施磷对灌耕草甸土无机磷形态和有效磷的影响

2023-02-16王宇莹龚会蝶王雪艳涂永峰宋海英陈波浪盛建东

农业资源与环境学报 2023年1期

王宇莹，龚会蝶，王雪艳，涂永峰，宋海英，陈波浪，盛建东*

（1.新疆土壤与植物生态过程重点实验室/新疆农业大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆慧尔农业集团股份有限公司，新疆昌吉 831100）

磷是植物生长发育必不可少的营养元素[1]。土壤中的磷分为有机磷和无机磷两大类，其中石灰性土壤中无机磷占全磷总量的65%～85%，无机磷是作物磷营养的主要来源[2]。蒋柏藩等[3]将石灰性土壤无机磷分为磷酸二钙盐（Ca2-P）、磷酸八钙盐（Ca8-P）、磷灰石盐（Ca10-P）、磷酸铁盐（Fe-P）、磷酸铝盐（Al-P）和闭蓄态磷酸盐（O-P）6个形态。土壤无机磷形态与有效磷含量息息相关[4]。韩琅丰等[5]认为，石灰性土壤中Ca2-P 是有效磷源，Ca8-P、Al-P 和Fe-P 是缓效磷源，O-P 和Ca10-P 是潜在磷源。李若楠等[6]对塿土的研究表明，有效磷的增加主要通过提高有效态磷（Ca2-P）和缓效态磷（Ca8-P、Al-P）的比例、降低无效态磷（Ca10-P）的比例来实现。

施磷可以有效改变土壤无机磷形态，增加有效磷含量[7]，但不同磷肥品种和施用方式表现不同。郭大勇等[8]对河南玉米田的研究表明聚磷酸铵主要提升土壤Ca2-P、Ca8-P和Fe-P含量，且其肥料利用率高于磷酸一铵和过磷酸钙。马丹等[9]对新疆棉田的研究表明磷酸一铵和磷酸脲对土壤有效磷的提升效果优于重过磷酸钙。随着滴灌技术的大面积应用，有研究认为与基施相比，磷肥滴施可显著提升磷素在土壤中的平均垂直移动距离，从而提高磷肥利用率[10]。

然而在新疆农业生产中，一方面农户习惯施用磷酸二铵等碱性磷肥，导致磷肥性质与石灰性土壤不匹配，另一方面土壤中存在各种固磷机制，影响磷肥移动性，导致磷肥当季作物利用率仅为10%～20%[11]，远低于发达国家40%的水平[12]。大量磷被固定在土壤中，不仅造成磷资源浪费[13]，还破坏土壤微团聚体结构，增加面源污染的风险[14]。

灌耕草甸土是新疆北部地区一种典型石灰性土壤，广泛分布在地下水位较高的低洼部位，在绿洲农业生产中具有十分重要的地位[15]。但以往对灌耕草甸土的研究多集中在磷肥固定和有效磷损失方面[16-17]，关于不同磷肥的形态变化和有效性的研究鲜有报道，且目前对磷肥滴施下土壤有效磷垂直分布特征的认识尚未完全清楚。因此本研究通过室内土壤培养的方法，定量分析磷肥品种和施磷方式对灌耕草甸土不同土层的无机磷形态和有效磷含量的影响，以期为新疆北部灌耕草甸土磷肥的合理管理提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 采样地及土壤概况

试验在新疆北部昌吉市草甸土分布区[15]进行，采集典型的棉田灌耕草甸土（87°25′39″ E，44°10′32″N），取其耕层土壤（0～20 cm），带回实验室进行培养研究。土壤初始背景值见表1。

表1 灌耕草甸土基本理化性质Table 1 The basic physical and chemical properties of the irrigated meadow soil

1.2 磷肥品种

本研究选用重过磷酸钙（TSP）、磷酸一铵（MAP）和聚磷酸铵（APP）3种磷肥，其性质及来源见表2。

表2 三种磷肥性质及来源Table 2 The properties and sources of three phosphate fertilizers

1.3 试验设计

本研究在新疆慧尔农业集团股份有限公司现代化温室大棚内开展，该温室可精确控制室内温度及湿度。

试验开始前，将从棉田取回的土壤风干后过2 mm 筛，混匀装盆（长×宽×高为80 cm×33 cm×26 cm，质量为0.25 kg），每盆装土50 kg，土层厚度20 cm。设重过磷酸钙基施（TSP-B）、磷酸一铵基施（MAP-B）、聚磷酸铵基施（APP-B）、磷酸一铵滴施（MAP-D）、聚磷酸铵滴施（APP-D）及不施磷肥对照（CK）6 个处理（TSP 溶解度低，故未设滴施），每个处理4 次重复，共24盆土，随机区组排列，进行室内培养。

各处理根据所选磷肥品种，按照每千克土施入100 mg P 的标准加入，其余养分按照每千克土98 mg N（30%基施+70%追施）和39 mg K2O（基施）补足，N不足部分由尿素（46%）补充，钾肥使用硫酸钾（51%）。基施处理把每盆土所需肥料和盆中土壤充分混匀后，通过滴施装置（图1）一次性滴水10 L（田间持水量的80%）；滴施处理把所需肥料溶于水（10 L）后随水一起滴入土壤。培养期间，每周称质量灌水一次，保持土壤含水量为田间持水量的60%～80%。培养至120 d，用土钻于每盆土相同位点上，按0～5、5～10 cm 和10～20 cm 垂直分三层采集土壤样品，带回实验室分析。

图1 滴施模拟装置Figure 1 Drip simulation device

1.4 样品处理与分析

土样风干后研磨，过1 mm 与0.15 mm 筛备用。采用蒋柏藩-顾益初无机磷分级方法连续浸提，测定土壤样品的Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P 和Ca10-P含量；采用Olsen-P 法（0.5 mol·L-1NaHCO3）测定土壤有效磷含量。测样方法均参照鲍士旦《土壤农化分析》第三版中给定方法[18]，土壤无机磷总量为各无机磷形态含量之和。

1.5 数据处理与分析

采用R软件进行单因素方差分析和通径分析，采用SPSS 19.0 软件进行皮尔逊相关性分析，采用Excel 2019和SigmaPlot 10.0软件进行数据和图表整理。

2 结果与分析

2.1 磷肥品种和施磷方式对灌耕草甸土无机磷总量和有效磷含量的影响

相比对照处理（CK），总体上各处理中无机磷总量和有效磷含量均有不同程度升高（表3）。其中，三种磷肥基施处理（TSP-B、MAP-B和APP-B）显著提升了5～10 cm和10～20 cm土层中无机磷总量和有效磷含量（P＜0.05），而三个土层中，除10～20 cm土层MAP-B有效磷含量显著高于APP-B外，其余基施处理间均无显著差异；两种磷肥滴施处理（MAP-D 和APP-D）仅显著提升0～5 cm 土层中无机磷总量和有效磷含量（P＜0.05），且APP-D处理显著高于MAP-D处理（P＜0.05）。

表3 不同磷肥品种和施磷方式对灌耕草甸土无机磷和有效磷含量的影响（mg·kg-1）Table 3 Effects of P fertilizers and applications on inorganic P and available P content of irrigated meadow soil（mg·kg-1）

磷肥滴施与基施相比，APP-D处理下0～5 cm土层中无机磷总量和有效磷含量显著高于基施（P＜0.05），而在5～10 cm和10～20 cm土层中结果恰好相反。

2013年底中共浙江省委十三届四次全会后，“五水共治”作为2014年全省的重点工作被明确下来，X县迅速行动，截至2014年8月初，其主要工作进度具体见表1。该工作进度主要是依据官方发布的有关“五水共治”的正式文件而制定。

2.2 磷肥品种和施磷方式对灌耕草甸土无机磷形态的影响

各处理三个土层中无机磷形态含量均有不同程度的变化（图2）。总体而言，三个土层中Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P 含量相比对照均升高，而Ca10-P 和O-P含量变化不明显。其中，三个土层中Ca2-P 含量在三种磷肥基施处理下均比对照显著升高（P＜0.05），但三种基施处理在0～5 cm和5～10 cm土层中差异不显著；仅0～5 cm 土层Ca2-P 含量在两种磷肥滴施处理下比对照显著升高（P＜0.05），且APP-D 处理显著高于MAP-D 处理（P＜0.05）（图2a～图2c）；Ca8-P 含量在0～5 cm 土层两种滴施处理以及5～10 cm 土层三种基施处理下比对照显著升高（P＜0.05），但各土层相同施磷方式间无显著差异（图2d～图2f）；Fe-P含量在0～5 cm和10～20 cm 土层三种基施处理以及三个土层两种滴施处理下均比对照显著升高（P＜0.05）（图2m～图2o），但各土层施磷处理间均无显著差异；而Al-P 含量在0～5 cm 土层两个滴施处理以及5～10 cm 和10～20 cm土层TSP-B 和MAP-B 处理与对照相比均显著提升（P＜0.05）（图2j～图2l）。

磷肥滴施与基施相比，0～5 cm土层两种滴施处理下Ca2-P和Ca8-P含量均显著高于基施处理（图2a和图2d），10～20 cm土层Ca2-P含量结果恰好相反（图2c）。

图2 不同磷肥品种和施磷方式下灌耕草甸土无机磷各形态含量Figure 2 Inorganic phosphorus content of various forms in irrigated meadow soil under different P fertilizers and applications

2.3 磷肥品种和施磷方式对灌耕草甸土无机磷形态比例的影响

如图3 所示，不施磷条件下，灌耕草甸土耕层无机磷中Ca10-P和O-P含量最多，分别占无机磷总量的37.6%和35.7%，Ca8-P、Al-P 和Fe-P 分别占14.0%、6.2%和4.8%，Ca2-P 最少，仅占1.7%；施入磷肥后，Ca10-P 和O-P 比例略有降低，范围为23.0%～37.6%和24.9%～37.8%，Ca8-P、Al-P 和Fe-P 波动范围为15.2%～22.9%、5.6%～8.1%和4.2%～7.4%，Ca2-P 比例升高，最大可达19.0%。

与CK 相比，三种磷肥基施处理提高三个土层Ca2-P 比例，同时降低Ca10-P 比例（P＜0.05），且三种基施处理间无显著差异；与CK 相比，MAP-D 处理显著提高0～5 cm 和5～10 cm 土层Ca2-P 比例，同时显著降低Ca10-P 比例（P＜0.05），Ca2-P 占比变化较大，分别提高13.1 个百分点和5.9 个百分点。APP-D 处理仅在0～5 cm 土层有显著影响，其中Ca2-P 和Ca8-P 占比分别显著提高17.3个百分点和8.7个百分点，Ca10-P、Fe-P 和O-P 占比分别显著降低13.6、0.9 个百分点和10.8 个百分点（P＜0.05）（图3）。

磷肥滴施与基施相比，MAP-D 处理0～5 cm 土层Ca2-P占比显著高于MAP-B处理（P＜0.05）；APP-D处理0～5 cm 土层Ca2-P 和Ca8-P 占比显著高于APP-B处理，Fe-P 和O-P 占比显著低于APP-B 处理，在5～10 cm 和10～20 cm 土层Ca2-P 占比显著低于APP-B处理（P＜0.05）（图3）。

图3 不同磷肥品种和施磷方式下灌耕草甸土各土层无机磷形态比例Figure 3 Proportion of inorganic phosphorus forms in each soil layer of irrigated meadow soil under different P fertilizers and applications

2.4 灌耕草甸土无机磷与有效磷相关关系

灌耕草甸土无机磷和有效磷相关性分析（表4）表明，耕层（0～20 cm）土壤无机磷总量和有效磷含量呈极显著正相关关系（P＜0.01），其相关系数为0.91；无机磷中Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 与有效磷也呈极显著正相关关系（P＜0.01），其中Ca2-P 的相关系数最大，为0.97；O-P 与有效磷呈显著正相关关系（P＜0.05）。此外Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 三种形态之间也呈极显著的正相关关系（P＜0.01），O-P 与Ca2-P、Ca8-P 之间呈显著的正相关关系（P＜0.05）。

表4 灌耕草甸土无机磷与有效磷相关关系Table 4 Correlation between inorganic phosphorus components and available phosphorus in irrigated meadow soil

为进一步探讨无机磷形态对有效磷的贡献，对与有效磷显著相关的无机磷形态含量和有效磷含量进行通径分析（表5），结果表明，四种无机磷形态对有效磷的直接通径系数大小顺序为Ca2-P（0.89）＞Al-P（0.09）＞Ca8-P（0.05）＞O-P（-0.01），其中Ca2-P 在Al-P、Ca8-P和O-P的间接通径系数中均为最大。

表5 灌耕草甸土部分无机磷形态含量与有效磷含量的通径分析Table 5 Path analysis of partial inorganic phosphorus form content and available phosphorus content in irrigated meadow soil

3 讨论

施磷能明显提高土壤无机磷总量和有效磷含量（表3）。三种磷肥基施时，不同土层间无机磷总量和有效磷含量增幅大致相同，说明基施有利于磷肥的均匀分布；而同一土层各处理间差异不显著，说明三种磷肥肥效相似。两种磷肥滴施时，0～5 cm 土层无机磷总量和有效磷含量显著增加，10～20 cm 土层几乎不变，这与张国桥[21]对液体磷肥移动性的研究结果一致，说明磷肥滴施主要提高施肥区域（＜5 cm）的磷含量，且随土层深度增加作用逐步减弱；而0～5 cm 土层APP-D 处理无机磷总量和有效磷含量显著高于MAP-D 处理，是因为在石灰性土壤中APP 可减少土壤对磷的吸附，且高磷背景下APP 的解吸率高于MAP，相同条件下APP 更有利于土壤磷的保持和供给[22]，这也与Gao等[23]的研究结果相同。

从无机磷形态上看，施磷后各处理Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P 含量均增加，而O-P 和Ca10-P 含量几乎不变（图2），说明短期内施磷主要引起石灰性土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P 含量的变化，这与王海龙等[24]和郭大勇等[8]对石灰性土壤的研究结果基本一致。

从无机磷各形态占比来看，无论施磷与否，Ca10-P 与O-P 占比之和均超过无机磷总量的60%，是灌耕草甸土含量最高的两种形态，其余各形态占比在施磷前为Ca8-P＞Al-P＞Fe-P＞Ca2-P（图3），施磷后Ca2-P 占比升高。除O-P 比例略高外，本研究结果与张晓蕊[25]对石灰性土壤中磷形态的研究结果基本相同。O-P比例高的原因，可能与取样棉田开垦种植年限长有关，有研究显示O-P含量与土壤风化强度呈正相关，种植年限越长，土壤风化程度越强，因而O-P比例越高[26-27]。

不同类型土壤的无机磷组分对有效磷的影响不同。棕壤中Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P与有效磷显著相关（P＜0.05）[28]；塿土中Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P 和O-P 与有效磷呈极显著相关（P＜0.01）[29]；石灰性潮土中Ca2-P、Ca8-P和Al-P与有效磷呈极显著相关，Fe-P与有效磷呈显著相关[30]。本研究中灌耕草甸土各无机磷形态与有效磷相关性表现为Ca2-P＞Ca8-P＞Al-P＞O-P，除O-P外均呈极显著正相关（表4），这一结果与石灰性潮土略有差异，推测其可能是由地理环境和土地利用方式不同引起的，张泽兴[31]的研究也表明不同种植体系下土壤各形态无机磷有效性不同。

本试验围绕磷肥-土壤系统展开，仅研究了土壤本身对磷肥品种和施磷方式的响应，而对于种植作物后土壤磷库的变化情况还有待进一步探索。