小麥?大豆?玉米輪作體系長期不同施肥黑土磷素平衡及有效性

馬星竹，周寶庫，郝小雨，陳雪麗，高中超，遲鳳琴

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所/黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點實驗室，哈爾濱 150086）

磷是作物生長的必需營養(yǎng)元素之一，作物可直接吸收利用的磷主要來自于土壤[1–2]，土壤磷素中的全磷和有效磷 (Olsen-P) 分別反映了土壤磷庫的大小和可供作物當(dāng)季吸收利用的磷素水平，其中Olsen-P是評價土壤供磷能力的重要指標(biāo)[3]，土壤有效磷水平過低會導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，但過量累積則會增加土壤磷素淋失風(fēng)險，引發(fā)環(huán)境污染[2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥的當(dāng)季利用率較低 (10%～25%)，大量的磷肥以磷酸鹽殘留在土壤中[4]，土壤磷含量水平與作物產(chǎn)量和環(huán)境安全關(guān)系密切[5–6]。不同土壤類型和施肥模式均對土壤磷素含量影響較大，樊紅柱等[7]指出紫色水稻土磷素有效性隨著土壤磷素盈虧而變化，單施無機磷肥提升土壤磷含量的速率大于施用有機肥；李渝等[8]指出黃壤旱地不同施磷處理對Olsen-P的提升幅度主要與磷肥施用量有關(guān)，土壤每年磷盈余和Olsen-P含量與磷肥施用量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，西南黃壤旱地長期施用有機肥處理單位累積磷盈余量提升土壤Olsen-P的速率大于單施化學(xué)磷肥處理；袁天佑等[9]對潮土研究結(jié)果表明，長期不施肥處理土壤磷素常年處于虧缺狀態(tài)，有效磷處于耗竭狀態(tài)，長期常規(guī)施肥條件下多數(shù)監(jiān)測點土壤有效磷含量隨年份顯著上升，土壤有效磷的變化量與磷的盈虧量呈極顯著正相關(guān)；長期施肥下紅壤性水稻土磷素研究指出，化學(xué)磷肥和有機肥配施相比單施化肥或有機肥能夠顯著提高紅壤性水稻土土壤有效磷、全磷含量 (土壤有效磷含量增長速率為0.2～1.6 mg/kg，土壤全磷含量年變化速率為4.2～22.9 mg/kg)，同時能夠增加磷素活化效率[10]；張麗等[2]對18 個黑土監(jiān)測點土壤磷素進行研究，結(jié)果表明土壤有效磷的變化量與土壤累積磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤每盈余100 kg P/hm2，有效磷可增加5.28 mg/kg，常規(guī)施肥條件下，經(jīng)過8～25 年的種植，61%的監(jiān)測點土壤累積磷表現(xiàn)為盈余，39%的監(jiān)測點有效磷含量顯著升高。

綜上所述，不同氣候條件、不同施肥措施和不同土壤類型條件下，土壤磷素變化及對累積磷的響應(yīng)均不同。黑土作為我國重要的土壤資源之一，主要分布在我國東北地區(qū)，黑土面積為國家耕地面積的10%左右[2]，而我國東北黑土區(qū)長期不同施肥條件下土壤磷素含量變化與磷盈余的響應(yīng)關(guān)系尚不清楚，尤其是對長期施用不同肥料特別是單施有機肥、單施化肥及有機無機配施下磷庫演變與磷盈虧相關(guān)關(guān)系研究較少。本研究以開始于1979年的黑土肥力定位試驗為依托，根據(jù)長期不同施肥下土壤磷素年際變化特征、磷素表觀平衡以及磷素盈虧變化，探討有機肥和化肥對有效磷增加量的影響，明確黑土有效磷變化與磷平衡的關(guān)系，為黑土區(qū)合理施用磷肥和磷素資源的持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

黑土長期定位試驗始于1979 年，位于黑龍江省哈爾濱市黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地 (126°35′E，45°40′N)，海拔151 m，屬松花江二級階地，地處中溫帶，一年一熟制，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，≥ 10℃平均有效積溫2 700℃，年均日照時數(shù)2 600～2 800 h，無霜期約135 d。試驗地為旱地黑土，成土母質(zhì)為洪積黃土狀粘土。試驗開始時耕層(0—20 cm) 土壤pH 7.2、有機質(zhì)26.7 g/kg、全氮1.47 g/kg、堿解氮151 mg/kg、全磷 (P) 0.47 g/kg、有效磷 (P) 22.2 mg/kg、全鉀 (K) 10.4 g/kg、速效鉀 (K)83 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

黑土長期定位試驗10個處理的試驗設(shè)計和施肥量見表1。 2010年之前試驗采取隨機排列方式，無重復(fù)，小區(qū)面積168 m2。2010年冬季利用土壤凍結(jié)，將土壤切割成1.1 m3（地上面積1 m2，深度1.1 m）的多個原狀土塊，搬至哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)試驗基地，并保持原來的試驗處理不變，每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積36 m2，每個小區(qū)間有水泥板隔離。試驗地?zé)o灌溉設(shè)施，為自然雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。種植制度為小麥?大豆?玉米輪作模式，一年一季，秋季施肥，有機肥為馬糞，施用于玉米茬。各處理作物地上部分帶走，秸稈不還田。秋季收獲后各小區(qū)單獨測產(chǎn)。

表1 長期定位試驗各處理施肥量Table 1 Annual fertilizer rate in the treatments of long-term experiment

1.3 樣品采集與分析

樣品采集是在每年秋季作物收獲后，按“S”型采集0—20 cm混合土壤樣品，室內(nèi)風(fēng)干，裝瓶保存?zhèn)溆?。作物產(chǎn)量于收獲期將小區(qū)劃分10 m2樣區(qū)，全部收獲，人工脫粒，曬干后稱取風(fēng)干質(zhì)量，并測定其含水率，計算作物產(chǎn)量。土壤分析測定方法全磷用堿熔?鉬銻抗比色法，有效磷用Olsen法。植株樣品用H2SO4?H2O2消化，鉬銻抗比色法測磷[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

土壤磷活化系數(shù)PAC (%) = Olsen-P (mg/kg)/[全磷 (g/kg) × 1000] × 100

作物吸磷量 (kg/hm2) = 籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2) × 籽粒含磷量 (%) + 秸稈產(chǎn)量 (kg/hm2) × 秸稈含磷量 (%)

土壤累積磷盈虧 (P，kg/hm2) = 累積施磷量 – 作物累積吸磷量

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2007 分析作圖，SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，差異顯著性檢驗采用LSD法(P ＜ 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥土壤全磷含量的變化

長期不同施肥下黑土全磷含量變化如圖1所示，長期不同施肥下土壤全磷的時間變化趨勢均存在明顯差異。不施磷肥的CK和N兩個處理，土壤全磷含量從開始時 (1979年) 的0.47 g/kg分別下降到2015年的0.32 g/kg和0.33 g/kg，分別下降了31.9%和29.8%，土壤全磷含量與試驗?zāi)晗薜难娱L呈負相關(guān)關(guān)系 (P ＜0.01)。施用含磷素肥料處理的土壤全磷含量隨種植時間延長表現(xiàn)出上升趨勢，與試驗?zāi)晗薜难娱L分別呈現(xiàn)顯著 (P ＜ 0.05)、極顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)。施用化學(xué)磷肥處理 (P、NP、NPK)，土壤全磷含量由試驗開始時 (1979年) 的0.47 g/kg分別上升到2015年的0.70 g/kg、0.58 g/kg、0.60 g/kg，分別上升了48.9%、23.4%和27.7%。有機肥配施化肥處理 (MNPK) 從開始時的0.47 g/kg上升到2015年的0.64 g/kg ，全磷增加量為0.17 g/kg。此結(jié)果說明施用磷肥處理和有機無機肥配施處理均能提高黑土區(qū)旱地土壤全磷含量。

2.2 長期不同施肥對土壤有效磷含量的影響

圖2所示，長期不施磷肥處理土壤有效磷 (Olsen-P)含量呈下降趨勢，本研究中CK、N兩個處理土壤Olsen-P含量從開始時 (1979年) 的22.2 mg/kg分別下降到2015年的2.4 mg/kg和2.23mg/kg，土壤Olsen-P達到極缺程度。有機肥處理、有機肥配合氮肥處理 (M、MN) 土壤Olsen-P含量減少，從開始時的22.2 mg/kg分別下降到2015年的5.0 mg/kg和4.67 mg/kg。施用磷肥之后，土壤Olsen-P含量均隨種植時間延長呈現(xiàn)上升趨勢，與時間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

圖1 不同施肥年限黑土全磷含量的變化(1979—2015)Fig. 1 Changes of soil total P after different fertilizer years

圖2 不同施肥年限黑土速效磷含量(1979—2015)Fig. 2 Soil Olsen-P content after different fertilization years

2.3 長期施肥土壤全磷與有效磷的關(guān)系

從長期施肥下黑土磷活化系數(shù) (PAC) 隨時間的變化規(guī)律(圖3)可知，不施磷肥的處理 (CK、N) 和有機肥配合氮肥處理 (MN) 的PAC與試驗?zāi)晗蕹尸F(xiàn)極顯著負相關(guān) (P ＜ 0.01)，有機肥處理 (M) 呈顯著負相關(guān) (P ＜ 0.05)，四個處理的PAC隨施肥時間延長均表現(xiàn)為下降趨勢，由試驗開始時 (1979年) 的4.75%分別下降到2015年的0.76%、0.67%、1.16%和1.28%，平均PAC分別為2.9%、2.6%、3.9%和3.7%。施用磷肥處理，土壤PAC隨施肥時間延長均呈現(xiàn)上升趨勢，2015年P(guān)、NP以及NPK處理的PAC分別增加到7.0%、6.0%和7.1%，多年平均值分別為9.4%、8.0%和9.7%，而2015年MP、MNP以及MNPK處理的PAC分別為9.3%、6.4%和9.7%，多年平均值分別為10.0%、9.3%和9.4%，有機肥與磷肥配施處理的PAC整體高于單施化學(xué)磷肥的處理。

2.4 長期施肥土壤有效磷對磷盈虧的響應(yīng)

圖3 不同施肥年限黑土磷素活化系數(shù)的變化 (1979—2015)Fig. 3 Dynamic of PAC value after different fertilizations years

圖4 長期不同施肥處理黑土有效磷增量與累積磷盈虧的關(guān)系(1979—2015)Fig. 4 Correlations between soil Olsen-P change and P balance under long-term different fertilizations

圖4 結(jié)果表明，不施磷肥處理 (CK、N) 土壤Olsen-P變量與土壤累積磷虧缺值呈正相關(guān)關(guān)系，CK和N處理土壤每虧缺磷100 kg/hm2，Olsen-P分別下降1.83和1.46 mg/kg。施用化學(xué)磷肥的三個處理 (P、NP、NPK)，土壤每積累磷100 kg/hm2，Olsen-P分別上升 1.56、1.45和1.69 mg/kg。單施有機肥 (M) 和有機肥配施氮肥 (MN) 處理土壤Olsen-P變化量與磷盈余表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系，土壤每積累磷100 kg/hm2，M和MN處理土壤Olsen-P分別下降1.38和1.24 mg/kg。有機肥配施化學(xué)磷肥處理 (MP、MNP、MNPK) 土壤每盈余磷100 kg/hm2，三種處理土壤Olsen-P分別上升0.63、0.53和0.96 mg/kg，上升幅度較低。36年間18個年份里所有處理土壤的Olsen-P變化量與土壤累積磷盈虧值之間的關(guān)系表明 (圖5)，隨著土壤累積磷的增加，土壤有效磷含量呈增加趨勢，黑土磷素每盈余100 kg/hm2，Olsen-P上升1.28 mg/kg。

3 討論

圖5 黑土所有處理Olsen-P與土壤累積磷盈虧的關(guān)系Fig. 5 Correlation between soil Olsen-P change and P balance under long-term different treatments

磷素在土壤中的形態(tài)較穩(wěn)定，因而土壤磷庫的變化過程較緩慢，有研究表明，長期不施磷肥處理土壤磷含量呈現(xiàn)降低趨勢，過量施用磷肥使得土壤磷含量增加[12–13]。本試驗結(jié)果表明，長期不施用磷肥的CK和N處理，土壤全磷含量隨施肥年限的延長均呈現(xiàn)下降趨勢，到2015年含量下降了約三分之一，土壤Olsen-P含量下降到試驗初始時的十分之一左右，下降幅度較大。CK和N處理由于長期不施磷肥，其他來源的磷素不多，作物收獲后帶走土壤中的磷素，進而導(dǎo)致土壤中的全磷和有效磷含量降低，以上與以往研究結(jié)果一致[10,13–14]。本研究中磷肥處理 (P、NP、NPK) 的土壤全磷、有效磷含量隨著施肥年限的延長而增加，紅壤性水稻土和黑壚土上也有同樣的研究結(jié)果[10,15]。說明磷肥的長期施用對于增加土壤有效磷的含量起到重要作用，土壤有效磷的變化量與土壤磷素積累量呈正相關(guān)關(guān)系[9,14]。單施有機肥及其與化學(xué)氮肥配施處理 (M、MN) 土壤全磷和有效磷含量均呈現(xiàn)下降趨勢，土壤全磷、有效磷含量低于有機無機磷肥配施處理 (MP、MNP、MNPK)，高于不施磷肥處理 (CK、N)，黃晶等也得出了相似的研究結(jié)果[10]，主要原因可能是因為施入土壤中的有機質(zhì)或殘留在土壤中的有機質(zhì)在腐化過程中產(chǎn)生有機酸根離子，有機酸活化了土壤磷素，降低了磷的吸附，使得土壤中的磷素更易于向深層移動[16–18]，進而降低了表層土壤全磷和有效磷的含量。這也是有機肥與無機肥配施土壤全磷和有效磷含量增加少于單施化肥磷的原因。

土壤磷素活化系數(shù) (PAC) 是有效磷與全磷的比值，用來表征土壤磷素的有效化程度?？偟膩碚f，施磷肥處理土壤PAC值高于不施肥處理，有機無機肥配施PAC值高于單施化肥[10,19]。本研究結(jié)果中2015年度不施化學(xué)磷肥處理 (CK、N、MN、M) 的PAC值均低于2%，土壤磷的有效性性較低。由于化肥中的有效磷含量較高，施用化學(xué)磷肥可大大增加土壤中的有效磷含量，增加PAC[20]。所有施磷處理中，有機肥與磷肥配施處理的PAC值高于單施磷肥，與主要與有機肥增加了土壤有機質(zhì)含量，減少了有效磷在土壤中的固定有關(guān)[21–22]。另外，有機質(zhì)中富含的有機酸可以將土壤溶液中的磷酸根離子置換出來，增加有效磷含量[23]。在紅壤的相關(guān)研究中也表明，土壤磷素活化系數(shù)增加的主要原因是磷在土壤中的固定能力降低了[10,24]。鑒于以上分析，不同施肥處理有效磷對磷盈虧的響應(yīng)各異，將土壤磷盈余量與有效磷含量變化量進行回歸，在本試驗條件下，不施磷肥處理 (CK、N)、單施有機肥 (M) 和有機肥配施氮肥 (MN) 處理，土壤每盈余磷100 kg/hm2，四個處理土壤有效磷增量下降幅度較小，范圍為1.24～1.83 mg/kg，施用化肥處理的有效磷增量高于有機肥和化肥配施處理。不同土壤類型差別較大，南方黃泥田有機和化肥配施處理有效磷增量大于化肥處理[19]、紅壤性水稻土和黑壚土化肥處理有效磷增量較高[10,14]。

已有研究結(jié)果表明，土壤有效磷的變化量與磷盈虧呈正相關(guān)關(guān)系，土壤每累積100 kg/hm2磷，單施化學(xué)磷肥處理土壤有效磷含量平均提高2.6 ～21.2 mg/kg，有機肥配施化學(xué)磷肥處理有效磷含量平均提高0.56～41.3 mg/kg[19]。本研究所有土壤樣品的有效磷與累積磷盈虧關(guān)系表明，黑土磷素每盈余100 kg/hm2，Olsen-P濃度上升1.28 mg/kg，與已有研究的有機肥配施化肥處理濃度相近。本研究有機肥配施化學(xué)磷肥的處理土壤有效磷濃度基本在此范圍，化肥處理的土壤有效磷濃度略低于該范圍，而此結(jié)果可能與試驗地的環(huán)境、土壤性質(zhì)以及種植制度等因素有關(guān)。具體原因有待進一步研究和探討。

4 結(jié)論

施肥影響黑土磷素的平衡和有效性。長期不施磷肥黑土全磷含量隨試驗?zāi)晗薜难娱L而降低，在試驗?zāi)晗迌?nèi)，有效磷含量下降幅度小于全磷，顯示了對土壤磷庫的耗竭。施用磷肥可增加黑土全磷和有效磷含量，土壤磷素活化系數(shù)即磷素的有效性也隨施肥時間的增加而增加。有機肥與磷肥配合施用不僅可增加磷素的累積量，更有效增加磷素的有效性。