長期施肥對褐土剖面水溶態磷分布特征的影響

高佳妮，周懷平，楊振興，解文艷，劉志平，郭 晉，呂倩倩

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西農業大學資源環境學院，山西太原030031）

植物吸收的磷元素主要來源于土壤[1-2]，不同形態磷的有效性存在差異[3]，其有效性在很大程度上取決于磷的組分形態[4-8]。長期不同施肥是土壤各磷素組分之間相互轉化的重要影響因子[9-11]。有研究表明，有機肥施用可顯著提高土壤中總磷、可溶性磷及穩定的有機磷等的含量[12]。目前，已有大量關于磷素組分演變[13]、磷素累積[14-17]以及影響因素分析[18]等方面的研究，特別是褐土土壤磷素累積的研究，但大多集中在土壤耕層磷素養分數據的動態監測上，而采用改進的Hedley方法進行磷素分級[14，19-20]，從長時間跨度和土壤剖面上對褐土磷素組分變化的報道相對較少，尤其是對褐土剖面磷素分布特征的研究更少[21-22]。

水溶態磷（H2O-P）是土壤中有效性較高的一種磷素組分，其含量高低不僅影響到作物對磷素營養的吸收，而且可以直接表征對環境尤其是水環境影響的程度，是一種環境形態的磷[7，19]。因此，了解土壤中水溶態磷的剖面變化狀況，開展田間合理化施肥試驗，可為褐土區磷素科學管理提供良好的技術支撐[20]。

本研究采用改進的Hedley方法，通過對27 a定位試驗研究不施肥處理、不同氮磷肥配施、不同有機肥無機肥配施處理以及單施高量有機肥處理下水溶態磷在0～100 cm土壤剖面中的垂直分布特征，旨在探討長期不同施肥水平下水溶態磷的變化情況及遷移特征，為褐土區耕地質量培育及田間管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗以山西省壽陽縣宗艾村長期定位試驗為研究對象，該基地是我國重要的旱作農業科技攻關試驗區。試驗區海拔為1 130 m，常年平均氣溫為7.6℃，地區干燥度為1.3，年平均降雨量為501.1mm，不同年份氣候差異比較大。本試驗從1992年至2018年，歷時共27 a。供試土壤為褐土，1992年試驗前基礎土樣0～20 cm土層的理化性質如表1所示。

表1 長期試驗基礎土樣化學性質（1992年）

1.2 試驗材料

供試作物為春玉米，1993—1997年的品種為煙單14號、1998—2003年的品種為晉單34號、2004—2011年品種為強盛31號，密度為5.20萬～5.25萬株/hm2；2012—2017年品種為晉單81號、2018年品種為大豐30，密度為6.6萬株/hm2。

1.3 試驗設計

研究選取7個處理，即不施肥處理（N0P0M0）；2 個氮、磷化肥配施處理（N1P1M0、N2P2M0）；3 個有機肥無機肥配施處理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）；單施高量有機肥處理（N0P0M6）。小區面積為66.7 m2，隨機排列。

研究選用氮肥、磷肥分別為含N 46%的尿素和含P2O512%～14%的過磷酸鈣，有機肥為腐熟廄肥（其中，有機質90.5～127.3g/kg、全氮3.93～4.97g/kg、全磷 1.37～1.46 g/kg、全鉀 14.1～34.3 g/kg）。每年秋季結合耕翻將肥料一次性施入。不同施肥處理的施肥量如表2所示。

田間管理措施主要是除草和防治病蟲害，其按照大田豐產要求進行。一年1季，4月15—28日播種，9月20日至10月10日收獲。田間灌溉主要依賴自然降水，無補充灌溉。

表2 不同施肥處理的施肥量 kg/hm2

1.4 樣品采集及測定方法

1.4.1 試驗土壤樣品采集 2018年10月中旬采集0～100 cm土樣，每隔20 cm土層采一個樣，共采集5個土樣。

1.4.2 土壤水溶態磷含量測定 采用改進的Hedley磷分級方法，取0.5 g過2 mm篩的風干土樣，置于50 mL離心管中，加入去離子水30 mL，連續浸提振蕩16 h；取出離心10 min，收集上清液并過0.45 μm濾膜，經硫酸銨-硫酸消化，用鉬藍比色法測定溶液中的 H2O-P 含量[5，21]。

1.5 數據分析

不同施肥處理之間數據的比較采用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進行處理；利用Duncan法進行數據方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 長期施肥條件下0～100 cm土壤剖面H2O-P分布特征分析

褐土H2O-P具有表聚性，施肥會使H2O-P表聚性更為顯著。從圖1可以看出，0～20 cm土層H2O-P含量最高，顯著高于其他土層；20～40 cm土層，隨著土層深度增加H2O-P含量快速遞減；40～100 cm土層，H2O-P含量隨土層深度增加無明顯變化趨勢。由于施肥處理的差異，各處理H2O-P含量差異在0～20 cm較為顯著。整體而言，有機肥施用顯著提高了土壤中H2O-P的含量。

2.2 長期施肥對0～100 cm土壤剖面各層次H2OP含量的影響

由圖2可知，各處理0～20 cm土層H2O-P含量差異顯著，與1992年試驗前基礎值相比，2018年N0P0M0、N1P1M0、N2P1M1處理 H2O-P 含量減少了4.14～12.68 mg/kg，變化幅度為19.66%～60.21%；而N3P2M3、N4P2M2及N0P0M6處理土壤耕層中H2O-P含量相比1992年試驗前顯著增加，分別增加了54.94、34.26、90.67 mg/kg。與不施肥處理CK相比，除N1P1M0、N2P1M1處理差異不顯著外，其他各處理差異均達到極顯著水平，其中，N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6處理土壤耕層中H2O-P含量與N0P0M0（CK）處理相比顯著增加，增加了46.94～103.35 mg/kg。當施用等量無機磷肥時，N2P1M1處理與N1P1M0處理相比，增加了5.91 mg/kg，增幅達53.64%；N3P2M3、N4P2M2處理與N2P2M0處理相比，耕層土壤H2O-P含量分別增加了50.22、29.54 mg/kg，且差異極顯著。

由圖 3 可知，20～40 cm 土層，N3P2M3、N0P0M6處理H2O-P含量顯著高于其他處理。與1992年基礎值相比，N3P2M3、N0P0M6處理H2O-P含量極顯著增加，增加了5.03～5.87mg/kg，增幅達53.74%～62.71%；其他處理H2O-P含量變化不顯著，其中，N0P0M0、N1P1M0、N2P1M1處理呈下降趨勢，下降了1.95～4.68mg/kg，降幅為20.83%～50.00%。與N0P0M0（CK）處理相比，經過27 a的N3P2M3、N0P0M6處理 H2O-P含量增加顯著，分別增加了6.98、7.82mg/kg，增幅分別為94.20%、105.59%，N2P2M0、N4P2M2處理 H2O-P 含量分別增加了2.34、4.74 mg/kg，增幅分別為31.55%、63.97%；而N1P1M0、N2P1M1處理H2O-P含量則表現為降低趨勢，分別較N0P0M0（CK）降低了2.73、2.30mg/kg，降低幅度分別為36.84%、31.04%。當施用等量無機磷肥時，N2P1M1處理H2O-P含量與N1P1M0處理相比僅增長了0.43 mg/kg，變化幅度為9.2%，差異不顯著；N3P2M3處理H2O-P含量顯著高于N2P2M0、N4P2M2處理，且差異達到極顯著水平，N3P2M3處理比N2P2M0處理增長了5.48 mg/kg，增幅達56.21%。

由表3可知，與1992年基礎值相比，40～60 cm土層H2O-P含量N0P0M6處理增加了1.95 mg/kg，增幅為18.88%；其他處理均表現為降低趨勢，N0P0M0、N1P1M0、N2P1M1、N2P2M0、N3P2M3、N4P2M2處 理 H2O-P含量降低了1.85～8.18 mg/kg，降幅為17.91%～79.19%。與N0P0M0（CK）處理相比，N4P2M2、N3P2M3、N0P0M6處理H2O-P含量增加了4.74～7.82 mg/kg，增 幅 為 73.72% ～121.62% ；N1P1M0、N2P1M1、N2P2M0處理H2O-P含量則表現為降低趨勢，降低了3.10～4.28 mg/kg，降幅為48.21%～66.56%。

60～80 cm土壤剖面中H2O-P含量與1992年基礎值相比，各處理均顯著降低，即使施肥量較高的N4P2M2、N3P2M3、N0P0M6處理 H2O-P 含量比試驗前也降低了2.25～4.12mg/kg，降幅為26.85%～49.16%；與N0P0M0（CK）處理相比，各施肥處理H2O-P含量均有增加，增加了0.63～5.24mg/kg。

80～100 cm土層，經過近30 a不同施肥處理，H2O-P含量以N3P2M3處理最高；與1992年基礎值相比，各處理H2O-P含量均降低，降低了1.12～2.94 mg/kg，降幅達37.09%～97.35%；與N0P0M0（CK）處理相比，各施肥處理H2O-P含量無顯著差異。

表3 40～100 cm土層長期不同施肥處理下H2O-P含量的變化 mg/kg

3 討論

3.1 長期不同施肥處理對褐土土壤H2O-P剖面分布的影響

褐土土壤H2O-P在土壤剖面中的分布由于不同施肥處理存在顯著差異。土壤H2O-P表聚性顯著，在其他類型土壤的研究也存在同樣的變化規律[22]。這可能是由于一方面人類施肥直接補充了土壤磷素養分；另一方面，土壤中微生物活動對養分之間的轉化作用顯著，且土壤表層磷素活化系數較高，轉化能力較強。本研究表明，0～100 cm土層范圍內，土壤H2O-P含量隨土壤深度的增加逐漸降低。這是由于磷肥多施于土壤表層不易遷移，使得下層土壤H2O-P含量顯著降低。在本試驗條件下，土壤剖面中H2O-P含量隨有機肥施用量增加顯著提高。表明有機肥施用可以顯著提高褐土土壤中的H2O-P含量。

3.2 長期施肥對0～100 cm土壤剖面各層次H2O-P含量的影響

本研究表明，0～20 cm土層中，H2O-P含量為N0P0M6處理最高，N3P2M3、N4P2M2處理次之，與嚴正娟等[22]在該試驗區進行的Olsen-P累積研究結果一致；單施有機肥明顯提高了土壤中H2O-P含量，一方面是由于有機肥自身帶入的磷素增加了土壤中的H2O-P含量，另一方面有機肥施用改變了土壤理化性質及土壤生物和非生物過程，促進了不同土壤磷形態間的相互轉化。有研究表明[23-25]，施用有機肥可顯著增加高活性磷的含量及其在全磷中的比例。

本研究表明，20～40 cm土層H2O-P含量與0～20 cm土層相比顯著降低，可能是由肥料多施于土壤表層且磷素不易遷移所致，這與楊小燕等[26]關于黑土土壤磷素形態垂直分布特征研究結果一致。

本研究表明，40～60、60～80、80～100 cm土層中，H2O-P含量與試驗前相比呈現下降趨勢，這可能是因為根密度和土壤微生物活性隨剖面深度下降而降低，并且根系活動將深層土壤養分吸收帶到上層土壤中。

4 結論

本研究表明，合理的有機肥無機肥配施可以增加褐土耕層土壤的H2O-P含量，H2O-P含量隨有機肥施入量的增加而顯著提高，N3P2M3處理對水溶態磷含量的作用最為顯著。長期施肥下的H2O-P含量在0～100 cm土壤剖面上表現為，0～20 cm土層H2O-P含量最高；20～40 cm土層H2O-P含量快速遞減；40～100 cm土層土壤剖面H2O-P含量較少，隨土層深度增加而降低。氮、磷化肥和有機肥合理配合施用，可以提高褐土水溶態磷的含量，提升褐土肥力質量，為褐土農田土壤可持續利用提供保障。