棉田土壤上幾種磷肥用量估算法的比較研究

陳波浪,盛建東*,蔣平安,劉永剛

(1新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊830052;2新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆昌吉831100)

磷是棉花生長發(fā)育必需的植物營養(yǎng)元素之一,也是新疆棉花高產(chǎn)的養(yǎng)分的第二大限制因子[1]。植物吸收利用的是土壤中的有效磷,因此土壤有效磷的消長取決于土壤磷素的收支狀況,而其消長速度取決于土壤性質(zhì)。為了獲得作物持續(xù)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),必須建立起一個有效的土壤磷庫,使土壤肥力逐步提高,保持土壤有效磷的供應(yīng)能力,而施用磷肥是建立土壤有效磷庫的主要措施。

科學(xué)施用磷肥是提高棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的主要施肥措施之一。關(guān)于磷肥用量的估算,國內(nèi)外近年應(yīng)用較多的方法有[2-15]:1)土壤有效磷肥力指標(biāo)法,即根據(jù)土壤有效磷測定值的分級標(biāo)準(zhǔn)決定磷肥用量;2)磷指標(biāo)法(PFI法),按土壤磷的容量和強(qiáng)度測定得出磷肥指數(shù),計算不同土壤的磷肥用量;3)肥效函數(shù)法(FEF法),依據(jù)磷肥肥效函數(shù)求出最高產(chǎn)量和最佳產(chǎn)量的磷肥用量;4)土壤磷素等溫吸附曲線法,由土壤磷素等溫吸附方程估算磷肥用量;5)土壤的磷酸吸收系數(shù)法(PAC),根據(jù)磷酸吸收指數(shù)決定磷肥用量。然而將多種磷肥用量估算法運(yùn)用到同一作物同一土壤的研究還少有報道,因此,本文通過田間試驗(yàn)和室內(nèi)模擬試驗(yàn)將上述2)至5)4種磷肥用量估算法在棉田土壤上進(jìn)行綜合比較,以期獲得一個簡便易行、精確度又高的磷肥施用量估算方法,為棉田磷肥的合理施用和磷肥利用率的提高提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)在新疆呼圖壁縣二十里店的兩種不同質(zhì)地(壤質(zhì)和砂壤質(zhì)土壤)的棉田土壤上進(jìn)行,棉花品種為新陸早24號,2007年4月22日播種,5月中上旬間苗,基本苗定為195000株/hm2。棉田土壤的基本理化性狀見表1。試驗(yàn)在砂壤質(zhì)和壤質(zhì)土上分別設(shè)6個施磷處理,為P2O50 kg/hm2(P0)、75 kg/hm2(P1)、150 kg/hm2(P2)、300 kg/hm2(P3)、600 kg/hm2(P4)、1200 kg/hm2(P5)。小區(qū)面積為8 m2,重復(fù)3次隨機(jī)區(qū)組排列。氮肥用尿素,用量600 kg/hm2,鉀肥用硫酸鉀,用量(K2O)120 kg/hm2,磷肥用三料磷肥,氮肥50%作基肥,50%作追肥,磷肥和鉀肥全部作基肥施用。用于進(jìn)行土壤磷素等溫吸附曲線法和土壤磷酸吸收系數(shù)法估算磷肥用量的土壤為播種前0—20 cm耕層的風(fēng)干土,用于進(jìn)行土壤磷指標(biāo)法估算磷肥用量的土壤是將播種前0—20 cm耕層土壤按各施肥處理(不種棉花)培養(yǎng)30 d后采集的風(fēng)干土壤。

表1 供試土壤的基本理化性狀Table 1 Some basic chemical and physical properties of soil in experiment

1.2 測定方法

1.2.1 磷素等溫吸附 稱取過0.5 mm篩的風(fēng)干土樣2.500g若干份,分別放入100 mL三角瓶內(nèi),然后分別向其中加入 0、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0、60.0、80.0、160.0 mg/L 磷標(biāo)準(zhǔn)液各 50.0 mL(磷標(biāo)準(zhǔn)溶液含0.01mol/L CaCl2),并加甲苯數(shù)滴防止微生物生長,塞上橡皮塞振蕩2 h,然后放入25℃的恒溫箱中存放24 h,其間每隔12 h振蕩一次,每次 30 min,然后4000 r/min離心8 min,吸取適量上清液進(jìn)行磷的測定,吸附磷量為加入磷量與殘留磷量之差。以吸磷量對平衡液濃度作圖,即得到磷的恒溫吸附曲線。

1.2.2 土壤的磷酸吸收系數(shù)(PAC) 土壤的磷酸吸收系數(shù)(PAC)是指土壤吸收的磷換算成1 kg土所吸收的P2O5的mg數(shù),表示土壤對磷的吸持能力的大小[15]。測定方法為:稱取過1 mm篩的風(fēng)干土樣1.0 g,加入pH為7.0的2.0%磷酸銨標(biāo)準(zhǔn)溶液2 mL,恒溫 25℃培養(yǎng) 24 h,加 0.5 mol/L的NaHCO35mL,25℃下恒溫間歇振蕩1h,過濾,吸濾液1 mL稀釋50倍后,再吸取1 mL用鉬銻抗法測濾液中的磷,由加入土壤中的磷量減去殘留在濾液中的磷量得土壤吸收的磷量,換算成每1 kg土所吸收的P2O5的mg數(shù),即為PAC。

1.3 分析項目與方法

土壤有效磷用0.5mol/L NaHCO3提取—鉬銻抗比色法測定;土壤全磷用H2SO4-H2O2消化—鉬銻抗比色法測定;土壤有機(jī)質(zhì)用硫酸重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤全氮、全鉀、堿解氮、有效鉀測定均用常規(guī)分析方法;土壤pH值用水浸提(水土比為1∶1),電位法測定;以上均參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法》[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉田土壤磷素吸持特性及需磷量

與氮和鉀相比,磷在土壤中的移動性弱且易固定,磷的吸持特性主要是土壤對磷的吸附與解吸過程,本文運(yùn)用平衡法研究土壤體系對磷的吸附,根據(jù)磷等溫吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行磷等溫吸附方程擬合,其磷吸附等溫線符合 Langmuir吸附等溫線、Freundilch吸附等溫線和Temkin吸附等溫線方程,其擬合結(jié)果見表2。從表2可以看出,三個等溫吸附方程擬合程度均達(dá)極顯著水平,相關(guān)系數(shù)在0.8413～0.9949之間,尤以Freundlich方程的擬合度最好,相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。

土壤吸附等溫線法是一種常見的土壤磷飽和吸附法,也可作為土壤需磷量估算的一種方式,Fox等人研究認(rèn)為,土壤溶液中平衡磷濃度能維持在0.2 mg/L時,一般旱地作物的生長量即可達(dá)到最高生長量的92%～98%。故可把平衡溶液中磷濃度保持在0.2mg/L時,土壤對磷的吸附量稱為“標(biāo)準(zhǔn)需磷量(SPR)”[12]。從不同質(zhì)地棉田土壤三種等溫吸附方程的擬合度來看,以Freundlich吸附等溫線最高,本文采用此方程來估算土壤需磷量,結(jié)果見表2。由表2可知,砂壤質(zhì)棉田需磷量為 P2O5172.97 kg/hm2,壤質(zhì)棉田需磷量為P2O5160.19 kg/hm2。

表2 供試土壤磷的恒溫吸附對幾個等溫式的擬合情況Table 2 Fitting of phosphate isothermal adsorption date of the differently treated soils with the three adsorption equations

2.2 棉田磷素效應(yīng)函數(shù)及需磷量

生物效應(yīng)的肥效函數(shù)法是平衡施肥中經(jīng)典而可靠的方法。本試驗(yàn)設(shè)計6個不同磷素水平,各處理子棉產(chǎn)量見表3。由表3可知,各施磷處理子棉產(chǎn)量均顯著高于對照。由于P2O51200 kg/hm2處理磷肥用量過高,不利于肥料效應(yīng)函數(shù)方程的模擬,本文只選取前5個處理使用Excel和DPS統(tǒng)計軟件,回歸分析施磷量與產(chǎn)量之間的關(guān)系,它們之間的數(shù)量關(guān)系用肥料效應(yīng)函數(shù)表示如下:Y砂壤土=4627.12+1.0683P-0.0036P2(R2=0.9967);Y壤土=4875.16+1.0764P-0.0039P2(R2=0.9955)。求得砂壤土棉田子棉最高產(chǎn)量為4706.25 kg/hm2時,P2O5的施用量為148.37 kg/hm2,壤土棉田子棉最高產(chǎn)量為4949.27 kg/hm2時,P2O5的施用量為138kg/hm2。這與上述土壤吸附等溫線法估算的磷肥用量相接近,也與張炎[1]運(yùn)用肥料效應(yīng)函數(shù)法推薦的新疆棉田磷肥施用量P2O5157.5 kg/hm2和李俊義[7]在速效磷含量低于15 mg/kg的棉田上進(jìn)行的田間肥效試驗(yàn)計算的最佳磷肥施用量P2O5160.8 kg/hm2相當(dāng)。

2.3 棉田土壤的磷肥指數(shù)及適宜磷肥用量

所謂磷肥指數(shù)(PFI),即每增加單位土壤有效磷含量(mg/kg)所需施入的磷肥(P2O5)數(shù)量(kg)。以土壤速效磷含量為自變量,施磷量為依變量,求方程式,直線方程的斜率即為磷肥指數(shù)。由于新疆回春比較慢,4月份的氣溫不高,土壤有效磷含量相對穩(wěn)定時間較長,本試驗(yàn)在施入不同量的磷肥30 d后取樣,用Olsen法測定土壤速效磷含量,結(jié)果見表4。從表4可看出,施磷量(Y)與土壤速效磷含量(X)呈極顯著的線性正相關(guān),Y砂壤土=10.48X-65.16(R2=0.9181),Y壤土=17.76X-257.64(R2=0.9714)。據(jù)方程求得砂壤土棉田和壤土棉田的磷肥指數(shù)分別為10.48和17.76。

磷臨界值是指當(dāng)某一土壤速效磷含量超過某一值時,作物增產(chǎn)效果不明顯或下降,此時的土壤速效磷含量即為磷臨界值。本試驗(yàn)將肥料效應(yīng)函數(shù)方程估算的磷肥施用量代入上述磷肥指數(shù)方程即得到砂壤土棉田和壤土棉田的磷臨界值分別為20.37和22.3 mg/kg。

表4 不同處理棉田土壤速效磷含量(mg/kg)Table 4 Soil available P concentration on cotton field in different treatment

有了磷肥指數(shù)和磷臨界值,即可根據(jù)下式計算土壤施磷量:Q=PFI×(K-Po)[6],式中:Q為施磷量;PFI為磷肥指數(shù);K為土壤磷臨界值(mg/kg);Po為實(shí)測土壤有效磷含量(mg/kg)。由此估算砂壤土棉田和壤土棉田適宜磷肥用量分別為P2O5149.97和172.48 kg/hm2。這一結(jié)果在數(shù)值上與前兩種方法估算的結(jié)果差別不大,只是兩種質(zhì)地棉田的需磷量與前兩種結(jié)果不一致,即壤土棉田需磷量大于砂壤土棉田,這還需進(jìn)一步研究。

2.4 棉田土壤的磷酸吸收系數(shù)(PAC)及需磷量

土壤溶液中的磷酸鹽是作物根系容易吸收利用的活性磷,但由于施入土壤中的磷酸鹽不同程度地被化學(xué)固定或吸附,降低了磷的有效性。不同土壤因理化特性不同,對磷酸的吸收能力有很大的差異,因此往一定量土壤中加入磷酸鹽達(dá)到吸附平衡后,不同土壤中殘留在土壤溶液中的磷酸鹽濃度是不同的,因而可通過測定土壤的磷酸鹽的吸收系數(shù)(見表5)來探討不同土壤的磷肥合理用量。土壤磷酸吸收系數(shù)法(PAC)因不同地區(qū)和不同作物種類而異,本文依試驗(yàn)數(shù)據(jù)將PAC的0.2%、0.3%、0.5%和2%計算的施磷量列于表5,與前3種磷肥估算量相比較。從表5可以看出,以PAC的0.3%計算的施磷量最為相近。由此可估算出砂壤土棉田和壤土棉田適宜磷肥用量分別為P2O5168.49和153.08 kg/hm2。

表5 棉田土壤的磷酸吸收系數(shù)(PAC)及需磷量Table 5 Phosphate adsorption coefficient and phosphate application in cotton field

3 討論與結(jié)論

土壤需磷量是研究磷肥利用率的關(guān)鍵指標(biāo),其估算可以通過土壤有效磷肥力指標(biāo)法、肥料效應(yīng)函數(shù)和土壤磷的飽和吸附法。土壤有效磷肥力指標(biāo)法因各地區(qū)有效磷肥力指標(biāo)各異和精確度低而很難被廣泛運(yùn)用,生物效應(yīng)的肥效函數(shù)法是磷肥用量研究中最經(jīng)典、最可靠的方法,本試驗(yàn)由磷肥效應(yīng)函數(shù)法估算的砂壤土棉田和壤土棉田需磷量為 P2O5148.37 kg/hm2和138 kg/hm2,與張炎運(yùn)用肥料效應(yīng)函數(shù)法推薦的新疆棉田磷肥施用量P2O5157.5 kg/hm2和李俊義在速效磷含量低于15 mg/kg的棉田上進(jìn)行的田間肥效試驗(yàn)計算的最佳磷肥施用量P2O5160.8 kg/hm2相當(dāng)。土壤磷飽和吸附法主要包括土壤吸附等溫線法、土壤磷酸吸收系數(shù)法和磷肥指標(biāo)法,土壤吸附等溫線法是一種常見的土壤磷飽和吸附法,本試驗(yàn)運(yùn)用土壤吸附等溫線法估算砂壤土棉田和壤土棉田的標(biāo)準(zhǔn)需磷量為P2O5172.97 kg/hm2和160.19 kg/hm2,略高于肥料效應(yīng)函數(shù)法估算的結(jié)果,兩者相差每公頃不超過30 kg。土壤磷酸鹽吸收系數(shù)法是一種簡便易行的土壤需磷量估算方法,日本將PAC作為例行分析項目,并以其2%～5%計算施磷量。我國由于磷肥資源短缺且多數(shù)地區(qū)生產(chǎn)水平不高,大部分地區(qū)尤其是河北、山西、陜西等北方石灰性土壤以PAC的0.5%計算施磷量,更為具體的是提出春麥以 PAC的0.2%、玉米以PAC的 0.3%、冬麥以 PAC的 0.5%計算施磷量[15-17],棉花上的運(yùn)用還未見報道。本文運(yùn)用PAC法并與肥效函數(shù)法的結(jié)果作比較,發(fā)現(xiàn)以PAC的0.3%估算的砂壤土棉田和壤土棉田需磷量與肥效函數(shù)法的估算的結(jié)果最為相近,即為 P2O5168.49 kg/hm2和153.08 kg/hm2,由此PAC的0.3%也可以作為棉花運(yùn)用PAC法計算施磷量的一個參數(shù)。磷指標(biāo)法既有土壤磷素等溫吸附曲線法的嚴(yán)密性,又有土壤有效磷肥力指標(biāo)法的簡易直觀性,而且在土壤速效磷含量低于臨界值時,磷指數(shù)法是定量地估算磷肥用量的簡便方法,其精度不低于田間試驗(yàn)效應(yīng)函數(shù)法,而高于土壤速效磷分級法[3]。本試驗(yàn)供試土壤速效磷含量均低于臨界值,根據(jù)磷指標(biāo)值計算砂壤土棉田和壤土棉田的磷肥建議施用量分別為P2O5149.97和172.48 kg/hm2,此結(jié)果與前三種估算方法在數(shù)量上差別不大,但對兩種質(zhì)地棉田的大小順序則相反,即壤土棉田需磷量大于砂壤土棉田。

綜合比較4種磷肥施用量估算方法的試驗(yàn)結(jié)果,可知兩種質(zhì)地棉田土壤需磷量差異不大,砂壤土在P2O5148～173 kg/hm2之間變動,壤土在138～172 kg/hm2之間變動,將各種估算方法測得施磷量進(jìn)行比較,其每公頃用量相差不超過37.5 kg,但磷指標(biāo)法對兩種質(zhì)地的估算結(jié)果與前三種方法估算結(jié)果不一致,這說明此法在本試驗(yàn)兩種質(zhì)地的運(yùn)用還需要進(jìn)一步的探討,肥料效應(yīng)函數(shù)法和土壤吸附等溫線法與土壤磷酸鹽吸收系數(shù)法相比,操作過程復(fù)雜,尤其是肥料效應(yīng)函數(shù)法需要整個生育期的田間試驗(yàn),相對而言,土壤磷酸鹽吸收系數(shù)法操作簡便且精度與肥料效應(yīng)函數(shù)法相當(dāng),此方法的運(yùn)用對當(dāng)?shù)氐牧追释扑]工作具有簡便易行的指導(dǎo)作用和實(shí)踐意義。

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