長期施肥紅壤性水稻土磷素演變特征及對磷盈虧的響應*

魯艷紅 廖育林 聶 軍? 周 興 謝 堅 楊曾平

（1 湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125）

（2 農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站，長沙 410125）

長期施肥紅壤性水稻土磷素演變特征及對磷盈虧的響應*

魯艷紅1，2廖育林1，2聶 軍1，2?周 興1，2謝 堅1，2楊曾平1，2

（1 湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125）

（2 農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站，長沙 410125）

研究雙季稻種植制度下長期不同施肥紅壤性水稻土磷素含量及磷素有效性演變特征及其對土壤磷盈虧（磷平衡）的響應，為南方雙季稻區紅壤性水稻土科學施磷提供依據。以35年長期肥料定位試驗為平臺，研究不同施肥處理土壤全磷、有效磷及磷活化系數（PAC）的演變規律，計算不同處理土壤-作物系統每年磷素盈虧量及累積磷素盈虧量，探討土壤全磷、有效磷及PAC與累積磷盈虧量的響應關系。結果表明，不施磷肥的CK和NK處理土壤全磷、有效磷和PAC隨試驗年限呈持平或下降趨勢；不施磷肥僅施豬糞的NK+PM處理土壤全磷呈緩慢上升趨勢，有效磷和PAC呈下降趨勢；施化學磷肥或化學磷肥配施稻草的NP、NPK、NP+RS和NPK+RS處理土壤全磷在試驗前10年上升速率較快，之后25年上升速率變緩或隨時間變化不顯著，土壤有效磷在試驗前5年急劇升高，之后隨時間變化速率減緩或基本持平。CK、NK和NK+PM處理35年土壤PAC平均值較試驗初始值分別下降33.2%、29.7%和16.6%，NP、NPK、NP+RS和NPK+RS土壤PAC較初始值分別提高66.2%、60.6%、65.6%和52.9%。不施磷肥導致紅壤性水稻土磷素虧缺，不施化學磷肥僅施豬糞土壤磷素基本持平，施用化肥磷及化肥磷配施稻草土壤磷素盈余。土壤全磷、有效磷及PAC與土壤磷累積盈虧量均呈極顯著正相關關系，土壤每盈余磷100 kg hm-2，全磷含量提高0.03 g kg-1，有效磷提高1.20 mg kg-1，土壤PAC上升0.09%。外源磷投入是影響土壤磷素及磷有效性的重要因素，在本試驗條件下，長期不施磷或磷投入不足導致土壤磷虧缺，進而導致土壤磷及磷有效性降低，而化肥磷及有機無機磷配施促進了土壤磷盈余及土壤磷素肥力的提高。

長期肥料試驗；磷素演變；磷有效性；磷盈虧；紅壤性水稻土

磷是植物必需的三大營養元素之一，直接影響作物的產量和品質。近年來隨著農業生產中磷肥投入量持續增長，我國農田土壤磷含量呈增長趨勢［1］，但大多數農田土壤的自然供磷能力仍不能滿足作物高產需求。同時，在我國農田系統中土壤磷分布呈現較嚴重的兩極化現象［2］，部分農田由于長期過量施磷導致土壤磷素大量累積，甚至有些農田土壤有效磷含量已超過環境臨界點，而另外部分農田則由于長期施磷不足或不施磷肥致使土壤磷庫嚴重虧缺，限制作物生長而導致減產。施用磷肥是水稻增產、穩產的重要農業措施，也對土壤磷庫狀況及土壤供磷能力產生重要影響［3］。外源磷的投入一方面改善了作物對磷的吸收利用，另一方面過量施磷會直接導致磷在土壤中的盈余，當土壤磷積累量超過一定值后，可能通過徑流和淋溶進入環境，產生環境污染［4］。因此，如何通過合理施磷在提高土壤磷素肥力和土壤供磷能力的同時，降低土壤磷環境污染風險，已成為近年來土壤學、農學和環境科學領域研究的熱點問題。

紅壤性水稻土是我國南方稻區典型的農業土壤類型。紅壤區水熱資源豐富，雙季稻種植面積廣，對我國糧食生產乃至整個國民經濟的持續發展發揮了重要作用。據報道，盡管近年來我國農田土壤有效磷由于磷肥施用量的不斷提高呈穩中有升的態勢，但南方紅壤和紅壤性水稻土缺磷情況仍然較為普遍［5-6］，目前南方地區仍有20%的農田嚴重缺磷，且在低產稻田上表現尤為嚴重［7］，土壤磷素依然是該區域限制作物生長的主要因素之一。施用磷肥能顯著改善土壤磷素肥力并提高土壤供磷能力，而土壤全磷和有效磷的消長主要由磷的收支平衡決定［8］。土壤供磷不足會導致作物減產，長期過量施用磷肥又會導致土壤磷素積累，當土壤磷積累到一定程度會增加環境風險。因此，了解長期不同施肥模式下土壤磷素肥力及磷有效性的演變及磷盈虧對土壤磷素變化的影響對于解決這一問題具有重要意義。本文以紅壤性水稻土雙季水稻長期定位施肥試驗為平臺，研究不施磷肥（CK、NK）、不施化肥磷僅以有機肥源豬糞補充磷素（NK+PM）、施化學磷肥（NP和NPK）及化學磷肥與有機物料稻草配合施用（NP+RS和NPK+RS）等長期不同施肥模式對土壤全磷、有效磷及磷活化系數（PAC）演變特征的影響，明確土壤磷素演變過程和土壤供磷狀況，探討土壤全磷、有效磷及磷活化系數對磷盈虧的響應，以期為紅壤性水稻土科學施用磷肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

長期定位施肥試驗位于湖南省望城區桐林坳社區（東經112°80′，北緯28°37′，海拔高度100 m），地處亞熱帶季風氣候區。試驗于1981年開始，1981—2015年的年均降雨量為1 385 mm，年均氣溫17 ℃，年均無霜期約300 d。供試土壤為第四紀紅土發育的水稻土（粉質輕黏土），土壤分類為普通簡育水耕人為土。試驗開始前0～20 cm土壤基本性狀為：pH 6.6，有機質34.7 g kg-1，全氮2.05 g kg-1，堿解氮 151.0 mg kg-1，全磷 0.660 g kg-1，有效磷（Olsen P）10.2 mg kg-1，全鉀14.2 g kg-1，速效鉀 62.3 mg kg-1。

1.2 試驗設計

試驗共設9個處理，本文采用其中的7個處理，即：（1）不施肥（CK）；（2）施化學氮、鉀肥（NK）；（3）化學氮、鉀肥配施豬糞（NK+PM）；（4）施化學氮、磷肥（NP）；（5）化學氮、磷肥配施稻草（NP+RS）；（6）施化學氮、磷、鉀肥（NPK）；（7）化學氮、磷、鉀肥配施稻草（NPK+RS）。小區采用隨機區組設計，3次重復，每個小區面積66.7 m2。為避免灌溉水串灌和處理之間的交叉污染，各小區之間用30 cm寬的水泥埂隔開，區組之間排水溝寬度為50 cm。 供試早稻品種為常規水稻品種，晚稻為常規水稻品種或雜交水稻組合，水稻品種每5年更換一次。早稻于4月底移栽，7月中旬收獲；晚稻于7月下旬移栽，10月下旬收獲。秧苗生長期為30～35 d，早稻每穴栽插4～5株秧苗，晚稻每穴栽插1～2株秧苗，株行距20 cm×20 cm。N、P和K化肥品種分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。在1981—2015年期間，氮肥按早稻N 150 kg hm-2和晚稻N 180 kg hm-2施入；磷肥按早、晚稻每季P 38.7 kg hm-2施入；鉀肥按早、晚稻每季K 99.6 kg hm-2施入；稻草按每年4.2 t hm-2（干基，含N 38.2 kg hm-2，P 5.5 kg hm-2，K 79.4 kg hm-2，早晚稻各施一半）施入，豬糞按每年30 t hm-2（腐熟豬糞，含N 91.5 kg hm-2，P 39.4 kg hm-2，K 49.1 kg hm-2，早晚稻各施一半）施入。稻草在耕田時施入，并充分混入土壤；磷、鉀肥和豬糞在插秧前1 d撒施；氮肥分2次施，70%于插秧前1 d作基肥施入，余下30%作分蘗肥在插秧后7～15 d施入。各處理具體施肥量見表1。水稻收獲前10 d 排水曬田，冬季休閑，不進行灌溉和栽培作物。其他田間管理措施與當地農民大田管理相同。

1.3 樣品采集與測定方法

每年早晚稻成熟期各小區分別測產，采集植株樣用于考種和磷養分測定。每年晚稻收獲后采集耕層0～20 cm 土樣，用于測定全磷和有效磷含量。植株全磷采用鉬銻抗比色法測定［9］，土壤全磷采用堿熔—鉬銻抗比色法測定［10］，有效磷采用Olsen法測定［9］。

1.4 數據計算與處理

土壤磷活化系數（P activation coefficient，PAC，%）=有效磷（mg kg-1）/［全磷（g kg-1）×1000］ ×100%

表1 1981—2015年每年養分投入量Table 1 Total annual inputs of N，P and K nutrients in the long-term field experiment from 1981 to 2015（kg hm-2）

作物吸磷量（kg hm-2）=［籽粒產量（kg hm-2）×籽粒含磷量（%）+秸稈產量（kg hm-2）×秸稈含磷量（%）］/100

當季土壤表觀磷盈虧（kg hm-2）=每年施入土壤磷素總量（kg hm-2）-每年作物（籽粒+秸稈）吸磷量（kg hm-2）

土壤累積磷盈虧（kg hm-2）=∑［當季作物表觀磷盈虧］

數據處理及分析采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.5等數據處理系統。

2 結 果

2.1 長期不同施肥下土壤全磷的演變特征

長期不同施肥紅壤性水稻土全磷含量變化如圖1所示。35年間不施任何肥料的CK處理土壤全磷隨試驗年限呈緩慢下降趨勢（p＜0.01），下降速率為0.002 9 g kg-1a-1；不施磷肥的NK處理土壤全磷年際間波動較大，總體上與試驗年限的相關性不顯著（p＞0.05）；不施化肥磷僅施豬糞的NK+PM處理土壤全磷隨試驗年限呈緩慢上升趨勢（p＜0.01），上升速率為0.001 5 g kg-1a-1。施化肥磷和化肥磷配施稻草的NP、NP+RS、NPK和NPK+RS處理土壤全磷均隨試驗年限呈上升趨勢（p＜0.01或p＜0.05），且單施化肥處理上升速率高于相應的化肥磷配施稻草處理。

將NP、NP+RS、NPK和NPK+RS處理土壤全磷隨時間變化按試驗前10年和后25年兩個時段進行分析（表2），該4個處理前10年土壤全磷均隨試驗年限呈上升趨勢（p＜0.01），且有機無機配施處理上升速率高于相應的單施化肥處理；之后25年NP、NP+RS和NPK處理土壤全磷隨試驗年限呈上升趨勢（p＜0.01），但上升速率變緩，而NPK+RS處理土壤全磷隨年限變化不顯著（p＞0.05）。

從35年平均值看，各處理土壤全磷NPK+RS＞NP+RS＞NP＞NPK＞NK+PM＞NK＞CK。CK、NK和NK+PM處理土壤全磷平均值分別為0.561、0.564和0.635 g kg-1，較初始值分別降低15.0%、14.5%和3.8%。NP、NP+RS、NPK和NPK+RS處理土壤全磷平均值分別為0.953、0.957、0.925和0.963 g kg-1，較1981年初始值分別提高44.4%、45.1%、40.1%和45.9%。說明在本試驗條件下，長期施用化肥磷或化肥磷與稻草配施有利于提高土壤全磷，且化肥磷配施稻草提高效果高于相應的單施化肥處理。

2.2 長期不同施肥下土壤有效磷的演變特征

長期不同施肥處理土壤有效磷演變特征存在明顯差異（圖2）。35年間，CK、NK和NK+PM處理土壤有效磷隨試驗年限呈下降趨勢（p＜0.01），年均下降速率分別為0.196 7、0.118 1 和0.081 7 mg kg-1a-1。NP和NP+RS處理土壤有效磷隨試驗年限呈上升趨勢（p＜0.01），其中NP+RS處理土壤有效磷上升速率（0.329 9 mg kg-1a-1）高于NP處理（0.198 3 mg kg-1a-1）。NPK和NPK+RS處理土壤有效磷從總體上看與試驗年限相關性不顯著（p＞0.05）。

圖1 長期不同施肥下土壤全磷含量的變化趨勢Fig. 1 Variation of contents of soil total phosphorus in the long-term field experiment relative to treatment

將NP、NP+RS、NPK和NPK+RS處理土壤有效磷隨時間變化按試驗前5年和試驗后30年兩個時間段進行分析（表3），NP、NP+RS、NPK和NPK+RS處理前5年土壤有效磷含量均隨試驗年限呈上升趨勢（p＜0.01或p＜0.05）；試驗后30年NP和NP+RS處理土壤有效磷含量隨試驗年限仍呈上升趨勢（p＜0.01），但上升速率變緩，而NPK和NPK+RS處理土壤有效磷隨年限變化不顯著或呈緩慢下降趨勢。

表2 不同時段土壤全磷（y）與試驗年限（x）的關系模型Table 2 Regression model for relationship between content of soil total phosphorus and age of the experiment

表3 不同時段土壤有效磷（y）與試驗年限（x）的關系模型Table 3 Regression model for relationship between content of soil available phosphorus and age of the experiment

從35年平均值來看，CK、NK和NK+PM處理土壤有效磷分別為5.9、6.1和8.2 mg kg-1，較初始值分別降低42.2%、40.2%和19.6%，表明長期連續不施磷肥導致土壤有效磷下降；NK+PM處理按照本試驗設計的豬糞施用量雖然能夠補充一定量的磷素，但其土壤全磷和有效磷均降低，表明該處理磷投入不足以維持土壤磷素肥力。NP、NP+RS、NPK和NPK+RS處理土壤有效磷平均值分別為24.3、24.7、22.8和22.6 mg kg-1，較初始值分別提高138.4%、141.7%、123.6%和121.6%，表明在本試驗條件下長期施用化肥磷或化肥磷與稻草配施提高了土壤有效磷。

2.3 長期不同施肥下土壤磷活化系數的演變特征

磷活化系數（PAC）表征土壤磷活化能力，即全磷向有效磷轉化的難易程度。長期不同施肥下土壤PAC隨時間的演變特征如圖3所示，35年間，CK、NK和 NK+PM處理土壤PAC均隨試驗年限呈下降趨勢（p＜0.01），下降速率分別為0.0285% a-1、0.0187% a-1和0.0158% a-1，CK處理下降最快，NK處理其次。從總體上看，NP和NPK+RS處理土壤PAC隨試驗年限無顯著變化（p＞0.05），NP+RS處理PAC隨試驗年限呈上升趨勢（p＜0.01），NPK處理土壤PAC隨試驗年限呈下降趨勢（p＜0.05）。

圖2 長期不同施肥下土壤有效磷含量的變化趨勢Fig. 2 Variation of contents of soil available phosphorus in the long-term field experiment relative to treatment

將NP、NP+RS、NPK和NPK+RS處理土壤PAC隨時間變化按試驗前5年和試驗后30年兩個時段進行分析（表4），發現前5年NP、NP+RS和NPK處理土壤PAC隨試驗年限呈上升趨勢（p＜0.01或p＜0.05），之后 30年NP和NPK處理呈緩慢下降趨勢（p＜0.01或p＜0.05），NP+RS處理呈緩慢上升趨勢（p＜0.01）；而NPK+RS處理無論在試驗前5年和之后30年土壤PAC均隨試驗年限變化不顯著（p＞0.05，表4中未列出）。進一步將NPK+RS處理土壤PAC隨時間變化按試驗前2年和試驗后33年兩個時段進行分析，發現該處理試驗前2年土壤PAC隨年限急劇上升，之后33年呈緩慢下降趨勢。

圖3 長期不同施肥下土壤磷活化系數的變化趨勢Fig. 3 Variation of soil phosphorus activation coefficient（PAC）in the long-term field experiment relative to treatment

從35年平均值看，土壤PAC值NP＞NP+RS＞NPK＞NPK+RS＞NK+PM＞NK＞CK。CK、NK和NK+PM處理土壤PAC值均低于2%（分別為1.03%、1.09%和1.29%），較初始值1.55%均降低，表明這3個處理土壤全磷較難轉化為有效磷［11］；NP、NP+RS、NPK和NPK+RS土壤PAC平均值分別為2.57%、2.56%、2.48%和2.36%，均大于2%，較初始值有較大幅度的提高，說明施用化肥磷或化肥磷與稻草配施有利于提高土壤全磷轉化為有效磷的效率。

表4 不同時段土壤磷活化系數（y）與試驗年限（x）的關系模型Table 4 Regression model for relationship between soil phosphorus activation coefficient（PAC）and age of the experiment

2.4 長期不同施肥下土壤磷素盈虧狀況

試驗期間35年不施磷肥的CK和NK處理每年當季土壤表觀磷一直呈虧缺狀態（圖4），其年均磷虧缺量分別為18.0 和23.3 kg hm-2；不施化肥磷僅施豬糞的NK+PM處理在試驗前7年每年當季土壤磷均虧缺，第8年至第22年每年均略有盈余，第23年至第35年除少數年份外大部分年份略有虧缺，以35年平均值計算土壤表觀磷盈虧為基本持平。NP、NP+RS、NPK和NPK+RS每年當季土壤表觀磷均呈盈余狀態；單施化學磷肥的NP和NPK處理當季土壤磷盈余值的平均值分別為38.9和29.1 kg hm-2，相應的化學磷肥配施稻草的NP+RS和NPK+RS處理當季土壤磷盈余值的平均值分別為40.9和34.4 kg hm-2，表明施用化肥磷促進了土壤表觀磷盈余，而化肥磷配施稻草進一步提高了土壤表觀磷盈余量。

圖4 1981—2015年各處理當季土壤表觀磷盈虧Fig. 4 Budgeting of soil phosphorus relative to treatment each year from 1981 to 2015

35年試驗期間未施磷肥的CK和NK處理土壤累積磷一直處于虧缺狀態（圖5），且虧缺量隨種植時間延長而增加，其中CK處理土壤磷虧缺量少于NK處理，可能是因為CK處理不施任何肥料限制了作物生長和養分吸收，尤其是在試驗的前期階段，作物從土壤攜出磷量低于NK處理的原因。NK+PM處理土壤累積磷基本處于持平狀態，從表觀平衡角度看，該處理作物帶出土壤系統的磷素量與通過豬糞投入土壤的磷素量基本相當，但結合土壤全磷和有效磷均較初始值明顯降低，因此從維持和提高土壤磷素肥力的角度考慮認為該處理磷素投入是不足的。單施化學磷肥的NP、NPK處理及化肥磷與稻草配施的NP+RS、NPK+RS處理土壤累積磷一直處于盈余狀態，且隨種植時間延長盈余值增加，2015年NP、NPK、NP+RS和NPK+RS處理土壤累積磷盈余值分別為1 362、1 019、1 432和1 204 kg hm-2，表明本試驗條件下單施化肥磷土壤累積磷處于盈余狀態，而化肥磷與稻草配施進一步提高了土壤累積磷盈余值。

圖5 1981—2015年各處理土壤累積磷盈虧Fig. 5 Budgeting of soil accumulation phosphorus relative to treatment each year from 1981 to 2015

2.5 土壤磷及磷有效性對土壤磷素盈虧的響應特征

對土壤全磷、有效磷及PAC與磷素累積盈虧量進行相關分析（圖6），發現土壤全磷、有效磷和PAC與土壤耕層累積磷盈虧值均呈極顯著相關關系（p＜0.01），表明土壤磷素肥力及土壤磷素有效性與土壤表觀磷盈虧密切相關。將試驗所有處理歷年土壤全磷（有效磷、PAC）（y）與累積磷盈虧值（x）進行線性擬合，斜率代表每盈虧單位數量磷素相應的土壤全磷（有效磷、PAC）消長量，結果表明紅壤性水稻土每盈余P 100 kg hm-2，全磷濃度提高0.03 g kg-1，土壤有效磷提高1.20 mg kg-1，土壤磷活化系數PAC上升0.09%。

3 討 論

3.1 長期不同施肥對土壤磷演變特征的影響

土壤全磷和有效磷分別表征土壤供磷潛力和供磷水平，除與土壤自身理化性質和自然因素有關外，施肥也是重要的影響因素［12］。外源磷投入是提升土壤全磷和有效磷的關鍵技術，但土壤磷庫變化因投入磷肥的種類、施用時間、施用方式及投入量的不同而存在差異。多數研究認為長期連續不施磷肥會由于作物吸收帶走磷素，導致磷素虧缺進而引起土壤全磷和有效磷含量下降［13-14］，但也有學者認為長期不施磷肥土壤全磷和有效磷基本不發生變化，甚至略有提高。如葉會財等［15］通過32年長期試驗研究發現連續不施任何肥料紅壤性水稻土全磷基本持平，有效磷略有增加，長期只施氮鉀肥不施磷肥土壤有效磷基本持平，分析認為可能是由于降雨及灌溉水中的磷補充了作物攜出磷素的原因所致。在本研究中35年長期不施磷的CK和NK處理土壤有效磷隨試驗年限推移呈下降趨勢，CK處理土壤全磷隨試驗年限也呈下降趨勢。不施磷導致土壤磷降低的主要原因可能是在沒有外源磷投入條件下，磷素被作物吸收攜出導致土壤磷處于持續消耗狀態有關，這也與大多數研究結果一致［13-14］。同時，本試驗中觀察到NK處理土壤全磷35年平均值較初始值降低15.0%，也表明僅施氮鉀不施磷肥導致了土壤全磷的降低，但由于年際間波動較大，總體上隨試驗年限變化并不顯著，其原因有待進一步研究。

圖6 土壤磷及磷有效性與土壤累積磷盈虧的關系Fig. 6 Relationship of content and availability of soil phosphorus with phosphorus balance

黃晶等［13］研究表明長期施用化肥磷或化肥磷與有機肥配施土壤全磷和有效磷隨試驗年限顯著上升，不施化肥磷僅施有機肥牛糞（M和NKM處理）土壤全磷和有效磷也呈上升趨勢，但上升速率緩慢。在本試驗中，長期不施化肥磷只施豬糞的NK+PM處理土壤全磷隨試驗年限呈緩慢上升趨勢，有效磷隨試驗年限呈緩慢下降趨勢。分析NK+PM處理磷素平衡發現該處理投入的磷素和作物攜出的磷素基本持平，而黃晶等［13］研究中M和NKM處理土壤磷平衡表現為盈余，這可能表明土壤全磷及有效磷的變化與磷素投入量和攜出量之間的平衡關系緊密，雖然有機肥（豬糞）投入補充了因作物收獲攜出土壤的磷素，在表觀平衡中也達到基本持平狀態，但如果要維持土壤有效磷水平，僅僅保持磷素表觀平衡是不足的，可能還需要一定量的磷素盈余才能維持或提高土壤有效磷，這一結果可能也說明在評價施磷量是否足夠時，不僅要從作物-土壤磷素表觀平衡角度考慮，還需同時從土壤磷素肥力變化的結果綜合考慮。

大量研究表明合理施用化肥磷或化肥磷與有機肥配施均能提高土壤磷素含量［16-18］。本試驗長期施化肥磷（NP、NPK）及化肥磷配施稻草（NP+RS、NPK+RS）土壤全磷及有效磷較初始值均有大幅度提高，35年全磷平均值較初始值提高40.1%～45.9%，有效磷平均值較初始值提高121.6%～141.7%；在試驗前10年NP、NP+RS、NPK和NPK+RS處理的土壤全磷隨試驗年限快速增長，之后上升速率變緩或無顯著變化；NP、NP+RS、NPK和NPK+RS處理土壤有效磷在試驗前5年隨試驗年限呈快速上升趨勢，之后NP和NP+RS處理隨試驗年限上升速率變緩，NPK處理隨時間變化不顯著，NPK+RS處理隨時間緩慢下降，這表明在施用一定量磷肥條件下土壤磷在試驗前期會快速提高，其中全磷約在1～10年內達到高值，有效磷約在1～5年內達到高值，之后繼續按這一用量施磷，土壤有效磷含量在較長年限內變化較緩慢或無顯著變化。這可能與土壤本身質地及土壤磷初始值有關，在本試驗中，土壤初始有效磷含量為10.2 mg kg-1，略高于土壤缺磷臨界值［19］，施化肥磷或化肥磷與有機肥配施對于提高土壤全磷和有效磷在試驗前期顯示了較強的效應，而之后當土壤全磷和有效磷提高到一定程度后，再施磷其變化速率變緩或無明顯變化。尤其是NPK 和NPK+RS處理，由于作物產量較高，從土壤攜出的磷素量也較高，導致其磷素盈余量低于NP和NP+RS處理，因而從整個試驗期間看土壤有效磷隨試驗年限變化并不顯著。

3.2 長期不同施肥對土壤磷活化效率的影響

土壤磷活化系數PAC是有效磷占全磷的比值，反映了土壤磷素的有效化程度［20-21］，即土壤全磷向有效磷轉化的程度，其值越高，表明全磷向有效磷轉化得越多，值越低，表明土壤的固磷能力越強。該概念最初由我國學者李學敏和張勁苗［22］提出，目前已被國內外學者廣泛使用，大多數研究者認為施磷肥能夠提高土壤磷素活化效率，而化肥磷與有機肥配施更顯著增加了土壤有效磷和磷活化系數［23-24］。黃晶等［13］研究表明長期不施磷肥導致土壤PAC值下降，而長期施磷（化肥磷或有機肥磷）及化肥磷與有機肥配施均促進了土壤PAC值提高。土壤PAC的變化與外源磷投入量密切相關，外源磷肥施入量越大，土壤有效磷和磷活化系數增加越多［25-26］，這可能與土壤高能吸附位點被施入的磷所占據，降低土壤對磷的固定強度進而促進土壤磷活化有關［25］。本試驗中，從35年平均值看，CK、NK和NK+PM處理土壤PAC值分別為1.03%、1.09%和1.29%，較初始值均有較大程度降低，這說明不施磷或投入外源磷不足會導致土壤PAC降低，可能主要是因為在無外源磷素投入或外源磷投入不足條件下，作物生長從土壤中持續吸收磷素并通過收獲帶出土壤，作物吸收的磷主要由土壤有效磷供應，導致了土壤磷庫中有效磷部分持續降低，而土壤磷庫中非有效部分相對降低較少，因而土壤PAC降低。NP、NPK、NP+RS和NPK+RS處理土壤PAC在試驗35年期間平均值分別為2.57%、2.48%、2.56%和2.36%，較初始值均有較大幅度提高，與前人關于施化肥磷及化肥磷與有機肥配施能增加土壤磷活化系數的研究結論一致［13，23-24］。從試驗期間土壤PAC演變規律看，試驗前5年NP、NP+RS和NPK土壤PAC值隨時間快速上升，之后隨時間變化速率減緩。NPK+RS處理在試驗前5年和后30年隨時間變化趨勢均未達到顯著水平，但分析發現其土壤PAC在試驗前2年內急劇上升，之后33年隨時間呈下降趨勢，但下降速率非常緩慢。NP、NP+RS和NPK三處理土壤PAC達到高值的時間與土壤有效磷的變化基本一致（約為5年），NPK+RS處理土壤PAC在試驗前2年即達到高值，可能與該處理產量較其他處理高、作物利用攜出的磷素更多（數據未在文中列出）及土壤磷素固定等有關。

3.3 土壤磷平衡對土壤磷及磷有效性變化的影響

農田生態系統磷盈虧是土壤有效磷水平消長的根本原因［8］，探究農田磷素盈虧的變化特征、量化土壤磷與磷盈虧的關系，對于農田磷素養分管理和合理施磷有重要意義。研究者認為磷盈虧與土壤有效磷的變化存在必然聯系［27］，外源磷的長期大量投入是土壤磷盈余發生的主要原因，長期施用磷肥條件下農田土壤磷的收支為盈余狀態，而長期不施肥導致土壤磷虧缺［28］。盈余的磷在土壤中累積，提高了磷的容量和強度，從而增加土壤有效磷，而在虧缺條件下，土壤中磷素損失，有效磷隨之下降。土壤有效磷變化量與土壤磷盈虧呈顯著線性相關關系［29］。魯如坤等［30］研究結果顯示在紅壤性水稻土和潮土上每盈余P100 kg hm-2，土壤有效磷提高約6.3 mg kg-1。Cao等［31］在8個不同長期試驗點研究發現施用化學磷肥每盈余P 100 kg hm-2土壤有效磷增加1.6～5.7 mg kg-1，每虧缺P 100 kg hm-2土壤有效磷相應下降1.6～5.7 mg kg-1。Tang等［32］通過長期試驗研究得出，在中國湖南、新疆、陜西等五個地區土壤每盈余P100 kg hm-2，土壤有效磷提高2.3～5.7 mg kg-1。本試驗的研究結果表明紅壤性水稻土每盈余P100 kg hm-2，土壤全磷提高0.03 g kg-1，有效磷提高1.20 mg kg-1，土壤PAC提高0.09%。不同施肥模式下或不同類型土壤上，單位磷素盈余量產生的土壤有效磷提高量有所差異，如裴瑞娜等［14］對黑壚土長期試驗的研究表明，每盈余P 100 kg hm-2，土壤有效磷在施用化學磷肥、單施有機肥和有機無機肥配施下分別增加3.8、0.3和0.5 mg kg-1，這表明不同施肥處理土壤盈余等量磷素下土壤有效磷的改變量并不相同。在本試驗中僅研究了紅壤性水稻土全磷、有效磷及土壤磷活化系數對磷盈虧的響應關系，而在不同施肥措施下土壤磷、有效磷及土壤磷活化系數對磷盈虧的響應關系的差異性及其影響機制還需進一步研究。

4 結 論

外源磷投入是影響土壤磷素及磷有效性的重要因素。長期不施磷或磷投入不足導致土壤全磷、有效磷及磷活化系數降低，施化肥磷或化肥磷與稻草配施促進土壤全磷、有效磷及磷活化系數的提高。施化肥磷或化肥磷配施稻草土壤全磷、有效磷及磷活化系數在試驗前期快速上升，之后隨時間變化趨勢變緩或基本持平。長期不施磷肥導致土壤磷素虧缺，不施磷肥僅施豬糞土壤磷素基本持平，施化肥磷及化肥磷配施稻草土壤磷素盈余。土壤全磷、有效磷及磷活化系數的變化與土壤磷盈虧密切相關，每盈余P 100 kg hm-2，土壤全磷含量提高0.03 g kg-1，有效磷提高1.20 mg kg-1，土壤PAC上升0.09%。

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（責任編輯：盧 萍）

Evolution of Soil Phosphorus in Reddish Paddy Soil under Long-term Fertilization Varying in Formulation and Its Response to P Balance

LU Yanhong1，2LIAO Yulin1，2NIE Jun1，2?ZHOU Xing1，2XIE Jian1，2YANG Zengping1，2
（1 Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province，Changsha 410125，China）
（2 Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation（Hunan），Ministry of Agriculture of China，Changsha 410125，China）

【Objective】This study aimed to explore characteristics of the evolution of content and availability of soil phosphorus and their responses to phosphorus accumulation or loss（P balance）in reddish paddy soil under long-term fertilization varying in formulation under the double rice cropping system，in an attempt to provide theoretical bases for scientific application of phosphorus fertilizer in the double rice cropping areas of South China.【Method】Based on a 35-year long-term fertilization field experiment，researches were carried out on the evolution rules of soil total P，available P and soil P activation coefficient（PAC）in reddish paddy soil as affected by fertilization varying in formulation and history，calculations done of gain or loss of soil P each year and cumulative gain or loss of soil P in the long-term fertilization field experiment varying in formulation，and discussions made of relationships between soil total P，Olsen P，soil PAC and cumulative P balance.【Result】Results show that soil total phosphorus，soil Olsen phosphorus and soil PAC in CK and Treatment NK（No phosphorus fertilizer applied）remained unchanged or displayed downward trends with the experiment going on. Soil total phosphorus in Treatment NK+PM（N and K fertilizer plus pig manure）exhibited a slow rising trend with the experiment going on，while soil Olsen phosphorus and PAC in the treatment did a downward trend. Soil total phosphorus in treatments NP，NPK，NP+RS and NPK+RS（chemical phosphorus fertilizer or plus rice straw）soared during the first ten years of the experiment，but the trend gradually leveled off during the 25 years that followed. Soil Olsen phosphorus in the above-listed-treatments rose sharply to high value in content during the first one to five years of the experiment，and then the rising trend began to level off with the years passing on. Soil PAC fell drastically in the treatments of no or low phosphorus input，but it ascended in the treatments applied with chemical phosphorus fertilizer or plus organic manure. Compared with the initial background value of the experiment field，soil PAC decreased by 33.2%，29.7% and 16.6%，respectively in Treatments CK，NK and NK+PM，but increased by 66.2%，60.6%，65.6% and 52.9%，respectively in Treatments NP，NPK，NP+RS and NPK+RS. Treatment CK（No fertilization）led to soil phosphorus deficiency，while Treatment PM（applying only pig manure）nearly sustained P balance，and Treatments NP，NPK，NP+RS and NPK+RS resulted in apparent surplus of soil phosphorus. Phosphorus balance was very significantly related to soil total phosphorus，soil Olsen phosphorus and soil PAC. With an average surplus of 100 kg phosphorus per hectare，soil total phosphorus increased by 0.03 g kg-1，and Olsen phosphorus by 1.20 mg kg-1and PAC by 0.09%.【Conclusion】Extraneous phosphorus inputs are the important factors that affect soil phosphorus and soil phosphorus availability. Long-term no phosphorus input and insufficient phosphorus input leads to soil phosphorus deficiency and hence reduction of soil phosphorus content and soil phosphorus availability.Applying chemical phosphorus fertilizer or chemical phosphorus fertilizer plus organic fertilizer promotes soil phosphorus accumulation and improves soil phosphorus fertility.

Long-term fertilizer experiment；Soil phosphorus evolution；P availability；P balance；Reddish paddy soil

S143.2；S158.5

A

10.11766/trxb201703210020

* 國家自然科學基金項目（41401340）和國家重點研發計劃項目（2016YFD0300900；2017YFD0301504）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41401340）and the National Key Research and Development Program of China（Nos. 2016YFD0300900，2017YFD0301504）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：junnie@foxmail.com

魯艷紅（1974—），女，湖北武穴人，博士，副研究員，主要從事植物營養與作物高效施肥研究。E-mail：luyanhong6376432@163.com

2017-03-

2017-05-09；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2017-07-25