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长期不同施肥模式下碱性土有效磷对磷盈亏的响应

张微微 周怀平 黄绍敏 杨军 刘树堂 马俊永 张淑香

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长期不同施肥模式下碱性土有效磷对磷盈亏的响应

    通讯作者: 张淑香

Response of alkaline soil Olsen-P to P budget under different long term fertilization treatments

    Corresponding author: ZHANG Shu-xiang
  • 摘要:   【目的】   磷素易于在土壤中固定,碱性土壤更甚,影响着磷肥的肥效和利用效率。本文研究了长期施用磷肥我国北方碱性土有效磷与磷盈亏的关系,为碱性土地区合理施用磷肥提供理论依据。   【方法】   研究基于河北、北京、山东、天津、河南和山西6个冬小麦‒夏玉米轮作长期定位施肥试验,试验周期为1991—2011年。所有定位施肥试验均设有不施磷肥 (P0)、单施化学磷肥 (P)、化肥配施秸秆 (P+S)、单施有机肥 (M)、化学磷肥配施有机肥 (P+M)5个处理,施磷方式和施磷量不同。分析了土壤有效磷、作物产量、有机质、pH随时间的变化特征,计算了土壤有效磷与作物产量、土壤磷盈亏、磷肥利用率的关系,用冗余分析得出每100 kg/hm2磷盈余下土壤有效磷变量 (有效磷效率) 的主要影响因素。   【结果】   P0处理土壤磷亏缺为‒357.73~‒28.21 kg/hm2,有效磷含量随种植时间下降,下降速率为0.14 mg/(kg·yr),此处理下作物产量较低,小麦低于 2000 kg/hm2,玉米低于4000 kg/hm2。四个施磷肥处理 (P, P+S, M, P+M) 土壤磷表现为盈余,21年连续施肥总盈余为23.65~860.93 kg/hm2,磷盈余量顺序为P+M > P > P+S > M。土壤有效磷含量随种植时间上升,年平均上升速率为 P+M (4.85 mg/kg) > M (1.87 mg/kg) > P+S (0.65 mg/kg) > P (0.63 mg/kg)。施用磷肥的小麦产量为4000~8000 kg/hm2,四个施肥处理间差异不明显,玉米产量为 6000~12000 kg/hm2,以P+M处理玉米产量最高,P处理最低。土壤有效磷含量与作物产量的关系可以用Mitscherlich方程模拟 (P < 0.01),小麦和玉米产量随土壤有效磷含量升高而增加,在土壤有效磷含量达到22.47 mg/kg和20.68 mg/kg后,不再增加。小麦P+S处理的磷肥利用率最高,21年均值为16.17%;玉米以M处理的磷肥利用率最高,21年均值为16.45%。小麦和玉米磷肥利用率均随土壤有效磷含量的升高而上升,以P+S处理上升最快,P+M处理最慢。5个处理土壤有效磷含量与磷盈亏均呈现极显著 (P < 0.01) 正相关关系。土壤每亏缺P 100 kg/hm2,土壤有效磷下降0.90 mg/kg;每盈余P 100 kg/hm2,土壤有效磷含量的增量为M (22.10 mg/kg) > P+M (10.60 mg/kg) > P+S (3.90 mg/kg) > P (2.60 mg/kg)。通过冗余分析发现,土壤有机质能解释土壤有效磷效率变异的85.0%,是土壤有效磷效率的主要影响因素。   【结论】   碱性土壤小麦玉米的磷肥利用率随土壤有效磷含量的增加而提高,长期化肥配施秸秆提高作物磷肥利用率的效果最佳。土壤有机质是提升土壤累积磷有效性的最主要因素,因此,长期单施有机肥或者化肥配施有机肥的土壤有效磷效率较高。长期化肥配施有机肥的潮土有效磷含量高,容易造成磷在土壤中的淋洗和固定,需减少磷肥总施用量,并且适当提高有机肥的比例,从而达到农学效益和环境效益的统一。
  • 图 1  各处理土壤有效磷演变特征

    Figure 1.  Changes in soil Olsen-P in response to P treatments

    图 2  各处理小麦和玉米籽粒产量的变化趋势

    Figure 2.  Dynamics of wheat and maize grain yields in response to P treatments

    图 3  碱性土壤有效磷与小麦和玉米产量的关系

    Figure 3.  Relationships between soil Olsen-P and yields of wheat and maize on alkaline soil

    图 4  各施肥处理小麦和玉米磷肥利用率随试验年限的变化规律

    Figure 4.  Dynamics of phosphorous use efficiency of wheat and maize with experimental years under the fertilization treatments

    图 5  不同施肥处理小麦和玉米磷肥利用率与土壤有效磷的关系

    Figure 5.  Response of phosphorous use efficiency of wheat and maize to soil Olsen-P under the fertilization treatments

    图 6  各处理土壤累积磷盈亏变化趋势

    Figure 6.  Change in soil accumulated P budget under different treatments

    图 7  各处理土壤有效磷含量与累积磷盈亏的关系

    Figure 7.  Relationship between Olsen-P and accumulated budget of soil P under different treatments

    表 1  碱性土地区长期定位试验地点土壤类型及基础理化性状

    Table 1.  The soil types and basic physiochemical properties in experimental sites

    试验地点
    Experimentalsite
    土壤类型
    Soil type
    pH有机质 (g/kg)
    SOM
    全氮 (g/kg)
    Total N
    全磷 (g/kg)
    Total P
    碱解氮 (mg/kg)
    Available N
    有效磷 (mg/kg)
    Olsen-P
    河北 Hebei褐土 Cinnamon soil8.208.700.950.9769.7012.60
    北京 Beijing潮土 Fluvo-aquic soil8.2012.200.640.6949.704.60
    山东 Shandong潮土 Fluvo-aquic soil7.104.100.500.4645.3015.00
    天津 Tianjin潮土 Fluvo-aquic soil8.1018.901.061.5975.1016.60
    河南 Henan潮土 Fluvo-aquic soil8.3011.601.010.6576.606.50
    山西 Shanxi褐土 Cinnamon Soil8.3012.401.050.17106.4015.30
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    表 2  碱性土地区长期定位试验各处理磷年施入量[P2O5 kg/(hm2·yr)]

    Table 2.  Annual P2O5 input in each treatment of the long-term experiments on alkaline soils

    试验地点 Experimental siteP0PP+SMP+M
    河北 Hebei0180.0182.3
    北京 Beijing0150.0155.9262.5
    山东 Shandong0180.0120.0
    天津 Tianjin0142.5177.6
    河南 Henan0176.5185.8216.5
    山西 Shanxi0140.9117.6157.9
    注(Note):“–”表示无此施肥处理 Represents no such treatment.
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    表 3  施磷量和土壤性质对土壤有效磷效率的解释率 (%)

    Table 3.  The explain rate of soil Olsen-P efficiency by P application rate and soil properties

    指标 Index解释率 Explain rate (%)PP-value
    有机质 SOM85.0 0.002
    施磷量 P application rate7.00.004
    pH3.00.030
    速效钾 Available K1.00.144
    全氮 Total N0.30.374
    碱解氮 Available N0.10.688
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出版历程

长期不同施肥模式下碱性土有效磷对磷盈亏的响应

    通讯作者: 张淑香
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 2. 山西省农业科学院土壤肥料研究所,太原 030031
  • 3. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所,郑州 450002
  • 4. 天津市农业资源与环境研究所,天津 300192
  • 5. 青岛农业大学资源与环境学院,山东 266109
  • 6. 河北省农林科学院旱作农业研究所,河北衡水 053000
  • 摘要:    【目的】   磷素易于在土壤中固定,碱性土壤更甚,影响着磷肥的肥效和利用效率。本文研究了长期施用磷肥我国北方碱性土有效磷与磷盈亏的关系,为碱性土地区合理施用磷肥提供理论依据。   【方法】   研究基于河北、北京、山东、天津、河南和山西6个冬小麦‒夏玉米轮作长期定位施肥试验,试验周期为1991—2011年。所有定位施肥试验均设有不施磷肥 (P0)、单施化学磷肥 (P)、化肥配施秸秆 (P+S)、单施有机肥 (M)、化学磷肥配施有机肥 (P+M)5个处理,施磷方式和施磷量不同。分析了土壤有效磷、作物产量、有机质、pH随时间的变化特征,计算了土壤有效磷与作物产量、土壤磷盈亏、磷肥利用率的关系,用冗余分析得出每100 kg/hm2磷盈余下土壤有效磷变量 (有效磷效率) 的主要影响因素。   【结果】   P0处理土壤磷亏缺为‒357.73~‒28.21 kg/hm2,有效磷含量随种植时间下降,下降速率为0.14 mg/(kg·yr),此处理下作物产量较低,小麦低于 2000 kg/hm2,玉米低于4000 kg/hm2。四个施磷肥处理 (P, P+S, M, P+M) 土壤磷表现为盈余,21年连续施肥总盈余为23.65~860.93 kg/hm2,磷盈余量顺序为P+M > P > P+S > M。土壤有效磷含量随种植时间上升,年平均上升速率为 P+M (4.85 mg/kg) > M (1.87 mg/kg) > P+S (0.65 mg/kg) > P (0.63 mg/kg)。施用磷肥的小麦产量为4000~8000 kg/hm2,四个施肥处理间差异不明显,玉米产量为 6000~12000 kg/hm2,以P+M处理玉米产量最高,P处理最低。土壤有效磷含量与作物产量的关系可以用Mitscherlich方程模拟 (P < 0.01),小麦和玉米产量随土壤有效磷含量升高而增加,在土壤有效磷含量达到22.47 mg/kg和20.68 mg/kg后,不再增加。小麦P+S处理的磷肥利用率最高,21年均值为16.17%;玉米以M处理的磷肥利用率最高,21年均值为16.45%。小麦和玉米磷肥利用率均随土壤有效磷含量的升高而上升,以P+S处理上升最快,P+M处理最慢。5个处理土壤有效磷含量与磷盈亏均呈现极显著 (P < 0.01) 正相关关系。土壤每亏缺P 100 kg/hm2,土壤有效磷下降0.90 mg/kg;每盈余P 100 kg/hm2,土壤有效磷含量的增量为M (22.10 mg/kg) > P+M (10.60 mg/kg) > P+S (3.90 mg/kg) > P (2.60 mg/kg)。通过冗余分析发现,土壤有机质能解释土壤有效磷效率变异的85.0%,是土壤有效磷效率的主要影响因素。   【结论】   碱性土壤小麦玉米的磷肥利用率随土壤有效磷含量的增加而提高,长期化肥配施秸秆提高作物磷肥利用率的效果最佳。土壤有机质是提升土壤累积磷有效性的最主要因素,因此,长期单施有机肥或者化肥配施有机肥的土壤有效磷效率较高。长期化肥配施有机肥的潮土有效磷含量高,容易造成磷在土壤中的淋洗和固定,需减少磷肥总施用量,并且适当提高有机肥的比例,从而达到农学效益和环境效益的统一。

    English Abstract

    • 磷是农作物营养的三要素之一,它既是作物体内许多重要有机化合物 (核酸、苷酸、磷脂、核蛋白、ATP酶等) 的组成成分,又能以多种方式参与作物体内的生理过程 (如光合作用、分解作用、养分运输与能量转化等),并且在改善作物品质、提高作物产量和抗逆性等方面具有重要作用[1-3]。大多数农田土壤的自然供磷能力往往不能满足作物生长发育及高产对磷的需求[4-5],因此农业生产实践中通过施用磷肥提高土壤磷库大小和有效磷含量[6-8],从而提高作物产量[9]。然而,施入土壤中的大部分磷素会与土壤矿物 (铁铝氧化物、碳酸钙)、粘粒或有机质结合转化为非有效态磷[10-11],磷肥的当季利用率只有5%~25%[8,12]。长期过量施用磷肥会导致磷在土壤中大量累积、土壤有效磷含量超过作物生长的农学阈值和环境安全的环境阈值,造成有限的高质量磷矿资源的浪费和水体富营养化等污染[13-14]。因此,分析并掌握土壤磷素演变特征与规律,对合理施用磷肥和作物稳产增产有重要的指导作用。

      国内外大量长期定位试验表明,土壤磷盈亏 (磷输入-磷输出) 是影响土壤有效磷含量的主要因素,二者呈现显著直线正相关关系[15-23],不同土壤每盈余100 kg/hm2磷,土壤有效磷含量提高1~6 mg/kg[15]。英国温带酸性土壤[16]的长期施肥研究表明,每盈余100 kg/hm2磷,土壤有效磷含量增加6 mg/kg。法国西南部[7]经过连续17年长期施肥试验,弱碱性砂壤土每盈余100 kg/hm2磷,土壤有效磷升高3.3 mg/kg。我国黑土[17]的长期施肥试验表明,哈尔滨黑土每盈余100 kg/hm2磷,土壤有效磷升高6.5 mg/kg。每盈余100 kg/hm2磷,不同地区土壤有效磷含量的变化 (土壤有效磷效率),受到环境因素、种植制度和土壤性质等的影响[15,18-19]。同一土壤不同施肥方式下,土壤有效磷效率也存在很大差异[20-21]。一些省份的长期定位试验发现,化肥配施有机肥处理下土壤有效磷效率高于单施化学磷肥处理。例如山西寿阳褐土[22]每盈余100 kg/hm2磷,化肥配施有机肥处理下土壤有效磷升高1.70~4.72 mg/kg,而单施化学磷肥处理下土壤有效磷升高1.04~2.13 mg/kg。天津潮土的长期定位试验结果[23]表明,氮肥配施有机肥处理下 (NM) 土壤有效磷含量的升高速率 (2.40 mg/kg) 要高于化肥 (NPK) 处理 (1.75 mg/kg)。这些试验都说明,同一土壤去除了环境因素和种植制度等的影响,土壤性质可能是影响土壤有效磷效率的决定因素[24-26]。并且配施有机肥后土壤有机质含量升高,是化肥配施有机肥处理与单施化学磷肥处理土壤有效磷效率产生差异的主要因素。

      华北地区是我国重要的粮食产区,耕地面积占全国的17.9%,粮食产量占全国的23%,小麦 (51%) 和玉米 (40%) 是华北地区粮食生产的主体[27]。河南和山东两省的粮食产量位居全国第二和第三,是我国重要的产粮大省[28],这些地区土壤类型主要为碱性潮土和褐土,其碳酸钙和粘粒含量较高,有机质含量较低,对土壤磷的固定能力较强,因此土壤有效磷含量总体偏低[29-30]。农田长期定位试验是土壤肥力研究的重要平台,很多省份都有关于土壤磷的研究,但是缺少碱性土不同施肥方式下土壤有效磷效率变化特征的规律总结和统一研究,并且缺乏土壤有效磷效率与土壤有机质含量的定量研究。因此,研究长期不同施肥模式下我国北方碱性土磷素演变特征 (有效磷、磷盈亏及其二者关系)、作物产量及其磷肥利用率,有助于探明不同施肥模式下土壤磷素的活化规律,对于指导碱性土地区合理施用磷肥、提高土壤累积磷利用率具有十分重要的意义。

      • 本研究长期定位试验点分别位于河北省辛集市马兰农场 (东经115°11′28.18″、北纬37°59′22.93′′),北京市昌平区 (东经116°15′23′′、北纬40°13′22′′),山东省农业科学院试验农场 (东经117°00′、北纬36°40′),天津市农业科学院试验基地新区 (东经116°57′、北纬39°25′),河南省现代农业试验基地 (原阳)(东经113°40′42″、北纬34°47′55″),山西省寿阳县宗艾村 (东经113°06′37.8″、北纬37°58′22.0″)。监测时间为1991—2011年,种植的农作物为小麦和玉米,种植方式为冬小麦-夏玉米轮作。监测点耕层 (0—20 cm) 土壤初始化学性质见表1

        表 1  碱性土地区长期定位试验地点土壤类型及基础理化性状

        Table 1.  The soil types and basic physiochemical properties in experimental sites

        试验地点
        Experimentalsite
        土壤类型
        Soil type
        pH有机质 (g/kg)
        SOM
        全氮 (g/kg)
        Total N
        全磷 (g/kg)
        Total P
        碱解氮 (mg/kg)
        Available N
        有效磷 (mg/kg)
        Olsen-P
        河北 Hebei褐土 Cinnamon soil8.208.700.950.9769.7012.60
        北京 Beijing潮土 Fluvo-aquic soil8.2012.200.640.6949.704.60
        山东 Shandong潮土 Fluvo-aquic soil7.104.100.500.4645.3015.00
        天津 Tianjin潮土 Fluvo-aquic soil8.1018.901.061.5975.1016.60
        河南 Henan潮土 Fluvo-aquic soil8.3011.601.010.6576.606.50
        山西 Shanxi褐土 Cinnamon Soil8.3012.401.050.17106.4015.30
      • 选择长期定位试验中的5个处理进行调查和研究,包括:不施磷肥对照 (P0)、单施化学磷肥 (P)、化肥配施秸秆 (P+S)、单施有机肥 (M)、化肥配施有机肥 (P+M)。氮肥用尿素,磷肥用普通过磷酸钙,钾肥用硫酸钾、氯化钾,秸秆为玉米秸秆,有机肥以猪粪、牛粪为主。各年度依据土壤和天气状况播种,小麦播种时间为10月中旬,玉米为6月上旬。施肥时间为播种前一天,小麦季施肥后深耕一次,玉米季免耕。试验过程中记录施肥种类、数量、作物产量以及管理措施等信息,各处理施肥量如表2所示。各监测点每季作物收获后分别采集不同处理的植物样品,风干后用H2SO4-H2O2消化,钼锑抗比色法测含磷量。土壤样品采集在每年秋季作物收获后,按“S”型采集0—20 cm土壤样品并混合,室内风干,用常规方法测定土壤pH、有机质、Olsen-P[31]

        表 2  碱性土地区长期定位试验各处理磷年施入量[P2O5 kg/(hm2·yr)]

        Table 2.  Annual P2O5 input in each treatment of the long-term experiments on alkaline soils

        试验地点 Experimental siteP0PP+SMP+M
        河北 Hebei0180.0182.3
        北京 Beijing0150.0155.9262.5
        山东 Shandong0180.0120.0
        天津 Tianjin0142.5177.6
        河南 Henan0176.5185.8216.5
        山西 Shanxi0140.9117.6157.9
        注(Note):“–”表示无此施肥处理 Represents no such treatment.
      • 当季土壤表观磷盈亏 (P kg/hm2) = 当季磷肥施入总量 (P kg/hm2) − 当季作物 (籽粒 + 秸秆) 吸磷量 (P kg/hm2);

        土壤累积磷盈亏 (P kg/ hm2) = ∑当季土壤表观磷盈亏 (P kg/hm2);

        磷肥利用率 (Phosphorus use efficiency,%) = [磷处理作物地上部分吸磷量 (P kg/hm2) − 不施磷处理作物地上部分吸磷量 (P kg/hm2)]/施磷量 (P kg/hm2) × 100%[32]

        本文碱性土地区不同施肥处理各指标的数值为此处理下6个长期定位点的中值。所有数据的整理用Excel 2010,作图用Simoplot 12.5,冗余 (RDA) 分析在Canoco 5中运行。

      • 长期不同施肥方式下,土壤有效磷含量的变化特征存在很大差别 (图1)。不施磷肥条件下 (P0),土壤有效磷含量很低,低于6 mg/kg,且随种植时间极显著下降 (P < 0.01),下降速率为 0.14 mg/(kg·yr)。施用不同种类磷肥后,土壤有效磷含量均随试验时间极显著上升 (P < 0.01),但不同施肥处理土壤有效磷含量随施肥时间上升速率差异很大,大小顺序为:P+M[4.85 mg/(kg·yr] > M[1.87 mg/(kg·yr)] > P+S[0.65 mg/(kg·yr)] > P[0.63 mg/(kg·yr)]。施肥21年后,土壤有效磷含量单施化肥处理 (P) 和化肥配施秸秆处理 (P+S) 低于40 mg/kg,单施有机肥 (M) 处理为30~100 mg/kg,化肥配施有机肥处理 (P+M) 为20~140 mg/kg。

        图  1  各处理土壤有效磷演变特征

        Figure 1.  Changes in soil Olsen-P in response to P treatments

      • 图2为5个长期定位试验小麦和玉米产量的变化。不施磷肥条件下 (P0),小麦产量低于2000 kg/hm2,玉米产量低于4000 kg/hm2,两种作物的产量均随种植时间延长呈现降低趋势。施用不同种类磷肥后,P、P+S、P+M3个处理小麦产量大小和变化趋势大体一致,而M处理下小麦产量的波动性较大,在试验的3~5年和11~15年,M处理下小麦产量高于其它3个处理,在其它年份则等于或低于其它处理。对于玉米来说,施肥5年之后P处理下产量显著低于其它3个施肥处理;P+M处理下玉米产量高于其它3个处理,尤其在施肥5~10年之间;P和P+S两个处理玉米产量大小和变化趋势大体一致。

        图  2  各处理小麦和玉米籽粒产量的变化趋势

        Figure 2.  Dynamics of wheat and maize grain yields in response to P treatments

        土壤有效磷含量与小麦和玉米产量的关系用Mitscherlich方程模拟 (图3),且均达到极显著水平 (P < 0.01)。随着土壤有效磷含量的升高,小麦和玉米产量先快速上升然后逐渐平稳。计算结果表明,小麦产量达到最大值的90%时,土壤有效磷含量为22.47 mg/kg;玉米产量达到最大值的90%时,土壤有效磷含量为20.68 mg/kg。

        图  3  碱性土壤有效磷与小麦和玉米产量的关系

        Figure 3.  Relationships between soil Olsen-P and yields of wheat and maize on alkaline soil

      • 图4为长期不同施肥处理小麦和玉米的磷肥利用率 (phosphorus use efficiency,PUE) 的动态变化。施磷处理P、P+S、M和P+M 4个处理21年间小麦的磷肥利用率均值分别为13.29%、16.17%、13.03%和9.25%,P+M处理的磷肥利用率显著低于其它3个处理。P+S处理的磷肥利用率随着试验年限的增加而稳定提升,从试验的第12年起,P+S处理的磷肥利用率显著高于其它三个处理。4个施磷肥处理P、P+S、M和P+M处理21年间玉米的磷肥利用率均值分别为10.47%、12.67%、16.45%和8.88%,以单施有机肥M处理下最高,P+M处理下最低。

        图  4  各施肥处理小麦和玉米磷肥利用率随试验年限的变化规律

        Figure 4.  Dynamics of phosphorous use efficiency of wheat and maize with experimental years under the fertilization treatments

        图5可以看出,除小麦M处理外,M处理小麦和玉米的磷肥利用率均随土壤有效磷含量的升高显著 (P < 0.05) 或极显著 (P < 0.01) 上升,上升速率大小顺序为P+S > P > M > P+M。玉米磷肥利用率随土壤有效磷含量增加的幅度大于小麦。

        图  5  不同施肥处理小麦和玉米磷肥利用率与土壤有效磷的关系

        Figure 5.  Response of phosphorous use efficiency of wheat and maize to soil Olsen-P under the fertilization treatments

      • 图6为连续21年不同施肥处理土壤磷累积盈亏状况,正值代表土壤磷盈余,负值代表土壤磷亏缺。不施磷肥处理 (P0) 土壤磷素一直处于亏缺状态,且亏缺量随着种植时间逐渐增大,在21年间的范围为–357.73~–28.21 kg/hm2,土壤磷的亏缺速率为15.57 kg/(hm2·yr)。4个施磷肥处理的土壤磷均为盈余,以M处理盈余量最低,为36.23~233.8 kg/hm2,P与P+S处理前15年土壤磷素累积盈余量差异很小,分别为34.21~379.26 kg/ hm2和23.65~340.23 kg/ hm2,而连续施肥15~21年,P+S处理土壤磷盈余值下降。P+M土壤磷素盈余量最高,范围为 53.23~860.93 kg/ hm2

        图  6  各处理土壤累积磷盈亏变化趋势

        Figure 6.  Change in soil accumulated P budget under different treatments

        土壤每盈余或亏缺100 kg/hm2磷对应的土壤有效磷的变化量为土壤有效磷效率[19]。由图7所示,土壤有效磷含量与土壤磷盈亏呈现极显著直线正相关关系 (P < 0.01),但不同处理土壤的有效磷效率增加量不同,增加量由高至低为M (22.10 mg/kg) > P+M (10.60 mg/kg) > P+S (3.90 mg/kg) > P (2.60 mg/kg)。

        图  7  各处理土壤有效磷含量与累积磷盈亏的关系

        Figure 7.  Relationship between Olsen-P and accumulated budget of soil P under different treatments

      • 以磷肥投入量、土壤有机质 (SOM)、全氮、pH、碱解氮含量作为影响因素进行冗余 (RDA) 分析,SOM与土壤有效磷效率呈现极显著正相关 (P < 0.01),对土壤有效磷效率变异的解释率为85.0%;施磷量和pH与土壤有效磷效率呈现极显著负相关 (P < 0.01),二者对土壤有效磷效率的解释率为分别为7.0%和3.0%,全氮和碱解氮对有效磷效率几乎没有影响 (表3)。因此,土壤有机质含量是影响不同施肥处理土壤有效磷效率的主要因素。

        表 3  施磷量和土壤性质对土壤有效磷效率的解释率 (%)

        Table 3.  The explain rate of soil Olsen-P efficiency by P application rate and soil properties

        指标 Index解释率 Explain rate (%)PP-value
        有机质 SOM85.0 0.002
        施磷量 P application rate7.00.004
        pH3.00.030
        速效钾 Available K1.00.144
        全氮 Total N0.30.374
        碱解氮 Available N0.10.688
      • 旱地农田生态系统中,灌溉、降水等其他来源和随径流流失的磷素极少[33-34],土壤磷素的盈亏主要取决于磷肥投入和作物携出[21-23]。磷肥施用不足会导致土壤肥力和作物产量下降,例如西藏和内蒙古等省份,由于磷肥投入不足,粮食生产潜力较低[35]。本试验碱性土地区连续21年不施磷肥处理下连续种植小麦、玉米,由于作物生长一直吸收土壤磷素,土壤磷素一直处于亏缺状态,且亏缺量逐年增加,土壤有效磷含量和作物产量逐年降低。当在农田中施用磷肥并且磷肥投入量高于作物携出量时,土壤磷素便会盈余。单从本试验的施肥量看,化肥配施有机肥处理 (P+M) 磷肥投入量远远高于其它3种施肥方式,但是小麦和玉米的产量却并没有显著升高,说明仅仅增加磷肥的投入对作物增产的效果不大,还会造成磷素在土壤中大量累积,引起磷肥资源的浪费。单施有机肥处理 (M) 下磷肥的投入量与单施化学磷肥 (P) 差别不大,但磷素累积量要低于P处理,说明单施有机肥下作物对磷素的吸收量高于单施化学磷肥处理。土壤有效磷 (Olsen-P) 含量直接反映了可供当季作物吸收利用的磷素水平,是评价土壤供磷水平的重要指标[36]。不施磷肥处理下土壤有效磷含量较低 (< 5 mg/kg),并且随时间呈现下降。施入不同种类磷肥后,土壤有效磷水平显著升高 (> 10 mg/kg)。裴瑞娜等[20]对黄土高原旱作农区黑垆土的研究发现,施用磷肥能提高土壤有效磷含量,不同施肥处理提高土壤有效磷的大小顺序为化肥配施有机肥 > 单施化肥 > 单施有机肥,单施有机肥对活性较高的Ca2-P提高并不显著,而施入土壤的化学磷肥除被植物吸收利用外,大部分以有效性较高的Ca2-P、Ca8-P和Al-P累积于土壤,所以单施化肥对土壤磷的活化效率高于单施有机肥[37]。本试验地区碱性土单施有机肥下土壤有效磷的上升速率高于单施化学磷肥,这是因为有机磷肥的矿化作用需要一定的水热条件,黑垆土试验区的年均降雨为540 mm,本试验地区年均降雨量在800~1600 mm 之间,因此本试验地区有机肥的矿化速率高于黄土高原区。

        当土壤有效磷含量较低时,作物产量随有效磷含量增加显著提高;当土壤有效磷升高到某一水平时,有效磷含量继续增加对作物产量的提高作用不明显[38-39]。这个土壤有效磷的临界值被定义为作物的农学阈值,不同土壤不同作物的农学阈值不同,一般来说红壤的农学阈值高于潮土、黑土,并且小麦的农学阈值高于玉米[40-41]。农学阈值的计算一般由作物相对产量和土壤有效磷含量得出,本研究由于选取的施肥处理作物产量差异不大,因此计算出来的相对产量大多数较高,不适合模拟农学阈值。但是我们模拟了碱性土地区不同施肥方式下土壤有效磷含量与作物产量的关系后发现,作物产量随有效磷含量升高出现先上升后下降的变化趋势,且小麦和玉米产量变化的转折点分别为22.47 mg/kg和20.68 mg/kg。单施化肥 (P) 和化肥配施秸秆 (P+S) 处理长期施肥15年之后土壤有效磷含量达到作物产量转折点的有效磷含量,且土壤有效磷在长期施肥21年后仍低于40 mg/kg(环境阈值),说明长期年磷肥施用量 (P2O5)126.48~133.78 mg/kg基本能够满足此地区作物的磷肥需求。单施有机肥 (M) 和化肥配施有机肥 (P+M) 处理施肥10年后土壤有效磷含量超过环境阈值,2001年以后土壤有效磷含量高达47.45~111.52 mg/kg。但是这两种处理下的作物产量却没有显著高于P、P+S处理,并且土壤有效磷含量过高容易引起农业面源污染。金欣等的研究[42]结果与本研究类似,尽管化肥配施有机肥显著提高了土壤有机质含量,改善了土壤物理性质,但是与只施用化学氮磷钾肥相比,化肥配施有机肥并没有表现出更高的产量优势[43]。所以仅仅增加施肥量并不能显著提高作物产量,因此要减少单施有机肥、化肥配施有机肥两个处理下的施磷量。

      • 农田土壤有效磷含量的变化主要取决于农田土壤磷平衡的盈余或亏缺。国内外不同的长期定位试验点均发现,土壤有效磷含量与磷盈亏呈现显著直线正相关关系[44-45]。且不同气候条件、土壤类型、施肥方式和耕作制度下,土壤每盈亏P 100 kg/hm2,土壤有效磷的变化量不同。如:哈尔滨黑土每累积P 100 kg/hm2,不同施肥处理下土壤有效磷的增加范围为 4.80~7.75 mg/kg[17];天津潮土[23]每累积P 100 kg/hm2,不同施肥处理下土壤有效磷含量的增加范围为1.19~3.59 mg/kg;而湖南望城区红壤性水稻土每盈余P 100 kg/hm2,土壤有效磷提高1.2 mg/kg[46]。土壤有效磷含量随土壤累积磷的变化代表着土壤累积磷的活化能力[19]。一般来说,有机质含量较高的土壤 (黑土) 累积磷的活化速率高于有机质含量较低的土壤 (潮土、红壤等)。并且化肥配施有机肥和单施有机肥处理,土壤累积磷的活化速率高于单施化学磷肥和化肥配施秸秆处理[47]。本试验不同施用磷肥处理下,每盈余P 100 kg/ hm2,土壤有效磷升高的大小顺序为单施有机肥 > 化肥配施有机肥 > 化肥配施秸秆 > 单施化学磷肥,通过冗余分析发现土壤有机质含量与土壤有效磷效率呈现极显著正相关关系,与黑土的研究结果[17]类似。单施有机肥或配施有机肥能显著提高土壤累积磷活化速率的机制,一方面是由于有机肥中包含大量的植物可利用态磷;有机肥中的有机质含量较高,在一定的水热条件下可以矿化产生作物可利用磷[48,49];有机质在分解过程中生成的腐殖酸和小分子有机酸,能与磷酸根竞争土壤颗粒的吸附位点或者在土壤矿物表面形成保护膜,降低其对磷的吸附[50,51];有机酸也会引起pH降低,提高土壤磷的吸附容量[52],提高土壤有效磷效率。

        磷肥的高效利用是当前农业施肥中重点关注的问题[53-54]。磷肥的投入不仅会对被当年作物吸收利用,并且会累积在土壤中,在接下来的时间对作物生长产生影响[55]。本试验中,小麦和玉米磷肥利用率在化肥配施有机肥处理下最低,在化肥配施秸秆处理和单施有机肥处理下较高。随着施磷量的增加,磷肥利用率呈下降趋势[56],说明过量施用磷肥不会提高作物对磷肥的利用效率。小麦和玉米在P+M处理下磷肥利用率随土壤有效磷升高上升速度最小,并且此处理下土壤累积磷量最高,施肥后期高达900 kg/hm2,造成了磷肥资源的浪费,所以研究区现阶段P+M处理磷肥的总施用量和有机无机肥的比例不合理。化肥配施秸秆和单施有机肥处理土壤磷肥利用率随土壤有效磷含量上升较快,并且土壤磷的累积量不高 (低于300 kg/hm2),但是秸秆、有机肥中磷含量低于化学磷肥,施用同等的磷肥需要的有机肥量很大,因此在实际生产实践中有机肥需要搭配化学磷肥施用。提高有机肥在化肥配施有机肥中的比例能够提高土壤累积磷的活化速率,例如江西南昌的试验发现土壤每盈余P 100 kg/hm2,无机有机肥比例为3∶7时有效磷的提高量 (11.40 mg/kg) 要高于无机有机肥比例为7∶3时有效磷的增量 (7.41 mg/kg)[57]。本试验碱性土在实际施肥实践中,化肥配施有机肥处理下有机无机肥的比例大约在2∶1左右,因此在生产实践中,应该降低CF+M处理总的磷肥施用量 (P2O5),使之维持在单施有机肥和化肥配施秸秆水平[P2O5 126.48~167.81 kg/(hm2·yr)],并且提高有机肥的配施比例,可以达到提高土壤累积磷的活化速率、提高磷肥利用率的目的。

      • 在碱性土壤上,土壤磷盈余与有效磷含量呈现极显著正相关关系 (P < 0.01)。土壤每盈余P 100 kg/hm2,土壤有效磷增加量在单施有机肥处理下为22.10 mg/kg,磷肥配施有机肥处理为10.60 mg/kg,磷肥配合秸秆处理为3.90 mg/kg,单施磷肥处理仅为2.60 mg/kg。

        有机质含量是影响土壤有效磷效率的主要因素。施肥20年后,单施有机肥和化肥配施有机肥处理下土壤有效磷效率较高,土壤有效磷含量能达到100~120 mg/kg,单施化学磷肥和化肥配施秸秆的处理土壤有效磷含量不会超过40 mg/kg的环境阈值。

        本试验土壤条件下,小麦、玉米产量达到最大值的90%时土壤有效磷含量分别为22.47 mg/kg和20.68 mg/kg。磷肥利用率随着土壤有效磷含量的增加而增加,以化肥配施秸秆处理提高小麦磷肥利用率的效果最佳,以化肥配施有机肥处理的磷肥效率最低。化肥配施有机肥处理下容易造成磷的固定和淋洗损失,因此,需要适当减少此处理下的磷肥投入总量,提高有机磷肥的施用比例。

        致谢:感谢山西省农业科学院土壤肥料研究所、河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所、天津市农业资源与环境研究所、青岛农业大学资源与环境学院、河北省农林科学院旱作农业研究所各长期定位试验站的科研人员对作物和土壤样品的采集和调研。

    参考文献 (57)
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