外源性碳磷输入对宁夏灌淤土磷素变化的影响

冒辛平，赵 营*，刘汝亮，魏永东

（1.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川 750002；2.宁夏回族自治区盐池县科学技术局中药材站，宁夏 盐池 751500）

施用磷肥是解决土壤缺磷和植物磷胁迫的有效途径，但连续大量的磷肥施入土壤造成磷素的过度累积，到2007 年时，我国农田土壤平均有效磷含量已达到24.7 mg/kg，其磷肥利用率仅为15%～20%，大量的土壤磷素累积也加剧了磷流失的风险［1-8］。近年来，河流和湖泊的水体富营养化、赤潮等环境问题受到越来越广泛的关注，这都与过量施肥造成的氮磷流失密切相关。磷作为一种不可再生资源，大多数人普遍认为磷矿短缺即将到来，这将严重威胁世界磷肥价格稳定和农业可持续发展［9-14］。一般来说，经过大量施肥后的土壤中并不缺少磷素，但是却缺少对植物有效的磷素。近年来科学家关注的焦点是如何提高土壤中磷的生物有效性及磷肥利用率，有关土壤磷素的形态及其转化、运移和其与供磷能力的关系，始终是土壤化学的研究热点［15-16］。因此，通过持续增加磷肥的投入来满足作物磷的需求显然是不可取的，而如何通过管理措施改变作物吸收利用土壤磷素的潜力，提高土壤磷的生物有效性，最大化利用土壤中已富集的磷素资源则更为重要。

宁夏引黄灌区现有耕地总面积44.1 万hm2，占全区耕地总面积的40%，却提供全区70%左右的粮食［17］。据统计，宁夏主要作物产量的增加55%来自化肥［18］。年际间水旱轮作是宁夏引黄灌区重要的提高作物产量、保障粮食安全的种植体系。灌淤土作为宁夏引黄灌区农田典型土壤类型，其土壤干湿交替过程及不同作物参与轮作条件下，内在的养分平衡与转化机制并不明晰，研究该体系施肥对灌淤土磷素形态及有效性的影响机制，旨在为宁夏引黄灌区灌淤土水旱轮作体系减肥增效与减少农田磷素对水体的环境风险等方面提供理论依据。因此，本文利用室内培养模拟试验，以水旱轮作灌淤土作为供试材料，研究添加外源性碳和化学磷肥条件下，宁夏灌区灌淤土磷素形态的变化特征，以期分析施用有机肥后，灌淤土中各磷素形态的含量变化特征及其有效性，明确目前的施肥量和施肥种类是否有利于灌淤土农田土壤中磷素的可持续发展，从而为选择对土壤磷素进行优化管理的措施提供科学依据，研究结果对于保证区域农业的可持续发展具有重要的生态和社会意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验研究于2018～2019 年在宁夏土壤与植物营养重点实验室进行，称取100 g 过1 mm 筛的农民常规水旱轮作农田灌淤土，放入三角瓶中作为培养基质，设7 个不同外源碳磷添加处理，分别为T0，对照（CK）（不添加任何外源物质）；T1，5%鸡粪（添加质量分数5%的商品干鸡粪，磷养分含量P2O55.06%）；T2，5%鸡粪+P（添加质量分数5%的商品干鸡粪+低量化肥P2O50.26 g）；T3，5%鸡粪+2P（添加质量分数5%的商品干鸡粪+高量化肥P2O50.52 g）；T4，5%生物炭（添加质量分数5%的生物炭，全磷养分含量P2O50.83 g/kg）；T5，5%生物炭+P（添加质量分数5%的生物炭+低量化肥P2O50.26 g）；T6，5%生物炭+2P（添加质量分数5%的生物炭+高量化肥P2O50.52 g），每个处理重复4次，随机区组排列。各处理外源物质添加完后，用玻璃棒搅拌混匀土壤，分别加入200 mL 去离子水模拟淹水（稻田）条件，培养期间定期补水使土壤一直处于淹水状态，培养满90 d，取样测定土壤中全磷、有效磷和无机态磷组分含量。本试验所用磷肥为重过磷酸钙（P2O546.0%），生物炭来源为秸秆生物炭。

1.2 测定方法

全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定，有效磷采用碳酸氢钠提取，硫酸-钼锑抗比色法测定；土壤中无机态磷测定：采用鲁如坤［19］无机磷组分连续提取法测定土壤中可交换P、Ca-P、Al-P、Fe-P、O-P 等化学赋存形态磷。

1.3 统计分析

本研究采用Excel 2007 与DPS 18.10 进行数据处理分析及相关制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对灌於土土壤全磷含量的影响

研究结果表明，表层0～20 cm的土层上，与对照相比，外源性鸡粪、秸秆生物炭及其配施磷肥均能提高土壤全磷含量，其中单施鸡粪较对照土壤全磷增加55.2%，鸡粪配施磷肥与单施鸡粪相比土壤全磷含量增加不显著，即在灌於土上添加外源性鸡粪后，增加磷肥用量对土壤全磷增量差异不显著；单施外源性秸秆生物炭较对照土壤全磷含量略有增加（6.4%），达不到显著差异水平，但是秸秆生物炭配施高量磷肥与对照相比土壤全磷增加24.7%，达到显著差异水平（图1）。添加外源性鸡粪和秸秆生物炭相比，前者较后者显著提高灌於土全磷含量，增幅达45.9%。

2.2 不同处理对灌於土土壤有效磷含量的影响

试验结果表明，在表层0～20 cm 土层上，与对照相比，外源性鸡粪、秸秆生物炭及其与磷肥配施均能显著提高土壤有效磷含量，在外源性鸡粪添加条件下，单施鸡粪较对照土壤有效磷增加1 倍以上，单施鸡粪分别较鸡粪配施中量磷肥和高量磷肥土壤有效磷含量均降低了10%。在外源性秸秆生物炭条件下，与对照处理相比，单施秸秆生物炭土壤有效磷增加了65.8%，单施秸秆生物炭和秸秆生物炭与中量磷肥配施对土壤有效磷含量的增加差异显著，秸秆生物炭与高量磷肥配施较单施秸秆生物炭土壤有效磷增加29.4%。单施外源性鸡粪和秸秆生物炭相比，前者较后者土壤有效磷增加39.0 mg/kg，增幅达45.4%（图2）。

2.3 不同处理对灌於土土壤无机磷形态组分的影响

试验结果表明，灌於土土壤中无机磷以O-P、Ca-P 为主，其次为Ex-P 和Fe-P，Al-P 含量最低（表1）。在外源性鸡粪添加下，与对照相比无机磷总量显著增加，其中土壤Ca-P 影响最大，较对照Ca-P 含量增加88.4%。随着施磷水平的增加无机磷（Pi）占土壤全磷（TP）总量比例也逐渐提高，其中O-P 增加最为显著，其次为Ex-P 和Al-P，而Fe-P 和Ca-P 随施磷水平的增加差异不显著。在外源性秸秆生物炭添加下，与对照相比无机磷总量也呈显著增加，其中增加最为显著的为O-P，增幅为45.0%，其次为Ex-P 和Al-P，而Fe-P 和Ca-P 几乎没有影响，甚至Ca-P 稍有降低趋势，在外源性碳添加条件下随着施磷水平的提升土壤无机磷差异不显著。从添加外源性鸡粪和秸秆生物炭来看，前者较后者无机磷总量增加176.1 mg/kg，增幅达34.5%，其中，增幅最显著的为Ca-P，其次为O-P 和Fe-P，而Ex-P 前者较后者降低了1 倍以上；但是从无机磷占全磷的百分含量来看，添加外源性秸秆生物炭较鸡粪无机磷占全磷的百分数显著增加，其中同等磷肥水平下以秸秆生物炭配施中量磷肥增幅最大，达到30.3%，这可能与鸡粪的添加增加了土壤全磷总量有关。

表1 不同处理土壤无机磷各组分含量

2.4 不同处理对土壤磷素中各形态无机磷组分比例的影响

试验结果表明，与对照相比，在外源性鸡粪和秸秆生物炭添加下，作物能够吸收利用的Ex-P、Al-P、Fe-P 占土壤全磷总量的百分数均增加，而作物较难利用的O-P 相对增加，而Ca-P 有所降低（表2）。在添加外源性鸡粪条件下，随着化学磷肥施入量的增加，除Ca-P 降低外，Ex-P、AL-P、Fe-P、O-P 占土壤全磷的百分数较对照也均有增加，Ca-P 降低，而Fe-P 和O-P 变化不大。在添加外源性秸秆生物炭条件下，增施磷肥对各形态无机磷占土壤全磷的百分数影响差异较小。由此可见，施用外源性鸡粪和秸秆生物炭可以增加灌淤土Ex-P、AL-P、Fe-P、O-P 所占土壤全磷总量的相对比例。

表2 不同处理下各形态无机磷占土壤全磷百分数 （%）

3 讨论

在农田管理中外源磷的添加是提高土壤磷素有效性的关键因素，有机物料施入土壤，可以减少土壤对磷素的固定，还可以促进土壤全磷向有效态转化，适宜的有机无机配比可以使土壤能够持续保持较高的供磷能力。多数研究结果表明，肥料的投入与土壤总磷库和无机磷磷库的增加显著相关［20-23］。本试验结果与前人研究有相似之处，但在本试验中，外源性有机肥或秸秆生物炭配施磷肥对灌淤土Ca-P、O-P 含量与对照相比增加显著，这说明施用有机肥或生物炭是提高土壤总磷库、无机磷库的有效手段。纵观前人研究结果，有机肥增加土壤有效磷的原因有两方面，一是因为有机肥本身含有一定数量的有机磷，而这部分的磷是易于分解释放的，因此提高了土壤有效磷的含量。另一方面，有机肥可以增加土壤有机质的含量，有机质本身可以矿化外，还可能具有以下作用：一是有机阴离子可参与竞争土壤固相表面的专性吸附点从而降低了对磷的吸附固定，二是有机质分解产生的某些有机酸可与土壤中难溶性磷酸盐的金属离子产生络合反应从而释放其中的磷，三是腐殖质可在铁、铝氧化物等胶体表面形成包蔽，也可减少对磷的吸附固定。王伯仁等［24］研究表明，施用有机肥料土壤中的磷以Ca-P 和Al-P的积累为主要表现形式，施用化学磷肥能够提高土壤中的全磷含量，并且以Al-P的增幅最大，在所有的处理中均表现为O-P 相对稳定。吕家珑等［25］试验结果表明，施用化肥或有机肥均可显著增加土壤中Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P的含量，而Ca10-P 和O-P 在短期内是不能生成的。马艳梅［26］研究表明，长期施用有机肥（牛粪厩肥）后，土壤中的无机磷主要向Fe-P、Al-P 和Ca-P 转化；长期施用化肥后土壤中无机磷主要向Fe-P、O-P 和Al-P 形态转化，这说明施用化肥有促进Ca-P 体系向Fe-P 体系转化的作用，施入的化学磷素被土壤固定的作用较为严重。中国农科院长期定位试验研究结果表明，长期施用磷肥能够提高土壤中的无机磷总量和各形态无机磷含量，其中以Ca-P、Al-P 和Fe-P 提高的比例显著，而O-P和Ca10-P 提高的比例较低［27］。韩晓日等［28］在棕壤土上研究表明，长期施入有机肥或化学磷肥，除了Ca10-P 含量在耕层减少外，其它各形态无机磷含量都有所增加。高天一等［29］研究连续5 年增施生物炭对棕壤土土壤磷素变化情况表明，施用生物炭可以促进棕壤磷素积累并提高其活性；施用生物炭条件下，Al-P、活性有机磷（LOP）是棕壤磷素的活跃组分，提高Al-P 含量、限制高稳性有机磷（HROP）含量是生物炭提高棕壤磷素有效性的主要途径。由此可见，外源碳磷输入方式（磷肥管理措施）对土壤磷素转化形态和累积过程均会产生重要的影响，而有关农田土壤磷素形态与转化、富集过程以及施肥对土壤磷素有效性等已开展了很多研究，也取得了大量进展，不同学者在不同条件、不同土壤类型和气候条件下，研究结论各有己见。

4 结论

本试验以宁夏引黄灌区水旱轮作种植模式为背景，以灌淤土为研究基础，采用室内培养法研究水旱轮作淹水培养90 d 后灌淤土磷素的演变特征，主要形成以下结论：

（1）外源性鸡粪、秸秆生物炭及与磷肥配施均能显著提高土壤全磷含量，在灌於土上添加外源性鸡粪后，增加磷肥用量对土壤全磷增量差异不显著；单施外源性秸秆生物炭对土壤全磷含量增加不显著，但秸秆生物炭配施高量磷肥土壤全磷增加24.7%，添加外源性鸡粪和添加秸秆生物炭土壤全磷前者较后者增加45.9%。

（2）灌淤土表层土壤0～20 cm，外源性鸡粪、秸秆生物炭及与磷肥配施均能显著提高土壤有效磷含量，添加外源性鸡粪较不施肥土壤有效磷增加1倍以上，鸡粪、秸秆生物炭配施磷肥较单施鸡粪、秸秆生物炭可显著提升土壤有效磷含量。添加鸡粪与添加秸秆生物炭相比，前者较后者土壤有效磷含量提升45.4%。

（3）灌於土土壤中无机磷以O-P、Ca-P 为主，其次为Ex-P 和Fe-P，Al-P 含量最低。添加外源性鸡粪可显著增加土壤Ca-P 含量；增加磷肥无机磷占土壤总磷比例提升；添加外源性秸秆生物炭增加土壤无机磷O-P、Ex-P 和Al-P 含量，对Fe-P和Ca-P 含量影响较小；添加外源性鸡粪和秸秆生物炭无机磷总量前者较后者增加176.1 mg/kg，增幅达34.5%。

（4）施用外源性鸡粪和秸秆生物炭均可改变土壤中各无机磷组分形态，提高了Ca-P、Al-P、Fe-P 所占土壤全磷总量的相对比例，但添加外源性鸡粪和秸秆生物炭前者较后者土壤全磷增加了45.9%，以至于无机磷总量占土壤全磷总量相对比例后者较前者略有提升，提高8.5%。