長(zhǎng)期施肥下干旱區(qū)灰漠土磷的平衡與活化特征

王西和，劉 驊，馮 固，楊金鈺，王彥平，黃 建

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 1001931；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/國(guó)家灰漠土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)站/農(nóng)業(yè)部新疆北部耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】施用量不斷增加，會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田普遍出現(xiàn)過(guò)量施肥、氮磷養(yǎng)分大量累積、作物產(chǎn)量對(duì)化肥依賴(lài)性高、肥料利用率低等[1-3]。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，以多種方式參與植物體內(nèi)各種生物化學(xué)過(guò)程，對(duì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝起著非常重要的作用[4]。【前人研究進(jìn)展】磷素在土壤中的不宜移動(dòng)和極易被固定，導(dǎo)致作物對(duì)磷的當(dāng)季利用率一般僅能達(dá)到15%～25%[5-8]，施入土壤的磷素至少有70%～90%以作物難以利用的磷酸鹽形態(tài)在土壤中固定并累積，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥的不斷以及投入量持續(xù)增長(zhǎng)，農(nóng)田土壤磷含量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，大部分地區(qū)土壤磷素水平從80年代的10 mg/kg提高到了20 mg/kg以上，并且仍在進(jìn)一步提高[8-12]。童文彬等[13]研究認(rèn)為，當(dāng)土壤全磷達(dá)到一定水平時(shí)，植物有效磷將隨土壤磷素積累的增幅明顯地增強(qiáng)，土壤有效磷的演變與土壤的磷素的盈虧有顯著的正相關(guān)關(guān)系，單位磷盈虧量與土壤有效磷的變化值可以作為土壤磷素的轉(zhuǎn)化率(或稱(chēng)有效磷效率)，但不同土壤有效磷的效率有較大差異[14]。隨著農(nóng)田磷肥的施用，土壤磷素都呈現(xiàn)盈余狀態(tài)[15]，外源磷的大量、長(zhǎng)期施用，常常是土壤磷盈余發(fā)生的主要原因[16-17]。作物可利用的磷主要為土壤總磷中的有效磷，土壤全磷和有效磷之間存在著相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，可用土壤有效磷占全磷的比例—土壤磷活化系數(shù)(Phosphorus activation coefficient，PAC)作為衡量施磷的效果一個(gè)重要指標(biāo)，可以代表土壤總磷轉(zhuǎn)化為有效磷的難易程度[18]。土壤PAC越高，有效磷在全磷中的比例較大，土壤磷素的有效性也越高。通常對(duì)于特定的土壤類(lèi)型，全磷含量越高，有效磷含量也越高，土壤中磷的有效性越大[19]。合理施磷能提高土壤磷素肥力和土壤供磷能力[20-26]。沈浦[27]研究認(rèn)為，我國(guó)13個(gè)長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)的土壤有效磷的總體變化為：有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥有效磷年增加4.2 mg/kg、施化學(xué)磷肥年增加0.9 mg/kg，不施磷年下降0.2 mg/kg。不同土壤的磷庫(kù)水平不僅受到土壤性質(zhì)和氣候條件的影響，而且還受磷肥的用量和類(lèi)型的影響?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】不同區(qū)域農(nóng)田，由于作物類(lèi)型、氣候狀況、施肥習(xí)慣、土壤類(lèi)型和農(nóng)業(yè)管理措施等差異，農(nóng)田磷素的盈余和虧缺狀況也將發(fā)生變化。新疆土壤中磷素的平均值僅為5.15 mg/kg左右[28]，新疆典型的灰漠土屬干旱區(qū)石灰性土壤，土壤中的磷與易與鈣結(jié)合，形成難以溶解的鈣磷，對(duì)磷產(chǎn)生強(qiáng)烈的固定作用，再加上土壤干旱缺水，使磷肥利用率降低。但是由于連續(xù)多年的施用磷肥，土壤有效磷含量有較大幅度的增加，農(nóng)田土壤中已出現(xiàn)了磷的積累[29-30]。需研究灰漠土在不同施肥制度下的磷素水平與磷盈虧的關(guān)系、磷肥施入土壤后的有效性?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)29年的灰漠土長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)，以8種施肥為材料，研究灰漠土磷素盈虧的演變規(guī)律、有效磷與累積磷盈虧量的響應(yīng)關(guān)系及土壤PAC演變特征，為新疆灰漠土區(qū)作物高產(chǎn)、磷養(yǎng)分資源高效利用、土壤肥力培育體系的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

依托1989年的長(zhǎng)期定位施肥監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，設(shè)8個(gè)處理：不施肥(CK)、氮鉀(NK)、氮磷(NP)、磷鉀(PK)、氮磷鉀(NPK)、氮磷鉀+秸稈還田(4/5NPK+S，以下用NPKS表示)、常量氮磷鉀+常量有機(jī)肥(NPKM)、增量氮磷鉀+增量有機(jī)肥(1.5NPKM)。不同處理的施肥情況參見(jiàn)文獻(xiàn)[31]。表1

供試土壤為灰漠土，起始土壤基本性狀：有機(jī)質(zhì)含量15.2 g/kg，全氮0.868 g/kg，全磷0.667 g/kg，全鉀23 g/kg，堿解氮55.2 mg/kg，有效磷3.4 mg/kg，速效鉀288 mg/kg，緩效鉀1 764 mg/kg，pH8.1，CEC值16.2 cmol(+)/kg，容重1.25 g/cm3。1年1熟，輪作設(shè)為冬小麥、春小麥(棉花)、玉米，2009年以后將春小麥季改為棉花季，且開(kāi)始采用滴灌灌溉，棉花玉米采用覆膜種植。

1.2 方 法

每年作物成熟期，將每個(gè)小區(qū)上下平均劃分為3個(gè)假重復(fù)區(qū)，每個(gè)假重復(fù)區(qū)分別采用五點(diǎn)法采集植株和土壤樣品，小麥每點(diǎn)不低于50株，玉米、棉花不低于20株取樣，籽粒、莖稈樣品經(jīng)風(fēng)干粉碎后留作分析和保存之用，同時(shí)進(jìn)行小區(qū)測(cè)產(chǎn)，測(cè)產(chǎn)面積不低于5.0 m2；土壤樣品采集深度為0～20 cm，每小區(qū)多點(diǎn)合成一個(gè)混合樣，風(fēng)干研磨過(guò)篩，供測(cè)試分析用。分析測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn)[32]。土壤全磷用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定，有效磷(Olsen-P)用濃度為0.5 mol/L的NaHCO3提取，鉬銻抗比色法測(cè)定，植株全磷樣品用H2SO4-H2O2消化，鉬銻抗比色法測(cè)定。

表1 試驗(yàn)處理及施肥量Table 1 The design of treatment and quantity of fertilization (kg/hm2)

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤磷活化系數(shù)PAC (%) = Olsen P (mg/kg) / [全磷(g/kg)×1 000] × 100[19]；

土壤有效磷增量△OlsenPi(mg/kg) =Pin(mg/kg) -Pi0(mg/kg)，(Pin表示第n年土壤有效磷含量；Pi0表示初始土壤的有效磷含量)；

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(%)；

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

土壤累積磷盈虧 (kg /hm2) =∑[當(dāng)季土壤表觀磷盈虧]。

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 16.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥下灰漠土磷素盈虧的演變特征

研究表明，29年當(dāng)季土壤表觀磷盈虧與施肥年限均呈顯著(P<0.05)或極顯著的直線負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。不施磷肥的處理(CK、NK)當(dāng)季土壤呈現(xiàn)持續(xù)虧缺趨勢(shì)，當(dāng)季土壤磷素平均虧缺量分別為8.9、15.5 kg/hm2，由擬合模型推算每年虧缺量分別以0.44和0.56 kg/hm2的速率增加。而施磷肥的處理(NP、PK、NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS)當(dāng)季土壤表觀磷呈現(xiàn)盈余狀態(tài)。僅施化學(xué)磷肥及化學(xué)磷肥配施秸稈(NP、PK、NPK、NPKS)當(dāng)季土壤磷盈余值的平均值分別為35.4、38.9、32.3和25.4 kg/hm2，盈余水平相近，由擬合模型推算每年盈余量分別以0.81、0.96、1.02和0.98 kg/hm2的速率減小?；瘜W(xué)磷肥配有機(jī)肥(NPKM、1.5NPKM)處理當(dāng)季土壤磷盈余值均較高，平均值分別為49.6、127.8 kg/hm2，由擬合模型推算每年盈余量分別以1.18和1.07 kg/hm2的速率減小。圖1

各處理土壤表觀磷盈虧前13年波動(dòng)較小，基本保持穩(wěn)定，第13年后，隨施肥年限延長(zhǎng)同一施肥措施下年際間波動(dòng)增大，且施磷和不施磷處理土壤磷盈余和虧缺量分別減小和增加，即作物攜出量增加。

圖1 各處理當(dāng)季土壤表觀磷盈虧Fig.1 Annual phosphorus balance of different Fertilizer treatments

不施磷土壤累積磷盈虧與施肥年限均呈極顯著的直線負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，施磷土壤累積磷盈虧與施肥年限均呈極顯著的直線正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。不施磷肥處理(CK、NK)土壤磷素連續(xù)處于虧缺狀態(tài)，累積虧缺量隨施肥年限延長(zhǎng)而增加，CK處理土壤磷累積虧量大于NK處理。僅施化學(xué)磷肥的3個(gè)處理(NP、PK、NPK)土壤磷素連續(xù)處于盈余狀態(tài)，隨施肥年限延長(zhǎng)累積盈余量增加，第29年土壤累積磷盈余值分別為1 074.2，1 168.2和992.1 kg/hm2。秸稈還田配施化學(xué)磷肥(NPKS)的處理土壤累積磷也處于盈余狀態(tài)，盈余量和變化趨勢(shì)與單施化學(xué)磷肥處理相似，29年后土壤累積磷盈余值為776.0 kg/hm2?；柿着涫┯袡C(jī)肥(NPKM、1.5NPKM)土壤累積磷盈余值29年后分別達(dá)1 522.7和3 790.1 kg/hm2，均高于其他處理。圖2

圖2 各處理土壤累積磷盈虧Fig.2 Correlations of soil accumulation phosphorus relative to treatment each year

2.2 長(zhǎng)期施肥下土壤有效磷增量(△Olsen P)對(duì)磷累積盈虧的響應(yīng)

研究表明，不施磷肥的處理(CK、NK)，土壤△Olsen P與磷累積虧缺量沒(méi)有顯著相關(guān)性，土壤△Olsen P變化較小。僅施化學(xué)磷肥及化學(xué)磷肥配施秸稈(NP、PK、NPK、NPKS)，土壤△Olsen P與土壤累積磷盈余間呈顯著的上拋物線型相關(guān)性，當(dāng)土壤磷累積盈余量分別為567.5、775.0、517.5和448.0 kg/hm2時(shí)，對(duì)應(yīng)的△Olsen P最大值分別為8.7、26.2、9.4和12.1 kg/hm2?；瘜W(xué)磷肥配施有機(jī)肥(NPKM、1.5NPKM)處理土壤△Olsen P與磷累積盈余間表現(xiàn)為極顯著性直線正相關(guān)(P<0.01)，土壤每積累100 kg/hm2磷，Olsen-P濃度分別上升4.60和4.77 mg/kg。圖3

圖3 各處理灰漠土△Olsen P對(duì)土壤累積磷盈虧的響應(yīng)Fig.3 Response of different treatments to Olsen-P and P balance

不施磷土壤磷累積盈虧并未顯著影響△Olsen P的變化，施用化學(xué)磷肥土壤△Olsen P隨土壤累積磷盈余量增加到一定程度后，轉(zhuǎn)而開(kāi)始下降，化學(xué)磷肥配施有機(jī)肥土壤△Olsen P隨土壤累積磷盈余量持續(xù)增加。兩者間存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，可用直線模型y= 0.040 2x- 9.651表示兩者間的關(guān)系，其中：y為△Olsen P，x為磷累積盈虧，灰漠土每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P濃度可提高4.02 mg/kg。圖4

2.3 長(zhǎng)期施肥下土壤磷活化系數(shù)演變特征

研究表明，長(zhǎng)期施肥下灰漠土磷活化系數(shù)隨施肥年限的演變規(guī)律，長(zhǎng)期不施化學(xué)磷肥的處理(CK、NK)土壤PAC與施肥年限沒(méi)有顯著相關(guān)性，基本維持平衡，兩者PAC由起始的0.51%分別下降到近3年的平均值0.39%、0.30%；施用化學(xué)磷肥的處理，土壤PAC均與施肥年限存在顯著相關(guān)性(P<0.05)，其中僅施化學(xué)磷肥及化學(xué)磷肥配施秸稈處理(NP、PK、NPK、NPKS)與施肥年限間呈上拋物線型變化趨勢(shì)，PAC最大值平均出現(xiàn)在施肥的第16年，而后分別下降至近3年的平均值0.62%、2.15%、1.38%、0.94%，4個(gè)處理仍高于起始值；化學(xué)磷肥配施有機(jī)肥處理(NPKM、1.5NPKM)土壤PAC與施肥年限間存在極顯著的直線正相關(guān)性(P<0.01)，兩者近3年的平均PAC值分別為8.52%、14.45%，分別是起始年的16.7倍和28.4倍，上升幅度較大。各施肥處理中，僅PK、NPKM和1.5NPKM處理的土壤PAC值均大于2%。圖5

圖4 灰漠土所有施肥處理△Olsen P與土壤磷累積盈虧的關(guān)系Fig.4 Correlations between all treatments Olsen-P and P balance of grey desert soil

圖5 長(zhǎng)期施肥下灰漠土PAC變化Fig.5 Effect of long-term fertilizer application on PAC in grey desert soil

3 討 論

該3種施肥方式下，灰漠土全磷容易轉(zhuǎn)化為有效磷，CK、NK、NP、NPK、NPKS土壤PAC值均低于2%，該5種施肥方式下，灰漠土全磷各形態(tài)很難轉(zhuǎn)化為有效磷[19]。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同施肥措施下，土壤磷素的收支存在較大差異，在不施化肥磷條件下，土壤磷素處于連續(xù)虧缺，土壤單施化學(xué)氮肥或氮鉀同施時(shí)，促進(jìn)了土壤磷的活化，加大了土壤對(duì)有效磷的供應(yīng)，作物磷攜出的增加致土壤磷的虧缺隨之加大。在施化肥磷條件下，土壤磷素含量均提高，因作物對(duì)磷的攜出不同，土壤磷的累計(jì)差異較大，但磷鉀配施較磷氮配施土壤有效磷的活化系數(shù)有大幅提高，灰漠土屬高鉀土壤，土壤氮對(duì)作物產(chǎn)量的限制要大于鉀，在不施氮條件下，抑制了作物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致對(duì)磷的吸收下降，增加了土壤中磷的累積。研究中，灰漠土每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P濃度上升3.77 mg/kg，而南方黃泥田土壤每累積100 kg/hm2，NPK、NPKM處理土壤有效磷含量可分別提高4.5與11.2 mg/kg[33]，紅壤性水稻土每盈余100 kg/hm2磷，土壤有效磷提高1.20 mg/kg[20]，曹寧等[34]對(duì)我國(guó)7個(gè)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)Olsen-P與土壤累積磷盈虧的關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)土壤Olsen-P含量與土壤磷盈虧呈現(xiàn)極顯著線性相關(guān)(P<0.01)，我國(guó)7個(gè)樣點(diǎn)每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P濃度上升范圍為1.44～5.74 mg/kg，平均可使土壤有效磷水平提高約3.1 mg/kg。試驗(yàn)結(jié)果的差異可能是連續(xù)施肥的年限、環(huán)境、種植制度和土壤理化性質(zhì)不同引起的。

4 結(jié) 論

灰漠土Olsen-P與土壤累積磷間的關(guān)系可表示為y= 0.040 2x- 9.651 6(R2= 0.785**,n=232)，土壤每盈余100 kg/hm2磷，Olsen-P濃度上升4.02mg/kg，外源磷投入可直接因素影響土壤PAC，僅施施化學(xué)磷對(duì)土壤PAC的變化幅度影響較小，土壤磷均有累積，施用有機(jī)肥可大幅提高土壤PAC，促進(jìn)土壤全磷向有效磷的轉(zhuǎn)化，施用有機(jī)肥土壤磷累積顯著高于單施化肥，且有機(jī)肥用量越大，效果越顯著。