赤紅壤蔗區11年連續增量施磷下磷素演變及其對甘蔗產量與磷流失的影響

區惠平，周柳強，黃金生，謝如林，朱曉暉，彭嘉宇，曾艷，莫宗標，譚宏偉，葉盛勤

（1廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所，南寧 530007；2廣西壯族自治區農業生態與資源保護總站，南寧 530000）

0 引言

【研究意義】磷是植物生長發育必需的營養元素，是提升地力和作物產量的重要保障因子[1]。甘蔗是廣西主要的支柱產業，全區甘蔗種植面積常年穩居全國第一[2]。廣西蔗區土壤普遍缺磷，磷是作物生長的主要限制因子[3]，生產上需要大量施用磷肥確保甘蔗高產穩產。據統計，廣西全區作物常年施入純磷 60 萬t[4]。然而，作物的磷肥當季利用率僅為10%—25%[5]。大部分施入土壤中的磷被固定為鈣磷、鐵磷和鋁磷[6]，并隨磷的流失成為農業面源污染的重要來源[7]。因此，闡明施肥尤其增量施磷下磷素在土壤中的時間累積變化特征以及對磷素盈虧的響應，分析磷素變化對作物產量和磷素地表徑流流失的影響，對合理施用磷肥，科學管理土壤磷素，提高作物產量和減少環境污染風險具有重要意義。【前人研究進展】前人在土壤磷素的演變及其變化量對磷累積盈虧量的響應、土壤Olsen-P農學閾值做了大量的研究工作。研究表明，不施肥土壤磷素下降，持續集約化施入磷肥顯著提高土壤全磷和有效磷含量[8-11]。我國土壤以11%的速度在累積磷[12]，土壤磷素流失風險加劇[13]。土壤磷素變化與土壤磷素盈虧有顯著相關關系[8-10]，因作物類型、土壤類型、氣候、種植制度和施肥制度而異[14-15]。土壤Olsen-P與作物產量呈報酬遞減規律[8]。【本研究切入點】目前關于土壤磷素的演變主要側重于黑土、褐土、紫色土、黑壚土、水稻土、潮土、紅壤等[8,15-20]，對于赤紅壤的磷素研究局限于有效磷豐缺分級指標[21-22]、磷的吸附解吸特征[23]，酸雨或施肥下赤紅壤磷素形態、淋失特征[24-26]、耕層土壤磷空間變異[27]等。針對赤紅壤蔗區土壤磷的演變未見報道。赤紅壤區降雨充沛，土壤地表徑流和淋溶作用強，長期增量施磷造成土壤磷素盈虧量變化，勢必對土壤磷素累積及流失產生影響，因此，迫切需要探討連續施肥尤其增量施磷下土壤磷素的演變特征及其與土壤磷盈虧的響應關系，明確土壤磷素的農學閾值。【擬解決的關鍵問題】利用長期定位試驗系統研究施肥下赤紅壤蔗區土壤磷素累積、磷素流失和磷素變化與磷平衡、甘蔗產量的響應關系，確定土壤的Olsen-P農學閾值，為赤紅壤蔗區磷肥科學施用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

蔗地長期肥力與地表徑流定位監測試驗始于2008年，地點位于廣西，農業農村部華南植物營養與施肥技術科學觀測實驗站內（東經 108°2′50.2″，北緯 23°14′49.0″），海拔高度 115 m。該地處于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫21.7℃，最高氣溫40.7℃，≥5℃積溫8 046℃，年均降雨量1 250 mm，年蒸發量892.6 mm，無霜期約為346 d，年均日照時數1 660 h，太陽輻射量為4 529 MJ·m-2。溫、光、熱資源豐富。

1.2 供試材料

1.2.1 供試作物 種植的甘蔗品種2008—2010年為新臺糖22號，2011—2013年為桂糖28號，2014—2018年為桂糖29號。

1.2.2 供試土壤 土壤為第四紀紅土發育的赤紅壤，試驗開始前表層（0—20 cm）土壤理化性質：pH（H2O）5.68，有機質 20.1 g·kg-1，全氮 0.85 g·kg-1，銨態氮 5.58 mg·kg-1，硝態氮 0.9 mg·kg-1，速效磷 9.7 mg·kg-1，速效鉀 53 mg·kg-1。

1.3 試驗設計

選取長期試驗的3個不同處理：（1）耕作不施肥（CK）；（2）優化施肥（OPT）；（3）增量施磷（OPT+P），磷肥施用量為 OPT處理的 1.5倍，氮鉀肥施用量同OPT處理。隨機區組設計，3次重復，小區面積24 m2（長8 m、寬3 m）。小區四周筑40 cm深水泥作永久性田埂（寬12 cm，高40 cm，地下埋深30 cm），無灌溉設施，不灌水，為自然雨養農業。每個小區外對應1個獨立的容積為1.5 m3的徑流收集池（長3 m、寬1 m、深 0.5 m），池內設有標桿池，用于計量地表徑流的產流量。徑流池上蓋有蓋子，小區內設有凹槽連通徑流收集池。

施肥處理氮鉀肥施入量一致，磷肥 2008—2010年和2013年施入120 kg·hm-2，2011—2012年以及2014—2018年施入 135 kg·hm-2。各處理均采用尿素（N 46%）、鈣鎂磷肥（P2O518%）和氯化鉀（K2O 60%）。甘蔗種植及施肥方法參見區惠平等[28]文獻。雜草與病蟲害防治與當地甘蔗種植一致。

試驗種植制度為 1年新植蔗-2—3年宿根蔗，其中，2008、2011、2014和2018年為新植年份，2009、2012和2015年為第一年宿根、2010、2013和2016為第二年宿根、2017年為第三年宿根。

1.4 測定項目和方法

甘蔗產量驗收：各小區單獨測產，在甘蔗收獲期將各小區的甘蔗全部平地收獲，脫葉，砍去尾稍，按實收株測定蔗莖產量與蔗葉產量。

植株樣品的采集與測定：在甘蔗收獲前取小區生長勢一致的代表性植株6株，平地收獲。用H2SO4-H2O2消化，鉬銻抗比色法測磷[29]。

土壤采集與測定：每年在甘蔗收獲后15 d內使用直徑2 cm的土鉆，按X方式采集0—20 cm 土層土壤15個點混合樣，室內風干，磨細過1 mm和0.25 mm篩，分別用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定Olsen-P含量和堿熔-鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量[29]。

徑流水樣的采集及其總磷測定參照區惠平等[24]文獻。

1.5 數據處理方法[8,10,17]

作物相對產量對土壤有效磷的響應關系通過Mitscherlich方程模擬，公式如下：

由方程模擬出的相對產量為最大值的90%時，土壤有效磷的含量即為農學閾值。

式中，Pi表示第 i 年土壤磷含量；P0表示初始土壤有效磷含量；P2為甘蔗種植第2年的土壤全磷含量；Yr為蔗莖的相對產量（t·hm-2）；Yi為每年各處理蔗莖產量（t·hm-2）；Ym為每年各處理的最大蔗莖產量（t·hm-2）；Y是預測的相對產量；A是最大的相對產量；b是產量對土壤Olsen-P的響應系數；x是土壤有效磷含量。

數據采用Excel 2007進行整理，DPS7.5軟件分析，Sigmaplot軟件和 origin 8.0軟件作圖。不同處理間多重比較采用 Duncan新復極差法（α=0.05）。

2 結果

2.1 土壤全磷含量變化

圖1顯示，各處理土壤全磷含量均與甘蔗種植年限呈極顯著相關關系。CK處理土壤全磷含量隨試驗年限呈緩慢下降，從種植第二年（2009年含量）的0.44 g·kg-1下降到 2016 年的 0.31 g·kg-1，下降幅度 29.5%。施用磷肥后，土壤全磷含量均隨試驗年限波動增加。OPT和 OPT+P處理分別從試驗第二年的 0.40 g·kg-1和 0.53 g·kg-1上升到 2016 年的 0.64 g·kg-1和 0.92 g·kg-1，增幅 60.0%和 73.0%。擬合分析，CK處理全磷降低速率為 0.0251 g·kg-1·a-1，OPT 和 OPT+P 處理全磷含量增加速率分別為 0.0318和 0.0596 g·kg-1·a-1。可見，土壤連續種植甘蔗而不施用磷肥，由于磷的耗竭，土壤磷素將變得缺乏，施用磷肥尤其增量施磷提高南方赤紅壤區土壤全磷含量。

圖1 連續施磷下赤紅壤蔗地土壤全磷含量變化Fig. 1 Change of total P in latosolic red soil under long-term P fertilization

2.2 土壤Olsen-P含量變化

圖2顯示，CK處理土壤Olsen-P含量變化不規律。施肥后土壤Olsen-P含量均隨種蔗年限的增加呈現波動上升趨勢。其中，OPT和OPT+P處理分別從試驗開始的 9.7 g·kg-1上升到 2018 年的 45.8 mg·kg-1和 50.0 mg·kg-1，增幅高達4.7倍和5.2倍。擬合分析，Olsen-P含量增加速率分別為 4.3 和 5.3 mg·kg-1·a-1。

2.3 土壤磷變化對土壤磷盈虧的響應

2.3.1 土壤磷素盈虧情況 圖 3顯示，CK處理 11年當季土壤表觀磷盈虧量和累積磷盈虧量平均分別為-10.2 kg P·hm-2·a-1和-112.1 kg P·hm-2。施磷肥處理當季土壤表觀磷盈虧處于盈余狀態，11年平均土壤表觀磷盈虧量和土壤磷累積盈虧量分別為41.3—69.2 kg P·hm-2·a-1和 454.7—761 kg P·hm-2，以 OPT+P 處理顯著高于OPT處理67.5%。年平均土壤表觀磷盈虧量占施磷量的比例OPT和OPT處理分別為31.9%和35.6%。說明增量施磷加劇了土壤磷的盈余。

2.3.2 土壤全磷與有效磷變化對土壤磷素盈虧的響應 圖4顯示，土壤全磷變化量與土壤累積磷盈虧量呈顯著（P<0.05）或極顯著正相關關系（P<0.01）。CK處理每虧缺100 kg P·hm-2，土壤全磷含量下降0.32 g·kg-1，OPT 和 OPT+P 處理每盈余 100 kg P·hm-2，全磷含量增加0.06和 0.09 g·kg-1。

CK處理土壤Olsen-P變化量與土壤累積磷盈虧量無相關關系。施肥土壤 Olsen-P變化量與土壤累積磷盈虧量呈極顯著正相關關系（圖 5，P<0.01）。OPT處理和OPT+P處理土壤每盈余100 kg P·hm-2，Olsen-P濃度分別上升11.0和9.1 mg·kg-1。所有處理下的土壤全磷及Olsen-P變化量與土壤累積磷盈虧量的關系表明，隨著土壤累積磷盈虧量的增加，土壤全磷及有效磷含量呈增加趨勢，赤紅壤每盈余 100 kg P·hm-2，全磷及Olsen-P濃度分別上升0.08 g·kg-1和8.1 mg·kg-1（圖6）。

圖2 長期施磷下赤紅壤蔗地土壤速效磷含量變化Fig. 2 Change of Olsen-P in latosolic red soil under long-term P fertilization

圖3 連續施磷下土壤磷盈虧變化Fig. 3 Change of P balance under long-term P fertilization

2.4 蔗莖產量對土壤有效磷的響應

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。圖 7顯示，以Mitscherlich方程擬合作物相對產量和土壤有效磷的關系獲得的赤紅壤蔗地土壤 Olsen-P農學閾值為12.1 mg·kg-1。

2.5 施肥下地表徑流磷流失變化及其與土壤 Olsen-P的關系

將11年地表徑流磷流失量進行平均分析，結果表明（圖8），與CK處理相比，施肥均顯著提高地表徑流磷的流失量49.5%—87.3%。施肥處理下，磷流失量 OPT+P處理極顯著高于OPT處理 25.2%。可見施肥，尤其增量施磷提高了土壤磷通過地表徑流途徑流失的風險。將每年土壤地表徑流磷流失量與土壤Olsen-P含量進行線性擬合，兩者呈顯著相關關系（P<0.05）（表1）。

2.6 施肥下土壤磷素管理

圖4 連續增施磷肥土壤全磷變化與土壤磷累積盈虧的關系Fig. 4 Correlations relationship between soil total P change and P balance under long-term P fertilization

圖5 連續增施磷肥土壤Olsen-P變化與累積磷盈虧的關系Fig. 5 Correlations relationship between soil Olsen-P change and P balance under long-term P fertilization

圖6 赤紅壤全磷及Olsen-P變化量與土壤累積磷盈虧的關系Fig. 6 Correlations relationship between soil total P, Olsen-P change and P balance under all treatments

圖7 甘蔗相對產量與土壤有效磷的響應關系Fig. 7 Responses of relative yield of cane to soil Olsen-P content

農學閾值和環境閾值是土壤磷素管理的重要依據。當土壤的Olsen-P含量高于環境閾值時，應當減少磷肥用量使 Olsen-P含量降低到環境閾值下；當土壤的 Olsen-P含量高于農學閾值又低于環境閾值時，施磷量與作物帶走磷量相當；當土壤 Olsen-P含量低于農學閾值，需要施入磷肥使Olsen-P達到農學閾值。

基于第11年的土壤Olsen-P含量以及土壤磷素變化量與土壤磷盈虧的關系，參考朱曉暉等[13]在紅壤蔗區獲得的土壤Olsen-P環境閾值，推算得出OPT和OPT+P處理Olsen-P水平從第11年降到環境閾值的時間分別需要12年和16年（表2）。

圖8 長期增施磷肥下地表徑流磷流失量Fig. 8 Change of P loss amount under long-term P fertilization

3 討論

3.1 增施磷肥赤紅壤磷素含量變化

施磷是顯著影響土壤磷素含量變化的重要措施，而土壤磷素應對施肥措施的響應因不同土壤類型、種植作物等而異，一方面主要與不同種植作物下的土壤累積磷盈余量有關，另一方面，與土壤礦物質、黏粒以及有機質等對磷素固定解吸的差異有關[30]。研究表明，不施肥條件下紅壤旱地冬小麥-夏玉米輪作下土壤全磷和速效磷含量以 0.0003 g·kg-1·a-1和 0.10 mg·kg-1·a-1的速率下降，單施氮磷鉀以 0.0194 g·kg-1·a-1和 1.87 mg·kg-1·a-1的速率增加[8]，潮土小麥田不施肥以0.004 g·kg-1·a-1和 0.13 mg·kg-1·a-1的速率下降，單施氮磷鉀以 0.005 g·kg-1·a-1和 0.02 mg·kg-1·a-1的速率增加[31]，中潴黃泥田雙季稻土壤全磷含量不施肥以0.002 g·kg-1·a-1的速率下降，單施氮磷鉀土壤全磷以 0.0033 g·kg-1·a-1的速率增加[17]。本研究表明，連續 11 年不施肥，由于甘蔗每年的攜出，土壤全磷和速效磷隨甘蔗種植年限的增加分別以0.025 g·kg-1·a-1（圖1）和0.18 mg·kg-1·a-1的速率（圖2）下降。施磷處理土壤磷長期盈余（圖3），OPT與OPT+P處理土壤全磷和速效磷分別以 0.032 g·kg-1和 4.3 mg·kg-1·a-1、0.060 g·kg-1·a-1和5.3 mg·kg-1·a-1的速率（圖1和圖2）增加，施磷量越高，土壤磷素累積量越大，這主要是在增量施磷條件下，因此OPT處理和OPT+P處理甘蔗帶走的磷素相當，OPT+P處理土壤累積磷盈余量更高（圖3）。可見，磷肥的連續施用，尤其增量施用在土壤磷總貯量和磷素有效性的提升上效果更顯著。這與大部分定位試驗研究結果一致[8-9,20,32-33]。

表1 土壤地表徑流磷流失量與土壤Olsen-P的關系Table 1 Relation between P loss and Olsen-P

表2 施肥處理第11年土壤Olsen-P含量降至環境閾值所需的時間Table 2 Time need for Olsen-P content in 11-year decrease to environmental threshold

3.2 磷素變化對磷盈虧量的響應

研究表明，土壤磷素變化量與磷盈虧量顯著相關[8,10,30]，不同土壤類型、種植作物、施肥制度或同一區域同一作物，由于土壤性質和管理水平的差異，土壤磷素變化量對磷盈虧的響應有顯著差異。土壤每累積盈余100 kg P·hm-2，單施氮磷鉀肥西南紫色水稻土全磷和 Olsen-P含量分別增加 0.16 g·kg-1和 17.19 mg·kg-1[18]，紅壤旱地小麥玉米輪作體系提高 0.02—0.06 g·kg-1和 3.00—5.22 mg·kg-1[8]，南方黃泥田雙季稻單施化肥土壤Olsen-P提高4.5 mg·kg-1[10]，褐土、黑土、紫色土、水稻土土壤Olsen-P分別平均提高1.12、3.76、2.34、5.04 mg·kg-1[19]。本研究結果表明，長期不施肥，由于作物對土壤磷素的消耗，土壤全磷含量變少，土壤累積盈虧100 P·hm-2，土壤全磷下降0.32 g·kg-1。施肥下蔗地土壤磷均處于盈余狀態，土壤累積盈余100 kg P·hm-2，土壤全磷含量OPT處理和OPT+P處理分別提高0.06和0.09 g·kg-1，Olsen-P 含量OPT處理和OPT+P處理分別提高11.0和9.1 mg·kg-1。可見，磷累積虧缺下，全磷降幅響應比磷累積盈余下全磷增幅響應大。增量施磷更能促進土壤全磷的累積。故過量施磷更容易增加磷素流失風險。

3.3 土壤有效磷與作物產量、徑流磷流失及土壤磷素管理

土壤侵蝕是蔗地磷地表徑流流失的一個重要機制[34]，在同等徑流條件下，土壤磷水平越高，磷流失量越大。施肥，尤其增量施磷極顯著增加地表徑流磷流失量（圖 8），這與其土壤磷水平含量較高有關。地表徑流磷流失量與土壤 Olsen-P含量顯著或極顯著相關（表 2）也充分證明了這一點。由此可見，施肥提高土壤磷素水平的同時增加了磷通過地表徑流流失造成環境污染的風險。故在生產上應注重土壤磷素的精準培肥，過高的土壤磷素導致磷素流失風險加劇，過低的土壤磷素又成為作物生長的限制因子。

土壤 Olsen-P農學閾值是評估作物產量效應的重要參考指標。研究認為，當土壤Olsen-P含量較低時，Olsen-P含量的增加顯著增加作物產量，當土壤Olsen-P含量達到農學閾值時，Olsen-P含量增加無法繼續引起作物產量的增加[8]。本研究采用Mitscherlich方程擬合獲得甘蔗的農學閾值為12.1 mg·kg-1，這與黃美福等[22]在赤紅壤以 10.5 mg·kg-1作為高磷水平的數據吻合，也與魏猛等[31]在潮土小麥地獲得的農學閾值（13.41 mg·kg-1）相近，但低于李冬初等[8]在紅壤區獲得的小麥地（21.5 mg·kg-1）和玉米地 Olsen-P（32.9 mg·kg-1）農學閾值，這主要是作物、土壤類型以及氣候環境等均是影響著作物農學閾值的因素。

出于產量與環境保護方面考慮，提高作物產量兼顧降低環境污染風險的最佳土壤Olsen-P含量控制在農學閾值與環境閾值之間。本研究發現連續施肥3年，土壤 Olsen-P含量從試驗初始的 9.7 mg·kg-1上升到23.0—26.0 mg·kg-1，超過了土壤 Olsen-P 環境閾值（21.7 mg·kg-1）[13]，在第11年土壤Olsen-P含量更是高達環境閾值的2倍以上，加劇了土壤磷素通過地表徑流或淋溶流失污染水體的風險。基于種植第 11年（2018年）的土壤Olsen-P含量，采用不施肥方式需要 12—16年時間土壤 Olsen-P含量才能降至環境閾值，其間必然對作物產量造成影響。因此，基于施肥處理土壤磷累積盈虧量及其與土壤 Olsen-P的相應關系，在初始土壤Olsen-P含量約為10 mg·kg-1的赤紅壤蔗區，按120—135.5 kg P2O5·hm-2施入磷肥，在甘蔗種植的第 2—3年采用隔年施磷的措施均可維持土壤Olsen-P含量處于農學閾值與環境閾值之間。

4 結論

長期施磷土壤磷一直處于盈余狀態，增量施磷下土壤磷盈余量更多，土壤全磷和 Olsen-P含量累積與提升更顯著，地表徑流磷流失量更大。土壤全磷和有效磷變化量均與土壤磷盈虧量呈顯著正相關關系。土壤Olsen-P 農學閾值為12.1 mg·kg-1。當蔗區土壤 Olsen-P含量約為 10 mg·kg-1，施入 120—135.5 kg P2O5·hm-2并從甘蔗種植的第2—3年采用隔年施磷，可維持土壤 Olsen-P含量處于農學閾值與環境閾值之間。