施用糞肥對(duì)農(nóng)田土壤磷素累積和飽和度增加速率的影響

嚴(yán)正娟，陳　碩，周懷平，楊振興，陳　清*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193；2.山西省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，太原030031）

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施用糞肥對(duì)農(nóng)田土壤磷素累積和飽和度增加速率的影響

嚴(yán)正娟1，陳碩1，周懷平2，楊振興2，陳清1*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193；2.山西省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，太原030031）

摘要：針對(duì)施用糞肥導(dǎo)致的我國(guó)集約化種養(yǎng)區(qū)域農(nóng)田土壤磷素高量累積和高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，利用長(zhǎng)期定位試驗(yàn)定量分析了施用糞肥對(duì)農(nóng)田土壤磷素累積和磷飽和度（DPS，degree of P saturation）增加速率（每年1 kg P·hm-2磷素盈余所導(dǎo)致的土壤磷素含量或DPS變化量）的影響。結(jié)果表明：連續(xù)22年過(guò)量磷素投入明顯提高了土壤磷素含量和DPS，0～20 cm土層土壤磷素累積、DPS增加與磷素盈余均存在明顯的線性相關(guān)性。與單施化肥相比，施用糞肥對(duì)土壤全磷的累積速率影響不大，但是明顯提高了土壤O1sen-P累積和DPS增加速率。施用糞肥下，每年1 kg P·hm-2的磷盈余所導(dǎo)致的0～20 cm土層土壤O1sen-P、CaC12-P累積和DPS增加量分別為0.071 mg P·kg-1（r=0.608，P=0.029）、0.003 mg P·kg-1（r=0.528，P=0.066）和0.036%（r=0.863，P=0.002），分別為不施糞肥的3.3、6.0倍和1.2倍。土壤DPS變化與磷含量變化之間也存在明顯的線性關(guān)系，0～20 cm土層土壤每年全磷、O1sen-P和CaC12-P含量增加1 mg P·kg-1所導(dǎo)致的土壤DPS增加值分別為0.13%、0.42%和7.78%。20～40 cm土層土壤磷素累積、DPS增加與磷素盈余之間的線性相關(guān)性均較差，但與0～20 cm土層相比，施用糞肥和不施糞肥之間累積速率的差異性有增大的趨勢(shì)，說(shuō)明施用糞肥促進(jìn)了磷素向下層土壤的移動(dòng)。施用糞肥加速了土壤有效磷累積和DPS增加，進(jìn)而提高了土壤中磷素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)，合理施用糞肥是控制集約化種養(yǎng)區(qū)域農(nóng)田磷面源污染的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：糞肥；土壤磷；飽和度；累積速率

嚴(yán)正娟，陳碩，周懷平，等.施用糞肥對(duì)農(nóng)田土壤磷素累積和飽和度增加速率的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（6）：1110-1118.

YAN Zheng-juan，CHEN Shuo，ZHOU huai-Ping，et a1. Effects of manure aPP1ications on rates of PhosPhorus accumu1ation and PhosPhorus saturation degree increase in arab1e soi1s［J］. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（6）∶1110-1118.

我國(guó)農(nóng)田土壤磷素平衡自20世紀(jì)70年代末由虧缺轉(zhuǎn)為盈余，單位耕地面積磷盈余量從80年代初6.1 kg P·hm-2增加到目前26.1 kg P·hm-2［1］。MacDona1d等［2］分析了全球農(nóng)田磷平衡狀況，認(rèn)為我國(guó)是目前磷盈余最嚴(yán)重的國(guó)家之一。當(dāng)土壤磷素供應(yīng)不足時(shí)，磷盈余可以明顯改善農(nóng)田土壤磷素供應(yīng)，我國(guó)目前土壤磷素狀況總體處于中等或中等偏上水平［3］，但是在集約化經(jīng)濟(jì)作物種植地區(qū)，常年施用有機(jī)肥料導(dǎo)致土壤磷素累積程度嚴(yán)重，由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題尤為突出［4］。通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)?zāi)軌蛎鞔_土壤磷累積和磷素盈余之間的線性相關(guān)性［5-6］，例如Cao等［7］采用土壤O1sen-P變化，建立與化肥磷素盈余之間的線性關(guān)系，表明每年1 kg P·hm-2磷素盈余導(dǎo)致糧田表層土壤O1sen-P增加量為0.014～0.057 mg P·kg-1。這種定量關(guān)系，即累積速率，可用于預(yù)測(cè)連續(xù)施磷和種植作物條件下土壤磷素累積變化，對(duì)于合理制定磷素管理策略有很好的量化預(yù)測(cè)作用。土壤磷飽和度（DPS，degree of P satu ration）是同時(shí)考慮土壤磷水平和磷素固持能力的一個(gè)綜合指標(biāo)，與土壤磷的移動(dòng)性及其通過(guò)徑流和淋洗過(guò)程損失的磷素存在顯著的相關(guān)關(guān)系，是評(píng)價(jià)土壤磷素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)［8-11］。已有研究表明，土壤連續(xù)高量磷素累積導(dǎo)致了土壤磷飽和度顯著增加，迅速增加了磷素在土壤中的移動(dòng)性［12-14］。因此，建立土壤磷飽和度變化和磷素盈余之間的定量關(guān)系，可為直接預(yù)測(cè)農(nóng)田土壤磷素累積的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供支持。

隨著養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，施用糞肥是減少養(yǎng)殖場(chǎng)污染、替代化肥和實(shí)現(xiàn)化肥減施的關(guān)鍵途徑。然而，長(zhǎng)期大量施用糞肥是導(dǎo)致土壤中磷素累積的重要原因［4，15-17］。施用糞肥除了可以增加土壤磷庫(kù)外，同時(shí)也能改變土壤理化性質(zhì)、土壤生物和非生物過(guò)程，促進(jìn)土壤中不同形態(tài)磷之間的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響磷素在土壤中的移動(dòng)性。由于糞肥中的腐植酸與Ca、Fe和A1形成螯合物，或通過(guò)腐植酸及小分子有機(jī)酸等與磷酸根離子競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，施用糞肥可減少磷素固定，促進(jìn)磷素釋放［18-20］；糞肥帶入的鈣鎂、分解過(guò)程產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸以及對(duì)土壤PH的緩沖作用等均會(huì)影響磷素的沉淀-溶解過(guò)程，促進(jìn)磷素轉(zhuǎn)化［21-24］；糞肥本身會(huì)帶入一些微生物和酶，同時(shí)碳源物質(zhì)和其他養(yǎng)分的添加，也能刺激土壤微生物活性，促進(jìn)有機(jī)磷轉(zhuǎn)化［25-27］。這些轉(zhuǎn)化過(guò)程必然影響土壤磷累積和DPS增加與磷素盈余之間的定量關(guān)系。施用糞肥在減少土壤對(duì)磷素的固定作用、維持更高的土壤活性磷的同時(shí)，卻導(dǎo)致磷素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)更高［13，28-29］。因此，本研究基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，對(duì)比分析了施用和不施糞肥情況下，土壤磷累積和DPS增加與磷素盈余之間的定量關(guān)系，揭示施用糞肥對(duì)土壤磷素累積和飽和度增加速率的影響，為合理地管理農(nóng)田磷養(yǎng)分、降低面源污染提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試地點(diǎn)及土壤

試驗(yàn)位于山西省壽陽(yáng)縣宗艾鎮(zhèn)宗艾村北坪地（東經(jīng)113°06＇39″、北緯37°58＇24″，海拔1130 m）。土壤類型為褐土（褐土性土），成土母質(zhì)為馬蘭黃土，黃土臺(tái)塬。1992年4月試驗(yàn)開始時(shí)土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見(jiàn)表1和表2。

1.2作物種植和田間管理

供試作物為春玉米，一年一作，4月15—28日播種，9月20日—10月10日收獲。1992—1996年供試品種煙單14號(hào)，1997—2003年供試品種晉單34號(hào)，2004—2011年供試品種強(qiáng)盛31號(hào)，種植密度為每公頃4.95～5.25萬(wàn)株；2012—2013年供試品種晉單81號(hào)，種植密度為每公頃6.60萬(wàn)株。

1.3試驗(yàn)處理

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用氮、磷和有機(jī)肥三因素四水平正交設(shè)計(jì)，另設(shè)對(duì)照和高量糞肥區(qū)，共18個(gè)處理（表3），小區(qū)面積66.7 m2，試驗(yàn)用地總面積1800 m2。糞肥為干牛糞，歷年氮、磷、鉀的平均含量分別為4.45 g N·kg-1、0.62 g P·kg-1和20.2 g K·kg-1，所用氮肥和磷肥分別為尿素（46%N）和過(guò)磷酸鈣（14%P2O5）。秋季結(jié)合耕翻地將肥料一次施入。

表1　1992年土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)Tab1e 1 Soi1 Physica1 ProPerties in 1992

表2　1992年土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)Tab1e 2 Soi1 chemica1 ProPerties in 1992

表3　1992—2013年玉米長(zhǎng)期定位試驗(yàn)糞肥和化肥施用處理Tab1e 3 Manure and chemica1 ferti1izer treatments in 1ong-term maize exPeriment from 1992 to 2013

1.4樣品采集和分析

于2013年玉米收獲后分別采集0～20 cm和20～40 cm土層土樣，同時(shí)收集了1992年的基礎(chǔ)樣品和歷年作物養(yǎng)分帶走量數(shù)據(jù)（養(yǎng)分帶走量由植株干重和含磷量計(jì)算而得）。測(cè)定了土壤樣品含水量、全磷、O1sen-P、CaC12-P和DPS。土壤含水量采用烘干法（105℃下烘24 h）測(cè)定；全磷采用H2SO4-H2O2消化-鉬銻抗比色法測(cè)定［30］；O1sen-P用0.5 mo1·L-1NaHCO3（PH 8.5）溶液提?。ㄍ了?∶20）后采用鉬銻抗比色法測(cè)定［31］；CaC12-P用0.01 mo1·L-1CaC12溶液提?。ㄍ了?∶5）后采用孔雀綠比色法測(cè)定［32-33］。

薛巧云［34］對(duì)北方和西北地區(qū)75個(gè)石灰性土壤進(jìn)行研究，得到DPS與土壤P、Ca、Mg含量的定量關(guān)系式：

DPS（%）=（M3-P）/［（0.039（M3-Ca）+0.462（M3-Mg）］×100

式中：M3-P、M3-Ca、M3-Mg分別為用M3浸提液提?。?.20 mo1·L-1HOAc-0.25 mo1·L-1NH4NO3-0.015 mo1· L-1NH4F-0.013 HNO3-0.001 mo1·L-1EDTA），ICP測(cè)定的土壤P、Ca和Mg含量，mmo1·kg-1。

土壤磷素變化（mg P·kg-1·a-1）=（Pend-Pinitia1）/22

式中：Pend和Pinitia1分別為2013年玉米收獲后和1992年試驗(yàn)開始時(shí)土壤全磷、O1sen-P、CaC12-P含量，mg P·kg-1。

土壤DPS變化（%·a-1）=（Dend-Dinitia1）/22

式中：Dend和Dinitia1分別為2013年玉米收獲后和1992年試驗(yàn)開始時(shí)土壤DPS值，%。

DPS、O1sen-P與流失磷（徑流或淋洗液）或水溶性磷（H2O-P或CaC12-P）之間均存在一個(gè)拐點(diǎn)值，當(dāng)DPS、O1sen-P高于各自拐點(diǎn)值時(shí)，流失磷或水溶性磷含量隨DPS、O1sen-P增加急劇增加，進(jìn)而加大了磷素進(jìn)入水體的風(fēng)險(xiǎn)［33，35-36］，此拐點(diǎn)值則為土壤磷的環(huán)境閾值。

1.5統(tǒng)計(jì)分析

本研究利用Microsoft Exce1 2010對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)建立和分析。分別運(yùn)用SAS（Version 9.3，SAS Institute，2011）和SigmaP1ot（Version 10.0，Systat Software Inc.，2006）軟件進(jìn)行相關(guān)分析的顯著性檢驗(yàn)和分段線性方程擬合。

2　結(jié)果與分析

2.1施用糞肥對(duì)土壤磷素盈余和累積的影響

基于本試驗(yàn)歷年玉米收獲后采集的土樣測(cè)定值，分別以DPS和O1sen-P為橫坐標(biāo)、CaC12-P為縱坐標(biāo)，采用分段線性模型，確定該土壤條件下DPS和O1sen-P的環(huán)境閾值分別為47.0%和72.2 mg P·kg-1（圖1）。由表4可以看出，連續(xù)22年過(guò)量磷素養(yǎng)分投入明顯提高了土壤磷素含量和DPS。施用糞肥明顯增加了磷素盈余，導(dǎo)致0～40 cm土層土壤中全磷、O1sen-P、CaC12-P和DPS含量明顯提高。在磷素盈余量相近的處理中，糞肥投入量越高，土壤O1sen-P、CaC12-P和DPS越高。在施用糞肥下，0～20 cm土層土壤中除22.5 t·hm-2糞肥處理外，其他處理中O1sen-P 和DPS值均超過(guò)了土壤磷的環(huán)境閾值，高糞肥投入處理20～40 cm土層土壤中的O1sen-P和DPS值也超過(guò)了土壤磷的環(huán)境閾值。在單施化肥處理中，僅在年盈余量為47 kg P·hm-2的處理中，0～20 cm土層土壤中DPS超過(guò)了47.0%。由此可以看出糞肥投入極大提高了土壤O1sen-P含量和DPS，增加了磷素的淋失風(fēng)險(xiǎn)。

圖1　土壤O1sen-P和DPS與土壤CaC12-P的相關(guān)關(guān)系Figure 1 Re1ationshiP between O1sen-P，DPS and CaC12-P in soi1

2.2施用糞肥對(duì)土壤磷素累積速率的影響

2.2.1對(duì)土壤全磷累積速率的影響

0～20 cm土層土壤全磷和磷素盈余存在明顯的線性相關(guān)性（P＜0.01）。施用糞肥和不施糞肥情況下，每年1 kg P·hm-2磷素盈余所導(dǎo)致的0～20 cm土層全磷增加量分別為0.325 mg P·kg-1（r=0.894，P＜0.000 1）和0.334 mg P·kg-1（r=0.966，P=0.007 3）（圖2）。施用糞肥對(duì)0～20 cm土壤全磷的累積速率影響不大，但有提高20～40 cm土壤全磷累積速率的趨勢(shì)。這應(yīng)該與施用糞肥增加了土壤O1sen-P，促進(jìn)磷素向下層土壤移動(dòng)有關(guān)。

2.2.2對(duì)土壤O1sen-P和CaC12-P累積速率的影響

0～20 cm土層土壤O1sen-P累積和磷素盈余存在明顯的線性相關(guān)性（P＜0.05）。施用糞肥情況下，每年1 kg P·hm-2磷素盈余所導(dǎo)致的0～20 cm土層土壤O1sen-P的增加量為0.071 mg P·kg-1（r=0.608，P=0.029），為不施糞肥情況下的3.3倍（圖3）。在20～40 cm土層土壤中O1sen-P累積和磷素盈余的線性相關(guān)性不顯著，但施用糞肥和不施糞肥之間累積速率的差異性有增大的趨勢(shì)。0～40cm土層土壤CaC12-P累積和磷素盈余的線性相關(guān)性不顯著，但是施用糞肥顯著增加了CaC12-P的累積速率（圖4）。這種差異性比施用糞肥和不施糞肥情況下O1sen-P累積的差異更大。

表4　不同處理下1992—2013年磷素平衡年平均值（kg P·hm-2·a-1）、2013年土壤含水量（%）、磷養(yǎng)分含量（mg P·kg-1）和DPS（%）Tab1e 4 Mean annua1 P ba1ance of 1992—2013（kg P·hm-2·a-1），and soi1 water content（%），P content（mg P·kg-1）and DPS（%）of 2013 in different treatments

圖2　1992—2013玉米長(zhǎng)期定位試驗(yàn)土壤全磷變化量和磷盈余之間的相關(guān)性Figure 2 Re1ationshiP between changes of soi1 tota1 P and P surP1us in 1ong-term maize exPeriment from 1992 to 2013

2.3施用糞肥對(duì)土壤DPS增加速率的影響

大量磷素盈余導(dǎo)致磷素在土壤中的累積，顯著增加了土壤DPS。0～20 cm土層土壤DPS增長(zhǎng)速率和磷素盈余存在明顯的線性相關(guān)性（P＜0.05）。在施用糞肥和不施糞肥情況下，每年1 kg P·hm-2磷素盈余所導(dǎo)致的0～20 cm土層土壤DPS增加分別為0.036%（r= 0.863，P=0.002）和0.029%（r=0.924，P=0.023）（圖5）。施用糞肥提高了土壤DPS增加速率，為不施糞肥的1.2倍。20～40 cm土層土壤施用糞肥和不施糞肥之間DPS增加速率的差異性增加。

圖3　1992—2013玉米長(zhǎng)期定位試驗(yàn)土壤O1sen-P變化量和磷盈余之間的相關(guān)性Figure 3 Re1ationshiP between changes of soi1 O1sen-P and P surP1us in 1ong-term maize exPeriment from 1992 to 2013

圖4　1992—2013玉米長(zhǎng)期定位試驗(yàn)土壤CaC12-P變化量和磷盈余之間的相關(guān)性Figure 4 Re1ationshiP between changes of soi1 CaC12-P and P surP1us in 1ong-term maize exPeriment from 1992 to 2013

圖5　1992—2013玉米長(zhǎng)期定位試驗(yàn)土壤DPS變化量和磷盈余之間的相關(guān)性Figure 5 Re1ationshiP between changes of soi1 DPS and P surP1us in 1ong-term maize exPeriment from 1992 to 2013

進(jìn)一步對(duì)0～20 cm土層土壤磷含量變化與DPS變化進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，兩者也存在明顯的線性關(guān)系（圖6）。每年土壤全磷、O1sen-P和CaC12-P含量增加1 mg P·kg-1所導(dǎo)致的土壤DPS增加值為0.13%（r=0.973，P＜0.000 1）、0.42%（r=0.917，P＜0.000 1）和7.78%（r=0.777，P=0.000 2）。土壤O1sen-P增加極大地促進(jìn)了DPS增加，進(jìn)而增加了土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)。施用糞肥導(dǎo)致土壤O1sen-P累積速率顯著增加，導(dǎo)致DPS增加速率更大。從0～20 cm土層的結(jié)果來(lái)看，在施用糞肥情況下，O1sen-P的累積速率為不施糞肥的3.3倍，而DPS的增加速率為不施糞肥的1.2倍。DPS的增加速率低于O1sen-P的累積速率，可能與糞肥施用帶入部分鈣、鎂等影響了土壤最大吸附量有關(guān)。

圖6　1992—2013玉米長(zhǎng)期定位試驗(yàn)0～20 cm土層土壤磷含量變化和DPS變化之間的相關(guān)性Figure 6 Re1ationshiP between changes of soi1 P content and changes of DPS in 0～20 cm soi1 dePth in 1ong-term maize exPeriment from 1992 to 2013

3　討論

本研究結(jié)果表明，施用糞肥對(duì)土壤全磷累積速率影響不大，但是明顯提高了土壤O1sen-P的累積速率。除了自身帶入的磷素增加土壤磷庫(kù)外，糞肥施用還通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)和土壤生物和非生物過(guò)程，促進(jìn)土壤磷不同形態(tài)間的轉(zhuǎn)化。很多研究表明，施用糞肥增加了不穩(wěn)定態(tài)磷的含量及其在全磷中的比例［37-38］?；诒狙芯恐械亩ㄎ辉囼?yàn)，我們選取M0N0P0、M0N4P4、M2N4P2和M4N0P0四個(gè)處理運(yùn)用修正的Hed1ey磷分組方法測(cè)定的結(jié)果也表明，連續(xù)22年施用糞肥增加了不穩(wěn)定態(tài)磷和中穩(wěn)定態(tài)磷在全磷中的比例，而降低了穩(wěn)定態(tài)磷在全磷中的比例［39］。施用糞肥增加不穩(wěn)定態(tài)磷的原因，一方面是由于糞肥中超過(guò)40%的磷為不穩(wěn)定態(tài)磷［40］，其施入直接增加了該部分磷庫(kù)；另一方面糞肥施入促進(jìn)了一些穩(wěn)定態(tài)磷向不穩(wěn)定態(tài)磷的轉(zhuǎn)化，其主要機(jī)制包括：（1）腐植酸與Ca、Fe和A1形成螯合物，釋放其中的磷；（2）腐植酸和有機(jī)酸與磷酸根離子競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，腐植酸也可以和磷酸鹽競(jìng)爭(zhēng)針鐵礦表面的吸附位點(diǎn)，解吸部分無(wú)機(jī)磷；（3）在膠體上形成保護(hù)膜，降低對(duì)磷的吸附；（4）形成腐植酸-（Fe/A1）-P復(fù)合體，提高磷的移動(dòng)性［18-20］。因此，施用糞肥顯著提高了O1sen-P的累積速率。Cao等［7］基于我國(guó)不同區(qū)域7個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，每年1 kg P·hm-2磷素（不施糞肥）盈余所導(dǎo)致的0～20 cm土層土壤O1sen-P增加量為0.014～0.057 mg P·kg-1。O1sen-P累積速率受區(qū)域、作物和土壤性質(zhì)等因素的影響，存在較大的變異性。本文在我國(guó)北方石灰性土壤上的研究結(jié)果表明，施用糞肥情況下每年1 kg P·hm-2的盈余所導(dǎo)致的0～20 cm土層土壤O1sen-P的累積速率為0.071 mg P·kg-1（r=0.608，P=0.029），為不施糞肥（單施化肥）的3.3倍（圖3）。施用糞肥顯著提高了土壤O1sen-P累積速率，然而由于作物體系、土壤性質(zhì)等的差異，不同區(qū)域施用糞肥對(duì)土壤磷素累積的影響程度和磷素轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制不同，進(jìn)一步研究不同區(qū)域、不同類型土壤中施用糞肥對(duì)土壤磷素累積速率的影響，對(duì)于區(qū)域磷素管理具有重大意義。

土壤O1sen-P、CaC12-P和DPS是表征磷素?fù)p失的有效指標(biāo)，本文的研究結(jié)果表明，施用糞肥顯著提高了O1sen-P、CaC12-P和DPS的增加速率，極大地提高了土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)。在施用糞肥下，0～20 cm土層土壤除22.5 t·hm-2糞肥處理外，其他處理中土壤O1sen-P和DPS值均超過(guò)了土壤磷的環(huán)境閾值（O1sen-P：72.2mg P·kg-1；DPS：47.0%。表4）。土壤DPS是同時(shí)考慮土壤磷水平和磷素固持能力的一個(gè)綜合指標(biāo)，與土壤徑流和淋洗液中的磷存在顯著正相關(guān)關(guān)系，是評(píng)價(jià)土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的良好指標(biāo)［8-10］。SharP1ey［8］的研究表明，徑流中磷的含量與DPS的相關(guān)性（r2=0.86）比其與M3-P的相關(guān)性（r2=0.28）更高。土壤DPS是指土壤膠體上已吸附磷量（Psorbed）占土壤最大吸附量（Pmax）的百分?jǐn)?shù)［8，41］。DPS存在一個(gè)拐點(diǎn)值，當(dāng)DPS高于拐點(diǎn)值時(shí)，流失磷或水溶性磷的含量隨DPS的增加急劇增加，此拐點(diǎn)值則為DPS的臨界值。本研究結(jié)果表明在施用糞肥情況下，每年1 kg P·hm-2磷盈余所導(dǎo)致的0～20 cm土層土壤DPS增加值為0.036% （r=0.863，P=0.002。圖5），為不施糞肥的1.2倍。每年土壤全磷、O1sen-P和CaC12-P增加1 mg P·kg-1所導(dǎo)致的土壤DPS增加值分別為0.13%、0.42%和7.78%（圖6）。由此可以看出，土壤DPS受不穩(wěn)定態(tài)磷素的影響更大。糞肥施用促進(jìn)了磷素向不穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加了土壤DPS和淋失風(fēng)險(xiǎn)。但是從0～20 cm土層土壤的結(jié)果來(lái)看，在施用糞肥情況下，O1sen-P的累積速率為不施糞肥的3.3倍，而DPS的增加速率為不施糞肥的1.2倍。DPS的增加速率低于O1sen-P的累積速率，這可能與糞肥施用帶入部分鈣、鎂等影響了土壤最大吸附量有關(guān)。在石灰性土壤中，Ca2+和Mg2+是影響磷吸附、解吸的關(guān)鍵因素［42］。

隨著畜牧業(yè)的迅猛發(fā)展，目前我國(guó)具有巨大的糞肥養(yǎng)分資源，合理循環(huán)利用這些豐富的養(yǎng)分資源不僅節(jié)約大量的化肥資源，而且極大地避免廢棄物進(jìn)入水體而成為重要的污染源，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。然而由于城鎮(zhèn)化發(fā)展拉動(dòng)了畜牧業(yè)向大城市及其周邊集中，高密度畜禽養(yǎng)殖區(qū)缺乏足夠土地消納能力，畜禽養(yǎng)殖廢棄物排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了農(nóng)田承載標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)田特別是城市近郊氮磷養(yǎng)分負(fù)荷很高，面源污染問(wèn)題非常嚴(yán)重。相對(duì)于作物吸收P/N而言，糞肥中P/N比例更高，由此所導(dǎo)致的農(nóng)田土壤磷素累積現(xiàn)象尤為突出［15-17，43］。而在實(shí)際生產(chǎn)中，農(nóng)民通常僅將大量糞肥作為土壤改良劑，忽略了糞肥在養(yǎng)分供應(yīng)方面的作用，因此在大量施用糞肥的基礎(chǔ)上，仍然施用大量化肥。與化肥相比，糞肥可以在很大程度減少土壤對(duì)磷素的固定作用，維持更高的活性磷，具有更大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因此合理的施用糞肥是控制集約化種養(yǎng)區(qū)域農(nóng)田面源污染的關(guān)鍵。面對(duì)我國(guó)磷礦資源缺乏和畜牧業(yè)快速發(fā)展的局面，在集約化種植體系下根據(jù)作物需求嚴(yán)格控制化肥磷的投入，合理循環(huán)利用糞肥磷資源，是減少環(huán)境養(yǎng)分損失，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要途徑。

4　結(jié)論

（1）連續(xù)22年高量糞肥（≥45.0 t·hm-2）施用導(dǎo)致0～20 cm土層土壤中DPS和O1sen-P超過(guò)了環(huán)境閾值，表現(xiàn)出很大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

（2）0～20 cm土層土壤磷素累積和DPS增加均與磷素盈余存在明顯的線性相關(guān)性。施用糞肥對(duì)土壤全磷的累積速率影響不大，但是明顯提高了土壤有效磷累積和DPS增加速率。

（3）土壤DPS變化與磷含量變化之間也存在明顯的線性關(guān)系，且受O1sen-P含量變化的影響更大。

（4）20～40 cm土層土壤磷素累積和DPS增加與磷素盈余之間的線性相關(guān)性均較差，但是與0～20 cm土層相比，施用糞肥和不施糞肥之間累積速率的差異性有增大的趨勢(shì)，說(shuō)明施用糞肥促進(jìn)了磷素向下層土壤的移動(dòng)。

（5）施用糞肥加速了土壤O1sen-P累積和DPS增加，進(jìn)而提高了土壤磷素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)，合理施用糞肥是控制集約化種養(yǎng)區(qū)域農(nóng)田磷面源污染的關(guān)鍵。

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Effects of manure applications on rates of phosphorus accumulation and phosphorus saturation degree increase in arable soils

YAN Zheng-juan1，CHEN Shuo1，ZHOU huai-Ping2，YANG Zhen-xing2，CHEN Qing1*
（1.Co11ege of Resources and Environmenta1 Sciences，China Agricu1tura1 University，Beijing 100193，China；2.Institute of Agricu1tura1 Environment and Resource，Shanxi Academy of Agricu1ture Sciences，Taiyuan 030031，China）

Abstract：In intensive farming regions of China，high rates of manure aPP1ications to arab1e fie1d over years have caused high PhosPhorus （P）accumu1ation in soi1 and the associated environmenta1 risks. Here a 1ong-term fie1d exPeriment was conducted to quantify the effects of manure aPP1ications on rates of soi1 P accumu1ation and the degree of P saturation（DPS）increase，i.e.，the increment in soi1 P content or DPS Per 1 kg P surP1us，in an effort to deve1oP guide1ines for rationa1 P management and non-Point source Po11ution reduction. Resu1ts showed that 22 years of continuous excessive P inPuts increased soi1 P content and DPS. In 0～20 cm soi1 dePth，soi1 P and DPS increased 1inear1y with increasing P surP1us. ComPared with sing1e chemica1 ferti1izer aPP1ication，manure incorPoration had no significant effects on the ratios of soi1 tota1 P increments to P surP1us increments，but significant1y increased the ratios of soi1 avai1ab1e P and DPS to P surP1us increments. The increases in soi1 O1sen-P，CaC12-P，and DPS Per 1 kg P surP1us were 0.071 mg P·kg-1（r=0.608，P=0.029），0.003 mg P·kg-1（r=0.528，P=0.066），and 0.036%（r=0.863，P=0.002）in the 0～20 cm soi1 dePth under manure incorPorations each year，which were 3.3-，6.0- and 1.2-fo1d greater than those under sing1e chemica1 ferti1izer aPP1ication，resPective1y. The changes of soi1 DPS a1so increased 1in-ear1y with the changes of soi1 P. In the 0～20 cm soi1 dePth，the increments in DPS Per 1 mg P·kg-1increase in tota1 P，O1sen-P，and CaC12-P were 0.13%，0.42%，and 7.78%，each year，resPective1y. In 20～40 cm soi1 dePth，there was no significant 1inear corre1ation between the increases of soi1 P，DPS and P surP1us. However，the difference of increase rates between manure incorPoration and sing1e chemica1 ferti1izer aPP1ication tended to be greater in 20～40 cm soi1 dePth than in 0～20 cm dePth，suggesting that manure aPP1ications favored the movement of P to subsoi1. Manure aPP1ications acce1erated the increases of soi1 avai1ab1e P and DPS，which in turn Promoted the 1osses of P. In conc1usion，rationa1 manure management is the key to mitigating non-Point source Po11ution in intensive farming areas.

Keywords：manure；soi1 PhosPhorus；saturation degree；accumu1ation rate

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-2043（2016）06-1110-09 doi∶10.11654/jaes.2016.06.013

收稿日期：2015-12-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571281）；國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201203030-08-03）

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)正娟（1985—），女，四川平武人，博士，主要從事土壤磷素循環(huán)與面源污染研究。E-mai1：juanyz3749@163.com

*通信作者：陳清E-mai1：qchen@cau.edu.cn