长期施无机磷肥对黄泥土稻田土壤磷库的影响

许琛，沈素素，何竹，王宁 ，周贝贝 ，4，沈明星，施林林，薛利红，3*

（1.江苏大学环境与安全工程学院，江苏 镇江 212001；2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京 210014；3.南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095；4.江苏开放大学环境生态学院，南京 210017；5.苏州市农业科学院，江苏 苏州 215155）

土壤磷素是作物生长发育必需的养分之一，同时也是农业生产中重要的限制养分因子[1]。磷肥施用是农田土壤磷素的重要来源，但土壤中各种物理化学反应可导致其有效性大幅降低。磷肥在农业生产中的利用率较低，其当季利用率一般低于20%[2]。生产实践中为了保证产量，磷肥的施入量远高于作物的需求量，且我国磷肥施入量平均年增长速率达到6.8%[3]，土壤磷含量正以11%的速率递增[4]。土壤中累积的磷素会通过地表径流、土壤侵蚀以及渗漏淋溶等途径流失，进而导致水环境污染加重[5–7]。因此，研究不同施肥措施对土壤磷形态分布及有效性的影响，对提高磷肥利用率及减少磷素流失具有重要意义。

土壤磷素具有形态复杂及动态平衡的特点。土壤中磷素主要分为无机磷和有机磷[8]，中性和酸性土壤中的无机磷可分为磷酸铝盐（Al-P）、磷酸铁盐（Fe-P）、磷酸钙盐（Ca-P）和闭蓄态磷（O-P）[9]，有机磷可分为活性有机磷、中活性有机磷、中稳定有机磷和高稳定有机磷[10]。以往研究表明，磷肥的施用不仅增加磷素的累积，而且会对磷素的形态组分产生一定的影响。戚瑞生等[11]的研究发现黑垆土长期施用无机磷肥后土壤无机磷库显著累积，增施有机肥处理显著增加了土壤有机磷含量。施林林等[12]发现长期施无机磷肥能明显增加太湖流域水稻土壤无机磷各组分的含量，其中以Fe-P 含量的增长最为显著。而在对有机磷组分的研究中，赵吴琼等[13]发现不施磷肥可导致灰漠土有机磷各组分含量下降，而GAIND 等[14]的研究结果表明施用有机肥并未增加水稻土壤总磷及有机磷含量，有机磷组分中以中稳性有机磷和高稳性有机磷为主要成分。

水稻是我国主要的粮食作物，其特殊的水分管理方式引起氧化还原过程交替发生，从而使得水稻土土壤磷的有效性发生改变[15]。太湖流域是农业生产水平最为发达的地区之一，也是磷肥投入较高的地区[16]，同时该地区近年来一直存在较为突出的水体富营养化问题。当土壤有效磷含量超过一定数值时，不仅水稻产量不再增加，而且磷的径流和淋溶风险会急剧加大。王慎强等[16]在2009 年的调查研究发现太湖流域典型水稻土壤磷库大部分已不缺磷，稻季无论施磷与否均不影响水稻产量。黄泥土是太湖流域总面积最大的水稻土，具有土体厚和保水供肥能力强等特点[17]。潘根兴等[18]的研究发现太湖流域黄泥土在连续14 a低量施用无机磷肥（45 kg·hm-2·a-1，以P2O5计）后，土壤总磷含量略有下降。而太湖流域农户稻麦两季均普遍施磷，且磷肥用量可高达60 kg·hm-2（以P2O5计），长期高量施磷对土壤磷库及有效性的影响尚不明确。因此，本研究选取太湖流域黄泥土的长期定位试验田为研究对象，研究40 a 长期高量施磷（稻麦周年55.8 kg·hm-2，以P 计）和不施磷对水稻生育期土壤磷库、磷素形态分布及有效性的影响，以期为该区域磷肥的合理施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究长期定位试验田（始于1980 年）位于江苏太湖地区农业科学研究所（31°17′02″ N，119°54′12″E）。土壤类型为黄土沉积物发育而来的微酸性重壤质黄泥土，试验初始时土壤基本理化性质：有机质24.20 g·kg-1，全氮 1.43 g·kg-1，总磷 0.43 g·kg-1，有效磷8.40 mg·kg-1，有效钾127 mg·kg-1，pH 6.8。试验田所设处理具体参见文献[19]。

本研究分别选取了苏州长期定位试验田的化肥氮磷钾处理（NPK）和化肥氮钾处理（NK）为研究对象，每个处理3 次重复，每个试验小区面积为20 m2。苏州长期定位试验田水稻品种是苏香粳100 号，氮肥用量是350 kg·hm-2，采用尿素按基肥∶返青肥∶拔节肥为4.5∶1.5∶4的比例施用，磷肥（P2O5）用量是60 kg·hm-2，用过磷酸钙（有效P2O5含量为14%）作为基肥一次性施入。钾肥（K2O）施用量是123 kg·hm-2，采用氯化钾按基肥∶拔节肥为1∶1 的比例施加。其他田间管理措施与一般高产大田一致。

1.2 样品的采集和测定

在水稻关键生育期（分蘖期、抽穗期和成熟期）内用三点取样法取0~20 cm 的新鲜土壤样品放入冷藏箱并迅速带回实验室处理。土壤样品充分风干后过20 目和100 目筛用于各种磷指标的测定。土壤总磷（TP）含量采用常规钼锑抗比色法测定，土壤有效磷（AP）含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法测定。土壤无机磷分级采用CHANG 等[9]提出的方法：分别用0.5 mol·L-1NH4F 溶液提取 Al-P、0.1 mol·L-1NaOH 溶液提取 Fe-P、0.3 mol·L-1柠檬酸钠和连二亚硫酸钠溶液提取O-P、0.5 mol·L-1H2SO4溶液提取Ca-P。土壤有机磷分级采用Bowman-Cole 法[10]按照有机磷组分在不同浓度酸碱溶液中的溶解性分别测得活性有机磷、中活性有机磷、中稳定有机磷和高稳定有机磷。

1.3 数据处理

使用SPSS 25 和Excel 2019 进行数据的统计分析，使用Origin 2021 和GraphPad Prism 9 制图。不同处理间各磷组分差异利用t检验进行比较，各组分间的相关性为Pearson相关性。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对稻田土壤磷含量的影响

试验田经过40 a 的长期施磷（稻麦季均施P2O560 kg·hm-2）后，NPK 处理土壤总磷含量大幅提升，由试验起始的430.00 mg·kg-1显著提升到589.58 mg·kg-1，增加了37.11%，而NK 处理总磷含量则显著下降到 260.17 mg·kg-1，仅为 NPK 处理的44.13%（图 1a），差异达到显著水平。土壤有效磷含量经过长期施磷后快速累积，高达43.83~51.67 mg·kg-1，相比 NK 处理增加216.41%~239.79%，比试验开始前显著增加了5~6 倍，年平均增长率达到11.41%。而NK 处理的有效磷含量在 13.17~16.33 mg·kg-1之间，为 NPK 处理的29.43%~31.60%，与NPK 处理差异达到显著水平（图1b），与初始有效磷含量相比有所提高。

图1 2020年水稻不同生育期土壤总磷和有效磷含量Figure 1 Total phosphorus and available phosphorus content in paddy soils at different rice growth stages in 2020

2.2 长期施磷对稻田土壤无机磷和有机磷含量及形态的影响

NPK 处理土壤无机磷含量在279.40~338.34 mg·kg-1之间，在总磷含量中占比47.97%~55.92%（表1）。如图2a所示，水稻3个关键生育期都以Fe-P 为主，其在无机磷中的相对含量占比为54.83%~63.78%；其次为Ca-P，相对含量占比为13.74%~24.52%。而NK 处理土壤无机磷含量在99.98~120.55 mg·kg-1，占总磷含量的37.03%~38.97%，显著低于NPK 处理，其形态也以Fe-P 和Ca-P 为主，相对含量分别是34.69%~46.14%和24.26%~38.55%。随着水稻的生长，相比于分蘖期，抽穗期NPK 处理土壤Fe-P 和Al-P 含量显著下降，Ca-P 含量显著上升（P<0.05），NK 处理表现为抽穗期Fe-P 和O-P 含量显著下降（P<0.05），Ca-P含量显著升高（P<0.05），两处理成熟期与抽穗期相比各无机磷组分含量变化不显著，表明水稻生育期的磷转化过程主要存在于其快速生长的分蘖期和抽穗期。NPK 处理各形态无机磷含量均高于NK 处理，分蘖期和抽穗期Al-P、Fe-P 和Ca-P 含量差异达到显著水平，成熟期4 种无机磷含量均达到显著水平。不同无机磷含量占比中，NK 处理的Fe-P 含量占比显著低于NPK 处理，而 Ca-P 和 O-P 含量占比要高于 NPK 处理，约占50%左右，Al-P含量占比总体差异不显著。

表1 水稻不同生育期土壤无机磷含量及形态分布（mg·kg-1）Table 1 Soil inorganic phosphorus content and speciation distribution at different rice growth stages（mg·kg-1）

图2 水稻不同生育期不同形态无机磷和有机磷相对占比Figure 2 The relative proportions of different forms of inorganic phosphorus and organic phosphorus at different rice growth stages

NPK 处理有机磷含量为174.77~253.82 mg·kg-1（表2），分蘖期显著高于NK 处理，其他时期的处理差异不显著。两处理有机磷组分以中活性有机磷和活性有机磷为主，其相对含量分别达到33.07%~47.23%和22.94%~31.82%。分蘖期NPK 处理活性有机磷和中活性有机磷含量均显著高于NK 处理（P<0.05），而抽穗期只有中活性有机磷差异显著（P<0.05），成熟期各组分有机磷差异均不显著。NPK 处理分蘖期至抽穗期活性有机磷显著降低，中活性有机磷和中稳定有机磷略有降低，而高稳定有机磷由46.96 mg·kg-1降低至11.07 mg·kg-1，显著降低了76.40%（P<0.001），说明施磷处理在水稻快速生长期活性较高的有机磷被迅速转化吸收，同时也可能存在磷活化的过程。NK 处理高稳定有机磷在水稻不同生育期有显著变化，抽穗期显著下降，成熟期又有所上升（P<0.05），活性和中活性有机磷相对含量只有轻微变化，表明不施磷处理可能依靠有机磷活化获取有效磷。与NPK 相比，分蘖期和抽穗期NK 处理的中活性有机磷占比较低，而高稳定有机磷相对含量高于NPK 处理，其中抽穗期的处理差异显著（P<0.05，图2b）。

表2 水稻不同生育期土壤有机磷及其组分含量（mg·kg-1）Table 2 Contents of organic phosphorus and its components in paddy soils at different rice growth stages（mg·kg-1）

2.3 土壤磷转化酶活性

水稻3 个关键生育期内土壤酸性磷酸酶活性相对稳定，NK 处理酸性磷酸酶活性在水稻快速生长的分蘖期（P<0.05）和抽穗期（P<0.001）均显著高于NPK处理，成熟期高于NPK 处理但差异不显著（图3），表明磷酸酶对有机磷的活化作用主要发生在分蘖期和抽穗期。

图3 水稻不同生育期土壤酸性磷酸酶活性Figure 3 Soil acid phosphatase activity at different rice growth stages

2.4 相关性分析

由图4 可知，苏州试验田总磷含量与有效磷、各级无机磷和中活性有机磷显著正相关，有效磷与各级无机磷和中活性有机磷显著正相关，说明该地区土壤有效磷源主要是无机磷和有机磷中的中活性有机磷，其中Fe-P、Al-P 和Ca-P 与有效磷的相关性达极显著水平（P<0.001），是最主要的有效磷源。无机磷组分与活性、中活性有机磷之间相互也存在显著正相关关系，说明各磷组分之间存在相互转化关系。中活性有机磷仅和Al-P、Fe-P显著正相关，表明中活性有机磷主要向两者转化，活性有机磷则和Al-P、Fe-P 和O-P显著相关。

图4 各磷组分相关性分析Figure 4 Correlation analysis of phosphorus components

2.5 长期施磷对水稻产量及作物吸磷量的影响

NPK处理显著促进了水稻对磷的吸收，稻谷和秸秆磷含量均显著高于NK 处理（P<0.05），涨幅分别为50.75%和235.29%（表3）。NPK 处理的水稻植株磷累积量为 30.78 kg·hm-2，是 NK 处理的 3.69 倍。而NPK 处理磷肥吸收利用率为37.4%，表明大部分磷被固定在土壤或流失到环境中。NK处理的水稻产量显著低于NPK 处理（P<0.05），表明长期不施磷导致土壤磷库的亏缺已经影响了水稻的正常产量。

表3 水稻植株磷含量及产量Table 3 Phosphorus content and yield of rice plants

3 讨论

3.1 长期施磷对稻田土壤磷含量的影响

前人研究发现，长期施用磷肥使土壤总磷和有效磷含量增加[20]，且增幅随着施磷量的增加而加大[21]。本研究中对太湖流域黄泥土长期定位试验田的结果也同样显示长期施磷肥（NPK）导致土壤总磷和有效磷含量显著高于不施磷肥的土壤，长期施磷肥（稻麦季均为60 kg·hm-2，以P2O5计）导致其稻季土壤平均有效磷含量增至46.75 mg·kg-1，平均年增长率达到11.4%。鲁如坤[22]认为土壤有效磷含量达到25 mg·kg-1时即能满足作物高产，而土壤有效磷达到50~70 mg·kg-1时磷通过渗漏等途径流失风险加大[23]，而南方高产田块土壤有效磷高于40 mg·kg-1就已经威胁到当地水体环境[24]，汪玉等[25]认为太湖流域典型农田的土壤有效磷阈值为30 mg·kg-1，说明本试验田经过长期施磷后土壤磷流失风险急剧增加，对水环境的潜在影响较大。当前太湖流域稻麦轮作农田平均施磷量（以P 计）为62.80 kg·hm-2·a-1，而磷平均随作物收获支出 38.90 kg·hm-2·a-1[15]。杨坤[26]通过对太湖流域不同施磷量（稻麦季施磷量相同）对稻麦产量、籽粒吸磷量及磷肥利用效率等的影响研究认为，应当以75 kg·hm-2的施磷（P2O5）量作为该区域磷肥的最高限量施用标准。潘根兴等[18]发现太湖地区黄泥土在连续13 a 稻季不施磷，仅旱季施无机磷肥（45 kg·hm-2，以P2O5计）的情况下，土壤总磷含量由1987 年的490 mg·kg-1降低到320 mg·kg-1，土壤磷库出现了耗竭现象。而本研究在连续40 a 稻麦周年施磷55.8 kg·hm-2（稻麦季均60 kg·hm-2，以P2O5计）的情况下，土壤磷库出现了显著的累积现象，表明当前稻季的磷用量还应适当减少。王慎强等[16]研究认为在太湖流域水稻土壤磷库充裕的前提下，为有效降低磷流失带来的水环境风险，可以稻季不施磷；4 a定位试验也证实稻季不施磷可在保证稻麦高产的前提下有效降低10.5%~36.7%的土壤有效磷含量，从而降低径流磷损失。具体施磷量还应统筹考虑麦季施肥情况而定，黄泥土土壤磷库降低至何种程度需要施用磷肥仍有待深入研究。

3.2 长期施磷对稻田土壤磷形态及有效性的影响

施磷肥可不同程度地增加各形态无机磷的含量及无机磷在总磷中的占比，这与以往的研究结果一致[21，27]。与不施磷相比，施磷主要增加Al-P 和Fe-P的含量及占比，这与李中阳等[28]的试验结果一致，且Fe-P 在含量与相对占比上都是主要的无机磷组分，这可能是因为本研究试验地的气候原因和弱酸性的供试土壤导致土壤中铁铝离子含量较高[29]，使磷肥施入土壤后会首先转化为Fe-P 和Al-P，其中部分Al-P也会继续转化为Fe-P[30]，进而使其含量和占比都大幅增加。长期施磷也使Ca-P 含量显著增加，但与不施磷相比其相对占比却有所下降，可能是因为Ca-P是无机磷中最容易被农作物吸收利用的组分[31]，其优先被作物吸收利用而导致其相对占比下降。施磷虽降低了O-P的相对占比但对其含量无显著影响，说明O-P 相比其他无机磷更加稳定，施肥对其影响较小[27]。对于有机磷组分而言，施磷可使稻田分蘖期各组分有机磷增加，其中主要增加了中活性有机磷的含量及相对占比，这与前人的研究结果一致[13，32–34]。这主要是因为施磷增加了土壤微生物的活性从而增加了其固定作用进而导致有机磷含量上升。总体来看，施磷对稳定性有机磷的影响较小，其含量和相对占比的变化可能是因为微生物固定和磷酸酶或磷活化微生物的活化作用。

在土壤磷素循环中，各形态磷的相互转化及分布情况都不同程度地影响有效磷的含量[35]。土壤不同形态磷与有效磷相关性越显著，则认为该形态磷有效性越高，其相对有效性也越高[36]。本研究相关性分析结果显示苏州黄泥土试验田有效磷与各无机磷组分均呈显著正相关关系，说明施磷条件下土壤无机磷是该区域有效磷的主要来源，其中Al-P、Fe-P和Ca-P与有效磷呈极显著正相关关系（P<0.001），说明Al-P、Fe-P 和Ca-P 是最主要的有效磷源，这与以往对红壤性稻田磷素有效性的研究结果一致[37]，可能是因为施磷大幅增加了黄泥土中Al-P 和Fe-P 的含量，进而增加了其相对有效性，而Ca-P虽增幅较小，但由于本研究弱酸性水稻土中H+促进了磷酸钙盐的溶解从而增加了其有效性[27]。O-P 由于其较高的稳定性而表现出较低的有效性，但也有研究表明O-P也是酸性土壤潜在的有效磷源[38]。本研究土壤中活性有机磷与有效磷显著正相关，说明中活性有机磷可能是土壤磷酸酶等活化的主要有机磷组分，而不施磷处理的酸性磷酸酶活性在分蘖期和抽穗期均显著高于施磷处理，以及中活性有机磷与Fe-P 和Al-P 间的显著相关性可以支撑这一点，表明活化有机磷也是土壤有效磷的重要来源之一。

此外，不同生育期不同形态磷含量的变化也能间接说明其有效程度。与分蘖期相比，抽穗期长期施磷和不施磷处理的Fe-P 含量分别下降了52.02 mg·kg-1和17.77 mg·kg-1，降幅高达29%和32%，而Ca-P 含量上升，表明Fe-P 不断地转化成Ca-P 以供水稻吸收利用，Fe-P 是黄泥土最主要的有效磷源。此外，抽穗期无论是长期施磷还是不施磷处理，活性有机磷和中活性有机磷含量与分蘖期相比均呈降低趋势，长期施磷处理显著降低了29.6%和21.1%，但其相对含量占比均呈现增加趋势，说明两者也是水稻的有效磷源。而两种处理中抽穗期高稳定有机磷的绝对含量和相对含量均明显低于分蘖期，说明此期间在水稻根系分泌物或土壤磷酸酶等的作用下发生了稳定性有机磷向活性有机磷甚至无机磷的转化。尤其是不施磷处理，40 a 不施磷后土壤磷库（总磷含量）与试验开始相比下降了一半左右，而有效磷含量却增加，说明高稳定有机磷的活化起到了重要作用。成熟期中活性有机磷相对含量降低而高稳定有机磷相对含量上升，说明此期间过多的有效磷素再次被固定成稳定态磷，而其他微生物活动也可能导致活性较高的磷素之间的相互转化。

潘根兴等[18]的研究发现，太湖流域黄泥土在低量施磷水平下，有机肥配施不仅可提高水稻产量，而且其磷流失率也远低于单施化肥处理。王静等[39]的研究发现有机、无机肥配施不仅显著提高土壤有机磷含量，而且土壤磷酸酶活性及磷活化微生物丰度等也有显著提升。杨坤[26]的研究结果表明无机磷肥合理搭配有机肥施用显著提升了磷肥吸收利用率。因此，稻田施磷时，除了根据土壤磷素含量合理确定施磷量的同时，还应综合考虑采用有机肥替代（注意有机肥中的磷投入应计算在内）措施来增加土壤磷酸酶及磷活化微生物等的活性，从而提高磷肥利用率，降低磷流失风险。

4 结论

（1）长期施用无机磷肥显著增加了稻田土壤总磷和有效磷含量，其中主要增加了不同形态无机磷的含量。

（2）无机磷以Fe-P 为主要成分，长期施磷显著增加了Al-P 和Fe-P 的相对含量，降低了O-P 和Ca-P的相对含量；有机磷组分中中活性有机磷占比最高，施磷主要增加中活性有机磷的含量及占比。

（3）黄泥土稻田最主要的有效磷源是Al-P、Fe-P和Ca-P，中活性有机磷的转化也是稻田土壤有效磷的重要来源之一，尤其在长期不施磷情况下。

（4）长期施磷（60 kg·hm-2，以P2O5计）使得黄泥土稻田磷库累积严重，有效磷含量已超环境风险阈值，因此应当合理降低磷肥施入量并适当以有机磷肥进行替代，以提高磷素利用率，降低磷流失风险。