长期施肥对山东潮土磷盈亏及农学阈值的影响

孙翠平，张英鹏，罗加法，仲子文，孙 明，李 彦，刘兆辉,5，井永苹，薄录吉

(1.山东省农业科学院 农业资源与环境研究所，山东 济南 250100；2.农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东 济南 250100；3.农业部废弃物基质化利用重点实验室，山东 济南 250100；4.山东省农业面源污染防控重点实验室，山东 济南 250100；5.山东省农业科学院，山东 济南 250100；6.新西兰农业科学院 鲁亚库拉研究中心，汉密尔顿 3240)

磷是作物生长发育所需的三大营养元素之一，其土壤有效磷可以直接被农作物吸收利用，对作物生长及产量具有重要影响；而土壤有效磷的变化与土壤磷盈亏具有密切关系[1-3]。因此，土壤有效磷含量的变化以及磷平衡一直受到研究者的关注[4]。试验证明，通过合理施肥可增加土壤磷素肥力，从而增加土壤有效磷含量，提高作物产量；但作物产量和土壤有效磷之间不呈完全的线性关系，两者之间存在一个临界值(磷农学阈值)，而且超过农学阈值一定限度时，还会造成磷环境污染[5]。磷农学阈值是不同土壤类型、不同作物磷肥用量和最佳经济产量的重要指导依据。因此，研究施肥与磷素盈亏及与土壤有效磷的关系，明确不同作物有效磷农学阈值的大小，对保障粮食安全和农田生态可持续发展具有重要意义。

展晓莹等[6]通过分析21个监测点(包括5种土壤类型)单位磷平衡的有效磷变化量(有效磷效率)发现，其中81%的土壤监测点有效磷与磷素盈亏之间呈显著正相关关系。还有研究表明，土壤有效磷对磷素盈亏的响应特征受土壤类型、施肥模式、肥料种类、施肥量及轮作模式等多种因素的影响[7-9]。有研究者在哈尔滨黑土中通过不同施肥模式研究得出土壤每亏缺和盈余100 kg/hm2时Olsen-P分别下降1.36～3.35 mg/kg和上升4.80～16.04 mg/kg，且认为此变化范围与土壤较低的pH值有很大的关系[10]。杨军等[11]研究发现，PK、NP、NPK处理中土壤每盈余100 kg/hm2磷土壤有效磷分别增加3.59，1.19，1.75 mg/kg。Singh等[12]在不同初始土壤有效磷含量下施用相同磷量发现，随着种植年限的增加有效磷的变化趋势明显不同；可见，有效磷对磷盈亏的响应关系还与有效磷本底值有关。土壤磷素盈余会增加土壤有效磷含量，进而提高作物产量，但当土壤有效磷含量达到农学阈值时，作物产量不再提高，过多磷素的添加反而会造成环境的污染[13]。不同模式、不同作物和不同模拟方法下的土壤有效磷农学阈值有显著的差异。沈浦[14]通过研究表明，单季旱作、双季旱作和水旱轮作模式下，小麦和玉米土壤有效磷的农学阈值分别位于7.5～23.5，5.7～15.2 mg/kg。还有研究者利用线性、线性+平台和米切尔西方程模拟农学阈值，其中米切尔西方程模拟得到的小麦和玉米农学阈值最大，分别为16.6，15.9 mg/kg[15]，农学阈值大小还与使用模拟方程有关。

潮土在山东省总面积达466.58 万hm2，占全省土壤面积的38.53%，是山东省最大的土壤种类；耕地面积也居全省耕地面积之首，达48.12%，主要集中分布在鲁西北黄河冲积平原地区[16]。而潮土磷素具有全磷含量较高、有效磷含量较低的特点[8]，需要通过合理施肥达到培肥地力、提高作物产量的目的。因此，在山东潮土区不同施肥模式下研究长期定位试验对磷素盈亏、有效磷对磷盈亏响应及土壤有效磷农学阈值大小的影响具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

长期施肥定位试验在山东省济南市山东省农业科学院试验农场院内(北纬36°40′；东经117°00′)，海拔为27.5 m，属暖温带大陆性季风气候，年均温度为12～14 ℃，年降水量580～700 mm，年日照时数1 870.9 h，全年无霜期216.4 d左右。供试土壤为成土母质近代河流沉积物，土壤中的黏土矿物主要以水云母、绿泥石成分为主。该定位试验于1982年小麦季开始，试验开始时耕层土壤(0～20 cm)基本性质为有机质5.71 g/kg，全氮0.47 g/kg，全磷1.28 g/kg，碱解氮15.19 mg/kg，速效磷5.90 mg/kg，速效钾75.3 mg/kg，pH 值8.20。

1.2 试验设计

采用小麦-玉米一年两熟轮作制，试验设单施化肥和有机无机肥配施两大主处理，其中有机无机肥配施处理的无机肥施用量与单施化肥处理相同；单施化肥副处理包括：不施肥(CK)、氮(N)、氮磷(NP)、氮钾(NK)、磷钾(PK)、氮磷钾(NPK)、减量氮磷钾(N15PK)、增量氮磷钾(N25PK)，有机无机配施副处理包括：有机肥(CK+M)、氮和有机肥(N+M)、氮磷和有机肥(NP+M)、氮钾和有机肥(NK+M)、磷钾和有机肥(PK+M)、氮磷钾和有机肥(NPK+M)、减量氮磷钾和有机肥(N15PK+M)、增量氮磷钾和有机肥(N25PK+M)；每个小区1 m2，处理重复3次，试验采取随机区组设计。供试小麦、玉米品种及各处理肥料用量同参考文献[17]，合每年化肥带入磷量为131.0 kg/hm2，有机肥带入磷量为33.5 kg/hm2。

1.3 土壤采集与分析

土壤样品分析及测定方法见参考文献[17-18]。由于管理措施不变，且鉴于微区试验可持续性和土壤养分变化不显著性，1982-1990年间隔1 a、1991-2010年间隔2～3 a、2011-至今间隔5 a左右采集1次土样。

1.4 计算与统计方法

当季土壤表观磷盈亏=每年施入土壤磷素总量-每年作物(籽粒+秸秆)吸磷量 ①

土壤累积磷盈亏=∑[当季土壤表观磷盈亏] ②

农学阈值的计算方法[19]：Yr=Yi/Ym×100 ③，式中：Yr(%)为籽粒的相对产量；Yi为每年各处理的籽粒产量；Ym为每年各处理的最大籽粒产量。

作物相对产量对土壤有效磷的响应关系通过Mitscherlich方程模拟，公式如下：Y=A×(1-e-bx) ④，其中，Y是预测的相对产量；A是最大的相对产量；b是产量对土壤有效磷的响应系数；由方程模拟出的相对产量为最大值的90%时，土壤有效磷含量为农学阈值。

公式①～②单位均为kg/hm2，利用Origin 8.6进行统计分析并作图，差异显著性检验采用单因素Duncan法。

2 结果与分析

2.1 长期施肥下土壤磷素盈亏

2.1.1 土壤当季表观磷素盈亏 不同施肥模式下33 a当季土壤表观磷盈亏如图1(单施化肥A，有机无机肥配施B，下同)。随年限的增加，当季土壤表观磷盈亏总体呈现略微下降的趋势。单施化肥处理中，不施磷肥的3个处理(CK、N、NK)当季土壤表观磷盈亏一直呈现亏缺状态，亏缺量为23.27～29.20 kg/hm2，显著低于其他处理；由于N和NK处理作物品质和产量原因带走的磷多于CK处理，表现出更大磷亏缺。而施磷肥的5个处理(NP、PK、NPK、N15PK、N25PK)当季土壤表观磷呈现盈余状态，平均位于68.34～85.99 kg/hm2，且以PK处理磷盈余最大，多数年限显著高于氮磷钾施肥。有机无机肥配施处理中，CK+M、N+M和NK+M处理当季土壤表观磷仍然处于亏缺状态，亏缺量为12.10～22.27 kg/hm2，显著低于其他处理，说明作物带走的磷量大于有机肥带入的磷量。NP+M、PK+M、NPK+M、N15PK+M和N25PK+M处理中，当季土壤表观磷处于盈余状态，盈余量位于88.84～107.64 kg/hm2；其中，以PK+M和NP+M处理最高。

图中不同字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。图2同。Different lowercase letters in the figure indicate significant differences among different treatments (P<0.05).The same as Fig.2.

2.1.2 土壤累积磷素盈亏 不同施肥模式下33 a土壤累积磷盈亏如图2。对于单施化肥处理，不施磷肥3个处理(CK、N、NK)土壤累积磷一直处于亏损状态，3个处理间无显著性差异，而盈亏量显著低于其他5个处理，且随种植时间延长亏缺量累积增大。施用磷肥的5个处理(NP、PK、NPK、N15PK和N25PK)土壤累积磷一直处于盈余状态，且盈余量随种植年限的增加而增加，其中以PK处理最高，种植10 a后盈余量显著高于其他处理；2015年5个处理土壤累积磷盈余值分别为2 567.25，2 837.63，2 255.20，2 399.51，2 378.98 kg/hm2，平均每年盈余77.80，86.00，68.34，72.71，72.10 kg/hm2。有机无机肥配施处理中，由于有机肥的施入，CK+M、N+M和NK+M处理土壤累积磷亏损值较单施化肥处理小；其中CK+M处理土壤磷亏损量最少，种植25 a后亏缺量显著低于N+M和NK+M处理。其余5个处理累积磷盈余量更大，其中以NP+M和PK+M处理盈余量最大，种植20 a后显著高于其他3个处理；2015年5个处理(NP+M、PK+M、NPK+M、N15PK+M和N25PK+M)土壤累积磷盈值分别为3 513.98，3 552.18，3 125.41，2 931.57，3 087.31 kg/hm2。由图2还可得出，施氮量的大小对土壤磷平衡值的影响不大。

图2 不同施肥处理土壤累积磷盈亏Fig.2 Accumulated P balance of different fertilization 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

在两大主处理下，对潮土土壤有效磷变量与土壤累积磷盈亏量进行相关分析，如图3所示，土壤有效磷增量和土壤磷素盈亏量之间呈现极显著正相关关系(P<0.01)。对单施化肥和有机无机肥配施处理，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P含量分别上升0.76，1.46 mg/kg，可见有机无机肥配施单位土壤盈余磷更能增加土壤有效磷含量。

**.相关关系达到0.01水平。图4同。**. Significant correlation at P<0.01. The same as Fig.4

2.3 土壤有效磷农学阈值研究

米切里西方程在确定土壤磷素农学阈值的研究方法中应用较为广泛，针对山东潮土不同施肥模式下有效磷含量与作物产量的长期定位试验数据，利用Mitscherlich方程模拟作物相对产量与土壤有效磷二者的关系。结果为：在有机无机肥配施处理中，长期施肥下小麦和玉米作物相对产量和土壤有效磷之间响应关系不显著(图4)；单施化肥处理中，根据模拟方程得出小麦、玉米有效磷农学阈值分别为12.60，8.90 mg/kg，潮土区冬小麦有效磷农学阈值高于夏玉米。

图4 单施化肥下小麦及玉米相对产量对土壤有效磷的响应Fig.4 Response of relative wheat and maize yield to soil Olsen-P under single inorganic fertilizer treatments

2.4 磷肥应用的指导

如图5所示，不同土壤性质、轮作制度和肥料种类及施用量下，土壤有效磷本底值和增加量不同，土壤有效磷农学阈值也不同。基于土壤有效磷本底值和磷平衡的响应关系以及土壤有效磷农学阈值的大小来推算肥料用量，对磷肥应用具有重要的指导作用。

通过对土壤有效磷农学阈值的研究得出小麦、玉米有效磷农学阈值分别为12.60，8.90 mg/kg，而本试验土壤本底有效磷为5.90 mg/kg，与研究得出的小麦和玉米农学阈值分别差6.70，3.00 mg/kg。以NP、PK、NPK 3个处理为例，从以上研究可知，到2015年时土壤累积磷平均每年盈余77.80，86.00，68.34 kg/hm2；且单施化肥处理每盈余100 kg/hm2土壤磷平均增加0.76 mg/kg土壤有效磷。因此，达到小麦农学阈值NP、PK、和NPK处理分别需要12，11，13 a，达到玉米农学阈值3个处理分别需要6，5，6 a。

图5 磷肥应用指导模式图Fig.5 Picture of phosphate fertilizer application guidance model

3 讨论与结论

3.1 长期施肥下土壤磷素盈亏

由于不同区域生态因子的差异以及施肥量、种植结构、气候特征等因素，不同施肥模式下土壤磷盈亏及有效磷的响应特征不同。首先，由于施肥量的关系有机无机肥配施处理磷盈余量明显大于单施化肥处理。不施化学磷肥处理磷盈亏均处于缺乏状态；可见只施用现在用量的有机肥也不能维持磷素平衡，需补充磷肥或增加有机肥用量来保持土壤磷素供应。因此，合理施用磷肥或有机肥是土壤磷素供应的保障。与平衡施肥处理相比，偏施磷肥处理(NP、PK、NP+M和PK+M)土壤磷素累积更多，这是由于在相同施磷量下，作物产量小，从土壤中带走磷量也小，这与很多研究结论一致[11]。磷盈亏随种植年限呈波浪状变化，种植27 a磷盈余均明显下降，是天气、有机肥质量和作物品质与产量等综合作用的结果。施用磷肥处理中，土壤中磷盈余量较大，随种植年限增加导致磷素长期累积于土壤中，势必会造成磷素的淋溶及流失，综合考虑下有必要适当减少磷肥施用量，或利用有机肥替代部分磷肥。

3.2 长期施肥下土壤有效磷对土壤磷素盈亏响应

土壤有效磷是土壤磷素养分的重要指标，最能反映土壤的供磷水平。通过土壤有效磷含量对磷素盈亏的响应程度可用来指导施肥用量和施肥种类，对指导作物生产、施肥以及评价农业环境磷风险具有重要意义[20]。

本研究中，两大主处理每盈余100 kg/hm2磷素土壤有效磷分别增加0.76，1.46 mg/kg。中国7个样点调查每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P含量上升范围为1.44～5.74 mg/kg[21]，相较之本研究中有效磷转化效率较低。从图3也可以看出，单施化肥处理累积磷盈亏量<500 kg/hm2和有机无机肥配施处理磷盈亏量<2 000 kg/hm2时，Olsen-P增加较快，随着磷累积量进一步增加，Olsen-P有所降低；这可能主要与长期耕作下单一的轮作制度和土壤性质、结构变差有关，生物多样性降低，导致有效磷的转化率降低。土壤有效磷对磷盈亏的响应关系在很大程度上受土壤性质和气候条件的影响[9]。其差异还与试验规模、种植制度和试验误差有很大的关系。本试验中单施化肥处理有效磷转化低于有机无机肥配施处理，与很多研究结论一致[21]。林诚等[22]研究得出，等磷素盈亏量下，有机无机肥配施的有效磷响应系数高于化肥。

3.3 土壤有效磷农学阈值研究

生产实践中，作物产量对土壤肥力的响应有一定的阈值(临界值)，其中作物产量对土壤有效磷响应阈值更为明显，是评价施肥合理性的重要指标。由米切里西模拟方程得出，单施化肥处理中，在获得最大相对产量的90%时，小麦和玉米的土壤有效磷农学阈值分别为12.60，8.90 mg/kg。郭斗斗等[19]同样利用米切里西方程模拟河南潮土区小麦-玉米轮作下的农学阈值，以获得最大相对产量的95%为依据得出小麦玉米Olsen-P农学阈值分别为13.1，7.5 mg/kg，与本研究结论较相似。刘彦伶等[7]对云南贵州黄壤性水稻土的玉米农学阈值的研究发现，玉米磷农学阈值平均值为15.8 mg/kg。李渝等[23]研究发现，贵州黄壤旱地的玉米农学阈值平均为22.4 mg/kg。可见，作物农学阈值受作物类型、土壤类型以及气候条件等诸多因素的影响。

3.4 磷肥应用指导

本试验中，有机无机肥配施处理当季和累积磷盈余量明显大于单施化肥处理，不施磷肥处理需施用磷肥维持土壤磷素供应，其他处理需控制施磷量。

两大主处理每盈余100 kg/hm2磷素时土壤有效磷分别增加0.76，1.46 mg/kg，有效磷转化率较低，可通过调理土壤结构性质或有机肥替代部分磷肥来提高Olsen-P转化率。

由米切里西模拟方程得出，单施化肥模式下小麦和玉米的土壤有效磷农学阈值分别为12.60，8.90 mg/kg，现试验至33 a，理论上和实际中有效磷均已超过农学阈值，需适当减少磷肥施用。当土壤有效磷含量下降到农学阈值时，根据作物带走的磷量，此时保证施入的磷量与作物带走的磷量相当，以此来确定磷肥施用量。在农业生产应用中，还需要及时观测作物的生长及土壤有效磷含量的变化来及时调整磷肥施用量。

综合长期施肥情况下土壤磷盈亏量变化、农学阈值和土壤本底磷来看，每年施磷量可控制在33.5～131.0 kg/hm2。