陕西关中冬小麦-夏玉米种植区塿土无机磷形态及其有效性

张泽兴，柳小琪，别婧雅，吕家珑

(西北农林科技大学 资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100)

磷是肥料三要素之一，也是农作物生命活动必不可少的营养元素之一，参与作物体内核酸、磷脂、ATP等化合物的合成，促进农作物的生长发育[1]。增加磷肥的施用量可以提高农作物的产量，达到高产的目的[2]。2000-2019年中国每年磷肥用量呈增长趋势，2014年中国磷肥施用折纯量为近20年最高，达845.34万t[3]，中国已经是世界上土壤磷盈余最为严重的国家之一[4-5]。磷肥的大量使用会导致磷矿资源被大量消耗，严重威胁中国生态环境安全，节约磷矿资源问题亟待解决。中国北方石灰性土壤由于存在大量的碳酸钙，当磷酸钙盐接触土壤后发生沉淀作用被固定，而在酸性土壤中，磷主要由土壤中存在的铁、铝氧化物吸附固定[6]。导致中国北方主要农区磷肥当季利用率偏低，严重阻碍农业发展。研究表明中国北方作物磷肥当季利用率只有10%～25%[7-8]。陕西关中地区春小麦和夏玉米种植季分别有60%和20%的农户施用磷肥过高[9]，且关中地区塿土的固磷能力很大，72h内就有40%左右的水溶性磷肥被固定[10]。无效态的磷在土壤里逐年积累，通过地表径流或淋溶进入水体，可能造成水环境的污染[11]。因此合理地施用磷肥对保证当地农作物获得高产、防止环境污染和实现农业可持续发展具有重要意义。

石灰性土壤中无机磷占全磷含量的75%以上，是土壤磷素的主要组成部分[12]。各形态无机磷组分对农作物的有效性不同，致使土壤对磷的供应能力有所差异[13-14]。运用化学分级法研究土壤无机磷形态含量组成比例，再结合数学方法分析各形态的有效性对了解土壤无机磷库特征具有重要意义[15-16]。沈仁芳等[17]通过对16种石灰性土壤研究发现各无机磷组分含量顺序为Ca10-P>O-P>Ca8-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P，Ca-P占绝大部分，通过生物试验得出Ca2-P是最有效的磷源，Ca8-P、Al-P和Fe-P被看作缓效磷源，O-P和Ca10-P有效性极低，被看作潜在性磷源。王艳玲等[18]对吉林省春玉米种植区黑土无机磷的有效性研究发现，各无机磷形态的组成相对稳定，既有自身对有效磷的直接影响也可以通过其他形态间接影响有效磷，且Ca2-P、Al-P和Fe-P是有效磷的主要磷源。李运阳等[19]对吉林省西部黑钙土无机磷的研究表明，黑钙土无机磷含量为154.1～381.1mg/kg，且以无效态的O-P和Ca10-P为主，只有Ca2-P为有效性磷源且含量最低。吕家珑等[20]和孙本华等[21]通过23a肥料定位试验发现Ca2-P和Ca8-P是塿土有效磷的主要磷源。目前，国内主要是基于塿土的长期定位试验来研究土壤磷形态分布及其对农作物的有效性，而对于关中平原广泛的农作物种植区典型土壤无机磷形态分布特征及其有效性的研究却 很少。

因此本研究以陕西省关中平原冬小麦-夏玉米种植区塿土为研究对象，通过测定供试土壤样品各形态无机磷组分的含量，了解无机磷形态的分布特征，并结合相关分析、通径分析和逐步回归分析阐明各无机磷形态对有效磷的贡献。为指导科学施用磷肥、减磷增效及提高磷肥利用率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择陕西关中平原冬小麦-夏玉米一年两熟种植区为研究区域。关中平原又称渭河平原，是中国的第四大平原。南与秦岭山脉相依，北和黄土高原相连，渭水由西向东流经关中平原，属于暖温带半湿润气候，年平均气温为12～13.6 ℃，年均降水量550～660 mm，平均海拔约为500 m。陕西关中的河流阶地与黄土台塬区是塿土的主要分布区域，跨宝鸡、咸阳、西安、渭南等地市，是陕西关中主要的耕作土壤，总面积为9.8×105hm2，占全省总土壤面积的5%[22]。当地农民于10月初播种小麦，次年6月初收获，收获小麦后即时播种玉米并于该年10月收获。

1.2 土壤样品采集

土壤样品的采集时间为2018年9月，在当季作物春小麦收获后及下一季作物夏玉米播种之前。参考陕西省第二次土壤普查采样点位，综合土地利用现状图、土壤图和行政区划图等。按“等量、随机、多点混合”的取样原则，同时避开堆肥、田埂、路沿等特殊区，在陕西省中部地区4个地市选择具备代表性的县区22个，共计采取0～20 cm的耕层土壤样品117个，供试土壤样品的分布情况见表1，基本化学性质：pH为7.2～9.0、有机质5.1～38.1 g/kg、碱解氮66.9～273.3 mg/kg、速效钾94.6～402.4 mg/kg。采样的经度、纬度、海拔分别为：107°23′18.53″～ 110°03′05.27″E、34°06′31.52″～35°11′45.07″N、 316～783 m。将土壤样品带回实验室，风干后经人工拣掉植物残体和石块，研磨后过10目及100目筛网，将样品保存，备用。

表1 陕西省塿土土壤样品采集地区及其样本容量Table 1 Distribution and collection area of tier soil samples in Shaanxi province

1.3 指标分析

土壤pH用电位法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；有机质用重铬酸钾容量法-外加热法法测定；速效钾用1 mol/L醋酸铵溶液(pH 7.0)浸提，火焰光度计测定；有效磷含量用0.5 mol/L NaHCO3溶液(pH 8.5)浸提，钼锑抗比色法测定；土壤无机磷分级采用蒋柏藩和顾益初改进的分级法，依次测定土壤样品的Ca2-P、Ca8-P、 Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P含量。以上测定方法均参照文献[23]进行，且每个样品重复4次。

1.4 数据处理

采用Excel 2019对数据进行整理计算，用SPSS 19进行相关分析、通径分析、逐步回归分析。图中数据均为平均值。

2 结果与分析

2.1 塿土有效磷养分含量

由表2可知，塿土有效磷含量变幅为1.2～65.6 mg/kg，平均含量为28.7 mg/kg。长期以来为提高农业经济利益，人们大量施肥，导致磷素在农田中累积，由于农田中磷的盈余，土壤有效磷水平在不断上升[24]。对比全国第二次土壤普查塿土耕层有效磷含量[22]，本研究中供试土壤样品有效磷平均值增长241.7%。4个地市中以宝鸡市平均含量最高为35.3 mg/kg，比西安市高4.4 mg/kg、比咸阳市高8.9 mg/kg，渭南市平均含量最低为22.2 mg/kg。渭南市有效磷含量的变异系数最大为65.6%，西安市最小为39.4%，变异系数都比较低，均属中等变异范畴[25-26]。说明气候、地形、土地利用方式以及人类活动等环境因素变化对有效磷造成的影响作用较弱。参照《中国土壤》中有效磷含量的分级标准[27]，由表3可知供试土壤样品的有效磷含量大部分都高于20 mg/kg，可见塿土的有效磷水平是较好的。

表2 塿土无机磷组分测定结果Table 2 Determination result of inorganic phosphorus components in tier soil

表3 土壤有效磷含量的分级标准和供试土样各等级有效磷所占比例Table 3 Grading statistical criteria for Olsen-P content and proportion of soil samples for testing

2.2 塿土无机磷含量的分布

由表2可知，塿土无机磷含量为585.4～ 1 513.8 mg/kg，平均含量为983.4 mg/kg。宝鸡市无机磷平均含量最高为1 115.5 mg/kg，比西安市高113.8 mg/kg，比咸阳市高97.8 mg/kg，渭南市无机磷平均含量最低为876.1 mg/kg。并且宝鸡市、渭南市、西安市和咸阳市无机磷含量的变异系数分别为19.3%、19.5%、16.4%和19.1%，均属中等变异范畴[25-26]，虽然塿土无机磷含量变化幅度较大，但是各研究区域间的变异系数差值很小，可见塿土无机磷含量对环境的敏感程度比较低，不易受外界因素的影响。

2.3 塿土各形态无机磷组分和有效磷的相关分析

有效磷是评价土壤磷素利用率的重要指标，通过探讨塿土有效磷和各无机磷组分的相关性关系，可以合理反映塿土各形态无机磷的有效性。由表4可知，除Ca10-P与Ca2-P、Fe-P不具有相关性关系外，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P之间，以及Ca8-P、Al-P、O-P、Ca10-P之间具有极显著相关性关系。各无机磷形态和有效磷的相关性大小依次为Ca2-P(0.912)>Ca8-P(0.598)>Al-P (0.569)>Fe-P(0.531)>O-P(0.426)>Ca10-P (0.138)，其中Ca10-P和有效磷不具有相关关系，其余无机磷形态和有效磷均有极显著相关关系 (P<0.01)。可见各无机磷形态中Ca2-P的有效性最显著、其余依次为Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P，而Ca10-P的有效性则最低。

表4 塿土各形态无机磷组分和有效磷的相关分析系数与显著性检验Table 4 Analysis coefficient of single correlation and significance test of various forms of inorganic phosphorus components and Olsen-P in tier soil

2.4 塿土各形态无机磷组分和有效磷的通径分析

简单的相关分析只能得出塿土各形态无机磷组分和有效磷之间具有不同程度的相关性关系，由于各形态无机磷组分之间处于动态平衡之中，无法全面了解各形态无机磷组分对有效磷贡献的大小，也不能说明其对有效磷是直接影响作用还是间接影响作用。因此采用通径分析来研究塿土各形态无机磷组分对有效磷的贡献，可以通过直接通径系数和间接通径系数了解各无机磷形态对有效磷贡献的大小。

由塿土各无机磷形态与有效磷含量之间的通径系数和通径链系数(表5)可知，塿土各形态无机磷组分对有效磷的直接影响作用大小依次为：Ca2-P(0.771)>Ca8-P(0.155)>Fe-P(0.107)>O-P(0.042)>Al-P(0.010)>Ca10-P(-0.068)。Ca2-P与有效磷的通径系数最大(py1=0.771)，相关性也最强(r=0.912)，对有效磷的直接影响也最大，可见Ca2-P主要是通过直接作用影响有效磷的，是陕西省塿土冬小麦-夏玉米种植体系最有效的磷源。Ca8-P(py2=0.155)和Fe-P(py4=0.107)对有效磷既有其自身的直接影响作用，也有通过其他因子的间接影响作用，比如Ca8-P和Fe-P存在通过Ca2-P较大的间接影响作用，其间接通径系数分别为0.401和0.353，因此Ca8-P和Fe-P也被看作是有效磷源。Al-P(py3= 0.010)和O-P(py5=0.042)与有效磷均呈极显著相关关系，但是它们的直接通径系数较小，主要是通过Ca2-P的间接影响作用，其间接通径系数分别为0.388和0.281，因此Al-P和O-P可被看作是缓效磷源。Ca10-P(py6=-0.068)与有效磷不具有相关关系，对有效磷的直接通径系数是较小的负值，而且其余形态无机磷组分通过Ca10-P的间接通径系数都很小，因此Ca10-P被认为是作物难以利用的磷源。

表5 塿土各形态无机磷组分与有效磷的通径系数与通径链系数Table 5 Path coefficient and path chain coefficient of phosphorus to Olsen-P in each group of tier soil

2.5 塿土各形态无机磷组分和有效磷的回归分析

为进一步验证陕西关中冬小麦-夏玉米种植区塿土各形态无机磷组分的有效性，在相关分析和通径分析的基础上，运用相关分析检验各组分对有效磷贡献的显著性。由表6可知，Ca2-P、Ca8-P和Fe-P对有效磷的贡献达极显著水平 (P<0.01)，Al-P、O-P和Ca10-P对有效磷的贡献则不显著。无机磷组分对有效磷影响作用显著的3因子回归方程为：y=-1.893+0.907x1+ 0.036x2+0.087x4，R2=0.864(y代表有效磷，x1、x2和x4分别代表Ca2-P、Ca8-P和Fe-P)， 表明塿土无机磷组分中Ca2-P对有效磷的贡献 最大，Ca8-P和Fe-P也是有效磷的重要补充 来源。

表6 塿土无机磷组分和有效磷的回归分析Table 6 Stepwise regression analysis of inorganic phosphorus components and available phosphorus in tiersoil

3 讨 论

本研究通过对宝鸡市、渭南市、西安市、咸阳市塿土各无机磷形态的变异分析可知，各无机磷形态均属中等变异范畴，但Ca10-P的变异系数均小于其他形态，可见Ca10-P的含量对环境变化的敏感度最低。关中地区各形态无机磷组分中以Ca10-P占最多数，含量为374.5～700.4 mg/kg，平均含量为521.8 mg/kg，占无机磷总量的 36.8%～82.9%；其次是Ca8-P，含量为31.6～430.5 mg/kg，平均含量为186.8 mg/kg，占无机磷总量的5.0%～30.7%；其余形态无机磷组分含量大小顺序为：O-P(含量为46.3～218.6 mg/kg，平均含量为102.9 mg/kg，占无机磷总量的 6.4%～17.5%)>Al-P(含量为6.4～248.5 mg/kg，平均含量为89.3 mg/kg，占无机磷总量的1.0%～16.6%)>Fe-P(含量为14.6～148.2 mg/kg，平均含量为64.0 mg/kg，占无机磷总量的1.9%～17.2%)>Ca2-P(含量为0.9～58.5 mg/kg，平均含量为19.0 mg/kg，占无机磷总量的0.1%～ 4.8%)。本研究结果中Ca10-P和Ca8-P的含量明显高于其他形态的无机磷，这是因为水溶性磷肥施入石灰性土壤会迅速转化为磷酸二钙，磷酸二钙继续作用形成溶解度很小的磷酸八钙，最后逐渐转化为稳定的磷酸十钙[28]。本研究结果显示，4个地区从西部宝鸡到东部渭南土壤无机磷含量呈递减趋势，这与陕西关中各地区磷肥用量的调查结果一致[9,11,29]，可见造成这4个地区无机磷含量呈现西高东低的主要原因是磷肥施用量的差异。将Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P合在一起作为Ca-P，Ca-P含量变幅为429.6～ 1 042.8 mg/kg，平均含量为727.3 mg/kg，占无机磷总量的61.6%～88.2%，是无机磷的主要形态。本研究结果表明各形态无机磷组分含量依次是：Ca-P>O-P>Al-P>Fe-P。有研究表明土壤中的钙磷酸盐和铁磷酸盐的成分可以反应土壤分化程度，Ca-P越多则分化程度越浅，Fe-P越多则分化越深[30]，因此本研究结果说明塿土处在风化初期。

结合相关分析、通径分析、逐步回归分析发现Ca2-P、Ca8-P、Fe-P是有效的磷源，Al-P和O-P是缓效性磷源，Ca10-P含量虽然最多，但有效性极低。沈仁芳等[17]和蒋柏藩等[30]对石灰性土壤的研究认为，O-P(闭蓄态磷)有效性很低，只是一种潜在性磷源，O-P和其余形态无机磷组分之间的转化量极低的原因是Fe2O3胶膜包被在闭蓄态磷表面，使得O-P的抗腐蚀能力极强，所以O-P很难被植物利用。也有研究表明，在植物根系周围，根系分泌的小分子有机酸会促进Fe2O3被还原，主要是通过质子酸效应、有机酸阴离子络合效应使O-P释放出来，被作物吸收利用[31-32]。吕家珑等[20]基于塿土的长期定位试验也发现，Ca2-P和Ca8-P是有效磷主要磷源，虽然O-P和有效磷呈极显著正相关关系，但是它对有效磷的直接贡献却为负值，O-P主要是通过影响Ca2-P和Ca8-P间接影响有效磷。

4 结 论

陕西关中冬小麦-夏玉米产区塿土无机磷和有效磷含量较高且变异较小，其含量以西部宝鸡地区最高，东部渭南地区最低。耕层的无机磷以Ca10-P为主，Ca2-P含量最低。结合相关分析、通径分析以及逐步回归分析法，各组分无机磷和有效磷含量之间的关系表明，Ca2-P对有效磷是直接影响，是最有效的磷源；Ca8-P和Fe-P对有效磷既有直接影响，也有间接影响，也是有效磷源；Al-P和O-P主要通过间接影响，是缓效磷源；Ca10-P则是作物难以吸收利用的磷源。因此，本研究结果表明Ca2-P，Ca8-P和Fe-P是塿土有效磷的主要磷源。