冬小麦–夏休闲体系作物产量和土壤磷形态对长期施肥的响应

金 欣，姚 珊，Batbayar Javkhlan，贾丽洁，张树兰*，杨学云*

（1 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2 青海省气象灾害防御技术中心，青海西宁 810001）

磷是植物生长必需的三大营养元素之一，随有机肥或化学肥料进入土壤后，在土壤中发生各种物理、化学反应导致其有效性大幅降低。据估计，施入土壤中的磷素至少有70%～90%与Fe、Al和Ca结合固定而失去或很大程度上降低了植物有效性[1]。因此，磷的当季利用率一般低于20%[2]。在实践中，为了保证作物产量，磷肥的施用量一般都远大于需求量，从而导致土壤中磷素累积。据统计，至2010年中国土壤磷的盈余已增长至P 40.8 kg/(hm2·a)[3]。有机肥施用导致的土壤中磷素累积尤为严重，陕西关中平原20年有机无机肥配施磷盈余量最高达4265 kg/hm2[4]。尽管盈余在土壤中的磷可通过难溶态磷的溶解、吸附态磷的解吸和有机磷的矿化过程转化成有效态磷供植物利用，但其量一般不足以支撑作物对磷素的需要。施磷可维持土壤中高比例的可利用态磷，改善作物磷营养和提高产量[5–6]，但也可能通过侵蚀、径流和淋失进入水体，不仅降低了磷肥利用效率，浪费了有限的磷矿资源，而且造成水体富营养化等生态环境问题[7]。因此，研究不同肥料管理措施下土壤磷形态和有效性，有助于根据土壤、耕作、作物和气候因素等制定综合肥料管理措施，防止过量施用磷肥，减少资源浪费，降低土壤磷流失风险。

由于土壤磷形态复杂，且处于动态平衡之中，一般采用磷素分级的方法来定性定量地评价。石灰性土壤上应用最久、最多的方法是张守敬−杰克森法[8]及改进的蒋柏藩−顾益初法[9]。但该方法不足之处在于未能包含有机形态磷，后者尽管在石灰性土壤上含量低于25%[10]，但在磷素较低的情况下，是一个重要的磷源，即使是难溶于水的有机磷经矿化转化为无机磷对作物磷吸收的促进作用也不容忽视[11]。尤其是微生物磷在磷素循环中发挥主导作用，对作物难以利用的无机形态磷的活化利用有重要贡献[12]。Tiessen和Moir[13]改进的Hedley法[14]兼顾了土壤无机磷和有机磷形态及作物有效性，可定性、定量地评价土壤磷形态，是目前采用较多的一种方法。该方法根据植物有效性的不同，将磷形态分为可利用态(Resin-P，NaHCO3-Pi、-Po)，中等可利用态 (NaOHPi、-Po) 和难利用态 (C.&D. HCl-Pi，C. HCl-Po，Residual-P)[15]。该方法广泛应用于评价土壤磷形态在成土过程中的变化以及土壤类型、作物体系、耕作方式和施肥管理等因素对磷组分的影响等研究[15–17]。土壤磷形态及有效性受多种因素影响，其中施肥影响最直接、最显著。长期施化学磷肥和有机肥均可不同程度地增加土壤可利用态和中等可利用态无机磷含量[16–19]。但施肥对土壤有机磷组分的影响在不同土壤上存在很大差异，如对冲积土[18]、红壤[19]、火山灰土[20]的报道均有不同。即使在石灰性土壤上，不同气候条件下结果也不尽一致。Yan等[17]研究表明，施有机肥增加了土壤总有机磷含量 (Po)，主要增加H2O-Po和NaOH-Po含量。Kashem等[21]研究表明，添加不同的有机肥不影响或增加了NaOH-Po含量。Zhang等[22]的研究认为，施化学磷肥不影响总有机磷含量，NaOH-Po在试验的10年间未发生变化，NaHCO3-Po在试验的第7年到第10年显著降低。Vu等[23]研究表明，随着化学磷肥施用量的增加，土壤有机磷组分有下降的趋势。研究结果的不一致一方面是由于施有机肥、作物残留等原因导致有机碳投入不同，影响了有机磷矿化。另一方面是由于气候差异造成的。不同的作物组合和耕作方式也影响磷形态分布，合理的轮作方式也是提高土壤磷素有效性的重要途径之一。Priyadarshi等[24]在石灰性土壤上研究表明，水稻−小麦体系的NaOH-Pi和D. HCl-Pi含量显著高于玉米−小麦和玉米−玉米体系。McKenzie等[25]在黑钙土上的研究表明，小麦−休闲轮作体系NaHCO3-Po和NaOH-Po含量显著高于小麦连作。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在“国家黄土肥力和肥料效益监测基地”进行，位于黄土高原南部的陕西省杨凌示范区(34°17′51″N、108°00′48″E，海拔 534 m)。试验点的平均气温13℃，年降水量550 mm，且降水主要集中在6—9月。供试土壤为粉砂粘壤土，属于旱耕土垫人为土，黄土母质。试验开始前种植了三季作物匀地，均不施任何肥料。第三季作物收获后 (1990年)，在每个小区多点采集0—20 cm的基础混合土样，进行基本理化性质分析。土壤有机碳含量(7.31 ± 0.32) g/kg(CV 4.42%)、全氮 (0.93 ± 0.04) g/kg (CV 4.58%)、全磷 (0.73 ± 0.32) g/kg (CV 4.42%)、有效磷 (6.65 ± 0.53) mg/kg(CV 8.18%)、pH 8.62 (水土比为2.5∶1)、容重1.33 g/cm3、孔隙度49.6%。

1.2 试验设计

试验开始于1990年。共设7个处理：1) 对照处理 (CK)，不施用化肥和有机肥；2) 氮处理 (N)，施用化学氮肥；3) 氮钾处理 (NK)，施用化学氮、钾肥；4) 磷钾处理 (PK)，施用化学磷、钾肥；5) 氮磷处理 (NP)，施用化学氮、磷肥；6) 氮磷钾处理(NPK)，施用化学氮、磷、钾肥；7) 氮磷钾+有机肥处理 (MNPK)，施用化学氮、磷、钾肥配施有机肥。小麦生长期内施肥量分别为N 135 kg/hm2、P 47.1 kg/hm2、K 56 kg/hm2。MNPK中N来自有机肥和无机肥的比例为7∶3，按N含量折合施用牛粪，随其施入的磷钾量未计入。有机肥中氮含量为(1.71 ±0.87)% (SD)，平均干重 7.37 t/hm2± 4.95 (SD)。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。有机肥和化肥均于秋播小麦时一次施入。小区面积为399 m2(21 m × 19 m)，由于试验为大区试验，基于实践考虑，未设重复。一方面，试验地近百年来实行同样的肥料管理和作物种植系统；其次，试验开始前连续种植冬小麦和夏玉米三年匀地，主要肥力指标测定结果显示各小区空间异质性很小。因此，可以认为试验所有变异均来源于处理[28]。试验实行冬小麦−夏休闲种植，生长期内无灌溉；作物收获后秸秆移走，其它田间管理与当地习惯相同。

1.3 样品采集与分析

2010年小麦收获后，将每个处理小区划分为三个区域，作为3次重复进行采样。在每个区域内多点取0—20 cm土壤混合样。样品去除植物残体及根系，风干过1 mm筛进行土壤磷素分级。

土壤磷素分级采用Tiessen-Moir修正的Hedley磷素分级方法[13]，该方法将土壤磷分为Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、D.HCI-Pi、C.HCl-Pi、C.HCl-Po 和 Residual-P 共计9种磷形态。简要提取基本步骤如下：称取0.5000 g风干土样置于50 mL离心管中，顺次用1.00 g阴离子交换树脂加30 mL去离子水、0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)、0.1 mol/L NaOH、1 mol/L 稀盐酸 (HCl)、浓盐酸分别提取，每次提取振荡时间为16 h，每次提取后离心，过滤分离悬液。树脂去离子水、稀HCl提取物中的磷用钼蓝比色法直接测定[29]；NaHCO3、NaOH和浓HCl提取物中的磷包括有机磷和无机磷两种形态，用钼蓝比色法测定溶液中无机磷含量，同时，取一定体积样品用过硫酸铵−硫酸消化，然后测定溶液中的总磷，二者之差为有机磷含量。提取后最后剩余的土用浓硫酸与双氧水进行消化，用钼蓝比色法测得残余态磷 (Residual-P)。

植株籽粒和秸秆中的磷浓度通过浓硫酸和双氧水消化后用钼蓝比色法测定。

1.4 数据计算

磷投入和磷携出是20年 (1990—2010) 大田试验结果，计算公式为：磷表观平衡 = 磷投入 − 磷携出，公式中的磷投入包括化肥、有机肥、降水以及种子中所含的磷。磷携出为作物收获后随地上部移出的磷，包括小麦籽粒和秸秆两部分。

数据用SAS (version 16.0) 软件包进行单因素方差分析，用最小显著性差异法 (LSD) 进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 旱作长期施肥处理小麦籽粒产量及磷表观平衡

20年长期平衡施用化肥氮磷 (NP)、氮磷钾 (NPK)及化肥有机肥配施 (MNPK) 三个处理冬小麦籽粒产量无显著差异，但均显著高于对照不施肥 (CK) 及单施或偏施化肥处理 (N、NK和PK)。除NK显著高于CK外，其余不施或偏施肥处理间 (CK、N、NK和PK) 小麦产量均无显著差异。所有施NP处理及NK处理，冬小麦产量变异均高于CK、N及PK处理。各处理冬小麦产量均有随施肥时间延长而增加的趋势，但仅平衡施肥三个处理趋势显著，年均增产在205～265 kg/hm2之间，以MNPK增幅最高 (表1)。

小麦籽粒磷吸收量在72.4～327.5 kg/hm2之间，其中NP、NPK和MNPK处理小麦籽粒吸磷量最高，较CK处理分别增加232.5%、238.1%和283.0%，较其它偏施肥处理也高出近一倍以上。NK和PK处理较CK处理也增加了小麦籽粒磷素吸收，增加幅度分别为35.6%和71.7%，CK和N处理小麦籽粒吸磷量最低。小麦秸秆磷吸收量的范围在22.5到123.6 kg/hm2之间，趋势和籽粒相同。磷表观平衡显示，三个不施磷肥处理磷净亏缺达到87～140 kg/hm2，而施磷的四个处理，磷素均有大量盈余，以NP和NPK处理较低，达到约590 kg/hm2左右，PK处理达764 kg/hm2，MNPK处理盈余多达2130 kg/hm2(表2)。

表1 土20年不同施肥处理冬小麦籽粒平均产量及年均增产量Table 1 Yield and its annual mean increment of winter wheat under different fertilization over 20 years in loess soil

表1 土20年不同施肥处理冬小麦籽粒平均产量及年均增产量Table 1 Yield and its annual mean increment of winter wheat under different fertilization over 20 years in loess soil

注（Note）：CK—不施肥对照；N、P、K、M 分别表示氮肥、磷肥、钾肥和有机肥；相同小写字母表示不同施肥处理间产量未达 5% 显著水平；P为产量与年份线性相关的显著性水平。Control without any fertilizer input; N, P, K and M represent nitrogen,phosphorus, potassium fertilizers and organic manure. Yields followed by the same lowercase letters mean no significant differences between treatments at 0.05 level; P means significant level of regression equation of yield with years.

处理Treatment产量Yield(kg/hm2)CV(%)增产量Increase[kg/(hm2∙a)]R2 P CK 1543 c 21.2 46.3 0.18 0.060 N 1585 bc 18.5 32.3 0.12 0.140 NK 2090 b 47.9 104.6 0.44 0.118 PK 1936 bc 33.1 41.0 0.06 0.300 NP 4446 a 54.5 219.0 0.62 0.003 NPK 4655 a 57.6 204.9 0.49 0.001 MNPK 4447 a 65.2 265.0 0.64 0.000

2.2 旱作长期施肥处理耕层土壤磷形态

土壤中总无机磷含量变化范围为489.8～961.4 mg/kg。施肥20年后各处理耕层土壤Resin-P含量介于18.5 mg/kg～140.7 mg/kg之间。长期不施磷肥处理，经过20年作物种植，Resin-P基本保持在试验开始前的水平；而施用磷肥处理土壤Resin-P均有显著增加，增幅达70%～427%，其中NP增加较少，MNPK增幅最大。土壤NaHCO3-Pi含量与Resin-P大体一致，不施肥处理均有降低趋势，其中N处理显著降低。与初始值相比，PK、NP、NPK和MNPK处理的NaHCO3-Pi分别增加了201%、216%、224%、573%。NaOH-Pi含量范围在6.11～30.97 mg/kg之间，除PK和NPK外的其余处理此形态磷均较试验开始前有显著增加，尤其NP和MNPK处理增加最多 (图1A)。所有处理的C.HCl-Pi含量均较试验开始时显著下降，下降幅度为30.8%～52.5%，依其显著性NPK、MNPK显著高于NP和PK，后二者与CK近似，但均显著高于N处理 (图1A)。MNPK处理D.HCl-Pi含量显著高于其它处理及试验开始前土壤，其它处理均维持在试验开始时的水平。土壤中残余磷 (Residual-P)的含量在138.7～221.0 mg/kg之间。CK、N、PK和MNPK处理与试验开始时相比，Residual-P显著降低，降幅在7.5%～35.9%之间。NK、NP和NPK基本保持在试验开始前的水平 (图1B)。

表2 土冬小麦–夏休闲体系不同施肥处理20年累积磷投入、携出和磷表观平衡 (kg/hm2)Table 2 Cumulative input, output and apparent balance of P in winter wheat-summer fallow system over the 20-years’different fertilization in loess soil

表2 土冬小麦–夏休闲体系不同施肥处理20年累积磷投入、携出和磷表观平衡 (kg/hm2)Table 2 Cumulative input, output and apparent balance of P in winter wheat-summer fallow system over the 20-years’different fertilization in loess soil

注（Note）：磷表观平衡 = 磷投入 − 磷携出；CK—不施肥对照；N、P、K、M 分别表示氮肥、磷肥、钾肥和有机肥 P apparent balance = P input – P output. Control without any fertilizer input; N, P, K and M represent chemical nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers and organic manure.

磷投入P input 磷携出P output处理Treatment秸秆Straw CK 0 0 2.5 7.4 9.9 85.5 22.5 −98.1 N 0 0 2.5 7.4 9.9 72.4 24.3 −86.8化肥Mineral fertilizer有机肥Organic manure降水Rainfall种子Seed合计Total籽粒Grain磷表观平衡Apparent balance NK 0 0 2.5 7.4 9.9 115.9 33.6 −139.7 PK 942.6 0 2.5 7.4 952.5 146.8 42.2 763.5 NP 942.6 0 2.5 7.4 952.5 284.3 75.2 593.0 NPK 942.6 0 2.5 7.4 952.5 289.1 76.3 587.2 MNPK 942.6 1628.5 2.5 7.4 2581.0 327.5 123.6 2129.9

图1 土20年不同施肥处理耕层土壤各组分磷含量Fig. 1 Contents of P fractions in the soils subjected to 20 years diverse fertilization in loess soil

总有机磷含量变化范围为33.9～80.7 mg/kg。不同施肥处理，耕层土壤NaHCO3-Po含量除CK和MNPK处理外均较试验前显著降低，下降幅度为62.6%～87.9%，其中N处理下降幅度较少，NPK处理降幅最大。N、NK和NP处理的NaOH-Po分别较基础土样下降了68.3%、74.8%和64.6%。PK、NPK和MNPK中NaOH-Po含量与试验开始时接近；CK处理较基础土样增加了34.6%。除MNPK外，施磷肥处理及CK处理C.HCl-Po较试验开始前显著降低，N、NK及MNPK维持在试验开始前水平 (图1C)。

无机磷约占全磷的70.1% (变幅66.1%～78.6%)，其中D. HCl-Pi所占比例最大，约为49.2%～56.5%，平均52.6%；其次为C. HCl-Pi和Resin-P，平均分别为7.2% (5.3%～11.2%) 和 5.6% (2.5%～11.6%)；NaHCO3-Pi和NaOH-Pi占全磷比例较小，分别为2.9% (0.6%～6.6%) 和1.8% (0.7%～3.1%) (表3)。20年施用磷肥后土壤Resin-P占全磷比例均有显著提高，尤其是MNPK处理显著高于其它处理。长期不施磷肥处理Resin-P占全磷比例保持在初始值的水平 (表3)。NaHCO3-Pi占全磷比例与Resin-P有相同的趋势。除PK和NPK外，其它施肥处理NaOH-Pi占全磷比例较试验开始前显著增加，其中CK处理增加幅度最小，NP和MNPK处理增加幅度最高。所有处理的C. HCl-Pi占全磷比例均较试验前显著下降，尤其是MNPK处理，降低了5.9个百分点，CK处理C. HCl-Pi降低幅度最小；其余处理除N处理C. HCl-Pi占全磷比例显著低于NPK外，N、NK、PK、NP、NPK处理间无显著差异。与试验开始时相比，CK处理和N处理增加了D. HCl-Pi占全磷比例，其它处理D. HCl-Pi占全磷比例保持在初始值的水平。Residual-P占全磷比例平均约为23.1% (15.2%～28.8%)。施磷肥处理有降低Residual-P占全磷比例的趋势，但只有MNPK处理较试验开始时显著降低。不施肥 (CK) 处理Residual-P占全磷比例较试验开始时降低了5.4个百分点。相反，NK处理Residual-P占全磷比例较试验开始时增加了3.8个百分点 (表3)。

有机磷约占全磷的3.9%～11.2%，其中NaOH-Po所占比例最大，平均约为3.2% (1.1%～6.7%)，C.HCl-Po所占比例与NaOH-Po相近，平均约为3.0%(2.1%～4.2%)，NaHCO3-Po所占比例最小，平均约为0.7% (0.1%～2.0%)。CK处理NaHCO3-Po占全磷比例较试验前显著增加，也显著高于其它处理；其它所有施肥处理除MNPK维持在试验前水平，均较初始值有显著下降。对于NaOH-Po组分而言，除CK显著升高和PK、NPK处理无显著差异外，其它处理显著降低了土壤NaOH-Po所占比例，降低幅度最大的是NK处理，降低了3个百分点，降低幅度最小的是NPK处理，降低了0.7个百分点。20年长期用化肥氮磷 (NP)、氮磷钾 (NPK) 及氮磷钾配施有机肥(MNPK) 三个处理C. HCl-Po占全磷比例均较试验开始时显著下降，降低了1.6～2.1个百分点，单施或偏施化肥处理 (N、NK和PK) C.HCl-Po占全磷比例有下降趋势但差异不显著，不施肥 (CK) 处理较试验前降低了1.7个百分点 (表3)。

2.3 小麦地上部磷吸收量与土壤磷组分的关系

将各处理小麦地上部吸磷量和土壤磷组分进行相关分析 (图2)，可以看出小麦地上部磷吸收量和树脂磷 (Resin-P)、碳酸氢钠提取无机磷 (NaHCO3-Pi)、浓盐酸提取无机磷 (C.HCl-Pi) 之间均呈显著正相关关系 (P ＜ 0.05)，其决定系数R2分别为0.607、0.784和0.651。斜率大小分别为C.HCl-Pi ＞ NaHCO3-Pi ＞Resin-P (图 2)。

2.4 耕层土壤磷组分与磷表观平衡的关系

耕层土壤磷组分与磷表观平衡的关系 (图3) 显示树脂磷 (Resin-P)、碳酸氢钠提取无机磷 (NaHCO3-Pi) 和稀盐酸提取的无机磷 (D.HCl-Pi) 随磷素盈余量增加而显著升高 (P ＜ 0.001)。斜率大小分别为D.HCl-Pi ＞Resin-P ＞ NaHCO3-Pi。其它组分则和磷表观平衡无显著相关 (图3)。进一步分析可知，土壤全磷和各无机磷组分之和与磷素盈余均呈显著线性相关 (P ＜ 0.001)，有机磷则和磷素盈余量无相关关系 (图4)。

表3 土20年不同施肥处理土壤磷组分占全磷的比例 (%)Table 3 Proportion of each P fraction in the total P contents of the soils subjected to diverse fertilization for 20 years in loess soil

表3 土20年不同施肥处理土壤磷组分占全磷的比例 (%)Table 3 Proportion of each P fraction in the total P contents of the soils subjected to diverse fertilization for 20 years in loess soil

注（Note）：Initial—试验开始前基础土壤；CK—不施肥对照；N、P、K、M 分别表示氮肥、磷肥、钾肥和有机肥；Resin、NaHCO3、NaOH、D.HCl 和 C.HCl 均为对应磷组分浸提剂；同列数据后相同小写字母表示不同施肥处理间在 5% 水平差异不显著。Initial—Soil at initial of the experiment; CK—Control without any fertilizer input; N, P, K and M represent chemical nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers and organic manure. Resin, NaHCO3, NaOH, D.HCl, C.HCl denote the extracting agents of P fractions. Values followed by the same lowercase letters are not significantly different among treatments (P ＜ 0.05).

处理Treatment无机磷组分Inorganic fraction 有机磷组分Organic fraction 残余磷Residual Resin-P NaHCO3-Pi NaOH-Pi D. HCl-Pi C. HCl-Pi NaHCO3-Po NaOH-Po C.HCl-Po Initial 3.1 ± 0.35 de 1.4 ± 0.09 c 0.8 ± 0.03 d 49.2 ± 0.75 c 11.2 ± 0.47 a 1.1 ± 0.32 b 4.1 ± 0.30 b 4.2 ± 1.13 a 25.0 ± 1.98 bc CK 2.9 ± 0.44 de 1.3 ± 0.13 cd 1.9 ± 0.09 c 55.5 ± 0.53 ab 7.8 ± 0.24 b 2.0 ± 0.32 a 6.7 ± 0.37 a 2.5 ± 0.28 bc 19.6 ± 0.82 d N 2.5 ± 0.59 e 0.6 ± 0.08 d 2.0 ± 0.43 bc 56.5 ± 2.58 a 6.1 ± 0.80 de 0.4 ± 0.06 c 1.6 ± 0.69 d 3.9 ± 0.86 a 26.4 ± 0.43 ab NK 3.5 ± 0.75 de 1.0 ± 0.17 cd 2.5 ± 0.77 ab 52.6 ± 5.05 abc 6.5 ± 1.04 cd 0.4 ± 0.17 c 1.1 ± 0.83 d 3.6 ± 0.36 ab 28.8 ± 2.94 a PK 8.0 ± 2.42 bc 4.0 ± 0.43 b 0.8 ± 0.04 d 51.2 ± 1.42 bc 6.4 ± 0.47 cde 0.2 ± 0.15 c 4.1 ± 0.11 b 2.9 ± 0.18 abc 22.3 ± 2.03 cd NP 5.3 ± 0.72 cd 4.4 ± 0.25 b 3.1 ± 0.43 a51.9 ± 2.13 abc 6.7 ± 0.87 bcd 0.2 ± 0.11 c 1.5 ± 0.43 d 2.3 ± 0.55 bc 24.7 ± 1.89 bc NPK 8.2 ± 1.59 b 4.2 ± 0.38 b 0.7 ± 0.11 d 51.3 ± 1.05 bc 7.3 ± 0.03 bc 0.1 ± 0.12 c 3.4 ± 0.35 bc2.1 ± 1.14 c 22.7 ± 0.48 c MNPK 11.6 ± 3.05 a 6.6 ± 0.73 a 2.5 ± 0.25 ab 52.6 ± 4.12 abc 5.3 ± 0.10 e 0.9 ± 0.19 b 2.8 ± 0.54 c 2.6 ± 0.22 bc 15.2 ± 1.00 e

图2 土20年不同施肥管理土壤冬小麦地上部吸磷量与土壤各组分磷含量的关系Fig. 2 Relationship between phosphorus uptake by above-ground biomass of winter wheat and each P fraction contents in soils subjected to diverse fertilization managements for 20 years in loess soil

3 讨论

3.1 长期施肥对旱作小麦产量的影响

本研究显示，旱作条件下平衡施用氮磷较不施肥及偏施肥 (N、NK、PK) 处理显著提高了小麦产量。这表明氮磷是限制该区小麦生长的主要因素[4]。陈磊等[6]报道黑垆土旱作长期施肥对小麦产量及肥料利用率的影响，也得到了相似的研究结果。本试验结果还显示相比平衡施用氮磷无机肥，化肥有机肥配施并没有表现出更高的产量优势，尽管化肥有机肥配施显著提高了土壤有机质含量，改善了土壤物理性质[28]。其他研究者也报道了相似的结果[6]。本试验是基于相同的施氮量，化肥有机肥配施中70%的氮来源于有机肥，有机氮的矿化受水热条件影响，如小麦生育期低温和少雨的条件会影响氮的释放和有效性，进而影响小麦生长及产量[28]。另一方面，微生物和作物竞争氮源可能也部分地限制了小麦生育期氮素养分供应，进而影响了MNPK处理冬小麦产量进一步提升。然而在灌溉条件下，吕凤莲等[30]研究表明，土小麦–玉米轮作体系，50%和75%有机氮替代化肥氮较氮磷钾化肥配施显著提高了小麦和玉米总产量。不同试验结果的差异性可能与作物体系和水热等环境条件不同有关。

图3 土20年不同施肥管理土壤磷组分与磷表观平衡的关系Fig. 3 Soil P fraction as a function of soil P balances in soils subjected to diverse fertilization managements in loess soil

图4 土20年不同施肥管理土壤全磷、总有机磷和总无机磷与磷表观平衡的关系Fig. 4 Soil total P, total organic P and total inorganic P as function of the soil P balances in soils subjected to diverse fertilization managements for 20 years in loess soil

3.2 长期施肥对土壤无机磷组分的影响

树脂提取磷 (Resin-P) 是植物有效性最高的可溶性无机磷，NaHCO3-Pi是较松散的结合在晶体铁铝氧化物表面的活性磷，也是植物有效磷源。本研究表明，20年长期施用磷肥较不施肥处理显著提高了土Resin-P和NaHCO3-Pi，且化肥有机肥配施处理增幅最大。这与其他研究者报道的结果相一致[18,31]。增加的植物有效磷一方面来自化学磷肥和有机肥中大量的活性磷的释放，且相对化肥而言，有机肥对活性态无机磷组分的累积贡献更大[32]。Resin-P和NaHCO3-Pi含量与磷素盈余量显著相关 (图3) 也反映了这一点。另一方面土壤有机磷的矿化可能也对Resin-P和NaHCO3-Pi含量增加有贡献[33]。

NaOH-Pi是吸附在非晶态铝铁氧化物上的无机磷，被认为是中等可利用态磷，解吸后可供植物利用。本研究表明，施用NP、MNPK较CK处理显著增加NaOH-Pi含量，而施用PK、NPK显著降低NaOH-Pi含量。Yan等[17]和Malik等[31]也曾报道施用有机肥增加了NaOH-Pi含量。张奇春等[18]在水稻土上的研究表明，施NPK、NP显著增加土壤中NaOH-Pi含量，其施用钾肥为氯化钾。部分研究结果的不一致可能与土壤类型、种植体系和施肥种类有关，尚需进一步研究。NaOH-Pi的增加可能是由于施磷肥后土壤颗粒的磷饱和吸附位点增加和有机肥释放有机酸对铁铝磷的螯合作用。本研究施钾肥后NaOH-Pi下降可能是因为钾影响了铁铝复合物的化学吸附过程导致的。有研究表明，施硫酸钾后植物对钾离子的吸收大于硫酸根离子，大量硫酸根离子存在于土壤中，与磷的含氧酸根阴离子竞争磷吸附位点，减少对磷的吸附[34]，导致施钾肥的处理NaOH-Pi较低。有研究表明NaOH-Pi与Eh之间呈负相关关系[35]，施钾肥显著提高了Eh[36]，降低了NaOH-Pi含量。此外，测定方法对NaOH浸提的磷组分也存在一定的影响，前一步的NaHCO3-Pi浸提过程中有一部分铝磷和铁磷溶解[13]。中等可溶性的NaOH-Pi既是磷源也是磷库，对Eh和pH等环境条件变化比较敏感，易发生转化[35,37]。因此，土施用钾肥对NaOH-Pi含量的影响差异需要进一步研究。

D.HCl-Pi浸提的磷主要与原生磷灰石矿物有关，是钙结合态化合物。本研究结果表明，MNPK处理D.HCl-Pi含量显著高于其它处理及试验开始前土壤，其它处理均维持在试验开始时的水平，但施磷肥处理有高于不施磷肥处理的趋势。可能是由于此形态活性相对较高，在长期不施磷条件下部分会转化为其它形态被作物利用而消耗，施磷时可作为磷库。Beck和Sanchez[37]研究表明，HCl-P与NaOHP一样既是磷源也是磷库，能作为可利用形态磷的补充。但由于其占全磷比例最大，缓冲能力最大，因而只有大量磷盈余情况下才发生明显改变 (MNPK)。C.HCl-Pi和D.HCl-Pi均为难溶性钙磷，稀盐酸较浓盐酸浸提的钙磷有效性稍高，更容易提取。本研究也表明磷素的盈余优先进入有效性稍高的D.HCl-Pi(图3)。C.HCl-Pi主要为纤维素包被的闭蓄态磷，在高pH土壤上是更稳定的钙结合态磷，在热浓缩后的酸中释放。本研究中所有处理的C.HCl-Pi含量均较试验开始时显著下降，其主要原因可能是由于试验开始前是小麦–玉米一年两熟制，且有灌溉，改为冬小麦–夏休闲一季作物种植后，单位面积上作物的总产量下降较多，因此以根茬等残落物形式进入土壤的纤维素量减小，因而C.HCl-Pi在土壤中累积量随之减小。另一方面土壤含水量与纤维素分解菌数量之间呈负相关关系[38]，灌溉改旱作可能促进了纤维素分解，降低了与纤维素相关的C.HCl-Pi含量。土壤中C.HCl-Pi和D.HCl-Pi含量除了受种植制度、灌溉的影响外，土壤类型、施肥量和施肥时间也是重要影响因素。土壤类型直接影响矿物组成，施肥量和施肥时间决定土壤中磷素盈余量，进一步影响土壤中难溶性钙磷的含量。

Residual-P为闭蓄态无机磷，主要是难溶性钙磷和腐殖化的有机磷混合物。本研究施磷肥处理较不施肥 (CK处理) 显著增加Residual-P含量。张奇春等[18]也报道了相似的研究结果。Zhang和Mackenzie[39]认为长期施肥对Residual-P影响的变异 (98%) 是由于其中有机磷组分的增加所导致。不过从本文结果来看，不施磷处理 (CK和N处理) 的磷素耗竭也降低了Residual-P的含量。从Residual-P与磷素盈余关系可以看出施肥对该组分影响甚微，这可能表明长期施磷主要以可利用态和中等可利用态存在于土壤中。

3.3 长期施肥对土壤有机磷组分的影响

NaHCO3-Po主要是可溶性的有机磷化合物和一些微生物磷，易矿化供植物利用。NaOH-Po主要是腐殖酸中和铁铝复合物表面吸附的有机磷，是中等可利用的有机磷形态。本研究表明，施化学磷肥和有机无机肥配施显著降低了NaHCO3-Po和NaOH-Po组分含量 (表3)，与Vu等[23]在石灰性土壤上的研究结果一致。杨学云等[10]在土上的研究显示，不施肥或施无机磷肥 (NPK处理) 耕层土壤有机磷 (灼烧法测定) 有降低趋势。Dalal等[11]研究表明，施入土壤的化学磷肥与有机磷竞争，形成铁、铝络合物，土壤有机磷呈微溶态，矿化分解后减少了有机磷的积累。Zhang等[22]在石灰性土壤上研究表明，通过作物残茬进入土壤的新鲜有机碳增加，促进微生物活动，导致施化学磷肥后NaHCO3-Po显著下降。影响土壤有机磷累积的因素比较复杂，除全磷、有机质、温湿度条件外，还涉及其它因素，如土壤母质、C/P比、pH、氧化还原条件等。长期平衡施用化肥或化肥有机肥配施土耕层土壤有机碳含量显著增加，较高水平的土壤有机碳能促进微生物活性，从而促进不同形态的磷组分之间进行转化[4]。土壤的C/P比影响有机磷矿化，净固定和矿化发生的C/P比分别为 ＞ 300和 ＜ 200[40]。本试验中施磷肥处理的C/P小于11.1，存在有机磷净矿化作用。

C.HCl-Po是易于生物利用的颗粒有机物，生物有效性比前两种形态有机磷低，是稳定的有机磷形态。本研究表明，施化学磷肥和CK对C.HCl-Po影响不大，有机无机肥配施处理较CK显著提高了C.HCl-Po含量。表明施入土壤的有机肥经过生物体的吸收利用而转化为C.HCl-Po，导致难利用态有机磷组分增加。Lehmann等[41]在酸性沙壤上长期有机无机肥配施得到与本研究相似的结果。Gale等[42]在粉壤土上研究表明，5年有机肥施肥量在P 140、210、280 kg/(hm2∙a) 条件下，0—15 cm 土层除 NaHCO3-Po和NaOH-Po以外的残余有机磷含量均显著增加，但是施过磷酸钙 [P 80 kg/(hm2∙a)]、施有机肥量在P 280 kg/(hm2∙a) 条件下两个处理较对照不影响该形态有机磷含量。不同研究结果的变异性可能也与施磷量和施肥时间有关。

3.4 长期施肥对土壤磷转化的影响

本研究发现冬小麦−夏休闲种植体系下，经过20年不施肥之后土壤仍然保持了相同比例的植物易利用的Resin-P和NaHCO3-Pi，这可能源于有机以及无机的难溶性磷向可利用磷的转化，如残余态磷的减少，以及其它有效态的增加 (图1)。而长期施用氮肥以及氮钾配施也保持了相同比例的植物易利用的Resin-P和NaHCO3-Pi，可能与无机难溶性磷向可利用磷的转化，并且加剧了有效有机磷的进一步降低(图1) 有关。土壤磷素转化一方面受土壤pH的影响，另一方面植物介导的根际酸化过程能够增加磷酸钙的溶解度而活化磷。还有在缺磷环境下，外生菌根真菌的大量生长也可通过释放低分子量有机酸，特别是草酸和柠檬酸，增加磷酸钙的溶解，增加磷的有效性[43]。

长期施用化学磷肥和有机肥主要增加了土壤中可利用态无机磷的比例，降低了难利用态磷和有机磷的比例 (表3)。与Lehmann等[41]和Gale等[42]的研究结果一致。Wang等[44]在黑垆土上和贾莉洁等[45]在土上施磷肥 (蒋柏藩−顾益初法) 得到的研究结果与本研究相似。化学氮肥和磷肥长期投入导致土壤pH值降低[46–47]，难溶性钙磷在pH值下降时溶解。有机肥分解过程中产生的小分子有机酸也可以溶解磷酸钙，还能抑制大分子磷酸钙的形成[48]。这些因素均有利于土壤保持较高比例的有效磷库。

3.5 土壤磷组分变化对小麦磷吸收量的贡献

本试验结果显示土壤中Resin-P、NaHCO3-Pi和C. HCl-Pi与小麦磷吸收之间呈显著正相关关系，其单位组分增加对小麦磷吸收的贡献大小为C.HCl-Pi ＞NaHCO3-Pi ＞ Resin-P (图2)。表明在目前试验条件下，除了Resin-P和NaHCO3-Pi可溶性磷之外，C.HCl-Pi也是小麦利用的重要磷源。不过C.HCl-Pi含量随土壤磷盈余量增加不显著 (P ＞ 0.05)，而Resin-P和NaHCO3-Pi含量随磷盈余量增加显著升高 (图3)。因此，Resin-P和NaHCO3-Pi可溶性磷对小麦磷吸收贡献在未来可能更大。Boschetti等[49]研究同样认为Resin-P和NaHCO3-Pi与苜蓿磷吸收呈显著的正相关。Zhang等[5]在水稻土上的研究也表明，以上三种无机磷形态与水稻磷吸收均呈正相关关系。Tiessen和Moir[13]认为D.HCl-Pi和C.HCl-Pi是钙结合态磷，植物有效性低。但是，植物能够通过调节自身根系形态和生理特征，通过微生物作用活化难溶性无机磷和有机磷，促进磷的吸收[43]。冯固等[50]在灰漠土上用蒋柏藩−顾益初法研究表明，磷酸八钙对植株磷营养有直接的贡献。磷酸八钙在强酸性条件下提取，在土上约占全磷的8%～24%[45]，笔者认为磷酸八钙属于Tiessen-Moir法盐酸提取磷的一部分。因而，C. HCl-Pi与小麦磷吸收的正相关性可能与磷酸八钙对作物磷吸收的直接贡献有关。但是本试验中，有机磷组分并没有直接表现出与小麦磷吸收量的相关性，可能与作物直接吸收利用的主要是无机磷有关。也可能是由于本研究条件有助于有机磷的矿化分解有关。

4 结论

旱作条件下平衡施用氮磷显著提高小麦产量。长期施用磷肥增加土壤磷素盈余，并主要提高了耕层Resin-P、NaHCO3-Pi以及D.HCl-Pi无机磷组分的含量。与试验开始前相比，20年长期施用化学磷肥和有机肥主要增加了土壤中可利用态无机磷的比例，降低了有机磷和难利用态无机磷的比例。土壤磷组分中Resin-P、NaHCO3-Pi和C.HCl-Pi对小麦磷吸收起主要的贡献。总体而言，施用氮磷 (NP、NPK和MNPK) 不仅有利于作物增产，而且有利于保持高比例的土壤有效磷库。但是考虑到有机无机肥配施导致大量磷素盈余，不仅有淋失风险，而且降低磷效率。因此，在土壤有效磷水平合适的情况下应该调整磷肥施用量。