长期定位施肥对潮土磷素下移及有效磷生态阈值的研究

2021-01-04张珂珂黄绍敏郭斗斗张水清黄晨晨

中国土壤与肥料 2020年5期

张珂珂，黄绍敏*，郭斗斗，宋晓，岳克，张水清，黄晨晨

（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．郑州大学农学院，河南郑州 450006）

磷素是作物生长的主要营养元素之一，影响着作物产量，但是磷肥的当季利用率仅有5%～25%，若长期施用磷肥易造成土壤中磷素的累积［1-2］。Macdonald 等［3］研究显示全球每年向土壤投入1 420万t 化肥磷和960 万t 有机肥磷，仅有1 230 万t 磷被作物吸收，从而导致了大部分耕地出现磷素显著增加，尤其亚洲东部、巴西南部、欧洲西南部等地区磷素增加更严重。土壤中不能被作物利用的养分，可通过径流或者淋溶进入地下水，对水环境造成污染［4］。农业生产中，土壤中磷素提高能增加磷供应，但磷含量超过一定量会增加磷的流失能力，这也就增加了磷素引起的环境风险［5-7］。因此，合理的管理农田有效磷含量并防止其向下大量的迁移，对农业生态安全具有重要意义。

有效磷含量可为农业生产提供依据。郭斗斗等［8］通过研究潮土有效磷含量与作物产量之间的关系得出，有效磷含量小于13.1 mg/kg 时，小麦产量随有效磷含量增加而增加，超过此值时，有效磷含量增加对小麦的产量没有显著影响，且有效磷长期处于盈余状态，会使其淋失量增大，对农业生态安全造成威胁［9］。而不同地区之间的土壤性质、作物管理及气候等都会对有效磷产生影响，生态安全受到的威胁因素不一［10-11］。另外，牛明芬等［12］通过对潮褐土有效磷研究发现，有效磷含量大于69.4 mg/kg 时磷素随径流或淋溶进入水体，对环境造成危害；还有研究表明，黑垆土0 ～20 cm 土层有效磷含量大于36 mg/kg，磷素可下移到60 cm 土层以下［13］，若长期大量施磷，土壤中有效磷下移进入水体，造成污染。

前人研究有效磷含量大多考虑作物对其的反应以及其在土壤中剖面的分布［8，14-15］。本研究，基于30 年长期定位施肥试验，主要探讨在保障作物产量条件下，避免土壤中过多的磷素下移危害生态安全，因此寻找协调作物高产与环境保护的0 ～20 cm 土层有效磷含量，这一有效磷含量即生态阈值，以期为合理利用磷素和施用磷肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

“国家潮土土壤肥力与肥料效益长期监测站”（113°40′42″E，34°47′55″N），属于典型温带季风气候，每年降水主要集中7、8、9 月份。土壤类型为潮土，质地为轻壤。长期监测试验原址位于河南省郑州市，1988 年开始，经过两年匀地种植，1990 年开始正式试验，在2009 年 5 月采用原状土搬迁方式移至河南省原阳县祝楼乡，位于原试验地正北约 23 km。试验初期（1988 年）土壤pH 值为 8.1、有机质含量 10.6 g/kg、全氮 1.69 g/kg、全磷 0.65 g/kg、有效磷 6.9 mg/kg、碱解氮52.3 mg/kg、速效钾 71.7 mg/kg、缓效钾 647.2 mg/kg。

1.2 试验设计

本研究选取其中5 个处理:（1）不施磷肥（NK）；（2）施氮磷钾（NPK）；（3）氮磷钾化肥和有机肥配施（MNPK），与 NPK 处理等氮量，其中70%的氮由有机肥提供，根据其含氮量确定有机肥的量；（4）1.5MNPK 所有肥料均为 MNPK 处理的 1.5倍；（5）氮磷钾化肥与玉米秸秆还田配施（SNPK），与NPK 处理等氮量，1991 ～2001 年70%的氮由秸秆还田提供（不足部分由同期其他试验区秸秆补充），2002 ～2017 年只将该处理玉米秸秆还田，不足氮量由尿素补足。磷肥为普通过磷酸钙，过磷酸钙中P2O5含量在1991 ～2003、2004 ～2011、2012 ～2017 年分别为12.05%、8%、8.8%，氮肥为尿素，钾肥为氯化钾，施用的有机肥 1990 ～1999年为马粪，2000 ～2010 年为牛粪，其中2007 年没有施用有机肥，2011 ～2017 年为商品有机肥；每年小麦季将前茬玉米秸秆粉碎还田。小麦季氮肥（以N 计）165 kg/hm2、钾肥（以 K2O 计）68.5 kg/hm2，玉米季氮肥（以 N 计）187.5 kg/hm2、钾肥（以 K2O计）94 kg/hm2，每年投入的磷素量见表1，施肥前测定施用有机肥及玉米秸秆的氮、磷、钾含量。2009年之前不设重复，试验区面积16 m×25 m，2009 年原装土搬迁后每小区面积为45 m2，3 次重复。

表1 长期定位试验不同年份磷素总投入量（kg/hm2）

各处理为小麦-玉米轮作，每年度依据土壤和天气状况播种，小麦播种时间为 10 月中旬，玉米为 6 月上旬。小麦季施肥后，深耕一次，玉米季免耕。作物收获时，小麦底部留茬约 15 cm，玉米植株全部清除，NPKS 处理玉米秸秆粉碎还田用于下一季小麦生产。每年度依据土壤状况适当灌溉，保证作物正常生长。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 土壤样品的采集与分析

2009 年之前玉米收获后取土样，用 5 点取样法取土样，在2010 年之后改为小麦收获后取样。1988、2000、2005、2009、2013、2017 年各处理采集剖面土样，其中2005、2009、2013 年土样采集至200 cm，其余年份采集至100 cm。拣去土样中的根茬、石块等杂物，风干后研磨备用。有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定。

1.3.2 统计分析

所有数据采用 Excel 2007、Origin 软件进行数据分析和作图，2005、2009、2013 年土样100 cm以下土层有效磷含量无差异，因此100 cm 以下土层不进行分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有效磷的垂直空间变化

图1 是长期定位试验中潮土剖面有效磷含量分布状况（2009 年之前试验没有设置重复），1988 年试验起始时0 ～100 cm 各土层有效磷含量均小于10 mg/kg，经过30 年不施磷肥（NK），0 ～40 cm 土层有效磷含量较试验起始时（1988 年）有所消耗，且0 ～40 cm 土层耗磷较多，40 ～100 cm 土层与试验起始时基本无差异，这因为一是没有磷的投入，二是为满足作物生长发育，作物根系将不断从土壤中吸收养分，0 ～40 土层有效磷一直处于消耗状态。1991 ～2003 年阶段每年磷投入量77 kg/hm2（NPK处理）及90 kg/hm2（SNPK 处理）0 ～20 cm 土层有效磷含量均小于30 mg/kg，20 ～40 cm 土层有效磷含量分别达到14.2、21.2 mg/kg，高于试验起始值3.8 mg/kg，40～60 cm 以下土层有效磷基本维持在2～4 mg/kg 之间。2003 ～2017 年磷素投入量降低，而各土层有效磷含量与2003 年之前相比变化并不大。

1991 ～2003 年阶段MNPK、1.5 MNPK 处理磷投入量分别为140 、210 kg/hm2，2000 年MNPK、1.5 MNPK 处理0 ～20、20 ～40、40 ～60 cm 分别是起始值5.84、8.8、4 倍和8.96、8.89、5.59 倍；2004 ～2011 年阶段MNPK、1.5 MNPK 处理磷投入量分别为100、150 kg/hm2，2009 年20 ～40 cm土层有效磷含量，分别是试验起始值的6.71、3.58倍，1.5 MNPK 处理40 ～60 cm 土层有效磷含量是试验起始值1.73 倍，而MNPK 处理与试验起始值没差异。2012 年之后MNPK、1.5 MNPK 处理磷投入量分别为130、90 kg/hm2，在2017 年时土壤40 ～60 cm 土层有效磷含量是试验起始值的4.9 倍。

图1 有效磷在0 ～100 cm 土层分布

2.2 0 ～20 cm 土层有效磷含量对磷素移动程度的影响

如图2 所示，直观分析0 ～20 cm 土层有效磷含量对磷素在垂直空间运移影响。长期试验结果显示，0 ～20 cm 土层有效磷含量小于15.7 mg/kg 时，土壤磷素主要分布在20 ～40 cm 土层； 0 ～20 cm土层有效磷含量为15.7 ～24.7 mg/kg 时，40 ～60 cm 土层有效磷含量增加了2 mg/kg，磷素下移的量占0 ～20 cm 土层增加量的31%；0 ～20 cm 土层有效磷含量为24.7 ～55.6 mg/kg 时，土壤中的磷素可以下移到60 ～80 cm 土层，20 ～40、40 ～60、60 ～80 cm 土层磷素增加量占0 ～20 cm 土层增加量的39.4%、20.8%、9.1%。0 ～20 cm 土层土壤有效磷含量55.6 ～69.0 mg/kg 时，20 ～40 cm 有效磷的含量为24.1 ～33.8 mg/kg，磷素增加量占0 ～20 cm 土层增加量的72.5%，40 ～60、60 ～80 cm土层磷素增加量占0 ～20 cm 土层磷素增加量的15.0%、20.9%。综上所述，0 ～20 cm 土层有效磷含量越高，磷素下移不仅深而且量多。

2.3 土壤有效磷与作物产量的关系

土壤有效磷含量与作物产量的关系，如图3，拐点比较明显，有效磷的含量高于15 mg/kg，小麦产量增加缓慢，有效磷含量小于15 mg/kg 时，小麦产量随有效磷含量的增加而增加。而有效磷含量大于10 mg/kg时，玉米产量增加缓慢。小麦产量2011 年达到最高，产量为9 331 kg/hm2，而玉米产量2012 年时最高，产量达到11 487 kg/hm2，有效磷含量到达这一水平后，只要维持这一水平，即可获得高产。

图2 耕层有效磷含量对其移动的影响

图3 作物产量与耕层土壤有效磷的关系

2.4 土壤有效磷生态阈值的确定

在农业生产中，关于有效磷生态阈值，目前还没有明确的定义。本研究中生态阈值主要是基于产量安全、作物根系对养分的吸收情况及磷素下移的情况，即保证作物产量又未对环境造成影响，同时磷素下移的深度有利于作物根系吸收。有效磷生态阈值指0 ～20 cm 土层有效磷含量超过该值不但不能使作物继续增产，还可能会对农业生态造成威胁，同时造成磷资源的浪费。长期定位试验结果表明，0 ～20 cm 土层有效磷含量大于24.7 mg/kg 时，磷素下移至60 ～80 cm；有研究表明，不同类型冬小麦及玉米的根系90%在0 ～60 cm 土层，仅有10%在60 cm 土层以下［16-17］，所以 60 cm 土层以下的有效磷不易被作物吸收利用。0 ～20 cm 土层有效磷含量大于10、15 mg/kg（图3），磷素已不是小麦、玉米产量的限制因素，增加磷的投入量对作物产量不能起显著作用。综上所述，本研究提出，有效磷含量25 mg/kg 可作为潮土有效磷生态阈值。由此，潮土小麦-玉米轮作模式下，为保障生产，保护生态环境，土壤耕层有效磷含量为15 ～25 mg/kg 时，应合理控制磷的投入量；当耕层有效磷含量超出25 mg/kg，减少磷的投入。

3 讨论

3.1 长期施肥对土壤磷流失风险的影响

磷肥投入量超出作物需求量，可使有效磷含量增加，造成土壤中磷素下移。长期施肥的研究结果表明，有机肥配施化肥（1.5 MNPK、MNPK 处理）土壤中磷素下移的深度比施化肥（NPK）及秸秆还田配施（SNPK 处理）深，达到60 ～80 cm 土层，这一方面是因为施肥量高的处理，可使0 ～20 cm土层有效磷含量增高，从而促进磷素下移［18］；另一方面可能是有机肥配施化肥更易使磷素向下迁移，有机肥中含有的有机酸可以活化土壤中的磷素，使土壤对磷的吸附降低，所以使磷素更易于向土壤深层移动［19］。40 年长期试验表明，施用化肥可使磷素下移1.1 m，而施有机肥可达到1.8 m 左右［20］；还有研究表明，施磷量相等的条件下，有机肥中磷在土壤剖面中下移深度比化肥深［21］。另外，本研究还发现，2005 年时MNPK、1.5 MNPK处理20 ～40 cm 土层有效磷含量高于0 ～20 cm 土层，这主要由于0 ～20 cm 土层有效磷含量分别达到54.4、79 mg/kg，已显著高于磷素的淋溶临界值40 mg/kg［9］，又遇到 7 ～10 月份强降雨，促进磷素加速下移。Hesketh 等［22］对连作小麦试验地的研究发现，当有效磷含量达到 60 mg/kg 时，土壤磷素迁移量明显增加。试验数据还表明，0 ～20 cm 土层有效磷含量为15.7 ～24.7 mg/kg，磷素可下移到40 ～60 cm 土层；有效磷含量24.7 ～55.6 mg/kg，磷素可下移到60 ～80 cm 土层。有研究表明，在辽河平原长期施肥条件下，0 ～20 cm 土层土壤有效磷含量为35.1 mg/kg 时，可使磷素下移到60 ～80 cm 土层［15］。0 ～20 cm 土层有效磷含量55.6～69.0 mg/kg 时，磷素下移到60～80 cm 土层，且 20 ～40 cm 土层有效磷增加的量占耕层增加量的72.5%，这充分说明，土壤0 ～20 cm 有效磷含量超过淋溶临界值时，磷素下移的风险增大。

3.2 潮土的生态安全临界值

本研究有效磷生态阈值是基于产量及生态安全前提下，提出合理控制0 ～20 cm 土层有效磷含量。本研究结果表明，潮土区土壤有效磷生态阈值为25 mg/kg。前人研究的玉米Olsen-P 高产临界值范围为 3.9 ～17.3 mg/kg［23-25］，小麦 Olsen-P 高产临界值范围为 4.9 ～20.0 mg/kg［23-24，26］，而本研究通过分析土壤有效磷和作物产量的关系，得出土壤有效磷含量大于15 mg/kg，小麦产量增加不显著，而玉米产量则是土壤有效磷含量大于10 mg/kg 增加不显著，基本符合上述研究结果，生态阈值满足了作物高产，同时对生态没有造成危害。本研究结果还显示，通过30 年的连续施肥，不施磷处理有效磷含量低于此生态阈值，而施磷处理均高于此值，其中 MNPK 处理比生态阈值高出2.7 倍，易加速磷素下移［8］。因此，考虑土壤有效磷生态阈值，NPK、SNPK 处理应控制施肥、适度用肥，使土壤有效磷稳定在一定水平；MNPK 处理的有效磷含量已处于磷素高流失水平，生产者应减少磷的施用量。