长期施肥下干旱区灰漠土磷的平衡与活化特征

王西和，刘 骅，冯 固，杨金钰，王彦平，黄 建

(1.中国农业大学资源与环境学院，北京 1001931；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/国家灰漠土肥力与肥料效益监测站/农业部新疆北部耕地保育与农业环境科学观测实验站，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】施用量不断增加，会导致农田普遍出现过量施肥、氮磷养分大量累积、作物产量对化肥依赖性高、肥料利用率低等[1-3]。磷是植物生长发育必需的大量营养元素之一，以多种方式参与植物体内各种生物化学过程，对促进植物的生长发育和新陈代谢起着非常重要的作用[4]。【前人研究进展】磷素在土壤中的不宜移动和极易被固定，导致作物对磷的当季利用率一般仅能达到15%～25%[5-8]，施入土壤的磷素至少有70%～90%以作物难以利用的磷酸盐形态在土壤中固定并累积，随着我国农业生产中磷肥的不断以及投入量持续增长，农田土壤磷含量呈增长趋势，大部分地区土壤磷素水平从80年代的10 mg/kg提高到了20 mg/kg以上，并且仍在进一步提高[8-12]。童文彬等[13]研究认为，当土壤全磷达到一定水平时，植物有效磷将随土壤磷素积累的增幅明显地增强，土壤有效磷的演变与土壤的磷素的盈亏有显著的正相关关系，单位磷盈亏量与土壤有效磷的变化值可以作为土壤磷素的转化率(或称有效磷效率)，但不同土壤有效磷的效率有较大差异[14]。随着农田磷肥的施用，土壤磷素都呈现盈余状态[15]，外源磷的大量、长期施用，常常是土壤磷盈余发生的主要原因[16-17]。作物可利用的磷主要为土壤总磷中的有效磷，土壤全磷和有效磷之间存在着相互转化的过程，可用土壤有效磷占全磷的比例—土壤磷活化系数(Phosphorus activation coefficient，PAC)作为衡量施磷的效果一个重要指标，可以代表土壤总磷转化为有效磷的难易程度[18]。土壤PAC越高，有效磷在全磷中的比例较大，土壤磷素的有效性也越高。通常对于特定的土壤类型，全磷含量越高，有效磷含量也越高，土壤中磷的有效性越大[19]。合理施磷能提高土壤磷素肥力和土壤供磷能力[20-26]。沈浦[27]研究认为，我国13个长期施肥试验的土壤有效磷的总体变化为：有机肥配施化学磷肥有效磷年增加4.2 mg/kg、施化学磷肥年增加0.9 mg/kg，不施磷年下降0.2 mg/kg。不同土壤的磷库水平不仅受到土壤性质和气候条件的影响，而且还受磷肥的用量和类型的影响。【本研究切入点】不同区域农田，由于作物类型、气候状况、施肥习惯、土壤类型和农业管理措施等差异，农田磷素的盈余和亏缺状况也将发生变化。新疆土壤中磷素的平均值仅为5.15 mg/kg左右[28]，新疆典型的灰漠土属干旱区石灰性土壤，土壤中的磷与易与钙结合，形成难以溶解的钙磷，对磷产生强烈的固定作用，再加上土壤干旱缺水，使磷肥利用率降低。但是由于连续多年的施用磷肥，土壤有效磷含量有较大幅度的增加，农田土壤中已出现了磷的积累[29-30]。需研究灰漠土在不同施肥制度下的磷素水平与磷盈亏的关系、磷肥施入土壤后的有效性。【拟解决的关键问题】通过29年的灰漠土长期定位施肥试验，以8种施肥为材料，研究灰漠土磷素盈亏的演变规律、有效磷与累积磷盈亏量的响应关系及土壤PAC演变特征，为新疆灰漠土区作物高产、磷养分资源高效利用、土壤肥力培育体系的建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

依托1989年的长期定位施肥监测试验，设8个处理：不施肥(CK)、氮钾(NK)、氮磷(NP)、磷钾(PK)、氮磷钾(NPK)、氮磷钾+秸秆还田(4/5NPK+S，以下用NPKS表示)、常量氮磷钾+常量有机肥(NPKM)、增量氮磷钾+增量有机肥(1.5NPKM)。不同处理的施肥情况参见文献[31]。表1

供试土壤为灰漠土，起始土壤基本性状：有机质含量15.2 g/kg，全氮0.868 g/kg，全磷0.667 g/kg，全钾23 g/kg，碱解氮55.2 mg/kg，有效磷3.4 mg/kg，速效钾288 mg/kg，缓效钾1 764 mg/kg，pH8.1，CEC值16.2 cmol(+)/kg，容重1.25 g/cm3。1年1熟，轮作设为冬小麦、春小麦(棉花)、玉米，2009年以后将春小麦季改为棉花季，且开始采用滴灌灌溉，棉花玉米采用覆膜种植。

1.2 方 法

每年作物成熟期，将每个小区上下平均划分为3个假重复区，每个假重复区分别采用五点法采集植株和土壤样品，小麦每点不低于50株，玉米、棉花不低于20株取样，籽粒、茎秆样品经风干粉碎后留作分析和保存之用，同时进行小区测产，测产面积不低于5.0 m2；土壤样品采集深度为0～20 cm，每小区多点合成一个混合样，风干研磨过筛，供测试分析用。分析测定方法见文献[32]。土壤全磷用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定，有效磷(Olsen-P)用浓度为0.5 mol/L的NaHCO3提取，钼锑抗比色法测定，植株全磷样品用H2SO4-H2O2消化，钼锑抗比色法测定。

表1 试验处理及施肥量Table 1 The design of treatment and quantity of fertilization (kg/hm2)

1.3 数据处理

土壤磷活化系数PAC (%) = Olsen P (mg/kg) / [全磷(g/kg)×1 000] × 100[19]；

土壤有效磷增量△OlsenPi(mg/kg) =Pin(mg/kg) -Pi0(mg/kg)，(Pin表示第n年土壤有效磷含量；Pi0表示初始土壤的有效磷含量)；

作物吸磷量 (kg/hm2)=籽粒产量 (kg/hm2) × 籽粒含磷量 (%) +秸秆产量 (kg/hm2) × 秸秆含磷量(%)；

当季土壤表观磷盈亏 (kg /hm2) =每年施入土壤磷素总量 (kg/hm2)-当季作物(籽粒+秸秆)吸磷量(kg/hm2)；

土壤累积磷盈亏 (kg /hm2) =∑[当季土壤表观磷盈亏]。

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 16.0数据处理系统进行数据分析与制图。

2 结果与分析

2.1 长期施肥下灰漠土磷素盈亏的演变特征

研究表明，29年当季土壤表观磷盈亏与施肥年限均呈显著(P<0.05)或极显著的直线负相关关系(P<0.01)。不施磷肥的处理(CK、NK)当季土壤呈现持续亏缺趋势，当季土壤磷素平均亏缺量分别为8.9、15.5 kg/hm2，由拟合模型推算每年亏缺量分别以0.44和0.56 kg/hm2的速率增加。而施磷肥的处理(NP、PK、NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS)当季土壤表观磷呈现盈余状态。仅施化学磷肥及化学磷肥配施秸秆(NP、PK、NPK、NPKS)当季土壤磷盈余值的平均值分别为35.4、38.9、32.3和25.4 kg/hm2，盈余水平相近，由拟合模型推算每年盈余量分别以0.81、0.96、1.02和0.98 kg/hm2的速率减小。化学磷肥配有机肥(NPKM、1.5NPKM)处理当季土壤磷盈余值均较高，平均值分别为49.6、127.8 kg/hm2，由拟合模型推算每年盈余量分别以1.18和1.07 kg/hm2的速率减小。图1

各处理土壤表观磷盈亏前13年波动较小，基本保持稳定，第13年后，随施肥年限延长同一施肥措施下年际间波动增大，且施磷和不施磷处理土壤磷盈余和亏缺量分别减小和增加，即作物携出量增加。

图1 各处理当季土壤表观磷盈亏Fig.1 Annual phosphorus balance of different Fertilizer treatments

不施磷土壤累积磷盈亏与施肥年限均呈极显著的直线负相关关系(P<0.01)，施磷土壤累积磷盈亏与施肥年限均呈极显著的直线正相关关系(P<0.01)。不施磷肥处理(CK、NK)土壤磷素连续处于亏缺状态，累积亏缺量随施肥年限延长而增加，CK处理土壤磷累积亏量大于NK处理。仅施化学磷肥的3个处理(NP、PK、NPK)土壤磷素连续处于盈余状态，随施肥年限延长累积盈余量增加，第29年土壤累积磷盈余值分别为1 074.2，1 168.2和992.1 kg/hm2。秸秆还田配施化学磷肥(NPKS)的处理土壤累积磷也处于盈余状态，盈余量和变化趋势与单施化学磷肥处理相似，29年后土壤累积磷盈余值为776.0 kg/hm2。化肥磷配施有机肥(NPKM、1.5NPKM)土壤累积磷盈余值29年后分别达1 522.7和3 790.1 kg/hm2，均高于其他处理。图2

图2 各处理土壤累积磷盈亏Fig.2 Correlations of soil accumulation phosphorus relative to treatment each year

2.2 长期施肥下土壤有效磷增量(△Olsen P)对磷累积盈亏的响应

研究表明，不施磷肥的处理(CK、NK)，土壤△Olsen P与磷累积亏缺量没有显著相关性，土壤△Olsen P变化较小。仅施化学磷肥及化学磷肥配施秸秆(NP、PK、NPK、NPKS)，土壤△Olsen P与土壤累积磷盈余间呈显著的上抛物线型相关性，当土壤磷累积盈余量分别为567.5、775.0、517.5和448.0 kg/hm2时，对应的△Olsen P最大值分别为8.7、26.2、9.4和12.1 kg/hm2。化学磷肥配施有机肥(NPKM、1.5NPKM)处理土壤△Olsen P与磷累积盈余间表现为极显著性直线正相关(P<0.01)，土壤每积累100 kg/hm2磷，Olsen-P浓度分别上升4.60和4.77 mg/kg。图3

图3 各处理灰漠土△Olsen P对土壤累积磷盈亏的响应Fig.3 Response of different treatments to Olsen-P and P balance

不施磷土壤磷累积盈亏并未显著影响△Olsen P的变化，施用化学磷肥土壤△Olsen P随土壤累积磷盈余量增加到一定程度后，转而开始下降，化学磷肥配施有机肥土壤△Olsen P随土壤累积磷盈余量持续增加。两者间存在极显著的线性正相关关系(P<0.01)，可用直线模型y= 0.040 2x- 9.651表示两者间的关系，其中：y为△Olsen P，x为磷累积盈亏，灰漠土每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P浓度可提高4.02 mg/kg。图4

2.3 长期施肥下土壤磷活化系数演变特征

研究表明，长期施肥下灰漠土磷活化系数随施肥年限的演变规律，长期不施化学磷肥的处理(CK、NK)土壤PAC与施肥年限没有显著相关性，基本维持平衡，两者PAC由起始的0.51%分别下降到近3年的平均值0.39%、0.30%；施用化学磷肥的处理，土壤PAC均与施肥年限存在显著相关性(P<0.05)，其中仅施化学磷肥及化学磷肥配施秸秆处理(NP、PK、NPK、NPKS)与施肥年限间呈上抛物线型变化趋势，PAC最大值平均出现在施肥的第16年，而后分别下降至近3年的平均值0.62%、2.15%、1.38%、0.94%，4个处理仍高于起始值；化学磷肥配施有机肥处理(NPKM、1.5NPKM)土壤PAC与施肥年限间存在极显著的直线正相关性(P<0.01)，两者近3年的平均PAC值分别为8.52%、14.45%，分别是起始年的16.7倍和28.4倍，上升幅度较大。各施肥处理中，仅PK、NPKM和1.5NPKM处理的土壤PAC值均大于2%。图5

图4 灰漠土所有施肥处理△Olsen P与土壤磷累积盈亏的关系Fig.4 Correlations between all treatments Olsen-P and P balance of grey desert soil

图5 长期施肥下灰漠土PAC变化Fig.5 Effect of long-term fertilizer application on PAC in grey desert soil

3 讨 论

该3种施肥方式下，灰漠土全磷容易转化为有效磷，CK、NK、NP、NPK、NPKS土壤PAC值均低于2%，该5种施肥方式下，灰漠土全磷各形态很难转化为有效磷[19]。试验结果表明，不同施肥措施下，土壤磷素的收支存在较大差异，在不施化肥磷条件下，土壤磷素处于连续亏缺，土壤单施化学氮肥或氮钾同施时，促进了土壤磷的活化，加大了土壤对有效磷的供应，作物磷携出的增加致土壤磷的亏缺随之加大。在施化肥磷条件下，土壤磷素含量均提高，因作物对磷的携出不同，土壤磷的累计差异较大，但磷钾配施较磷氮配施土壤有效磷的活化系数有大幅提高，灰漠土属高钾土壤，土壤氮对作物产量的限制要大于钾，在不施氮条件下，抑制了作物的生长，导致对磷的吸收下降，增加了土壤中磷的累积。研究中，灰漠土每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P浓度上升3.77 mg/kg，而南方黄泥田土壤每累积100 kg/hm2，NPK、NPKM处理土壤有效磷含量可分别提高4.5与11.2 mg/kg[33]，红壤性水稻土每盈余100 kg/hm2磷，土壤有效磷提高1.20 mg/kg[20]，曹宁等[34]对我国7个长期实验地点Olsen-P与土壤累积磷盈亏的关系进行研究发现土壤Olsen-P含量与土壤磷盈亏呈现极显著线性相关(P<0.01)，我国7个样点每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P浓度上升范围为1.44～5.74 mg/kg，平均可使土壤有效磷水平提高约3.1 mg/kg。试验结果的差异可能是连续施肥的年限、环境、种植制度和土壤理化性质不同引起的。

4 结 论

灰漠土Olsen-P与土壤累积磷间的关系可表示为y= 0.040 2x- 9.651 6(R2= 0.785**,n=232)，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P浓度上升4.02mg/kg，外源磷投入可直接因素影响土壤PAC，仅施施化学磷对土壤PAC的变化幅度影响较小，土壤磷均有累积，施用有机肥可大幅提高土壤PAC，促进土壤全磷向有效磷的转化，施用有机肥土壤磷累积显著高于单施化肥，且有机肥用量越大，效果越显著。