施磷对陇中黄土高原春小麦耕层土壤磷组分及有效性的影响

齐 鹏，王晓娇，焦亚鹏，郭高文，马娟娟，武 均,3，蔡立群，张仁陟

(1.甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃 兰州 730070；3.甘肃省节水农业工程技术研究中心,甘肃 兰州 730070；4.甘肃农业大学管理学院,甘肃 兰州 730070)

磷素既是作物生长发育必需的营养元素，也是限制作物优质高产的营养元素之一[1]。长期以来，由于黄土高原的特殊性质和人类活动的影响[2]，导致该区土壤中有效磷含量较低，作物生长所需的磷素大部分靠磷肥投入获取。大量施磷虽然可以使作物产量增加，但同时也加大了土壤对磷素的吸附固定，进而降低磷肥利用效率，形成恶性循环[3]。长期大量投入磷肥会导致磷素在土壤中大量累积，不仅浪费了磷肥资源，也带来了环境风险[4-5]。磷养分资源的综合管理是协调作物高产和环境友好的关键所在，获取土壤中磷组分信息对于提高土壤磷的利用率具有重要意义[6]。如何利用土壤积累的磷养分库达到节肥、增产、降低环境污染的目的，对促进可持续发展的农业模式具有重要意义[7]。

长期持续施磷可能会导致土壤磷形态和磷素有效性发生改变[8]。磷素主要以无机、有机形态存在于土壤中[9]，有机磷需要矿化成无机磷后才能被植物吸收利用[10]。施磷量不同，无机、有机磷的含量及其占全磷的比例也有所不同。土壤磷素有效性是指土壤磷素能被植物所吸收利用的程度，而土壤中磷的存在形态是磷素有效性不同的主要原因[4]。因为在整个土壤磷素循环过程中，磷形态相互转化一直处于动态平衡。因此磷素任何形态的变化，都会引起有效磷含量的波动[11-13]。大量研究均表明[14]，施磷可显著增加各无机磷组分的含量。但施磷对有机磷组分的影响结论不太一致，张震[15]在长期施肥和封围草地上的研究表明，土壤各有机磷组分均不同程度地增加，中长期施肥对有机磷组分增加幅度影响较大。史静等[16]在红壤上的研究表明，施磷可显著增加MLOP、MROP，降低LOP、HROP。Zhang等[17]认为施用磷肥可以增加土壤各形态有机磷含量。磷在土壤中的移动性弱、易固定、基本没有挥发和淋溶的损失、有效性低，所以土壤中磷的盈亏主要由磷肥的施用和植物的消耗所决定[18]。谢林花[19]的研究表明，有效磷与所有无机磷组分和LOP均呈极显著相关关系，与MLOP、MROP、HROP无显著相关。张为政[20]研究表明，除了O-P和HROP外，其他磷组分均与有效磷呈显著或极显著相关。

多年来，有关学者对陇中黄土高原磷素的分级、迁移转化、空间分布等做了一些研究，但不同施磷量对陇中黄土高原旱作农田耕层土壤磷素形态及其有效性影响的研究较少。因此，本研究以陇中黄土高原旱作春小麦农田为研究对象，通过对土壤各形态磷素赋存状况及其有效磷之间关系的研究，探究不同施磷量对土壤磷组分分配与转化以及有效性的影响，以期为合理施用磷肥及提高磷的有效性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试区位于陇中黄土高原旱作农业区的甘肃省定西市李家堡镇麻子川村(104°44′ E ，35°28′ N)。试区农田土壤为典型的黄绵土，质地均匀、土质绵软。平均海拔2 000 m，无霜期140 d，年均日照时数2 476.6 h，年均太阳辐射594.7 kJ·cm-2，年均气温6.4℃，≥0℃积温2 933.5℃，≥10℃积温2 239.1℃，属中温带半干旱区；多年平均降水390.9 mm，年蒸发量1 531 mm，80%保证率的年降水量为365 mm，变异系数为24.3%，为典型的雨养农业区。

1.2 试验设计

本试验于2017年布置在甘肃省安定区李家堡镇麻子川村，设4个施磷水平，分别为含P2O50.0(P1)、75.0(P2)、115.0(P3)、190.0(P4) kg·hm-2，试验设3次重复，各处理小区面积为27 m2(4.5 m×6 m)，随机完全区组排列，共计12个小区。氮肥为尿素(N 46%)，各小区均施115 kg·hm-2(纯氮)，磷肥为过磷酸钙(P2O512%)，于播种前作基肥一次性施入，不追肥。前茬作物收获后三耕两耱，供试作物为春小麦(定西40号)，于2019年3月下旬播种，7月下旬收获，播种量187.5 kg·hm-2，行距20 cm，播深7 cm。试区土壤基本理化性质：pH 8.45、有机碳8.32 g·kg-1、全氮0.86 g·kg-1、全磷0.82 g·kg-1、全钾28.00 g·kg-1、碱解氮51.1 mg·kg-1、速效磷21.2 mg·kg-1、速效钾101 mg·kg-1，0～200 cm平均土壤容重1.17 g·cm-3。

1.3 样品采集

2019年7月下旬春小麦收获后采用“S”型5点取样方法采集0～20 cm耕层土样，混匀并挑除其中动植物残体，过2 mm筛，风干后备用。于2019年7月25日小麦收获前，每个小区随机选取20株小麦，用去离子水洗净后将籽粒和秸秆分离，105℃烘30 min后于80℃烘干至恒重，称量计算干物质量，粉碎过筛后待测，各小区全区刈割，去除边际效应。

全磷采用H2SO4-HClO4酸溶-钼锑抗比色法测定[9]；土壤有效磷(Olsen-P)采用Olsen方法测定无机磷含量[21]；土壤无机磷组分根据顾益初-蒋柏藩法[22]将无机磷分为6级：Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P与Ca10-P；土壤有机磷组分：Bowman-Cole法[23]按其在不同浓度酸碱溶液中的溶解性，将有机磷分为4组：活性有机磷(Labile organic P, LOP)，中等活性有机磷(Moderately labile organic P, MLOP)，中稳性有机磷(Moderately resistant organic P, MROP)，高稳定性有机磷(Highly resistant organic P, HROP)；水溶液总磷用过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法[24]测定。

PAC(Phosphorus activation coefficient，磷活化系数)=有效磷/全磷

地上部吸磷量(kg·hm-2)= 各器官磷含量×各器官干重

有机磷(mg·kg-1)= 总磷-无机磷

1.4 数据处理

用Excel 2016和SPSS 18.0进行试验数据统计分析，使用Sigma Plot 14.0作图，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同施磷处理各磷组分的显著性。采用Duncan’s法检验不同处理间平均值在P<0.05水平的显著性差异。采用Pearson相关分析法(Correlate-Pearson)确定土壤磷组分与有效磷之间的关系。

2 结果与分析

2.1 不同施磷水平下土壤各形态磷的含量

由图1可知，土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P、LOP、MLOP、MROP、HROP、有效磷、全磷的变化范围为21.15～32.41、165.97～247.27、28.63～43.45、33.06～37.64、57.67～66.24、321.96～341.60、4.15～4.93、111.17～163.21、22.33～27.31、32.83～41.95、14.16～22.23、856.91～974.83 mg·kg-1。土壤磷组分含量变化顺序为Ca10-P> Ca8-P> MLOP> O-P> HROP> Fe-P> Al-P> Ca2-P> MROP> LOP。

不同施磷水平均能显著影响土壤磷组分。施磷增加了所有磷组分、有效磷、全磷的含量(P<0.05)。随着施磷量的增加，Ca2-P、Ca8-P、O-P、LOP、MLOP、MROP、HROP、有效磷、全磷含量增加；Al-P、Fe-P、Ca10-P含量先增加后降低，Al-P和Fe-P在 P2水平含量最高、Ca10-P 在P3水平含量最高，P1水平含量最小。

2.2 不同施磷水平下土壤各形态磷相对含量的变化

不同施磷水平下，土壤各磷组分占全磷的比例分布情况见图2。如图所示，施磷显著影响了土壤各形态磷素的相对含量(P<0.05)。所有处理土壤无机磷组分均以Ca10-P为主，约占总无机磷的50%，无机磷比例变化顺序为Ca10-P>Ca8-P>O-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P。所有处理土壤有机磷组分均以MLOP为主，约占总有机磷的65%，有机磷变化顺序为MLOP>HROP>MROP>LOP。随着施磷量的增加，Ca2-P、Ca8-P和MLOP增加，在P4处理最大、P1处理最小；Al-P、LOP先增加后减小，在P2处理最大、P4处理最小；Fe-P、Ca10-P、MROP、HROP减小，在P1处理最大、P4处理最小；O-P先减小后增加，在P1处理最大、P3处理最小。

不同施磷水平对土壤不同有效性磷组分占全磷的比例分布情况见表1。施磷显著增加了磷活化系数(PAC)(P<0.05)。平随着施磷量的增加，PAC增加，在P4处理最大、P1处理最小；总无机磷占全磷的相对含量和总无机磷与总有机磷之比先增加后减小，P2处理最大、P4处理最小；总有机磷占全磷的相对含量先减小后增加，P4处理最大、P2处理最小。

表1 不同施磷水平下土壤各磷组分的相对含量/%Table 1 Relative content of soil phosphorus components at different levels of phosphorus application

2.3 不同施磷水平对春小麦产量的影响

不同施磷水平对春小麦产量和磷肥利用率的影响见表2。由表2可知，施磷显著增加了春小麦的地上部吸磷量、籽粒产量、地上部生物量和春小麦农田的磷素表观盈余、磷素利用率(P<0.05)。随着施磷水平的增加，籽粒产量、地上部吸磷量和磷素表观盈余增加；地上部生物量先增加后减小，P1处理最小、P3处理最大。磷肥利用率的顺序为P3>P2>P4。

表2 不同施磷水平对春小麦产量的影响Table 2 Effects of different phosphorus application levels on spring wheat yield

2.4 土壤各形态磷含量和有效磷含量的关系

为了进一步探讨土壤有效磷与土壤各形态磷组分间的关系，由图3可知，土壤Olsen-P与Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P、Ca10-P、LOP、MLOP、MROP、HROP呈显著正相关(P<0.05)，决定系数R2分别为0.9209、0.7958、0.5600、0.8285、0.5322、0.8159、0.7575、0.7195、0.7718；与Al-P不相关(P>0.05)。

土壤磷组分与有效磷之间的通径分析结果如表3所示。由表3可知，本研究有效磷与Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P、Ca10-P、LOP、MLOP、MROP、HROP呈极显著正相关(P<0.01)，其相关系数R分别为0.9596、0.8921、0.7484、0.9102、0.7297、0.9033、0.8704、0.8482、0.8785；与Al-P不相关(P>0.05)。

表3 土壤磷组分(X)与有效磷(Y)之间的通径分析Table 3 Path analysis between soil phosphorus component and available phosphorus

土壤磷形态对有效磷的直接影响(直接通径系数)大小顺序为：Ca8-P(1.4570)>Ca2-P(1.3370)>MLOP(-1.3020)> LOP(-0.9690)>HROP(0.6200)>MROP(0.4320)>Fe-P(-0.3810)> Al-P(-0.3040)> O-P(-0.1220)>Ca10-P(-0.0420)。其中有效磷与Ca2-P的相关系数最大，说明它们的相关程度最高，表明Ca2-P是作物最有效的磷源。Ca10-P、O-P、Al-P、Fe-P、LOP、MLOP对有效磷具有负向直接效应，但是其相关系数表现为正相关，这主要是受Ca2-P、Ca8-P、MROP、HROP的间接影响，表明这些磷组分通过影响其他形态的磷对有效磷产生间接作用。

为了进一步检验各形态磷组分对有效磷含量影响的显著性，采用了逐步回归分析。由逐步回归分析可知，土壤有效磷与各形态磷组分的逐步回归方程：Olsen-P=0.435×Ca2-P+0.352×O-P-15.366，其中方程R=0.986，P<0.01，达到显著水平，逐步回归是有意义的。O-P虽然与有效磷有一个极显著的正相关系数(0.9102)，但其直接影响为负值(-0.1220)，而它与有效磷的正相关是因为通过 Ca2-P、Ca8-P、MROP、HROP通径系数所致。表明Ca2-P是陇中黄土高原春小麦农田土壤有效磷的主要磷源。

3 讨 论

3.1 不同施磷水平对各形态磷组分分布的影响

近年来国内学者采用蒋柏藩-顾益初、Bowen-Cole磷素分级的方法在土壤的磷素状况等方面做了大量的研究工作，研究表明我国北方石灰性土壤主要以无机磷为主[25]，约占土壤全磷的70%～90%[26]。本研究结果表明无机磷占全磷的73%～81%，占比随施磷量的增加先升高后降低。磷肥施入土壤中，使土壤中磷素水平普遍提高，施肥量越大，则施入土壤中的磷就越多，所以土壤中的磷素随施磷量的增大而增大，且是年限增加、施肥积累的结果[27]。不同施肥处理下，有机、无机磷库的耗竭和累积速度是不同的，土壤中有机磷短时间内不易矿化被作物吸收利用，从而影响土壤无机磷和有机磷的比值[28]。

有研究表明[14]，施磷可显著增加各无机磷组分的含量。本研究结果也表明施磷显著增加了各无机磷组分，这与前人[14]的研究结果一致。施磷对有机磷组分的影响结论不太一致，史静等[16]对红壤的研究表明，施磷可显著增加MLOP、MROP，降低LOP、HROP比例。Zhang等[17]认为施用磷肥可以增加土壤各形态有机磷含量。赵吴琼等[29]则认为，不施磷肥处理能降低土壤有机磷组分，而施磷肥处理可以提高有机磷各组分的含量。本研究结果表明，施磷显著增加了各有机磷组分的含量。施用磷肥后激发了固磷微生物的活性，增加了微生物对磷素的固定。本研究中，所有处理土壤无机磷组分均以Ca10-P为主，无机磷相对含量变化顺序为Ca10-P>Ca8-P>O-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P。这与江晶等[30]、王海龙等[14]在石灰性土壤上的研究结果一致。近年来国内外学者采用Bowman-Cole有机磷分级的方法在土壤的有机磷组分分配与转化等方面做了大量的研究工作，不同地区的土壤由于理化性质不同，总有机磷占全磷的比例相差较大，但研究表明有机磷组分中基本都以MLOP为主。本研究中，土壤有机磷组分相对含量变化顺序为MLOP>HROP>MROP>LOP，这与海龙等[31]在本文相同试验区研究春小麦耕作方式及轮作磷素形态时得出的结果一致。随着施磷量的增加，Ca2-P、Ca8-P和MLOP占比增加；Al-P、LOP占比先增加后减小；Fe-P、Ca10-P、MROP、HROP占比减小；O-P占比先减小后增加。王海龙[32]在山东潮土上的研究结果表明，施用磷肥可以提高作物能够吸收利用的Ca2-P、Ca8-P、Al-P所占无机磷总量的相对比例。金欣等[33]研究发现长期施用磷肥显著增加了土壤中除O-P以外各无机磷组分的比例，降低了O-P和有机磷的比例。王斌等[34]发现灰漠土长期不施肥处理土壤Ca2-P、Ca8-P向Ca10-P转化，长期施肥处理Ca2-P、Ca8-P、Al-P显著增加。这与本研究结果一致，是由于经过长期定位试验，不同施肥处理无机磷各组分的含量发生了显著改变的原因。黄庆海等[35]在江西红壤上的研究表明，耗磷条件主要引起MLOP、LOP减少，而施磷措施主要促进MROP、HROP的增加。冯跃华等[36]在湖南稻田上的研究则表明，土壤有机磷中变化的主要是MLOP，而其余3种形态有机磷在水稻生长期间几乎保持不变。这与本文的研究结果不一致，可能是由于土壤、气候、作物等不同导致微生物对有机磷的固定与利用有区别，最终影响土壤有机磷组分的分配与转化。综上可知，长期施磷肥主要是通过提高Ca2-P、LOP、Ca8-P、Al-P、MLOP的比例，降低土壤中难溶性、作物难以利用的Fe-P、O-P、Ca10-P、MROP、HROP比例从而增加了有效磷含量，进而提升了土壤潜在供磷能力[11]。

土壤磷活化系数(PAC)是有效磷占全磷的比值，反映了全磷向有效磷的转化程度[11]。大多数学者认为施磷肥能够提高土壤磷素活化系数[37]。沈浦[38]认为对于同一土壤，随着磷肥施用量的增加，土壤有效磷和磷活化系数增加。本文研究结果表明，PAC随施磷量的增加而增加，与前人的研究结果一致。

3.2 不同施磷水平下各形态磷组分与有效磷的关系

磷在土壤中的移动性弱、易固定、基本没有挥发和淋溶的损失、有效性低，所以土壤中磷的盈亏主要由磷肥的施用和植物的消耗所决定[18]。在整个土壤磷素循环过程中，磷形态相互转化一直处于动态平衡。因此磷素任何形态的变化，都会引起有效磷含量的波动[11-13]。本研究区农田耕层土壤磷组分除Al-P与有效磷不相关外，其他形态的磷素与有效磷均呈极显著正相关关系。谢林花[19]的研究表明，有效磷与所有无机磷组分和LOP均呈极显著相关关系，与MLOP、MROP、HROP无显著相关。史静等[16]研究发现，有效磷与Fe-P、MLOP呈极显著正相关，与MROP、Al-P呈显著正相关，与Ca-P、O-P、LOP、HROP无显著相关。张为政[20]研究表明，除了O-P和HROP外，其他各磷组分均与有效磷呈显著或极显著相关。李若楠等[11]对陕西塿土的研究表明，除Ca10-P与Olsen-P呈显著负相关关系以外，其他形态的无机磷与Olsen-P都呈极显著正相关关系。上述结果与本研究的结果不太一致，这可能是由于本研究区的特殊环境导致增施磷肥降低了Al-P的有效性。通径分析结果可知，土壤磷形态对有效磷的直接影响大小顺序为：Ca8-P>Ca2-P>MLOP>LOP>HROP> MROP> Fe-P>Al-P> O-P>Ca10-P，其中有效磷与Ca2-P的相关系数最大，说明它们的相关程度最高，表明Ca2-P是土壤有效磷中最有效的磷源。Ca10-P、O-P、Al-P、Fe-P、LOP、MLOP对有效磷具有负向直接效应，但是其相关系数表现为正相关，这主要是受Ca2-P、Ca8-P、MROP、HROP的间接影响，表明这些磷组分通过影响其他形态的磷对有效磷产生间接作用。逐步回归结果表明，Ca2-P是陇中黄土高原春小麦农田土壤有效磷中的最有效磷源。谢林花[19]在石灰性潮土上的研究表明，土壤磷形态对有效磷的直接影响大小顺序为：Ca2-P> Ca8-P> Al-P> O-P> Fe-P> LOP> HROP> MROP> MLOP> Ca10-P；逐步回归结果表明，Ca2-P和Ca8-P是有效磷的主要磷源。这与本文的结果部分一致。O-P与有效磷呈极显著正相关，但其直接影响为负值，它是通过Ca2-P、Ca8-P、MROP、HROP而对有效磷产生较大贡献，这一点和李若楠等[11]的研究结果一致，其可能的作用机理与其余几个形态的无机磷不一致，可能是由于黄土高原环境的特殊性，导致在某些还原条件下，其包被铁膜被还原，致使O-P被活化释放出磷素，可以被植物吸收利用[39]。

4 结 论

陇中黄土高原旱作农业区春小麦耕层土壤磷素主要以无机磷为主，其中无机磷中又以Ca10-P占比最高，有机磷中主要以MLOP为主。施磷可增加各磷组分的含量，本区土壤磷组分含量变化顺序为Ca10-P>Ca8-P>MLOP>O-P>HROP>Fe-P>Al-P>Ca2-P>MROP>LOP。本研究区农田耕层土壤磷组分除Al-P 与有效磷不相关外，其他形态的磷素与有效磷均呈极显著正相关关系。通径分析和逐步回归结果表明，Ca2-P对有效磷的贡献最大，表明Ca2-P是陇中黄土高原旱作春小麦耕层土壤最有效的磷源。长期施磷肥主要是通过提高Ca2-P、LOP、Ca8-P、Al-P、MLOP的比例，降低土壤中难溶性、作物难以利用的Fe-P、O-P、Ca10-P、MROP、HROP比例,从而增加了有效磷含量，进而提升了土壤的潜在供磷能力。