土壤有效磷和磷形态对磷肥施用次数的响应

沈玉荣， 李然， 徐明岗， 周怀平， 刘平， 孙楠2

（1.山西农业大学生态环境产业技术研究院，土壤环境与养分资源山西省重点实验室，太原 030031； 2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081）

磷是作物生长必需的三大营养元素之一，施用磷肥是作物高产优质的主要措施。由于土壤对磷肥有强烈的固定作用，施用的磷肥75%~90%被土壤快速固定[1]，从水溶性磷转化为难溶性磷，导致磷肥利用率低。因此，研究磷肥施用方式对磷肥有效性的影响及其差异机制，对于降低磷肥固定率、提高磷肥利用率和磷肥合理施用具有重要的理论意义和实践价值。

磷肥在土壤中的固定过程主要受施肥方式和土壤性质等的影响。土壤中磷素有效性与磷肥施用方式密切相关。耿玉辉等[2]研究表明，磷肥施用量150 kg·hm-2时，基肥施用 90%和种肥施用10%搭配最佳；磷肥若作追肥施用，在玉米抽雄期1 次重施效果最好。王静[3]研究也发现，追施磷肥可显著提高小麦盆栽土壤的有效磷（Olsen-P）含量。通过少量、多次、勤施的方式可以降低单位土地的磷含量，保持土壤始终处于较高的含水量，从而提高磷肥有效性。当土壤溶液中磷的含量较低时吸附固定是土壤对磷固定的主要方式，吸附固定的磷具有较高的活性，而当土壤溶液中磷的含量较高时吸附固定和化学固定同时作用，且以化学固定为主[4-5]。土壤性质主要影响土壤中磷素的有效性，如pH、Olsen-P、碳酸钙含量等[4]。土壤Olsen-P 水平显著影响水溶性磷肥的固定率。于淑芳等[6]研究发现，在土壤Olsen-P<70 mg·kg-1的石灰性土壤上，随着土壤Olsen-P 水平的提高土壤固磷率显著下降。土壤中各形态磷间的相互转化也直接影响着土壤中磷素的有效性，液体磷肥以追施方式施入土壤后转化为高活性磷形态的比例比基施方式提高了1 倍，液体磷肥以追施方式施入后转化为稳定磷形态的比例比基施方式降低了32.6%[3]。

褐土是我国北方特别是山西的主要农田土壤类型，有机质含量低，碳酸钙含量较高。目前关于磷肥1 次与分3 次施用对磷有效性和磷固定的影响研究，多集中于其他土壤类型上，在褐土上鲜见报道。虽然前人广泛地研究了不同施肥方式和不同Olsen-P水平对磷肥有效性的影响，但对不同施肥措施下磷形态变化的研究较少。本文采集山西省3 种不同Olsen-P 水平的褐土进行培养试验，分析磷肥1 次与分3 次施用的土壤Olsen-P 含量、固磷率和磷形态的变化特征，探讨施肥次数对褐土磷有效性的影响及差异机制，为磷肥的高效利用和合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采集自山西省晋中市寿阳县长期施肥试验基地（37°58′23″N、113°06′38″E）。该基地海拔1 130 m，属中纬度暖温带半湿润偏旱区大陆性季风气候区，四季分明、季节温差大，无霜期130 d 左右，年均气温7.4 ℃，年均降水量500 mm，年均蒸发量1 600～1 800 mm，成土母质为马兰黄土，土壤类型为典型褐土，常年种植作物为玉米，1年1 熟。2020 年4 月，多点采集长期不同施肥处理的耕层（0—20 cm）土壤样品3个（P1、P2和P3分别代表3 个不同Olsen-P 水平的土壤），其土壤Olsen-P 含量差异显著。土壤经风干、研碎、过筛备用。土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤的基本性质Table 1 Basic properties of soils used

1.2 试验设计

为模拟玉米生长，培养试验设置90 d。称取过2 mm筛的40 g土壤于培养瓶中，进行施肥和培养。每种土壤（P1、P2 和P3）设置3 种施肥处理：①不施磷肥（CK）；②磷肥1 次施用（T1），施磷总量60 mg·kg-1，在第0 天全部基施；③磷肥分3次施用（T2），施磷总量与T1相同，分别在第0、30、60天施磷24 mg·kg-1（模拟基肥，占施肥总量40%）、18 mg·kg-1（模拟苗期追肥，占施肥总量30%）和18 mg·kg-1（模拟后期追肥，占施肥总量30%），每处理3 次重复。施肥后的培养瓶加水到田间持水量的70%左右，置于室内25 ℃恒温培养90 d。培养过程中采用称重法调节含水量，每隔3 d加1 次水至土壤含水量恒重。采用破坏性取样方法，培养3 h、2 d、4 d、10 d、30 d、30 d+3 h、34 d、60 d、60 d+3 h、64 d、90 d 分别采集土壤测定其Olsen-P 含量。培养结束后，测定土壤磷形态。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 供试土壤的基本性质测定 土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定，全磷（Total P）采用高氯酸-硫酸法测定，有机质采用外加热-重铬酸钾容量法测定，土壤pH采用pH计测定，碳酸钙采用气量法测定[7]。

1.3.2 磷肥固定率的测定与固定动力学方程 磷肥在土壤中的固定指标及其计算公式如下。

式中，y为不同培养时间下的固磷率（%）；x为培养时间（d）；Qmax（maximum phosphorus fixation rate）为最大固磷率；T为达到最大固磷率50%时的时间；α为初始固磷速率；β为固定速率常数。

1.3.3 各形态磷含量测定及转化百分比计算 采用修正的Hedley 磷素分级方法测定各形态磷组分含量[8]，该方法能通过连续浸提法得到9种不同形态的磷含量：①树脂交换态磷（Resin-P），通过阴离子交换树脂膜交换浸提出的磷，这部分磷是易被土壤吸附解析的无机磷；②0.5 mol·L-1NaHCO3（pH 8.5）提取出来的无机磷（NaHCO3-Pi）和有机磷（NaHCO3-Po），其对植物的有效性较高；③0.1 mol·L-1NaOH提取出来的无机磷（NaOH-Pi）和有机磷（NaOH-Po）； ④1.0 mol·L-1HCl（稀HCl）提取出来的无机磷（Dil.HCl-Pi），比较稳定，主要与钙结合；⑤12 mol·L-1HCl（浓HCl）提取出来的无机磷（Conc.HCl-Pi）和 有机磷（Conc.HCl-Po），稳定态磷，难以被植物利用；⑥浓H2SO4-H2O2消煮后得到的残留磷（Residual-P），其很难被植物吸收利用。这9种形态根据其活性被划分为3大类：活性磷（Resin-P、NaHCO3-Pi 和NaHCO3-Po）、中活性磷（NaOH-Pi、NaOH-Po、Dil.HCl-Pi）和稳定性磷（Conc.HCl-Pi、Conc.HCl-Po、Residual-P）[9]。该方法操作简便、耗时短，适用于任何土壤类型，可以区分出有机磷和无机磷体系，便于验证：测定出来的9 种磷形态含量相加原则上应该等于测定的全磷含量，但在实际过程中由于操作误差，两者数值相差在±10%范围内表明数据可行。通过式（6）计算磷肥转化为各形态磷的比例[3]。

式中，P表示肥料磷转化为某一分级磷的比例；Px表示施磷肥处理某一分级磷在土壤中的含量，mg·kg-1；x 分别表示Resin-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P 和Residue-P 这5 级磷；｀Px表示不施肥处理某一分级磷在土壤中的含量，mg·kg-1；TPx表示施磷肥处理各级磷在土壤中的含量总和，mg·kg-1；｀TPx表示不施肥处理各级磷在土壤中的含量总和，mg·kg-1。

1.4 数据处理分析方法

采 用Origin 2019、Microsoft Excel 2016 和SPSS 20.0 软件进行数据统计、分析及作图，不同施肥处理之间的差异采用最小显著差数法（LSD法）分析（P<0.05），试验结果均为3 次重复的平均值和标准误。

2 结果与分析

2.1 土壤Olsen-P含量对施肥次数的响应

磷肥1 次施用下土壤Olsen-P 含量在培养前10 d 内随着培养时间延长逐渐降低，之后趋于平缓（图1）。在培养前30 d 内，分3 次施用下土壤Olsen-P 含量显著低于1 次施用，之后显著高于1 次施用。培养90 d 后，与CK 相比，各施肥处理的土壤Olsen-P 含量均显著增加，分3 次施用下土壤Olsen-P 含量显著高于1 次施用。培养90 d 后，在P1土壤上，与CK相比，1次施用和分3次施用的土壤Olsen-P 含量分别显著增加了10.0%、33.0%，且二者间差异显著；分3次施用相比于1次施用的土壤Olsen-P含量显著增加21.0%。在P2土壤上，与CK 相比，1 次施用和分3 次施用的土壤Olsen-P含量分别显著增加了15.1%和30.6%；分3 次施用相比于1 次施用的土壤Olsen-P 含量显著增加了13.5%。在P3 土壤上，与CK 相比，1 次施用和分3 次施用的土壤Olsen-P 含量分别显著增加了15.3%和26.1%；分3次施用相比于1次施用的土壤Olsen-P 含量显著增加了9.4%。综上所述，在3 种Olsen-P 水平土壤上，各施磷肥处理均显著增加了土壤Olsen-P 含量，增加幅度在磷肥分3 次施用下最大。

图1 不同培养时间下3种土壤的有效磷含量Fig. 1 Olsen-P content in soils under different incubation time

2.2 不同施肥次数下磷肥固定率分析

2.2.1 不同培养时间下的固磷率 在3 种Olsen-P 水平土壤上，磷肥在10 d 内被快速固定，之后进入缓慢固定阶段（图2）。培养90 d 后，在P1、P2和P3 土壤上，与1 次施用相比，分3 次施用的固磷率均显著降低，分别降低了7.8%、6.4% 和9.2%；1 次施用的固磷率大小表现为：P1>P2>P3；分3 次施用下，与P1 和P2 土壤相比，P3 土壤的固磷率显著降低了12.4%和10.8%。综上所述，磷肥分3 次施用能显著降低磷肥固定率；土壤Olsen-P水平越高，磷肥被土壤固定的数量越小。

图2 不同培养时间下3种有效磷水平土壤上的固磷率Fig. 2 Phosphorus fixation rate in soils at three Olsen-P levels under different incubation time

2.2.2 土壤对磷的固定动态过程 米氏方程和Elovich 方程都能很好的拟合土壤对磷的固定过程，均达到极显著水平（P<0.01），而且米氏方程的决定系数（R2）更高，拟合效果更好（表2）。由米氏方程的拟合参数可知，同一Olsen-P 水平土壤下，1 次施用的最大固磷率（Qmax）大于分3 次施用，而达到最大固磷率50%的时间（T）小于分3次施用；同一施肥次数下，低Olsen-P 水平土壤的Qmax大于高Olsen-P 水平土壤。由Elovich 方程的拟合参数可知，同一Olsen-P 水平土壤下，1 次施用的初始固磷速率（α）大于分3次施用，而磷的固定速率常数（β）小于分3 次施用；同一施磷次数下，低Olsen-P 水平土壤的α 大于高Olsen-P 水平土壤。可见，分3 次施用下高Olsen-P 水平土壤的最大固磷率低，达到最大固磷率50%时所用的时间长；土壤初始磷含量越低，土壤初始固磷速率越小。

表2 3种有效磷水平土壤上磷固定率的动力学方程参数Table 2 Kinetic equation parameter of phosphorus fixation rate in three types of Olsen-P soils

2.3 不同施肥次数下磷形态的变化分析

2.3.1 不同施肥次数下磷形态含量 由图3 可知，3 种Olsen-P 水平土壤上，分3 次施用比1 次施用与不施肥均显著增加了活性态磷含量，比1 次施用显著降低了稳定态磷含量。在P1、P2 和P3土壤上，与CK 相比，1 次施用下活性态磷含量分别显著增加了13.4%、12.9%和10.3%，分3次施用下活性态磷分别显著增加了27.2%、21.3%和17.7%。在P1、P2和P3土壤上，与1次施用相比，分3次施用的活性态磷含量分别显著增加了12.1%、7.4%和6.8%；分3 次施用的稳定态磷含量分别显著降低了9.1%、8.4%和7.6%。在P2 土壤上，分3次施用比1次施用的中活性态磷含量显著增加了0.9%。综上所述，分3 次施用能显著增加活性态磷含量并显著降低稳定态磷含量。

图3 90 d培养结束后不同施磷方式下土壤磷形态含量Fig. 3 Content of phosphorus forms under different phosphorus application methods after incubation for 90 d

2.3.2 不同施肥次数下磷肥转化为各形态磷的比例 不同施肥方式和不同Olsen-P 水平下，磷肥施入土壤后转化为各形态磷的比例存在差异（表3）。在P1、P2 和P3 土壤上，分3 次施用相比于1 次施用转化为Resin-P 的比例均显著增加，分别增加了209.1%、117.6% 和50.6%；转化为浓HCl-P 的比例均显著下降，分别下降了47.5%、39.3%和34.1%。同一施肥次数下，与P1 和P2 土壤相比，1次施用在P3土壤上转化为Resin-P的比例均显著升高，分别升高了16.5%和14.2%；转化为浓HCl-P的比例均显著降低，分别下降了64.5%和62.5%。分3次施用在P3土壤上转化为Resin-P的比例均显著升高，分别升高了55.9%和43.2%；转化为浓HCl-P 的比例均显著降低，分别下降了55.5%和59.3%。综上所述，分3 次施用显著提高了磷肥转化为活性态磷的比例；土壤Olsen-P水平越高，磷肥施入土壤后转化为活性态磷的比例越大。

表3 不同施磷方式培养结束后磷肥转化为各形态磷的比例Table 3 Percentage of phosphorus fertilizer to various phosphorus forms in different P application methods after incubation （%）

3 讨论

3.1 土壤Olsen-P含量对施肥次数的响应

本研究表明，施用磷肥均能提高土壤Olsen-P含量，这与前人[10-12]在公主岭、郑州和祁阳3 个长期定位试验点的研究结果施磷肥处理下土壤Olsen-P 含量不断上升基本一致。其原因是当磷肥施入土壤中，在初始阶段土壤对磷的吸附和固定快，吸附很快达到饱和，后期进入缓慢固定阶段[13-14]。本研究还表明，不同施肥处理间土壤Olsen-P 含量的变化不同，培养30 d 后，分3 次施用下土壤Olsen-P 含量显著高于1 次施用。研究表明，液体磷肥分4 次追施比全部基施显著增加了土壤Olsen-P 含量，底肥全部追施的施肥方式可显著提高土壤的Olsen-P 含量[3,15]，这与本研究结果一致。磷肥分次追施效果好可能是因为追施磷肥及时补充了土壤的水溶性磷；低量的磷肥施到土壤上，不易被土壤固定转化，提高了土壤中的Olsen-P 含量；在输入磷总量一致的情况下，通过在不同时期减少磷的输入量，可以降低土壤溶液中H2PO-4的质量浓度，吸附态磷仍然会保持较高的有效性[16-17]。综上所述，磷肥分3 次施用能显著提高土壤Olsen-P 含量，且效果最佳。

3.2 固磷率对不同施肥次数的响应

当磷肥1 次施用到不同Olsen-P 水平土壤后，磷肥的固定率随土壤Olsen-P水平的升高而降低，这与于淑芳等[6]的研究结果相似。这表明在同种施肥次数下不同的土壤Olsen-P 水平影响着磷肥的固定率，在一定范围内，土壤Olsen-P水平越高，磷肥固定率越小。其主要是因为Olsen-P 水平高的土壤颗粒表面的吸附点位周围聚集了大量的无机磷酸根离子，它们与土壤胶体表面吸附点位上的羟基（M-OH）或水合基（M-OH2）迅速地进行配位体交换反应，使吸附易于进行[18]，因此，高Olsen-P 水平的土壤对磷的固定率较低。本研究还发现，米氏方程和Elovich 方程都较好地拟合了土壤对磷的固定动态过程，其中米氏方程拟合的效果更好。在米氏方程中，同一Olsen-P水平土壤上，分3 次施用下的最大固磷率低于1 次施用，而达到同样固磷率所用的时间长。这与王光火等[19]报道的土壤中初始水溶磷浓度越大，其固磷速率越快和固磷量越大的结果相似。其主要原因是，相比于1次施用，分3次施用下初始水溶性磷含量较低，固磷速率较慢；分3 次施用下土壤中的水溶性磷含量一直处于较低状态，土壤对磷的固定主要为吸附固定，这部分磷易解吸[20]，故分3 次施用下土壤对磷的固定量低，分3 次施肥可以有效减少磷的固定。

3.3 磷形态对不同施肥次数的响应

本研究结果表明，在3 种不同Olsen-P 水平土壤上，与1 次施用相比，分3 次施用均显著提高了活性态磷含量，显著降低了稳定态磷含量。这与褚贵新等[21]的研究结果基本一致。可能原因是，一定时期内提高磷肥施用次数可能产生了“养分混合效应”，使该区域的稳定态磷分解[22]，故磷肥分3 次施用能提高土壤中的活性态磷含量，且效果最好。本研究还发现，分3 次施用下，磷肥施入土壤后转化为活性态磷和中活性态磷的比例增大，转化为稳定态磷的比例减小，这与已有研究[3,15]结果一致。其主要是因为分3次施用减缓了土壤对磷肥的固定并延长了可溶性磷肥在土壤中的时间，磷肥转为活性磷的比例较大。Aulakh等[23]研究发现，施入的磷肥有14%～18%转化为高活性磷形态，28%～35%转化成中活性磷形态，47%～57%转化为土壤中难溶性磷。这与本研究结果相似，本研究发现在低Olsen-P水平土壤（P1）上，1 次施用转化为各形态磷的比例分别为15.0%、29.2%和55.8%。其可能原因是进入土壤中的磷肥，会很快转化成溶解度高的钙结合态磷，进而向难溶性的磷转化，最后形成羟基磷灰石类难溶性的磷[24]；被吸附固定或化学沉淀固定的磷在最初阶段均具有较高的有效性，随时间推移逐渐向难溶态磷转化(磷的老化)[25]。说明水溶性磷肥进入土壤的时间越久，转化为稳定态磷的含量越多，与本试验中培养90 d 后分3 次施用转化为稳定态磷含量显著减少的结果一致。从剂量效应分析，1 次施入磷肥时，起始水溶性磷含量较高，土壤中固磷的主要方式为化学固定，土壤磷的活性大大降低；分3 次施用磷肥时，起始水溶性磷含量较低，以粘粒吸附固定为主[25]，被吸附固定的这部分磷仍具有较高的活性，进而也验证了本研究中分3 次施用后土壤活性态磷含量显著增加的结果。分3 次施用通过增加土壤中活性磷和减缓活性磷的转化进而提高了土壤Olsen-P含量，为磷肥高效利用和合理施用提供了科学依据，为实际生产中磷肥分次施用来提高磷肥有效性提供有效的理论支撑。