施磷量对棉田土壤不同形态无机磷的影响

候银莹，叶祖鹏，冯 琳，顾惠敏，关娇娇，刘美娟，陈波浪

(新疆农业大学草业与环境科学学院 农业部环境重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】磷素是限制作物生长与发育所必需的第二大营养元素[1-2]，施用磷肥能显著提高作物产量和土壤磷素强度，但土壤中磷的移动性弱，易固定，有效性低，导致当季作物的利用率为10 %～25 %[3]，75 %～90 %的磷积累在土壤之中。累积在土壤中的磷形态及其转化显著影响作物磷的有效性，一般认为，Ca2-P是最有效的磷源，易被作物吸收，Ca8-P、Al-P、Fe-P的有效性也较高，O-P、Ca10-P短时期内不易被作物吸收，只可作为潜在磷源看待[4]。施用磷肥是影响土壤磷形态含量和转化的重要驱动因素。水溶性磷酸一钙施入土壤后，首先被方解石吸附，随后被吸附的磷可进一步生成二水磷酸二钙和无水磷酸二钙→磷酸八钙→羟基磷灰石和氟磷灰石[5]。【前人研究进展】刘建玲等[6]研究表明，施入土壤的化学磷肥除被植物吸收利用外，大部分以Ca2-P、Ca8-P 和 Al-P 积累于土壤。冯固等[7]研究表明，施入土壤中的重过磷酸钙的去向为：1.3 %～18.8 % 为玉米苗吸收利用，2.5 %～27.8 % 转化为Ca2-P型磷酸盐，27.4 %～30.5 % 转化成Ca8-P型磷酸盐，9.1 %～10.0 %转化为Al-P型磷酸盐，10.4 %～15.6 %转化成Fe-P型磷酸盐，但没有检测到Ca10-P和O-P型磷酸盐。顾益初等[8]研究表明，施入潮土中的水溶性磷肥在短期内(约一个生季节)，除了被当季作物利用外，主要向Ca2-P转化，继而再向Ca8-P和Al-P、Fe-P转化。作物种类和品种对土壤磷形态含量和转化具有重要的调节作用。陈磊等[9]研究发现，从玉米苗期到收获期，各磷肥处理根际和非根际土壤中Ca2-P下降明显；而不同磷肥处理间土壤中Ca10-P、Ca8-P、O-P、Al-P和Fe-P含量差异不显著。张倩等[10]研究发现，糜子地土壤剖面中无机磷总量、Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P含量高于马铃薯地土壤，O-P和Ca10-P含量低于马铃薯地土壤；各无机磷形态含量顺序为Ca10-P>O-P>Ca8-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P。另外，徐静等[11]研究表明，野生大麦磷高效基因型IS-22-30和IS-22-25活化、吸收土壤中Al-P、Fe-P和Ca-P的能力强于低效基因型，在土壤有效磷含量较低时，其吸收和利用磷的能力较强。丁玉川等[12]对比研究了大豆对不同形态无机磷的利用率( %)为 K-P(KH2PO4)>Ca2-P>Fe-P>Al-P>Ca8-P>Ca10-P，致使土壤磷形态存在品种差异。棉花是新疆农业的第一大产业，农民收入的第一大来源。近年来，仅新疆地区种植面积就超过170万hm2，成为我国第一大棉区[13]。施用磷肥是维持和促进新疆棉花可持续发展关键因素。但近年来磷肥不合理或过量施用致使棉田土壤累积磷达22.2 mg/kg[14]，土壤磷形态和含量也发生了显著变化，而棉田的磷素自然供给力由74.2 %下降到50 %～60 %[15]。因此，当前棉田土壤磷形态如何转化，是否存在棉花品种的差异，这些问题还有待研究。近年来，针对棉田土壤无机磷形态受施肥方法影响的研究也有报道[16-17]，但针对不同磷肥用量以及不同棉花品种下棉田土壤无机磷形态和含量变化的研究还缺少报道。【本研究切入点】本研究设计4个不同供磷梯度和3个棉花品种的多因素田间试验，研究膜下滴灌下棉田土壤无机磷形态变化。【拟解决的关键问题】以期为新疆棉田土壤磷素活化和磷肥利用率提高提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017年在新疆玛纳斯县进行，土壤类型为灰漠土。年平均气温7.2 ℃，最热月(7月)平均气温24.4 ℃，最冷月(1月)平均气温零下18.4 ℃(-18.4 ℃)，极端最高气温39.6 ℃，极端最低气温零下37.4 ℃(-37.4 ℃)。供试土壤的基本性状为：有机质12.5 g/kg、速效钾675.7 mg/kg、速效磷9.2 mg/kg、碱解氮11.9 mg/kg、pH为8.35。

试验选用新陆早57号(XLZ57)、新陆早50号(XLZ50)和新陆早13号(XLZ13)3个棉花品种，设不同供磷强度0 kg/hm2(P0)、75 kg/hm2(低量施磷，P75)、150 kg/hm2(适量施磷，P150)、400 kg/hm2(过量施磷，P400)共4个水平，每水平3个重复，随机区组设计，共36个小区，每小区面积为45 m2。棉花种植模式将采用一膜四行种植模式(图1)，行距20、50、20 cm，一膜铺设一条滴灌带，每小区24行棉花。膜宽1.4 m，膜间宽0.5 m，株距10 cm，种植密度22.2万株/hm2。灌水量为4000 m3/hm2。

图1 棉花种植模式Fig.1 Cotton plantation mode

水肥管理及农艺措施与新疆普遍采用的生产管理模式保持一致。从定苗后约20 d开始，滴灌分10次进行。肥料管理方案如下：P2O5(4个处理分别为0、75、150、400 kg/hm2)、K2O(150 kg/hm2)全部做基肥，在播种时一次性施入。氮肥20 %作为基肥在播前施入土壤，随水追施280 kg/hm2(总量350 kg/ hm2)。

1.2 测定项目与方法

施肥前采集原始土壤带回实验室分析基础状况，其后分别于棉花的苗期、花铃期、依据0～5、5～10、10～20、20～40 cm土层进行土壤样品的采集(每小区取3～5个点)，晾干，磨细，过筛，分析土壤不同形态无机磷含量，土壤无机磷分析方法采用蒋柏藩和顾益初(1989)[18]方法。

2 结果与分析

2.1 施磷对棉田土壤Ca2-P含量变化的影响

由图2可知，施磷提高了苗期土壤中Ca2-P含量，随着施磷量的升高，各土层的Ca2-P含量呈现先升高后下降的趋势。各土层土壤Ca2-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P150的各土层Ca2-P含量最高，比P0增加了42.9 % ～ 256.2 %。各土层Ca2-P含量在不同基因型棉花之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P150时，XLZ57的Ca2-P含量为XLZ50和XLZ13的1.10～1.15和1.20～1.62倍。各土层Ca2-P含量存在极显著的磷水平×基因型交互作用。

柱上不同小写字母表示不同磷水平间差异达到5 %显著水平。G：基因型；P：磷水平。*表示P<0.05；**表示P<0.01。XLZ57：新陆早57号；XLZ50：新陆早50号；XLZ13：新陆早13号；供磷对照P0：0 kg/hm2；低量施磷P75：75 kg/hm2；适量施磷P150：150 kg/hm2；过量施磷P400：400 kg/hm2。下同图2 苗期施磷水平对不同基因型棉田土壤Ca2-P的影响Fig.2 Effects of supply levels on soil Ca2-P of different genotype cotton field at seedling stage

图3 花铃期施磷水平对不同基因型棉田土壤Ca2-P的影响Fig.3 Effects of supply levels on soil Ca2-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

由图3可知，随着施磷量的增加，花铃期各土层的Ca2-P含量仍呈现先升高后下降的趋势。各土层土壤Ca2-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P150的各土层Ca2-P含量最高，比P0增加了42.7 %～219.6 %。0～5 和20～40 cm土层Ca2-P含量在不同基因型棉花之间存在显著差异(P<0.05)，施磷量为P150时，XLZ57的Ca2-P含量为XLZ50和XLZ13的1.03～1.47和1.09～1.36倍。除10～20 cm土层外，其他各土层Ca2-P含量存在极显著的磷水平×基因型交互作用。

2.2 施磷对棉田土壤Ca8-P含量变化的影响

由图4可知，随着施磷量的增加，苗期各土层的Ca8-P含量呈现先升高后下降的趋势。各土层土壤Ca8-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P<0.01)，除XLZ50的0 ～ 5 cm土层外，施磷量为P150的各土层Ca8-P含量最高，比P0增加了33.4 % ～183.9 %。各土层 Ca8-P含量在不同基因型棉花之间存在极显著差异(P<0.01)，除5～10 cm土层外，施磷量为P150时，XLZ57的Ca8-P含量为XLZ50和XLZ13的1.18～1.79和1.05～1.17倍。各土层Ca8-P含量存在极显著的磷水平×基因型交互作用。

由图5可知，随着施磷量的增加，花铃期各土层的Ca8-P含量呈现先升高后下降的趋势，基本上所有施肥处理的Ca8-P含量均高于不施肥处理。各土层土壤Ca8-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P150的各土层Ca8-P含量最高，比P0增加了10.5 %～105.2 %。各土层Ca8-P含量在不同基因型棉花之间存在极显著差异(P<0.01)，除10～20 cm外，施磷量为P3(150 kg/hm2)时，XLZ50的Ca8-P含量为XLZ57和XLZ13的1.04～1.10和1.05～1.54倍。除0～5 cm土层外，其他各土层土壤Ca8-P存在极显著的磷水平×基因型交互作用。

2.3 施磷对棉田土壤Al-P含量变化的影响

由图6可知，随着施磷量的增加，苗期各土层的Al-P含量呈现先升高后下降的趋势。各土层土壤Al-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P75的各土层Al-P含量最高，比P0增加了29.1 %～140.6 %，P75和P150水平Al-P含量没有明显差距。各土层Al-P含量在不同基因型棉花之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P75时，XLZ57的Al-P含量为XLZ50和XLZ13的1.03～1.63和1.27～2.07倍。0～5 和5～10 cm土层Al-P含量存在显著或极显著的磷水平×基因型交互作用。

图4 苗期施磷水平对不同基因型棉田土壤Ca8-P的影响Fig.4 Effects of supply levels on soil Ca8-P of different genotype cotton field at seedling stage

图5 花铃期施磷水平对不同基因型棉田土壤Ca8-P的影响Fig.5 Effects of supply levels on soil Ca8-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

图6 苗期施磷水平对不同基因型棉田土壤Al-P的影响Fig.6 Effects of supply levels on soil Al-P of different genotype cotton field at seedling stage

图7 花铃期施磷水平对不同基因型棉田土壤Al-P的影响Fig.7 Effects of supply levels on soil Al-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

由图7可知，随着施磷量的增加，花铃期各土层的Al-P含量呈现先升高后下降的趋势。各土层土壤Al-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P75的各土层Al-P含量最高，比P0增加了1.8 %～74.9 %。各土层Al-P含量在不同基因型棉花之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P75时，XLZ57的Al-P含量为XLZ50和XLZ13的1.01～2.48和1.24～1.69倍。0～5 和10～20 cm土层Al-P含量存在显著或极显著的磷水平×基因型交互作用。

2.4 施磷对棉田土壤Fe-P含量变化的影响

由图8可知，苗期各土层的土壤Fe-P含量随施磷量的增加而增加。各土层Fe-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P400的各土层Fe-P含量最高，比P0增加了60.2 %～254.2 %。各土层Fe-P含量在不同基因型棉花之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P400时，XLZ50的Fe-P含量为XLZ57和XLZ13的1.28～1.53和1.06～1.65倍。0～5、5～10 cm土层Fe-P含量存在极显著的磷水平×基因型交互作用(P<0.01)。

由图9可知，花铃期各土层的土壤Fe-P含量也随施磷量的增加而增加。各土层Fe-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P400 的各土层Fe-P含量最高，比P0增加了77.4 %～326.3 %。20～40 cm土层Fe-P含量在不同基因型棉花之间存在显著差异(P<0.05)，其他各土层Fe-P含量在不同基因型棉花之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P400时，XLZ57的Fe-P含量为XLZ50和XLZ13的1.03～1.50和1.07～1.27倍。20～40 cm土层Fe-P含量存在显著的磷水平×基因型交互作用(P<0.05)，其他各土层Fe-P含量存在极显著的磷水平×基因型交互作用(P<0.01)。

图8 苗期施磷水平对不同基因型棉田土壤Fe-P的影响Fig.8 Effects of supply levels on soil Fe-P of different genotype cotton field at seedling stage

图9 花铃期施磷水平对不同基因型棉田土壤Fe-P的影响Fig.9 Effects of supply levels on soil Fe-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

2.5 施磷对棉田土壤Ca10-P含量变化的影响

由图10可知，苗期各土层的土壤Ca10-P含量随施磷量的增加而先下降后又升高。各土层Ca10-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P400的各土层Ca10-P含量最高，比P0增加了4.4 %～128.6 %。各土层Ca10-P含量在不同基因型棉花之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P400时，XLZ50的Ca10-P含量为XLZ57和XLZ13的1.81～2.74和1.12～2.29倍。各土层Ca10-P含量存在极显著的磷水平×基因型交互作用(P<0.01)。

由图11可知，花铃期各土层的土壤Ca10-P含量也随施磷量的增加而先下降后又升高。各土层Ca10-P含量在不同磷水平之间存在极显著差异(P< 0.01)，施磷量为P400的各土层Ca10-P含量最高，比P0增加了8.5 % ～ 150.3 %。各土层Ca10-P含量在不同基因型棉花之间存在极显著差异(P<0.01)，施磷量为P400时，XLZ50的Ca10-P含量为XLZ57和XLZ13的1.04～1.33和1.13～1.36倍。各土层Ca10-P含量存在极显著的磷水平×基因型交互作用(P<0.01)。

图11 花铃期施磷水平对不同基因型棉田土壤Ca10-P的影响Fig.11 Effects of supply levels on soil Ca10-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

3 讨 论

磷在土壤中的移动性弱，易固定，基本没有挥发和淋溶的损失，有效性低，所以土壤中磷的盈亏主要由磷肥的施用和植物的消耗所决定。土壤中的磷素形态决定磷素有效性[19]，而土壤中不同形态的无机磷对植物的有效性也有所不同。石灰性土壤上的研究表明其 Ca10-P、Ca2-P 的浓度分别为最高和最低[20]。我国北方石灰性土壤中无机磷以Ca-P为主，平均占土壤无机磷的80 %以上，其次是Fe-P、Al-P；在Ca-P中以Ca10-P为主，其次是Ca8-P、Ca2-P[21]。本研究表明，无论施磷与否，各无机磷组分按含量高低的排序为Ca10-P>Ca8-P>Fe-P、Al-P>Ca2-P，这与上述结论表现一致。

本研究结果表明，施磷量对无机磷含量具有显著影响，磷肥的施用可以在棉花苗期和花铃期间提高土壤中的无机磷含量。这与前人[22-23]的研究结果表现一致。李彦等[24]研究发现Ca2-P、Ca8-P含量及所占比例随着施磷量的增加先升高后下降，Al-P含量及所占比例随施磷量的升高而下降，而Fe-P含量及所占比例是随着施磷量的增加而升高，Ca10-P的含量及比例则随着施磷量的升高先下降后增加。柴立涛等[25]研究表明，施用磷肥可以在水稻整个生育期间提高盐碱土水田土壤中的有效磷源及潜在磷源的含量，包括Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P等不同形态的无机磷，而较低的磷肥施用量对Ca10-P积累无明显作用。本研究结果表明，Ca2-P 和Ca8-P的含量随着施磷量的增加呈现先增高后降低的趋势，在 P150水平达到最大值，所有施肥处理的无机磷含量都高于不施肥处理，说明磷肥的施用可以提高土壤Ca2-P、Ca8-P养分的含量；Al-P含量随着施磷量的增加呈现先增高后降低的趋势，在P75水平达到最大值，但P75、P150、P400处理之间差异上不显著，说明磷肥施用增加的磷多是被植物吸收利用或转化成其他形态的磷，对Al-P含量的提高作用有限；Fe-P的含量随着施磷量的增加而增加，在P400水平达到最大值，P400处理显著高于其他处理，说明较高磷肥施用量有利于土壤中Fe-P含量的积累； Ca10-P含量随施磷量的增加而先下降后又升高，在P400水平达到最大值，说明较低的磷肥施用量对Ca10-P含量积累无明显作用，而较高的施磷量有利于Ca10-P的积累。这与李彦等[24]和柴立涛等[25]的研究结果基本表现一致。

由于施磷量或所选指标不同以及生育时期选择不一致，关于不同磷效率作物对土壤中不同组分无机磷特征的差异的结果各异。张锡洲等[26]对不同磷效率小麦对磷的吸收及根际土壤磷组分特征差异研究表明，磷高效品种活化、吸收土壤中的Al-P和Ca-P的能力强于磷低效品种，土壤有效磷浓度较低时，其具备较强的磷的吸收和利用能力。低磷胁迫下，磷高效甘蓝型油菜、小麦根际土Al-P和Ca-P含量均低于低效基因型，高效基因型活化、吸收土壤中Al-P和Ca-P的能力较强[26-27]。本研究结果表明，在棉花的苗期和花铃期，P150水平下，Ca2-P、Ca8-P含量为XLZ57、XLZ50>XLZ13；P75水平下，Al-P含量为XLZ57>XLZ50>XLZ13；P400水平下，Fe-P和Ca10-P含量为XLZ50、XLZ57>XLZ13和XLZ50>XLZ57>XLZ13。由此可说明XLZ50和XLZ57基因型棉花有利于土壤中各无机磷组分的积累。

4 结 论

不同施磷水平对无机磷组分的含量具有显著影响，除Ca10-P外，施用磷肥均可增加各无机磷组分的含量，其中150 kg P2O5/hm2处理下棉田苗期和花铃期各土层Ca2-P最高。近年来，我国多数学者通过通径分析和相关性分析来研究无机磷有效性，认为Ca2-P是最有效的磷源，其与速效磷的相关性高于其他无机磷[4,28]；Ca8-P、Al-P、Fe-P是土壤中的潜在磷源，也是相当有效的磷源[29-31]；而Ca10-P短时期不易被作物吸收[4]。不同基因型棉花也对土壤无机磷的积累均有不同程度的而影响，尤其是XLZ57基因型棉花苗期和花铃期各土层Ca2-P在施磷75～150 kg P2O5/hm2处理下显著高于XLZ50和XLZ13。因此，合理施用磷肥(150 kg P2O5/hm2)和合理种植棉花品种(XLZ57)可提高土壤中的有效磷源，从而提高磷肥利用效率。