• ISSN 1008-505X
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氮磷配施对黄土高原旱作农业区典型农田土壤无机磷形态的影响

焦亚鹏 齐鹏 王晓娇 姚一铭 武均 蔡立群 张仁陟

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氮磷配施对黄土高原旱作农业区典型农田土壤无机磷形态的影响

    作者简介: 焦亚鹏E-mail:jypm1015@163.com;
    通讯作者: 齐鹏, E-mail:gsauqip@163.com
  • 基金项目: 甘肃农业大学学科建设基金(GAU-XKJS-2018-205);甘肃农业大学盛彤笙基金(GSAU-STS-1706);青年研究生导师扶持基金(GAU-QNDS-201704)。

Effects of nitrogen and phosphorus fertilization on inorganic phosphorus forms of typical farmland soil in the dry farming area of the Loess Plateau

    Corresponding author: QI Peng, E-mail:gsauqip@163.com ;
  • 摘要:   【目的】  探讨不同氮磷配施条件下土壤无机磷组分转化特征和无机磷组分转化的影响因素,为陇中黄土高原旱作农业区农田磷素的高效利用及农田养分平衡提供参考。  【方法】  基于2017年布设在陇中黄土高原定西市李家堡镇麻子川村的不同氮磷配施春小麦长期定位试验,氮 (N)、磷 (P2O5) 各设4个水平,分别为0、75.0、115.0、190.0 kg/hm2,两两正交共16个处理。使用顾益初-蒋柏藩法测定收获后耕层 (0―20 cm) 土壤中各形态无机磷组分含量以及环境因子 (土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷、pH、籽粒产量、地上部生物量、磷肥回收利用率、微生物量碳、氮、磷和碱性磷酸酶)。  【结果】  土壤无机磷组分变化顺序为Ca10-P > Ca8-P > O-P > Fe-P ≈ Al-P > Ca2-P,无机磷含量主要以Ca-P为主,Al-P、Fe-P、O-P 3种形态占无机磷总量的20%左右。施磷显著增加土壤各无机磷组分含量,施氮显著降低除O-P、Ca8-P外其它无机磷组分含量,使O-P显著增加。施氮对各无机磷组分比例变化影响较小,Ca2-P、Ca8-P占无机磷总量的比例随着施磷量的增加而增加,Ca10-P、O-P所占的比例随着施磷量的增加呈下降趋势。Fe-P占无机磷的比例随着施磷量的增加基本无变化。本研究土壤有效磷与Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P之间呈极显著正相关 (P < 0.01),与Al-P呈显著正相关 (P < 0.05),与Ca10-P相关性不显著 (P > 0.05)。通径分析结果显示,各形态无机磷对有效磷的直接贡献顺序为Ca2-P > O-P > Al-P > Ca10-P > Fe-P > Ca8-P,在本区Ca2-P是土壤有效磷的主要磷源,Ca8-P、Fe-P是潜在磷源。施氮显著提高了土壤有机碳、全氮、籽粒产量、地上部生物量及微生物量碳、氮、磷及碱性磷酸酶活性和磷肥回收利用率,降低了全磷、有效磷、pH。施磷显著提高了全氮、全磷、有效磷、籽粒产量、地上部生物量及微生物量碳、氮、磷及碱性磷酸酶活性,降低了有机碳。冗余分析结果显示,土壤有机碳是影响陇中黄土高原旱作春小麦农田耕层土壤无机磷组分变化的关键因子;Ca8-P与全氮、Al-P与磷肥回收利用率、O-P与籽粒产量、Fe-P与地上部生物量和碱性磷酸酶活性以及微生物量氮呈极显著正相关,土壤有机碳与各无机磷组分均呈负相关。  【结论】  氮磷配施能够促进土壤磷素的活化,提高可供植物直接利用的Ca2-P和具有缓效作用Ca8-P、Al-P的比例,降低了土壤中难溶性Ca10-P、O-P的比例,提升了土壤潜在供磷能力。土壤有机碳是调控该区耕层土壤磷组分转化的关键因子。
  • 图 1  顾益初–蒋柏藩法无机磷组分浸提步骤

    Figure 1.  Gu Yichu–Jiang Baifan's inorganic phosphorus extraction step

    图 2  不同水平氮、磷处理土壤中无机磷组分的百分比

    Figure 2.  Percentage of ach inorganic P fraction in soils applied with different levels of N and P

    图 3  氮磷配施土壤中无机磷组分的百分比

    Figure 3.  Percentage of each inorganic P fraction in soils applied with different N and P combination

    图 4  环境因子与土壤无机磷组分的冗余分析

    Figure 4.  Redundant analysis of environmental factors and soil inorganic phosphorus forms

    表 1  试验方案

    Table 1.  Experiment design

    处理
    Treatment
    NP2O5处理
    Treatment
    NP2O5
    (kg/hm2)(kg/hm2)
    N1P1 0 0N1P3 0115
    N2P1 75 0N2P3 75115
    N3P1115 0N3P3115115
    N4P1190 0N4P3190115
    N1P2 0 75N1P4 0190
    N2P2 75 75N2P4 75190
    N3P2115 75N3P4115190
    N4P2190 75N4P4190190
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    表 2  不同氮磷配施土壤中无机磷组分含量

    Table 2.  Contents of inorganic phosphorus fractions in soils under different N and P combination treatments

    处理
    Treatment
    无机磷组分Inorganic phosphorus forms (mg/kg) 总无机磷
    Total inorganic phosphorus
    Ca2-PCa8-PAl-PFe-PO-PCa10-P
    N133.40 a219.00 a38.94 a40.85 a60.28 c338.09 a730.97 a
    N228.27 b212.15 b37.90 b38.14 b60.37 c333.08 b709.92 b
    N327.82 b218.59 a36.22 c36.37 c61.08 b331.35 b712.91 b
    N425.76 c212.06 b37.65 b37.89 b62.02 a332.88 b708.26 b
    显著性Sig.*******************
    P121.47 d170.83 d32.31 d34.92 d58.08 c331.03 c648.63 d
    P228.07 c208.48 c38.53 b37.90 c59.66 b333.38 bc706.01 c
    P329.88 b221.96 b42.80 a39.43 b59.74 b334.08 b727.89 b
    P435.84 a262.03 a37.07 c41.01 a66.68 a336.90 a779.53 a
    显著性Sig.*******************
    N1P122.65 ± 0.89 h180.39 ± 2.06 h35.21 ± 0.29 h34.90 ± 0.52 e55.30 ± 0.38 g345.18 ± 3.01 a673.63 ± 1.41 h
    N2P121.97 ± 0.59 hi165.97 ± 3.62 i36.54 ± 0.02 fgh33.69 ± 0.21 f57.47 ± 0.29 f317.87 ± 2.24 e633.52 ± 4.99 j
    N3P121.15 ± 0.03 i165.97 ± 3.31 i28.63 ± 0.31 j33.06 ± 0.90 f57.67 ± 0.40 f321.96 ± 4.25 de628.45 ± 7.00 ij
    N4P120.13 ± 0.52 j170.99 ± 4.28 i28.84 ± 0.27 j38.00 ± 0.83 d61.88 ± 0.93 d339.10 ± 3.19 bc658.93 ± 7.27 hi
    N1P230.55 ± 0.30 e190.30 ± 3.35 g37.55 ± 0.04 ef41.07 ± 0.28 c59.47 ± 0.08 e345.68 ± 2.85 a704.62 ± 5.41 g
    N2P226.51 ± 0.32 f204.59 ± 2.68 f37.05 ± 1.25 fg37.49 ± 0.45 d57.37 ± 0.50 f337.58 ± 2.11 bc700.60 ± 4.77 g
    N3P230.71 ± 1.01 e236.12 ± 2.19 d43.45 ± 1.04 ab37.64 ± 0.31 d60.05 ± 0.54 e325.18 ± 1.94 d733.15 ± 3.20 de
    N4P224.50 ± 0.30 g202.91 ± 4.08 f36.06 ± 0.53 gh35.39 ± 0.71 e61.74 ± 0.81 d325.07 ± 1.65 d685.67 ± 6.24 g
    N1P335.59 ± 0.29 b222.84 ± 3.69 e44.43 ± 0.34 a42.37 ± 0.44 b59.59 ± 0.33 e319.40 ± 3.04 e724.21 ± 7.06 f
    N2P330.54 ± 0.27 e209.69 ± 3.73 f42.25 ± 1.51 bc40.77 ± 0.31 c59.57 ± 1.11 e334.71 ± 4.80 c717.53 ± 5.62 f
    N3P327.02 ± 0.32 f230.98 ± 2.48 de40.38 ± 1.55 d37.46 ± 0.44 d60.35 ± 0.74 e341.60 ± 2.87 ab737.79 ± 2.93 def
    N4P326.35 ± 0.28 f224.33 ± 11.77 e44.15 ± 0.45 a37.11 ± 0.58 d59.44 ± 1.86 e340.63 ± 3.84 ab732.01 ± 17.38 ef
    N1P444.83 ± 1.32 a282.48 ± 1.85 a38.59 ± 0.85 e45.05 ± 0.71 a68.38 ± 0.38 a342.09 ± 3.38 ab821.41 ± 1.31 a
    N2P434.07 ± 0.76 c268.36 ± 5.70 b35.74 ± 0.89 gh40.61 ± 0.52 c67.09 ± 0.84 ab342.15 ± 4.05 ab788.02 ± 10.60 b
    N3P432.41 ± 0.29 d247.27 ± 4.14 c32.40 ± 0.34 i37.30 ± 0.73 d66.24 ± 1.14 bc336.66 ± 1.11 bc752.27 ± 3.99 cd
    N4P432.06 ± 0.56 d250.01 ± 4.64 c41.56 ± 0.58 cd41.06 ± 0.71 c65.02 ± 0.38 c326.72 ± 1.84 d756.43 ± 5.90 c
    显著性Sig.*********************
    注(Note):表中数值均为平均值 ± 标准差 Data are mean ± SD (n = 3); 同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level; *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
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    表 3  不同氮磷处理下土壤化学性质

    Table 3.  Chemical properties of soil under different N and P combination treatments

    处理TreatmentSOC (g/kg)全氮Total N (g/kg)全磷Total P (mg/kg)Olsen-P (mg/kg)pH
    N19.29 c0.88 c942.00 a22.10 a8.46 a
    N29.57 a0.96 b911.60 b18.77 b8.42 b
    N39.64 a0.98 b904.80 c18.25 b8.41 b
    N49.47 b1.04 a902.56 c17.36 c8.41 b
    显著性Sig.*************
    P19.93 a0.90 c853.49 d14.33 d8.44 a
    P29.53 b0.95 b883.10 c17.78 c8.43 a
    P39.24 c0.99 a931.92 b20.52 b8.46 a
    P49.26 c1.02 a992.45 a23.87 a8.38 b
    显著性Sig.***************
    N1P19.85 ± 0.03 bc0.80 ± 0.002 g860.52 ± 1.12 h15.40 ± 0.89 ij8.48
    N2P19.96 ± 0.39 ab0.89 ± 0.013 f851.82 ± 2.31 ij14.58 ± 0.66 j8.44
    N3P110.11 ± 0.07 a0.91 ± 0.158 ef856.91 ± 1.93 hi14.16 ± 0.21 jk8.43
    N4P19.83 ± 0.05 bc0.99 ± 0.029 bcd844.72 ± 1.86 j13.15 ± 1.44 k8.41
    N1P29.37 ± 0.02 fgh0.90 ± 0.056 ef894.20 ± 12.06 f19.93 ± 0.20 de8.45
    N2P29.59 ± 0.03 de0.93 ± 0.030 def892.23 ± 10.27 f16.22 ± 0.60 hi8.42
    N3P29.74 ± 0.03 cd0.97 ± 0.045 cde875.94 ± 2.99 g17.62 ± 0.01 fgh8.38
    N4P29.43 ± 0.01 efg1.01 ± 0.007 bcd870.01 ± 3.23 g17.34 ± 0.78 gh8.45
    N1P39.17 ± 0.02 h0.87 ± 0.032 fg974.74 ± 2.72 c24.19 ± 0.37 b8.49
    N2P39.23 ± 0.01 gh0.97 ± 0.013 cde917.79 ± 8.16 de20.58 ± 0.13 d8.45
    N3P39.30 ± 0.14 gh0.98 ± 0.022 cd911.54 ± 5.64 e18.99 ± 0.64 ef8.43
    N4P39.25 ± 0.08 gh1.15 ± 0.049 a923.61 ± 4.51 d18.30 ± 2.17 fg8.45
    N1P48.78 ± 0.05 i0.95 ± 0.004 def1038.55 ± 4.98 a28.87 ± 0.54 a8.42
    N2P49.51 ± 0.06 ef1.06 ± 0.008 b984.54 ± 3.14 b23.72 ± 0.28 b8.39
    N3P49.40 ± 0.02 efg1.04 ± 0.013 bc974.83 ± 2.18 c22.23 ± 0.73 c8.39
    N4P49.36 ± 0.05 fgh1.03 ± 0.012 bc971.90 ± 3.89 c20.66 ± 0.19 d8.31
    显著性Sig.**********ns
    注(Note):SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon; 表中数值均为平均值 ± 标准差 Data are mean ± SD (n = 3); 同列数据后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level; *—P < 0.05; ***—P < 0.001; ns —不显著 Not signifecant.
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    表 4  氮磷配施陇中旱作春小麦产量及土壤微生物学特性

    Table 4.  Yield of spring wheat and soil microbiological indices affected by different N and P combinationin Longzhong dryland area

    处理
    Treatment
    籽粒产量
    Grain yield
    (kg/hm2)
    地上部生物量
    Aboveground biomass
    (kg/hm2)
    REP
    (%)
    MBC
    (mg/kg)
    MBN
    (mg/kg)
    MBP
    (mg/kg)
    ALP
    [mg/ (g·24 h)]
    N11890.6 b4979.1 d235.2 c31.3 c7.6 c1.2 c
    N21925.6 ab5828.4 b242.4 bc33.5 b12.7 a1.5 c
    N31961.9 a6151.3 a256.4 a34.4 a13.3 a1.5 a
    N41951.6 a5627.1 c247.2 ab33.6 b11.7 b1.4 b
    显著性Sig.***************
    P11846.3 c5233.3 c237.1 c30.1 c9.0 d1.2 c
    P21896.2 b5311.4 c30.60 b248.6 b31.4 b9.8 c1.3 a
    P31928.0 b6117.7 a33.53 a262.3 a35.2 a11.3 b1.5 a
    P42058.9 a5923.5 b16.74 c233.2 c35.9 a15.2 a1.4 b
    显著性Sig.*********************
    N1P11815.4 a4726.4 ± 94.1 g241.3 ± 22.6 c28.9 ± 0.2 f4.6 ± 0.6 g1.1 ± 0.01 f
    N2P11849.1 a5526.7 ± 48.0 de239.0 ± 18.4 c31.6 ± 0.9 de9.1 ± 0.9 f1.1 ± 0.04 f
    N3P11893.0 a5422.5 ± 424.5 de237.0 ± 1.2 c32.5 ± 1.1 cd11.4 ± 0.5 de1.4 ± 0.02 bc
    N4P11827.8 a5257.7 ± 397.6 ef231.1 ± 8.6 c27.6 ± 1.2 f10. 8 ± 0.8 de1.3 ± 0.03 cd
    N1P21868.9 a4810.8 ± 111.7 g9.43 ± 2.75 f233.6 ± 4.6 c30.8 ± 0.8 e5.3 ± 1.1 g1.1 ± 0.02 ef
    N2P21912.9 a5378.1 ± 107.0 de32.74 ± 4.27 c236.4 ± 14.0 c32.9 ± 0.2 cd10.1 ± 0.7 ef1.5 ± 0.05 b
    N3P21930.6 a5559.1 ± 113.1 de38.26 ± 2.28 b251.6 ± 22.7 bc30.5 ± 0.3 e11.0 ± 0.7 de1.3 ± 0.02 d
    N4P21872.4 a5497.5 ± 136.7 de41.97 ± 4.46 b272.8 ± 8.7 b31.6 ± 1.3 de13.1 ± 0.7 c1.3 ± 0.04 de
    N1P31845.8 a4920.2 ± 68.2 fg9.90 ± 0.81 f238.2 ± 19.5 c33.7 ± 1.2 c10.0 ± 0.2 ef1.3 ± 0.05 d
    N2P31878.1 a6599.0 ± 360.9 b29.93 ± 1.50 cd250.6 ± 7.5 bc36.6 ± 0.2 b10.6 ± 0.6 de1.8 ± 0.08 a
    N3P31947.9 a7428.9 ± 418.4 a68.96 ± 2.45 a305.5 ± 3.5 a33.2 ± 0.5 c13.4 ± 0.4 c1.8 ± 0.12 a
    N4P32040.1 a5522.7 ± 165.9 de25.34 ± 4.02 de255.1 ± 24.2 bc37.4 ± 0.6 b11.2 ± 1.0 de1.3 ± 0.13 cd
    N1P42030.9 a5459.0 ± 206.4 de6.00 ± 2.77 f227.6 ± 9.2 c31.7 ± 0.3 de10.7 ± 0.6 de1.3 ± 0.09 cd
    N2P42062.2 a5809.7 ± 92.1 d7.76 ± 2.45 f243.8 ± 5.1 c32.9 ± 1.2 cd21.1 ± 1.3 a1.4 ± 0.15 bc
    N3P42076.2 a6194.6 ± 81.6 c28.37 ± 1.35 cde231.7 ± 4.4 c41.4 ± 1.3 a17.5 ± 0.4 b1.5 ± 0.04 b
    N4P42066.2 a6230.6 ± 160.7 bc24.84 ± 0.73 e229.6 ± 10.4 c37.8 ± 1.3 b11.7 ± 1.1 d1.5 ± 0.11 b
    显著性Sig.ns******************
    注(Note):表中数值均为平均值 ± 标准差 Data are mean ± SD (n = 3); REP—磷肥回收利用率 Apparent recovery efficiency of applied phosphorus; MBC—微生物量碳 Microbial biomass carbon; MBN—微生物量氮 Microbial biomass N; MBP—微生物量磷 Microbial biomass P; ALP—碱性磷酸酶活性 Alkaline phosphatase activity 同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level. *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001; ns — 不显著 Not significant.
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    表 5  土壤中各形态无机磷对土壤有效磷的通径分析

    Table 5.  Path analysis of various forms of inorganic phosphorus in soil on soil available phosphorus

    因变量
    Dependent variable
    自变量
    Independent variable
    ryiPyiryiPyi间接通径系数Indirect impact path coefficient
    →Ca2-P→Ca8-P→Al-P→Fe-P→O-P→Ca10-P总计Sum
    Olsen-PCa2-P0.97361.00600.9795–0.1543 0.0537–0.1001 0.15190.0163–0.0325
    Ca8-P0.8631–0.1781 –0.1537 0.87180.0510–0.0799 0.17830.02001.0412
    Al-P0.44510.11430.05090.4729–0.0794 –0.0551 –0.0032 –0.0044 0.3308
    Fe-P0.8605–0.1135 –0.0977 0.8870–0.1253 0.05550.13180.02500.9740
    O-P0.71990.21750.15660.7025–0.1460 –0.0017 –0.0688 0.01630.5024
    Ca10-P0.24800.07570.01880.2167–0.0470 –0.0067 –0.0375 0.04680.1723
    注(Note):ryi—相关系数 Correlation coefficient; Pyi—直接通径系数 Direct impact; ryiPyi—变量对 R2 的总贡献 Contribution of variables to R2.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-15
  • 网络出版日期:  2020-09-23
  • 刊出日期:  2020-08-31

氮磷配施对黄土高原旱作农业区典型农田土壤无机磷形态的影响

    作者简介:焦亚鹏E-mail:jypm1015@163.com
    通讯作者: 齐鹏, gsauqip@163.com
  • 1. 甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃兰州 730070
  • 2. 甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃兰州 730070
  • 3. 甘肃省节水农业工程技术研究中心,甘肃兰州 730070
  • 4. 甘肃农业大学管理学院,甘肃兰州 730070
  • 5. 甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院,甘肃兰州 730050
  • 基金项目: 甘肃农业大学学科建设基金(GAU-XKJS-2018-205);甘肃农业大学盛彤笙基金(GSAU-STS-1706);青年研究生导师扶持基金(GAU-QNDS-201704)。
  • 摘要:   【目的】  探讨不同氮磷配施条件下土壤无机磷组分转化特征和无机磷组分转化的影响因素,为陇中黄土高原旱作农业区农田磷素的高效利用及农田养分平衡提供参考。  【方法】  基于2017年布设在陇中黄土高原定西市李家堡镇麻子川村的不同氮磷配施春小麦长期定位试验,氮 (N)、磷 (P2O5) 各设4个水平,分别为0、75.0、115.0、190.0 kg/hm2,两两正交共16个处理。使用顾益初-蒋柏藩法测定收获后耕层 (0―20 cm) 土壤中各形态无机磷组分含量以及环境因子 (土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷、pH、籽粒产量、地上部生物量、磷肥回收利用率、微生物量碳、氮、磷和碱性磷酸酶)。  【结果】  土壤无机磷组分变化顺序为Ca10-P > Ca8-P > O-P > Fe-P ≈ Al-P > Ca2-P,无机磷含量主要以Ca-P为主,Al-P、Fe-P、O-P 3种形态占无机磷总量的20%左右。施磷显著增加土壤各无机磷组分含量,施氮显著降低除O-P、Ca8-P外其它无机磷组分含量,使O-P显著增加。施氮对各无机磷组分比例变化影响较小,Ca2-P、Ca8-P占无机磷总量的比例随着施磷量的增加而增加,Ca10-P、O-P所占的比例随着施磷量的增加呈下降趋势。Fe-P占无机磷的比例随着施磷量的增加基本无变化。本研究土壤有效磷与Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P之间呈极显著正相关 (P < 0.01),与Al-P呈显著正相关 (P < 0.05),与Ca10-P相关性不显著 (P > 0.05)。通径分析结果显示,各形态无机磷对有效磷的直接贡献顺序为Ca2-P > O-P > Al-P > Ca10-P > Fe-P > Ca8-P,在本区Ca2-P是土壤有效磷的主要磷源,Ca8-P、Fe-P是潜在磷源。施氮显著提高了土壤有机碳、全氮、籽粒产量、地上部生物量及微生物量碳、氮、磷及碱性磷酸酶活性和磷肥回收利用率,降低了全磷、有效磷、pH。施磷显著提高了全氮、全磷、有效磷、籽粒产量、地上部生物量及微生物量碳、氮、磷及碱性磷酸酶活性,降低了有机碳。冗余分析结果显示,土壤有机碳是影响陇中黄土高原旱作春小麦农田耕层土壤无机磷组分变化的关键因子;Ca8-P与全氮、Al-P与磷肥回收利用率、O-P与籽粒产量、Fe-P与地上部生物量和碱性磷酸酶活性以及微生物量氮呈极显著正相关,土壤有机碳与各无机磷组分均呈负相关。  【结论】  氮磷配施能够促进土壤磷素的活化,提高可供植物直接利用的Ca2-P和具有缓效作用Ca8-P、Al-P的比例,降低了土壤中难溶性Ca10-P、O-P的比例,提升了土壤潜在供磷能力。土壤有机碳是调控该区耕层土壤磷组分转化的关键因子。

    English Abstract

    • 磷素既是作物生长发育必需的也是限制作物优质高产的营养元素之一[1]。在我国北方石灰性土壤中磷素主要以无机形态存在,约占土壤全磷含量的70%~80%[2-3]。然而,磷素在施入土壤后大部分被土壤吸附固定转化为缓效态和高稳态积累在土壤中。国内外的研究结果均表明,磷肥的当季利用率一般仅为10%~25%[4],有近75%~90%的磷积累在土壤中,形成了一个巨大的潜在磷库,其数量相当可观,在造成磷肥巨大浪费的同时也带来了环境风险。磷养分资源的综合管理是协调作物高产和环境友好的关键所在,获取土壤中磷组分信息对于提高土壤磷的利用率具有重要意义[5]。如何利用积累的养分库达到节省化肥、提高作物产量和减少环境污染,对促进农业的持续发展具有重要的意义。

      利用顾益初-蒋柏藩法[6]可将石灰性土壤的无机磷按照其对植物有效性的大小和溶解性的不同而进行分级,被广泛用于农田、草地、森林和湿地土壤无机磷形态的研究中[7-10]。海龙[11]在陇中黄土高原不同耕作方式对磷组分的研究中得出,土壤无机磷组分含量变化顺序为Ca10-P > Ca8-P > O-P > Fe-P > Al-P > Ca2-P,无机磷组分主要以Ca10-P为主,约占总无机磷的50%。王海龙[12]在山东潮土上的研究结果表明,施用磷肥可提高Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P占无机磷总量的相对比例,Ca2-P、Ca8-P是有效磷的主要磷源。影响土壤磷素转化与有效性的因素十分复杂,主要包括土壤理化性质、环境因子与管理措施等[7, 12-18]。pH与土壤无机磷组分含量特别是Fe-P和Al-P的含量呈显著相关。刘旭军等[19]研究发现,土壤有机质是影响华北落叶松人工林表层土壤磷组分变化的关键因子。长期施肥,不仅能促进土壤酸化,而且还会促进作物根系对磷素的活化与吸收,导致残存在土壤中的难溶态磷素含量降低[20]。土壤微生物不仅是土壤活性磷库的重要来源之一,可以吸收利用土壤中的无机磷,避免其被土壤吸附固定,而且土壤微生物分泌的磷酸酶对土壤磷素起到了活化作用,提高了土壤磷素的有效性[19]

      长期以来,由于黄土高原的特殊性质和人类活动的影响[21],导致该区土壤中有效磷含量较低,为了增加磷供应而施入大量化学肥料,这虽然可以使作物产量增加,但同时也加大了土壤对磷素的吸附固定,进而降低磷肥利用效率,形成恶性循环[22]。科学合理施肥是改善土壤质量,提高作物产量的有效措施[23]。多年来,有关学者对该区磷素的分级、迁移转化、空间分布及生物有效性等做了一些研究,但对于不同氮磷配施对农田耕层各形态土壤无机磷影响的研究较少。本研究以甘肃陇中黄土高原旱作小麦农田为研究对象,通过对土壤各形态无机磷赋存状况及其与环境因素之间关系的研究,探究氮磷配施对土壤无机磷组分转化及其影响机制,在实践上为作物生产可持续发展中合理施肥、提高化肥的经济和生态效益提供理论依据,为充分挖掘土壤磷素的生产潜力提供技术支持。

      • 试区位于陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的甘肃省定西市李家堡镇麻子川村 (35°28′N,104°44′E)。试验区农田土壤为典型的黄绵土,质地均匀、土质绵软。平均海拔2000 m,无霜期140天,年均日照时数2476.6 h,年均太阳辐射594.7 kJ/cm2,年均气温6.4℃,≥ 0℃积温2933.5℃,≥ 10℃积温2239.1℃,属中温带半干旱区;多年平均降水390.9 mm,年蒸发量1531.0 mm,80%保证率的年降水量为365.0 mm,变异系数为24.3 %,为典型的雨养农业区。

      • 本试验2017年布置在甘肃省安定区李家堡镇麻子川村,氮 (N)、磷 (P2O5) 各设4个水平,分别为0、75.0、115.0、190.0 kg/hm2,依次记为N1、N2、N3、N4,P1、P2、P3、P4,共16个处理组合 (表1),试验设3次重复,小区面积27 m2 (4.5 m × 6 m),随机完全区组排列。氮肥为尿素 (N 46%)、磷肥为过磷酸钙 (P2O5 12%),于播种前作基肥一次性施入,不追肥。播种行长5 m,留下1 m不播种 (但正常施肥)。前茬作物收获后三耕两耱,于2019年3月下旬播种,7月下旬收获,播种量187.5 kg/hm2,行距20 cm,播深7 cm。试区土壤基本理化性质:pH 8.45、有机碳8.32 g/kg、全氮0.86 g/kg、全磷0.82 g/kg、全钾28.00 g/kg、碱解氮51.1 mg/kg、有效磷21.2 mg/kg、速效钾101 mg/kg,0—200 cm平均土壤容重1.17 g/cm3

        表 1  试验方案

        Table 1.  Experiment design

        处理
        Treatment
        NP2O5处理
        Treatment
        NP2O5
        (kg/hm2)(kg/hm2)
        N1P1 0 0N1P3 0115
        N2P1 75 0N2P3 75115
        N3P1115 0N3P3115115
        N4P1190 0N4P3190115
        N1P2 0 75N1P4 0190
        N2P2 75 75N2P4 75190
        N3P2115 75N3P4115190
        N4P2190 75N4P4190190
      • 于2019年7月28日小麦收获后,在每个试验小区内采用五点法分别采集各小区0—20 cm耕层土样,充分混匀,挑除其中的可见根和植物残体,其中1000 g供试土样风干后过2 mm筛用于测定土壤全量养分、磷组分等指标;500 g供试土样低温 (4℃)冷藏,用于测定土壤微生物量、酶活性等指标。于2019年7月25日小麦收获前,每个小区随机选取20株小麦,带回实验室后用去离子水洗净后将样品籽粒和秸秆分离,105℃烘30 min,80℃烘干至恒重后称量计算干物重,粉碎过0.25 mm筛后待测,各小区全区刈割。

        土壤pH采用土水比1∶2.5电位法测定[24];有机碳 (SOC) 采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定[24];全氮采用H2SO4消煮―凯氏定氮法测定[24];全磷采用H2SO4-HClO4酸溶―钼锑抗比色法测定[25];土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸,0.5 mol/L K2SO4浸提 (土水比1∶4),碳氮联合分析仪 (Jena multi N/C 2100s,Germany) 测定,换算系数为0.38、0.45[26-27];土壤微生物量磷采用氯仿熏蒸,0.5 mol/L NaHCO3浸提 (土水比1∶20),采用全自动间断化学分析仪 (Smart chem H140,Italy) 测定,换算系数为0.40[28];土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[27, 29];植株各器官磷采用H2SO4-H2O2消煮―钒钼黄比色法[24]测定;土壤有效磷 (Olsen-P) 含量采用Olsen方法测定[25]

        磷肥回收利用率 (%) = (施肥作物地上部吸磷量 − 未施肥作物地上部吸磷量) /磷肥施用量 × 100

        土壤无机磷组分按照顾益初-蒋柏藩法 (图1)[6, 25],分为6级:Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P与Ca10-P。

        图  1  顾益初–蒋柏藩法无机磷组分浸提步骤

        Figure 1.  Gu Yichu–Jiang Baifan's inorganic phosphorus extraction step

      • 用Excel 2016和SPSS 18.0进行试验数据统计分析,使用SigmaPlot 14.0作图,采用双因素方差分析 (Two-way ANOVA)检验各无机磷组分不同氮磷配施处理间的显著性。不同处理间采用Duncan’ s法检验各处理平均值在的差异显著性 (P < 0.05)。此外,用Canoco 5.0软件冗余分析 (RDA) 板块分析不同氮磷配施处理土壤无机磷组分和相应环境变量 (化学性质、酶活性和微生物生物量) 之间的关系。

      • 表2可知,土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P、总无机磷含量变化范围为20.13~44.83、165.97~282.48、28.63~44.43、33.06~45.05、55.30~68.38、317.87~345.68、628.45~821.41 mg/kg。土壤无机磷组分含量变化顺序为Ca10-P > Ca8-P > O-P > Fe-P≈Al-P > Ca2-P。

        表 2  不同氮磷配施土壤中无机磷组分含量

        Table 2.  Contents of inorganic phosphorus fractions in soils under different N and P combination treatments

        处理
        Treatment
        无机磷组分Inorganic phosphorus forms (mg/kg) 总无机磷
        Total inorganic phosphorus
        Ca2-PCa8-PAl-PFe-PO-PCa10-P
        N133.40 a219.00 a38.94 a40.85 a60.28 c338.09 a730.97 a
        N228.27 b212.15 b37.90 b38.14 b60.37 c333.08 b709.92 b
        N327.82 b218.59 a36.22 c36.37 c61.08 b331.35 b712.91 b
        N425.76 c212.06 b37.65 b37.89 b62.02 a332.88 b708.26 b
        显著性Sig.*******************
        P121.47 d170.83 d32.31 d34.92 d58.08 c331.03 c648.63 d
        P228.07 c208.48 c38.53 b37.90 c59.66 b333.38 bc706.01 c
        P329.88 b221.96 b42.80 a39.43 b59.74 b334.08 b727.89 b
        P435.84 a262.03 a37.07 c41.01 a66.68 a336.90 a779.53 a
        显著性Sig.*******************
        N1P122.65 ± 0.89 h180.39 ± 2.06 h35.21 ± 0.29 h34.90 ± 0.52 e55.30 ± 0.38 g345.18 ± 3.01 a673.63 ± 1.41 h
        N2P121.97 ± 0.59 hi165.97 ± 3.62 i36.54 ± 0.02 fgh33.69 ± 0.21 f57.47 ± 0.29 f317.87 ± 2.24 e633.52 ± 4.99 j
        N3P121.15 ± 0.03 i165.97 ± 3.31 i28.63 ± 0.31 j33.06 ± 0.90 f57.67 ± 0.40 f321.96 ± 4.25 de628.45 ± 7.00 ij
        N4P120.13 ± 0.52 j170.99 ± 4.28 i28.84 ± 0.27 j38.00 ± 0.83 d61.88 ± 0.93 d339.10 ± 3.19 bc658.93 ± 7.27 hi
        N1P230.55 ± 0.30 e190.30 ± 3.35 g37.55 ± 0.04 ef41.07 ± 0.28 c59.47 ± 0.08 e345.68 ± 2.85 a704.62 ± 5.41 g
        N2P226.51 ± 0.32 f204.59 ± 2.68 f37.05 ± 1.25 fg37.49 ± 0.45 d57.37 ± 0.50 f337.58 ± 2.11 bc700.60 ± 4.77 g
        N3P230.71 ± 1.01 e236.12 ± 2.19 d43.45 ± 1.04 ab37.64 ± 0.31 d60.05 ± 0.54 e325.18 ± 1.94 d733.15 ± 3.20 de
        N4P224.50 ± 0.30 g202.91 ± 4.08 f36.06 ± 0.53 gh35.39 ± 0.71 e61.74 ± 0.81 d325.07 ± 1.65 d685.67 ± 6.24 g
        N1P335.59 ± 0.29 b222.84 ± 3.69 e44.43 ± 0.34 a42.37 ± 0.44 b59.59 ± 0.33 e319.40 ± 3.04 e724.21 ± 7.06 f
        N2P330.54 ± 0.27 e209.69 ± 3.73 f42.25 ± 1.51 bc40.77 ± 0.31 c59.57 ± 1.11 e334.71 ± 4.80 c717.53 ± 5.62 f
        N3P327.02 ± 0.32 f230.98 ± 2.48 de40.38 ± 1.55 d37.46 ± 0.44 d60.35 ± 0.74 e341.60 ± 2.87 ab737.79 ± 2.93 def
        N4P326.35 ± 0.28 f224.33 ± 11.77 e44.15 ± 0.45 a37.11 ± 0.58 d59.44 ± 1.86 e340.63 ± 3.84 ab732.01 ± 17.38 ef
        N1P444.83 ± 1.32 a282.48 ± 1.85 a38.59 ± 0.85 e45.05 ± 0.71 a68.38 ± 0.38 a342.09 ± 3.38 ab821.41 ± 1.31 a
        N2P434.07 ± 0.76 c268.36 ± 5.70 b35.74 ± 0.89 gh40.61 ± 0.52 c67.09 ± 0.84 ab342.15 ± 4.05 ab788.02 ± 10.60 b
        N3P432.41 ± 0.29 d247.27 ± 4.14 c32.40 ± 0.34 i37.30 ± 0.73 d66.24 ± 1.14 bc336.66 ± 1.11 bc752.27 ± 3.99 cd
        N4P432.06 ± 0.56 d250.01 ± 4.64 c41.56 ± 0.58 cd41.06 ± 0.71 c65.02 ± 0.38 c326.72 ± 1.84 d756.43 ± 5.90 c
        显著性Sig.*********************
        注(Note):表中数值均为平均值 ± 标准差 Data are mean ± SD (n = 3); 同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level; *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.

        所有无机磷组分施氮水平和施磷水平的主效应和交互效应的P值均小于0.05,因此可以认为施氮和施磷及其交互效应均能对无机磷组分产生影响 (P < 0.05)。施氮使Ca2-P、Al-P、Fe-P、Ca10-P、总无机磷的含量显著降低。Ca8-P、总无机磷含量随施氮量的增加先减小后增加然后又降低;Al-P、Fe-P、Ca10-P含量随施氮量的增加先减小后增加,N3处理最小,N1处理最大;Ca2-P随施氮量的增加而减小;O-P随施氮量的增加而增加。除O-P外其余各无机磷组分含量均在N1处理达到最大。施磷显著增加所有无机磷组分,除Al-P在P3处理时最大,其余无机磷组分含量P4处理最大。

        图2图3可知,所有处理土壤无机磷组分均以Ca10-P为主,约占总量的50%。施氮量对各形态无机磷组分比例影响较小。施磷肥增加了Ca2-P、Ca8-P比例,O-P、Ca10-P比例降低,Al-P比例先增加后减小,P3处理最大,P4处理最小,Fe-P占比变化不明显。其余各处理Ca2-P、Ca8-P较P1处理分别增加了20.08%~38.87%、12.12%~27.73%;其余各处理O-P、Ca10-P比例较P1处理分别降低了4.47%~8.34%、7.48%~15.32%;Al-P比例P3处理较P1处理增加18.07%,P4处理较P1处理降低4.51%。氮磷配施下,Ca8-P和Ca10-P变动幅度最大。

        图  2  不同水平氮、磷处理土壤中无机磷组分的百分比

        Figure 2.  Percentage of ach inorganic P fraction in soils applied with different levels of N and P

        图  3  氮磷配施土壤中无机磷组分的百分比

        Figure 3.  Percentage of each inorganic P fraction in soils applied with different N and P combination

      • 表3可知,土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷含量施氮水平和施磷水平的主效应和交互效应的P值均小于0.05,因此可以认为施氮和施磷及其交互效应均能对土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷含量产生影响 (P < 0.05)。土壤pH主效应差异显著 (P < 0.05),交互效应差异不显著。不同处理的土壤有机碳含量居于8.78~10.11 g/kg,随着施氮量的增加土壤有机碳含量先增加后减小,N3处理最大,随施磷量的增加先减小后增加,P3处理最小;全氮含量为0.80~1.15 g/kg,随着施氮、磷量的增加而增加;全磷含量为844.72~1038.55 mg/kg,随施氮量的增加而减小,随施磷量的增加而增加;有效磷含量为13.15~28.87 mg/kg,变化趋势与全磷一致。pH为8.31~8.49,施氮显著降低了pH (P < 0.05)。

        表 3  不同氮磷处理下土壤化学性质

        Table 3.  Chemical properties of soil under different N and P combination treatments

        处理TreatmentSOC (g/kg)全氮Total N (g/kg)全磷Total P (mg/kg)Olsen-P (mg/kg)pH
        N19.29 c0.88 c942.00 a22.10 a8.46 a
        N29.57 a0.96 b911.60 b18.77 b8.42 b
        N39.64 a0.98 b904.80 c18.25 b8.41 b
        N49.47 b1.04 a902.56 c17.36 c8.41 b
        显著性Sig.*************
        P19.93 a0.90 c853.49 d14.33 d8.44 a
        P29.53 b0.95 b883.10 c17.78 c8.43 a
        P39.24 c0.99 a931.92 b20.52 b8.46 a
        P49.26 c1.02 a992.45 a23.87 a8.38 b
        显著性Sig.***************
        N1P19.85 ± 0.03 bc0.80 ± 0.002 g860.52 ± 1.12 h15.40 ± 0.89 ij8.48
        N2P19.96 ± 0.39 ab0.89 ± 0.013 f851.82 ± 2.31 ij14.58 ± 0.66 j8.44
        N3P110.11 ± 0.07 a0.91 ± 0.158 ef856.91 ± 1.93 hi14.16 ± 0.21 jk8.43
        N4P19.83 ± 0.05 bc0.99 ± 0.029 bcd844.72 ± 1.86 j13.15 ± 1.44 k8.41
        N1P29.37 ± 0.02 fgh0.90 ± 0.056 ef894.20 ± 12.06 f19.93 ± 0.20 de8.45
        N2P29.59 ± 0.03 de0.93 ± 0.030 def892.23 ± 10.27 f16.22 ± 0.60 hi8.42
        N3P29.74 ± 0.03 cd0.97 ± 0.045 cde875.94 ± 2.99 g17.62 ± 0.01 fgh8.38
        N4P29.43 ± 0.01 efg1.01 ± 0.007 bcd870.01 ± 3.23 g17.34 ± 0.78 gh8.45
        N1P39.17 ± 0.02 h0.87 ± 0.032 fg974.74 ± 2.72 c24.19 ± 0.37 b8.49
        N2P39.23 ± 0.01 gh0.97 ± 0.013 cde917.79 ± 8.16 de20.58 ± 0.13 d8.45
        N3P39.30 ± 0.14 gh0.98 ± 0.022 cd911.54 ± 5.64 e18.99 ± 0.64 ef8.43
        N4P39.25 ± 0.08 gh1.15 ± 0.049 a923.61 ± 4.51 d18.30 ± 2.17 fg8.45
        N1P48.78 ± 0.05 i0.95 ± 0.004 def1038.55 ± 4.98 a28.87 ± 0.54 a8.42
        N2P49.51 ± 0.06 ef1.06 ± 0.008 b984.54 ± 3.14 b23.72 ± 0.28 b8.39
        N3P49.40 ± 0.02 efg1.04 ± 0.013 bc974.83 ± 2.18 c22.23 ± 0.73 c8.39
        N4P49.36 ± 0.05 fgh1.03 ± 0.012 bc971.90 ± 3.89 c20.66 ± 0.19 d8.31
        显著性Sig.**********ns
        注(Note):SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon; 表中数值均为平均值 ± 标准差 Data are mean ± SD (n = 3); 同列数据后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level; *—P < 0.05; ***—P < 0.001; ns —不显著 Not signifecant.
      • 表4可知,地上部生物量、磷肥回收利用率不同施氮磷水平的主效应和交互效应的P值均小于0.05,因此可以认为氮磷水平及其交互效应均能对地上部生物量、磷肥回收利用率产生影响 (P < 0.001)。籽粒产量主效应差异显著 (P < 0.05),交互效应差异不显著。籽粒产量变化范围为1815.4~2076.2 kg/hm2,随施氮量的增加先增加后减小,N3处理最大,N1处理最小,随施磷量的增加而增加;地上部生物量在4726.4~7428.9 kg/hm2变动,随施氮磷量的增加先增加后减小,且均在N3处理达到最大;磷肥回收利用率在6.00%~68.96%,各施磷处理为P3 > P2 > P4。地上部生物量、磷肥回收利用率均为N3P3处理最高。

        表 4  氮磷配施陇中旱作春小麦产量及土壤微生物学特性

        Table 4.  Yield of spring wheat and soil microbiological indices affected by different N and P combinationin Longzhong dryland area

        处理
        Treatment
        籽粒产量
        Grain yield
        (kg/hm2)
        地上部生物量
        Aboveground biomass
        (kg/hm2)
        REP
        (%)
        MBC
        (mg/kg)
        MBN
        (mg/kg)
        MBP
        (mg/kg)
        ALP
        [mg/ (g·24 h)]
        N11890.6 b4979.1 d235.2 c31.3 c7.6 c1.2 c
        N21925.6 ab5828.4 b242.4 bc33.5 b12.7 a1.5 c
        N31961.9 a6151.3 a256.4 a34.4 a13.3 a1.5 a
        N41951.6 a5627.1 c247.2 ab33.6 b11.7 b1.4 b
        显著性Sig.***************
        P11846.3 c5233.3 c237.1 c30.1 c9.0 d1.2 c
        P21896.2 b5311.4 c30.60 b248.6 b31.4 b9.8 c1.3 a
        P31928.0 b6117.7 a33.53 a262.3 a35.2 a11.3 b1.5 a
        P42058.9 a5923.5 b16.74 c233.2 c35.9 a15.2 a1.4 b
        显著性Sig.*********************
        N1P11815.4 a4726.4 ± 94.1 g241.3 ± 22.6 c28.9 ± 0.2 f4.6 ± 0.6 g1.1 ± 0.01 f
        N2P11849.1 a5526.7 ± 48.0 de239.0 ± 18.4 c31.6 ± 0.9 de9.1 ± 0.9 f1.1 ± 0.04 f
        N3P11893.0 a5422.5 ± 424.5 de237.0 ± 1.2 c32.5 ± 1.1 cd11.4 ± 0.5 de1.4 ± 0.02 bc
        N4P11827.8 a5257.7 ± 397.6 ef231.1 ± 8.6 c27.6 ± 1.2 f10. 8 ± 0.8 de1.3 ± 0.03 cd
        N1P21868.9 a4810.8 ± 111.7 g9.43 ± 2.75 f233.6 ± 4.6 c30.8 ± 0.8 e5.3 ± 1.1 g1.1 ± 0.02 ef
        N2P21912.9 a5378.1 ± 107.0 de32.74 ± 4.27 c236.4 ± 14.0 c32.9 ± 0.2 cd10.1 ± 0.7 ef1.5 ± 0.05 b
        N3P21930.6 a5559.1 ± 113.1 de38.26 ± 2.28 b251.6 ± 22.7 bc30.5 ± 0.3 e11.0 ± 0.7 de1.3 ± 0.02 d
        N4P21872.4 a5497.5 ± 136.7 de41.97 ± 4.46 b272.8 ± 8.7 b31.6 ± 1.3 de13.1 ± 0.7 c1.3 ± 0.04 de
        N1P31845.8 a4920.2 ± 68.2 fg9.90 ± 0.81 f238.2 ± 19.5 c33.7 ± 1.2 c10.0 ± 0.2 ef1.3 ± 0.05 d
        N2P31878.1 a6599.0 ± 360.9 b29.93 ± 1.50 cd250.6 ± 7.5 bc36.6 ± 0.2 b10.6 ± 0.6 de1.8 ± 0.08 a
        N3P31947.9 a7428.9 ± 418.4 a68.96 ± 2.45 a305.5 ± 3.5 a33.2 ± 0.5 c13.4 ± 0.4 c1.8 ± 0.12 a
        N4P32040.1 a5522.7 ± 165.9 de25.34 ± 4.02 de255.1 ± 24.2 bc37.4 ± 0.6 b11.2 ± 1.0 de1.3 ± 0.13 cd
        N1P42030.9 a5459.0 ± 206.4 de6.00 ± 2.77 f227.6 ± 9.2 c31.7 ± 0.3 de10.7 ± 0.6 de1.3 ± 0.09 cd
        N2P42062.2 a5809.7 ± 92.1 d7.76 ± 2.45 f243.8 ± 5.1 c32.9 ± 1.2 cd21.1 ± 1.3 a1.4 ± 0.15 bc
        N3P42076.2 a6194.6 ± 81.6 c28.37 ± 1.35 cde231.7 ± 4.4 c41.4 ± 1.3 a17.5 ± 0.4 b1.5 ± 0.04 b
        N4P42066.2 a6230.6 ± 160.7 bc24.84 ± 0.73 e229.6 ± 10.4 c37.8 ± 1.3 b11.7 ± 1.1 d1.5 ± 0.11 b
        显著性Sig.ns******************
        注(Note):表中数值均为平均值 ± 标准差 Data are mean ± SD (n = 3); REP—磷肥回收利用率 Apparent recovery efficiency of applied phosphorus; MBC—微生物量碳 Microbial biomass carbon; MBN—微生物量氮 Microbial biomass N; MBP—微生物量磷 Microbial biomass P; ALP—碱性磷酸酶活性 Alkaline phosphatase activity 同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level. *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001; ns — 不显著 Not significant.
      • 表4可知,土壤微生物量碳、氮、磷及碱性磷酸酶活性的不同氮磷水平的主效应和交互效应的P值均小于0.05,因此可以认为氮磷水平及其交互效应均能对土壤微生物量碳、氮、磷及碱性磷酸酶活性产生影响 (P < 0.01)。微生物量碳含量和碱性磷酸酶活性变化范围分别为227.6~305.5 mg/kg DW、phenol 1.1~1.8 mg/(g·24 h) DW,均随施氮量的增加先增加后减小,N3处理最大,均随施磷量的增加先增加后减小,P3处理最大;微生物量氮、磷含量分别在27.6~41.4 mg/kg DW、4.6~21.1 mg/kg DW变动,均随施氮量的增加先增加后减小,N3处理最大,均随施磷量的增加而增加。

      • 在土壤磷循环中,不同组分无机磷和有效磷之间处于动态平衡,它们之间存在一定程度的相互影响和制约。本研究土壤有效磷与Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P之间呈极显著正相关 (P < 0.01),与Al-P呈显著正相关 (P < 0.05),与Ca10-P相关性不显著 (P > 0.05)。有效磷与Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P含量之间的相关系数分别为0.974、0.863、0.445、0.860、0.720和0.248。

        土壤各形态的无机磷之间处于一个动态平衡。简单相关分析无法完全了解土壤各组分磷对有效磷的贡献大小。为此采用通径分析研究各形态土壤无机磷对有效磷的贡献。通径分析可以说明不同无机磷形态对土壤有效磷具有直接影响,还是该形态通过影响其他形态的无机磷对有效磷产生间接影响。比较土壤各形态无机磷组分对有效磷的通径系数 (表5) 可看出,各形态无机磷对有效磷直接贡献顺序为:Ca2-P (1.0060) > O-P (0.2175) > Al-P (0.1143) > Ca10-P (0.0757) > Fe-P (−0.1135) > Ca8-P (−0.1781)。Ca2-P对有效磷的直接通径系数最大,说明其与有效磷的相关程度最高,表明Ca2-P是作物最有效的磷源。Ca2-P、Al-P、O-P、Ca10-P对有效磷具有正向直接效应,虽然Al-P、O-P与有效磷呈显著正相关,但直接效应较小,而Ca2-P对它们的间接通径系数较大,表明Ca2-P通过影响其他形态的无机磷对有效磷产生间接作用。Fe-P、Ca8-P对有效磷具有负向直接效应,但是Fe-P、Ca8-P与有效磷的相关系数为正,这主要是受Ca2-P、Al-P、O-P、Ca10-P的间接影响,表明这些无机磷组分通过影响其他形态的无机磷对有效磷产生间接作用。在对有效磷的影响上,各形态无机磷对有效磷的间接效应影响着各形态无机磷与有效磷最终的相关关系。Ca2-P不仅直接效应高,还通过间接作用影响其余5种形态无机磷,进而导致其余5种形态无机磷与有效磷间的相关系数也很高。由逐步回归分析可知,土壤有效磷与各形态无机磷组分的逐步回归方程:Olsen-P = 0.638×Ca2-P + 0.744,其中方程r=0.970,P<0.01,达到显著水平,逐步回归是有意义的。因此,Ca2-P是该区土壤有效磷的主要磷源。

        表 5  土壤中各形态无机磷对土壤有效磷的通径分析

        Table 5.  Path analysis of various forms of inorganic phosphorus in soil on soil available phosphorus

        因变量
        Dependent variable
        自变量
        Independent variable
        ryiPyiryiPyi间接通径系数Indirect impact path coefficient
        →Ca2-P→Ca8-P→Al-P→Fe-P→O-P→Ca10-P总计Sum
        Olsen-PCa2-P0.97361.00600.9795–0.1543 0.0537–0.1001 0.15190.0163–0.0325
        Ca8-P0.8631–0.1781 –0.1537 0.87180.0510–0.0799 0.17830.02001.0412
        Al-P0.44510.11430.05090.4729–0.0794 –0.0551 –0.0032 –0.0044 0.3308
        Fe-P0.8605–0.1135 –0.0977 0.8870–0.1253 0.05550.13180.02500.9740
        O-P0.71990.21750.15660.7025–0.1460 –0.0017 –0.0688 0.01630.5024
        Ca10-P0.24800.07570.01880.2167–0.0470 –0.0067 –0.0375 0.04680.1723
        注(Note):ryi—相关系数 Correlation coefficient; Pyi—直接通径系数 Direct impact; ryiPyi—变量对 R2 的总贡献 Contribution of variables to R2.
      • 冗余分析 (RDA) 结果(图4)显示,环境因子 (土壤基本化学性质、小麦产量、微生物特性) 对无机磷组分的解释率为87.4%,第一轴解释率为73.97%,第二轴解释率为7.42%。从图4还可以看出,Ca8-P与全氮、Al-P与磷肥回收利用率、O-P与籽粒产量、Fe-P与地上部生物量和碱性磷酸酶活性以及微生物量氮呈极显著正相关,有机碳与各无机磷组分均呈负相关。有机碳是影响无机磷组分变化的最重要因子,对方差的解释率为58.9%。环境变量对无机磷组分方差解释率大小顺序为有机碳 > 籽粒产量 > 全氮 > 微生物量磷 > 微生物量碳 > 微生物量氮 > 磷肥回收利用率 > 地上部生物量 > pH > 碱性磷酸酶活性。

        图  4  环境因子与土壤无机磷组分的冗余分析

        Figure 4.  Redundant analysis of environmental factors and soil inorganic phosphorus forms

      • 近年来国内学者采用顾益初-蒋柏藩无机磷分级的方法对土壤的磷素状况等方面做了大量的研究,结果表明我国北方石灰性土壤的无机磷含量主要以Ca-P为主,平均占无机磷总量的80%,其中又以Ca10-P占绝对优势,Ca8-P次之,Ca2-P含量最低,仅为无机磷总量的2%左右,其他3种形态Al-P、Fe-P、O-P占无机磷总量的20%左右[30-31]。土壤中磷组分之间相互影响、制约,植物有效磷的多少取决于土壤无机磷组分的分布状况和转化方式。本研究中,土壤无机磷组分含量变化顺序为Ca10-P > Ca8-P > O-P > Fe-P ≈ Al-P > Ca2-P,海龙[11]在本文相同研究区春小麦耕作方式及轮作磷素形态研究中也得出相似结果。本研究中,施磷显著提高了总无机磷的含量。这与很多研究[32]结果相似。施氮显著降低了总无机磷的含量,有研究[33]表明,总无机磷与土壤全磷含量显著正相关,肥料的投入与土壤总磷库和无机磷磷库的增加显著相关。武均[34]通过研究不同施氮量对陇中黄土高原旱作农田土壤理化性质的影响得出,随施氮量的增加土壤全磷含量降低。这可能是随着施氮量的增加作物产量增加,而施磷量相同时作物吸收的磷素增多,因而导致全磷含量降低。

        有关施氮对土壤无机磷组分影响的研究较少,张富仓等[35]施氮对土无机磷组分的影响研究结果表明,施氮显著降低除O-P、Ca8-P以外的无机磷组分,对O-P含量无显著影响。这与本研究结果相似,但本研究中O-P无机磷含量随施氮量的增加而增加。可能是不同的施肥管理措施、试验的年限、取样方式与研究区域等影响土壤无机磷的分配与转化。本研究中,施磷显著增加了各无机磷组分含量。大多数学者在我国北方研究表明,施用磷肥增加土壤无机磷库[2, 12, 30, 36],本试验结果与此结果相似。这说明施用磷肥是提高土壤总磷库、无机磷库的有效手段。本研究中,施氮量对各无机磷组分比例影响较小。Ca2-P、Ca8-P占无机磷总量的比例随着施磷量的增加而增加,Ca10-P、O-P所占的比例随着施磷量的增加呈显著下降趋势。Fe-P占无机磷的比例随着施磷量的增加基本无变化,这与王海龙[12]在山东潮土上的研究结果相似。Al-P随施磷量的增加先增加后减小。这可能与本地区的土壤性质及环境因素等有关。显然,长期施磷肥主要通过提高可供植物直接利用的Ca2-P和具有缓效作用Ca8-P、Al-P的比例,降低土壤中难溶性Ca10-P、O-P的比例使土壤有效磷的含量增加,从而提升了土壤潜在供磷能力[30, 37-38]

        沈仁芳等[3]在石灰性土壤无机磷形态及生物有效性的研究中表明,Ca2-P无机磷酸盐最有效,也是作物吸收磷素营养的主要来源;Ca8-P、Al-P和Fe-P为缓效磷源;而Ca10-P和O-P则只是一种潜在磷源。本研究结果显示,在陇中黄土高原旱作农业区Ca2-P是土壤有效磷的主要磷源,Ca8-P、Fe-P是潜在磷源,这与前人研究结果相似。

      • 本研究中,不同氮磷配施对土壤理化性质产生显著影响。土壤有机碳随施氮量的增加先增加后减小,随施磷量的增加而减小。武均[34]在黄土高原对不同施氮量春小麦农田的研究发现,施氮显著提高有机碳含量,且随施氮量增加先增加后减小。这可能是由于施肥影响作物生长,导致其消耗大量有机碳,但土壤中并没有大量的碳源作为补充,长期的消耗导致有机碳含量降低。本研究表明氮磷配施土壤全氮显著增加,且随施肥量的增加而增加,这与郝亚辉[39]的研究结果类似。可能是由于随着施肥量的增加土壤中微生物的活性增加,土壤中硝化细菌所占的比例增加,大大推进了土壤中的硝化作用,这需要更多的碳素来提供能量,因此土壤中有机物质的分解速度加快,从而使全氮含量增大[39]。本研究中,施磷显著增加了土壤有效磷和全磷含量。这是由于在向土壤施加磷肥时,土壤中所含的磷素增加,虽然一大部分的磷肥会经过转化变成不能被植物所吸收利用的难溶解的磷形态,但也会有一小部分的磷素本身具有有效性,易溶或者微溶于土壤包含的溶液中,这一部分就会被种植的作物直接利用。本研究中,施氮与施磷的结果相反,这可能是由于随着施氮量的增加,作物产量增加,而施磷量相同时,作物吸收的磷素越多,土壤全磷含量则越低。本研究的结论与武均[34]、郝亚辉[39]的研究结果一致。有研究认为施氮磷都能使土壤pH降低[40];但也有研究表明施氮和氮磷配施显著降低土壤pH,而施磷对土壤pH没有显著影响[39, 41]。本研究中,施氮显著降低了土壤pH。这可能是因为长期过量施用的氮肥,经过土壤微生物的硝化作用产生了硝酸盐致使土壤酸化。

        本研究中,施氮显著提高了陇中黄土高原旱作春小麦的籽粒产量、地上部生物量,且均在N3处理时达到最大。戴健[42]研究发现施用氮肥可提高作物生物量、产量,且二者均与施氮量呈显著的抛物线关系,但过量施氮对增产没有显著效果甚至降低产量[43-44]。本研究结果表明,施磷显著提高了春小麦籽粒产量、地上部生物量、磷肥回收利用率,且地上部生物量、磷肥回收利用率均在P3处理达到最大。有研究[42, 45]发现,施磷可促进作物根系生长,增加对土壤水分、养分的利用,提高作物的光合作用能力,从而增加产量,但施磷过量时,小麦生长发育也会受到抑制[46-47]。施磷量低时,根系竞争力较强,且较低的磷肥用量对土壤原有磷的激发效应较高,因此磷肥利用率较高[48-49]。陇中黄土高原旱作农业区磷肥利用率低,主要是由于该区多为石灰性土壤,施入磷肥后,自由态磷易被土壤固定,转化为缓效态和难溶态磷酸盐,70%~80%的磷以Ca的结合态存在,也有部分以Fe-P和Al-P的形式存在,且随着施磷量增加,固定态磷增加,导致磷肥的利用率降低[50-51]

        土壤微生物学性状可以反映土壤质量与土壤肥力的演变趋势,并作为评价土壤健康的重要指标之一。本研究中,施氮显著增加微生物量碳、氮、磷含量和碱性磷酸酶活性,均在N3处理达到最大。施氮对作物生长的正向影响加速了土壤有机质降解,从而生成足够多的碳源、氮源,满足土壤微生物的生长繁殖需求,微生物可利用的土壤养分增多,同化进程增强从而使微生物量提高[52-53]。杨馨逸等[54]研究表明,施用适量的氮肥能够显著提高土壤微生物量碳氮,过量施氮则会降低土壤微生物量碳氮。施肥显著增加微生物量磷含量,这可能由于本研究土壤样品在小麦成熟时采集,土壤中的磷素可能已经被作物消耗致使土壤中缺乏有效的磷素,当向土壤中施加磷肥时,有效磷的含量随之增加,而微生物就会随之得到更多可以直接利用的磷,吸收并在其体内将磷同化结合,最终造成微生物量磷含量的增大[39]。适量施肥可以改善土壤微环境,进而加快土壤中养分循环,最终提高土壤碱性磷酸酶活性[55]。夏雪等[56]在黄土高原地区的试验研究结果表明,碱性磷酸酶活性以60 kg/hm2氮肥处理最高。这表明,施用适量氮肥对酶活性的提高比较有利,而氮肥用量较低或者过量施用氮肥并不一定能取得较为理想的酶激活效果[29, 57]

      • RDA结果显示,有机碳是影响陇中黄土高原旱作春小麦农田耕层土壤无机磷组分变化的关键因子。土壤腐殖酸对于铁、铝离子具有较高的亲和力,与土壤中的磷素竞争吸附位点,从而降低对磷的吸附,阻止磷素形成沉淀,增加了土壤磷素的有效性[58],且土壤有机碳为土壤微生物生活提供了充足的能量,促进了微生物对土壤有机磷的矿化[59]。本研究中,Fe-P与碱性磷酸酶活性、微生物量氮极显著正相关。在农田生态系统中,土壤磷素的转化是由物理化学过程和微生物过程共同作用的结果。土壤微生物一方面作为土壤活性磷库的重要来源之一,其吸收利用土壤中的无机磷,避免被土壤吸附固定[19]。另一方面,土壤微生物分泌的磷酸酶对土壤磷素起到了活化作用[9]。pH对土壤磷素化学形态及含量有重要的控制作用,其影响程度的高低与土壤本身含有的离子和矿物的浓度相关,主要包括与磷酸根离子竞争络合以及与吸附位点的阴离子和磷酸根离子结合的Fe、Al和Mn等金属离子[60]

      • 氮磷配施能够促进土壤磷素的活化,提高可供植物直接利用的Ca2-P和具有缓效作用Ca8-P、Al-P的比例,降低土壤中难溶性Ca10-P、O-P的比例,提高了土壤供磷潜力。Ca2-P是土壤有效磷的主要磷源,土壤有机碳是调控陇中黄土高原旱作春小麦农田耕层土壤磷组分转化的关键因子。

    参考文献 (60)

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