不同施肥管理下水旱轮作水稻土磷含量的演变

吴春艳，刘晓霞，陈 义，李 艳，唐 旭，陆若辉，*

(1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.浙江省耕地质量与肥料管理总站，浙江 杭州 310020)

磷是作物生长发育所必需的大量营养元素之一[1-2]，它既是植株体内许多重要有机化合物的组成部分，同时又以多种形式参与植株体内各种代谢过程，对提高作物产量十分重要。植物所利用的磷素，主要来源于土壤[3]，而多数农田中，土壤的自然供磷能力常常不能满足植物生长发育及高产对磷的需求。土壤磷素水平对培肥地力、提高作物产量、维护生态环境至关重要[4-6]，磷素缺乏会造成作物减产，但过量累积则会增加生态环境污染的风险[7-9]。前人研究表明，长期施用磷肥可以提高土壤速效磷含量，增加土壤磷素累积量[10-11]。研究显示，土壤有效磷的变化量与磷盈亏量呈显著的线性正相关关系[12-13]。袁天佑等[6]认为，土壤磷盈亏值与土壤有效磷含量及其增量直线相关，常规施肥下，每盈余100 kg·hm-2磷平均可使土壤有效磷提高约1.2 mg·kg-1；鲁如坤等[14]在浙江、江西红壤性水稻土和河南潮土上连续开展14 a的定位试验表明，土壤磷盈余16 kg·hm-2可使土壤有效磷增加1 mg·kg-1；Aulakh等[15]研究发现，在砂壤中施入磷肥，磷每剩余100 kg·hm-2，土壤有效磷含量提高2 mg kg-1；Selles等[16]在小麦轮作制下发现，磷每盈余100 kg·hm-2，土壤有效磷提高0.15 kg·hm-2；由此可以推测，不同类型土壤有效磷对磷盈亏的响应存在明显差异。本研究以2005—2016年的浙江潴育水稻土肥料定位试验为依托，分析长期施肥下土壤磷素的表观平衡、年际变化特征，以及土壤有效磷含量与磷素盈亏的关系，旨在为磷素资源的持续利用和稻田磷肥的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

长期水稻土肥料定位试验开始于1990年，本研究对其中2005—2016年的数据进行分析。试验地位于浙江省海宁市许村镇杨渡村浙江省农业科学院试验场内。该试验场地处杭州湾钱塘江西北岸，地理坐标为120°24′23″E、30°26′07″N，年均气温15～18 ℃，历史记录最高气温40.2 ℃，最低气温-7.9 ℃，年≥10 ℃积温4 800～5 200 ℃，年降水量1 500～1 600 mm，年蒸发量1 000～1 100 mm，年无霜期240～250 d，年日照时数1 900～2 000 h，年太阳辐射100～115 J·cm-2。

1.2 试验设计

试验设8个处理：CK，不施肥；N，单施化学氮肥；NP，施用化学氮、磷肥；NK，施用化学氮、钾肥；NPK，施用化学氮、磷、钾肥；M，单独施用有机肥(有机肥源为猪粪)；NPKM，配合施用化学氮、磷、钾肥和有机肥(有机肥源为猪粪)；NPKM’，配合施用高量(化学氮、磷、钾用量是NPK处理的1.3倍，有机肥用量同M处理)。

试验采取随机区组设计，小区面积300 m2，各小区之间用水泥埂隔开。以年施用纯N 375 kg ·hm-2、m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1.0∶0.5∶0.5的比例为基准，向N、NP、NK、NPK、MNPK等5个处理配置化学肥料投入，有机肥(P2O5质量分数0.6%)投入量统一为22.5 t·hm-2。2005—2011年采用大麦-水稻一年两熟轮作制，水稻季和大麦季的化学肥料施用量分别占全年的68%和32%，有机肥一年两季平均施用；2012秋季起更改为油菜-水稻一年两熟轮作制，水稻季和油菜季的化学肥料施用量分别占全年的64%和36%，有机肥仍一年两季平均施用。每季有机肥和磷钾肥在作物播种前作基肥一次性施用，氮肥分3次施入，其中油菜季和大麦季的氮肥基追比为7.0∶1.5∶1.5，水稻季氮肥基追比为6∶4∶4。

各小区单独测产。作物收获前分区取样，考种，测定经济性状。水稻收获后，于每年的11月按“之”字形采集0～20 cm土壤，每小区每层取7～10个点混合成一个样，室内风干，磨细过筛，装瓶保存备用。

田间管理按当地常规栽培措施进行。大麦于每年11月中下旬播种，次年5月上中旬收获，品种为浙88-18号、浙B8号和浙B10号；水稻于每年6月中旬直播，11月上中旬收获，品种为秀水110号、明珠2号和浙粳22号；油菜于每年11月中下旬插秧，次年5月中下旬收获，品种为浙油18、朱11201和浙油50。

1.3 试验土壤

供试土壤属水稻土类，渗育型水稻土亚类，黄松田土种，母质为湖海相过渡浅海沉积物，地形属冲积海积平原。各处理耕层(0～20 cm)土壤的基本理化性状详见表1。

1.4 取样及样品分析

小区实收测产。籽粒样品风干、脱粒，65 ℃烘至恒重，然后称量。分析测定方法见文献[17-18]。土壤全磷用碱熔-钼锑抗比色法，速效磷用Olsen法测定。植株样品用H2SO4-H2O2消化，钼锑抗比色法测定磷含量。

1.5 数据处理

使用Excel 2016软件对所有数据进行整理和做图，采用SPSS 19.0统计软件对数据进行方差分析。

表1 各处理耕层土壤的基本理化性状

Table 1 Initial physiochemical properties in topsoil of all treatments

处理TreatmentpH有机质Organic matter/(g·kg-1)全氮Total N/(g·kg-1)全磷Total P/(g·kg-1)有效磷Available P(mg·kg-1)全钾Total K/(g·kg-1)CK7.4519.41.310.9626.2220.8N7.3619.71.311.0638.4119.9NP7.3022.31.610.8729.9220.4NK7.2919.91.531.2237.1820.4NPK7.4520.61.320.9535.8220.3NPKM7.3025.21.931.3642.2819.8NPKM’7.3023.61.771.1836.8319.8M7.4919.41.481.0130.1819.9

土壤磷活化系数(phosphorus activation coefficient， PAC)按照文献[19]中的方法进行测算，当季土壤表观磷盈亏和土壤累积磷盈亏按照文献[20-21]中的方法进行测算。

2 结果与分析

2.1 土壤总磷及有效磷的变化趋势

如图1所示，由于作物吸收等原因，不施肥处理(CK)土壤全磷含量呈现缓慢波动下降趋势，不施磷肥的N、NK处理的土壤全磷含量同样呈下降趋势，且下降幅度均高于CK。其原因主要是，N和NK处理的作物吸磷量高于CK。供应磷素的各处理(NP、NPK、M、NPKM和NPKM’)，土壤全磷含量则随时间推移均呈现缓慢上升趋势，与其他研究中磷肥施用可增加耕地土壤含磷量的结果一致[22-23]。

图1 长期不同施肥管理下土壤总磷变化趋势Fig.1 Long term trend of soil total P under different fertilization modes

农田土壤的有效磷含量可在一定程度上反映农田土壤磷素流失潜能。不同施肥管理下，土壤有效磷含量的长期变化趋势与土壤全磷一致(图2)：不施磷肥的处理下由于作物籽粒和秸秆携出大量磷素，导致土壤中的有效磷含量呈现下降趋势，其中，N、NK处理的土壤有效磷含量下降趋势均大于CK；供应磷素的各处理，土壤有效磷含量均呈上升趋势，其中以NPKM’和NPKM处理的上升幅度最大，年均有机磷含量增幅超过3.0 mg·kg-1。施用有机肥的处理，土壤有效磷含量上升较快，其原因是：一方面有机肥自身亦含有一定量的有机磷，增加了磷的投入；另一方面，有机肥的施用增加了土壤有机质含量，从而活化了土壤吸附的磷，使其转为有效态磷释放到土壤中[24]。

PAC可以表征土壤磷的有效性，其值越大，则土壤磷的有效性越高[25]。如图3所示，长期施肥下，CK处理的土壤PAC呈逐年下降趋势，但至试验期末，其PAC值仍大于2。有研究表明，当PAC<2%时，土壤全磷转化率较低，速效磷容量和供给强度弱[25-26]。这也就是说，虽然试验期内CK处理的PAC呈下降趋势，但试验期内土壤中的全磷转化率仍保持在较高水平，土壤暂不缺磷。N和NK处理的土壤PAC下降趋势均高于CK，说明这2个处理的磷素耗损严重。供应磷素的各处理土壤PAC均随时间推进呈上升趋势，且年均PAC超过3.5%。有机肥的添加能有效增加土壤PAC，M、MNPK、MNPK’处理试验期末的土壤PAC较试验初期增加了20%以上；施用化肥的各处理土壤PAC虽然也有所增加，但增幅均未超过15%，说明有机肥添加能有效地改善土壤性状，增加土壤磷供给强度。

图2 长期不同施肥管理下土壤有效磷变化趋势Fig.2 Long term trend of soil Olsen-P under different fertilization modes

2.2 土壤磷素盈亏的变化趋势

如图4所示，因为CK、N、NK处理作物吸收的磷素主要来源于土壤本身，所以土壤磷一直处于亏缺状态，其中以NK处理的土壤磷年均亏缺量最多(67.6 kg·hm-2)、N处理其次，年均亏缺量63.6 kg·hm-2，CK处理的土壤磷素年均亏缺量为43.2 kg·hm-2。供应磷素的各处理土壤磷素表现为盈余，其中以施用有机肥的各处理土壤磷素盈余最明显，M、NPKM和NPKM’处理的土壤磷素年均盈余分别达到95.4、137.4、160.7 kg·hm-2。此外，从图4还可以看出，土壤磷素盈亏在2012年有一个较大的波折：NP和NPK处理的土壤磷素出现亏缺，年均磷亏缺分别为30.1、47.3 kg·hm-2；施用有机肥的各处理土壤磷素虽然一直呈盈余状态，但自2012年起年均盈余量亦明显降低。分析其原因，主要是该年种植制度由水稻-大麦轮作改为水稻-油菜轮作，油菜的需磷量远高于大麦[27-28]，导致当年土壤磷素盈余明显降低。2016年，油菜受倒春寒冻害影响，产量降低，使得该年各处理的土壤磷素盈余有所抬升。

图3 长期不同施肥管理下土壤PAC变化趋势Fig.3 Long term trend of soil PAC under different fertilization modes

当施用的磷量超过作物吸磷量时，剩余的磷将留在土壤中，引起土壤中Olsen-P含量的升高。由图5可知，CK、N、NK处理的土壤磷累积一直处于亏缺状态，且随着时间推移，其亏缺量增加。2005—2011年，NP、NPK处理的土壤磷累积一直处于盈余状态，但自2012年起，随着种植品种的更改，土壤磷累积由盈余状态向亏缺状态转化，至2016年，土壤累积磷素输出与输入大抵持平。M、NPKM和NPKM’处理的土壤磷累积在试验期间一直处于盈余状态，其中以NPKM和NPKM’处理的土壤磷累积盈余最明显。

2.3 土壤Olsen-P对土壤累积磷素盈亏的响应

如图6所示，CK、N、NK处理的土壤Olsen-P含量与土壤累积磷素盈亏的相关性达到极显著水平(P<0.01)。经测算，CK、N和NK处理的土壤每累积亏缺磷100 kg·hm-2，Olsen-P含量分别下降1.50、2.76、2.31 mg·kg-1。NP和NPK处理的土壤Olsen-P含量与土壤累积磷素盈余无显著相关性。M、NPKM、NPKM’处理的土壤Olsen-P含量与土壤累积磷素盈亏的相关性达极显著水平(P<0.01)。经测算，M、NPKM、NPKM’处理的土壤每累积磷100 kg·hm-2，土壤Olsen-P含量分别上升2.05、0.85、2.42 mg·kg-1。

分析试验期间(2005—2016年)所有处理的土壤Olsen-含量与土壤累积磷素盈亏的关系，从图7可以看出，二者呈极显著(P<0.01)正相关关系，土壤每盈余磷100 kg·hm-2，土壤Olsen-P含量上升1.75 mg·kg-1。

图4 长期不同施肥管理下土壤磷素盈亏变化趋势Fig.4 Long term trend of soil P balance under different fertilization modes

图5 长期不同施肥管理下土壤累积磷素盈亏变化趋势Fig.5 Long term trend of soil accumulated P balance under different fertilization modes

2.4 磷投入与土壤磷素盈亏的关系

有研究表明，当磷素投入量与消耗量达到平衡时，就能保证土壤有效磷含量处于一个相对稳定的水平，且能满足作物正常生长需求[29]。从图8可见，大麦季、油菜季和单季稻季的土壤Olsen-P年均累积量均随磷投入量的增加而增加，且各作物当季磷投入量与土壤Olsen-P年均累积量呈线性相关。大麦季时，维持土壤Olsen-P平衡所需的磷(P2O5)投入量为13.5 kg·hm-2；单季稻时，维持磷平衡所需的磷(P2O5)投入量为42.4 kg·hm-2；油菜季时，维持磷平衡所需的磷(P2O5)投入量为31.6 kg·hm-2。

3 讨论

本研究表明，不施肥处理(CK)的土壤全磷及有效磷含量均随时间推进而呈下降趋势，说明在长期不施肥的条件下，作物从土壤中带走的磷素远多于通过种苗、灌溉、干湿沉降及作物根茬残留物等途径对磷素进行的补充，土壤磷表现出亏缺状态。施用含磷化肥或有机肥均可有效地提高土壤磷含量，促进土壤磷素累积。在试验条件下，大麦季时，维持土壤磷平衡所需的磷(P2O5，下同)投入量为13.5 kg·hm-2；单季稻时，维持磷平衡所需的磷投入量为42.4 kg·hm-2；油菜季时，维持磷平衡所需的磷投入量为31.6 kg·hm-2。

图6 不同处理下土壤Olsen-P含量对土壤累积磷盈亏的响应Fig.6 Correlation between the accumulated P balance and soil Olsen-P under different fertilization modes

图7 土壤Olsen-P含量对土壤累积磷盈亏的响应Fig.7 Correlation between the accumulated P balance and soil Olsen-P

图8 长期不同施肥管理下磷投入与土壤Olsen-P年均累积量的关系Fig.8 Correlation between P input and soil annual Olsen-P accumulation under long term different fertilization modes

由于试验前期各试验区土壤有效磷含量普遍偏高(>20 mg·kg-1)，所以在试验期间，包括CK在内的各处理土壤有效磷含量在前期均可满足作物正常生长需要，均未出现明显的缺磷现象。2012年，本试验的种植制度改为水稻-油菜轮作，由于油菜对磷的需求量远高于大麦，导致土壤磷亏缺明显，对作物产量影响较大。

土壤磷库的变化是一个缓慢的过程，施用磷肥是提高作物产量的有效措施。每种作物或种植模式对磷的需求量均有临界值，当土壤磷素超过一定量时，会造成土壤磷素的过量积累，既浪费磷素资源，又增加生态环境污染的风险[30-31]。因此，应科学调控磷肥投入，以充分满足作物生长需求，同时又不致造成土壤有效磷的过量累积，降低土壤磷素的环境风险[32]。