長期不同施肥紫色水稻土磷的盈虧及有效性

樊紅柱，陳慶瑞，郭 松，陳 琨，秦魚生，涂仕華

（四川省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，四川成都 610066）

全磷和Olsen-P是土壤磷素養(yǎng)分的重要指標，全磷反映了土壤磷庫的大小，Olsen-P代表可供作物當季吸收利用的磷素水平，其為確定磷肥用量和農(nóng)田磷環(huán)境風險評價的重要指標[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥的當季利用率較低 (10%～25%)，大量的磷肥以磷酸鹽殘留在土壤中[2]。當磷素投入不足時，土壤磷素缺乏會導致農(nóng)作物減產(chǎn)；但磷素投入遠遠高于作物需要時，又會引起磷素大量盈余[3]。如果土壤長期處于磷素盈余狀態(tài)，會增加磷素流失而加劇水體環(huán)境污染的風險[4]。不同土壤、輪作制度、施肥模式下土壤磷含量對磷盈虧的響應關系存在差異[5-12]。張麗等[5]指出我國東北黑土區(qū)磷盈虧不同導致其有效磷的變化不同，土壤磷每盈余100 kg/hm2，有效磷含量可增加5.28 mg/kg。楊振興等[6]發(fā)現(xiàn)褐土區(qū)土壤每累積磷100 kg/hm2時，不施肥導致土壤Olsen-P降低0.5 mg/kg，而無機肥提高土壤Olsen-P 4.3 mg/kg，有機無機配施提高土壤Olsen-P 9.1 mg/kg，可見磷肥種類對土壤磷素提升水平影響較大。裴瑞娜等[7]分析了黑壚土區(qū)28年不同施肥處理下土壤磷素盈虧與土壤Olsen-P的變化特征，指出土壤Olsen-P隨磷素盈余而變化與加入磷素形態(tài)密切相關，長期單施化學磷肥提升土壤Olsen-P的速率顯著大于單施有機肥。Cao等[8]認為土壤Olsen-P的變化量與磷素平衡存在極顯著正相關，當新疆灰漠土磷盈余量達到100 kg/hm2時，Olsen-P增加約1.44 mg/kg。袁天佑等[9]在潮土區(qū)研究發(fā)現(xiàn)土壤磷每盈虧100 kg/hm2時，不施肥土壤Olsen-P下降2.7 mg/kg，施肥Olsen-P增加1.2 mg/kg。我國西南地區(qū)紫色水稻土不施磷肥土壤磷素年虧缺量約為15.35 kg/hm2，施磷肥土壤磷素年盈余量為18.32～86.92 kg/hm2，年未知去向磷量為4.99～59.39 kg/hm2；隨磷肥施用年限持續(xù)，磷素遷移深度和遷移量增大，有機肥的施用促使磷素向土壤深層遷移[10]。黃壤性水稻土土壤Olsen-P含量變化與磷肥施用量有關，當年施磷肥 (P) 17.4 kg/hm2可維持土壤磷素持平；黃壤性水稻土長期單施化學磷肥提升土壤Olsen-P的速率大于施用有機肥[11]。我國南方紅壤性水稻土30年不施肥土壤Olsen-P年下降速率為0.35 mg/kg，單施化學磷肥、化學磷肥和有機肥配施處理Olsen-P年增長速率為0.18～1.62 mg/kg，全磷含量年變化速率為4.3～22.9 mg/kg；化肥配施有機肥不僅提高土壤Olsen-P及全磷的含量，還增加磷素活化效率[12]。綜上所述，氣候條件、土壤類型、肥料種類等對土壤中磷素含量與磷平衡的響應關系影響較大，而我國西南地區(qū)紫色水稻土施磷后土壤磷含量對磷盈余的響應關系尚不清楚，尤其是對不同形態(tài)磷素投入條件下土壤磷水平與磷盈虧關系研究較少。本研究以34年 (1982～2015年) 的紫色水稻土肥料定位試驗為依托，分析了作物磷吸收、土壤磷盈虧狀況，以及土壤磷含量與磷平衡的關系，探討磷素盈虧對土壤全磷、Olsen-P增量的影響，為紫色土稻區(qū)合理施用磷肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

于1982年開始進行紫色水稻土長期定位試驗，地點設在四川省遂寧市船山區(qū)永興鎮(zhèn)四川省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所紫色土野外觀測試驗點 (E 105°03′26″、N 30°10′50″，海拔 288.1 m)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫17.4℃，年均降水量930 mm，無霜期337 d，年日照時數(shù)1227 h。供試土壤為鈣質(zhì)紫色水稻土，為侏羅系遂寧組砂頁巖母質(zhì)發(fā)育的紅棕紫泥田，試驗開始前 0—20 cm耕層土壤pH 8.6、有機質(zhì)15.9 g/kg、全氮1.09 g/kg、堿解氮66.3 mg/kg、全磷 (P2O5) 1.35 g/kg、有效磷 (P2O5) 8.9 mg/kg、全鉀 (K2O) 26.89 g/kg、速效鉀 (K2O) 130 mg/kg，該土壤鉀素豐富、磷素不足。

1.2 試驗設計

長期肥料定位試驗設8個處理 (表1)，小區(qū)面積13.4 m2(4 m × 3.34 m)，重復4次，小區(qū)隨機區(qū)組排列，各小區(qū)間用離地面高20 cm的水泥板分隔。種植制度為水稻-小麥一年兩熟輪作模式。水稻移栽前人工整地，灌水后栽秧再施基肥；小麥采用免耕種植，直接在稻茬上打窩，施基肥后播種。水稻與小麥肥料用量相同，N、P、K分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀，有機肥為豬糞水，含水量約70%，干物質(zhì)含氮 20～22 g/kg，P2O518～25 g/kg，K2O 13～16 g/kg。有機肥與磷肥作基肥；水稻季60%氮肥和50%鉀肥作基肥，剩余40%氮肥和50%鉀肥作分蘗肥；小麥季30%氮肥和50%鉀肥作基肥，剩余70%氮肥和50%鉀肥作拔節(jié)肥。

1.3 樣品采集與分析

采樣年份水稻收獲后 (9—10月份)，按“S”型采集小區(qū)0—20 cm混合土樣，樣品風干后研磨過篩備用。1982、1986、1994、1998、2005、2011、2012、2014和2015年測定土壤全磷；1982、1986、1987、1988、1989、1990、1994、1998、2005、2011、2012、2014和2015年測定土壤有效磷。土壤全磷用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定，有效磷用Olsen法測定[12]。本文數(shù)據(jù)處理土壤全磷和Olsen-P均以P表示。

表1 長期定位試驗每季作物 (水稻或小麥) 施肥量[kg/(hm2·a)]Table 1 Fertilizer rates of the long-term trial in every season crop (rice or wheat)

1.4 計算方法與統(tǒng)計分析

作物吸磷量、磷素盈余和磷增量計算公式如下[11]:

作物吸磷量 = 籽粒產(chǎn)量 × 籽粒含磷量 + 秸稈產(chǎn)量 × 秸稈含磷量

磷素盈虧 = 施磷量 - 作物吸磷量

土壤磷增量 = 測定年份土壤含磷量 - 土壤含磷量初始值

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2007進行分析作圖，DPS軟件進行統(tǒng)計分析，差異顯著性檢驗采用LSD法 (P ＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 長期施肥土壤磷盈虧

圖1為不同施肥處理34年作物地上部分攜出磷量。作物攜出磷量與其生物量密切相關，生物量越大，攜出磷越多。CK和N處理攜出磷量較低，每年從土壤中帶走的磷約為12.34和14.10 kg/hm2，M與MN處理磷素攜出量相差不大，比不施磷肥的CK和N處理提高了約1.73倍，分別為21.65和24.09 kg/hm2，而化肥配施有機肥處理 (MNP和MNPK) 作物攜出磷量略高于單施化學磷肥處理 (NP和NPK)，4個處理年平均磷素攜出量在41.71～45.62 kg/hm2之間。不施磷肥的CK和N處理作物地上部攜出磷量隨種植年限的延續(xù)基本穩(wěn)定地維持在較低的水平，單施有機肥的M和MN處理磷素攜出量呈增加趨勢，而施用磷肥的NP、NPK、MNP和MNPK處理作物吸磷量隨時間稍有下降，這主要與年季降雨影響作物產(chǎn)量有關。由于有機肥的施用增加了作物生物量，化肥配施有機肥處理磷素攜出量高于單施化肥相應各處理，有機無機配施處理平均每年從土壤中帶走磷量比單施化學磷肥與單施有機肥處理增加了7.91%和99.34%。上述結果說明有機肥配施化肥比單施化肥和單施有機肥更能有效促進作物對磷素的吸收。

圖2顯示了不同施肥處理34年土壤磷素盈虧狀況，當磷素投入高于作物吸收時，土壤表現(xiàn)出磷素盈余，反之為虧缺。由于沒有肥料磷素直接投入，加之降雨、灌溉等其他磷素間接來源極少，CK和N處理作物吸收的磷主要來源于土壤自身，因此磷素一直處于虧缺狀態(tài)，平均每年虧缺磷量分別為12.34和14.10 kg/hm2，磷素虧缺量隨施肥時間持續(xù)而增加。其他處理由于磷素投入量高于作物攜出量，土壤磷素處于盈余狀態(tài)。不同處理間土壤磷素盈余量存在顯著差異，年均盈余量為8.76～88.79 kg/hm2，且隨施肥年限的延續(xù)土壤磷素盈余量呈上升趨勢。NP和NPK處理磷素投入量相同，并且作物攜出磷量差異不大，兩個處理磷盈余量基本一致，年均磷素盈余量分別為8.76和9.84 kg/hm2；同樣的原因，M和MN處理磷盈余量也十分接近，年均盈余量分別為61.15和58.70 kg/hm2；而MNP和MNPK處理磷素投入量遠大于作物攜出量，年均磷素盈余量在88.00 kg/hm2以上，顯著高于其他處理?；逝涫┯袡C肥處理比單施化肥和有機肥處理磷素年盈余量提高了854.4%和48.1%。

圖1 單施化肥 (左) 和化肥配施有機肥 (右) 處理作物攜出磷量 (1982—2015)Fig. 1 P removed by crop in treatments of chemical fertilizer (Left) and chemical fertilizer plus manure (Right)in different experimental years (1982-2015)

圖2 單施化肥 (左) 和化肥配施有機肥 (右) 處理土壤磷盈虧量 (1982—2015)Fig. 2 Soil P balances in treatments of chemical fertilizer (Left) and chemical fertilizer plus manure (Right) (1982-2015)

2.2 長期施肥土壤全磷對磷盈虧的響應

長期不同施肥處理下，土壤中累積磷盈余 (磷平衡) 對土壤全磷的消長存在不同影響。各處理土壤全磷增量與土壤累積磷盈余之間的線性回歸方程見圖3，各方程中x為土壤累積磷盈虧量 (kg/hm2)，y為土壤全磷增量 (g/kg)，回歸方程中的斜率代表土壤磷每增減1個單位 (kg/hm2) 相應的土壤全磷消長量 (g/kg)[7,11]。由圖3可知，CK、N、M和MN處理土壤全磷增量對磷盈虧響應關系不顯著；土壤累積磷每100 kg/hm2，無磷投入的CK和N處理土壤中全磷含量僅降低0.02和0.03 g/kg，有機磷投入的M和MN處理土壤全磷含量分別增加0.007和0.006 g/kg；可見CK、N、M和MN處理磷盈虧對土壤全磷含量影響很小，可近似認為沒有影響。NP和NPK處理，土壤全磷增量與累積磷盈虧呈顯著或極顯著正相關。由于單施無機磷肥的2個處理 (NP和NPK) 施磷水平一致，磷盈虧每增減一個單位，土壤全磷增量非常接近，即土壤磷每累積100 kg/hm2，土壤中全磷含量分別提高0.14和0.16 g/kg。有機無機磷肥配施的MNP和MNPK處理土壤全磷增量與累積磷盈虧也呈顯著正相關，但全磷增量對磷盈虧的響應程度小于單施無機磷肥處理，即土壤磷每累積100 kg/hm2，土壤中全磷含量分別增加0.015和0.018 g/kg。表現(xiàn)出有機肥與化肥配施提升紫色水稻土全磷的速率小于單施化肥磷肥。

圖3 不同施肥處理土壤全磷增量與累積磷盈余的關系 (1982—2015)Fig. 3 Correlations between soil total P change and P balance of different treatments (1982-2015)

2.3 長期施肥土壤有效磷對磷盈虧的響應

由圖4可知，土壤Olsen-P增量對磷素盈余的響應關系與磷盈余和全磷增量消長關系相似，即CK、N、M和MN處理磷素盈余與土壤Olsen-P增量相關不顯著，而NP、NPK、MNP和MNPK處理呈極顯著線性正相關。由直線回歸方程可知，土壤磷每累積100 kg/hm2，CK和M處理土壤中Olsen-P含量分別提高0.28和0.07 mg/kg；N和MN處理由于施用了氮肥，提高了作物生物量，增加了土壤磷素消耗，因此土壤磷每盈余100 kg/hm2，土壤中Olsen-P含量分別降低0.4和0.01 mg/kg；無機磷投入的NP和NPK處理，土壤磷每累積100 kg/hm2，土壤中Olsen-P含量分別增加15.76和17.19 mg/kg；但有機無機磷投入的MNP和MNPK處理土壤Olsen-P增量對磷盈虧的響應程度小于單施無機磷肥的NP和NPK處理，即土壤磷每累積100 kg/hm2，土壤中Olsen-P含量分別增加1.96和1.85 mg/kg。綜上所述，土壤Olsen-P含量隨土壤磷素盈余而變化與磷肥施用種類密切相關；土壤磷每累積100 kg/hm2，在不施磷肥條件下，土壤中Olsen-P含量降低0.06 mg/kg，單施無機磷肥、單施有機磷肥和有機無機磷肥配施情況下，土壤中Olsen-P含量分別增加16.48、0.03和1.91 mg/kg；說明紫色水稻土長期單施化學磷肥提升土壤Olsen-P的速率大于施用有機肥。

圖4 不同施肥處理土壤有效磷增量與累積磷盈余的關系 (1982—2015)Fig. 4 Correlations between soil Olsen-P change and P balance of different treatments (1982-2015)

3 討論

土壤磷素盈虧狀態(tài)與作物攜出磷及磷肥施用量有很大關系。當土壤磷素較低時，通過施磷肥來提高土壤含磷水平對作物增產(chǎn)及土壤質(zhì)量提升是必需的；磷肥投入過量，土壤中磷素呈現(xiàn)盈余狀況，這不僅浪費磷資源，也增加了磷的環(huán)境風險[13-14]。紫色水稻土34年的監(jiān)測表明，長期不施磷肥 (CK和N)土壤磷素一直處于虧缺狀態(tài)，年虧缺磷量約為13.22 kg/hm2，且隨施肥時間持續(xù)磷素虧缺量越來越大；這主要是由于長期沒有磷素投入，加之降雨、灌溉等其他磷素來源較少，作物不斷消耗土壤磷素，從而導致不施磷肥土壤中磷素表現(xiàn)出虧缺狀態(tài)。這與Cao等[8]對中國多個長期定位試驗研究結果一致。無論施用有機肥或化肥，土壤磷素均有盈余，但不同處理間差異較大，年均磷盈余量在8.76～88.79 kg/hm2之間變化，且隨施肥年限的延續(xù)土壤磷素盈余量呈上升趨勢；單施化學磷肥的NP和NPK處理年均磷素盈余量為8.76和9.84 kg/hm2，單施有機肥的M和MN處理年盈余磷量為61.15和58.70 kg/hm2，而有機肥配施化肥的MNP和MNPK處理年磷素盈余量為88.79與88.72 kg/hm2。因為施用有機肥后磷素投入量高于作物吸磷量，引起有機肥處理土壤磷素大量盈余，單施有機肥土壤磷素盈余量是單施化肥的6.44倍。說明目前有機肥施用水平可以維持紫色水稻土磷素平衡，且磷素呈現(xiàn)出大量積累。劉彥伶等[11]發(fā)現(xiàn)貴州黃壤性水稻土19年連續(xù)單施有機肥土壤中磷素盈余量是NPK平衡施肥的5.1倍，楊軍等[15]對天津潮土長期監(jiān)測也發(fā)現(xiàn)單施有機肥土壤磷素呈盈余狀態(tài)，這些研究與本試驗結果一致。而石孝均[16]指出重慶紫色土10年單施豬糞時不能維持土壤磷素平衡，年磷素虧缺量為8.82 kg/hm2，與本試驗結果相反，一方面是因為有機肥施用量有差異 (本試驗有機肥年投入量30 t/hm2，重慶22.5 t/hm2) 引起磷素投入量不同；另一方面石孝均的試驗所選土壤為中性紫色土 (pH 7.6)，本試驗為堿性紫色土 (pH 8.6)，pH較低土壤可能更利于有機肥中磷素的活化，導致磷素淋溶損失增強[4,17]。本研究還發(fā)現(xiàn)化肥配施有機肥處理比單施化學磷肥和單施有機肥土壤磷素年盈余量提高了854.4%和48.1%，由于不同施磷處理土壤磷素投入和作物吸磷量的不同，引起土壤磷盈余量存在較大差異。本試驗中化學磷肥所有處理的磷素投入水平一致，每年投入磷約52 kg/hm2，有機肥投入的磷素是額外增加的，每年約84 kg/hm2，導致化學磷肥與有機肥配施時磷素投入量遠遠高于單施化學磷肥和有機肥處理；同時，由于本試驗基礎肥力磷素極度缺乏，M和MN處理下作物產(chǎn)量受缺磷脅迫一直處于較低水平，作物每年攜出磷量較低，而施用化學磷肥的 (NP、NPK、MNP和MNPK) 處理作物產(chǎn)量差異不大，作物吸收磷量也相差不多，導致有機肥與化學磷肥配施處理土壤磷素盈余量遠遠高于單施有機肥和化肥處理。這與國內(nèi)外多數(shù)研究結果一致[12,18-20]?？傮w上看，本試驗中單施有機肥及有機無機配施處理土壤中磷素盈余過量，說明土壤中磷素有一定量盈余時應減少有機肥的施用量，以免造成因過量施肥增加環(huán)境風險。

土壤的磷素含量與磷盈虧狀態(tài)關系密切。大量研究表明土壤磷素平衡與土壤磷含量之間呈顯著的正相關，可以用來預測不同施肥處理下土壤全磷和Olsen-P的變化趨勢[5-9,18-19,21]。本試驗也得到相似的結果，即施用化學磷肥和有機無機磷肥配施處理，土壤中累積的磷素與土壤全磷和Olsen-P的變化均呈顯著線性相關關系。根據(jù)是否施磷與施磷形態(tài)可分三種情況進行分析。第一種是不施磷，當土壤每虧缺磷100 kg/hm2時，不施磷 (CK和N) 處理土壤全磷和Olsen-P含量分別增加0.03 g/kg和0.06 mg/kg，但未達顯著差異，表明不施磷肥對土壤的磷素含量影響不大。作物生長不斷消耗土壤自身的磷素，造成土壤磷含量下降，當磷素下降到一定水平時保持基本穩(wěn)定；因為土壤中不同形態(tài)磷素之間存在一種動態(tài)平衡關系，在磷素投入極少的情況下，土壤各緩效態(tài)磷轉化釋放有效磷以補充土壤磷素虧缺[22-24]。第二種是單施有機肥，當土壤磷每盈余100 kg/hm2時，單施有機肥 (M和MN) 處理土壤全磷和Olsen-P含量分別增加0.007 g/kg和0.03 mg/kg，且均無顯著差異，說明單施有機肥對土壤磷素含量影響不大。樊紅柱等[10]在本試驗中進行磷素平衡研究，結果表明施用有機肥時土壤中年未知去向磷為29.60～61.89 kg/hm2，平均年未知去向磷量為47.17 kg/hm2，雖然單施有機肥土壤中年表觀盈余磷量達59.93 kg/hm2，但磷素凈盈余量僅為12.76 kg/hm2，所以有機肥的投入并沒有顯著提升土壤中磷素含量；可能是由于水旱輪作體系稻田在干濕交替過程中提高了微生物活性，加速了有機肥的分解，也增加磷素的淋溶損失[10,25]。第三種是單施化學磷肥和化肥配施有機肥，NP、NPK、MNP和MNPK處理土壤全磷和Olsen-P含量均與土壤磷素盈余量呈極顯著正相關，表明不論是長期施用化學磷肥或有機無機肥料配施均能顯著增加土壤磷素含量。這與多數(shù)研究結果一致[7,12,20]。土壤磷每累積100 kg/hm2時，單施化學磷肥 (NP和NPK) 和化肥配施有機肥 (MNP和MNPK) 處理土壤中全磷含量提高0.15和0.017 g/kg，土壤Olsen-P含量分別增加16.48和1.91 mg/kg，說明紫色水稻土長期單施化學磷肥提升土壤全磷和Olsen-P的速率大于施用有機肥。土壤Olsen-P增量對磷盈虧的響應關系受土壤類型、作物種類、輪作制度、施肥等農(nóng)田管理措施，影響較大。劉彥伶等[11]在貴州黃壤性水稻土，裴瑞娜等[7]在甘肅的黑壚土，沈浦[26]在中國水旱輪作區(qū)研究了長期定位試驗下土壤磷累積盈余量與Olsen-P增量的關系，結果均顯示單施化學磷肥比有機肥配施化肥能提高更多的Olsen-P，這與本研究結果一致。楊軍等[15]在潮土，李渝等[27]在西南黃壤旱地上進行長期監(jiān)測，指出化肥配施有機肥比單施化學磷肥能提高土壤更多的Olsen-P，這與本研究結果相反。沈浦[26]對中國雙季旱作區(qū)的報道與楊軍等[15]和李渝等[27]的結果一致；而水旱輪作區(qū)結果卻相反，表現(xiàn)為單施化學磷肥比有機肥配施化肥能提高更多的Olsen-P，這與本研究結果相似?？赡苁茄退畻l件下，增施有機肥后加劇了土壤還原過程，增加了土壤中鐵氧化物等對磷的固定[11,28]；同時，有機肥的加入促進了土壤磷的有效化，一方面加入的有機肥對土壤無機磷的固定速度遠大于土壤磷的有效化速度，另一方面在水旱交替環(huán)境下活化的磷素更容易向土壤深層淋溶遷移[7,17]；此外，化學磷肥主要投入無機形態(tài)磷，有機肥則以有機磷形態(tài)投入為主，特別是高穩(wěn)態(tài)有機磷，有機肥的加入促進無機磷向有機磷的轉化，導致土壤無機磷下降[7,11,29]。因此，化學磷肥對土壤磷素含量的影響較大，施用化學磷肥后土壤磷含量增量大于施用有機肥。

4 結論

不施磷紫色水稻土作物從土壤中年均帶走磷約13.22 kg/hm2，單施有機肥磷素攜出量比不施磷肥提高了1.73倍，施磷情況下攜出磷量在41.71～45.62 kg/hm2之間，有機無機配施促進作物對磷素的吸收。長期不施磷肥導致土壤磷素常年處于虧缺狀態(tài)，施磷土壤中磷素均有盈余，年均盈余量為8.76～88.79 kg/hm2，且有機無機肥料配施條件下土壤磷素盈余量最大，而單施無機磷肥土壤磷素盈余量最小，施磷情況下土壤磷素盈余量隨施肥年限的延續(xù)呈上升趨勢。不施磷或單施有機肥條件下，磷素盈虧量對土壤全磷和Olsen-P增量無顯著影響；單施無機磷肥或有機無機肥料配施時土壤磷平衡與土壤全磷和Olsen-P增量呈顯著正相關。土壤磷每盈余100 kg/hm2，NP、NPK、MNP和MNPK處理土壤中全磷分別增加0.14、0.16、0.015和0.018 g/kg，土壤中Olsen-P分別提高15.76、17.19、1.96和1.85 mg/kg。西南紫色水稻土單施化學磷肥提升土壤磷含量的速率大于施用有機肥。

參 考 文 獻：

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