長期不同秸稈還田方式對褐土磷素組分的影響

杜艷玲，周懷平，楊振興，解文艷，程 曼，郭 晉，呂倩倩，王志偉

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031；3.山西省氣候中心，山西太原030002）

磷在土壤中的移動距離較短[1]，擴散是其在土壤中遷移的主要方式，磷易與土壤中的Al 和Fe 離子反應形成磷酸鹽沉淀以及被土壤顆粒所吸附，在土壤中的有效性較低[2-3]。土壤中磷的有效性受土壤pH、有機質含量、水分狀況、微生物活動和有機酸等因素的影響[4-5]。農作物秸稈是一種可再生生物質資源，富含碳、氮等營養元素，秸稈還田后，可有效增加土壤有機質、活性有機碳、堿解氮含量，促進磷素循環[6]。而我國大部分地區的農作物秸稈采用直接就地燃燒的方式處理，不僅嚴重污染環境，而且也造成了資源的浪費[7]。

目前，多數研究主要集中于秸稈還田對土壤理化性質[8-10]、養分含量[11-14]、土壤肥力的影響上[15-17]。勞秀榮等[18]、王志明等[19]研究表明，長期秸稈還田，農田土壤理化性質明顯改善，土壤有機質含量和N、P 等養分含量增加；劉世平等[20]、王振忠等[21]、LAL[22]研究表明，長期秸稈還田對農業生產力發展具有積極推動作用，可促進作物的生長發育，并提高產量。但在褐土區就不同秸稈還田方式對土壤磷素組分影響的研究還比較少。

本研究以褐土區長期不同秸稈還田方式下不同磷素組分時空變異特征為研究對象，探求秸稈還田方式對磷素組分變化特征的影響，以期為褐土區秸稈的合理處理及磷肥的合理施用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

長期定位試驗于1992 年春至2016 年秋在山西省壽陽縣宗艾村進行。試驗區海拔1 130 m，年均溫7.6 ℃，大于10 ℃積溫3 400 ℃，無霜期135～140 d，年均降雨量518.3 mm，年際變率較大，干燥度1.3，屬半濕潤偏旱區。供試土壤為褐土性土，土層深厚，地勢平坦，質地為輕壤。其0～20，20～40 cm土壤的理化性質列于表1，基礎土樣的不同磷組分數據列于表2。

表1 基礎土樣的理化性質

表2 基礎土樣各組分磷含量 mg/kg

1.2 試驗材料

1.2.1 試驗用肥 供試氮肥為進口尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O514%），不施鉀肥。有機肥為腐熟濕牛糞（含水量為49.7%～50.0%），風干后腐熟牛糞（有機質90.50～127.30 g/kg、全氮3.93～4.97 g/kg、全磷1.37～1.46 g/kg、全鉀14.1～34.3 g/kg）。風干玉米秸稈（有機碳38.10%～44.30%、全氮7.39～9.79 g/kg、全磷0.44～0.54 g/kg、全鉀17.1～27.5 g/kg）。

1.2.2 玉米品種 田間管理按大田豐產要求進行，一年一季玉米，4 月15—28 日播種，9 月20 日至10 月10 日收獲。播種玉米品種1992—1995 年為煙單14 號、1996—2002 年為晉單34 號、2003—2011 年為強盛31 號，密度為5.20 萬～5.25 萬株/hm2；2012—2016 年播種玉米品種為晉單81 號，密度為6.6 萬株/hm2。

1.3 試驗方法

秸稈不同還田方式長期定位試驗從1992 年春開始到2016 年結束，歷時25 a。試驗為秋施肥結合深耕翻地，條施或全部耕作層深施，施肥深度10～30 cm，化肥全部底施，春季不再施肥。

不同秸稈還田處理為：秸稈不還田（CK，推薦施肥N 150 kg/hm2和P2O584 kg/hm2）；秸稈覆蓋還田（SM，推薦施肥＋秸稈量6 t/hm2）；秸稈直接還田（SC，推薦施肥＋秸稈量6 t/hm2）；秸稈過腹還田（CM，推薦施肥＋新鮮牛糞45 t/hm2）。小區面積為54 m2，隨機排列。

1.4 樣品采集及測定方法

采集1992 年基礎土樣，于1996，2001，2006，2011，2016 年玉米收獲后采集0～20，20～40 cm 的耕層土樣。采用修正的Hedley 磷素分級方法處理[23]，測定不同秸稈還田方式處理土樣中磷素組分含量。

1.5 數據統計分析

所有數據的統計分析采用Excel 2007 軟件進行，并利用SPSS16.0 軟件進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 秸稈不同還田方式下不同磷素組分年際動態變化

2.1.1 耕層土壤H2O- P 年際動態變化 H2O- Pi 接近于土壤徑流中的生物有效磷，是土壤中有效性最高的磷素形態。H2O- Pi 含量2016 年與1992 年（1.94 mg/kg）相比，CK、SM、SC、CM處理均有一定程度的提升，分別提升342.78%，982.99%，669.59%，2 321.65%，提升幅度大小表現為CM＞SM＞SC＞CK；2016 年不同秸稈還田處理H2O- Pi 與CK（8.59 mg/kg）相比，SM、SC、CM分別提升了12.42，6.34，38.39 mg/kg。H2O- Pi 含量1992—2001 年變化較穩定，2001—2016 年各處理大幅度上升，且CM處理明顯高于其他3 個處理（圖1）。

H2O- Po 在土壤中有效性較高，可迅速補充作物對磷素的需求，H2O- Po 含量2016 年與試驗初期1992 年（13.11 mg/kg）相比，不同秸稈還田處理均有一定的降低趨勢，CK、SM、SC、CM 處理分別降低了86.38%，66.25%，43.08%，29.14%，降低幅度大小表現為CK＞SM＞SC＞CM；2016 年與CK（2.46 mg/kg）相比，SM、SC、CM處理分別提升了3.65，7.84，10.37mg/kg；不同秸稈還田方式處理1992—2006 年H2O- Po含量變化較穩定；2006—2016 年下降幅度較大，CK、SM、SC、CM 處理分別下降了85.99%，73.34%，10.12%，31.06%（圖2）。

2.1.2 耕層土壤NaHCO3- P 年際動態變化 NaHCO3- Pi 主要是吸附在土壤表面的磷，這部分磷也屬有效磷，類似于Olsen- P。NaHCO3- Pi 含量2016 年與1992 年（14.20 mg/kg）相比，CK、SM、SC、CM處理呈現穩步上升的趨勢，分別上升324.01%，449.86%，358.80%，702.81%，提升幅度大小表現為CM＞SM＞SC＞CK；不同秸稈還田處理2016 年NaHCO3- Pi 含量與CK（60.21 mg/kg）相比，SM、SC、CM 處理分別提升了29.68%，8.20%，89.34%，CM 處理對土壤中NaHCO3- Pi 的提升及改善幅度明顯大于其他3 個處理（圖3）。

NaHCO3- Po 主要是可溶性的有機磷，易于礦化，短期內也能被植物所利用。NaHCO3- Po 含量經過長期不同秸稈還田方式處理以后，不同秸稈還田處理2016 年NaHCO3- Po 含量與試驗初期1992 年（8.30 mg/kg）相比，CK、SM、SC、CM處理分別提升了13.02%，3.54%，23.10%，48.25%；2016 年NaHCO3- Po含量與CK 處理（15.02 mg/kg）相比，SM處理下降了1.02 mg/kg，SC、CM處理分別提升了2.60，3.34 mg/kg。不同秸稈還田方式處理下NaHCO3- Po 含量年際變化較穩定，變化幅度較小（圖4）。

2.1.3 耕層土壤NaOH- P 的年際動態變化NaOH- Pi 是以化學吸附作用吸附于土壤Fe、Al 化合物表面的磷，能夠通過各種生物、物理化學過程在短時間內被植物吸收利用。NaOH- Pi 含量2016 年與1992 年（10.38 mg/kg）相比，CK、SM、SC、CM處理均有一定程度提升，分別提升了62.52%，100.77%，68.21%，218.30%，提升幅度大小表現為CM＞SM＞SC＞CK；不同秸稈還田處理2016 年與CK（16.87 mg/kg）相比，SM、CM處理分別提高了3.97，15.58 mg/kg，SC 處理降低了3.38 mg/kg。CM處理在前期上升較慢，后期上升幅度增加；SM、SC、CK 處理提升幅度較小（圖5）。

NaOH- Po 主要來源于根系分解的腐殖質以及有機肥。NaOH- Po 含量2016 年與試驗初期1992 年（30.84 mg/kg） 相比，CK、SM、SC、CM處理均有一定的上升趨勢，分別提升了38.26%，23.96%，65.47%，99.38%，上升幅度大小表現為CM＞SC＞CK＞SM；不同秸稈還田處理2016 年與CK（42.64 mg/kg）相比，SM 處理下降了4.41 mg/kg，SC、CM 處理分別提升8.39，18.85mg/kg；各不同秸稈還田方式處理NaOH- Po含量年際變化特征均表現為1992—2006 年變化幅度較小，近10 a 上升幅度較大，2016 年與2006 年相比，CK、SM、SC、CM處理分別上升54.21%，31.64%，78.11%，88.10%（圖6）。

2.1.4 耕層土壤HCl- Pi 年際動態變化 HCl- P 類似于Ca- P，在石灰性土壤中含量最大，主要為磷灰石型磷，以無機磷形態存在為主，屬于潛在磷源，不易被植物所吸收。HCl- Pi 含量2016 年與1992 年相比，不同處理變化幅度較小，變化幅度在2.96%～7.60%；2016 年與CK（520.99 mg/kg）相比，不同秸稈還田處理HCl- Pi 含量變化幅度在- 2.38%～4.50%（圖7）。

2.1.5 耕層土壤Residual- P 年際動態變化 Residual- P 是用上述方法提取后殘余的比較穩定態的磷，一般情況下極難被植物所利用。

經過長期不同秸稈還田方式處理，Residual- P含量CK、SM、SC、CM處理變化幅度均較小，2016 年較試驗初期1992 年（78.99 mg/kg） 分別提升了14.71%，23.85%，19.99%，24.01%；不同秸稈還田處理2016 年與CK（92.30 mg/kg）相比，SM、SC、CM 處理分別升高7.96%，4.59%，8.10%，各不同處理間差異性較小（圖8）。

2.2 長期秸稈還田下土壤磷素組分空間動態變化

2.2.1 土壤H2O- P 空間動態變化 2016 年土壤中H2O- Pi 含量在0～20 cm 土層較高，不同處理間的差異性也在0～20 cm 土層表現較為明顯，H2O- Pi含量在CK、SM、SC、CM 處理下分別比20～40 cm土層高152.99%，475.69%，695.95%，2107.00%。0～20 cm 土層H2O- Pi 含量2016 年與1992 年基礎值相比，不同處理方式均有顯著提高，CM提高幅度最大，在CK、SM、SC、CM 處理之間均達到極顯著差異。2016 年H2O- Pi 含量在20～40 cm 土層，CK、SM、SC、CM處理間差異性顯著，均在1992 年基礎值上顯著提高（圖9）。

0～20 cm 土層與20～40 cm 土層的H2O- Po 含量相比，2016 年CK、SM、SC、CM 處理分別增加- 27.68%，- 42.97%，713.32%，293.79%。2016 年各處理間0～20 cm 土層H2O- Po 含量SC、CM 處理與1992 年基礎值相比差異不顯著，CK、SM 處理顯著降低。2016 年在不同處理之間的差異性表現為CK與SC、CM 處理間差異極顯著，與SM 處理間差異不顯著；在SM、SC、CM處理之間，SM 與SC 處理間差異顯著、與CM處理間差異極顯著，SC 與CM處理間差異不顯著。20～40 cm，H2O- Po 含量2016 年與1992 年基礎值相比，SM處理變化不顯著，其他處理均顯著降低；2016 年在各處理間，CK 與SM處理間差異極顯著，與SC、CM 處理間差異不顯著，SM 與SC、CM 處理間差異極顯著，SC 與CM 處理間差異不顯著（圖10）。

2.2.2 土壤NaHCO3- P 空間動態變化 2016 年NaHCO3- Pi 含量在不同處理間均表現為0～20 cm土層含量較大，在CK、SM、SC、CM 處理下分別比20 ～40 cm 土層高193.88%，251.71%，286.04%，546.34%。各處理0～20 cm 土層NaHCO3- Pi 含量2016 年與1992 年基礎值相比均顯著提升，CK 與SC 處理間差異不顯著，與SM、CM處理間差異達極顯著水平；SM、SC 和CM 處理間差異達極顯著水平。20～40 cm 土層NaHCO3- Pi 含量2016 年與1992 年基礎值相比，不同處理均顯著提升；2016 年NaHCO3- Pi 含量CK 與SM 處理間差異不顯著，與SC、CM處理間差異達顯著水平；在SM、SC、CM 處理之間，SC 與CM 處理間差異不顯著，SM 與SC、CM處理間差異達極顯著水平（圖11）。

2016 年NaHCO3- Po 含量0～20 cm 土層較大，CK、SM、SC、CM 處 理 分 別 比20 ～40 cm 土 層 高34.07%，175.09%，811.44%，787.26%。0～20 cm 土層NaHCO3- Po 含量2016 年與1992 年基礎值相比，CK、SM、SC 處理變化較小，CM 處理顯著提升，且與其余各處理之間差異極顯著，其他各處理之間差異性不顯著。20～40 cm 土層NaHCO3- Po 含量2016 年與1992 年基礎值相比，CK 顯著提升，其他處理變化較小，CK 與SM、SC、CM 處理間差異極顯著；2016 年NaHCO3- Po 含量在SM、SC、CM 處理之間，SM 與SC、CM 處理間差異不顯著，SC 與CM 處理之間差異顯著（圖12）。

2.2.3 土壤NaOH- P 空間動態變化 2016 年NaOH- Pi 含量不同處理均表現為0～20 cm 土層大于20～40 cm 土層，CK、SM、SC、CM 處理分別高98.62%，106.10%，102.04%，257.96%。0～20 cm 土層NaOH- Pi 含量2016 年與1992 年基礎值相比均顯著提升，2016 年在不同土層處理間，CK 與SM、CM處理間差異極顯著，與SC 處理間差異不顯著；在SM、SC、CM處理間，SM和SC 處理間差異顯著，CM與SM、SC 處理間差異極顯著。20～40 cm 土層NaOH- Pi 含量2016 年與1992 年基礎值相比不同處理變化均不明顯，2016 年在各處理之間差異均不顯著（圖13）。

2016 年NaOH- Po 含量0～20 cm 土層較高，CK、SM、SC、CM 處理下分別比20～40 cm 土層高36.36%，39.45%，109.21%，132.04%。0～20 cm 土層NaOH- Po 含量2016 年與1992 年基礎值相比，SM處理變化較小，CK、SC、CM處理均顯著提高，CK 與SM、SC 處理間差異不顯著，與CM處理間差異極顯著；2016 年SM與SC 處理間差異顯著，CM與SM、SC 處理間差異極顯著。20～40 cm 土層NaOH- Po含量與基礎值相比均顯著提升，CK 與SM、CM處理間差異不顯著，與SC 處理間差異顯著；在SM、SC、CM處理間差異不顯著（圖14）。

2.2.4 土壤HCl- Pi 空間動態變化 從圖15 可以看出，不同處理HCl- Pi 含量均表現為0～20 cm 土層大于20～40 cm 土層，CK、SM、SC、CM 處理分別高23.48%，26.44%，10.29%，15.68%。0～20 cm 土層HCl- Pi 含量2016 年與1992 年基礎值相比，CK、CM處理變化不明顯，SM 處理顯著提高，SC 處理極顯著提高。不同秸稈還田處理與CK 處理相比差異性均不顯著；在秸稈還田處理間，SC 與CM處理、SM與CM處理間差異顯著，SM與SC 處理之間差異不顯著。20～40 cm 土層HCl- Pi 含量與基礎值相比各處理均有顯著降低，2016 年CK 與SM 處理間差異不顯著，與CM處理間差異顯著，與SC 處理之間差異極顯著；在SM、SC、CM 處理之間均達到顯著性差異。

2.2.5 土壤Residual- P 空間動態變化 2016 年Residual- P 含量在不同土層間相差幅度較小。0～20 cm 土層Residual- P 含量2016 年與1992 年基礎值相比各處理均有顯著提高，2016 年CK 與SC 處理間差異極顯著，與SM、CM處理間差異均不顯著；SM、SC、CM秸稈還田處理之間差異均不顯著。20～40 cm 土層Residual- P 含量2016 年與1992 年基礎值相比，CK 變化不明顯，其他處理均有顯著提升；2016 年CK 與SM處理間差異顯著、與SC 處理間差異不顯著，與CM 差異極顯著；在SM、SC、CM 秸稈還田處理之間，SM 與SC 處理間差異不顯著，CM與SC、SM處理間差異極顯著（圖16）。

2.3 長期施肥下耕層土壤不同活性磷素轉化特征

2.3.1 3 種磷活性組分之間的相互轉化 浸提法得到的各種形態的磷含量相加得到土壤總磷含量，經過25 a 的長期不同秸稈還田處理定位試驗，不同秸稈還田方式下耕層土壤總磷含量均有一定程度的提升，2016 年與1992 年初始值（663.75 mg/kg）相比，CK、SM、SC、CM 處 理 總 磷 含 量 分 別 提 高 了14.36%，22.25%，22.97%，39.56%。2016 年與CK 處理（759.09 mg/kg）相比，SM、SC、CM 處理總磷含量分別提升6.90%，7.52%，18.09%（表3）。

表3 不同秸稈還田方式下不同年份總磷含量 mg/kg

各形態磷在全磷中的比例也發生了變化，將8 種形態磷分為3 類：活性磷（H2O- Pi＋H2O- Po＋NaHCO3- Pi＋NaHCO3- Po）、中活性磷（NaOH- Pi＋NaOH- Po）、穩定性磷（HCl- Pi＋Residual- P）。

從表4 可以看出，隨著試驗的進行，各不同秸稈還田處理中，活性磷所占比例均有所增加，中活性磷變化相對平穩，穩定性磷所占比例均有所降低。其中，活性磷增加幅度在6%～17%，其大小表現為CM＞SM＞SC＞CK；中活性磷變化增加幅度較小，變化幅度在1%～4%；穩定性磷含量降低幅度在6%～21%，其大小表現為CM＞SM＞SC＞CK，且SM、SC 處理在前期降低幅度較小，近5 a 降低幅度較大，CM處理從試驗開始一直呈現較平穩的降低趨勢，CK 降低幅度較小。

表4 不同秸稈下不同活性磷占總磷的百分比 %

2.3.2 3 種磷活性組分中無機磷與有機磷的比例

將8 種磷分為無機磷、有機磷、穩定性磷3 部分，其中，無機磷包括H2O- Pi、NaHCO3- Pi、NaOH- Pi，有機磷包括H2O- Po、NaHCO3- Po、NaOH- Po。穩定性磷包 括HCl- Pi 和Residual- P，HCl- Pi 和Residual- P這2 部分磷組分在我國北方旱作土壤中均較穩定，對作物的有效性較低，因此在區分無機磷與有機磷在各磷活性組分時不考慮HCl- Pi 和Residual- P。土壤中無機磷需要通過解吸溶解、有機磷需要通過礦化作用轉變為有效磷，才能被植物所吸收利用。

隨著長期秸稈還田試驗的進行，在活性磷中無機磷所占比例要大，在中活性磷中有機磷部分占到絕大部分。長期不同秸稈還田處理對活性磷中無機磷增加幅度較大，對中活性磷中的有機無機磷所占比例影響較小。1992—2016 年，活性磷中無機磷呈現大幅度上升趨勢，不同秸稈還田處理對無機磷提升的差異不明顯（表5、6）。

表5 活性磷中無機磷、有機磷所占比例 %

表6 中活性磷中無機磷、有機磷所占比例 %

3 結論與討論

3.1 不同磷素組分的時空變化特征

3.1.1 不同磷素組分時間變化特征 本研究表明，不同秸稈還田處理耕層土壤中H2O- Pi、NaHCO3- Pi、NaOH- Pi 含量均呈上升趨勢且上升幅度大小均為CM＞SM＞SC＞CK。不同秸稈還田方式下H2O- Po 含量均有一定的降低趨勢；不同秸稈還田方式下NaHCO3- Po、NaOH- Po 含量均有一定的上升趨勢；不同處理大小表現為CM＞SC＞CK＞SM。CM處理對無機磷組分的提升幅度最大，其次依次為SM、SC 處理，且均大于秸稈不還田處理；而對于有機磷各組分CM 處理提升幅度最大，其次為SC、CK 處理，CK 大于SM處理。不同秸稈還田處理對無機磷組分影響較大，對有機磷組分影響較小，這與戴志剛等[24]的研究結果相一致，主要與秸稈本身含有的磷素形態有關，秸稈中60%的磷呈離子態，無機形態磷含量較高。經過長期不同方式秸稈覆蓋HCl- Pi、Residual- P 變化量較小，各處理間差異也較小，這與徐艷等[25]的研究結果相一致；HCl- Pi、Residual- P 在土壤中較穩定，對不同秸稈還田方式響應不敏感。不同形態磷素在長期不同秸稈還田方式下，表現為在秸稈還田前期變化較小，后期呈現穩定變化趨勢，這與NORWOOD[26]的研究結果相一致，秸稈還田不能使土壤磷素產生明顯的變化，尤其是短期試驗，主要原因是由于秸稈中磷素含量較低，土壤磷的有效性與外界環境有很大的相關性。

3.1.2 不同磷素組分的空間變化特征 本研究表明，在不同秸稈還田方式處理以后，不同活性、中活性磷均在表層土壤富集，且在0～20 cm 土層不同處理間的差異性較大，這與楊昆侖等[27]、王同朝等[28]、楊小燕等[29]的研究結果相一致，進行秸稈還田試驗，表層土壤磷素含量呈增加趨勢。植株根系的吸附等作用阻礙了土壤磷向下遷移。不同磷素含量在20～40 cm 變化幅度較小，差異性也較小，但H2O- Pi、NaHCO3- Pi、NaOH- Po 較初始值仍有較大幅度提升，說明這幾種磷素形態有向下淋失的風險，這與朱利群等[30]的研究結果相一致。HCl- Pi、Residual- P 含量在不同土層間相差幅度較小，在同一土層不同處理間差異也較小。

3.2 不同活性磷素組分之間的相互轉化

3.2.1 3 種磷活性組分之間的相互轉化 本研究表明，經過25 a 的長期不同秸稈還田處理定位試驗，耕層土壤總磷含量均有一定程度的提升。隨著試驗的進行，活性磷所占比例均有所增加，中活性磷變化相對平穩，穩定性磷所占比例均有所降低，這與TILMAN 等[31]的研究結果相一致。玉米秸稈中含有一定量的磷素，是造成土壤中有效磷含量升高的直接原因；同時，微生物在有機質分解過程中能產生多種酸類物質，促進土壤中的難溶性磷向可溶性磷轉化，間接提高磷的有效性，對土壤磷起到一定的活化作用。

3.2.2 活性、中活性磷組分中無機磷與有機磷的比例 本研究表明，經過長期不同秸稈還田方式處理，活性磷中無機磷所占比例大幅度增加；中活性中無機磷含量與試驗初期相比變化幅度較小。王霞等[32]研究結果表明，長期秸稈還田間小區試驗研究易于作物吸收的無機磷含量有所上升，與本研究結論一致。