水稻-牧草轮作牧草季土壤磷对牛粪浆施用的响应特征

舒正文，王春雪，李 敏，王 昭，李 元，祖艳群，陈建军*，张克强

(1.云南农业大学 资源与环境学院/云南省农业环境污染控制与生态修复工程实验室，云南 昆明 650201；2.农业部 大理农业环境科学观测实验站，云南 大理 671004)

磷在土壤中分为无机和有机两大部分，无机磷种类较多，主要有矿物态、吸附态和水溶态，有机磷主要有磷酸肌醇、磷脂、核酸、磷蛋白、磷酸糖、微生物量磷[1,2]。土壤中的有效磷(包括全部水溶性磷、部分吸附态磷、一些微溶的无机磷和易矿化的有机磷)可被植物吸收利用，而有机磷通过矿化作用转化为有效磷供植物吸收利用。磷素营养通过在植物生理和形态上的作用使植物的保水能力增强[3]，同时土壤中磷素的多少也会影响植物的光合作用及生产力[4]，大量研究表明，提高作物产量的关键在于早期供磷量是否充足，有效磷含量若过高，不但不会提高作物产量和品质，还会起到相反作用，降低作物产量和品质[5-7]。因此，研究土壤中磷的形态及其有效性对揭示土壤中磷素营养状况具有重要价值，对评估磷素流失风险也具有重要意义。

水旱轮作是指在同一块地上顺序地轮换种植水稻和旱作物的种植方式[8]，水旱轮作可以增加土壤孔隙度和通透性，改善土壤的团粒结构和理化性质，显著提高土壤肥力[9]，同时可以增强作物充分吸收利用土壤营养物质的能力，抑制病虫害的发生，淋洗、稀释根系分泌的化感物质，改善土壤盐渍化和酸化[10,11]。目前生产上常用的几种水稻水旱轮作模式有水稻-大棚青椒、水稻-黑麦草、水稻-夏烟早植、水稻-早青蚕豆、水稻-青食玉米、水稻-香料烟、水稻-油菜、水稻-大麦、水稻-紫云英[12]。土壤季节间的干湿交替变化对土壤磷的形态以及转化、迁移、积累产生显著影响[13]，李清华研究发现水旱轮作可以提高土壤全磷、有效磷以及土壤微生物量磷的含量[14]。有研究指出土壤干湿交替使得土壤有机质溶解，微生物细胞破裂溶解，将磷释放出来，提高土壤有效磷的含量[15]。水旱轮作可以提高磷肥利用率和磷素长效性，减少磷肥施用量，降低磷素流失风险[16,17]。

牛粪及尿液通过沼气发酵后施入到土壤，作为种植业的有机肥料，种植业又为养殖业提供饲料，从而形成良性循环。牛粪化肥配施对土壤中的速效磷、各无机磷形态的含量、滤液中的可溶性总磷、总磷的浓度有显著影响，可大大提高土壤有效磷含量，也可增加土壤中植株当季可利用的磷素，提高土壤磷素肥力[18,19]。长期施用有机肥显著改变了黑土中各无机磷组分的含量；有机肥化肥配施能显著增加土壤 Ca2-P 和Ca8-P、Al-P 和 Fe-P 的绝对含量和相对含量，同时减少Ca10-P 和O-P 的相对含量[20-22]。国内外学者应用各类土壤分级方法对土壤磷素形态方面的研究并不少见[23-25]。但应用Hedley法对有机肥化肥配施及水旱轮作土壤中磷素的分级研究鲜有报道。本研究在水稻-牧草轮作模式的条件下，通过对比不同轮作模式下牛粪浆施用对水稻后茬牧草土壤中磷素的影响，了解农田磷素动态变化以及磷素供应状况，为施用牛粪后水稻-牧草轮作系统土壤磷素的合理利用及变化特征提供科学依据，同时使磷素养分能得到充分的利用，解决养殖废物资源化问题，又能减少磷素流失风险，减轻农业面源污染。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验田位于云南省农业部环保所大理综合实验站(25°50′ N、100°07′ E，海拔1900 m)。该区域季风气候明显，干湿季分明，降雨主要集中在5～10月，全年降雨量为1048 mm，平均气温在21 ℃左右，土壤类型为水稻土，不同处理地块土壤基本理化性状见表1。

表1 牧草季供试土壤的基本理化性状

1.2 试验设计

以长期耕作的水稻田为实验对象，在水稻季种植水稻(Oryzasativa)，品种为云粳25。在水稻后茬旱季种植多花黑麦草(品种为特高Loliummultiflorumcv. ‘Tetragold’)和光叶紫花苕(Viciavillosavar.glabresens)。根据轮作及牛粪和无机肥不同配比设置8个处理，3个重复，共计24个小区，各处理小区随机分布。各小区长6 m，宽5 m，面积30 m2，田埂夯实为防止各小区水分串流和侧渗，用塑料膜将小区隔开，顶层加空心砖铺砌，土埂宽0.5 m，高0.4 m，塑料膜深入地下0.4 m。不同比例牛粪与化肥的配施处理设计为：水稻-黑麦草轮作100%化肥(OL 100% CF)、水稻-黑麦草轮作70%化肥+30%牛粪(OL 70% CF+30% MF)、水稻-黑麦草轮作50%化肥+50%牛粪(OL 50% CF+50% MF)、水稻-黑麦草轮作30%化肥+70%牛粪(OL 30% CF+70% MF)、水稻-紫花苕轮作100%化肥(OV 100% CF)、水稻-紫花苕轮作70%化肥+30%牛粪(OV 70% CF+30% MF)、水稻-紫花苕轮作50%化肥+50%牛粪(OV 50% CF+50% MF)、水稻-紫花苕轮作30%化肥+70%牛粪(OV 30% CF+70% MF)，OL表示水稻-黑麦草轮作，OV表示水稻-紫花苕轮作，CF表示化肥，MF表示牛粪。

牧草季牧草每次刈割后施大理当地牛粪浆，不施化肥。黑麦草和紫花苕采取撒播方式播种，2017年11月16日播种，2018年5月16日收割。不同处理的牛粪与化肥配施用量见表2，牛粪浆养分化学指标为：pH 8.89±0.08，总氮(6015.56±2719.70)mg/L，总磷(21.50±6.80)mg/L，硝态氮(608.65±242.83)mg/L，铵态氮(2635.70±616.20)mg/L，COD(9512±2187.60)mg/L。2018年2月22日牛粪浆施用量为36 m3/hm2，2018年4月18日牛粪浆施用量40 m3/hm2。

表2 不同配比的牛粪与化肥施用量kg/hm2

1.3 样品采集与分析

土壤样品采集：采用五点法在种植牧草前和牧草生长旺盛期和成熟期采集0～20 cm的表层土壤，风干，过筛，测定。

土壤样品测定：土壤磷素分析测定树脂态磷(Resin-P)、碳酸氢钠提取态无机磷(NaHCO3-Pi)、碳酸氢钠提取态有机磷(NaHCO3-Po)、氢氧化钠提取态无机磷(NaOH-Pi)、碳酸氢钠提取态有机磷(NaOH-Po)、稀盐酸提取态磷(D.HCl-Pi)、浓盐酸提取态无机磷(C.HCl-Pi)、浓盐酸提取态无机磷(C.HCl-Po)、残留态磷(Residual-P)，采用Tiessen法进行测定[26]。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 19.0进行分析，采用Origin 9.1作图。

2 结果与分析

2.1 牧草季土壤全磷含量

由图1可以看出，牧草生长旺盛期土壤全磷的平均含量为887.47～1146.79 mg/kg，牧草成熟期各处理土壤全磷平均含量为757.34～1039.54 mg/kg，低于牧草生长旺盛期土壤全磷整体水平含量，这与作物的吸收利用以及磷素流失有关。水稻-黑麦草轮作模式下单施化肥处理的土壤全磷含量要低于牛粪化肥配施处理，50% CF+50% MF处理低于其他牛粪化肥配施比例处理。牛粪替代可以提高水稻-黑麦草轮作土壤中的全磷含量。水稻-紫花苕轮作模式下，牛粪化肥配施处理土壤全磷含量与单施化肥处理差异不大，50% CF+50% MF处理土壤全磷含量低于其他处理。两种轮作模式下50%牛粪替代处理的土壤中全磷含量都要显著低于其他牛粪替代比例的处理，说明50%牛粪替代处理不利于土壤中磷素吸附累积。

柱状图上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，相同字母表示不显著。小写字母表示牧草生长旺盛期各处理差异性，大写字母表示牧草成熟期各处理差异性。

图1 牧草季土壤全磷含量

2.2 牧草季土壤磷素特征

如图2所示，在牧草生长旺盛期不同轮作模式及处理下，土壤磷组分中，Resin-P所占比例最低，在1%～2%，土壤中NaHCO3-P的比例在12%～18%， NaOH-P的含量所占比例为16%～20%，C.HCl-P占全磷的16%～18%，残留态磷占10%～14%，而牧草季土壤D.HCl-P所占比例最高，为36%～40%。如图3所示，牧草成熟期不同轮作模式及处理之下，土壤磷组分中，Resin-P所占比例最低，在1%～2%，土壤中NaHCO3-P的比例在14%～19%，NaOH-P的含量所占比例为16%～19%，C.HCl-P占全磷的13%～18%，残留态磷在9%～13%，而牧草季土壤D.HCl-P所占比例最高，为35%～42%。

可以看出，NaHCO3-P、NaOH-P、C.HCl-P中的无机磷所占比例基本要高于有机磷。由此可见土壤中磷素主要是以无机磷形式存在。Resin-P作为可直接被植物吸收利用的有效磷，为植物生长需要被大量吸收利用，从而在土壤中所占比例极低，而NaHCO3-P、NaOH-P做为有效性磷源，有一部分可以被植物吸收利用，也可通过微生物矿化为植物吸收利用，在土壤磷素所占比例要低于稳定态的HCl-P和残留态磷。

图2 牧草生长旺盛期土壤各形态磷素比例

图3 牧草成熟期土壤各形态磷素比例

2.3 牧草成熟期土壤无机磷含量

从表3可以看出，牧草成熟期土壤水溶性磷含量普遍偏低，平均含量为8.80～16.69 mg/kg。牛粪化肥配施处理土壤中的Resin-P和NaHCO3-Pi含量要高于单施化肥的处理，说明牛粪替代提高了牧草成熟期土壤中Resin-P和NaHCO3-Pi的吸附累积，Resin-P和NaHCO3-Pi属于活性无机磷，牛粪化肥配施处理增加了土壤对有效磷的保肥能力，但也加剧了磷素的流失风险。两种轮作模式下50% CF+50% MF处理土壤中的NaHCO3-Pi含量要显著低于其他比例牛粪化肥配施处理，表明该比例牛粪化肥配施可以提高牧草对NaHCO3-Pi的吸收利用率。水稻-黑麦草轮作模式下牛粪化肥配施处理土壤中NaOH-Pi的平均含量要高于单施化肥处理，说明牛粪化肥配施有利于土壤中NaOH-Pi的吸附累积，但也潜在增加了活性NaOH-Pi流失的风险。两种轮作模式下50%牛粪比例替代处理土壤中NaOH-Pi的含量要显著低于其他牛粪替代比例处理，表明50%牛粪替代比例处理可以降低NaOH-Pi的流失风险。盐酸提取态磷属于稳定态无机磷，各处理土壤中D.HCl-P含量没有差异，平均含量为300.76～383.38 mg/kg，是土壤最大的潜在磷源。水稻-黑麦草轮作模式下牛粪化肥配施处理土壤C.HCl-Pi含量要高于单施化肥处理，70% CF+30% MF处理土壤中C.HCl-Pi含量则要高于其他牛粪替代比例处理。由此可见，大部分无机磷以稳定态形式储存在土壤中，这些磷如果被外界影响而释放到环境中，将会造成严重的环境污染问题。

表3 各处理土壤无机磷组分含量(平均值±标准差) mg/kg

注：同列8种施肥处理之间进行单因素方差分析，不同字母表示P<0.05有显著差异。下同。

2.4 牧草成熟期土壤有机磷含量

由表4可以看出，各处理土壤NaHCO3-Po含量差异较大，水稻-黑麦草轮作模式各处理土壤中的NaHCO3-Po平均含量要高于水稻-紫花苕轮作，这说明水稻-黑麦草轮作有利于土壤NaHCO3-Po的吸附累积，同时两种轮作模式下牛粪化肥配施处理都有着随牛粪替代比例的增加，土壤NaHCO3-Po含量逐渐减少的规律。水稻-黑麦草轮作模式下NaOH-Po含量随牛粪比例的增加而增加，而水稻-黑麦草轮作模式下100% CF处理的NaOH-Po含量要高于其他处理，说明该轮作模式下牛粪化肥配施不利于NaOH-Po的吸附累积。各处理间土壤C.HCl-Po含量差异较大，但是没有一定的规律，OL 70% CF+30% MF和OV 30% CF+70% MF处理土壤中C.HCl-Po含量显著高于其他处理，能够有效提高土壤对C.HCl-Po的吸附累积能力，而50%牛粪替代比例处理下的土壤C.HCl-Po含量显著低于其他处理，不利于C.HCl-Po在土壤中的吸附累积。残留态磷是土壤中最稳定的磷素形态，很难被一般浸提剂浸提出来，是土壤的潜在磷源。各轮作模式下土壤残留态磷含量差异不显著。水稻-黑麦草轮作模式下土壤残留态磷的平均含量高于水稻-紫花苕轮作，这说明水稻黑麦草轮作模式更有利于残留态磷的吸附累积，但是残留态磷不能被植物充分吸收，以最稳定的形态储存在土壤中，造成资源浪费的同时也给环境带来潜在的威胁。

表4 各处理土壤有机磷组分含量(平均值±标准差) mg/kg

3 讨论

Tiessen等[26]对Hedley磷分级做了进一步的改进，将土壤中的磷分为六大类：树脂交换态磷(Resin-P)、碳酸氢钠提取态磷(NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)、氢氧化钠提取态磷(NaOH-Pi、NaOH-Po)、稀盐酸提取态磷(D.HCl-Pi)、浓盐酸提取态磷(C.HCl-Pi、C.HCl-Po)、残留态磷(Residual-P)。树脂态磷是指与土壤溶液磷处在平衡状态的土壤固相无机磷，在土壤溶液被移走后，它可迅速补充，是充分有效的，是土壤活性磷的主要部分[27]。碳酸氢钠提取态磷是指吸附土壤表面的磷，有机部分是易于矿化的可溶性有机磷，是植物的有效磷源。氢氧化钠提取态磷是指通过化学吸附在土壤铁铝化合物表面的中等活性磷，用于磷的长期转化，对植物有一定有效性[28]。盐酸提取态磷类似于Ca-P，在石灰性土壤中主要提取磷灰石型磷，而在高度风化的土壤中能提取部分闭蓄态磷，盐酸提取态磷和残留态磷是土壤中比较稳定的磷素形态，短期内无法被植物吸收利用，在外界条件发生变化的情况下，有可能转化为被植物和微生物利用的形态[29]。土壤中磷的转化与形态受众多因素影响，包括土壤组成和土壤性状，这些因素可影响与磷转化及形态有关的溶解-沉淀、吸附-解吸等过程[30]。土壤磷的转化有4个过程，无机磷酸盐的溶解作用、有机磷酸盐的矿化和固定作用、无机磷酸盐的氧化-还原作用、土壤生物在这些转化过程中起着重要的作用、当土壤可溶性磷因作物吸收或淋溶流失后，可由土壤的化学平衡以及微生物的溶解和矿化作用而顺序得到补充。通过施化肥或有机肥进入土壤中的磷，一方面由于吸附、沉淀、微生物固持为土壤所固定，另一方面由于土壤微生物的作用而得以分解释放[31]。大量研究表明，有机肥的施用可以提高土壤中各形态无机磷的含量[32]。本研究发现，牛粪化肥配施可以提高水稻-黑麦草轮作土壤中Resin-Pi和NaHCO3-Pi含量，而水稻-紫花苕轮作50%牛粪替代比例土壤C.HCl-Pi的含量处理要低于单施化肥处理。而各处理土壤中D.HCl-P的含量没有差异，水稻-紫花苕轮作50%牛粪添加比例土壤的NaOH-Pi含量要低于单施化肥处理，与相关研究结果存在差异。

水稻-黑麦草轮作30%牛粪替代比例处理土壤中的NaHCO3-Po、C.HCl-Po、Residual-P含量要高于单施化肥处理，50%牛粪替代比例处理土壤中的NaHCO3-Po、NaOH-P含量要高于单施化肥处理，70%牛粪替代比例处理土壤中的NaOH-P、C.HCl-Po、Residual-P含量要显著高于单施化肥处理。水稻-紫花苕轮作30%牛粪替代比例处理土壤的NaOH-Po含量以及70%牛粪替代比例处理的C.HCl-Po含量显著高于单施化肥处理。各比例牛粪替代处理之间的各形态有机磷含量存在差异，前人研究发现有机肥替代会降低土壤中各形态有机磷含量[33，34]，这与前人的研究结果也存在差异。

4 结论

牛粪化肥配施以及轮作条件下，各处理土壤各形态磷素含量差异较大。除D.HCl-Pi外，其他各形态无机磷含量均表现为牛粪化肥配施处理相对较高，而单施化肥处理相对较低。土壤各形态磷的变化较大，但整体上增加了土壤各形态无机磷含量，降低了各形态有机磷含量。水稻-紫花苕轮作对土壤各形态磷的吸收利用要优于水稻-黑麦草轮作。OV 70% CF+30% MF土壤中磷素状况最佳，可有效减少土壤磷素流失，增强植物对各形态磷的吸收利用。