基于长期施肥下潮土磷素演变及农学阈值的研究

魏 猛，张爱君，李洪民，唐忠厚，陈晓光

(江苏徐淮地区徐州农业科学研究所/江苏徐州甘薯研究中心，江苏徐州 221131)

【研究意义】磷是植物生长发育必需的营养元素，施肥是改变土壤含磷量和土壤对作物的供磷能力最主要措施之一［1］。然而，大多数作物的磷肥当季利用率仅为10% ～25%［2］。当外源投入的磷肥大于支出量时，剩余的磷素在土壤中积累超过一定限度后，对水体构成富营养化的威胁［3－4］。【前人研究进展】合理的土壤有效磷水平对保证作物产量具有重要作用［5］。当土壤有效磷含量低于某一临界值(农学阈值)，产量随有效磷水平的增加而显著增加，当土壤有效磷含量高于临界值时，产量无明显增加［6－7］。【本研究切入点】我国典型农田小麦土壤有效磷的农学阈值范围为7.5～23.5 mg/kg，不同区域同一作物，由于气候条件、土壤性质和管理水平的差异，作物土壤有效磷的阈值有显著的差异［5，8］。潮土是我国重要的农业土壤，其在粮食生产中的重要地位，面积达267万 hm2［9］。【拟解决关键的问题】本研究通过研究潮土35年长期不同施肥模式下土壤全磷和有效磷演变特征，明确小麦土壤有效磷农学阈值，以期为潮土区磷素资源的管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于江苏徐淮地区徐州农业科学研究所(N 34°16'，E 117°17')，平均年降水量为860 mm，年平均气温14℃，属暖温带半湿润气候区。供试土壤为砂壤质潮土，试验开始时土壤耕层全氮含量0.66 g/kg，有机碳含量 6.26 g/kg，全磷含量 0.74 g/kg，有效磷含量 12.00 mg/kg，速效钾含量 63.00 mg/kg，pH 值 8.01。

1.2 试验设计

长期试验开始于1980年秋季，试验共设8个处理:①不施肥(CK);②单施氮肥(N);③施氮磷肥(NP);④施氮磷钾肥(NPK);⑤单施有机肥(M);⑥施有机肥和氮肥(MN);⑦施有机肥和氮磷肥(MNP);⑧施有机肥和氮磷钾肥(MNPK)。每个处理重复4次，随机区组排列。在1981－2001年为小麦－玉米种植模式，2002年后改为小麦－甘薯一年种植模式。化肥氮、磷、钾分别由尿素(N 46%)、磷酸二铵(N 18%，P2O546%)、硫酸钾(K2O 50%)提供，每年施用量为纯N 300 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，K2O 225 kg/hm2;有机肥每年施用量(鲜基)为1981－1984年施马粪，年施用量(鲜基)75 t/hm2，养分投入量范围为:N 221～308 kg/hm2、P2O5150～375 kg/hm2、K2O 450～563 kg/hm2;1985年以后改为施猪粪，年施用量(鲜基)37.5 t/hm2，养分投入量范围为:N 98 ～141 kg/hm2、P2O594 ～159 kg/hm2、K2O 150～281 kg/hm2。作物根茬进行还田，作物其他管理措施与大田一致。

1.3 测定项目及方法

在1981－2015年小麦收获后，在每小区采集5点耕层土样，去除落叶和石砾等。土壤全磷采用碱熔－钼锑抗比色法测定，土壤有效磷采用Olsen法测定［10］。

1.4 数据处理及统计方法

土壤磷活化系数PAC(%)=有效磷(mg/kg)/［全磷(g/kg) ×1000］×100%［11］;小麦相对产量 Yr=Yi/Ym×100，其中，Yr(%)为小麦相对产量;Yi为各处理的小麦年产量(kg/hm2)，Ym为各处理小麦年最大产量(kg/hm2);小麦相对产量对土壤有效磷的响应关系通过Mitscherlich方程模拟:Y=A×［1–exp(－bx)］，其中，Y是预测的小麦相对产量(%)，A是最大的小麦相对产量(%)，b是小麦产量对土壤有效磷的响应系，由方程模拟出的相对产量为最大值的90%时，土壤有效磷的含量为农学阈值［7，12］。数据的统计与分析采用 Excel、SigmaPlot及DPS数据分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对土壤全磷含量的影响

从图1可以看出，长期不同施肥下土壤全磷含量的变化呈现显著差异。不施磷肥处理(CK、N)土壤全磷表现为缓慢下降的趋势，从开始时(1980年含量)的0.74 g/kg分别下降到2015年的0.68、0.62 g/kg，分别下降了 8.11%、16.22%，年降低量分别为0.004、0.005 g/kg。施用化学磷肥的2种处理(NP、NPK)，土壤全磷含量随时间延长表现为缓慢上升趋势，年增加量分别为 0.007、0.005 g/kg。单施有机磷肥处理(M、MN)均能提高土壤全磷含量，其年增加量分别为 0.013、0.015 g/kg。有机无机磷肥配施处理(MNP、MNPK)土壤全磷含量增幅最大，到2015 年分别为1.62 ～1.64 g/kg，年增加量分别为0.021和0.023 g/kg。由上可以表明，长期施用化学磷肥或有机肥均可提高土壤全磷含量，以处理MNP和MNPK效果最为显著。

2.2 长期施肥对土壤有效磷含量的影响

从图2可以看出，连续种植35年后，CK和N处理土壤有效磷含量呈下降趋势，年降低量分别为0.13和0.08 mg/kg。NP和 NPK处理有效磷含量呈现略增加或持平趋势，其年增加量为0.03、0.02 mg/kg。M、MN、MNP、MNPK 处理均呈逐年上升趋势，M 和 MN 处理年增量分别为 0.93、0.84 mg/kg，2015年分别上升到 67.91、60.40 mg/kg;MNP 和MNPK 处理年均增加量分别为 1.39、1.24 mg/kg。1981－1984年有机肥施用量大，MNP和MNPK处理有效磷增速更明显，1985年后有机肥用量减半，增加幅度减缓，到2015 年分别为90.16、92.70 mg/kg，分别增加了651.33%、672.50%。可以看出，与长期施用化学磷肥相比，施用有机肥或有机无机磷肥配施提高土壤有效磷含量更为显著。

2.3 长期施肥对土壤磷活化系数的影响

图1 长期施肥下土壤全磷含量的变化Fig.1 Dynamics of soil total phosphorus under long-term fertilization

从图3可以看出，CK和N处理土壤PAC与施肥年限呈现极显著负相关，由试验开始时(1980年)的1.62%分别下降到2015 年的0.78%、0.73%，下降速度分别为0.015%、0.009%。NP和NPK处理土壤PAC随施肥年限延长均呈波动变化。M、MN、MNP、MNPK处理土壤PAC呈现上升趋势，其年增加速度分别为0.039%、0.024%、0.031%和0.01%，到2015 年分别上升为5.31%、4.68%、5.48%和5.73%。连续施肥35 年，施用有机磷肥(M、MN、MNP、MNPK)的处理土壤PAC值均高于5%，土壤磷活化能力较高，仅MNP处理提高幅度达到显著水平。

图2 长期施肥下土壤有效磷含量的变化Fig.2 Dynamics of soil available phosphorus under long-term fertilization

图3 长期施肥下土壤PAC值的变化Fig.3 Dynamics of soil PAC under long-term fertilization

图4 长期施肥下小麦相对产量对土壤有效磷的响应Fig.4 Response of relative wheat yield to soil Olsen-P under longterm fertilization

2.4 长期施肥下土壤有效磷农学阈值

由图4显示，基于不同施肥处理有效磷水平与作物产量长期定位数据，通过分析小麦相对产量和土壤有效磷的变化趋势，采用米切里西方程模拟二者的关系，土壤有效磷农学阈值为13.41 mg/kg，可用于指导潮土区磷肥的合理施用。

3 讨论

磷素是作物生长发育的重要因子，如果土壤连续种植作物而不施用磷肥，由于磷的耗竭，土壤磷素将变得更为缺乏，施用磷肥是作物持续增产的有效措施［13－14］。潮土35年长期施肥的研究结果表明:不施磷肥处理土壤有效磷和全磷呈现降低趋势，这主要是由于在连续种植情况下作物携出大量磷素，导致不施磷肥处理土壤磷素一直亏缺;长期施用有机磷肥和有机无机磷肥配施土壤有效磷和全磷含量逐年增加，这主要是由于长期有机无机磷配施则可显著降低土壤磷吸附亲合力常数及吸附缓冲容量［14］，从而增加土壤有效磷和全磷含量，这与黄晶等在红壤性水稻土研究结果相一致［11］。因此，在农田耕作中建议采取有机无机磷肥相结合的培肥措施，有利于维持并逐步提高土壤有效磷含量，建立较大容量的土壤有效磷库。

磷活化系数(PAC)可以表示土壤磷活化能力［11］。连续施肥35年，单施有机磷肥(M、MN)和有机无机磷肥配施(MNP、MNPK)处理土壤PAC值均高于5%，而不施磷肥处理的土壤PAC值均低于2%，表明不施磷肥出口土壤全磷各形态很难转化为有效磷［15－16］。

土壤有效磷含量是影响作物产量的重要因素［11－12］。磷农学阈值是指当土壤中的有效磷含量达到某个值后，作物产量不随磷肥的继续施用而增加，即作物产量对磷肥的施用响应降低［13－16］。本研究采用米切里西方程模拟潮土有效磷农学阈值［17］，结果表明小麦农学阈值为13.41 mg/kg。祁阳红壤长期定位试验站研究表明，小麦有效磷的农学阈值为 12.7 mg/kg［18］;Tang 等［19］对昌平、郑州和杨凌的玉米和小麦农学阈值的研究发现，玉米(平均值15.3 mg/kg)有效磷的农学阈值略低于小麦(平均值16.3 mg/kg)。可以推断，作物有效磷的农学阈值受作物类型、土壤类型以及气候环境等诸多因素的影响，在实际应用中需要结合实际情况考虑。

4 结论

(1)不施磷肥处理(CK、N)土壤全磷、有效磷和PAC值均有所下降，而单施有机磷肥处理(M、MN)和有机无机磷肥配施处理(MNP、MNPK)土壤全磷、有效磷均有所上升，这说明单施有机磷肥或有机无机磷肥配施能够提高土壤磷素水平。

(2)潮土小麦有效磷的农学阈值为13.41 mg/kg，当有效磷含量高于此阈值时，小麦产量并不再随有效磷含量的增加而显著增加。农田土壤有效磷含量主要与磷肥用量有关，据此可根据实际需要，通过改变磷肥施用量调控土壤有效磷含量。