長期施肥對不同深度稻田土壤團聚體磷素分配的影響

柳開樓，都江雪，鄔磊，張文菊，韓天富，李文軍，施林林，余喜初

（1.江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 330046；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.湖南文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖南 常德 415000；4.蘇州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 蘇州 215007）

磷素作為水稻生長必需的營養(yǎng)元素之一，其對水稻開花發(fā)育和籽粒形成具有十分重要的作用[1]。在我國南方雙季稻區(qū)，較強的土壤固磷能力導(dǎo)致該地區(qū)紅壤稻田的土壤有效磷含量偏低[2]。因此，為滿足水稻高產(chǎn)的吸磷需求，合理施用外源磷肥成為該地區(qū)糧食安全和穩(wěn)定的重要途徑之一。

大量研究表明，雖然長期施用磷肥提高了土壤供磷能力，有效保障了水稻對磷素的吸收[3-4]。但是，隨著磷肥的持續(xù)施用，大量增加的土壤磷素盈余量也帶來了較為嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險[5]。呂真真等[6]的研究表明，在近30 年施磷的條件下，紅壤稻田的土壤總磷含量（1.07 g·kg-1）比初始值（0.49 g·kg-1）提高了1.18倍，土壤磷素活化系數(shù)也顯著較高，導(dǎo)致土壤磷素流失風(fēng)險較高。很多長期試驗表明，有機無機肥配施處理下，土壤總磷和有效磷的增加幅度較大[4-7]；同時，也進一步提高了土壤耕層以下（20～40 cm）的磷素含量[8]，從而可能威脅地下水安全。團聚體組分是表征土壤物理結(jié)構(gòu)差異的主要指標(biāo)之一[9]，不同團聚體組分中磷素分配特征對土壤磷素供給能力和根系磷素吸收的影響較大[10-12]，且磷素在不同團聚體組分中的累積也可能影響磷素的有效性[12]。對于不同類型的土壤，各團聚體組分對土壤磷素的供給能力差異較大，但總體表現(xiàn)為較大粒徑團聚體組分中磷素的貢獻(xiàn)較大[13-16]。

在稻田土壤中長期配施有機無機肥一方面導(dǎo)致耕層土壤磷素大量累積[3-4，6-7]，存在向土壤深層遷移的風(fēng)險；另一方面也顯著增加了耕層土壤有機質(zhì)含量和較大粒徑團聚體的質(zhì)量百分比[17]，而較高的有機質(zhì)含量顯著影響耕層土壤磷的吸附[18]，再加上耕層土壤中鐵鋁氧化物的變化[19]，從而導(dǎo)致耕層土壤團聚體磷素含量增加。陳惟財?shù)萚20]的研究表明，長期施用磷肥與有機物還田導(dǎo)致稻田土壤總磷主要聚集在＞1 mm團聚體組分中，并顯著提高了＞2 mm 團聚體的有效磷含量。目前，關(guān)于團聚體磷素分配的研究主要集中在耕層土壤，探究土壤磷素是否向深層土壤遷移的研究較少。已有研究表明長期施用磷肥顯著提高了30～40 cm 土壤深度中＜0.25 mm 團聚體的有效磷含量[21]，但有機無機肥配施下大幅增加的土壤磷素如何在逐漸改變的團聚體組分中進行分配還有待進一步分析，特別是不同土壤深度上。因此，本研究擬基于長期施肥定位試驗，選擇不同磷肥施用處理，采集0～20、20～40、40～60 cm 深度的土壤樣品，系統(tǒng)分析不同土層各團聚體組分中總磷和有效磷的分配特征，并進一步探討施肥-團聚體質(zhì)量百分比-團聚體磷素之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以期為科學(xué)評估紅壤稻區(qū)的磷素流失風(fēng)險和指導(dǎo)磷肥合理施用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗地位于江西省南昌市進賢縣張公鎮(zhèn)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫度和降水分別為18.1 ℃和1 537 mm，在南方丘陵區(qū)具有典型的代表性，土壤類型屬于水稻土，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。在1981 年定位試驗前已經(jīng)進行了40 余年的雙季稻種植，初始土壤pH 為6.9，有機質(zhì)含量為27.9 g·kg-1，總磷和有效磷含量分別為0.5 g·kg-1和4.2 mg·kg-1。初始土壤的黏粒含量（＜0.001 mm）為24.1%。

1.2 試驗設(shè)計

長期試驗設(shè)計了9 個不同的施肥處理，本研究選擇3 種不同的施肥處理：①不施磷肥處理（NK，N 和K2O 每季用量分別為45 kg·hm-2和37.5 kg·hm-2）；②施氮磷鉀化肥處理（NPK，在NK處理的基礎(chǔ)上施用P2O5，每季用量為22.5 kg·hm-2）；③施氮磷鉀化肥和有機肥處理（NPKM，在NPK 處理的基礎(chǔ)上早稻季翻壓新鮮紫云英22 500 kg·hm-2，晚稻季施用腐熟豬糞22 500 kg·hm-2）。其中多年檢測的新鮮紫云英和腐熟豬糞含水量分別為64%～75%和30%～49%，紫云英的氮、磷、鉀含量（烘干基）為8.0～9.2、2.1～3.4、7.3～8.4 g·kg-1，豬糞的氮、磷、鉀含量（烘干基）為10.0～12.0、8.2～9.0、9.2～10.0 g·kg-1。每種處理3 個重復(fù)小區(qū)，每個小區(qū)面積均為46.7 m2。

在每季水稻的肥料中，60%的氮肥（尿素）、100%的磷肥（鈣鎂磷肥）、50%的鉀肥（氯化鉀）和有機肥全部作基肥，在水稻移栽前2～3 d 一次性施用，施肥深度約為15～20 cm，基肥施用后耙平。40%的氮肥和50%的鉀肥作為追肥，在水稻移栽后7～10 d一次性撒施，撒施后3～5 d 避免排水。同時，按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣做好病蟲害防控。

1.3 樣品采集和指標(biāo)測定

2020 年11 月下旬使用土鉆采集0～20、20～40、40～60 cm 的土壤樣品，每個小區(qū)隨機采集5個點混勻成1個樣品，帶回室內(nèi)將樣品分成2份并風(fēng)干，其中一份在風(fēng)干過程中沿土壤顆粒的自然斷裂面輕輕掰碎。考慮到成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土的水稻土黏粒含量較高，不同粒徑的比例容易受樣品數(shù)量的干擾，且濕篩的樣品量較少，因此，為體現(xiàn)各處理樣品的代表性，按照干篩濕篩相結(jié)合的辦法進行團聚體分級，具體方法參考LIU 等[22]的研究，即先用干篩將土壤分成＞5、2～5、0.25～2 mm 和＜0.25 mm 等4 份，再按照干篩各組分的比例配成200 g 的土壤，用濕篩法獲得＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm 團聚體組分，并計算團聚體平均質(zhì)量直徑。具體計算公式如下：

式中：MWD表示土壤平均質(zhì)量直徑，mm；表示第i級團聚體組分中上下篩子的平均孔徑，mm；Wi表示第i級團聚體組分的比例，%。

另一份土樣留待測定全土的總磷和有效磷含量。分別根據(jù)NaOH 堿熔-鉬銻抗比色法和NaHCO3提取-鉬銻抗比色法測定全土和團聚體組分中總磷和有效磷的含量[23]。

于早晚稻成熟期在每個小區(qū)實打?qū)嵤諟y定水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量；同時，每個小區(qū)分別采集代表性的3 穴植株，烘干研磨后測定籽粒和秸稈的磷含量，進而計算水稻吸磷量，并進一步根據(jù)磷肥投入和磷素吸收的差值計算磷素盈余量[5]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2010 進行，統(tǒng)計分析采用SAS 9.1進行，處理間差異顯著性采用單因素方差分析進行檢驗（P＜0.05），圖件采用Origin 8.5進行制作。利用R語言對施肥、團聚體、團聚體磷素和水稻吸磷量的相互關(guān)系進行解析，方法為偏最小二乘路徑模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 全土的總磷和有效磷含量

由表1 可知，NPKM 處理土壤總磷和有效磷含量均呈現(xiàn)出隨著土壤深度增加而逐漸降低的趨勢。同時，40 年長期施肥對0～20 cm 土壤總磷和有效磷含量的影響程度明顯大于20～40 cm 和40～60 cm。在0～20 cm 土層，與不施磷肥處理（NK）相比，施磷處理（NPK 和NPKM）下總磷含量分別提高了85.29%和294%，有效磷含量也分別增加了1.77 倍和21.61 倍；在20～40 cm 土層，與NK 處理相比，NPK 和NPKM 處理的總磷含量分別增加了62.50%和1.23 倍，有效磷含量分別增加4.50 倍和31.45 倍。在40～60 cm 土層，所有施磷處理的總磷含量與不施磷肥處理無顯著差異，但NPKM 處理的有效磷含量比NK 處理提高了84.33%。

表1 40年長期施肥下不同深度全土的總磷和有效磷含量Table 1 Total and available phosphorus contents in bulk soil at different depths under long-term fertilization of 40 years

2.2 團聚體質(zhì)量百分比和平均質(zhì)量直徑

在不同土壤深度中，隨著土壤深度的增加，＞2 mm 團聚體質(zhì)量百分比逐漸降低，而＜0.053 mm 團聚體質(zhì)量百分比則逐漸增加（圖1）。40 年長期施肥顯著影響0～20 cm 和20～40 cm 土壤中各團聚體質(zhì)量百分比，但40～60 cm 土壤中各團聚體質(zhì)量百分比則無顯著變化。在0～20 cm 土層，與NK 處理相比，NPKM處理下＞2 mm 團聚體質(zhì)量百分比顯著增加了18.17個百分點，而0.25～2 mm 團聚體質(zhì)量百分比則降低了6.60 個百分點，NPK 處理下＜0.053 mm 團聚體質(zhì)量百分比也比NK 處理增加了3.70 個百分點。在20～40 cm 土層，與NK 處理相比，NPKM 和NPK 處理下＞2 mm 團聚體質(zhì)量百分比分別提高了9.96 個百分點和4.54 個百分點，0.053～0.25 mm 團聚體質(zhì)量百分比分別比NK 處理降低了10.39個百分點和7.88個百分點，此外，NPKM處理下＜0.053 mm團聚體質(zhì)量百分比也比NK處理提高了6.65個百分點。

圖1 40年長期施肥下不同土壤深度團聚體質(zhì)量百分比Figure 1 The mass proportion of aggregates at different soil depths under long-term fertilization of 40 years

隨著土壤深度的增加，各處理的團聚體平均質(zhì)量直徑均呈明顯降低趨勢（表2）。在不同施肥處理中，NPKM 處理顯著提高了0～20 cm 團聚體平均質(zhì)量直徑，其比NK處理增加了27.66%，但對20～40 cm和40～60 cm 土層團聚體則無顯著影響，說明NPKM 處理顯著提高了團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。NK 和NPK 處理下，0～20 cm 團聚體平均質(zhì)量直徑均無顯著差異，表明單獨的磷肥添加不會顯著影響團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表2 40年長期施肥下不同土壤深度團聚體平均質(zhì)量直徑Table 2 Mean mass diameter of aggregates at different soil depths under long-term fertilization of 40 years

2.3 團聚體總磷和有效磷含量

在不同土壤深度，相同團聚體組分中總磷含量均無明顯差異（圖2）。與NK 處理相比，各土壤深度中NPK 處理下所有團聚體組分的總磷含量均未顯著增加，但NPKM 處理下所有團聚體組分的總磷含量均顯著高于NK 處理。在0～20 cm 土層，NPKM 處理下＞2、0.25～2、0.053～0.25、＜0.053 mm 團聚體總磷含量分別比NK 處理提高了2.14、2.20、2.20、2.60 倍；在20～40 cm 土層，NPKM 處理下各團聚體總磷含量的增幅分別 為2.80、1.46、1.39、1.71 倍；在40～60 cm 土 層，NPKM 處理下各團聚體總磷含量的增幅分別為180%、69.34%、41.24%和27.03%，但＜0.053 mm 團聚體的增幅不顯著。

圖2 40年長期施肥下不同土壤深度團聚體總磷含量Figure 2 Total phosphorus content of aggregates at different soil depths under long-term fertilization of 40 years

與總磷的結(jié)果相似，在不同土壤深度，相同團聚體組分中有效磷含量無明顯差異（圖3）。在0～20 cm土層，與NK 處理相比，NPK 和NPKM 處理下＞2 mm 團聚體有效磷含量分別提高了1.16 倍和18.29 倍，0.25～2 mm 團聚體有效磷含量增幅為1.02 倍和18.24 倍，0.053～0.25 mm 團聚體有效磷含量增幅為53.27%和12.95倍，＜0.053 mm團聚體有效磷含量增幅為47.14%和13.52 倍。在20～40 cm 土層，NPK 和NPKM 處理下＞2 mm 團聚體有效磷含量分別比NK 處理增加了59.10%和12.31倍，0.25～2 mm團聚體有效磷含量增幅為60.05%和9.74 倍，0.053～0.25mm 團聚體有效磷含量增幅為44.38%和7.57倍，＜0.053 mm團聚體有效磷含量增幅為56.65%和11.08 倍。在40～60 cm 土層，NPK 處理下各團聚體有效磷含量未顯著增加，NPKM處理下＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm 團聚體有效磷含量分別提高了7.09、3.22、1.30 倍和70.67%。

圖3 40年長期施肥下不同土壤深度團聚體有效磷含量Figure 3 Available phosphorus content of aggregates at different soil depths under long-term fertilization of 40 years

2.4 水稻吸磷量和磷素盈余

40 年長期施肥顯著改變水稻吸磷量（表3）。與NK 處理相比，NPK 和NPKM 處理下籽粒吸磷量分別提高了77.57%和1.37 倍，秸稈吸磷量分別增加了66.12%和1.02 倍，總吸磷量也分別提高了75.37%和1.30 倍。在施磷處理中，NPKM 處理下籽粒、秸稈和總吸磷量均最高，分別比NPK 處理增加了33.55%、21.71%和31.39%。同時，40 年長期施用磷肥導(dǎo)致磷素大量盈余。除了NK 處理的磷素為匱缺之外，NPK和NPKM 處理均為磷素盈余，且NPKM 處理的磷素盈余量顯著高于NPK處理。

表3 40年長期施肥下水稻吸磷量和磷素盈余（kg·hm-2）Table 3 Phosphorus uptake and surplus of rice under long-term fertilization of 40 years（kg·hm-2）

2.5 磷素盈余與團聚體磷素的相關(guān)關(guān)系

偏最小二乘路徑模型的結(jié)果（圖4）顯示，施肥是直接影響團聚體質(zhì)量百分比和磷素盈余的主要因素（通徑系數(shù)分別為0.46和0.65），但土壤深度對其無顯著影響，故結(jié)構(gòu)方程不考慮深度的作用。同時，由于團聚體平均質(zhì)量直徑主要由各團聚體的質(zhì)量百分比計算得來，本研究在進行偏最小二乘路徑模型運算時，模型自動去除了團聚體平均質(zhì)量直徑。團聚體總磷含量主要受團聚體質(zhì)量百分比和磷素盈余的影響（通徑系數(shù)為0.51和0.33），而團聚體有效磷含量則受施肥、磷素盈余、團聚體質(zhì)量百分比和團聚體總磷含量的多重影響（通徑系數(shù)分別為0.45、0.65、0.19 和0.46）。同時，與施肥相比，團聚體總磷和有效磷含量受磷素盈余的影響較高（通徑系數(shù)分別為0.33 和0.65）。此外，團聚體總磷含量還可以直接調(diào)控團聚體有效磷含量變化（通徑系數(shù)為0.46）。

圖4 施肥、團聚體質(zhì)量百分比和團聚體磷素的相關(guān)關(guān)系Figure 4 The complex interrelationships between fertilization，mass proportion of soil aggregate and phosphorus contents in aggregate

3 討論

3.1 40 年長期有機無機肥配施增加紅壤稻田不同土壤深度的全土磷素含量和團聚體質(zhì)量百分比

在紅壤稻田，連續(xù)40 年的磷肥投入不僅導(dǎo)致0～20 cm 土壤中磷素大量累積，而且進一步提高了20～40 cm 土壤中總磷和有效磷含量。在不同磷肥處理中，有機無機肥配施下土壤總磷和有效磷含量的增幅最大，這與前人的研究結(jié)果[3-4，6-7]一致，且有機無機肥配施進一步導(dǎo)致40～60 cm 土壤中有效磷含量的累積。王建國等[24]的研究表明，長期施用磷肥導(dǎo)致太湖地區(qū)稻田土壤無機磷的下移深度可達(dá)25 cm，且有機無機肥配施下無機磷的下移深度明顯高于化學(xué)磷肥處理。這一方面與有機無機肥配施處理的磷肥投入量較高有關(guān)[3]，另一方面可能是由于長期有機無機肥配施下較高的土壤有機質(zhì)含量增加了土壤磷素吸附[17-18]，并降低了有效磷的固定。同時，紅壤旱地長期定位試驗也表明，長期有機培肥促進了20～40 cm深層土壤磷素累積[8]。此外，由于稻田土壤經(jīng)常處于淹水狀態(tài)，且地下水位較低（50 cm左右），長期有機無機肥配施帶來的土壤磷素增加極易導(dǎo)致磷素通過地表徑流流失或者向地下水遷移[24-25]。大量研究[17，26]表明，有機無機培肥措施顯著提高了土壤有機質(zhì)含量，從而顯著提高了0～20 cm 和20～40 cm 土壤深度中＞2 mm 團聚體質(zhì)量百分比。但本研究表明，40 年長期配施有機無機肥處理僅顯著增加了0～20 cm 土層團聚體平均質(zhì)量直徑，而20～40 cm 土層則增幅不顯著，這說明，受施肥和耕作深度以及水稻根系長度的綜合影響，有機無機肥配施顯著改善了紅壤稻田耕層土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而對深層土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性則無顯著影響。總之，雖然長期有機無機肥配施是紅壤稻田較好的培肥措施，但其導(dǎo)致的土壤磷素流失風(fēng)險也應(yīng)引起足夠的重視。

3.2 40 年長期有機無機肥配施調(diào)控紅壤稻田不同深度的團聚體磷素分配

在不同團聚體組分中，相同處理下總磷和有效磷變化較為相似，不同深度的差異也不明顯。這不同于東北黑土區(qū)、西北半干旱區(qū)和珠江三角洲農(nóng)田的研究結(jié)果[10，13，15]，但與前人在熱帶和亞熱帶地區(qū)的研究結(jié)果[11-12，27]相似。與不施磷肥處理相比，40 年長期有機無機肥配施處理下0～20、20～40、40～60 cm 土壤深度各團聚體組分中總磷含量均顯著提高（除了40～60 cm 土壤深度＜0.053 mm 團聚體），但化學(xué)磷肥處理下各團聚體組分中總磷含量則未顯著增加。這充分證明，與單純的化學(xué)磷肥投入相比，長期有機無機肥配施促進了磷素在深層土壤大團聚體中的累積。氮磷鉀化肥配施處理下，0～20 cm 和20～40 cm 土壤深度各團聚體組分中有效磷含量均顯著高于不施磷肥處理，原因還可能與二者的土壤pH、有機質(zhì)和氮磷鉀含量等理化性質(zhì)差異有關(guān)[17]，有研究表明，土壤碳氮含量是調(diào)節(jié)土壤磷循環(huán)的重要因素[28]，但具體原因還有待進一步研究。不同于總磷，40 年長期施用磷肥處理下0～20 cm 和20～40 cm 土壤深度各團聚體組分中有效磷含量均顯著高于不施磷肥處理，但40～60 cm 則未顯著增加。原因可能是0～40 cm 為水稻根系的主要活動區(qū)域[29]，較多的根系分泌物和較高的微生物活性進一步促進了0～20 cm 和20～40 cm 各團聚體組分中磷素的活化[30]。與不施磷肥處理相比，40年長期有機無機肥配施對總磷和有效磷的增幅整體呈現(xiàn)出隨團聚體粒徑增加而提高的趨勢。這表明較大粒徑的團聚體（＞2 mm）對磷素累積的作用明顯大于較小粒徑的團聚體（＜0.25 mm）。這主要與不同團聚體組分中的有機碳和鐵鋁氧化物含量差異有關(guān)[17，19]，且無定型鐵、鋁是引起不同施肥處理磷吸附差異的主要因素[31]，鐵鋁氧化物和有機質(zhì)的綜合作用可能通過與磷素的吸附解吸作用影響各團聚體組分的磷素有效性。PENG 等[32]的研究也表明，較大粒徑團聚體的周轉(zhuǎn)速率顯著高于較小粒徑團聚體組分，其對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用至關(guān)重要。而在紅壤旱地上，＞2 mm 團聚體的鉀素含量也是作物鉀素吸收的重要組分[22]。但＞2 mm 團聚體組分中較高的磷素累積是否能夠被水稻充分吸收還有待結(jié)合同位素示蹤試驗進一步研究。

3.3 磷素盈余團聚體磷素分配

與土壤團聚體總磷和有效磷的結(jié)果一致，40 年長期有機無機肥配施也顯著提高了磷素盈余量，這與前人的研究結(jié)果[4-5]高度一致。結(jié)合偏最小二乘路徑模型，本研究結(jié)果表明，在長期施肥條件下，施肥、團聚體質(zhì)量百分比、磷素盈余均可以顯著影響團聚體總磷和有效磷含量。進一步分析發(fā)現(xiàn)，與團聚體總磷相比，磷素盈余對團聚體有效磷的影響程度更大，說明磷素盈余量的增加不僅直接提高土壤全土的磷素含量，而且進一步增加了團聚體組分中的總磷和有效磷含量。這可能是由于團聚體組分的形成受有機質(zhì)的驅(qū)動[32]，而有機質(zhì)可以顯著影響土壤磷素的吸附解吸[18]。此外，團聚體組分中與磷周轉(zhuǎn)相關(guān)的微生物也可能是主要的影響因素[33]。但是，本研究的磷肥用量為20世紀(jì)80年代的標(biāo)準(zhǔn)，而隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，當(dāng)前我國種植業(yè)中磷肥用量已大幅提高[34]，這勢必進一步影響稻田的磷素盈余。都江雪等[35]的研究表明，1988—2018 年我國水稻土有效磷平均年增速為0.36 mg·kg-1。因此，關(guān)于磷素盈余與團聚體磷素分配的關(guān)系還有待結(jié)合當(dāng)前的磷肥施用水平進行驗證。

4 結(jié)論

（1）與不施磷肥處理相比，40 年長期施用磷肥處理顯著提高了紅壤稻田0～20 cm 和20～40 cm 土壤深度全土的總磷和有效磷含量，尤其是有機無機肥配施處理。

（2）在0～20、20～40、40～60 cm 土壤深度中，隨著團聚體粒徑的增加，40 年長期有機無機肥配施處理下團聚體組分中總磷和有效磷的增幅也逐漸提高，其中＞2 mm團聚體的增幅最大。

（3）40 年長期有機無機肥配施主要通過磷素盈余顯著影響團聚體總磷和有效磷分配。