長期不同施肥下潮土磷素演變特征及其對磷盈虧的響應

張珂珂，郭斗斗，宋 曉，岳 克，黃晨晨，張水清，黃紹敏*

（1.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學農學院，河南 鄭州 450006）

磷素是作物生長發育所需的主要營養元素之一，作物攜出磷主要來自土壤累積磷和投入的磷肥；而全磷（TP）和有效磷（Olsen-P）則是評價土壤磷的供應水平及有效性的重要指標［1］。土壤磷素在農業生產中有著重要作用，施用磷肥對作物產量穩定至關重要，且對土壤供磷能力有顯著影響［2-3］。由于磷素的陰離子易被吸附、固定，導致磷肥利用率低［4］，所以在農業生產中人們往往投入大量磷肥來滿足農作物對磷的需求以提高作物產量，導致土壤中磷素大量累積［5］。如果長期大量投入磷肥，土壤磷素一直處于盈余狀態，會增大磷素的流失及環境污染的風險［6］。因此，了解長期不同施肥條件下磷素演變及磷盈虧對土壤磷素變化的影響，對改善長期大量投入磷肥帶來的弊端有著重要的指導意義。

有機肥和秸稈是重要的有機肥料，它們與化肥配施均提高土壤TP、Olsen-P含量，施有機肥料可促使土壤中無效態磷向有效態轉化，提高磷素有效性，提升土壤供磷能力［7-8］。長期投入有機肥可以降低土壤磷素的最大吸附量，利于土壤中磷素累積［9］。研究表明，長期投入磷肥或有機肥能不同程度地提高土壤磷素含量，化肥配施有機肥顯著提高土壤磷素含量，并且增加磷素累積量［7，10-12］。還有研究表明，化肥配施秸稈還田顯著提高土壤Olsen-P濃度，但土壤磷盈余沒有明顯增加［13］。趙慶雷等［14］研究發現，連續秸稈還田砂漿黑土土壤磷含量顯著提高，活性磷組分提高51.4%。另外，王艷玲等［15］分析了長期施肥試驗，結果表明，土壤中累積磷盈余與土壤全磷及有效磷含量的增加呈正相關，土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤全磷增加0.5 g·kg-1，有效磷增加5.0 mg·kg-1。楊振興等［16］通過研究不同土壤類型對土壤磷素的影響，土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，單施化肥處理土壤有效磷提高4.3 mg·kg-1，化肥配施有機肥處理土壤有效磷含量提高9.1 mg·kg-1。潮土是河南省糧食主產區的主要土壤類型，在糧食生產中占重要的地位。近年來磷肥的投入量不斷提高，導致土壤中磷素增加，根據2008～2014年原農業部耕地質量監測數據，河南省土壤有效磷含量平均為25.3 mg·kg-1。若繼續大量投入磷肥，則加大磷素對環境的威脅。因此，本研究通過分析潮土長期不同施肥條件下土壤全磷和有效磷對磷素盈虧的響應，明確土壤磷素演變過程，為潮土合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 長期試驗地點概況

長期定位試驗設在“國家潮土土壤肥力與肥料效益長期監測站”（113°40′42″E，34°47′55″N），位于河南省原陽縣祝樓鄉，試驗區屬于典型溫帶季風氣候，年均降水量650 mm，年均氣溫15℃，無霜期224 d，每年降水量主要集中在7～9月。該試驗站于1987年建立，1988與1989年勻地種植，1990年開始劃分小區進行正式試驗；供試土壤為砂壤質潮土，成土母質為黃河沖積物，初始土壤理化性質如下：土壤pH 8.1、有機質10.6 g·kg-1、全氮1.69 g·kg-1、全磷0.65 g·kg-1、有效磷6.9 mg·kg-1、堿 解 氮52.3 mg·kg-1、速 效 鉀71.7 mg·kg-1、緩效鉀647.2 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

本研究選取試驗站1990～2018年代表潮土區常見的5個施肥模式：1）NK（不施磷肥）；2）NPK（施氮磷鉀化肥）；3）MNPK（NPK化肥+有機肥），與NPK處理等氮量，其中70%的氮由有機肥提供，根據其含氮量確定有機肥的量；4）1.5MNPK（MNPK處理施肥量的1.5倍）；5）SNPK（NPK化肥+玉米秸稈還田），與NPK處理等氮量，1991～2001年70%的氮由秸稈還田量提供（不足部分由同期其他試驗區秸稈補充），2002～2017年只將該處理玉米秸稈還田，不足氮量由尿素補足。試驗區每年施用的磷肥為普通過磷酸鈣，試驗站施用的磷肥屬于分批購置，所以過磷酸鈣中P2O5含量不同，1991～2002、2003～2011、2012～2017年分別為12.05%、8%、8.8%，氮肥為尿素，鉀肥為氯化鉀；施肥量，小麥季（以N計）165 kg·hm-2、磷肥（以P2O5計）和鉀肥（以K2O計）各82.50 kg·hm-2，玉米季（以N計）187.50 kg·hm-2、磷肥（以P2O5計）和鉀肥（以K2O計）93.75 kg·hm-2。施用的有機肥1990～1999年為馬糞，2000～2010年為牛糞，其中2007年沒有施用有機肥，2011～2017年為商品有機肥，2012年之后1.5MNPK處理不施有機肥；每年施肥前測定施用有機肥及玉米秸稈的氮、磷、鉀含量。每季磷、鉀肥和有機肥作為底肥一次性施入，氮肥以基追比6∶4施入。2009年之前不設重復，試驗區面積400 m2，2009年原狀土搬遷后每小區面積為45 m2，3次重復。長期定位試驗歷年各處理施磷情況見表1。

表1 長期定位試驗歷年投入磷素量 （kg·hm-2）

各年度小麥播種時間為10月中旬，玉米為6月上旬。施肥時間為播種前一天，小麥季施肥后，深耕一次，玉米免耕。各年度根據土壤狀況適當灌溉，保證作物正常生長。

1.3 土壤樣品的采集與處理

每年玉米季收獲后，在NK、NPK、MNPK、1.5MNPK及SNPK等小區，采用“S”形采樣法，采集耕作層（0～20 cm）土壤樣品，每個小區采5點，混合均勻后，采用四分法取1 kg土壤，帶回室內，自然風干后，揀去土樣中的根茬、石塊等雜物，磨細、過篩備用。2010 年之后，改為小麥收獲后取樣。

1.4 分析測試項目與方法

土壤全磷（TP）采用H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷（Olsen-P）含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定。植株磷含量采用H2SO4-H2O2消煮、鉬銻抗比色法測定。

1.5 結果計算

作物攜磷量、磷素盈余和磷增量計算公式如下［17］：

作物吸磷量（kg·hm-2）=籽粒產量（kg·hm-2）×籽粒含磷量（%）+秸稈產量（kg·hm-2）×秸稈含磷量（%）

土壤每年表觀磷素盈虧（kg·hm-2）=每年施磷量（kg·hm-2）-每年作物攜磷量（kg·hm-2）

土壤累積磷盈虧（kg·hm-2）=∑［土壤表觀磷盈虧（kg·hm-2）］

土壤中磷素增量（ΔP）按照下式計算：

式中：Pi表示第i年土壤有效磷（mg·kg-1）；P0表示有效磷初始值（mg·kg-1）；

式中：TPi表示第i年土壤全磷（g·kg-1）；TP0表示全磷初始值（g·kg-1）。

試驗數據采用Excel 2007和Origin 8.5進行整理和作圖。

2 結果與分析

2.1 長期施肥下潮土全磷的變化

長期不同施肥條件下土壤TP含量隨試驗年限延長的演變特征如圖1所示。NK處理在1990～2005年土壤TP含量呈緩慢下降趨勢，2005年之后其含量基本維持在0.58 g·kg-1左右。施磷處理土壤TP含量均隨試驗年限增加呈上升趨勢，MNPK、1.5MNPK處理土壤TP含量平均每年分別增加0.022、0.028 g·kg-1；SNPK處理平均每年增加0.011 g·kg-1，增速是NPK處理的1.26倍。

圖1 長期施肥條件下潮土全磷含量變化

2018年與試驗開始相比，NK處理土壤TP含量 下 降0.05 g·kg-1，降 幅 為7.69%；而 SNPK、MNPK、1.5MNPK處理土壤TP含量呈現不同程度的提高，其中1.5MNPK處理土壤TP增幅最大，高達110.77%；SNPK、MNPK處理增幅分別比NPK處理提高3.08、43.08個百分點；試驗28年后，NPK、SNPK、MNPK、1.5MNPK處 理 土 壤TP較NK處理分別增加了55.40%、58.92%、101.60%、128.35%（表2）。綜上所述，在所有施肥處理中，氮磷鉀化肥配施有機肥（1.5MNPK和MNPK）最有利于提高TP含量，且氮磷鉀化肥配施秸稈還田處理提高TP的效果優于氮磷鉀化肥。

表2 土壤全磷含量隨時間變化趨勢

2.2 長期施肥下潮土有效磷的變化

各試驗小區的土壤Olsen-P 含量變化差異較大，由圖2可知，隨試驗年限延長，NK處理土壤Olsen-P含量呈緩慢下降趨勢，平均每年下降0.164 mg·kg-1；NPK、SNPK處 理 土 壤Olsen-P含量呈線性增加趨勢，且SNPK處理年增幅高于NPK處理，為0.393 mg·kg-1。MNPK、1.5MNPK處理土壤Olsen-P含量隨試驗年限變化分3個階段進行分析：第一階段，前13年MNPK、1.5MNPK處理土壤Olsen-P含量表現為增加的趨勢，年增幅高于SNPK、NPK處理，分別為3.92、5.94 mg·kg-1，并且1.5MNPK處理年增幅是MNPK處理的1.51倍；第二階段呈現2～3年維持平穩水平，其含量維持在56、82 mg·kg-1；第三階段，后12年土壤Olsen-P含量隨年限變化不顯著或下降，并且1.5MNPK處理下降最快。

圖2 長期施肥條件下土壤有效磷含量變化

2018年時NK處理Olsen-P含量低于其他各施磷處理，比試驗初始值下降4.31 mg·kg-1，降幅為62.49%。說明長期不施磷肥導致土壤Olsen-P含量降低。施磷各處理土壤Olsen-P含量比試驗初始提高了207.57%～618.52%，其中SNPK處理增幅比NPK處理提高55.34個百分點，氮磷鉀化肥配施有機肥處理（MNPK、1.5MNPK）增幅高于SNPK處理。從1990～2018年平均值來看，氮磷鉀化肥配施有機肥處理（MNPK、1.5MNPK）土壤Olsen-P含量高于NPK、SNPK處理，其中1.5 MNPK處理最高，高達56.62 mg·kg-1（表3）。總體來看，長期氮磷鉀化肥配施有機肥最有利于提高土壤Olsen-P含量，并且磷肥施用量越高，年增長速率越大。

表3 土壤有效磷含量隨時間變化趨勢

2.3 長期施肥對土壤磷平衡的影響

不同施肥處理作物累積攜磷量不同，NK處理最低，從土壤中累積帶走磷484.40 kg·hm-2；1.5MNPK處理作物攜出磷量最高，為1818.32kg·hm-2，比NK處理高275.41%。MNPK、SNPK處理作物累積攜出磷量分別比NPK處理高12.01%、10.86%。說明化肥配施有機肥處理（MNPK、1.5MNPK）和化肥配施秸稈還田處理能提高作物攜出磷量。NK處理作物攜出的磷主要源于土壤自身，由于沒有磷素的直接投入，所以一直處于虧缺狀態，平均每年缺磷量為17.19 kg·hm-2。試驗前13年NPK、SNPK處理土壤表觀平衡處于盈余狀態，年均盈余分別為28.6、36.3 kg·hm-2，試驗后15年磷素投入量減少30%，但年均磷攜出量為58.9～65.5 kg·hm-2，導致表觀磷盈虧為部分年份呈虧缺狀態，以長期試驗28年平均值計算表觀磷盈虧為盈余狀態。MNPK處理磷素表觀平衡一直處于盈余狀態，28年平均磷素表觀盈余為69.1kg·hm-2。1.5MNPK處理試驗前13年磷素表觀盈余158.0 kg·hm-2，后15年磷投入量減少，作物平均攜出磷為71.7 kg·hm-2，土壤表觀磷素盈余值減少，平均磷素盈余為48.0 kg·hm-2。長期投入磷肥可以提高土壤磷素盈余，NPK、SNPK處理累積盈余量為600.32～ 641.99 kg·hm-2，1.5MNPK處理土壤累積盈余量最大，高達3020.27 kg·hm-2。

圖3 不同施肥處理土壤表觀磷盈虧的變化特征

2.4 長期施肥下土壤TP對累積磷盈虧的響應

各處理土壤全磷增量與土壤累積磷盈余之間的線性方程見圖4，方程中x為土壤累積磷盈余量，y為土壤全磷增量，斜率為土壤磷每變化1個單位，土壤全磷的增加量。NK處理土壤中全磷增量與累積盈余呈負相關，NPK、SNPK處理土壤中全磷增量與累積磷盈余呈正相關，土壤磷每盈余100 kg·hm-2，其土壤中全磷含量平均分別增加0.04、0.06 g·kg-1。從MNPK、1.5MNPK處理全磷增量與累積磷盈余線性擬合可知，全磷增量呈現階段性的增長，試驗前期全磷增量隨累積磷盈余緩慢增加，后期呈現快速增加，土壤磷每盈余100 kg·hm-2，全磷含量分別增加0.063、0.059 g·kg-1，說明全磷含量由緩慢增加到快速增加拐點0.85 g·kg-1，快速增加階段是緩慢增加階段的2.5～3.3倍，并且氮磷鉀化肥配施有機肥處理提升全磷的速率大于氮磷鉀化肥。

圖4 不同施肥處理土壤全磷增量與累積磷盈余的關系

2.5 長期施肥土壤Olsen-P對累積磷盈虧的響應

由圖5可知，土壤Olsen-P增量與累積磷盈余量關系，NK處理累積磷盈余與土壤有效磷變化量呈負相關，各施磷處理中土壤Olsen-P增量與累積磷盈余呈正相關或階段性正相關與負相關。由直線回歸方程可知，土壤磷素每虧缺100 kg·hm-2，NK處 理 土 壤Olsen-P含 量 降 低0.19 mg·kg-1；有效磷含量與NPK、SNPK處理呈線性正相關，NPK、SNPK處理土壤中磷素每盈余100 kg·hm-2，Olsen-P含量分別增加1.94、2.13 mg·kg-1；MNPK處理Olsen-P增量隨累積磷盈余先快速增加后緩慢增加，而1.5MNPK處理Olsen-P增量隨累積磷盈余先快速增加后表現為增量減少。MNPK、1.5MNPK處理土壤中磷素每盈余100 kg·hm-2，Olsen-P含量平均增加2.97 mg·kg-1。

圖5 不同施肥處理土壤有效磷增量與累積磷盈余的關系

3 討論

3.1 不同施肥處理對土壤全磷和有效磷含量的影響

作物攜出磷是土壤磷素減少的主要途徑，作物攜出磷越多，土壤中磷減少越多。本試驗結果表明，NK處理作物從土壤中累積攜出磷484.36 kg·hm-2；施磷處理作物累積攜出磷量為1503.94～1818.32 kg·hm-2， 且SNPK、MNPK、1.5MNPK處理作物攜出磷量高于NPK處理，說明氮磷鉀化肥配施秸稈還田和氮磷鉀化肥配施有機肥可以促進作物對磷素的吸收。施磷是提高土壤全磷和有效磷的主要途徑，但磷庫的變化可能因投入磷肥種類、施肥時間及方式不同存在差異［18-19］。本研究發現NK處理土壤TP含量在試驗前15年呈現下降趨勢，之后基本保持穩定；土壤Olsen-P含量呈緩慢下降趨勢，與許多長期定位試驗研究結果基本一致［11-12，15］。這可能是由于不施磷肥條件下作物依靠土壤中有機或無機物釋放的磷供其生長，導致土壤中的磷素不斷消耗，致使土壤磷素降低；而葉會財等［6］認為長期不施磷肥，水稻土的全磷基本處于持平狀態，有效磷略有增加，僅施氮鉀肥土壤有效磷基本保持不變，這可能是因為不施肥條件下緩效性磷能釋放出有效磷，使緩效性磷與有效磷出現動態平衡，而且灌溉或者降雨也可能補充了磷素，磷素保持相對的穩定［20-21］。施磷處理土壤中TP含量隨試驗年限延長呈現增加趨勢，年均增加速率為0.009～0.028 g·kg-1，這與大部分研究結果一致［13，18，20，22］。SNPK處理土壤TP和Olsen-P含量年增加速率均高于NPK處理，這與劉盼盼等［23］研究結果一致，這可能由于秸稈還田為微生物提供了豐富的碳源，進而提高土壤微生物及相關酶活性，使磷素養分礦化分解加快［24］；另外，投入的秸稈磷素對Ca8-P抑制作用高于化學磷素，因此，較多的磷素轉化為土壤全磷［8］。1.5MNPK處理土壤TP隨試驗年限延長呈增加趨勢，而Olsen-P含量在前13年試驗表現為較強的效應，呈快速上升趨勢，當Olsen-P含量達到一定高值后有2～3年的維持階段，隨后12年Olsen-P含量呈現下降趨勢；這可能是因為一方面大量投入有機肥，隨試驗年限的延長，磷素不斷累積，增加了磷素向下遷移量或徑流遷移出土體的風險［25-26］；另一方面，由于試驗13年后Olsen-P含量達到高值（82 mg·kg-1），若要維持或增加Olsen-P含量，可能需要保持該施磷量或投入更高施磷量，但本試驗在Olsen-P含量達到高值后磷素平均投入量由210 kg·hm-2減少到110 kg·hm-2，這 可能導致Olsen-P含量下降。類似地，魯艷紅等［18］認為，化肥配施有機肥處理土壤中有效磷含量提高到一定程度后，再繼續施磷肥其變化緩慢或者無明顯變化。

3.2 土壤磷素平衡對土壤磷素的影響

許多研究表明土壤磷素與磷累積盈虧呈正相關，可預測不同施肥條件下土壤TP中或Olsen-P含量的變化趨勢［9-12，27］。Cao等［28］在8個不同長期試驗點研究發現施用化肥磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤Olsen-P含 量 提 高1.6～5.7 mg·kg-1。本 研究中NK處理土壤磷每虧損100 kg·hm-2，土壤TP和Olsen-P含 量 分 別 降 低0.022 g·kg-1、0.19 mg·kg-1。NPK、SNPK處理總磷投入量相近，土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤TP含量分別提高0.04、0.06 g·kg-1，土壤Olsen-P含量分別提高1.94、2.13 mg·kg-1，這表明單位磷素盈余量氮磷鉀化肥配施秸稈還田處理對土壤Olsen-P含量提升效果優于氮磷鉀化肥，這可能是氮磷鉀化肥配施秸稈還田促使土壤中有機磷轉化為無機磷，增加土壤中無機磷含量，而且秸稈還田還可以減緩磷素遷移［8，10］。楊軍等［27］在長期定位試驗單施氮磷鉀化肥條件下發現土壤中磷素每盈余100 kg·hm-2，Olsen-P含量增加1.75 mg·kg-1。本研究結果在前人研究結果的范圍內，這還表明不同土壤類型或不同施肥條件下對土壤Olsen-P含量的增加影響較大。

氮磷鉀化肥配施有機肥（MNPK、1 .5 MNPK）與NPK處理相比磷素投入量有較大幅度提高，土壤磷素變化與總磷量有很大關系，但其土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤TP和Olsen-P含量平均增加0.33 g·kg-1和2.97 mg·kg-1，提高幅度分別是氮磷鉀化肥處理的8.2、1.5倍，這表明單位磷素盈余量氮磷鉀化肥配施有機肥處理對磷素提升效果高于施氮磷鉀化肥（NPK）處理，這可能由于有機肥能促進磷活化，提高活性磷含量，增加了磷在土壤中的循環，并且有機肥中的有機磷易于磷的分解釋放［22］。但樊紅柱等［11］和張國榮等［29］研究認為單施化肥處理比化肥配施有機肥提高更多Olsen-P的含量；造成這一矛盾的原因，一方面是有機肥對磷的固定速度遠大于磷有效化的速度，另一方面是水旱交替條件下更易促進磷向下淋溶［30-31］。楊振興等［16］研究表明長期有機無機配施，土壤累積磷盈余與有效磷含量變化呈正相關，土壤有效磷增加量隨磷素累積量增加而增加。本試驗中，1.5MNPK處理土壤TP增量隨累積磷盈余增加呈現先緩慢增加后快速增加，而Olsen-P增量試驗前13年隨累積磷盈余呈現增加趨勢，之后呈現下降趨勢，其原因可能是試驗前13年1.5MNPK處理大量投入磷素，平均投入量約210 kg·hm-2，平均磷素表觀盈余高達158 kg·hm-2，有效磷含量提高到82 mg·kg-1；之后磷素投入減少，平均投入量約110 kg·hm-2，導致土壤平均磷素表觀盈余減少為48.0 kg·hm-2，因此可轉化成的有效磷量減少，而作物攜出磷量基本不變，消耗的有效磷不變，因此土壤中原有的有效磷被消耗。另外，黃晶等［7］研究中也發現磷素的變化量與磷素平衡（磷素投入量減去作物攜出量）之間關系密切，表觀平衡表現少量盈余時有效磷變化緩慢，如果要提高土壤有效磷水平，僅有少量磷素盈余是不足的，可能需要一定量盈余才能維持或提高土壤有效磷含量；這一結果也說明了在評價施肥量是否足夠時，要綜合考慮磷素表觀平衡和土壤磷素肥力這兩方面的因素。

4 結論

長期施用氮磷鉀化肥、氮磷鉀化肥配施有機肥或者秸稈還田均能夠促進潮土區土壤全磷和有效磷含量提升。NPK、SNPK、MNPK、1.5MNPK土壤平均表觀盈余分別為11.9、15.1、69.1、94.5 kg·hm-2，氮磷鉀化肥配施有機肥土壤盈余磷量高于氮磷鉀化肥和氮磷鉀化肥配施秸稈還田；土壤全磷、有效磷變化量與土壤磷盈虧密切相關，磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤TP含量提高0.04～0.33 g·kg-1，土壤Olsen-P含量提高1.94～2.97 mg·kg-1，而且氮磷鉀化肥配施有機肥或者秸稈還田更有利土壤磷素的累積。