冬小麥–夏休閑體系作物產(chǎn)量和土壤磷形態(tài)對長期施肥的響應(yīng)

金 欣，姚 珊，Batbayar Javkhlan，賈麗潔，張樹蘭*，楊學(xué)云*

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海西寧 810001）

磷是植物生長必需的三大營養(yǎng)元素之一，隨有機(jī)肥或化學(xué)肥料進(jìn)入土壤后，在土壤中發(fā)生各種物理、化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致其有效性大幅降低。據(jù)估計(jì)，施入土壤中的磷素至少有70%～90%與Fe、Al和Ca結(jié)合固定而失去或很大程度上降低了植物有效性[1]。因此，磷的當(dāng)季利用率一般低于20%[2]。在實(shí)踐中，為了保證作物產(chǎn)量，磷肥的施用量一般都遠(yuǎn)大于需求量，從而導(dǎo)致土壤中磷素累積。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2010年中國土壤磷的盈余已增長至P 40.8 kg/(hm2·a)[3]。有機(jī)肥施用導(dǎo)致的土壤中磷素累積尤為嚴(yán)重，陜西關(guān)中平原20年有機(jī)無機(jī)肥配施磷盈余量最高達(dá)4265 kg/hm2[4]。盡管盈余在土壤中的磷可通過難溶態(tài)磷的溶解、吸附態(tài)磷的解吸和有機(jī)磷的礦化過程轉(zhuǎn)化成有效態(tài)磷供植物利用，但其量一般不足以支撐作物對磷素的需要。施磷可維持土壤中高比例的可利用態(tài)磷，改善作物磷營養(yǎng)和提高產(chǎn)量[5–6]，但也可能通過侵蝕、徑流和淋失進(jìn)入水體，不僅降低了磷肥利用效率，浪費(fèi)了有限的磷礦資源，而且造成水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題[7]。因此，研究不同肥料管理措施下土壤磷形態(tài)和有效性，有助于根據(jù)土壤、耕作、作物和氣候因素等制定綜合肥料管理措施，防止過量施用磷肥，減少資源浪費(fèi)，降低土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)。

由于土壤磷形態(tài)復(fù)雜，且處于動態(tài)平衡之中，一般采用磷素分級的方法來定性定量地評價(jià)。石灰性土壤上應(yīng)用最久、最多的方法是張守敬?杰克森法[8]及改進(jìn)的蔣柏藩?顧益初法[9]。但該方法不足之處在于未能包含有機(jī)形態(tài)磷，后者盡管在石灰性土壤上含量低于25%[10]，但在磷素較低的情況下，是一個(gè)重要的磷源，即使是難溶于水的有機(jī)磷經(jīng)礦化轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷對作物磷吸收的促進(jìn)作用也不容忽視[11]。尤其是微生物磷在磷素循環(huán)中發(fā)揮主導(dǎo)作用，對作物難以利用的無機(jī)形態(tài)磷的活化利用有重要貢獻(xiàn)[12]。Tiessen和Moir[13]改進(jìn)的Hedley法[14]兼顧了土壤無機(jī)磷和有機(jī)磷形態(tài)及作物有效性，可定性、定量地評價(jià)土壤磷形態(tài)，是目前采用較多的一種方法。該方法根據(jù)植物有效性的不同，將磷形態(tài)分為可利用態(tài)(Resin-P，NaHCO3-Pi、-Po)，中等可利用態(tài) (NaOHPi、-Po) 和難利用態(tài) (C.&D. HCl-Pi，C. HCl-Po，Residual-P)[15]。該方法廣泛應(yīng)用于評價(jià)土壤磷形態(tài)在成土過程中的變化以及土壤類型、作物體系、耕作方式和施肥管理等因素對磷組分的影響等研究[15–17]。土壤磷形態(tài)及有效性受多種因素影響，其中施肥影響最直接、最顯著。長期施化學(xué)磷肥和有機(jī)肥均可不同程度地增加土壤可利用態(tài)和中等可利用態(tài)無機(jī)磷含量[16–19]。但施肥對土壤有機(jī)磷組分的影響在不同土壤上存在很大差異，如對沖積土[18]、紅壤[19]、火山灰土[20]的報(bào)道均有不同。即使在石灰性土壤上，不同氣候條件下結(jié)果也不盡一致。Yan等[17]研究表明，施有機(jī)肥增加了土壤總有機(jī)磷含量 (Po)，主要增加H2O-Po和NaOH-Po含量。Kashem等[21]研究表明，添加不同的有機(jī)肥不影響或增加了NaOH-Po含量。Zhang等[22]的研究認(rèn)為，施化學(xué)磷肥不影響總有機(jī)磷含量，NaOH-Po在試驗(yàn)的10年間未發(fā)生變化，NaHCO3-Po在試驗(yàn)的第7年到第10年顯著降低。Vu等[23]研究表明，隨著化學(xué)磷肥施用量的增加，土壤有機(jī)磷組分有下降的趨勢。研究結(jié)果的不一致一方面是由于施有機(jī)肥、作物殘留等原因?qū)е掠袡C(jī)碳投入不同，影響了有機(jī)磷礦化。另一方面是由于氣候差異造成的。不同的作物組合和耕作方式也影響磷形態(tài)分布，合理的輪作方式也是提高土壤磷素有效性的重要途徑之一。Priyadarshi等[24]在石灰性土壤上研究表明，水稻?小麥體系的NaOH-Pi和D. HCl-Pi含量顯著高于玉米?小麥和玉米?玉米體系。McKenzie等[25]在黑鈣土上的研究表明，小麥?休閑輪作體系NaHCO3-Po和NaOH-Po含量顯著高于小麥連作。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在“國家黃土肥力和肥料效益監(jiān)測基地”進(jìn)行，位于黃土高原南部的陜西省楊凌示范區(qū)(34°17′51″N、108°00′48″E，海拔 534 m)。試驗(yàn)點(diǎn)的平均氣溫13℃，年降水量550 mm，且降水主要集中在6—9月。供試土壤為粉砂粘壤土，屬于旱耕土墊人為土，黃土母質(zhì)。試驗(yàn)開始前種植了三季作物勻地，均不施任何肥料。第三季作物收獲后 (1990年)，在每個(gè)小區(qū)多點(diǎn)采集0—20 cm的基礎(chǔ)混合土樣，進(jìn)行基本理化性質(zhì)分析。土壤有機(jī)碳含量(7.31 ± 0.32) g/kg(CV 4.42%)、全氮 (0.93 ± 0.04) g/kg (CV 4.58%)、全磷 (0.73 ± 0.32) g/kg (CV 4.42%)、有效磷 (6.65 ± 0.53) mg/kg(CV 8.18%)、pH 8.62 (水土比為2.5∶1)、容重1.33 g/cm3、孔隙度49.6%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于1990年。共設(shè)7個(gè)處理：1) 對照處理 (CK)，不施用化肥和有機(jī)肥；2) 氮處理 (N)，施用化學(xué)氮肥；3) 氮鉀處理 (NK)，施用化學(xué)氮、鉀肥；4) 磷鉀處理 (PK)，施用化學(xué)磷、鉀肥；5) 氮磷處理 (NP)，施用化學(xué)氮、磷肥；6) 氮磷鉀處理(NPK)，施用化學(xué)氮、磷、鉀肥；7) 氮磷鉀+有機(jī)肥處理 (MNPK)，施用化學(xué)氮、磷、鉀肥配施有機(jī)肥。小麥生長期內(nèi)施肥量分別為N 135 kg/hm2、P 47.1 kg/hm2、K 56 kg/hm2。MNPK中N來自有機(jī)肥和無機(jī)肥的比例為7∶3，按N含量折合施用牛糞，隨其施入的磷鉀量未計(jì)入。有機(jī)肥中氮含量為(1.71 ±0.87)% (SD)，平均干重 7.37 t/hm2± 4.95 (SD)。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。有機(jī)肥和化肥均于秋播小麥時(shí)一次施入。小區(qū)面積為399 m2(21 m × 19 m)，由于試驗(yàn)為大區(qū)試驗(yàn)，基于實(shí)踐考慮，未設(shè)重復(fù)。一方面，試驗(yàn)地近百年來實(shí)行同樣的肥料管理和作物種植系統(tǒng)；其次，試驗(yàn)開始前連續(xù)種植冬小麥和夏玉米三年勻地，主要肥力指標(biāo)測定結(jié)果顯示各小區(qū)空間異質(zhì)性很小。因此，可以認(rèn)為試驗(yàn)所有變異均來源于處理[28]。試驗(yàn)實(shí)行冬小麥?夏休閑種植，生長期內(nèi)無灌溉；作物收獲后秸稈移走，其它田間管理與當(dāng)?shù)亓?xí)慣相同。

1.3 樣品采集與分析

2010年小麥?zhǔn)斋@后，將每個(gè)處理小區(qū)劃分為三個(gè)區(qū)域，作為3次重復(fù)進(jìn)行采樣。在每個(gè)區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)取0—20 cm土壤混合樣。樣品去除植物殘?bào)w及根系，風(fēng)干過1 mm篩進(jìn)行土壤磷素分級。

土壤磷素分級采用Tiessen-Moir修正的Hedley磷素分級方法[13]，該方法將土壤磷分為Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、D.HCI-Pi、C.HCl-Pi、C.HCl-Po 和 Residual-P 共計(jì)9種磷形態(tài)。簡要提取基本步驟如下：稱取0.5000 g風(fēng)干土樣置于50 mL離心管中，順次用1.00 g陰離子交換樹脂加30 mL去離子水、0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)、0.1 mol/L NaOH、1 mol/L 稀鹽酸 (HCl)、濃鹽酸分別提取，每次提取振蕩時(shí)間為16 h，每次提取后離心，過濾分離懸液。樹脂去離子水、稀HCl提取物中的磷用鉬藍(lán)比色法直接測定[29]；NaHCO3、NaOH和濃HCl提取物中的磷包括有機(jī)磷和無機(jī)磷兩種形態(tài)，用鉬藍(lán)比色法測定溶液中無機(jī)磷含量，同時(shí)，取一定體積樣品用過硫酸銨?硫酸消化，然后測定溶液中的總磷，二者之差為有機(jī)磷含量。提取后最后剩余的土用濃硫酸與雙氧水進(jìn)行消化，用鉬藍(lán)比色法測得殘余態(tài)磷 (Residual-P)。

植株籽粒和秸稈中的磷濃度通過濃硫酸和雙氧水消化后用鉬藍(lán)比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

磷投入和磷攜出是20年 (1990—2010) 大田試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算公式為：磷表觀平衡 = 磷投入 ? 磷攜出，公式中的磷投入包括化肥、有機(jī)肥、降水以及種子中所含的磷。磷攜出為作物收獲后隨地上部移出的磷，包括小麥籽粒和秸稈兩部分。

數(shù)據(jù)用SAS (version 16.0) 軟件包進(jìn)行單因素方差分析，用最小顯著性差異法 (LSD) 進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱作長期施肥處理小麥籽粒產(chǎn)量及磷表觀平衡

20年長期平衡施用化肥氮磷 (NP)、氮磷鉀 (NPK)及化肥有機(jī)肥配施 (MNPK) 三個(gè)處理冬小麥籽粒產(chǎn)量無顯著差異，但均顯著高于對照不施肥 (CK) 及單施或偏施化肥處理 (N、NK和PK)。除NK顯著高于CK外，其余不施或偏施肥處理間 (CK、N、NK和PK) 小麥產(chǎn)量均無顯著差異。所有施NP處理及NK處理，冬小麥產(chǎn)量變異均高于CK、N及PK處理。各處理冬小麥產(chǎn)量均有隨施肥時(shí)間延長而增加的趨勢，但僅平衡施肥三個(gè)處理趨勢顯著，年均增產(chǎn)在205～265 kg/hm2之間，以MNPK增幅最高 (表1)。

小麥籽粒磷吸收量在72.4～327.5 kg/hm2之間，其中NP、NPK和MNPK處理小麥籽粒吸磷量最高，較CK處理分別增加232.5%、238.1%和283.0%，較其它偏施肥處理也高出近一倍以上。NK和PK處理較CK處理也增加了小麥籽粒磷素吸收，增加幅度分別為35.6%和71.7%，CK和N處理小麥籽粒吸磷量最低。小麥秸稈磷吸收量的范圍在22.5到123.6 kg/hm2之間，趨勢和籽粒相同。磷表觀平衡顯示，三個(gè)不施磷肥處理磷凈虧缺達(dá)到87～140 kg/hm2，而施磷的四個(gè)處理，磷素均有大量盈余，以NP和NPK處理較低，達(dá)到約590 kg/hm2左右，PK處理達(dá)764 kg/hm2，MNPK處理盈余多達(dá)2130 kg/hm2(表2)。

表1 土20年不同施肥處理冬小麥籽粒平均產(chǎn)量及年均增產(chǎn)量Table 1 Yield and its annual mean increment of winter wheat under different fertilization over 20 years in loess soil

表1 土20年不同施肥處理冬小麥籽粒平均產(chǎn)量及年均增產(chǎn)量Table 1 Yield and its annual mean increment of winter wheat under different fertilization over 20 years in loess soil

注（Note）：CK—不施肥對照；N、P、K、M 分別表示氮肥、磷肥、鉀肥和有機(jī)肥；相同小寫字母表示不同施肥處理間產(chǎn)量未達(dá) 5% 顯著水平；P為產(chǎn)量與年份線性相關(guān)的顯著性水平。Control without any fertilizer input; N, P, K and M represent nitrogen,phosphorus, potassium fertilizers and organic manure. Yields followed by the same lowercase letters mean no significant differences between treatments at 0.05 level; P means significant level of regression equation of yield with years.

處理Treatment產(chǎn)量Yield(kg/hm2)CV(%)增產(chǎn)量Increase[kg/(hm2?a)]R2 P CK 1543 c 21.2 46.3 0.18 0.060 N 1585 bc 18.5 32.3 0.12 0.140 NK 2090 b 47.9 104.6 0.44 0.118 PK 1936 bc 33.1 41.0 0.06 0.300 NP 4446 a 54.5 219.0 0.62 0.003 NPK 4655 a 57.6 204.9 0.49 0.001 MNPK 4447 a 65.2 265.0 0.64 0.000

2.2 旱作長期施肥處理耕層土壤磷形態(tài)

土壤中總無機(jī)磷含量變化范圍為489.8～961.4 mg/kg。施肥20年后各處理耕層土壤Resin-P含量介于18.5 mg/kg～140.7 mg/kg之間。長期不施磷肥處理，經(jīng)過20年作物種植，Resin-P基本保持在試驗(yàn)開始前的水平；而施用磷肥處理土壤Resin-P均有顯著增加，增幅達(dá)70%～427%，其中NP增加較少，MNPK增幅最大。土壤NaHCO3-Pi含量與Resin-P大體一致，不施肥處理均有降低趨勢，其中N處理顯著降低。與初始值相比，PK、NP、NPK和MNPK處理的NaHCO3-Pi分別增加了201%、216%、224%、573%。NaOH-Pi含量范圍在6.11～30.97 mg/kg之間，除PK和NPK外的其余處理此形態(tài)磷均較試驗(yàn)開始前有顯著增加，尤其NP和MNPK處理增加最多 (圖1A)。所有處理的C.HCl-Pi含量均較試驗(yàn)開始時(shí)顯著下降，下降幅度為30.8%～52.5%，依其顯著性NPK、MNPK顯著高于NP和PK，后二者與CK近似，但均顯著高于N處理 (圖1A)。MNPK處理D.HCl-Pi含量顯著高于其它處理及試驗(yàn)開始前土壤，其它處理均維持在試驗(yàn)開始時(shí)的水平。土壤中殘余磷 (Residual-P)的含量在138.7～221.0 mg/kg之間。CK、N、PK和MNPK處理與試驗(yàn)開始時(shí)相比，Residual-P顯著降低，降幅在7.5%～35.9%之間。NK、NP和NPK基本保持在試驗(yàn)開始前的水平 (圖1B)。

表2 土冬小麥–夏休閑體系不同施肥處理20年累積磷投入、攜出和磷表觀平衡 (kg/hm2)Table 2 Cumulative input, output and apparent balance of P in winter wheat-summer fallow system over the 20-years’different fertilization in loess soil

表2 土冬小麥–夏休閑體系不同施肥處理20年累積磷投入、攜出和磷表觀平衡 (kg/hm2)Table 2 Cumulative input, output and apparent balance of P in winter wheat-summer fallow system over the 20-years’different fertilization in loess soil

注（Note）：磷表觀平衡 = 磷投入 ? 磷攜出；CK—不施肥對照；N、P、K、M 分別表示氮肥、磷肥、鉀肥和有機(jī)肥 P apparent balance = P input – P output. Control without any fertilizer input; N, P, K and M represent chemical nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers and organic manure.

磷投入P input 磷攜出P output處理Treatment秸稈Straw CK 0 0 2.5 7.4 9.9 85.5 22.5 ?98.1 N 0 0 2.5 7.4 9.9 72.4 24.3 ?86.8化肥Mineral fertilizer有機(jī)肥Organic manure降水Rainfall種子Seed合計(jì)Total籽粒Grain磷表觀平衡Apparent balance NK 0 0 2.5 7.4 9.9 115.9 33.6 ?139.7 PK 942.6 0 2.5 7.4 952.5 146.8 42.2 763.5 NP 942.6 0 2.5 7.4 952.5 284.3 75.2 593.0 NPK 942.6 0 2.5 7.4 952.5 289.1 76.3 587.2 MNPK 942.6 1628.5 2.5 7.4 2581.0 327.5 123.6 2129.9

圖1 土20年不同施肥處理耕層土壤各組分磷含量Fig. 1 Contents of P fractions in the soils subjected to 20 years diverse fertilization in loess soil

總有機(jī)磷含量變化范圍為33.9～80.7 mg/kg。不同施肥處理，耕層土壤NaHCO3-Po含量除CK和MNPK處理外均較試驗(yàn)前顯著降低，下降幅度為62.6%～87.9%，其中N處理下降幅度較少，NPK處理降幅最大。N、NK和NP處理的NaOH-Po分別較基礎(chǔ)土樣下降了68.3%、74.8%和64.6%。PK、NPK和MNPK中NaOH-Po含量與試驗(yàn)開始時(shí)接近；CK處理較基礎(chǔ)土樣增加了34.6%。除MNPK外，施磷肥處理及CK處理C.HCl-Po較試驗(yàn)開始前顯著降低，N、NK及MNPK維持在試驗(yàn)開始前水平 (圖1C)。

無機(jī)磷約占全磷的70.1% (變幅66.1%～78.6%)，其中D. HCl-Pi所占比例最大，約為49.2%～56.5%，平均52.6%；其次為C. HCl-Pi和Resin-P，平均分別為7.2% (5.3%～11.2%) 和 5.6% (2.5%～11.6%)；NaHCO3-Pi和NaOH-Pi占全磷比例較小，分別為2.9% (0.6%～6.6%) 和1.8% (0.7%～3.1%) (表3)。20年施用磷肥后土壤Resin-P占全磷比例均有顯著提高，尤其是MNPK處理顯著高于其它處理。長期不施磷肥處理Resin-P占全磷比例保持在初始值的水平 (表3)。NaHCO3-Pi占全磷比例與Resin-P有相同的趨勢。除PK和NPK外，其它施肥處理NaOH-Pi占全磷比例較試驗(yàn)開始前顯著增加，其中CK處理增加幅度最小，NP和MNPK處理增加幅度最高。所有處理的C. HCl-Pi占全磷比例均較試驗(yàn)前顯著下降，尤其是MNPK處理，降低了5.9個(gè)百分點(diǎn)，CK處理C. HCl-Pi降低幅度最小；其余處理除N處理C. HCl-Pi占全磷比例顯著低于NPK外，N、NK、PK、NP、NPK處理間無顯著差異。與試驗(yàn)開始時(shí)相比，CK處理和N處理增加了D. HCl-Pi占全磷比例，其它處理D. HCl-Pi占全磷比例保持在初始值的水平。Residual-P占全磷比例平均約為23.1% (15.2%～28.8%)。施磷肥處理有降低Residual-P占全磷比例的趨勢，但只有MNPK處理較試驗(yàn)開始時(shí)顯著降低。不施肥 (CK) 處理Residual-P占全磷比例較試驗(yàn)開始時(shí)降低了5.4個(gè)百分點(diǎn)。相反，NK處理Residual-P占全磷比例較試驗(yàn)開始時(shí)增加了3.8個(gè)百分點(diǎn) (表3)。

有機(jī)磷約占全磷的3.9%～11.2%，其中NaOH-Po所占比例最大，平均約為3.2% (1.1%～6.7%)，C.HCl-Po所占比例與NaOH-Po相近，平均約為3.0%(2.1%～4.2%)，NaHCO3-Po所占比例最小，平均約為0.7% (0.1%～2.0%)。CK處理NaHCO3-Po占全磷比例較試驗(yàn)前顯著增加，也顯著高于其它處理；其它所有施肥處理除MNPK維持在試驗(yàn)前水平，均較初始值有顯著下降。對于NaOH-Po組分而言，除CK顯著升高和PK、NPK處理無顯著差異外，其它處理顯著降低了土壤NaOH-Po所占比例，降低幅度最大的是NK處理，降低了3個(gè)百分點(diǎn)，降低幅度最小的是NPK處理，降低了0.7個(gè)百分點(diǎn)。20年長期用化肥氮磷 (NP)、氮磷鉀 (NPK) 及氮磷鉀配施有機(jī)肥(MNPK) 三個(gè)處理C. HCl-Po占全磷比例均較試驗(yàn)開始時(shí)顯著下降，降低了1.6～2.1個(gè)百分點(diǎn)，單施或偏施化肥處理 (N、NK和PK) C.HCl-Po占全磷比例有下降趨勢但差異不顯著，不施肥 (CK) 處理較試驗(yàn)前降低了1.7個(gè)百分點(diǎn) (表3)。

2.3 小麥地上部磷吸收量與土壤磷組分的關(guān)系

將各處理小麥地上部吸磷量和土壤磷組分進(jìn)行相關(guān)分析 (圖2)，可以看出小麥地上部磷吸收量和樹脂磷 (Resin-P)、碳酸氫鈉提取無機(jī)磷 (NaHCO3-Pi)、濃鹽酸提取無機(jī)磷 (C.HCl-Pi) 之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.05)，其決定系數(shù)R2分別為0.607、0.784和0.651。斜率大小分別為C.HCl-Pi ＞ NaHCO3-Pi ＞Resin-P (圖 2)。

2.4 耕層土壤磷組分與磷表觀平衡的關(guān)系

耕層土壤磷組分與磷表觀平衡的關(guān)系 (圖3) 顯示樹脂磷 (Resin-P)、碳酸氫鈉提取無機(jī)磷 (NaHCO3-Pi) 和稀鹽酸提取的無機(jī)磷 (D.HCl-Pi) 隨磷素盈余量增加而顯著升高 (P ＜ 0.001)。斜率大小分別為D.HCl-Pi ＞Resin-P ＞ NaHCO3-Pi。其它組分則和磷表觀平衡無顯著相關(guān) (圖3)。進(jìn)一步分析可知，土壤全磷和各無機(jī)磷組分之和與磷素盈余均呈顯著線性相關(guān) (P ＜ 0.001)，有機(jī)磷則和磷素盈余量無相關(guān)關(guān)系 (圖4)。

表3 土20年不同施肥處理土壤磷組分占全磷的比例 (%)Table 3 Proportion of each P fraction in the total P contents of the soils subjected to diverse fertilization for 20 years in loess soil

表3 土20年不同施肥處理土壤磷組分占全磷的比例 (%)Table 3 Proportion of each P fraction in the total P contents of the soils subjected to diverse fertilization for 20 years in loess soil

注（Note）：Initial—試驗(yàn)開始前基礎(chǔ)土壤；CK—不施肥對照；N、P、K、M 分別表示氮肥、磷肥、鉀肥和有機(jī)肥；Resin、NaHCO3、NaOH、D.HCl 和 C.HCl 均為對應(yīng)磷組分浸提劑；同列數(shù)據(jù)后相同小寫字母表示不同施肥處理間在 5% 水平差異不顯著。Initial—Soil at initial of the experiment; CK—Control without any fertilizer input; N, P, K and M represent chemical nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers and organic manure. Resin, NaHCO3, NaOH, D.HCl, C.HCl denote the extracting agents of P fractions. Values followed by the same lowercase letters are not significantly different among treatments (P ＜ 0.05).

處理Treatment無機(jī)磷組分Inorganic fraction 有機(jī)磷組分Organic fraction 殘余磷Residual Resin-P NaHCO3-Pi NaOH-Pi D. HCl-Pi C. HCl-Pi NaHCO3-Po NaOH-Po C.HCl-Po Initial 3.1 ± 0.35 de 1.4 ± 0.09 c 0.8 ± 0.03 d 49.2 ± 0.75 c 11.2 ± 0.47 a 1.1 ± 0.32 b 4.1 ± 0.30 b 4.2 ± 1.13 a 25.0 ± 1.98 bc CK 2.9 ± 0.44 de 1.3 ± 0.13 cd 1.9 ± 0.09 c 55.5 ± 0.53 ab 7.8 ± 0.24 b 2.0 ± 0.32 a 6.7 ± 0.37 a 2.5 ± 0.28 bc 19.6 ± 0.82 d N 2.5 ± 0.59 e 0.6 ± 0.08 d 2.0 ± 0.43 bc 56.5 ± 2.58 a 6.1 ± 0.80 de 0.4 ± 0.06 c 1.6 ± 0.69 d 3.9 ± 0.86 a 26.4 ± 0.43 ab NK 3.5 ± 0.75 de 1.0 ± 0.17 cd 2.5 ± 0.77 ab 52.6 ± 5.05 abc 6.5 ± 1.04 cd 0.4 ± 0.17 c 1.1 ± 0.83 d 3.6 ± 0.36 ab 28.8 ± 2.94 a PK 8.0 ± 2.42 bc 4.0 ± 0.43 b 0.8 ± 0.04 d 51.2 ± 1.42 bc 6.4 ± 0.47 cde 0.2 ± 0.15 c 4.1 ± 0.11 b 2.9 ± 0.18 abc 22.3 ± 2.03 cd NP 5.3 ± 0.72 cd 4.4 ± 0.25 b 3.1 ± 0.43 a51.9 ± 2.13 abc 6.7 ± 0.87 bcd 0.2 ± 0.11 c 1.5 ± 0.43 d 2.3 ± 0.55 bc 24.7 ± 1.89 bc NPK 8.2 ± 1.59 b 4.2 ± 0.38 b 0.7 ± 0.11 d 51.3 ± 1.05 bc 7.3 ± 0.03 bc 0.1 ± 0.12 c 3.4 ± 0.35 bc2.1 ± 1.14 c 22.7 ± 0.48 c MNPK 11.6 ± 3.05 a 6.6 ± 0.73 a 2.5 ± 0.25 ab 52.6 ± 4.12 abc 5.3 ± 0.10 e 0.9 ± 0.19 b 2.8 ± 0.54 c 2.6 ± 0.22 bc 15.2 ± 1.00 e

圖2 土20年不同施肥管理土壤冬小麥地上部吸磷量與土壤各組分磷含量的關(guān)系Fig. 2 Relationship between phosphorus uptake by above-ground biomass of winter wheat and each P fraction contents in soils subjected to diverse fertilization managements for 20 years in loess soil

3 討論

3.1 長期施肥對旱作小麥產(chǎn)量的影響

本研究顯示，旱作條件下平衡施用氮磷較不施肥及偏施肥 (N、NK、PK) 處理顯著提高了小麥產(chǎn)量。這表明氮磷是限制該區(qū)小麥生長的主要因素[4]。陳磊等[6]報(bào)道黑壚土旱作長期施肥對小麥產(chǎn)量及肥料利用率的影響，也得到了相似的研究結(jié)果。本試驗(yàn)結(jié)果還顯示相比平衡施用氮磷無機(jī)肥，化肥有機(jī)肥配施并沒有表現(xiàn)出更高的產(chǎn)量優(yōu)勢，盡管化肥有機(jī)肥配施顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤物理性質(zhì)[28]。其他研究者也報(bào)道了相似的結(jié)果[6]。本試驗(yàn)是基于相同的施氮量，化肥有機(jī)肥配施中70%的氮來源于有機(jī)肥，有機(jī)氮的礦化受水熱條件影響，如小麥生育期低溫和少雨的條件會影響氮的釋放和有效性，進(jìn)而影響小麥生長及產(chǎn)量[28]。另一方面，微生物和作物競爭氮源可能也部分地限制了小麥生育期氮素養(yǎng)分供應(yīng)，進(jìn)而影響了MNPK處理冬小麥產(chǎn)量進(jìn)一步提升。然而在灌溉條件下，呂鳳蓮等[30]研究表明，土小麥–玉米輪作體系，50%和75%有機(jī)氮替代化肥氮較氮磷鉀化肥配施顯著提高了小麥和玉米總產(chǎn)量。不同試驗(yàn)結(jié)果的差異性可能與作物體系和水熱等環(huán)境條件不同有關(guān)。

圖3 土20年不同施肥管理土壤磷組分與磷表觀平衡的關(guān)系Fig. 3 Soil P fraction as a function of soil P balances in soils subjected to diverse fertilization managements in loess soil

圖4 土20年不同施肥管理土壤全磷、總有機(jī)磷和總無機(jī)磷與磷表觀平衡的關(guān)系Fig. 4 Soil total P, total organic P and total inorganic P as function of the soil P balances in soils subjected to diverse fertilization managements for 20 years in loess soil

3.2 長期施肥對土壤無機(jī)磷組分的影響

樹脂提取磷 (Resin-P) 是植物有效性最高的可溶性無機(jī)磷，NaHCO3-Pi是較松散的結(jié)合在晶體鐵鋁氧化物表面的活性磷，也是植物有效磷源。本研究表明，20年長期施用磷肥較不施肥處理顯著提高了土Resin-P和NaHCO3-Pi，且化肥有機(jī)肥配施處理增幅最大。這與其他研究者報(bào)道的結(jié)果相一致[18,31]。增加的植物有效磷一方面來自化學(xué)磷肥和有機(jī)肥中大量的活性磷的釋放，且相對化肥而言，有機(jī)肥對活性態(tài)無機(jī)磷組分的累積貢獻(xiàn)更大[32]。Resin-P和NaHCO3-Pi含量與磷素盈余量顯著相關(guān) (圖3) 也反映了這一點(diǎn)。另一方面土壤有機(jī)磷的礦化可能也對Resin-P和NaHCO3-Pi含量增加有貢獻(xiàn)[33]。

NaOH-Pi是吸附在非晶態(tài)鋁鐵氧化物上的無機(jī)磷，被認(rèn)為是中等可利用態(tài)磷，解吸后可供植物利用。本研究表明，施用NP、MNPK較CK處理顯著增加NaOH-Pi含量，而施用PK、NPK顯著降低NaOH-Pi含量。Yan等[17]和Malik等[31]也曾報(bào)道施用有機(jī)肥增加了NaOH-Pi含量。張奇春等[18]在水稻土上的研究表明，施NPK、NP顯著增加土壤中NaOH-Pi含量，其施用鉀肥為氯化鉀。部分研究結(jié)果的不一致可能與土壤類型、種植體系和施肥種類有關(guān)，尚需進(jìn)一步研究。NaOH-Pi的增加可能是由于施磷肥后土壤顆粒的磷飽和吸附位點(diǎn)增加和有機(jī)肥釋放有機(jī)酸對鐵鋁磷的螯合作用。本研究施鉀肥后NaOH-Pi下降可能是因?yàn)殁浻绊懥髓F鋁復(fù)合物的化學(xué)吸附過程導(dǎo)致的。有研究表明，施硫酸鉀后植物對鉀離子的吸收大于硫酸根離子，大量硫酸根離子存在于土壤中，與磷的含氧酸根陰離子競爭磷吸附位點(diǎn)，減少對磷的吸附[34]，導(dǎo)致施鉀肥的處理NaOH-Pi較低。有研究表明NaOH-Pi與Eh之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[35]，施鉀肥顯著提高了Eh[36]，降低了NaOH-Pi含量。此外，測定方法對NaOH浸提的磷組分也存在一定的影響，前一步的NaHCO3-Pi浸提過程中有一部分鋁磷和鐵磷溶解[13]。中等可溶性的NaOH-Pi既是磷源也是磷庫，對Eh和pH等環(huán)境條件變化比較敏感，易發(fā)生轉(zhuǎn)化[35,37]。因此，土施用鉀肥對NaOH-Pi含量的影響差異需要進(jìn)一步研究。

D.HCl-Pi浸提的磷主要與原生磷灰石礦物有關(guān)，是鈣結(jié)合態(tài)化合物。本研究結(jié)果表明，MNPK處理D.HCl-Pi含量顯著高于其它處理及試驗(yàn)開始前土壤，其它處理均維持在試驗(yàn)開始時(shí)的水平，但施磷肥處理有高于不施磷肥處理的趨勢?？赡苁怯捎诖诵螒B(tài)活性相對較高，在長期不施磷條件下部分會轉(zhuǎn)化為其它形態(tài)被作物利用而消耗，施磷時(shí)可作為磷庫。Beck和Sanchez[37]研究表明，HCl-P與NaOHP一樣既是磷源也是磷庫，能作為可利用形態(tài)磷的補(bǔ)充。但由于其占全磷比例最大，緩沖能力最大，因而只有大量磷盈余情況下才發(fā)生明顯改變 (MNPK)。C.HCl-Pi和D.HCl-Pi均為難溶性鈣磷，稀鹽酸較濃鹽酸浸提的鈣磷有效性稍高，更容易提取。本研究也表明磷素的盈余優(yōu)先進(jìn)入有效性稍高的D.HCl-Pi(圖3)。C.HCl-Pi主要為纖維素包被的閉蓄態(tài)磷，在高pH土壤上是更穩(wěn)定的鈣結(jié)合態(tài)磷，在熱濃縮后的酸中釋放。本研究中所有處理的C.HCl-Pi含量均較試驗(yàn)開始時(shí)顯著下降，其主要原因可能是由于試驗(yàn)開始前是小麥–玉米一年兩熟制，且有灌溉，改為冬小麥–夏休閑一季作物種植后，單位面積上作物的總產(chǎn)量下降較多，因此以根茬等殘落物形式進(jìn)入土壤的纖維素量減小，因而C.HCl-Pi在土壤中累積量隨之減小。另一方面土壤含水量與纖維素分解菌數(shù)量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[38]，灌溉改旱作可能促進(jìn)了纖維素分解，降低了與纖維素相關(guān)的C.HCl-Pi含量。土壤中C.HCl-Pi和D.HCl-Pi含量除了受種植制度、灌溉的影響外，土壤類型、施肥量和施肥時(shí)間也是重要影響因素。土壤類型直接影響礦物組成，施肥量和施肥時(shí)間決定土壤中磷素盈余量，進(jìn)一步影響土壤中難溶性鈣磷的含量。

Residual-P為閉蓄態(tài)無機(jī)磷，主要是難溶性鈣磷和腐殖化的有機(jī)磷混合物。本研究施磷肥處理較不施肥 (CK處理) 顯著增加Residual-P含量。張奇春等[18]也報(bào)道了相似的研究結(jié)果。Zhang和Mackenzie[39]認(rèn)為長期施肥對Residual-P影響的變異 (98%) 是由于其中有機(jī)磷組分的增加所導(dǎo)致。不過從本文結(jié)果來看，不施磷處理 (CK和N處理) 的磷素耗竭也降低了Residual-P的含量。從Residual-P與磷素盈余關(guān)系可以看出施肥對該組分影響甚微，這可能表明長期施磷主要以可利用態(tài)和中等可利用態(tài)存在于土壤中。

3.3 長期施肥對土壤有機(jī)磷組分的影響

NaHCO3-Po主要是可溶性的有機(jī)磷化合物和一些微生物磷，易礦化供植物利用。NaOH-Po主要是腐殖酸中和鐵鋁復(fù)合物表面吸附的有機(jī)磷，是中等可利用的有機(jī)磷形態(tài)。本研究表明，施化學(xué)磷肥和有機(jī)無機(jī)肥配施顯著降低了NaHCO3-Po和NaOH-Po組分含量 (表3)，與Vu等[23]在石灰性土壤上的研究結(jié)果一致。楊學(xué)云等[10]在土上的研究顯示，不施肥或施無機(jī)磷肥 (NPK處理) 耕層土壤有機(jī)磷 (灼燒法測定) 有降低趨勢。Dalal等[11]研究表明，施入土壤的化學(xué)磷肥與有機(jī)磷競爭，形成鐵、鋁絡(luò)合物，土壤有機(jī)磷呈微溶態(tài)，礦化分解后減少了有機(jī)磷的積累。Zhang等[22]在石灰性土壤上研究表明，通過作物殘茬進(jìn)入土壤的新鮮有機(jī)碳增加，促進(jìn)微生物活動，導(dǎo)致施化學(xué)磷肥后NaHCO3-Po顯著下降。影響土壤有機(jī)磷累積的因素比較復(fù)雜，除全磷、有機(jī)質(zhì)、溫濕度條件外，還涉及其它因素，如土壤母質(zhì)、C/P比、pH、氧化還原條件等。長期平衡施用化肥或化肥有機(jī)肥配施土耕層土壤有機(jī)碳含量顯著增加，較高水平的土壤有機(jī)碳能促進(jìn)微生物活性，從而促進(jìn)不同形態(tài)的磷組分之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化[4]。土壤的C/P比影響有機(jī)磷礦化，凈固定和礦化發(fā)生的C/P比分別為 ＞ 300和 ＜ 200[40]。本試驗(yàn)中施磷肥處理的C/P小于11.1，存在有機(jī)磷凈礦化作用。

C.HCl-Po是易于生物利用的顆粒有機(jī)物，生物有效性比前兩種形態(tài)有機(jī)磷低，是穩(wěn)定的有機(jī)磷形態(tài)。本研究表明，施化學(xué)磷肥和CK對C.HCl-Po影響不大，有機(jī)無機(jī)肥配施處理較CK顯著提高了C.HCl-Po含量。表明施入土壤的有機(jī)肥經(jīng)過生物體的吸收利用而轉(zhuǎn)化為C.HCl-Po，導(dǎo)致難利用態(tài)有機(jī)磷組分增加。Lehmann等[41]在酸性沙壤上長期有機(jī)無機(jī)肥配施得到與本研究相似的結(jié)果。Gale等[42]在粉壤土上研究表明，5年有機(jī)肥施肥量在P 140、210、280 kg/(hm2?a) 條件下，0—15 cm 土層除 NaHCO3-Po和NaOH-Po以外的殘余有機(jī)磷含量均顯著增加，但是施過磷酸鈣 [P 80 kg/(hm2?a)]、施有機(jī)肥量在P 280 kg/(hm2?a) 條件下兩個(gè)處理較對照不影響該形態(tài)有機(jī)磷含量。不同研究結(jié)果的變異性可能也與施磷量和施肥時(shí)間有關(guān)。

3.4 長期施肥對土壤磷轉(zhuǎn)化的影響

本研究發(fā)現(xiàn)冬小麥?夏休閑種植體系下，經(jīng)過20年不施肥之后土壤仍然保持了相同比例的植物易利用的Resin-P和NaHCO3-Pi，這可能源于有機(jī)以及無機(jī)的難溶性磷向可利用磷的轉(zhuǎn)化，如殘余態(tài)磷的減少，以及其它有效態(tài)的增加 (圖1)。而長期施用氮肥以及氮鉀配施也保持了相同比例的植物易利用的Resin-P和NaHCO3-Pi，可能與無機(jī)難溶性磷向可利用磷的轉(zhuǎn)化，并且加劇了有效有機(jī)磷的進(jìn)一步降低(圖1) 有關(guān)。土壤磷素轉(zhuǎn)化一方面受土壤pH的影響，另一方面植物介導(dǎo)的根際酸化過程能夠增加磷酸鈣的溶解度而活化磷。還有在缺磷環(huán)境下，外生菌根真菌的大量生長也可通過釋放低分子量有機(jī)酸，特別是草酸和檸檬酸，增加磷酸鈣的溶解，增加磷的有效性[43]。

長期施用化學(xué)磷肥和有機(jī)肥主要增加了土壤中可利用態(tài)無機(jī)磷的比例，降低了難利用態(tài)磷和有機(jī)磷的比例 (表3)。與Lehmann等[41]和Gale等[42]的研究結(jié)果一致。Wang等[44]在黑壚土上和賈莉潔等[45]在土上施磷肥 (蔣柏藩?顧益初法) 得到的研究結(jié)果與本研究相似?；瘜W(xué)氮肥和磷肥長期投入導(dǎo)致土壤pH值降低[46–47]，難溶性鈣磷在pH值下降時(shí)溶解。有機(jī)肥分解過程中產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸也可以溶解磷酸鈣，還能抑制大分子磷酸鈣的形成[48]。這些因素均有利于土壤保持較高比例的有效磷庫。

3.5 土壤磷組分變化對小麥磷吸收量的貢獻(xiàn)

本試驗(yàn)結(jié)果顯示土壤中Resin-P、NaHCO3-Pi和C. HCl-Pi與小麥磷吸收之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其單位組分增加對小麥磷吸收的貢獻(xiàn)大小為C.HCl-Pi ＞NaHCO3-Pi ＞ Resin-P (圖2)。表明在目前試驗(yàn)條件下，除了Resin-P和NaHCO3-Pi可溶性磷之外，C.HCl-Pi也是小麥利用的重要磷源。不過C.HCl-Pi含量隨土壤磷盈余量增加不顯著 (P ＞ 0.05)，而Resin-P和NaHCO3-Pi含量隨磷盈余量增加顯著升高 (圖3)。因此，Resin-P和NaHCO3-Pi可溶性磷對小麥磷吸收貢獻(xiàn)在未來可能更大。Boschetti等[49]研究同樣認(rèn)為Resin-P和NaHCO3-Pi與苜蓿磷吸收呈顯著的正相關(guān)。Zhang等[5]在水稻土上的研究也表明，以上三種無機(jī)磷形態(tài)與水稻磷吸收均呈正相關(guān)關(guān)系。Tiessen和Moir[13]認(rèn)為D.HCl-Pi和C.HCl-Pi是鈣結(jié)合態(tài)磷，植物有效性低。但是，植物能夠通過調(diào)節(jié)自身根系形態(tài)和生理特征，通過微生物作用活化難溶性無機(jī)磷和有機(jī)磷，促進(jìn)磷的吸收[43]。馮固等[50]在灰漠土上用蔣柏藩?顧益初法研究表明，磷酸八鈣對植株磷營養(yǎng)有直接的貢獻(xiàn)。磷酸八鈣在強(qiáng)酸性條件下提取，在土上約占全磷的8%～24%[45]，筆者認(rèn)為磷酸八鈣屬于Tiessen-Moir法鹽酸提取磷的一部分。因而，C. HCl-Pi與小麥磷吸收的正相關(guān)性可能與磷酸八鈣對作物磷吸收的直接貢獻(xiàn)有關(guān)。但是本試驗(yàn)中，有機(jī)磷組分并沒有直接表現(xiàn)出與小麥磷吸收量的相關(guān)性，可能與作物直接吸收利用的主要是無機(jī)磷有關(guān)。也可能是由于本研究條件有助于有機(jī)磷的礦化分解有關(guān)。

4 結(jié)論

旱作條件下平衡施用氮磷顯著提高小麥產(chǎn)量。長期施用磷肥增加土壤磷素盈余，并主要提高了耕層Resin-P、NaHCO3-Pi以及D.HCl-Pi無機(jī)磷組分的含量。與試驗(yàn)開始前相比，20年長期施用化學(xué)磷肥和有機(jī)肥主要增加了土壤中可利用態(tài)無機(jī)磷的比例，降低了有機(jī)磷和難利用態(tài)無機(jī)磷的比例。土壤磷組分中Resin-P、NaHCO3-Pi和C.HCl-Pi對小麥磷吸收起主要的貢獻(xiàn)?？傮w而言，施用氮磷 (NP、NPK和MNPK) 不僅有利于作物增產(chǎn)，而且有利于保持高比例的土壤有效磷庫。但是考慮到有機(jī)無機(jī)肥配施導(dǎo)致大量磷素盈余，不僅有淋失風(fēng)險(xiǎn)，而且降低磷效率。因此，在土壤有效磷水平合適的情況下應(yīng)該調(diào)整磷肥施用量。