控水控肥对微喷灌三七土壤磷素的影响

郑阳，脱云飞，杨翠萍，王倩，王昭仪,向萍，杨启良

(1.西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224；2.四川栗子坪国家级自然保护区管理局，四川 石棉 625400；3.昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650500)

土壤磷素质量比和有效性直接影响植物生长发育，其迁移方式以扩散为主，土壤磷素易被土壤胶体固定，导致磷素主要富集在土壤表层，而深层土壤中相对不足[1-3].

国内外学者对灌溉施肥条件下土壤养分运移及分布特性做了大量研究[4].试验表明喷灌施肥条件下速效磷和速效钾分布在土壤深度0～20 cm作物主根区，有利于植物根系对土壤养分吸收利用[5-6].章明奎等[7]研究土壤磷垂直迁移机理发现，土壤中磷以基质流和优势流2种方式进行迁移，且大孔隙周围土壤磷浓度均明显高于其他土壤深度.LI等[8]研究不同灌溉方式土壤磷分布特性发现，土壤中磷分布与灌溉方式显著相关，土壤深度0～60 cm滴灌和地下灌溉有效磷含量低于沟灌，20～60 cm土层中滴灌TP和AP含量高于沟灌.李久生等[9]研究了喷灌施肥均匀系数对冬小麦生育期内土壤水肥分布特性，结果表明土壤硝态氮时空分布存在明显差异，且土壤初始硝态氮含量均匀性影响其变异性.邢海峰等[10]研究发现磷肥全部通过滴灌分次施入，马铃薯土壤中含磷量明显高于磷肥基施.徐芷君等[11]研究川西亚高山深林生态系统土壤磷储量，发现矿质土壤层中全磷储量显著高于有机层中含量.叶春等[12]研究丘陵区小流域不同地类土壤磷储量特征，发现林地、旱地、水旱轮作田土壤氮磷表现出表聚性，并且指出紫色土丘陵区耕地土壤氮磷养分流失较高，而储量相对最低林地土壤养分固持潜力最大.GEISSELER等[13]研究表明在滴灌施肥点土壤磷集聚最多，且随滴头距离增大而逐渐减少.SOLIMAN等[14]试验结果表明在0～15 cm施肥区，速效磷含量最高，随剖面深度增加逐渐降低.MARANGUIT等[15]研究表明磷最大积累区在土壤深度0～50 cm.KASSIR等[16]研究无机磷肥和有机磷肥对磷移动的影响，结果表明以磷酸作肥源时磷沿水平方向移动10～15 cm，沿垂直方向移动20 cm；而以甘油磷酸盐作肥源时磷水平方向运移15～20 cm，沿土壤深度方向运移25 cm.ADUSUMILLI等[17]和DAI等[18]对滴灌和波涌灌施肥对土壤有效磷影响的研究表明波涌灌处理下磷集聚在土壤表层，土壤深度20～40 cm的有效磷含量显著下降，滴灌处理有效磷峰值分布在耕作层，滴灌处理条件下有效磷分布较均匀.

国内外针对土壤磷素研究主要集中在磷素形态分析及其运移规律方面，对不同灌水方式土壤磷素运移研究较多，而对控水控肥条件下微喷灌三七土壤全磷和速效磷运移分布及其储量特性研究较少.文中通过4个控肥水平和3个控水水平正交试验设计，研究控水控肥条件下微喷灌三七土壤全磷和速效磷沿水平方向和土壤深度方向运移分布特性，及土壤全磷和速效磷随土壤深度储量变化特性，土壤全磷和速效磷沿水平方向和土壤深度方向运移分布特性研究有助于三七吸收利用土壤养分，实现精准施肥和灌溉，有利于提高三七水肥利用效率.该研究对三七农田土壤水肥高效利用和调控提供技术支持，对三七高产优质种植具有重要的指导意义.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于云南省红河哈尼族彝族自治州泸西县(103°30′～104°03′E，24°15′～24°46′N)，泸西县属于北亚热带季风气候区，县境内气候特点为干湿季节分明，夏季多雨、冬春干旱[19]，平均海拔1 540 m，多年平均气温15.6 ℃，最高月平均气温31.7 ℃，最低月平均气温-2.7 ℃，极端最高气温33.5 ℃，极端最低气温-7.1 ℃，多年平均最大风速2.5 m/s，多年平均降水量 850.0 mm，年均日照2 122 h，无霜期272.7 d.属山地高原喀斯特地形，岩溶地貌特征显著，土壤类型主要以红壤为主，植被类型以季风半湿润常绿阔叶林为主.

1.2 试验设计及样品采集

试验于2017—2019年在泸西县大栗树村三七典型种植区进行，每年3—10月进行试验.三七采用双层遮阳网遮盖，灌水方式为倒挂微喷灌，灌水施肥每月1次，采样时间为每次灌水施肥后第3天进行，施肥与灌水同时进行喷洒均匀湿润地面，用塑料薄膜遮盖排出自然降水，多余的水量通过开挖鼠道排出试验区.根据当地三七种植高产高效灌溉施肥制度，试验设置4个控肥水平分别为W2F1，W2F2，W2F3和W2F4，每亩施肥水平分别为3.20，4.80，6.20和8.00 kg;3个控水水平分别为W1F2，W2F2和W3F2，灌水水平分别为0.4FC，0.6FC和0.8FC，其中FC为田间持水率，为42.28%.CK为对照处理，对照处理不施肥不灌溉，每个处理3个重复，共计24个小区，每个小区长16.70 m，宽1.50 m，种植前开沟起垄，沟深30 cm，沟底宽40 cm，以确保灌水时不漏水、不漫沟，定期锄草等田间管理措施.试验时每个小区选择1株三七为研究对象，水平方向和土壤深度方向在同一垂直平面上，以三七茎秆为中心沿水平方向(统一为行距方向)外延每隔10 cm采土样，水平方向长度50 cm，沿土壤深度方向每隔10 cm采土样，采样深度50 cm，取得鲜土用自封袋密封带回实验室，风干后过2 mm筛，之后进行土壤全磷和速效磷测试，对每次采样数据求其平均值进行处理.肥料选用德美水溶性有机肥质量比：φ(N)≥21%，φ(P2O5)≥21%，φ(K2O)≥21%，φ(腐殖酸)≥6%，φ(Fe螯合态)≥0.05%，φ(Zn螯合态)≥0.05%，φ(Cu螯合态)≥0.017%，φ(Mn螯合态)≥0.05%，φ(B)≥0.1%，φ(Mo)≥0.007%，φ(Hg)≤5 mg/kg，φ(As)≤10 mg/kg，φ(Cd)≤10 mg/kg，φ(Cr)≤50 mg/kg，φ(Pb)≤50 mg/kg.试验土壤基本的理化性质如表1所示，表中w为质量比，r为土壤容重.

表1 试验土壤基本理化性质

1.3 测定方法及其数据分析

土壤全磷(TP)采用钼锑抗比色法测定；土壤速效磷(AP)采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定.采用Surfer15.0软件绘制控水控肥三七土壤全磷和速效磷的分布，采用SPSS24.0计算均值(mean)、均方根误差(root mean square error)、标准差(standard deviation)、均匀系数Cu和偏态系数Cs.土壤磷素分布均匀系数Cu，采用克里斯琴森均匀系数[18]计算,即

(1)

偏态系数Cs作为衡量系列不对称程度的参数，其计算式[19]为

(2)

式中：Cs为土壤TP，AP变化的偏态系数；σ为TP，AP质量比的标准差.

土壤全磷、速效磷储量计算式为

(3)

式中：ST为试验小区0～50 cm土层土壤全磷、速效磷储量，kg/m2;ρi为第i层土壤容重，g/cm3，沿土壤深度剖面实测土壤容重平均值为1.30 g/cm3；di为第i层土壤厚度，取10 cm.

2 结果与分析

2.1 控水对三七土壤全磷、速效磷分布影响

图1为处理W1F2,W2F2,W3F2和CK三七土壤全磷质量比沿水平方向d和土壤深度h方向分布.由图可知，不同灌水量条件下土壤全磷以三七植株为中心沿水平方向和土壤深度的增大均逐渐减小，水平方向最大值出现的范围在0～10 cm，土壤深度最大值出现的范围在0～20 cm.处理W1F2,W2F2,W3F2和CK土壤深度0～50 cm全磷质量比平均值分别为0.58,0.50,0.49和0.41 g/kg，W1F2,W2F2,W3F2全磷比CK分别增大了41.46%,21.95%和19.51%.处理W1F2在水平方向0 cm、土壤深度0处出现全磷质量比最大值，为1.10 g/kg；处理W2F2全磷质量比在水平方向分别为10 cm，土壤深度为0出现最大值，为0.98 g/kg.处理W3F2在水平方向和土壤深度均为0处，三七植株根际生长周围出现全磷质量比最大值，为1.17 g/kg.处理CK水平方向10 cm、土壤深度10 cm处出现全磷质量比最大值，为0.66 g/kg.处理W1F2，W2F2，W3F2和CK三七土壤全磷质量比最小值均出现在水平方向和土壤深度方向最大处，处理W1F2，W2F2，W3F2和CK土壤全磷质量比平均最小值分别为0.31，0.25，0.20和0.17 g/kg.其原因为有机肥随灌水施入土壤，全磷随灌水沿水平方向向外和土壤深度向下层运移，三七主根系分布在土壤深度0～30 cm，对土壤全磷吸收利用，改善三七土壤生态环境，促进正常生长发育，提高产量品质，多余全磷随土壤水分淋洗向深层运移，也有转化成磷素其他形态，致使土壤全磷质量比随沿水平方向和土壤深度的增大逐渐减小.

图1 控水条件下三七土壤全磷分布

图2为处理W1F2,W2F2,W3F2和CK三七土壤速效磷质量比沿水平方向和土壤深度方向分布.由图可知，不同灌水量下土壤速效磷以三七植株为中心沿水平方向和土壤深度的增大均先减小后增大，沿水平方向和土壤深度方向最大值出现的范围均在0～20 cm.处理W1F2,W2F2,W3F2和CK土壤深度0～50 cm速效磷质量比平均值分别为21.57,23.99,28.00和12.01 mg/kg，W1F2,W2F2,W3F2速效磷比CK分别增大了79.60%,99.75%和133.13%.土壤速效磷随灌水量增加而增加.处理W1F2速效磷在水平方向和土壤深度距离均为0出现最大值，为36.07 mg/kg;W2F2速效磷在水平方向10 cm、土壤深度0出现最大值，为51.40 mg/kg;处理W3F2速效磷在水平方向0，土壤深度10 cm出现最大值，为64.17 mg/kg.处理W1F2，W2F2，W3F2和CK三七土壤速效磷质量比最小值均出现在水平方向和土壤深度方向20～30 cm处，处理W1F2，W2F2，W3F2和CK土壤全磷质量比平均最小值分别为17.89，22.47，25.68和8.98 mg/kg.其原因为磷受到土壤的吸附作用，移动距离减小，有效性减弱.处理CK土壤速效磷水平方向为10 cm，土壤深度为0出现最大值，为16.95 mg/kg，处理W3F2下土壤速效磷质量比最大，灌水量对土壤速效磷影响较大.随着灌水量的增加，土壤对磷肥的固定和吸附作用减弱，使土壤中速效磷质量比高于处理CK.

图2 控水条件下三七土壤速效磷分布

2.2 控肥对三七土壤全磷、速效磷分布影响

图3为W2F1,W2F3,W2F4和图1中W2F2,CK处理三七土壤全磷沿水平方向和土壤深度方向分布.由图可知，不同施肥量土壤全磷以三七植株为中心沿水平方向和土壤深度的增大均先减小后增大，水平方向和土壤深度方向最大值出现的范围在0～10 cm.处理W2F1,W2F2,W2F3,W2F4和CK土壤深度0～50 cm全磷质量比平均值分别为0.46,0.50,0.45,0.57和0.41 g/kg，W2F1,W2F2,W2F3和W2F4全磷质量比比CK分别增大12.19%,21.95%,9.75%和39.02%.W2F1的全磷质量比最大值为1.02 g/kg，分布在土壤深度为10 cm、水平方向10 cm处；W2F3全磷质量比最大值分布在水平方向10 cm、土壤深度为0处，为1.32 g/kg；W2F4的全磷质量比最大值为1.14 g/kg，分布在水平方向0、土壤深度为0处.

图3 控肥条件下三七土壤全磷分布

图4为W2F1,W2F3和W2F4和图2中W2F2和CK处理下三七土壤速效磷沿水平方向和土壤深度方向分布.由图可知，不同施肥条件下土壤速效磷以三七植株为中心沿水平方向和土壤深度的增大均先减小后增大，水平方向和土壤深度最大值出现的范围在0～10 cm.处理W2F1,W2F2,W2F3,W2F4和CK土壤深度0～50 cm速效磷质量比平均值分别为22.98,23.99,28.82,27.79和12.01 mg/kg，处理W2F1,W2F2,W2F3,W2F4速效磷比CK分别增大91.34%,99.75%,139.96%和131.39%.W2F1,W2F3和W2F4最大值分别为36.35,55.00和64.72 mg/kg，均分布在土壤深度为0、水平方向0，表明土壤速效磷主要集聚在土壤表层三七根系附近.

图4 控肥条件下三七土壤速效磷分布

2.3 控水控肥对三七土壤全磷、速效磷分布特性影响

表2为控水控肥处理三七土壤全磷、速效磷分布特性，采用均值Mean、标准差SD、均方根误差RMSE、分布均匀系数Cu和偏态系数Cs评价.采用克里斯琴森均匀系数Cu评价控水控肥条件下土壤全磷、速效磷的分布均匀度.处理CK土壤全磷、速效磷的分布均匀系数分别为64.82%和76.11%.处理W1F2,W2F2,W3F2全磷分布均匀系数分别为70.98%,58.75%,46.77%，速效磷分布均匀系数分别为80.42%,70.05%,62.70%；处理W2F1,W2F3和W2F4全磷分布均匀系数分别为62.82%,46.83%和59.72%，速效磷分布均匀系数分别为76.45%,70.04%和68.68%.控水条件下处理W1F2全磷和速效磷分布均匀系数最大，分别为70.98%和80.42%，全磷和速效磷分布最均匀，而处理W3F2全磷和速效磷分布均匀系数最小，分别为46.77%和62.70%，全磷和速效磷分布最不均匀.处理W3F2全磷和速效磷均方根误差最大，表明全磷和速效磷分布最不均匀，而处理CK全磷和速效磷均方根误差最小.仅有处理CK全磷偏态系数为负值，其余处理全磷和速效磷偏态系数均为正值.控肥条件下处理CK全磷和处理W1F2速效磷分布均匀系数最大，分别为64.82%和76.45%，而处理W2F3全磷和处理W2F4速效磷分布均匀系数最小，分别为46.83%和68.68%，全磷和速效磷分布均匀系数较小，表明全磷和速效磷分布不均匀.处理W2F4全磷和速效磷均方根误差最大，表明全磷和速效磷分布最不均匀，而处理CK全磷和速效磷均方根误差最小.仅有处理W2F1速效磷偏态系数为负值，其余处理全磷和速效磷偏态系数均为正值.

表2 控水控肥三七土壤磷素分布特征

2.4 控水控肥对三七土壤磷素储量影响

图5为控水控肥条件下三七土壤全磷TP和速效磷AP储量.由图可知，控水条件下全磷和速效磷储量在土壤表层0～20 cm最大，全磷和速效磷储量随土壤深度增加逐渐减少，处理W1F2，W2F2，W3F2和CK全磷和速效磷储量差异均具有统计学意义，且显著大于处理CK.处理W1F2，W2F2，W3F2和CK全磷和速效磷储量随灌水量增加而增加.控肥条件下处理W2F1，W2F2，W2F3，W2F4和CK全磷和速效磷储量均随施肥量增加先增大后减小，处理CK 0～50 cm土壤全磷和速效磷储量分别为0.32 kg/m2和0.01 kg/m2.处理W2F3全磷储量平均值最大，为0.63 kg/m2，比处理CK增大96.17%；处理W2F3速效磷储量平均值最大，为0.026 kg/m2，比处理CK增大169.67%，其次处理W2F4速效磷储量平均值为0.025 kg/m2，因此，处理W2F3全磷和速效磷储量最大.处理W2F3为三七生长提供适宜土壤水分和养分.

注：同一列不同小写字母表示P<0.05下的差异具有统计学意义

3 讨 论

磷作为植物生长不可缺少营养元素之一，在土壤溶液中浓度较低而水肥耦合可提高肥料利用率，增加土壤中氮磷钾含量[20-22].本研究发现土壤磷素主要集聚在土壤表层0～20 cm，该研究与李憑峰等[23]研究一致，其研究发现滴灌施磷肥在土壤横向和纵向移动主要发生在0～10 cm土层，向下层移动量较小且分布集中.PAUDEL等[24]研究了葡萄柚养分淋失潜力，结果表明磷酸根在土壤表层和亚表层移动性大，土壤深度0～30 cm和30～60 cm分别淋失60%和40%.不同施肥量全磷和速效磷储量均随施肥量增加先增大后减小，处理W2F3全磷和速效磷储量平均值最大，表明施肥量过高全磷和速效磷产生拮抗作用，反而不利于植物吸收利用.文中研究结果与杨玥[25]的研究相一致，施用高量磷肥土壤表层中速效磷含量无明显增加.不同施肥量全磷和速效磷以三七植株为中心沿水平方向和土壤深度增大均先减小后增大，全磷和速效磷水平方向和土壤深度方向最大值出现范围在0～10 cm，这与蒋静静等[26]研究结果相一致，其研究不同灌水施肥条件下黄瓜土壤养分变化，结果表明土壤速效磷含量随水肥供给增加而减少，速效磷随土壤深度增大而减小，随径向距离增大先减小再增大[27-28].不同灌水施肥处理下土壤全磷分布均匀系数均大于70.00%，与CK相比，控水控肥不同处理土壤速效磷分布均匀系数均减小，这与李义林[29]的研究结果相一致，研究表明水分分布均匀性主要取决于土壤初始含水率和灌水量[30].文中仅研究微喷灌条件下土壤磷素的分布特性，对于不同灌溉方式下土壤养分变化特征还有待于进一步研究.不同水肥组合既呈协同作用，也呈拮抗作用，适宜灌水施肥组合方式可充分发挥土壤水肥综合效率.

4 结 论

通过控水控肥条件下微喷灌三七土壤全磷和速效磷运移分布及其储量特性研究，主要研究结论如下：

1)不同灌水量全磷以三七植株为中心沿水平方向和土壤深度的增大均逐渐减小，水平方向最大值出现的范围在0～10 cm，土壤深度最大值出现的范围在0～20 cm.速效磷沿水平方向和土壤深度的增大均先减小后增大，沿水平方向和土壤深度方向最大值出现的范围均在0～20 cm.

2)不同施肥量全磷和速效磷以三七植株为中心沿水平方向和土壤深度的增大均先减小后增大，全磷和速效磷水平方向和土壤深度方向最大值出现的范围在0～10 cm.

3)不同灌水量全磷和速效磷分布均匀系数均随灌水量的增加先减小后增大，处理W3F2全磷和速效磷分布均匀系数最小，分别为46.77%和62.70%，仅有处理CK全磷偏态系数为负值，其余处理全磷和速效磷偏态系数均为正值.不同施肥量全磷和速效磷分布均匀系数均随施肥量的增加先减小后增大，处理W2F3全磷分布均匀系数最小，为46.83%，处理W2F4速效磷分布均匀系数最小，为68.68%，仅有处理W2F1速效磷偏态系数为负值，其余处理全磷和速效磷偏态系数均为正值.

4)不同灌水量全磷和速效磷储量在土壤表层0～20 cm最大，全磷和速效磷储量均随土壤深度增加而减少，随灌水量增加而增加；不同施肥量全磷和速效磷储量均随施肥量增加先增大后减小，处理W2F3全磷和速效磷储量平均值最大.