長期施無機磷肥對黃泥土稻田土壤磷庫的影響

許琛，沈素素，何竹，王寧 ，周貝貝 ，4，沈明星，施林林，薛利紅，3*

（1.江蘇大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212001；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014；3.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京 210095；4.江蘇開放大學環(huán)境生態(tài)學院，南京 210017；5.蘇州市農(nóng)業(yè)科學院，江蘇 蘇州 215155）

土壤磷素是作物生長發(fā)育必需的養(yǎng)分之一，同時也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的限制養(yǎng)分因子[1]。磷肥施用是農(nóng)田土壤磷素的重要來源，但土壤中各種物理化學反應(yīng)可導(dǎo)致其有效性大幅降低。磷肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用率較低，其當季利用率一般低于20%[2]。生產(chǎn)實踐中為了保證產(chǎn)量，磷肥的施入量遠高于作物的需求量，且我國磷肥施入量平均年增長速率達到6.8%[3]，土壤磷含量正以11%的速率遞增[4]。土壤中累積的磷素會通過地表徑流、土壤侵蝕以及滲漏淋溶等途徑流失，進而導(dǎo)致水環(huán)境污染加重[5–7]。因此，研究不同施肥措施對土壤磷形態(tài)分布及有效性的影響，對提高磷肥利用率及減少磷素流失具有重要意義。

土壤磷素具有形態(tài)復(fù)雜及動態(tài)平衡的特點。土壤中磷素主要分為無機磷和有機磷[8]，中性和酸性土壤中的無機磷可分為磷酸鋁鹽（Al-P）、磷酸鐵鹽（Fe-P）、磷酸鈣鹽（Ca-P）和閉蓄態(tài)磷（O-P）[9]，有機磷可分為活性有機磷、中活性有機磷、中穩(wěn)定有機磷和高穩(wěn)定有機磷[10]。以往研究表明，磷肥的施用不僅增加磷素的累積，而且會對磷素的形態(tài)組分產(chǎn)生一定的影響。戚瑞生等[11]的研究發(fā)現(xiàn)黑壚土長期施用無機磷肥后土壤無機磷庫顯著累積，增施有機肥處理顯著增加了土壤有機磷含量。施林林等[12]發(fā)現(xiàn)長期施無機磷肥能明顯增加太湖流域水稻土壤無機磷各組分的含量，其中以Fe-P 含量的增長最為顯著。而在對有機磷組分的研究中，趙吳瓊等[13]發(fā)現(xiàn)不施磷肥可導(dǎo)致灰漠土有機磷各組分含量下降，而GAIND 等[14]的研究結(jié)果表明施用有機肥并未增加水稻土壤總磷及有機磷含量，有機磷組分中以中穩(wěn)性有機磷和高穩(wěn)性有機磷為主要成分。

水稻是我國主要的糧食作物，其特殊的水分管理方式引起氧化還原過程交替發(fā)生，從而使得水稻土土壤磷的有效性發(fā)生改變[15]。太湖流域是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平最為發(fā)達的地區(qū)之一，也是磷肥投入較高的地區(qū)[16]，同時該地區(qū)近年來一直存在較為突出的水體富營養(yǎng)化問題。當土壤有效磷含量超過一定數(shù)值時，不僅水稻產(chǎn)量不再增加，而且磷的徑流和淋溶風險會急劇加大。王慎強等[16]在2009 年的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)太湖流域典型水稻土壤磷庫大部分已不缺磷，稻季無論施磷與否均不影響水稻產(chǎn)量。黃泥土是太湖流域總面積最大的水稻土，具有土體厚和保水供肥能力強等特點[17]。潘根興等[18]的研究發(fā)現(xiàn)太湖流域黃泥土在連續(xù)14 a低量施用無機磷肥（45 kg·hm-2·a-1，以P2O5計）后，土壤總磷含量略有下降。而太湖流域農(nóng)戶稻麥兩季均普遍施磷，且磷肥用量可高達60 kg·hm-2（以P2O5計），長期高量施磷對土壤磷庫及有效性的影響尚不明確。因此，本研究選取太湖流域黃泥土的長期定位試驗田為研究對象，研究40 a 長期高量施磷（稻麥周年55.8 kg·hm-2，以P 計）和不施磷對水稻生育期土壤磷庫、磷素形態(tài)分布及有效性的影響，以期為該區(qū)域磷肥的合理施用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本研究長期定位試驗田（始于1980 年）位于江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所（31°17′02″ N，119°54′12″E）。土壤類型為黃土沉積物發(fā)育而來的微酸性重壤質(zhì)黃泥土，試驗初始時土壤基本理化性質(zhì)：有機質(zhì)24.20 g·kg-1，全氮 1.43 g·kg-1，總磷 0.43 g·kg-1，有效磷8.40 mg·kg-1，有效鉀127 mg·kg-1，pH 6.8。試驗田所設(shè)處理具體參見文獻[19]。

本研究分別選取了蘇州長期定位試驗田的化肥氮磷鉀處理（NPK）和化肥氮鉀處理（NK）為研究對象，每個處理3 次重復(fù)，每個試驗小區(qū)面積為20 m2。蘇州長期定位試驗田水稻品種是蘇香粳100 號，氮肥用量是350 kg·hm-2，采用尿素按基肥∶返青肥∶拔節(jié)肥為4.5∶1.5∶4的比例施用，磷肥（P2O5）用量是60 kg·hm-2，用過磷酸鈣（有效P2O5含量為14%）作為基肥一次性施入。鉀肥（K2O）施用量是123 kg·hm-2，采用氯化鉀按基肥∶拔節(jié)肥為1∶1 的比例施加。其他田間管理措施與一般高產(chǎn)大田一致。

1.2 樣品的采集和測定

在水稻關(guān)鍵生育期（分蘗期、抽穗期和成熟期）內(nèi)用三點取樣法取0~20 cm 的新鮮土壤樣品放入冷藏箱并迅速帶回實驗室處理。土壤樣品充分風干后過20 目和100 目篩用于各種磷指標的測定。土壤總磷（TP）含量采用常規(guī)鉬銻抗比色法測定，土壤有效磷（AP）含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法測定。土壤無機磷分級采用CHANG 等[9]提出的方法：分別用0.5 mol·L-1NH4F 溶液提取 Al-P、0.1 mol·L-1NaOH 溶液提取 Fe-P、0.3 mol·L-1檸檬酸鈉和連二亞硫酸鈉溶液提取O-P、0.5 mol·L-1H2SO4溶液提取Ca-P。土壤有機磷分級采用Bowman-Cole 法[10]按照有機磷組分在不同濃度酸堿溶液中的溶解性分別測得活性有機磷、中活性有機磷、中穩(wěn)定有機磷和高穩(wěn)定有機磷。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 25 和Excel 2019 進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，使用Origin 2021 和GraphPad Prism 9 制圖。不同處理間各磷組分差異利用t檢驗進行比較，各組分間的相關(guān)性為Pearson相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對稻田土壤磷含量的影響

試驗田經(jīng)過40 a 的長期施磷（稻麥季均施P2O560 kg·hm-2）后，NPK 處理土壤總磷含量大幅提升，由試驗起始的430.00 mg·kg-1顯著提升到589.58 mg·kg-1，增加了37.11%，而NK 處理總磷含量則顯著下降到 260.17 mg·kg-1，僅為 NPK 處理的44.13%（圖 1a），差異達到顯著水平。土壤有效磷含量經(jīng)過長期施磷后快速累積，高達43.83~51.67 mg·kg-1，相比 NK 處理增加216.41%~239.79%，比試驗開始前顯著增加了5~6 倍，年平均增長率達到11.41%。而NK 處理的有效磷含量在 13.17~16.33 mg·kg-1之間，為 NPK 處理的29.43%~31.60%，與NPK 處理差異達到顯著水平（圖1b），與初始有效磷含量相比有所提高。

圖1 2020年水稻不同生育期土壤總磷和有效磷含量Figure 1 Total phosphorus and available phosphorus content in paddy soils at different rice growth stages in 2020

2.2 長期施磷對稻田土壤無機磷和有機磷含量及形態(tài)的影響

NPK 處理土壤無機磷含量在279.40~338.34 mg·kg-1之間，在總磷含量中占比47.97%~55.92%（表1）。如圖2a所示，水稻3個關(guān)鍵生育期都以Fe-P 為主，其在無機磷中的相對含量占比為54.83%~63.78%；其次為Ca-P，相對含量占比為13.74%~24.52%。而NK 處理土壤無機磷含量在99.98~120.55 mg·kg-1，占總磷含量的37.03%~38.97%，顯著低于NPK 處理，其形態(tài)也以Fe-P 和Ca-P 為主，相對含量分別是34.69%~46.14%和24.26%~38.55%。隨著水稻的生長，相比于分蘗期，抽穗期NPK 處理土壤Fe-P 和Al-P 含量顯著下降，Ca-P 含量顯著上升（P<0.05），NK 處理表現(xiàn)為抽穗期Fe-P 和O-P 含量顯著下降（P<0.05），Ca-P含量顯著升高（P<0.05），兩處理成熟期與抽穗期相比各無機磷組分含量變化不顯著，表明水稻生育期的磷轉(zhuǎn)化過程主要存在于其快速生長的分蘗期和抽穗期。NPK 處理各形態(tài)無機磷含量均高于NK 處理，分蘗期和抽穗期Al-P、Fe-P 和Ca-P 含量差異達到顯著水平，成熟期4 種無機磷含量均達到顯著水平。不同無機磷含量占比中，NK 處理的Fe-P 含量占比顯著低于NPK 處理，而 Ca-P 和 O-P 含量占比要高于 NPK 處理，約占50%左右，Al-P含量占比總體差異不顯著。

表1 水稻不同生育期土壤無機磷含量及形態(tài)分布（mg·kg-1）Table 1 Soil inorganic phosphorus content and speciation distribution at different rice growth stages（mg·kg-1）

圖2 水稻不同生育期不同形態(tài)無機磷和有機磷相對占比Figure 2 The relative proportions of different forms of inorganic phosphorus and organic phosphorus at different rice growth stages

NPK 處理有機磷含量為174.77~253.82 mg·kg-1（表2），分蘗期顯著高于NK 處理，其他時期的處理差異不顯著。兩處理有機磷組分以中活性有機磷和活性有機磷為主，其相對含量分別達到33.07%~47.23%和22.94%~31.82%。分蘗期NPK 處理活性有機磷和中活性有機磷含量均顯著高于NK 處理（P<0.05），而抽穗期只有中活性有機磷差異顯著（P<0.05），成熟期各組分有機磷差異均不顯著。NPK 處理分蘗期至抽穗期活性有機磷顯著降低，中活性有機磷和中穩(wěn)定有機磷略有降低，而高穩(wěn)定有機磷由46.96 mg·kg-1降低至11.07 mg·kg-1，顯著降低了76.40%（P<0.001），說明施磷處理在水稻快速生長期活性較高的有機磷被迅速轉(zhuǎn)化吸收，同時也可能存在磷活化的過程。NK 處理高穩(wěn)定有機磷在水稻不同生育期有顯著變化，抽穗期顯著下降，成熟期又有所上升（P<0.05），活性和中活性有機磷相對含量只有輕微變化，表明不施磷處理可能依靠有機磷活化獲取有效磷。與NPK 相比，分蘗期和抽穗期NK 處理的中活性有機磷占比較低，而高穩(wěn)定有機磷相對含量高于NPK 處理，其中抽穗期的處理差異顯著（P<0.05，圖2b）。

表2 水稻不同生育期土壤有機磷及其組分含量（mg·kg-1）Table 2 Contents of organic phosphorus and its components in paddy soils at different rice growth stages（mg·kg-1）

2.3 土壤磷轉(zhuǎn)化酶活性

水稻3 個關(guān)鍵生育期內(nèi)土壤酸性磷酸酶活性相對穩(wěn)定，NK 處理酸性磷酸酶活性在水稻快速生長的分蘗期（P<0.05）和抽穗期（P<0.001）均顯著高于NPK處理，成熟期高于NPK 處理但差異不顯著（圖3），表明磷酸酶對有機磷的活化作用主要發(fā)生在分蘗期和抽穗期。

圖3 水稻不同生育期土壤酸性磷酸酶活性Figure 3 Soil acid phosphatase activity at different rice growth stages

2.4 相關(guān)性分析

由圖4 可知，蘇州試驗田總磷含量與有效磷、各級無機磷和中活性有機磷顯著正相關(guān)，有效磷與各級無機磷和中活性有機磷顯著正相關(guān)，說明該地區(qū)土壤有效磷源主要是無機磷和有機磷中的中活性有機磷，其中Fe-P、Al-P 和Ca-P 與有效磷的相關(guān)性達極顯著水平（P<0.001），是最主要的有效磷源。無機磷組分與活性、中活性有機磷之間相互也存在顯著正相關(guān)關(guān)系，說明各磷組分之間存在相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。中活性有機磷僅和Al-P、Fe-P顯著正相關(guān)，表明中活性有機磷主要向兩者轉(zhuǎn)化，活性有機磷則和Al-P、Fe-P 和O-P顯著相關(guān)。

圖4 各磷組分相關(guān)性分析Figure 4 Correlation analysis of phosphorus components

2.5 長期施磷對水稻產(chǎn)量及作物吸磷量的影響

NPK處理顯著促進了水稻對磷的吸收，稻谷和秸稈磷含量均顯著高于NK 處理（P<0.05），漲幅分別為50.75%和235.29%（表3）。NPK 處理的水稻植株磷累積量為 30.78 kg·hm-2，是 NK 處理的 3.69 倍。而NPK 處理磷肥吸收利用率為37.4%，表明大部分磷被固定在土壤或流失到環(huán)境中。NK處理的水稻產(chǎn)量顯著低于NPK 處理（P<0.05），表明長期不施磷導(dǎo)致土壤磷庫的虧缺已經(jīng)影響了水稻的正常產(chǎn)量。

表3 水稻植株磷含量及產(chǎn)量Table 3 Phosphorus content and yield of rice plants

3 討論

3.1 長期施磷對稻田土壤磷含量的影響

前人研究發(fā)現(xiàn)，長期施用磷肥使土壤總磷和有效磷含量增加[20]，且增幅隨著施磷量的增加而加大[21]。本研究中對太湖流域黃泥土長期定位試驗田的結(jié)果也同樣顯示長期施磷肥（NPK）導(dǎo)致土壤總磷和有效磷含量顯著高于不施磷肥的土壤，長期施磷肥（稻麥季均為60 kg·hm-2，以P2O5計）導(dǎo)致其稻季土壤平均有效磷含量增至46.75 mg·kg-1，平均年增長率達到11.4%。魯如坤[22]認為土壤有效磷含量達到25 mg·kg-1時即能滿足作物高產(chǎn)，而土壤有效磷達到50~70 mg·kg-1時磷通過滲漏等途徑流失風險加大[23]，而南方高產(chǎn)田塊土壤有效磷高于40 mg·kg-1就已經(jīng)威脅到當?shù)厮w環(huán)境[24]，汪玉等[25]認為太湖流域典型農(nóng)田的土壤有效磷閾值為30 mg·kg-1，說明本試驗田經(jīng)過長期施磷后土壤磷流失風險急劇增加，對水環(huán)境的潛在影響較大。當前太湖流域稻麥輪作農(nóng)田平均施磷量（以P 計）為62.80 kg·hm-2·a-1，而磷平均隨作物收獲支出 38.90 kg·hm-2·a-1[15]。楊坤[26]通過對太湖流域不同施磷量（稻麥季施磷量相同）對稻麥產(chǎn)量、籽粒吸磷量及磷肥利用效率等的影響研究認為，應(yīng)當以75 kg·hm-2的施磷（P2O5）量作為該區(qū)域磷肥的最高限量施用標準。潘根興等[18]發(fā)現(xiàn)太湖地區(qū)黃泥土在連續(xù)13 a 稻季不施磷，僅旱季施無機磷肥（45 kg·hm-2，以P2O5計）的情況下，土壤總磷含量由1987 年的490 mg·kg-1降低到320 mg·kg-1，土壤磷庫出現(xiàn)了耗竭現(xiàn)象。而本研究在連續(xù)40 a 稻麥周年施磷55.8 kg·hm-2（稻麥季均60 kg·hm-2，以P2O5計）的情況下，土壤磷庫出現(xiàn)了顯著的累積現(xiàn)象，表明當前稻季的磷用量還應(yīng)適當減少。王慎強等[16]研究認為在太湖流域水稻土壤磷庫充裕的前提下，為有效降低磷流失帶來的水環(huán)境風險，可以稻季不施磷；4 a定位試驗也證實稻季不施磷可在保證稻麥高產(chǎn)的前提下有效降低10.5%~36.7%的土壤有效磷含量，從而降低徑流磷損失。具體施磷量還應(yīng)統(tǒng)籌考慮麥季施肥情況而定，黃泥土土壤磷庫降低至何種程度需要施用磷肥仍有待深入研究。

3.2 長期施磷對稻田土壤磷形態(tài)及有效性的影響

施磷肥可不同程度地增加各形態(tài)無機磷的含量及無機磷在總磷中的占比，這與以往的研究結(jié)果一致[21，27]。與不施磷相比，施磷主要增加Al-P 和Fe-P的含量及占比，這與李中陽等[28]的試驗結(jié)果一致，且Fe-P 在含量與相對占比上都是主要的無機磷組分，這可能是因為本研究試驗地的氣候原因和弱酸性的供試土壤導(dǎo)致土壤中鐵鋁離子含量較高[29]，使磷肥施入土壤后會首先轉(zhuǎn)化為Fe-P 和Al-P，其中部分Al-P也會繼續(xù)轉(zhuǎn)化為Fe-P[30]，進而使其含量和占比都大幅增加。長期施磷也使Ca-P 含量顯著增加，但與不施磷相比其相對占比卻有所下降，可能是因為Ca-P是無機磷中最容易被農(nóng)作物吸收利用的組分[31]，其優(yōu)先被作物吸收利用而導(dǎo)致其相對占比下降。施磷雖降低了O-P的相對占比但對其含量無顯著影響，說明O-P 相比其他無機磷更加穩(wěn)定，施肥對其影響較小[27]。對于有機磷組分而言，施磷可使稻田分蘗期各組分有機磷增加，其中主要增加了中活性有機磷的含量及相對占比，這與前人的研究結(jié)果一致[13，32–34]。這主要是因為施磷增加了土壤微生物的活性從而增加了其固定作用進而導(dǎo)致有機磷含量上升。總體來看，施磷對穩(wěn)定性有機磷的影響較小，其含量和相對占比的變化可能是因為微生物固定和磷酸酶或磷活化微生物的活化作用。

在土壤磷素循環(huán)中，各形態(tài)磷的相互轉(zhuǎn)化及分布情況都不同程度地影響有效磷的含量[35]。土壤不同形態(tài)磷與有效磷相關(guān)性越顯著，則認為該形態(tài)磷有效性越高，其相對有效性也越高[36]。本研究相關(guān)性分析結(jié)果顯示蘇州黃泥土試驗田有效磷與各無機磷組分均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明施磷條件下土壤無機磷是該區(qū)域有效磷的主要來源，其中Al-P、Fe-P和Ca-P與有效磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.001），說明Al-P、Fe-P 和Ca-P 是最主要的有效磷源，這與以往對紅壤性稻田磷素有效性的研究結(jié)果一致[37]，可能是因為施磷大幅增加了黃泥土中Al-P 和Fe-P 的含量，進而增加了其相對有效性，而Ca-P雖增幅較小，但由于本研究弱酸性水稻土中H+促進了磷酸鈣鹽的溶解從而增加了其有效性[27]。O-P 由于其較高的穩(wěn)定性而表現(xiàn)出較低的有效性，但也有研究表明O-P也是酸性土壤潛在的有效磷源[38]。本研究土壤中活性有機磷與有效磷顯著正相關(guān)，說明中活性有機磷可能是土壤磷酸酶等活化的主要有機磷組分，而不施磷處理的酸性磷酸酶活性在分蘗期和抽穗期均顯著高于施磷處理，以及中活性有機磷與Fe-P 和Al-P 間的顯著相關(guān)性可以支撐這一點，表明活化有機磷也是土壤有效磷的重要來源之一。

此外，不同生育期不同形態(tài)磷含量的變化也能間接說明其有效程度。與分蘗期相比，抽穗期長期施磷和不施磷處理的Fe-P 含量分別下降了52.02 mg·kg-1和17.77 mg·kg-1，降幅高達29%和32%，而Ca-P 含量上升，表明Fe-P 不斷地轉(zhuǎn)化成Ca-P 以供水稻吸收利用，F(xiàn)e-P 是黃泥土最主要的有效磷源。此外，抽穗期無論是長期施磷還是不施磷處理，活性有機磷和中活性有機磷含量與分蘗期相比均呈降低趨勢，長期施磷處理顯著降低了29.6%和21.1%，但其相對含量占比均呈現(xiàn)增加趨勢，說明兩者也是水稻的有效磷源。而兩種處理中抽穗期高穩(wěn)定有機磷的絕對含量和相對含量均明顯低于分蘗期，說明此期間在水稻根系分泌物或土壤磷酸酶等的作用下發(fā)生了穩(wěn)定性有機磷向活性有機磷甚至無機磷的轉(zhuǎn)化。尤其是不施磷處理，40 a 不施磷后土壤磷庫（總磷含量）與試驗開始相比下降了一半左右，而有效磷含量卻增加，說明高穩(wěn)定有機磷的活化起到了重要作用。成熟期中活性有機磷相對含量降低而高穩(wěn)定有機磷相對含量上升，說明此期間過多的有效磷素再次被固定成穩(wěn)定態(tài)磷，而其他微生物活動也可能導(dǎo)致活性較高的磷素之間的相互轉(zhuǎn)化。

潘根興等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，太湖流域黃泥土在低量施磷水平下，有機肥配施不僅可提高水稻產(chǎn)量，而且其磷流失率也遠低于單施化肥處理。王靜等[39]的研究發(fā)現(xiàn)有機、無機肥配施不僅顯著提高土壤有機磷含量，而且土壤磷酸酶活性及磷活化微生物豐度等也有顯著提升。楊坤[26]的研究結(jié)果表明無機磷肥合理搭配有機肥施用顯著提升了磷肥吸收利用率。因此，稻田施磷時，除了根據(jù)土壤磷素含量合理確定施磷量的同時，還應(yīng)綜合考慮采用有機肥替代（注意有機肥中的磷投入應(yīng)計算在內(nèi)）措施來增加土壤磷酸酶及磷活化微生物等的活性，從而提高磷肥利用率，降低磷流失風險。

4 結(jié)論

（1）長期施用無機磷肥顯著增加了稻田土壤總磷和有效磷含量，其中主要增加了不同形態(tài)無機磷的含量。

（2）無機磷以Fe-P 為主要成分，長期施磷顯著增加了Al-P 和Fe-P 的相對含量，降低了O-P 和Ca-P的相對含量；有機磷組分中中活性有機磷占比最高，施磷主要增加中活性有機磷的含量及占比。

（3）黃泥土稻田最主要的有效磷源是Al-P、Fe-P和Ca-P，中活性有機磷的轉(zhuǎn)化也是稻田土壤有效磷的重要來源之一，尤其在長期不施磷情況下。

（4）長期施磷（60 kg·hm-2，以P2O5計）使得黃泥土稻田磷庫累積嚴重，有效磷含量已超環(huán)境風險閾值，因此應(yīng)當合理降低磷肥施入量并適當以有機磷肥進行替代，以提高磷素利用率，降低磷流失風險。