長期施肥下紅壤旱地磷素有效性影響因子的冗余分析

王 蕾，王艷玲，李 歡，石嘉琦，周亦靖

（南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇 南京 210044）

紅壤是我國南方熱帶、亞熱帶地區的典型土壤，具有酸性強、結構性差、養分含量低（尤其是磷素肥力低下）等特征［1］，而南方紅壤淋溶強烈，因富含鐵、鋁、錳極易使土壤發生固磷作用，磷肥利用率僅有10%左右［2］。因此，改良紅壤、培肥紅壤，特別是紅壤磷素肥力的定向培育一直是紅壤區農業生產中的重點。長期施用磷肥或配施作物秸稈及糞肥是改善土壤團聚結構、提高土壤磷素肥力的重要措施。有研究表明，長期施用磷肥雖然可以提高土壤磷素有效性，但土壤有效磷含量上升到一定水平，施磷增產效果則顯著降低［3］；也有研究發現，長期施用有機肥或配施無機肥均可顯著提高土壤全磷和有效磷含量，有利于土壤有效磷的穩定供給［4］，而有機肥和土壤有機質中富含的有機酸可以活化土壤中的磷酸根離子進而提高土壤磷素有效性［3］。

土壤團聚體是良好土壤結構維護與恢復的重要物質基礎與基本單元，也是土壤磷素固存與轉運的重要載體，其粒徑組成與穩定性對土壤磷素有效性發揮具有重要的調節作用。長期施用磷肥可以顯著增加紅壤旱地中＞1 mm粒級團聚體比例，促進小粒級團聚體向大粒級轉化，微團聚體由于具有較大的比表面積進而能吸附更多有機質，通過膠結作用附著在大團聚體表面，提高了大團聚體對土壤有機質以及磷素的吸收［5］；配施豬廄肥不僅可以顯著增加紅壤旱地大小粒級團聚體的全磷及有效磷含量，還能顯著降低各粒級團聚體的固磷能力及磷素儲存容量［6-7］。紅壤具有兩性電荷特征，隨著土壤pH降低，表面正電荷增加、負電荷減少，會提高土壤中鐵、鋁氧化物對磷酸根的吸附作用，進而降低土壤磷素有效性［4］。而長期施肥，尤其施氮肥易加劇土壤酸化，造成土壤磷庫消耗，增施有機肥能夠通過歸還部分堿性物質及降低土壤交換性鋁的含量進而改善紅壤酸度［8］。研究發現，土壤磷素有效性受土壤結構組成、pH值、鐵鋁氧化物、陽離子交換量等諸多因素影響，關于各土壤因素與土壤有效磷簡單相關關系的研究較多，但對各種因子綜合影響的研究相對較少［9］。因此，為明確土壤各種測試指標與土壤磷素有效性之間的耦合依存關系，本研究在相關分析的基礎上，采用冗余分析對二者間的關系進行深入地分析與探討。

冗余分析（Redundancy analysis，RDA）是一種回歸分析結合主成分分析的排序方法，能夠反映響應變量與解釋變量之間的相關關系［10］，近年來，廣泛應用于生態學與土壤學的研究中［11-12］。因此，本文以長期施肥的紅壤旱地為研究對象，以土壤大小粒級團聚體組成比例、土壤顆粒的機械組成、土壤pH值、鐵鋁氧化物、陽離子交換量（CEC）、分形維數（D）、平均重量直徑（MWD）及磷的測定值為研究變量，采用RDA方法探討長期施肥條件下土壤全磷（TP）及有效磷（Bray-P）含量對各種土壤測試指標變化的響應，旨在明確影響紅壤旱地磷素有效性的主控因子，從而為紅壤旱地磷素養分供應能力的有效提升提供科學指導與理論依據。

1 材料與方法

1.1 長期肥料定位試驗地概況

紅壤旱地長期肥料定位試驗地位于江西省鷹潭農田生態系統國家野外研究站（116°41′～117°09′E，28°04′～28°37′N）院內。無機肥試驗區設：NPK、NP、PK、NK、NPKCa和NPKCaS，共6個處理（Ca代表施用石膏，S代表施用微量元素）；有機無機肥配施試驗區設：CK（1/2NPK）、CK+豬廄肥（PM）、CK+綠肥（FR）、CK+稻稈（RS）和CK+花生秸稈本田還田（PS），共5個處理。其中，CK處理為常規NPK肥用量的一半，鮮豬糞、鮮蘿卜菜及風干水稻稈的用量依次為30000、30000和3000 kg·hm-2，每個小區收獲后的花生秸稈全部本田還田，施用量視當年收成而定。試驗小區面積為33 m2，每個處理重復3次，隨機排列。1995年以前該試驗區進行花生和油菜輪作，后改為一季花生，冬季休田。1988～2014年各小區具體肥料用量及施肥歷史詳情參見文獻［6］。

1.2 測試指標與分析方法

土壤pH采用電位法，液土比為2.5∶1；游離鐵鋁氧化物（f-Fe2O3，f-Al2O3）采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉（DCB）法提取、非晶質鐵鋁氧化物（a-Fe2O3，a-Al2O3）采用酸性草酸銨（pH=3.20）溶液提取，上述提取液中的鐵鋁濃度用電感耦合等離子發射光譜儀（ICP）測定；陽離子交換量（CEC）采用醋酸銨法提取，凱氏定氮法測定；土壤全磷（TP）采用硫酸-高氯酸消煮，鉬藍比色法測定；有效磷（Bray-P）采用鹽酸氟化銨法提取，溶液中的磷采用鉬藍比色法測定。上述指標的測定方法詳見魯如坤［13］的《土壤農業化學分析方法》。采用水分散-濕篩法獲得土壤中粒級2～0.25 mm（1級）的團聚體，再根據Stock’s定律，采用吸管法逐級提取獲得土壤中0.25～0.05 mm（2級）、0.05～0.01 mm（3級）、0.01～0.005 mm（4級）和＜0.005 mm（5級）粒級團聚體，將各粒級團聚體烘后計重；并采用以下公式計算各粒級團聚體比例（PSAi）、土壤平均重量直徑（MWD）和土壤分形維數（D）［14］：

式中：wi為第i級團聚體重量（g）；w為所有粒級團聚體重量（g）；di為第i級團聚體平均直徑（mm）；r為土壤顆粒直徑（mm）；Ri為第i級團聚體的平均直徑（mm）；Rmax為團聚體的最大直徑（mm）；V（r＜Ri）為直徑小于Ri的團聚體體積（%）；VT為團聚體總體積（%）。

1.3 冗余分析原理及數據處理

冗余分析是生態學中解釋物種信息與環境變量之間關系的一種排序方法［15］，能夠綜合分析多個變量產生的影響［16］，有效評價一組變量對另一組變量的影響［17］。其計算原理如圖1，即先進行矩陣Y（即中心化的響應變量矩陣）與矩陣X（即中心化的解釋變量矩陣）間的多元回歸，得到對應的擬合值矩陣Y*；再對Y*進行主成分分析，得到含有特征根向量的矩陣Z；最后結合矩陣Z計算得出兩套樣方排序坐標，由響應變量矩陣Y定義的空間中生成一個排序，由解釋變量矩陣X定義的空間中生成另一個排序［18-19］。在排序過程中，要讓前面幾個排序軸盡可能包含大部分生態信息［20］。一般常用的排序圖為二維圖，以此為例，若要分析含有P個物種的N個樣方之間的關系，排序時會在P維空間內找到一個平面，使得N個樣方投影到該平面上的點的位置能夠最大程度與原來樣方的位置一致，良好的排序方法能使投影過程中損失的信息盡可能減少［20］。

首先，利用Excel 2013與SPSS 22.0統計軟件對數據作預處理和統計分析；然后，采用RDA方法對各施肥處理的土壤TP、Bray-P、pH值、PSAi、鐵鋁氧化物、CEC等指標進行排序。冗余分析涉及兩個矩陣即響應變量矩陣與解釋變量矩陣，本研究中分別對應紅壤磷素（TP、Bray-P）數據矩陣與土壤pH值、PSAi、鐵鋁氧化物、CEC等土壤測試指標數據矩陣。紅壤磷素數據矩陣為P×N維，P是各進行3次重復的11種施肥處理，共33次，N代表紅壤磷素含量。土壤測試指標數據矩陣為P×Q維，Q為各項土壤測試指標。排序前對所有不同量綱的變量進行標準化處理，排序后的RDA圖中射線代表土壤磷素含量及土壤測試指標，土壤測試指標所在射線的長短表示其對土壤磷素含量影響的大小，射線之間的夾角代表土壤測試指標與土壤磷素含量之間的相關關系，夾角越小，表示相關性越大。射線越長代表該種土壤測試指標與土壤磷素含量的相關性越大，反之則越?。?0］。射線所處象限代表土壤磷素含量和土壤測試指標與排序軸的正負相關性。橫軸為第一排序軸，縱軸為第二排序軸，射線在排序軸上投影的長短表示某個土壤測試指標與排序軸的相關性大小，投影長度越長，則表示相關性越大。

本研究采用R語言中的Vegan軟件包［19］進行RDA分析。數據統計分析采用SPSS 20.0軟件，繪圖采用Origin 2018軟件。

2 結果與分析

2.1 長期施肥對紅壤旱地團聚體粒級分布特征的影響

長期施肥對紅壤旱地大小團聚體的分布比例具有明顯的調控作用。在有機無機肥配施區，與CK處理相比，FR處理的紅壤旱地中2～0.25 mm粒級團聚體比例（PSA1）顯著增加了2.3%，其他處理無顯著變化；PS、RS、FR和PM處理的紅壤旱地中0.25～0.05mm粒級團聚體比例（PSA2）分別顯著降低了1.2%、1.2%、3.0%和5.1%；PS和PM處理的紅壤旱地中0.05～0.01 mm粒級微團聚體比例（PSA3）分別顯著提高了1.0%和1.9%，而RS和FR處理無顯著變化；只有PM處理的紅壤旱地中0.01～0.005 mm和＜0.005 mm兩個粒級微團聚體比例（PSA4和PSA5）分別顯著提高了1.0%和2.7%，而其它處理無顯著變化（表1）。在無機肥區，與NPK處理相比，NPKCaS、NPKCa、PK和NK處理的紅壤旱地中PSA1分別顯著降低了7.5%、10.3%、5.3%和3.2%，NP處理無顯著變化；NK處理的紅壤旱地中PSA2顯著提高了1.6%，其他處理無顯著變化；NPKCaS、NPKCa、PK和NK處理的紅壤旱地中PSA3分別顯著提高了4.8%、5.3%、2.8%和6.3%，NP處理無顯著變化；NPKCaS、NPKCa和PK處理均顯著提高了PSA4和PSA5，分別比NPK處理提高了1.7%、1.9%、0.8%和1.3%、2.3%、0.9%，而NP處理對PSA4和PSA5均無顯著影響，NK處理的紅壤旱地中PSA4和PSA5分別顯著降低了2.0%和2.8%（表1）。

與CK處理相比，只有PM處理的土壤D值顯著增加了0.13，而其它處理無顯著變化；有機無機肥配施區所有處理的土壤MWD均無顯著差異（表1）。在無機肥區，與NPK處理相比，NPKCaS和NPKCa處理顯著降低了紅壤旱地MWD，NK處理的紅壤旱地D值顯著降低了0.51，其它處理的MWD與D均無顯著變化（表1）。

2.2 長期施肥對紅壤旱地pH值、CEC及鐵鋁氧化物的影響

與CK處理相比，長期配施有機肥對紅壤旱地pH值均無顯著影響；在無機肥區，與NPK處理相比，NPKCaS、NPKCa和PK處理的紅壤旱地pH分別顯著提高了0.77、0.68和0.46，而NK處理使土壤pH顯著降低了0.61，NP處理則無顯著變化；總體來看，與長期施化肥相比，長期配施有機肥可以明顯降低土壤pH值（表1）。與CK處理相比，FR處理的紅壤旱地CEC顯著降低了0.93 cmol/kg，而PM處理卻顯著增加了1.40 cmol/kg，PS和RS處理則無顯著影響；在無機肥區，與NPK處理相比，NPKCaS和NK處理的紅壤旱地中CEC分別顯著降低了0.72和0.81 cmol/kg，其他處理則無顯著影響（表1）。

表1 長期施肥（1988～2014年）紅壤旱地土壤物理化學性質

鐵鋁氧化物是紅壤中重要的無機膠結物質，對于紅壤旱地團聚結構的穩定性以及土壤磷素轉化與供應影響作用顯著。在有機無機肥配施區，與CK處理相比，FR和RS處理的紅壤旱地中游離氧化鐵（f-Fe2O3）和游離氧化鋁（f-Al2O3）含量分別顯著降低了1.69 g/kg與顯著提高了0.66 g/kg；PS、RS與FR處理的紅壤旱地中非晶質鐵鋁氧化物（a-Al2O3與a-Fe2O3）含量均顯著降低，但游離鐵鋁氧化物無顯著變化；PM處理中f-Fe2O3與f-Al2O3分別顯著降低了2.08和1.63 g/kg，而a-Fe2O3含量顯著提高了0.29 g/kg，但a-Al2O3無顯著變化（圖2）。

在無機肥區，NPKCaS和NP處理的紅壤旱地中f-Fe2O3和f-Al2O3含量分別顯著降低了1.67、1.46 g/kg與1.22、0.82 g/kg，而a-Fe2O3含量分別顯著增加了0.65和0.25 g/kg，但a-Al2O3含量分別顯著降低了0.41和0.20 g/kg；NPKCa處理的紅壤旱地中f-Fe2O3無顯著變化，f-Al2O3含量顯著提高了0.98 g/kg，而a-Fe2O3含量顯著增加了0.27 g/kg，但a-Al2O3含量顯著降低了0.23 g/kg；PK處理的紅壤旱地中f-Fe2O3和f-Al2O3含量分別顯著增加了1.99和0.99 g/kg，而a-Fe2O3含量顯著提高了0.65 g/kg，但a-Al2O3含量顯著降低了0.34 g/kg；NK處理的紅壤旱地中f-Fe2O3顯著降低了1.49 g/kg，f-Al2O3無 顯著 變化，而a-Fe2O3含 量顯著降低了0.31 g/kg，但a-Al2O3含量顯著提高了0.68 g/kg（圖2）。

2.3 長期施肥對紅壤旱地全磷及有效磷的影響

在有機無機肥配施區，與CK處理相比，只有PM處理可以顯著增加紅壤旱地及各粒級團聚體中的TP及Bray-P含量（4級粒級團聚體除外），而其它處理無顯著影響；所有有機肥處理均顯著降低了4級粒級團聚體的Bray-P含量，而同一處理下均為3級粒級團聚體的Bray-P含量最高（表2）。

在無機肥區，與NPK處理相比，NK處理顯著降低了紅壤旱地及各粒級團聚體中的TP及Bray-P含量（4級粒級團聚體除外）；所有無機肥處理的紅壤旱地各粒級團聚體的Bray-P含量均呈現出1級粒級團聚體的Bray-P含量最低（表2）。

2.4 紅壤旱地磷素有效性影響因子的冗余分析

表2 長期施肥（1988～2014年）紅壤旱地各粒級團聚體全磷及有效磷的含量變化

相關分析表明，紅壤旱地TP與土壤pH、PSA4、PSA5、CEC及D均呈顯著或極顯著正相關關系（表3），而與PSA2呈極顯著負相關關系（P＜0.01）；Bray-P與PSA5、CEC呈極顯著正相關關系（P＜0.01），而與PSA2和f- Al2O3則呈極顯著負相關關系（P＜0.01）。整體來看，與TP和Bray-P均有極顯著相關關系的土壤測試指標為PSA2、PSA5和CEC（P＜0.01）（表3）。

表3 紅壤旱地磷素含量主要影響因子的相關性分析

以土壤TP和Bray-P為響應變量，土壤pH、PSAi、f-Fe2O3、f-Al2O3、a-Fe2O3、a-Al2O3、MWD、CEC和D等土壤測試指標為解釋變量進行冗余分析（圖3）。結果表明，RDA第1和第2排序軸累計解釋了上述土壤測試指標對紅壤旱地碳氮含量變化影響程度的79.73%（表4），且第1軸包含了大部分磷素有效性影響因子信息。RDA排序圖中（圖3），第1排序軸中CEC、PSA2、PSA5和f-Al2O3與第1軸的關系最為密切，其相關系數分別為-0.710、0.555、-0.553和0.507（P＜0.01）（表4），說明第1軸主要反映了CEC、PSA2、PSA5和f-Al2O3的梯度變化，此外，f-Fe2O3和D與第一軸的相關性也較大，相關系數分別為0.384和-0.372（P＜0.01）。土壤測試指標與第2軸相關性最大的是土壤pH，相關系數達到-0.758（P＜0.001），其次為D、PSA4、PSA5、f-Fe2O3、f-Al2O3和a-Fe2O3，其相關系數分別為-0.682、-0.613、-0.544、-0.500、-0.442和-0.608（P＜0.01）（表4）。圖3中TP和Bray-P各自所在射線與各土壤測試指標所在射線之間的夾角大小及其射線長度說明了各土壤測試指標對紅壤旱地磷素有效性的影響程度：TP和Bray-P最易受到pH、CEC、PSA2、PSA4、PSA5、D、f-Fe2O3、f-Al2O3和a-Fe2O3的影響，且對TP和Bray-P均有正面影響的土壤測試指標為pH、CEC、PSA4、PSA5、D和a-Fe2O3，均有負面影響的土壤測試指標為PSA2，其中，pH對TP的影響程度最大，CEC對Bray-P的影響程度最大。由此可見，紅壤旱地磷素有效性的影響因子并不是單一的，這與上述相關分析所得到的僅有PSA2、PSA5、CEC各自與磷素含量有關的結果存在一定區別，說明冗余分析可以更全面直觀地反映出彼此相關的土壤測試指標對磷素有效性的影響及影響程度。此外，從圖3還可以看出，不同施肥處理的影響差異顯著，其中，PM處理占據第2象限且聚類程度較好，與Bray-P所在射線關系密切，而PK、NPKCa和NPKCaS處理均與TP所在射線關系較為密切，說明長期配施廄肥或者增施磷肥可以顯著影響紅壤旱地磷素有效性。

3 討論

長期施化肥或配施有機肥可以顯著影響紅壤旱地的團聚體結構、改變大小團聚體磷素的儲量及周轉；紅壤旱地物理化學性質的改變是長期施肥的直接作用。與長期施用化肥相比，長期配施有機肥可以明顯降低紅壤旱地pH（表1）；在無機肥區，長期施用石灰、石膏等堿性物料是提高紅壤旱地pH的直接原因；長期未施磷肥的NK處理中土壤pH和CEC含量均顯著降低，這與長期施入土壤的銨態氮肥超過作物所需范圍時，銨根離子的硝化以及硝酸根的淋洗會引起土壤酸化有關［8］。有研究表明，長期施用化學氮肥（包括單施氮肥、氮磷配施和氮磷鉀配施）會降低紅壤pH，加劇土壤酸化，尤其是單施化學氮肥時土壤pH降幅較大，而在氮肥基礎上配施磷肥能夠增加土壤對氮和水分的吸收作用，使得土壤酸度有所緩和［21］，這與本研究中NPKCaS、NPKCa和PK處理可以顯著增加土壤pH一致。此外，pH值的降低會減少土壤膠體微粒表面所載電荷，導致CEC也會降低，因此NK處理下CEC顯著降低（表1）。對于有機無機肥配施區，其處理下的土壤平均pH與CK處理對比并無顯著差異，但對pH值的提升有一定效果。蔡澤江等［8］認為，施用有機肥（化學肥料配施有機肥和單施有機肥）能使土壤 pH保持穩定或較試驗開始有所升高，具有較顯著的延緩土壤酸化的效果。本研究也發現，與CK處理相比，配施有機肥處理的土壤pH均有所提高，尤其是PM處理提升程度較大，這與廄肥具有腐殖化系數高的特征有關，通過降低土壤容重和緊實度，提高土壤pH值［22］。由于pH值的提高，相應地PM處理可以顯著增加土壤CEC（表1）。

長期配施豬廄肥還可以顯著增加紅壤旱地及各粒級團聚體的TP與Bray-P含量（表2），這與富含有機質與微生物的豬糞在腐解、礦化過程中釋放大量有機酸進而活化土壤中積累態磷，提高土壤有效磷含量有關［23-24］。本研究中，NK處理由于長期缺外源磷而使土壤磷素累積量顯著降低。相關分析表明，土壤pH、CEC、PSA2、PSA4、PSA5、D、f-Fe2O3、f-Al2O3和a-Fe2O3對紅壤旱地TP及Bray-P的影響較為顯著；其中，土壤pH對紅壤旱地TP影響最大，CEC對紅壤旱地Bray-P影響最大。土壤pH變化直接影響著土壤溶液中磷酸根離子的解離，在偏酸性環境中，磷易與鐵、鋁化合形成磷酸鐵、磷酸鋁，從而導致紅壤固磷能力增強、磷素有效性降低［25］。李杰等［2］認為，南方酸性紅壤中限制磷素有效性發揮的主要原因就是土壤pH偏低，當土壤酸度變大時，鐵鋁氧化物受到的溶蝕作用增強進而破壞磷素的專屬性吸附。有研究認為，酸性土壤施用石灰后，代換性鋁被聚合態鋁取代附著在土壤膠體表面，而代換性鋁的負電性和聚合態鋁的正電性會減少土壤的負電荷數量，同時聚合態鋁Al-OH表面可以增強對磷的吸附［8］。

CEC與土壤有效磷含量關系最為密切，其實就是與土壤pH有關，因為土壤膠體微粒表面羥基的解離會受介質pH值的影響，當pH值升高時，土壤膠體微粒表面所載電荷會增加，進而CEC也會增加。紅壤旱地磷素有效性還與PSA2、PSA4、PSA5、f-Fe2O3、f-Al2O3、a-Fe2O3和D存在相關關系，這是因為磷酸根離子極易被鐵、鋁氧化物以及黏粒礦物所吸附固定，且受微團聚體影響較大［26］。f-Fe2O3、f-Al2O3、a-Fe2O3都 是 良 好 的 土壤礦質膠體，具有比表面積大、反應活性和吸附性高、離子交換性強等特征，對于土壤的吸收性能起重要作用，是磷的主要吸附基質，吸附在鐵鋁氧化物表面的磷可以向更穩定的化學吸附態磷轉變［2，27］。賴慶旺等［28］發現有機肥料可以維持土壤有機碳素平衡，通過降低鐵鋁氧化物表面對磷吸附位點來提高磷肥的有效性。PSA4、PSA5與紅壤旱地磷素有效性的正相關關系表明，土壤中小粒級微團聚體具有較強的磷素存儲能力，尤其在配施豬廄肥處理下團聚體供磷水平較高，這與微團聚體具有較大的比表面積而具有較強的吸附能力有關［29］，不同粒級團聚體對磷酸根的吸附與解吸性能不同，一般微團聚體粒級越小，則對磷素的吸附保存能力越強，黏土礦物對磷有固定作用，隨著微團聚體粒級的增大，對磷酸根的吸附量明顯減少［21］，而PSA2與紅壤旱地磷素有效性的負相關關系則表明較大粒級的微團聚體內磷素釋供能力強，且本研究中長期配施有機肥顯著降低了PSA2，也會引起該粒級微團聚體內磷素含量下降（表1），PSA2、PSA4、PSA5與土壤磷素含量存在相關性說明，以PSA2、PSA4、PSA5為代表的土壤微團聚體在構成土壤磷素供應水平的基礎中存在重要作用。D可以較好地衡量土壤肥力特性，反映土壤顆粒對土壤空間填充能力的大小，一般土壤顆粒越細，D就越大；土壤顆粒細?；^程中，土壤磷素等營養物質所在細粒比重增加，土壤肥力相應增加［30-31］。

4 結論

長期施磷或配施豬糞可以顯著增加紅壤旱地及各粒級團聚體的全磷及有效磷含量。土壤pH、CEC、鐵鋁氧化物及0.25～0.05、0.001～0.005、＜0.005 mm粒級團聚體的組成比例及土壤分形維數是影響紅壤旱地磷素有效性的主控因子；其中，pH和CEC的影響最大。因此，有效地改善紅壤旱地的酸性環境與調節土壤陽離子交換量是提高紅壤旱地磷素供應效率的關鍵。