長(zhǎng)期施肥紫色土有效磷變化及其對(duì)稻麥輪作產(chǎn)量的影響

任嘉欣，劉京，陳軒敬，張躍強(qiáng),2，張勇,2，王潔,2，石孝均,2

長(zhǎng)期施肥紫色土有效磷變化及其對(duì)稻麥輪作產(chǎn)量的影響

1西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2重慶三峽庫(kù)區(qū)土壤質(zhì)量國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，重慶 400716

【】通過(guò)總結(jié)分析長(zhǎng)期施肥處理下紫色土稻麥輪作土壤有效磷的變化特征，以及土壤磷素變化對(duì)作物產(chǎn)量的影響，為紫色土稻麥輪作磷素管理提供理論依據(jù)。依托國(guó)家肥力監(jiān)測(cè)網(wǎng)紫色土肥力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)站27年的稻麥輪作定位試驗(yàn)，選取10種不同施肥處理：CK處理（只種作物不施肥）；N、NP、NK、PK、NPK為不同氮（N）、磷（P）、鉀（K）化肥配施處理；M、NPKS、NPKM、1.5NPK+M為有機(jī)肥（M）、秸稈還田（S）及其與化肥配施處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)涵蓋1991—2018年，測(cè)定不同施肥處理下土壤有效磷含量和作物產(chǎn)量，計(jì)算100 kg籽粒磷素吸收量和磷肥利用率，分析土壤磷素變化對(duì)累積磷盈虧的響應(yīng)，采用不同模型計(jì)算土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值。長(zhǎng)期施用磷肥能夠顯著提高土壤有效磷含量，各施磷處理有效磷年均增量為0.80—2.32 mg·kg-1；而不施磷處理CK、N、NK和單施有機(jī)肥處理M的土壤有效磷含量則逐年下降至平穩(wěn)狀態(tài)。不施磷處理土壤磷素一直處于虧缺狀態(tài)，施磷各處理27年后土壤累積磷盈余量為244.8—698.2 kg P·hm-2，其中1.5NPK+M處理累積磷盈余量最高；施磷處理土壤累積盈余量與土壤Olsen-P增量呈顯著線(xiàn)性相關(guān)，土壤每盈余磷100 kg·hm-2，土壤有效磷含量提高4.27—6.5 mg·kg-1。磷肥施用能顯著提升稻麥輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量和吸磷量，100 kg水稻籽粒需磷量為0.17—0.41 kg，100 kg小麥籽粒需磷量為0.25—0.57 kg；試驗(yàn)各處理的磷肥利用率為10.3%—39.7%；4種模型（線(xiàn)性-平臺(tái)模型、雙直線(xiàn)模型、BoxLucas模型和米切里西模型）均能較好地?cái)M合作物產(chǎn)量與紫色土有效磷含量的響應(yīng)關(guān)系，其中雙直線(xiàn)模型的擬合度最好，其計(jì)算的水稻和小麥的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為13.28和9.93 mg·kg-1。在紫色土水稻-小麥輪作體系中，合理施用磷肥能顯著提高作物吸磷量、產(chǎn)量以及土壤有效磷含量。推薦雙直線(xiàn)模型用于計(jì)算紫色土稻麥輪作體系下土壤有效磷的農(nóng)學(xué)閾值，生產(chǎn)上應(yīng)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。

紫色土；稻麥輪作；長(zhǎng)期施肥；有效磷；累積磷盈虧；農(nóng)學(xué)閾值

0 引言

【研究意義】磷是作物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的營(yíng)養(yǎng)元素之一，紫色土初始有效磷含量低，缺磷常成為限制農(nóng)作物高產(chǎn)的重要因素，磷肥的合理施用是作物獲得高產(chǎn)的重要措施之一[1-2]。水旱輪作是長(zhǎng)江流域的主要輪作模式，以稻油、稻麥等輪作為主，其季節(jié)性的干濕交替導(dǎo)致土壤氧化與還原過(guò)程交替進(jìn)行，影響了土壤磷素的有效性[3]。但在目前的生產(chǎn)中，往往通過(guò)投入大量的磷肥來(lái)增加土壤磷含量和提高作物產(chǎn)量[4-5]，施入的磷肥大部分被土壤吸附固定，不能被后季作物充分利用，或是隨水流失造成環(huán)境污染[6]。因此，探究長(zhǎng)期不同施肥處理下，紫色土稻麥輪作系統(tǒng)土壤磷素的演變規(guī)律，分析土壤磷素變化對(duì)產(chǎn)量的影響，對(duì)制定磷素優(yōu)化管理策略，提高磷的肥料利用率，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】王斌等[7-8]通過(guò)在新疆、黑龍江、河南、陜西和中國(guó)南方一些土壤上的研究，發(fā)現(xiàn)磷肥或有機(jī)肥的施用均能顯著提高土壤有效磷的含量。展曉瑩等[9]通過(guò)分析21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（包括5種土壤類(lèi)型）單位磷平衡的有效磷增量發(fā)現(xiàn)，其中81%的土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效磷與磷素盈虧之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。李冬初等[10]利用持續(xù)26年的紅壤旱地長(zhǎng)期定位試驗(yàn)平臺(tái)（1991—2016年），分析有效磷增量與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，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。土壤磷素盈余會(huì)增加土壤有效磷含量，從而提高作物產(chǎn)量，但當(dāng)土壤有效磷含量達(dá)到農(nóng)學(xué)閾值時(shí)，作物產(chǎn)量不再提高，過(guò)多的磷素投入反而會(huì)增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[11]。TANG等[12]探究紫色土稻麥輪作中的磷素去向發(fā)現(xiàn)，作物系統(tǒng)磷素利用效率為24%—38%，而未被利用的磷素一般貯存在土壤中或者隨降雨流失，最終進(jìn)入地表水系統(tǒng)，造成一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。此外，劉方等[13]和DJODJIC等[14]的研究表明，若土壤中磷素大量積累，不論土壤吸附磷是否達(dá)到飽和，土壤磷會(huì)以水溶態(tài)和顆粒態(tài)的形式隨地表徑流向水體遷移；若土壤中存在較大孔隙，則磷會(huì)在降雨較強(qiáng)時(shí)向下遷移。這兩種方式都會(huì)導(dǎo)致地表水和地下水的磷污染。為降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷素投入過(guò)高帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，曹寧等[15]通過(guò)對(duì)我國(guó)8種典型農(nóng)田土壤磷收支平衡和有效磷消長(zhǎng)關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，基于國(guó)家尺度的平均土壤有效磷的最適范圍應(yīng)為30—50 mg·kg-1，生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)土壤中有效磷的含量確定最佳的磷肥施用量?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)施用磷肥后有效磷增量與磷盈虧、作物產(chǎn)量關(guān)系的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究較多，而對(duì)長(zhǎng)期不同施肥下紫色土稻麥輪作系統(tǒng)中土壤有效磷的含量變化、作物對(duì)磷素的需求量和磷素農(nóng)學(xué)閾值的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本試驗(yàn)依托紫色土長(zhǎng)期稻麥輪作定位試驗(yàn)，探究不同施肥處理下土壤有效磷含量的變化趨勢(shì)，定量土壤磷素變化對(duì)累積磷盈虧和作物產(chǎn)量的響應(yīng)，以期為減少磷素?fù)p失，提高磷肥利用率，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、環(huán)境保護(hù)和磷素優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)，地理位置為106°24′33″E、29°48′36″N，是典型的紫色土丘陵區(qū)。海拔266.3 m，氣候?yàn)閬啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫18.5℃，年降水量1 105.1 mm，全年降水日數(shù)132 d，年日照時(shí)數(shù)1 173.5 h。

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)小區(qū)所在地為溝谷。試驗(yàn)基地的面積為0.2 km2，海拔250—267 m，相對(duì)高度17 m，坳谷谷寬50—60 m，溝谷縱比降15%，丘陵坡度10%—26%。供試土壤屬于侏羅紀(jì)沙溪廟組，為紫色土類(lèi)、中性紫色土亞類(lèi)、灰棕紫泥土屬。該土層大約占紫色土類(lèi)面積的40%，是四川盆地紫色土中最多的一個(gè)土屬。該供試土壤具有廣泛的代表性，因?yàn)檫@類(lèi)土壤分布的地區(qū)多為四川省和重慶市的糧食主產(chǎn)縣。

試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)分別為：pH為7.70，有機(jī)質(zhì)22.61 g·kg-1，全氮1.25 g·kg-1，全磷0.69 g·kg-1，全鉀21.10 g·kg-1，堿解氮92.36 mg·kg-1，有效磷4.30 mg·kg-1，速效鉀88.45 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)起始于1991年，輪作方式：水稻-小麥輪作。本試驗(yàn)共有如下10個(gè)處理。

（1）CK處理為對(duì)照，只種作物不施肥；（2）N、NP、NK、PK、NPK處理為化肥試驗(yàn)區(qū)；（3）M、NPKS、NPKM、1.5NPK+M處理為有機(jī)肥及其與化肥配合試驗(yàn)區(qū)。其中，M代表有機(jī)肥（主要是豬糞尿和牛糞），且有機(jī)肥只在小麥季施用；S代表秸稈還田。各處理氮、鉀肥均采用46%的尿素和52%的硫酸鉀，磷肥均用12%的過(guò)磷酸鈣。1.5NPK+M處理為化肥增量區(qū)，其氮、磷、鉀肥的施用量均為其他各處理的1.5倍。

試驗(yàn)各處理按上述設(shè)計(jì)進(jìn)行施肥，1991—1996年每季的化肥施用量是：氮肥150 kg N·hm-2、磷肥75 kg P2O5·hm-2、鉀肥75 kg K2O·hm-2。從1996年的秋季起，每季磷、鉀肥施用量由原來(lái)的75 kg·hm-2變?yōu)?0 kg·hm-2，小麥的氮肥施用量改為135 kg·hm-2，其余施肥量保持不變。M、1.5NPK+M處理的有機(jī)肥由廄肥變?yōu)榈静?。有機(jī)肥于每年秋季小麥播種前作為基肥施用，每年施用一次，年用量為廄肥22.5 t·hm-2、稻草7.5 t·hm-2。水稻和小麥的全部磷、鉀肥和60%的氮肥作為基肥施用，水稻40%的氮肥在插秧后2—3周追施，小麥40%的氮肥則于3—4葉期追施。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

本試驗(yàn)為國(guó)家肥力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)紫色土肥力試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集按照統(tǒng)一的方法進(jìn)行，分析測(cè)定方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[16-17]。速效磷的測(cè)定方法為Olsen法。植株樣品用H2SO4-H2O2進(jìn)行消化，磷的測(cè)定采用鉬銻抗比色法。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

100 kg籽粒需磷量（kg）=100×[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（%）]/籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）。

作物相對(duì)產(chǎn)量與土壤有效磷之間的響應(yīng)關(guān)系通過(guò)Mitscherlich方程模擬，公式如下：

Y = A×（1- e-bx）

式中，Y為預(yù)測(cè)的相對(duì)產(chǎn)量，A為最大的相對(duì)產(chǎn)量，b為產(chǎn)量對(duì)土壤有效磷的響應(yīng)系數(shù)，x為土壤有效磷含量。

磷肥利用率（%）={[某施磷處理作物總吸磷量（kg P·hm-2）- CK處理作物總吸磷量（kgP·hm-2）] /該施磷處理施磷量（kg·hm-2）}×100。

當(dāng)季土壤表觀磷盈虧（kg P·hm-2）=每年施入土壤的磷素總量（kg P·hm-2）-每年作物（籽粒+秸稈）吸磷量（kg P·hm-2）。

土壤累積磷盈虧（kg P·hm-2）=∑[當(dāng)年作物表觀磷盈虧]。

土壤Olsen-P增量的計(jì)算方法如下：

ΔOlsen P（mg·kg-1）=Pi（mg·kg-1）- P0（mg·kg-1）

式中，Pi為第i年土壤有效磷的含量；P0為初始土壤中的有效磷含量。

2 結(jié)果

2.1 長(zhǎng)期施肥下作物吸磷特征與土壤有效磷的變化趨勢(shì)

水稻、小麥產(chǎn)量和100 kg籽粒需磷量隨不同施肥處理表現(xiàn)出較為明顯的差異（表1）。水稻季和小麥季NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS處理的產(chǎn)量均顯著高于其他施肥處理，其中水稻季以NPKS處理的產(chǎn)量最大，小麥季以1.5NPKM處理的產(chǎn)量最大；水稻產(chǎn)量與小麥產(chǎn)量表現(xiàn)不盡相同，磷肥的施用對(duì)小麥的增產(chǎn)率大于水稻。通過(guò)對(duì)紫色土長(zhǎng)期稻麥輪作下100 kg籽粒需磷量的統(tǒng)計(jì)分析，100 kg水稻籽粒需磷量為0.17—0.41 kg，100 kg小麥籽粒需磷量為0.25—0.57 kg；施磷各處理PK、NP、NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS的100 kg籽粒需磷量顯著高于其他施肥處理，其中1.5NPK處理的100 kg籽粒需磷量最大，總體而言，隨著產(chǎn)量水平提高，100 kg作物籽粒需磷量呈增加趨勢(shì)。

長(zhǎng)期不同施肥處理下稻麥輪作系統(tǒng)土壤有效磷含量的變化如圖1所示，不施磷處理CK、N、NK和單施有機(jī)肥處理M的有效磷含量隨試驗(yàn)?zāi)攴莸脑黾又饾u下降至平穩(wěn)狀態(tài)，NK處理的有效磷含量與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)但不顯著，而CK、N和M處理的土壤有效磷含量則與試驗(yàn)?zāi)攴莩曙@著負(fù)相關(guān)；施磷各處理NP、PK、NPK、NPKM、1.5NPK+M和NPKS的有效磷含量則隨試驗(yàn)?zāi)攴莸脑黾映食掷m(xù)增加趨勢(shì)，且土壤有效磷含量與試驗(yàn)?zāi)攴莩蕵O顯著正相關(guān)。不施磷處理和單施有機(jī)肥處理的土壤有效磷含量在27年后達(dá)到極缺程度；而施磷各處理的土壤有效磷年均增量為0.80—2.32 mg·kg-1，其中以1.5NPKM處理的年均增量最大。

圖1 長(zhǎng)期施肥處理下紫色土有效磷含量的變化

表1 長(zhǎng)期施肥下紫色土水稻和小麥的產(chǎn)量及100 kg籽粒需磷量

同列不同字母表示差異顯著(＜0.05) Different letters in one column mean significant difference at 0.05 level

2.2 長(zhǎng)期施肥下土壤有效磷增量對(duì)累積磷盈虧的響應(yīng)特征

長(zhǎng)期施肥處理?xiàng)l件下，土壤Olsen-P變化量與土壤耕層磷盈虧的響應(yīng)關(guān)系有明顯差異（圖2）。不施磷處理CK、N和NK和單施有機(jī)肥處理M的土壤有效磷均呈下降的趨勢(shì)。施磷各處理的有效磷增量與土壤累積磷盈虧均呈顯著正相關(guān)，其中1.5NPK+M、NPKM和PK處理的累積磷盈余量較高，最高可達(dá)700—1 000 kg·hm-2，NPK、NPKS和NP處理的累積磷盈余量較小，最大為350—500 kg·hm-2；PK和NP處理土壤每累積磷100 kg·hm-2，土壤中有效磷的含量平均分別可提高7.42和5.99 mg·kg-1，NPK、NPKM、1.5NPK+M和NPKS各處理土壤每盈余磷100 kg·hm-2，土壤中有效磷的平均增量分別為4.95、4.27、5.53和6.5 mg·kg-1。

2.3 長(zhǎng)期施肥下的磷肥利用效率與農(nóng)學(xué)閾值

稻麥輪作系統(tǒng)中不同施肥處理對(duì)磷肥利用效率的影響如表2所示。不同施磷處理的磷肥利用率不同，且小麥季和水稻季的磷肥利用率范圍也不同。各處理水稻季的磷肥利用率范圍為14.2%—32.9%，小麥季磷肥利用率范圍為7.4%—19.9%；相較于偏施肥處理NP、PK，平衡施肥各處理NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS顯著提高了稻麥輪作系統(tǒng)的磷肥利用率，其范圍為44.4%—50.9%，平衡施肥各處理間差異不顯著。NP處理稻麥輪作系統(tǒng)磷肥利用率為36.7%，顯著高于PK處理（21.5%）。

表2 長(zhǎng)期施肥處理下稻麥輪作系統(tǒng)的磷肥利用率

同列不同字母表示差異顯著（＜0.05）

Different letters in one column mean significant difference at 0.05 level

圖2 長(zhǎng)期施肥處理下紫色土Olsen-P增量與累積磷盈虧的關(guān)系

不同模型對(duì)農(nóng)學(xué)閾值的確定存在一定的差異。為了使紫色土稻麥輪作土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值準(zhǔn)確定量化，比較了較為常見(jiàn)的線(xiàn)性-平臺(tái)模型、雙直線(xiàn)模型、BoxLucas模型和米切里西模型對(duì)農(nóng)學(xué)閾值定量化的結(jié)果（表3）。由線(xiàn)性-平臺(tái)模型、雙直線(xiàn)模型、BoxLucas模型和米切里西模型得到土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值分別為10.10、9.93、9.17、12.50、10.44 mg·kg-1，4種模型計(jì)算的稻麥輪作條件下紫色土土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值一般處于9—15 mg·kg-1范圍內(nèi)。因此，只有當(dāng)土壤Olsen-P的含量高于15 mg·kg-1時(shí)，才能保證水稻和小麥的正常生產(chǎn)。從2看，各模型均達(dá)到了極顯著水平（＜0.01），小麥和水稻的農(nóng)學(xué)閾值均以雙直線(xiàn)模型的擬合效果最佳，其次為線(xiàn)性-平臺(tái)模型。

表3 長(zhǎng)期施肥下紫色土土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值

3 討論

3.1 紫色土稻麥輪作系統(tǒng)土壤有效磷的含量變化及其對(duì)累積磷盈虧的響應(yīng)

Olsen-P 常用來(lái)表征紫色土中可被植物吸收利用的磷[18]。本試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用磷肥，土壤有效磷含量隨試驗(yàn)?zāi)攴莩试黾于厔?shì)，而長(zhǎng)期不施磷肥，土壤有效磷含量隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)下降至平穩(wěn)狀態(tài)。這與吳春艷等[19]對(duì)長(zhǎng)期不同施肥管理下水旱輪作水稻土耕層土壤磷含量的研究結(jié)果一致，即長(zhǎng)期施磷水稻土耕層有效磷含量隨施用年限增加而增加，而在沒(méi)有磷肥投入的情況下，土壤穩(wěn)態(tài)磷會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為有效態(tài)，使得有效磷含量可以維持在一定低水平[20]。

前人研究表明，長(zhǎng)期不同施肥處理下，土壤磷素變化與土壤耕層磷盈虧的響應(yīng)關(guān)系會(huì)有明顯差異[21]。本試驗(yàn)的研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，即不施磷各處理土壤有效磷增量與累積磷盈虧無(wú)顯著相關(guān)性，而施磷各處理土壤有效磷增量與土壤累積磷盈虧均呈正相關(guān)。本試驗(yàn)結(jié)果中施磷各處理土壤每盈余磷100 kg·hm-2，土壤有效磷增量范圍為4.27—6.5 mg·kg-1。TANG等的結(jié)果表明，長(zhǎng)期不同磷肥施用下小麥玉米輪作系統(tǒng)土壤每盈余磷100 kg·hm-2，施磷各處理土壤有效磷增量的范圍為1—6 mg·kg-1。長(zhǎng)期不同施磷處理下，土壤有效磷增量和累積磷盈虧的響應(yīng)會(huì)隨不同土壤類(lèi)型、種植模式以及氣候條件等因素而有所差異[22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，達(dá)到相同的有效磷增量，施磷各處理中PK、1.5NPK+M處理的土壤磷素累積盈余量均較高，約為NPKS處理的2倍。在相同的施磷量下，PK處理下的作物產(chǎn)量較NPKS處理低（表1），且磷肥利用效率較低（表2），因此土壤磷素累積盈余量較高（圖2）；而1.5NPK+M處理較NPKS處理而言，磷素投入量較高，在相近的磷利用率的情況下（表2），累積磷盈余量更高。諸多研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量施磷肥雖然能提高土壤磷的供應(yīng)潛力，但會(huì)使土壤中磷素盈余過(guò)量，增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，降低磷肥利用率[23-24]。

3.2 紫色土稻麥輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量、吸磷量及磷肥利用率

生產(chǎn)實(shí)踐中，產(chǎn)量是評(píng)估肥料效應(yīng)最直接的指標(biāo)之一，本試驗(yàn)中NPK、NPKM、1.5NPKM和NPKS處理均能顯著提高作物產(chǎn)量，相較于其他處理平均高45.9%。本研究中水稻產(chǎn)量與小麥產(chǎn)量對(duì)施磷各處理表現(xiàn)也不盡相同，磷肥的施用對(duì)小麥的增產(chǎn)率大于水稻，為47.4%。這與李忠芳等[25]、魏猛等[20]的研究結(jié)果一致，即均衡施肥可以顯著提高作物產(chǎn)量及其在年際間的穩(wěn)定性，不同作物對(duì)施磷的表現(xiàn)不盡相同。100 kg籽粒需磷量是評(píng)價(jià)磷肥施用對(duì)作物增產(chǎn)效果以及指導(dǎo)磷肥合理施用的重要指標(biāo)之一[26]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，不同施肥處理間100 kg籽粒需磷量差異較大，但總體而言100 kg籽粒需磷量隨產(chǎn)量水平的提高而增加，這一趨勢(shì)與車(chē)升國(guó)等[27]匯總的我國(guó)主要麥區(qū)小麥100 kg籽粒需磷量結(jié)果一致。此外，ZHANG等[28]認(rèn)為作物吸磷量由作物產(chǎn)量和作物磷含量決定，而產(chǎn)量對(duì)作物吸磷量的影響更大。本研究中100 kg水稻籽粒需磷量為0.17—0.41 kg，100 kg小麥籽粒需磷量為0.25—0.57 kg，總體小麥比水稻平均高27.3%，這與趙雙進(jìn)等[29]在河北省潮土稻麥輪作的研究結(jié)果相似。前人研究表明，不同作物栽培品種及田間管理水平不同，作物養(yǎng)分吸收能力會(huì)不同，即生產(chǎn)100 kg籽粒的磷需求量存在區(qū)域差異性[8,27]。因此，推薦施磷時(shí)要充分考慮區(qū)域間不同作物產(chǎn)量水平與作物類(lèi)型對(duì)磷素需求量的差異，因地制宜地指導(dǎo)施肥。

磷肥利用率是評(píng)價(jià)磷肥施用被作物系統(tǒng)吸收利用的重要指標(biāo)之一[30]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明（表2），長(zhǎng)期不同施磷處理的磷肥利用率不同。NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS處理的磷肥利用率范圍為44.4%—50.9%，PK處理稻麥輪作系統(tǒng)磷肥利用率為21.5%，顯著低于其他處理，主要是由于PK處理產(chǎn)量顯著低于其他處理導(dǎo)致的（表1）。本研究結(jié)果較孫明等[31]、高靜等[32]在其他土壤不同輪作方式下的磷肥利用效率高，即在山東潮土小麥-玉米輪作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中，平衡施肥處理（NPK、N15PK、N25PK）磷肥利用率為26.6%—31.8%；而長(zhǎng)期NPK施用下的北方土、潮土和褐潮土上的小麥磷肥利用率分別為15.3%、31.2%和23.8%。因此，不同土壤、氣候類(lèi)型、磷肥施用量以及不同作物和輪作方式等會(huì)影響處理的磷肥利用率的大小[31-32]。此外，本研究中施磷各處理每盈余磷100 kg·hm-2，土壤有效磷增量范圍為4.27—6.5 mg·kg-1，這一結(jié)果較其他地區(qū)高35%[24]，土壤中作物可吸收利用的有效磷高，可能也是本研究中磷肥利用率較高的原因之一。

3.3 紫色土稻麥輪作系統(tǒng)土壤有效磷變化對(duì)作物產(chǎn)量的響應(yīng)

作物相對(duì)產(chǎn)量對(duì)土壤有效磷的響應(yīng)閾值即農(nóng)學(xué)閾值是評(píng)價(jià)施肥合理性的重要指標(biāo)[33]。本試驗(yàn)采用線(xiàn)性-平臺(tái)模型、雙直線(xiàn)模型、BoxLucas模型和米切里西模型均可以較好地模擬土壤有效磷變化與作物產(chǎn)量之間的響應(yīng)關(guān)系，得到稻麥輪作條件下紫色土有效磷農(nóng)學(xué)閾值范圍為9—15 mg·kg-1，其中雙直線(xiàn)模型的擬合效果最好，其計(jì)算出的水稻和小麥的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為13.28和9.93 mg·kg-1。黃晶[34]基于長(zhǎng)江中上游5個(gè)典型農(nóng)田試驗(yàn)點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn)紫泥田稻麥輪作下水稻和小麥土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為16.6和10.2 mg·kg-1，相較之本研究結(jié)果偏低，可能是因?yàn)楸狙芯恐惺┝赘魈幚砻?00 kg·hm-2累積磷盈余所對(duì)應(yīng)的有效磷增量相對(duì)較高（圖2）以及稻麥輪作系統(tǒng)相對(duì)較高的磷肥利用率（表2）。此外，土壤類(lèi)型、作物種類(lèi)、輪作制度以及氣候條件等諸多因素也會(huì)對(duì)作物農(nóng)學(xué)閾值的擬合大小有一定的影響[35]。在本長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中，不施磷處理和單施有機(jī)肥處理的土壤有效磷含量均沒(méi)有達(dá)到水稻和小麥的農(nóng)學(xué)閾值；施磷各處理土壤有效磷含量在不同年限均超過(guò)了農(nóng)學(xué)閾值，其中1.5NPK+M和PK處理在長(zhǎng)期施肥27年以后土壤有效磷含量最高，為稻麥輪作系統(tǒng)農(nóng)學(xué)閾值的3.5—5.5倍，嚴(yán)重超過(guò)農(nóng)學(xué)閾值的范圍。據(jù)劉方等[13]對(duì)貴州黃壤磷的淋失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究顯示，當(dāng)土壤Olsen-P＞40.0 mg·kg-1，土壤磷素向水環(huán)境的流失風(fēng)險(xiǎn)很高。因此，生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)土壤有效磷含量和農(nóng)學(xué)閾值及時(shí)調(diào)整磷肥施用量或一段時(shí)間內(nèi)不施磷肥，避免過(guò)量施肥造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期施用磷肥能顯著提高水旱輪作系統(tǒng)中土壤有效磷含量和磷素累積量，施磷各處理的有效磷增量與土壤累積磷盈虧均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤每盈余磷100 kg·hm-2，土壤有效磷含量提高4.27—6.5 mg·kg-1；秸稈還田或有機(jī)肥配施化肥的磷肥利用率相對(duì)較高（44.4%—50.9%）；總體而言，作物吸磷量隨產(chǎn)量水平的提高呈增加趨勢(shì)，100 kg水稻籽粒需磷量為0.17—0.41 kg，100 kg小麥籽粒需磷量為0.25—0.57 kg；雙直線(xiàn)模型推薦用于計(jì)算紫色土稻麥輪作地區(qū)磷素農(nóng)學(xué)閾值，其在水稻和小麥上計(jì)算的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為13.28和9.93 mg·kg-1，生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)土壤磷素水平及時(shí)調(diào)整施磷量。

[1] 陸景陵. 植物營(yíng)養(yǎng)學(xué). 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2005.

LU J L. Plant Nutrition. Beijing: China Agriculture University Press, 2005. (in Chinese)

[2] KOPITTKE P M, DALAL R C, WANG P, MENZIES N W. Effects of long-term cultivation on phosphorus (P) in five low-input, subtropical Australian soils. Agriculture Ecosystems & Environment, 2018, 252: 191-199.

[3] SURIYAGODA L D B, RYAN M H, RENTON M, LAMBERS M. Plant responses to limited moisture and phosphorus availability: A meta-analysis. Advances in Agronomy, 2014, 124: 143-200.

[4] LI H G, HUANG G, MENG Q, MA L N, YUANL X, WANG F Y, ZHANG W, CUI Z, SHEN J Y, CHEN X G, JIANG R F, ZHANG F S. Integrated soil and plant phosphorus management for crop and environment in China: A review. Plant and Soil, 2011, 349: 157-167.

[5] BAI Z H, LI H G, YANG X Y, ZHOU B K, SHI X J, WANG B R, LI D C, SHEN J B, CHEN Q, QIN W, OENEMA O, ZHANG F S. The critical soil P levels for crop yield, soil fertility and environmental safety in different soil types. Plant and Soil, 2013, 372: 27-37.

[6] YANG Y J, ZHANG H P, QIAN X Q, DUAN J N, WANG G L. Excessive application of pig manure increases the risk of P loss in calcic cinnamon soil in China. Science of the Total Environment, 2017, 609: 102-108.

[7] 王斌, 劉驊, 李耀輝, 馬興旺, 王西和, 馬義兵. 長(zhǎng)期施肥條件下灰漠土磷的吸附與解吸特征. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(4): 727-733.

WANG B, LIU H, LI Y H, MA X W, WANG X H, MA Y B. Phosphorus adsorption and desorption characteristics of gray desert soil under long-term fertilization. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(4): 727-733. (in Chinese)

[8] 卜容燕, 任濤, 魯劍巍, 李小坤, 叢日環(huán), 李云春, 汪洋, 魯君明. 水稻-油菜輪作條件下磷肥效應(yīng)研究. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 7(6): 1227-1234.

BU R Y , REN T, LU J W, LI X K, CONG R H, LI Y C, WANG Y , LU J M. Analysis of phosphorus fertilizer efficiency under rice-rapeseed rotation system. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 7(6): 1227-1234. (in Chinese)

[9] 展曉瑩, 任意, 張淑香, 康日峰. 中國(guó)主要土壤有效磷演變及其與磷平衡的響應(yīng)關(guān)系. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(23): 4728-4737.

ZHAN X Y, REN Y, ZHANG S X, KANG R F. Changes in Olsen phosphorus concentration and its response to phosphorus balance in the main types of soil in China. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23): 4728-4737. (in Chinese)

[10] 李冬初, 王伯仁, 黃晶, 張揚(yáng)珠, 徐明崗, 張淑香, 張會(huì)民. 長(zhǎng)期不同施肥紅壤磷素變化及其對(duì)產(chǎn)量的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 52(21): 3830-3841.

LI D C, WANG B R, HUANG J, ZHANG Y Z, XU M G, ZHANG S X, ZHANG H M. Change of phosphorus in red soil and its effect to grain yield under long-term different fertilizations. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(21): 3830-3841. (in Chinese)

[11] DODD J R, MALLARINO A P. Soil-test phosphorus and crop grain yield responses to long-term phosphorus fertilization for corn-soybean rotations. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(4): 1118-1128.

[12] Tang X, Shi X, Ma Y, HAO X. Phosphorus efficiency in a long-term wheat-rice cropping system in China. Journal of Agricultural Science, 2011, 149(3): 297-304.

[13] 劉方, 黃昌勇, 何騰兵, 錢(qián)小剛, 劉元生, 羅海波. 長(zhǎng)期施肥下黃壤旱地磷對(duì)水環(huán)境的影響及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià). 土壤學(xué)報(bào), 2003, 40(6): 838-844.

LIU F, HUANG C Y, HE T B, QIAN X G, LIU Y S, LUO H B. The environmental impact of phosphorus on water in the upland fields of yellow soil areas under long-term fertilization and its risks evaluation. Acta Pedologica Sinica, 2003, 40(6): 838-844. (in Chinese)

[14] DJODJIC F, B?RLING K, BERGSTR?M L. Phosphorus leaching in relation to soil type and soil phosphorus content. Journal of Environmental Quality, 2004, 33(2): 678-684.

[15] 曹寧, 陳新平, 張福鎖, 曲東. 從土壤肥力變化預(yù)測(cè)中國(guó)未來(lái)磷肥需求. 土壤學(xué)報(bào), 2007, 44(3): 536-543.

CAO N, CHEN X P, ZHANG F S, QU D. Prediction of phosphate fertilizer demand in China based on change in soil phosphate fertility. Acta Pedologica Sinica, 2007, 44(3): 536-543. (in Chinese)

[16] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

Bao S D. Soil Agrochemical Analysis. Beijing: China Agriculture Press, 2000. (in Chinese)

[17] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000.

Lu R K. Soil Agrochemical Analysis Method. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000. (in Chinese)

[18] 劉京. 長(zhǎng)期施肥下紫色土磷素累積特征及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2015.

LIU J. Characteristics of phosphorus accumulation in purple soil under long-term fertilization and its environmental risks[D]. Chongqing: Southwest University, 2015. (in Chinese)

[19] 吳春艷, 劉曉霞, 陳義, 李艷, 唐旭, 陸若輝. 不同施肥管理下水旱輪作水稻土磷含量的演變. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2019, 31(7): 1128-1137.

WU C Y, LIU X X, CHEN Y, LI Y, TANG X, LU R H. Variation of phosphorus content in paddy soil under different fertilization management. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2019, 31(7): 1128-1137. (in Chinese)

[20] 魏猛, 張愛(ài)君, 李洪民, 唐忠厚, 陳曉光, 諸葛玉平. 長(zhǎng)期施肥條件下黃潮土有效磷對(duì)磷盈虧的響應(yīng). 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2015, 30(6): 226-232.

Wei M, Zhang A J, Li H M, Tang Z H, Chen X G, Zhuge Y P. The response of available phosphorus in yellow fluvo-aquic soil to phosphorus surplus and loss under long-term fertilization conditions. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2015, 30(6): 226-232. (in Chinese)

[21] 袁天佑, 王俊忠, 冀建華, 牛俊義, 慕蘭. 長(zhǎng)期施肥條件下潮土Olsen-P的演變及其對(duì)磷盈虧的響應(yīng). 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2017, 31(1): 125-134.

Yuan T Y, Wang J Z, Ji J H, Niu J Y, Mu L. Changes in soil available phosphorus and its response to phosphorus balance under long-term fertilization in fluvo-aquic soil. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2017, 31(1): 125-134. (in Chinese)

[22] TANG X, LI J M, MA Y B, HAO X Y, LI X Y. Phosphorus efficiency in long-term (15 years) wheat-maize cropping systems with various soil and climate conditions. Field Crops Research, 2008, 108(3): 231-237.

[23] Yang X Y, Sun B H, Zhang S L. Trends of yield and soil fertility in a long-term wheat-maize system. Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(2): 402-414.

[24] Shen P, Xu M G, Zhang H M, YangX Y, Huang S M, Zhang S X, He X H. Long-term response of soil Olsen P and organic C to the depletion or addition of chemical and organic fertilizers. Catena, 2014, 118: 20-27.

[25] 李忠芳, 徐明崗, 張會(huì)民, 張文菊, 高靜. 長(zhǎng)期施肥下中國(guó)主要糧食作物產(chǎn)量的變化.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(7): 2407-2414.

Li Z F, Xu M G, ZHANG H M, ZHANG W J, Gao J. Changes in yields of major grain crops in China under long-term fertilization. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(7): 2407-2414. (in Chinese)

[26] 黃琦. 基于“3414”田間試驗(yàn)的吉林省水稻施肥效果分析[D]. 吉林: 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 2016.

Huang Q. Fertilization effect analysis of Rice in Jilin Province based on field experiment of “3414”[D]. Jilin: Jilin Agricultural University, 2016. (in Chinese)

[27] 車(chē)升國(guó), 袁亮, 李燕婷, 林治安, 李燕青, 趙秉強(qiáng), 沈兵. 我國(guó)主要麥區(qū)小麥產(chǎn)量形成對(duì)磷素的需求. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2016, 22(4): 869-876.

CHE S G, YUAN L, LI Y T, Lin Z A, LI Y Q, ZHAO B Q, SHEN B. Phosphorous requirement for yield formation of wheat in main wheat production regions of China. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2016, 22(4): 869-876. (in Chinese)

[28] Zhang B B. Liu W Z, Chang S X, ANYIO A O. Phosphorus fertilization and fungal inoculations affected the physiology, phosphorus uptake and growth of spring wheat under rainfed conditions on the Canadian prairies. Journal of Agronomy & Crop Science, 2013, 199(2): 85-93.

[29] 趙雙進(jìn), 李晉生. 施肥對(duì)冬小麥夏谷氮磷吸收量的影響. 土壤肥料, 1992(3): 27-29.

Zhao S j, LI J s. Effect of fertilization on nitrogen and phosphorus uptake in winter wheat and summer valley. Soil and Fertilizer Sciences in China, 1992(3): 27-29. (in Chinese)

[30] Wang X R, Shen J B, Liao H. Acquisition or utilization, which is more critical for enhancing phosphorus efficiency in modern crops. Plant Science, 2010, 179(4): 302-306.

[31] 孫明, 孫翠平, 李彥, 仲子文, 井永蘋(píng), 羅加法, 薄錄吉, 張英鵬. 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)山東潮土磷肥回收率演變及不同作物磷素吸收的影響. 農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 7(6): 433-442.

Sun M, Sun C P, LI Y, Zhong Z W, Jing Y P, Luo J F, Bo L J, Zhang Y P. Effects of long-term fertilization on phosphorus recovery and phosphorus uptake by different crops in fluvo-aquic soil of Shandong Province. Agricultural Sciences, 2017, 7(6): 433-442. (in Chinese)

[32] 高靜, 張淑香, 徐明崗, 黃紹敏, 楊學(xué)云. 長(zhǎng)期施肥下三類(lèi)典型農(nóng)田土壤小麥磷肥利用效率的差異. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(9): 2142-2148.

Gao J, Zhang S X, Xu M G, Huang S M, Yang X Y. Difference of phosphorus use efficiency of wheat in three typical farmland soils under long-term fertilization. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(9): 2142-2148. (in Chinese)

[33] 孫翠平, 張英鵬, 羅加法, 仲子文, 孫明, 李彥, 劉兆輝, 井永蘋(píng), 薄錄吉. 長(zhǎng)期施肥對(duì)山東潮土磷盈虧及農(nóng)學(xué)閾值的影響. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2019, 34(5): 185-191.

Sun C P, Zhang Y P, Luo J F, Zhong Z W, Sun M, Li Y, Liu Z H, Jing Y P, Bo L J. The effect of long-term fertilization on the phosphorus gain and loss and agronomic threshold of the fluvo-aquic soil in Shandong. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2019, 34(5): 185-191. (in Chinese)

[34] 黃晶. 基于幾個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的長(zhǎng)江上、中游水稻土磷素肥力與磷肥肥效的演變規(guī)律[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2017.

Huang J. Evolution of soil phosphorus fertility and phosphate fertilizer efficiency of paddy soils in the upper and middle reaches of the Yangtze River based on several stationary experiments[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2017. (in Chinese)

[35] KHAN A, LU G Y, AYAZ M, ZHANG H T, WANG R J, LV F L, YANG X Y, SUN B H, ZHANG S L. Phosphorus efficiency, soil phosphorus dynamics and critical phosphorus level under long-term fertilization for single and double cropping systems. Agriculture Ecosystems & Environment, 2018, 256: 1-11.

Variation of Available Phosphorus in Purple Soil and Its Effects on Crop Yield of Rice-Wheat Rotation Under Long-Term Fertilizations

REN JiaXin1, LIU Jing1, CHEN XuanJing1, ZHANG YueQiang1, 2, ZHANG Yong1, 2, WANG Jie1, 2, SHI XiaoJun1, 2

1College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716;2National Monitoring Station of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency on Purple Soils, Chongqing 400716

【】Based on the analyses of soil Olsen-P variation in the purple soil and its effects on crop yield under long-term different fertilizations in the rice-wheat rotation, this paper provided a theoretical basis for efficient and rational P management in purple soil. 【】This study were conducted based on the 27-year rice-wheat rotation trial platform in the Purple Soil Fertility Monitoring Station of the national soil fertility monitoring network. The soil Olsen-P content and crop yields of 10 different fertilization treatments were measured and compared, including CK treatment (crops growing without fertilization), N, NP, NK, PK, NPK (treatments with different chemical nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) fertilizations), and M, NPKS, NPKM, 1.5NPK+M (chemical fertilizer combined with organic manure (M) and straw return (S) treatments) from 1991 to 2018. Then, the plant P uptake per 100 kg grains yield and the recovery rate of P by different fertilizations were calculated and compared, respectively. The responses between soil Olsen-P increment and cumulative P depletion were explored. In addition, the response curve of crop yield to soil Olsen-P content in the purple soil was figured by different modelling methods. The agronomic critical value of Olsen-P content in purple soil was finally calculated. 【】Long-term application of P fertilizer could significantly increase soil Olsen-P content. The average annual increment of soil Olsen-P content was 0.80-2.32 mg·kg-1in P application treatments, whereas the soil Olsen-P content of CK, N, NK and M treatments decreased year by year to a steady state. The cumulative P surpluses by the 27-year P application treatments were 244.8-698.2 kg P·hm-2, among which the cumulative P surplus of the 1.5NPK+M treatment was the highest. A significant linear correlation between cumulative soil P surplus and soil Olsen-P increment could be found in P application treatments. In detail, soil Olsen-P increased by 4.27-6.5 mg·kg-1with 100 kg·P·hm-2cumulative surplus in P application treatments. Fertilization could significantly increase crop yields and P uptake in the long-term rice-wheat rotation system. The plant P uptake per 100 kg rice yield was 0.17-0.41 kg,whereas the plant P uptake per 100 kg wheat yield was 0.25-0.57 kg. The utilization rates of P under all treatments were 10.3%-39.7%. Four models (linear-platform model, linear-linear model, BoxLucas model, and Michelice model) were good for fitting the response of crop yield to Olsen-P content in purple soil. The agronomic critical value of Olsen-P content in purple soil of rice and wheat calculated by linear-linear model (with the highest2) were 13.28 mg·kg-1and 9.93 mg·kg-1, respectively. 【】Appropriate application of P fertilizer could significantly improve the P uptake of crop in rice-wheat rotation system on purple soil, crop yields and soil available P content. The linear-linear model was recommended to calculate the critical value of Olsen-P content in purple soil under rice-wheat rotation system. Application rates of P fertilizer should be adjusted timely according to the difference between actual soil Olsen-P content and agronomic critical value of Olsen-P content in productivity.

purple soil; rice-wheat rotation; long-term fertilization; Olsen-P content; total P balance; agronomic critical value of Olsen-P

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.21.010

2020-11-23；

2021-01-22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0200206）

任嘉欣，E-mail：3465044028@qq.com。通信作者王潔，E-mail：mutouyu@swu.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）