稻麥輪作農田有機無機肥配施下磷平衡研究

于云飛，汪玉*，李爽，陳光蕾，趙洪猛，趙旭，王慎強*

（1.江蘇常熟農田生態系統國家野外科學觀測研究站，中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049）

磷素是作物生長必需的大量營養元素，也是限制作物產量的主要因子，施用磷肥對維持土壤有效磷庫和作物產量具有重要意義。然而，由于磷素易被土壤礦物吸附固定，大量的磷肥施用既造成資源浪費，也會加大環境污染風險[1-3]。調查表明太湖流域稻麥輪作農田化學磷肥施用量（以P2O5計）高達每年120 kg·hm-2，超出作物營養需求[4]，造成土壤速效磷過量累積，其中65.2%的農田土壤有效磷高于20 mg·kg-1，而引起該區域環境風險的土壤有效磷閾值為30 mg·kg-1[5]。畜禽糞便是有效的替代磷源，近年來畜禽糞便作為有機肥部分替代化肥被認為是可以減少化肥投入、降低農田磷流失風險的有效措施[6]。據調查，我國畜禽糞尿有機廢棄物資源年產生量達38 億t，其中P2O5含量可達1 100 萬t[7]。因此，提高畜禽糞尿有機物料還田率，推廣有機肥替代化學磷肥對減磷增效和農業綠色發展具有重要意義。然而，如何科學合理地配施有機無機肥以提高資源利用效率和作物產量仍需進一步探討。

不同的有機無機肥配施方式對作物產量有積極影響，但也可能存在一定的環境風險。李圓賓等[8]通過整合分析稻麥輪作體系下有機肥配施方式對作物產量的影響，表明有機肥配施能使稻麥分別顯著增產3.1%和3.0%，土壤有機質、全氮、全磷和有效磷等養分含量增幅11.7%~38.4%；黃晶等[9]的長期定位試驗表明，有機肥在等氮替代無機氮肥條件下，沒有顯著增加水稻產量，但顯著提高了土壤磷素累積，磷素年均盈余量是等氮量無機氮肥處理的2.59 倍。也有研究表明[10]，畜禽有機糞肥含磷量高，等氮量的有機糞肥處理相比于化學肥料造成農田磷損失增加45%~237%，僅控制等氮量的有機肥投入容易引發環境污染問題。因此，控制農田磷投入是降低土壤磷持續累積和從源頭減少農田面源污染的重要舉措，通過養分平衡法來評價不同有機無機肥配施方式下農田磷養分的盈虧，可以為養分優化管理及環境風險評估提供理論依據。

本研究以太湖流域田間定位試驗為研究對象，比較兩種有機無機肥配施方式——控氮控磷（4 a）及控氮不控磷（24 a）處理下農田磷盈虧狀況，及其對作物產量、磷吸收、磷損失和土壤磷養分含量等的影響，以期為稻麥輪作農田有機肥施用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗依托常熟農田生態系統國家野外科學觀測研究站（31°33'N，120°42'E，實驗始于1998 年）和常熟農田生態系統國家野外科學觀測研究站宜興基地（31°16'N，119°54'E，實驗始于2018 年）。兩地都位于太湖流域，同屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均溫度17 ℃，年平均降水量1 200 mm，為典型的稻麥輪作區，土壤均為湖積物母質發育的水稻土。常熟0~20 cm 耕層土壤基本理化性質（1997 年測定）為：有機碳10.5 g·kg-1，全氮1.12 g·kg-1，總磷0.54 g·kg-1，有效磷9.41 mg·kg-1。宜興0~20 cm 耕層土壤基本理化性質（2018 年測定）為：有機碳9.10 g·kg-1，全氮0.94 g·kg-1，總磷0.46 g·kg-1，有效磷15.5 mg·kg-1。水稻品種均為南粳48號，小麥品種為楊麥16號。

1.2 試驗設計

常熟試驗田為控氮不控磷有機無機肥配施（有機肥替代稻季40%和麥季50%的化學氮肥，不考慮有機肥帶入的磷、鉀等養分），小區面積4 m2，包括3 個處理：不施肥（CK）、單施化肥（CF）、豬糞有機肥與無機肥配施（PM）。宜興試驗田為控氮控磷有機無機肥配施（有機肥替代30%化學磷肥，氮、磷、鉀的總養分投入相同），小區面積為60 m2，包括6 個處理：不施磷肥（CK）、單施化肥（CF）、商品有機肥與無機肥配施（OM）、豬糞有機肥與無機肥配施（PM）、雞糞有機肥與無機肥配施（CM）、牛糞有機肥與無機肥配施（DM）。所有處理均設置3 個重復，各小區采用完全隨機排列。

所有試驗處理的施肥量見表1，試驗所需無機肥為氮（尿素，46%N）、磷（過磷酸鈣，12%P2O5）、鉀（氯化鉀，60%K2O），有機肥采用當地生產的不同類型有機肥料，每季經測定養分含量后計算施用的實物量。氮肥每季按照30%基肥、40%分蘗追肥和30%拔節追肥施用，有機肥同鉀肥和磷肥作基肥一次性施用。田間管理均按照當地農業生產實踐進行。

表1 兩種有機無機肥配施方式下化學肥料和有機肥料養分施用量Table 1 Organic fertilizer and chemical fertilizer inputs in the field experiments

1.3 樣品采集與測定方法

樣品采集于2021—2022 年稻麥輪作周期，每季作物種植前取有機肥樣品和水稻移栽幼苗/小麥種子，分別烘干測定含水率和全磷含量；各小區單打單收計產，取部分秸稈和籽粒鮮樣烘干測定含水率后再測定全磷含量；采用S 型布點法對小區內隨機取點，采集0~20 cm 耕層土壤，混合均勻，風干、研磨后過20目篩測定土壤有效磷含量，過100 目篩測定土壤總磷含量；兩地農田灌溉水于首次灌溉時采集，徑流樣品通過徑流池收集并分別于2021-09-25、2022-04-27（宜興）和2021-07-05、2021-08-09、2021-11-28（常熟）采集，過定量濾紙后測定全磷濃度。

樣品測定參照《土壤農業化學分析方法》[11]。有機肥和作物全磷采用硫酸-過氧化氫消煮-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉（pH=8.5）浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤總磷采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定；徑流及灌溉水總磷采用流動分析儀（Skala，荷蘭）消煮測定。

1.4 磷平衡計算方法

磷平衡作為衡量農田磷素投入與產出的一種方法[12-14]，在國內外已被廣泛應用[15-18]。本研究以稻麥輪作小區為研究對象，對有關農田輸入與輸出的磷量分別進行測算，并合算輸入與輸出的差值得到磷平衡值。磷平衡（kg·hm-2，以P 計）正值表示磷盈余，負值表示磷虧缺：

磷平衡=磷輸入量-磷輸出量

磷輸入量=肥料磷+水稻秧苗/小麥種子磷+灌溉水磷

磷輸出量=作物吸磷量+徑流損失磷量

灌溉水磷=灌溉水總量×灌溉水總磷濃度

作物吸磷量=秸稈生物量×秸稈全磷含量+籽粒生物量×籽粒全磷含量

徑流損失磷量=徑流總量×徑流總磷濃度

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2020 軟件進行數據整理，用SPSS 24.0 軟件進行不同處理間各指標的單因素方差分析并選擇Duncan 法（P<0.05）進行多重比較，采用Origin 2022軟件進行數據可視化。

2 結果與分析

2.1 兩種有機無機肥配施對稻麥產量及磷吸收的影響

不同處理稻麥籽粒與秸稈產量及全磷含量如圖1 所示?？氐亓子袡C無機肥配施相較于CF 處理，稻麥產量均無顯著差異（P>0.05），但OM 處理有增加稻麥產量的趨勢，施肥第4年OM處理稻、麥籽粒產量高于CF 處理（6.23 t·hm-2和5.02 t·hm-2），達到6.28 t·hm-2和5.22 t·hm-2?？氐豢亓子袡C無機肥配施處理中，施肥第24 年PM 處理相比于CF 處理水稻產量無顯著差異（P>0.05），但小麥產量顯著（P<0.05）增加29.2%，小麥籽粒和秸稈產量分別為6.63 t·hm-2和9.14 t·hm-2?？氐亓赘魈幚碇械钧溩蚜Ｅc秸稈全磷含量無顯著差異（P>0.05），全磷含量范圍分別為3.03~3.19 g·kg-1（稻季籽粒）和1.69~2.06 g·kg-1（稻季秸稈），3.28~3.66 g·kg-1（小麥籽粒）和0.23~0.32 g·kg-1（小麥秸稈）。控氮不控磷下PM 處理稻麥籽粒全磷含量稍高于CF 處理但差異不顯著（P>0.05），稻、麥秸稈全磷含量顯著高于CF 處理56.5%和77.4%（P<0.05）。

圖1 兩種有機無機肥配施方式下稻麥地上部生物量和全磷含量Figure 1 Aboveground biomass and total phosphorus content of crops under different organic substitution treatments

2.2 兩種有機無機肥配施對土壤磷養分含量的影響

土壤有效磷和總磷含量在不同的有機無機肥配施方式下的變化趨勢不同（表2）?？氐亓紫赂饔袡C無機肥配施處理土壤有效磷及總磷含量較CF處理均無顯著差異（P>0.05），稻季土壤有效磷含量為15.7~19.4 mg·kg-1，總磷含量為0.48~0.51 g·kg-1，麥季有效磷含量為18.0~24.8 mg·kg-1，總磷含量為0.46~0.50 g·kg-1。控氮不控磷下，PM 處理土壤有效磷和總磷含量均顯著高于CF處理（P<0.05），稻季有效磷和總磷含量分別高達132.3 mg·kg-1和2.03 g·kg-1，為CF 處理的2.70 倍和1.80 倍，麥季有效磷和總磷含量增至175.9 mg·kg-1和2.33 g·kg-1，比CF處理高2.15倍和1.75倍。

表2 兩種有機無機肥配施方式下稻麥季土壤磷含量Table 2 Soil phosphorus content under different organic substitution treatments

2.3 兩種有機無機肥配施對農田徑流磷損失的影響

不同有機無機肥配施方式對稻麥輪作農田徑流總磷濃度的影響有很大差異（圖2）。在控氮控磷條件下，各處理稻麥季農田徑流總磷濃度無顯著差異（P>0.05），CK、CF、OM、PM、CM 和DM 水稻季徑流總磷平均濃度依次為0.025、0.062、0.058、0.046、0.045 mg·L-1和0.029 mg·L-1，小麥季依次為0.027、0.031、0.027、0.038、0.030 mg·L-1和0.026 mg·L-1。在控氮不控磷條件下，PM 處理稻麥季徑流總磷平均濃度均顯著高于CF 處理（P<0.05），其中水稻季徑流總磷平均濃度為2.40 mg·L-1，小麥季徑流總磷平均濃度為0.68 mg·L-1，比CF處理分別高出72.2倍和20.8倍。

圖2 兩種有機無機肥配施方式下稻麥輪作農田徑流總磷濃度Figure 2 Average concentration of total phosphorus in runoff under different organic substitution treatments

2.4 兩種有機無機肥配施對稻麥輪作農田磷平衡的影響

表3 統計了稻麥輪作農田磷的輸入與輸出指標，可以看到磷的輸入主要為有機無機肥料，水稻秧苗、小麥種子及灌溉水帶入量較少，磷的輸出主要為稻麥籽粒、秸稈帶走和少量徑流?？氐豢亓子袡C無機肥配施下，PM 處理肥料帶入的磷量遠高于CF處理，稻、麥季分別達到100 kg·hm-2和107 kg·hm-2。磷的輸出主要取決于稻麥地上部生物吸收量，控氮控磷有機無機肥配施下，OM、PM 和CM 處理稻麥地上部吸磷量與CF處理無顯著差異（P>0.05），而DM處理則顯著低于CF 處理（P<0.05）；控氮不控磷配施中，PM 處理稻麥吸磷量均顯著高于CF 處理（P<0.05）。徑流磷流失量在控氮控磷條件下各處理無顯著差異（P>0.05），其中稻季磷流失量為0.05~0.11 kg·hm-2，麥季磷流失量為0.03~0.05 kg·hm-2；控氮不控磷條件下，PM 相較于CF 處理稻麥季累計徑流磷流失量高達5.14 kg·hm-2，為CF處理的50.4倍。

表3 兩種有機無機肥配施方式下各處理稻麥季磷的輸入與輸出量（kg·hm-2）Table 3 Input and output of phosphorus in rice and wheat season under different organic substitution treatments（kg·hm-2）

圖3 為不同有機無機肥配施下稻麥輪作農田磷平衡狀況?？氐豢亓讞l件下PM 處理稻、麥季磷平衡均表現為盈余狀態，分別達44.4 kg·hm-2和73.4 kg·hm-2，顯著高于CF 處理（P<0.05）；而稻麥周年PM 處理磷盈余量為118 kg·hm-2，比CF 處理高3.41 倍?？氐亓讞l件下各配施處理稻季磷平衡與CF處理無顯著差異（P>0.05），均表現為略虧缺狀態；OM、PM、CM、DM 處理麥季磷盈余量比CF 處理分別提高14.1%、18.8%、26.0%和75.2%，均處于磷盈余狀態；稻麥周年磷平衡OM、PM、CM和DM處理均略有盈余。

圖3 兩種有機無機配施方式下稻麥輪作農田磷平衡Figure 3 Soil phosphorus balance of rice-wheat rotation cropland under different organic substitution treatments

3 討論

磷平衡分析是評價農田磷養分管理可持續性的重要依據，也可為環境風險評估提供重要參考[19-20]?？茖W合理地減施化學肥料并保證作物高產穩產，維持土壤充足養分又不至于過量盈余，降低面源污染風險及優化資源配施，是有機無機肥配施可持續應用的原則。本研究表明，控氮控磷各有機無機肥配施處理中土壤磷均略有盈余，年盈余量為2.29~8.55 kg·hm-2，而控氮不控磷有機無機肥配施下磷年盈余量高達118 kg·hm-2。依據不同配施方式下各處理磷的輸入與輸出量（表3），控氮不控磷有機無機肥配施帶入的肥料磷是控氮控磷的3.96倍，而二者磷的輸出量基本穩定在同一范圍。因此，控氮控磷各有機無機肥配施處理均能使土壤磷平衡處于略盈余狀態，而控氮不控磷有機無機肥配施與控氮控磷相比，大量的磷肥投入會造成土壤磷過量累積。

土壤磷素累積是土壤磷含量升高的根本原因，但土壤磷含量變化對磷素累積量的響應關系因土壤類型、土地利用方式和施肥方式等不同而存在差異。有研究表明，土壤磷每盈余100 kg·hm-2，紅壤性水稻土有效磷增加0.4~3.2 mg·kg-1[9]，黃壤性水稻土有效磷可增加2.0~4.0 mg·kg-1[21]，黃壤旱地有效磷可增加5.6~21.4 mg·kg-1[22]。本研究中兩種有機無機肥配施方式下磷均有盈余，能保障作物磷吸收的持續供應，保證或提高作物產量，這與前人研究一致。李其勝等[23]發現有機無機肥配施處理相較于單施化肥土壤有效磷和全磷含量分別提高25.0%~33.0%和14.3%~15.4%；任科宇等[24]的研究表明有機肥替代與單施化肥相比水稻產量增加2.7%~4.7%；魯偉丹等[25]研究發現18%有機肥替代化學肥料可提高小麥有效分蘗，增加有效穗數，顯著提高小麥產量。有機肥能提高土壤有效磷水平的原因在于，其本身含有一部分易分解釋放的磷素，且帶入的有機磷礦化后釋放磷的過程中還會產生小分子有機酸等活性物質，從而促進土壤無機磷的溶解釋放[26-27]。另外有機肥中的磷多為有機磷或穩定性較高的磷組分，其轉化為作物可利用性磷的過程相對緩慢，因此可延長肥料磷的持效性。

合理的肥料運籌對土壤供磷和作物吸磷起到調控作用，有機無機肥配施既有速效無機養分促進作物分蘗，又有緩效有機養分滿足后期需求。本研究表明控氮不控磷有機無機肥配施顯著提高小麥產量和稻麥秸稈磷含量，這可能與有機無機肥配施改善作物葉片光合性能、促進籽粒灌漿有關[28-29]。但相比于控氮控磷，控氮不控磷有機無機肥配施能大幅增加土壤有效磷和全磷含量達176 mg·kg-1和2.33 g·kg-1，遠超作物正常生長發育所需的土壤磷水平。從磷平衡角度考慮，磷肥投入量應與作物吸收帶走量基本持平，而土壤磷素的適度盈余有助于提升土壤肥力。因此，控氮控磷有機無機肥配施可達到提升土壤肥力和作物產量的目的且不會造成過量磷累積。

土壤磷素過量累積是造成農田面源污染的主要因素[30-31]。肥料磷施入土壤后，大部分被土壤吸附固定，但隨著施入量的增加，土壤磷吸附位點逐漸飽和，無法被吸附固定的磷向水體遷移[32]。徑流磷損失只占農田磷輸出的小部分，但由于自然環境水體對磷素輸入的敏感性，農田磷素的遷移損失易產生水環境問題且過程復雜，目前衡量磷損失的環境風險指標還不完善[33-34]。在本研究中，控氮控磷有機無機肥配施較單施化肥均降低了稻季徑流磷損失；而控氮不控磷有機無機肥配施則顯著提高了徑流總磷濃度和徑流磷損失量。這一結果與郭智等[35]、馬凡凡[36]的研究結果一致。郭智等[35]的研究表明，豬糞有機肥等氮磷部分替代化肥的減排效果較好，在不影響水稻產量的前提下可降低總磷徑流流失率23.32%；馬凡凡[36]研究發現，等氮量豬糞有機肥替代處理磷素帶入量較高，特別是有機肥作為基肥一次性施入，作物生長發育前期對磷養分吸收能力低，因此部分磷素會迅速集中地隨徑流流失。這表明在一定量的施用范圍內，有機肥的緩釋性具有抵抗徑流磷損失風險的潛力[37]，從而降低徑流磷損失。本研究中控氮控磷有機無機肥配施稻麥周年土壤磷平衡表現為稍有盈余，徑流磷損失量低，可有效避免土壤磷素過量累積造成的資源浪費和環境風險。

磷平衡對農田磷養分管理和合理施磷具有重要意義，也可作為農田磷素損失的環境風險指標以提高環境風險評估的準確性[38]。因此，從維持作物高產和提升土壤肥力、降低土壤養分的環境損失和表觀盈余量等方面考慮，控氮控磷有機無機肥配施是更合理的有機無機肥配施方式。因試驗條件限制，本研究中控氮控磷有機無機肥配施處理進行到第4 年，下一步工作還需深入研究控氮控磷下不同有機肥類型及用量與化肥合理配施的長期效應。

4 結論

控氮控磷有機無機肥配施稻麥輪作周年磷平衡表現為略有盈余，且對徑流磷損失無顯著影響，而控氮不控磷有機無機肥配施稻麥輪作周年磷平衡及徑流磷損失均大幅增加，造成農田磷面源污染風險增加。因此，在采取有機無機肥配施時應考慮控制磷投入量，避免農田土壤磷過量累積和流失，以實現作物穩產的同時，兼顧優化肥料資源利用和降低環境風險。