHCO3-P和NaOH-P有机无机磷含量[16]，而长期单施猪粪显著增加了土壤中NaOH-Pi含量，降低了Residual-P含量[17]；黑土连续6年施化学磷肥后，NaOH-P、HCl-Pi和Residual-P是土壤中的主要磷形态[18]，此外，不同土壤和施肥模式土壤磷形态与有效磷的响应也存在一定差异[19–20]。目前，长期不同施肥模式下土壤磷形态变化及其有效性的影响研究较少，东北黑土区土壤养分含量较高，土壤理化性质良好，适宜农业耕作，是我国主要的粮食产区，对国家的粮食安全战略具有重要的作用[21–22]。本文基于黑土长期定位试验 (1990年开始)，采用Hedley连续浸提法，分析了不同施肥模式下耕层土壤中各形态磷的含量变化特征，研究外源磷进入黑土后的转化及与土壤有效磷的相互关系，为黑土合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期定位试验设在吉林省公主岭市中国农业科学院中层黑土土壤肥力和肥料效益长期定位试验基地(124°48′34″E，43°30′23″N)。该区地势平坦，海拔为220 m，属于温带大陆性季风气候区，四季分明，冬季寒冷漫长，夏季温热短促，年均降水量为590.7 mm，主要集中在4～9月作物生长季，年均温为4～5℃，年积温2800℃。土壤为中层典型黑土，成土母质为第四季黄土状沉积物。试验区基础土壤耕层 (0—20 cm)的基本性质为：有机质22.80 g/kg、全氮1.40 g/kg、全磷0.60 g/kg、全钾23.80 mg/kg、有效磷11.80 mg/kg、有效钾190 mg/kg、容重1.20 g/cm3，pH 7.60。

1.2 试验设计

长期定位试验始于1990年，选五个典型历史年份 (1990、1995、2000、2005和2010年)。四个不同施磷处理：不施肥对照 (CK)，施氮、钾肥 (NK)，平衡施氮、磷、钾肥 (NPK)，氮磷钾 + 有机肥 (NPKM)。试验不设重复，每个小区多点取样，弥补无重复的缺陷，田间小区随机排列，每个小区面积为400 m2。化学肥料氮磷钾肥分别为尿素、过磷酸钙和硫酸钾，所有施氮处理的氮肥用量相同，氮磷钾和有机肥处理中有机肥为猪粪，其中的C、N、P和K养分的含量状况根据中国有机肥养分志 (1999) 计算，年施用量约为23 t/hm2(磷含量约为0.18%)，各处理具体用量见表1。化肥和有机肥每年播种前一次性施入。供试作物为玉米连作，一年一季。玉米品种在1990—1993年为丹育13，1994—1996年为吉单222，1997—2005年为吉单209，2005—2010年为郑单958，于4月末播种，9月末收获，按常规进行统一田间管理，10月份采用“S”形布点采集5～7点土壤样品，充分混匀，风干后进行分析和测定。

表1 不同处理无机、有机肥氮磷钾用量(N-P-K，kg/hm2)Table 1 Amount of inorganic and organic fertilizer dosage in each treatment

1.3 测定方法

参照《土壤农化分析》[23]中的方法测定pH、容重、有机质、有效磷、速效钾等土壤理化性质。用Hedley连续浸提分级法进行磷组分含量测定[11]，具体流程如图1所示。

1.4 计算与数据分析

1.4.1 土壤各无机磷形态含量的变化值 (△Pi) 计算公式：

式中：Pin表示第n年的无机磷形态含量；Pio表示1990年无机磷形态含量。

图1 土壤磷的连续浸提试验Fig. 1 Sequential extraction of soil phosphorus

1.4.2 土壤磷活化系数 (PAC) 的计算公式：

1.4.3 作物吸磷量及土壤−作物系统磷盈亏值的计算公式：

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(%)

土壤表观磷素盈亏(kg/hm2)= 施入土壤磷素总磷(kg/hm2)−作物吸磷总磷(kg/hm2)

土壤累积磷盈亏(kg/hm2)=∑土壤表观磷盈亏(kg/hm2)

1.4.4 数据分析

本研究使用Excel2016和Sigmaplot 12.5进行数据的初步整理和作图，采用SPSS20对数据进行差异显著性检验 (Duncan法)。

2 结果分析

2.1 长期不同施肥模式下土壤全磷和有效磷的动态变化

长期不同施肥模式下土壤全磷的时间变化趋势呈明显差异 (图2)，土壤不施磷肥和施化肥处理(CK、NK、NPK) 土壤全磷处于耗竭状态，呈缓慢下降趋势，与初始含量相比，土壤全磷含量分别降低了15.12%、32.67%和7.58%，各处理的全磷年减少速率约为5.47、12.86、4.84 mg/(kg·a)。化肥配施有机肥 (NPKM) 处理全磷含量呈上升趋势，与初始年份相比增加了88.47%，增加速率为27.39 mg/(kg·a)。施肥21年后，NPKM处理的土壤全磷是CK、NK、NPK处理的2.28、2.51和1.99倍。

由图2可知，不施磷处理 (CK、NK) 土壤有效磷 (Olsen-P) 含量呈下降趋势，与初始年份相比，土壤有效磷含量分别降低了33.47%和12.57%，年减少速率为0.34和0.22 mg/(kg·a)；施磷肥处理 (NPK、NPKM) 土壤Olsen-P含量均呈增加趋势，与初始年份相比，Olsen-P分别增加了1.65和12.98倍，年增加速率为0.81和8.10 mg/(kg·a)。施肥21年后，NPKM处理的土壤Olsen-P含量是CK、NK、NPK处理的21.43、16.56和5.38倍。

由图2可知，不同施磷肥处理的土壤磷活化系数 (PAC) 有显著差异。长期不施磷肥处理 (CK、NK)，土壤PAC呈降低趋势，与初始值相比分别降低了52.49%和2.55%。施磷肥处理 (NPK、NPKM)，随施肥年份的增加，土壤PAC呈增加趋势，与初始值相比分别增加了2.67和6.42倍。CK、NK、NPK、NPKM处理多年平均PAC值分别为1.04%、1.19%、3.38%和7.10%，其中施磷肥处理显著高于不施肥处理，NPKM处理的PAC值也显著高于NPK处理。

2.2 长期不同施肥模式对土壤磷形态的影响

2.2.1 不同施肥模式磷形态占全磷含量的比例 由图3可知，黑土土壤磷库的组成以无机磷为主，约占土壤磷总量的80.53%～90.43%，而有机磷相对维持在较低水平，仅占土壤磷总量的9.57%～19.47%。NK处理无机磷与全磷的比值最小，NPKM处理中最大，两个处理之间具有显著性差异。不同施肥处理均以中活性态磷含量占全磷的比例最大，为50.37%～55.06%；活性态磷含量占全磷比例最小，为7.61%～19.02%，NPKM处理土壤活性态磷占全磷比值显著高于其他处理，为19.02%。

图2 长期试验不同处理土壤全磷、有效磷含量和磷活化系数的变化Fig. 2 Dynamics of soil total P, available P content and PAC in black soil under long-term fertilization

图3 长期不同施肥模式下土壤各形态磷在全磷中的百分比Fig. 3 The ratio of each P fraction tototal P in black soil under long-term fertilization

不同施肥处理下各形态磷占总无 (有) 机磷的比例不同。由图4可知，土壤无机磷形态以中活性态和稳定态无机磷为主，活性态无机磷占总无机磷比例最少，约为4.57%～19.95%，土壤活性态无机磷占总无机磷的比例在施磷处理中显著优于不施磷处理(P ＜ 0.05)，其中NPKM处理 (19.95%) 优于NPK处理 (10.33%) (P ＜ 0.05)；不同施肥模式稳定态磷占无机磷的比值为26.70%～46.29%，其NPKM处理比值最低，NK处理最高，两处理之间差异显著。土壤有机磷形态以中活性态有机磷含量最多，占总有机磷的57.97%～71.47%，其比值NK处理最大，CK处理最小，两个处理之间有显著性差异 (P ＜ 0.05)；施磷肥后，土壤活性态有机磷含量减少，但各处理之间没有显著性差异。

2.2.2 无机磷形态含量变化 由图5可知，随着施肥年限的增加，不施磷肥处理 (CK、NK) Resin-P含量逐渐减少，其累积减少量呈逐渐增大的趋势，与初始值相比，试验20年后CK、NK处理的Resin-P的减少量分别为3.74和13.14 mg/kg，其浓度分别下降了43.25%和71.38%。施磷肥处理后，随着施磷年份的增加，Resin-P含量有所提高，累积增加量呈逐渐增大的趋势。与初始值相比，试验20年后NPK与NPKM处理Resin-P增加量分别为19.85和107.45 mg/kg，其浓度分别增加了98.82%和251.63%。

不施磷肥处理 (CK、NK) 的NaHCO3-Pi累积减少量逐渐增加，与初始值相比，试验20年后CK、NK处理的NaHCO3-Pi的减少量分别为8.39和2.00 mg/kg，其NaHCO3-Pi浓度值较初始值分别下降88.92%和31.63%。NPK处理其变化量变化趋势不明显，NaHCO3-Pi浓度稳定；NPKM处理NaHCO3-Pi变化值呈增加的趋势，施肥第10年开始，NaHCO3-Pi含量呈显著增加趋势，施肥20年后NaHCO3-Pi的浓度增加了447.32%。

NaOH-Pi含量变化与Resin-P有较一致的变化趋势。CK和NK处理，NaOH-Pi含量随时间变化，其累积减少量呈逐渐增大的趋势；NPK和NPKM两个处理的NaOH-Pi累积增加量呈逐渐增大的趋势。试验20年后，与初始值相比，CK和NK处理的NaOH-Pi减少了26.60和17.64 mg/kg，浓度下降了79.82%和43.78%，NPK和NPKM处理的NaOH-Pi增加了49.99和106.24 mg/kg，浓度上升了182.55%和293.58%。

图4 长期不同施肥模式下土壤各形态磷占无机、有机磷的比例Fig. 4 The ratio of P fraction in inorganic or organic P contents in black soil under long-term fertilization

图5 各处理施肥不同年限土壤无机磷形态含量Fig. 5 Contents of inorganic P fractions in black soil after different fertilization years in each treatment

在CK、NPK和NPKM处理中，土壤中Dil.HCl-Pi累积增加量呈逐渐增大趋势，NK处理，Dil.HCl-Pi在施肥处理十年后减少量较大，此后呈缓慢减小的趋势。试验20年后，CK、NPK和NPKM浓度分别比施肥初始值提高了35.64、30.87和273.76 mg/kg，NK处理略有下降，比初始值下降了9.52 mg/kg。

四个处理Conc.HCl-Pi的变化量年际间变化趋势一致。施肥20年，CK、NK和NPK处理Conc.HCl-Pi浓度与1990年比各自降低了3.95%、30.93%、32.61%；而NPKM处理则提高了54.54%。Residual-P整体呈下降趋势，NPK处理下降最为明显，施肥20年后，CK、NK和NPK处理分别比1990年降低了4.91%、12.31%和56.46%，NPKM处理增加了17.87%。2.2.3 有机磷形态含量变化 由图6可知，施肥年份对土壤NaHCO3-Po含量影响较小，施肥的前10年，随磷肥用量的增加，土壤NaHCO3-Po含量呈减小趋势，施肥后10年，CK、NK和NPK处理中土壤NaHCO3-Po含量随磷肥用量的增加呈增加趋势，而NPKM处理中NaHCO3-Po含量变化不明显。与初始值相比，施肥20年后CK处理中NaHCO3-Po含量降低了32.71%；而NK、NPK、NPKM处理中NaHCO3-Po含量分别提高了36.82%、281.94%和53.09%。NaOH-Po的含量随施肥年份的增加呈“W”形趋势，而在各处理间差异较小，到2010年CK、NK、NPK与NPKM处理NaOH-Po浓度比初始值提高了46.67%、66.12%、75.26%和83.06%。施肥年份和施肥水平对Conc.HCl-Po含量影响较小，CK处理的Conc.HCl-Po浓度为逐年下降，施肥20年降低了65.54%，NPKM处理逐年上升，施肥20年后比初始值增加了76.66%。NK与NPK处理Conc.HCl-Po含量年际间变化幅度相对较小，与初始值相比，NK处理提高了28.18%，NPK处理下降了38.37%。

图6 长期不同施肥处理土壤有机磷形态含量Fig. 6 The content of organic P fractions in black soil under different fertilization treatment years

2.3 磷形态含量变化对土壤有效磷含量变化的影响

表2为土壤磷各形态变化值与Olsen-P变化值的相关性分析结果，可以看出，其中无机磷形态Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、Dil.HCl-Pi变化量与Olsen-P变化值呈极显著正相关，有机磷形态Conc.HCl-Po变化值与有效磷变化值呈显著正相关 (r =0.605)，磷素各形态变化值与土壤有效磷的变化值的相关性大小为△Resin-P (0.972) ＞ △NaOH-Pi (0.860) ＞△Dil.HCl-Pi (0.814) ＞ △NaHCO3-Pi (0.665) ＞△Conc.HCl-Po (0.605) ＞ △NaHCO3-Po (0.262) ＞△Conc.HCl-Pi (0.177) ＞ △NaOH-Po (–0.040) ＞△Residual-P (−0.165)。四种磷形态 (Resin-P，NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、Dil.HCl-Pi) 之间也存在极显著相关性。

3 讨论

3.1 长期不同施肥模式对土壤有效磷演变特征的影响

土壤有效磷是反映土壤供磷能力的重要指标，其含量的高低影响作物的吸磷水平，并受土壤理化性质[3–4]，自然因素，施肥状况[24–25]等的影响。长期试验结果表明，不施磷肥的处理 (CK、NK) 土壤全磷和有效磷含量均呈耗竭状态。这是由于不施磷肥处理中，土壤全磷主要来自成土母质，作物携出磷是土壤磷的主要支出项[26]。此外，自然因素如降水、土壤侵蚀等均可引起磷损失，从而减少了土壤全磷和有效磷的含量。樊红柱等[27]在紫色水稻土，陆欣春[28]等在黑土上的长期试验研究均发现不施磷肥降低了土壤全磷和有效磷的含量，也验证了本试验结果。

长期施磷肥后均可提高有效磷的含量，有机无机配施 (NPKM) 可显著提高土壤有效磷水平[14,29–30]。本文研究结果表明，NPKM处理的土壤全磷和有效磷含量分别是单施化肥 (NPK) 的1.99倍和5.38倍。黄晶等[24]的研究结果表明，长期NPKM处理的土壤比单施化学磷肥处理更能提高Olsen-P含量，这可能是由于磷素累积的影响 (图7)，增加了土壤有效磷水平，本文中NPKM处理中随施肥年限的增加，土壤磷呈累积状态(图7)，此外有机无机配施 (NPKM) 处理中有机肥在分解过程中产生的有机酸可活化土壤本身的磷素，使土壤中易溶态磷含量增加，而有机肥中碳水化合物通过掩蔽土壤对磷素的吸附位，增加土壤对磷的吸附饱和度，降低了土壤对磷的吸附固定能力[31]。但在黄壤水稻土中，NPK处理中有效磷含量的增加显著高于NPKM处理[32]，沈浦[5]在水旱轮作地区的研究也得到相似结果，与本试验结果相反，这可能的原因是淹水条件下土壤中加入有机肥使土壤还原过程加剧，增加了土壤中铁氧化物对磷的固定，削弱了有机肥对土壤性质的改善[33–34]。

磷活化系数 (PAC) 是有效磷与全磷之比，表征磷素的有效性，活化系数越高，土壤磷的有效性越高，活性系数越低，表明土壤固磷能力越强，当PAC ＜ 2%时，表明土壤全磷的转化率低，有效磷容量和供给强度较小[24]。本研究中，不施磷肥处理，土壤PAC值呈降低趋势，可能是由于无外源磷投入，作物从土壤中持续吸收磷素 (主要为有效磷)，土壤中有效磷含量降低，而土壤中非有效态部分降低相对较少，使得PAC值呈降低趋势[25]。施磷肥处理，土壤PAC值均呈增加趋势，PAC ＞ 2%，这可能是由于PAC的变化受外源磷投入的影响，外源磷投入量越大，土壤PAC值增加越多[35–36]。鲁艳红等[25]对红壤土长期试验研究指出，NPK处理土壤PAC平均值为2.48%，呈增加趋势，与本文的结果相似。

表2 土壤有效磷变化量与各形态磷变化量的相关性Table 2 Relationship between Olsen-P and different P fractions

图7 长期不同施肥模式下黑土磷素盈亏状况Fig. 7 The balances of phosphorous in black soil under long-term different fertilization

3.2 长期不同施肥模式对土壤各磷形态含量变化的影响

不同施肥模式影响土壤磷形态的比值，均以无机磷形态所占比值最大，这表明无机磷是影响黑土磷供应能力的敏感磷源[37]。有机无机配施处理 (NPKM)可显著增加土壤中无机磷库，影响土壤无机磷的形态和分布，促进无效态磷转化为有效态磷[38–39]，在本试验中，NPKM处理土壤无机磷占全磷的比值、活性态磷占全磷和活性态磷占无机磷的比值均优于其他处理，也验证了这一结论。不施磷处理有机磷形态占全磷比值较施磷肥处理高，其原因可能是由于土壤处于缺磷状态，微生物与植物争夺土壤中的磷资源，使无机磷固持在体内变为有机磷[40]，此外，无机磷比有机磷更容易被作物吸收利用，也是无机磷减少的又一原因[33–34]。

树脂交换态磷 (Resin-P) 是与土壤溶液处于平衡状态的土壤固相无机磷[12]，这部分磷对植物充分有效，可被植物直接利用，是土壤活性磷的大部分组成部分[7,11,13]。NaHCO3-Pi吸附在土壤颗粒表面，有效性较高，可通过HCO3–交换配体释放出，易被作物吸收利用[41]。长期施用化学磷肥和有机无机配施均可提高土壤中Resin-P含量，Shi[42]、Singh[43]等证明了施化学磷肥增加了Resin-P和NaHCO3-Pi含量，NPKM处理中，Resin-P和NaHCO3-Pi累积量显著高于NPK处理，可能是因为有机无机配施处理增加了土壤有机质含量，通过竞争作用减少土壤对磷的吸附，使土壤中稳定态和闭蓄态磷向活性磷转化[44]。NaOHPi主要是以化学吸附土壤Fe、Al化合物和粘粒表面的磷[14]，其增加量在NPK处理中呈增加的趋势，这是由于长期施磷肥后能够显著提高Al-P、Fe-P的绝对含量和相对含量[45]。而处理NPKM中，NaOH-Pi的增加量不明显，是由于在施用有机肥的条件下，有机质与土壤颗粒通过铁、铝和钙桥键复合，相应地降低了土壤中铁、铝和钙离子的浓度，从而减少了这些离子对磷的固定[46]。石灰型磷 (Dil.HCl-P) 用稀HCl提取的无机磷，是与钙结合的原生矿物态磷，风化后可供植物利用[11,47]，本试验NPKM处理中，Dil.HCl-Pi (Ca-P) 含量变化值最大，是因为黑土风化程度较低，土壤中钙离子含量较高，是土壤中磷存在的主要形态。Residual-P一般条件下极难被植物利用。NPK处理中Residual-P减少量最大，这说明单施化肥不能完全作为作物吸磷的主要来源，土壤中仍处于缺磷的状态，促使稳定态的磷转化为活性较高的磷素。NPKM处理在开始施入有机肥的时候，Residual-P也处于减少状态，原因可能是试验前期施肥量不能满足作物对磷的吸收利用，促进了闭蓄态磷的转化；也有可能是有机肥的施入促进土壤解磷微生物对闭蓄态磷等难溶性磷酸盐分解活化作用[48]。

4 结论

有机无机配施比单施化肥和不施磷肥更能显著提高土壤全磷、有效磷的含量。施磷肥处理中，土壤磷活化系数 (PAC) 随试验时间的增加而增加；在土壤中磷素盈余量相当的情况下，有机无机配施比单施化肥更能提高土壤磷活化系数。不同施肥模式对土壤磷形态的变化影响不同，施磷肥处理尤其是有机无机配施处理可显著提高土壤无机磷占全磷的比值，尤其是活性态磷占无机磷的比值。通过相关分析表明，长期施肥后，有效磷变化值与Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、Conc.HCl-Po变化值之间存在显著的相关性。