不同施肥管理下水旱輪作水稻土磷含量的演變

吳春艷，劉曉霞，陳 義，李 艷，唐 旭，陸若輝，*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，浙江 杭州 310020)

磷是作物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一[1-2]，它既是植株體內(nèi)許多重要有機(jī)化合物的組成部分，同時又以多種形式參與植株體內(nèi)各種代謝過程，對提高作物產(chǎn)量十分重要。植物所利用的磷素，主要來源于土壤[3]，而多數(shù)農(nóng)田中，土壤的自然供磷能力常常不能滿足植物生長發(fā)育及高產(chǎn)對磷的需求。土壤磷素水平對培肥地力、提高作物產(chǎn)量、維護(hù)生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要[4-6]，磷素缺乏會造成作物減產(chǎn)，但過量累積則會增加生態(tài)環(huán)境污染的風(fēng)險[7-9]。前人研究表明，長期施用磷肥可以提高土壤速效磷含量，增加土壤磷素累積量[10-11]。研究顯示，土壤有效磷的變化量與磷盈虧量呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系[12-13]。袁天佑等[6]認(rèn)為，土壤磷盈虧值與土壤有效磷含量及其增量直線相關(guān)，常規(guī)施肥下，每盈余100 kg·hm-2磷平均可使土壤有效磷提高約1.2 mg·kg-1；魯如坤等[14]在浙江、江西紅壤性水稻土和河南潮土上連續(xù)開展14 a的定位試驗(yàn)表明，土壤磷盈余16 kg·hm-2可使土壤有效磷增加1 mg·kg-1；Aulakh等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在砂壤中施入磷肥，磷每剩余100 kg·hm-2，土壤有效磷含量提高2 mg kg-1；Selles等[16]在小麥輪作制下發(fā)現(xiàn)，磷每盈余100 kg·hm-2，土壤有效磷提高0.15 kg·hm-2；由此可以推測，不同類型土壤有效磷對磷盈虧的響應(yīng)存在明顯差異。本研究以2005—2016年的浙江潴育水稻土肥料定位試驗(yàn)為依托，分析長期施肥下土壤磷素的表觀平衡、年際變化特征，以及土壤有效磷含量與磷素盈虧的關(guān)系，旨在為磷素資源的持續(xù)利用和稻田磷肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

長期水稻土肥料定位試驗(yàn)開始于1990年，本研究對其中2005—2016年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)地位于浙江省海寧市許村鎮(zhèn)楊渡村浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場內(nèi)。該試驗(yàn)場地處杭州灣錢塘江西北岸，地理坐標(biāo)為120°24′23″E、30°26′07″N，年均氣溫15～18 ℃，歷史記錄最高氣溫40.2 ℃，最低氣溫-7.9 ℃，年≥10 ℃積溫4 800～5 200 ℃，年降水量1 500～1 600 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 100 mm，年無霜期240～250 d，年日照時數(shù)1 900～2 000 h，年太陽輻射100～115 J·cm-2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)設(shè)8個處理：CK，不施肥；N，單施化學(xué)氮肥；NP，施用化學(xué)氮、磷肥；NK，施用化學(xué)氮、鉀肥；NPK，施用化學(xué)氮、磷、鉀肥；M，單獨(dú)施用有機(jī)肥(有機(jī)肥源為豬糞)；NPKM，配合施用化學(xué)氮、磷、鉀肥和有機(jī)肥(有機(jī)肥源為豬糞)；NPKM’，配合施用高量(化學(xué)氮、磷、鉀用量是NPK處理的1.3倍，有機(jī)肥用量同M處理)。

試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積300 m2，各小區(qū)之間用水泥埂隔開。以年施用純N 375 kg ·hm-2、m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1.0∶0.5∶0.5的比例為基準(zhǔn)，向N、NP、NK、NPK、MNPK等5個處理配置化學(xué)肥料投入，有機(jī)肥(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%)投入量統(tǒng)一為22.5 t·hm-2。2005—2011年采用大麥-水稻一年兩熟輪作制，水稻季和大麥季的化學(xué)肥料施用量分別占全年的68%和32%，有機(jī)肥一年兩季平均施用；2012秋季起更改為油菜-水稻一年兩熟輪作制，水稻季和油菜季的化學(xué)肥料施用量分別占全年的64%和36%，有機(jī)肥仍一年兩季平均施用。每季有機(jī)肥和磷鉀肥在作物播種前作基肥一次性施用，氮肥分3次施入，其中油菜季和大麥季的氮肥基追比為7.0∶1.5∶1.5，水稻季氮肥基追比為6∶4∶4。

各小區(qū)單獨(dú)測產(chǎn)。作物收獲前分區(qū)取樣，考種，測定經(jīng)濟(jì)性狀。水稻收獲后，于每年的11月按“之”字形采集0～20 cm土壤，每小區(qū)每層取7～10個點(diǎn)混合成一個樣，室內(nèi)風(fēng)干，磨細(xì)過篩，裝瓶保存?zhèn)溆谩?/p>

田間管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培措施進(jìn)行。大麥于每年11月中下旬播種，次年5月上中旬收獲，品種為浙88-18號、浙B8號和浙B10號；水稻于每年6月中旬直播，11月上中旬收獲，品種為秀水110號、明珠2號和浙粳22號；油菜于每年11月中下旬插秧，次年5月中下旬收獲，品種為浙油18、朱11201和浙油50。

1.3 試驗(yàn)土壤

供試土壤屬水稻土類，滲育型水稻土亞類，黃松田土種，母質(zhì)為湖海相過渡淺海沉積物，地形屬沖積海積平原。各處理耕層(0～20 cm)土壤的基本理化性狀詳見表1。

1.4 取樣及樣品分析

小區(qū)實(shí)收測產(chǎn)。籽粒樣品風(fēng)干、脫粒，65 ℃烘至恒重，然后稱量。分析測定方法見文獻(xiàn)[17-18]。土壤全磷用堿熔-鉬銻抗比色法，速效磷用Olsen法測定。植株樣品用H2SO4-H2O2消化，鉬銻抗比色法測定磷含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和做圖，采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

表1 各處理耕層土壤的基本理化性狀

Table 1 Initial physiochemical properties in topsoil of all treatments

處理TreatmentpH有機(jī)質(zhì)Organic matter/(g·kg-1)全氮Total N/(g·kg-1)全磷Total P/(g·kg-1)有效磷Available P(mg·kg-1)全鉀Total K/(g·kg-1)CK7.4519.41.310.9626.2220.8N7.3619.71.311.0638.4119.9NP7.3022.31.610.8729.9220.4NK7.2919.91.531.2237.1820.4NPK7.4520.61.320.9535.8220.3NPKM7.3025.21.931.3642.2819.8NPKM’7.3023.61.771.1836.8319.8M7.4919.41.481.0130.1819.9

土壤磷活化系數(shù)(phosphorus activation coefficient， PAC)按照文獻(xiàn)[19]中的方法進(jìn)行測算，當(dāng)季土壤表觀磷盈虧和土壤累積磷盈虧按照文獻(xiàn)[20-21]中的方法進(jìn)行測算。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤總磷及有效磷的變化趨勢

如圖1所示，由于作物吸收等原因，不施肥處理(CK)土壤全磷含量呈現(xiàn)緩慢波動下降趨勢，不施磷肥的N、NK處理的土壤全磷含量同樣呈下降趨勢，且下降幅度均高于CK。其原因主要是，N和NK處理的作物吸磷量高于CK。供應(yīng)磷素的各處理(NP、NPK、M、NPKM和NPKM’)，土壤全磷含量則隨時間推移均呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，與其他研究中磷肥施用可增加耕地土壤含磷量的結(jié)果一致[22-23]。

圖1 長期不同施肥管理下土壤總磷變化趨勢Fig.1 Long term trend of soil total P under different fertilization modes

農(nóng)田土壤的有效磷含量可在一定程度上反映農(nóng)田土壤磷素流失潛能。不同施肥管理下，土壤有效磷含量的長期變化趨勢與土壤全磷一致(圖2)：不施磷肥的處理下由于作物籽粒和秸稈攜出大量磷素，導(dǎo)致土壤中的有效磷含量呈現(xiàn)下降趨勢，其中，N、NK處理的土壤有效磷含量下降趨勢均大于CK；供應(yīng)磷素的各處理，土壤有效磷含量均呈上升趨勢，其中以NPKM’和NPKM處理的上升幅度最大，年均有機(jī)磷含量增幅超過3.0 mg·kg-1。施用有機(jī)肥的處理，土壤有效磷含量上升較快，其原因是：一方面有機(jī)肥自身亦含有一定量的有機(jī)磷，增加了磷的投入；另一方面，有機(jī)肥的施用增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，從而活化了土壤吸附的磷，使其轉(zhuǎn)為有效態(tài)磷釋放到土壤中[24]。

PAC可以表征土壤磷的有效性，其值越大，則土壤磷的有效性越高[25]。如圖3所示，長期施肥下，CK處理的土壤PAC呈逐年下降趨勢，但至試驗(yàn)期末，其PAC值仍大于2。有研究表明，當(dāng)PAC<2%時，土壤全磷轉(zhuǎn)化率較低，速效磷容量和供給強(qiáng)度弱[25-26]。這也就是說，雖然試驗(yàn)期內(nèi)CK處理的PAC呈下降趨勢，但試驗(yàn)期內(nèi)土壤中的全磷轉(zhuǎn)化率仍保持在較高水平，土壤暫不缺磷。N和NK處理的土壤PAC下降趨勢均高于CK，說明這2個處理的磷素耗損嚴(yán)重。供應(yīng)磷素的各處理土壤PAC均隨時間推進(jìn)呈上升趨勢，且年均PAC超過3.5%。有機(jī)肥的添加能有效增加土壤PAC，M、MNPK、MNPK’處理試驗(yàn)期末的土壤PAC較試驗(yàn)初期增加了20%以上；施用化肥的各處理土壤PAC雖然也有所增加，但增幅均未超過15%，說明有機(jī)肥添加能有效地改善土壤性狀，增加土壤磷供給強(qiáng)度。

圖2 長期不同施肥管理下土壤有效磷變化趨勢Fig.2 Long term trend of soil Olsen-P under different fertilization modes

2.2 土壤磷素盈虧的變化趨勢

如圖4所示，因?yàn)镃K、N、NK處理作物吸收的磷素主要來源于土壤本身，所以土壤磷一直處于虧缺狀態(tài)，其中以NK處理的土壤磷年均虧缺量最多(67.6 kg·hm-2)、N處理其次，年均虧缺量63.6 kg·hm-2，CK處理的土壤磷素年均虧缺量為43.2 kg·hm-2。供應(yīng)磷素的各處理土壤磷素表現(xiàn)為盈余，其中以施用有機(jī)肥的各處理土壤磷素盈余最明顯，M、NPKM和NPKM’處理的土壤磷素年均盈余分別達(dá)到95.4、137.4、160.7 kg·hm-2。此外，從圖4還可以看出，土壤磷素盈虧在2012年有一個較大的波折：NP和NPK處理的土壤磷素出現(xiàn)虧缺，年均磷虧缺分別為30.1、47.3 kg·hm-2；施用有機(jī)肥的各處理土壤磷素雖然一直呈盈余狀態(tài)，但自2012年起年均盈余量亦明顯降低。分析其原因，主要是該年種植制度由水稻-大麥輪作改為水稻-油菜輪作，油菜的需磷量遠(yuǎn)高于大麥[27-28]，導(dǎo)致當(dāng)年土壤磷素盈余明顯降低。2016年，油菜受倒春寒凍害影響，產(chǎn)量降低，使得該年各處理的土壤磷素盈余有所抬升。

圖3 長期不同施肥管理下土壤PAC變化趨勢Fig.3 Long term trend of soil PAC under different fertilization modes

當(dāng)施用的磷量超過作物吸磷量時，剩余的磷將留在土壤中，引起土壤中Olsen-P含量的升高。由圖5可知，CK、N、NK處理的土壤磷累積一直處于虧缺狀態(tài)，且隨著時間推移，其虧缺量增加。2005—2011年，NP、NPK處理的土壤磷累積一直處于盈余狀態(tài)，但自2012年起，隨著種植品種的更改，土壤磷累積由盈余狀態(tài)向虧缺狀態(tài)轉(zhuǎn)化，至2016年，土壤累積磷素輸出與輸入大抵持平。M、NPKM和NPKM’處理的土壤磷累積在試驗(yàn)期間一直處于盈余狀態(tài)，其中以NPKM和NPKM’處理的土壤磷累積盈余最明顯。

2.3 土壤Olsen-P對土壤累積磷素盈虧的響應(yīng)

如圖6所示，CK、N、NK處理的土壤Olsen-P含量與土壤累積磷素盈虧的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。經(jīng)測算，CK、N和NK處理的土壤每累積虧缺磷100 kg·hm-2，Olsen-P含量分別下降1.50、2.76、2.31 mg·kg-1。NP和NPK處理的土壤Olsen-P含量與土壤累積磷素盈余無顯著相關(guān)性。M、NPKM、NPKM’處理的土壤Olsen-P含量與土壤累積磷素盈虧的相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)。經(jīng)測算，M、NPKM、NPKM’處理的土壤每累積磷100 kg·hm-2，土壤Olsen-P含量分別上升2.05、0.85、2.42 mg·kg-1。

分析試驗(yàn)期間(2005—2016年)所有處理的土壤Olsen-含量與土壤累積磷素盈虧的關(guān)系，從圖7可以看出，二者呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系，土壤每盈余磷100 kg·hm-2，土壤Olsen-P含量上升1.75 mg·kg-1。

圖4 長期不同施肥管理下土壤磷素盈虧變化趨勢Fig.4 Long term trend of soil P balance under different fertilization modes

圖5 長期不同施肥管理下土壤累積磷素盈虧變化趨勢Fig.5 Long term trend of soil accumulated P balance under different fertilization modes

2.4 磷投入與土壤磷素盈虧的關(guān)系

有研究表明，當(dāng)磷素投入量與消耗量達(dá)到平衡時，就能保證土壤有效磷含量處于一個相對穩(wěn)定的水平，且能滿足作物正常生長需求[29]。從圖8可見，大麥季、油菜季和單季稻季的土壤Olsen-P年均累積量均隨磷投入量的增加而增加，且各作物當(dāng)季磷投入量與土壤Olsen-P年均累積量呈線性相關(guān)。大麥季時，維持土壤Olsen-P平衡所需的磷(P2O5)投入量為13.5 kg·hm-2；單季稻時，維持磷平衡所需的磷(P2O5)投入量為42.4 kg·hm-2；油菜季時，維持磷平衡所需的磷(P2O5)投入量為31.6 kg·hm-2。

3 討論

本研究表明，不施肥處理(CK)的土壤全磷及有效磷含量均隨時間推進(jìn)而呈下降趨勢，說明在長期不施肥的條件下，作物從土壤中帶走的磷素遠(yuǎn)多于通過種苗、灌溉、干濕沉降及作物根茬殘留物等途徑對磷素進(jìn)行的補(bǔ)充，土壤磷表現(xiàn)出虧缺狀態(tài)。施用含磷化肥或有機(jī)肥均可有效地提高土壤磷含量，促進(jìn)土壤磷素累積。在試驗(yàn)條件下，大麥季時，維持土壤磷平衡所需的磷(P2O5，下同)投入量為13.5 kg·hm-2；單季稻時，維持磷平衡所需的磷投入量為42.4 kg·hm-2；油菜季時，維持磷平衡所需的磷投入量為31.6 kg·hm-2。

圖6 不同處理下土壤Olsen-P含量對土壤累積磷盈虧的響應(yīng)Fig.6 Correlation between the accumulated P balance and soil Olsen-P under different fertilization modes

圖7 土壤Olsen-P含量對土壤累積磷盈虧的響應(yīng)Fig.7 Correlation between the accumulated P balance and soil Olsen-P

圖8 長期不同施肥管理下磷投入與土壤Olsen-P年均累積量的關(guān)系Fig.8 Correlation between P input and soil annual Olsen-P accumulation under long term different fertilization modes

由于試驗(yàn)前期各試驗(yàn)區(qū)土壤有效磷含量普遍偏高(>20 mg·kg-1)，所以在試驗(yàn)期間，包括CK在內(nèi)的各處理土壤有效磷含量在前期均可滿足作物正常生長需要，均未出現(xiàn)明顯的缺磷現(xiàn)象。2012年，本試驗(yàn)的種植制度改為水稻-油菜輪作，由于油菜對磷的需求量遠(yuǎn)高于大麥，導(dǎo)致土壤磷虧缺明顯，對作物產(chǎn)量影響較大。

土壤磷庫的變化是一個緩慢的過程，施用磷肥是提高作物產(chǎn)量的有效措施。每種作物或種植模式對磷的需求量均有臨界值，當(dāng)土壤磷素超過一定量時，會造成土壤磷素的過量積累，既浪費(fèi)磷素資源，又增加生態(tài)環(huán)境污染的風(fēng)險[30-31]。因此，應(yīng)科學(xué)調(diào)控磷肥投入，以充分滿足作物生長需求，同時又不致造成土壤有效磷的過量累積，降低土壤磷素的環(huán)境風(fēng)險[32]。