长期施肥对褐土剖面水溶态磷分布特征的影响

高佳妮，周怀平，杨振兴，解文艳，刘志平，郭 晋，吕倩倩

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西农业大学资源环境学院，山西太原030031）

植物吸收的磷元素主要来源于土壤[1-2]，不同形态磷的有效性存在差异[3]，其有效性在很大程度上取决于磷的组分形态[4-8]。长期不同施肥是土壤各磷素组分之间相互转化的重要影响因子[9-11]。有研究表明，有机肥施用可显著提高土壤中总磷、可溶性磷及稳定的有机磷等的含量[12]。目前，已有大量关于磷素组分演变[13]、磷素累积[14-17]以及影响因素分析[18]等方面的研究，特别是褐土土壤磷素累积的研究，但大多集中在土壤耕层磷素养分数据的动态监测上，而采用改进的Hedley方法进行磷素分级[14，19-20]，从长时间跨度和土壤剖面上对褐土磷素组分变化的报道相对较少，尤其是对褐土剖面磷素分布特征的研究更少[21-22]。

水溶态磷（H2O-P）是土壤中有效性较高的一种磷素组分，其含量高低不仅影响到作物对磷素营养的吸收，而且可以直接表征对环境尤其是水环境影响的程度，是一种环境形态的磷[7，19]。因此，了解土壤中水溶态磷的剖面变化状况，开展田间合理化施肥试验，可为褐土区磷素科学管理提供良好的技术支撑[20]。

本研究采用改进的Hedley方法，通过对27 a定位试验研究不施肥处理、不同氮磷肥配施、不同有机肥无机肥配施处理以及单施高量有机肥处理下水溶态磷在0～100 cm土壤剖面中的垂直分布特征，旨在探讨长期不同施肥水平下水溶态磷的变化情况及迁移特征，为褐土区耕地质量培育及田间管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验以山西省寿阳县宗艾村长期定位试验为研究对象，该基地是我国重要的旱作农业科技攻关试验区。试验区海拔为1 130 m，常年平均气温为7.6℃，地区干燥度为1.3，年平均降雨量为501.1mm，不同年份气候差异比较大。本试验从1992年至2018年，历时共27 a。供试土壤为褐土，1992年试验前基础土样0～20 cm土层的理化性质如表1所示。

表1 长期试验基础土样化学性质（1992年）

1.2 试验材料

供试作物为春玉米，1993—1997年的品种为烟单14号、1998—2003年的品种为晋单34号、2004—2011年品种为强盛31号，密度为5.20万～5.25万株/hm2；2012—2017年品种为晋单81号、2018年品种为大丰30，密度为6.6万株/hm2。

1.3 试验设计

研究选取7个处理，即不施肥处理（N0P0M0）；2 个氮、磷化肥配施处理（N1P1M0、N2P2M0）；3 个有机肥无机肥配施处理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）；单施高量有机肥处理（N0P0M6）。小区面积为66.7 m2，随机排列。

研究选用氮肥、磷肥分别为含N 46%的尿素和含P2O512%～14%的过磷酸钙，有机肥为腐熟厩肥（其中，有机质90.5～127.3g/kg、全氮3.93～4.97g/kg、全磷 1.37～1.46 g/kg、全钾 14.1～34.3 g/kg）。每年秋季结合耕翻将肥料一次性施入。不同施肥处理的施肥量如表2所示。

田间管理措施主要是除草和防治病虫害，其按照大田丰产要求进行。一年1季，4月15—28日播种，9月20日至10月10日收获。田间灌溉主要依赖自然降水，无补充灌溉。

表2 不同施肥处理的施肥量 kg/hm2

1.4 样品采集及测定方法

1.4.1 试验土壤样品采集 2018年10月中旬采集0～100 cm土样，每隔20 cm土层采一个样，共采集5个土样。

1.4.2 土壤水溶态磷含量测定 采用改进的Hedley磷分级方法，取0.5 g过2 mm筛的风干土样，置于50 mL离心管中，加入去离子水30 mL，连续浸提振荡16 h；取出离心10 min，收集上清液并过0.45 μm滤膜，经硫酸铵-硫酸消化，用钼蓝比色法测定溶液中的 H2O-P 含量[5，21]。

1.5 数据分析

不同施肥处理之间数据的比较采用Excel 2016和SPSS 19.0软件进行处理；利用Duncan法进行数据方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 长期施肥条件下0～100 cm土壤剖面H2O-P分布特征分析

褐土H2O-P具有表聚性，施肥会使H2O-P表聚性更为显著。从图1可以看出，0～20 cm土层H2O-P含量最高，显著高于其他土层；20～40 cm土层，随着土层深度增加H2O-P含量快速递减；40～100 cm土层，H2O-P含量随土层深度增加无明显变化趋势。由于施肥处理的差异，各处理H2O-P含量差异在0～20 cm较为显著。整体而言，有机肥施用显著提高了土壤中H2O-P的含量。

2.2 长期施肥对0～100 cm土壤剖面各层次H2OP含量的影响

由图2可知，各处理0～20 cm土层H2O-P含量差异显著，与1992年试验前基础值相比，2018年N0P0M0、N1P1M0、N2P1M1处理 H2O-P 含量减少了4.14～12.68 mg/kg，变化幅度为19.66%～60.21%；而N3P2M3、N4P2M2及N0P0M6处理土壤耕层中H2O-P含量相比1992年试验前显著增加，分别增加了54.94、34.26、90.67 mg/kg。与不施肥处理CK相比，除N1P1M0、N2P1M1处理差异不显著外，其他各处理差异均达到极显著水平，其中，N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6处理土壤耕层中H2O-P含量与N0P0M0（CK）处理相比显著增加，增加了46.94～103.35 mg/kg。当施用等量无机磷肥时，N2P1M1处理与N1P1M0处理相比，增加了5.91 mg/kg，增幅达53.64%；N3P2M3、N4P2M2处理与N2P2M0处理相比，耕层土壤H2O-P含量分别增加了50.22、29.54 mg/kg，且差异极显著。

由图 3 可知，20～40 cm 土层，N3P2M3、N0P0M6处理H2O-P含量显著高于其他处理。与1992年基础值相比，N3P2M3、N0P0M6处理H2O-P含量极显著增加，增加了5.03～5.87mg/kg，增幅达53.74%～62.71%；其他处理H2O-P含量变化不显著，其中，N0P0M0、N1P1M0、N2P1M1处理呈下降趋势，下降了1.95～4.68mg/kg，降幅为20.83%～50.00%。与N0P0M0（CK）处理相比，经过27 a的N3P2M3、N0P0M6处理 H2O-P含量增加显著，分别增加了6.98、7.82mg/kg，增幅分别为94.20%、105.59%，N2P2M0、N4P2M2处理 H2O-P 含量分别增加了2.34、4.74 mg/kg，增幅分别为31.55%、63.97%；而N1P1M0、N2P1M1处理H2O-P含量则表现为降低趋势，分别较N0P0M0（CK）降低了2.73、2.30mg/kg，降低幅度分别为36.84%、31.04%。当施用等量无机磷肥时，N2P1M1处理H2O-P含量与N1P1M0处理相比仅增长了0.43 mg/kg，变化幅度为9.2%，差异不显著；N3P2M3处理H2O-P含量显著高于N2P2M0、N4P2M2处理，且差异达到极显著水平，N3P2M3处理比N2P2M0处理增长了5.48 mg/kg，增幅达56.21%。

由表3可知，与1992年基础值相比，40～60 cm土层H2O-P含量N0P0M6处理增加了1.95 mg/kg，增幅为18.88%；其他处理均表现为降低趋势，N0P0M0、N1P1M0、N2P1M1、N2P2M0、N3P2M3、N4P2M2处 理 H2O-P含量降低了1.85～8.18 mg/kg，降幅为17.91%～79.19%。与N0P0M0（CK）处理相比，N4P2M2、N3P2M3、N0P0M6处理H2O-P含量增加了4.74～7.82 mg/kg，增 幅 为 73.72% ～121.62% ；N1P1M0、N2P1M1、N2P2M0处理H2O-P含量则表现为降低趋势，降低了3.10～4.28 mg/kg，降幅为48.21%～66.56%。

60～80 cm土壤剖面中H2O-P含量与1992年基础值相比，各处理均显著降低，即使施肥量较高的N4P2M2、N3P2M3、N0P0M6处理 H2O-P 含量比试验前也降低了2.25～4.12mg/kg，降幅为26.85%～49.16%；与N0P0M0（CK）处理相比，各施肥处理H2O-P含量均有增加，增加了0.63～5.24mg/kg。

80～100 cm土层，经过近30 a不同施肥处理，H2O-P含量以N3P2M3处理最高；与1992年基础值相比，各处理H2O-P含量均降低，降低了1.12～2.94 mg/kg，降幅达37.09%～97.35%；与N0P0M0（CK）处理相比，各施肥处理H2O-P含量无显著差异。

表3 40～100 cm土层长期不同施肥处理下H2O-P含量的变化 mg/kg

3 讨论

3.1 长期不同施肥处理对褐土土壤H2O-P剖面分布的影响

褐土土壤H2O-P在土壤剖面中的分布由于不同施肥处理存在显著差异。土壤H2O-P表聚性显著，在其他类型土壤的研究也存在同样的变化规律[22]。这可能是由于一方面人类施肥直接补充了土壤磷素养分；另一方面，土壤中微生物活动对养分之间的转化作用显著，且土壤表层磷素活化系数较高，转化能力较强。本研究表明，0～100 cm土层范围内，土壤H2O-P含量随土壤深度的增加逐渐降低。这是由于磷肥多施于土壤表层不易迁移，使得下层土壤H2O-P含量显著降低。在本试验条件下，土壤剖面中H2O-P含量随有机肥施用量增加显著提高。表明有机肥施用可以显著提高褐土土壤中的H2O-P含量。

3.2 长期施肥对0～100 cm土壤剖面各层次H2O-P含量的影响

本研究表明，0～20 cm土层中，H2O-P含量为N0P0M6处理最高，N3P2M3、N4P2M2处理次之，与严正娟等[22]在该试验区进行的Olsen-P累积研究结果一致；单施有机肥明显提高了土壤中H2O-P含量，一方面是由于有机肥自身带入的磷素增加了土壤中的H2O-P含量，另一方面有机肥施用改变了土壤理化性质及土壤生物和非生物过程，促进了不同土壤磷形态间的相互转化。有研究表明[23-25]，施用有机肥可显著增加高活性磷的含量及其在全磷中的比例。

本研究表明，20～40 cm土层H2O-P含量与0～20 cm土层相比显著降低，可能是由肥料多施于土壤表层且磷素不易迁移所致，这与杨小燕等[26]关于黑土土壤磷素形态垂直分布特征研究结果一致。

本研究表明，40～60、60～80、80～100 cm土层中，H2O-P含量与试验前相比呈现下降趋势，这可能是因为根密度和土壤微生物活性随剖面深度下降而降低，并且根系活动将深层土壤养分吸收带到上层土壤中。

4 结论

本研究表明，合理的有机肥无机肥配施可以增加褐土耕层土壤的H2O-P含量，H2O-P含量随有机肥施入量的增加而显著提高，N3P2M3处理对水溶态磷含量的作用最为显著。长期施肥下的H2O-P含量在0～100 cm土壤剖面上表现为，0～20 cm土层H2O-P含量最高；20～40 cm土层H2O-P含量快速递减；40～100 cm土层土壤剖面H2O-P含量较少，随土层深度增加而降低。氮、磷化肥和有机肥合理配合施用，可以提高褐土水溶态磷的含量，提升褐土肥力质量，为褐土农田土壤可持续利用提供保障。