磷肥投入對赤砂土磷形態累積及有效性的影響

顏曉軍 葉德練 鄭朝元 張思文 蔡遠揚 許煒東 吳良泉

摘要：【目的】探究磷肥投入對赤砂土各磷形態累積特征的影響，明確磷肥在土壤中的轉化規律及各磷形態的生物有效性，為赤砂土土壤磷素科學管理、磷肥的合理運籌提供理論依據。【方法】采用Hedley磷分級方法，探究磷肥（P2O5）季投入0、37.5、75.0、150.0和300.0 kg/ha（對應年投入分別為0、75.0、150.0、300.0和600.0 kg/ha）對土壤各磷形態含量的影響，并采用線性加平臺模型對各磷形態生物有效性進行分析。【結果】隨著磷肥投入的增加，與初始土壤相比，速效磷含量變化量依次為-2.71、4.95、17.81、20.72和24.96 mg/kg，有機磷占比由44.60%下降至19.24%，無機磷占比由55.40%上升至80.76%，C∶Po由483.79下降至171.20;土壤每累積100 kg/ha磷素（P），Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi和HCl-Po含量分別增加8.9、10.1、11.6、3.9、19.1和0.2 mg/kg;甜玉米相對高產土壤速效磷臨界值為10.14 mg/kg，Resin-P、NaHCO3-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi、NaHCO3-Po與甜玉米相對產量的相關系數分別為0.80、0.79、0.78、0.73和0.80，均達極顯著正相關（P<0.01）。【結論】磷素累積對赤砂土無機磷影響明顯，但對有機磷影響較小，累積在土壤中的磷素大量向穩定態的轉化，有效性較低，而活性磷庫生物有效性較高，穩定性磷庫也有一定生物有效性。

關鍵詞： 赤砂土;磷平衡;磷分級;生物有效性

中圖分類號： S146? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）09-1945-08

Abstract：【Objective】The effects of phosphate fertilizer input on the accumulation of various phosphorus forms in upland red sandy soil were studied and conversion of phosphate fertilizer in the soil and bioavailability of various forms of phosphorus were investigated to provide evidence for the scientific management of soil phosphate and optimum utilization of phosphate fertilizer. 【Method】According to Hedley phosphate grading method， effects of different phosphate fertilizers（P2O5） season supplies 0， 37.5， 75.0， 150.0 and 300.0 kg/ha（the corresponding annual supplies were 0， 75.0， 150.0， 300.0， 600.0 kg/ha，respectively） on contents of various forms of phosphorus were researched， and bioavailability of phosphorous in various forms was analyzed by linear-plateau models. 【Result】With the growth levels of phosphate fertilizer input， rapidly available phosphorus（Bray I-P） changed -2.71， 4.95， 17.81， 20.72 and 24.96 mg/kg， respectively compared to the initial soil. The proportion of organic phosphorus（Po） decreased from 44.60% to 19.24% and inorganic phosphorus（Pi） increased from 55.40% to 80.76%. The C∶Po ratio decreased from 483.79 to 171.20. Per 100 kg/ha phosphate accumulate in the soil， the levels of Resin-P， NaHCO3-Pi， 0.1M NaOH-Pi， 1M HCl-P， HCl-Pi， and HCl-Po increased by 8.9， 10.1， 11.6， 3.9， 19.1 and 0.2 mg/kg， respectively. The critical value of Bray I-P of sweet corn in relative hint fertility soil was 10.14 mg/kg. The correlation coefficients of Resin-P， NaHCO3-Pi， 1M HCl-P， HCl-Pi， NaHCO3-Po and maize relative yield respectively were 0.80， 0.79， 0.78， 0.73 and 0.80， and all reached extremely correlation（P<0.01）. 【Conclusion】 The accumulated phosphorus in soil converts into stable state of phosphorus. The available form of phosphorus have high bioavailability and stable states phosphorus have sightly bioavailability.

Key words： red sandy soil; phosphorus balance; phosphorus classification; bioavailability

0 引言

【研究意義】我國酸性土壤的分布面積廣泛，強烈的脫硅富鋁化作用導致土壤中的磷極易被鐵鋁氧化物吸附（張俊平等，2008），因此磷在酸性土壤中移動性很小、有效性較低（張林等，2009）。酸性赤紅壤中的赤砂土是福建省面積最大的旱作土壤，但對于其土壤磷庫構成隨磷素累積的變化特征尚不清楚。土壤磷分級的目的是用于評價累積在土壤中的有效磷庫大小和各磷形態的供應狀況，采用磷分級方法評估赤砂土土屬磷肥投入對磷庫構成的影響，有利于指導磷肥合理施用和實現磷肥可持續性管理。【前人研究進展】Hedley等（1982）提出的磷分級方法彌補了以往磷分級方法對無機磷和有機磷無法兼顧的不足，而Tiessen和Moir（1993）對該方法的進一步修正是目前公認的較合理且應用廣泛的磷分級方法，為評估磷庫大小及各磷形態的生物有效性提供了科學依據（Negassa and Leinweber，2010）。已有研究表明，土壤類型及經營方式的差異對土壤中各磷形態的含量均有顯著影響（Pizzeghello et al.，2014;Wang and Liang，2014）。在不同土壤類型中，水稻土中磷形態以NaOH-Pi累積最高，其次為H2SO4-P（Yan et al.，2017）;潮土中磷形態主要以NaOH-Pi累積為主（Maharjan et al.，2018）;在強風化半干潤氧化土（草地、農田）和腐殖質始成土（果園）中，磷形態主要以H2SO4-P累積為主（Schmitt et al.，2017）。在不同經營方式上，亞馬遜原始森林轉化為農業用地導致土壤中Resin-P含量降低（McGrath et al.，2001）;林地轉化為茶園導致土壤總磷、有機磷含量均有所下降（Solomon et al.，2002）;在大豆種植中，磷肥投入在表層土中大量累積，主要轉化為NaOH-Pi和NaHCO3-Pi（Pavinato et al.，2009）;相較于農林混合種植而言，集約化橡膠和油棕種植土壤活性磷庫（Resin-P和NaHCO3-Pi）含量顯著上升（Maranguit et al.，2017）。【本研究切入點】由于土壤類型、經營方式等條件的差異，導致土壤磷素累積對各磷形態含量的影響均不相同。為追求作物高產，生產過程中磷肥施用過量現象非常普遍，但目前關于集約化經營管理下赤砂土土屬磷形態累積特征尚不清楚。【擬解決的關鍵問題】通過磷肥水平定位試驗，探究磷肥用量對赤砂土各磷形態累積特征的影響，明確磷肥在土壤中的轉化及各磷形態的生物有效性，為赤砂土土壤磷素科學管理及磷肥的合理運籌提供理論依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗地基本情況

試驗地位于漳州市詔安縣橋東鎮內鳳村正禾農場內（東經117°13′12″、北緯23°43′12″），屬南亞熱帶季風氣候，全年平均氣溫21.3 ℃，全年平均降雨量1447 mm，受季風影響年季間降雨量差異明顯，主要集中在6—8月，無霜期360 d。土壤類型為赤砂土土屬，土壤基本理化性狀如表1所示。

1. 2 試驗方法

供試作物為先甜5號甜玉米，一年兩季種植，秋玉米種植時間為2017年9月14日，收獲時間為2017年12月13日;春玉米種植時間為2018年3月28日，收獲時間為2018年6月13日。

試驗為隨機區組設計，設5個磷肥（P2O5）水平，每季磷肥投入分別為0、37.5、75.0、150.0和300.0 kg/ha，以P0、P37.5、P75.0、P150.0和P300.0表示，對應年磷肥投入量分別為0、75.0、150.0、300.0和600.0 kg/ha，每水平3個重復，隨機排列，共15個小區，小區面積67.2 m2。氮肥（N）和鉀肥（K2O）用量一致，氮肥用量為200 kg/ha，基肥、拔節肥、穗肥比為3∶4∶3;鉀肥用量為120 kg/ha，基肥、拔節肥比為5∶5。

1. 3 土壤樣品采集與測定

土壤樣品采集時間為春玉米收獲后，每小區采集0～20 cm土樣，按S形設置5個采樣點均勻混合成一個土樣，四分法分取約500 g土壤。測定土壤有機碳、速效磷及各磷形態。

有機碳含量采用碳氮分析儀測定（Maranguit et al.，2017）;速效磷含量采用鹽酸—氟化銨法浸提—鉬藍比色法測定（魯如坤，1999）;土壤各磷形態含量釆用修正的Hedley磷分級方法測定，稱取0.5 g土樣于50 mL離心管中，分別加入樹脂條測定Resin-P含量，0.5 mol/L NaHCO3、0.1 mol/L NaOH、1.0 mol/L HCl和HCl各30 mL浸提液，連續浸提振蕩16 h，取下離心10 min測定各形態磷含量。0.5 mol/L NaHCO3、0.1 mol/L NaOH、HCl上述3種提取物中的磷包括有機磷和無機磷兩種形態，用鉬蘭比色法測定溶液中的無機磷含量，經過硫酸銨—硫酸消化后用比色法測定溶液中的總磷，二者之差即為有機磷含量。殘渣經高溫消解測定H2SO4-P含量（Tiessen and Moir，1993）。

1. 4 統計分析

土壤磷素收支表觀平衡（kg/ha）=肥料磷投入-作物磷帶走

表觀平衡率（%）=（肥料磷投入-作物磷帶走）/作物磷帶走×100

采用Excel 2010進行數據處理，用SPSS 23.0進行數據統計和方差分析，采用Duncan’s新復極差法進行不同處理間的多重比較;利用Excel 2010和SigmaPlot 12.5制圖。

2 結果與分析

2. 1 不同磷肥用量對土壤磷素收支表觀平衡的影響

從不同磷肥用量下土壤磷素收支表觀平衡狀況（表2）可看出，P0和P37.5處理的土壤磷素收支表觀平衡均虧缺，年虧缺量分別為73.70和23.90 kg/ha;P75.0、P150.0和P300.0處理的土壤磷素收支表觀平衡較盈余，年盈余量為34.70～483.80 kg/ha，分別占磷肥投入的23.13%、59.20%和80.63%。

2. 2 不同磷肥用量對土壤速效磷、全磷、無機磷、有機磷及C∶Po的影響

從表3可知，磷肥（P2O5）年投入量0～600 kg/ha，土壤速效磷含量P0處理較初始土壤（7.10 mg/kg）下降2.71 mg/kg，P37.5、P75.0、P150.0和P300.0處理分別較初始土壤上升4.95、17.81、20.72和24.96 mg/kg;土壤全磷含量P0和P37.5處理分別較初始土壤（43.51 mg/kg）下降16.67和4.76 mg/kg，P75.0、P150.0和P300.0處理分別較初始土壤上升34.20、81.11和134.74 mg/kg;土壤無機磷含量P0和P37.5處理分別較初始土壤（36.49 mg/kg）下降21.62和12.23 mg/kg，P75.0、P150.0和P300.0處理分別較初始土壤上升14.72、55.75和107.47 mg/kg;施磷和不施磷處理土壤的有機磷含量較初始土壤（7.02 mg/kg）均有所上升，P0、P37.5、P75.0、P150.0和P300.0處理分別上升4.95、7.46、19.48、25.36和27.27 mg/kg;不同處理下土壤無機磷含量均高于有機磷含量，隨著土壤磷素盈余的增加，有機磷占比由44.60%下降至19.24%，無機磷占比則由55.40%上升至80.76%。

C∶Po是土壤中碳含量與有機磷之比，是評價土壤養分狀況的指標之一。當C∶Po<100，表明速效磷含量豐富;C∶Po介于100～200，表明速效磷含量處于中等狀況;當C∶Po>200，表明速效磷缺乏（Dieter et al.，2010）。由表3可知，各處理的C∶Po含量介于171.20～483.79，隨著磷肥投入的增加，C∶Po逐漸下降，其中P0處理顯著高于除P37.5外的其他處理（P<0.05，下同）;此外，C∶Po在P150.0處理之后保持相對穩定，P150.0處理與P300.0處理間無顯著差異（P>0.05，下同）。

2. 3 不同磷肥用量對各磷形態的影響

由表4可看出，土壤中各磷形態的含量隨施磷量的增加整體上呈增加趨勢，P300.0處理各磷形態含量顯著高于P0處理，其中以HCl-Pi、0.1M NaOH-Pi、NaHCO3-Pi和Resin-P增加最明顯，P300.0處理較P0處理分別增加42.71、27.43、26.34和22.48 mg/kg;而H2SO4-P和HCl-Po兩種磷形態的含量增加較少，P300.0處理較P0處理僅增加0.25和0.64 mg/kg。對土壤磷庫表觀平衡與各磷形態變化進行相關性分析，結果（表5）表明，土壤磷素表觀平衡與Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi和HCl-Po等6種磷形態增量呈極顯著正相關（P<0.01），土壤每累積100 kg/ha磷素（P），Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi和HCl-Po含量分別增加8.9、10.1、11.6、3.9、19.1和0.2 mg/kg[土壤磷平衡與各磷形態變化的直線回歸方程中的斜率“a”代表土壤磷盈余每變化一個單位（kg/ha）相應土壤磷形態變化量（mg/kg）]，不同磷形態的積累率表現為HCl-Pi>0.1M NaOH-Pi>NaHCO3-Pi>Resin-P>1M HCl-P>HCl-Po。

由圖1可看出，不同處理各磷形態在土壤全磷中的占比存在明顯差異，在P0和P37.5處理下，0.1M NaOH-Pi和0.1M NaOH-Po的相對含量較高，HCl-Pi的相對含量較低;P0處理中Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi、H2SO4-P、NaHCO3-Po、0.1M NaOH-Po和HCl-Po占全磷的百分比分別為7.60%、5.33%、29.78%、2.95%、4.29%、5.44%、14.35%、26.05%和4.21%。隨著磷肥用量的增加，HCl-Pi的相對含量明顯提高，P300.0處理中Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi、H2SO4-P、NaHCO3-Po、0.1M NaOH-Po、HCl-Po占全磷的百分比分別為13.76%、15.58%、19.87%、6.00%、24.60%、0.96%、7.46%、10.78%和0.99%。

2. 4 土壤各磷形態生物有效性分析結果

通過對速效磷含量與甜玉米相對產量進行線性加平臺分析（圖2）可知，兩者相關系數達0.82，在甜玉米收獲后磷含量為10.14 mg/kg的條件下，即可達到最高產量的86.94%，可以此確定土壤速效磷的培肥目標。采用線性加平臺模型分析甜玉米收獲期土壤各磷形態與相對產量的關系，結果（圖2）表明，Resin-P、NaHCO3-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi和NaHCO3-Po與甜玉米相對產量表現為極顯著相關，決定系數分別為0.80、0.79、0.78、0.73和0.80，而0.1M NaOH-Pi、H2SO4-P、0.1M NaOH-Po和HCl-Po與甜玉米相對產量無顯著相關。

3 討論

農業生產中，磷肥過量施用導致土壤磷素大量累積，土壤速效磷含量顯著上升（廖文華等，2017;杜艷玲等，2018;王海龍等，2018）。與前人研究結果一致，本研究結果也表明，土壤速效磷含量隨著磷肥投入顯著上升，在P300.0處理下速效磷含量達最高。曹寧（2006）在湖南紅壤上的研究結果表明，每100 kg/ha純磷累積會導致土壤速效磷上升2.75 mg/kg，而本研究中P300.0處理結果顯示每100 kg/ha純磷累積會導致土壤速效磷上升11.81 mg/kg，其原因可能是不同土壤類型導致的速效磷庫構建速率不同，赤砂土土層深厚，土質較輕，對磷的固定能力相對較弱，導致速效磷庫上升速率較快。此外，本研究中土壤磷素表觀平衡為虧缺下，P0處理土壤速效磷相比于初始土壤下降2.71 mg/kg，可能是由于缺少磷肥投入、而作物又帶走土壤磷素所致;P37.5處理土壤速效磷相比于初始土壤上升4.95 mg/kg，可能是由于在此處理下植物根系分泌羧化物（Shen et al.，2003;Lambers et al.，2006）、磷酸酶（Richardson et al.，2000）以及與土壤發生相應的生化作用活化土壤中磷庫，結合磷肥投入，因此導致土壤速效磷含量上升。全磷、無機磷和有機磷也隨著土壤磷素的累積顯著上升，相對于初始土壤而言，全磷、無機磷含量在P0和P37.5處理下均有所下降，與前人研究（王艷玲等;2004;林德喜等，2006）結果一致;而有機磷含量在各處理中均有所上升，可能與根系分解、植物主要吸收活性無機磷等因素有關（Li et al.，2015）。相對于有機磷而言，無機磷上升更明顯，其中P300.0處理較P0處理無機磷含量上升高達868%，究其原因可能是短期內高濃度的無機肥料與可溶性的磷酸鹽反應形成沉淀（王濤等，2010），無機磷大量形成，而有機磷增速較慢，因此隨著磷肥投入增加無機磷含量上升速度遠大于有機磷，且占全磷比例顯著上升。不同處理下土壤磷狀況差異明顯，P0、P37.5和P75.0處理速效磷含量較低，C∶Po>200;而P150.0和P300.0處理速效磷含量較高，C∶Po<200。因此在低磷土壤中，磷肥投入除需滿足作物需求外，還需培肥土壤，使土壤磷狀況保持在合理范圍內。

本研究結果表明，單施無機磷肥會使土壤磷素盈余上升，隨著土壤磷庫盈余的增加，各磷形態含量均逐漸積累，積累最快的為HCl-Pi，土壤每累積100 kg/ha磷素（P），HCl-Pi含量上升19.1 mg/kg。HCl-Pi屬于穩定態磷（Diaz et al.，2006），作為潛在磷源不易被作物吸收，但在低磷條件下可作為緩沖磷庫（胡佩等，2003;Maranguit et al.，2017）。因此，隨著HCl-Pi含量大幅上升，單位磷素累積量的有效性呈下降趨勢，與前人的研究結果（杜艷玲等，2018）一致。但也有研究結果表明，單施無機磷肥土壤磷形態主要以H2SO4-P積累為主（梁國慶等，2001），而本研究中H2SO4-P變化并不顯著，可能與種植年限較短有關（呂家瓏等，1995）。0.1M NaOH-Pi的積累次之，土壤每累積100 kg/ha磷素（P），0.1M NaOH-Pi含量上升11.6 mg/kg。0.1M NaOH-Pi屬于中等穩定態磷，是吸附于鐵鋁氧化物表面的磷素，經磷酸酶的作用可作為活性磷庫的補充（謝英荷等，2010）。本研究是在pH偏低的條件下進行，土壤鐵鋁氧化物含量相對較高，易形成0.1M NaOH-Pi，其含量占土壤全磷含量的比例很高，也是全磷的主要組成部分之一，與前人在紅壤上的研究結果（張教林和陳愛國，1999）一致。Resin-P、NaHCO3-Pi、1M HCl-P和HCl-Po的積累較慢，變化量與土壤磷素盈虧量呈極顯著正相關，說明磷素盈余除向HCl-Pi、0.1M NaOH-Pi轉化外，對其他磷形態也產生相應影響。磷肥投入土壤中，穩定態磷HCl-Pi累積大于活性磷（Resin-P、NaHCO3-Pi）的累積，說明磷肥投入土壤中，固定較快，大量的磷肥盈余向無效態轉化。

線性加平臺模型可用來擬合各磷形態與作物相對產量的關系，當磷含量超過臨界值時，磷含量的上升并不會導致作物相對產量的進一步上升（Bai et al.，2013）。酸性土壤上的速效磷一般用鹽酸—氟化銨浸提態磷表示，作為判斷土壤磷素豐缺的指標、科學施肥的依據。本研究中，土壤速效磷與甜玉米相對產量擬合效果較好（R2=0.82），兩者呈極顯著相關，速效磷含量10.14 mg/kg即可達甜玉米鮮穗的最優產量。當土壤速效磷含量高于臨界值后，速效磷含量的上升并不會引起甜玉米相對產量顯著增加，與之前報道的適宜范圍（7～20 mg/kg）相近（鮑士旦，1999）。已有研究多通過各磷形態與速效磷的相關性來判斷其有效性，楊芳等（2006）在紅壤旱地的研究結果表明，NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和存在于土壤團聚體內表面的有機磷的有效性最高;詹書俠等（2009）認為在較長的時間內NaHCO3-P較穩定，而NaOH-P是最重要的速效磷來源之一;謝英荷等（2010）認為在酸性土壤上Resin-P和NaCHO3-Po為作物可吸收的有效磷源。土壤各磷素形態對速效磷貢獻的大小和方式受土壤性質、母質、濕度、酸堿度、微生物活性及鐵鋁氧化物含量等一系列生物和非生物因素影響，不同研究結果中存在較多矛盾。本研究通過各磷形態含量與甜玉米相對產量直接建立的相關性表明，Resin-P、NaHCO3-Po和NaHCO3-Pi的生物有效性均較高。Resin-P和NaHCO3-Pi作為活性磷庫，可直接被作物所吸收;由于土壤微生物和作物根系分泌物的作用，無機磷與有機磷間可相互轉化，而NaHCO3-Po作為極易被礦化的磷形態，也有研究者認為可把此形態磷劃分為活性磷庫（Johnson et al.，2003）。此外，1M HCl-P和HCl-Pi作為穩定性磷庫也有一定的生物有效性，但其原因尚不清楚。因此，各磷形態對土壤速效磷影響的研究還有待進一步加強，特別是不同磷形態與土壤有效性的轉化機理。

4 結論

磷素累積對赤砂土無機磷影響明顯，但對有機磷影響較小，累積在土壤中的磷素大量向穩定態的HCl-Pi和0.1M NaOH-Pi轉化，有效性較低，因此合理的磷肥供應能減少磷肥無效化。線性加平臺擬合結果表明，甜玉米相對高產土壤速效磷的臨界值為10.14 mg/kg，通過磷形態與作物相對產量擬合結果表明活性磷庫（Resin-P、NaHCO3-Po、NaHCO3-Pi）生物有效性較高，穩定性磷庫（1M HCl-P、HCl-Pi）也有一定的生物有效性。

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（責任編輯 王 暉）