馬星竹，周寶庫(kù)，郝小雨，陳雪麗，高中超，遲鳳琴

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所/黑龍江省土壤環(huán)境與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150086）

磷是作物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，作物可直接吸收利用的磷主要來(lái)自于土壤[1–2]，土壤磷素中的全磷和有效磷 (Olsen-P) 分別反映了土壤磷庫(kù)的大小和可供作物當(dāng)季吸收利用的磷素水平，其中Olsen-P是評(píng)價(jià)土壤供磷能力的重要指標(biāo)[3]，土壤有效磷水平過(guò)低會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，但過(guò)量累積則會(huì)增加土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)環(huán)境污染[2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥的當(dāng)季利用率較低 (10%～25%)，大量的磷肥以磷酸鹽殘留在土壤中[4]，土壤磷含量水平與作物產(chǎn)量和環(huán)境安全關(guān)系密切[5–6]。不同土壤類(lèi)型和施肥模式均對(duì)土壤磷素含量影響較大，樊紅柱等[7]指出紫色水稻土磷素有效性隨著土壤磷素盈虧而變化，單施無(wú)機(jī)磷肥提升土壤磷含量的速率大于施用有機(jī)肥；李渝等[8]指出黃壤旱地不同施磷處理對(duì)Olsen-P的提升幅度主要與磷肥施用量有關(guān)，土壤每年磷盈余和Olsen-P含量與磷肥施用量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，西南黃壤旱地長(zhǎng)期施用有機(jī)肥處理單位累積磷盈余量提升土壤Olsen-P的速率大于單施化學(xué)磷肥處理；袁天佑等[9]對(duì)潮土研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期不施肥處理土壤磷素常年處于虧缺狀態(tài)，有效磷處于耗竭狀態(tài)，長(zhǎng)期常規(guī)施肥條件下多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤有效磷含量隨年份顯著上升，土壤有效磷的變化量與磷的盈虧量呈極顯著正相關(guān)；長(zhǎng)期施肥下紅壤性水稻土磷素研究指出，化學(xué)磷肥和有機(jī)肥配施相比單施化肥或有機(jī)肥能夠顯著提高紅壤性水稻土土壤有效磷、全磷含量 (土壤有效磷含量增長(zhǎng)速率為0.2～1.6 mg/kg，土壤全磷含量年變化速率為4.2～22.9 mg/kg)，同時(shí)能夠增加磷素活化效率[10]；張麗等[2]對(duì)18 個(gè)黑土監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤磷素進(jìn)行研究，結(jié)果表明土壤有效磷的變化量與土壤累積磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤每盈余100 kg P/hm2，有效磷可增加5.28 mg/kg，常規(guī)施肥條件下，經(jīng)過(guò)8～25 年的種植，61%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤累積磷表現(xiàn)為盈余，39%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效磷含量顯著升高。

綜上所述，不同氣候條件、不同施肥措施和不同土壤類(lèi)型條件下，土壤磷素變化及對(duì)累積磷的響應(yīng)均不同。黑土作為我國(guó)重要的土壤資源之一，主要分布在我國(guó)東北地區(qū)，黑土面積為國(guó)家耕地面積的10%左右[2]，而我國(guó)東北黑土區(qū)長(zhǎng)期不同施肥條件下土壤磷素含量變化與磷盈余的響應(yīng)關(guān)系尚不清楚，尤其是對(duì)長(zhǎng)期施用不同肥料特別是單施有機(jī)肥、單施化肥及有機(jī)無(wú)機(jī)配施下磷庫(kù)演變與磷盈虧相關(guān)關(guān)系研究較少。本研究以開(kāi)始于1979年的黑土肥力定位試驗(yàn)為依托，根據(jù)長(zhǎng)期不同施肥下土壤磷素年際變化特征、磷素表觀平衡以及磷素盈虧變化，探討有機(jī)肥和化肥對(duì)有效磷增加量的影響，明確黑土有效磷變化與磷平衡的關(guān)系，為黑土區(qū)合理施用磷肥和磷素資源的持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于1979 年，位于黑龍江省哈爾濱市黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地 (126°35′E，45°40′N(xiāo))，海拔151 m，屬松花江二級(jí)階地，地處中溫帶，一年一熟制，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，≥ 10℃平均有效積溫2 700℃，年均日照時(shí)數(shù)2 600～2 800 h，無(wú)霜期約135 d。試驗(yàn)地為旱地黑土，成土母質(zhì)為洪積黃土狀粘土。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)耕層(0—20 cm) 土壤pH 7.2、有機(jī)質(zhì)26.7 g/kg、全氮1.47 g/kg、堿解氮151 mg/kg、全磷 (P) 0.47 g/kg、有效磷 (P) 22.2 mg/kg、全鉀 (K) 10.4 g/kg、速效鉀 (K)83 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)10個(gè)處理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和施肥量見(jiàn)表1。 2010年之前試驗(yàn)采取隨機(jī)排列方式，無(wú)重復(fù)，小區(qū)面積168 m2。2010年冬季利用土壤凍結(jié)，將土壤切割成1.1 m3（地上面積1 m2，深度1.1 m）的多個(gè)原狀土塊，搬至哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)試驗(yàn)基地，并保持原來(lái)的試驗(yàn)處理不變，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積36 m2，每個(gè)小區(qū)間有水泥板隔離。試驗(yàn)地?zé)o灌溉設(shè)施，為自然雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。種植制度為小麥?大豆?玉米輪作模式，一年一季，秋季施肥，有機(jī)肥為馬糞，施用于玉米茬。各處理作物地上部分帶走，秸稈不還田。秋季收獲后各小區(qū)單獨(dú)測(cè)產(chǎn)。

表1 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)各處理施肥量Table 1 Annual fertilizer rate in the treatments of long-term experiment

1.3 樣品采集與分析

樣品采集是在每年秋季作物收獲后，按“S”型采集0—20 cm混合土壤樣品，室內(nèi)風(fēng)干，裝瓶保存?zhèn)溆谩Ｗ魑锂a(chǎn)量于收獲期將小區(qū)劃分10 m2樣區(qū)，全部收獲，人工脫粒，曬干后稱(chēng)取風(fēng)干質(zhì)量，并測(cè)定其含水率，計(jì)算作物產(chǎn)量。土壤分析測(cè)定方法全磷用堿熔?鉬銻抗比色法，有效磷用Olsen法。植株樣品用H2SO4?H2O2消化，鉬銻抗比色法測(cè)磷[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

土壤磷活化系數(shù)PAC (%) = Olsen-P (mg/kg)/[全磷 (g/kg) × 1000] × 100

作物吸磷量 (kg/hm2) = 籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2) × 籽粒含磷量 (%) + 秸稈產(chǎn)量 (kg/hm2) × 秸稈含磷量 (%)

土壤累積磷盈虧 (P，kg/hm2) = 累積施磷量 – 作物累積吸磷量

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2007 分析作圖，SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD法(P ＜ 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥土壤全磷含量的變化

長(zhǎng)期不同施肥下黑土全磷含量變化如圖1所示，長(zhǎng)期不同施肥下土壤全磷的時(shí)間變化趨勢(shì)均存在明顯差異。不施磷肥的CK和N兩個(gè)處理，土壤全磷含量從開(kāi)始時(shí) (1979年) 的0.47 g/kg分別下降到2015年的0.32 g/kg和0.33 g/kg，分別下降了31.9%和29.8%，土壤全磷含量與試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系 (P ＜0.01)。施用含磷素肥料處理的土壤全磷含量隨種植時(shí)間延長(zhǎng)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，與試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)分別呈現(xiàn)顯著 (P ＜ 0.05)、極顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.01)。施用化學(xué)磷肥處理 (P、NP、NPK)，土壤全磷含量由試驗(yàn)開(kāi)始時(shí) (1979年) 的0.47 g/kg分別上升到2015年的0.70 g/kg、0.58 g/kg、0.60 g/kg，分別上升了48.9%、23.4%和27.7%。有機(jī)肥配施化肥處理 (MNPK) 從開(kāi)始時(shí)的0.47 g/kg上升到2015年的0.64 g/kg ，全磷增加量為0.17 g/kg。此結(jié)果說(shuō)明施用磷肥處理和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理均能提高黑土區(qū)旱地土壤全磷含量。

2.2 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤有效磷含量的影響

圖2所示，長(zhǎng)期不施磷肥處理土壤有效磷 (Olsen-P)含量呈下降趨勢(shì)，本研究中CK、N兩個(gè)處理土壤Olsen-P含量從開(kāi)始時(shí) (1979年) 的22.2 mg/kg分別下降到2015年的2.4 mg/kg和2.23mg/kg，土壤Olsen-P達(dá)到極缺程度。有機(jī)肥處理、有機(jī)肥配合氮肥處理 (M、MN) 土壤Olsen-P含量減少，從開(kāi)始時(shí)的22.2 mg/kg分別下降到2015年的5.0 mg/kg和4.67 mg/kg。施用磷肥之后，土壤Olsen-P含量均隨種植時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，與時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

圖1 不同施肥年限黑土全磷含量的變化(1979—2015)Fig. 1 Changes of soil total P after different fertilizer years

圖2 不同施肥年限黑土速效磷含量(1979—2015)Fig. 2 Soil Olsen-P content after different fertilization years

2.3 長(zhǎng)期施肥土壤全磷與有效磷的關(guān)系

從長(zhǎng)期施肥下黑土磷活化系數(shù) (PAC) 隨時(shí)間的變化規(guī)律(圖3)可知，不施磷肥的處理 (CK、N) 和有機(jī)肥配合氮肥處理 (MN) 的PAC與試驗(yàn)?zāi)晗蕹尸F(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān) (P ＜ 0.01)，有機(jī)肥處理 (M) 呈顯著負(fù)相關(guān) (P ＜ 0.05)，四個(gè)處理的PAC隨施肥時(shí)間延長(zhǎng)均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，由試驗(yàn)開(kāi)始時(shí) (1979年) 的4.75%分別下降到2015年的0.76%、0.67%、1.16%和1.28%，平均PAC分別為2.9%、2.6%、3.9%和3.7%。施用磷肥處理，土壤PAC隨施肥時(shí)間延長(zhǎng)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，2015年P(guān)、NP以及NPK處理的PAC分別增加到7.0%、6.0%和7.1%，多年平均值分別為9.4%、8.0%和9.7%，而2015年MP、MNP以及MNPK處理的PAC分別為9.3%、6.4%和9.7%，多年平均值分別為10.0%、9.3%和9.4%，有機(jī)肥與磷肥配施處理的PAC整體高于單施化學(xué)磷肥的處理。

2.4 長(zhǎng)期施肥土壤有效磷對(duì)磷盈虧的響應(yīng)

圖3 不同施肥年限黑土磷素活化系數(shù)的變化 (1979—2015)Fig. 3 Dynamic of PAC value after different fertilizations years

圖4 長(zhǎng)期不同施肥處理黑土有效磷增量與累積磷盈虧的關(guān)系(1979—2015)Fig. 4 Correlations between soil Olsen-P change and P balance under long-term different fertilizations

圖4 結(jié)果表明，不施磷肥處理 (CK、N) 土壤Olsen-P變量與土壤累積磷虧缺值呈正相關(guān)關(guān)系，CK和N處理土壤每虧缺磷100 kg/hm2，Olsen-P分別下降1.83和1.46 mg/kg。施用化學(xué)磷肥的三個(gè)處理 (P、NP、NPK)，土壤每積累磷100 kg/hm2，Olsen-P分別上升 1.56、1.45和1.69 mg/kg。單施有機(jī)肥 (M) 和有機(jī)肥配施氮肥 (MN) 處理土壤Olsen-P變化量與磷盈余表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤每積累磷100 kg/hm2，M和MN處理土壤Olsen-P分別下降1.38和1.24 mg/kg。有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理 (MP、MNP、MNPK) 土壤每盈余磷100 kg/hm2，三種處理土壤Olsen-P分別上升0.63、0.53和0.96 mg/kg，上升幅度較低。36年間18個(gè)年份里所有處理土壤的Olsen-P變化量與土壤累積磷盈虧值之間的關(guān)系表明 (圖5)，隨著土壤累積磷的增加，土壤有效磷含量呈增加趨勢(shì)，黑土磷素每盈余100 kg/hm2，Olsen-P上升1.28 mg/kg。

3 討論

圖5 黑土所有處理Olsen-P與土壤累積磷盈虧的關(guān)系Fig. 5 Correlation between soil Olsen-P change and P balance under long-term different treatments

磷素在土壤中的形態(tài)較穩(wěn)定，因而土壤磷庫(kù)的變化過(guò)程較緩慢，有研究表明，長(zhǎng)期不施磷肥處理土壤磷含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，過(guò)量施用磷肥使得土壤磷含量增加[12–13]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)期不施用磷肥的CK和N處理，土壤全磷含量隨施肥年限的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，到2015年含量下降了約三分之一，土壤Olsen-P含量下降到試驗(yàn)初始時(shí)的十分之一左右，下降幅度較大。CK和N處理由于長(zhǎng)期不施磷肥，其他來(lái)源的磷素不多，作物收獲后帶走土壤中的磷素，進(jìn)而導(dǎo)致土壤中的全磷和有效磷含量降低，以上與以往研究結(jié)果一致[10,13–14]。本研究中磷肥處理 (P、NP、NPK) 的土壤全磷、有效磷含量隨著施肥年限的延長(zhǎng)而增加，紅壤性水稻土和黑壚土上也有同樣的研究結(jié)果[10,15]。說(shuō)明磷肥的長(zhǎng)期施用對(duì)于增加土壤有效磷的含量起到重要作用，土壤有效磷的變化量與土壤磷素積累量呈正相關(guān)關(guān)系[9,14]。單施有機(jī)肥及其與化學(xué)氮肥配施處理 (M、MN) 土壤全磷和有效磷含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，土壤全磷、有效磷含量低于有機(jī)無(wú)機(jī)磷肥配施處理 (MP、MNP、MNPK)，高于不施磷肥處理 (CK、N)，黃晶等也得出了相似的研究結(jié)果[10]，主要原因可能是因?yàn)槭┤胪寥乐械挠袡C(jī)質(zhì)或殘留在土壤中的有機(jī)質(zhì)在腐化過(guò)程中產(chǎn)生有機(jī)酸根離子，有機(jī)酸活化了土壤磷素，降低了磷的吸附，使得土壤中的磷素更易于向深層移動(dòng)[16–18]，進(jìn)而降低了表層土壤全磷和有效磷的含量。這也是有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施土壤全磷和有效磷含量增加少于單施化肥磷的原因。

土壤磷素活化系數(shù) (PAC) 是有效磷與全磷的比值，用來(lái)表征土壤磷素的有效化程度?？偟膩?lái)說(shuō)，施磷肥處理土壤PAC值高于不施肥處理，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施PAC值高于單施化肥[10,19]。本研究結(jié)果中2015年度不施化學(xué)磷肥處理 (CK、N、MN、M) 的PAC值均低于2%，土壤磷的有效性性較低。由于化肥中的有效磷含量較高，施用化學(xué)磷肥可大大增加土壤中的有效磷含量，增加PAC[20]。所有施磷處理中，有機(jī)肥與磷肥配施處理的PAC值高于單施磷肥，與主要與有機(jī)肥增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，減少了有效磷在土壤中的固定有關(guān)[21–22]。另外，有機(jī)質(zhì)中富含的有機(jī)酸可以將土壤溶液中的磷酸根離子置換出來(lái)，增加有效磷含量[23]。在紅壤的相關(guān)研究中也表明，土壤磷素活化系數(shù)增加的主要原因是磷在土壤中的固定能力降低了[10,24]。鑒于以上分析，不同施肥處理有效磷對(duì)磷盈虧的響應(yīng)各異，將土壤磷盈余量與有效磷含量變化量進(jìn)行回歸，在本試驗(yàn)條件下，不施磷肥處理 (CK、N)、單施有機(jī)肥 (M) 和有機(jī)肥配施氮肥 (MN) 處理，土壤每盈余磷100 kg/hm2，四個(gè)處理土壤有效磷增量下降幅度較小，范圍為1.24～1.83 mg/kg，施用化肥處理的有效磷增量高于有機(jī)肥和化肥配施處理。不同土壤類(lèi)型差別較大，南方黃泥田有機(jī)和化肥配施處理有效磷增量大于化肥處理[19]、紅壤性水稻土和黑壚土化肥處理有效磷增量較高[10,14]。

已有研究結(jié)果表明，土壤有效磷的變化量與磷盈虧呈正相關(guān)關(guān)系，土壤每累積100 kg/hm2磷，單施化學(xué)磷肥處理土壤有效磷含量平均提高2.6 ～21.2 mg/kg，有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥處理有效磷含量平均提高0.56～41.3 mg/kg[19]。本研究所有土壤樣品的有效磷與累積磷盈虧關(guān)系表明，黑土磷素每盈余100 kg/hm2，Olsen-P濃度上升1.28 mg/kg，與已有研究的有機(jī)肥配施化肥處理濃度相近。本研究有機(jī)肥配施化學(xué)磷肥的處理土壤有效磷濃度基本在此范圍，化肥處理的土壤有效磷濃度略低于該范圍，而此結(jié)果可能與試驗(yàn)地的環(huán)境、土壤性質(zhì)以及種植制度等因素有關(guān)。具體原因有待進(jìn)一步研究和探討。

4 結(jié)論

施肥影響黑土磷素的平衡和有效性。長(zhǎng)期不施磷肥黑土全磷含量隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)而降低，在試驗(yàn)?zāi)晗迌?nèi)，有效磷含量下降幅度小于全磷，顯示了對(duì)土壤磷庫(kù)的耗竭。施用磷肥可增加黑土全磷和有效磷含量，土壤磷素活化系數(shù)即磷素的有效性也隨施肥時(shí)間的增加而增加。有機(jī)肥與磷肥配合施用不僅可增加磷素的累積量，更有效增加磷素的有效性。