長(zhǎng)期施肥對(duì)褐土剖面水溶態(tài)磷分布特征的影響

高佳妮，周懷平，楊振興，解文艷，劉志平，郭 晉，呂倩倩

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太原030031）

植物吸收的磷元素主要來(lái)源于土壤[1-2]，不同形態(tài)磷的有效性存在差異[3]，其有效性在很大程度上取決于磷的組分形態(tài)[4-8]。長(zhǎng)期不同施肥是土壤各磷素組分之間相互轉(zhuǎn)化的重要影響因子[9-11]。有研究表明，有機(jī)肥施用可顯著提高土壤中總磷、可溶性磷及穩(wěn)定的有機(jī)磷等的含量[12]。目前，已有大量關(guān)于磷素組分演變[13]、磷素累積[14-17]以及影響因素分析[18]等方面的研究，特別是褐土土壤磷素累積的研究，但大多集中在土壤耕層磷素養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上，而采用改進(jìn)的Hedley方法進(jìn)行磷素分級(jí)[14，19-20]，從長(zhǎng)時(shí)間跨度和土壤剖面上對(duì)褐土磷素組分變化的報(bào)道相對(duì)較少，尤其是對(duì)褐土剖面磷素分布特征的研究更少[21-22]。

水溶態(tài)磷（H2O-P）是土壤中有效性較高的一種磷素組分，其含量高低不僅影響到作物對(duì)磷素營(yíng)養(yǎng)的吸收，而且可以直接表征對(duì)環(huán)境尤其是水環(huán)境影響的程度，是一種環(huán)境形態(tài)的磷[7，19]。因此，了解土壤中水溶態(tài)磷的剖面變化狀況，開展田間合理化施肥試驗(yàn)，可為褐土區(qū)磷素科學(xué)管理提供良好的技術(shù)支撐[20]。

本研究采用改進(jìn)的Hedley方法，通過(guò)對(duì)27 a定位試驗(yàn)研究不施肥處理、不同氮磷肥配施、不同有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施處理以及單施高量有機(jī)肥處理下水溶態(tài)磷在0～100 cm土壤剖面中的垂直分布特征，旨在探討長(zhǎng)期不同施肥水平下水溶態(tài)磷的變化情況及遷移特征，為褐土區(qū)耕地質(zhì)量培育及田間管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)以山西省壽陽(yáng)縣宗艾村長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為研究對(duì)象，該基地是我國(guó)重要的旱作農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)海拔為1 130 m，常年平均氣溫為7.6℃，地區(qū)干燥度為1.3，年平均降雨量為501.1mm，不同年份氣候差異比較大。本試驗(yàn)從1992年至2018年，歷時(shí)共27 a。供試土壤為褐土，1992年試驗(yàn)前基礎(chǔ)土樣0～20 cm土層的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 長(zhǎng)期試驗(yàn)基礎(chǔ)土樣化學(xué)性質(zhì)（1992年）

1.2 試驗(yàn)材料

供試作物為春玉米，1993—1997年的品種為煙單14號(hào)、1998—2003年的品種為晉單34號(hào)、2004—2011年品種為強(qiáng)盛31號(hào)，密度為5.20萬(wàn)～5.25萬(wàn)株/hm2；2012—2017年品種為晉單81號(hào)、2018年品種為大豐30，密度為6.6萬(wàn)株/hm2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究選取7個(gè)處理，即不施肥處理（N0P0M0）；2 個(gè)氮、磷化肥配施處理（N1P1M0、N2P2M0）；3 個(gè)有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施處理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）；單施高量有機(jī)肥處理（N0P0M6）。小區(qū)面積為66.7 m2，隨機(jī)排列。

研究選用氮肥、磷肥分別為含N 46%的尿素和含P2O512%～14%的過(guò)磷酸鈣，有機(jī)肥為腐熟廄肥（其中，有機(jī)質(zhì)90.5～127.3g/kg、全氮3.93～4.97g/kg、全磷 1.37～1.46 g/kg、全鉀 14.1～34.3 g/kg）。每年秋季結(jié)合耕翻將肥料一次性施入。不同施肥處理的施肥量如表2所示。

田間管理措施主要是除草和防治病蟲害，其按照大田豐產(chǎn)要求進(jìn)行。一年1季，4月15—28日播種，9月20日至10月10日收獲。田間灌溉主要依賴自然降水，無(wú)補(bǔ)充灌溉。

表2 不同施肥處理的施肥量 kg/hm2

1.4 樣品采集及測(cè)定方法

1.4.1 試驗(yàn)土壤樣品采集 2018年10月中旬采集0～100 cm土樣，每隔20 cm土層采一個(gè)樣，共采集5個(gè)土樣。

1.4.2 土壤水溶態(tài)磷含量測(cè)定 采用改進(jìn)的Hedley磷分級(jí)方法，取0.5 g過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土樣，置于50 mL離心管中，加入去離子水30 mL，連續(xù)浸提振蕩16 h；取出離心10 min，收集上清液并過(guò)0.45 μm濾膜，經(jīng)硫酸銨-硫酸消化，用鉬藍(lán)比色法測(cè)定溶液中的 H2O-P 含量[5，21]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

不同施肥處理之間數(shù)據(jù)的比較采用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理；利用Duncan法進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥條件下0～100 cm土壤剖面H2O-P分布特征分析

褐土H2O-P具有表聚性，施肥會(huì)使H2O-P表聚性更為顯著。從圖1可以看出，0～20 cm土層H2O-P含量最高，顯著高于其他土層；20～40 cm土層，隨著土層深度增加H2O-P含量快速遞減；40～100 cm土層，H2O-P含量隨土層深度增加無(wú)明顯變化趨勢(shì)。由于施肥處理的差異，各處理H2O-P含量差異在0～20 cm較為顯著。整體而言，有機(jī)肥施用顯著提高了土壤中H2O-P的含量。

2.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)0～100 cm土壤剖面各層次H2OP含量的影響

由圖2可知，各處理0～20 cm土層H2O-P含量差異顯著，與1992年試驗(yàn)前基礎(chǔ)值相比，2018年N0P0M0、N1P1M0、N2P1M1處理 H2O-P 含量減少了4.14～12.68 mg/kg，變化幅度為19.66%～60.21%；而N3P2M3、N4P2M2及N0P0M6處理土壤耕層中H2O-P含量相比1992年試驗(yàn)前顯著增加，分別增加了54.94、34.26、90.67 mg/kg。與不施肥處理CK相比，除N1P1M0、N2P1M1處理差異不顯著外，其他各處理差異均達(dá)到極顯著水平，其中，N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6處理土壤耕層中H2O-P含量與N0P0M0（CK）處理相比顯著增加，增加了46.94～103.35 mg/kg。當(dāng)施用等量無(wú)機(jī)磷肥時(shí)，N2P1M1處理與N1P1M0處理相比，增加了5.91 mg/kg，增幅達(dá)53.64%；N3P2M3、N4P2M2處理與N2P2M0處理相比，耕層土壤H2O-P含量分別增加了50.22、29.54 mg/kg，且差異極顯著。

由圖 3 可知，20～40 cm 土層，N3P2M3、N0P0M6處理H2O-P含量顯著高于其他處理。與1992年基礎(chǔ)值相比，N3P2M3、N0P0M6處理H2O-P含量極顯著增加，增加了5.03～5.87mg/kg，增幅達(dá)53.74%～62.71%；其他處理H2O-P含量變化不顯著，其中，N0P0M0、N1P1M0、N2P1M1處理呈下降趨勢(shì)，下降了1.95～4.68mg/kg，降幅為20.83%～50.00%。與N0P0M0（CK）處理相比，經(jīng)過(guò)27 a的N3P2M3、N0P0M6處理 H2O-P含量增加顯著，分別增加了6.98、7.82mg/kg，增幅分別為94.20%、105.59%，N2P2M0、N4P2M2處理 H2O-P 含量分別增加了2.34、4.74 mg/kg，增幅分別為31.55%、63.97%；而N1P1M0、N2P1M1處理H2O-P含量則表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，分別較N0P0M0（CK）降低了2.73、2.30mg/kg，降低幅度分別為36.84%、31.04%。當(dāng)施用等量無(wú)機(jī)磷肥時(shí)，N2P1M1處理H2O-P含量與N1P1M0處理相比僅增長(zhǎng)了0.43 mg/kg，變化幅度為9.2%，差異不顯著；N3P2M3處理H2O-P含量顯著高于N2P2M0、N4P2M2處理，且差異達(dá)到極顯著水平，N3P2M3處理比N2P2M0處理增長(zhǎng)了5.48 mg/kg，增幅達(dá)56.21%。

由表3可知，與1992年基礎(chǔ)值相比，40～60 cm土層H2O-P含量N0P0M6處理增加了1.95 mg/kg，增幅為18.88%；其他處理均表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，N0P0M0、N1P1M0、N2P1M1、N2P2M0、N3P2M3、N4P2M2處 理 H2O-P含量降低了1.85～8.18 mg/kg，降幅為17.91%～79.19%。與N0P0M0（CK）處理相比，N4P2M2、N3P2M3、N0P0M6處理H2O-P含量增加了4.74～7.82 mg/kg，增 幅 為 73.72% ～121.62% ；N1P1M0、N2P1M1、N2P2M0處理H2O-P含量則表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，降低了3.10～4.28 mg/kg，降幅為48.21%～66.56%。

60～80 cm土壤剖面中H2O-P含量與1992年基礎(chǔ)值相比，各處理均顯著降低，即使施肥量較高的N4P2M2、N3P2M3、N0P0M6處理 H2O-P 含量比試驗(yàn)前也降低了2.25～4.12mg/kg，降幅為26.85%～49.16%；與N0P0M0（CK）處理相比，各施肥處理H2O-P含量均有增加，增加了0.63～5.24mg/kg。

80～100 cm土層，經(jīng)過(guò)近30 a不同施肥處理，H2O-P含量以N3P2M3處理最高；與1992年基礎(chǔ)值相比，各處理H2O-P含量均降低，降低了1.12～2.94 mg/kg，降幅達(dá)37.09%～97.35%；與N0P0M0（CK）處理相比，各施肥處理H2O-P含量無(wú)顯著差異。

表3 40～100 cm土層長(zhǎng)期不同施肥處理下H2O-P含量的變化 mg/kg

3 討論

3.1 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)褐土土壤H2O-P剖面分布的影響

褐土土壤H2O-P在土壤剖面中的分布由于不同施肥處理存在顯著差異。土壤H2O-P表聚性顯著，在其他類型土壤的研究也存在同樣的變化規(guī)律[22]。這可能是由于一方面人類施肥直接補(bǔ)充了土壤磷素養(yǎng)分；另一方面，土壤中微生物活動(dòng)對(duì)養(yǎng)分之間的轉(zhuǎn)化作用顯著，且土壤表層磷素活化系數(shù)較高，轉(zhuǎn)化能力較強(qiáng)。本研究表明，0～100 cm土層范圍內(nèi)，土壤H2O-P含量隨土壤深度的增加逐漸降低。這是由于磷肥多施于土壤表層不易遷移，使得下層土壤H2O-P含量顯著降低。在本試驗(yàn)條件下，土壤剖面中H2O-P含量隨有機(jī)肥施用量增加顯著提高。表明有機(jī)肥施用可以顯著提高褐土土壤中的H2O-P含量。

3.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)0～100 cm土壤剖面各層次H2O-P含量的影響

本研究表明，0～20 cm土層中，H2O-P含量為N0P0M6處理最高，N3P2M3、N4P2M2處理次之，與嚴(yán)正娟等[22]在該試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行的Olsen-P累積研究結(jié)果一致；單施有機(jī)肥明顯提高了土壤中H2O-P含量，一方面是由于有機(jī)肥自身帶入的磷素增加了土壤中的H2O-P含量，另一方面有機(jī)肥施用改變了土壤理化性質(zhì)及土壤生物和非生物過(guò)程，促進(jìn)了不同土壤磷形態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化。有研究表明[23-25]，施用有機(jī)肥可顯著增加高活性磷的含量及其在全磷中的比例。

本研究表明，20～40 cm土層H2O-P含量與0～20 cm土層相比顯著降低，可能是由肥料多施于土壤表層且磷素不易遷移所致，這與楊小燕等[26]關(guān)于黑土土壤磷素形態(tài)垂直分布特征研究結(jié)果一致。

本研究表明，40～60、60～80、80～100 cm土層中，H2O-P含量與試驗(yàn)前相比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)楦芏群屯寥牢⑸锘钚噪S剖面深度下降而降低，并且根系活動(dòng)將深層土壤養(yǎng)分吸收帶到上層土壤中。

4 結(jié)論

本研究表明，合理的有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施可以增加褐土耕層土壤的H2O-P含量，H2O-P含量隨有機(jī)肥施入量的增加而顯著提高，N3P2M3處理對(duì)水溶態(tài)磷含量的作用最為顯著。長(zhǎng)期施肥下的H2O-P含量在0～100 cm土壤剖面上表現(xiàn)為，0～20 cm土層H2O-P含量最高；20～40 cm土層H2O-P含量快速遞減；40～100 cm土層土壤剖面H2O-P含量較少，隨土層深度增加而降低。氮、磷化肥和有機(jī)肥合理配合施用，可以提高褐土水溶態(tài)磷的含量，提升褐土肥力質(zhì)量，為褐土農(nóng)田土壤可持續(xù)利用提供保障。