長期施肥對山東潮土磷盈虧及農(nóng)學(xué)閾值的影響

孫翠平，張英鵬，羅加法，仲子文，孫 明，李 彥，劉兆輝,5，井永蘋，薄錄吉

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟南 250100；2.農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，山東 濟南 250100；3.農(nóng)業(yè)部廢棄物基質(zhì)化利用重點實驗室，山東 濟南 250100；4.山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點實驗室，山東 濟南 250100；5.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 濟南 250100；6.新西蘭農(nóng)業(yè)科學(xué)院 魯亞庫拉研究中心，漢密爾頓 3240)

磷是作物生長發(fā)育所需的三大營養(yǎng)元素之一，其土壤有效磷可以直接被農(nóng)作物吸收利用，對作物生長及產(chǎn)量具有重要影響；而土壤有效磷的變化與土壤磷盈虧具有密切關(guān)系[1-3]。因此，土壤有效磷含量的變化以及磷平衡一直受到研究者的關(guān)注[4]。試驗證明，通過合理施肥可增加土壤磷素肥力，從而增加土壤有效磷含量，提高作物產(chǎn)量；但作物產(chǎn)量和土壤有效磷之間不呈完全的線性關(guān)系，兩者之間存在一個臨界值(磷農(nóng)學(xué)閾值)，而且超過農(nóng)學(xué)閾值一定限度時，還會造成磷環(huán)境污染[5]。磷農(nóng)學(xué)閾值是不同土壤類型、不同作物磷肥用量和最佳經(jīng)濟產(chǎn)量的重要指導(dǎo)依據(jù)。因此，研究施肥與磷素盈虧及與土壤有效磷的關(guān)系，明確不同作物有效磷農(nóng)學(xué)閾值的大小，對保障糧食安全和農(nóng)田生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

展曉瑩等[6]通過分析21個監(jiān)測點(包括5種土壤類型)單位磷平衡的有效磷變化量(有效磷效率)發(fā)現(xiàn)，其中81%的土壤監(jiān)測點有效磷與磷素盈虧之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。還有研究表明，土壤有效磷對磷素盈虧的響應(yīng)特征受土壤類型、施肥模式、肥料種類、施肥量及輪作模式等多種因素的影響[7-9]。有研究者在哈爾濱黑土中通過不同施肥模式研究得出土壤每虧缺和盈余100 kg/hm2時Olsen-P分別下降1.36～3.35 mg/kg和上升4.80～16.04 mg/kg，且認為此變化范圍與土壤較低的pH值有很大的關(guān)系[10]。楊軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)，PK、NP、NPK處理中土壤每盈余100 kg/hm2磷土壤有效磷分別增加3.59，1.19，1.75 mg/kg。Singh等[12]在不同初始土壤有效磷含量下施用相同磷量發(fā)現(xiàn)，隨著種植年限的增加有效磷的變化趨勢明顯不同；可見，有效磷對磷盈虧的響應(yīng)關(guān)系還與有效磷本底值有關(guān)。土壤磷素盈余會增加土壤有效磷含量，進而提高作物產(chǎn)量，但當(dāng)土壤有效磷含量達到農(nóng)學(xué)閾值時，作物產(chǎn)量不再提高，過多磷素的添加反而會造成環(huán)境的污染[13]。不同模式、不同作物和不同模擬方法下的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值有顯著的差異。沈浦[14]通過研究表明，單季旱作、雙季旱作和水旱輪作模式下，小麥和玉米土壤有效磷的農(nóng)學(xué)閾值分別位于7.5～23.5，5.7～15.2 mg/kg。還有研究者利用線性、線性+平臺和米切爾西方程模擬農(nóng)學(xué)閾值，其中米切爾西方程模擬得到的小麥和玉米農(nóng)學(xué)閾值最大，分別為16.6，15.9 mg/kg[15]，農(nóng)學(xué)閾值大小還與使用模擬方程有關(guān)。

潮土在山東省總面積達466.58 萬hm2，占全省土壤面積的38.53%，是山東省最大的土壤種類；耕地面積也居全省耕地面積之首，達48.12%，主要集中分布在魯西北黃河沖積平原地區(qū)[16]。而潮土磷素具有全磷含量較高、有效磷含量較低的特點[8]，需要通過合理施肥達到培肥地力、提高作物產(chǎn)量的目的。因此，在山東潮土區(qū)不同施肥模式下研究長期定位試驗對磷素盈虧、有效磷對磷盈虧響應(yīng)及土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值大小的影響具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

長期施肥定位試驗在山東省濟南市山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗農(nóng)場院內(nèi)(北緯36°40′；東經(jīng)117°00′)，海拔為27.5 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫度為12～14 ℃，年降水量580～700 mm，年日照時數(shù)1 870.9 h，全年無霜期216.4 d左右。供試土壤為成土母質(zhì)近代河流沉積物，土壤中的黏土礦物主要以水云母、綠泥石成分為主。該定位試驗于1982年小麥季開始，試驗開始時耕層土壤(0～20 cm)基本性質(zhì)為有機質(zhì)5.71 g/kg，全氮0.47 g/kg，全磷1.28 g/kg，堿解氮15.19 mg/kg，速效磷5.90 mg/kg，速效鉀75.3 mg/kg，pH 值8.20。

1.2 試驗設(shè)計

采用小麥-玉米一年兩熟輪作制，試驗設(shè)單施化肥和有機無機肥配施兩大主處理，其中有機無機肥配施處理的無機肥施用量與單施化肥處理相同；單施化肥副處理包括：不施肥(CK)、氮(N)、氮磷(NP)、氮鉀(NK)、磷鉀(PK)、氮磷鉀(NPK)、減量氮磷鉀(N15PK)、增量氮磷鉀(N25PK)，有機無機配施副處理包括：有機肥(CK+M)、氮和有機肥(N+M)、氮磷和有機肥(NP+M)、氮鉀和有機肥(NK+M)、磷鉀和有機肥(PK+M)、氮磷鉀和有機肥(NPK+M)、減量氮磷鉀和有機肥(N15PK+M)、增量氮磷鉀和有機肥(N25PK+M)；每個小區(qū)1 m2，處理重復(fù)3次，試驗采取隨機區(qū)組設(shè)計。供試小麥、玉米品種及各處理肥料用量同參考文獻[17]，合每年化肥帶入磷量為131.0 kg/hm2，有機肥帶入磷量為33.5 kg/hm2。

1.3 土壤采集與分析

土壤樣品分析及測定方法見參考文獻[17-18]。由于管理措施不變，且鑒于微區(qū)試驗可持續(xù)性和土壤養(yǎng)分變化不顯著性，1982-1990年間隔1 a、1991-2010年間隔2～3 a、2011-至今間隔5 a左右采集1次土樣。

1.4 計算與統(tǒng)計方法

當(dāng)季土壤表觀磷盈虧=每年施入土壤磷素總量-每年作物(籽粒+秸稈)吸磷量 ①

土壤累積磷盈虧=∑[當(dāng)季土壤表觀磷盈虧] ②

農(nóng)學(xué)閾值的計算方法[19]：Yr=Yi/Ym×100 ③，式中：Yr(%)為籽粒的相對產(chǎn)量；Yi為每年各處理的籽粒產(chǎn)量；Ym為每年各處理的最大籽粒產(chǎn)量。

作物相對產(chǎn)量對土壤有效磷的響應(yīng)關(guān)系通過Mitscherlich方程模擬，公式如下：Y=A×(1-e-bx) ④，其中，Y是預(yù)測的相對產(chǎn)量；A是最大的相對產(chǎn)量；b是產(chǎn)量對土壤有效磷的響應(yīng)系數(shù)；由方程模擬出的相對產(chǎn)量為最大值的90%時，土壤有效磷含量為農(nóng)學(xué)閾值。

公式①～②單位均為kg/hm2，利用Origin 8.6進行統(tǒng)計分析并作圖，差異顯著性檢驗采用單因素Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥下土壤磷素盈虧

2.1.1 土壤當(dāng)季表觀磷素盈虧 不同施肥模式下33 a當(dāng)季土壤表觀磷盈虧如圖1(單施化肥A，有機無機肥配施B，下同)。隨年限的增加，當(dāng)季土壤表觀磷盈虧總體呈現(xiàn)略微下降的趨勢。單施化肥處理中，不施磷肥的3個處理(CK、N、NK)當(dāng)季土壤表觀磷盈虧一直呈現(xiàn)虧缺狀態(tài)，虧缺量為23.27～29.20 kg/hm2，顯著低于其他處理；由于N和NK處理作物品質(zhì)和產(chǎn)量原因帶走的磷多于CK處理，表現(xiàn)出更大磷虧缺。而施磷肥的5個處理(NP、PK、NPK、N15PK、N25PK)當(dāng)季土壤表觀磷呈現(xiàn)盈余狀態(tài)，平均位于68.34～85.99 kg/hm2，且以PK處理磷盈余最大，多數(shù)年限顯著高于氮磷鉀施肥。有機無機肥配施處理中，CK+M、N+M和NK+M處理當(dāng)季土壤表觀磷仍然處于虧缺狀態(tài)，虧缺量為12.10～22.27 kg/hm2，顯著低于其他處理，說明作物帶走的磷量大于有機肥帶入的磷量。NP+M、PK+M、NPK+M、N15PK+M和N25PK+M處理中，當(dāng)季土壤表觀磷處于盈余狀態(tài)，盈余量位于88.84～107.64 kg/hm2；其中，以PK+M和NP+M處理最高。

圖中不同字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同。Different lowercase letters in the figure indicate significant differences among different treatments (P<0.05).The same as Fig.2.

2.1.2 土壤累積磷素盈虧 不同施肥模式下33 a土壤累積磷盈虧如圖2。對于單施化肥處理，不施磷肥3個處理(CK、N、NK)土壤累積磷一直處于虧損狀態(tài)，3個處理間無顯著性差異，而盈虧量顯著低于其他5個處理，且隨種植時間延長虧缺量累積增大。施用磷肥的5個處理(NP、PK、NPK、N15PK和N25PK)土壤累積磷一直處于盈余狀態(tài)，且盈余量隨種植年限的增加而增加，其中以PK處理最高，種植10 a后盈余量顯著高于其他處理；2015年5個處理土壤累積磷盈余值分別為2 567.25，2 837.63，2 255.20，2 399.51，2 378.98 kg/hm2，平均每年盈余77.80，86.00，68.34，72.71，72.10 kg/hm2。有機無機肥配施處理中，由于有機肥的施入，CK+M、N+M和NK+M處理土壤累積磷虧損值較單施化肥處理?。黄渲蠧K+M處理土壤磷虧損量最少，種植25 a后虧缺量顯著低于N+M和NK+M處理。其余5個處理累積磷盈余量更大，其中以NP+M和PK+M處理盈余量最大，種植20 a后顯著高于其他3個處理；2015年5個處理(NP+M、PK+M、NPK+M、N15PK+M和N25PK+M)土壤累積磷盈值分別為3 513.98，3 552.18，3 125.41，2 931.57，3 087.31 kg/hm2。由圖2還可得出，施氮量的大小對土壤磷平衡值的影響不大。

圖2 不同施肥處理土壤累積磷盈虧Fig.2 Accumulated P balance of different fertilization treatments

2.2 長期施肥下土壤有效磷變化對土壤磷素盈虧的響應(yīng)

在兩大主處理下，對潮土土壤有效磷變量與土壤累積磷盈虧量進行相關(guān)分析，如圖3所示，土壤有效磷增量和土壤磷素盈虧量之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。對單施化肥和有機無機肥配施處理，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P含量分別上升0.76，1.46 mg/kg，可見有機無機肥配施單位土壤盈余磷更能增加土壤有效磷含量。

**.相關(guān)關(guān)系達到0.01水平。圖4同。**. Significant correlation at P<0.01. The same as Fig.4

2.3 土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值研究

米切里西方程在確定土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值的研究方法中應(yīng)用較為廣泛，針對山東潮土不同施肥模式下有效磷含量與作物產(chǎn)量的長期定位試驗數(shù)據(jù)，利用Mitscherlich方程模擬作物相對產(chǎn)量與土壤有效磷二者的關(guān)系。結(jié)果為：在有機無機肥配施處理中，長期施肥下小麥和玉米作物相對產(chǎn)量和土壤有效磷之間響應(yīng)關(guān)系不顯著(圖4)；單施化肥處理中，根據(jù)模擬方程得出小麥、玉米有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為12.60，8.90 mg/kg，潮土區(qū)冬小麥有效磷農(nóng)學(xué)閾值高于夏玉米。

圖4 單施化肥下小麥及玉米相對產(chǎn)量對土壤有效磷的響應(yīng)Fig.4 Response of relative wheat and maize yield to soil Olsen-P under single inorganic fertilizer treatments

2.4 磷肥應(yīng)用的指導(dǎo)

如圖5所示，不同土壤性質(zhì)、輪作制度和肥料種類及施用量下，土壤有效磷本底值和增加量不同，土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值也不同?；谕寥烙行Я妆镜字岛土灼胶獾捻憫?yīng)關(guān)系以及土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值的大小來推算肥料用量，對磷肥應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用。

通過對土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值的研究得出小麥、玉米有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為12.60，8.90 mg/kg，而本試驗土壤本底有效磷為5.90 mg/kg，與研究得出的小麥和玉米農(nóng)學(xué)閾值分別差6.70，3.00 mg/kg。以NP、PK、NPK 3個處理為例，從以上研究可知，到2015年時土壤累積磷平均每年盈余77.80，86.00，68.34 kg/hm2；且單施化肥處理每盈余100 kg/hm2土壤磷平均增加0.76 mg/kg土壤有效磷。因此，達到小麥農(nóng)學(xué)閾值NP、PK、和NPK處理分別需要12，11，13 a，達到玉米農(nóng)學(xué)閾值3個處理分別需要6，5，6 a。

圖5 磷肥應(yīng)用指導(dǎo)模式圖Fig.5 Picture of phosphate fertilizer application guidance model

3 討論與結(jié)論

3.1 長期施肥下土壤磷素盈虧

由于不同區(qū)域生態(tài)因子的差異以及施肥量、種植結(jié)構(gòu)、氣候特征等因素，不同施肥模式下土壤磷盈虧及有效磷的響應(yīng)特征不同。首先，由于施肥量的關(guān)系有機無機肥配施處理磷盈余量明顯大于單施化肥處理。不施化學(xué)磷肥處理磷盈虧均處于缺乏狀態(tài)；可見只施用現(xiàn)在用量的有機肥也不能維持磷素平衡，需補充磷肥或增加有機肥用量來保持土壤磷素供應(yīng)。因此，合理施用磷肥或有機肥是土壤磷素供應(yīng)的保障。與平衡施肥處理相比，偏施磷肥處理(NP、PK、NP+M和PK+M)土壤磷素累積更多，這是由于在相同施磷量下，作物產(chǎn)量小，從土壤中帶走磷量也小，這與很多研究結(jié)論一致[11]。磷盈虧隨種植年限呈波浪狀變化，種植27 a磷盈余均明顯下降，是天氣、有機肥質(zhì)量和作物品質(zhì)與產(chǎn)量等綜合作用的結(jié)果。施用磷肥處理中，土壤中磷盈余量較大，隨種植年限增加導(dǎo)致磷素長期累積于土壤中，勢必會造成磷素的淋溶及流失，綜合考慮下有必要適當(dāng)減少磷肥施用量，或利用有機肥替代部分磷肥。

3.2 長期施肥下土壤有效磷對土壤磷素盈虧響應(yīng)

土壤有效磷是土壤磷素養(yǎng)分的重要指標，最能反映土壤的供磷水平。通過土壤有效磷含量對磷素盈虧的響應(yīng)程度可用來指導(dǎo)施肥用量和施肥種類，對指導(dǎo)作物生產(chǎn)、施肥以及評價農(nóng)業(yè)環(huán)境磷風(fēng)險具有重要意義[20]。

本研究中，兩大主處理每盈余100 kg/hm2磷素土壤有效磷分別增加0.76，1.46 mg/kg。中國7個樣點調(diào)查每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P含量上升范圍為1.44～5.74 mg/kg[21]，相較之本研究中有效磷轉(zhuǎn)化效率較低。從圖3也可以看出，單施化肥處理累積磷盈虧量<500 kg/hm2和有機無機肥配施處理磷盈虧量<2 000 kg/hm2時，Olsen-P增加較快，隨著磷累積量進一步增加，Olsen-P有所降低；這可能主要與長期耕作下單一的輪作制度和土壤性質(zhì)、結(jié)構(gòu)變差有關(guān)，生物多樣性降低，導(dǎo)致有效磷的轉(zhuǎn)化率降低。土壤有效磷對磷盈虧的響應(yīng)關(guān)系在很大程度上受土壤性質(zhì)和氣候條件的影響[9]。其差異還與試驗規(guī)模、種植制度和試驗誤差有很大的關(guān)系。本試驗中單施化肥處理有效磷轉(zhuǎn)化低于有機無機肥配施處理，與很多研究結(jié)論一致[21]。林誠等[22]研究得出，等磷素盈虧量下，有機無機肥配施的有效磷響應(yīng)系數(shù)高于化肥。

3.3 土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值研究

生產(chǎn)實踐中，作物產(chǎn)量對土壤肥力的響應(yīng)有一定的閾值(臨界值)，其中作物產(chǎn)量對土壤有效磷響應(yīng)閾值更為明顯，是評價施肥合理性的重要指標。由米切里西模擬方程得出，單施化肥處理中，在獲得最大相對產(chǎn)量的90%時，小麥和玉米的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為12.60，8.90 mg/kg。郭斗斗等[19]同樣利用米切里西方程模擬河南潮土區(qū)小麥-玉米輪作下的農(nóng)學(xué)閾值，以獲得最大相對產(chǎn)量的95%為依據(jù)得出小麥玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值分別為13.1，7.5 mg/kg，與本研究結(jié)論較相似。劉彥伶等[7]對云南貴州黃壤性水稻土的玉米農(nóng)學(xué)閾值的研究發(fā)現(xiàn)，玉米磷農(nóng)學(xué)閾值平均值為15.8 mg/kg。李渝等[23]研究發(fā)現(xiàn)，貴州黃壤旱地的玉米農(nóng)學(xué)閾值平均為22.4 mg/kg?？梢姡魑镛r(nóng)學(xué)閾值受作物類型、土壤類型以及氣候條件等諸多因素的影響。

3.4 磷肥應(yīng)用指導(dǎo)

本試驗中，有機無機肥配施處理當(dāng)季和累積磷盈余量明顯大于單施化肥處理，不施磷肥處理需施用磷肥維持土壤磷素供應(yīng)，其他處理需控制施磷量。

兩大主處理每盈余100 kg/hm2磷素時土壤有效磷分別增加0.76，1.46 mg/kg，有效磷轉(zhuǎn)化率較低，可通過調(diào)理土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)或有機肥替代部分磷肥來提高Olsen-P轉(zhuǎn)化率。

由米切里西模擬方程得出，單施化肥模式下小麥和玉米的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為12.60，8.90 mg/kg，現(xiàn)試驗至33 a，理論上和實際中有效磷均已超過農(nóng)學(xué)閾值，需適當(dāng)減少磷肥施用。當(dāng)土壤有效磷含量下降到農(nóng)學(xué)閾值時，根據(jù)作物帶走的磷量，此時保證施入的磷量與作物帶走的磷量相當(dāng)，以此來確定磷肥施用量。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，還需要及時觀測作物的生長及土壤有效磷含量的變化來及時調(diào)整磷肥施用量。

綜合長期施肥情況下土壤磷盈虧量變化、農(nóng)學(xué)閾值和土壤本底磷來看，每年施磷量可控制在33.5～131.0 kg/hm2。