磷肥投入对赤砂土磷形态累积及有效性的影响

颜晓军 叶德练 郑朝元 张思文 蔡远扬 许炜东 吴良泉

摘要：【目的】探究磷肥投入對赤砂土各磷形态累积特征的影响，明确磷肥在土壤中的转化规律及各磷形态的生物有效性，为赤砂土土壤磷素科学管理、磷肥的合理运筹提供理论依据。【方法】采用Hedley磷分级方法，探究磷肥（P2O5）季投入0、37.5、75.0、150.0和300.0 kg/ha（对应年投入分别为0、75.0、150.0、300.0和600.0 kg/ha）对土壤各磷形态含量的影响，并采用线性加平台模型对各磷形态生物有效性进行分析。【结果】随着磷肥投入的增加，与初始土壤相比，速效磷含量变化量依次为-2.71、4.95、17.81、20.72和24.96 mg/kg，有机磷占比由44.60%下降至19.24%，无机磷占比由55.40%上升至80.76%，C∶Po由483.79下降至171.20;土壤每累积100 kg/ha磷素（P），Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi和HCl-Po含量分别增加8.9、10.1、11.6、3.9、19.1和0.2 mg/kg;甜玉米相对高产土壤速效磷临界值为10.14 mg/kg，Resin-P、NaHCO3-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi、NaHCO3-Po与甜玉米相对产量的相关系数分别为0.80、0.79、0.78、0.73和0.80，均达极显著正相关（P<0.01）。【结论】磷素累积对赤砂土无机磷影响明显，但对有机磷影响较小，累积在土壤中的磷素大量向稳定态的转化，有效性较低，而活性磷库生物有效性较高，稳定性磷库也有一定生物有效性。

关键词： 赤砂土;磷平衡;磷分级;生物有效性

中图分类号： S146                                  文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2019）09-1945-08

Abstract：【Objective】The effects of phosphate fertilizer input on the accumulation of various phosphorus forms in upland red sandy soil were studied and conversion of phosphate fertilizer in the soil and bioavailability of various forms of phosphorus were investigated to provide evidence for the scientific management of soil phosphate and optimum utilization of phosphate fertilizer. 【Method】According to Hedley phosphate grading method， effects of different phosphate fertilizers（P2O5） season supplies 0， 37.5， 75.0， 150.0 and 300.0 kg/ha（the corresponding annual supplies were 0， 75.0， 150.0， 300.0， 600.0 kg/ha，respectively） on contents of various forms of phosphorus were researched， and bioavailability of phosphorous in various forms was analyzed by linear-plateau models. 【Result】With the growth levels of phosphate fertilizer input， rapidly available phosphorus（Bray I-P） changed -2.71， 4.95， 17.81， 20.72 and 24.96 mg/kg， respectively compared to the initial soil. The proportion of organic phosphorus（Po） decreased from 44.60% to 19.24% and inorganic phosphorus（Pi） increased from 55.40% to 80.76%. The C∶Po ratio decreased from 483.79 to 171.20. Per 100 kg/ha phosphate accumulate in the soil， the levels of Resin-P， NaHCO3-Pi， 0.1M NaOH-Pi， 1M HCl-P， HCl-Pi， and HCl-Po increased by 8.9， 10.1， 11.6， 3.9， 19.1 and 0.2 mg/kg， respectively. The critical value of Bray I-P of sweet corn in relative hint fertility soil was 10.14 mg/kg. The correlation coefficients of Resin-P， NaHCO3-Pi， 1M HCl-P， HCl-Pi， NaHCO3-Po and maize relative yield respectively were 0.80， 0.79， 0.78， 0.73 and 0.80， and all reached extremely correlation（P<0.01）. 【Conclusion】 The accumulated phosphorus in soil converts into stable state of phosphorus. The available form of phosphorus have high bioavailability and stable states phosphorus have sightly bioavailability.

Key words： red sandy soil; phosphorus balance; phosphorus classification; bioavailability

0 引言

【研究意义】我国酸性土壤的分布面积广泛，强烈的脱硅富铝化作用导致土壤中的磷极易被铁铝氧化物吸附（张俊平等，2008），因此磷在酸性土壤中移动性很小、有效性较低（张林等，2009）。酸性赤红壤中的赤砂土是福建省面积最大的旱作土壤，但对于其土壤磷库构成随磷素累积的变化特征尚不清楚。土壤磷分级的目的是用于评价累积在土壤中的有效磷库大小和各磷形态的供应状况，采用磷分级方法评估赤砂土土属磷肥投入对磷库构成的影响，有利于指导磷肥合理施用和实现磷肥可持续性管理。【前人研究进展】Hedley等（1982）提出的磷分级方法弥补了以往磷分级方法对无机磷和有机磷无法兼顾的不足，而Tiessen和Moir（1993）对该方法的进一步修正是目前公认的较合理且应用广泛的磷分级方法，为评估磷库大小及各磷形态的生物有效性提供了科学依据（Negassa and Leinweber，2010）。已有研究表明，土壤类型及经营方式的差异对土壤中各磷形态的含量均有显著影响（Pizzeghello et al.，2014;Wang and Liang，2014）。在不同土壤类型中，水稻土中磷形态以NaOH-Pi累积最高，其次为H2SO4-P（Yan et al.，2017）;潮土中磷形态主要以NaOH-Pi累积为主（Maharjan et al.，2018）;在强风化半干润氧化土（草地、农田）和腐殖质始成土（果园）中，磷形态主要以H2SO4-P累积为主（Schmitt et al.，2017）。在不同经营方式上，亚马逊原始森林转化为农业用地导致土壤中Resin-P含量降低（McGrath et al.，2001）;林地转化为茶园导致土壤总磷、有机磷含量均有所下降（Solomon et al.，2002）;在大豆种植中，磷肥投入在表层土中大量累积，主要转化为NaOH-Pi和NaHCO3-Pi（Pavinato et al.，2009）;相较于农林混合种植而言，集约化橡胶和油棕种植土壤活性磷库（Resin-P和NaHCO3-Pi）含量显著上升（Maranguit et al.，2017）。【本研究切入点】由于土壤类型、经营方式等条件的差异，导致土壤磷素累积对各磷形态含量的影响均不相同。为追求作物高产，生产过程中磷肥施用过量现象非常普遍，但目前关于集约化经营管理下赤砂土土属磷形态累积特征尚不清楚。【拟解决的关键问题】通过磷肥水平定位试验，探究磷肥用量对赤砂土各磷形态累积特征的影响，明确磷肥在土壤中的转化及各磷形态的生物有效性，为赤砂土土壤磷素科学管理及磷肥的合理运筹提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验地基本情况

试验地位于漳州市诏安县桥东镇内凤村正禾农场内（东经117°13′12″、北纬23°43′12″），属南亚热带季风气候，全年平均气温21.3 ℃，全年平均降雨量1447 mm，受季风影响年季間降雨量差异明显，主要集中在6—8月，无霜期360 d。土壤类型为赤砂土土属，土壤基本理化性状如表1所示。

1. 2 试验方法

供试作物为先甜5号甜玉米，一年两季种植，秋玉米种植时间为2017年9月14日，收获时间为2017年12月13日;春玉米种植时间为2018年3月28日，收获时间为2018年6月13日。

试验为随机区组设计，设5个磷肥（P2O5）水平，每季磷肥投入分别为0、37.5、75.0、150.0和300.0 kg/ha，以P0、P37.5、P75.0、P150.0和P300.0表示，对应年磷肥投入量分别为0、75.0、150.0、300.0和600.0 kg/ha，每水平3个重复，随机排列，共15个小区，小区面积67.2 m2。氮肥（N）和钾肥（K2O）用量一致，氮肥用量为200 kg/ha，基肥、拔节肥、穗肥比为3∶4∶3;钾肥用量为120 kg/ha，基肥、拔节肥比为5∶5。

1. 3 土壤样品采集与测定

土壤样品采集时间为春玉米收获后，每小区采集0～20 cm土样，按S形设置5个采样点均匀混合成一个土样，四分法分取约500 g土壤。测定土壤有机碳、速效磷及各磷形态。

有机碳含量采用碳氮分析仪测定（Maranguit et al.，2017）;速效磷含量采用盐酸—氟化铵法浸提—钼蓝比色法测定（鲁如坤，1999）;土壤各磷形态含量釆用修正的Hedley磷分级方法测定，称取0.5 g土样于50 mL离心管中，分别加入树脂条测定Resin-P含量，0.5 mol/L NaHCO3、0.1 mol/L NaOH、1.0 mol/L HCl和HCl各30 mL浸提液，连续浸提振荡16 h，取下离心10 min测定各形态磷含量。0.5 mol/L NaHCO3、0.1 mol/L NaOH、HCl上述3种提取物中的磷包括有机磷和无机磷两种形态，用钼兰比色法测定溶液中的无机磷含量，经过硫酸铵—硫酸消化后用比色法测定溶液中的总磷，二者之差即为有机磷含量。残渣经高温消解测定H2SO4-P含量（Tiessen and Moir，1993）。

1. 4 统计分析

土壤磷素收支表观平衡（kg/ha）=肥料磷投入-作物磷带走

表观平衡率（%）=（肥料磷投入-作物磷带走）/作物磷带走×100

采用Excel 2010进行数据处理，用SPSS 23.0进行数据统计和方差分析，采用Duncan’s新复极差法进行不同处理间的多重比较;利用Excel 2010和SigmaPlot 12.5制图。

2 结果与分析

2. 1 不同磷肥用量对土壤磷素收支表观平衡的影响

从不同磷肥用量下土壤磷素收支表观平衡状况（表2）可看出，P0和P37.5处理的土壤磷素收支表观平衡均亏缺，年亏缺量分别为73.70和23.90 kg/ha;P75.0、P150.0和P300.0处理的土壤磷素收支表观平衡较盈余，年盈余量为34.70～483.80 kg/ha，分别占磷肥投入的23.13%、59.20%和80.63%。

2. 2 不同磷肥用量对土壤速效磷、全磷、无机磷、有机磷及C∶Po的影响

从表3可知，磷肥（P2O5）年投入量0～600 kg/ha，土壤速效磷含量P0处理较初始土壤（7.10 mg/kg）下降2.71 mg/kg，P37.5、P75.0、P150.0和P300.0处理分别较初始土壤上升4.95、17.81、20.72和24.96 mg/kg;土壤全磷含量P0和P37.5处理分别较初始土壤（43.51 mg/kg）下降16.67和4.76 mg/kg，P75.0、P150.0和P300.0处理分别较初始土壤上升34.20、81.11和134.74 mg/kg;土壤无机磷含量P0和P37.5处理分别较初始土壤（36.49 mg/kg）下降21.62和12.23 mg/kg，P75.0、P150.0和P300.0处理分别较初始土壤上升14.72、55.75和107.47 mg/kg;施磷和不施磷处理土壤的有机磷含量较初始土壤（7.02 mg/kg）均有所上升，P0、P37.5、P75.0、P150.0和P300.0处理分别上升4.95、7.46、19.48、25.36和27.27 mg/kg;不同处理下土壤无机磷含量均高于有机磷含量，随着土壤磷素盈余的增加，有机磷占比由44.60%下降至19.24%，无机磷占比则由55.40%上升至80.76%。

C∶Po是土壤中碳含量与有机磷之比，是评价土壤养分状况的指标之一。当C∶Po<100，表明速效磷含量丰富;C∶Po介于100～200，表明速效磷含量处于中等状况;当C∶Po>200，表明速效磷缺乏（Dieter et al.，2010）。由表3可知，各处理的C∶Po含量介于171.20～483.79，随着磷肥投入的增加，C∶Po逐渐下降，其中P0处理显著高于除P37.5外的其他处理（P<0.05，下同）;此外，C∶Po在P150.0处理之后保持相对稳定，P150.0处理与P300.0处理间无显著差异（P>0.05，下同）。

2. 3 不同磷肥用量对各磷形态的影响

由表4可看出，土壤中各磷形态的含量随施磷量的增加整体上呈增加趋势，P300.0处理各磷形态含量显著高于P0处理，其中以HCl-Pi、0.1M NaOH-Pi、NaHCO3-Pi和Resin-P增加最明显，P300.0处理较P0处理分别增加42.71、27.43、26.34和22.48 mg/kg;而H2SO4-P和HCl-Po两种磷形态的含量增加较少，P300.0处理较P0处理仅增加0.25和0.64 mg/kg。对土壤磷库表观平衡与各磷形态变化进行相关性分析，结果（表5）表明，土壤磷素表观平衡与Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi和HCl-Po等6种磷形态增量呈极显著正相关（P<0.01），土壤每累积100 kg/ha磷素（P），Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi和HCl-Po含量分别增加8.9、10.1、11.6、3.9、19.1和0.2 mg/kg[土壤磷平衡与各磷形态变化的直线回归方程中的斜率“a”代表土壤磷盈余每变化一个单位（kg/ha）相应土壤磷形态变化量（mg/kg）]，不同磷形态的积累率表现为HCl-Pi>0.1M NaOH-Pi>NaHCO3-Pi>Resin-P>1M HCl-P>HCl-Po。

由图1可看出，不同处理各磷形态在土壤全磷中的占比存在明显差异，在P0和P37.5处理下，0.1M NaOH-Pi和0.1M NaOH-Po的相对含量较高，HCl-Pi的相对含量较低;P0处理中Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi、H2SO4-P、NaHCO3-Po、0.1M NaOH-Po和HCl-Po占全磷的百分比分別为7.60%、5.33%、29.78%、2.95%、4.29%、5.44%、14.35%、26.05%和4.21%。随着磷肥用量的增加，HCl-Pi的相对含量明显提高，P300.0处理中Resin-P、NaHCO3-Pi、0.1M NaOH-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi、H2SO4-P、NaHCO3-Po、0.1M NaOH-Po、HCl-Po占全磷的百分比分别为13.76%、15.58%、19.87%、6.00%、24.60%、0.96%、7.46%、10.78%和0.99%。

2. 4 土壤各磷形态生物有效性分析结果

通过对速效磷含量与甜玉米相对产量进行线性加平台分析（图2）可知，两者相关系数达0.82，在甜玉米收获后磷含量为10.14 mg/kg的条件下，即可达到最高产量的86.94%，可以此确定土壤速效磷的培肥目标。采用线性加平台模型分析甜玉米收获期土壤各磷形态与相对产量的关系，结果（图2）表明，Resin-P、NaHCO3-Pi、1M HCl-P、HCl-Pi和NaHCO3-Po与甜玉米相对产量表现为极显著相关，决定系数分别为0.80、0.79、0.78、0.73和0.80，而0.1M NaOH-Pi、H2SO4-P、0.1M NaOH-Po和HCl-Po与甜玉米相对产量无显著相关。

3 讨论

农业生产中，磷肥过量施用导致土壤磷素大量累积，土壤速效磷含量显著上升（廖文华等，2017;杜艳玲等，2018;王海龙等，2018）。与前人研究结果一致，本研究结果也表明，土壤速效磷含量随着磷肥投入显著上升，在P300.0处理下速效磷含量达最高。曹宁（2006）在湖南红壤上的研究结果表明，每100 kg/ha纯磷累积会导致土壤速效磷上升2.75 mg/kg，而本研究中P300.0处理结果显示每100 kg/ha纯磷累积会导致土壤速效磷上升11.81 mg/kg，其原因可能是不同土壤类型导致的速效磷库构建速率不同，赤砂土土层深厚，土质较轻，对磷的固定能力相对较弱，导致速效磷库上升速率较快。此外，本研究中土壤磷素表观平衡为亏缺下，P0处理土壤速效磷相比于初始土壤下降2.71 mg/kg，可能是由于缺少磷肥投入、而作物又带走土壤磷素所致;P37.5处理土壤速效磷相比于初始土壤上升4.95 mg/kg，可能是由于在此处理下植物根系分泌羧化物（Shen et al.，2003;Lambers et al.，2006）、磷酸酶（Richardson et al.，2000）以及与土壤发生相应的生化作用活化土壤中磷库，结合磷肥投入，因此导致土壤速效磷含量上升。全磷、无机磷和有机磷也随着土壤磷素的累积显著上升，相对于初始土壤而言，全磷、无机磷含量在P0和P37.5处理下均有所下降，与前人研究（王艳玲等;2004;林德喜等，2006）结果一致;而有机磷含量在各处理中均有所上升，可能与根系分解、植物主要吸收活性无机磷等因素有关（Li et al.，2015）。相对于有机磷而言，无机磷上升更明显，其中P300.0处理较P0处理无机磷含量上升高达868%，究其原因可能是短期内高浓度的无机肥料与可溶性的磷酸盐反应形成沉淀（王涛等，2010），无机磷大量形成，而有机磷增速较慢，因此随着磷肥投入增加无机磷含量上升速度远大于有机磷，且占全磷比例显著上升。不同处理下土壤磷状况差异明显，P0、P37.5和P75.0处理速效磷含量较低，C∶Po>200;而P150.0和P300.0处理速效磷含量较高，C∶Po<200。因此在低磷土壤中，磷肥投入除需满足作物需求外，还需培肥土壤，使土壤磷状况保持在合理范围内。

本研究结果表明，单施无机磷肥会使土壤磷素盈余上升，随着土壤磷库盈余的增加，各磷形态含量均逐渐积累，积累最快的为HCl-Pi，土壤每累积100 kg/ha磷素（P），HCl-Pi含量上升19.1 mg/kg。HCl-Pi属于稳定态磷（Diaz et al.，2006），作为潜在磷源不易被作物吸收，但在低磷条件下可作为缓冲磷库（胡佩等，2003;Maranguit et al.，2017）。因此，随着HCl-Pi含量大幅上升，单位磷素累积量的有效性呈下降趋势，与前人的研究结果（杜艳玲等，2018）一致。但也有研究结果表明，单施无机磷肥土壤磷形态主要以H2SO4-P积累为主（梁国庆等，2001），而本研究中H2SO4-P变化并不显著，可能与种植年限较短有关（吕家珑等，1995）。0.1M NaOH-Pi的积累次之，土壤每累积100 kg/ha磷素（P），0.1M NaOH-Pi含量上升11.6 mg/kg。0.1M NaOH-Pi属于中等稳定态磷，是吸附于铁铝氧化物表面的磷素，经磷酸酶的作用可作为活性磷库的补充（谢英荷等，2010）。本研究是在pH偏低的条件下进行，土壤铁铝氧化物含量相对较高，易形成0.1M NaOH-Pi，其含量占土壤全磷含量的比例很高，也是全磷的主要组成部分之一，与前人在红壤上的研究结果（张教林和陈爱国，1999）一致。Resin-P、NaHCO3-Pi、1M HCl-P和HCl-Po的积累较慢，变化量与土壤磷素盈亏量呈极显著正相关，说明磷素盈余除向HCl-Pi、0.1M NaOH-Pi转化外，对其他磷形态也产生相应影响。磷肥投入土壤中，稳定态磷HCl-Pi累积大于活性磷（Resin-P、NaHCO3-Pi）的累积，说明磷肥投入土壤中，固定较快，大量的磷肥盈余向无效态转化。

线性加平台模型可用来拟合各磷形态与作物相对产量的关系，当磷含量超过临界值时，磷含量的上升并不会导致作物相对产量的进一步上升（Bai et al.，2013）。酸性土壤上的速效磷一般用盐酸—氟化铵浸提态磷表示，作为判断土壤磷素丰缺的指标、科学施肥的依据。本研究中，土壤速效磷与甜玉米相对产量拟合效果较好（R2=0.82），两者呈极显著相关，速效磷含量10.14 mg/kg即可达甜玉米鲜穗的最优产量。当土壤速效磷含量高于临界值后，速效磷含量的上升并不会引起甜玉米相对产量显著增加，与之前报道的适宜范围（7～20 mg/kg）相近（鲍士旦，1999）。已有研究多通过各磷形态与速效磷的相关性来判断其有效性，杨芳等（2006）在红壤旱地的研究结果表明，NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和存在于土壤团聚体内表面的有机磷的有效性最高;詹书侠等（2009）认为在较长的时间内NaHCO3-P较稳定，而NaOH-P是最重要的速效磷来源之一;谢英荷等（2010）认为在酸性土壤上Resin-P和NaCHO3-Po为作物可吸收的有效磷源。土壤各磷素形态对速效磷贡献的大小和方式受土壤性质、母质、湿度、酸碱度、微生物活性及铁铝氧化物含量等一系列生物和非生物因素影响，不同研究结果中存在较多矛盾。本研究通过各磷形态含量与甜玉米相对产量直接建立的相關性表明，Resin-P、NaHCO3-Po和NaHCO3-Pi的生物有效性均较高。Resin-P和NaHCO3-Pi作为活性磷库，可直接被作物所吸收;由于土壤微生物和作物根系分泌物的作用，无机磷与有机磷间可相互转化，而NaHCO3-Po作为极易被矿化的磷形态，也有研究者认为可把此形态磷划分为活性磷库（Johnson et al.，2003）。此外，1M HCl-P和HCl-Pi作为稳定性磷库也有一定的生物有效性，但其原因尚不清楚。因此，各磷形态对土壤速效磷影响的研究还有待进一步加强，特别是不同磷形态与土壤有效性的转化机理。

4 结论

磷素累积对赤砂土无机磷影响明显，但对有机磷影响较小，累积在土壤中的磷素大量向稳定态的HCl-Pi和0.1M NaOH-Pi转化，有效性较低，因此合理的磷肥供应能减少磷肥无效化。线性加平台拟合结果表明，甜玉米相对高产土壤速效磷的临界值为10.14 mg/kg，通过磷形态与作物相对产量拟合结果表明活性磷库（Resin-P、NaHCO3-Po、NaHCO3-Pi）生物有效性较高，稳定性磷库（1M HCl-P、HCl-Pi）也有一定的生物有效性。

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（責任编辑 王 晖）