長期不同施肥紅壤磷素變化及其對產(chǎn)量的影響

李冬初，王伯仁，黃晶，張楊珠，徐明崗，張淑香，張會(huì)民

長期不同施肥紅壤磷素變化及其對產(chǎn)量的影響

李冬初1,2，王伯仁2，黃晶2，張楊珠1，徐明崗2，張淑香2，張會(huì)民2

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

【】定量長期不同施肥紅壤磷素的演變特征，研究紅壤磷素變化對生產(chǎn)力的影響，為紅壤地區(qū)磷素管理提供理論依據(jù)。利用持續(xù)26年的紅壤旱地長期定位試驗(yàn)平臺(tái)（1991—2016年），比較長期不施磷肥（CK、N、NK）、施用化學(xué)磷肥（PK、NP、NPK）、化肥配合秸稈還田（NPKS）和化肥配施有機(jī)肥及有機(jī)肥（1.5NPKM、NPKM、M）土壤Olsen-P和全磷含量變化，分析土壤磷素對磷盈虧量的響應(yīng)，采用不同模型擬合作物產(chǎn)量對有效磷的響應(yīng)曲線，計(jì)算土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值。長期施用磷肥顯著提高了土壤全磷和有效磷含量，提升了土壤磷素活化系數(shù)（PAC）?；逝涫┯袡C(jī)肥及有機(jī)肥處理（1.5NPKM、NPKM、M）的PAC高于化肥配合秸稈還田（NPKS）和施用化學(xué)磷肥（PK、NP、NPK）。紅壤地區(qū)土壤全磷和有效磷變化量與土壤磷盈虧量呈正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），土壤每累積盈余100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P含量上升3.00—5.22 mg·kg-1，全磷上升0.02—0.06 g·kg-1。土壤每累積虧缺磷100 kgP·hm-2，不施磷肥處理（CK、N、NK）土壤Olsen-P分別下降1.85、0.40、1.76 mg·kg-1。化肥配施有機(jī)肥及有機(jī)肥處理（1.5NPKM、NPKM、M）的小麥和玉米產(chǎn)量顯著高于化肥配合秸稈還田（NPKS）以及施用化學(xué)磷肥（PK、NP、NPK），顯著高于不施磷肥（CK、NK、N）?；逝涫┯袡C(jī)肥及有機(jī)肥處理（1.5NPKM、NPKM、M）的產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)也高于其他處理。3種模型（線性-線性模型、線性-平臺(tái)模型和米切里西方程）均能較好地?cái)M合作物產(chǎn)量與紅壤有效磷含量的響應(yīng)關(guān)系（＜0.01）。在紅壤地區(qū)推薦使用擬合度較好的線性-線性模型，其計(jì)算出小麥和玉米的土壤Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值分別為13.5和23.4 mg·kg-1。在南方紅壤地區(qū)，化肥配施有機(jī)肥更有利于磷素累積和提升磷素有效性?；逝涫┯袡C(jī)肥作物產(chǎn)量顯著高于其他處理，且穩(wěn)產(chǎn)性好。線性-線性模型可用于計(jì)算紅壤地區(qū)有效磷的農(nóng)學(xué)閾值。生產(chǎn)上應(yīng)該根據(jù)土壤有效磷含量及其農(nóng)學(xué)閾值調(diào)整磷肥施用量。

Olsen-P；全磷；相對產(chǎn)量；磷素活化系數(shù)；磷盈虧；磷素農(nóng)學(xué)閾值；長期施肥；紅壤

0 引言

【研究意義】磷是生物系統(tǒng)的重要組成部分，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。施用磷肥是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要途徑。全世界有2/3的土壤因?yàn)槿绷锥拗谱魑锷L[3-4]，據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)，每年估計(jì)在作物生產(chǎn)上使用了2.61億t磷酸鹽作為磷肥[5]。磷肥主要來源于磷礦石，是一種不可再生資源，目前全世界約80%的磷礦石資源被用于生產(chǎn)肥料[6-7]。南方紅壤地區(qū)土壤有效磷含量低，磷是作物生長主要限制因子。自20世紀(jì)以來，土壤中已經(jīng)施用了大量的肥料磷來增加土壤磷含量和提高作物產(chǎn)量[8-9]。施入土壤中的磷一方面容易被固定為鈣磷，鐵磷和鋁磷等；另一方面磷的流失也是環(huán)境污染尤其是農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源。因此，闡明不同施肥磷素在土壤中累積特征以及對磷素盈虧的響應(yīng)，分析磷素變化對作物產(chǎn)量的影響，對合理利用磷肥資源，提高作物產(chǎn)量和減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】大量研究表明，長期施肥尤其是化肥有機(jī)肥配施顯著提高了土壤全磷和有效磷含量[10-14]。與第二次土壤普查相比，我國土壤有效磷平均含量由8 mg·kg-1提高到20 mg·kg-1以上[15-21]。不同外源磷素在土壤中累積和轉(zhuǎn)化存在差異[22-23]。施用磷肥促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提升。農(nóng)作物產(chǎn)量隨著土壤有效磷含量的提升而增加，兩者之間存在較強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系[8-9]。施用有機(jī)肥能提高土壤磷素活性，降低土壤對磷的吸附[24]。【本研究切入點(diǎn)】目前在紅壤上的研究較多集中在土壤磷素演變特征、土壤磷素吸附解吸以及磷肥高效利用等方面[12-13]。長期不同施肥造成了土壤磷素盈虧量變化，其勢必對土壤磷庫及磷素有效性產(chǎn)生影響。研究土壤全磷變化及有效性對土壤磷盈虧量的響應(yīng)具有重要意義。紅壤地區(qū)降水豐沛，土壤淋溶作用強(qiáng)；另一方面，紅壤富含鐵鋁，能固定土壤磷素。土壤中過量的磷不僅容易固定變成無效磷，還可能淋失造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[25]。因此，需要探討作物產(chǎn)量對土壤磷素的響應(yīng)特征，確定土壤磷素的適合濃度，計(jì)算其農(nóng)學(xué)閾值?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究利用持續(xù)26年的紅壤旱地長期定位試驗(yàn)平臺(tái)，闡明不同施肥措施土壤全磷和有效磷的變化，定量土壤磷素變化對磷盈虧的響應(yīng)。分析作物產(chǎn)量對土壤磷素的響應(yīng)，確定合適的土壤有效磷含量，提出磷肥減施等管理策略，為紅壤地區(qū)合理施用磷肥，開展磷肥高效利用等提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

紅壤旱地長期定位試驗(yàn)開始于1990年，地點(diǎn)位于湖南省，湖南祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站內(nèi)（東經(jīng)111°52′，北緯26°45′，海拔高度120 m）。該地位于我國亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量1 250—1 400 mm，多年平均氣溫18.3℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤為第四紀(jì)紅土發(fā)育的旱地紅壤，采用冬小麥（湘麥11號(hào)）和夏玉米（掖單13號(hào)）輪作。試驗(yàn)開始時(shí)（1990年秋季小麥為第一季作物）表層（0—20 cm）土壤基本性質(zhì)：有機(jī)碳含量8.6 g·kg-1；全氮、全磷、全鉀分別為1.1、0.45和13.3 g·kg-1；有效氮、Olsen-P、交換性鉀分別為79、11、122 mg·kg-1。該地區(qū)的土壤酸性很強(qiáng)，試驗(yàn)起始土壤pH為5.7（水土比為2.5﹕1）。

為更好地確定不同外源磷素對紅壤磷素變化特征和產(chǎn)量的影響，本研究選取該長期試驗(yàn)的4組不同的典型處理[26-27]：（1）不施磷肥處理（CK、N、NK）；（2）施用化學(xué)磷肥處理（PK、NP、NPK）；（3）施用化學(xué)氮磷鉀肥配合1/2秸稈還田處理（NPKS）；（4）施用化學(xué)氮磷鉀肥料配施有機(jī)肥以及單施有機(jī)肥處理（NPKM、1.5NPKM、M）。各處理化學(xué)氮、磷、鉀肥料及有機(jī)肥投入量見表1，化肥分別采用尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，有機(jī)肥為新鮮豬糞，含N 16.7 g·kg-1。肥料用量為年施用純氮 300 kg·hm-2，N﹕P2O5﹕K2O = 1﹕0.4﹕0.4。所有施氮小區(qū)的純氮用量相同，有機(jī)肥料處理中有機(jī)肥帶入磷、鉀養(yǎng)分不計(jì)入總量，NPKM及1.5NPKM處理中，有機(jī)氮施用量占全氮 70%。玉米季肥料施用量占全年施肥量的70%，小麥占全年施肥量30%。NPKS處理作物1/2秸稈還田，其余處理作物地上部分帶走。

肥料在小麥、玉米播種前作基肥一次施入。1991—2016年間，NPKS處理，累積投入磷素1 499.1 kg·hm-2，其中化肥磷素占90.9%，秸稈還田磷素占9.1%。NPKM和1.5NPKM處理累積投入磷素分別為5 569.8 kg·hm-2和7 673.6 kg·hm-2，其中化肥磷素分別占24.5%和17.8%，有機(jī)肥磷素分別占75.5%和82.2%。M處理累積投入磷素7 416.3 kg·hm-2。

表1 不同處理肥料年投入量

表中0-0-0代表N-P2O5-K2O的施肥量，以此類推 0-0-0: represent mineral fertilizer rates of N-P2O5-K2O. The same as below

1.3 樣品采集與分析

每年9月10—20日，在玉米收獲后采集土壤（0—20 cm）樣品。采集時(shí)使用內(nèi)徑為4.3 cm的不銹鋼土壤取樣器，采用“S”形，按照每小區(qū)隨機(jī)采取5—10個(gè)點(diǎn)，土樣混合，每個(gè)試驗(yàn)處理采集4次重復(fù)（每個(gè)重復(fù)采集500 g土樣）。土壤樣品風(fēng)干過篩后，轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室分析測定。土壤全磷采用H2SO4- HClO4消解、Olsen-P采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定磷[28]。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

土壤磷活化系數(shù)PAC（%）= Olsen-P（mg·kg-1）/[全磷（g·kg-1）×1000] × 100；

作物吸磷量（kg·hm-2）= 籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）× 籽粒含磷量（%）+ 秸稈產(chǎn)量（kg·hm-2）× 秸稈含磷量（%）；

土壤累積磷盈虧（P, kg·hm-2）= 累積施磷量（kg·hm-2）-作物累積吸磷量（kg·hm-2）；

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)SYI[29]=[作物的多年平均產(chǎn)量（kg·hm-2）- 作物產(chǎn)量年度標(biāo)準(zhǔn)差] / 作物最高年產(chǎn)量（kg·hm-2）；

各處理相對產(chǎn)量[30]= [各處理當(dāng)年產(chǎn)量（kg·hm-2）-對照不施肥處理產(chǎn)量（kg·hm-2）] / [當(dāng)年所有處理最高產(chǎn)量（kg·hm-2）-對照不施肥處理產(chǎn)量（kg·hm-2）]。

數(shù)據(jù)分別采用Microsoft Excel 2016軟件處理計(jì)算，Sigmaplot 12.0軟件作圖，IBM SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 土壤全磷含量變化

長期不同施肥土壤全磷含量隨時(shí)間變化呈現(xiàn)明顯的差異（圖1）。不施磷肥的3種處理（CK、N、NK），土壤全磷含量無顯著差異。施用磷肥顯著提升土壤全磷含量，其隨試驗(yàn)?zāi)晗蕹尸F(xiàn)極顯著上升趨勢（＜0.01）。施用化學(xué)磷肥的3種處理（NP、PK、NPK），土壤全磷含量由試驗(yàn)開始時(shí)（1991年含量）的0.45 g·kg-1分別上升到2016年的1.00、1.04和1.15 g·kg-1，統(tǒng)計(jì)得到各處理全磷含量增加速率分別為0.0143、0.0150、0.0194 g·kg-1·a-1?；视袡C(jī)肥配施和單施有機(jī)肥的3種處理（M、NPKM、1.5NPKM），土壤全磷含量增加速率分別為0.0457、0.0500和0.0688 g·kg-1·a-1，化肥配合秸稈還田（NPKS）土壤全磷年增加量介于化學(xué)磷肥（NP、PK、NPK）和化學(xué)磷肥配施有機(jī)肥處理（NPKM、1.5NPKM）之間，全磷增加速率0.0235 g·kg-1·a-1。長期施用磷肥均能提升南方紅壤區(qū)旱地紅壤的全磷含量。

2.2 土壤有效磷含量變化

長期不同施肥顯著改變了土壤有效磷狀況（Olsen-P，圖2）。不施磷肥土壤Olsen-P含量隨試驗(yàn)?zāi)晗蕹尸F(xiàn)下降或顯著下降趨勢（＜0.01）。不施磷肥的3種處理（CK、N、NK）土壤Olsen-P含量由試驗(yàn)開始時(shí)（1991年含量）的11.0 mg·kg-1分別下降到2016年的3.3、2.9、3.2 mg·kg-1，達(dá)到極缺程度。施用磷肥各處理土壤Olsen-P含量均隨時(shí)間呈現(xiàn)顯著上升趨勢（＜0.01）。土壤Olsen-P含量年增加速率高低順序分別為化肥有機(jī)肥配施和單施有機(jī)肥的3種處理（1.5NPKM、M、NPKM），高于化肥配合秸稈還田（NPKS）和化學(xué)磷肥處理（NP、PK、NPK）。

圖1 長期不同施肥紅壤全磷含量變化（1991—2016）

圖2 長期不同施肥紅壤Olsen-P含量變化（1991—2016）

2.3 長期施肥土壤磷素活化系數(shù)變化

土壤磷素活化系數(shù)（PAC）常用來表征土壤磷素的有效化程度。由圖3可知，不施磷肥的3種處理（CK、N、NK）的PAC一直維持在較低水平，且隨試驗(yàn)?zāi)晗抻邢陆祷蝻@著下降趨勢（＜0.01）。施用磷肥各處理的PAC隨試驗(yàn)?zāi)晗蕹尸F(xiàn)顯著上升趨勢（＜0.01）。PAC上升速率高低順序分別為化肥有機(jī)肥配施和單施有機(jī)肥的3種處理（1.5NPKM、M、NPKM），高于化學(xué)磷肥處理（NP、PK、NPK）和化肥配合秸稈還田（NPKS）。

圖3 長期不同施肥紅壤磷素活化系數(shù)變化（1991—2016）

2.4 長期施肥土壤磷素變化量對磷盈虧量的響應(yīng)

長期施用磷肥土壤全磷增加量與土壤累積磷盈余量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖4，＜0.01）。由圖可知，土壤每累積100 kg P·hm-2，土壤全磷含量上升0.02—0.06 g·kg-1，其中以化肥配合秸稈還田（NPKS）最高，單施有機(jī)肥（M）最低。長期不施磷肥3種處理（CK、N、NK），土壤全磷變量與土壤累積磷盈虧量無顯著關(guān)系。

土壤Olsen-P變化量與土壤磷素盈虧量呈正相關(guān)或顯著正相關(guān)關(guān)系（圖5，＜0.01）。長期不施磷肥3種處理（CK、N、NK），土壤每虧缺100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P分別下降1.85、0.40、1.76 mg·kg-1。施用化學(xué)磷肥的3種處理（PK、NP、NPK），土壤每累積100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P分別上升4.34、4.64、4.86 mg·kg-1。單施有機(jī)肥（M）、化肥有機(jī)肥配施（NPKM、1.5NPKM），以及化肥配合秸稈還田（NPKS），土壤每累積100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P分別上升3.00、4.13、4.12、5.22 mg·kg-1。

圖4 長期不同施肥紅壤全磷增量與土壤累積磷盈虧的關(guān)系（1991—2016）

圖5 長期不同施肥紅壤有效磷變量與累積磷盈虧的關(guān)系（1991—2016）

26年間所有施用磷肥7種處理（NP、PK、NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS、M）土壤全磷及Olsen-P 變化量與土壤累積磷盈虧量之間的關(guān)系表明（圖6），隨著土壤累積磷的增加，土壤全磷及有效磷含量呈增加趨勢，紅壤磷素每盈余100 kg P·hm-2，全磷上升0.03 g·kg-1，Olsen-P上升3.79 mg·kg-1。

2.5 長期施肥紅壤磷素變化對作物產(chǎn)量的影響

2.5.1 對作物產(chǎn)量的影響 長期不同施肥對紅壤地區(qū)小麥及玉米產(chǎn)量影響顯著（表2）。通過對試驗(yàn)開始至今26年（1991—2016年）產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)分析，小麥產(chǎn)量高低順序分別為化肥有機(jī)肥配施和單施有機(jī)肥的3種處理（NPKM、1.5NPKM、M），顯著高于化肥配合秸稈還田（NPKS）和施用化學(xué)磷肥3種處理（NPK、PK、NP），顯著高于不施磷肥的3種處理（CK、NK、N）。玉米產(chǎn)量趨勢大致一致，分別為高量化肥有機(jī)肥配施（1.5NPKM），顯著高于化肥有機(jī)肥配施（NPKM），顯著高于單施有機(jī)肥（M），顯著高于化肥配合秸稈還田（NPKS）和化肥平衡施用處理（NPK），顯著高于化學(xué)氮磷肥處理（NP），顯著高于其他處理（NK、N、PK、CK）。綜合全年產(chǎn)量（小麥玉米產(chǎn)量之和）高低順序分別為化肥有機(jī)肥配施兩種處理（NPKM、1.5NPKM），顯著高于單施有機(jī)肥（M），顯著高于化肥配合秸稈還田（NPKS）和化肥平衡施用處理（NPK），顯著高于化學(xué)氮磷肥處理（NP），顯著高于其他處理（NK、N、PK、CK）。

圖6 長期施用磷肥紅壤全磷及有效磷增量與累積磷盈虧的關(guān)系（1991—2016）

表2 長期不同施肥小麥玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)（1991—2016）

SYI：產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)SYI。表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同大寫字母表示不同處理產(chǎn)量差異顯著（＜0.05）

SYI: Sustainability index of grain yield. Data in the table are average ± standard deviation. Capital letter indicates the difference of yield significantly among different treatments (＜0.05)

由表2還可看出，持續(xù)26年的長期試驗(yàn)表明，無論小麥還是玉米，化肥有機(jī)肥配施和單施有機(jī)肥的3種處理（NPKM、1.5NPKM、M）產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)（SYI）要高于其他處理，其中又以化肥無機(jī)肥配施處理（NPKM）產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)（SYI）最高（表2）。

2.5.2 作物產(chǎn)量對紅壤有效磷的響應(yīng) 在紅壤地區(qū)，小麥及玉米相對產(chǎn)量與土壤Olsen-P含量存在顯著的響應(yīng)關(guān)系（圖7，＜0.01），線性-線性模型、線性-平臺(tái)模型和米切里西方程均能較好地?cái)M合二者的關(guān)系，3種模型計(jì)算的小麥和玉米農(nóng)學(xué)閾值范圍分別為13.5—28.8 mg·kg-1和23.4—46.0 mg·kg-1，線性-線性模型反應(yīng)最敏感，米切里西方程計(jì)算的農(nóng)學(xué)閾值最高（表3）。從2看，小麥農(nóng)學(xué)閾值以線性-線性模型擬合度要優(yōu)于米切里西方程和線性平臺(tái)模型。

以米切里西方程計(jì)算獲得的紅壤Olsen-P含量最高農(nóng)學(xué)閾值46.0 mg·kg-1為標(biāo)準(zhǔn)，目前該長期試驗(yàn)所有施用磷肥處理的土壤均達(dá)到或超過該閾值的Olsen-P含量。其中化肥有機(jī)肥配施和單施有機(jī)肥的3種處理（NPKM、1.5NPKM、M）在7—8年后土壤Olsen-P含量超過閾值（表3，圖2）?；逝浜辖斩掃€田（NPKS）11年后超過閾值，施用化學(xué)磷肥3種處理（NPK、 PK、NP）在16年后超過閾值。

短劃線、實(shí)線和點(diǎn)虛線分別表示線性-線性、線性-平臺(tái)和米切里西擬合曲線

表3 長期不同施肥磷素農(nóng)學(xué)閾值

LL: linear-linear model; LP: linear-platform model; EXP: Michelice model; CV: Critical value of Olsen-P content in agronomic

3 討論

3.1 長期施肥紅壤磷素含量變化及有效磷活化特征

土壤磷素含量變化受到施肥和土壤磷素累積量影響，長期不施磷肥土壤磷含量呈現(xiàn)降低趨勢，過量施用磷肥土壤磷含量增加[11-14, 21]。南方紅壤地區(qū)土壤有效磷含量低，本研究發(fā)現(xiàn)長期不施磷肥（CK、N、NK）土壤Olsen-P含量隨著試驗(yàn)?zāi)晗抻邢陆第厔?，約在10年左右達(dá)到土壤嚴(yán)重缺磷程度（圖2），并且影響作物生產(chǎn)。長期不施磷肥（CK、N、NK）土壤全磷含量隨試驗(yàn)?zāi)晗逕o顯著變化趨勢，這可能與該試驗(yàn)條件下不施磷肥作物產(chǎn)量低帶走少，土壤磷素活化速度慢等有關(guān)[28-29]。長期施用磷肥，土壤Olsen-P和全磷含量均逐年增加，磷肥的長期施用對于提高土壤磷素水平起到重要作用。這與大部分研究結(jié)果一致[11-14,31-33]。

土壤磷活化系數(shù)（PAC）結(jié)果表明，長期不施磷肥土壤有效磷逐年耗竭，土壤全磷越來越難以轉(zhuǎn)化為有效磷。施用磷肥在提高土壤有效磷含量的同時(shí)，改變了土壤磷素有效性。化肥配施有機(jī)肥，一方面增加了土壤有機(jī)質(zhì)，減少土壤有效磷固定。另一方面，有機(jī)肥和土壤有機(jī)質(zhì)中富含的有機(jī)酸能活化土壤溶液中的磷酸根離子，減少磷素固定，增加土壤有效磷含量。因此，化肥配施有機(jī)肥和單施有機(jī)肥處理的PAC要高于單施化肥處理。相關(guān)結(jié)果也在紅壤稻田和黑土上得到證實(shí)[14, 34-37]。施用化學(xué)磷肥配合秸稈還田其PAC上升速率低于單施化學(xué)磷肥，可能與土壤微生物分解固定土壤有效磷有關(guān)[38]。

3.2 紅壤磷素變化對磷盈虧量的響應(yīng)

土壤磷盈虧量決定著土壤有效磷含量水平，影響土壤有效磷轉(zhuǎn)化[21]。長期施用磷肥造成土壤磷素累積，大量研究表明土壤磷素變化量與磷盈虧量顯著相關(guān)[36-37, 39-40]。國內(nèi)外文獻(xiàn)結(jié)果表明，累積盈余100 kg P·hm-2土壤有效磷提高1—6 mg·kg-1，不同試驗(yàn)點(diǎn)之間差異與其環(huán)境因素、土壤理化性質(zhì)及種植制度等有關(guān)[42-43]。對于不同施肥措施，土壤每累積盈余100 kg P·hm-2，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-1，有機(jī)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-1[40,43]。本研究結(jié)果表明紅壤磷素累積量對磷盈虧量存在顯著響應(yīng)關(guān)系。在紅壤旱地小麥玉米輪作體系上，土壤每累積盈余100 kg P·hm-2，土壤有效磷含量提高3.0—5.2 mg·kg-1，高低順序分別為NPKS＞NPK＞NP＞PK＞NPKM＞1.5NPKM。施用有機(jī)肥處理表層土壤有效磷對磷盈虧量的轉(zhuǎn)化效率要低于施用化學(xué)磷肥。原因可能在于有機(jī)肥處理磷素投入量大，隨著磷肥施用年限持續(xù)，大量的磷素在土壤中累積，一方面增加了磷素向土壤深層遷移量，以及淋失或徑流遷移出土體風(fēng)險(xiǎn)[25, 43]；另一方面有機(jī)肥投入的磷素以有機(jī)磷為主，雖然有機(jī)肥的加入促進(jìn)了土壤磷的有效化，但土壤磷的有效化速度要低于有機(jī)肥固定無機(jī)磷的速度[14]。與單施化學(xué)磷肥相比，化肥配合秸稈還田，有利于減緩磷素遷移，提升表層土壤磷素的轉(zhuǎn)化效率。

諸多研究發(fā)現(xiàn)，各施肥處理有效磷對磷盈虧的轉(zhuǎn)化效率不同，引起差異的原因通常認(rèn)為與土壤礦物質(zhì)、黏粒、pH以及有機(jī)質(zhì)等對磷素的固定和解析有關(guān)[39]。磷素是紅壤主要限制因子，長期不施磷肥作物產(chǎn)量低，磷素帶走量少，土壤全磷變化量少，其對累積磷盈虧量無顯著響應(yīng)關(guān)系。本試驗(yàn)3種不施磷肥處理（CK、N、NK），其中N、NK處理土壤有效磷變化量與盈虧量無顯著關(guān)系。其原因可能是由于長期不合理氮肥施用導(dǎo)致土壤酸化，影響作物生長和累積磷盈虧量。土壤有效磷含量變化也因?yàn)閜H影響而變得復(fù)雜[44]。

3.3 作物產(chǎn)量對紅壤有效磷的響應(yīng)

土壤有效磷與作物產(chǎn)量之間響應(yīng)關(guān)系表明兩者之間遵循報(bào)酬遞減規(guī)律，土壤有效磷含量較低時(shí)，施用磷肥增產(chǎn)效果顯著，土壤有效磷含量上升到一定水平，施用磷肥增產(chǎn)效果顯著降低。因此，確定適宜的土壤有效磷水平對于提升作物產(chǎn)量，節(jié)約磷礦資源和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。土壤磷素累積過高時(shí)，不僅對作物增產(chǎn)不顯著，甚至可能由于淋失或地表徑流造成水體富營養(yǎng)化，污染環(huán)境[25, 45]。該試驗(yàn)結(jié)果也表明土壤Olsen-P含量與小麥及玉米產(chǎn)量存在較強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系，作物產(chǎn)量隨土壤Olsen-P增加而增加，土壤Olsen-P含量達(dá)到一定值時(shí)，作物產(chǎn)量的響應(yīng)降低。

本研究采用線性-線性模型、線性-平臺(tái)模型和米切里西方程均可以較好的模擬二者的關(guān)系。從擬合度以及紅壤有效磷現(xiàn)狀來看，線性-線性模型擬合結(jié)果要優(yōu)于其他2個(gè)模型。米切里西模型可能高估了紅壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值。線性-線性模型擬合的紅壤小麥和玉米農(nóng)學(xué)閾值結(jié)果與Bai等結(jié)果相吻合[9]。兩者的結(jié)論均表明紅壤地區(qū)小麥農(nóng)學(xué)閾值要低于玉米。作物的農(nóng)學(xué)閾值受作物類型、土壤類型以及氣候環(huán)境等諸多因素的影響，需要結(jié)合實(shí)際情況考慮[46]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，長期施用磷肥的各處理土壤Olsen-P含量在不同年限內(nèi)均超過了農(nóng)學(xué)閾值，因此在實(shí)際生產(chǎn)上應(yīng)該及時(shí)調(diào)整磷肥施用量，土壤有效磷水平較高時(shí)，減少或一段時(shí)間內(nèi)不施磷肥，待土壤有效磷含量接近農(nóng)學(xué)閾值時(shí)再給與補(bǔ)充。

4 結(jié)論

長期施用磷肥顯著增加南方紅壤地區(qū)土壤全磷和有效磷含量，化肥配施有機(jī)肥在磷素累積和提升磷素的有效性方面更有優(yōu)勢。在南方紅壤地區(qū)，土壤全磷和有效磷變化量與土壤磷素盈虧量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，每累積盈余100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P上升3.79 mg·kg-1，全磷上升0.03 g·kg-1?；视袡C(jī)肥配施有利于保持小麥及玉米的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)性能。線性-線性模型推薦用于評估紅壤地區(qū)磷素農(nóng)學(xué)閾值，其在小麥和玉米上計(jì)算的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為13.5、23.4 mg·kg-1，生產(chǎn)上應(yīng)該根據(jù)土壤有效磷含量及時(shí)調(diào)整磷肥施用量。

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Change of Phosphorus in Red Soil and Its Effect to Grain Yield Under Long-term Different Fertilizations

LI DongChu1, 2, WANG BoRen2, HUANG Jing2, ZHANG YangZhu1, XU MingGang2, ZHANG ShuXiang2, ZHANG HuiMin2

(1College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha410128;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081)

【】Change characteristic of phosphorus (P) in red soil were quantified under long term different fertilizations, and effects of P on soil productivity were studied, so as to provide a theoretical basis for P management in red soil regions in southern China. 【】Change of soil Olsen-P and total P content was compared under long term no P fertilization (CK, N, NK), chemical P fertilizer (PK, NP, NPK), application of chemical fertilizer combined with half crop straw return (NPKS) and application of organic manure and chemical fertilizer combined with organic manure (1.5NPKM, NPKM, M) using long term trial platform in the upland red soil (from 1991-2016). Responses of soil P to P balance were analyzed. Different models were used to fit the response curve of crops yield to Olsen-P in the red soil. The critical P value of soil Olsen-P for crop yield (CV) was calculated.】The Olsen-P and total P increased, and P activation coefficient (PAC) promoted under long term P fertilization in the red soil. PAC was higher under application of organic manure and chemical fertilizer combined with organic manure (1.5NPKM, NPKM, M) than that under application of chemical fertilizer combined with half crop straw return (NPKS) and chemical P fertilizer (PK, NP, NPK). Changes of Olsen-P and total P were significantly affected by P balance (＜0.01). Soil Olsen-P increased by 3.00-5.22 mg·kg-1, and total P increased by 0.02-0.06 g·kg-1with 100 kg P·hm-2cumulative surplus in the red soil. The Olsen-P decreased with years under long term no P fertilization (CK, N, NK), and they decreased by 1.85 mg·kg-1, 0.40 mg·kg-1, and 1.76 mg·kg-1, respectively, with 100 kg P·hm-2cumulative deficiency in the red soil. Grain yields of wheat and maize were significant higher under application of organic manure and chemical fertilizer combined with organic manure (1.5NPKM, NPKM, M) than that under application of chemical fertilizer combined with half crop straw return (NPKS) and chemical P fertilizer (PK, NP, NPK) than under no P fertilizations (CK, N, NK). Sustainability index of grain yield (SYI) were higher under application of organic manure and chemical fertilizer combined with organic manure (1.5NPKM, NPKM, M) than that under the other treatments. Three models (linear-linear model, linear-platform model and Michelice model) were better fit the response of crop yield to Olsen-P in red soil (＜0.01). Linear-linear model was recommended for the higher2. The critical value of Olsen-P content in agronomic in red soil of wheat and maize were 13.5 mg·kg-1, and 23.4 mg·kg-1, respectively, calculated by linear-linear mode. 【】Application of chemical fertilizer combined with organic manure were recommended in red soil region of southern China. That had the beneficial for P accumulation and promoting P availability. Applications of chemical fertilizer combined with organic manure were also used to keep the high and stable production. Linear-linear model was recommended to calculate the critical value of Olsen-P content in agronomic. Application rates of P fertilizer should be adjusted timely according to the difference between actual Olsen-P content in the soil and critical value of Olsen-P content in agronomic in productivity.

Olsen-P; total P; relative yield; PAC; P balance; critical value of Olsen-P content in agronomic; long-term fertilization; red soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.21.012

2019-06-05；

2019-07-25

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0800101，2016YFD0300901）、國家自然科學(xué)基金（4167130）、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-01-83）

李冬初，E-mail：lidongchu@caas.cn。通信作者王伯仁，E-mail：wangboren@caas.cn。通信0000作者張會(huì)民，E-mail：zhanghuimin@ caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）