长期不同施肥下潮土磷素演变特征及其对磷盈亏的响应

张珂珂，郭斗斗，宋 晓，岳 克，黄晨晨，张水清，黄绍敏*

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.郑州大学农学院，河南 郑州 450006）

磷素是作物生长发育所需的主要营养元素之一，作物携出磷主要来自土壤累积磷和投入的磷肥；而全磷（TP）和有效磷（Olsen-P）则是评价土壤磷的供应水平及有效性的重要指标［1］。土壤磷素在农业生产中有着重要作用，施用磷肥对作物产量稳定至关重要，且对土壤供磷能力有显著影响［2-3］。由于磷素的阴离子易被吸附、固定，导致磷肥利用率低［4］，所以在农业生产中人们往往投入大量磷肥来满足农作物对磷的需求以提高作物产量，导致土壤中磷素大量累积［5］。如果长期大量投入磷肥，土壤磷素一直处于盈余状态，会增大磷素的流失及环境污染的风险［6］。因此，了解长期不同施肥条件下磷素演变及磷盈亏对土壤磷素变化的影响，对改善长期大量投入磷肥带来的弊端有着重要的指导意义。

有机肥和秸秆是重要的有机肥料，它们与化肥配施均提高土壤TP、Olsen-P含量，施有机肥料可促使土壤中无效态磷向有效态转化，提高磷素有效性，提升土壤供磷能力［7-8］。长期投入有机肥可以降低土壤磷素的最大吸附量，利于土壤中磷素累积［9］。研究表明，长期投入磷肥或有机肥能不同程度地提高土壤磷素含量，化肥配施有机肥显著提高土壤磷素含量，并且增加磷素累积量［7，10-12］。还有研究表明，化肥配施秸秆还田显著提高土壤Olsen-P浓度，但土壤磷盈余没有明显增加［13］。赵庆雷等［14］研究发现，连续秸秆还田砂浆黑土土壤磷含量显著提高，活性磷组分提高51.4%。另外，王艳玲等［15］分析了长期施肥试验，结果表明，土壤中累积磷盈余与土壤全磷及有效磷含量的增加呈正相关，土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤全磷增加0.5 g·kg-1，有效磷增加5.0 mg·kg-1。杨振兴等［16］通过研究不同土壤类型对土壤磷素的影响，土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，单施化肥处理土壤有效磷提高4.3 mg·kg-1，化肥配施有机肥处理土壤有效磷含量提高9.1 mg·kg-1。潮土是河南省粮食主产区的主要土壤类型，在粮食生产中占重要的地位。近年来磷肥的投入量不断提高，导致土壤中磷素增加，根据2008～2014年原农业部耕地质量监测数据，河南省土壤有效磷含量平均为25.3 mg·kg-1。若继续大量投入磷肥，则加大磷素对环境的威胁。因此，本研究通过分析潮土长期不同施肥条件下土壤全磷和有效磷对磷素盈亏的响应，明确土壤磷素演变过程，为潮土合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 长期试验地点概况

长期定位试验设在“国家潮土土壤肥力与肥料效益长期监测站”（113°40′42″E，34°47′55″N），位于河南省原阳县祝楼乡，试验区属于典型温带季风气候，年均降水量650 mm，年均气温15℃，无霜期224 d，每年降水量主要集中在7～9月。该试验站于1987年建立，1988与1989年匀地种植，1990年开始划分小区进行正式试验；供试土壤为砂壤质潮土，成土母质为黄河冲积物，初始土壤理化性质如下：土壤pH 8.1、有机质10.6 g·kg-1、全氮1.69 g·kg-1、全磷0.65 g·kg-1、有效磷6.9 mg·kg-1、碱 解 氮52.3 mg·kg-1、速 效 钾71.7 mg·kg-1、缓效钾647.2 mg·kg-1。

1.2 试验设计

本研究选取试验站1990～2018年代表潮土区常见的5个施肥模式：1）NK（不施磷肥）；2）NPK（施氮磷钾化肥）；3）MNPK（NPK化肥+有机肥），与NPK处理等氮量，其中70%的氮由有机肥提供，根据其含氮量确定有机肥的量；4）1.5MNPK（MNPK处理施肥量的1.5倍）；5）SNPK（NPK化肥+玉米秸秆还田），与NPK处理等氮量，1991～2001年70%的氮由秸秆还田量提供（不足部分由同期其他试验区秸秆补充），2002～2017年只将该处理玉米秸秆还田，不足氮量由尿素补足。试验区每年施用的磷肥为普通过磷酸钙，试验站施用的磷肥属于分批购置，所以过磷酸钙中P2O5含量不同，1991～2002、2003～2011、2012～2017年分别为12.05%、8%、8.8%，氮肥为尿素，钾肥为氯化钾；施肥量，小麦季（以N计）165 kg·hm-2、磷肥（以P2O5计）和钾肥（以K2O计）各82.50 kg·hm-2，玉米季（以N计）187.50 kg·hm-2、磷肥（以P2O5计）和钾肥（以K2O计）93.75 kg·hm-2。施用的有机肥1990～1999年为马粪，2000～2010年为牛粪，其中2007年没有施用有机肥，2011～2017年为商品有机肥，2012年之后1.5MNPK处理不施有机肥；每年施肥前测定施用有机肥及玉米秸秆的氮、磷、钾含量。每季磷、钾肥和有机肥作为底肥一次性施入，氮肥以基追比6∶4施入。2009年之前不设重复，试验区面积400 m2，2009年原状土搬迁后每小区面积为45 m2，3次重复。长期定位试验历年各处理施磷情况见表1。

表1 长期定位试验历年投入磷素量 （kg·hm-2）

各年度小麦播种时间为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，玉米免耕。各年度根据土壤状况适当灌溉，保证作物正常生长。

1.3 土壤样品的采集与处理

每年玉米季收获后，在NK、NPK、MNPK、1.5MNPK及SNPK等小区，采用“S”形采样法，采集耕作层（0～20 cm）土壤样品，每个小区采5点，混合均匀后，采用四分法取1 kg土壤，带回室内，自然风干后，拣去土样中的根茬、石块等杂物，磨细、过筛备用。2010 年之后，改为小麦收获后取样。

1.4 分析测试项目与方法

土壤全磷（TP）采用H2SO4-HClO4消煮-钼锑抗比色法测定；土壤有效磷（Olsen-P）含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定。植株磷含量采用H2SO4-H2O2消煮、钼锑抗比色法测定。

1.5 结果计算

作物携磷量、磷素盈余和磷增量计算公式如下［17］：

作物吸磷量（kg·hm-2）=籽粒产量（kg·hm-2）×籽粒含磷量（%）+秸秆产量（kg·hm-2）×秸秆含磷量（%）

土壤每年表观磷素盈亏（kg·hm-2）=每年施磷量（kg·hm-2）-每年作物携磷量（kg·hm-2）

土壤累积磷盈亏（kg·hm-2）=∑［土壤表观磷盈亏（kg·hm-2）］

土壤中磷素增量（ΔP）按照下式计算：

式中：Pi表示第i年土壤有效磷（mg·kg-1）；P0表示有效磷初始值（mg·kg-1）；

式中：TPi表示第i年土壤全磷（g·kg-1）；TP0表示全磷初始值（g·kg-1）。

试验数据采用Excel 2007和Origin 8.5进行整理和作图。

2 结果与分析

2.1 长期施肥下潮土全磷的变化

长期不同施肥条件下土壤TP含量随试验年限延长的演变特征如图1所示。NK处理在1990～2005年土壤TP含量呈缓慢下降趋势，2005年之后其含量基本维持在0.58 g·kg-1左右。施磷处理土壤TP含量均随试验年限增加呈上升趋势，MNPK、1.5MNPK处理土壤TP含量平均每年分别增加0.022、0.028 g·kg-1；SNPK处理平均每年增加0.011 g·kg-1，增速是NPK处理的1.26倍。

图1 长期施肥条件下潮土全磷含量变化

2018年与试验开始相比，NK处理土壤TP含量 下 降0.05 g·kg-1，降 幅 为7.69%；而 SNPK、MNPK、1.5MNPK处理土壤TP含量呈现不同程度的提高，其中1.5MNPK处理土壤TP增幅最大，高达110.77%；SNPK、MNPK处理增幅分别比NPK处理提高3.08、43.08个百分点；试验28年后，NPK、SNPK、MNPK、1.5MNPK处 理 土 壤TP较NK处理分别增加了55.40%、58.92%、101.60%、128.35%（表2）。综上所述，在所有施肥处理中，氮磷钾化肥配施有机肥（1.5MNPK和MNPK）最有利于提高TP含量，且氮磷钾化肥配施秸秆还田处理提高TP的效果优于氮磷钾化肥。

表2 土壤全磷含量随时间变化趋势

2.2 长期施肥下潮土有效磷的变化

各试验小区的土壤Olsen-P 含量变化差异较大，由图2可知，随试验年限延长，NK处理土壤Olsen-P含量呈缓慢下降趋势，平均每年下降0.164 mg·kg-1；NPK、SNPK处 理 土 壤Olsen-P含量呈线性增加趋势，且SNPK处理年增幅高于NPK处理，为0.393 mg·kg-1。MNPK、1.5MNPK处理土壤Olsen-P含量随试验年限变化分3个阶段进行分析：第一阶段，前13年MNPK、1.5MNPK处理土壤Olsen-P含量表现为增加的趋势，年增幅高于SNPK、NPK处理，分别为3.92、5.94 mg·kg-1，并且1.5MNPK处理年增幅是MNPK处理的1.51倍；第二阶段呈现2～3年维持平稳水平，其含量维持在56、82 mg·kg-1；第三阶段，后12年土壤Olsen-P含量随年限变化不显著或下降，并且1.5MNPK处理下降最快。

图2 长期施肥条件下土壤有效磷含量变化

2018年时NK处理Olsen-P含量低于其他各施磷处理，比试验初始值下降4.31 mg·kg-1，降幅为62.49%。说明长期不施磷肥导致土壤Olsen-P含量降低。施磷各处理土壤Olsen-P含量比试验初始提高了207.57%～618.52%，其中SNPK处理增幅比NPK处理提高55.34个百分点，氮磷钾化肥配施有机肥处理（MNPK、1.5MNPK）增幅高于SNPK处理。从1990～2018年平均值来看，氮磷钾化肥配施有机肥处理（MNPK、1.5MNPK）土壤Olsen-P含量高于NPK、SNPK处理，其中1.5 MNPK处理最高，高达56.62 mg·kg-1（表3）。总体来看，长期氮磷钾化肥配施有机肥最有利于提高土壤Olsen-P含量，并且磷肥施用量越高，年增长速率越大。

表3 土壤有效磷含量随时间变化趋势

2.3 长期施肥对土壤磷平衡的影响

不同施肥处理作物累积携磷量不同，NK处理最低，从土壤中累积带走磷484.40 kg·hm-2；1.5MNPK处理作物携出磷量最高，为1818.32kg·hm-2，比NK处理高275.41%。MNPK、SNPK处理作物累积携出磷量分别比NPK处理高12.01%、10.86%。说明化肥配施有机肥处理（MNPK、1.5MNPK）和化肥配施秸秆还田处理能提高作物携出磷量。NK处理作物携出的磷主要源于土壤自身，由于没有磷素的直接投入，所以一直处于亏缺状态，平均每年缺磷量为17.19 kg·hm-2。试验前13年NPK、SNPK处理土壤表观平衡处于盈余状态，年均盈余分别为28.6、36.3 kg·hm-2，试验后15年磷素投入量减少30%，但年均磷携出量为58.9～65.5 kg·hm-2，导致表观磷盈亏为部分年份呈亏缺状态，以长期试验28年平均值计算表观磷盈亏为盈余状态。MNPK处理磷素表观平衡一直处于盈余状态，28年平均磷素表观盈余为69.1kg·hm-2。1.5MNPK处理试验前13年磷素表观盈余158.0 kg·hm-2，后15年磷投入量减少，作物平均携出磷为71.7 kg·hm-2，土壤表观磷素盈余值减少，平均磷素盈余为48.0 kg·hm-2。长期投入磷肥可以提高土壤磷素盈余，NPK、SNPK处理累积盈余量为600.32～ 641.99 kg·hm-2，1.5MNPK处理土壤累积盈余量最大，高达3020.27 kg·hm-2。

图3 不同施肥处理土壤表观磷盈亏的变化特征

2.4 长期施肥下土壤TP对累积磷盈亏的响应

各处理土壤全磷增量与土壤累积磷盈余之间的线性方程见图4，方程中x为土壤累积磷盈余量，y为土壤全磷增量，斜率为土壤磷每变化1个单位，土壤全磷的增加量。NK处理土壤中全磷增量与累积盈余呈负相关，NPK、SNPK处理土壤中全磷增量与累积磷盈余呈正相关，土壤磷每盈余100 kg·hm-2，其土壤中全磷含量平均分别增加0.04、0.06 g·kg-1。从MNPK、1.5MNPK处理全磷增量与累积磷盈余线性拟合可知，全磷增量呈现阶段性的增长，试验前期全磷增量随累积磷盈余缓慢增加，后期呈现快速增加，土壤磷每盈余100 kg·hm-2，全磷含量分别增加0.063、0.059 g·kg-1，说明全磷含量由缓慢增加到快速增加拐点0.85 g·kg-1，快速增加阶段是缓慢增加阶段的2.5～3.3倍，并且氮磷钾化肥配施有机肥处理提升全磷的速率大于氮磷钾化肥。

图4 不同施肥处理土壤全磷增量与累积磷盈余的关系

2.5 长期施肥土壤Olsen-P对累积磷盈亏的响应

由图5可知，土壤Olsen-P增量与累积磷盈余量关系，NK处理累积磷盈余与土壤有效磷变化量呈负相关，各施磷处理中土壤Olsen-P增量与累积磷盈余呈正相关或阶段性正相关与负相关。由直线回归方程可知，土壤磷素每亏缺100 kg·hm-2，NK处 理 土 壤Olsen-P含 量 降 低0.19 mg·kg-1；有效磷含量与NPK、SNPK处理呈线性正相关，NPK、SNPK处理土壤中磷素每盈余100 kg·hm-2，Olsen-P含量分别增加1.94、2.13 mg·kg-1；MNPK处理Olsen-P增量随累积磷盈余先快速增加后缓慢增加，而1.5MNPK处理Olsen-P增量随累积磷盈余先快速增加后表现为增量减少。MNPK、1.5MNPK处理土壤中磷素每盈余100 kg·hm-2，Olsen-P含量平均增加2.97 mg·kg-1。

图5 不同施肥处理土壤有效磷增量与累积磷盈余的关系

3 讨论

3.1 不同施肥处理对土壤全磷和有效磷含量的影响

作物携出磷是土壤磷素减少的主要途径，作物携出磷越多，土壤中磷减少越多。本试验结果表明，NK处理作物从土壤中累积携出磷484.36 kg·hm-2；施磷处理作物累积携出磷量为1503.94～1818.32 kg·hm-2， 且SNPK、MNPK、1.5MNPK处理作物携出磷量高于NPK处理，说明氮磷钾化肥配施秸秆还田和氮磷钾化肥配施有机肥可以促进作物对磷素的吸收。施磷是提高土壤全磷和有效磷的主要途径，但磷库的变化可能因投入磷肥种类、施肥时间及方式不同存在差异［18-19］。本研究发现NK处理土壤TP含量在试验前15年呈现下降趋势，之后基本保持稳定；土壤Olsen-P含量呈缓慢下降趋势，与许多长期定位试验研究结果基本一致［11-12，15］。这可能是由于不施磷肥条件下作物依靠土壤中有机或无机物释放的磷供其生长，导致土壤中的磷素不断消耗，致使土壤磷素降低；而叶会财等［6］认为长期不施磷肥，水稻土的全磷基本处于持平状态，有效磷略有增加，仅施氮钾肥土壤有效磷基本保持不变，这可能是因为不施肥条件下缓效性磷能释放出有效磷，使缓效性磷与有效磷出现动态平衡，而且灌溉或者降雨也可能补充了磷素，磷素保持相对的稳定［20-21］。施磷处理土壤中TP含量随试验年限延长呈现增加趋势，年均增加速率为0.009～0.028 g·kg-1，这与大部分研究结果一致［13，18，20，22］。SNPK处理土壤TP和Olsen-P含量年增加速率均高于NPK处理，这与刘盼盼等［23］研究结果一致，这可能由于秸秆还田为微生物提供了丰富的碳源，进而提高土壤微生物及相关酶活性，使磷素养分矿化分解加快［24］；另外，投入的秸秆磷素对Ca8-P抑制作用高于化学磷素，因此，较多的磷素转化为土壤全磷［8］。1.5MNPK处理土壤TP随试验年限延长呈增加趋势，而Olsen-P含量在前13年试验表现为较强的效应，呈快速上升趋势，当Olsen-P含量达到一定高值后有2～3年的维持阶段，随后12年Olsen-P含量呈现下降趋势；这可能是因为一方面大量投入有机肥，随试验年限的延长，磷素不断累积，增加了磷素向下迁移量或径流迁移出土体的风险［25-26］；另一方面，由于试验13年后Olsen-P含量达到高值（82 mg·kg-1），若要维持或增加Olsen-P含量，可能需要保持该施磷量或投入更高施磷量，但本试验在Olsen-P含量达到高值后磷素平均投入量由210 kg·hm-2减少到110 kg·hm-2，这 可能导致Olsen-P含量下降。类似地，鲁艳红等［18］认为，化肥配施有机肥处理土壤中有效磷含量提高到一定程度后，再继续施磷肥其变化缓慢或者无明显变化。

3.2 土壤磷素平衡对土壤磷素的影响

许多研究表明土壤磷素与磷累积盈亏呈正相关，可预测不同施肥条件下土壤TP中或Olsen-P含量的变化趋势［9-12，27］。Cao等［28］在8个不同长期试验点研究发现施用化肥磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤Olsen-P含 量 提 高1.6～5.7 mg·kg-1。本 研究中NK处理土壤磷每亏损100 kg·hm-2，土壤TP和Olsen-P含 量 分 别 降 低0.022 g·kg-1、0.19 mg·kg-1。NPK、SNPK处理总磷投入量相近，土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤TP含量分别提高0.04、0.06 g·kg-1，土壤Olsen-P含量分别提高1.94、2.13 mg·kg-1，这表明单位磷素盈余量氮磷钾化肥配施秸秆还田处理对土壤Olsen-P含量提升效果优于氮磷钾化肥，这可能是氮磷钾化肥配施秸秆还田促使土壤中有机磷转化为无机磷，增加土壤中无机磷含量，而且秸秆还田还可以减缓磷素迁移［8，10］。杨军等［27］在长期定位试验单施氮磷钾化肥条件下发现土壤中磷素每盈余100 kg·hm-2，Olsen-P含量增加1.75 mg·kg-1。本研究结果在前人研究结果的范围内，这还表明不同土壤类型或不同施肥条件下对土壤Olsen-P含量的增加影响较大。

氮磷钾化肥配施有机肥（MNPK、1 .5 MNPK）与NPK处理相比磷素投入量有较大幅度提高，土壤磷素变化与总磷量有很大关系，但其土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤TP和Olsen-P含量平均增加0.33 g·kg-1和2.97 mg·kg-1，提高幅度分别是氮磷钾化肥处理的8.2、1.5倍，这表明单位磷素盈余量氮磷钾化肥配施有机肥处理对磷素提升效果高于施氮磷钾化肥（NPK）处理，这可能由于有机肥能促进磷活化，提高活性磷含量，增加了磷在土壤中的循环，并且有机肥中的有机磷易于磷的分解释放［22］。但樊红柱等［11］和张国荣等［29］研究认为单施化肥处理比化肥配施有机肥提高更多Olsen-P的含量；造成这一矛盾的原因，一方面是有机肥对磷的固定速度远大于磷有效化的速度，另一方面是水旱交替条件下更易促进磷向下淋溶［30-31］。杨振兴等［16］研究表明长期有机无机配施，土壤累积磷盈余与有效磷含量变化呈正相关，土壤有效磷增加量随磷素累积量增加而增加。本试验中，1.5MNPK处理土壤TP增量随累积磷盈余增加呈现先缓慢增加后快速增加，而Olsen-P增量试验前13年随累积磷盈余呈现增加趋势，之后呈现下降趋势，其原因可能是试验前13年1.5MNPK处理大量投入磷素，平均投入量约210 kg·hm-2，平均磷素表观盈余高达158 kg·hm-2，有效磷含量提高到82 mg·kg-1；之后磷素投入减少，平均投入量约110 kg·hm-2，导致土壤平均磷素表观盈余减少为48.0 kg·hm-2，因此可转化成的有效磷量减少，而作物携出磷量基本不变，消耗的有效磷不变，因此土壤中原有的有效磷被消耗。另外，黄晶等［7］研究中也发现磷素的变化量与磷素平衡（磷素投入量减去作物携出量）之间关系密切，表观平衡表现少量盈余时有效磷变化缓慢，如果要提高土壤有效磷水平，仅有少量磷素盈余是不足的，可能需要一定量盈余才能维持或提高土壤有效磷含量；这一结果也说明了在评价施肥量是否足够时，要综合考虑磷素表观平衡和土壤磷素肥力这两方面的因素。

4 结论

长期施用氮磷钾化肥、氮磷钾化肥配施有机肥或者秸秆还田均能够促进潮土区土壤全磷和有效磷含量提升。NPK、SNPK、MNPK、1.5MNPK土壤平均表观盈余分别为11.9、15.1、69.1、94.5 kg·hm-2，氮磷钾化肥配施有机肥土壤盈余磷量高于氮磷钾化肥和氮磷钾化肥配施秸秆还田；土壤全磷、有效磷变化量与土壤磷盈亏密切相关，磷素每盈余100 kg·hm-2，土壤TP含量提高0.04～0.33 g·kg-1，土壤Olsen-P含量提高1.94～2.97 mg·kg-1，而且氮磷钾化肥配施有机肥或者秸秆还田更有利土壤磷素的累积。