呂真真，劉秀梅，侯紅乾，冀建華，藍賢瑾，馮兆濱，劉益仁*

（1 江西省農業(yè)科學院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，南昌 330200；2 國家紅壤改良工程技術研究中心，南昌 330200）

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，中國是世界上最大的稻米生產國和消費國[1]。磷是植物生長發(fā)育所必需的3種大量營養(yǎng)元素之一，主要源于土壤磷庫和外源施入的含磷物質。磷在水稻生產中起重要作用，如促進水稻根系生長發(fā)育、增加分蘗、增強抗逆能力、促進早熟、提高產量。自1960年以來，磷肥在促進作物生長和提高產量方面的作用越來越受到重視，改革開放30年以來，我國磷肥用量呈持續(xù)增長趨勢，平均年增長率高達5.6%[2]。隨集約化農田磷肥不斷施入，土壤磷素含量明顯改善，中國不同類型的土壤全磷含量為0.3～1.7 g/kg，有效磷含量為0.1～229 mg/kg，受成土母質和氣候條件的影響，我國南方紅壤和紅壤性水稻土尚存在普遍缺磷現象[3]。

土壤磷素缺乏會導致作物減產，但持續(xù)集約化施用磷肥會引起土壤中磷的累積，增加土壤磷素流失風險，加劇水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[4-5]，因此掌握不同磷肥施用方式下土壤磷素含量、磷活化能力、磷肥利用率、植物對磷吸收等變化特征對指導磷肥合理施用具有重要意義。磷在土壤中累積程度因磷肥種類而異，眾多研究表明長期施用化學磷肥或有機肥都能不同程度地提高土壤磷含量，兩者配施的作用更顯著[6-9]。隨著化肥施用對土壤健康和環(huán)境的負面影響不斷涌現，有機肥越來越受到關注[10]，2017年中央一號文件的發(fā)布使“有機肥替代化肥”成為農資企業(yè)關注的焦點。但施用量通常以作物對氮 (N) 的需求為依據，不同來源的有機肥N∶P比不同[11]，如糞肥的N∶P比較低，易導致過量施用磷，引起土壤磷累積，提高土壤磷遷移率[4-5]；秸稈或植物堆肥具有適宜的N∶P比，是提高作物產量和磷循環(huán)效率的有效途徑[12]。多種有機肥配合施用對土壤磷特性的影響是一個重要的研究課題。

1984年建立在潴黃泥田上的雙季稻肥料長期定位試驗，有機肥采用早稻施紫云英和晚稻施腐熟豬糞的施肥模式，本課題組前期以該長期試驗為平臺，研究長期不同施肥對土壤質量的影響，結果發(fā)現化肥配施有機肥較化肥處理的全磷和有效磷含量均有顯著增高[13]。但對耕層土壤磷有效性、作物磷吸收效率演變等至今未做系統(tǒng)分析。為此，本文較為系統(tǒng)地研究了29年不同施肥下紅壤性水稻田土壤全磷及其與有效磷關系的演變特征、水稻磷素吸收及其與產量的關系、土壤磷盈虧與全磷消長規(guī)律的響應關系，對紅壤性水稻田磷肥施用具有重要的指導作用。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江西省南昌市南昌縣 (N28°57′、E115°94′)，地處中亞熱帶，海拔高度25 m，年平均氣溫17.5℃，≥ 10℃積溫5400℃，年降雨量1600 mm，年蒸發(fā)量1800 mm，無霜期約280 天。區(qū)域內溫、光、熱資源豐富，適宜大多數農作物生長，本試驗基地作物種植采用早稻-晚稻一年兩熟的種植制度，具有廣泛的區(qū)域代表性。

試驗基地土壤為第四紀亞紅粘土母質發(fā)育的中潴黃泥田，試驗開始前耕層 (0—20 cm) 土壤基本理化性質：有機質含量25.6 g/kg、全氮1.36 g/kg、全磷0.49 g/kg、堿解氮81.6 mg/kg、有效磷20.8 mg/kg、速效鉀30.5 mg/kg、緩效鉀240 mg/kg、陽離子交換量7.54 cmol/kg、pH值6.50、容重1.25 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗始于1984年，共設8個處理，3次重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為33.3 m2，小區(qū)間以0.50 m深和0.50 m寬的水泥田埂隔開，各小區(qū)獨立排灌。每年4月中下旬移栽早稻，7月中旬收獲；7月下旬移栽晚稻，10月下旬收獲。試驗處理：1) 不施肥(CK)；2) 磷鉀肥 (缺氮，PK)；3) 氮磷肥 (缺鉀，NP)；4) 氮鉀肥 (缺磷，NK)；5) 氮磷鉀平衡施肥(NPK)；6) 70%化肥氮配施30%有機肥氮 (70F +30M)；7) 50%化肥氮配施50%有機肥氮 (50F +50M)；8) 30%化肥氮配施70%有機肥氮 (30F +70M)。

早稻施用純N、P2O5和K2O量分別為150、60和150 kg/hm2；晚稻施用純N、P2O5和K2O量分別為180、60和150 kg/hm2。早、晚稻施用的氮、磷和鉀化肥均分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，有機肥品種分別為紫云英和腐熟豬糞，紫云英N、P2O5和K2O含量分別為0.30%、0.08%和0.23%，腐熟豬糞分別為0.45%、0.19%和0.60%。磷肥和有機肥全部作基肥；氮肥50%作基肥，25%作分蘗肥，25%作幼穗分化肥；鉀肥全部作追肥，其中50%作分蘗肥，50%作幼穗分化肥。有機肥用量以氮量為基準，磷和鉀用化肥補足，僅處理8，中晚稻鉀含量超過設計標準。各小區(qū)田間管理措施一致。

1.3 樣品采集與分析

于每年 (1984—2012年) 早、晚稻收獲期各小區(qū)分秸稈和稻谷單獨收獲計產，依據各小區(qū)有效分蘗穗數隨機選取植株，分為秸稈和稻谷，分別稱重、烘干，計算水分含量，并將樣品粉碎后測定全磷含量。于每年晚稻收獲后，在各小區(qū)內采取 (0—20 cm) 耕層多個樣點的土壤混合樣品，風干后過篩備用，測定土壤全磷及有效磷含量。

土壤全磷用H2SO4-HClO4消煮—鉬銻抗比色法測定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；植株樣品含磷量采用H2SO4-H2O2消化—鉬銻抗比色法測定。

1.4 數據處理與計算

土壤全磷變化量△Total P (g/kg) = Pi(g/kg) - P0(g/kg) (式中，Pi表示第i年土壤全磷含量；P0表示土壤初始全磷含量)

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

作物地上部吸磷量 (kg/hm2) = 籽粒產量 (kg/hm2) ×籽粒含磷量 (%) + 收獲移走秸稈產量 (kg/hm2) × 秸稈含磷量 (%)

當季土壤表觀磷盈虧 (kg/hm2) = 每年施入土壤磷素總量 (kg/hm2) - 作物 (籽粒 + 秸稈) 每年吸磷量(kg/hm2)

土壤累積磷盈虧 (kg/hm2) =當季作物表觀磷盈虧

應用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0及Sigmaplot12.0統(tǒng)計軟件對數據進行整理分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 長期施肥下土壤全磷的變化趨勢

圖1顯示，對照CK處理在連續(xù)29年不施肥種植條件下，土壤全磷含量波動范圍較小，與種植年限的相關性不顯著；NK處理，在長期缺磷連續(xù)種植下，土壤全磷含量呈直線下降趨勢，與種植年限呈極顯著負相關，連續(xù)種植29年后，土壤全磷含量(2010—2012年平均值) 下降至0.34 g/kg，較試驗初始值下降了30%，下降速率為4.6 mg/(kg·a)。連續(xù)29年施用磷肥，土壤全磷含量與種植年限均表現為極顯著或顯著正相關關系，土壤全磷含量整體呈上升趨勢。

連續(xù)29年施磷后，施用化學磷肥的PK、NP和NPK3個處理，土壤全磷含量分別上升至0.81、0.80和0.80 g/kg，比試驗初始值分別升高了65%、63%和63%，升高速率分別為5.8、4.1和3.3 mg/(kg·a)。有機無機配施處理 (70F + 30M、50F +50M和30F + 70M)，土壤全磷含量分別增至0.99、1.09和1.13 g/kg，其平均值比試驗初始值升高了1.18倍，升高速率分別為14.4、19.4和14.6 mg/(kg·a)，其平均升高速率為16.1 mg/(kg·a)，是NPK處理的4.89倍。

2.2 長期施肥下土壤磷活化能力變化

圖 1 長期施肥條件下紅壤性水稻田全磷含量 (1985—2012)Fig. 1 Total P content in red paddy soil under long-term fertilization

圖 2 長期施肥條件下紅壤性水稻田土壤磷活化系數 (1985—2012)Fig. 2 Phosphorus activation coefficient (PAC) in red paddy soil under long-term fertilization

CK和NK處理的土壤磷活化系數 (Phosphorus activation coefficient，PAC) 隨種植年限的延長呈先緩慢上升后逐漸下降的趨勢 (圖2)，由試驗開始時的4.24%分別下降到2012年 (2010—2012平均值)的2.52%和2.55%。施無機磷肥處理 (PK、NP和NPK) 的PAC隨種植年限延長而提高，且NP和PK處理上升速率高于NPK處理，較試驗初始值分別提高了45.8%、57.8%和22.4%。有機無機肥配施處理 (70F + 30M、50F + 50M和30F + 70M)，PAC隨種植年限延長而逐漸升高，分別升至8.24%、8.31%和8.98%，50F + 50M和30F + 70M處理每年升高的速率較70F + 30M處理分別提高了31.0%和30.1%。有機無機肥配施的PAC平均年升高速率是NPK處理的2.89倍。

2.3 作物磷素吸收特征及其與作物產量的關系

早晚稻吸磷量在不同施肥措施下的演變特征具有顯著差異 (表1)。各處理的早晚稻吸磷量均隨種植年限延長產生波動。比較29年早晚稻平均吸磷量，施化肥處理 (PK、NP和NPK) 和化肥配施有機肥處理 (70F + 30M、50F + 50M和30F + 70M) 均顯著高于對照，提高幅度分別為29.9%～124.2%和28.6%～103.2%。NK處理的早晚稻吸磷量分別是CK的1.77和1.57倍。4個均衡施肥處理 (NPK、70F +30M、50F + 50M和30F + 70M) 中，30F + 70M處理的晚稻吸磷量較NPK和50F + 50M處理顯著提高，NPK、70F + 30M和50F + 50M 3個處理間差異不顯著，但均顯著高于不均衡施肥處理PK和NP，平均分別較后兩者提高了38.7%和32.9%。

表1 長期不同施肥作物磷素吸收量 (P kg/hm2)Table 1 Phosphorus absorption by rice under long-term fertilization

從早稻和晚稻產量 (表2) 與磷素吸收關系的變化趨勢可以看出，作物產量與磷素吸收量呈極顯著線性正相關關系 (圖3)。早稻產量與磷素吸收量的回歸方程為y= 114.83x+ 543.92 (R2= 0.931，n= 232，P＜ 0.01)，晚稻為y= 106.41x+ 1172.7 (R2= 0.898，n=232，P＜ 0.01)。根據回歸方程計算結果，在江西南昌紅壤性雙季稻田上，每吸收1 kg磷 (P)，能分別提高早稻和晚稻產量的114.8和106.4 kg/hm2。

2.4 全磷與磷盈虧的響應關系

CK處理土壤全磷變化與累積磷平衡間無顯著相關關系(圖4)；NK處理土壤全磷含量隨種植年限延長呈現降低趨勢，土壤全磷變化量與磷素虧缺顯著相關，土壤中每虧缺磷100 kg/hm2，土壤全磷含量降低6 mg/kg；施化學磷肥的3個處理 (NP、PK、NPK)，土壤全磷增量與磷盈余呈現顯著或極顯著正相關，土壤中每盈余磷100 kg/hm2，土壤全磷分別提高10、8和10 mg/kg，平均提高9.3 mg/kg。70F +30M、50F + 50M和30F + 70M處理，土壤中每盈余磷100 kg/hm2，土壤全磷平均增加63.3 mg/kg，是施無機磷肥處理平均值的6.78倍。

表2 長期不同施肥早晚稻籽粒產量 (kg/hm2)Table 2 Rice yield (early rice and late rice) under long-term fertilization

圖 3 早稻及晚稻產量與作物磷素吸收量的關系Fig. 3 Relationship between rice (early rice and late rice) yield and phosphorus uptake

圖 4 土壤全磷變化與累積磷盈虧的關系Fig. 4 Relationship between accumulated phosphorus budget and total P

3 討論

3.1 施肥模式對土壤全磷含量的影響

土壤全磷表征土壤中磷的總儲量，是土壤潛在的肥力指標。本研究結果顯示，配施有機肥處理與純化肥處理相比，耕層土壤全磷含量平均提高了57.5%，這說明在等磷量投入條件下，配施一定比例的有機肥較純化肥在提升南方紅壤性水稻土磷庫的容量上效果更優(yōu)。王伯仁等[14]在紅壤旱地上的研究表明，在化學磷肥基礎上施用有機肥，16年后土壤全磷含量較施用化學磷肥提高了1.20倍。黃晶等[6]研究發(fā)現化學磷肥和有機肥配施比單施化肥或有機肥能夠顯著提高紅壤性水稻土全磷含量。仲子文等[15]在潮土上研究發(fā)現，連續(xù)33年單施化學磷肥或有機肥，土壤磷庫有所減小，而無機磷肥與有機肥配施后土壤磷庫穩(wěn)定，同樣證實了化學磷肥配施有機肥更能有效地提高土壤磷含量。本研究發(fā)現有機肥配施化肥處理與純化肥處理相比，作物帶走的磷素量差異不顯著，但在等磷量投入條件下，有機肥配施化肥更有利于提高土壤總磷，從磷平衡的角度考慮，可能是有機肥配施化肥情況下降低了土壤磷素流失，本試驗有機肥種類為豬糞和紫云英，兩種不同種類有機肥聯合施用對紅壤性雙季稻田總磷流失的影響及其機理有待進一步研究。劉紅江等[16]發(fā)現，配施25%和50%有機肥 (豬糞) 較純化肥的磷流失量和流失率未顯著增加；丁炳紅[17]在研究有機物料還田對稻田氮磷損失時發(fā)現紫云英還田及紫云英+商品有機肥較化肥處理能夠有效降低農田磷流失。

3.2 施肥模式對土壤全磷轉化能力的影響

有效磷與全磷比值作為土壤磷素活化系數，可以表征全磷與有效磷的變異狀況[18-19]，表征土壤磷養(yǎng)分的供應能力。多數研究表明，長期無磷投入種植，引起土壤磷活化系數 (PAC) 下降[7,20]。本研究中，連續(xù)29年無磷投入，PAC降至2.5%左右，接近2%；有研究表明土壤磷素的PAC低于2.0%時，全磷轉化率低，速效磷容量和供給強度小[21]；但也有研究證實PAC在不施磷肥下徘徊在1%以下且呈緩慢上升趨勢[8]。本研究中所有施磷肥處理，PAC均顯著升高，不同肥料配比處理的升高幅度不同，有機肥和化學磷肥配施顯著高于化肥處理。這與黃晶等[6]及魯艷紅等[7]在紅壤性水稻土上的研究結果一致。有機肥本身含有有機酸、腐殖質酸等，且在降解過程中也會產生這些物質，與土壤中的鈣、鐵、鋁等形成穩(wěn)定的配合物，減少這些離子對磷的固定強度進而促進磷的活化，提高磷的有效性。

3.3 作物磷素吸收對不同施肥模式的響應

長期不施磷肥時，作物的磷素吸收量反映了土壤自然供磷能力。在雙季稻種植模式中，不施磷時(CK和NK) 作物吸收的磷素主要來源于土壤中礦質磷和含磷有機質的礦化以及隨降水、降塵、灌溉水、種苗等帶入的磷。NK處理早晚稻吸磷量顯著高于CK，主要由于氮、鉀肥的施用促進了作物生長，致使生物量較大的原因。早、晚稻吸磷量年季間呈現波動，主要是因為作物磷素吸收量的主控因素是作物產量，而早晚稻產量易受品種、氣象、栽培管理等影響而產生年季間差異。已有研究表明在化肥基礎上增施有機肥顯著提高作物吸磷量[22]，本研究中在等磷量投入情況下，30%及50%有機肥替代較純化肥處理未能顯著提高水稻磷素吸收量，但70%有機肥替代提高了晚稻磷素吸收量，作物磷素總吸收量的主要影響因素是籽粒和秸稈產量，配施70%有機肥處理隨種植年限延長，有機肥礦化釋放的養(yǎng)分逐漸增加和土壤質量提高，籽粒產量及地上部生物量大幅增加，致使作物帶走的磷量升高。

3.4 土壤磷平衡對土壤全磷的響應

土壤全磷含量是巨大的磷庫，其含量高低可表征磷庫容量的大小，作物吸收的磷量與土壤全磷含量相比只是很小的部分，因此土壤全磷含量越高，則全磷下降幅度越少，植物吸收帶走的磷量越多。本研究中土壤磷素盈虧取決于磷肥施用量及作物吸收磷量，在不施肥條件下，土壤磷素長期處于虧缺狀態(tài)，早晚稻產量受氣溫、降雨等因素的影響程度顯著大于土壤磷素，而氣候年際間差異較大，致使土壤全磷變化與累積磷虧缺之間不存在相關關系。外源磷的長期大量投入是土壤磷盈余發(fā)生的主要原因，本研究中所有長期施用磷肥條件下農田土壤磷的收支均為盈余狀態(tài)，且全磷增量與磷累積盈余量呈直線相關，土壤中同樣每盈余磷100 kg/hm2，配施有機肥處理的土壤全磷增量卻顯著高于純化肥處理，配施有機肥處理的土壤每累積磷100 kg/hm2，土壤中全磷含量提高0.6～0.7 g/kg，而純化肥處理僅提高0.1 g/kg，即長期有機無機配施較施用純化肥更能促進土壤全磷累積，王伯仁等及楊軍等也獲得了類似的結論[14,23]。

但從環(huán)境保護方面考慮，土壤中的磷素若長期處于盈余狀態(tài)，將增加土壤磷素向水體流失的風險，從而威脅環(huán)境。故在配施有機肥的施肥管理中，應控制有機肥攜帶磷素投入量，或減少化學磷肥用量。

4 結論

在江西紅壤性雙季稻田上，連續(xù)29年不施磷肥，土壤磷一直處于虧缺狀態(tài)，施氮、鉀肥而不施磷肥下，土壤全磷含量隨種植年限延長而持續(xù)下降。無論是單施化學磷肥，還是有機無機肥配施均有效提高土壤全磷含量，且在等磷量投入條件下，

有機無機肥配施較單施化肥的效果更優(yōu)。長期無磷投入種植，土壤磷活化系數下降至約2.5%，土壤全磷很難向有效磷進行轉化，施磷均有效提高磷活化系數，有機無機肥配施提升速率顯著高于純化肥處理。綜合考慮作物產量及生態(tài)環(huán)境，建議采用有機無機肥配施的施肥模式，并在施常規(guī)化學磷肥用量的基礎上適當減少化學磷肥投入量，具體減少量有待進一步研究。