黄土旱塬黑垆土长期肥料试验土壤磷素和磷肥效率的演变特征*

王淑英, 樊廷录, 丁宁平, 赵 刚, 张建军, 李尚中, 王 磊, 党 翼, 程万莉, 唐小明



黄土旱塬黑垆土长期肥料试验土壤磷素和磷肥效率的演变特征*

王淑英1, 樊廷录1, 丁宁平2, 赵 刚1, 张建军1, 李尚中1, 王 磊1, 党 翼1, 程万莉1, 唐小明1

(1. 甘肃省农业科学院旱地农业研究所/甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室 兰州 730070; 2. 平凉市农业科学研究院 平凉 744500)

依托甘肃平凉定位试验(1979年—), 分析长期不同施肥下土壤磷素和磷肥效率的演变特征, 为黄土旱塬雨养农田合理施用磷肥提供参考。试验包括6个处理: 不施肥(CK)、单施氮肥(N)、氮磷配合(NP)、秸秆还田加氮和隔年施磷(SNP)、单施农家肥(M)和农家肥加氮磷(MNP), 种植制度为4年冬小麦-2年春玉米的一年1熟轮作制。结果表明, 试验进行38年后, 长期无磷投入(CK、N)处理耕层土壤全磷和Olsen-P含量及磷活化系数比试验开始时下降, 而施磷处理(NP、SNP、M和MNP)土壤全磷分别增加22.8%、14.0%、38.6%和56.1%, Olsen-P相应提高99.1%、48.4%、206.4%和375.6%, 磷活化系数分别是开始时的1.7倍、1.3倍、2.2倍和3.1倍。随试验年限延长, CK处理耕层土壤全磷基本不变; N和SNP耕层土壤全磷呈下降趋势, 每年下降速率为1.9 mg·kg-1和2.6 mg·kg-1; NP、M和MNP处理呈增加趋势, 每年增加速率分别为1.2 mg·kg-1、1.9 mg·kg-1和2.8 mg·kg-1。CK和N处理Olsen-P呈下降趋势, 年下降速率分别为0.03 mg·kg-1和0.09 mg·kg-1; NP、SNP、M和MNP处理土壤Olsen-P呈增加趋势, 年增量分别为0.29 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、0.46 mg·kg-1和0.89 mg·kg-1。作物产量与耕层土壤Olsen-P含量呈极显著正相关(小麦2=0.116 9,=132; 玉米2=0.332 4,=54)。施磷处理(NP、SNP、M和MNP)玉米的磷肥回收率、利用率和农学效率大于小麦, 而生理效率小麦大于玉米; 各处理磷肥效率4个指标的大小顺序均为SNP>NP>MNP>M, 玉米磷肥效率的4个指标都随试验年限延长而提高。M较MNP处理P投入减少了14.2%, 小麦、玉米磷素效率降低14.3%~69.5%、0.8%~75.5%。总之, 有机无机结合是黄土旱塬区培肥地力、提高作物产量和资源利用效率的施肥措施。

黑垆土; 长期施肥; 土壤磷素; 磷肥回收率; 磷肥利用率; 磷肥农学效率; 磷肥生理效率

磷是植物生长发育必需的营养元素之一,土壤全磷含量代表着土壤供磷的潜力, 土壤有效磷代表可供作物当季吸收利用的磷素水平[1]。土壤全磷含量高低并不决定土壤磷素有效性高低, 研究表明速效磷、水溶性磷含量高则土壤磷素有效性高。土壤磷素有效性一方面与磷肥类型、土壤磷矿物类型结构有关[2]; 另一方面, 土壤磷有效性与土壤性质有很大关系, 土壤性质影响土壤磷素形态转化过程[3-5], 同时也是土壤性质综合作用的结果[6]。土壤磷素活化系数(PAC)低于2.0%时, 全磷转化率低、速效磷容量和供给强度小[7]。因此土壤磷及有效性、磷肥效率以及磷组分和作物品种更替过程中土壤磷水平的增产效应等备受国内外学者关注[8-12]。大量定位试验研究结果表明, 有效磷的增加可促进农田作物吸磷量的提高, 但土壤有效磷含量达到一定阈值时, 有效磷的增加不再引起作物吸磷量的增长, 施磷量、土壤磷的主要形态和农田轮作制度从不同层次上影响了作物的磷肥效率[12]。施化肥更有利于潮土全磷含量的提高, 施用有机肥可以在不增加施磷量的条件下增加作物可吸收利用的磷, 减少施化学磷量增施有机肥是潮土地区减肥增效的重要手段[13]。化学磷肥和化肥加有机肥都能提高红壤土壤全磷、有效磷含量, 施用有机肥料有利于土壤中磷酸钙盐(Ca-P)和磷酸铝盐(Al-P)积累, 提高吸附磷的再利用, 有效性较高的Ca-P和Al-P随施肥时间延长而增加[14]。土壤有效磷含量受施肥影响显著, 每季作物施磷20~33 kg×hm-2时土壤全磷和有效磷可维持平衡或明显增加[15]。有机肥更有助于石灰性土壤磷由“汇”向“源”的转变, 长期磷肥和有机肥投入、长期轮作可以减低土壤磷素的最大吸附量, 长期施肥利于土壤中各种形态的磷累积, 长期轮作较连作可以增加土壤中有效磷[16-17]。长期免耕和秸秆覆盖黑垆土土壤磷含量显著提高, 活性磷组分提高56.6%~85.2%[18]。磷的有效性主要受土壤母质、理化性质、地理位置和施肥方式的影响, 相比化肥, 施用有机肥能更好地提高和维持土壤中磷素的有效性[19]。

裴瑞娜等[20-22]以甘肃平凉高平长期试验(1979—)为平台, 研究了长期施肥下黑垆土磷盈亏和作物磷素吸收利用等, 认为经过28 a的施磷处理, 玉米()季磷肥农学利用效率和回收率的平均值均高于冬小麦()季, 长期单施化学磷肥提升土壤有效磷的速率显著大于单施有机肥。但耕层土壤磷活化、磷肥效率演变等至今未做系统分析。为此, 本文在已有研究的基础上, 利用1979—2016年数据, 较为系统地分析研究38 a不同施肥下旱地黑垆土农田耕层土壤全磷、速效磷、磷活化及磷肥效率演变特征, 为旱区农业生产可持续发展中科学合理施用磷肥、提高磷肥的经济和生态效益提供有效的理论依据, 为充分挖掘土壤磷的生产潜力提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验基地情况

试验地点位于甘肃省平凉市泾川县高平镇境内(107°30′E, 35°16′N)的旱塬区, 属黄土高原半湿润偏旱区, 土地平坦, 海拔1 150 m, 年均气温8.6 ℃, ≥10 ℃积温2 800 ℃, 持续期180 d, 年降雨量540 mm, 其中60%集中在7、8、9月份, 年蒸发量1 380 mm, 无霜期约170 d。光、热资源丰富, 水热同季, 适宜于冬小麦、玉米、果树、杂粮等生长。试验地为旱地覆盖黑垆土, 黄土母质, 土体深厚疏松, 利于植物根系伸展下扎, 富含碳酸钙, 腐殖质累积主要来自土粪堆垫。

1.2 试验设计

试验共设6个处理: 1)不施肥(CK); 2)施氮肥(N); 3)施氮磷肥(NP); 4)秸秆还田配施氮磷肥(SNP); 5)施农家肥(M); 6)氮磷肥配施农家肥(NPM)。各处理的施磷量和磷输入量见表1。

1979年试验开始的第1季作物为玉米, 试验基本上按2年春玉米→4年冬小麦的一年1熟轮作制进行, 其中1993—1998年为冬小麦连作、1999年为高粱[(L.) Moench]、2000年为大豆[(L.) Merr.]。各处理按大区顺序排列, 每个大区为1个肥料处理, 面积666.7 m2, 大区划分为3个顺序排列的重复, 每个小区220 m2。1990年之前8年小麦品种为‘80平8’, 1993年和1994年为‘庆选8271’, 以后依次更替为‘85108’、‘陇麦108’、‘平凉44’、‘长6387’、‘普冰151’; 2006年之前8年玉米品种为‘中单2号’, 2012年和2013年为‘先玉335’。

表1 1979—2016年各试验处理全年施肥量和磷素养分输入量

玉米为露地穴播, 密度5.25万株·hm-2; 小麦机械条播, 播量187.50 kg·hm-2。氮肥用尿素、其用量的60%做基肥, 40%做追肥(均于春玉米、冬小麦拔节期均匀撒在种植行内); 磷肥为过磷酸钙, 农家肥平均含磷量0.27%, 秸秆平均含磷量0.17%, 农家肥和磷肥在作物播前全部基施, 每年作物收获后结合犁地将约5 cm长的小麦秸秆翻入土壤0~20 cm耕层。试验开始时(1978年秋)耕层(0~20 cm)的土壤理化性质: 有机质10.75 g·kg-1, 全氮0.95 g·kg-1, 全磷0.57 g·kg-1, 碱解氮65.9 mg·kg-1, 有效磷6.77 mg·kg-1, 速效钾163.2 mg·kg-1。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采样

土壤样品: 每季作物收获后(冬小麦9月15日播种、6月下旬收获, 春玉米4月20日播种、9月上旬收获)按三点法采集每个区0~20 cm土层土样3个, 均匀混合, 土样风干用于土壤全磷、速效磷等指标的分析。

植物样品: 小麦收获时每小区随机采集面积为0.5 m2的10个点植株样品混合, 玉米收获时每小区随机采集5株植株样品混合, 样品风干后脱粒, 进行收获指数和籽粒及秸秆磷含量测定。各小区的秸秆生物量通过收获指数和籽粒产量计算得到。

1.3.2 测定方法

土壤全磷用HClO4-H2SO4消煮、钼锑抗比色法测定; 土壤有效磷用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。

作物产量: 玉米每个小区收获40 m2, 小麦收获20 m2, 自然风干后, 每个处理单独计算产量。

1.4 数据处理方法

土壤磷活化系数(PAC, %)=Olsen P(mg·kg-1)/[全磷(g·kg-1)×1 000]×100% (1)

土壤有效磷增量(△Olsen P, mg·kg-1)=P(mg·kg-1)-0(mg·kg-1),P表示第年土壤有效磷,0表示初始土壤有效磷含量。 (2)

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(%) (3)

磷肥回收率(PRR, %)={[施磷处理作物总吸磷量(kg·hm-2)-CK处理作物总吸磷量(kg·hm-2)]/施磷

处理施磷量(kg(P)·hm-2)}×100% (4)

磷肥利用率(PUR, %)={[施磷处理作物吸收磷量(kg·hm-2)-不施磷处理作物吸收磷量(kg·hm�2)]/施

磷处理施磷量(kg(P)·hm-2)}×100% (5)

磷肥农学利用效率(PAE, kg·kg-1)=[施磷处理作物产量(kg·hm-2)-不施磷处理作物产量(kg·hm-2)]/施磷处理施磷量[kg(P)·hm-2] (6)

磷肥生理效率(PPE, kg·kg-1)=[施磷处理作物产量(kg·hm-2)-不施磷处理作物产量(kg·hm-2)]/[施磷处理作物吸磷量(kg·hm-2)-不施磷处理作物吸磷量(kg·hm-2)] (7)

式中: 施磷量为施用的总磷量, 包括无机化肥、有机肥和秸秆中的P量。

采用Microsoft Excel和DPS 5.01软件进行作物产量、土壤全磷和有效磷、作物磷肥效率的时间变化趋势线性模拟及显著性检验。

2 结果与分析

2.1 长期施肥下土壤全磷和有效磷的变化趋势及其关系

2.1.1 长期施肥下土壤全磷的变化

2016年与试验开始时(1978年秋)相比, 长期不施肥(CK)和施氮肥(N)耕层土壤全磷有所降低, 施氮磷肥(NP)、秸秆还田配施氮肥和隔年配施磷肥(SNP)、施农家肥(M)和农家肥配施氮磷肥(MNP)处理耕层土壤全磷不同程度提高, 分别增加22.8%、14.0%、38.6%和56.1%。试验进行38 a后, N处理耕层土壤全磷较CK下降2.4%, NP、SNP、M和MNP处理耕层土壤全磷较CK分别增加24.5%、16.1%、41.2%和59.1%。随着试验年限的延长, N和SNP处理耕层土壤全磷呈下降趋势(图1), 每年分别减少1.9 mg·kg-1和2.6 mg·kg-1, 与试验年限极显著(<0.01)和显著(<0.05)负相关; CK处理耕层土壤全磷基本不变, NP处理耕层土壤全磷呈缓慢增加趋势, 每年增加1.2 mg·kg-1, M和MNP处理呈逐渐提高趋势, 每年分别提高1.9 mg·kg-1和2.8 mg·kg-1, MNP和M处理耕层土壤全磷含量与试验年限分别呈极显著(<0.01)和不显著正相关。

图1 1978—2016年长期不同施肥处理下土壤全磷含量变化

2.1.2 长期施肥下土壤有效磷的变化

2016年CK和N处理耕层土壤有效磷(Olsen-P)含量比试验开始时减少54.8%和55.1%, 而NP、SNP、M和MNP处理土壤Olsen-P含量提高99.1%、48.4%、206.4%和375.6%。不施磷处理(CK、N)由于作物从土壤中不断携出磷而无投入, 土壤Olsen-P含量持续亏缺, 从开始时(1978年)的6.80 mg·kg-1分别下降到2016年的3.06 mg·kg-1和3.04 mg·kg-1, 随试验年限延长, 耕层土壤Olsen-P含量呈不显著和极显著(<0.01)下降趋势(图2), 年下降速率分别为0.03 mg·kg-1和0.09 mg·kg-1。施磷处理土壤Olsen-P含量均随试验年限延长而提高, NP、SNP、M和MNP处理土壤Olsen-P含量年增量分别为0.29 mg·kg-1、0.24 mg·kg-1、0.46 mg·kg-1和0.89 mg·kg-1, SNP处理土壤Olsen-P含量与种植年限显著正相关(<0.05), NP、M和MNP处理Olsen-P含量与种植年限极显著正相关(<0.01)。

图2 1978—2016年长期不同施肥处理下土壤有效磷含量变化

2.1.3 长期施肥下土壤磷的活化能力

用磷活化系数(PAC)可以表示土壤磷活化能力。长期施肥下黄土旱塬黑垆土磷PAC的演变如图3所示, 施磷处理的土壤PAC高于不施磷处理(CK、N)。不施磷处理土壤PAC由试验开始时的1.20%分别下降到2016年的0.54%和0.55%; 施磷处理的土壤PAC均随试验年限延长而提高, 施氮磷肥(NP)和秸秆还田配施氮和隔年施磷肥(SNP)处理土壤PAC提高幅度小于施农家肥处理, NP和SNP处理土壤PAC由试验开始时的1.17%分别提高到2016年的1.93%、1.54%, 而施农家肥处理(M、MNP)PAC值分别达2.62%、3.61%。不施磷处理(CK、N)土壤PAC与试验年限显著负相关(<0.05), 每年减小的速率分别为0.011%和0.013%; 而施用磷肥处理土壤PAC与试验年限显著(NP、SNP)(<0.05)或极显著(M、MNP)正相关(<0.01), 每年提高的速率分别为0.034%、0.032%、0.064%和0.100%。

2.2 长期施肥下作物产量与耕层土壤有效磷关系

利用22年冬小麦和9年玉米的耕层土壤有效磷数据, 分别对小麦和玉米产量与相应土壤有效磷含量进行线性分析(图4), 结果显示作物产量与耕层土壤有效磷含量极显著正相关(<0.01), 小麦和玉米产量随土壤中有效磷含量提高而增加。旱塬黑垆土农田耕层土壤有效磷含量每提高1 mg·kg-1, 小麦和玉米产量将会分别增加53 kg·hm-2和230 kg·hm-2。

2.3 长期施肥下旱地黑垆土磷肥效率

2.3.1 长期施肥下作物磷肥当季农学利用效率

NP、SNP、M和MNP处理26年冬小麦平均当季农学利用效率(PAE)分别为55.64 kg·kg-1、87.51 kg·kg-1、8.26 kg·kg-1、11.40 kg·kg-1, 10年春玉米平均当季农学利用效率分别为84.39 kg·kg-1、147.03 kg·kg-1、15.03 kg·kg-1、18.78 kg·kg-1, 玉米施用磷肥的增产效果大于小麦(表2)。无论小麦还是玉米, 施磷处理PAE大小顺序均为SNP>NP>MNP>M。与长期单施氮处理相比, 秸秆还田配施氮肥和隔年施磷(SNP)处理每公顷施用1 kg纯P, 玉米平均增产147.03 kg·hm-2、小麦平均增产87.51 kg·hm-2。随试验年限的延长, 施磷处理PAE提高, NP和SNP处理冬小麦PAE与施肥年限呈不显著正相关, 年提高速率分别为0.86 kg·kg-1和1.3 kg·kg-1; 而施农家肥处理(M、MNP)的冬小麦PAE与施肥年限显著正相关(<0.05), 年提高速率分别为0.276 kg·kg-1和0.176 kg·kg-1; SNP和M处理玉米PAE与施肥年限显著正相关(<0.05), 年提高速率达4.58 kg·kg-1和0.59 kg·kg-1; NP和MNP处理与施肥年限不显著正相关, 年提高速率为2.16 kg·kg-1和0.43 kg·kg-1。

图3 1978—2016年长期不同施肥处理下土壤磷活化系数(PAC)的变化

图4 作物产量与耕层土壤有效磷含量关系

2.3.2 长期施肥下作物磷肥生理效率的变化

NP、SNP、M和MNP处理26年冬小麦和10年春玉米平均磷肥生理效率(PPE)分别为267.27 kg·kg-1、295.5 kg·kg-1、191.23 kg·kg-1、222.77 kg·kg-1和212.17 kg·kg-1、225.84 kg·kg-1、191.37 kg·kg-1、192.92 kg·kg-1, 总体上冬小麦的PPE大于春玉米(表2)。施磷处理PPE大小顺序与当季农学利用效率一致, 均为SNP>NP>MNP>M。与长期单施氮肥处理相比, 秸秆还田配施氮肥和隔年施磷肥(SNP)处理小麦多吸收1 kg磷, 籽粒产量提高295.5 kg·hm-2, 玉米多吸收消耗1 kg磷, 籽粒产量提高225.84 kg×hm-2。NP、MNP和M处理小麦PPE与施肥年限分别呈极显著(<0.01)、显著(<0.05)和不显著正相关, 年增速率分别为6.75 kg·kg-1、2.81 kg·kg-1和2.78 kg·kg-1; 而SNP处理小麦PPE与施肥年限呈显著负相关(<0.05),随试验年限延长, PPE下降3.13 kg·kg-1·a-1。M处理春玉米PPE与施肥年限显著正相关(<0.05), 随试验年限延长, PPE提高1.62 kg·kg-1·a-1, 其余施磷处理(NP、SNP和MNP)玉米PPE均与施肥年限不显著正相关。

表2 长期不同施肥处理下作物磷肥农学利用效率和生理效率的变化

*:<0.05; **:<0.01.

2.3.3 长期施肥下作物磷素当季利用率的变化

施磷处理(NP、SNP、M和MNP)26年小麦平均磷素当季利用率(PUR)分别为22.87%、29.98%、4.35%和5.2%, 10年玉米平均PUR分别为39.22%、63.32%、7.58%和9.64%(表3), 所有施磷处理PUR玉米总体大于小麦。各施磷处理小麦和玉米PUR大小顺序均为SNP>NP>MNP>M, 与磷肥当季农学利用效率和生理效率一致。SNP处理小麦PUR与施肥年限呈极显著正相关(<0.01), 随试验年限延长PUR提高, 每年提高0.86%; M和MNP处理小麦PUR与施肥年限呈不显著正相关, 每年分别提高0.07%和0.000 9%; 而NP处理小麦PUR与施肥年限呈不显著负相关, 随试验年限延长小麦PUR降低, 每年降低0.42%。各施磷处理玉米PUR变化趋势与小麦明显不同, 均随试验年限延长而提高, M处理玉米PUR与施肥年限呈极显著正相关(<0.01), 每年提高0.24%; NP和SNP处理玉米PUR与施肥年限呈显著正相关(<0.05), 每年分别提高0.85%和1.67%; MNP处理玉米PUR与施肥年限呈不显著正相关, 每年提高0.19%。

表3 长期不同施肥处理下作物磷肥当季利用率和回收率的变化

*:<0.05; **:<0.01.

2.3.4 长期施肥下作物磷肥回收率的变化

NP、SNP、M和MNP处理26年冬小麦和10年春玉米平均磷肥回收率(PRR)分别为25.22%、33.37%、4.74%、15.55%和35.89%、58.52%、7.03%、28.72%(表3), 所有施磷处理冬小麦PRR平均为19.72%, 春玉米为32.54%, 玉米PRR显著高于小麦。说明年降雨量540 mm的黄土旱塬黑垆土农田, 在同等施磷水平下玉米吸收消耗的土壤磷素养分总体高于小麦, 各施磷处理小麦和玉米PRR大小顺序与磷肥效率的PAE、PPE和PUR一致, 也为SNP>NP>MNP>M。各施磷处理玉米PRR均随试验年限延长而提高, M处理玉米PRR与施肥年限呈显著正相关(<0.05), NP、SNP和MNP处理与施肥年限呈不显著正相关; NP和MNP处理小麦PRR与施肥年限分别呈极显著(<0.01)和不显著负相关, PRR随试验年限延长而降低, 每年分别下降0.82%和0.16%, 而SNP和M处理小麦PRR与施肥年限呈不显著正相关, PRR随试验年限延长而提高, 每年分别提高0.28%和0.01%。

3 结果与讨论

3.1 长期施肥下土壤全磷和有效磷

不同施肥处理38年后, 与试验开始时(1978年秋)相比, 无磷处理(CK和N)耕层土壤全磷和有效磷含量减少、土壤磷活化能力降低, 而施磷处理(NP、SNP、M和MNP)不同程度增加和提高, 土壤全磷和有效磷含量大小顺序均为MNP>M>NP>SNP>CK>N, PAC大小顺序为MNP>M>NP>SNP>N>CK。随试验年限延长, N和SNP处理耕层土壤全磷趋势性下降, CK处理基本恒定, NP处理缓慢增加, M和MNP处理逐渐提高; 而有效磷、PAC变化趋势与全磷有所不同, 无磷处理(CK和N)显著下降, 施磷处理均趋势性提高。长期无磷投入(CK、N)而耕种, 由于作物每年携出, 土壤磷长期亏缺, 致使CK、N处理耕层土壤全磷和有效磷含量降低, 尤其有效磷含量降低50%以上, 同时土壤磷活化能力降低, PAC由最初的1.2%下降到2016年的0.5%, 说明长期无磷投入, 土壤全磷很难转化为有效磷, 这与贾兴永等[6]的研究结果基本一致。施磷处理(NP、SNP、M和MNP)每年投入土壤磷分别达33 kg×hm-2、22.9 kg×hm-2、200 kg×hm-2和233 kg×hm-2, 而携出磷相应为12.96 kg×hm-2、12.28 kg×hm-2、14.12 kg×hm-2、17.54 kg×hm-2(26年冬小麦平均), 24.74 kg×hm-2、26.24 kg×hm-2、26.96 kg×hm-2、34.25 kg×hm-2(10年春玉米平均), 施入大于作物携出, 全磷分别增加22.8%、14.0%、38.6%和56.1%, 有效磷含量相应提高99.1%、48.4%、206.4%和375.6%, 长期施用磷肥均能不同程度提高黄土旱塬农田耕层土壤磷总贮量和磷素养分的供应能力, 结果与许多定位试验的研究结论一致[12,14-17,22]。SNP处理玉米产量随着试验年限的延长提高幅度不断增加, 每年3 750 kg×hm-2秸秆还田为土壤微生物繁殖提供了较为丰富的碳源, 土壤微生物活性增强, 土壤相关酶活性提高, 土壤氮素相对充足[20,23-26], 磷素养分矿化分解加快, 在磷投入比NP处理少30%的情况下, SNP处理小麦携出磷总量比NP仅少5.2%, 但玉米携出磷总量比NP多6.1%, 导致SNP处理耕层土壤有效磷和PAC趋势性提高, 而土壤全磷年增量减少、随试验年限延长而呈下降趋势。施农家肥(M、MNP)38年后PAC值达到2.62%和3.61%, 磷活化能力是试验开始时的2.2倍和3.1倍, NP与M处理全磷增幅之和大于MNP处理, 而NP与M处理Olsen-P增幅之和小于MNP处理, 显然相对于耕层土壤磷库的扩大, 每年75 t×hm-2农家肥加无机氮磷投入更利于耕层土壤磷活化, 提高土壤中磷的有效性。但本试验中PAC值低于红壤[27], 说明磷活化不仅与施肥相关, 也与土壤类型、气候等有关。

3.2 长期施肥下黄土旱塬黑垆土农田作物产量与土壤有效磷的关系

本研究中作物产量与耕层土壤有效磷极显著正相关, 作物产量随土壤中有效磷含量提高而增加。土壤有效磷是衡量土壤供磷能力、指导磷肥合理施用和评估磷损失风险的重要指标。研究认为当土壤有效磷含量达到一定阈值时, 有效磷的增加无法继续带来作物吸磷量的增长, 土壤有效磷与吸磷量关系符合直角双曲线模型[12], 黄土旱塬农田确保土壤有效磷水平控制在农学阈值与环境阈值之间, 保证较高的磷肥利用率、提高作物产量, 同时降低环境污染风险, 减少肥料投入, 实现节本增效。因此依托本试验, 需进一步研究磷平衡与盈亏等, 确定黄土旱塬农田磷农学阈值与环境阈值, 为区域农业可持续发展提供合理施肥的理论依据。

3.3 长期施肥下旱地黑垆土农田作物磷肥效率

本文从磷肥回收率(PRR)、利用率(PUR)、农学效率(PAE)和生理效率(PPE)4个方面说明磷肥被作物利用的程度。施磷处理(NP、SNP、M和MNP)玉米的磷肥回收率、利用率和农学效率都大于小麦, 而生理效率小麦大于玉米, 玉米磷肥效率的4个指标都随试验年限延长而提高, 而小麦变化不一致, 无论小麦还是玉米4个施磷处理的PRR、PUR、PAE和PPE大小顺序均为SNP>NP>MNP>M, 长期单施农家肥处理最低, 秸秆还田配施氮加隔年施磷处理作物磷肥效率4个方面都最高, 这与试验1979—2012年研究结果基本一致[21], 但与裴瑞娜[20]基于1979—2007年数据分析研究的结果有一定差异。在黄土旱塬黑垆土农田, 无论从磷肥被作物吸收的比例、磷素对作物生长的贡献、还是1 kg磷提高的作物产量以及作物吸收磷转化的经济产量来评价作物磷肥效率, 本试验中各施磷处理磷肥效率总体上随磷投入增加而降低, 与已有研究报道基本一致[12,20-21]。SNP与NP处理比较, 磷投入减少30%, 小麦PAE、PPE、PUR和PRR分别提高57.4%、10.5%、31.1%、32.3%, 玉米分别提高74.2%、6.4%、61.4%、63.1%; M与MNP处理比较, 磷投入减少14.2%, 小麦PAE、PPE、PUR和PRR分别降低27.2%、14.3%、16.3%、69.5%, 玉米分别降低20.2%、0.8%、21.4%、75.5%, 说明磷肥效率不仅受施磷量影响, 同时也受肥料构成、肥料配比和肥料种类等因素影响, 这可能与农家肥投入的大量磷素以有机磷形态储存于土壤有关[28], MNP比M处理投入磷量增加33 kg×hm-2、磷肥效率反而提高, 与增加的磷为无机磷有关。有机无机结合是黄土旱塬区培肥地力、提高作物产量和资源利用效率的施肥措施。

[1] 张丽, 任意, 展晓莹, 等. 常规施肥条件下黑土磷盈亏及其有效磷的变化[J]. 核农学报, 2014, 28(9): 1685–1692 ZHANG L, REN Y, ZHAN X Y, et al. Soil phosphorus balance and changes of Olsen-P of black soil under long-term conventional fertilization[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2014, 28(9): 1685–1692

[2] 胡霭堂. 植物营养学(下册)[M]. 第2版. 北京: 中国农业大学出版社, 2005: 44–51 HU A T. Plant Nutrition (Volume Two)[M]. 2nd ed. Beijing: China Agricultural University Press, 2005: 44–51

[3] 李庆逵. 磷矿粉肥效问题的理论基础[J]. 科学通报, 1966, 17(2): 49–57 LI Q K. Theoretical basis of fertilizer efficiency of phosphate rock[J]. Chinese Journal of Science, 1966, 17(2): 49–57

[4] 孔庆波, 白由路, 杨俐苹, 等. 黄淮海平原农田土壤磷素空间分布特征及影响因素研究[J]. 中国土壤与肥料, 2009, (5): 10–14 KONG Q B, BAI Y L, YANG L P, et al. Spatial distribution characteristic and its influential factors of soil phosphorus in region of the Huang-Huai-Hai Plain[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2009, (5): 10–14

[5] 秦胜金, 刘景双, 王国平. 影响土壤磷有效性变化作用机理[J]. 土壤通报, 2006, 37(5): 1012–1016 QIN S J, LIU J S, WANG G P. Mechanism of phosphorus availability changing in soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006, 37(5): 1012–1016

[6] 贾兴永, 李菊梅. 土壤磷有效性及其与土壤性质关系的研究[J]. 中国土壤与肥料, 2011, (6): 76–82 JIA X Y, LI J M. Study on soil phosphorus availability and its relation to the soil properties in 14 soils from different sites in China[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2011, (6): 76–82

[7] 李学敏, 张劲苗. 河北潮土磷素状态的研究[J]. 土壤通报, 1994, 25(6): 259–260 LI X M, ZHANG J M. Study on soil phosphorus of in Fluvo-aquic soil in Hebei[J]. Chinese Journal of Soil Sciences, 1994, 25(6): 259–260

[8] ZHENG Z M, SIMARD R R, LAFOND J, et al. Changes in phosphorus fractions of a Humic Gleysol as influenced by cropping systems and nutrient sources[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2001, 81(2): 175–183

[9] 蒋柏藩, 顾益初. 石灰性土壤无机磷分级体系的研究[J]. 中国农业科学, 1989, 22(3): 58–66 JIANG B F, GU Y C. A suggested fractionation scheme of inorganic phosphorus in calcareous soils[J]. Scientia Agricultura Sinica, 1989, 22(3): 58–66

[10] 黄芳, 韩晓宇, 王峥, 等. 不同年代冬小麦品种的产量和磷生理效率对土壤肥力水平的响应[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(5): 1222–1231 HUANG F, HAN X Y, WANG Z, et al. Responses of grain yield and phosphorus physiological efficiency of wheat cultivars released in different decades to soil fertility levels[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(5): 1222–1231

[11] 高静, 张淑香, 徐明岗, 等. 长期施肥下三类典型农田土壤小麦磷肥利用效率的差异[J]. 应用生态学报, 2009, 20(9): 2142–2148 GAO J, ZHANG S X, XU M G, et al. Phosphorus use efficiency of wheat on three typical farmland soils under long-term fertilization[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(9): 2142–2148

[12] 高静. 长期施肥下我国典型农田土壤磷库与作物磷肥效率的演变特征[D]. 北京: 中国农业科学院, 2009 GAO J. Evolution characteristics of soil phosphorus pool and efficiency of phosphorus fertilizer in typical cropland of china under Long-term fertilization[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2009

[13] 信秀丽, 钦绳武, 张佳宝, 等. 长期不同施肥下潮土磷素的演变特征[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(6): 1514–1520 XIN X L, QIN S W, ZHANG J B, et al. Dynamics of phosphorus in Fluvo-aquic soil under Long-term fertilization[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(6): 1514–1520

[14] 王伯仁, 李冬初, 黄晶. 红壤长期肥料定位试验中土壤磷素肥力的演变[J]. 水土保持学报, 2008, 22(5): 96–101 WANG B R, LI D C, HUANG J. Development of P fertility in long-term fertilizer experiment on red soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2008, 22(5): 96–101

[15] 张淑香, 张文菊, 沈仁芳, 等. 我国典型农田长期施肥土壤肥力变化与研究展望[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(6): 1389–1393 ZHANG S X, ZHANG W J, SHEN R F, et al. Variation of soil quality in typical farmlands in China under long-term fertilization and research expedition[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(6): 1389–1393

[16] 戚瑞生, 党廷辉, 杨绍琼, 等. 长期轮作与施肥对农田土壤磷素形态和吸持特性的影响[J]. 土壤学报, 2012, 49(6): 1136–1146 QI R S, DANG T H, YANG S Q, et al. Forms of soil phosphorus and P adsorption in soils under long-term crop rotation and fertilization systems[J]. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(6): 1136–1146

[17] 戚瑞生, 党廷辉, 杨绍琼, 等. 长期定位施肥对土壤磷素吸持特性与淋失突变点影响的研究[J]. 土壤通报, 2012, 43(5): 1187–1194 QI R S, DANG T H, YANG S Q, et al. The impact on soil phosphorus adsorption characteristics and leaching change- point under long-term fertilization[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2012, 43(5): 1187–1194

[18] 王玉平, 郑丽娜, 沈禹颖. 免耕和秸秆覆盖对黑垆土磷素形态组分的影响[J]. 水土保持通报, 2015, 35(5): 149–154WANG Y P, ZHENG L N, SHEN Y Y. Effects of no-till and stubble retention on phosphorus fractions of Heilu soil[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(5): 149–154

[19] 王永壮, 陈欣, 史奕. 农田土壤中磷素有效性及影响因素[J]. 应用生态学报, 2013, 24(1): 260–268 WANG Y Z, CHEN X, SHI Y. Phosphorus availability in cropland soils of China and related affecting factors[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(1): 260–268

[20] 裴瑞娜. 长期施肥对黑垆土冬小麦、玉米产量和磷素利用效率的影响[J]. 甘肃农业科技, 2015, (8): 48–53 PEI R N. Influences of long-term fertilizations on phosphorus use efficiencies and yield of winter wheat and corn in Black Loessial soil[J]. Gansu Agricultural Science and Technology, 2015, (8): 48–53

[21] 徐明岗, 张文菊, 张夫道, 等. 中国土壤肥力演变[M]. 第2版. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2015 XU M G, ZHANG W J, ZHANG F D, et al. Change of Soil Fertility in China[M]. 2nd ed. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2015

[22] 裴瑞娜, 杨生茂, 徐明岗, 等. 长期施肥条件下黑垆土有效磷对磷盈亏的响应[J]. 中国农业科学, 2010, 43(19): 4008–4015PEI R N, YANG S M, XU M G, et al. Response of Olsen-P to P balance in black Loessial soil under long-term fertilization[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(19): 4008–4015

[23] 王淑英, 樊廷录, 丁宁平, 等. 长期定位施肥条件下黄土旱塬农田作物产量、水分利用效率的变化[J]. 核农学报, 2010, 24(5): 1044–1050 WANG S Y, FAN T L, DING N P, et al. Crop yield and water use efficiency under long-term fertilization in Loess Plateau[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2010, 24(5): 1044–1050

[24] 王淑英, 樊廷录, 丁宁平, 等. 长期定位施肥对黄土旱塬黑垆土土壤酶活性的影响[J]. 土壤通报, 2011, 42(2): 307–310 WANG S Y, FAN T L, DING N P, et al. Effect of long-term fertilization on soil enzyme activities in dryland black humus soil in the Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2011, 42(2): 307–310

[25] LIU E K, YAN C R, MEI X R, et al. Long-term effect of chemical fertilizer, straw, and manure on soil chemical andbiological properties in northwest China[J]. Geoderma, 2010, 158(3/4): 173–180

[26] 王淑英, 樊廷录, 丁宁平, 等. 长期施肥下黄土旱塬黑垆土供氮能力的变化[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(6): 1487–1495 WANG S Y, FAN T L, DING N P, et al. Changes of soil nitrogen supply in black Loessial in Loess Plateau under long-term fertilization[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(6): 1487–1495

[27] 柳开楼, 胡志华, 叶会财, 等. 双季玉米种植下长期施肥改变红壤氮磷活化能力[J]. 水土保持学报, 2016, 30(2): 187–192 LIU K L, HU Z H, YE H C, et al. Long-term fertilization changes soil nitrogen and phosphorus activation in red soil under double maize system[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(2): 187–192

[28] 李中阳. 我国典型土壤长期定位施肥下土壤无机磷的变化规律研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2007 LI Z Y. Studies on change law of inorganic phosphorus with the situation of long-term fertilization in typical soils in our country[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2007

Change characteristics of soil phosphorus and phosphorus fertilizer efficiency in Black Loessial soil of dryland in the Loess Plateau under long-term fertilization*

WANG Shuying1, FAN Tinglu1, DING Ningping2, ZHAO Gang1, ZHANG Jianjun1,LI Shangzhong1, WANG Lei1, DANG Yi1, CHENG Wanli1, TANG Xiaoming1

(1. Dryland Agricultural Institute of Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland in Gansu Province, Lanzhou 730070, China; 2. Pingliang Academy of Agricultural Sciences, Pingliang 744500, China)

Using a long-term fertilization experiment set up in 1978 in Pingliang, Gansu Province, changes in soil phosphorus (P) and P fertilizer efficiency (PFE) were determined and used to guide rational application of P fertilizer in dry farmlands. Six fertilizer treatments — no fertilizer (CK), chemical nitrogen (N), chemical nitrogen and phosphorus (NP), straw plus chemical NP (SNP), farmyard manure (M) and farmyard manure plus chemical NP (MNP) — were used in the cropping system of 4-year continues winter wheat followed by 2-year spring corn. After 38 years, the total soil phosphorus and Olsen-P contents in CK and N treatments decreased, and phosphorus activation coefficient dropped. Total soil phosphorus contents under NP, SNP, M and MNP treatments increased respectively by 22.8%, 14.0%, 38.6% and 56.1%. Then Olsen-P contents increased respectively by 99.1%, 48.4%, 206.4% and 375.6%, while P activation coefficients were 1.7, 1.3, 2.2 and 3.1 times as that in 1978. Total soil P contents in N and SNP treatments were negatively correlated with the number of experimental years with annual decline rates of 1.9 mg·kg-1and 2.6 mg·kg-1, respectively. Total soil P contents under NP, M and MNP treatments were positively correlated with the number of experimental years, with annual increase rates of 1.2 mg·kg-1, 1.9 mg·kg-1and 2.8 mg·kg-1, respectively. Total soil P contents under CK remained basically unchanged with the number of experimental years. Soil available P contents under CK and N treatments decreased with increasing number of experimental years, and the annual decline rates were respectively 0.03 mg·kg-1and 0.09 mg·kg-1. Soil available P contents under NP, SNP, M and MNP treatments were positively correlated with the number of experimental years, with annual increase rates of respectively 0.29 mg·kg-1, 0.24 mg·kg-1, 0.46 mg·kg-1and 0.89 mg·kg-1. Crop yield was positively correlated with soil available P (wheat2= 0.116 9,= 132; corn2= 0.332 4,= 54). P using rate (PUR), P recovery rate (PRR) and P agronomic efficiency (PAE) of corn were greater than those of wheat for all 4 P treatments (NP, SNP, M and MNP), but P physiological efficiency (PPE) of wheat was greater than that of corn. The ranked order of above four indexes of P fertilizer efficiency (PFE) for different treatments was SNP > NP > MNP > M. The four indexes of PFE of maize were positively correlated with the number of experimental years. Compared with MNP treatment, P input with M decreased 14.2%. Wheat and corn PFE decreased by 14.3%-69.5% and 0.8%-75.5%, respectively. In summary, combined application of organic and inorganic fertilizers was optimal choice for improving soil fertility, increasing crop yield and enhancing resource use efficiency in Heilu soil of the Loess Plateau dryland.

Black Loessial soil; Long-term fertilization; Soil phosphorus; Phosphate recovery rate; Phosphate using rate; Phosphorus agronomic efficiency; Phosphate physiological efficiency

, WANG Shuying, E-mail: wang_shying@163.com

Nov. 3, 2017;

Jan. 28, 2018

S153.6+1

A

1671-3990(2018)07-1038-10

10.13930/j.cnki.cjea.171002

2017-11-03

2018-01-28

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300110), the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201303104, 201503124), the Project of Lanzhou Experimental Station on Maize of China Agriculture Research System (CARS-02-60) and the National Technology R&D Program on Rural Areas of China (2013AA102902).

* 国家重点研发计划项目(2016YFD0300110)、公益性行业(农业)科研专项(201303104, 201503124)、国家玉米产业技术体系兰州综合试验站项目(CARS-02-60)和“十二五”农村领域国家科技计划课题(2013AA102902)资助

王淑英, 主要研究方向为旱地水土资源高效利用。E-mail: wang_shying@163.com

王淑英, 樊廷录, 丁宁平, 赵刚, 张建军, 李尚中, 王磊, 党翼, 程万莉, 唐小明. 黄土旱塬黑垆土长期肥料试验土壤磷素和磷肥效率的演变特征[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(7): 1038-1047

WANG S Y, FAN T L, DING N P, ZHAO G, ZHANG J J, LI S Z, WANG L, DANG Y, CHENG W L. TANG X M. Change characteristics of soil phosphorus and phosphorus fertilizer efficiency in Black Loessial soil of dryland in the Loess Plateau under long-term fertilization[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(7): 1038-1047