連續(xù)6年施磷肥對土壤磷素積累、形態(tài)轉化及有效性的影響

李新樂， 侯向陽， 穆懷彬， 李西良， 郭豐輝

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心， 內(nèi)蒙古 磴口 015200)

連續(xù)6年施磷肥對土壤磷素積累、形態(tài)轉化及有效性的影響

李新樂1,2， 侯向陽1*， 穆懷彬1， 李西良1， 郭豐輝1

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心， 內(nèi)蒙古 磴口 015200)

摘要：長期施磷肥對土壤磷素積累、形態(tài)轉化以及有效性的影響是國內(nèi)外土壤化學研究的熱點之一。本研究利用從2008年開始在京南地區(qū)進行的紫花苜蓿連續(xù)6年施用磷肥定位試驗，研究不同施肥處理對紫花苜蓿田土壤磷素積累、形態(tài)轉化及其有效性的影響。試驗地土壤為褐潮土，試驗開始前耕層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)為11.2 g/kg，全磷為0.77 g/kg，速效磷為5.66 mg/kg，pH為8.3。結果表明，連續(xù)不施磷肥土壤的全磷、速效磷、無機磷各組分含量較連續(xù)施磷肥處理均明顯降低，說明連續(xù)施用磷肥可顯著擴大土壤中的有效磷庫；不施磷肥處理耕層(0～20 cm)土壤全磷下降了6.94%，速效磷下降了16.3%，施用磷肥處理耕層土壤全磷增加1.3%～13%，速效磷增加164.7%～335.9%；不同的施磷肥處理對Ca2-P含量的影響最大，不施磷肥的土壤Ca2-P幾乎耗竭，而施磷處理的Ca2-P增加幅度可達19～36倍；此外，施用磷肥也使土壤Ca8-P、Ca10-P、Al-P、Fe-P、O-P有不同程度的提高。通過2013年的停施磷肥試驗可知繼續(xù)施磷肥的處理(F2)與停施磷肥的處理(F2′)在土壤磷素水平、苜蓿產(chǎn)量及養(yǎng)分含量上均沒有顯著差異，表明磷肥存在明顯的后效作用，之前積累在土壤中的磷素具有生物有效性。

關鍵詞：褐潮土；磷肥；磷素形態(tài)；有效性

DOI：10.11686/cyxb2014388http://cyxb.lzu.edu.cn

李新樂，侯向陽， 穆懷彬， 李西良， 郭豐輝. 連續(xù)6年施磷肥對土壤磷素積累、形態(tài)轉化及有效性的影響. 草業(yè)學報, 2015, 24(8): 218-224.

Li X L, Hou X Y, Mu H B, Li X L, Guo F H. P fertilization effects on the accumulation, transformation and availability of soil phosphorus. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(8): 218-224.

收稿日期：2014-09-15；改回日期：2014-12-25

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAD12B02)資助。

作者簡介：李新樂(1989-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，碩士。E-mail：nxylxl@126.com

通訊作者*Corresponding author. E-mail：houxy16@126.com

P fertilization effects on the accumulation, transformation and availability of soil phosphorus

LI Xin-Le1，2, HOU Xiang-Yang1*, MU Huai-Bin1, LI Xi-Liang1, GUO Feng-Hui1

1.GrasslandResearchInstituteofChineseAcademyofAgricultureSciences,Huhhot010010,China; 2.ExperimentalCenterofDesertForestry,ChinaAcademyofForestry,Dengkou015200,China

Abstract:The effects of phosphorus (P) fertilization on the accumulation, transformation and availability of P in soil chemistry have drawn much attention in recent years. This paper reports on a six-year fertilization experiment (beginning in 2008) with alfalfa grown in the south region of Beijing. The soil type in the study area is fluvo-aquic. Before the experiment was performed, soil organic matter was 11.2 g/kg, total P was 0.77 g/kg, available P was 5.66 mg/kg and soil pH was 8.3 in the topsoil (0-20 cm). The results showed that the contents of total P, available P and inorganic P in various forms decreased markedly without P fertilization and increased significantly when P fertilizer was applied. Total P and available P in soils without fertilization decreased by 6.94% and 16.3% respectively, while in soil treated with six years fertilization they increased by 1.3%-13.0% and 164.7%-335.9% respectively. The effects of different P fertilizer treatments on Ca2-P content were significant. Ca2-P content was almost depleted in the non-fertilization treatment, while levels in the fertilization treatment increased 19-36 times. P fertilization also increased the soil content of Ca8-P, Ca10-P, Al-P, Fe-P, O-P. When fertilization was stopped in 2013 it was found that no significant differences existed in soil P level, alfalfa yield and nutrient content between the treatments of continued fertilization (F2) and ceased fertilization (F2′). The results indicate that long term P fertilization has significant and continuous effects. The accumulation of P in soil contents should also enhance future biological performance.

Key words:Fluvo-aquic soil; phosphorus fertilizer; phosphorus forms; availability

磷是植物必需的大量元素之一，不僅是植物體內(nèi)許多重要化合物的組成成分，而且以多種途徑參與植物體內(nèi)的代謝過程，從而影響植物的生長發(fā)育[1]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界廣泛種植的一種優(yōu)質(zhì)蛋白飼草，被譽為“牧草之王”。全世界種植面積 3.3×107hm2，我國現(xiàn)有種植面積約 2.0×106hm2，居世界第6位，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構的調(diào)整，其種植面積將進一步擴大[2]。苜蓿是一種需磷量較大的多年生作物[3]，施用磷肥可以顯著增加紫花苜蓿的根瘤數(shù)，加強根瘤菌的固氮作用，從而提高苜蓿的干物質(zhì)產(chǎn)量[4]。此外，施磷明顯可增強組織細胞膜的穩(wěn)定性，增大氣孔導度，使其對干旱的敏感性降低[5]。近年來，磷肥在苜蓿生產(chǎn)中的應用面積和數(shù)量在逐年增加[6]，但由于磷肥的利用率較低，當季利用率一般僅為15%～20%[7-8]，導致磷素在土壤中大量積累[9-10]，造成相當一部分土壤養(yǎng)分失調(diào)、磷肥利用率下降以及化肥資源的浪費[11]。如何利用這一積累的磷庫資源達到節(jié)省磷肥，提高磷利用效率以及減少環(huán)境危害，對促進苜蓿產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[12-14]。

有關施磷肥對土壤磷素積累、形態(tài)轉化以及有效性的影響，一直是土壤化學的研究熱點。英國洛桑試驗站小麥(Triticumaestivum)連作101年(1843-1944年)后，無肥區(qū)土壤全磷含量為0.58 g/kg，而磷肥處理區(qū)土壤全磷含量則為1.08 g/kg[15]，說明長期施磷肥能促進土壤磷素累積。周寶庫和張喜林[16]通過24年小麥-大豆(Glycinemax)-玉米(Zeamays)輪作施肥試驗表明長期不施磷，土壤全磷下降了37.4%，施磷肥處理土壤全磷都有明顯積累，尤其是施二倍量磷肥處理，其土壤全磷比對照增加了53.9%～65.7%。黃紹敏等[17]研究了小麥-玉米輪作方式下長期不同施肥量對潮土土壤P 素積累與利用，得出P素施入越多，殘留在土壤中越多，P素利用率越低。Otto和Kilian[18]研究指出，當施P肥量在20 kg/hm2以上時，土壤P含量迅速提高。來璐等[19]對18年連作苜蓿條件下不同施肥處理對黃土P素的影響進行了研究，結果表明施肥可提高土壤耕層全P含量。

本研究以京南地區(qū)苜蓿長期水肥定位試驗為平臺，探討連續(xù)6年不同施磷肥處理對土壤磷素積累、形態(tài)轉化及有效性的影響，為苜蓿生產(chǎn)中合理地施用磷肥、提高肥料磷的有效性和利用率提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1　試驗區(qū)概況

試驗地設在中國農(nóng)業(yè)科學院廊坊實驗基地，位于河北省廊坊市北部，地理位置116°34′60″-116°36′13″ E，39°35′44″-39°36′14″ N。試驗區(qū)地勢平坦，海拔25 m，屬溫帶半干旱、半濕潤大陸性季風氣候。年均氣溫11.9℃，1月份最冷(平均氣溫-5.2℃，極端最低氣溫-25℃)，7月份氣溫最高(平均氣溫26℃，極端最高溫40.2℃)，平均無霜期183 d，≥10℃的年均積溫為4167℃，平均年日照數(shù)2659.6 h，年均降水量554.9 mm，降水高度集中在夏季(平均454.7 mm，占全年降水量的77%)。試驗地土壤類型為褐潮土，實驗開始前耕層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)為11.2 g/kg，全磷為0.77 g/kg，速效磷為5.66 mg/kg，pH為8.3。

1.2　試驗設計

試驗地種植植物為中苜2號紫花苜蓿，于2007年10月1日人工開溝條播，播種量為22.5 kg/hm2，播深2 cm，行距30 cm。研究于2008年3月份開始，本文所用數(shù)據(jù)截至2013年10月份，該實驗至今仍在進行。采用完全隨機區(qū)組設計，磷肥處理設置3個水平：分別為0，105，210 kg P2O5/hm2(記為F0、F1、F2)，分兩次施用，即每次施肥量為0，52.5，105 kg/hm2，于每年苜蓿返青后以及第2茬刈割后結合灌溉進行施用，所施磷肥為粒狀過磷酸鈣(有效P2O5=12.0%，硫=10%，鈣=10%)。每個處理設4個重復，每個小區(qū)面積為6 m×6 m，相鄰小區(qū)間隔0.5 m，各小區(qū)間進行防水隔離處理。整個生育期不再施其他肥料，田間管理同大田。

2013年在保持之前實驗設計方案不變的前提下，對F2施肥試驗小區(qū)進行了畫線切半處理，即50%仍然保持以前的施磷肥量(210 kg P2O5/hm2)，另50%則停施磷肥(0 kg P2O5/hm2)，記為F2′。此時小區(qū)面積為3 m×6 m，其他田間管理不變。

1.3　測定項目及方法

1.3.1苜蓿產(chǎn)量測定在每茬苜蓿的初花期進行刈割，一個生長季刈割4次，樣方大小為1 m×1 m，留茬高度5 cm，每個小區(qū)3次重復，田間測鮮重。每個處理隨機抽取 1 個 200 g 左右的小樣本，放入保鮮袋中以防失水，帶回實驗室稱鮮重，而后將草樣于105℃殺青15 min，調(diào)至65℃烘至恒重，測其干重。通過計算烘干前后的樣品重量的比值，即可得出干鮮比，進而換算得到干重產(chǎn)量。測完產(chǎn)后，各小區(qū)苜蓿全部刈割，留茬高度為5 cm。

1.3.2土壤磷素含量測定2013年第4茬苜蓿收割1周后(9月17日)，在各試驗小區(qū)用土鉆采集0～20 cm和20～40 cm土壤樣品，采用S形取樣方法，每個小區(qū)取5鉆土壤樣品混合。土壤樣品經(jīng)風干、去雜、磨細、過篩、混勻處理后，對無機磷分組采用顧益初和蔣柏藩[20]的分級方法。此外，按土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法[21]測定各層土壤中磷素的含量，其中，用堿熔-鉬銻抗比色法測定全磷；用Olsen 法測定速效磷。

1.3.3苜蓿養(yǎng)分含量測定2013年分別取第4茬停施磷肥和繼續(xù)施磷肥處理的苜蓿樣品，烘干粉碎后，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，按土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法[21]采用釩鉬黃比色法測定植株全磷含量，凱氏定氮法測定全氮含量，火焰光度計法測定全鉀含量。

1.4　數(shù)據(jù)分析

利用 Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)初步處理，Sigmaplot 10.0繪圖，SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進行分析。

2結果與分析

2.1　連續(xù)6年施磷肥對土壤磷素積累的影響

土壤全磷是土壤無機磷素和有機磷素的總和，能反映土壤磷庫大小和潛在的供磷能力。從表1可知，對耕層(0～20 cm)土壤來說，施磷肥和不施磷肥的土壤全磷含量存在顯著差異，施磷肥的處理土壤全磷有明顯的積累，與不施磷肥土壤相比增加了8.3%～20.8%，且磷肥用量越多，土壤全磷含量越高。不施磷肥處理，土壤全磷由試驗前的0.77 g/kg下降到2013年的0.72 g/kg，下降了6.94%，而F1、F2施磷處理土壤全磷比試驗前提高0.01～0.10 g/kg，提高1.3%～13.0%。對于20～40 cm土層土壤來說，施磷肥對土壤全磷含量的影響沒有顯著差異。

土壤速效磷是指能被當季作物吸收的磷量，其含量高低是決定磷肥有無效果以及效果大小的主要因素。對耕層(0～20 cm)土壤來說，不同施肥處理的土壤速效磷含量存在顯著差異(表1)。施磷肥處理土壤速效磷有顯著的增加，與不施肥相比土壤速效磷增加3～5倍，施磷量越多，土壤速效磷積累的也越多。同時，施磷肥處理土壤速效磷較試驗前提高164.7%～335.9%，不施肥處理，土壤速效磷較試驗前下降了16.3%。對于20～40 cm土層土壤來說，施磷肥對土壤速效磷含量的影響也有顯著差異，表現(xiàn)為F2>F1>F0，但F1和F2之間差異不顯著。

表1　不同磷肥處理下土壤全磷和速效磷含量

注：同列同一土層不同字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。

Note: Different letters from the same soil layer in the same column mean significantly different at 5% level, the same below.

2.2　連續(xù)6年施磷肥對土壤磷素形態(tài)的影響

應用顧益初和蔣柏藩[20]石灰性土壤無機磷分級的測定方法，將土壤無機磷部分的磷酸鈣鹽分為Ca8-P，Ca10-P，Ca2-P，同時使用混合浸提劑提取磷酸鐵鹽，以評價磷肥施入土壤后的形態(tài)轉化和有效性。從表2中可以看出，各土層土壤無機磷以Ca10-P為主，其次為Fe-P，Ca8-P，Al-P；Ca2-P和O-P含量相對較低，說明積累的磷素大部分以緩效態(tài)的形式存在土壤中。不同的施磷肥處理對Ca2-P含量的影響最大，不施磷肥的土壤Ca2-P幾乎耗竭，而施用磷肥使耕層土壤Ca2-P提高19～36倍；此外，施磷肥使耕層土壤其他形態(tài)的無機磷均有不同程度的增加，其中Ca8-P提高了76.1%～127.2%，Ca10-P提高了104.0%～145.6%，Al-P提高了40.4%～71.2%，F(xiàn)e-P提高了156.6%～200.6%，O-P提高了14.3%～54.1%。施磷肥對20～40 cm土層土壤不同形態(tài)無機磷有顯著影響，但是提高幅度相對較小，其中Ca8-P提高了6.81%～9.60%，Ca10-P提高了6.78%～9.60%，Al-P提高了9.23%～9.57%， Fe-P提高了9.51%～78.40%，O-P提高了0.94%～15.70%。

表2　施磷肥對土壤無機磷形態(tài)的影響

注：“-” 代表微量，未檢出。

Note: “-”represent traces, not detected.

2.3　土壤速效磷變化與苜蓿干重產(chǎn)量的關系

圖1表明，種植6年苜蓿的土壤速效磷含量變化與苜蓿干重密切相關，相關系數(shù)達0.801，不同磷肥處理之間在速效磷水平上存在明顯差異，因此導致苜蓿產(chǎn)量不同。由表3可知，3個磷肥處理土壤中速效磷在試驗始末減少量的順序為：F2>F1>F0，這個趨勢和6年苜蓿年平均產(chǎn)量的趨勢完全對應?？梢?，苜蓿產(chǎn)量和土壤速效磷的消耗關系存在明顯地相關性。這也表明苜蓿生長的時間越長對土壤中速效磷的消耗也會越多，因此在苜蓿生長過程中追施磷肥對保證苜蓿草地的生產(chǎn)力是十分必要的。

圖1　土壤速效磷變化與苜蓿干重之間的關系Fig.1　Relationship between variation of available P in the surface soil and dry matter of alfalfa

2.4　連續(xù)施磷肥對土壤磷素有效性的影響

為了進一步評價連續(xù)施磷肥下土壤磷素的有效性，2013年對F2試驗小區(qū)進行了畫線切半處理，通過對停施磷肥(F2′)和繼續(xù)施磷肥(F2)兩種處理下土壤速效磷、全磷含量的方差分析可知(圖2)，不同試驗處理對各土層土壤速效磷、全磷的影響均沒有顯著性差異，停施磷肥一年后，土壤的磷素水平并沒有明顯降低，仍然能夠繼續(xù)得到保持。

圖2　不同磷肥處理下的土壤磷含量Fig.2　Soil P content under different P fertilizer treatment　　　不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Different letters mean significantly different among treatments at 5% level. The same below.

此外，由圖3方差分析結果可知，繼續(xù)施磷肥的處理(F2)與停施磷肥的處理(F2′)苜蓿全年干重并沒有顯著性差異(P=0.267>0.05)，連續(xù)5年施用磷肥的土壤，在第6年停止施磷肥后， 其苜蓿全年干重是繼續(xù)施磷肥的92.2%～103.6%，停施磷肥的處理并沒有減產(chǎn)。同時，F(xiàn)2′與F2兩種處理的苜蓿氮磷鉀養(yǎng)分含量也沒有顯著差異，這說明所施磷肥存在明顯的后效作用，之前在土壤中積累的磷素對作物仍然是有效的。因此當土壤中積累磷素的情況下，可以不必每年施用磷肥。

圖3　不同磷肥處理下的苜蓿產(chǎn)量和養(yǎng)分含量Fig.3　Alfalfa yield and nutrient content under different P fertilizer treatment

3討論

本研究表明，連續(xù)施用磷肥使各土層土壤中全磷、有效磷含量均有相應提高。施磷肥后，加快了土壤有機物的循環(huán)利用，明顯降低了耕層土壤對磷的吸附特性，促進了土壤中磷素的活化，改善了磷素肥力水平[22]。本研究區(qū)域屬于磷素水平較低的石灰性土壤，各形態(tài)無機磷是苜蓿所需磷素的重要來源[23]，而施磷肥可促進各形態(tài)磷素含量提高。劉建玲和張福鎖[24-25]研究發(fā)現(xiàn)，石灰性土壤長期大量施用磷肥主要增加土壤Ca2-P和Ca8-P，F(xiàn)e-P和Al-P也有一定增加。有研究表明，土壤有效磷含量隨磷肥施用年限的延長呈極顯著(P<0.01)上升趨勢，年均增加0.54 mg/kg，而不施肥處理土壤有效磷含量呈持平或下降趨勢[26]。苜蓿作為一種大量需P的作物，隨著種植年限的增加，土壤P含量呈下降的趨勢，因此，在苜蓿到一定年限或頻繁刈割后，應適當增施P肥，以保證植株的良好生長，促進土壤與植物中營養(yǎng)物質(zhì)的良性循環(huán)[27]。

表3　不同磷肥處理下的苜蓿產(chǎn)量及土壤速效磷含量

注：同列不同字母表示在0.05水平上差異顯著。

Note: Different letters in the same column mean significantly different at 5% level.

磷肥還存在明顯的后效作用，之前積累在土壤中的磷素具有生物有效性。田忠孝和曹季江[28]研究認為磷肥施入土壤后，由于土壤對磷的固定作用和磷在土壤中的移動性差等原因，使磷肥當季利用率不高，把后效包括在內(nèi)也不超過25%；未被利用的部分則以不同形態(tài)殘留于土壤之中，并不斷累積起來。國內(nèi)外的長期定位試驗結果表明，磷肥屬于緩效肥，殘留在土壤中的磷，在后茬會緩慢地釋放供作物吸收利用[29-30]，把殘效算在內(nèi)的磷肥表觀利用率可達到 40.8%～53.0%[31]，多年累積作物回收率可以達到50%～90%[32]。時正元和魯如坤[33]在紅壤和潮土上作了土壤磷積累的研究，得出在土壤磷不斷積累的條件下，有效磷低的土壤隨著土壤有效磷的提高，磷肥利用率可不斷提高。有研究者通過連續(xù)4 年的磷肥殘效定位試驗，得出在連續(xù)施磷的情況下，殘效可以疊加，從而顯著提高了磷肥當季增產(chǎn)率。本研究通過磷肥停施試驗得出：停施磷肥的處理與繼續(xù)施磷肥的處理不僅在土壤磷素狀況上沒有顯著差異，而且在苜蓿產(chǎn)量及養(yǎng)分含量均沒有顯著差異，表明磷肥存在明顯的后效作用，從而使后茬苜蓿維持較高的產(chǎn)量。由上可知，施入土壤中的磷，即使在當年未被植物吸收利用，在以后的年份仍可以緩慢地被作物吸收利用，磷肥表現(xiàn)出很好的后效作用[34-35]。由于本研究只進行了一年的磷肥停施實驗，究竟磷肥的后效作用能夠維持多久，需要繼續(xù)通過停施磷肥實驗加以分析研究。

4結論

本研究探討了連續(xù)6年施磷肥條件下土壤磷素的累積狀況，土壤無機磷形態(tài)變化以及土壤積累磷素的有效性。定位試驗表明，連續(xù)不施肥，土壤全磷和速效磷明顯下降，施磷肥處理能夠維持并提高土壤全磷和速效磷含量；褐潮土無機磷以Ca10-P為主，其次為Fe-P、Ca8-P、Al-P，Ca2-P和O-P含量相對較低；連續(xù)施肥可以使土壤中各種形態(tài)的磷累積，增加土壤中的有效磷養(yǎng)分，尤其對Ca2-P的提高效果更為顯著。

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