长期不同供磷水平下南方黄泥田生产力及磷组分特征*

王 飞，李清华，林 诚，何春梅

(福建省农业科学院土壤肥料研究所 福州 350013)

磷是作物生长必需的营养元素之一。磷肥施入土壤后，经过一系列的化学、物理化学或生物化学过程，形成难溶性的磷酸盐并迅速为土壤矿物吸附固定或为微生物固持，其在当季作物的利用率仅为10%～25%[1]。同时，过量施磷会直接导致磷在土壤中的盈余，当土壤磷积累量超过一定值后，可通过径流和淋溶进入环境，土壤有效磷在50～70 mg·kg–1可能是面源磷通过渗漏污染水源的一个大致临界指标[2-3]。因此，研究作物磷肥适宜用量及磷在土壤中的形态转化，不仅是提高作物产量及磷肥利用率的重大需求，也是减缓农业面源污染的迫切需要。

为了保证粮食高产增产，我国磷肥用量由1980年的273万t增加至2015年的843万t，增加了3倍，在作物增产中发挥了重要作用[4]。湖北省18个县的多点田间试验表明，早、中、晚稻(Oryza sativa)施用磷肥都有显著的增产效果，增产率分别为13.3%、11.3%和9.4%[5]。冀宏杰等[6]研究表明，我国农田磷盈余程度仍在加剧，但不同区域间变异较大，部分农田磷亏缺，不同区域及不同作物间磷平衡呈现“两极化”发展趋势。我国红壤地区对外加入的磷肥具有较高的吸附固定能力。红壤的磷素固定量为58～1 279 mg·kg–1，被固定的磷可达l30～2 900 kg(P)·hm–2，土壤磷素有效性低，成为制约水稻高产稳产的重要因子[7-8]。土壤中的磷素分成无机磷和有机磷两部分。长期施磷条件下，红壤中有机磷的积累速度远低于无机磷[9]。福建山地红壤无机磷组成以闭蓄态磷(O-P)含量最高，其次为磷酸铁磷(Fe-P)；有机磷组成比例大小为中等活性有机磷＞中等稳定性有机磷＞高稳定性有机磷＞活性有机磷[10]。江西红壤性水稻土肥料定位试验表明，施磷主要促进水稻土中度稳定性有机磷和高度稳定性有机磷的增加[11]；湖南稻田研究则表明，施用磷肥可以使土壤中活性有机磷得到较大的增加，而对活性有机磷、中稳性有机磷和高稳性有机磷影响较小[12]。磷库组分是有效磷的重要来源，其不同组分与有效磷存在关联[12-13]。山原红壤旱地施磷研究表明，Fe-P、Al-P、中等活性有机磷和中稳性有机磷与有效磷密切相关[14]。上述说明，南方红壤区固定磷能力强，施肥影响磷素组分与有效性，且不同区域磷变异较大，因此需针对具体区域、土壤类型与作物提出适宜的磷素管理措施。

黄泥田为南方省份广泛分布的一种渗育型水稻土，主要分布在丘陵山地、坡地梯田等区域，通常以水分供应不足，酸性强，质地黏，磷、钾养分缺乏为主要特征，属中低产田类型[15]。但南方黄泥田水稻种植的磷肥适宜用量尚不清楚，长期施用不同用量磷肥土壤磷素组分变化及其生物有效性需要明确。为此，本研究基于福建黄泥田连续30年的不同供磷水平试验，研究磷肥不同用量下稻田生产力演变、磷素平衡及土壤磷库组成变化，旨在揭示红黄壤区稻田磷肥效应，以期为黄泥田磷肥高效施用与土壤磷库管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验设计

试验区位于福建省闽侯县白沙镇的农业部福建耕地保育科学观测实验站(119°04′10″E，26°13′31″N)。试验始于1987年。成土母质为低丘坡积物，土壤类型为渗育型水稻土亚类的黄泥田土属。试验区年均气温 19.5℃，年均降雨量 1 350.9 mm，年日照时数1 812.5 h，无霜期311 d，≥10℃的活动积温6 422℃。试验前(1987年)耕层土壤pH 4.78，有机质30.10 g·kg–1，全氮1.69 g·kg–1，全磷0.40 g·kg–1，全钾20.82 g·kg–1，碱解氮241.0 mg·kg–1，有效磷19.3 mg·kg–1，速效钾67.8 mg·kg–1。

每茬水稻磷肥用量设3 个水平，以当时习惯用肥作为施肥参考，分别为不施磷肥(CK)、30 kg(P2O5)·hm–2(P1)、60 mg(P2O5)·kg–1(P2)。由于受地形与地块面积限制，试验初始每处理仅设 2 次重复，小区面积15.84 m2。施用化肥为尿素、过磷酸钙与氯化钾，其中氮肥(N)120 kg·hm–2，钾肥(K2O)60 kg·hm–2，磷肥全部作基肥施用，氮钾肥50%作基肥、50%作分蘖肥施用。试验地1987—2004年均种植双季稻(每年种植早稻、晚稻两茬)，2005年开始种植单季稻(每年种植1 茬)。水稻品种每3～4年轮换一次，与当地主栽品种保持一致，历年水稻品种为‘威优64’‘丁优’‘豆花’‘白沙428’‘粤优938’‘宜香优2292’‘中浙优1 号’‘中浙优8 号’，其中2013年与2017年供试水稻品种分别为‘中浙优1 号’与‘中浙优8 号’。

1.2 样品采集与测试方法

于2013年、2017年水稻成熟期(10月)采集各处理小区植株样品。根据试验地地形走向，将每个小区按假重复分成两个微区，按各处理微区随机采集地上部水稻植株籽粒与茎叶。同时采集配套土壤样品，土样采样时每微区按S 形布点，采集0～20 cm 深度5 个位点土壤混合成1 个样品，自然风干，用于土壤磷素分析。水稻籽粒与秸秆鲜样于105℃烘箱中杀青30 min，65℃烘干至恒重，经粉碎供植株养分含量分析。

2017年的土壤无机磷、有机磷的分组采用鲁如坤主编的《土壤农业化学分析方法》。具体方法如下：酸性土壤无机磷用0.5 mol·L–1氟化铵溶液浸提Al-P，用 0.1 mol·L–1氢氧化钠溶液浸提 Fe-P，用0.3 mol·L–1柠檬酸钠和连二亚硫酸钠溶液浸提O-P，最后用0.5 mol·L–1当量硫酸溶液浸提Ca-P。活性有机磷(LOP)用0.5 mol·L–1碳酸氢钠溶液提取，中等活性有机磷(MLOP)用 1.0 mol·L–1硫酸溶液和0.5 mol·L–1氢氧化钠溶液提取；中等稳定性有机磷(MSOP)用 0.5 mol·L–1氢氧化钠溶液提取，在 pH 1～1.8 条件下不发生沉淀的有机磷；高稳定性有机磷(HSOP)用 0.5 mol·L–1氢氧化钠溶液提取，在 pH 1～1.8 条件下发生沉淀的有机磷，上述提取液均用钼锑抗比色法测定[16]。

土壤有效磷用盐酸-氟化铵浸提，钼锑抗比色法测定，全磷用碱熔融-钼锑抗比色法测定，植株全磷用硫酸-过氧化氢消煮-钒钼黄比色法测定[16]。

1.3 数据分析与处理

数据采用Excel 和DPS 软件进行统计分析。方差分析采用最小显著性差异法(LSD)多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同供磷水平对黄泥田水稻籽粒产量的影响

连续30年施用磷肥明显提高了黄泥田水稻籽粒产量(表1)。从双季稻年份来看(1987—2004年)，与CK 相比，每隔5年的年际产量统计显示，早稻施用磷肥3 个年际的产量增幅分别为42.6%～45.7%、68.8%～72.1%、94.0%～95.0%，P1 与P2 处理的早稻历年平均产量分别提高64.9%与67.0%，差异显著；晚稻施用磷肥的 3 个年际产量增幅分别为12.2%～19.7%、70.0%～71.3%、50.4%～54.5%，P1 与P2 处理的晚稻历年平均产量分别提高 37.0%与41.2%，差异显著。从单季稻年份来看(2005—2017年)，每隔5～6 个年的年际产量显示，单季稻施用磷肥两个年际的产量分别提高 2 1.1%～2 3.1%、18.1%～18.9%，P1 与P2 处理的单季稻历年平均产量分别提高19.9%与20.4%，差异显著。但无论是早稻、晚稻与单季稻，P2 与P1 处理的水稻籽粒产量均无显著差异。从不同稻作制度的磷肥农学效率来看，P1处理的早稻、晚稻与单季稻平均磷肥农学效率分别为66.8 kg·kg–1、49.9 kg·kg–1与41.2 kg·kg–1，P2 处理分别为34.5 kg·kg–1、27.8 kg·kg–1与21.1 kg·kg–1，说明不同稻作制度下黄泥田磷肥的增产效果为早稻＞晚稻＞单季稻，同时增施磷肥明显降低了磷肥农学效率。

表1 长期不同供磷水平的水稻籽粒产量Table1 The yields of rice grains under different long-term phosphorus supply levels

2.2 不同供磷水平对黄泥田土壤磷素含量的影响

长期施用磷肥下第27年(2013年)、第31年(2017年)的土壤有效磷与全磷变化显示(表2)，各处理有效磷含量均随着磷肥施用而提高，其中P2 处理第27年的土壤有效磷含量较 CK 与P1 处理分别提高279.5%与146.7%，第31年的土壤有效磷含量较CK与P1 处理分别提高245.3%与190.5%，差异均显著。P2 处理第27年土壤全磷含量较CK 与P1 处理分别提高103.6%与46.2%，第31年土壤全磷含量较CK与P1 处理分别提高81.5%与32.4%，差异均显著。P2 处理的磷活化系数也显著高于CK 与P1 处理，说明增加磷肥用量，可促进土壤磷素活化。但与试验前土壤磷活化系数(4.82)相比，经过30年的肥力演变，各处理磷活化系数均不同程度降低。

表2 长期不同供磷水平黄泥田土壤磷含量Table2 The contents of soil phosphorus of yellow-mud paddy under different long-term phosphorus supply levels

2.3 不同供磷水平对黄泥田土壤无机磷库组分的影响

表3显示，长期不同供磷水平的黄泥田土壤无机磷组分以Fe-P、O-P 与Ca-P 为主，三者合计占无机磷总量的89.9%～93.1%。P1 与P2 的Al-P 含量分别较CK 提高77.2%与280.2%，Fe-P 分别提高67.5%与219.1%，Ca-P 分别提高153.3%与368.5%，差异均显著；P2 处理的Al-P、Fe-P 与Ca-P 含量分别较P1处理提高114.6%、90.5%与84.9%，差异均显著。说明增施磷肥促进了上述3 种无机磷库组分的累积，但施用磷肥对O-P 含量影响不明显。从无机磷组分总量来看，P1 与P2 处理的无机磷组分总量比CK 分别提高55.2%与162.5%，差异均显著，P2 处理无机磷组分总量较P1 提高69.1%，差异显著。

从无机磷各组分比重来看(表3)，施用磷肥下Al-P、Fe-P 与Ca-P 占无机磷比重增加，尤其是P2水平下，而O-P 比重降低，其中Al-P、Fe-P 与Ca-P比重分别较CK 增加1.0～3.1 个百分点、2.5～6.9 个百分点、12.5～15.4 个百分点，而 O-P 比重减少15.98～25.43 个百分点。与P1 相比，P2 的Al-P、Fe-P占无机磷比重分别提高2.12 个百分点与4.40 个百分点，但O-P 比重降低9.45 个百分点，差异均显著。

表3 长期不同供磷水平黄泥田土壤无机磷组分含量和比重(2017年)Table3 The contents and proportions of inorganic phosphorus fractions of yellow-mud paddy under different long-term phosphorus supply levels in 2017

2.4 不同供磷水平对黄泥田土壤有机磷库组分的影响

从不同供磷水平下有机磷组分来看(表4)，各处理均以中等活性有机磷(MLOP)为主，占有机磷总量 41.7%～54.9%；其次为高稳定性有机磷(HSOP)，占19.4%～34.0%。施磷肥总体提高了活性有机磷(LOP)、MLOP 含量，其中P2 处理的LOP与MLOP 含量较CK 分别提高134.3%与56.9%，差异均显著；施磷肥则总体降低了HSOP 含量，其中P2 处理的HSOP 含量较CK 与P1 处理分别降低31.9%与 28.6%，差异显著，中等稳定性有机磷(MSOP)含量则基本保持稳定。有机磷总量随磷肥用量增加而增加，其中P2 处理的有机磷总量较CK提高20.2%，差异显著。

从有机磷各组分所占比重来看(表4)，与CK 相比，P1 与P2 的LOP 与MLOP 占有机磷比重逐步增加，其中P2 处理较CK 分别提高3.67 个百分点与13.20个百分点，差异显著；HSOP 比重逐步降低，其中P2处理较CK 降低14.61 个百分点，差异显著；MSOP 比重基本保持稳定。增施磷肥，土壤有机磷组分呈现由活性较低的形态向活性较高的形态转化趋势。

2.5 水稻产量与土壤磷库组成的相互关系

表5显示，土壤有效磷含量与Al-P、Fe-P、Ca-P、LOP 及MLOP 含量均呈显著正相关，说明这5 种磷库组分是有效磷的重要来源。水稻籽粒与秸秆产量及土壤磷库组成表现良好相关性。籽粒产量及秸秆产量与土壤有效磷、全磷含量均呈显著正相关，说明有效磷与全磷含量是影响黄泥田水稻产量提升的重要指标。从无机磷组分来看，籽粒产量及秸秆产量与无机磷组分总量、Al-P、Fe-P、Ca-P 均呈极显著正相关，籽粒产量或秸秆产量均与MLOP、LOP 呈显著正相关，而秸秆产量与HSOP 呈显著负相关，这与有效磷同磷库各组分间相互关系表现基本一致。

2.6 不同供磷水平下黄泥田磷素表观平衡

从单季稻年份2013年、2017年土壤磷素盈亏平衡来看(表6)，P1 处理处于表观亏损状态，与CK亏损基本相当，而P2 处理磷素基本处于表观盈亏平衡状态。说明黄泥田单季稻每茬磷肥施用60 kg(P2O5)·hm–2可维持养分收支平衡。值得一提的是，双季稻年份(1987—2004年)早、晚稻单茬产量仅相当于单季稻的49.8%～69.1%与65.2%～76.5%(表1)，磷素输出也相应低于单季稻年份，故P2 水平可产生磷盈余，从而提高土壤全磷含量。

3 讨论

3.1 不同供磷水平下黄泥田有效磷变化及磷肥适宜用量

我国南方地区气候高温高湿，多发育形成酸性或强酸性的地带性红壤，土壤磷素不仅可被铁、铝氧化物和黏粒矿物表面所吸附，而且还可与铁、铝形成难溶性磷酸盐，导致土壤磷素有效性降低[17-18]，这使得磷素成为制约南方地区种植业发展的限制因素[19-20]。赵其国等[21]研究表明尽管近年来我国农田土壤有效磷由于磷肥施用量的不断提高呈稳中有升的态势，但南方红壤和红壤性水稻土缺磷情况仍然较为普遍。有研究表明，25 mg·kg–1左右的土壤有效磷是保障作物高产的前提[22]，红壤稻田土壤有效磷含量在20 mg·kg–1左右时，增施磷肥对水稻增产效果则不明显[23]。本研究条件下，与CK 相比，P1 与P2 用量均不同程度提高了土壤有效磷含量，尤其是P2 水平，且籽粒及秸秆产量与有效磷含量均呈显著正相关，说明有效磷含量成为黄泥田水稻产量的限制因素。本研究还表明，不论哪种磷肥施用水平，与试验初期土壤相比，磷活化系数均呈下降趋势，这与黄泥田不同施肥模式下的磷素演变特征表现基本一致[24]，其可能与土壤性质有关。土壤铁、铝氧化物是酸性土壤磷的主要吸附载体，在酸性土壤中，Fe3+会转化成无定形的Fe3+与Fe2+氢氧化物的共沉淀，这种混合物比三价氢氧化铁具有更大的表面积和更多的磷吸附位点，增强了对磷的固持能力，从而降低土壤磷素有效性[25-26]。另外王光火[27]研究表明，红壤在pH 5 左右交换性铝吸附磷量最高，吸附的磷最难解吸。本试验土壤pH 在5.0 左右，这可能是造成土壤磷活化系数值下降的一个原因。但从中也可看出，增施磷肥可缓解磷活化系数下降。外源磷投入是影响土壤磷有效性的重要因素，长期不施磷或磷投入不足导致土壤磷亏缺，进而导致土壤磷含量及磷有效性降低[28]。土壤有效磷变化量与土壤磷盈亏呈显著线性相关关系[29]，我国主要农田土壤中每100 kg·hm–2磷盈余平均可使我国土壤有效磷(Olsen-P)水平提高约3.1 mg·kg–1[30]。从本研究单季稻年份2013年、2017年度土壤磷素盈亏平衡来看，P1 处于亏损状态，与初始土壤相比，有效磷含量下降；而P2 磷素处于表观基本平衡(双季稻年份可产生磷盈余)，与初始土壤相比，有效磷也基本维持在稳定状态，说明P2 用量水平可满足水稻营养需求与土壤磷素肥力稳定，而且该磷水平有效磷含量在20 mg·kg–1以内，不至于对当地水体环境造成威胁。区惠平等[31]研究表明，在南方赤红壤区双季稻体系下，综合考虑水稻产量效应、土壤磷素表观平衡和磷素环境风险，在本研究区域目前的土壤环境条件下，P2O563 kg·hm–2为水稻产量较高、环境风险较小的推荐施磷量。江西双季稻区红壤性水稻土早、晚稻磷肥60 kg(P2O5)·hm–2较为适宜[32]。值得一提的是，连续30年施用60 kg·hm–2与30 kg·hm–2的磷肥(P2O5)，其产量无显著差别，尽管60 kg(P2O5)·hm–2磷肥水平的产量略有增加，因而从磷肥施用效率及资源节约的角度来看，黄泥田一定年限内维持每茬30 kg(P2O5)·hm–2磷肥水平是可行的，但鉴于该用量水平下的土壤磷素呈现累积亏缺，有效磷与全磷含量均比初始土壤降低，最终将导致磷库耗竭而难以持续，故长远来看，黄泥田每茬磷肥应维持60 kg(P2O5)·hm–2，方可维持磷素表观平衡且有效磷保持在适宜的水平。

表4 长期不同供磷水平黄泥田土壤有机磷组分含量(2017年)Table4 The contents and proportions of organic phosphorus fractions of yellow-mud paddy under different long-term phosphorus supply levels in 2017

表5 土壤磷库组成与有效磷及产量的相关系数(r)Table5 The correlation coefficients of phosphorus pool fractions with soil available phosphorus content and rice grain and straw yields

表6 长期不同供磷水平土壤磷素(P2O5)表观盈亏Table6 Apparent balance of phosphorus (P2O5) in soils under different long-term phosphorus supply levels

3.2 施用磷肥对黄泥田土壤磷素组分的影响

施磷肥可影响土壤磷素的组成。冯跃华等[12]研究表明，湖南稻田施用磷肥可以使土壤中活性有机磷得到较大的增加，其可能原因是由于磷肥刺激了微生物的活性，产生了微生物的固定，而使有机磷含量有所上升；黄棕壤 14年水稻-小麦(Triticum aestivum)水旱轮作研究表明，单施化肥对中等活性有机磷的影响较大，化肥与秸秆、绿肥配合施用主要提高中等活性和中等稳定性有机磷的含量，而化肥与猪粪配合施用则显著增加了活性和中等活性有机磷的含量[33]。本研究条件下黄泥田有机磷组分以中等活性有机磷为主，占有机磷总量的42.4%～55.3%，施用磷肥增加的各有机磷组分中，也以中等活性有机磷占绝对优势，这与以往研究基本一致[10，12]。但也有研究表明，红壤性水稻土虽以中度活性有机磷最高，但施磷措施主要促进中稳性有机磷和高稳性有机磷的增加[11]。因此，稻田施肥下有机磷各组分变化可能受区域气候、土壤母质、水分条件及施肥方式等影响较大。此外，本研究条件下，增施磷肥，活性有机磷与中等活性有机磷比重升高，而高稳性有机磷比重降低，这可能是增施磷肥水平下，进一步改善了土壤磷素供给，土壤微生物代谢增强，易利用的活性有机磷素暂时被微生物所固持，这促进了高稳性有机磷向活性较高的活性有机磷与中等活性有机磷转化，后期微生物固持的磷素又以活性有机磷的形式释放出来，提高了磷有效性，这可从增施磷肥下磷素活化系数提高得到佐证(表2)，但具体转化机制有待进一步研究。对无机磷组分而言，本研究中，施用的磷肥大部分转化为无机磷组分，且施磷大幅度提高了土壤Fe-P、Al-P及Ca-P 含量，有效磷与这3 个组分均呈显著正相关，以往低分子有机酸模拟无机磷形态结果显示，同一酸度下，其活化量以Al-P 最多，Fe-P 和Ca-P 次之，O-P 最少[34]，这表明Fe-P、Al-P 及Ca-P 无机磷组分是红壤性稻田有效磷的主要来源。本研究也表明，籽粒产量及秸秆产量与Ca-P 的相关系数高于Fe-P、Al-P，显示Ca-P 组分生物有效性较高。这可能是本研究区为酸性水稻土，酸性条件下受H+阻控不易形成难溶性的如Ca8-P、Ca10-P 组分，另一方面H+促进磷酸钙盐溶解而增加了磷有效性，这有别于石灰性土壤。O-P(闭蓄态磷)是无机磷的重要组成，溶解度小，难以被植物利用，南方酸性水稻土O-P 分布一般随风化程度的加深而增加[35]。本研究显示，不同施磷水平对O-P 组分含量影响不明显，说明O-P 组分较其他无机磷组分较为稳定，受施肥的影响较小；但也有研究表明，O-P 组分也是酸性红壤潜在有效磷源，可能与O-P 组分的续分级方法有关[36]。本研究下，O-P 比重随磷肥用量增加而降低，主要是基于O-P 的稳定性，而Fe-P、Al-P 及Ca-P 组分含量随磷肥用量增加而同步提高，导致O-P 比重相对降低。

4 结论

黄泥田连续30年施用磷肥显著提高了水稻产量，不同稻作制度下黄泥田施用磷肥的增产效果为早稻＞晚稻＞单季稻。磷肥每茬施用30 kg(P2O5)·hm–2与60 kg(P2O5)·hm–2的水稻籽粒产量均无显著差异，但30 kg(P2O5)·hm–2呈现磷表观亏缺。增施磷肥提高了无机磷Al-P、Fe-P 与Ca-P 含量，其占比相应增加，但O-P 占比降低；增施磷肥提高了LOP、MLOP 含量，而降低了HSOP 含量，有机磷组分呈现由活性较低的形态向活性较高的形态转化趋势。有效磷及水稻产量与Al-P、Fe-P、Ca-P、LOP、MLOP 组分密切相关，显示这5 种组分是有效磷的重要来源。黄泥田每茬施用60 kg(P2O5)·hm–2可维持磷素表观平衡且有效磷保持在适宜的水平。