有机无机外源磷素长期协同使用对潮土磷素有效性的影响

郭斗斗，黄绍敏*，张珂珂，张水清，宋 晓，王柏寒,2，岳 克

（1 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；2 河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002）

磷是植物生长必需的营养元素，土壤磷素有效性高低直接影响作物的正常生长和产量水平，投入外源磷素可以有效提升土壤磷素有效性。化学磷肥是最常用的外源无机磷素，然而长期使用化学磷肥，土壤磷素不断累积但有效性降低，磷肥利用率及产量效应不断下降[1–2]，造成磷矿资源消耗的同时，土壤质量水平下降，环境风险增大[3–4]。为改善长期化学磷素投入带来的弊端，有机肥和秸秆作为重要的有机磷源与化肥配合投入土壤，成为重要的外源磷素[5–6]。受外源磷素载体性质的影响，不同磷源的磷素组分特征及形态转化不同。外源磷素在土壤中的化学行为和存在形态决定土壤磷素的有效性[7–8]。已有研究表明，施用有机肥可促进土壤中磷素活化，Lourenzi等[9]的研究显示施用畜禽粪便可增加土壤剖面中速效磷的含量；Sharpley等[10]研究发现大量施用有机肥后产生的有机酸可降低土壤对磷的吸附强度；Niu等[11]研究显示秸秆还田可降低土壤对磷酸根离子的吸附量，提高磷肥的利用率；刘盼盼等[12]研究发现在化肥基础上配施有机肥和秸秆，土壤速效磷和全磷含量、磷素活化系数及中性磷酸酶活性均显著增加。外源磷素载体性质是影响磷素形态转化的主要因素，不同外源磷素在农田系统中的转化特性直接影响作物对磷素的吸收利用[13]。为进一步明确化肥磷素、有机肥磷素和秸秆磷素作为主要外源磷素长期协同使用的生物有效性、潮土磷素行为和组分转化特征，本研究依托25年的潮土区长期肥料定位试验，分析冬小麦–夏玉米轮作体系下，化学磷肥、有机肥、秸秆长期配合使用对作物可持续生产能力、磷肥利用效率、施肥后效以及潮土磷素形态及有效性的影响，以期为合理减少磷肥施用、提高磷肥利用率和科学管理土壤磷素资源提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

长期定位试验设在“国家潮土肥力与肥料效益长期定位试验基地”(113°40′42″E、34°47′55″N)，1990年开始定位试验。该区域属于温带季风气候，年均降雨量约660 mm，主要集中于7、8、9月。试验区基础土壤耕层 (0—20 cm)、亚耕层 (20—40 cm)基本属性见表1。

1.2 试验设计

本研究基于1990—2015年间不施磷肥处理(P0)、单施化肥处理 (FP)、化肥与有机肥配施处理(FP+M)、化肥与秸秆配施处理 (FP+S) 的试验结果，分析三种外源磷素及其协同使用对潮土磷素行为的影响。所有试验区每年施用氮肥为尿素，2002年前钾肥为硫酸钾，之后为氯化钾，磷肥为普过磷酸钙；1990—1999年施用的有机肥为马粪，2000—2010年为牛粪，2011—2015年为商品有机肥。FP处理小麦季施氮肥 (以 N 计)165 kg/hm2，磷肥 (以 P2O5计)和钾肥 (以 K2O 计) 各 82.5 kg/hm2，玉米季施氮肥 (以 N 计)187.5 kg/hm2，磷肥 (以 P2O5计)和钾肥(以 K2O 计) 各 93.75 kg/hm2。每年施肥前测定有机肥及玉米秸秆的氮、磷、钾含量。FP+M处理小麦季在施用相当于FP处理磷、钾肥的基础上增施有机肥，有机肥用量以含氮量计算，相当于FP处理氮量的70%来自有机肥，另30%的氮量由尿素补充；玉米季施肥量同FP处理；FP+S处理在小麦季施用相当于FP处理磷、钾肥的基础上，将前茬玉米秸秆粉碎还田，1991—2001年间，相当于FP处理氮量的70%来自秸秆 (不足部分由同期其他试验区秸秆补充)，另30%的氮量由尿素补充，2002—2015年间则为前茬总秸秆量，不足FP处理的氮量以尿素补充，玉米季施肥量同FP处理。

每季磷、钾肥和有机肥作为底肥一次性施入，氮肥按基追比6∶4施入。25年间，FP处理累积投入化肥磷素1926.1 kg/hm2；FP+M处理累积投入磷素3524.6 kg /hm2，其中化肥磷素占54.6%，有机肥磷素占45.4%；FP+S处理累积投入磷素2160.4 kg/hm2，其中化肥磷素占89.2%，有机肥磷素占10.8%。

表1 试验初期土壤基本属性Table 1 Basic properties of soil at the initial of experiment

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或当天。小麦季施肥后，深耕一次，玉米季免耕。作物收获时，小麦底部留茬约15 cm，玉米地上部植株全部移出。各年度依据土壤状况适当灌溉，保证作物正常生长。

1.3 样品采集及测定方法

收获时各小区取5 m2测产，选取长势均匀的20株小麦、3株玉米样品，分为籽粒、茎秆、颖壳/穗轴三部分采样，带回室内105℃下杀青30 min，后烘干至恒重，粉碎过0.15 mm筛备用。小麦季收获后使用五点法采集各处理土壤样品，带回室内风干，拣去杂物后，研磨过筛备用。

植株全磷含量采用H2SO4–H2O2消煮—钼锑抗比色法测定；土壤全磷含量使用H2SO4–HClO4消煮—钼锑抗比色法测定；土壤Olsen-P含量使用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定；土壤有机磷及无机磷分级使用顾益初等[14]的连续浸提法测定。

1.4 计算及统计方法

磷肥累积利用效率 (accumulative phosphorus use efficiency，APUE) 计算公式如下：

APUE(%) = (施磷处理作物累积吸磷量−不施磷处理作物累积吸磷量)/累积施磷量×100

磷肥累积生理效率 (accumulative phosphorus physiology efficiency，APPE) 计算公式如下：

APPE (kg/kg) = (施磷处理作物累积产量−不施磷处理作物累积产量)/(施磷处理作物累积吸磷量−不施磷处理作物累积吸磷量)

本研究使用Excel软件对数据进行统计分析和作图，使用SPSS软件进行LSD差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同外源磷素对产量可持续性指数的影响

长期投入不同外源磷素，土壤养分及理化性质有较大的改变，进而对作物产量产生影响。在一定的施肥条件及管理措施下，产量标准方差 (standard deviation，SD) 和变异系数 (coefficient of variation，CV) 可用于表达年度间产量的变异或稳定状况[15–16]，产量可持续性指数 (sustainable yield index，SYI) 可用于评价农田系统是否能持续生产，SYI 值越大系统的可持续性越好[17–18]。本研究基于25年的长期定位试验，产量的变异主要来自土壤肥力的变化和气候因素。表2表明，与P0相比，FP、FP+M、FP+S处理小麦和玉米产量都极显著增加，小麦平均增产170.5%、159.8%和172.0%，玉米平均增产68.3%、75.2%和81.1%；FP、FP+M、FP+S处理比P0处理年际间产量稳定性和可持续性指数均有提高，且在小麦季增幅更大。小麦季FP处理产量稳定性最高，FP+S处理产量可持续性指数最大，玉米季的FP+S、FP+M处理产量稳定性和可持续性指数基本一致，高于其他处理。说明小麦玉米轮作体系下，投入外源磷素均可有效提高作物产量，提升产量稳定性和产量可持续性指数，而FP+S处理在小麦玉米轮作体系下可保持最高的可持续生产能力。

2.2 不同外源磷素的利用效率

不同外源磷素作为肥料进入土壤后，经过植株、土壤、微生物的共同作用，土壤各形态磷素达到动态平衡，供给作物生长需要。多年定位试验结果证实磷肥累积利用率高于单季表观利用率，表明施用磷肥有较长时间的后效[19]。为反映作物利用外源磷素和吸收磷素转化为经济产量的能力，本研究使用磷肥累积利用效率和累积生理效率分析不同外源磷素被作物利用的程度。

表2 长期投入不同外源磷素对小麦玉米轮作体系产量标准差、变异系数和可持续性指数的影响Table 2 Sustainable yield index (SYI), Coefficient of variation (CV) and standard deviation (SD) influenced by various phosphorus sources in wheat-maize cropping systems

磷肥累积利用效率以多年施用的磷肥被作物吸收的比例对外源磷素的利用情况进行评价。图1显示，随施肥时间的增加，作物对外源磷素的累积利用率逐年增加，FP和FP+S处理累积利用率快速增加，25年累积利用率分别为47.5%和48.5%，比试验初期提高了36.7和31.2个百分点；FP+M处理累积磷肥利用率缓慢增加，25年后磷肥累积利用率为30.1%，比试验初期提高了19.5个百分点。磷肥累积利用率与施肥时间有极显著的线性关系，以施肥时间每增加1年磷肥累积利用率的增量作为后效，FP、FP+M、FP+S处理平均后效分别为1.30%、0.71%和1.16%。磷素养分供应量高于作物吸磷量后，肥料累积利用率因施磷量的增加而减少。施磷量较适宜的FP与FP+S处理，随施肥时间的增加，磷肥累积利用率有较快的增加，磷肥后效较大，FP+M处理因常年施磷量较高，磷肥累积利用率明显低于FP与FP+S处理，磷肥后效较小。

磷肥累积生理效率指一定阶段内作物吸收一定数量的磷素增加的经济产量，反映作物吸收磷量转化为经济产量的能力。长期投入不同外源磷素磷肥累积生理效率变化趋势如图2所示。随施肥时间的延长，磷肥累积生理效率不断提高，说明外源磷素的投入使作物减弱了对土壤基础磷素的依赖，作物增产的肥料效应不断累积；最初4～5年磷肥累积生理效率快速增长，之后增长速度渐缓趋于稳定，这主要是由于试验初期土壤基础磷水平较低，投入外源磷素的处理作物产量及吸磷量快速增加，而不施磷处理产量及吸磷量因磷素消耗下降较多；随施肥时间的增加，施磷处理土壤磷水平不断提高，土壤磷素水平达到作物高产需求量，产量增长缓慢，磷肥的增产效应减弱，累积生理效率增速变缓。连续施磷25年，FP、FP+M、FP+S处理的累积生理效率分别为 188.3 kg/kg、163.2 kg/kg 和 177.6 kg/kg，表明单独施用化学磷素累积生理效率最高，配施有机肥或秸秆磷素，累积生理效率有所下降。特别的是FP+S处理试验前2年，磷肥累积生理效率显著高于FP和FP+M处理，说明化肥磷素与秸秆磷素配施对土壤磷素具有较强的激发效应，这主要是由于在石灰性土壤中投入秸秆磷素可降低土壤pH和pH缓冲能力，减少土壤中碳酸钙含量[20]，进而提高磷素活化效率，土壤磷水平较低时可迅速提升磷素生产力。

图1 长期投入不同外源磷素对累积利用率的影响Fig. 1 Accumulative phosphorous use efficiencies (APUE) under long-term exogenous phosphorus fertilizer input

图2 长期投入不同外源磷对磷累积生理效率的影响Fig. 2 Accumulative phosphorous physiological efficiencies (APUE) under long-term exogenous phosphorus input

2.3 不同外源磷素长期协同使用对土壤各形态磷的影响

不同外源磷素通过改变土壤各形态磷的含量、化学行为、存在形态，逐步影响土壤中磷的转化、运移及供磷能力。对比2015年和1990年土壤无机磷、有机磷和全磷含量可知 (表3)，P0处理土壤全磷减少83.8 mg/kg，且主要是由于无机磷减少 (86.6 mg/kg) 引起的，有机磷总量维持不变，说明长期不施磷土壤，作物生长过程中植物根系分泌物及微生物活动等共同作用可促使土壤中无机磷活化供作物生长使用。FP处理无机磷增加239.4 mg/kg，有机磷也略有增加 (14.1 mg/kg)，说明长期单独投入化学磷素，可有效增加无机磷库总量，同时对土壤有机磷库也略有补充。FP+M处理，因化学磷素和有机肥素磷的协同作用，土壤全磷增加448.8 mg/kg，其中无机磷增加了377.0 mg/kg，有机磷总量增加71.8 mg/kg，说明投入有机磷素补充了土壤有机磷库，同时有效增加了土壤中无机磷的含量。FP+S处理土壤无机磷增加了282.3 mg/kg，有机磷减少 20.4 mg/kg，说明秸秆磷素和无机磷素配合使用，可促使土壤中有机磷转化为无机磷，增加土壤中无机磷库比例。

1990年不同处理基础土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P的平均含量分别为11.1 mg/kg、67.0 mg/kg、22.6 mg/kg、24.2 mg/kg、135.3 mg/kg、298.7 mg/kg。由表4可知，连续投入外源磷素25年后，P0处理土壤无机磷各组分含量均降低，以O-P降低最多为35.8 mg/kg，占无机磷减少总量的41.3%。其次是Ca8-P含量降低了15.3 mg/kg, 占无机磷降低总量的17.6%，说明长期不施磷肥，主要消耗了土壤中的O-P和Ca8-P。连续投入外源磷素，除FP+M处理Ca10-P含量减少外，其他处理各无机磷各组分均有增长，且主要增加的是具有缓效功能的Ca8-P，而Al-P、Fe-P增加量均为无机磷增量的15%和11%，说明潮土中Al-P、Fe-P的转化与外源磷素性质基本无关；FP+M处理有效性高的Ca2-P和具有缓效功能的Ca8-P增量分别是FP处理的3.2和2.4倍，有效态磷含量最高；FP+S处理显著减少了无效态的Ca10-P和O-P的含量，增加了Ca8-P的含量，缓效态磷含量最高。

表3 不同外源磷素长期投入对土壤磷库的影响 (mg/kg)Table 3 Effects of long-term different exogenous P input on soil phosphorus pool from 1990 to 2015

表4 连续投入不同外源磷素25年后土壤无机磷各组分的变化量 (mg/kg)Table 4 Change amounts of inorganic P fractions after 25 years’ treatment of different exogenous P

图3 基础土壤和不同外源磷素处理25年后土壤各无机磷组分的百分比Fig. 3 Proportion of P fractions in total inorganic phosphorus in the initial soil and soils under different exogenous phosphorus input for 25 years

因投入土壤中的外源磷素不同，土壤无机磷组分形态转化及分布特征不同。由连续处理25年土壤无机磷各组分的变化量可知 (图3)，P0处理无机磷各组分分布变化不大，有效性高的Ca2-P占比下降，Ca10-P占比略有上升，土壤Olsen-P由6.5 mg/kg降低到2.0 mg/kg；FP处理具有缓效功能的Ca8-P由12.0%提升到21.1%，Ca2-P占比略有增加，无效态O-P和Ca10-P由77.7%减少为62.9%，土壤Olsen-P由6.4 mg/kg提升到20.7 mg/kg，说明长期投入化学磷素，整体降低了无效态O-P和Ca10-P的比例，但无效态磷占比仍达到60%以上，表明潮土对化学磷素有较强的固定作用。FP+M处理Ca2-P占比由2.0%提升到5.4%，缓效态Al-P、Ca8-P、Fe-P占比增加25.6个百分点，无效态O-P和Ca10-P占比减少29.0个百分点，土壤Olsen-P由6.3 mg/kg提升到51.8 mg/kg，说明化学磷素与有机肥磷素协同使用可促使无效态磷向有效态及缓效态磷转化，显著提升土壤磷素有效性；FP+S处理无机磷组分分布与FP处理相似，但Ca8-P占比提高了7.9个百分点，Ca10-P的占比减少6.5个百分点，土壤Olsen-P含量由6.3 mg/kg提升到21.7 mg/kg，与FP基本一致，说明秸秆磷素可增加具有缓冲作用的Ca8-P的含量，降低无效态磷含量，提升土壤潜在供磷能力；然而与FP处理相比土壤磷素有效性提升不明显，说明土壤Olsen-P含量主要由有效性高的Ca2-P含量决定。

3 讨论

3.1 长期定位试验研究不同磷肥后效更具科学性

磷肥当季利用率较低，但由于土壤对磷的强吸附作用，使磷肥具有较长时间的后效[21–22]。因受气候因素、土壤条件、作物品种等的影响，用短期试验评价不同磷肥的累积效应和后效得出的结论与长期试验的结果有差异。长期定位试验经历不同气候年份、不同作物品种，因而可以减少试验误差，更科学的说明磷肥的有效利用程度。本研究中25年定位试验获取的最大磷肥累积利用率为48.5%，与李渝等[23]长期试验的结果相近；不同外源磷素长期定量施入土壤，其磷肥后效趋于稳定，本研究中FP、FP+M、FP+S处理磷肥平均后效分别为1.30%、0.71%和1.16%。

3.2 外源磷素载体性质对磷素形态转化和有效性的影响差异

由于石灰性土壤中Ca2+、Mg2+含量较高，而且土壤 pH值为8左右，不同外源磷素投入土壤后，容易形成难溶性的 Ca3(PO4)2，并逐渐向更稳定的Ca8-P、Ca10-P等无效磷转化[24]，降低了磷肥的当季有效性。FP+M比FP处理磷肥的有效性高，主要由于有机肥腐解过程中产生的有机酸化物降低了土壤pH，减少了外源磷素转化为难溶性的Ca10-P、O-P的比重，增加了有效性较高的Ca2-P、Al-P，以及具有持续供磷能力的Ca8-P、Fe-P的含量；同时每年进入土壤的大量有机肥，可显著提高酸性磷酸酶、脲酶和转化酶的活性，促进了有机磷的矿化[25]，从而提高磷肥的有效性。本研究FP+M处理经25年协同使用有机肥和化学磷肥，提升了土壤中有机磷的含量，并使大量有机磷转化为可供作物直接使用的有效态磷素，土壤Olsen-P比FP处理提高了31.1 mg/kg，该结论和刘建玲等[26]、谢林花等[27]的研究相同。秸秆磷素的投入对难溶性Ca10-P、O-P形成的抑制作用高于化学磷素，FP+S处理土壤磷素潜在供磷能力较高，但土壤磷素有效性提升不明显，该结果与林诚等[28]在研究南方黄泥田磷库形态时，得出秸秆还田对土壤磷库总量与组分形态影响与使用化肥相比并不明显的结论不同。本研究中长期单独投入化学磷素土壤有机磷含量略有增加，这和Reddy等[29]、黄庆海等[30]研究认为使用化学磷素对耕层有机磷含量没有影响或使有机磷含量增加的结论一致。说明不同外源磷素载体性质是影响潮土磷素形态转化和有效性的主要因素。

4 结论

单施无机磷素或有机无机配合均可显著提高作物产量，提升产量稳定性和产量可持续性指数，磷肥与秸秆配施最有利于维持小麦玉米轮作体系的可持续生产能力，实现高产稳产。

单施磷肥、磷肥配施有机肥、磷肥配合秸秆的平均后效分别为1.30%、0.71%和1.16%。单施磷肥的累积生理效率最高，配施有机肥或秸秆后有所降低。化肥磷素与秸秆磷素配施对土壤磷素具有较强的激发效应，可迅速提升磷素生产力。

长期单独投入化学磷素，可有效增加无机磷库总量，但土壤磷素更易转化为无效态的O-P和Ca10-P，磷素有效性不高。化学磷素和有机肥磷素协同使用，能有效维持潮土有机磷含量，增加可供作物直接利用的Ca2-P和具有缓效作用的Ca8-P比例，提升土壤Olsen-P含量。化学磷素与秸秆磷素协同使用可减少土壤中难溶性的Ca10-P的比例，增加Ca8-P的含量，提升土壤潜在供磷能力。

Al-P、Fe-P在潮土中的转化基本不受外源磷素性质的影响。