黃土旱塬黑壚土長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)土壤磷素和磷肥效率的演變特征*

王淑英, 樊廷錄, 丁寧平, 趙 剛, 張建軍, 李尚中, 王 磊, 黨 翼, 程萬(wàn)莉, 唐小明

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黃土旱塬黑壚土長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)土壤磷素和磷肥效率的演變特征*

王淑英1, 樊廷錄1, 丁寧平2, 趙 剛1, 張建軍1, 李尚中1, 王 磊1, 黨 翼1, 程萬(wàn)莉1, 唐小明1

(1. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所/甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730070; 2. 平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 平?jīng)?744500)

依托甘肅平?jīng)龆ㄎ辉囼?yàn)(1979年—), 分析長(zhǎng)期不同施肥下土壤磷素和磷肥效率的演變特征, 為黃土旱塬雨養(yǎng)農(nóng)田合理施用磷肥提供參考。試驗(yàn)包括6個(gè)處理: 不施肥(CK)、單施氮肥(N)、氮磷配合(NP)、秸稈還田加氮和隔年施磷(SNP)、單施農(nóng)家肥(M)和農(nóng)家肥加氮磷(MNP), 種植制度為4年冬小麥-2年春玉米的一年1熟輪作制。結(jié)果表明, 試驗(yàn)進(jìn)行38年后, 長(zhǎng)期無(wú)磷投入(CK、N)處理耕層土壤全磷和Olsen-P含量及磷活化系數(shù)比試驗(yàn)開始時(shí)下降, 而施磷處理(NP、SNP、M和MNP)土壤全磷分別增加22.8%、14.0%、38.6%和56.1%, Olsen-P相應(yīng)提高99.1%、48.4%、206.4%和375.6%, 磷活化系數(shù)分別是開始時(shí)的1.7倍、1.3倍、2.2倍和3.1倍。隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng), CK處理耕層土壤全磷基本不變; N和SNP耕層土壤全磷呈下降趨勢(shì), 每年下降速率為1.9 mg·kg-1和2.6 mg·kg-1; NP、M和MNP處理呈增加趨勢(shì), 每年增加速率分別為1.2 mg·kg-1、1.9 mg·kg-1和2.8 mg·kg-1。CK和N處理Olsen-P呈下降趨勢(shì), 年下降速率分別為0.03 mg·kg-1和0.09 mg·kg-1; NP、SNP、M和MNP處理土壤Olsen-P呈增加趨勢(shì), 年增量分別為0.29 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、0.46 mg·kg-1和0.89 mg·kg-1。作物產(chǎn)量與耕層土壤Olsen-P含量呈極顯著正相關(guān)(小麥2=0.116 9,=132; 玉米2=0.332 4,=54)。施磷處理(NP、SNP、M和MNP)玉米的磷肥回收率、利用率和農(nóng)學(xué)效率大于小麥, 而生理效率小麥大于玉米; 各處理磷肥效率4個(gè)指標(biāo)的大小順序均為SNP>NP>MNP>M, 玉米磷肥效率的4個(gè)指標(biāo)都隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而提高。M較MNP處理P投入減少了14.2%, 小麥、玉米磷素效率降低14.3%~69.5%、0.8%~75.5%?？傊? 有機(jī)無(wú)機(jī)結(jié)合是黃土旱塬區(qū)培肥地力、提高作物產(chǎn)量和資源利用效率的施肥措施。

黑壚土; 長(zhǎng)期施肥; 土壤磷素; 磷肥回收率; 磷肥利用率; 磷肥農(nóng)學(xué)效率; 磷肥生理效率

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一,土壤全磷含量代表著土壤供磷的潛力, 土壤有效磷代表可供作物當(dāng)季吸收利用的磷素水平[1]。土壤全磷含量高低并不決定土壤磷素有效性高低, 研究表明速效磷、水溶性磷含量高則土壤磷素有效性高。土壤磷素有效性一方面與磷肥類型、土壤磷礦物類型結(jié)構(gòu)有關(guān)[2]; 另一方面, 土壤磷有效性與土壤性質(zhì)有很大關(guān)系, 土壤性質(zhì)影響土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化過程[3-5], 同時(shí)也是土壤性質(zhì)綜合作用的結(jié)果[6]。土壤磷素活化系數(shù)(PAC)低于2.0%時(shí), 全磷轉(zhuǎn)化率低、速效磷容量和供給強(qiáng)度小[7]。因此土壤磷及有效性、磷肥效率以及磷組分和作物品種更替過程中土壤磷水平的增產(chǎn)效應(yīng)等備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[8-12]。大量定位試驗(yàn)研究結(jié)果表明, 有效磷的增加可促進(jìn)農(nóng)田作物吸磷量的提高, 但土壤有效磷含量達(dá)到一定閾值時(shí), 有效磷的增加不再引起作物吸磷量的增長(zhǎng), 施磷量、土壤磷的主要形態(tài)和農(nóng)田輪作制度從不同層次上影響了作物的磷肥效率[12]。施化肥更有利于潮土全磷含量的提高, 施用有機(jī)肥可以在不增加施磷量的條件下增加作物可吸收利用的磷, 減少施化學(xué)磷量增施有機(jī)肥是潮土地區(qū)減肥增效的重要手段[13]?；瘜W(xué)磷肥和化肥加有機(jī)肥都能提高紅壤土壤全磷、有效磷含量, 施用有機(jī)肥料有利于土壤中磷酸鈣鹽(Ca-P)和磷酸鋁鹽(Al-P)積累, 提高吸附磷的再利用, 有效性較高的Ca-P和Al-P隨施肥時(shí)間延長(zhǎng)而增加[14]。土壤有效磷含量受施肥影響顯著, 每季作物施磷20~33 kg×hm-2時(shí)土壤全磷和有效磷可維持平衡或明顯增加[15]。有機(jī)肥更有助于石灰性土壤磷由“匯”向“源”的轉(zhuǎn)變, 長(zhǎng)期磷肥和有機(jī)肥投入、長(zhǎng)期輪作可以減低土壤磷素的最大吸附量, 長(zhǎng)期施肥利于土壤中各種形態(tài)的磷累積, 長(zhǎng)期輪作較連作可以增加土壤中有效磷[16-17]。長(zhǎng)期免耕和秸稈覆蓋黑壚土土壤磷含量顯著提高, 活性磷組分提高56.6%~85.2%[18]。磷的有效性主要受土壤母質(zhì)、理化性質(zhì)、地理位置和施肥方式的影響, 相比化肥, 施用有機(jī)肥能更好地提高和維持土壤中磷素的有效性[19]。

裴瑞娜等[20-22]以甘肅平?jīng)龈咂介L(zhǎng)期試驗(yàn)(1979—)為平臺(tái), 研究了長(zhǎng)期施肥下黑壚土磷盈虧和作物磷素吸收利用等, 認(rèn)為經(jīng)過28 a的施磷處理, 玉米()季磷肥農(nóng)學(xué)利用效率和回收率的平均值均高于冬小麥()季, 長(zhǎng)期單施化學(xué)磷肥提升土壤有效磷的速率顯著大于單施有機(jī)肥。但耕層土壤磷活化、磷肥效率演變等至今未做系統(tǒng)分析。為此, 本文在已有研究的基礎(chǔ)上, 利用1979—2016年數(shù)據(jù), 較為系統(tǒng)地分析研究38 a不同施肥下旱地黑壚土農(nóng)田耕層土壤全磷、速效磷、磷活化及磷肥效率演變特征, 為旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展中科學(xué)合理施用磷肥、提高磷肥的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益提供有效的理論依據(jù), 為充分挖掘土壤磷的生產(chǎn)潛力提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)基地情況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅省平?jīng)鍪袥艽h高平鎮(zhèn)境內(nèi)(107°30′E, 35°16′N)的旱塬區(qū), 屬黃土高原半濕潤(rùn)偏旱區(qū), 土地平坦, 海拔1 150 m, 年均氣溫8.6 ℃, ≥10 ℃積溫2 800 ℃, 持續(xù)期180 d, 年降雨量540 mm, 其中60%集中在7、8、9月份, 年蒸發(fā)量1 380 mm, 無(wú)霜期約170 d。光、熱資源豐富, 水熱同季, 適宜于冬小麥、玉米、果樹、雜糧等生長(zhǎng)。試驗(yàn)地為旱地覆蓋黑壚土, 黃土母質(zhì), 土體深厚疏松, 利于植物根系伸展下扎, 富含碳酸鈣, 腐殖質(zhì)累積主要來自土糞堆墊。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理: 1)不施肥(CK); 2)施氮肥(N); 3)施氮磷肥(NP); 4)秸稈還田配施氮磷肥(SNP); 5)施農(nóng)家肥(M); 6)氮磷肥配施農(nóng)家肥(NPM)。各處理的施磷量和磷輸入量見表1。

1979年試驗(yàn)開始的第1季作物為玉米, 試驗(yàn)基本上按2年春玉米→4年冬小麥的一年1熟輪作制進(jìn)行, 其中1993—1998年為冬小麥連作、1999年為高粱[(L.) Moench]、2000年為大豆[(L.) Merr.]。各處理按大區(qū)順序排列, 每個(gè)大區(qū)為1個(gè)肥料處理, 面積666.7 m2, 大區(qū)劃分為3個(gè)順序排列的重復(fù), 每個(gè)小區(qū)220 m2。1990年之前8年小麥品種為‘80平8’, 1993年和1994年為‘慶選8271’, 以后依次更替為‘85108’、‘隴麥108’、‘平?jīng)?4’、‘長(zhǎng)6387’、‘普冰151’; 2006年之前8年玉米品種為‘中單2號(hào)’, 2012年和2013年為‘先玉335’。

表1 1979—2016年各試驗(yàn)處理全年施肥量和磷素養(yǎng)分輸入量

玉米為露地穴播, 密度5.25萬(wàn)株·hm-2; 小麥機(jī)械條播, 播量187.50 kg·hm-2。氮肥用尿素、其用量的60%做基肥, 40%做追肥(均于春玉米、冬小麥拔節(jié)期均勻撒在種植行內(nèi)); 磷肥為過磷酸鈣, 農(nóng)家肥平均含磷量0.27%, 秸稈平均含磷量0.17%, 農(nóng)家肥和磷肥在作物播前全部基施, 每年作物收獲后結(jié)合犁地將約5 cm長(zhǎng)的小麥秸稈翻入土壤0~20 cm耕層。試驗(yàn)開始時(shí)(1978年秋)耕層(0~20 cm)的土壤理化性質(zhì): 有機(jī)質(zhì)10.75 g·kg-1, 全氮0.95 g·kg-1, 全磷0.57 g·kg-1, 堿解氮65.9 mg·kg-1, 有效磷6.77 mg·kg-1, 速效鉀163.2 mg·kg-1。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采樣

土壤樣品: 每季作物收獲后(冬小麥9月15日播種、6月下旬收獲, 春玉米4月20日播種、9月上旬收獲)按三點(diǎn)法采集每個(gè)區(qū)0~20 cm土層土樣3個(gè), 均勻混合, 土樣風(fēng)干用于土壤全磷、速效磷等指標(biāo)的分析。

植物樣品: 小麥?zhǔn)斋@時(shí)每小區(qū)隨機(jī)采集面積為0.5 m2的10個(gè)點(diǎn)植株樣品混合, 玉米收獲時(shí)每小區(qū)隨機(jī)采集5株植株樣品混合, 樣品風(fēng)干后脫粒, 進(jìn)行收獲指數(shù)和籽粒及秸稈磷含量測(cè)定。各小區(qū)的秸稈生物量通過收獲指數(shù)和籽粒產(chǎn)量計(jì)算得到。

1.3.2 測(cè)定方法

土壤全磷用HClO4-H2SO4消煮、鉬銻抗比色法測(cè)定; 土壤有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提、鉬銻抗比色法測(cè)定。植株磷含量采用H2SO4-H2O2消煮、鉬銻抗比色法測(cè)定。

作物產(chǎn)量: 玉米每個(gè)小區(qū)收獲40 m2, 小麥?zhǔn)斋@20 m2, 自然風(fēng)干后, 每個(gè)處理單獨(dú)計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

土壤磷活化系數(shù)(PAC, %)=Olsen P(mg·kg-1)/[全磷(g·kg-1)×1 000]×100% (1)

土壤有效磷增量(△Olsen P, mg·kg-1)=P(mg·kg-1)-0(mg·kg-1),P表示第年土壤有效磷,0表示初始土壤有效磷含量。 (2)

作物吸磷量(kg·hm-2)=籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)×籽粒含磷量(%)+秸稈產(chǎn)量(kg·hm-2)×秸稈含磷量(%) (3)

磷肥回收率(PRR, %)={[施磷處理作物總吸磷量(kg·hm-2)-CK處理作物總吸磷量(kg·hm-2)]/施磷

處理施磷量(kg(P)·hm-2)}×100% (4)

磷肥利用率(PUR, %)={[施磷處理作物吸收磷量(kg·hm-2)-不施磷處理作物吸收磷量(kg·hm�2)]/施

磷處理施磷量(kg(P)·hm-2)}×100% (5)

磷肥農(nóng)學(xué)利用效率(PAE, kg·kg-1)=[施磷處理作物產(chǎn)量(kg·hm-2)-不施磷處理作物產(chǎn)量(kg·hm-2)]/施磷處理施磷量[kg(P)·hm-2] (6)

磷肥生理效率(PPE, kg·kg-1)=[施磷處理作物產(chǎn)量(kg·hm-2)-不施磷處理作物產(chǎn)量(kg·hm-2)]/[施磷處理作物吸磷量(kg·hm-2)-不施磷處理作物吸磷量(kg·hm-2)] (7)

式中: 施磷量為施用的總磷量, 包括無(wú)機(jī)化肥、有機(jī)肥和秸稈中的P量。

采用Microsoft Excel和DPS 5.01軟件進(jìn)行作物產(chǎn)量、土壤全磷和有效磷、作物磷肥效率的時(shí)間變化趨勢(shì)線性模擬及顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥下土壤全磷和有效磷的變化趨勢(shì)及其關(guān)系

2.1.1 長(zhǎng)期施肥下土壤全磷的變化

2016年與試驗(yàn)開始時(shí)(1978年秋)相比, 長(zhǎng)期不施肥(CK)和施氮肥(N)耕層土壤全磷有所降低, 施氮磷肥(NP)、秸稈還田配施氮肥和隔年配施磷肥(SNP)、施農(nóng)家肥(M)和農(nóng)家肥配施氮磷肥(MNP)處理耕層土壤全磷不同程度提高, 分別增加22.8%、14.0%、38.6%和56.1%。試驗(yàn)進(jìn)行38 a后, N處理耕層土壤全磷較CK下降2.4%, NP、SNP、M和MNP處理耕層土壤全磷較CK分別增加24.5%、16.1%、41.2%和59.1%。隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng), N和SNP處理耕層土壤全磷呈下降趨勢(shì)(圖1), 每年分別減少1.9 mg·kg-1和2.6 mg·kg-1, 與試驗(yàn)?zāi)晗迾O顯著(<0.01)和顯著(<0.05)負(fù)相關(guān); CK處理耕層土壤全磷基本不變, NP處理耕層土壤全磷呈緩慢增加趨勢(shì), 每年增加1.2 mg·kg-1, M和MNP處理呈逐漸提高趨勢(shì), 每年分別提高1.9 mg·kg-1和2.8 mg·kg-1, MNP和M處理耕層土壤全磷含量與試驗(yàn)?zāi)晗薹謩e呈極顯著(<0.01)和不顯著正相關(guān)。

圖1 1978—2016年長(zhǎng)期不同施肥處理下土壤全磷含量變化

2.1.2 長(zhǎng)期施肥下土壤有效磷的變化

2016年CK和N處理耕層土壤有效磷(Olsen-P)含量比試驗(yàn)開始時(shí)減少54.8%和55.1%, 而NP、SNP、M和MNP處理土壤Olsen-P含量提高99.1%、48.4%、206.4%和375.6%。不施磷處理(CK、N)由于作物從土壤中不斷攜出磷而無(wú)投入, 土壤Olsen-P含量持續(xù)虧缺, 從開始時(shí)(1978年)的6.80 mg·kg-1分別下降到2016年的3.06 mg·kg-1和3.04 mg·kg-1, 隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng), 耕層土壤Olsen-P含量呈不顯著和極顯著(<0.01)下降趨勢(shì)(圖2), 年下降速率分別為0.03 mg·kg-1和0.09 mg·kg-1。施磷處理土壤Olsen-P含量均隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而提高, NP、SNP、M和MNP處理土壤Olsen-P含量年增量分別為0.29 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、0.46 mg·kg-1和0.89 mg·kg-1, SNP處理土壤Olsen-P含量與種植年限顯著正相關(guān)(<0.05), NP、M和MNP處理Olsen-P含量與種植年限極顯著正相關(guān)(<0.01)。

圖2 1978—2016年長(zhǎng)期不同施肥處理下土壤有效磷含量變化

2.1.3 長(zhǎng)期施肥下土壤磷的活化能力

用磷活化系數(shù)(PAC)可以表示土壤磷活化能力。長(zhǎng)期施肥下黃土旱塬黑壚土磷PAC的演變?nèi)鐖D3所示, 施磷處理的土壤PAC高于不施磷處理(CK、N)。不施磷處理土壤PAC由試驗(yàn)開始時(shí)的1.20%分別下降到2016年的0.54%和0.55%; 施磷處理的土壤PAC均隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而提高, 施氮磷肥(NP)和秸稈還田配施氮和隔年施磷肥(SNP)處理土壤PAC提高幅度小于施農(nóng)家肥處理, NP和SNP處理土壤PAC由試驗(yàn)開始時(shí)的1.17%分別提高到2016年的1.93%、1.54%, 而施農(nóng)家肥處理(M、MNP)PAC值分別達(dá)2.62%、3.61%。不施磷處理(CK、N)土壤PAC與試驗(yàn)?zāi)晗揎@著負(fù)相關(guān)(<0.05), 每年減小的速率分別為0.011%和0.013%; 而施用磷肥處理土壤PAC與試驗(yàn)?zāi)晗揎@著(NP、SNP)(<0.05)或極顯著(M、MNP)正相關(guān)(<0.01), 每年提高的速率分別為0.034%、0.032%、0.064%和0.100%。

2.2 長(zhǎng)期施肥下作物產(chǎn)量與耕層土壤有效磷關(guān)系

利用22年冬小麥和9年玉米的耕層土壤有效磷數(shù)據(jù), 分別對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量與相應(yīng)土壤有效磷含量進(jìn)行線性分析(圖4), 結(jié)果顯示作物產(chǎn)量與耕層土壤有效磷含量極顯著正相關(guān)(<0.01), 小麥和玉米產(chǎn)量隨土壤中有效磷含量提高而增加。旱塬黑壚土農(nóng)田耕層土壤有效磷含量每提高1 mg·kg-1, 小麥和玉米產(chǎn)量將會(huì)分別增加53 kg·hm-2和230 kg·hm-2。

2.3 長(zhǎng)期施肥下旱地黑壚土磷肥效率

2.3.1 長(zhǎng)期施肥下作物磷肥當(dāng)季農(nóng)學(xué)利用效率

NP、SNP、M和MNP處理26年冬小麥平均當(dāng)季農(nóng)學(xué)利用效率(PAE)分別為55.64 kg·kg-1、87.51 kg·kg-1、8.26 kg·kg-1、11.40 kg·kg-1, 10年春玉米平均當(dāng)季農(nóng)學(xué)利用效率分別為84.39 kg·kg-1、147.03 kg·kg-1、15.03 kg·kg-1、18.78 kg·kg-1, 玉米施用磷肥的增產(chǎn)效果大于小麥(表2)。無(wú)論小麥還是玉米, 施磷處理PAE大小順序均為SNP>NP>MNP>M。與長(zhǎng)期單施氮處理相比, 秸稈還田配施氮肥和隔年施磷(SNP)處理每公頃施用1 kg純P, 玉米平均增產(chǎn)147.03 kg·hm-2、小麥平均增產(chǎn)87.51 kg·hm-2。隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng), 施磷處理PAE提高, NP和SNP處理冬小麥PAE與施肥年限呈不顯著正相關(guān), 年提高速率分別為0.86 kg·kg-1和1.3 kg·kg-1; 而施農(nóng)家肥處理(M、MNP)的冬小麥PAE與施肥年限顯著正相關(guān)(<0.05), 年提高速率分別為0.276 kg·kg-1和0.176 kg·kg-1; SNP和M處理玉米PAE與施肥年限顯著正相關(guān)(<0.05), 年提高速率達(dá)4.58 kg·kg-1和0.59 kg·kg-1; NP和MNP處理與施肥年限不顯著正相關(guān), 年提高速率為2.16 kg·kg-1和0.43 kg·kg-1。

圖3 1978—2016年長(zhǎng)期不同施肥處理下土壤磷活化系數(shù)(PAC)的變化

圖4 作物產(chǎn)量與耕層土壤有效磷含量關(guān)系

2.3.2 長(zhǎng)期施肥下作物磷肥生理效率的變化

NP、SNP、M和MNP處理26年冬小麥和10年春玉米平均磷肥生理效率(PPE)分別為267.27 kg·kg-1、295.5 kg·kg-1、191.23 kg·kg-1、222.77 kg·kg-1和212.17 kg·kg-1、225.84 kg·kg-1、191.37 kg·kg-1、192.92 kg·kg-1, 總體上冬小麥的PPE大于春玉米(表2)。施磷處理PPE大小順序與當(dāng)季農(nóng)學(xué)利用效率一致, 均為SNP>NP>MNP>M。與長(zhǎng)期單施氮肥處理相比, 秸稈還田配施氮肥和隔年施磷肥(SNP)處理小麥多吸收1 kg磷, 籽粒產(chǎn)量提高295.5 kg·hm-2, 玉米多吸收消耗1 kg磷, 籽粒產(chǎn)量提高225.84 kg×hm-2。NP、MNP和M處理小麥PPE與施肥年限分別呈極顯著(<0.01)、顯著(<0.05)和不顯著正相關(guān), 年增速率分別為6.75 kg·kg-1、2.81 kg·kg-1和2.78 kg·kg-1; 而SNP處理小麥PPE與施肥年限呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05),隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng), PPE下降3.13 kg·kg-1·a-1。M處理春玉米PPE與施肥年限顯著正相關(guān)(<0.05), 隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng), PPE提高1.62 kg·kg-1·a-1, 其余施磷處理(NP、SNP和MNP)玉米PPE均與施肥年限不顯著正相關(guān)。

表2 長(zhǎng)期不同施肥處理下作物磷肥農(nóng)學(xué)利用效率和生理效率的變化

*:<0.05; **:<0.01.

2.3.3 長(zhǎng)期施肥下作物磷素當(dāng)季利用率的變化

施磷處理(NP、SNP、M和MNP)26年小麥平均磷素當(dāng)季利用率(PUR)分別為22.87%、29.98%、4.35%和5.2%, 10年玉米平均PUR分別為39.22%、63.32%、7.58%和9.64%(表3), 所有施磷處理PUR玉米總體大于小麥。各施磷處理小麥和玉米PUR大小順序均為SNP>NP>MNP>M, 與磷肥當(dāng)季農(nóng)學(xué)利用效率和生理效率一致。SNP處理小麥PUR與施肥年限呈極顯著正相關(guān)(<0.01), 隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)PUR提高, 每年提高0.86%; M和MNP處理小麥PUR與施肥年限呈不顯著正相關(guān), 每年分別提高0.07%和0.000 9%; 而NP處理小麥PUR與施肥年限呈不顯著負(fù)相關(guān), 隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)小麥PUR降低, 每年降低0.42%。各施磷處理玉米PUR變化趨勢(shì)與小麥明顯不同, 均隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而提高, M處理玉米PUR與施肥年限呈極顯著正相關(guān)(<0.01), 每年提高0.24%; NP和SNP處理玉米PUR與施肥年限呈顯著正相關(guān)(<0.05), 每年分別提高0.85%和1.67%; MNP處理玉米PUR與施肥年限呈不顯著正相關(guān), 每年提高0.19%。

表3 長(zhǎng)期不同施肥處理下作物磷肥當(dāng)季利用率和回收率的變化

*:<0.05; **:<0.01.

2.3.4 長(zhǎng)期施肥下作物磷肥回收率的變化

NP、SNP、M和MNP處理26年冬小麥和10年春玉米平均磷肥回收率(PRR)分別為25.22%、33.37%、4.74%、15.55%和35.89%、58.52%、7.03%、28.72%(表3), 所有施磷處理冬小麥PRR平均為19.72%, 春玉米為32.54%, 玉米PRR顯著高于小麥。說明年降雨量540 mm的黃土旱塬黑壚土農(nóng)田, 在同等施磷水平下玉米吸收消耗的土壤磷素養(yǎng)分總體高于小麥, 各施磷處理小麥和玉米PRR大小順序與磷肥效率的PAE、PPE和PUR一致, 也為SNP>NP>MNP>M。各施磷處理玉米PRR均隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而提高, M處理玉米PRR與施肥年限呈顯著正相關(guān)(<0.05), NP、SNP和MNP處理與施肥年限呈不顯著正相關(guān); NP和MNP處理小麥PRR與施肥年限分別呈極顯著(<0.01)和不顯著負(fù)相關(guān), PRR隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而降低, 每年分別下降0.82%和0.16%, 而SNP和M處理小麥PRR與施肥年限呈不顯著正相關(guān), PRR隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而提高, 每年分別提高0.28%和0.01%。

3 結(jié)果與討論

3.1 長(zhǎng)期施肥下土壤全磷和有效磷

不同施肥處理38年后, 與試驗(yàn)開始時(shí)(1978年秋)相比, 無(wú)磷處理(CK和N)耕層土壤全磷和有效磷含量減少、土壤磷活化能力降低, 而施磷處理(NP、SNP、M和MNP)不同程度增加和提高, 土壤全磷和有效磷含量大小順序均為MNP>M>NP>SNP>CK>N, PAC大小順序?yàn)镸NP>M>NP>SNP>N>CK。隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng), N和SNP處理耕層土壤全磷趨勢(shì)性下降, CK處理基本恒定, NP處理緩慢增加, M和MNP處理逐漸提高; 而有效磷、PAC變化趨勢(shì)與全磷有所不同, 無(wú)磷處理(CK和N)顯著下降, 施磷處理均趨勢(shì)性提高。長(zhǎng)期無(wú)磷投入(CK、N)而耕種, 由于作物每年攜出, 土壤磷長(zhǎng)期虧缺, 致使CK、N處理耕層土壤全磷和有效磷含量降低, 尤其有效磷含量降低50%以上, 同時(shí)土壤磷活化能力降低, PAC由最初的1.2%下降到2016年的0.5%, 說明長(zhǎng)期無(wú)磷投入, 土壤全磷很難轉(zhuǎn)化為有效磷, 這與賈興永等[6]的研究結(jié)果基本一致。施磷處理(NP、SNP、M和MNP)每年投入土壤磷分別達(dá)33 kg×hm-2、22.9 kg×hm-2、200 kg×hm-2和233 kg×hm-2, 而攜出磷相應(yīng)為12.96 kg×hm-2、12.28 kg×hm-2、14.12 kg×hm-2、17.54 kg×hm-2(26年冬小麥平均), 24.74 kg×hm-2、26.24 kg×hm-2、26.96 kg×hm-2、34.25 kg×hm-2(10年春玉米平均), 施入大于作物攜出, 全磷分別增加22.8%、14.0%、38.6%和56.1%, 有效磷含量相應(yīng)提高99.1%、48.4%、206.4%和375.6%, 長(zhǎng)期施用磷肥均能不同程度提高黃土旱塬農(nóng)田耕層土壤磷總貯量和磷素養(yǎng)分的供應(yīng)能力, 結(jié)果與許多定位試驗(yàn)的研究結(jié)論一致[12,14-17,22]。SNP處理玉米產(chǎn)量隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)提高幅度不斷增加, 每年3 750 kg×hm-2秸稈還田為土壤微生物繁殖提供了較為豐富的碳源, 土壤微生物活性增強(qiáng), 土壤相關(guān)酶活性提高, 土壤氮素相對(duì)充足[20,23-26], 磷素養(yǎng)分礦化分解加快, 在磷投入比NP處理少30%的情況下, SNP處理小麥攜出磷總量比NP僅少5.2%, 但玉米攜出磷總量比NP多6.1%, 導(dǎo)致SNP處理耕層土壤有效磷和PAC趨勢(shì)性提高, 而土壤全磷年增量減少、隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而呈下降趨勢(shì)。施農(nóng)家肥(M、MNP)38年后PAC值達(dá)到2.62%和3.61%, 磷活化能力是試驗(yàn)開始時(shí)的2.2倍和3.1倍, NP與M處理全磷增幅之和大于MNP處理, 而NP與M處理Olsen-P增幅之和小于MNP處理, 顯然相對(duì)于耕層土壤磷庫(kù)的擴(kuò)大, 每年75 t×hm-2農(nóng)家肥加無(wú)機(jī)氮磷投入更利于耕層土壤磷活化, 提高土壤中磷的有效性。但本試驗(yàn)中PAC值低于紅壤[27], 說明磷活化不僅與施肥相關(guān), 也與土壤類型、氣候等有關(guān)。

3.2 長(zhǎng)期施肥下黃土旱塬黑壚土農(nóng)田作物產(chǎn)量與土壤有效磷的關(guān)系

本研究中作物產(chǎn)量與耕層土壤有效磷極顯著正相關(guān), 作物產(chǎn)量隨土壤中有效磷含量提高而增加。土壤有效磷是衡量土壤供磷能力、指導(dǎo)磷肥合理施用和評(píng)估磷損失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。研究認(rèn)為當(dāng)土壤有效磷含量達(dá)到一定閾值時(shí), 有效磷的增加無(wú)法繼續(xù)帶來作物吸磷量的增長(zhǎng), 土壤有效磷與吸磷量關(guān)系符合直角雙曲線模型[12], 黃土旱塬農(nóng)田確保土壤有效磷水平控制在農(nóng)學(xué)閾值與環(huán)境閾值之間, 保證較高的磷肥利用率、提高作物產(chǎn)量, 同時(shí)降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn), 減少肥料投入, 實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。因此依托本試驗(yàn), 需進(jìn)一步研究磷平衡與盈虧等, 確定黃土旱塬農(nóng)田磷農(nóng)學(xué)閾值與環(huán)境閾值, 為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供合理施肥的理論依據(jù)。

3.3 長(zhǎng)期施肥下旱地黑壚土農(nóng)田作物磷肥效率

本文從磷肥回收率(PRR)、利用率(PUR)、農(nóng)學(xué)效率(PAE)和生理效率(PPE)4個(gè)方面說明磷肥被作物利用的程度。施磷處理(NP、SNP、M和MNP)玉米的磷肥回收率、利用率和農(nóng)學(xué)效率都大于小麥, 而生理效率小麥大于玉米, 玉米磷肥效率的4個(gè)指標(biāo)都隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而提高, 而小麥變化不一致, 無(wú)論小麥還是玉米4個(gè)施磷處理的PRR、PUR、PAE和PPE大小順序均為SNP>NP>MNP>M, 長(zhǎng)期單施農(nóng)家肥處理最低, 秸稈還田配施氮加隔年施磷處理作物磷肥效率4個(gè)方面都最高, 這與試驗(yàn)1979—2012年研究結(jié)果基本一致[21], 但與裴瑞娜[20]基于1979—2007年數(shù)據(jù)分析研究的結(jié)果有一定差異。在黃土旱塬黑壚土農(nóng)田, 無(wú)論從磷肥被作物吸收的比例、磷素對(duì)作物生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)、還是1 kg磷提高的作物產(chǎn)量以及作物吸收磷轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量來評(píng)價(jià)作物磷肥效率, 本試驗(yàn)中各施磷處理磷肥效率總體上隨磷投入增加而降低, 與已有研究報(bào)道基本一致[12,20-21]。SNP與NP處理比較, 磷投入減少30%, 小麥PAE、PPE、PUR和PRR分別提高57.4%、10.5%、31.1%、32.3%, 玉米分別提高74.2%、6.4%、61.4%、63.1%; M與MNP處理比較, 磷投入減少14.2%, 小麥PAE、PPE、PUR和PRR分別降低27.2%、14.3%、16.3%、69.5%, 玉米分別降低20.2%、0.8%、21.4%、75.5%, 說明磷肥效率不僅受施磷量影響, 同時(shí)也受肥料構(gòu)成、肥料配比和肥料種類等因素影響, 這可能與農(nóng)家肥投入的大量磷素以有機(jī)磷形態(tài)儲(chǔ)存于土壤有關(guān)[28], MNP比M處理投入磷量增加33 kg×hm-2、磷肥效率反而提高, 與增加的磷為無(wú)機(jī)磷有關(guān)。有機(jī)無(wú)機(jī)結(jié)合是黃土旱塬區(qū)培肥地力、提高作物產(chǎn)量和資源利用效率的施肥措施。

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Change characteristics of soil phosphorus and phosphorus fertilizer efficiency in Black Loessial soil of dryland in the Loess Plateau under long-term fertilization*

WANG Shuying1, FAN Tinglu1, DING Ningping2, ZHAO Gang1, ZHANG Jianjun1,LI Shangzhong1, WANG Lei1, DANG Yi1, CHENG Wanli1, TANG Xiaoming1

(1. Dryland Agricultural Institute of Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland in Gansu Province, Lanzhou 730070, China; 2. Pingliang Academy of Agricultural Sciences, Pingliang 744500, China)

Using a long-term fertilization experiment set up in 1978 in Pingliang, Gansu Province, changes in soil phosphorus (P) and P fertilizer efficiency (PFE) were determined and used to guide rational application of P fertilizer in dry farmlands. Six fertilizer treatments — no fertilizer (CK), chemical nitrogen (N), chemical nitrogen and phosphorus (NP), straw plus chemical NP (SNP), farmyard manure (M) and farmyard manure plus chemical NP (MNP) — were used in the cropping system of 4-year continues winter wheat followed by 2-year spring corn. After 38 years, the total soil phosphorus and Olsen-P contents in CK and N treatments decreased, and phosphorus activation coefficient dropped. Total soil phosphorus contents under NP, SNP, M and MNP treatments increased respectively by 22.8%, 14.0%, 38.6% and 56.1%. Then Olsen-P contents increased respectively by 99.1%, 48.4%, 206.4% and 375.6%, while P activation coefficients were 1.7, 1.3, 2.2 and 3.1 times as that in 1978. Total soil P contents in N and SNP treatments were negatively correlated with the number of experimental years with annual decline rates of 1.9 mg·kg-1and 2.6 mg·kg-1, respectively. Total soil P contents under NP, M and MNP treatments were positively correlated with the number of experimental years, with annual increase rates of 1.2 mg·kg-1, 1.9 mg·kg-1and 2.8 mg·kg-1, respectively. Total soil P contents under CK remained basically unchanged with the number of experimental years. Soil available P contents under CK and N treatments decreased with increasing number of experimental years, and the annual decline rates were respectively 0.03 mg·kg-1and 0.09 mg·kg-1. Soil available P contents under NP, SNP, M and MNP treatments were positively correlated with the number of experimental years, with annual increase rates of respectively 0.29 mg·kg-1, 0.24 mg·kg-1, 0.46 mg·kg-1and 0.89 mg·kg-1. Crop yield was positively correlated with soil available P (wheat2= 0.116 9,= 132; corn2= 0.332 4,= 54). P using rate (PUR), P recovery rate (PRR) and P agronomic efficiency (PAE) of corn were greater than those of wheat for all 4 P treatments (NP, SNP, M and MNP), but P physiological efficiency (PPE) of wheat was greater than that of corn. The ranked order of above four indexes of P fertilizer efficiency (PFE) for different treatments was SNP > NP > MNP > M. The four indexes of PFE of maize were positively correlated with the number of experimental years. Compared with MNP treatment, P input with M decreased 14.2%. Wheat and corn PFE decreased by 14.3%-69.5% and 0.8%-75.5%, respectively. In summary, combined application of organic and inorganic fertilizers was optimal choice for improving soil fertility, increasing crop yield and enhancing resource use efficiency in Heilu soil of the Loess Plateau dryland.

Black Loessial soil; Long-term fertilization; Soil phosphorus; Phosphate recovery rate; Phosphate using rate; Phosphorus agronomic efficiency; Phosphate physiological efficiency

, WANG Shuying, E-mail: wang_shying@163.com

Nov. 3, 2017;

Jan. 28, 2018

S153.6+1

A

1671-3990(2018)07-1038-10

10.13930/j.cnki.cjea.171002

2017-11-03

2018-01-28

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300110), the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201303104, 201503124), the Project of Lanzhou Experimental Station on Maize of China Agriculture Research System (CARS-02-60) and the National Technology R&D Program on Rural Areas of China (2013AA102902).

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300110)、公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303104, 201503124)、國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蘭州綜合試驗(yàn)站項(xiàng)目(CARS-02-60)和“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題(2013AA102902)資助

王淑英, 主要研究方向?yàn)楹档厮临Y源高效利用。E-mail: wang_shying@163.com

王淑英, 樊廷錄, 丁寧平, 趙剛, 張建軍, 李尚中, 王磊, 黨翼, 程萬(wàn)莉, 唐小明. 黃土旱塬黑壚土長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)土壤磷素和磷肥效率的演變特征[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(7): 1038-1047

WANG S Y, FAN T L, DING N P, ZHAO G, ZHANG J J, LI S Z, WANG L, DANG Y, CHENG W L. TANG X M. Change characteristics of soil phosphorus and phosphorus fertilizer efficiency in Black Loessial soil of dryland in the Loess Plateau under long-term fertilization[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(7): 1038-1047