長(zhǎng)期不同施肥對(duì)紅壤性水稻土磷素及水稻磷營(yíng)養(yǎng)的影響

呂真真，劉秀梅，侯紅乾，冀建華，藍(lán)賢瑾，馮兆濱，劉益仁*

（1 江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，南昌 330200；2 國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 330200）

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，中國(guó)是世界上最大的稻米生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[1]。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的3種大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，主要源于土壤磷庫(kù)和外源施入的含磷物質(zhì)。磷在水稻生產(chǎn)中起重要作用，如促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)發(fā)育、增加分蘗、增強(qiáng)抗逆能力、促進(jìn)早熟、提高產(chǎn)量。自1960年以來，磷肥在促進(jìn)作物生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量方面的作用越來越受到重視，改革開放30年以來，我國(guó)磷肥用量呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，平均年增長(zhǎng)率高達(dá)5.6%[2]。隨集約化農(nóng)田磷肥不斷施入，土壤磷素含量明顯改善，中國(guó)不同類型的土壤全磷含量為0.3～1.7 g/kg，有效磷含量為0.1～229 mg/kg，受成土母質(zhì)和氣候條件的影響，我國(guó)南方紅壤和紅壤性水稻土尚存在普遍缺磷現(xiàn)象[3]。

土壤磷素缺乏會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)，但持續(xù)集約化施用磷肥會(huì)引起土壤中磷的累積，增加土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)，加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題[4-5]，因此掌握不同磷肥施用方式下土壤磷素含量、磷活化能力、磷肥利用率、植物對(duì)磷吸收等變化特征對(duì)指導(dǎo)磷肥合理施用具有重要意義。磷在土壤中累積程度因磷肥種類而異，眾多研究表明長(zhǎng)期施用化學(xué)磷肥或有機(jī)肥都能不同程度地提高土壤磷含量，兩者配施的作用更顯著[6-9]。隨著化肥施用對(duì)土壤健康和環(huán)境的負(fù)面影響不斷涌現(xiàn)，有機(jī)肥越來越受到關(guān)注[10]，2017年中央一號(hào)文件的發(fā)布使“有機(jī)肥替代化肥”成為農(nóng)資企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。但施用量通常以作物對(duì)氮 (N) 的需求為依據(jù)，不同來源的有機(jī)肥N∶P比不同[11]，如糞肥的N∶P比較低，易導(dǎo)致過量施用磷，引起土壤磷累積，提高土壤磷遷移率[4-5]；秸稈或植物堆肥具有適宜的N∶P比，是提高作物產(chǎn)量和磷循環(huán)效率的有效途徑[12]。多種有機(jī)肥配合施用對(duì)土壤磷特性的影響是一個(gè)重要的研究課題。

1984年建立在潴黃泥田上的雙季稻肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，有機(jī)肥采用早稻施紫云英和晚稻施腐熟豬糞的施肥模式，本課題組前期以該長(zhǎng)期試驗(yàn)為平臺(tái)，研究長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)化肥配施有機(jī)肥較化肥處理的全磷和有效磷含量均有顯著增高[13]。但對(duì)耕層土壤磷有效性、作物磷吸收效率演變等至今未做系統(tǒng)分析。為此，本文較為系統(tǒng)地研究了29年不同施肥下紅壤性水稻田土壤全磷及其與有效磷關(guān)系的演變特征、水稻磷素吸收及其與產(chǎn)量的關(guān)系、土壤磷盈虧與全磷消長(zhǎng)規(guī)律的響應(yīng)關(guān)系，對(duì)紅壤性水稻田磷肥施用具有重要的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于江西省南昌市南昌縣 (N28°57′、E115°94′)，地處中亞熱帶，海拔高度25 m，年平均氣溫17.5℃，≥ 10℃積溫5400℃，年降雨量1600 mm，年蒸發(fā)量1800 mm，無霜期約280 天。區(qū)域內(nèi)溫、光、熱資源豐富，適宜大多數(shù)農(nóng)作物生長(zhǎng)，本試驗(yàn)基地作物種植采用早稻-晚稻一年兩熟的種植制度，具有廣泛的區(qū)域代表性。

試驗(yàn)基地土壤為第四紀(jì)亞紅粘土母質(zhì)發(fā)育的中潴黃泥田，試驗(yàn)開始前耕層 (0—20 cm) 土壤基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量25.6 g/kg、全氮1.36 g/kg、全磷0.49 g/kg、堿解氮81.6 mg/kg、有效磷20.8 mg/kg、速效鉀30.5 mg/kg、緩效鉀240 mg/kg、陽離子交換量7.54 cmol/kg、pH值6.50、容重1.25 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于1984年，共設(shè)8個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為33.3 m2，小區(qū)間以0.50 m深和0.50 m寬的水泥田埂隔開，各小區(qū)獨(dú)立排灌。每年4月中下旬移栽早稻，7月中旬收獲；7月下旬移栽晚稻，10月下旬收獲。試驗(yàn)處理：1) 不施肥(CK)；2) 磷鉀肥 (缺氮，PK)；3) 氮磷肥 (缺鉀，NP)；4) 氮鉀肥 (缺磷，NK)；5) 氮磷鉀平衡施肥(NPK)；6) 70%化肥氮配施30%有機(jī)肥氮 (70F +30M)；7) 50%化肥氮配施50%有機(jī)肥氮 (50F +50M)；8) 30%化肥氮配施70%有機(jī)肥氮 (30F +70M)。

早稻施用純N、P2O5和K2O量分別為150、60和150 kg/hm2；晚稻施用純N、P2O5和K2O量分別為180、60和150 kg/hm2。早、晚稻施用的氮、磷和鉀化肥均分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，有機(jī)肥品種分別為紫云英和腐熟豬糞，紫云英N、P2O5和K2O含量分別為0.30%、0.08%和0.23%，腐熟豬糞分別為0.45%、0.19%和0.60%。磷肥和有機(jī)肥全部作基肥；氮肥50%作基肥，25%作分蘗肥，25%作幼穗分化肥；鉀肥全部作追肥，其中50%作分蘗肥，50%作幼穗分化肥。有機(jī)肥用量以氮量為基準(zhǔn)，磷和鉀用化肥補(bǔ)足，僅處理8，中晚稻鉀含量超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。各小區(qū)田間管理措施一致。

1.3 樣品采集與分析

于每年 (1984—2012年) 早、晚稻收獲期各小區(qū)分秸稈和稻谷單獨(dú)收獲計(jì)產(chǎn)，依據(jù)各小區(qū)有效分蘗穗數(shù)隨機(jī)選取植株，分為秸稈和稻谷，分別稱重、烘干，計(jì)算水分含量，并將樣品粉碎后測(cè)定全磷含量。于每年晚稻收獲后，在各小區(qū)內(nèi)采取 (0—20 cm) 耕層多個(gè)樣點(diǎn)的土壤混合樣品，風(fēng)干后過篩備用，測(cè)定土壤全磷及有效磷含量。

土壤全磷用H2SO4-HClO4消煮—鉬銻抗比色法測(cè)定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；植株樣品含磷量采用H2SO4-H2O2消化—鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

土壤全磷變化量△Total P (g/kg) = Pi(g/kg) - P0(g/kg) (式中，Pi表示第i年土壤全磷含量；P0表示土壤初始全磷含量)

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

作物地上部吸磷量 (kg/hm2) = 籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2) ×籽粒含磷量 (%) + 收獲移走秸稈產(chǎn)量 (kg/hm2) × 秸稈含磷量 (%)

當(dāng)季土壤表觀磷盈虧 (kg/hm2) = 每年施入土壤磷素總量 (kg/hm2) - 作物 (籽粒 + 秸稈) 每年吸磷量(kg/hm2)

土壤累積磷盈虧 (kg/hm2) =當(dāng)季作物表觀磷盈虧

應(yīng)用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0及Sigmaplot12.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥下土壤全磷的變化趨勢(shì)

圖1顯示，對(duì)照CK處理在連續(xù)29年不施肥種植條件下，土壤全磷含量波動(dòng)范圍較小，與種植年限的相關(guān)性不顯著；NK處理，在長(zhǎng)期缺磷連續(xù)種植下，土壤全磷含量呈直線下降趨勢(shì)，與種植年限呈極顯著負(fù)相關(guān)，連續(xù)種植29年后，土壤全磷含量(2010—2012年平均值) 下降至0.34 g/kg，較試驗(yàn)初始值下降了30%，下降速率為4.6 mg/(kg·a)。連續(xù)29年施用磷肥，土壤全磷含量與種植年限均表現(xiàn)為極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤全磷含量整體呈上升趨勢(shì)。

連續(xù)29年施磷后，施用化學(xué)磷肥的PK、NP和NPK3個(gè)處理，土壤全磷含量分別上升至0.81、0.80和0.80 g/kg，比試驗(yàn)初始值分別升高了65%、63%和63%，升高速率分別為5.8、4.1和3.3 mg/(kg·a)。有機(jī)無機(jī)配施處理 (70F + 30M、50F +50M和30F + 70M)，土壤全磷含量分別增至0.99、1.09和1.13 g/kg，其平均值比試驗(yàn)初始值升高了1.18倍，升高速率分別為14.4、19.4和14.6 mg/(kg·a)，其平均升高速率為16.1 mg/(kg·a)，是NPK處理的4.89倍。

2.2 長(zhǎng)期施肥下土壤磷活化能力變化

圖 1 長(zhǎng)期施肥條件下紅壤性水稻田全磷含量 (1985—2012)Fig. 1 Total P content in red paddy soil under long-term fertilization

圖 2 長(zhǎng)期施肥條件下紅壤性水稻田土壤磷活化系數(shù) (1985—2012)Fig. 2 Phosphorus activation coefficient (PAC) in red paddy soil under long-term fertilization

CK和NK處理的土壤磷活化系數(shù) (Phosphorus activation coefficient，PAC) 隨種植年限的延長(zhǎng)呈先緩慢上升后逐漸下降的趨勢(shì) (圖2)，由試驗(yàn)開始時(shí)的4.24%分別下降到2012年 (2010—2012平均值)的2.52%和2.55%。施無機(jī)磷肥處理 (PK、NP和NPK) 的PAC隨種植年限延長(zhǎng)而提高，且NP和PK處理上升速率高于NPK處理，較試驗(yàn)初始值分別提高了45.8%、57.8%和22.4%。有機(jī)無機(jī)肥配施處理 (70F + 30M、50F + 50M和30F + 70M)，PAC隨種植年限延長(zhǎng)而逐漸升高，分別升至8.24%、8.31%和8.98%，50F + 50M和30F + 70M處理每年升高的速率較70F + 30M處理分別提高了31.0%和30.1%。有機(jī)無機(jī)肥配施的PAC平均年升高速率是NPK處理的2.89倍。

2.3 作物磷素吸收特征及其與作物產(chǎn)量的關(guān)系

早晚稻吸磷量在不同施肥措施下的演變特征具有顯著差異 (表1)。各處理的早晚稻吸磷量均隨種植年限延長(zhǎng)產(chǎn)生波動(dòng)。比較29年早晚稻平均吸磷量，施化肥處理 (PK、NP和NPK) 和化肥配施有機(jī)肥處理 (70F + 30M、50F + 50M和30F + 70M) 均顯著高于對(duì)照，提高幅度分別為29.9%～124.2%和28.6%～103.2%。NK處理的早晚稻吸磷量分別是CK的1.77和1.57倍。4個(gè)均衡施肥處理 (NPK、70F +30M、50F + 50M和30F + 70M) 中，30F + 70M處理的晚稻吸磷量較NPK和50F + 50M處理顯著提高，NPK、70F + 30M和50F + 50M 3個(gè)處理間差異不顯著，但均顯著高于不均衡施肥處理PK和NP，平均分別較后兩者提高了38.7%和32.9%。

表1 長(zhǎng)期不同施肥作物磷素吸收量 (P kg/hm2)Table 1 Phosphorus absorption by rice under long-term fertilization

從早稻和晚稻產(chǎn)量 (表2) 與磷素吸收關(guān)系的變化趨勢(shì)可以看出，作物產(chǎn)量與磷素吸收量呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系 (圖3)。早稻產(chǎn)量與磷素吸收量的回歸方程為y= 114.83x+ 543.92 (R2= 0.931，n= 232，P＜ 0.01)，晚稻為y= 106.41x+ 1172.7 (R2= 0.898，n=232，P＜ 0.01)。根據(jù)回歸方程計(jì)算結(jié)果，在江西南昌紅壤性雙季稻田上，每吸收1 kg磷 (P)，能分別提高早稻和晚稻產(chǎn)量的114.8和106.4 kg/hm2。

2.4 全磷與磷盈虧的響應(yīng)關(guān)系

CK處理土壤全磷變化與累積磷平衡間無顯著相關(guān)關(guān)系(圖4)；NK處理土壤全磷含量隨種植年限延長(zhǎng)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，土壤全磷變化量與磷素虧缺顯著相關(guān)，土壤中每虧缺磷100 kg/hm2，土壤全磷含量降低6 mg/kg；施化學(xué)磷肥的3個(gè)處理 (NP、PK、NPK)，土壤全磷增量與磷盈余呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)，土壤中每盈余磷100 kg/hm2，土壤全磷分別提高10、8和10 mg/kg，平均提高9.3 mg/kg。70F +30M、50F + 50M和30F + 70M處理，土壤中每盈余磷100 kg/hm2，土壤全磷平均增加63.3 mg/kg，是施無機(jī)磷肥處理平均值的6.78倍。

表2 長(zhǎng)期不同施肥早晚稻籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2)Table 2 Rice yield (early rice and late rice) under long-term fertilization

圖 3 早稻及晚稻產(chǎn)量與作物磷素吸收量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between rice (early rice and late rice) yield and phosphorus uptake

圖 4 土壤全磷變化與累積磷盈虧的關(guān)系Fig. 4 Relationship between accumulated phosphorus budget and total P

3 討論

3.1 施肥模式對(duì)土壤全磷含量的影響

土壤全磷表征土壤中磷的總儲(chǔ)量，是土壤潛在的肥力指標(biāo)。本研究結(jié)果顯示，配施有機(jī)肥處理與純化肥處理相比，耕層土壤全磷含量平均提高了57.5%，這說明在等磷量投入條件下，配施一定比例的有機(jī)肥較純化肥在提升南方紅壤性水稻土磷庫(kù)的容量上效果更優(yōu)。王伯仁等[14]在紅壤旱地上的研究表明，在化學(xué)磷肥基礎(chǔ)上施用有機(jī)肥，16年后土壤全磷含量較施用化學(xué)磷肥提高了1.20倍。黃晶等[6]研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)磷肥和有機(jī)肥配施比單施化肥或有機(jī)肥能夠顯著提高紅壤性水稻土全磷含量。仲子文等[15]在潮土上研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)33年單施化學(xué)磷肥或有機(jī)肥，土壤磷庫(kù)有所減小，而無機(jī)磷肥與有機(jī)肥配施后土壤磷庫(kù)穩(wěn)定，同樣證實(shí)了化學(xué)磷肥配施有機(jī)肥更能有效地提高土壤磷含量。本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥配施化肥處理與純化肥處理相比，作物帶走的磷素量差異不顯著，但在等磷量投入條件下，有機(jī)肥配施化肥更有利于提高土壤總磷，從磷平衡的角度考慮，可能是有機(jī)肥配施化肥情況下降低了土壤磷素流失，本試驗(yàn)有機(jī)肥種類為豬糞和紫云英，兩種不同種類有機(jī)肥聯(lián)合施用對(duì)紅壤性雙季稻田總磷流失的影響及其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。劉紅江等[16]發(fā)現(xiàn)，配施25%和50%有機(jī)肥 (豬糞) 較純化肥的磷流失量和流失率未顯著增加；丁炳紅[17]在研究有機(jī)物料還田對(duì)稻田氮磷損失時(shí)發(fā)現(xiàn)紫云英還田及紫云英+商品有機(jī)肥較化肥處理能夠有效降低農(nóng)田磷流失。

3.2 施肥模式對(duì)土壤全磷轉(zhuǎn)化能力的影響

有效磷與全磷比值作為土壤磷素活化系數(shù)，可以表征全磷與有效磷的變異狀況[18-19]，表征土壤磷養(yǎng)分的供應(yīng)能力。多數(shù)研究表明，長(zhǎng)期無磷投入種植，引起土壤磷活化系數(shù) (PAC) 下降[7,20]。本研究中，連續(xù)29年無磷投入，PAC降至2.5%左右，接近2%；有研究表明土壤磷素的PAC低于2.0%時(shí)，全磷轉(zhuǎn)化率低，速效磷容量和供給強(qiáng)度小[21]；但也有研究證實(shí)PAC在不施磷肥下徘徊在1%以下且呈緩慢上升趨勢(shì)[8]。本研究中所有施磷肥處理，PAC均顯著升高，不同肥料配比處理的升高幅度不同，有機(jī)肥和化學(xué)磷肥配施顯著高于化肥處理。這與黃晶等[6]及魯艷紅等[7]在紅壤性水稻土上的研究結(jié)果一致。有機(jī)肥本身含有有機(jī)酸、腐殖質(zhì)酸等，且在降解過程中也會(huì)產(chǎn)生這些物質(zhì)，與土壤中的鈣、鐵、鋁等形成穩(wěn)定的配合物，減少這些離子對(duì)磷的固定強(qiáng)度進(jìn)而促進(jìn)磷的活化，提高磷的有效性。

3.3 作物磷素吸收對(duì)不同施肥模式的響應(yīng)

長(zhǎng)期不施磷肥時(shí)，作物的磷素吸收量反映了土壤自然供磷能力。在雙季稻種植模式中，不施磷時(shí)(CK和NK) 作物吸收的磷素主要來源于土壤中礦質(zhì)磷和含磷有機(jī)質(zhì)的礦化以及隨降水、降塵、灌溉水、種苗等帶入的磷。NK處理早晚稻吸磷量顯著高于CK，主要由于氮、鉀肥的施用促進(jìn)了作物生長(zhǎng)，致使生物量較大的原因。早、晚稻吸磷量年季間呈現(xiàn)波動(dòng)，主要是因?yàn)樽魑锪姿匚樟康闹骺匾蛩厥亲魑锂a(chǎn)量，而早晚稻產(chǎn)量易受品種、氣象、栽培管理等影響而產(chǎn)生年季間差異。已有研究表明在化肥基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥顯著提高作物吸磷量[22]，本研究中在等磷量投入情況下，30%及50%有機(jī)肥替代較純化肥處理未能顯著提高水稻磷素吸收量，但70%有機(jī)肥替代提高了晚稻磷素吸收量，作物磷素總吸收量的主要影響因素是籽粒和秸稈產(chǎn)量，配施70%有機(jī)肥處理隨種植年限延長(zhǎng)，有機(jī)肥礦化釋放的養(yǎng)分逐漸增加和土壤質(zhì)量提高，籽粒產(chǎn)量及地上部生物量大幅增加，致使作物帶走的磷量升高。

3.4 土壤磷平衡對(duì)土壤全磷的響應(yīng)

土壤全磷含量是巨大的磷庫(kù)，其含量高低可表征磷庫(kù)容量的大小，作物吸收的磷量與土壤全磷含量相比只是很小的部分，因此土壤全磷含量越高，則全磷下降幅度越少，植物吸收帶走的磷量越多。本研究中土壤磷素盈虧取決于磷肥施用量及作物吸收磷量，在不施肥條件下，土壤磷素長(zhǎng)期處于虧缺狀態(tài)，早晚稻產(chǎn)量受氣溫、降雨等因素的影響程度顯著大于土壤磷素，而氣候年際間差異較大，致使土壤全磷變化與累積磷虧缺之間不存在相關(guān)關(guān)系。外源磷的長(zhǎng)期大量投入是土壤磷盈余發(fā)生的主要原因，本研究中所有長(zhǎng)期施用磷肥條件下農(nóng)田土壤磷的收支均為盈余狀態(tài)，且全磷增量與磷累積盈余量呈直線相關(guān)，土壤中同樣每盈余磷100 kg/hm2，配施有機(jī)肥處理的土壤全磷增量卻顯著高于純化肥處理，配施有機(jī)肥處理的土壤每累積磷100 kg/hm2，土壤中全磷含量提高0.6～0.7 g/kg，而純化肥處理僅提高0.1 g/kg，即長(zhǎng)期有機(jī)無機(jī)配施較施用純化肥更能促進(jìn)土壤全磷累積，王伯仁等及楊軍等也獲得了類似的結(jié)論[14,23]。

但從環(huán)境保護(hù)方面考慮，土壤中的磷素若長(zhǎng)期處于盈余狀態(tài)，將增加土壤磷素向水體流失的風(fēng)險(xiǎn)，從而威脅環(huán)境。故在配施有機(jī)肥的施肥管理中，應(yīng)控制有機(jī)肥攜帶磷素投入量，或減少化學(xué)磷肥用量。

4 結(jié)論

在江西紅壤性雙季稻田上，連續(xù)29年不施磷肥，土壤磷一直處于虧缺狀態(tài)，施氮、鉀肥而不施磷肥下，土壤全磷含量隨種植年限延長(zhǎng)而持續(xù)下降。無論是單施化學(xué)磷肥，還是有機(jī)無機(jī)肥配施均有效提高土壤全磷含量，且在等磷量投入條件下，

有機(jī)無機(jī)肥配施較單施化肥的效果更優(yōu)。長(zhǎng)期無磷投入種植，土壤磷活化系數(shù)下降至約2.5%，土壤全磷很難向有效磷進(jìn)行轉(zhuǎn)化，施磷均有效提高磷活化系數(shù)，有機(jī)無機(jī)肥配施提升速率顯著高于純化肥處理。綜合考慮作物產(chǎn)量及生態(tài)環(huán)境，建議采用有機(jī)無機(jī)肥配施的施肥模式，并在施常規(guī)化學(xué)磷肥用量的基礎(chǔ)上適當(dāng)減少化學(xué)磷肥投入量，具體減少量有待進(jìn)一步研究。