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长期施肥褐土不同磷组分对磷素盈余的响应

杨振兴 周怀平 解文艳 刘志平

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长期施肥褐土不同磷组分对磷素盈余的响应

    作者简介: 杨振兴E-mail:yang1981che@163.com;
    通讯作者: 周怀平, E-mail:huaipingzhou@126.com
  • 基金项目: 山西省重点研发计划重点项目(201703D21102-3);山西省农业科学院农业科技创新研究课题(YCX2020425)。

Response of phosphorus components to phosphate surplus in cinnamon soil under long-term fertilization

    Corresponding author: ZHOU Huai-ping, E-mail:huaipingzhou@126.com ;
  • 摘要:   【目的】  研究褐土区玉米田长期不同磷源投入对土壤磷素形态和磷素累积的影响,通过对不同磷组分与磷素盈余之间进行相关性分析,研究不同施肥措施对土壤磷素形态转化的影响,为探索合理的磷肥调控措施,促进土壤中磷素向作物易于吸收的水溶态和碳酸氢钠溶解态转化,提高磷素利用效率提供依据。  【方法】  试验依托始于1992年位于山西省寿阳县北坪旱塬上的长期定位试验。9个施肥处理包括:无肥对照 (CK)、N1P1、N2P2、N3P3、N4P4、N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6,其中N1、N2、N3、N4分别为尿素N 60、120、180、240 kg/hm2,P1、P2、P3、P4分别为过磷酸钙P 16、33、49、66 kg/hm2,M为腐熟厩肥,M1、M2、M3、M6分别折合为施P量14、28、42和83 kg/hm2。1992—2016年,收获后取0—20 cm耕层土壤样品,分析土壤磷素形态及盈余量,并计算不同形态磷素与磷盈余量之间的相关性。  【结果】  连续施肥25年后,土壤磷组分发生了不同的变化,不施肥处理除H2O-Pi、Residual-P外,各形态磷较试验初均有降低。施用无机肥各处理主要增加了土壤中HCl-P含量,以N4P4处理提高幅度最大,比试验初提高了127.7%。有机肥投入可以显著提高土壤中的活性磷含量,高量施用有机肥后,H2O-P总含量较试验初提高了8倍之多,NaHCO3-Pi年增加速率为11.50 mg/(kg·a)。不同施肥各处理土壤磷素盈余量为N0P0M6 > N3P2M3 > N4P4 > N4P2M2 > N3P3 > N2P2 > N2P1M1 > N1P1 > CK。磷素盈余是土壤磷组分变化的重要影响因素,各形态磷组分对磷素累积量响应大小为NaHCO3-Pi > NaOH-Pi > HCl-P > NaHCO3-Po > Residual-P > H2O-Po > NaOH-Po > H2O-Pi。  【结论】  长期施肥使土壤各组分磷素含量发生了显著变化,有机无机肥配施有利于土壤中活性磷的转化,过量施磷导致磷素在土壤中大量盈余,高量施用有机肥磷素盈余量最大。当以无机肥投入时,施用过磷酸钙P 33 kg/(hm2·a)基本可以满足作物生长发育的要求。当有机无机肥配施时,施用过磷酸钙P 16 kg/(hm2·a),配施厩肥P 14 kg/(hm2·a) 时,土壤磷素盈余量最小。
  • 图 1  不同施肥处理0—20 cm土层H2O-Pi与H2O-Po含量年际动态变化

    Figure 1.  Annual dynamics of H2O-Pi and H2O-Po contents in 0–20 cm soil under different fertilization treatments

    图 2  不同施肥处理0—20 cm土层NaHCO3-Pi与NaHCO3-Po含量年际动态变化

    Figure 2.  Annual dynamics of NaHCO3-Pi and NaHCO3-Po contents in 0–20 cm soil under different fertilization treatments

    图 3  不同施肥处理0—20 cm土层NaOH-Pi与NaOH-Po含量年际动态变化

    Figure 3.  Annual dynamics of NaOH-Pi and NaOH-Po contents in 0–20 cm soil under different fertilization treatments

    图 4  不同施肥处理0—20 cm土层HCl-P和Residual-P含量年际动态变化

    Figure 4.  Annual dynamics of HCl-P and Residual-P contents in 0–20 cm soil under different fertilization treatments

    表 1  1992—2016年各处理年均磷养分投入量

    Table 1.  Annual P input in each treatment from 1992 to 2016

    处理
    Treatment
    化肥
    Inorganic P
    (kg/hm2)
    有机肥
    Manure
    (t/hm2)
    有机磷
    Organic P
    (kg/hm2)
    总磷量
    Total P
    (kg/hm2)
    CK0000
    N1P1160016
    N2P2330033
    N3P3490049
    N4P4660066
    N2P1M11622.51430
    N3P2M33367.54275
    N4P2M233452861
    N0P0M601358383
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    表 2  长期施肥25年后土壤磷素累积盈余 (P kg/hm2)

    Table 2.  Accumulated phosphorus surplus in soil after 25 years of long-term fertilization

    处理Treatment投入量Input携出量Output表观盈余量Apparent balance
    CK0248.82 ± 3.30 d–248.82 ± 3.30 f
    N1P1400427.73 ± 5.80 cd–27.73 ± 5.80 e
    N2P2825479.83 ± 5.17 c345.17 ± 5.17 d
    N3P31225476.60 ± 5.15 c748.40 ± 5.15 c
    N4P41650505.90 ± 5.62 bc1144.10 ± 5.62 b
    N2P1M1750550.89 ± 7.26 b199.11 ± 7.26 d
    N3P2M31850615.25 ± 8.68 ab1234.75 ± 8.68 b
    N4P2M21525636.73 ± 7.86 a888.27 ± 7.86 c
    N0P0M62075661.67 ± 8.30 a1413.33 ± 8.30 a
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 3  土壤各形态磷与磷素累积量 (y) 的相关系数和通径系数

    Table 3.  Correlation and path coefficients of P fractions to soil P accumulation

    自变量
    Variable
    ryipyiryipyi通径系数Path coefficient
    x1x2x3x4x5x6x7x8合计Sum
    x10.858–5.491–4.711–4.695–5.458–3.646–5.414–5.227–3.0151.516–25.939
    x20.621–0.024–0.015–0.024–0.025–0.012–0.022–0.023–0.0050.012–0.099
    x30.8484.1363.5074.1363.7242.6014.0283.9952.097–1.20319.378
    x40.6190.0490.0300.0490.0320.0460.0500.0450.040–0.0290.234
    x50.9012.5072.2592.5071.9782.4621.7342.4231.615–0.39912.321
    x60.843–0.539–0.454–0.539–0.468–0.543–0.346–0.539–0.2790.033–2.682
    x70.8540.2190.1870.2190.0750.2010.2140.2530.1970.0091.169
    x8–0.0660.0020.0000.0020.0030.002–0.0020.0010.0000.0000.005
    注(Note):ryi—相关系数 Correlation coefficient; pyi—通径系数 Path coefficient; ryipyi—变量对 R2 的总贡献 Total contribution of variable to R2; y—磷素当季累积量 Soil P accumulation for one season; x1x2x3x4x5x6x7x8 分别为 H2O-Pi、H2O-Po、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-P、Residual-P x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8 are H2O-Pi, H2O-Po, NaHCO3-Pi, NaHCO3-Po, NaOH-Pi, NaOH-Po, HCl-P and Residual-P, respectively.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-24
  • 网络出版日期:  2020-06-16
  • 刊出日期:  2020-05-01

长期施肥褐土不同磷组分对磷素盈余的响应

  • 基金项目: 山西省重点研发计划重点项目(201703D21102-3);山西省农业科学院农业科技创新研究课题(YCX2020425)。
  • 摘要:   【目的】  研究褐土区玉米田长期不同磷源投入对土壤磷素形态和磷素累积的影响,通过对不同磷组分与磷素盈余之间进行相关性分析,研究不同施肥措施对土壤磷素形态转化的影响,为探索合理的磷肥调控措施,促进土壤中磷素向作物易于吸收的水溶态和碳酸氢钠溶解态转化,提高磷素利用效率提供依据。  【方法】  试验依托始于1992年位于山西省寿阳县北坪旱塬上的长期定位试验。9个施肥处理包括:无肥对照 (CK)、N1P1、N2P2、N3P3、N4P4、N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6,其中N1、N2、N3、N4分别为尿素N 60、120、180、240 kg/hm2,P1、P2、P3、P4分别为过磷酸钙P 16、33、49、66 kg/hm2,M为腐熟厩肥,M1、M2、M3、M6分别折合为施P量14、28、42和83 kg/hm2。1992—2016年,收获后取0—20 cm耕层土壤样品,分析土壤磷素形态及盈余量,并计算不同形态磷素与磷盈余量之间的相关性。  【结果】  连续施肥25年后,土壤磷组分发生了不同的变化,不施肥处理除H2O-Pi、Residual-P外,各形态磷较试验初均有降低。施用无机肥各处理主要增加了土壤中HCl-P含量,以N4P4处理提高幅度最大,比试验初提高了127.7%。有机肥投入可以显著提高土壤中的活性磷含量,高量施用有机肥后,H2O-P总含量较试验初提高了8倍之多,NaHCO3-Pi年增加速率为11.50 mg/(kg·a)。不同施肥各处理土壤磷素盈余量为N0P0M6 > N3P2M3 > N4P4 > N4P2M2 > N3P3 > N2P2 > N2P1M1 > N1P1 > CK。磷素盈余是土壤磷组分变化的重要影响因素,各形态磷组分对磷素累积量响应大小为NaHCO3-Pi > NaOH-Pi > HCl-P > NaHCO3-Po > Residual-P > H2O-Po > NaOH-Po > H2O-Pi。  【结论】  长期施肥使土壤各组分磷素含量发生了显著变化,有机无机肥配施有利于土壤中活性磷的转化,过量施磷导致磷素在土壤中大量盈余,高量施用有机肥磷素盈余量最大。当以无机肥投入时,施用过磷酸钙P 33 kg/(hm2·a)基本可以满足作物生长发育的要求。当有机无机肥配施时,施用过磷酸钙P 16 kg/(hm2·a),配施厩肥P 14 kg/(hm2·a) 时,土壤磷素盈余量最小。

    English Abstract

    • 土壤磷素是作物必需的营养元素之一,也是农业生产中最重要的养分限制因子[1]。磷肥的施用可极大增加土壤磷素含量与供给能力,提高农业生产效益。然而,由于磷肥当季利用率较低[2]、极易被土壤固定等,磷素容易在土壤中大量累积[3],给农田土壤环境带来流失风险[4]。因此,了解土壤中磷素累积与形态转化特征,对于农田磷素科学管理至关重要。目前国内外已经进行了大量的关于土壤磷素累积[5-8]、组分变化[9-16]以及流失风险特征[17-18]的研究,结果表明,不同的土壤类型磷素累积对其组分变化影响存在差异。信秀丽等[7]在潮土上进行的21年试验结果表明,与施用有机肥相比,长期施用无机肥对土壤磷素累积贡献更大,显著增加了土壤全磷含量。黄庆海等[19]在红壤上进行的27年长期定位试验结果表明,与试验初期相比,在红壤中连续施用磷肥后土壤磷素积累量主要表现在0—20 cm土层,积累磷素转化为各组分以Fe-P最多。曹翠玉等[20]在黄潮土上进行的连续15年的试验结果表明,施用有机肥后,土壤有机磷各组分均有不同程度的提高,其中活性、中活性有机磷提高较多,而高稳性有机磷提高幅度较小。谢林花等[21]在石灰性土上进行的23年长期定位试验表明,长期不施肥处理活性及中活性有机磷含量较低,稳定性有机磷含量相对较高。尹金来等[22]在石灰性土壤上的研究发现,磷肥与有机肥配施会显著增加土壤中Ca2-P、Ca8-P、Al-P以及Fe-P的含量,对O-P含量的增加有促进作用。韩梅等[23]研究表明,在棕壤中施用不同种类的磷肥会使土壤中无机磷含量增加。由此可见,不同磷源投入与累积导致各种土壤类型磷素组分变化明显不同。

      褐土是山西省最主要的土壤类型之一,耕作土壤中有286.1万hm2是褐土,占全省耕地总面积的54.1%。刘蝴蝶等[24]对山西省主要类型耕作土壤肥力调查发现,褐土有效磷含量显著增加,较第二次土壤普查平均增加16.57 mg/kg,增幅达303.4%,长期过量施肥是导致褐土有效磷变化的主要原因。大量磷肥的投入必然造成土壤磷素累积,从而影响褐土磷组分变化。目前,关于长期不同施肥水平下褐土磷素盈余与不同磷素形态之间相关关系的研究还比较缺乏。本研究通过分析25年山西省寿阳县宗艾镇的肥料长期定位试验耕层土壤各组分磷素的演变,探讨在长期不同施肥水平下各形态磷素、磷素盈余的变化及两者之间的相关性,为褐土区农业生产和地力培育提供理论依据。

      • 长期定位施肥试验设在山西省寿阳县宗艾村国家旱作农业科技攻关试验区。试验区海拔1130 m,年均温7.6℃,大于10℃积温3400℃,无霜期135~140天,年均降雨量501.1 mm,年际变化较大,干燥度1.3,属半湿润偏旱区。供试土壤为褐土,土层深厚,质地为轻壤。1992年试验前耕层土壤 (0―20 cm) 主要化学性状为:有机质23.5 g/kg、全氮1.05 g/kg、全磷0.79 g/kg、碱解氮106 mg/kg、有效磷4.97 mg/kg、速效钾117 mg/kg、pH 8.4;土壤H2O-Pi、H2O-Po、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-P和Residual-P的含量分别为1.94、13.11、14.20、8.30、10.38、30.84、505.99和78.99 mg/kg。

        玉米田间管理按大田丰产要求进行,一年一季玉米,4月15—28日播种,9月20日—10月10日收获。玉米品种:1992—1995年为烟单14号;1996—2002年为晋单34号;2003—2011年为强盛31号,密度为5.20 × 104株/hm2;2012—2016年为晋单81号,密度为6.60 × 104株/hm2

      • 有机无机肥配施长期定位试验从1992年春开始,到2016年历时25年。试验采用氮、磷、有机肥三因素四水平正交设计,另设有对照和高量有机肥区,共18个处理,小区面积66.7 m2,随机排列,无重复。试验用氮肥为尿素 (N 46%),磷肥为普通过磷酸钙 (P2O5 14%),不施钾肥。有机肥为腐熟厩肥,含有机质90.5~127.3 g/kg、N 3.93~4.97 g/kg、P2O5 1.37~1.46 g/kg、K2O 14.1~34.3 g/kg。每年秋季结合耕翻将肥料一次性施入。1992—2016年各处理年均养分投入量见表1

        表 1  1992—2016年各处理年均磷养分投入量

        Table 1.  Annual P input in each treatment from 1992 to 2016

        处理
        Treatment
        化肥
        Inorganic P
        (kg/hm2)
        有机肥
        Manure
        (t/hm2)
        有机磷
        Organic P
        (kg/hm2)
        总磷量
        Total P
        (kg/hm2)
        CK0000
        N1P1160016
        N2P2330033
        N3P3490049
        N4P4660066
        N2P1M11622.51430
        N3P2M33367.54275
        N4P2M233452861
        N0P0M601358383
      • 以每5年为一个周期,在1996、2001、2006、2011、2016年玉米收获以后进行样品采集。由于试验设计较早,没有重复小区,为了克服没有重复的缺陷,将各试验处理小区等分为3个裂区。每个裂区按“S”形采集土壤样品,取5点为一个混合土样,采集深度为0—20 cm,同时收集了1992年的基础土样。植株样品为每年玉米成熟后按各处理3个裂区进行采集,每个裂区采集20株玉米植株,估算单位面积茎、叶、穗轴、籽粒的生物量。各处理的3个裂区的测定数据作为试验重复。

        各年度秋季玉米收获后采集并测定土壤和植株样品。测定的项目包括土壤不同磷组分含量及作物吸磷量。土壤磷分级釆用修正的Hedley磷分级方法。称取0.5 g过2 mm筛的风干样品置于50 mL离心管中,依次采用30 mL去离子水、0.5 mol/L NaHCO3溶液、0.1 mol/L NaOH溶液和1 mol/L HCl溶液浸提;每一步加入浸提液后振荡16 h (25℃,200 r/min),离心 (10000 r/min,10 min,0℃),之后收集上清液并过0.45 µm滤膜。土壤无机磷组分含量用钼锑抗比色法测定,各组分总磷含量用过硫酸铵氧化—钼锑抗比色法测定,各组分总磷与无机磷含量的差值即为有机磷的含量。HCl浸提后的土壤采用浓H2SO4–H2O2消化—钼锑抗比色法测定残余态磷 (Residual-P)含量。植物样品全磷含量采用H2SO4-H2O2消煮—钼锑抗比色法测定。

      • 作物磷携出量 (kg/hm2) = 籽粒产量 × 籽粒含磷量 + 秸秆产量 × 秸秆含磷量;

        累积磷素表观盈亏 (kg/hm2) = 累积施入土壤磷素总量 − 作物累积携出磷素总量;

        ${\rm{Po}} = {\rm{Pt}} - {\rm{Pi}} $

        式中,Pt代表不同组分总磷含量;Pi、Po分别代表土壤中不同组分的无机磷、有机磷含量。

        以各试验处理3个裂区测定土壤样品结果和植株样品结果作为3次重复进行统计分析,采用SPSS16软件系统进行数据方差分析和多重比较,采用Excel2007进行数据和图表处理。

      • H2O-P是活性最强的磷素形态,接近于径流中的生物有效磷,其含量过高易被淋洗或随径流流失,造成水体富营养化[25],H2O-Pi与H2O-Po是水溶态磷的组成部分。由图1可看出,两种磷形态年际变化差异明显。与试验开始时相比,连续施肥25年后各处理耕层土壤H2O-Pi含量均有所提高,CK由于没有外源磷输入,土壤H2O-Pi含量仅提高了0.83 mg/kg。当磷源以无机肥形式投入时,土壤H2O-Pi含量随无机肥投入量的增加而增加,N1P1、N2P2、N3P3、N4P4分别较试验初提高了1.08、12.79、11.97和28.44 mg/kg。当磷源以有机配施无机肥的形式输入时,施肥各处理土壤H2O-Pi含量随有机肥投入量的增加而显著增加(P < 0.05),N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2处理分别较试验开始时增加了9.56、60.20、52.39 mg/kg。与试验开始时相比,N0P0M6处理土壤H2O-Pi含量增加最为显著(P < 0.01),提高了91.09 mg/kg。除高量施用有机肥处理外,其他施肥处理土壤H2O-Po含量较试验开始时均有所降低。CK由于没有外源磷素的投入,25年后土壤H2O-Po含量下降幅度最大,下降了10.61 mg/kg;当磷源以无机肥投入时,N1P1、N2P2、N3P3、N4P4处理土壤H2O-Po含量下降了9.32、7.52、6.60和8.89 mg/kg。有机肥的投入减缓了土壤H2O-Po含量的下降速率,N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2处理土壤H2O-Pi含量分别较试验开始时下降了6.67、2.08、2.06 mg/kg。总体来看,有机肥对土壤磷素有较强的活化作用,施用高量有机肥后 (N0P0M6) 土壤水溶态磷含量较试验开始时提高了8倍之多,在土壤耕层的积累量也达到最大。经过25年的长期不同施肥,CK与N1P1处理耕层土壤H2O-Pi含量差异不显著,与N2P2、N3P3、N4P4、N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6处理之间达到显著性差异(P<0.05)。除高量有机肥N0P0M6处理外,各处理土壤H2O-Po含量差异不显著(P > 0.05),高量有机肥处理 (N0P0M6) 土壤中H2O-Po含量与各施肥处理达到显著性差异(P < 0.01)。

        图  1  不同施肥处理0—20 cm土层H2O-Pi与H2O-Po含量年际动态变化

        Figure 1.  Annual dynamics of H2O-Pi and H2O-Po contents in 0–20 cm soil under different fertilization treatments

        NaHCO3-P是活性较强的磷素形态,主要吸附在土壤表面,是作物吸收的主要形态。无机磷部分易于被作物吸收,有机磷部分易于矿化,短期内也能被作物所吸收[26]。碳酸氢钠提取态磷由NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po两种形态构成。由图2可看出,NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po两种形态磷随着施肥年限的增加而增加,变化趋势基本一致,各处理间差异显著(P < 0.05)。与试验开始时耕层土壤相比较,CK处理土壤NaHCO3-Pi含量下降了0.55 mg/kg,施肥对土壤中易于被植物吸收的NaHCO3-Pi含量影响较大,各处理耕层NaHCO3-Pi含量随着施肥年限的增加呈逐年增加的趋势。当磷源以无机肥投入时,施肥处理土壤NaHCO3-Pi含量会随着无机肥投入量的增加而增加,N1P1、N2P2、N3P3、N4P4处理土壤NaHCO3-Pi含量年增加速率分别为0.26、1.24、1.53、3.17 mg/(kg∙a)。有机无机肥配施对NaHCO3-Pi的提升幅度高于单施无机肥处理,各施肥处理土壤NaHCO3-Pi含量年增加速率为1.05~6.99 mg/(kg∙a),配施有机肥各处理年增加速率显著高于单施化肥处理(P<0.05)。施用高量有机肥土壤NaHCO3-Pi含量年增加速率最高,达11.50 mg/(kg∙a)。不同施肥处理对土壤NaHCO3-Po含量有显著影响(P < 0.05),与试验初相比,不施肥处理耕层土壤NaHCO3-Po含量增加了1.27 mg/kg。磷源以无机肥投入的N1P1、N2P2、N3P3、N4P4处理土壤NaHCO3-Po含量年增加速率分别为0.62、0.72、1.21、0.22 mg/(kg∙a),配施有机肥各处理年增加速率显著(P<0.05)高于单施化肥处理,其中N4P2M2处理最高,达到1.72 mg/(kg∙a),CK与其它施肥处理之间差异极显著(P < 0.01)。

        图  2  不同施肥处理0—20 cm土层NaHCO3-Pi与NaHCO3-Po含量年际动态变化

        Figure 2.  Annual dynamics of NaHCO3-Pi and NaHCO3-Po contents in 0–20 cm soil under different fertilization treatments

        NaOH-P稳定性相对较好,属于中等稳定态磷,主要指以化学作用吸附于铁铝氧化物表面的磷,虽然不能立即被植物利用,但在一定长时间内,通过各种生物、物理化学转化过程而成为被植物利用的状态[27]。NaOH-Pi与NaOH-Po构成氢氧化钠提取态磷。由图3可以看出,在连续施肥25年后,CK处理土壤NaOH-Pi含量趋于平衡,与试验初相比无明显变化,单施无机磷肥后,除N1P1处理外,各处理土壤NaOH-Pi含量随着磷肥投入量的增加均有一定程度的提升,N2P2、N3P3、N4P4处理分别较试验初提高了11.34、12.37和27.81 mg/kg,化肥配施有机肥后土壤NaOH-Pi含量增加幅度显著高于单施化肥处理(P < 0.05),并随着有机肥投入量的增加,土壤NaOH-Pi含量随之增加,N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2处理分别较试验初增加了13.55、48.38、42.94 mg/kg,而单施高量有机肥N0P0M6处理提升幅度最大,提高了5.9倍。各处理土壤NaOH-Po含量变化趋势与NaOH-Pi变化趋势基本相同,有机无机肥配施处理耕层土壤NaOH-Po含量增加速率显著高于单施无机肥各处理,高量有机肥N0P0M6处理年增加速率最高,达到3.86 mg/(kg∙a)。CK与N1P1处理之间土壤NaOH-Pi、NaOH-Po含量差异不显著,与其它处理之间差异均达到极显著水平(P < 0.01)。

        图  3  不同施肥处理0—20 cm土层NaOH-Pi与NaOH-Po含量年际动态变化

        Figure 3.  Annual dynamics of NaOH-Pi and NaOH-Po contents in 0–20 cm soil under different fertilization treatments

        HCl-P属于稳定态磷,与钙结合形成稳定矿物,在石灰性土壤中含量最大,属于潜在磷源之一,不易于被植物所吸收[28]。由图4可以看出,与试验初相比,CK、N1P1与N2P1M1处理土壤HCl-P含量分别降低了22.4%、14.1%和4.1%,当以无机肥投入时,HCl浸提态磷会随着磷素投入量的增加而增加,N2P2、N3P3、N4P4分别较试验开始时提高了337、426和646 mg/kg,以N4P4提高幅度最大,提高了127.7%。说明磷素以无机肥形式投入时,更容易被土壤所固定,不利于作物吸收。投入有机肥后有利于减少土壤稳定态磷的固定,高量有机肥N0P0M6处理磷素投入量为各处理最高,连续施肥25年后,土壤HCl-P含量较试验开始时仅提高了324 mg/kg;CK、N1P1、N2P1M1 3个处理的土壤HCl-P含量无明显变化,处理间差异不显著;其它处理HCl-P含量显著增加(P < 0.05),各处理间差异较小。

        图  4  不同施肥处理0—20 cm土层HCl-P和Residual-P含量年际动态变化

        Figure 4.  Annual dynamics of HCl-P and Residual-P contents in 0–20 cm soil under different fertilization treatments

        Residual-P为最稳定态磷,主要指固持较为紧密的磷酸盐[29],这种形态的磷极不容易被作物吸收。由图4可以看出,在连续施肥25年后,各处理耕层土壤Residual-P含量较试验开始时均有所提高。施用有机肥可以有效活化土壤中的Residual-P,高量施用有机肥N0P0M6处理土壤Residual-P含量为83.2 mg/kg,较试验初提高了5.3%。施用无机肥各处理土壤Residual-P含量高于有机无机肥配施处理,说明以磷素无机肥形式投入时,更容易被土壤所固定,不利于作物吸收。

      • 土壤磷素的盈余主要指施入土壤磷素总量与作物吸收磷量的差值[30]。环境中干湿沉降于土壤中的磷素较少,作物吸收的磷量主要来自于每年施入的磷肥和土壤磷库本身。

        表2数据表明,玉米吸磷量随生物量的增加而增多。CK处理携出量最低,但由于每年土壤中几乎没有磷素的补充,土壤含磷量逐渐降低。总体而言,随着磷素投入的增加,作物的携磷量呈现增加的趋势。N2P2处理与N2P1M1、N4P4与N4P2M2相比较,在施入磷素相差无几时,有机无机肥配施可以增加作物对磷的吸收量。有机肥可以为土壤提供大量阴离子与铁铝络合,释放与铁铝络合的磷素;提供有机酸降低土壤的pH,活化部分形态的磷;改善土壤结构,促进作物根系的生长,增加作物对磷素的吸收;增加土壤含碳量,提高C/P比,增加土壤微生物量,使土壤中的磷素向有效态转化,从而使作物对磷素携出量增加。单施无机肥处理中,N4P4处理盈余P量最大,年均盈余量为45.76 kg/(hm2∙a)。施用有机肥处理中,N0P0M6处理P携出量最高,但每年磷素投入量也最高,盈余量为各处理中最大,连续施肥25后,累积到土壤中的P达到1413.33 kg/hm2。N4P2M2与N3P2M3相比较,增加土壤的N/P,可以增加作物对磷素的携出量,一方面氮素投入导致土壤氮素有效性提高,提高作物产量对磷素的需求导致土壤中磷素向活性较高的形态转化;另一方面氮素投入改善土壤理化性质和微生物性质,引起土壤磷素形态向有效性较高的形态转化,减少土壤中磷素的盈余,减少对环境和水体的威胁。

        表 2  长期施肥25年后土壤磷素累积盈余 (P kg/hm2)

        Table 2.  Accumulated phosphorus surplus in soil after 25 years of long-term fertilization

        处理Treatment投入量Input携出量Output表观盈余量Apparent balance
        CK0248.82 ± 3.30 d–248.82 ± 3.30 f
        N1P1400427.73 ± 5.80 cd–27.73 ± 5.80 e
        N2P2825479.83 ± 5.17 c345.17 ± 5.17 d
        N3P31225476.60 ± 5.15 c748.40 ± 5.15 c
        N4P41650505.90 ± 5.62 bc1144.10 ± 5.62 b
        N2P1M1750550.89 ± 7.26 b199.11 ± 7.26 d
        N3P2M31850615.25 ± 8.68 ab1234.75 ± 8.68 b
        N4P2M21525636.73 ± 7.86 a888.27 ± 7.86 c
        N0P0M62075661.67 ± 8.30 a1413.33 ± 8.30 a
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 土壤磷素累积是各形态磷变化的重要影响因素,供试土壤8种磷形态与累积量间存在着一定的内在联系 (表3)。磷素累积与H2O-Pi、H2O-Po、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-P、Residual-P的相关系数分别为0.858、0.621、0.848、0.619、0.901、0.843、0.854和–0.006,由此可见,NaOH-Pi对磷素盈余的响应最强。

        表 3  土壤各形态磷与磷素累积量 (y) 的相关系数和通径系数

        Table 3.  Correlation and path coefficients of P fractions to soil P accumulation

        自变量
        Variable
        ryipyiryipyi通径系数Path coefficient
        x1x2x3x4x5x6x7x8合计Sum
        x10.858–5.491–4.711–4.695–5.458–3.646–5.414–5.227–3.0151.516–25.939
        x20.621–0.024–0.015–0.024–0.025–0.012–0.022–0.023–0.0050.012–0.099
        x30.8484.1363.5074.1363.7242.6014.0283.9952.097–1.20319.378
        x40.6190.0490.0300.0490.0320.0460.0500.0450.040–0.0290.234
        x50.9012.5072.2592.5071.9782.4621.7342.4231.615–0.39912.321
        x60.843–0.539–0.454–0.539–0.468–0.543–0.346–0.539–0.2790.033–2.682
        x70.8540.2190.1870.2190.0750.2010.2140.2530.1970.0091.169
        x8–0.0660.0020.0000.0020.0030.002–0.0020.0010.0000.0000.005
        注(Note):ryi—相关系数 Correlation coefficient; pyi—通径系数 Path coefficient; ryipyi—变量对 R2 的总贡献 Total contribution of variable to R2; y—磷素当季累积量 Soil P accumulation for one season; x1x2x3x4x5x6x7x8 分别为 H2O-Pi、H2O-Po、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-P、Residual-P x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8 are H2O-Pi, H2O-Po, NaHCO3-Pi, NaHCO3-Po, NaOH-Pi, NaOH-Po, HCl-P and Residual-P, respectively.

        利用回归分析和通径分析可将某一形态的磷对磷累积量的响应分解为直接作用 (直接通径系数) 和该形态磷通过其他形态磷对磷累积量的间接响应 (间接通径系数) 两部分,这两部分之和就代表该形态磷对磷累积量的总效应 (ryi),表示该形态磷和其他形态磷对磷素累积量的综合响应,使各形态磷组分和磷素累积的关系更加明确。

        土壤磷素累积与各形态磷组分的多元回归分析方程为:

        $ \begin{aligned} y = & - 1038.6 - 103.5{x_1}1.319{x_2} + 25.7{x_3} + 2.9{x_4} +\\ & 67.87{x_5} - 102{x_6} + 0.8{x_7} - 0.259{x_8}\\ & {(r = 0.993,F = 918.357)} \end{aligned} $

        回归方程参数中,P < 0.05,达到显著水平,说明磷素当季盈余量关于x1x2x3x4x5x6x7x8间的通径分析是有意义的。

        比较土壤磷各组分对磷素累积量的通径系数 (表3) 可以看出,各形态磷组分对磷素累积量响应顺序为:NaHCO3-Pi > NaOH-Pi > HCl-P > NaHCO3-Po > Residual-P > H2O-Po > NaOH-Po > H2O-Pi。NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-P、NaHCO3-Po、Residual-P对累积量响应直接通径系数为4.136、2.507、0.219、0.049、0.002,对磷素当季累积量具有正向直接响应,以NaHCO3-Pi的直接响应最大。H2O-Po、NaOH-Po、H2O-Pi的直接通径系数为–0.024、–0.539、–5.491,对磷素累积量具有负向直接效应。

        为了验证通径分析的结果,再进行逐步回归分析,最终得出逐步回归方程为:

        $ {y = - 702.184 + 16.031{x_3} + 0.986{x_5}}, { r = 0.926} $

        这进一步说明在褐土玉米田上,土壤磷素累积会造成NaHCO3-Pi、NaOH-Pi这两种形态的磷含量的大量增加。

      • 长期不同施肥会使土壤各形态磷含量产生不同程度的变化,在连续不施用磷肥情况下,土壤磷素处于耗竭状态,各形态磷素出现降低。赵靓等[31]在灰漠土上的研究结果表明,连续不施肥土壤Ca2-P和Ca8-P、Al-P、Ca10-P含量均在年际间呈降低趋势。本研究中,与试验前耕层土壤相比较,不施肥处理活性磷出现降低,稳定态磷素降低幅度最大,作物携出对土壤磷素组分变化影响较大,为维持作物生长基本需求,土壤稳定态磷向活性较强的磷素形态转化。大量研究结果表明,无机肥投入土壤后,容易与土壤中的铁、铝、钙等元素结合,主要转化为磷酸二钙 (CaHPO4)、磷酸八钙[Ca8H2 (PO4)6·5H2O],最后大部分形成稳定的难溶性磷固定于土壤中。柴博[32]在灰钙土上的研究表明,在增施磷肥的时候,无论单作还是间作,土壤中Resin-Pi、NaHCO3提取态无机磷和NaOH提取态无机磷含量都显著增加。也有研究结果显示,在添加无机磷肥条件下会使土壤中有机磷总量保持稳定或者有所增加[33]。本试验无机肥源为过磷酸钙,所以施用无机肥处理主要提高了褐土玉米田中稳定态磷。王旭东等[34]研究表明,多年施用有机肥可明显增加土壤有机磷含量,其中,活性、中活性、中稳性有机磷增加较多,有效磷和活性、中活性有机磷之间呈显著正相关。本试验有机肥为牛粪,经过25年连续施肥后,显著提高了活性较强的H2O-Pi、H2O-Po、NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po含量。活性磷的提高除满足作物对磷素的需求外,磷素随径流流失,极易引发环境污染。因此,通过合理施肥可以改善耕层土壤的不同磷组分含量,保证土壤对作物磷素的持续供应,促进农田土壤的可持续高效利用。

      • 土壤磷素累积与磷投入密切相关,当磷投入量相当于作物需磷量时可维持耕层土壤总磷库的平衡,高于作物需磷量时可增加耕层土壤磷库。本试验各处理在连续施肥25年后,土壤磷素盈余量大小为N0P0M6 > N3P2M3 > N4P4 > N4P2M2 > N3P3 > N2P2 > N2P1M1 > N1P1 > CK。叶会财等[35]的研究表明,不施肥处理土壤全磷含量保持稳定;而本研究结果表明,CK处理每年不施入磷肥,随着玉米作物对磷素的大量携出,耕层土壤磷素处于亏缺状态。单施无机肥N1P1、N2P2、N3P3、N4P4,随着施入磷肥量的增加,作物对磷的携出量增加,在土壤中磷素的盈余量也随之增多[36],这与杨军等[37]的研究结果一致。适当增加N/P值,可以提高作物对磷的吸收率,提高磷素的利用效率,这与严正娟[38]的研究结果一致。有机无机肥配施与单施无机肥相比较,在相同磷素投入水平下,有机无机肥配施可以通过改善土壤结构,改良土壤性质,促进作物对磷素的吸收,减少盈余磷素在土壤中的积累,这与张作新等[39]的研究结果相一致。向土壤中过量施入磷素,并不能使作物吸磷量成比例的增加。单施高量有机肥会造成磷素在土壤中大量积累,这与Sui等[40]的研究结果相一致。而且在盈余的磷中,活性较强的水溶态和碳酸氢钠溶解态磷所占比例较大,极易引起土壤中磷素淋失,造成磷素浪费,并且对环境造成破坏。

      • 土壤磷素累积是各形态磷变化的重要影响因素,通过25年耕层土壤磷素盈余和不同磷组分含量数据的总结,分析了不同磷组分与磷素盈余之间的线性关系,土壤磷素盈亏量与各组分磷素的增减呈现正相关关系,这与魏猛等[41]的研究结果相一致。比较土壤磷各组分对磷累积量的通径系数,各形态磷组分对磷素累积量响应大小顺序为NaHCO3-Pi > NaOH-Pi > HCl-P > NaHCO3-Po > Residual-P > H2O-Po > NaOH-Po > H2O-Pi。土壤磷素盈余量的增加会使稳定态磷素大幅度增加,磷素的当季利用率降低。主要是由于磷素在满足作物需求后会和土壤中大量的Ca、Mg离子结合,以难以被植物吸收的形态储存在土壤中。为此,我们可以有针对性的促使磷素向水溶态和NaHCO3溶解态转化,促进磷素的高效利用。

        有机无机肥配施可大幅提高土壤中水溶态磷和NaHCO3溶解态磷占土壤全磷的比例,增加作物携出的磷素含量,提高磷素当季利用效率。同时,应该适当增加N/P值,促进磷素向活性较强的方向转化,满足玉米高产对磷素需求的同时,不会对环境造成不良影响,从而实现磷素高效可持续利用。

      • 长期施肥使土壤各组分磷素含量发生了显著变化,有机无机肥配施有利于土壤中活性磷的转化,过量施磷导致磷素在土壤中大量盈余,施用高量有机肥磷盈余量最大,合理的有机无机肥配施可以降低磷素盈余量。当以无机肥投入时,施用过磷酸钙P 33 kg/(hm2·a) 时,基本可满足作物生长发育的需要。本研究中,N2P1M1处理施用过磷酸钙P 16 kg/(hm2·a),配施厩肥P 14 kg/(hm2·a) 时,土壤磷素盈余量最小。土壤磷素盈余与稳定态磷素的相关性最大,磷素盈余会使磷素的利用效率迅速降低。合理的有机无机肥配施可以改善土壤理化性质,提高作物对磷素的利用效率。

    参考文献 (41)

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