郭斗斗,黃紹敏*,張珂珂,張水清,宋 曉,王柏寒,2,岳 克
(1 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,鄭州 450002;2 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450002)
磷是植物生長必需的營養(yǎng)元素,土壤磷素有效性高低直接影響作物的正常生長和產(chǎn)量水平,投入外源磷素可以有效提升土壤磷素有效性?;瘜W(xué)磷肥是最常用的外源無機(jī)磷素,然而長期使用化學(xué)磷肥,土壤磷素不斷累積但有效性降低,磷肥利用率及產(chǎn)量效應(yīng)不斷下降[1–2],造成磷礦資源消耗的同時,土壤質(zhì)量水平下降,環(huán)境風(fēng)險增大[3–4]。為改善長期化學(xué)磷素投入帶來的弊端,有機(jī)肥和秸稈作為重要的有機(jī)磷源與化肥配合投入土壤,成為重要的外源磷素[5–6]。受外源磷素載體性質(zhì)的影響,不同磷源的磷素組分特征及形態(tài)轉(zhuǎn)化不同。外源磷素在土壤中的化學(xué)行為和存在形態(tài)決定土壤磷素的有效性[7–8]。已有研究表明,施用有機(jī)肥可促進(jìn)土壤中磷素活化,Lourenzi等[9]的研究顯示施用畜禽糞便可增加土壤剖面中速效磷的含量;Sharpley等[10]研究發(fā)現(xiàn)大量施用有機(jī)肥后產(chǎn)生的有機(jī)酸可降低土壤對磷的吸附強(qiáng)度;Niu等[11]研究顯示秸稈還田可降低土壤對磷酸根離子的吸附量,提高磷肥的利用率;劉盼盼等[12]研究發(fā)現(xiàn)在化肥基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥和秸稈,土壤速效磷和全磷含量、磷素活化系數(shù)及中性磷酸酶活性均顯著增加。外源磷素載體性質(zhì)是影響磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要因素,不同外源磷素在農(nóng)田系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化特性直接影響作物對磷素的吸收利用[13]。為進(jìn)一步明確化肥磷素、有機(jī)肥磷素和秸稈磷素作為主要外源磷素長期協(xié)同使用的生物有效性、潮土磷素行為和組分轉(zhuǎn)化特征,本研究依托25年的潮土區(qū)長期肥料定位試驗,分析冬小麥–夏玉米輪作體系下,化學(xué)磷肥、有機(jī)肥、秸稈長期配合使用對作物可持續(xù)生產(chǎn)能力、磷肥利用效率、施肥后效以及潮土磷素形態(tài)及有效性的影響,以期為合理減少磷肥施用、提高磷肥利用率和科學(xué)管理土壤磷素資源提供理論依據(jù)。
長期定位試驗設(shè)在“國家潮土肥力與肥料效益長期定位試驗基地”(113°40′42″E、34°47′55″N),1990年開始定位試驗。該區(qū)域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候,年均降雨量約660 mm,主要集中于7、8、9月。試驗區(qū)基礎(chǔ)土壤耕層 (0—20 cm)、亞耕層 (20—40 cm)基本屬性見表1。
本研究基于1990—2015年間不施磷肥處理(P0)、單施化肥處理 (FP)、化肥與有機(jī)肥配施處理(FP+M)、化肥與秸稈配施處理 (FP+S) 的試驗結(jié)果,分析三種外源磷素及其協(xié)同使用對潮土磷素行為的影響。所有試驗區(qū)每年施用氮肥為尿素,2002年前鉀肥為硫酸鉀,之后為氯化鉀,磷肥為普過磷酸鈣;1990—1999年施用的有機(jī)肥為馬糞,2000—2010年為牛糞,2011—2015年為商品有機(jī)肥。FP處理小麥季施氮肥 (以 N 計)165 kg/hm2,磷肥 (以 P2O5計)和鉀肥 (以 K2O 計) 各 82.5 kg/hm2,玉米季施氮肥 (以 N 計)187.5 kg/hm2,磷肥 (以 P2O5計)和鉀肥(以 K2O 計) 各 93.75 kg/hm2。每年施肥前測定有機(jī)肥及玉米秸稈的氮、磷、鉀含量。FP+M處理小麥季在施用相當(dāng)于FP處理磷、鉀肥的基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥,有機(jī)肥用量以含氮量計算,相當(dāng)于FP處理氮量的70%來自有機(jī)肥,另30%的氮量由尿素補(bǔ)充;玉米季施肥量同F(xiàn)P處理;FP+S處理在小麥季施用相當(dāng)于FP處理磷、鉀肥的基礎(chǔ)上,將前茬玉米秸稈粉碎還田,1991—2001年間,相當(dāng)于FP處理氮量的70%來自秸稈 (不足部分由同期其他試驗區(qū)秸稈補(bǔ)充),另30%的氮量由尿素補(bǔ)充,2002—2015年間則為前茬總秸稈量,不足FP處理的氮量以尿素補(bǔ)充,玉米季施肥量同F(xiàn)P處理。
每季磷、鉀肥和有機(jī)肥作為底肥一次性施入,氮肥按基追比6∶4施入。25年間,F(xiàn)P處理累積投入化肥磷素1926.1 kg/hm2;FP+M處理累積投入磷素3524.6 kg /hm2,其中化肥磷素占54.6%,有機(jī)肥磷素占45.4%;FP+S處理累積投入磷素2160.4 kg/hm2,其中化肥磷素占89.2%,有機(jī)肥磷素占10.8%。
表1 試驗初期土壤基本屬性Table 1 Basic properties of soil at the initial of experiment
各年度依據(jù)土壤和天氣狀況播種,小麥播種時間為10月中旬,玉米為6月上旬。施肥時間為播種前一天或當(dāng)天。小麥季施肥后,深耕一次,玉米季免耕。作物收獲時,小麥底部留茬約15 cm,玉米地上部植株全部移出。各年度依據(jù)土壤狀況適當(dāng)灌溉,保證作物正常生長。
收獲時各小區(qū)取5 m2測產(chǎn),選取長勢均勻的20株小麥、3株玉米樣品,分為籽粒、莖稈、穎殼/穗軸三部分采樣,帶回室內(nèi)105℃下殺青30 min,后烘干至恒重,粉碎過0.15 mm篩備用。小麥季收獲后使用五點法采集各處理土壤樣品,帶回室內(nèi)風(fēng)干,揀去雜物后,研磨過篩備用。
植株全磷含量采用H2SO4–H2O2消煮—鉬銻抗比色法測定;土壤全磷含量使用H2SO4–HClO4消煮—鉬銻抗比色法測定;土壤Olsen-P含量使用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定;土壤有機(jī)磷及無機(jī)磷分級使用顧益初等[14]的連續(xù)浸提法測定。
磷肥累積利用效率 (accumulative phosphorus use efficiency,APUE) 計算公式如下:
APUE(%) = (施磷處理作物累積吸磷量?不施磷處理作物累積吸磷量)/累積施磷量×100
磷肥累積生理效率 (accumulative phosphorus physiology efficiency,APPE) 計算公式如下:
APPE (kg/kg) = (施磷處理作物累積產(chǎn)量?不施磷處理作物累積產(chǎn)量)/(施磷處理作物累積吸磷量?不施磷處理作物累積吸磷量)
本研究使用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和作圖,使用SPSS軟件進(jìn)行LSD差異顯著性檢驗。
長期投入不同外源磷素,土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)有較大的改變,進(jìn)而對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響。在一定的施肥條件及管理措施下,產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)方差 (standard deviation,SD) 和變異系數(shù) (coefficient of variation,CV) 可用于表達(dá)年度間產(chǎn)量的變異或穩(wěn)定狀況[15–16],產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù) (sustainable yield index,SYI) 可用于評價農(nóng)田系統(tǒng)是否能持續(xù)生產(chǎn),SYI 值越大系統(tǒng)的可持續(xù)性越好[17–18]。本研究基于25年的長期定位試驗,產(chǎn)量的變異主要來自土壤肥力的變化和氣候因素。表2表明,與P0相比,F(xiàn)P、FP+M、FP+S處理小麥和玉米產(chǎn)量都極顯著增加,小麥平均增產(chǎn)170.5%、159.8%和172.0%,玉米平均增產(chǎn)68.3%、75.2%和81.1%;FP、FP+M、FP+S處理比P0處理年際間產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性指數(shù)均有提高,且在小麥季增幅更大。小麥季FP處理產(chǎn)量穩(wěn)定性最高,F(xiàn)P+S處理產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)最大,玉米季的FP+S、FP+M處理產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性指數(shù)基本一致,高于其他處理。說明小麥玉米輪作體系下,投入外源磷素均可有效提高作物產(chǎn)量,提升產(chǎn)量穩(wěn)定性和產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù),而FP+S處理在小麥玉米輪作體系下可保持最高的可持續(xù)生產(chǎn)能力。
不同外源磷素作為肥料進(jìn)入土壤后,經(jīng)過植株、土壤、微生物的共同作用,土壤各形態(tài)磷素達(dá)到動態(tài)平衡,供給作物生長需要。多年定位試驗結(jié)果證實磷肥累積利用率高于單季表觀利用率,表明施用磷肥有較長時間的后效[19]。為反映作物利用外源磷素和吸收磷素轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力,本研究使用磷肥累積利用效率和累積生理效率分析不同外源磷素被作物利用的程度。
表2 長期投入不同外源磷素對小麥玉米輪作體系產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和可持續(xù)性指數(shù)的影響Table 2 Sustainable yield index (SYI), Coefficient of variation (CV) and standard deviation (SD) influenced by various phosphorus sources in wheat-maize cropping systems
磷肥累積利用效率以多年施用的磷肥被作物吸收的比例對外源磷素的利用情況進(jìn)行評價。圖1顯示,隨施肥時間的增加,作物對外源磷素的累積利用率逐年增加,F(xiàn)P和FP+S處理累積利用率快速增加,25年累積利用率分別為47.5%和48.5%,比試驗初期提高了36.7和31.2個百分點;FP+M處理累積磷肥利用率緩慢增加,25年后磷肥累積利用率為30.1%,比試驗初期提高了19.5個百分點。磷肥累積利用率與施肥時間有極顯著的線性關(guān)系,以施肥時間每增加1年磷肥累積利用率的增量作為后效,F(xiàn)P、FP+M、FP+S處理平均后效分別為1.30%、0.71%和1.16%。磷素養(yǎng)分供應(yīng)量高于作物吸磷量后,肥料累積利用率因施磷量的增加而減少。施磷量較適宜的FP與FP+S處理,隨施肥時間的增加,磷肥累積利用率有較快的增加,磷肥后效較大,F(xiàn)P+M處理因常年施磷量較高,磷肥累積利用率明顯低于FP與FP+S處理,磷肥后效較小。
磷肥累積生理效率指一定階段內(nèi)作物吸收一定數(shù)量的磷素增加的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,反映作物吸收磷量轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力。長期投入不同外源磷素磷肥累積生理效率變化趨勢如圖2所示。隨施肥時間的延長,磷肥累積生理效率不斷提高,說明外源磷素的投入使作物減弱了對土壤基礎(chǔ)磷素的依賴,作物增產(chǎn)的肥料效應(yīng)不斷累積;最初4~5年磷肥累積生理效率快速增長,之后增長速度漸緩趨于穩(wěn)定,這主要是由于試驗初期土壤基礎(chǔ)磷水平較低,投入外源磷素的處理作物產(chǎn)量及吸磷量快速增加,而不施磷處理產(chǎn)量及吸磷量因磷素消耗下降較多;隨施肥時間的增加,施磷處理土壤磷水平不斷提高,土壤磷素水平達(dá)到作物高產(chǎn)需求量,產(chǎn)量增長緩慢,磷肥的增產(chǎn)效應(yīng)減弱,累積生理效率增速變緩。連續(xù)施磷25年,F(xiàn)P、FP+M、FP+S處理的累積生理效率分別為 188.3 kg/kg、163.2 kg/kg 和 177.6 kg/kg,表明單獨施用化學(xué)磷素累積生理效率最高,配施有機(jī)肥或秸稈磷素,累積生理效率有所下降。特別的是FP+S處理試驗前2年,磷肥累積生理效率顯著高于FP和FP+M處理,說明化肥磷素與秸稈磷素配施對土壤磷素具有較強(qiáng)的激發(fā)效應(yīng),這主要是由于在石灰性土壤中投入秸稈磷素可降低土壤pH和pH緩沖能力,減少土壤中碳酸鈣含量[20],進(jìn)而提高磷素活化效率,土壤磷水平較低時可迅速提升磷素生產(chǎn)力。
圖1 長期投入不同外源磷素對累積利用率的影響Fig. 1 Accumulative phosphorous use efficiencies (APUE) under long-term exogenous phosphorus fertilizer input
圖2 長期投入不同外源磷對磷累積生理效率的影響Fig. 2 Accumulative phosphorous physiological efficiencies (APUE) under long-term exogenous phosphorus input
不同外源磷素通過改變土壤各形態(tài)磷的含量、化學(xué)行為、存在形態(tài),逐步影響土壤中磷的轉(zhuǎn)化、運移及供磷能力。對比2015年和1990年土壤無機(jī)磷、有機(jī)磷和全磷含量可知 (表3),P0處理土壤全磷減少83.8 mg/kg,且主要是由于無機(jī)磷減少 (86.6 mg/kg) 引起的,有機(jī)磷總量維持不變,說明長期不施磷土壤,作物生長過程中植物根系分泌物及微生物活動等共同作用可促使土壤中無機(jī)磷活化供作物生長使用。FP處理無機(jī)磷增加239.4 mg/kg,有機(jī)磷也略有增加 (14.1 mg/kg),說明長期單獨投入化學(xué)磷素,可有效增加無機(jī)磷庫總量,同時對土壤有機(jī)磷庫也略有補(bǔ)充。FP+M處理,因化學(xué)磷素和有機(jī)肥素磷的協(xié)同作用,土壤全磷增加448.8 mg/kg,其中無機(jī)磷增加了377.0 mg/kg,有機(jī)磷總量增加71.8 mg/kg,說明投入有機(jī)磷素補(bǔ)充了土壤有機(jī)磷庫,同時有效增加了土壤中無機(jī)磷的含量。FP+S處理土壤無機(jī)磷增加了282.3 mg/kg,有機(jī)磷減少 20.4 mg/kg,說明秸稈磷素和無機(jī)磷素配合使用,可促使土壤中有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷,增加土壤中無機(jī)磷庫比例。
1990年不同處理基礎(chǔ)土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P的平均含量分別為11.1 mg/kg、67.0 mg/kg、22.6 mg/kg、24.2 mg/kg、135.3 mg/kg、298.7 mg/kg。由表4可知,連續(xù)投入外源磷素25年后,P0處理土壤無機(jī)磷各組分含量均降低,以O(shè)-P降低最多為35.8 mg/kg,占無機(jī)磷減少總量的41.3%。其次是Ca8-P含量降低了15.3 mg/kg, 占無機(jī)磷降低總量的17.6%,說明長期不施磷肥,主要消耗了土壤中的O-P和Ca8-P。連續(xù)投入外源磷素,除FP+M處理Ca10-P含量減少外,其他處理各無機(jī)磷各組分均有增長,且主要增加的是具有緩效功能的Ca8-P,而Al-P、Fe-P增加量均為無機(jī)磷增量的15%和11%,說明潮土中Al-P、Fe-P的轉(zhuǎn)化與外源磷素性質(zhì)基本無關(guān);FP+M處理有效性高的Ca2-P和具有緩效功能的Ca8-P增量分別是FP處理的3.2和2.4倍,有效態(tài)磷含量最高;FP+S處理顯著減少了無效態(tài)的Ca10-P和O-P的含量,增加了Ca8-P的含量,緩效態(tài)磷含量最高。
表3 不同外源磷素長期投入對土壤磷庫的影響 (mg/kg)Table 3 Effects of long-term different exogenous P input on soil phosphorus pool from 1990 to 2015
表4 連續(xù)投入不同外源磷素25年后土壤無機(jī)磷各組分的變化量 (mg/kg)Table 4 Change amounts of inorganic P fractions after 25 years’ treatment of different exogenous P
圖3 基礎(chǔ)土壤和不同外源磷素處理25年后土壤各無機(jī)磷組分的百分比Fig. 3 Proportion of P fractions in total inorganic phosphorus in the initial soil and soils under different exogenous phosphorus input for 25 years
因投入土壤中的外源磷素不同,土壤無機(jī)磷組分形態(tài)轉(zhuǎn)化及分布特征不同。由連續(xù)處理25年土壤無機(jī)磷各組分的變化量可知 (圖3),P0處理無機(jī)磷各組分分布變化不大,有效性高的Ca2-P占比下降,Ca10-P占比略有上升,土壤Olsen-P由6.5 mg/kg降低到2.0 mg/kg;FP處理具有緩效功能的Ca8-P由12.0%提升到21.1%,Ca2-P占比略有增加,無效態(tài)O-P和Ca10-P由77.7%減少為62.9%,土壤Olsen-P由6.4 mg/kg提升到20.7 mg/kg,說明長期投入化學(xué)磷素,整體降低了無效態(tài)O-P和Ca10-P的比例,但無效態(tài)磷占比仍達(dá)到60%以上,表明潮土對化學(xué)磷素有較強(qiáng)的固定作用。FP+M處理Ca2-P占比由2.0%提升到5.4%,緩效態(tài)Al-P、Ca8-P、Fe-P占比增加25.6個百分點,無效態(tài)O-P和Ca10-P占比減少29.0個百分點,土壤Olsen-P由6.3 mg/kg提升到51.8 mg/kg,說明化學(xué)磷素與有機(jī)肥磷素協(xié)同使用可促使無效態(tài)磷向有效態(tài)及緩效態(tài)磷轉(zhuǎn)化,顯著提升土壤磷素有效性;FP+S處理無機(jī)磷組分分布與FP處理相似,但Ca8-P占比提高了7.9個百分點,Ca10-P的占比減少6.5個百分點,土壤Olsen-P含量由6.3 mg/kg提升到21.7 mg/kg,與FP基本一致,說明秸稈磷素可增加具有緩沖作用的Ca8-P的含量,降低無效態(tài)磷含量,提升土壤潛在供磷能力;然而與FP處理相比土壤磷素有效性提升不明顯,說明土壤Olsen-P含量主要由有效性高的Ca2-P含量決定。
磷肥當(dāng)季利用率較低,但由于土壤對磷的強(qiáng)吸附作用,使磷肥具有較長時間的后效[21–22]。因受氣候因素、土壤條件、作物品種等的影響,用短期試驗評價不同磷肥的累積效應(yīng)和后效得出的結(jié)論與長期試驗的結(jié)果有差異。長期定位試驗經(jīng)歷不同氣候年份、不同作物品種,因而可以減少試驗誤差,更科學(xué)的說明磷肥的有效利用程度。本研究中25年定位試驗獲取的最大磷肥累積利用率為48.5%,與李渝等[23]長期試驗的結(jié)果相近;不同外源磷素長期定量施入土壤,其磷肥后效趨于穩(wěn)定,本研究中FP、FP+M、FP+S處理磷肥平均后效分別為1.30%、0.71%和1.16%。
由于石灰性土壤中Ca2+、Mg2+含量較高,而且土壤 pH值為8左右,不同外源磷素投入土壤后,容易形成難溶性的 Ca3(PO4)2,并逐漸向更穩(wěn)定的Ca8-P、Ca10-P等無效磷轉(zhuǎn)化[24],降低了磷肥的當(dāng)季有效性。FP+M比FP處理磷肥的有效性高,主要由于有機(jī)肥腐解過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸化物降低了土壤pH,減少了外源磷素轉(zhuǎn)化為難溶性的Ca10-P、O-P的比重,增加了有效性較高的Ca2-P、Al-P,以及具有持續(xù)供磷能力的Ca8-P、Fe-P的含量;同時每年進(jìn)入土壤的大量有機(jī)肥,可顯著提高酸性磷酸酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性,促進(jìn)了有機(jī)磷的礦化[25],從而提高磷肥的有效性。本研究FP+M處理經(jīng)25年協(xié)同使用有機(jī)肥和化學(xué)磷肥,提升了土壤中有機(jī)磷的含量,并使大量有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為可供作物直接使用的有效態(tài)磷素,土壤Olsen-P比FP處理提高了31.1 mg/kg,該結(jié)論和劉建玲等[26]、謝林花等[27]的研究相同。秸稈磷素的投入對難溶性Ca10-P、O-P形成的抑制作用高于化學(xué)磷素,F(xiàn)P+S處理土壤磷素潛在供磷能力較高,但土壤磷素有效性提升不明顯,該結(jié)果與林誠等[28]在研究南方黃泥田磷庫形態(tài)時,得出秸稈還田對土壤磷庫總量與組分形態(tài)影響與使用化肥相比并不明顯的結(jié)論不同。本研究中長期單獨投入化學(xué)磷素土壤有機(jī)磷含量略有增加,這和Reddy等[29]、黃慶海等[30]研究認(rèn)為使用化學(xué)磷素對耕層有機(jī)磷含量沒有影響或使有機(jī)磷含量增加的結(jié)論一致。說明不同外源磷素載體性質(zhì)是影響潮土磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化和有效性的主要因素。
單施無機(jī)磷素或有機(jī)無機(jī)配合均可顯著提高作物產(chǎn)量,提升產(chǎn)量穩(wěn)定性和產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù),磷肥與秸稈配施最有利于維持小麥玉米輪作體系的可持續(xù)生產(chǎn)能力,實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。
單施磷肥、磷肥配施有機(jī)肥、磷肥配合秸稈的平均后效分別為1.30%、0.71%和1.16%。單施磷肥的累積生理效率最高,配施有機(jī)肥或秸稈后有所降低?;柿姿嘏c秸稈磷素配施對土壤磷素具有較強(qiáng)的激發(fā)效應(yīng),可迅速提升磷素生產(chǎn)力。
長期單獨投入化學(xué)磷素,可有效增加無機(jī)磷庫總量,但土壤磷素更易轉(zhuǎn)化為無效態(tài)的O-P和Ca10-P,磷素有效性不高?;瘜W(xué)磷素和有機(jī)肥磷素協(xié)同使用,能有效維持潮土有機(jī)磷含量,增加可供作物直接利用的Ca2-P和具有緩效作用的Ca8-P比例,提升土壤Olsen-P含量?;瘜W(xué)磷素與秸稈磷素協(xié)同使用可減少土壤中難溶性的Ca10-P的比例,增加Ca8-P的含量,提升土壤潛在供磷能力。
Al-P、Fe-P在潮土中的轉(zhuǎn)化基本不受外源磷素性質(zhì)的影響。