基于長期施肥下潮土磷素演變及農學閾值的研究

魏 猛，張愛君，李洪民，唐忠厚，陳曉光

(江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所/江蘇徐州甘薯研究中心，江蘇徐州 221131)

【研究意義】磷是植物生長發育必需的營養元素，施肥是改變土壤含磷量和土壤對作物的供磷能力最主要措施之一［1］。然而，大多數作物的磷肥當季利用率僅為10% ～25%［2］。當外源投入的磷肥大于支出量時，剩余的磷素在土壤中積累超過一定限度后，對水體構成富營養化的威脅［3－4］。【前人研究進展】合理的土壤有效磷水平對保證作物產量具有重要作用［5］。當土壤有效磷含量低于某一臨界值(農學閾值)，產量隨有效磷水平的增加而顯著增加，當土壤有效磷含量高于臨界值時，產量無明顯增加［6－7］。【本研究切入點】我國典型農田小麥土壤有效磷的農學閾值范圍為7.5～23.5 mg/kg，不同區域同一作物，由于氣候條件、土壤性質和管理水平的差異，作物土壤有效磷的閾值有顯著的差異［5，8］。潮土是我國重要的農業土壤，其在糧食生產中的重要地位，面積達267萬 hm2［9］。【擬解決關鍵的問題】本研究通過研究潮土35年長期不同施肥模式下土壤全磷和有效磷演變特征，明確小麥土壤有效磷農學閾值，以期為潮土區磷素資源的管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所(N 34°16'，E 117°17')，平均年降水量為860 mm，年平均氣溫14℃，屬暖溫帶半濕潤氣候區。供試土壤為砂壤質潮土，試驗開始時土壤耕層全氮含量0.66 g/kg，有機碳含量 6.26 g/kg，全磷含量 0.74 g/kg，有效磷含量 12.00 mg/kg，速效鉀含量 63.00 mg/kg，pH 值 8.01。

1.2 試驗設計

長期試驗開始于1980年秋季，試驗共設8個處理:①不施肥(CK);②單施氮肥(N);③施氮磷肥(NP);④施氮磷鉀肥(NPK);⑤單施有機肥(M);⑥施有機肥和氮肥(MN);⑦施有機肥和氮磷肥(MNP);⑧施有機肥和氮磷鉀肥(MNPK)。每個處理重復4次，隨機區組排列。在1981－2001年為小麥－玉米種植模式，2002年后改為小麥－甘薯一年種植模式。化肥氮、磷、鉀分別由尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 18%，P2O546%)、硫酸鉀(K2O 50%)提供，每年施用量為純N 300 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，K2O 225 kg/hm2;有機肥每年施用量(鮮基)為1981－1984年施馬糞，年施用量(鮮基)75 t/hm2，養分投入量范圍為:N 221～308 kg/hm2、P2O5150～375 kg/hm2、K2O 450～563 kg/hm2;1985年以后改為施豬糞，年施用量(鮮基)37.5 t/hm2，養分投入量范圍為:N 98 ～141 kg/hm2、P2O594 ～159 kg/hm2、K2O 150～281 kg/hm2。作物根茬進行還田，作物其他管理措施與大田一致。

1.3 測定項目及方法

在1981－2015年小麥收獲后，在每小區采集5點耕層土樣，去除落葉和石礫等。土壤全磷采用堿熔－鉬銻抗比色法測定，土壤有效磷采用Olsen法測定［10］。

1.4 數據處理及統計方法

土壤磷活化系數PAC(%)=有效磷(mg/kg)/［全磷(g/kg) ×1000］×100%［11］;小麥相對產量 Yr=Yi/Ym×100，其中，Yr(%)為小麥相對產量;Yi為各處理的小麥年產量(kg/hm2)，Ym為各處理小麥年最大產量(kg/hm2);小麥相對產量對土壤有效磷的響應關系通過Mitscherlich方程模擬:Y=A×［1–exp(－bx)］，其中，Y是預測的小麥相對產量(%)，A是最大的小麥相對產量(%)，b是小麥產量對土壤有效磷的響應系，由方程模擬出的相對產量為最大值的90%時，土壤有效磷的含量為農學閾值［7，12］。數據的統計與分析采用 Excel、SigmaPlot及DPS數據分析軟件進行。

2 結果與分析

2.1 長期施肥對土壤全磷含量的影響

從圖1可以看出，長期不同施肥下土壤全磷含量的變化呈現顯著差異。不施磷肥處理(CK、N)土壤全磷表現為緩慢下降的趨勢，從開始時(1980年含量)的0.74 g/kg分別下降到2015年的0.68、0.62 g/kg，分別下降了 8.11%、16.22%，年降低量分別為0.004、0.005 g/kg。施用化學磷肥的2種處理(NP、NPK)，土壤全磷含量隨時間延長表現為緩慢上升趨勢，年增加量分別為 0.007、0.005 g/kg。單施有機磷肥處理(M、MN)均能提高土壤全磷含量，其年增加量分別為 0.013、0.015 g/kg。有機無機磷肥配施處理(MNP、MNPK)土壤全磷含量增幅最大，到2015 年分別為1.62 ～1.64 g/kg，年增加量分別為0.021和0.023 g/kg。由上可以表明，長期施用化學磷肥或有機肥均可提高土壤全磷含量，以處理MNP和MNPK效果最為顯著。

2.2 長期施肥對土壤有效磷含量的影響

從圖2可以看出，連續種植35年后，CK和N處理土壤有效磷含量呈下降趨勢，年降低量分別為0.13和0.08 mg/kg。NP和 NPK處理有效磷含量呈現略增加或持平趨勢，其年增加量為0.03、0.02 mg/kg。M、MN、MNP、MNPK 處理均呈逐年上升趨勢，M 和 MN 處理年增量分別為 0.93、0.84 mg/kg，2015年分別上升到 67.91、60.40 mg/kg;MNP 和MNPK 處理年均增加量分別為 1.39、1.24 mg/kg。1981－1984年有機肥施用量大，MNP和MNPK處理有效磷增速更明顯，1985年后有機肥用量減半，增加幅度減緩，到2015 年分別為90.16、92.70 mg/kg，分別增加了651.33%、672.50%。可以看出，與長期施用化學磷肥相比，施用有機肥或有機無機磷肥配施提高土壤有效磷含量更為顯著。

2.3 長期施肥對土壤磷活化系數的影響

圖1 長期施肥下土壤全磷含量的變化Fig.1 Dynamics of soil total phosphorus under long-term fertilization

從圖3可以看出，CK和N處理土壤PAC與施肥年限呈現極顯著負相關，由試驗開始時(1980年)的1.62%分別下降到2015 年的0.78%、0.73%，下降速度分別為0.015%、0.009%。NP和NPK處理土壤PAC隨施肥年限延長均呈波動變化。M、MN、MNP、MNPK處理土壤PAC呈現上升趨勢，其年增加速度分別為0.039%、0.024%、0.031%和0.01%，到2015 年分別上升為5.31%、4.68%、5.48%和5.73%。連續施肥35 年，施用有機磷肥(M、MN、MNP、MNPK)的處理土壤PAC值均高于5%，土壤磷活化能力較高，僅MNP處理提高幅度達到顯著水平。

圖2 長期施肥下土壤有效磷含量的變化Fig.2 Dynamics of soil available phosphorus under long-term fertilization

圖3 長期施肥下土壤PAC值的變化Fig.3 Dynamics of soil PAC under long-term fertilization

圖4 長期施肥下小麥相對產量對土壤有效磷的響應Fig.4 Response of relative wheat yield to soil Olsen-P under longterm fertilization

2.4 長期施肥下土壤有效磷農學閾值

由圖4顯示，基于不同施肥處理有效磷水平與作物產量長期定位數據，通過分析小麥相對產量和土壤有效磷的變化趨勢，采用米切里西方程模擬二者的關系，土壤有效磷農學閾值為13.41 mg/kg，可用于指導潮土區磷肥的合理施用。

3 討論

磷素是作物生長發育的重要因子，如果土壤連續種植作物而不施用磷肥，由于磷的耗竭，土壤磷素將變得更為缺乏，施用磷肥是作物持續增產的有效措施［13－14］。潮土35年長期施肥的研究結果表明:不施磷肥處理土壤有效磷和全磷呈現降低趨勢，這主要是由于在連續種植情況下作物攜出大量磷素，導致不施磷肥處理土壤磷素一直虧缺;長期施用有機磷肥和有機無機磷肥配施土壤有效磷和全磷含量逐年增加，這主要是由于長期有機無機磷配施則可顯著降低土壤磷吸附親合力常數及吸附緩沖容量［14］，從而增加土壤有效磷和全磷含量，這與黃晶等在紅壤性水稻土研究結果相一致［11］。因此，在農田耕作中建議采取有機無機磷肥相結合的培肥措施，有利于維持并逐步提高土壤有效磷含量，建立較大容量的土壤有效磷庫。

磷活化系數(PAC)可以表示土壤磷活化能力［11］。連續施肥35年，單施有機磷肥(M、MN)和有機無機磷肥配施(MNP、MNPK)處理土壤PAC值均高于5%，而不施磷肥處理的土壤PAC值均低于2%，表明不施磷肥出口土壤全磷各形態很難轉化為有效磷［15－16］。

土壤有效磷含量是影響作物產量的重要因素［11－12］。磷農學閾值是指當土壤中的有效磷含量達到某個值后，作物產量不隨磷肥的繼續施用而增加，即作物產量對磷肥的施用響應降低［13－16］。本研究采用米切里西方程模擬潮土有效磷農學閾值［17］，結果表明小麥農學閾值為13.41 mg/kg。祁陽紅壤長期定位試驗站研究表明，小麥有效磷的農學閾值為 12.7 mg/kg［18］;Tang 等［19］對昌平、鄭州和楊凌的玉米和小麥農學閾值的研究發現，玉米(平均值15.3 mg/kg)有效磷的農學閾值略低于小麥(平均值16.3 mg/kg)。可以推斷，作物有效磷的農學閾值受作物類型、土壤類型以及氣候環境等諸多因素的影響，在實際應用中需要結合實際情況考慮。

4 結論

(1)不施磷肥處理(CK、N)土壤全磷、有效磷和PAC值均有所下降，而單施有機磷肥處理(M、MN)和有機無機磷肥配施處理(MNP、MNPK)土壤全磷、有效磷均有所上升，這說明單施有機磷肥或有機無機磷肥配施能夠提高土壤磷素水平。

(2)潮土小麥有效磷的農學閾值為13.41 mg/kg，當有效磷含量高于此閾值時，小麥產量并不再隨有效磷含量的增加而顯著增加。農田土壤有效磷含量主要與磷肥用量有關，據此可根據實際需要，通過改變磷肥施用量調控土壤有效磷含量。