长期轮作施肥棕壤磷素对磷盈亏的响应

李 娜，杨劲峰，刘侯俊，韩晓日

（沈阳农业大学土地与环境学院/农业部东北玉米营养与施肥科学观测实验站/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110866）

磷是植物生长发育所必需的三大营养元素之一，但土壤中磷素含量较低，不足以供应作物生长吸收[1]，因此施用磷肥成为维持农作物高产的重要措施。由于土壤矿物、粘粒及有机物等对磷酸根离子的吸附、沉淀与生物固定作用，致使磷肥当季利用率很低，仅为5%～25%[2–4]。在农业生产中磷肥投入量往往超出作物需磷量，特别是推荐有机肥施用量大多基于氮肥水平，磷素盈余更加可观[5]。磷肥投入过量，导致磷素大量盈余[6–7]，浪费磷肥资源；若土壤长期处于磷素盈余状态，还会显著降低其磷素固定能力[8]。多余的磷素还可能流入水体，造成富营养化，增加环境风险[9]。

土壤全磷能够反映土壤磷库大小。土壤有效磷是土壤磷库中最易被植物吸收利用的磷素，能够反映土壤磷素养分供应能力[10]，受农田生态系统中磷素盈亏状况的影响。磷素的长期盈余或亏缺，决定着土壤全磷与有效磷的消长趋向[11–12]。国内外已对不同土壤类型、施肥模式、耕作制度下土壤磷素盈亏状况进行了研究。英国洛桑试验站研究发现，土壤磷素盈亏与土壤有效磷增量呈显著的线性相关关系[13]。有研究[14]表明长期施肥18年的西班牙钙质变性土，每盈余100 kg/hm2磷，土壤有效磷提高 3 mg/kg。在加拿大砂壤土上的研究[15]显示，每盈余磷100 kg/hm2，土壤有效磷增加 2 mg/kg。Messiga等[16]研究表明，每盈余磷100 kg/hm2，法国西部弱酸性沙壤土，土壤有效磷可提高3.3 mg/kg。Cao等[17]研究中国多个长期定位试验Olsen-P与土壤累积磷盈亏的关系发现，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P可提升1.44～5.74 mg/kg。杨军等[12]研究了潮土33年长期定位试验发现施用不同磷肥，有效磷及全磷对土壤磷素盈亏响应不同，有机肥与化学磷肥相比，使土壤增加更多的全磷。樊玉柱等[18]研究了长期施肥 (34年) 的紫色水稻土壤，结果为单施化学磷肥提升Olsen-P的速率大于施用有机肥。以上可以看出，不同土壤类型、作物种类、施肥方式等对土壤磷与磷盈亏的关系影响差别较大。因此明确特定农田土壤类型与施肥制度下土壤磷素水平与磷盈亏的关系，对于农田土壤磷肥合理施用具有重要的指导意义。棕壤耕种面积占辽宁省耕地面积的36.1%，是辽宁省主要农田土壤类型[19]，而目前对于长期轮作不同施肥条件下棕壤磷素平衡对磷盈亏的响应关系尚不清楚。因此本文以棕壤肥料长期定位试验为平台，较为系统地研究了玉米－玉米－大豆轮作制度下连续36年 (1979—2015) 不同施肥处理土壤磷素盈亏的变化，分析了土壤全磷、有效磷与土壤累积磷之间的关系，探讨棕壤磷素平衡对长期轮作施肥的响应，以期为棕壤磷素养分高效管理、合理施用磷肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验始于1979年，设在辽宁省沈阳市沈阳农业大学棕壤试验站内，东经123°33'，北纬40°48'。试验区地处松辽平原南部的中心地带，海拔高度约88 m，属于温带湿润－半湿润季风气候。年均气温7.0～8.1℃，10℃以上积温3300～3400℃，年降水量547 mm，年蒸发量1435.6 mm，无霜期148～180 d，年日照时数2373 h。供试土壤为发育在第四纪黄土性母质上的简育湿润淋溶土 (耕作棕壤)。耕层土壤基本理化性质为有机质15.90 g/kg、全氮0.80 g/kg、碱解氮105.5 mg/kg、全磷0.38 g/kg、有效磷6.5 mg/kg、全钾21.1 g/kg、速效钾97.9 mg/kg、pH 6.5。

1.2 试验设计

长期定位试验采用裂区设计，分为化肥、低量有机肥和高量有机肥三个区组，共15个施肥处理，小区面积为160 m2。本研究选用其中的7个处理：1)不施肥 (CK)；2) 化学氮磷肥 (NP)；3) 化学氮磷钾肥(NPK)；4) 低量有机肥配施化学氮磷肥 (M1NP)；5)低量有机肥配施化学氮磷钾肥 (M1NPK)；6) 高量有机肥配施化学氮磷肥 (M2NP)；7) 高量有机肥配施化学氮磷钾肥 (M2NPK)。种植制度为玉米－玉米－大豆轮作模式。玉米播种密度为60000株/hm2，大豆播种密度为150000株/hm2。氮肥采用普通尿素 (N 46%)，磷肥用过磷酸钙 (P2O512%)，钾肥用硫酸钾(K2O 50%)，有机肥用猪厩肥 (干重，平均有机质含量为 119.6 g/kg、N 5.6 g/kg、P2O58.3 g/kg、K2O 10.9 g/kg)，所有肥料均作为基肥在播种前一次施入。自1992年至今，所有有机肥施于玉米上。1994年因修路暂停一年。各处理具体施肥量见表1。

表1 试验处理及施肥量 (kg/hm2)Table 1 Experimental treatments and fertilizer quantity

1.3 样品采集及分析方法

于每年9月末或10月初玉米收获时，按“S”形采集小区0—20 cm耕层土样5点，充分混匀，剔除砾石、植物根系等杂物，风干后研磨过20目筛备用。随机采8株玉米，取籽粒和茎叶样本，风干后粉碎混匀，待测。样本分析测定方法见参考文献[20]。土壤全磷用碱熔—钼锑抗比色法测定，有效磷用Olsen法测定。植株样品用H2SO4−H2O2消化，钼锑抗比色法测磷。

1.4 计算方法与统计分析

1) 土壤有效磷增量计算公式

△Olsen P (mg/kg)= OPi (mg/kg)−OP0 (mg/kg)式中：OPi表示第i年土壤有效磷含量；OP0表示初始土壤的有效磷含量。

2) 土壤全磷增量计算公式

△Total P (g/kg) = TPi (g/kg) − TP0 (g/kg)

式中：TPi表示第i年土壤全磷含量；TP0表示初始土壤全磷含量。

3) 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 (%)；

4) 土壤年表观磷盈亏 (kg/hm2)= 每年施入土壤磷素总量 (kg/hm2)−每年作物 (籽粒 + 秸秆■) 吸磷量 (kg/hm2)；

数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS19.0统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 长期轮作施肥下土壤磷素盈亏

图1为连续36年不同施肥处理土壤表观磷盈亏状况，大于0表示土壤磷素年盈余，小于0则表示土壤磷素年亏缺。由图1可知，不施肥处理 (CK) 当季土壤始终处于表观磷亏缺状态，平均年亏缺磷量为8.5 kg/hm2。单施化学磷肥处理 (NP和NPK) 当季土壤表观磷呈现盈余状态，年平均盈余量分别为19.8 kg/hm2和20.0 kg/hm2。无论低量有机肥配施化学磷肥还是高量有机肥配施化学磷肥各处理均表现为土壤表观磷素年盈余状态。其中低量有机肥配施化学磷肥处理 (M1NP和M1NPK) 年平均盈余磷分别为41.7 kg/hm2和40.7 kg/hm2，高量有机肥配施化学磷肥处理 (M2NP和M2NPK) 年平均盈余磷分别为63.8 kg/hm2和60.3 kg/hm2。高量有机肥年盈余量分别高于低量有机肥相应处理。在1992年前所有有机肥配施化学磷肥处理均表现为大豆年份磷素盈余较多。由于1992年后大豆年份不施用有机肥，大豆年份土壤磷素年盈余量降低，由波峰 (1992年前) 降至波谷 (1992年后)。

图1 各处理磷素盈亏状况Fig. 1 Phosphorus balance of different treatments

2.2 长期施肥下土壤有效磷变化对土壤磷素盈亏的响应

农田生态系统磷盈亏是土壤有效磷水平消长的根本原因[11,20]。图2反映长期不同施肥条件下棕壤Olsen-P变化量与耕层土壤磷盈亏的响应关系。图中方程为不同处理有效磷增量和土壤累积磷盈亏之间的线性回归方程，各方程中x代表土壤累积磷盈亏量 (kg/hm2)，y代表土壤有效磷的净增量 (mg/kg)。方程的斜率 (a值) 表示土壤磷平均每增加1个单位(P kg/hm2)，相应的有效磷的增加量 (P mg/kg) 或者土壤磷平均亏缺1个单位 (P kg/hm2)，土壤有效磷的减少[9,13,21]。由图2可知，不施肥处理 (CK) 土壤Olsen-P变量与土壤累积磷盈亏量的相关关系达到极显著水平 (P ＜ 0.01)，土壤每亏缺磷 100 kg/hm2，Olsen-P 下降0.84 mg/kg。施用化学磷肥的2个处理 (NP和NPK) 土壤Olsen-P变量与土壤累积磷盈亏量的相关关系达到极显著水平 (P ＜ 0.01)，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P分别提高1.97 mg/kg和2.54 mg/kg。低量有机肥配施化学磷肥的处理 (M1NP和M1NPK) 土壤Olsen-P变量与土壤累积磷盈亏量的相关关系达到极显著水平 (P ＜ 0.01)，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P分别上升5.69 mg/kg和 6.00 mg/kg。高量有机肥配施化学磷肥处理 (M2NP和M2NPK) 土壤Olsen-P变量与土壤累积磷盈亏量的相关关系达到极显著水平 (P ＜ 0.01)，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P分别增加6.69 mg/kg和7.23 mg/kg。

2.3 长期轮作施肥下棕壤全磷对累积磷盈亏的响应

由图3可知，CK处理土壤全磷增量与累积磷盈亏量关系不显著。施用化学磷肥处理NP和NPK的全磷增量与累积磷盈亏量均呈极显著相关关系 (P ＜0.01)，NP和NPK处理全磷含量随土壤磷素盈亏量的增加而增加，由线性方程可得，土壤每盈余磷素100 kg/hm2，NP和NPK处理全磷量均增加0.03 g/kg。施用有机肥各处理全磷增量均随土壤磷素累积量的增加而增加，且均呈极显著相关关系 (P ＜ 0.01)。在低量有机肥配施化学磷肥处理 (M1NP和M1NPK)，土壤每盈余磷素100 kg/hm2，全磷量均增加0.04 g/kg；土壤每盈余磷素100 kg/hm2，高量有机肥配施化学磷肥处理 (M2NP和M2NPK) 全磷也提升0.04 g/kg。

3 讨论

3.1 磷盈亏对长期施肥的响应

图2 各处理土壤Olsen-P变化与有效磷累积增量的关系Fig. 2 Correlation between soil Olsen-P increase and cumulative P balance

图3 各处理土壤全磷增量与土壤累积磷盈亏的关系Fig. 3 Correlation between soil total P increase and P balance

土壤中磷素盈亏主要取决于农田系统中的磷投入和磷输出。连续36年种植作物而不施磷肥 (CK)，籽粒和秸秆不断地从土壤中携出磷素，而灌溉、降雨等其他磷素来源极少[21]，土壤磷素始终处于亏缺状态。当磷肥的施用量高于作物吸收的磷量，土壤磷素出现盈余，会使磷素在土壤中积累[12]。在本试验中连续36年施肥后，NP处理和NPK处理均表现为土壤磷盈余，且平均年盈余量接近，约为20.0 kg/hm2，说明一个轮作周期年均P2O5施用量为70 kg/hm2时，施用化学磷肥配施氮肥 (NP) 或化学磷肥配施氮钾肥(NPK) 均可使棕壤磷素水平略有盈余。棕壤肥料长期定位试验为3年一个轮作周期，即2年种植玉米，1年种植大豆，由于大豆吸收磷量低于玉米，所以化肥区组中的磷肥配施氮肥 (NP) 和磷肥配施氮钾肥(NPK) 均表现为大豆年份磷盈余量高于玉米年份。众多研究[4,10,22–24]表明，长期有机肥与化学磷肥配施可以增加土壤中磷素的积累量。在本试验中，无论是低量有机肥还是高量有机肥与化学磷肥配施处理土壤磷素始终保持盈余状态，且高量有机肥配施化学磷肥处理盈余量较高，约为低量有机肥配施化学磷肥处理的1.5倍，是单施化学磷肥的3倍。磷盈余量差别较大的原因在于不同处理磷素的投入和作物吸磷量不同。棕壤肥料长期定位试验所有磷肥处理的化肥磷肥施用量一致，约为31 kg/hm2，而低量和高量有机肥配施化学磷肥处理相当于分别额外增施磷量约为25 kg/hm2和50 kg/hm2。施用化学磷肥两处理(NP、NPK) 年均吸磷量接近，约为 11 kg/hm2，而低量有机肥配施化学磷肥两处理 (M1NP、M1NPK) 年均吸磷量约为14 kg/hm2，高量有机肥配施化学磷肥(M2NP、M2NPK) 作物年均吸磷量分别约为16 kg/hm2和19 kg/hm2，可见处理间磷素吸收量的差别远小于投入磷量的差别。经过36年连续定位试验后必然导致有机肥配施化学磷肥处理土壤磷素盈余量远高于单施化学磷肥处理。需要指出的是，有机肥除了可以向作物提供大量的磷素营养外，还可以通过还原、酸溶、络合溶解作用，促进解磷微生物增殖等过程活化土壤中难利用磷[25]。以上可以说明本试验中无论单施化学磷肥，还是有机肥配施化学磷肥处理土壤中磷素均有盈余。有必要从作物需求角度考虑适当调整有机肥及化学磷肥的投入量。

3.2 土壤磷素对磷盈亏的响应

农田土壤养分水平发展趋向是一个渐进的过程，从根本上说决定于农田养分平衡的盈余或亏缺[26]。外源磷投入是提升土壤全磷和有效磷的关键，但土壤磷库变化因投入磷肥的种类、施用时间、施用方式及投入量的不同而存在差异[27]。研究表明土壤有效磷的变化量与磷素盈亏值间呈显著的线性相关关系[13]。为试图根据土壤有效磷水平变化预测土壤的磷肥需求量，国内外不同的长期定位试验点计算了土壤磷每盈亏100 kg/hm2相应的有效磷的变化量，发现不同试验点有效磷对磷盈亏的响应并不一致。如法国弱酸性沙壤土每盈余磷100 kg/hm2，有效磷提高3.3 mg/kg[16]，西班牙钙质变性土有效磷提高3 mg/kg[14]；加拿大砂壤土有效磷提高2 mg/kg[15]；Tang等[11]研究了中国5个长期定位试验，发现土壤每盈余磷100 kg/hm2，土壤Olsen-P增加2.1～5.7 mg/kg。Cao等[17]研究结果表明，施用化学磷肥下每盈余100 kg/hm2，土壤有效磷分别增加1.6～5.7 mg/kg。在对棕壤的研究中发现，各施肥处理的有效磷与磷盈亏量之间均呈显著相关关系 (P ＜ 0.01)。其中，单施化学磷肥 (NP和NPK)，每盈余100 kg/hm2磷，棕壤有效磷增加1.97～2.54 mg/kg；有机肥配施化学磷肥 (M1NP、M1NPK、M2NP和M2NPK)，每盈余磷100 kg/hm2，棕壤有效磷增加5.6～7.13 mg/kg。结果反映在相同磷素积累量条件下，有机肥配合化学磷肥对土壤有效磷的增加量高于单施化学磷肥；同时也可以说明，化学磷肥增施有机肥可以提高土壤磷有效性。这与前人的研究[12,26,28]结果一致。原因在于一方面有机肥中含有大量的植物可利用态磷。另一方面有机肥中含有丰富的有机质，有机质矿化可为土壤提供无机磷；有机质中的有机酸与腐殖酸可在铁铝氧化物表面形成保护膜，减少对磷酸根的吸附；有机质分解产生有机酸、CO2、其他螯合剂可改变土壤pH，促进土壤中部分固相磷的溶解[4,29]。由于没有外源磷投入 (忽略灌水和降雨中磷素)，磷素被作物吸收携出导致土壤磷处于持续耗竭状态[19]。不施磷肥的CK土壤每亏缺磷100 kg/hm2，Olsen-P下降0.84 mg/kg。

全磷是磷素营养水平的参考指标和衡量土壤磷素储量的标志。盈余的磷除转化成土壤有效磷外，还可以淋失或随水流失，或被土壤固定成难利用态磷[30]，可以说土壤磷素的纯盈余量决定着全磷的水平。在棕壤肥料长期定位试验中，CK处理没有任何肥料投入，因此磷素盈亏量主要取决于作物磷携出量，而作物携出量主要受气候、品种等因素影响，所以CK处理全磷含量与累积磷盈亏量无显著线性相关关系，这与杨军等[12]研究结果一致。研究发现每盈余磷100 kg/hm2，高量有机肥配施化肥对Olsen-P的增加量高于相应低量有机肥配施化肥，但在对全磷量增加量的影响差别不大。原因可能是随着施磷量的增加，土壤全磷增加，将会降低土壤对外源磷的固定能力，全磷增加一个单位，同时会有更多的部分转入有效磷状态。这也解释了土壤积累等量的磷素条件下，高量有机肥配施化学磷肥增加有效磷量高于低量有机肥配施化学磷肥。本研究中施用磷肥处理磷盈亏与全磷含量呈极显著正相关关系，土壤每盈余磷100 kg/hm2，有机肥配施化学磷肥处理土壤全磷增量高于单施化学磷肥。说明增施有机肥能促进提高土壤全磷水平。这与杨军等[12]在潮土上的研究结果一致，而与樊红柱等[18]在紫色水稻土上的研究结果相反，说明不同土壤类型、作物种类、轮作制度、施肥措施等，可能对全磷增量对磷盈亏的响应关系产生不同的影响。

4 结论

长期轮作而不施磷肥，棕壤磷素呈亏缺状态，平均年亏缺磷量为8.5 kg/hm2；长期轮作施用化学磷肥 (年均投入P2O570 kg/hm2) 处理和有机肥配施化学磷肥处理 (年均投入P2O5126～182 kg/hm2)，棕壤磷素处于盈余状态，平均年盈余磷量为19.8～63.8 kg/hm2。高量有机肥配施化学磷肥年盈余量高于低量有机肥配施化学磷肥，二者均高于单施化学磷肥。长期轮作施肥条件下有效磷增量与土壤累积磷盈亏均呈极显著相关关系 (P ＜ 0.01)，土壤每亏缺磷100 kg/hm2，Olsen-P下降0.84 mg/kg；土壤每盈余磷100 kg/hm2，施用化学磷肥 (NP和NPK) Olsen-P分别上升1.97 mg/kg和2.54 mg/kg；有机肥配施化学磷肥 (M1NP、M1NPK、M2NP和M2NPK) Olsen-P分别上升5.69、6.00、6.69和7.23 mg/kg。土壤每盈余磷100 kg/hm2，单施化学磷肥全磷增加0.03 g/kg，有机肥配施化学磷肥增加0.04 g/kg。棕壤长期施用有机肥及配施化学磷肥提升土壤磷素速率高于单施化学磷肥。