玉米秸秆还田及施磷量对黑土磷吸附与解吸特性的影响

龚振平，杜婷婷，闫 超，马春梅，董守坤，孙洪超，李海瑞

玉米秸秆还田及施磷量对黑土磷吸附与解吸特性的影响

龚振平1，杜婷婷1，闫 超1，马春梅1，董守坤1，孙洪超1，李海瑞2

（1. 东北农业大学农学院，哈尔滨 150030；2. 黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163000）

以探究松嫩平原玉米连作条件下，秸秆还田与施磷量互作对黑土磷吸附与解吸特性的影响为目的。该试验采取二因素裂区试验设计，主因素为玉米秸秆还田方式，分别为秸秆不还田（S0）、秸秆翻埋还田（S1）和秸秆焚烧还田（S2）；副因素为施磷水平，分别为0（P0）、34.50（P1）、69（P2）、103.50（P3）kg/hm2（P2O5）。结果表明：1）Langmuir等温吸附方程最适合拟合黑土对磷的吸附特征。2）秸秆还田与施磷量均显著影响黑土对磷的吸附与解吸特性，且两者互作效应显著。在相同秸秆还田方式下，随着施磷量的增加，土壤对磷的吸附能力均逐渐降低，而土壤中磷的解吸量和解吸率均逐渐增加，其中以S0条件下差异最大，S2条件下次之，S1条件下差异最小。在相同施磷水平下，与S0处理相比，S1和S2均能降低土壤对磷的吸附能力，增加土壤中磷的解吸量和解吸率，其中以不施磷肥（P0）处理下差异最大，而在施高磷（P3）处理下差异不显著，此外，S1与S2在各施磷水平下差异均不显著。3）不同施磷处理下的标准需磷量（standard P requirement，SPR）为71.02～91.67 kg/hm2，其中以S1P2处理的SPR（73.58 kg/hm2）与P2施磷水平（69 kg/hm2）最相近，是松嫩平原黑土区较为适宜的施磷方式。

土壤；磷；吸附；解吸；玉米连作；秸秆还田

0 引 言

土壤对磷素的吸附与解吸过程控制着土壤溶液中磷的浓度，从而影响土壤磷的有效性和对植物的供磷能力[1]。如何降低土壤对磷素的吸附固定，提高磷素的有效性，一直是土壤磷素研究的热点[2-3]。诸多研究表明，秸秆还田对土壤磷的吸附与解吸特性有明显影响。Gupta等[4]在印度北部稻麦轮作区的试验表明，与秸秆移除和秸秆焚烧还田相比，连续4 a水稻和小麦秸秆翻埋还田降低了土壤对磷的吸附，促进了土壤中磷的释放，连续秸秆还田能够代替13 kg/(hm2∙a)的无机磷肥。曾希柏等[5]研究表明，长期小麦、大豆、花生等秸秆翻埋还田配施化肥能有效降低旱地红壤对H2PO4-的吸附量。林诚等[6]在南方黄泥田26 a的长期定位试验表明，与单施化肥相比，稻草翻埋还田配施化肥能有效降低土壤磷吸附亲合力常数（）、吸附缓冲容量（maximum buffer capacity，MBC），并提高土壤磷吸附饱和度（degree of phosphorus saturation，DPS）。王新民等[7]在石灰性土壤中的试验表明，在等磷条件下，无论是夏玉米秸秆单施，还是秸秆与化肥混施，均明显提高了耕层土壤磷的解吸量和解吸率。Fink等[8]在巴西的研究也表明，秸秆覆盖还田减少了土壤对磷的吸附，增加了土壤有效磷含量。但也有研究得出相反结论。洪欠欠等[9]在江西双季稻区的长期定位试验表明，秸秆翻埋与磷肥配施会增加土壤磷的吸附特性，提高土壤储磷能力。Yan等[10]在东北稻作区的研究也表明，随着水稻秸秆还田量的增加土壤的磷吸附能力逐渐增强，导致土壤溶液中有效磷含量显著降低。

松嫩平原黑土区是中国玉米的重要产区，连作玉米面积较大，秸秆大量剩余，导致露天焚烧污染环境，秸秆还田是农业可持续发展的重要途径之一。另外，土壤中磷素的丰缺及供给状况直接影响着作物的生产水平[11]，为提高玉米产量，生产中大量施用磷肥[12]。而关于土壤磷吸附与解吸特性的研究大多集中在南方酸性土壤上，而对于松嫩平原黑土的研究主要集中在不同施肥方式上，对于不同秸秆还田方式与施磷量相结合对土壤磷吸附与解吸特性的研究甚少。因此，本文针对松嫩平原黑土玉米连作条件，研究不同秸秆还田方式（移除、还田和焚烧）配合施磷水平对土壤磷吸附与解吸特性的影响，为黑土区秸秆还田和磷肥的合理施用提供一定的理论依据及参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016—2018年在东北农业大学校内试验田进行。试验地位于松嫩平原中部（45°75'N，126°36'E），隶属于哈尔滨市香坊区，年均温度3.5 ℃，年降雨量500～550 mm，无霜期140 d左右，≥10 ℃积温2 700 ℃左右，一年一熟。

1.2 试验设计

试验采用框栽连续定位方法。玉米采用连作方式，2016、2017、2018相同方法连续进行3 a，于2018年秋季玉米收获后取样，测定土壤磷吸附-解吸性能及土壤速效磷含量。框栽材料为硬化塑料制成的无底圆框，直径0.30 m，深度0.33 m，装土量为26 kg，埋土深度0.30 m，露出地表0.03 m。供试土壤为黑土，取自2015年的玉米田，基础肥力为：有机质37.12 g/kg，全氮1.45 g/kg，全磷0.80 g/kg，全钾21.25 g/kg，硝态氮48.21 mg/kg，铵态氮16.80 mg/kg，速效磷30.46 mg/kg，速效钾313.50 mg/kg。

试验采取二因素裂区设计，主因素为秸秆还田方式，分别为秸秆不还田（S0）、秸秆翻埋还田（S1）和秸秆焚烧还田（S2）；副因素为施磷水平，分别为不施磷肥（P0）、低量施磷肥（P1）、中量施磷肥（P2）和高量施磷肥（P3），共12个处理，重复5次。秸秆还田量是根据近几年哈尔滨市玉米平均产量为10 t/hm2，按照谷草比1：1.2计算，秸秆还田量为12 t/hm2，折算后每框为84 g玉米秸秆。其中，S1：每框还田84 g秸秆，还田方法是于播种前将上一季的玉米秸秆粉碎后与0～20 cm土层混合均匀；S2：每框还田84 g秸秆，还田方法是于播种前将玉米秸秆截成5 cm左右的小段，在土层表面焚烧后与0～20 cm土层混合均匀。供试秸秆的平均养分质量分数为有机碳44.84%，全氮1.22%，全磷0.13%，全钾1.74%，其灰分的平均养分质量分数为有机碳22.70%，全氮0.72%，全磷0.84%，全钾11.02%。磷肥为重过磷酸钙（总P2O5质量分数44%），各处理施重过磷酸钙量为0（P0）、0.55（P1）、1.10（P2）、1.65（P3）g/框，折算每公顷P2O5施用量为0（P0）、34.50（P1）、69（P2）、103.50（P3）kg/hm2。同时每框施入尿素2.40 g（N：46%，340 kg/hm2）和硫酸钾1.10 g（K2O：50%，150 kg/hm2），其中一半的尿素和全部的磷、钾肥作为基肥施入，另一半的尿素作追肥在拔节期施入。每年5月1日播种，每框4粒种子，播种深度3～4 cm，齐苗后每框保苗1株。

1.3 样品采集与测定

于2018年10月玉米收获后采集0～20 cm土层土样，每个处理5次重复，挑出秸秆、石块等杂物后装于透明塑料袋中带回实验室，风干磨细后过1 mm筛备用。

土壤磷的等温吸附[13]：称取风干土样1.00 g，每个土样称7份，分别置于50mL聚乙烯塑料离心管中，并相应加入含磷质量浓度为0、5、10、15、20、30、50 mg/L的0.01 mol/LCaCl2溶液25 mL（KH2PO4配制），同时加入2滴甲苯以抑制微生物活性，加塞后置于25 ℃恒温震荡培养箱中连续震荡24 h（180 r/min），4 000 r/min离心10 min后用钼锑抗比色法测定上清液磷浓度，差减法计算土壤吸磷量，并用Langmuir、Freundlich和Temkin 3种等温吸附方程拟合吸附过程。

土壤磷的等温解吸[14]：吸附试验完成后，将残留的上清液去掉，用25 mL的饱和NaCl溶液洗去管中游离的KH2PO4（4 000 r/min离心8 min），此过程重复1次，之后向每管中加入0.01 mol/L CaCl2溶液25 mL，并加入2滴甲苯以抑制微生物活性，加塞后置于25 ℃恒温震荡培养箱中连续震荡24 h（180 r/min），4 000 r/min离心10 min后用钼锑抗比色法测定上清液中的磷含量，计算土壤解吸磷量。

土壤速效磷[15]：采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定。

1.4 相关计算

1.4.1 Langmuir等温吸附方程

/=/Q+1/(1Q)（1）

式中为平衡溶液磷浓度，mg/L；为磷吸附量，mg/kg；Q为磷最大吸附量，mg/kg；1为与结合能有关的常数。

根据吸附试验及Langmuir等温吸附方程得出的其他参数：

土壤最大缓冲容量（maximum buffer capacity，MBC），其值为1与的乘积；

土壤标准吸磷量（standard phosphorus requirement，SPR），代表平衡溶液中的磷质量浓度为0.2 mg/L时的磷吸附量；

土壤易解吸磷（readily desorbable phosphorus，RDP），是在吸附试验中加入的0.01 mol/L CaCl2溶液时，土壤磷素从固相向液相转移的数量；

土壤磷吸附饱和度（degree of phosphorus saturation，DPS），代表土壤已吸附磷的数量，DPS=(Olsen- P/Q)×100%，其中Olsen-P为土壤速效磷含量。

1.4.2 Freundlich等温吸附方程

=2∙1/n（2）

式中2为容量参数，代表土壤对磷的吸附容量，mg/kg；1/为吸附强度系数，L/kg。

1.4.3 Temkin等温吸附方程

=+3ln（3）

式中3为容量参数，代表土壤对磷的吸附容量，mg/kg；为吸附强度系数，L/kg。

1.4.4 土壤磷解吸滞后系数（HI）

HI=(Q-Q)/Q（4）

式中Q和Q分别为一定温度和浓度下土壤对磷的吸附量和解吸量，mg/kg；HI是不可逆吸附程度的量化指标，HI越大代表吸附和解吸过程相差的规律性越大[16]。

1.5 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2007处理数据，SPSS 22.0进行统计分析，Origin 9.0绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤磷吸附特性变化

图1是土壤磷吸附量与平衡溶液磷浓度的关系。由图1可知，各处理磷吸附曲线的变化规律一致，土壤吸磷量均随平衡溶液磷浓度的增加而增加，且增幅逐渐变缓，趋于饱和状态。无论秸秆还田与否，随着施磷量的增加土壤磷吸附量均逐渐降低。在秸秆不还田（S0）处理下，高磷处理（S0P3）下的平均磷吸附量比不施磷处理（S0P0）下降了10.22%（<0.05）。而在秸秆焚烧还田（S2）和秸秆翻埋还田（S1）处理下，下降幅度明显变小，其中S2P3处理下的平均磷吸附量比S2P0处理下降4.51%（<0.05），而S1P3处理下的平均磷吸附量与S1P0处理差异不显著，这说明土壤对磷的吸附能力受到了秸秆还田的影响。在P0、P1和P2处理下，不同秸秆还田方式对磷的吸附量总体表现为S0>S1≈S2。施入玉米秸秆（S1、S2）可以明显降低土壤对磷的吸附数量，而玉米秸秆翻埋还田（S1）与焚烧后灰分还田（S2）对土壤的磷吸附量差异不大。但在高磷（P3）处理下，3条等温吸附曲线基本重合，没有表现出明显差异，说明秸秆还田对土壤磷吸附的影响受施磷水平影响，当施磷达到高磷水平（P3）时，无明显作用。

注：P0为不施磷肥、P1为低量施磷肥（34.50 kg·hm-2）、P2为中量施磷肥（69.00 kg·hm-2）、P3为高量施磷肥（103.50 kg·hm-2）；S0为秸秆不还田、S1为秸秆翻埋还田、S2为秸秆焚烧还田，下同。

采用Langmuir、Freundlich和Temkin 3种等温吸附方程来描述土壤对磷的吸附过程（表1），2值均达到0.95以上，表明3种方程均可用以描述黑土对磷的吸附特征，Langmuir方程的2值最大，因而本试验采用Langmuir方程的各个拟合参数来表征秸秆还田及不同施磷量下黑土对磷的吸附特性。

表1 土壤磷等温吸附方程

注：为平衡溶液磷浓度；为磷吸附量；Q为磷最大吸附量；1为吸附亲和力常数；2、3为吸附容量指标；1/、为吸附强度系数。

Note：is P content at equilibrium solution;is P adsorbed capacity;Qis P maximum adsorbed capacity;1is adsorption affinity constant;2,3are adsorption capacity indexes；1/,are adsorption strength coefficients.

表2为不同处理下土壤Olsen-P含量及由Langmuir方程计算得出的磷吸附参数。由表2可知，秸秆还田方式和施磷量对Olsen-P含量及各等温吸附参数的作用效果均达到了极显著水平，且秸秆还田与磷肥的交互作用对RDP、、MBC、SPR和DPS有显著或极显著影响。磷肥施用量的增加和秸秆还田均能提高Olsen-P、RDP和DPS。在相同施磷量下，S1和S2处理的Olsen-P含量均无显著差异，而S2处理除P2水平以外均显著高于S0处理，S1处理只有在不施磷（P0）下，显著高于S0处理。RDP除在P1水平下，S1、S2处理的RDP值均显著高于S0外，其他施磷水平下的变化趋势与Olsen-P相同。在P0水平下，S0、S1、S2处理的DPS值差异显著；在P1、P2水平下，S1、S2处理的DPS值均显著高于S0处理；在P3水平下，S0与S1、S1与S2处理间差异不显著，说明高量施磷时，秸秆翻埋还田对土壤磷吸附饱和度的影响减弱。磷肥施用量的增加和秸秆还田均能降低Q、、MBC和SPR。在P0水平下，S1、S2处理的Q值显著低于S0；在P1、P2水平下，S1与S0差异不显著，S2显著低于S0；在P3水平下，S0、S1、S2差异均不显著，且在相同施磷水平下，S1和S2处理的Q值均无显著差异。、MBC和SPR三者的变化趋势一致，在P0、P1、P2水平下均表现为S1、S2处理显著低于S0，且P0水平下降幅度最大，随着施磷量的增加下降幅度明显变小，至P3水平时S0、S1、S2无显著差异，进一步说明了秸秆还田对土壤磷吸附能力的影响明显受施磷水平制约。

此外，与秸秆不还田（S0）条件下常规施磷相比，秸秆还田（S1、S2）条件下适当减少磷肥用量，土壤的供磷能力反而增强或无显著差异。S1P0、S2P0处理下的、MBC、SPR值显著低于S0P1处理；S1P1、S2P1处理下的、MBC和SPR值显著低于S0P2处理；S1P2、S2P2处理下的、MBC和SPR值与S0P3处理差异不显著。S1P0、S2P0处理下的RDP和DPS值显著高于S0P1处理；S1P1、S2P1处理下的RDP和DPS值与S0P2处理差异不显著；S1P2、S2P2处理下的RDP和DPS值与S0P3处理差异不显著。

表2 土壤速效磷含量及等温吸附参数

注：同列数值后不同字母表示处理间差异达5%显著水平；*和**分别表示达5%和1%显著水平，NS表示未达显著水平。

Note: Data followed by different letters in the same column are significantly different among treatments at the 0.05 probability level; “*”, “**” denote significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; “NS” denote not significant.

2.2 土壤磷解吸特性变化

图2是土壤磷的等温解吸曲线。由图2可知，土壤中吸附的磷均能被部分解吸下来，且随着吸附量的增加，解吸量也逐渐增加。在施磷量为P0～P2时，S1处理的解吸曲线位置一直在最上方，S2处理曲线位置居中，而S0处理曲线位置最低，说明秸秆还田条件下土壤对磷的吸附作用较弱，新加入的磷更易被解吸，而秸秆不还田处理的土壤对磷的吸附作用较强，新加入的磷更难被解吸出来。在施磷量为P3时，S1处理的解吸曲线在土壤磷吸附量较高时有下降趋势，说明在高量施磷时秸秆的加入能够适当减少土壤中磷素的释放，从而降低磷素流失的风险，有利于土壤磷素的保持。

图2 土壤磷的等温解吸曲线

图3是土壤吸附磷的解吸率动态变化。表3为各处理吸附磷的平均解吸率。由图3可知，各处理的解吸率均随加入磷浓度的增加呈先下降后上升的趋势。结合图3和表3可知，在P0、P1施磷水平下，均表现为S1>S2>S0（<0.05）；在P2施磷水平下，S1≈S2>S0；在P3施磷水平下，S0、S1、S2差异不明显。在S0、S1、S2条件下，随着施磷量的增加，磷解吸率均呈逐渐增加的趋势（表 3），其中以S0条件下的增幅最大，其平均解吸率由20.38%增加至23.19%，且各施磷量下差异显著；在S2条件下，其平均解吸率由21.55%增加至23.13%，施磷肥与不施磷肥间差异显著；而在S1条件下，其平均解吸率仅上升了0.87%，仅P3与P0处理间差异显著，说明秸秆还田条件下施磷量的增加对土壤磷的解吸率影响较小。

图3 土壤磷的解吸率变化特征

表3 土壤吸附磷的平均解吸率

注：横向比较，不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平，下同。

Note: Different capital letters in horizontal mean significant at 0.05 level, the same as below.

此外，秸秆还田与磷肥对土壤磷的平均解吸率有显著的交互作用（=3.086），总体而言S1P0处理下的平均解吸率略高于S0P1；S1P1和S2P1处理下的平均解吸率略高于S0P2；S1P2和S2P2处理下的平均解吸率与S0P3大致相同，说明秸秆还田条件下减量施磷与秸秆不还田条件下正常施磷的土壤磷平均解吸率大致相同，即秸秆还田可以补充并活化土壤中的一部分磷素，从而提高土壤磷的解吸率。

表4为土壤吸附磷的平均解吸滞后系数。由表4可知，相同施磷量下，土壤吸附磷的平均解吸滞后系数（HI）均表现为S0>S2>S1，除P3水平下，S0、S1、S2的平均HI差异不显著外，其他施磷水平下，S1条件下的平均HI均显著低于S0和S2处理。在P0和P1水平下，S2条件下的平均HI显著低于S0处理，说明秸秆翻埋还田和秸秆焚烧还田处理下土壤解吸磷的滞后现象较弱，可以明显降低土壤对磷素的固定，且秸秆翻埋还田的效果更好。在相同秸秆还田方式下，随着施磷量的增加，HI呈降低趋势，在S0、S1、S2条件下，P3较P0分别下降了3.15%、0.78%和1.92%，说明高量施磷增加了土壤中磷素的活动性，有利于磷素的解吸。同时秸秆翻埋还田条件下施磷量的增加对平均HI的影响较小，进一步表明秸秆还田条件下可以适当减少磷肥用量。

表4 土壤吸附磷的平均解吸滞后系数

3 讨 论

3.1 秸秆还田及施磷量对土壤磷吸附特性的影响

土壤对磷的吸附量和吸附强度主要受土壤质地、有机质含量和磷肥施用水平等因素的影响[17]。本研究显示，玉米连作条件下3 a秸秆还田及施磷量的累加均会明显影响黑土对磷的吸附特性，Langmuir等温吸附方程可以很好地拟合黑土对磷的吸附特征，与Lv等[18]研究结果一致。本试验中无论秸秆还田与否，Q、、MBC及SPR均表现为随施磷量的增加而逐渐降低，RDP和DPS则表现为随施磷量的增加而增加，这与Vu等[19]在澳洲钙质土壤及张海涛等[20]在潮褐土上研究施磷量对土壤磷吸附特性的结果一致。原因可能是土壤速效磷（Olsen-P）含量与Q、、MBC和SPR呈极显著负相关，而与RDP和DPS呈极显著正相关[21]。随着施磷量的增加土壤中的速效磷含量逐渐增加，进而导致土壤胶体表面的磷吸附位点已被部分占据，从而减弱了土壤对磷的吸附特性[22]。在本试验的相同施磷水平下，S1和S2条件下的Q、、MBC及SPR均低于S0处理，RDP和DPS则高于S0处理，而S1与S2间无明显差异。Reddy等[23]在印度黏土上的研究也表明，与单独施用化学磷肥相比，单纯施用大豆、小麦秸秆或秸秆与磷肥组合施用能明显降低土壤的磷吸附能力从而减少土壤标准需磷量（SPR）。S1条件下土壤磷吸附能力的减弱主要有2方面的原因，一是秸秆还田后提高了土壤中的磷酸酶活性和微生物数量，促使土壤及秸秆中的有机磷经矿化作用后转化为无机磷，增加了土壤中的有效磷含量，进而与土壤胶体表面的磷吸附位点发生作用[24-25]；另一方面，秸秆中富含碳素，玉米秸秆中碳的释放主要集中在还田的前3 a[26]，秸秆腐解过程中产生的碳水化合物可对土壤胶体表面的磷吸附位点起到一定的掩蔽作用，从而降低磷的吸附[27]。而在本试验的相同施磷水平下，S1与S2处理对磷的吸附特性无明显差异，这与Gupta等[4]在印度恒河流域连续4 a稻秸还田的研究结果一致。秸秆焚烧会造成秸秆中所含碳素和氮素的大量损失，但会使土壤速效磷含量增加[28]，进一步说明了土壤速效磷含量是影响土壤磷吸附能力的重要因素。此外，秸秆焚烧后残留的碱金属元素会使秸秆灰分中pH值升高[28]，施入土壤后产生的OH-也会与磷酸根离子竞争土壤胶体表面的磷吸附位点，从而减少对磷的吸附[29]。

本研究还表明，连续3 a无磷肥施入（P0）时，S0、S1、S2处理间的磷吸附量及各等温吸附参数差异最大，而在高量施磷（P3）时，各还田方式间的磷吸附能力大致相同。原因可能是本试验中土壤自身速效磷含量较高，且高量施磷（P3）处理中P2O5用量高达103.5 kg/hm2，连续3 a施高磷使得土壤胶体表面的磷吸附位点被大量占据，导致土壤磷素吸附饱和度（DPS）显著升高，因此减弱了秸秆还田对减少土壤磷吸附能力的贡献。Guo等[30]研究也表明，已经施入土壤的磷对胶体矿物与黏粒等物质位点的占据，会影响后来施入的有机物与矿物的反应。而章永松等[31]采用室内培养试验表明，与低磷水平土壤相比，高磷水平土壤上猪粪还田比猪粪不还田的差异更显著，这可能与水田和旱田土壤环境不同、土壤本身速效磷含量和施磷水平不同、以及猪粪和秸秆中的可溶性组分不同有关。此外，本研究还发现，与S0相比，S1和S2条件下各施磷处理的土壤磷吸附量及各等温吸附参数的差异较小，可能与连续3 a秸秆还田（S1、S2）条件下土壤中的速效磷含量明显增加有关，土壤吸附饱和度增加，是导致土壤磷吸附能力降低的重要原因[32]。由于本试验是在S1和S2基础上配施化学磷肥，因此由于秸秆自身磷含量的投入，自然会造成在相同施磷量下，不同秸秆还田方式对磷吸附的差异。因此，本研究得出，秸秆还田与磷肥间存在明显的交互作用，P1水平下的S0与P0水平下的S1和S2对土壤磷的吸附特性差异不显著；P2水平下的S0与P1水平下的S1和S2差异不显著；P3水平下的S0与P2水平下的S1和S2差异不显著，说明秸秆还田（S1、S2）条件下可以适当减少磷肥用量，而不影响土壤磷的吸附特性。土壤标准需磷量（SPR）是指土壤溶液中磷浓度维持在0.2 mg/L时，一般作物的生长量即可达到最高生长量的95%左右[33]。通过Langmuir等温吸附方程可计算出土壤的标准需磷量，为合理施用磷肥奠定基础。按土壤深度为20 cm，土壤容重为1.1 g/cm3计算，在P0施磷水平下，S1和S2分别相当于多补充了15.19和14.33 kg/hm2（P2O5）；在P1施磷水平下，S1和S2分别相当于多补充了9.49和8.22 kg/hm2（P2O5）；在P2施磷水平下，S1和S2分别相当于多补充了8.00和7.31 kg/hm2（P2O5）；在P3施磷水平下，S1和S2分别相当于多补充了0.35和0.11 kg/hm2（P2O5），说明连续3 a无化学磷肥施入时，秸秆还田的效应被放大，此时以土壤及秸秆中的磷素释放为主，而在施入化学磷肥后，由于土壤的固磷特性，土壤中磷素积累量增加，此时秸秆的作用效果有所减弱。王文华等[34]研究也表明，在低磷条件下，植物根系及微生物分泌的酸性磷酸酶对有机磷的矿化作用十分明显，而在高磷条件下，二者则无明显的相关性。不同施磷处理下的标准需磷量（standard P requirement，SPR）为71.02～91.67 kg/hm2。此外，本试验设置的P2施磷水平，施磷量为69 kg/hm2（P2O5），在S0P2处理下，SPR为81.58 kg/hm2，而S1P2和S2P2处理下的SPR分别为73.58和74.27 kg/hm2，与生产中的实际施磷量相近，说明在P2施磷水平下配合秸秆翻埋还田（S1）是最适宜的施磷方式。S0P2处理下的标准需磷量与张丽等[35]在黑土上的推荐施磷量为82.46 kg/hm2（P2O5）相一致，表明连续3 a秸秆还田条件下可减少施磷8.19～8.88 kg/hm2（P2O5）。

3.2 秸秆还田及施磷量对土壤磷解吸特性的影响

土壤磷的解吸是吸附的逆过程，被吸附到土壤固态的磷可以被部分解吸下来，从而对土壤磷溶液起到一定的补充作用[36]。因此，土壤磷的解吸率也是评价土壤供磷能力的重要指标。Varinderpal-singh等[37]在印度玉米-小麦轮作区长达32 a的定位试验表明，随着施磷量的增加，土壤的磷解吸率逐渐增大。本研究表明，无论秸秆还田与否，均表现为高施磷（P3）处理下的解吸率显著高于不施磷（P0）处理，且以S0条件下土壤磷解吸率增幅最大，S2条件下次之，S1条件下增幅最小。原因由表 2可知，连续3 a施磷量较低时，土壤中的Olsen-P较低，土壤胶体表面的磷吸附位点相对充足（Q较大），磷吸附饱和度（DPS）较小，磷吸附结合力较强（较大），所以磷不容易被解吸下来；而在施磷量较高时，恰好相反。王斌等[32]在灰漠土上的研究也表明，土壤磷吸附亲和力常数（）与土壤磷解吸率呈负相关关系。

Reddy等[38]在印度大豆-小麦轮作系统中发现，秸秆翻埋还田能显著增加土壤磷解吸潜力，提高作物对磷的利用效率。本研究结果与前人研究结果一致，在相同施磷水平下，均表现为S1和S2条件下的解吸率显著大于S0，S1条件下的解吸率略大于S2，但差异不显著。原因可能是，还田秸秆腐解导致土壤速效磷含量显著增加，同时释放的有机酸通过竞争磷吸附位点而有效降低土壤矿物胶体对磷酸根离子的吸附潜能，由此提高土壤磷的解吸特性[25,27]，S2条件下磷解吸率的增加主要是因为土壤速效磷含量的升高。本研究还发现，S1和S2条件下的土壤速效磷含量大致相同，但磷的平均解吸率却表现为S1的解吸率略高，可能与秸秆翻埋还田条件下水溶性有机碳的增加，以及秸秆翻埋还田和秸秆焚烧还田后土壤中碳酸钙、活性铁和铝的变化有关[25]。本研究中，各处理下土壤磷的解吸率变化曲线均表现为先下降后上升的趋势，说明供试土壤的速效磷含量较高，导致在磷浓度较低时自身的一部分磷素也被释放，进一步佐证了在高量施磷（P3）条件下不同秸秆还田方式间吸附-解吸特性无明显差异的主要原因是由于土壤胶体表面磷吸附饱和度较大。本试验中不同处理下的平均解吸率均未超过25%，说明土壤对磷的吸附-解吸存在明显的滞后现象，与Okajima等[39]的研究结果一致。在秸秆翻埋还田配施高量磷肥时（S1P3）土壤磷的解吸率最大而解吸滞后系数最小，也进一步说明了高量施磷与秸秆翻埋还田配合施用能有效促进土壤已吸附态磷的解吸。然而对于土壤磷解吸率的双因素分析表明，P1水平下的S0与P0水平下的S1和S2的平均解吸率无明显差异；P2水平下的S0与P1水平下的S1和S2无明显差异；P3水平下的S0与P2水平下的S1和S2无明显差异，说明秸秆还田（S1、S2）促进了土壤中磷素的释放，可以在一定程度上减少化学磷肥的用量，但考虑到秸秆养分的合理利用与生态环境安全，秸秆翻埋还田（S1）是最适宜的还田方式。

4 结 论

1）Langmuir等温吸附方程最适合拟合黑土对磷的吸附特征。随着施磷量的增加，黑土对磷的吸附量、最大吸磷量（Q）、吸附亲和力常数（）、最大缓冲容量（MBC）和标准需磷量（SPR）逐渐降低，易解吸磷(RDP)和吸附饱和度(DPS)逐渐增加，土壤磷平均解吸率也逐渐增加。

2）与秸秆不还田（S0）相比，秸秆翻埋还田（S1）和秸秆焚烧还田（S2）均可以降低土壤对磷的吸附量，增加土壤磷的平均解吸率，而S1、S2处理间无显著差异。其中在P0施磷水平下，S1、S2处理下的土壤磷吸附量下降幅度最大，分别为6.87%和5.31%（<0.05），至P3施磷水平下，S0、S1、S2处理下的土壤磷吸附量无显著差异。

3）通过计算各处理下土壤标准需磷量（SPR）得出，在P2施磷水平下，与S0处理相比，S1、S2处理分别相当于多补充了8.00和7.31 kg/hm2（P2O5），且S1P2和S2P2处理下的SPR值分别为73.58和74.27 kg/hm2与P2施磷水平（69.00 kg/hm2）最接近，但综合考虑到秸秆资源的合理利用与生态环境安全，S1P2处理是松嫩平原黑土区较为科学的施磷方式。

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Effects of corn straw returning and phosphorus application rate on phosphorus adsorption and desorption characteristics of black soil

Gong Zhenping1, Du Tingting1, Yan Chao1, Ma Chunmei1, Dong Shoukun1, Sun Hongchao1, Li Hairui2

(1.,,150030,; 2.,,163000,)

The black soil area of Songnen Plain is an important corn production area in China. The area of continuous corn cropping is large, and a large amount of straw is left over, which causes environmental pollution by burning in the open air. Returning straw to the field is one of the important ways for sustainable development of agriculture. At the same time, straw returning affects the adsorption and fixation of phosphorus in soil, which has a direct impact on the availability of soil phosphorus. In order to explore the effects of straw returning and phosphorus application rate on phosphorus adsorption and desorption characteristics of black soil under the continuous corn cropping in Songnen Plain. A frame culture experiment was initiated in 2016 at Northeast Agricultural University Experimental Station, where corn was continuously planted for three years. A two-factor split-plot design was adopted in this experiment, the main plot was straw returning method with no straw returning (S0), straw burying (S1) and straw burning (S2), and the sub-plot was phosphorus application level with 0 (P0), 34.50 (P1), 69 (P2), 103.50 (P3) kg/hm2(P2O5). After the corn was harvested in 2018, the 0-20 cm soil layer was collected to determine the adsorption and desorption performance of soil phosphorus and the content of soil available phosphorus. The results showed that: 1) Langmuir isothermal adsorption equation was the most suitable for fitting the adsorption characteristics of phosphorus of black soil. 2) Both straw returning and phosphorus application rate significantly affected the phosphorus adsorption and desorption characteristics of black soil, and the interaction between them was significant. Under the same straw returning method, with the increase of phosphorus application rate, the phosphorus adsorption amount of soil,Q(maximal P adsorption),(adsorption affinity constant), MBC(maximum buffer capacity) and SPR(standard phosphorus requirement) decreased gradually, while the RDP(readily desorbable P), DPS(degree of P saturation) and the phosphorus desorption amount and rate of soil increased gradually, with the largest difference under S0 treatment, followed by that under S2 treatment, and the smallest difference under S1 treatment. Under S0 treatment, the average phosphorus adsorption amount of P3 treatment decreased by 10.22% compared with P0 treatment (<0.05). Under S2 treatment, the average phosphorus adsorption amount of P3 treatment decreased by 4.51% compared with P0 treatment (<0.05). However, under S1 treatment, there was no significant difference between P3 and P0. Under the same phosphorus application level, compared with S0 treatment, both S1 and S2 could reduce the phosphorus adsorption capacity and increase the phosphorus desorption amount and rate of soil, however there was no significant difference between S1 and S2. Among them, under no phosphorus application (P0), the phosphorus adsorption amount of soil under S1 and S2 treatment decreased the most, which were 6.87% and 5.31% (<0.05), respectively. Under high phosphorus application (P3), there was no significant difference in the phosphorus adsorption amount of soil under S0, S1 and S2 treatment. 3) The standard phosphorus requirement (SPR) under different phosphorus application treatments ranged from 71.02 to 91.67 kg/hm2, of which the SPR (73.58 kg/hm2) of S1P2 was the closest to the phosphorus application level of P2 (69 kg/hm2), which was the appropriate phosphorus application method of black soil area in Songnen Plain. The purpose of this study is to provide some theoretical basis and reference for the rational application of straw returning and phosphate fertilizer in black soil area.

soils; phosphorus; adsorption; desorption; continuous corn cropping; straw returning

龚振平，杜婷婷，闫 超，马春梅，董守坤，孙洪超，李海瑞. 玉米秸秆还田及施磷量对黑土磷吸附与解吸特性的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(22)：161－169. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.019 http://www.tcsae.org

Gong Zhenping, Du Tingting, Yan Chao, Ma Chunmei, Dong Shoukun, Sun Hongchao, Li Hairui. Effects of corn straw returning and phosphorus application rate on phosphorus adsorption and desorption characteristics of black soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 161－169. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.019 http://www.tcsae.org

2019-08-16

2019-10-12

国家重点研发计划（2016YFD0300204）；黑龙江省应用技术研究与开发计划（GA16B401）

龚振平，教授，博士生导师，主要从事保护性耕作及大豆生理的研究。Email：gzpyx2004@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.019

S154.1

A

1002-6819(2019)-22-0161-09