长期施肥下红壤旱地磷素有效性影响因子的冗余分析

王 蕾，王艳玲，李 欢，石嘉琦，周亦靖

（南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京 210044）

红壤是我国南方热带、亚热带地区的典型土壤，具有酸性强、结构性差、养分含量低（尤其是磷素肥力低下）等特征［1］，而南方红壤淋溶强烈，因富含铁、铝、锰极易使土壤发生固磷作用，磷肥利用率仅有10%左右［2］。因此，改良红壤、培肥红壤，特别是红壤磷素肥力的定向培育一直是红壤区农业生产中的重点。长期施用磷肥或配施作物秸秆及粪肥是改善土壤团聚结构、提高土壤磷素肥力的重要措施。有研究表明，长期施用磷肥虽然可以提高土壤磷素有效性，但土壤有效磷含量上升到一定水平，施磷增产效果则显著降低［3］；也有研究发现，长期施用有机肥或配施无机肥均可显著提高土壤全磷和有效磷含量，有利于土壤有效磷的稳定供给［4］，而有机肥和土壤有机质中富含的有机酸可以活化土壤中的磷酸根离子进而提高土壤磷素有效性［3］。

土壤团聚体是良好土壤结构维护与恢复的重要物质基础与基本单元，也是土壤磷素固存与转运的重要载体，其粒径组成与稳定性对土壤磷素有效性发挥具有重要的调节作用。长期施用磷肥可以显著增加红壤旱地中＞1 mm粒级团聚体比例，促进小粒级团聚体向大粒级转化，微团聚体由于具有较大的比表面积进而能吸附更多有机质，通过胶结作用附着在大团聚体表面，提高了大团聚体对土壤有机质以及磷素的吸收［5］；配施猪厩肥不仅可以显著增加红壤旱地大小粒级团聚体的全磷及有效磷含量，还能显著降低各粒级团聚体的固磷能力及磷素储存容量［6-7］。红壤具有两性电荷特征，随着土壤pH降低，表面正电荷增加、负电荷减少，会提高土壤中铁、铝氧化物对磷酸根的吸附作用，进而降低土壤磷素有效性［4］。而长期施肥，尤其施氮肥易加剧土壤酸化，造成土壤磷库消耗，增施有机肥能够通过归还部分碱性物质及降低土壤交换性铝的含量进而改善红壤酸度［8］。研究发现，土壤磷素有效性受土壤结构组成、pH值、铁铝氧化物、阳离子交换量等诸多因素影响，关于各土壤因素与土壤有效磷简单相关关系的研究较多，但对各种因子综合影响的研究相对较少［9］。因此，为明确土壤各种测试指标与土壤磷素有效性之间的耦合依存关系，本研究在相关分析的基础上，采用冗余分析对二者间的关系进行深入地分析与探讨。

冗余分析（Redundancy analysis，RDA）是一种回归分析结合主成分分析的排序方法，能够反映响应变量与解释变量之间的相关关系［10］，近年来，广泛应用于生态学与土壤学的研究中［11-12］。因此，本文以长期施肥的红壤旱地为研究对象，以土壤大小粒级团聚体组成比例、土壤颗粒的机械组成、土壤pH值、铁铝氧化物、阳离子交换量（CEC）、分形维数（D）、平均重量直径（MWD）及磷的测定值为研究变量，采用RDA方法探讨长期施肥条件下土壤全磷（TP）及有效磷（Bray-P）含量对各种土壤测试指标变化的响应，旨在明确影响红壤旱地磷素有效性的主控因子，从而为红壤旱地磷素养分供应能力的有效提升提供科学指导与理论依据。

1 材料与方法

1.1 长期肥料定位试验地概况

红壤旱地长期肥料定位试验地位于江西省鹰潭农田生态系统国家野外研究站（116°41′～117°09′E，28°04′～28°37′N）院内。无机肥试验区设：NPK、NP、PK、NK、NPKCa和NPKCaS，共6个处理（Ca代表施用石膏，S代表施用微量元素）；有机无机肥配施试验区设：CK（1/2NPK）、CK+猪厩肥（PM）、CK+绿肥（FR）、CK+稻秆（RS）和CK+花生秸秆本田还田（PS），共5个处理。其中，CK处理为常规NPK肥用量的一半，鲜猪粪、鲜萝卜菜及风干水稻秆的用量依次为30000、30000和3000 kg·hm-2，每个小区收获后的花生秸秆全部本田还田，施用量视当年收成而定。试验小区面积为33 m2，每个处理重复3次，随机排列。1995年以前该试验区进行花生和油菜轮作，后改为一季花生，冬季休田。1988～2014年各小区具体肥料用量及施肥历史详情参见文献［6］。

1.2 测试指标与分析方法

土壤pH采用电位法，液土比为2.5∶1；游离铁铝氧化物（f-Fe2O3，f-Al2O3）采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠（DCB）法提取、非晶质铁铝氧化物（a-Fe2O3，a-Al2O3）采用酸性草酸铵（pH=3.20）溶液提取，上述提取液中的铁铝浓度用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP）测定；阳离子交换量（CEC）采用醋酸铵法提取，凯氏定氮法测定；土壤全磷（TP）采用硫酸-高氯酸消煮，钼蓝比色法测定；有效磷（Bray-P）采用盐酸氟化铵法提取，溶液中的磷采用钼蓝比色法测定。上述指标的测定方法详见鲁如坤［13］的《土壤农业化学分析方法》。采用水分散-湿筛法获得土壤中粒级2～0.25 mm（1级）的团聚体，再根据Stock’s定律，采用吸管法逐级提取获得土壤中0.25～0.05 mm（2级）、0.05～0.01 mm（3级）、0.01～0.005 mm（4级）和＜0.005 mm（5级）粒级团聚体，将各粒级团聚体烘后计重；并采用以下公式计算各粒级团聚体比例（PSAi）、土壤平均重量直径（MWD）和土壤分形维数（D）［14］：

式中：wi为第i级团聚体重量（g）；w为所有粒级团聚体重量（g）；di为第i级团聚体平均直径（mm）；r为土壤颗粒直径（mm）；Ri为第i级团聚体的平均直径（mm）；Rmax为团聚体的最大直径（mm）；V（r＜Ri）为直径小于Ri的团聚体体积（%）；VT为团聚体总体积（%）。

1.3 冗余分析原理及数据处理

冗余分析是生态学中解释物种信息与环境变量之间关系的一种排序方法［15］，能够综合分析多个变量产生的影响［16］，有效评价一组变量对另一组变量的影响［17］。其计算原理如图1，即先进行矩阵Y（即中心化的响应变量矩阵）与矩阵X（即中心化的解释变量矩阵）间的多元回归，得到对应的拟合值矩阵Y*；再对Y*进行主成分分析，得到含有特征根向量的矩阵Z；最后结合矩阵Z计算得出两套样方排序坐标，由响应变量矩阵Y定义的空间中生成一个排序，由解释变量矩阵X定义的空间中生成另一个排序［18-19］。在排序过程中，要让前面几个排序轴尽可能包含大部分生态信息［20］。一般常用的排序图为二维图，以此为例，若要分析含有P个物种的N个样方之间的关系，排序时会在P维空间内找到一个平面，使得N个样方投影到该平面上的点的位置能够最大程度与原来样方的位置一致，良好的排序方法能使投影过程中损失的信息尽可能减少［20］。

首先，利用Excel 2013与SPSS 22.0统计软件对数据作预处理和统计分析；然后，采用RDA方法对各施肥处理的土壤TP、Bray-P、pH值、PSAi、铁铝氧化物、CEC等指标进行排序。冗余分析涉及两个矩阵即响应变量矩阵与解释变量矩阵，本研究中分别对应红壤磷素（TP、Bray-P）数据矩阵与土壤pH值、PSAi、铁铝氧化物、CEC等土壤测试指标数据矩阵。红壤磷素数据矩阵为P×N维，P是各进行3次重复的11种施肥处理，共33次，N代表红壤磷素含量。土壤测试指标数据矩阵为P×Q维，Q为各项土壤测试指标。排序前对所有不同量纲的变量进行标准化处理，排序后的RDA图中射线代表土壤磷素含量及土壤测试指标，土壤测试指标所在射线的长短表示其对土壤磷素含量影响的大小，射线之间的夹角代表土壤测试指标与土壤磷素含量之间的相关关系，夹角越小，表示相关性越大。射线越长代表该种土壤测试指标与土壤磷素含量的相关性越大，反之则越小［10］。射线所处象限代表土壤磷素含量和土壤测试指标与排序轴的正负相关性。横轴为第一排序轴，纵轴为第二排序轴，射线在排序轴上投影的长短表示某个土壤测试指标与排序轴的相关性大小，投影长度越长，则表示相关性越大。

本研究采用R语言中的Vegan软件包［19］进行RDA分析。数据统计分析采用SPSS 20.0软件，绘图采用Origin 2018软件。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对红壤旱地团聚体粒级分布特征的影响

长期施肥对红壤旱地大小团聚体的分布比例具有明显的调控作用。在有机无机肥配施区，与CK处理相比，FR处理的红壤旱地中2～0.25 mm粒级团聚体比例（PSA1）显著增加了2.3%，其他处理无显著变化；PS、RS、FR和PM处理的红壤旱地中0.25～0.05mm粒级团聚体比例（PSA2）分别显著降低了1.2%、1.2%、3.0%和5.1%；PS和PM处理的红壤旱地中0.05～0.01 mm粒级微团聚体比例（PSA3）分别显著提高了1.0%和1.9%，而RS和FR处理无显著变化；只有PM处理的红壤旱地中0.01～0.005 mm和＜0.005 mm两个粒级微团聚体比例（PSA4和PSA5）分别显著提高了1.0%和2.7%，而其它处理无显著变化（表1）。在无机肥区，与NPK处理相比，NPKCaS、NPKCa、PK和NK处理的红壤旱地中PSA1分别显著降低了7.5%、10.3%、5.3%和3.2%，NP处理无显著变化；NK处理的红壤旱地中PSA2显著提高了1.6%，其他处理无显著变化；NPKCaS、NPKCa、PK和NK处理的红壤旱地中PSA3分别显著提高了4.8%、5.3%、2.8%和6.3%，NP处理无显著变化；NPKCaS、NPKCa和PK处理均显著提高了PSA4和PSA5，分别比NPK处理提高了1.7%、1.9%、0.8%和1.3%、2.3%、0.9%，而NP处理对PSA4和PSA5均无显著影响，NK处理的红壤旱地中PSA4和PSA5分别显著降低了2.0%和2.8%（表1）。

与CK处理相比，只有PM处理的土壤D值显著增加了0.13，而其它处理无显著变化；有机无机肥配施区所有处理的土壤MWD均无显著差异（表1）。在无机肥区，与NPK处理相比，NPKCaS和NPKCa处理显著降低了红壤旱地MWD，NK处理的红壤旱地D值显著降低了0.51，其它处理的MWD与D均无显著变化（表1）。

2.2 长期施肥对红壤旱地pH值、CEC及铁铝氧化物的影响

与CK处理相比，长期配施有机肥对红壤旱地pH值均无显著影响；在无机肥区，与NPK处理相比，NPKCaS、NPKCa和PK处理的红壤旱地pH分别显著提高了0.77、0.68和0.46，而NK处理使土壤pH显著降低了0.61，NP处理则无显著变化；总体来看，与长期施化肥相比，长期配施有机肥可以明显降低土壤pH值（表1）。与CK处理相比，FR处理的红壤旱地CEC显著降低了0.93 cmol/kg，而PM处理却显著增加了1.40 cmol/kg，PS和RS处理则无显著影响；在无机肥区，与NPK处理相比，NPKCaS和NK处理的红壤旱地中CEC分别显著降低了0.72和0.81 cmol/kg，其他处理则无显著影响（表1）。

表1 长期施肥（1988～2014年）红壤旱地土壤物理化学性质

铁铝氧化物是红壤中重要的无机胶结物质，对于红壤旱地团聚结构的稳定性以及土壤磷素转化与供应影响作用显著。在有机无机肥配施区，与CK处理相比，FR和RS处理的红壤旱地中游离氧化铁（f-Fe2O3）和游离氧化铝（f-Al2O3）含量分别显著降低了1.69 g/kg与显著提高了0.66 g/kg；PS、RS与FR处理的红壤旱地中非晶质铁铝氧化物（a-Al2O3与a-Fe2O3）含量均显著降低，但游离铁铝氧化物无显著变化；PM处理中f-Fe2O3与f-Al2O3分别显著降低了2.08和1.63 g/kg，而a-Fe2O3含量显著提高了0.29 g/kg，但a-Al2O3无显著变化（图2）。

在无机肥区，NPKCaS和NP处理的红壤旱地中f-Fe2O3和f-Al2O3含量分别显著降低了1.67、1.46 g/kg与1.22、0.82 g/kg，而a-Fe2O3含量分别显著增加了0.65和0.25 g/kg，但a-Al2O3含量分别显著降低了0.41和0.20 g/kg；NPKCa处理的红壤旱地中f-Fe2O3无显著变化，f-Al2O3含量显著提高了0.98 g/kg，而a-Fe2O3含量显著增加了0.27 g/kg，但a-Al2O3含量显著降低了0.23 g/kg；PK处理的红壤旱地中f-Fe2O3和f-Al2O3含量分别显著增加了1.99和0.99 g/kg，而a-Fe2O3含量显著提高了0.65 g/kg，但a-Al2O3含量显著降低了0.34 g/kg；NK处理的红壤旱地中f-Fe2O3显著降低了1.49 g/kg，f-Al2O3无 显著 变化，而a-Fe2O3含 量显著降低了0.31 g/kg，但a-Al2O3含量显著提高了0.68 g/kg（图2）。

2.3 长期施肥对红壤旱地全磷及有效磷的影响

在有机无机肥配施区，与CK处理相比，只有PM处理可以显著增加红壤旱地及各粒级团聚体中的TP及Bray-P含量（4级粒级团聚体除外），而其它处理无显著影响；所有有机肥处理均显著降低了4级粒级团聚体的Bray-P含量，而同一处理下均为3级粒级团聚体的Bray-P含量最高（表2）。

在无机肥区，与NPK处理相比，NK处理显著降低了红壤旱地及各粒级团聚体中的TP及Bray-P含量（4级粒级团聚体除外）；所有无机肥处理的红壤旱地各粒级团聚体的Bray-P含量均呈现出1级粒级团聚体的Bray-P含量最低（表2）。

2.4 红壤旱地磷素有效性影响因子的冗余分析

表2 长期施肥（1988～2014年）红壤旱地各粒级团聚体全磷及有效磷的含量变化

相关分析表明，红壤旱地TP与土壤pH、PSA4、PSA5、CEC及D均呈显著或极显著正相关关系（表3），而与PSA2呈极显著负相关关系（P＜0.01）；Bray-P与PSA5、CEC呈极显著正相关关系（P＜0.01），而与PSA2和f- Al2O3则呈极显著负相关关系（P＜0.01）。整体来看，与TP和Bray-P均有极显著相关关系的土壤测试指标为PSA2、PSA5和CEC（P＜0.01）（表3）。

表3 红壤旱地磷素含量主要影响因子的相关性分析

以土壤TP和Bray-P为响应变量，土壤pH、PSAi、f-Fe2O3、f-Al2O3、a-Fe2O3、a-Al2O3、MWD、CEC和D等土壤测试指标为解释变量进行冗余分析（图3）。结果表明，RDA第1和第2排序轴累计解释了上述土壤测试指标对红壤旱地碳氮含量变化影响程度的79.73%（表4），且第1轴包含了大部分磷素有效性影响因子信息。RDA排序图中（图3），第1排序轴中CEC、PSA2、PSA5和f-Al2O3与第1轴的关系最为密切，其相关系数分别为-0.710、0.555、-0.553和0.507（P＜0.01）（表4），说明第1轴主要反映了CEC、PSA2、PSA5和f-Al2O3的梯度变化，此外，f-Fe2O3和D与第一轴的相关性也较大，相关系数分别为0.384和-0.372（P＜0.01）。土壤测试指标与第2轴相关性最大的是土壤pH，相关系数达到-0.758（P＜0.001），其次为D、PSA4、PSA5、f-Fe2O3、f-Al2O3和a-Fe2O3，其相关系数分别为-0.682、-0.613、-0.544、-0.500、-0.442和-0.608（P＜0.01）（表4）。图3中TP和Bray-P各自所在射线与各土壤测试指标所在射线之间的夹角大小及其射线长度说明了各土壤测试指标对红壤旱地磷素有效性的影响程度：TP和Bray-P最易受到pH、CEC、PSA2、PSA4、PSA5、D、f-Fe2O3、f-Al2O3和a-Fe2O3的影响，且对TP和Bray-P均有正面影响的土壤测试指标为pH、CEC、PSA4、PSA5、D和a-Fe2O3，均有负面影响的土壤测试指标为PSA2，其中，pH对TP的影响程度最大，CEC对Bray-P的影响程度最大。由此可见，红壤旱地磷素有效性的影响因子并不是单一的，这与上述相关分析所得到的仅有PSA2、PSA5、CEC各自与磷素含量有关的结果存在一定区别，说明冗余分析可以更全面直观地反映出彼此相关的土壤测试指标对磷素有效性的影响及影响程度。此外，从图3还可以看出，不同施肥处理的影响差异显著，其中，PM处理占据第2象限且聚类程度较好，与Bray-P所在射线关系密切，而PK、NPKCa和NPKCaS处理均与TP所在射线关系较为密切，说明长期配施厩肥或者增施磷肥可以显著影响红壤旱地磷素有效性。

3 讨论

长期施化肥或配施有机肥可以显著影响红壤旱地的团聚体结构、改变大小团聚体磷素的储量及周转；红壤旱地物理化学性质的改变是长期施肥的直接作用。与长期施用化肥相比，长期配施有机肥可以明显降低红壤旱地pH（表1）；在无机肥区，长期施用石灰、石膏等碱性物料是提高红壤旱地pH的直接原因；长期未施磷肥的NK处理中土壤pH和CEC含量均显著降低，这与长期施入土壤的铵态氮肥超过作物所需范围时，铵根离子的硝化以及硝酸根的淋洗会引起土壤酸化有关［8］。有研究表明，长期施用化学氮肥（包括单施氮肥、氮磷配施和氮磷钾配施）会降低红壤pH，加剧土壤酸化，尤其是单施化学氮肥时土壤pH降幅较大，而在氮肥基础上配施磷肥能够增加土壤对氮和水分的吸收作用，使得土壤酸度有所缓和［21］，这与本研究中NPKCaS、NPKCa和PK处理可以显著增加土壤pH一致。此外，pH值的降低会减少土壤胶体微粒表面所载电荷，导致CEC也会降低，因此NK处理下CEC显著降低（表1）。对于有机无机肥配施区，其处理下的土壤平均pH与CK处理对比并无显著差异，但对pH值的提升有一定效果。蔡泽江等［8］认为，施用有机肥（化学肥料配施有机肥和单施有机肥）能使土壤 pH保持稳定或较试验开始有所升高，具有较显著的延缓土壤酸化的效果。本研究也发现，与CK处理相比，配施有机肥处理的土壤pH均有所提高，尤其是PM处理提升程度较大，这与厩肥具有腐殖化系数高的特征有关，通过降低土壤容重和紧实度，提高土壤pH值［22］。由于pH值的提高，相应地PM处理可以显著增加土壤CEC（表1）。

长期配施猪厩肥还可以显著增加红壤旱地及各粒级团聚体的TP与Bray-P含量（表2），这与富含有机质与微生物的猪粪在腐解、矿化过程中释放大量有机酸进而活化土壤中积累态磷，提高土壤有效磷含量有关［23-24］。本研究中，NK处理由于长期缺外源磷而使土壤磷素累积量显著降低。相关分析表明，土壤pH、CEC、PSA2、PSA4、PSA5、D、f-Fe2O3、f-Al2O3和a-Fe2O3对红壤旱地TP及Bray-P的影响较为显著；其中，土壤pH对红壤旱地TP影响最大，CEC对红壤旱地Bray-P影响最大。土壤pH变化直接影响着土壤溶液中磷酸根离子的解离，在偏酸性环境中，磷易与铁、铝化合形成磷酸铁、磷酸铝，从而导致红壤固磷能力增强、磷素有效性降低［25］。李杰等［2］认为，南方酸性红壤中限制磷素有效性发挥的主要原因就是土壤pH偏低，当土壤酸度变大时，铁铝氧化物受到的溶蚀作用增强进而破坏磷素的专属性吸附。有研究认为，酸性土壤施用石灰后，代换性铝被聚合态铝取代附着在土壤胶体表面，而代换性铝的负电性和聚合态铝的正电性会减少土壤的负电荷数量，同时聚合态铝Al-OH表面可以增强对磷的吸附［8］。

CEC与土壤有效磷含量关系最为密切，其实就是与土壤pH有关，因为土壤胶体微粒表面羟基的解离会受介质pH值的影响，当pH值升高时，土壤胶体微粒表面所载电荷会增加，进而CEC也会增加。红壤旱地磷素有效性还与PSA2、PSA4、PSA5、f-Fe2O3、f-Al2O3、a-Fe2O3和D存在相关关系，这是因为磷酸根离子极易被铁、铝氧化物以及黏粒矿物所吸附固定，且受微团聚体影响较大［26］。f-Fe2O3、f-Al2O3、a-Fe2O3都 是 良 好 的 土壤矿质胶体，具有比表面积大、反应活性和吸附性高、离子交换性强等特征，对于土壤的吸收性能起重要作用，是磷的主要吸附基质，吸附在铁铝氧化物表面的磷可以向更稳定的化学吸附态磷转变［2，27］。赖庆旺等［28］发现有机肥料可以维持土壤有机碳素平衡，通过降低铁铝氧化物表面对磷吸附位点来提高磷肥的有效性。PSA4、PSA5与红壤旱地磷素有效性的正相关关系表明，土壤中小粒级微团聚体具有较强的磷素存储能力，尤其在配施猪厩肥处理下团聚体供磷水平较高，这与微团聚体具有较大的比表面积而具有较强的吸附能力有关［29］，不同粒级团聚体对磷酸根的吸附与解吸性能不同，一般微团聚体粒级越小，则对磷素的吸附保存能力越强，黏土矿物对磷有固定作用，随着微团聚体粒级的增大，对磷酸根的吸附量明显减少［21］，而PSA2与红壤旱地磷素有效性的负相关关系则表明较大粒级的微团聚体内磷素释供能力强，且本研究中长期配施有机肥显著降低了PSA2，也会引起该粒级微团聚体内磷素含量下降（表1），PSA2、PSA4、PSA5与土壤磷素含量存在相关性说明，以PSA2、PSA4、PSA5为代表的土壤微团聚体在构成土壤磷素供应水平的基础中存在重要作用。D可以较好地衡量土壤肥力特性，反映土壤颗粒对土壤空间填充能力的大小，一般土壤颗粒越细，D就越大；土壤颗粒细粒化过程中，土壤磷素等营养物质所在细粒比重增加，土壤肥力相应增加［30-31］。

4 结论

长期施磷或配施猪粪可以显著增加红壤旱地及各粒级团聚体的全磷及有效磷含量。土壤pH、CEC、铁铝氧化物及0.25～0.05、0.001～0.005、＜0.005 mm粒级团聚体的组成比例及土壤分形维数是影响红壤旱地磷素有效性的主控因子；其中，pH和CEC的影响最大。因此，有效地改善红壤旱地的酸性环境与调节土壤阳离子交换量是提高红壤旱地磷素供应效率的关键。