施磷对不同质地棉田土壤磷素有效性及磷肥利用率的影响

顾惠敏，陈波浪，王庆惠

（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，农业农村部环境重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091）

磷是植物生长发育必需的大量营养元素之一，它以多种方式参与植物体内各种生物化学过程，对于促进植物的生长发育和新陈代谢起着非常重要的作用［1］，土壤磷素有效性是作物产量和磷肥利用率提高的重要保证［2-3］。土壤磷素有效性受作物种类［4-6］、磷肥种类和用量［7-8］、土壤性质［9-10］以及作物生长特性等因素制约［11-13］。其中磷肥用量和土壤性质更具直接性。长期定位试验显示，与不施肥相比，施磷可显著增加黑土速效磷含量，其增幅达6～15倍［14］。土壤速效磷含量随施磷量增加呈递增趋势，张立花等［15］研究发现，在玉米播种61 d后，施磷（P2O5）量达到50～1 000 kg/hm2时根际土壤速效磷含量与不施肥处理相比提高0.78～15.92倍。研究表明，不同轮作条件及生育期中，P2O5施入量在75～300 kg/hm2时，土壤速效磷平均含量较不施肥处理高出11.8%～52.1%［16-17］，但过量施磷增加了土壤磷素淋失风险，加重了水体富营养化过程。颜晓［18］提出，施磷量为30 kg/hm2时土壤有效磷长期稳定在（10.1±2.0）mg/kg，当施磷量达到60和90 kg/hm2时土壤有效磷含量分别达到26.9和33.2 mg/kg，均高于临界值浓度，增施磷肥增加了稻田磷素淋溶及径流风险。赵亚杰等［19］研究发现，速效磷含量随着土壤养分含量的升高显著增加，与低肥力土壤相比，中、高肥力土壤速效磷含量分别提高了12.2%和37.7%，但随速效磷含量增加和淋溶时间增长，土壤磷素累积存在淋失进入地下水体的风险。增施磷肥还能促进作物磷素吸收和提高产量，但过量施磷其增效下降。

前人［20-21］研究表明，在75～150 kg/hm2的施磷范围内甘薯块根吸磷量明显高于对照，且甘薯块根的磷累积吸收量在栽后90 d达最高值，当磷肥用量超过一定量时，后期（＞120 d）甘薯块根的磷累积吸收量反而降低。此外，不同栽培方式及一定施磷量均能提高作物产量，但施磷肥过量时产量则出现下降［22-23］。

除磷肥用量对土壤磷生物有效性产生影响外，土壤质地是反映土壤潜在生产力的重要指标，与土壤的保水保肥能力密切相关，同时也对土壤磷素有效性产生重要的影响。不同质地土壤速效磷对施肥管理的响应存在差异，粘土土壤质地粘重，具有较强的保肥能力，且磷素养分释放慢，壤土速效磷等养分含量介于沙土和粘土之间［9］。土壤中随粘粒含量增加，全磷含量显著增加［24］。此外，磷肥对土壤水分效应的影响在壤土和砂土中有明显差异，且壤土中磷素供应等肥料效应中基础产量的差异远大于砂土［25］。研究表明，棉花不同生育期时，砂壤质棉田的需磷量与壤质棉田具有差异性［26］。砂土肥力瘠薄，供磷能力弱且磷素缺乏，砂质土壤中磷主要以可提取态形式存在，有较高的释放潜力［4，27］。此外，磷素活度指标可综合反映砂土的供磷能力，而砂质土磷的活度在0.64～1.39之间，砂质粘土对土壤剖面磷素分布的影响较小，而砂质壤土则可能增加磷素的流失［28-29］。

王广东等［30］提出，在同一施肥管理条件下，与轻壤土相比，中壤土的有效磷高出26.3%，而重壤土有效磷降低了7.9%。温林钦等［31］研究发现，培养60 d后，施磷量达到800和1 600 kg/hm2时轻质粘土中的有效磷含量下降幅度较小，但砂质粘土分别下降了42%和41%，砂质粘土固磷能力高于轻质壤土，能够为作物后期生长提供更长效的养分需求。另外，不同质地土壤的磷素淋失风险指标存在差异，曹雪艳等［32］研究发现，土壤磷素淋失临界值从高到低为壤质粘土＞砂质粘土＞粉砂质壤土＞粘壤土，在不同土壤质地下，砂质土较壤质粘土的磷素养分流失风险增加；继续施用磷肥会导致大量磷素以不同程度累积在不同质地土壤中，随之土壤固磷能力减弱，从而增加了土壤磷素向水体迁移的风险。再者，作物磷吸收和产量水平在不同质地上也存在显著差异，研究发现，不同质地土壤中的苜蓿和烤烟磷含量大小为粉砂性壤土＞壤性粘土、砂质壤土＞粘土、壤土，且在烤烟中，烟株对磷素吸收积累量分别占总量的100%、83.2%和79.2%［33-34］。砂质粘壤土、砂质壤土和壤土上的作物产量均比砂土高6.04%～29.77%［35-36］。

棉花是新疆的重要经济作物，种植面积达170万hm2，分布在新疆不同土壤类型上。不同土壤类型（主要是不同质地类型土壤）的棉田土壤磷素有效性如何？不同质地棉田土壤如何响应不同供磷水平以及棉花磷素吸收和磷肥利用效率是否存在土壤质地差异？有关这方面的研究至今仍少见报道。因此，本文以新疆重要的经济作物棉花为研究对象，开展供磷水平和不同质地的双因素试验，旨在探究不同质地棉田土壤的磷素有效性和磷肥利用率对不同供磷水平的响应差异，为干旱区棉花磷肥合理运筹提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

在新疆北部呼图壁和五家渠选取土壤类型为灰漠土的粘土、壤土和砂土棉田土壤为供试土壤，于2015年在新疆农业大学草业与环境科学学院网室进行盆栽试验。3种质地土壤的基本理化性质如表1所示。

表1 供试土壤的基本理化性状

供试棉花品种为新陆中21，试验各设置5个不同磷（P2O5）水平，分别为0 kg/hm2（P0）、150 kg/hm2（当地棉田推荐施肥量，P150）、300 kg/hm2（当地棉农习惯性施肥量，P300）、600 kg/hm2（大量施肥，P600）和1 200 kg/hm2（超大量施肥）。试验选用规格为32 cm×43 cm的方形盆钵，每盆装入3种不同质地土壤样品（干土）4 kg。同时配施氮肥和钾肥，其中氮肥选用尿素（N 46%），每盆用量按600 kg/hm2施入；钾肥选用硫酸钾（K2O 50%），每盆用量按120 kg/hm2。磷肥和钾肥一次性施入，氮肥分两次施入（基施40%，追施60%）。每个处理18次重复，共270盆，每盆种植棉花两株。在棉花苗期（出苗后40 d）和蕾期（出苗后60 d）采集土壤样品进行土壤有效磷和全磷的测定，在蕾期进行植物样的采集。

1.2 土壤及植株样品分析

将各时期采集的土壤样品晾开风干，剔除植物根系后过筛备用。土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3提取，钼锑抗比色法测定；土壤全磷用HClO4-H2SO4消化，钼锑抗比色法测定。将采集的植株样品用清水洗净，放在烘箱中105℃杀青30 min，然后在70℃下烘48 h（至恒重），称重并计算各处理干物质量。之后对棉花植株样品按根、茎、叶、蕾进行养分含量的测定。植株样品用H2SO4-H2O2消煮，全磷用钒钼黄比色法。

1.3 相关指标计算如下［13-17］

磷素活化系数=土壤有效磷含量×100/土壤的全磷含量/1 000

磷素干物质生产效率（%）=整株干物质重/整株磷素累积

磷肥表观利用率（%）=（施磷处理的植株吸磷量-对照处理植株吸磷量）/P2O5施用量×100

磷素生理利用率（kg/kg）=植株总干物质累积量/总吸磷量

1.4 数据处理

利用Excel 2016软件对试验数据进行初步处理后，用SPSS 20.0软件对数据进行单变量和多变量统计分析，用LSD 法进行差异显著性分析（P=0.05）。

2 结果与分析

2.1 施磷对不同质地棉田土壤有效磷含量的影响

图1可知，苗期棉田土壤有效磷含量在土壤质地和施磷水平下均存在极显著（P＜0.01）差异，3种质地棉田土壤有效磷含量均随施磷量的增加而增加，粘土、壤土、砂土在P1200处理下，与对照相比分别增加了80.94%、85.78%、94.41%，不同质地棉田土壤有效磷含量基本表现为粘土＞壤土、砂土。蕾期棉田土壤有效磷含量在施磷水平下存在极显著（P＜0.01）差异，3种质地棉田土壤有效磷与对照相比分别增加了76.82%、85.10%、94.20%，土壤有效磷含量变化趋势及表现均与苗期一致。

图1 不同质地棉田土壤的有效磷含量

2.2 施磷对不同质地棉田土壤全磷含量的影响

图2显示，苗期棉田土壤全磷含量在土壤质地、施磷水平下存在极显著（P＜0.01）差异，粘土、壤土、砂土土壤全磷含量分别在P600、P1200、P600达 到 最 高 值， 分 别 为1.50、1.68、1.42 g/kg，不同质地之间表现为壤土＞粘土＞砂土。蕾期棉田土壤全磷含量在土壤质地和施磷水平下均存在极显著（P＜0.01）差异。3种质地土壤全磷含量均在P1200处理达到最大值，较对照分别增加1.47、0.88、0.93 g/kg，整体表现为粘土＞砂土、壤土。

图2 不同质地棉田的土壤全磷含量

2.3 施磷对不同质地棉田土壤磷素活化系数的影响

在表征土壤全磷与速效磷的变异状况时，可用土壤磷素活化系数（简称PAC）来表示。由图3可知，苗期棉田PAC在施磷水平下存在极显著（P＜0.01）差异，粘土土壤中PAC随着施磷量的增加而增加。壤土和砂土的PAC在P1200处理时达到最大值，整体表现为粘土＞砂土＞壤土。蕾期时棉田土壤PAC在施磷水平下存在极显著（P＜0.01）差异，在粘土和砂土PAC呈持续递增状态，最大值与对照相比分别增加了34.22%、85.71%。壤土则出现先增后减的趋势，两次最高点分别是P150、P600处理，最高点与对照相比分别增加了48.60%、75.68%，整体表现为壤土＞砂土＞粘土。

图3 不同质地棉田土壤磷素活化系数

2.4 施磷对不同质地棉田植株干物质积累量的影响

由表2可知，棉花叶和蕾干物质积累在土壤质地间有显著（0.01＜P＜0.05）差异和极显著（P＜0.01）差异，其他器官干物质积累无明显差异；棉花各器官干物质积累在施磷水平间均存在极显著（P＜0.01）差异；根、茎、蕾干物质积累在土壤质地与施磷水平的交互作用间存在极显著（P＜0.01）差异，叶存在显著（0.01＜P＜0.05）差异。粘土在P600处理与P0处理相比差异性最明显，根、茎、叶、蕾分别增加了1.24、1.63、2.11、3.14 g/株；壤土在P300处理时，各器官的干物质积累量分别达到最高值，根、茎、叶、蕾分别增加1.15、2.38、1.65、2.00 g/株；砂土干物质积累量最优处理与粘土相同，棉花各器官干物质积累量与P0相比分别增加了1.45、1.54、1.51、2.07 g/株。棉花整株干物质积累量在土壤质地间无明显差异，在施磷水平和土壤质地与施磷水平交互作用间均存在极显著差异（P＜0.01），且整体表现为粘土＞砂土＞壤土。

表2 棉花不同器官的干物质积累 （g/株）

2.5 施磷对不同质地棉田植株全磷含量的影响

由表3可知，根、茎、叶、蕾的全磷含量随着施磷量的增加呈现正相关关系，根、茎、蕾在土壤质地间均存在极显著（P＜0.01）差异；叶全磷含量无明显差异；棉花各器官全磷含量在施磷水平间均存在极显著（P＜0.01）差异；土壤质地与施磷水平的交互作用对根、茎、叶全磷含量的影响均在极显著（P＜0.01）差异，蕾全磷含量在交互作用下则无显著差异性。粘土在P600处理下与P0相比根、茎、叶、蕾全磷含量分别增加55.85%、66.09%、40.31%、28.61%；在壤土P300处理下各器官全磷含量与P0相比分别增加了62.09%、75.88%、44.70%、43.73%；砂土与粘土相似，均在P600处理下最优，根、茎、叶、蕾全磷含量分别增加64.41%、47.09%、51.39%、49.84%。不同土壤质地对植物全磷含量的影响整体表现为壤土＞粘土＞砂土。

表3 棉花不同器官的全磷含量 （g/kg）

2.6 施磷对不同质地棉田植株磷积累量的影响

由表4可知，植物磷素积累量在不同器官、不同土质下均表现为先增再减的趋势，根、茎、叶磷积累量在土壤质地间存在显著（0.01＜P＜0.05）或极显著（P＜0.01）差异，蕾无明显差异性；棉花各器官磷积累量在施磷水平下均存在极显著（P＜0.01）差异。根、茎、叶、蕾在3种土壤质地下的最优处理分别是P600、P300和P600。粘土最优处理与P0处理相比根、茎、叶、蕾分别增加了7.49、5.94、4.54、11.81 mg/株；壤土在最优处理时，根、茎、叶、蕾的磷积累量分别增加9.81、6.68、5.23、10.31 mg/株；棉花各器官磷积累量在砂土下最优处理与粘土相同，分别增加了5.82、2.57、3.97、10.42 mg/株。棉花整株磷积累量在土壤质地、施磷水平和土壤质地与施磷水平交互作用间存在显著（0.01＜P＜0.05）或极显著差异（P＜0.01），且整体表现为粘土＞壤土＞砂土。

表4 棉花不同器官的磷积累量 （mg/株）

2.7 施磷对不同质地棉田磷肥表观利用率及磷素生理利用率的影响

由表5可知，磷肥表观利用率在施磷处理和土壤质地与施磷处理交互作用下存在极显著（P＜0.01）差异，粘土、壤土和砂土的磷肥表观利用率分别在P150、P300、P600处理下达到最大值，分别达到了16.84%、29.19%、10.68%，整体表现为壤土＞粘土＞砂土。棉花磷素生理利用效率能够反映出棉花利用磷素营养产生干物质量的能力，磷素生理利用率在土壤质地、施磷水平和两者交互作用间存在极显著（P＜0.01）或显著（0.01＜P＜0.05）差异，3种棉田土壤磷素生理利用率均有随着施磷水平的增加而减小的趋势，同一磷水平下不同土壤质地磷素生理利用率比较大致表现为砂土＞壤土＞粘土。

表5 磷肥表观利用率和磷素生理利用率

3 讨论

3.1 施磷对不同质地棉田土壤磷素状况的影响

土壤磷素状况可用土壤磷库（全磷含量）和供磷能力（有效磷和磷活化系数）来表征，其优势受施肥水平、土壤性质和耕作制度等因素制约。研究［37］表明近30年来全国耕地随施磷水平增加，土壤速效磷含量从7.2 mg/kg增加到24.7 mg/kg。田间试验也验证增施磷肥能显著提高棉田速效磷的含量［38］。本试验通过不同质地土壤及不同施磷量对棉花苗期、蕾期两个生育期的土壤和植株养分变化进行相关研究。结果显示，不施肥时，3种土壤质地的有效磷含量在苗期和蕾期均较低，但存在一定差异性，因为不同土壤质地对土壤磷素含量及移动影响不同［11］。土壤质地是土壤的一个重要物理性质，它的机械阻力、颗粒组成和孔隙度显著调节土壤的肥力特征，影响离子（尤其是难移动的磷）在土壤中的扩散和有效性。本试验中，施磷量为150 kg/hm2（当地棉田推荐施肥量）时，苗期和蕾期土壤有效磷在3种土壤质地上的含量表现为粘土＞砂土、壤土。当施磷量达到300 kg/hm2（当地棉农习惯性施肥量）时，苗期土壤有效磷含量表现为粘土含量最高，壤土、砂土次之，蕾期则反之，这可能与不同生育时期棉花根际环境受温度影响有关［39-40］。施磷量达到600 kg/hm2（大量施肥）时，两个生育期中3种不同土壤质地有效磷含量变化与P150处理相同，当达到1 200 kg/hm2（超大量施肥）时，苗期有效磷在粘土质地下含量最高，蕾期时无明显差异。不同时期的土壤有效磷含量随施磷量增加而增加，但增长幅度呈下降趋势，可能与土壤性质和磷易固定有关，这一趋势与陈波浪等［41］在新疆南部和北部的田间试验结果一致。不同时期土壤有效磷含量在土壤质地间各处理均表现出差异性，尤其施磷量大于600 kg/hm2时棉田土壤有效磷基本维持在30 mg/kg，说明磷肥施用随时间的延长，磷的固定性增强，有效性下降，这与前人［41-42］的研究结果一致。施用磷肥后土壤全磷及磷素活化系数也发生着变化，连续大量施用磷肥，土壤全磷与原始土壤相比可增加53.92%～65.69%［14］。本试验结果表明，P150处理下苗期、蕾期的土壤全磷在3种土壤质地上的含量均表现为粘土＞砂土＞壤土。在P300处理下，壤土全磷含量的增加在蕾期较为明显，表明不同生育时期对土壤全磷含量影响不同，还可能与土壤生物活性和棉花磷素吸收有关，可以根据作物不同时期进行施肥处理。P600和P1200处理下苗期壤土全磷含量均达到最大值，蕾期则为粘土全磷含量达到最大值且高于苗期，说明过量施磷肥导致磷素在粘土中大量积累，也说明应结合土壤质地、磷肥特性适量施用磷肥。陈波浪等［43］也提出，施磷增加了土壤的速效磷和全磷含量以及土壤磷素活化系数。在本试验中，3种不同质地棉田土壤PAC均随施磷量增加而增加，其中PAC在两个时期的施磷水平间的F值达到极显著水平，这与前人［44-45］研究结果一致，苗期时P150处理下，壤土PAC增幅最大，磷肥施用量在P300、P600、P1200处理时砂土PAC增长幅度均是最大，蕾期时，除壤土在P600处理达到最大值外，粘土和砂土分别在P1200处理时达到最大值。说明在砂质土壤上大量施肥甚至过量施肥才能够提高PAC，而粘土和壤土则随着施磷量的增加有不同的增加，表明土壤磷素状况显著受施磷水平的影响，说明合理的磷肥施用是棉田土壤优化磷素状况的有效举措。

3.2 施磷对不同质地棉田植株磷素吸收和磷肥利用率的影响

前人［15，46-47］在粮食作物和经济作物上做了大量研究表明，施磷能促进作物生物量和磷素吸收积累，同时土壤质地能够显著影响作物的养分利用效率，对不同作物研究的结果显示，砂壤土氮肥利用率显著高于重壤土或壤土和粘土，且不同质地土壤上作物磷、钾吸收积累和分配存在差异［48-50］。本试验结果表明，棉花各器官生物量、磷含量、磷积累量以及整株生物量和磷积累量在施磷水平间均存在极显著差异，说明增施磷肥显著促进棉花生长和磷素吸收。P150处理下的棉花整株生物量表现为粘土＞砂土＞壤土，这可能与粘土保肥性与砂土疏松利于根系生长的特性有关。壤土的生物量在P300处理下达到最大值，粘土、砂土次之。P600处理下，粘土和砂土的生物量均高于壤土，说明大量施肥对于粘土和砂土的干物质积累有促进作用，但对壤土上生物量的积累影响相对较小。在P1200处理下，3种土质下棉花生物量呈现下降趋势，说明对于不同土壤质地过量施肥均无法继续提高棉花产量，合理施用磷肥才能提高作物磷肥利用率。棉花生物量在统一施肥量下大致表现为粘土＞砂土＞壤土，这一结果与前人［51］报道不一致，可能与作物、土壤类型和气候有关，还有待进一步研究。植物全磷含量和磷积累量在不同磷肥施用量、不同土壤质地上呈现不同变化，P150处理下，棉花全磷和磷积累量均有增加，各器官的增加量具有波动性，可能与不同土质下不同器官磷素吸收特性有关。在P300处理时，不同器官的全磷含量和整株磷素积累量在壤土土质下增加最多，说明此处理下壤土土质对棉花各器官的磷素吸收起到促进作用。P600处理下，3种土质上的棉花各器官全磷含量均高于对照，磷素积累量在粘土和砂土土质下随施肥量增加而增加。在P1200处理时3种土壤质地下的全磷含量和磷素积累量均随着施肥量增加开始减小，说明过量施肥并不能继续增加棉花磷素吸收积累。

在本试验中，磷肥表观利用率和磷素生理利用率在施磷水平间存在极显著差异，在P150处理，磷肥表观利用率在不同土质上表现为粘土＞壤土＞砂土，3种土质下的磷素生理利用率与对照相比均表现出下降趋势。P300处理下壤土磷肥表观利用率相较于对照显著增加。到P600处理时，除壤土开始下降外，粘、砂土壤中则继续增长，说明对于壤土土质，施用磷肥超过一定量无法继续增加磷肥表观利用率。3种土质下的磷素生理利用率与对照相比仍在下降，但下降速率却有所缓和。对于3种土壤，施磷处理为P1200时，磷肥表观利用率均呈现最小值，磷素生理利用率的趋势与P600处理一致。对于3种土壤进行总体分析，粘土磷肥表观利用率大致为随施磷量增加呈下降趋势，壤土和砂土分别在P300和P600处理最大，总体表现为过量施磷会降低磷肥利用率，在磷素生理利用效率上表现更为明显，这与前人［52］在其他作物上的报道一致。在本试验中，不同施磷处理下不同质地磷肥表观利用率差异存在波动性，说明磷肥表观利用率受施磷水平和土壤质地的双重影响。

4 结论

适量增施磷肥能够有效提高土壤磷素含量、磷素有效性，促进棉花生长及磷素吸收。不同质地土壤在不同施磷水平下对土壤及作物养分的吸收利用响应不同。在粘土土质下棉田施磷量应控制在约150 kg/hm2，壤土土质应控制在150～300 kg/hm2，砂土土质施磷量总体应控制在300～600 kg/hm2，虽然施肥量较大，但砂土具有保水保肥能力较差等特性，因此在砂质土壤中施肥时可以进行少量多次施肥，同时应注意及时补施。