长期小麦秸秆还田对壤质潮土磷素含量及磷盈亏的影响

黄少辉 杨军芳 刘学彤 杨云马 邢素丽韩宝文 刘孟朝 贾良良 何 萍

（1河北省农林科学院农业资源环境研究所/河北省肥料技术创新中心，050051，河北石家庄；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，100081，北京；3河北省农林科学院旱作农业研究所，053000，河北衡水）

磷素是作物生长所必需的大量营养元素之一，是植物体内重要有机化合物组分，参与植物体内各种代谢过程，对作物生长产生影响[1]。土壤磷素是农业生产中主要的限制因子[2-3]，而磷肥施用是增加土壤磷含量和供应的主要措施[4-5]，但磷肥施入土壤后会很快被土壤固定，致使磷肥有效性降低，其当季利用率低于25%[6]，故了解土壤磷素演变规律对磷肥高效利用和作物可持续生产有重要作用。土壤有效磷是最易被作物吸收利用的磷形态，是衡量土壤磷素供应能力的重要指标[2，7]。有研究指出，随着磷肥的大量施用，现阶段我国土壤平均有效磷含量已经从二次土壤普查时8mg/kg提高至20mg/kg以上[8-9]。施肥年限与施肥量均对其有显著影响[10-12]。土壤全磷是土壤磷库大小的表征指标，长期施用磷肥（化学磷肥和有机磷肥）能明显增加耕层土壤全磷的积累，有机无机肥配施对增加土壤全磷的作用更显著[9，13-15]。活化被土壤固定和不易被作物吸收的磷是提高磷肥利用率的重要途径，磷活化系数（phosphorus activation coefficient，PAC）[4，11，16-17]是指土壤有效磷与全磷的比值，表征全磷转化为有效磷的比例。较高的PAC说明土壤磷素有效化程度高，有助于作物对磷素的高效吸收。土壤磷盈亏是磷素投入与产出之差，土壤有效磷的变化与土壤磷盈亏呈显著相关关系[9，12，18-19]，且单位磷盈亏量下土壤有效磷的变化量可作为磷素的转化率，不同土壤磷素的转化率差异较大，展晓莹等[9]通过对多种土壤类型研究，发现土壤每盈余100kg/hm2磷，褐土、黑土、紫色土和水稻土有效磷增加量分别为1.12、3.76、2.34和5.01mg/kg。此外，有研究也指出不同的外源磷肥类型也对转化率有显著影响，土壤每累积100kg/hm2磷，有机肥配施化学磷肥处理有效磷含量平均提高0.56～41.30mg/kg，单施化学磷肥处理平均提高2.6～21.2mg/kg[20-21]。

秸秆是丰富的有机资源[22]，其还田后可提高土壤质量，生成增加土壤缓冲性能的Ca8-P，同时增强微生物活性，对改善根际土壤pH值及对固定态磷素的活化均有增强作用[14，23-25]，是磷素高效利用的重要手段之一。郭斗斗等[14]研究指出，秸秆还田可显著增加土壤磷素含量6.5%，并且增加土壤中有机磷向无机磷的转化；李冬初等[4]在红壤上的研究也指出秸秆还田可增加有效磷和全磷含量，但较不还田PCA降低13.1%。

壤质潮土是华北地区主要土壤类型之一[26]，该地区面积广阔，小麦-玉米轮作是这一区域最主要的轮作制度，这种高度集约化的两熟制种植制度对土壤养分的供应提出了很高的要求。潮土含钙量高，而土壤中有效磷素主要以阴离子形式存在，在潮土中很容易被固定，使其有效性降低[27-28]，因此对其土壤磷素研究可促进该区域磷素高效利用。近年来，秸秆还田已是农业生产中常见的农艺措施，随着种植业结构调整，部分玉米籽粒收获后秸秆作为饲料，或玉米整株用于青贮，供应养殖业[29]，而小麦秸秆由于不易被收集，会更多地还田于土壤中。目前关于秸秆不还田或小麦玉米秸秆全部还田对潮土土壤磷素演变的研究较多，而小麦秸秆单独还田对潮土土壤磷素演变的作用还不明确。因此，本研究以壤质潮土长期（1992-2015年）定位试验为基础，设置单施化肥处理（NP、NPK）与小麦秸秆还田配施化肥处理（NPS、NPKS），研究小麦秸秆还田对土壤有效磷含量、全磷含量、PCA及磷盈亏的影响，并探寻有效磷增量与磷素盈亏的响应关系，以期为壤质潮土磷素养分高效利用、秸秆高效利用和磷肥科学施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于1992-2015年在河北省辛集市马兰农场（115°11′28.18″ E，37°59′22.93″ N）进行长期定位试验，该地区处中纬度欧亚大陆边缘，属于温带大陆性季风气候，年平均气温12.5℃，大于10℃积温4 653℃，年均降水量447mm，年均蒸发量1 211mm，无霜期约198d，年日照时数2 427h。该区域种植制度为小麦-玉米轮作，一年两熟。试验地土壤为壤质潮土，成土母质为洪冲积物。长期定位试验从1992年10月开始，初始耕层（0～20cm）土壤有机碳含量8.70g/kg，碱解氮69.7mg/kg，有效磷12.6mg/kg，全磷0.74g/kg，有效钾83.2mg/kg，全钾24.4g/kg，pH值8.2。

1.2 试验设计

长期定位试验设置4个处理：秸秆不还田单施化肥氮磷（NP）、小麦秸秆还田配施化肥氮磷（NPS）、秸秆不还田单施化肥氮磷钾（NPK）和小麦秸秆还田配施化肥氮磷钾（NPKS）。每个处理重复4次，小区面积50m2，随机区组排列。种植制度为小麦-玉米轮作。小麦播种于每年10月中旬，小区撒基肥后旋耕15～20cm，之后播种，播量225kg/hm2左右，小麦生长期内灌溉2～3次，分别为苗期（“冻水”，每年11月中旬进行，视土壤墒情确定灌溉量）、拔节期（追施尿素后灌溉）和灌浆期。小麦于次年6月上旬收获，小麦收获时NPS和NPKS处理小麦秸秆直接还田，NP和NPK处理小麦秸秆全部清除。玉米于每年6月中旬播种（不旋耕，铁茬播种），密度为6万株/hm2，玉米出苗后沟施底肥，并于6～7叶期追施尿素，玉米生育期不灌溉，玉米于9月末或10月初收获，玉米收获后玉米秸秆全部清除。其余田间管理措施与当地农户相同。1992-1994年玉米品种为掖单13号，之后为郑单958，1992-1994年小麦品种为石家庄8号，1995-2000年为石4185，之后为石麦18。各处理均不施有机肥，各处理化肥施用量如表1所示，所有处理磷、钾肥全部作基肥，氮肥基、追肥各半。1992-2015年试验期间NP和NPK处理累积投入磷素1 821.6kg/hm2，均来源于化肥；NPS处理累积投入磷素1 941.4kg/hm2，其中化肥磷素占93.8%，秸秆磷素占6.2%；NPKS处理累积投入磷素1 959.7kg/hm2，其中化肥磷素占93.0%，秸秆磷素占7.0%。

表1 试验处理及肥料施用量Table 1 Experiment treatments and fertilizer rates kg/hm2

1.3 样品采集及分析方法

每年玉米收获时，每小区选取长势均匀2行玉米，将穗人工掰下带回实验室，烘干后称重，计算产量，同时每个小区随机取8株玉米，带回实验室后将籽粒与秸秆分开，55℃烘干后测定秸秆产量和植株养分含量。小麦收获时，每小区选取长势均匀的3个2m2样方，取下穗部后脱粒风干，测定产量，同时每小区采集3个1m双行小麦植株样品，带回实验室将籽粒与秸秆分开，55℃烘干后测定秸秆产量和植株养分含量。1992-2008年每4年采集1次土样，2008年后每年采集土壤样品，样品采集在玉米收获后，各小区按“之”字形采集耕层0～20cm土壤样品，每小区每层取10个点充分混匀，组成一个样品，剔除砾石和植物根系等杂物，带回实验室于室内风干，磨细过1mm筛，测定土壤有效磷与全磷含量。

采用碱熔-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量；采用Olsen法测定有效磷含量；采用H2SO4-H2O2消化植株样品，采用钼锑抗比色法测定植株磷含量[30]。

1.4 数据计算及统计分析

土壤磷活化系数（PAC）=有效磷含量（mg/kg）/[全磷含量（g/kg）×1000]×100%；

土壤有效磷变化量（ΔOlsen P，mg/kg）=Pi（mg/kg）-P0（mg/kg），（Pi表示第i年土壤有效磷；P0表示初始土壤的有效磷）；

作物吸磷量（kg/hm2）=籽粒产量（kg/hm2）×籽粒含磷量（%）+秸秆产量（kg/hm2）×秸秆含磷量（%）；

每年土壤磷盈亏（kg/hm2）=每年施入土壤磷素（化肥+秸秆）总量（kg/hm2）-每年作物（籽粒+秸秆）吸磷量（kg/hm2）；

土壤累积磷盈亏（kg/hm2）=∑每年土壤磷盈亏（kg/hm2）。

数据处理应用Microsoft Excel 2010软件，应用回归分析F检验和ANOVA方差分析确定显著性（P＜0.05或P＜0.01）。

2 结果与分析

2.1 土壤有效磷、全磷和磷活化系数的变化

土壤有效磷含量如图1所示，NP处理和NPS处理有效磷含量高于NPK处理和NPKS处理。各处理土壤有效磷含量随试验年限的增长而增加，但增加速率不同。NP和NPK每年增加0.78和0.72mg/kg，NPS和NPKS处理分别增加0.77和0.68mg/kg，相比之下，小麦秸秆还田使NP处理有效磷年增加速度降低0.01mg/kg，使NPK处理降低0.04mg/kg，但组间差异不显著（P＞0.05，表2）。

图1 土壤有效磷含量变化Fig.1 Change of soil olsen P content

各处理土壤全磷含量随试验年限的增长呈增加趋势，其增加速率顺序为NPKS＞NPK＞NPS＞NP，年增加速率分别为0.0047、0.0043、0.0037和0.0031g/kg（图2）。NPKS比NPK处理全磷年增长速率增加0.0004g/kg，占NPK处理年增长速率的9.3%，NPS比NP处理全磷年增长速率增加0.0006g/kg，占NP处理年增长速率的19.4%，但差异不显著（表2）。

表2 小麦秸秆效应方差分析Table 2 Variance analysis of wheat straw effect

图2 土壤全磷含量变化Fig.2 Change of soil total P content

图3 土壤PAC变化Fig.3 Change of soil PAC value

PAC可以用来表征土壤磷素有效化程度。如图3所示，随试验年限的增加，NP、NPS、NPK和NPKS处理PAC显著增加，年增加量分别为0.09%、0.09%、0.08% 和 0.07%。NP与 NPS、NPK与NPKS相比，PAC年增长速率无差异（表2），说明长期小麦秸秆还田并未对土壤PAC的变化产生影响。

2.2 土壤磷盈亏和累积磷盈亏的变化

如图4所示，各处理年际间磷盈亏差异较大，总体来看在–20～30kg/hm2波动，在施肥后11～15年，各处理出现亏缺，其余年份处于盈余状态。各处理累积磷盈亏差异显著，盈余最高的为NPS处理，最低为NPK处理。NP、NPS、NPK和NPKS处理年平均盈余量分别为8.80、9.44、2.21和3.17kg/hm2，小麦秸秆还田较不还田年平均盈余分别增加0.64和0.96kg/hm2，分别增长7.3%和43.4%。

图4 土壤磷盈亏（a）与累积磷盈亏（b）变化Fig.4 Changes of soil P balance (a) and soil accumulated P balance (b)

2.3 土壤累积磷盈亏与速效磷增量的响应关系

由图5可知，土壤累积磷盈亏与有效磷变化量呈显著相关关系。NP与NPKS处理有效磷增量与累积磷盈余呈显著正相关关系，土壤每盈余100kg/hm2磷，土壤有效磷分别增加9.7和10.0mg/kg。NPK与NPKS处理有效磷增量与累积磷盈余呈负相关关系，土壤每亏缺100kg/hm2磷，土壤有效磷分别降低12.6和1.95mg/kg。由此可知，小麦秸秆还田在土壤磷盈余时，对土壤有效磷增量无显著影响；在磷亏缺时，可减缓土壤有效磷的降低速率，起缓冲作用。

图5 土壤有效磷变化量对累积磷盈亏的响应Fig.5 Response of olsen P to accumulated P balance

3 讨论

3.1 小麦秸秆还田影响土壤磷素变化

各处理土壤有效磷、全磷及PAC随试验年限的增加而增加（年增加量分别为0.68～0.78mg/kg、0.0031～0.0047g/kg和0.07%～0.09%），这与李冬初等[4]对湖南红壤、杨军等[10]对天津潮土和杨学云等[31]对陕西塿土的研究结果一致，即长期施用有机或无机磷肥能显著增加土壤有效磷和全磷含量，提高PAC。本研究中NPS与NP处理相比，NPKS与NP处理相比，土壤有效磷年增加速率均有所降低，与小麦秸秆还田对作物磷素吸收的促进作用有很大关系。秸秆还田通过增加土壤有机质，增强微生物活性，促进作物生长，从而促进作物对土壤磷素的吸收利用[32]，由于秸秆还田处理作物磷素吸收量的增加，使其土壤磷素年增加速率较秸秆不还田处理有所降低。并且，秸秆还田带入的磷素大多转化为土壤全磷[13]，这与本研究中秸秆还田处理土壤全磷年增加率高于不还田处理的结果相一致。此外本研究未设置不施磷肥处理，黄绍敏等[13]在潮土上研究发现单施氮钾肥连续14年后土壤磷素亏缺，有效磷降低3.8mg/kg，年降低量0.27mg/kg，全磷降低0.1g/kg，年降低量0.007g/kg。本研究中土壤PAC并没有一致的结果，NP处理施用小麦秸秆后PAC年增量高于秸秆不还田处理，而NPK和NPKS处理基本持平，这可能与氮磷钾全施处理土壤微生物活性更高[33]，对土壤有效磷分解和固定作用更强有很大关系，李冬初等[4]的研究也发现了相应的问题。小麦秸秆还田对土壤有效磷含量的增加有抑制作用，对全磷含量的增加有促进作用。

3.2 小麦秸秆还田影响土壤磷盈亏和转化率

土壤磷盈亏对土壤磷素变化有重要作用，土壤磷盈亏是决定磷肥施用量的主要指标[2，34-37]。小麦秸秆还田增加土壤磷盈余，本试验中，相较于NP和NPK处理，NPS和NPKS处理，1992-2015年分别累积增加磷投入120和138kg/hm2，磷支出分别增加105和116kg/hm2，最终盈余量分别增加14.7和22.2kg/hm2，分别占NP和NPK累积盈余量的7.3%和43.4%。杨军等[10]和黄欣欣等[38]的研究也指出，秸秆还田会带入一定量的磷素，但秸秆对作物磷素吸收的促进作用会消耗更多的磷素，从而造成累积磷平衡的下降，尤其在氮肥缺乏的处理中秸秆对磷盈亏的影响更大。本研究中，各处理氮肥施用较为充足，因此整体来看，秸秆还田对磷盈余有增加作用。此外本研究并未考虑环境磷素输入，根据马进川[39]的研究，华北地区磷素沉降量约为0.4kg/hm2，其对磷盈亏也会产生影响。

大量研究指出土壤有效磷的变化与土壤的磷盈亏有显著的相关关系，并将单位磷盈亏下土壤有效磷变化量称为土壤磷转化率，其受施肥措施、土壤类型、有机质含量和pH值等因素的影响[2，4，9-10，16，40]。本研究发现，在土壤磷素盈余情况下，小麦秸秆还田对土壤磷转化无影响，且土壤每累积盈余磷100kg/hm2，土壤有效磷增加9.7～10.0mg/kg；土壤磷素亏缺时，小麦秸秆还田对土壤磷转化有显著影响，土壤每累积亏缺磷100kg/hm2，NPK处理有效磷含量降低12.6mg/kg，NPKS处理降低1.95mg/kg。可见磷亏缺时，小麦秸秆还田对土壤有效磷含量的维持有很好的缓冲作用。秸秆还田带入大量碳，有助于土壤有机质含量的提高[5，41]，而有机质有利于土壤磷素活化[28]和微生物活性的提高[23]，同时秸秆也带入一定量磷素，有利于土壤磷素高效利用[24]，并且秸秆还可降低土壤pH值，从而减少土壤中碳酸钙对磷的固定，进而增强土壤供磷潜力[14，42-43]。也有研究表明，秸秆还田可提高土壤微生物数量，而土壤微生物数量的增加又进一步增加了包括磷酸酶在内的分泌物量，磷酸酶可加快有机磷向无机磷的转化速度，从而提高磷素活化与供应[44]。因此，小麦秸秆还田可增强土壤缓冲性，提高供磷潜力。

4 结论

长期施用磷肥和小麦秸秆还田不仅可以提高土壤速效磷和全磷含量，而且可以提高土壤PAC。小麦秸秆还田对土壤有效磷含量的增加有抑制作用，对全磷含量的增加有促进作用。壤质潮土土壤累积磷盈亏和土壤有效磷变化量呈线性相关关系，土壤每盈余磷100kg/hm2，有效磷增加9.7～10.0mg/kg，小麦秸秆还田对其影响不大；土壤每亏缺磷100kg/hm2，秸秆不还田处理土壤有效磷含量降低12.6mg/kg，小麦秸秆还田处理土壤降低1.95mg/kg。综上所述，小麦秸秆还田对土壤有效磷含量维持有缓冲作用，同时配施磷肥可增加土壤供磷能力。