减量化肥配施不同量紫云英对土壤磷素形态及水稻产量的影响

张成兰，刘春增*，吕玉虎，李本银，张 梦，郑春风，郭晓彦，曹卫东

（1．河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2．信阳市农业科学院，河南信阳 464000；3．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

磷素是作物生长发育不可缺少的营养元素，同时也是限制我国农业高产的因素之一［1］。目前，我国磷肥当季利用率仅为10%～20%，80%～90%的磷施入土壤后转化为难以被作物吸收利用的固定形态［1-2］，因此如何提高磷素有效性一直受到国内学者的广泛关注［3-5］。土壤无机磷是作物直接有效的磷素来源，其各形态组分将直接影响磷的有效性［6］。关于无机磷形态分级的研究始于20世纪30年代［7］，比较系统和完整的分级方法由1957年Chang和Jackson［8］提出，将其分为磷酸铁盐（Fe-P）、磷酸铝盐（Al-P）、磷酸钙盐（Ca-P）和闭蓄态磷（O-P）4种，但该方法仅适用于中性和酸性土壤。1990年顾益初等［9］在此方法基础上提出适宜于中性和石灰性土壤的无机磷分级体系，将土壤无机磷分为磷酸铁盐（Fe-P）、磷酸铝盐（Al-P）、闭蓄态磷（O-P）、磷酸二钙（Ca2-P）、磷酸八钙（Ca8-P）和磷灰石（Ca10-P）6种形态。施肥是影响土壤磷素形态的主要措施，研究表明，长期有机无机配施可减少土壤对磷素的固定，促进土壤磷素向有效态转化，提高土壤供磷能力［3，10-11］。

紫云英（Astragalus sinicus L.）为豆科黄芪属，是豫南稻区主要的冬季绿肥。豫南稻区有大量冬闲田，冬闲时种植翻压紫云英，可合理衔接水稻生育期，起到填闲、养地的效果。研究表明，种植翻压紫云英可改善稻田土壤物理、化学和生物学性状［12-13］，且在化肥减施20%～40%情况下，翻压紫云英仍可保证水稻产量［13-14］。目前，关于单施磷肥或磷肥有机肥配施对土壤磷素形态研究较多［3，10-11］，而减量化肥配施紫云英这种有机无机配施模式下土壤无机磷形态的研究还鲜见报道。本文依托于信阳试验园区长期定位试验，研究减量20%化肥配施不同量紫云英对豫南稻田土壤无机磷形态及产量影响，旨在明确减量化肥配施紫云英对土壤供磷水平、供磷潜力的影响，以期为豫南稻区合理减肥、培肥和增产机制提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于信阳市农业科学院试验园区（N32°07′，E114°05′），该地区属亚热带向暖温带过渡区，日照充足，年均1 900～2 100 h，无霜期220 d左右；年均气温15.1～15.3℃；降水丰沛，年降水量900～1 400 mm，相对湿度77%。田间小区试验始于2009年，供试土壤为黄棕壤性潜育型水稻土，试验前土壤基本理化性质为：有机质25.4 g·kg-1，碱解氮81.5 mg·kg-1，有效磷10.5 mg·kg-1，速效钾 58.2 mg·kg-1，pH 值 6.67。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共设6个处理，3次重复：（1）不施肥（CK）；（2）单施化肥（CF）；（3）80%化 肥+22.5 t·hm-2紫 云 英（CF0.8G22.5）；（4）80% 化肥 +30 t·hm-2紫云英（CF0.8G30）；（5）80%化 肥+37.5 t·hm-2紫 云 英（CF0.8G37.5）；（6）80%化肥+45 t·hm-2紫云英（CF0.8G45）。紫云英原地种植，供试品种为信紫1号，每年盛花期按照各处理不同量翻压，多余的移出小区，量不足时从别的小区移入，盛花期紫云英干基养分含量为N 3.6%、P2O50.7%、K2O 3.4%，含水量90.9%。其中所施化肥，氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。单施化肥指当地常规施肥量（N 225 kg·hm-2、P2O5135 kg·hm-2、K2O 135 kg·hm-2），80% 化 肥 指当地常规施肥量的80%（N 180 kg·hm-2、P2O5108 kg·hm-2、K2O 108 kg·hm-2）。试验中磷肥、钾肥均作基肥一次施用，氮肥按基肥∶分蘖肥∶孕穗肥=5∶3∶2施用。小区面积6.67 m2（3.33 m×2.0 m），小区间筑埂，上覆塑料薄膜防止串水串肥。区组间留0.3 m宽的沟，便于上水和排水。水稻供试品种为扬两优013，于每年5月底划行移栽，小区栽插密度16.7 cm×20 cm，每穴2～3棵。移栽后灌浅水使秧苗返青，分蘖肥在移栽后1周施用，孕穗肥在晒田复水后施用，其他田间管理与大田一致。

1.3 样品采集与测定

定位试验于每年水稻成熟后测定各小区产量，每小区随机取水稻样10株，测定水稻株高、有效穗、实粒数。土壤样品于2016年9月16日水稻收获后采集，每小区按照5点采样法采集0～20 cm耕层土样，风干后用于不同形态无机磷及土壤养分测定。

土壤基础养分采用《土壤农化分析》中的方法［15］测定；土壤无机磷分级采用参考文献［8］的无机磷分级方法测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 18.0软件对数据进行统计分析，采用Duncan法进行方差分析和多重比较（α=0.05），利用Excel 2010软件作图，SPSS 18.0软件进行相关性分析、通径分析和逐步回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤各形态无机磷含量的影响

由表1知，与对照（CK）相比，长期减量20%化肥配施不同量紫云英（CF0.8G）及单施化肥（CF）均显著增加土壤Al-P、Fe-P、Ca-P、O-P含量。长期减量20%化肥配施紫云英较单施化肥土壤Al-P、Fe-P含量分别提高1.49%～12.80%、1.22%～5.10%，均以减量20%化肥配施22.5 t·hm-2紫云英（CF0.8G22.5）效果最好；减量化肥配施紫云英较单施化肥土壤Ca-P含量提高0.29%～5.98%，未达到显著水平；减量化肥配施不同量紫云英较单施化肥土壤O-P含量降低3.08%～17.68%，以减量20%化肥配施22.5 t·hm-2紫云英处理降低最多，并达到显著水平。与对照相比，施肥显著提高了土壤无机磷含量，减量化肥配施不同量紫云英土壤无机磷含量较对照提高49.27%～52.92%，以减量20%化肥配施30 t·hm-2紫云英（CF0.8G30）含量最高，达到255.81 mg·kg-1，单施化肥土壤无机磷较对照提高53.19%；综上，减量20%化肥配施不同量紫云英较单施化肥提高土壤Al-P、Fe-P、Ca-P含量，降低土壤O-P含量。

表1 不同施肥处理下各形态无机磷含量 （mg·kg-1）

2.2 不同施肥处理对土壤无机磷各组分相对含量的影响

图1为不同施肥处理土壤Al-P、Fe-P、Ca-P、O-P占无机磷总量百分比。由图1知，各形态无机磷比例大小为O-P（35.47%～45.37%）＞Fe-P （26.26%～30.79%）＞Ca-P（16.18%～20.31%）＞Al-P（8.10%～16.89%）。较对照不施肥（CK），长期减量化肥配施不同量紫云英（CF0.8G）及单施化肥（CF）处理均提高土壤Al-P、Fe-P所占比例，降低Ca-P、O-P所占比例。长期减量化肥配施不同量紫云英较单施化肥提高土壤Al-P、Fe-P、Ca-P所占比例，降低土壤O-P所占比例，其中土壤Al-P、Fe-P所占比例均以减量20%化肥配施22.5 t·hm-2紫云英（CF0.8G22.5）最高，土壤Ca-P所占比例以配施30 t·hm-2紫云英（CF0.8G30）最高，土壤O-P所占比例以配施22.5 t·hm-2紫云英最低。

图1 不同施肥处理各组分无机磷含量

2.3 不同施肥处理对土壤有机质、养分及pH值的影响

由表2知，与不施肥（CK）相比，施肥显著增加土壤有效磷含量，其中减量化肥配施紫云英（CF0.8G）土壤有效磷较不施肥提高35.82%～53.27%，以减量20%化肥配施22.5 t·hm-2紫云英（CF0.8G22.5）效果最好，单施化肥（CF）土壤有效磷含量较对照提高70.36%。减量20%化肥配施不同量紫云英较不施肥显著提高土壤有机质含量，其增幅为11.83%～16.24%，较单施化肥土壤有机质含量提高7.74%～16.24%，并达到显著水平，以减量20%化肥配施30 t·hm-2紫云英（CF0.8G30）效果最好。与不施肥相比，减量化肥配施不同量紫云英及单施化肥均显著提高土壤碱解氮含量，其增幅分别为38.40%～47.62%、21.02%，以减量20%化肥配施30 t·hm-2紫云英增幅最多。与不施肥相比，施肥提高土壤速效钾含量，以减量20%化肥配施45 t·hm-2紫云英（CF0.8G45）提高最多，其次为配施22.5 t·hm-2紫云英处理。减量化肥配施不同量紫云英较不施肥显著降低土壤pH值，以减量20%化肥配施22.5 t·hm-2紫云英处理降低幅度最大。

表2 不同施肥处理下土壤有机质、养分含量及pH值

2.4 不同施肥处理对水稻产量及水稻农艺性状的影响

表3列出了不同施肥处理下水稻年均产量及水稻年均株高、有效穗、实粒数。由表3知，与对照不施肥（CK）相比，施肥显著提高水稻年均产量，其中减量化肥配施不同量紫云英（CF0.8G）较对照水稻增产24.26%～26.01%，以减量20%化肥配施30 t·hm-2紫云英（CF0.8G30）产量最高，单施化肥（CF）较对照不施肥水稻增产19.57%；减量化肥配施不同量紫云英较单施化肥水稻增产3.75%～5.38%。减量20%化肥配施不同量紫云英及单施化肥较对照不施肥处理水稻株高分别提高8.26%～9.68%、6.83%；减量化肥配施不同量紫云英较单施化肥水稻株高提高1.34%～2.67%，各处理间差异不显著。较对照不施肥，减量化肥配施不同量紫云英及单施化肥水稻有效穗分别增加48.22%～59.75%、27.86%；其中减量化肥配施不同量紫云英较单施化肥水稻有效穗提高了15.93%～24.95%，以减量20%化肥配施30 t·hm-2紫云英（CF0.8G30）效果最好。减量化肥配施不同量紫云英及单施化肥较对照不施肥水稻每穗实粒数分别增加7.89%～12.98%、22.45%，各处理间差异不显著。综上，化肥减量20%配施22.5～45 t·hm-2紫云英可提高水稻产量、株高、有效穗。

表3 不同施肥处理水稻年均产量及各农艺性状指标均值

2.5 不同施肥处理下土壤各形态磷与水稻产量、土壤有机质、养分相关性

由表4知，土壤Al-P与土壤Fe-P、Ca-P、无机磷、水稻产量、株高、有效穗呈极显著相关性，与土壤有效磷、碱解氮呈显著相关性；土壤Fe-P与土壤Ca-P、无机磷、水稻产量、株高呈极显著相关性，与土壤有效磷、碱解氮、水稻有效穗呈显著相关性；土壤Ca-P与土壤无机磷、碱解氮、水稻产量、株高、有效穗呈极显著相关性，与土壤O-P、有机质呈显著相关性；土壤O-P与土壤无机磷及水稻实粒数呈显著相关性。水稻产量与土壤无机磷、碱解氮及水稻株高、有效穗呈极显著相关性，与土壤有机质呈显著相关。综上，土壤Al-P、Fe-P、Ca-P与水稻产量及土壤无机磷、碱解氮密切相关。

2.6 不同施肥处理下各形态磷的有效性分析

一般来说，各形态磷与有效磷的相关性可说明其有效性。由表4知，土壤有效磷与各形态无机磷的相关系数大小为Fe-P（0.848）＞Al-P（0.833）＞O-P（0.794）＞Ca-P（0.755），与土壤 Fe-P、Al-P呈显著正相关，与土壤O-P、Ca-P相关性不显著。然而表4结果显示，土壤各形态无机磷间存在显著或极显著相关性，说明在土壤磷素的整个循环系统中，不同无机磷形态间相互影响、相互制约，仅通过简单的相关性分析并不能判断各组分无机磷对磷素有效性贡献大小。因此，通过土壤有效磷对各形态无机磷的通径分析，来评价土壤无机磷各组分对有效磷的综合贡献。将各无机磷形态对有效磷进行通径分析，得到各形态对有效磷直接通径系数绝对值大小为Fe-P（1.440）＞Ca-P（-1.388）＞O-P（0.662）＞Al-P（0.237），直接通径系数绝对值越大，该形态无机磷对有效磷含量的直接影响越大，而Al-P虽然与土壤有效磷显著相关，但其直接通径系数很低，且Ca-P直接通径系数为负值，说明这些形态磷对土壤有效磷的贡献为间接作用，通过其他形态磷来影响有效磷。为进一步确定各形态无机磷与土壤有效磷的关系，利用SPSS软件进行逐步回归分析，在P＜0.05显著水平下只有土壤Fe-P含量可与土壤有效磷含量组建线性回归方程，方程为 y=1.799+0.087x1（R=0.848*），其中 y表示有效磷含量，x1表示土壤Fe-P含量。

表4 土壤各形态磷及有机质、养分、pH值指标与水稻产量及农艺性状相关系数

通过相关性分析、通径分析及逐步回归分析，已系统地明确土壤各形态无机磷与土壤有效磷的关系。相关性分析表明，土壤有效磷与土壤Fe-P、Al-P呈显著正相关；通径分析结果表明，对土壤有效磷直接影响较大的无机磷形态为土壤Fe-P、Ca-P；逐步回归分析表明，土壤Fe-P是土壤有效磷的主要贡献者。综合考虑相关分析、通径分析及回归分析的结果，土壤Fe-P为最有效磷源，土壤Al-P、Ca-P为缓效磷源，土壤O-P为非有效磷源。

3 讨论

3.1 长期减量化肥配施不同量紫云英对土壤有机质、养分及水稻产量的影响

紫云英为豆科绿肥，其根瘤菌能共生固氮，紫云英与化肥配施在提高土壤氮含量的同时还能提高土壤有机质、有效磷、速效钾含量［16］，这与本研究结果相似。化肥减量20%配施不同量紫云英（CF0.8G）较单施化肥（CF）显著提高土壤有机质、碱解氮、速效钾含量，主要是紫云英翻压后，土壤中有机质和腐殖质含量增加，与土壤氮、钾结合，有效减少铝、铁等矿物质对土壤中氮、钾固定，同时腐解过程中释放的有机酸等物质能够促进耕层缓效性钾的释放［17］，从而提高土壤中有效养分含量。土壤有效磷能反映土壤供磷能力，减施化肥配施不同量紫云英较单施化肥土壤有效磷含量降低，主要原因是减量化肥配施紫云英处理提高了水稻产量，水稻植株从土壤中吸收较多的磷养分，且紫云英中磷素含量较低，紫云英腐解后对土壤有效磷补充相应较小［17］。减量化肥配施紫云英较单施化肥降低土壤pH值，这与刘春增等［13］、刘国顺等［18］提出的结果相似，主要是绿肥腐解过程中释放的有机酸降低土壤pH值，另外有机肥能促进根系发育，根系分泌的有机酸能降低土壤pH值。

有研究表明［16，19］，化肥减施20%情况下，翻压紫云英15～30 t·hm-2仍能保证水稻不减产，本研究也证实了这一结论。8年定位试验结果显示，减量20%化肥配施紫云英较单施化肥处理水稻年均产量提高3.75%～5.38%，主要是因为紫云英翻压后提高土壤有机质含量，且释放出的养分能满足水稻的生长需求，从而维持和提高水稻产量，水稻产量以减量20%化肥配施22.5或30 t·hm-2紫云英增产效果最好，当配施37.5或45 t·hm-2紫云英时，水稻产量反而有所降低，可能原因是过量紫云英在腐解初期有大量微生物生长繁殖，消耗了土壤中养分，出现微生物与水稻争肥现象［16］，导致有效穗数量降低，从而影响水稻产量。

3.2 减量化肥配施不同量紫云英对土壤无机磷形态组分及有效性影响

众多研究表明，施肥特别是有机无机配施不仅增加土壤无机磷库，还影响土壤无机磷组成和分布，促进无效态磷向有效态转化［20-21］，本研究也得出相似结论。经过8年长期定位试验，各施肥处理土壤无机磷含量较不施肥显著增加，除翻压30 t·hm-2紫云英（CF0.8G30）处理外，减量20%化肥配施紫云英处理（CF0.8G）土壤无机磷含量低于单施化肥（CF），与洪继旺等［22］提出的施用绿肥降低土壤无机磷总量相似，这与转化成有机磷有关，Xu等［23］研究发现，施用有机肥可使土壤中Al-P和Ca-P转化成中等活性和中稳性的有机磷，从而降低土壤无机磷总量。

农田土壤中磷素有效性决定作物生产力。关于不同形态无机磷对有效磷的有效性研究，已有资料显示，在石灰性土壤中，Ca2-P为有效磷源，Ca8-P、Fe-P和Al-P为缓效磷源，Ca10-P和O-P有效性较低，为非有效磷源［6］。在酸性土壤中，土壤Fe-P、Al-P是有效磷源［24］，特别是酸性水稻土，土壤Fe-P决定土壤有效磷的供应水平［25］。本研究中土壤Fe-P有效性最高，为作物最有效磷源，土壤Al-P、Ca-P为作物缓效磷源，土壤O-P在土壤中有效性较低，一般不能被作物利用，为非有效磷源。不同施肥处理土壤无机磷各形态所占平均比例为 O-P（39.21%）＞Fe-P（29.20%）＞Ca-P（17.38%）＞Al-P（14.34%），说明磷素进入土壤后大部分被固定，形成不易被植物吸收利用的形态。减量20%化肥配施不同量紫云英（CF0.8G）较单施化肥（CF）提高土壤Al-P、Fe-P、Ca-P含量和组分比例，降低土壤O-P含量和组分比例，说明经过多年的定位施肥，减量化肥配施紫云英这一有机无机配施模式有促进土壤无机磷向有效态转化的趋势；减量20%化肥配施22.5～45 t·hm-2紫云英约向土壤中施入122.3～136.7 kg·hm-2P2O5，然而，稻田紫云英翻压后磷素的累积释放率仅为70%～90%［26-27］，且在腐解过程中磷素逐渐向难溶性形态转化［28-29］，说明减量20%化肥配施不同量紫云英处理为土壤提供磷量小于单施化肥处理（135 kg·hm-2P2O5），因此翻压紫云英有提高土壤磷素形态有效性的作用，主要是紫云英腐解所产生的有机酸、腐殖质等物质可溶解土壤中磷酸盐，释放出土壤中磷酸钙、磷酸铁、磷酸铝中的磷酸根离子，有机酸根离子及有机质提供的阴离子与磷酸根离子之间竞争吸附位点，减少土壤矿物对磷的吸附固定，从而使土壤中难溶性磷释放出来［1］，向有效态转化。

综上所述，在化肥减施20%条件下配施不同量紫云英能提高土壤磷素有效性，改善土壤肥力，提高水稻产量，充分响应了国家“减肥增效”的战略要求。豫南稻区紫云英鲜草产量一般在30 t·hm-2左右，受稻田土壤地力水平、紫云英播种量等因素的影响，紫云英实际鲜草产量会有所差异，因此还需要进一步研究紫云英全量还田与化肥最佳配比问题，以根据当季稻田紫云英实际鲜草产量确定化肥减施量，充分挖掘种植翻压紫云英的减肥潜力，实现水稻高效、清洁生产。

4 结论

土壤各形态无机磷所占比例大小为O-P＞Fe-P＞Ca-P＞Al-P，长期减量20%化肥配施不同量紫云英较单施化肥提高土壤Fe-P、Al-P、Ca-P含量及组成比例，降低土壤O-P含量及组成比例。

相关分析、通径分析及逐步回归分析结果显示，土壤Fe-P为最有效磷源，Al-P、Ca-P为缓效磷源，O-P为非有效磷源，说明减量化肥配施紫云英促进土壤无机磷向有效态转化。

减量20%化肥配施紫云英及单施化肥增加土壤有效磷、有机质、碱解氮、速效钾含量及水稻产量，降低土壤pH值。土壤Al-P、Fe-P、Ca-P含量与水稻产量及土壤无机磷、碱解氮含量呈显著或极显著相关性。综合考虑土壤磷素有效性、水稻产量及土壤养分，以减量20%化肥配施22.5～30 t·hm-2紫云英效果较好。