長期輪作施肥棕壤磷素對(duì)磷盈虧的響應(yīng)

李 娜，楊勁峰，劉侯俊，韓曉日

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部東北玉米營養(yǎng)與施肥科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站/土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110866）

磷是植物生長發(fā)育所必需的三大營養(yǎng)元素之一，但土壤中磷素含量較低，不足以供應(yīng)作物生長吸收[1]，因此施用磷肥成為維持農(nóng)作物高產(chǎn)的重要措施。由于土壤礦物、粘粒及有機(jī)物等對(duì)磷酸根離子的吸附、沉淀與生物固定作用，致使磷肥當(dāng)季利用率很低，僅為5%～25%[2–4]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥投入量往往超出作物需磷量，特別是推薦有機(jī)肥施用量大多基于氮肥水平，磷素盈余更加可觀[5]。磷肥投入過量，導(dǎo)致磷素大量盈余[6–7]，浪費(fèi)磷肥資源；若土壤長期處于磷素盈余狀態(tài)，還會(huì)顯著降低其磷素固定能力[8]。多余的磷素還可能流入水體，造成富營養(yǎng)化，增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[9]。

土壤全磷能夠反映土壤磷庫大小。土壤有效磷是土壤磷庫中最易被植物吸收利用的磷素，能夠反映土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)能力[10]，受農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷素盈虧狀況的影響。磷素的長期盈余或虧缺，決定著土壤全磷與有效磷的消長趨向[11–12]。國內(nèi)外已對(duì)不同土壤類型、施肥模式、耕作制度下土壤磷素盈虧狀況進(jìn)行了研究。英國洛桑試驗(yàn)站研究發(fā)現(xiàn)，土壤磷素盈虧與土壤有效磷增量呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系[13]。有研究[14]表明長期施肥18年的西班牙鈣質(zhì)變性土，每盈余100 kg/hm2磷，土壤有效磷提高 3 mg/kg。在加拿大砂壤土上的研究[15]顯示，每盈余磷100 kg/hm2，土壤有效磷增加 2 mg/kg。Messiga等[16]研究表明，每盈余磷100 kg/hm2，法國西部弱酸性沙壤土，土壤有效磷可提高3.3 mg/kg。Cao等[17]研究中國多個(gè)長期定位試驗(yàn)Olsen-P與土壤累積磷盈虧的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P可提升1.44～5.74 mg/kg。楊軍等[12]研究了潮土33年長期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用不同磷肥，有效磷及全磷對(duì)土壤磷素盈虧響應(yīng)不同，有機(jī)肥與化學(xué)磷肥相比，使土壤增加更多的全磷。樊玉柱等[18]研究了長期施肥 (34年) 的紫色水稻土壤，結(jié)果為單施化學(xué)磷肥提升Olsen-P的速率大于施用有機(jī)肥。以上可以看出，不同土壤類型、作物種類、施肥方式等對(duì)土壤磷與磷盈虧的關(guān)系影響差別較大。因此明確特定農(nóng)田土壤類型與施肥制度下土壤磷素水平與磷盈虧的關(guān)系，對(duì)于農(nóng)田土壤磷肥合理施用具有重要的指導(dǎo)意義。棕壤耕種面積占遼寧省耕地面積的36.1%，是遼寧省主要農(nóng)田土壤類型[19]，而目前對(duì)于長期輪作不同施肥條件下棕壤磷素平衡對(duì)磷盈虧的響應(yīng)關(guān)系尚不清楚。因此本文以棕壤肥料長期定位試驗(yàn)為平臺(tái)，較為系統(tǒng)地研究了玉米－玉米－大豆輪作制度下連續(xù)36年 (1979—2015) 不同施肥處理土壤磷素盈虧的變化，分析了土壤全磷、有效磷與土壤累積磷之間的關(guān)系，探討棕壤磷素平衡對(duì)長期輪作施肥的響應(yīng)，以期為棕壤磷素養(yǎng)分高效管理、合理施用磷肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)始于1979年，設(shè)在遼寧省沈陽市沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤試驗(yàn)站內(nèi)，東經(jīng)123°33'，北緯40°48'。試驗(yàn)區(qū)地處松遼平原南部的中心地帶，海拔高度約88 m，屬于溫帶濕潤－半濕潤季風(fēng)氣候。年均氣溫7.0～8.1℃，10℃以上積溫3300～3400℃，年降水量547 mm，年蒸發(fā)量1435.6 mm，無霜期148～180 d，年日照時(shí)數(shù)2373 h。供試土壤為發(fā)育在第四紀(jì)黃土性母質(zhì)上的簡育濕潤淋溶土 (耕作棕壤)。耕層土壤基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)15.90 g/kg、全氮0.80 g/kg、堿解氮105.5 mg/kg、全磷0.38 g/kg、有效磷6.5 mg/kg、全鉀21.1 g/kg、速效鉀97.9 mg/kg、pH 6.5。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長期定位試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，分為化肥、低量有機(jī)肥和高量有機(jī)肥三個(gè)區(qū)組，共15個(gè)施肥處理，小區(qū)面積為160 m2。本研究選用其中的7個(gè)處理：1)不施肥 (CK)；2) 化學(xué)氮磷肥 (NP)；3) 化學(xué)氮磷鉀肥(NPK)；4) 低量有機(jī)肥配施化學(xué)氮磷肥 (M1NP)；5)低量有機(jī)肥配施化學(xué)氮磷鉀肥 (M1NPK)；6) 高量有機(jī)肥配施化學(xué)氮磷肥 (M2NP)；7) 高量有機(jī)肥配施化學(xué)氮磷鉀肥 (M2NPK)。種植制度為玉米－玉米－大豆輪作模式。玉米播種密度為60000株/hm2，大豆播種密度為150000株/hm2。氮肥采用普通尿素 (N 46%)，磷肥用過磷酸鈣 (P2O512%)，鉀肥用硫酸鉀(K2O 50%)，有機(jī)肥用豬廄肥 (干重，平均有機(jī)質(zhì)含量為 119.6 g/kg、N 5.6 g/kg、P2O58.3 g/kg、K2O 10.9 g/kg)，所有肥料均作為基肥在播種前一次施入。自1992年至今，所有有機(jī)肥施于玉米上。1994年因修路暫停一年。各處理具體施肥量見表1。

表1 試驗(yàn)處理及施肥量 (kg/hm2)Table 1 Experimental treatments and fertilizer quantity

1.3 樣品采集及分析方法

于每年9月末或10月初玉米收獲時(shí)，按“S”形采集小區(qū)0—20 cm耕層土樣5點(diǎn)，充分混勻，剔除礫石、植物根系等雜物，風(fēng)干后研磨過20目篩備用。隨機(jī)采8株玉米，取籽粒和莖葉樣本，風(fēng)干后粉碎混勻，待測。樣本分析測定方法見參考文獻(xiàn)[20]。土壤全磷用堿熔—鉬銻抗比色法測定，有效磷用Olsen法測定。植株樣品用H2SO4?H2O2消化，鉬銻抗比色法測磷。

1.4 計(jì)算方法與統(tǒng)計(jì)分析

1) 土壤有效磷增量計(jì)算公式

△Olsen P (mg/kg)= OPi (mg/kg)?OP0 (mg/kg)式中：OPi表示第i年土壤有效磷含量；OP0表示初始土壤的有效磷含量。

2) 土壤全磷增量計(jì)算公式

△Total P (g/kg) = TPi (g/kg) ? TP0 (g/kg)

式中：TPi表示第i年土壤全磷含量；TP0表示初始土壤全磷含量。

3) 作物吸磷量 (kg/hm2)= 籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2)× 籽粒含磷量 (%) + 秸稈產(chǎn)量 (kg/hm2) × 秸稈含磷量 (%)；

4) 土壤年表觀磷盈虧 (kg/hm2)= 每年施入土壤磷素總量 (kg/hm2)?每年作物 (籽粒 + 秸稈■) 吸磷量 (kg/hm2)；

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期輪作施肥下土壤磷素盈虧

圖1為連續(xù)36年不同施肥處理土壤表觀磷盈虧狀況，大于0表示土壤磷素年盈余，小于0則表示土壤磷素年虧缺。由圖1可知，不施肥處理 (CK) 當(dāng)季土壤始終處于表觀磷虧缺狀態(tài)，平均年虧缺磷量為8.5 kg/hm2。單施化學(xué)磷肥處理 (NP和NPK) 當(dāng)季土壤表觀磷呈現(xiàn)盈余狀態(tài)，年平均盈余量分別為19.8 kg/hm2和20.0 kg/hm2。無論低量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥還是高量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥各處理均表現(xiàn)為土壤表觀磷素年盈余狀態(tài)。其中低量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理 (M1NP和M1NPK) 年平均盈余磷分別為41.7 kg/hm2和40.7 kg/hm2，高量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理 (M2NP和M2NPK) 年平均盈余磷分別為63.8 kg/hm2和60.3 kg/hm2。高量有機(jī)肥年盈余量分別高于低量有機(jī)肥相應(yīng)處理。在1992年前所有有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理均表現(xiàn)為大豆年份磷素盈余較多。由于1992年后大豆年份不施用有機(jī)肥，大豆年份土壤磷素年盈余量降低，由波峰 (1992年前) 降至波谷 (1992年后)。

圖1 各處理磷素盈虧狀況Fig. 1 Phosphorus balance of different treatments

2.2 長期施肥下土壤有效磷變化對(duì)土壤磷素盈虧的響應(yīng)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)磷盈虧是土壤有效磷水平消長的根本原因[11,20]。圖2反映長期不同施肥條件下棕壤Olsen-P變化量與耕層土壤磷盈虧的響應(yīng)關(guān)系。圖中方程為不同處理有效磷增量和土壤累積磷盈虧之間的線性回歸方程，各方程中x代表土壤累積磷盈虧量 (kg/hm2)，y代表土壤有效磷的凈增量 (mg/kg)。方程的斜率 (a值) 表示土壤磷平均每增加1個(gè)單位(P kg/hm2)，相應(yīng)的有效磷的增加量 (P mg/kg) 或者土壤磷平均虧缺1個(gè)單位 (P kg/hm2)，土壤有效磷的減少[9,13,21]。由圖2可知，不施肥處理 (CK) 土壤Olsen-P變量與土壤累積磷盈虧量的相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平 (P ＜ 0.01)，土壤每虧缺磷 100 kg/hm2，Olsen-P 下降0.84 mg/kg。施用化學(xué)磷肥的2個(gè)處理 (NP和NPK) 土壤Olsen-P變量與土壤累積磷盈虧量的相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平 (P ＜ 0.01)，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P分別提高1.97 mg/kg和2.54 mg/kg。低量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥的處理 (M1NP和M1NPK) 土壤Olsen-P變量與土壤累積磷盈虧量的相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平 (P ＜ 0.01)，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P分別上升5.69 mg/kg和 6.00 mg/kg。高量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理 (M2NP和M2NPK) 土壤Olsen-P變量與土壤累積磷盈虧量的相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平 (P ＜ 0.01)，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P分別增加6.69 mg/kg和7.23 mg/kg。

2.3 長期輪作施肥下棕壤全磷對(duì)累積磷盈虧的響應(yīng)

由圖3可知，CK處理土壤全磷增量與累積磷盈虧量關(guān)系不顯著。施用化學(xué)磷肥處理NP和NPK的全磷增量與累積磷盈虧量均呈極顯著相關(guān)關(guān)系 (P ＜0.01)，NP和NPK處理全磷含量隨土壤磷素盈虧量的增加而增加，由線性方程可得，土壤每盈余磷素100 kg/hm2，NP和NPK處理全磷量均增加0.03 g/kg。施用有機(jī)肥各處理全磷增量均隨土壤磷素累積量的增加而增加，且均呈極顯著相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)。在低量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理 (M1NP和M1NPK)，土壤每盈余磷素100 kg/hm2，全磷量均增加0.04 g/kg；土壤每盈余磷素100 kg/hm2，高量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理 (M2NP和M2NPK) 全磷也提升0.04 g/kg。

3 討論

3.1 磷盈虧對(duì)長期施肥的響應(yīng)

圖2 各處理土壤Olsen-P變化與有效磷累積增量的關(guān)系Fig. 2 Correlation between soil Olsen-P increase and cumulative P balance

圖3 各處理土壤全磷增量與土壤累積磷盈虧的關(guān)系Fig. 3 Correlation between soil total P increase and P balance

土壤中磷素盈虧主要取決于農(nóng)田系統(tǒng)中的磷投入和磷輸出。連續(xù)36年種植作物而不施磷肥 (CK)，籽粒和秸稈不斷地從土壤中攜出磷素，而灌溉、降雨等其他磷素來源極少[21]，土壤磷素始終處于虧缺狀態(tài)。當(dāng)磷肥的施用量高于作物吸收的磷量，土壤磷素出現(xiàn)盈余，會(huì)使磷素在土壤中積累[12]。在本試驗(yàn)中連續(xù)36年施肥后，NP處理和NPK處理均表現(xiàn)為土壤磷盈余，且平均年盈余量接近，約為20.0 kg/hm2，說明一個(gè)輪作周期年均P2O5施用量為70 kg/hm2時(shí)，施用化學(xué)磷肥配施氮肥 (NP) 或化學(xué)磷肥配施氮鉀肥(NPK) 均可使棕壤磷素水平略有盈余。棕壤肥料長期定位試驗(yàn)為3年一個(gè)輪作周期，即2年種植玉米，1年種植大豆，由于大豆吸收磷量低于玉米，所以化肥區(qū)組中的磷肥配施氮肥 (NP) 和磷肥配施氮鉀肥(NPK) 均表現(xiàn)為大豆年份磷盈余量高于玉米年份。眾多研究[4,10,22–24]表明，長期有機(jī)肥與化學(xué)磷肥配施可以增加土壤中磷素的積累量。在本試驗(yàn)中，無論是低量有機(jī)肥還是高量有機(jī)肥與化學(xué)磷肥配施處理土壤磷素始終保持盈余狀態(tài)，且高量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理盈余量較高，約為低量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理的1.5倍，是單施化學(xué)磷肥的3倍。磷盈余量差別較大的原因在于不同處理磷素的投入和作物吸磷量不同。棕壤肥料長期定位試驗(yàn)所有磷肥處理的化肥磷肥施用量一致，約為31 kg/hm2，而低量和高量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理相當(dāng)于分別額外增施磷量約為25 kg/hm2和50 kg/hm2。施用化學(xué)磷肥兩處理(NP、NPK) 年均吸磷量接近，約為 11 kg/hm2，而低量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥兩處理 (M1NP、M1NPK) 年均吸磷量約為14 kg/hm2，高量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥(M2NP、M2NPK) 作物年均吸磷量分別約為16 kg/hm2和19 kg/hm2，可見處理間磷素吸收量的差別遠(yuǎn)小于投入磷量的差別。經(jīng)過36年連續(xù)定位試驗(yàn)后必然導(dǎo)致有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理土壤磷素盈余量遠(yuǎn)高于單施化學(xué)磷肥處理。需要指出的是，有機(jī)肥除了可以向作物提供大量的磷素營養(yǎng)外，還可以通過還原、酸溶、絡(luò)合溶解作用，促進(jìn)解磷微生物增殖等過程活化土壤中難利用磷[25]。以上可以說明本試驗(yàn)中無論單施化學(xué)磷肥，還是有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理土壤中磷素均有盈余。有必要從作物需求角度考慮適當(dāng)調(diào)整有機(jī)肥及化學(xué)磷肥的投入量。

3.2 土壤磷素對(duì)磷盈虧的響應(yīng)

農(nóng)田土壤養(yǎng)分水平發(fā)展趨向是一個(gè)漸進(jìn)的過程，從根本上說決定于農(nóng)田養(yǎng)分平衡的盈余或虧缺[26]。外源磷投入是提升土壤全磷和有效磷的關(guān)鍵，但土壤磷庫變化因投入磷肥的種類、施用時(shí)間、施用方式及投入量的不同而存在差異[27]。研究表明土壤有效磷的變化量與磷素盈虧值間呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系[13]。為試圖根據(jù)土壤有效磷水平變化預(yù)測土壤的磷肥需求量，國內(nèi)外不同的長期定位試驗(yàn)點(diǎn)計(jì)算了土壤磷每盈虧100 kg/hm2相應(yīng)的有效磷的變化量，發(fā)現(xiàn)不同試驗(yàn)點(diǎn)有效磷對(duì)磷盈虧的響應(yīng)并不一致。如法國弱酸性沙壤土每盈余磷100 kg/hm2，有效磷提高3.3 mg/kg[16]，西班牙鈣質(zhì)變性土有效磷提高3 mg/kg[14]；加拿大砂壤土有效磷提高2 mg/kg[15]；Tang等[11]研究了中國5個(gè)長期定位試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壤每盈余磷100 kg/hm2，土壤Olsen-P增加2.1～5.7 mg/kg。Cao等[17]研究結(jié)果表明，施用化學(xué)磷肥下每盈余100 kg/hm2，土壤有效磷分別增加1.6～5.7 mg/kg。在對(duì)棕壤的研究中發(fā)現(xiàn)，各施肥處理的有效磷與磷盈虧量之間均呈顯著相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)。其中，單施化學(xué)磷肥 (NP和NPK)，每盈余100 kg/hm2磷，棕壤有效磷增加1.97～2.54 mg/kg；有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥 (M1NP、M1NPK、M2NP和M2NPK)，每盈余磷100 kg/hm2，棕壤有效磷增加5.6～7.13 mg/kg。結(jié)果反映在相同磷素積累量條件下，有機(jī)肥配合化學(xué)磷肥對(duì)土壤有效磷的增加量高于單施化學(xué)磷肥；同時(shí)也可以說明，化學(xué)磷肥增施有機(jī)肥可以提高土壤磷有效性。這與前人的研究[12,26,28]結(jié)果一致。原因在于一方面有機(jī)肥中含有大量的植物可利用態(tài)磷。另一方面有機(jī)肥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)礦化可為土壤提供無機(jī)磷；有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)酸與腐殖酸可在鐵鋁氧化物表面形成保護(hù)膜，減少對(duì)磷酸根的吸附；有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生有機(jī)酸、CO2、其他螯合劑可改變土壤pH，促進(jìn)土壤中部分固相磷的溶解[4,29]。由于沒有外源磷投入 (忽略灌水和降雨中磷素)，磷素被作物吸收攜出導(dǎo)致土壤磷處于持續(xù)耗竭狀態(tài)[19]。不施磷肥的CK土壤每虧缺磷100 kg/hm2，Olsen-P下降0.84 mg/kg。

全磷是磷素營養(yǎng)水平的參考指標(biāo)和衡量土壤磷素儲(chǔ)量的標(biāo)志。盈余的磷除轉(zhuǎn)化成土壤有效磷外，還可以淋失或隨水流失，或被土壤固定成難利用態(tài)磷[30]，可以說土壤磷素的純盈余量決定著全磷的水平。在棕壤肥料長期定位試驗(yàn)中，CK處理沒有任何肥料投入，因此磷素盈虧量主要取決于作物磷攜出量，而作物攜出量主要受氣候、品種等因素影響，所以CK處理全磷含量與累積磷盈虧量無顯著線性相關(guān)關(guān)系，這與楊軍等[12]研究結(jié)果一致。研究發(fā)現(xiàn)每盈余磷100 kg/hm2，高量有機(jī)肥配施化肥對(duì)Olsen-P的增加量高于相應(yīng)低量有機(jī)肥配施化肥，但在對(duì)全磷量增加量的影響差別不大。原因可能是隨著施磷量的增加，土壤全磷增加，將會(huì)降低土壤對(duì)外源磷的固定能力，全磷增加一個(gè)單位，同時(shí)會(huì)有更多的部分轉(zhuǎn)入有效磷狀態(tài)。這也解釋了土壤積累等量的磷素條件下，高量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥增加有效磷量高于低量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥。本研究中施用磷肥處理磷盈虧與全磷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤每盈余磷100 kg/hm2，有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理土壤全磷增量高于單施化學(xué)磷肥。說明增施有機(jī)肥能促進(jìn)提高土壤全磷水平。這與楊軍等[12]在潮土上的研究結(jié)果一致，而與樊紅柱等[18]在紫色水稻土上的研究結(jié)果相反，說明不同土壤類型、作物種類、輪作制度、施肥措施等，可能對(duì)全磷增量對(duì)磷盈虧的響應(yīng)關(guān)系產(chǎn)生不同的影響。

4 結(jié)論

長期輪作而不施磷肥，棕壤磷素呈虧缺狀態(tài)，平均年虧缺磷量為8.5 kg/hm2；長期輪作施用化學(xué)磷肥 (年均投入P2O570 kg/hm2) 處理和有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理 (年均投入P2O5126～182 kg/hm2)，棕壤磷素處于盈余狀態(tài)，平均年盈余磷量為19.8～63.8 kg/hm2。高量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥年盈余量高于低量有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥，二者均高于單施化學(xué)磷肥。長期輪作施肥條件下有效磷增量與土壤累積磷盈虧均呈極顯著相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)，土壤每虧缺磷100 kg/hm2，Olsen-P下降0.84 mg/kg；土壤每盈余磷100 kg/hm2，施用化學(xué)磷肥 (NP和NPK) Olsen-P分別上升1.97 mg/kg和2.54 mg/kg；有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥 (M1NP、M1NPK、M2NP和M2NPK) Olsen-P分別上升5.69、6.00、6.69和7.23 mg/kg。土壤每盈余磷100 kg/hm2，單施化學(xué)磷肥全磷增加0.03 g/kg，有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥增加0.04 g/kg。棕壤長期施用有機(jī)肥及配施化學(xué)磷肥提升土壤磷素速率高于單施化學(xué)磷肥。