滴灌磷肥在灰漠土中运移的研究

杨国江，彭 懿，尹飞虎，石 磊

（1.新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000；2.中国农业大学资源与环境学院，生物多样性与有机农业北京市重点实验室，北京 100193；3.新疆农垦科学院，新疆 石河子 832000）

磷是作物生长所需重要营养元素之一，磷矿又是不可再生资源，目前正在被加速耗竭［1］。由于磷酸根很容易被土壤固定，加之施肥不合理，导致磷肥当季利用率只有15%～20%［2］。因此，提高磷肥的利用效率是保障国家农业资源环境和作物生产安全协调发展的必然要求。

水肥一体化被认为是集根际施肥、水肥供应与作物需求耦合为一体的高效施肥方式，极大地提高了肥料施用效率，同时也大幅度增加了氮肥当季利用率［3］，已经为作物生产带来较高的经济、社会及生态效益［4-5］，但是并没有显著提高磷肥的利用率［6-7］。在磷肥滴施条件下，尽管土壤实测的有效磷浓度已经高于测土配方施肥的土壤临界指标，但是施用磷肥依然表现出对作物的增产作 用［7］。这可能是磷养分的空间异质性导致了土壤剖面有效磷平均值高于作物根分布区实际的土壤有效磷含量［8］。

在应用水肥一体化技术的机采棉生产中，限制磷肥利用效率的主要因素是磷肥在土壤中难移动，易固定。土壤中的磷主要以扩散形式运输至根系表面［9］，正磷酸盐（包括H2PO4-和HPO42-）在土壤中的移动距离很短，施肥后磷酸根离子仅能从肥源向外移动1～3 cm 的距离［10］，磷肥在土壤中很难移动到5 cm以下土层［11-12］，作物根系的分布和有效磷的分布严重不匹配［8］。在滴灌条件下，水溶性磷肥进入土壤后随饱和流在土壤孔隙和毛细管中向下移动，磷肥会在较短的时间内被土壤吸附或发生化学沉淀［13］，无法到达作物根系的主要生长区域，这是制约作物磷肥利用率提高的主要原因之一。迄今为止，大家对滴灌条件下磷肥运移规律的认识还十分有限。

应用32P放射性同位素示踪技术研究磷在土壤中的运移是一种可靠、准确的手段，该技术在众多研究中已得到广泛应用［11-12，14-15］。本研究采用32P示踪技术结合放射性同位素自显影技术，研究了滴灌条件下磷酸一铵在土壤中的移动距离及其规律，为进一步认识滴灌条件下磷肥在土壤中的运移规律、提高水肥一体化模式中磷肥的管理水平提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为灰漠土，取自新疆农垦科学院试验田。土壤有机质含量14.1 g·kg-1，土壤全氮0.89 g·kg-1， 有效磷31.5 mg·kg-1，速效钾377 mg·kg-1，pH值8.28。土壤质地为中壤土，黏粒（<0.002 mm）14.8%， 粉粒（0.002～0.02 mm）64.3%，砂粒（0.02～ 2 mm）20.8%。供试作物为棉花（新陆早33）。试验所用磷肥为磷酸一铵，含N 12%，含P2O561%，总养分73%。放射性同位素32P为无载体医用磷酸氢二钠（Na2H32PO4）。试验所用的磷酸一铵用32P进行标记［16-17］，对照处理用尿素将氮补齐后加入等量无载体的32P。

1.2 试验设计

盆栽试验，采用随机区组设计，设置不施磷肥的对照（CK）和施用磷酸一铵（MAP）2个处理，分别在4个时期取样，包括施肥前（T0），施肥1次后（T1），施肥2次后（T2），施肥3次后（T3），3次重复，共24盆。2015年4月23日播种，4月24日滴出苗水，4月30日出苗，5月12日定苗，6月10日揭膜。苗期喷施缩节胺2次、病虫害防治2次，蕾期喷施缩节胺1次。肥料的初始标记量为204 MBq，第1次施肥标记61 MBq，第2次施肥用102 MBq，第3次施肥用41 MBq。CK处理的标记量与同一时期MAP的标记量相同。由于是无载体的Na2H32PO4，因此不考虑同位素中磷对养分的影响。

试验所用塑料盆直径为40 cm，高40 cm，每盆装土50 kg。每盆种植棉花6株，株距10 cm，行距10 cm（对应生产上66 cm+10 cm的机采栽培模式，见图1a）。施肥量参照大田N 225 kg·hm-2、P2O567.5 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2，氮磷钾配比1∶0.3∶0.2，按单位面积的滴头数折算成每盆的施肥量为氮肥（N）6.843 1 g、磷肥（P2O5）2.052 9 g、钾肥（K2O）1.362 4 g。本试验设置独立的重力滴灌系统，滴头间距为40 cm，滴头流量2.4 L·h-1。滴头放置在盆的正中央，滴水的同时滴施氮肥和钾肥。磷肥单独施用，将标记的肥料装入塑料输液袋中并连接上输液管，把针头固定在滴头的位置，在滴水的同时施入磷肥，对照处理加入与磷肥溶液等体积的清水。试验期间的水肥管理见 表1。

图1 试验及取样示意图

在MAP处理中，预先埋置树脂膜指示32P在土壤中的运移分布（图1b）。试验采用大片苯乙烯季胺型阴离子交换树脂膜，树脂膜大小与盆直径和深度相一致，实验所用的树脂膜为40 cm×40 cm。预先在树脂膜上按照2.5 cm的间距开小孔，以便水分能自由流通，再将打孔后的树脂膜活化为Cl-型［18］， 以便与土壤中的H2PO4-和HPO42-交换。在盆中央平行于滴灌带方向放置处理好的阴离子交换树脂膜，两侧均匀填土压实，装满土后灌水1次（灌水量为田间持水量的100%），使盆内土壤自然沉实。6月19日施入32P标记的磷肥，7月13日 收获。

表1 盆栽试验水肥管理

1.3 样品采集与分析

6月19日开始施用同位素标记的磷肥，分别在施肥前（T0，6月17日），施肥1次后（T1，7月13日），施肥2次后（T2，7月13日和8月3日），施肥3次后（T3，7月13日、8月3日和9月29日）取样。土样分0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm共5个层次采集（图1c），每层采集7个点，取样点的分布见图1d。

7月13日，取出预先埋置的树脂膜，用储磷屏系统来表征磷在土壤中的运移。具体的方法如下：将MS多用途磷屏（美国，43 cm×12.5 cm）覆盖在吸附了32P的树脂膜上，通过24 h曝光，然后将储磷屏放入仪器中，在屏幕上显示出一副完整的树脂膜上磷素分布影像。通过应用储磷屏系统的OptiQuantTM图像分析软件可以获得影像及信号强度等信息，同时可以得到曝光图片。

土壤样品风干后，去除根系、动物残体和石块等杂物，过1 mm筛，用pH值8.5的0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定土壤有效磷的浓度［19］。另外取1 mL土壤浸提液，加入10 mL ULTIMA Gold™ XR闪烁液，在1220型超低本底液闪仪（美国）上用外标准道比法来测定土壤有效磷提取液中32P的放射性活度［16-17］。在每个取样时间，同时采集植物地上部样品，成熟期样品分器官收获。在105℃下杀青30 min，然后在70℃下烘干至恒重，称重。将烘干的植株样品粉碎，过0.5 mm筛，用H2SO4-H2O2消煮，用钒钼黄比色法测定植株磷含量［20］。

1.4 数据统计与分析

试验数据采用Excel 2016进行整理，用SAS 9.4（USA）软件进行统计分析。所有结果作图采用Sigmaplot（Version 10.0）软件完成。每盆取35个土壤样品测定Olsen P和放射性活度，将3个重复中同一深度和同一位置（分别为O、X1、X2、X3、Y1、Y2和Y3）的土壤有效磷和放射性活度值求平均值，根据平均值和位置信息（距离滴头的位置和土层深度），在Sigmaplot 10.0中作有效磷和放射性活度的2D图像，图像中X值代表取样位置和滴头的距离，Y值代表土层深度，颜色表示值的 大小。

2 结果与分析

2.1 模拟滴灌条件下土壤有效磷的空间分布

2.1.1 平行于滴灌带方向上有效磷的空间分布

CK处理5～15 cm深土层中有效磷随种植时间的增加而显著降低，出现了磷素的耗竭区（图2）。5～10 cm土层有效磷在T0时为30.6 mg·kg-1，T2时降低到20.5 mg·kg-1，T3时降低到14.4 mg·kg-1，T3时降低了53%。10～15 cm土层有 效磷从T0时的30.4 mg·kg-1降低到T2时的21.5 mg·kg-1和T3时 的16.0 mg·kg-1，分 别 降 低 了29.3%和47.4%。T3时磷素耗竭的区域进一步扩大到15～20 cm土层，有效磷从T0时的32.2 mg·kg-1降到了T3时的16.8 mg·kg-1，降低了47.8%。

施肥显著提高了土壤0～15 cm深度范围内的有效磷含量（图2）。在T1时，0～5 cm土层的有效磷与T0相比增加78%；在水平方向距离滴头10 cm范围内，T2和 T3时土壤0～15 cm土层的有效磷比T0分别增加32%和31%。在平行于滴灌带的方向，磷肥的移动距离大于垂直方向（图2）。在距离滴头15 cm的位置（平行于滴灌带方向），T1、T2、T3时有效磷分别比T0时增加78%、51%和39%。

第1次 施 肥 后（T1），0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm土 层，MAP处理土壤有效磷的累积量（MAP处理与CK处理有效磷的差值）分别为28.1、-0.01、-3.9、-0.1和-1.0 mg·kg-1。T2时MAP处 理0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm土层有效磷的累积 量 为20.2、14.2、18.4、-1.0和-3.2 mg·kg-1。T3时MAP处理0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm土层有效磷的累积量为23.2、8.2、4.6、-5.9和-8.8 mg·kg-1。说明在T1时，磷肥主要移动到了土壤0～5 cm土层，T2时（施肥2次后）磷肥移动到了土壤0～15 cm土层，T3时（施肥3次后）磷肥可以移动到10～15 cm土层，但磷肥主要集中在0～5 cm土层。

2.1.2 垂直于滴灌带方向上有效磷的空间分布

CK处理5～15 cm深土层也出现了磷素的耗竭区，在T3时扩大到15～20 cm（图3）。5～10 cm土层有效磷在T0时为30.7 mg·kg-1，T2时降低到21.6 mg·kg-1，T3时进一步降低到17.3 mg·kg-1，T3时降低了43.6%。10～15 cm土层有效磷从T0时的30.7 mg·kg-1降低到T2时的22.3 mg·kg-1和T3时的17.5 mg·kg-1，分别降低了27.4%和43.0%。T3时磷素耗竭区域进一步扩大到15～20 cm土层，有效磷从T0时的30.2 mg·kg-1降到了T3时的18.9 mg·kg-1，降低了37.4%。

图2 平行于滴灌带方向有效磷的空间分布

图3 垂直于滴灌带方向有效磷的空间分布

MAP处理中0～5 cm土层有效磷得到了一定程度的补充（图3）。施肥提高了0～5 cm土层有效磷含量，有效磷在T0、T1、T2和T3时分别为31.4、43.8、27.6和37.5 mg·kg-1。5 cm以下土层有效磷在第1次施肥后并没有显著变化。施磷肥提高了水平方向0～5 cm范围内的有效磷含量（图3）。在0～5 cm土层，水平方向0～5 cm区域T0时有效磷含量在31.1 mg·kg-1左右，T1时滴头下方0～5 cm、距离滴头5～10和10～15 cm的有效磷依次为69.5、37.2和31.8 mg·kg-1，分别增加了123%、19.6%和2.3%。T2时在水平方向距滴头0～ 5 cm区域有效磷达到了46.9 mg·kg-1，比T0（30.6 mg·kg-1）增加了53%；T3时在水平方向距滴头5～10 cm，垂直深度0～15 cm区域有效磷为35.5 mg·kg-1，比T0（30.4 mg·kg-1）增加了16.8%。

垂直于滴灌带方向，0～10 cm范围内，在第1次施肥后（T1），0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm土层，MAP处理土壤有效磷的累积量分 别 为22.3、-5.8、-0.5、3.6和-0.8 mg ·kg-1。垂直于滴灌带方向0～10 cm范围内，T2时MAP处理0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm 土层有效磷的累积量分别为13.6、9.5、21.7、3.6和-1.4 mg·kg-1。T3时MAP处 理0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm土 层有效磷的累积量分别为35.2、19.9、15.8、-3.4和-8.2mg·kg-1。说明在T1时，磷肥主要移动到了土壤0～5 cm土层，T2时（施肥2次后）磷肥移动到了土壤0～15 cm土层，在T3时（施肥3次后）磷肥可以移动到0～15 cm土层。

2.2 模拟滴灌条件下磷在土壤中的运移

2.2.1 同位素示踪法测定磷肥在土壤中的迁移

T1时，MAP处理磷在土壤中垂直移动的距离主要在0～5 cm范围（图4）。同位素32P 在0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm土层的比例分别为86.70%、2.79%、4.39%、2.32%和3.80%。平行于滴灌带的方向上，水平移动距离达到10～15 cm。0～5 cm土层中，滴头下方0～5 cm、距离滴头5～10、10～15和15～20 cm同位素32P的比例分别为24.0%、42.3%、32.8%和0.9%。垂直于滴灌带方向上，磷肥的移动距离有限，为0～10 cm范围，且集中在0～5 cm以内。0～5 cm土层中，滴头下方0～5 cm、距离滴头5～10、10～15和15～20 cm同位素32P的比例分别为78.3%、19.5%、1.2%和1.0%。

T2时，MAP处理磷在土壤中垂直移动的距离主要在0～10 cm范围（图4）。同位素32P在0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm土层的比例分别为37.11%、47.11%、3.01%、10.45%和2.32%。平行于滴灌带的方向上，水平移动距离达到15～20 cm。0～10 cm土层中，滴头下方0～5 cm、距离滴头5～10、10～15和15～20 cm同位素32P的比例分别为17.18%、35.20%、24.32%和23.30%。垂直于滴灌带方向上，磷肥的移动距离有限，为0～10 cm范围。0～10 cm土层中，滴头下方0～5 cm、距离滴头5～10、10～15和15～20 cm同位素32P的比例分别为69.61%、26.94%、2.45%和1.00%。

T3时，MAP处理磷在土壤中垂直移动的距离主要在0～10 cm范围，最远可达15～20 cm土层（图4）。水平方向距滴头10 cm范围内同位素32P在0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm土层的比例分别为7.69%、41.37%、21.38%、21.49%和8.08%。平行于滴灌带的方向上，水平移动距离达到10～15 cm。0～10 cm土层中，滴头下方0～5 cm、距离滴头5～10、10～15和15～20 cm同位素32P的比例分别为35.68%、31.68%、21.12%和11.52%。垂直于滴灌带方向上，磷肥的移动距离有限，在0～10 cm范围。0～10 cm土层中，滴头下方0～5 cm、距离滴头5～10、10～15和15～20 cm同位素32P的 比 例 分 别 为39.57%、37.09%、12.95%和 10.38%。

CK处理中，将无载体的32P加入清水中滴入土壤，发现其移动距离要小于相同时（T3）MAP处理，仅为5～10 cm（图4）。水平方向距滴头10 cm范围内同位素32P在0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 cm土层的比例分别为8.89%、63.77%、7.11%、9.56%和10.67%。平行于滴灌带的方向上，水平移动距离仅为0～5 cm，而相同条件下MAP处理为10～15 cm。0～10 cm土层中，滴头下方0～5 cm、距离滴头5～10、10～15和15～20 cm同位素32P的比例分别为59.17%、10.21%、14.29%和16.33%。垂直于滴灌带方向上，磷肥的移动距离在0～10 cm范围。0～10 cm土层中，滴头下方0～5 cm、距离滴头5～10、10～15和15～20 cm同位素32P的比例分别为33.13%、42.87%、9.53%和14.47%。

2.2.2 放射性自显影技术测定磷肥在土壤中的迁移

通过放射性同位素32P自显影技术得到的图片说明，滴灌磷肥在土壤中的移动距离较小，一般不超过5 cm，而且主要集中在0～3 cm的土层，尤其是在0～1.5 cm土层有更高的累积（图5）。分层测定的树脂膜中32P的活度显示，在表层0～5 cm范围内，其占到了97.99%，5～10 cm土层为1.57%，其余3层32P放射性活度的比例均低于0.5%（图5）。

图4 放射性同位素32P活度的空间分布

2.3 棉花的生物量、产量与吸磷量

在不同取样时期测定了棉花的生物量，发现CK和MAP处理之间并没有显著差异（T0：P=0.99；T1：P=0.24；T2：P=0.99；T3：P=0.56；图6 a）。MAP产量比CK高8.9%（F=0.37，P=0.58），吸磷量比CK高3.7%（F=0.10，P=0.77），但是均没有显著差异（图6 b，c）。

3 讨论

3.1 磷酸一铵滴施能显著增加0～15 cm土层有效磷含量

图5 MAP处理放射性同位素32P在树脂膜上的空间分布和不同深度的放射性活度分布

图6 不同取样时期棉花的地上生物量以及不同处理成熟期棉花产量和吸磷量

随着棉花生长时间的延长，土壤中出现了明显的磷素耗竭区（图2，图3），主要分布在深5～15 cm土层，棉花生育后期，磷素耗竭区进一步扩展到5～20 cm深土层。第1次滴施磷肥（T1）后在0～5 cm土层有效磷得到了补充（图2，图3）。在平行于滴灌带方向上，第2次施肥（T2）后提高了5～15 cm土层有效磷（图2），而垂直于滴灌带方向上，5 cm以下土层有效磷并没有显著增加（图3）。平行于滴灌带方向上，施磷肥提高了水平方向0～15 cm范围内的有效磷含量（图2）。垂直于滴灌带方向上，施磷肥提高了水平方向0～5 cm范围内的有效磷含量（图3），最远可以到达5～10 cm。结果说明，滴施磷肥最多能够补充土壤深0～15 cm，平行于滴灌带方向0～ 15 cm，垂直于滴灌带方向0～10 cm空间内的有效磷（图2，图3）。这一区域基本上能够和土壤磷素耗竭区重合。Mai等［8］发现，土壤0～10 cm的有效磷很高，超过了整个土壤剖面的50%，在10～15 cm土层迅速降低到10%左右，15～20 cm土层仅有9%左右，这与本试验结果比较接近，滴施磷肥最有效的空间还是在土壤0～10 cm土层。棉花的生长主要造成了土壤5～15 cm深土层磷的耗竭，而滴施磷肥至少可以补充至少0～10 cm土层的有效磷（图2，图3），这也验证了在生产中观察到的现象：在高于测土配方施肥的土壤临界指标条件下，滴施磷肥依然表现出对作物的增产效应［7］。然而，本研究虽然证明了滴灌磷肥在土壤中能移动较远的距离（0～10 cm），可以有效补充磷素耗竭区的有效磷，但是并没有观察到CK和MAP处理间生物量、产量和吸磷量的显著差异，原因可能是试验用土壤的有效磷含量大大超过了测土配方施肥的临界值，土壤自身的养分已经完全能够满足棉花生长的需求。

3.2 滴灌磷肥在土壤中的移动距离主要在0～10 cm 范围内

滴施磷肥在土壤中的垂直移动距离主要在0～5 cm范围之内（图4，图5），有些情况下可以到达0～10 cm土层（图4 T2），甚至最远可达15～20 cm土层（图4 T3）。在平行于滴灌带方向上，磷肥随水滴施后可移动到10～15 cm的区域，最远甚至可以到达15～20 cm的区域（图4）。垂直于滴灌带方向上，磷肥的移动距离主要在0～10 cm范围内，且集中在0～5 cm（图4）。滴施磷肥主要集中在0～10 cm深，平行于滴灌带方向0～15 cm，垂直于滴灌带方向0～10 cm的区域。个别情况下可以移动到0～20 cm深，平行于滴灌带方向0～20 cm，垂直于滴灌带方向0～10 cm的区域（图4 T3）。

本研究中利用树脂膜吸附结合同位素自显影技术发现，滴灌磷肥在土壤中的移动距离较小（不超过5～10 cm），而且大于5 cm土层中磷肥所占的比例很小（图5），根据自显影结果来看，磷肥在表层0～2 cm的累积量非常大这一结果与前人的研究结果基本一致。然而本试验利用同位素示踪法得到的结果表明：滴施磷肥在土壤中移动的距离超过了10 cm，这与大多数的研究结果有较大差异。尹飞虎等［11］采用同位素研究方法证明磷酸二铵随水滴施进入土壤的最大垂直移动距离为6.2 cm，而滴灌专用肥移动距离可增加至7.6 cm。然而，根据李晓兰等［12］利用32P同位素标记得到的结果来看，磷肥在土壤中的移动距离有限，大约在5～6 cm，仅有极少数的磷肥在土壤中的移动距离超过了8 cm，累积在表层0～5 cm土壤中的磷超过了70%。哈丽哈什等［21］利用DGT技术研究发现，滴施磷肥可以增加5～15 cm土层肥料磷的分布。通常降低土壤容重可增加磷肥移动。同位素标记试验证明，在疏松的森林土中（容重1.1 g·cm-3），磷肥垂直移动距离较褐土（容重1.4 g·cm-3）增加了24%［22］。将腐殖质加入土壤降低土壤容重后，可使水溶性磷在土壤中的移动距离增加1～3 cm［23］。这可能是因为：饱和流在土壤毛细管内的移动距离决定着随水滴施的磷肥所能到达的最大土壤深度，容重过大会阻断饱和流的移动而成为非饱和流，在此情况下磷肥只能靠扩散移动，而磷酸根离子在土壤中的扩散移动距离是极其有 限的［10］。

在本研究中，利用树脂膜结合同位素自显影的试验在实施过程中，树脂膜两侧的土壤是被均匀压实而且装满土后灌水一次（灌水量为田间持水量的100%），盆内土壤随水沉降，土壤中的孔隙较少，磷肥在土壤中的移动主要靠扩散，因此磷肥的移动距离主要集中在0～5 cm范围，超过5 cm的比例很小。同位素示踪的实验中，由于在不同时期灌水（表1），土壤经历了干湿交替，从而形成了较多的孔隙，滴灌磷肥可以顺着孔隙移动到更深的距离，这在T2和T3表现尤为明显（图4），与哈丽哈什等［21］在田间利用DGT法得出的结论 一致。

3.3 磷肥的运移距离受正磷酸盐浓度的影响

在本研究中，CK处理将无载体的32P加入清水中滴入土壤，发现其移动距离要小于相同时期（T3）MAP处理（图4）；在平行于滴灌带的方向上，CK处理磷的水平移动距离仅为MAP处理的一半（图4）。李晓兰等［12］、邓兰兰等［24］利用根槽研究了磷在土壤中的运移，同样发现磷肥的运移距离和正磷酸盐的浓度也有很大关系。随土壤积累态磷的增加，土壤磷素的积累饱和度增加，土壤的固磷能力减小［25］，土壤中饱和流沿土壤孔隙可以移动更远的距离。

4 结论

滴施磷肥可以提高平行于滴灌带方向0～15 cm、垂直于滴灌带方向0～10 cm区域内0～15 cm土层的有效磷含量。滴施磷肥在适宜的条件下垂直移动距离能超过10 cm。