施磷量對(duì)棉田土壤不同形態(tài)無(wú)機(jī)磷的影響

候銀瑩，葉祖鵬，馮 琳，顧惠敏，關(guān)嬌嬌，劉美娟，陳波浪

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 農(nóng)業(yè)部環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】磷素是限制作物生長(zhǎng)與發(fā)育所必需的第二大營(yíng)養(yǎng)元素[1-2]，施用磷肥能顯著提高作物產(chǎn)量和土壤磷素強(qiáng)度，但土壤中磷的移動(dòng)性弱，易固定，有效性低，導(dǎo)致當(dāng)季作物的利用率為10 %～25 %[3]，75 %～90 %的磷積累在土壤之中。累積在土壤中的磷形態(tài)及其轉(zhuǎn)化顯著影響作物磷的有效性，一般認(rèn)為，Ca2-P是最有效的磷源，易被作物吸收，Ca8-P、Al-P、Fe-P的有效性也較高，O-P、Ca10-P短時(shí)期內(nèi)不易被作物吸收，只可作為潛在磷源看待[4]。施用磷肥是影響土壤磷形態(tài)含量和轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動(dòng)因素。水溶性磷酸一鈣施入土壤后，首先被方解石吸附，隨后被吸附的磷可進(jìn)一步生成二水磷酸二鈣和無(wú)水磷酸二鈣→磷酸八鈣→羥基磷灰石和氟磷灰石[5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】劉建玲等[6]研究表明，施入土壤的化學(xué)磷肥除被植物吸收利用外，大部分以Ca2-P、Ca8-P 和 Al-P 積累于土壤。馮固等[7]研究表明，施入土壤中的重過(guò)磷酸鈣的去向?yàn)椋?.3 %～18.8 % 為玉米苗吸收利用，2.5 %～27.8 % 轉(zhuǎn)化為Ca2-P型磷酸鹽，27.4 %～30.5 % 轉(zhuǎn)化成Ca8-P型磷酸鹽，9.1 %～10.0 %轉(zhuǎn)化為Al-P型磷酸鹽，10.4 %～15.6 %轉(zhuǎn)化成Fe-P型磷酸鹽，但沒(méi)有檢測(cè)到Ca10-P和O-P型磷酸鹽。顧益初等[8]研究表明，施入潮土中的水溶性磷肥在短期內(nèi)(約一個(gè)生季節(jié))，除了被當(dāng)季作物利用外，主要向Ca2-P轉(zhuǎn)化，繼而再向Ca8-P和Al-P、Fe-P轉(zhuǎn)化。作物種類(lèi)和品種對(duì)土壤磷形態(tài)含量和轉(zhuǎn)化具有重要的調(diào)節(jié)作用。陳磊等[9]研究發(fā)現(xiàn)，從玉米苗期到收獲期，各磷肥處理根際和非根際土壤中Ca2-P下降明顯；而不同磷肥處理間土壤中Ca10-P、Ca8-P、O-P、Al-P和Fe-P含量差異不顯著。張倩等[10]研究發(fā)現(xiàn)，糜子地土壤剖面中無(wú)機(jī)磷總量、Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P含量高于馬鈴薯地土壤，O-P和Ca10-P含量低于馬鈴薯地土壤；各無(wú)機(jī)磷形態(tài)含量順序?yàn)镃a10-P>O-P>Ca8-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P。另外，徐靜等[11]研究表明，野生大麥磷高效基因型IS-22-30和IS-22-25活化、吸收土壤中Al-P、Fe-P和Ca-P的能力強(qiáng)于低效基因型，在土壤有效磷含量較低時(shí)，其吸收和利用磷的能力較強(qiáng)。丁玉川等[12]對(duì)比研究了大豆對(duì)不同形態(tài)無(wú)機(jī)磷的利用率( %)為 K-P(KH2PO4)>Ca2-P>Fe-P>Al-P>Ca8-P>Ca10-P，致使土壤磷形態(tài)存在品種差異。棉花是新疆農(nóng)業(yè)的第一大產(chǎn)業(yè)，農(nóng)民收入的第一大來(lái)源。近年來(lái)，僅新疆地區(qū)種植面積就超過(guò)170萬(wàn)hm2，成為我國(guó)第一大棉區(qū)[13]。施用磷肥是維持和促進(jìn)新疆棉花可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵因素。但近年來(lái)磷肥不合理或過(guò)量施用致使棉田土壤累積磷達(dá)22.2 mg/kg[14]，土壤磷形態(tài)和含量也發(fā)生了顯著變化，而棉田的磷素自然供給力由74.2 %下降到50 %～60 %[15]。因此，當(dāng)前棉田土壤磷形態(tài)如何轉(zhuǎn)化，是否存在棉花品種的差異，這些問(wèn)題還有待研究。近年來(lái)，針對(duì)棉田土壤無(wú)機(jī)磷形態(tài)受施肥方法影響的研究也有報(bào)道[16-17]，但針對(duì)不同磷肥用量以及不同棉花品種下棉田土壤無(wú)機(jī)磷形態(tài)和含量變化的研究還缺少報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究設(shè)計(jì)4個(gè)不同供磷梯度和3個(gè)棉花品種的多因素田間試驗(yàn)，研究膜下滴灌下棉田土壤無(wú)機(jī)磷形態(tài)變化。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以期為新疆棉田土壤磷素活化和磷肥利用率提高提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年在新疆瑪納斯縣進(jìn)行，土壤類(lèi)型為灰漠土。年平均氣溫7.2 ℃，最熱月(7月)平均氣溫24.4 ℃，最冷月(1月)平均氣溫零下18.4 ℃(-18.4 ℃)，極端最高氣溫39.6 ℃，極端最低氣溫零下37.4 ℃(-37.4 ℃)。供試土壤的基本性狀為：有機(jī)質(zhì)12.5 g/kg、速效鉀675.7 mg/kg、速效磷9.2 mg/kg、堿解氮11.9 mg/kg、pH為8.35。

試驗(yàn)選用新陸早57號(hào)(XLZ57)、新陸早50號(hào)(XLZ50)和新陸早13號(hào)(XLZ13)3個(gè)棉花品種，設(shè)不同供磷強(qiáng)度0 kg/hm2(P0)、75 kg/hm2(低量施磷，P75)、150 kg/hm2(適量施磷，P150)、400 kg/hm2(過(guò)量施磷，P400)共4個(gè)水平，每水平3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共36個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積為45 m2。棉花種植模式將采用一膜四行種植模式(圖1)，行距20、50、20 cm，一膜鋪設(shè)一條滴灌帶，每小區(qū)24行棉花。膜寬1.4 m，膜間寬0.5 m，株距10 cm，種植密度22.2萬(wàn)株/hm2。灌水量為4000 m3/hm2。

圖1 棉花種植模式Fig.1 Cotton plantation mode

水肥管理及農(nóng)藝措施與新疆普遍采用的生產(chǎn)管理模式保持一致。從定苗后約20 d開(kāi)始，滴灌分10次進(jìn)行。肥料管理方案如下：P2O5(4個(gè)處理分別為0、75、150、400 kg/hm2)、K2O(150 kg/hm2)全部做基肥，在播種時(shí)一次性施入。氮肥20 %作為基肥在播前施入土壤，隨水追施280 kg/hm2(總量350 kg/ hm2)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

施肥前采集原始土壤帶回實(shí)驗(yàn)室分析基礎(chǔ)狀況，其后分別于棉花的苗期、花鈴期、依據(jù)0～5、5～10、10～20、20～40 cm土層進(jìn)行土壤樣品的采集(每小區(qū)取3～5個(gè)點(diǎn))，晾干，磨細(xì)，過(guò)篩，分析土壤不同形態(tài)無(wú)機(jī)磷含量，土壤無(wú)機(jī)磷分析方法采用蔣柏藩和顧益初(1989)[18]方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷對(duì)棉田土壤Ca2-P含量變化的影響

由圖2可知，施磷提高了苗期土壤中Ca2-P含量，隨著施磷量的升高，各土層的Ca2-P含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。各土層土壤Ca2-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P150的各土層Ca2-P含量最高，比P0增加了42.9 % ～ 256.2 %。各土層Ca2-P含量在不同基因型棉花之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P150時(shí)，XLZ57的Ca2-P含量為XLZ50和XLZ13的1.10～1.15和1.20～1.62倍。各土層Ca2-P含量存在極顯著的磷水平×基因型交互作用。

柱上不同小寫(xiě)字母表示不同磷水平間差異達(dá)到5 %顯著水平。G：基因型；P：磷水平。*表示P<0.05；**表示P<0.01。XLZ57：新陸早57號(hào)；XLZ50：新陸早50號(hào)；XLZ13：新陸早13號(hào)；供磷對(duì)照P0：0 kg/hm2；低量施磷P75：75 kg/hm2；適量施磷P150：150 kg/hm2；過(guò)量施磷P400：400 kg/hm2。下同圖2 苗期施磷水平對(duì)不同基因型棉田土壤Ca2-P的影響Fig.2 Effects of supply levels on soil Ca2-P of different genotype cotton field at seedling stage

圖3 花鈴期施磷水平對(duì)不同基因型棉田土壤Ca2-P的影響Fig.3 Effects of supply levels on soil Ca2-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

由圖3可知，隨著施磷量的增加，花鈴期各土層的Ca2-P含量仍呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。各土層土壤Ca2-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P150的各土層Ca2-P含量最高，比P0增加了42.7 %～219.6 %。0～5 和20～40 cm土層Ca2-P含量在不同基因型棉花之間存在顯著差異(P<0.05)，施磷量為P150時(shí)，XLZ57的Ca2-P含量為XLZ50和XLZ13的1.03～1.47和1.09～1.36倍。除10～20 cm土層外，其他各土層Ca2-P含量存在極顯著的磷水平×基因型交互作用。

2.2 施磷對(duì)棉田土壤Ca8-P含量變化的影響

由圖4可知，隨著施磷量的增加，苗期各土層的Ca8-P含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。各土層土壤Ca8-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P<0.01)，除XLZ50的0 ～ 5 cm土層外，施磷量為P150的各土層Ca8-P含量最高，比P0增加了33.4 % ～183.9 %。各土層 Ca8-P含量在不同基因型棉花之間存在極顯著差異(P<0.01)，除5～10 cm土層外，施磷量為P150時(shí)，XLZ57的Ca8-P含量為XLZ50和XLZ13的1.18～1.79和1.05～1.17倍。各土層Ca8-P含量存在極顯著的磷水平×基因型交互作用。

由圖5可知，隨著施磷量的增加，花鈴期各土層的Ca8-P含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，基本上所有施肥處理的Ca8-P含量均高于不施肥處理。各土層土壤Ca8-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P150的各土層Ca8-P含量最高，比P0增加了10.5 %～105.2 %。各土層Ca8-P含量在不同基因型棉花之間存在極顯著差異(P<0.01)，除10～20 cm外，施磷量為P3(150 kg/hm2)時(shí)，XLZ50的Ca8-P含量為XLZ57和XLZ13的1.04～1.10和1.05～1.54倍。除0～5 cm土層外，其他各土層土壤Ca8-P存在極顯著的磷水平×基因型交互作用。

2.3 施磷對(duì)棉田土壤Al-P含量變化的影響

由圖6可知，隨著施磷量的增加，苗期各土層的Al-P含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。各土層土壤Al-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P75的各土層Al-P含量最高，比P0增加了29.1 %～140.6 %，P75和P150水平Al-P含量沒(méi)有明顯差距。各土層Al-P含量在不同基因型棉花之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P75時(shí)，XLZ57的Al-P含量為XLZ50和XLZ13的1.03～1.63和1.27～2.07倍。0～5 和5～10 cm土層Al-P含量存在顯著或極顯著的磷水平×基因型交互作用。

圖4 苗期施磷水平對(duì)不同基因型棉田土壤Ca8-P的影響Fig.4 Effects of supply levels on soil Ca8-P of different genotype cotton field at seedling stage

圖5 花鈴期施磷水平對(duì)不同基因型棉田土壤Ca8-P的影響Fig.5 Effects of supply levels on soil Ca8-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

圖6 苗期施磷水平對(duì)不同基因型棉田土壤Al-P的影響Fig.6 Effects of supply levels on soil Al-P of different genotype cotton field at seedling stage

圖7 花鈴期施磷水平對(duì)不同基因型棉田土壤Al-P的影響Fig.7 Effects of supply levels on soil Al-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

由圖7可知，隨著施磷量的增加，花鈴期各土層的Al-P含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。各土層土壤Al-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P75的各土層Al-P含量最高，比P0增加了1.8 %～74.9 %。各土層Al-P含量在不同基因型棉花之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P75時(shí)，XLZ57的Al-P含量為XLZ50和XLZ13的1.01～2.48和1.24～1.69倍。0～5 和10～20 cm土層Al-P含量存在顯著或極顯著的磷水平×基因型交互作用。

2.4 施磷對(duì)棉田土壤Fe-P含量變化的影響

由圖8可知，苗期各土層的土壤Fe-P含量隨施磷量的增加而增加。各土層Fe-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P400的各土層Fe-P含量最高，比P0增加了60.2 %～254.2 %。各土層Fe-P含量在不同基因型棉花之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P400時(shí)，XLZ50的Fe-P含量為XLZ57和XLZ13的1.28～1.53和1.06～1.65倍。0～5、5～10 cm土層Fe-P含量存在極顯著的磷水平×基因型交互作用(P<0.01)。

由圖9可知，花鈴期各土層的土壤Fe-P含量也隨施磷量的增加而增加。各土層Fe-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P400 的各土層Fe-P含量最高，比P0增加了77.4 %～326.3 %。20～40 cm土層Fe-P含量在不同基因型棉花之間存在顯著差異(P<0.05)，其他各土層Fe-P含量在不同基因型棉花之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P400時(shí)，XLZ57的Fe-P含量為XLZ50和XLZ13的1.03～1.50和1.07～1.27倍。20～40 cm土層Fe-P含量存在顯著的磷水平×基因型交互作用(P<0.05)，其他各土層Fe-P含量存在極顯著的磷水平×基因型交互作用(P<0.01)。

圖8 苗期施磷水平對(duì)不同基因型棉田土壤Fe-P的影響Fig.8 Effects of supply levels on soil Fe-P of different genotype cotton field at seedling stage

圖9 花鈴期施磷水平對(duì)不同基因型棉田土壤Fe-P的影響Fig.9 Effects of supply levels on soil Fe-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

2.5 施磷對(duì)棉田土壤Ca10-P含量變化的影響

由圖10可知，苗期各土層的土壤Ca10-P含量隨施磷量的增加而先下降后又升高。各土層Ca10-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P400的各土層Ca10-P含量最高，比P0增加了4.4 %～128.6 %。各土層Ca10-P含量在不同基因型棉花之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P400時(shí)，XLZ50的Ca10-P含量為XLZ57和XLZ13的1.81～2.74和1.12～2.29倍。各土層Ca10-P含量存在極顯著的磷水平×基因型交互作用(P<0.01)。

由圖11可知，花鈴期各土層的土壤Ca10-P含量也隨施磷量的增加而先下降后又升高。各土層Ca10-P含量在不同磷水平之間存在極顯著差異(P< 0.01)，施磷量為P400的各土層Ca10-P含量最高，比P0增加了8.5 % ～ 150.3 %。各土層Ca10-P含量在不同基因型棉花之間存在極顯著差異(P<0.01)，施磷量為P400時(shí)，XLZ50的Ca10-P含量為XLZ57和XLZ13的1.04～1.33和1.13～1.36倍。各土層Ca10-P含量存在極顯著的磷水平×基因型交互作用(P<0.01)。

圖11 花鈴期施磷水平對(duì)不同基因型棉田土壤Ca10-P的影響Fig.11 Effects of supply levels on soil Ca10-P of different genotype cotton field at blooming-bolling stage

3 討 論

磷在土壤中的移動(dòng)性弱，易固定，基本沒(méi)有揮發(fā)和淋溶的損失，有效性低，所以土壤中磷的盈虧主要由磷肥的施用和植物的消耗所決定。土壤中的磷素形態(tài)決定磷素有效性[19]，而土壤中不同形態(tài)的無(wú)機(jī)磷對(duì)植物的有效性也有所不同。石灰性土壤上的研究表明其 Ca10-P、Ca2-P 的濃度分別為最高和最低[20]。我國(guó)北方石灰性土壤中無(wú)機(jī)磷以Ca-P為主，平均占土壤無(wú)機(jī)磷的80 %以上，其次是Fe-P、Al-P；在Ca-P中以Ca10-P為主，其次是Ca8-P、Ca2-P[21]。本研究表明，無(wú)論施磷與否，各無(wú)機(jī)磷組分按含量高低的排序?yàn)镃a10-P>Ca8-P>Fe-P、Al-P>Ca2-P，這與上述結(jié)論表現(xiàn)一致。

本研究結(jié)果表明，施磷量對(duì)無(wú)機(jī)磷含量具有顯著影響，磷肥的施用可以在棉花苗期和花鈴期間提高土壤中的無(wú)機(jī)磷含量。這與前人[22-23]的研究結(jié)果表現(xiàn)一致。李彥等[24]研究發(fā)現(xiàn)Ca2-P、Ca8-P含量及所占比例隨著施磷量的增加先升高后下降，Al-P含量及所占比例隨施磷量的升高而下降，而Fe-P含量及所占比例是隨著施磷量的增加而升高，Ca10-P的含量及比例則隨著施磷量的升高先下降后增加。柴立濤等[25]研究表明，施用磷肥可以在水稻整個(gè)生育期間提高鹽堿土水田土壤中的有效磷源及潛在磷源的含量，包括Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P等不同形態(tài)的無(wú)機(jī)磷，而較低的磷肥施用量對(duì)Ca10-P積累無(wú)明顯作用。本研究結(jié)果表明，Ca2-P 和Ca8-P的含量隨著施磷量的增加呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，在 P150水平達(dá)到最大值，所有施肥處理的無(wú)機(jī)磷含量都高于不施肥處理，說(shuō)明磷肥的施用可以提高土壤Ca2-P、Ca8-P養(yǎng)分的含量；Al-P含量隨著施磷量的增加呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，在P75水平達(dá)到最大值，但P75、P150、P400處理之間差異上不顯著，說(shuō)明磷肥施用增加的磷多是被植物吸收利用或轉(zhuǎn)化成其他形態(tài)的磷，對(duì)Al-P含量的提高作用有限；Fe-P的含量隨著施磷量的增加而增加，在P400水平達(dá)到最大值，P400處理顯著高于其他處理，說(shuō)明較高磷肥施用量有利于土壤中Fe-P含量的積累； Ca10-P含量隨施磷量的增加而先下降后又升高，在P400水平達(dá)到最大值，說(shuō)明較低的磷肥施用量對(duì)Ca10-P含量積累無(wú)明顯作用，而較高的施磷量有利于Ca10-P的積累。這與李彥等[24]和柴立濤等[25]的研究結(jié)果基本表現(xiàn)一致。

由于施磷量或所選指標(biāo)不同以及生育時(shí)期選擇不一致，關(guān)于不同磷效率作物對(duì)土壤中不同組分無(wú)機(jī)磷特征的差異的結(jié)果各異。張錫洲等[26]對(duì)不同磷效率小麥對(duì)磷的吸收及根際土壤磷組分特征差異研究表明，磷高效品種活化、吸收土壤中的Al-P和Ca-P的能力強(qiáng)于磷低效品種，土壤有效磷濃度較低時(shí)，其具備較強(qiáng)的磷的吸收和利用能力。低磷脅迫下，磷高效甘藍(lán)型油菜、小麥根際土Al-P和Ca-P含量均低于低效基因型，高效基因型活化、吸收土壤中Al-P和Ca-P的能力較強(qiáng)[26-27]。本研究結(jié)果表明，在棉花的苗期和花鈴期，P150水平下，Ca2-P、Ca8-P含量為XLZ57、XLZ50>XLZ13；P75水平下，Al-P含量為XLZ57>XLZ50>XLZ13；P400水平下，F(xiàn)e-P和Ca10-P含量為XLZ50、XLZ57>XLZ13和XLZ50>XLZ57>XLZ13。由此可說(shuō)明XLZ50和XLZ57基因型棉花有利于土壤中各無(wú)機(jī)磷組分的積累。

4 結(jié) 論

不同施磷水平對(duì)無(wú)機(jī)磷組分的含量具有顯著影響，除Ca10-P外，施用磷肥均可增加各無(wú)機(jī)磷組分的含量，其中150 kg P2O5/hm2處理下棉田苗期和花鈴期各土層Ca2-P最高。近年來(lái)，我國(guó)多數(shù)學(xué)者通過(guò)通徑分析和相關(guān)性分析來(lái)研究無(wú)機(jī)磷有效性，認(rèn)為Ca2-P是最有效的磷源，其與速效磷的相關(guān)性高于其他無(wú)機(jī)磷[4,28]；Ca8-P、Al-P、Fe-P是土壤中的潛在磷源，也是相當(dāng)有效的磷源[29-31]；而Ca10-P短時(shí)期不易被作物吸收[4]。不同基因型棉花也對(duì)土壤無(wú)機(jī)磷的積累均有不同程度的而影響，尤其是XLZ57基因型棉花苗期和花鈴期各土層Ca2-P在施磷75～150 kg P2O5/hm2處理下顯著高于XLZ50和XLZ13。因此，合理施用磷肥(150 kg P2O5/hm2)和合理種植棉花品種(XLZ57)可提高土壤中的有效磷源，從而提高磷肥利用效率。