長期施用袋控緩釋肥對南方紅壤中磷素形態(tài)及有效性的影響

趙雋宇，潘 波，覃祚玉，唐 健，王會利，黃小芮，曹繼釗

（1廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院，南寧 530002；2廣西林用新型肥料研發(fā)中心，南寧 530002）

0 引言

磷(P)是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一，是植物體內核苷酸、蛋白質、膜磷脂、ATP、ADP 和NADPH 等有機物合成的重要組成部分，在植物新陳代謝過程，如光合作用和呼吸作用中起重要的作用，同時也是影響作物產(chǎn)量和品質的基本營養(yǎng)物質[1-2]。然而，磷在土壤中移動性差，易固定，連續(xù)大量施用磷肥導致土壤中的磷素富集但有效性降低[3]，尤其是中國南方大面積的紅壤分布區(qū)，氣候呈現(xiàn)高溫多雨特點，土壤風化、淋溶作用引起的富鋁化現(xiàn)象嚴重，土壤養(yǎng)分含量較低[4-5]。同時，紅壤中的可變電荷礦物(Al、Fe)對土壤中磷元素具有強烈的固定作用[6]。因此，即使林地土壤中的磷背景值較高，但植被生長發(fā)育中磷素供應仍然不足。土壤中的磷素形態(tài)直接決定了其生物有效性[7]。磷素在土壤中主要分為無機磷(Pi)、有機磷(Or-P)兩大類，其中無機磷又被細分為礦物態(tài)磷(Al-P、Fe-P、Ca-P)、閉蓄態(tài)磷(O-P)、可交換磷(W-P)[3,8-9]。植物對有機磷的利用主要以小分子態(tài)為主，但其含量較低，所以無機磷組分中有效態(tài)含量的高低決定了植物對磷素的吸收利用效率[10]。因此，研究林地土壤中磷元素各組分含量及其分布規(guī)律，對于提高磷肥利用效率、減少磷在土壤中的固定，保證林業(yè)生產(chǎn)高效、可持續(xù)經(jīng)營具有重要意義。

袋控緩釋肥料是目前國際上較為公認的一種提高植物營養(yǎng)利用效率、減少肥料流失的新型肥料[11-12]，其通過將傳統(tǒng)施用的養(yǎng)分肥料按照一定的配方配比摻混均勻后通過可預期的材料進行小定量包裝（包膜），通過篩選包袋材料的材質、密度、孔隙度和降解速度或進行不同材質的復合、復層等方式控制肥料的養(yǎng)分釋放速度，達到滿足不同植物不同生長階段的養(yǎng)分需求的效果[13-14]。張守仕等[15]研究了袋控緩釋對桃幼樹和沾化冬棗氮素利用率及生長的影響，結果表明肥料袋控緩釋可以促進細根發(fā)生，顯著提高氮素利用率。Xiao等[16]的研究表明，BCRF（袋控緩釋肥料）在不降低桃產(chǎn)量的前提下，氮肥施用量較普通施肥方式減少了65%～82%，在鮮桃生產(chǎn)中施用袋控緩釋肥料有降低氮肥施用量和降低肥料投入成本的潛力。大量研究表明，袋控緩釋肥在多年生樹種上的應用效果良好，同時相比傳統(tǒng)緩釋肥具有較高的成本收益[17]，但袋控緩釋肥在桉樹人工林上的應用尚未見報道。同時，由于不同袋控肥料的袋包材質、肥料工藝以及施用土壤環(huán)境等因素均不相同，研究者對于袋控緩釋肥與土壤磷素的互作機理以及磷素各形態(tài)分布規(guī)律尚不明確，亟待深入研究。

綜上所述，本研究針對桂北紅壤區(qū)桉樹人工林土壤磷素利用效率較低的問題，擬選擇尾葉桉幼林為研究對象，基于施肥對比試驗，通過設計5種施肥梯度水平，采用無機磷分級測定方法探究傳統(tǒng)配方肥、袋控緩釋肥、施用基肥等施肥方式對土壤磷元素含量、組分分布規(guī)律以及對植株生長的影響，篩選出較為適宜該區(qū)域生產(chǎn)經(jīng)營的施肥方式，以期降低桉樹人工林人力施肥成本，同時研究結果也可為人工林地土壤中磷素的循環(huán)轉化過程提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗采用田間定位監(jiān)測，試驗地位于廣西國有高峰林場六里分場(22°56′10″—22°56′16″ N，108°17′23″—108°17′24″ E)，海拔為158 m，年平均溫度為21.6℃，年平均降水量1304.2 mm，平均相對濕度為79%，氣候為高溫多雨。土壤為砂巖發(fā)育而成的紅壤，土層厚度50～100 cm，質地疏松，pH 4.5～6.5。試驗點內立地條件基本相同。供試桉樹品種為‘廣林29號’，2019年5月種植，種植密度為1.8 m×4 m。供試肥料傳統(tǒng)配方肥（施肥深度25 cm、N:P2O5:K2O=15:6:9）、袋控緩釋肥（施肥深度10 cm，N:P2O5:K2O=15:6:9）。袋控緩釋肥的肥料袋包裝材料為牛皮紙與易自然降解的非織造布組成的復合材料（年降解率大于70%）。其中，非織造布添加適量的礦質原料。肥料主成分N素來源為尿素和磷酸一銨，P素為磷酸一銨，K素為氯化鉀。所用的肥料由廣西林科院土壤肥料與環(huán)境研究所研制，委托廣西華沃特生態(tài)肥業(yè)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗設計

試驗共設置5個處理：袋控緩釋肥(G1)、減量20%袋控緩釋肥(G2)、傳統(tǒng)配方肥(G3)、只施基肥(G4)、完全不施肥(G5)。G1、G2、G3處理使用同等無機養(yǎng)分含量的相同肥料，具體施肥量及試驗區(qū)面積見表1。各處理之間四周設保護行，避免肥料互滲，減少試驗誤差。分別于2019年6月和2020年6月進行施肥處理，每年進行一次施肥。試驗于2021 年1 月30 日在研究區(qū)內采集土壤樣品并同時測定植株生長數(shù)據(jù)。在各處理內以上、中、下坡設置3 個20 m×20 m 標準樣方，以“S”型5 點取樣法在標準地內挖取剖面，采集表層(0～20 cm)土壤，將樣品充分混合均勻后以四分法取1000 g土樣，放入自封袋內并做好標記，帶回實驗室。同時以每木檢尺，測定樣方內活立木胸徑和樹高。

1.3 實驗室分析方法

土壤全磷、有效磷采用實驗室常規(guī)方法測定[18]。土壤有機磷(Or-P)采用灼燒法[19]測定，稱取相同質量的2 份土壤，經(jīng)灼燒與未經(jīng)灼燒的土壤含磷量差值即為有機磷含量。土壤磷分級測定采用磷形態(tài)連續(xù)提取方法[20]，其中鈣磷(Ca-P)、鋁磷(Al-P)以及閉蓄態(tài)磷(O-P)等磷組分含量均在檢測線以下。磷活化系數(shù)(PAC)根據(jù)有效磷與全磷的比值計算[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBM Statistics SPSS24.0 軟件進行單因素方差分析、描述性統(tǒng)計等常規(guī)數(shù)據(jù)分析方法，Origin 2018進行制圖以及Person 相關分析，采用Canono5.0 進行冗余分析(RDA)。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理磷組分特征

不同施肥處理間土壤磷含量及其活化系數(shù)如表1所示。土壤PAC 代表了土壤中磷素的活化能力及其有效性，PAC 系數(shù)約大說明全磷-有效磷轉化效率越高。各處理土壤PAC由高到低排序為G2＞G1＞G4＞G5＞G3，施用袋控緩釋肥后，PAC 顯著增加(P<0.05)。不同施肥間處理的全磷、有效磷含量表現(xiàn)基本一致，G2 處理土壤全磷、有效磷含量顯著高于其余幾種處理，G3、G4、G5 間并未表現(xiàn)出顯著差異性(P＞0.05)，G3 處理全磷含量相比G4、G5 分別增加了17.83%、15.62%，但有效磷含量相比這2種處理差異不大，同時其PAC 顯著低于G4、G5 處理(P<0.05)。G4 處理有機磷含量顯著高于其余4個處理。土壤Fe-P含量高低排序為G2＞G1＞G3＞G5＞G4，G1、G2、G3 3 種施肥處理的Fe-P 含量顯著高于施基肥(G4)、不施肥(G5)處理(P<0.05)。

表1 試驗點施肥情況

不同施肥處理各磷組分相對含量占比如圖1 所示。各處理間土壤磷素形態(tài)主要以Pi、Fe-P存在，Pi相對含量分別占比范圍在18.8%～36.06%，F(xiàn)e-P相對含量范圍在16.77%～32.92%。與對照組G5相比，G3、G4土壤AP含量占比基本一致，G1、G2處理的AP含量相對占比較高，分別為3.84%、6.41%。W-P 含量相對占比排序大小為G2＞G1＞G3＞G4＞G5，其分布規(guī)律與AP 含量基本一致。Or-P 相對含量占比排序大小為G4＞G3＞G5＞G1＞G2，其中G4 處理Or-P 占比為19.83%，相比對照組增加了81.75%。G1、G2 處理中Or-P 含量相比原始土壤G5 分別下降了18.69%、54.17%。

圖1 不同施肥處理各組分磷相對含量百分比

表2 不同磷形態(tài)含量及其活化系數(shù)

2.2 不同磷組分之間Person相關分析

采用Person相關性分析研究不同磷組分之間相關系數(shù)，結果如表3 所示。土壤有效磷(AP)除與有機磷含量相關性不顯著外(P＞0.05)，與其余所有組分均呈現(xiàn)顯著相關(P＜0.05)，其中相關系數(shù)排序大小為TP(0.9811)＞Fe-P(0.9623)＞PAC(0.9398)＞Pi(0.9119)。同樣的，全磷含量除與有機磷含量相關性不顯著外(P＞0.05)，與其余所有組分均呈現(xiàn)顯著相關關系(P＜0.05)。與有機磷含量相關系數(shù)最高的組分為Pi(0.1044)，但并未呈現(xiàn)顯著相關關系(P＞0.05)。除有機磷外，其余土壤磷組分之間均呈現(xiàn)顯著相關關系，這可能與施肥量提高導致土壤中的磷組分均顯著提升有關。

表3 不同磷組分之間相關系數(shù)

2.3 不同磷組分與植物生理特性RDA分析

將植株生長量樹高(Height)、胸徑(DBH)作為生物特性，各磷組分含量作為環(huán)境因子進行冗余分析，結果如圖1 所示。在排序圖中橫軸和縱軸構成一個平面，箭頭表征環(huán)境因子在平面上的相對位置，向量長短代表它在主軸中的作用，箭頭所處象限表示環(huán)境因子與排序軸之間相關性的正負。DBH 與AP、TP、Pi、Fe-P、PAC等指標均處第二象限，其橫軸、縱軸方向均一致，說明這些指標與DBH均呈現(xiàn)顯著正相關的關系，從向量長度可以看出，PAC、Fe-P、Pi、AP等指標對胸徑均有較大影響，說明增加這些磷組分的含量可以顯著促進樹木的胸徑增長。Height 與AP、TP、Pi、Fe-P、PAC 在橫軸上處于同一方向，縱軸上方向不一致，但從投影距離來看，橫軸距離高于縱軸距離，說明Height與這些指標仍然呈現(xiàn)正相關關系，但受影響不顯著。Or-P、DBH與Height分別處于第一、第二、第三象限，Or-P與DBH、Height 向量間夾角均大于90°，說明該指標對于植株生長具有顯著負效應。

圖2 植株生長量與磷組分冗余分析排序圖

3 結論

在南方桉樹人工林紅壤中施用袋控緩釋肥可以促進土壤中磷素的累積并提高磷活性，AP、Pi、Fe-P組分含量相比傳統(tǒng)施肥方式有顯著提升。施用傳統(tǒng)復混肥雖然能提高土壤中Pi、Fe-P 等組分含量，但其PAC 相比袋控緩釋肥、施基肥以及不施肥3個處理顯著降低，說明長期施用復混肥不利于土壤中磷素的活化。Fe-P的含量對植物生長量的影響最為顯著，在該區(qū)域土壤中有效性較高。因此，在南方紅壤桉樹人工林的經(jīng)營中，應逐步增加袋控緩釋肥、有機肥的投入，促進林地土壤中Fe-P的含量，以促進桉樹人工林的生長量的增加。

4 討論

不同施肥處理對土壤磷組分含量的影響顯著不同，施用袋控緩釋肥可以有效提高土壤中磷素的含量及其有效性[22]。相比傳統(tǒng)施肥，施用袋控緩釋肥后，土壤全磷、有效磷以及磷活化系數(shù)均顯著高于其余3 種處理。G1、G2處理在施肥18個月后，土壤全磷含量仍有顯著提升，而傳統(tǒng)施肥全磷含量與不施肥處理相比差異不顯著，說明袋控緩釋肥具有較好的肥料緩釋效應[23]。由于袋包材料以紙布混合材料制成，該材料在土壤中的分解時間大約為30～45 天，在袋包材料分解前，肥料主要通過降雨淋溶作用緩慢釋放養(yǎng)分，隨著分解程度加大，肥料逐漸與土壤融合，其肥效期至少長達180天[24]，而傳統(tǒng)化肥釋放時間約為30天，因此傳統(tǒng)化肥在肥料的長效供應上效果較差。從不同磷組分含量分析，袋控緩釋肥的2種施肥梯度土壤AP及PAC相比傳統(tǒng)施肥均有顯著提高，說明袋控緩釋肥對提高土壤中有效磷含量具有顯著正向效應，該結論與周文兵等[25]的研究結果一致，可能的原因是由于袋包材料阻隔了磷元素與土壤的接觸，減少了酸性環(huán)境對磷素的吸附與固定[26]。

此次研究結果表明，F(xiàn)e-P、PAC含量提升對桉樹人工林生長量有顯著促進作用。冗余分析結果顯示（圖1），除了PAC外，F(xiàn)e-P含量的高低對樹高、胸徑的影響最為顯著，Or-P 含量提高對樹高、胸徑具有負效應影響。Keller[27]認為酸性紅壤中磷的生物有效性主要是由Ca-P含量決定的，而Fe-P為緩效磷源。植物對P的吸收利用主要以水溶態(tài)的磷，隨著耕作時間的增長，亞熱帶紅壤中的Al-P、Fe-P可持續(xù)轉化為有效磷形態(tài)[28]，因此Fe-P的含量與樹高、胸徑有顯著相關性。土壤有機磷組分較為復雜，可溶性有機磷可以直接被植物吸收利用，而難溶性有機磷主要是通過礦化過程來影響土壤磷素的供應[29-30]，但其組分較為復雜，目前尚未有較統(tǒng)一的結論，需在今后進一步區(qū)分有機磷的形態(tài)及含量以研究其有效性以及袋控緩釋肥對有機磷組分的影響。