朱耀輝，羅仁杰，李發(fā)永，孫 濤

（塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾843300）

0 引 言

新疆南疆地區(qū)擁有全國最大的內陸盆地（塔里木盆地）和最大的沙漠（塔克拉瑪干沙漠），氣候類型屬大陸性暖溫帶、極端干旱沙漠性氣候，多年平均降水量為17.4 ～42.8 mm，蒸發(fā)量1 125 ～1 600 mm，屬內陸極端干旱荒漠區(qū)，水資源極度匱乏[1]。該區(qū)腹地的塔里木河流域一直是新疆棉花、林果、糧食、蔬菜等重要農作物的主要生產基地。近年來，南疆矮化密植紅棗面積超過了50 萬hm2[2]，但灌溉方式多為大水漫灌，加上棗樹棵間蒸發(fā)量較大，水資源浪費嚴重。另外，隨著農業(yè)施用化肥量的不斷增加，土壤鹽漬化、養(yǎng)分流失和農業(yè)面源污染問題日益突出[3]。統(tǒng)計表明，南疆地區(qū)化肥投入量持續(xù)增加，施用量（折純量）從1990年的9.6 萬t，增加到2010年的66.65 萬t，增加了5.94 倍，年均增長10.17%，占全疆化肥消費量的60%左右[4]。其中，氮肥施用量從18.33 萬t增加到32.84 萬t，年均增長4.98%，占南疆化肥施用總量的50%左右，占全疆氮肥施用總量的60%以上；磷肥施用量從10.58 萬t 增加到21.95 萬t，年均增長6.27%，增長速度較快，占南疆化肥施用總量的30%以上[4]。

土壤生物有效磷的儲量決定了植物對磷的可獲得程度，目前常用有效磷（Olsen P）來定義土壤磷素的有效性，但這通常不能完整反映土壤中磷的可利用性，特別未考慮到土壤中易于轉化成可溶性磷的小分子有機磷[5,6]。因此，為全面認識土壤磷的可利用程度，常使用Hedley 連續(xù)提取法加以分析。Hedley 連續(xù)提取方法一般使用樹脂、NaHCO3、NaOH、HCl 和HNO3提取土壤樣品，并根據(jù)提取步驟的難易程度對磷的生物利用度進行分類。樹脂提取磷和NaHCO3提取磷通常被認為是生物利用磷的高活性形式，并且與植物對磷的吸收密切相關[7，8]。這些形式的磷可以在土壤固相和溶液之間自由交換[10]。而氫氧化物可萃取的無機磷（NaOH-Pi）和有機磷（NaOHPo）與Al 和Fe 磷酸鹽有關，并且可用性較低，周轉時間較長[9]。HCl可萃取的磷被認為與Ca 結合的磷和其他主要礦物質有關[8]。影響土壤磷素生物有效性的因素有作物類型、施肥方式、田間管理方式、土壤水分、溫度和pH 值等[1，10]。大量研究表明灌溉方式能夠顯著影響土壤有效磷的含量[1,10,11]。例如，侯曉華等研究表明與漫灌相比，滴灌方式下滴頭附近土層有效磷含量顯著高于漫灌，且空間異質性較大[1]。而李中陽等研究表明，與常規(guī)灌溉相比，隔溝交替灌溉能夠促使低活性磷向有效性較高的磷形態(tài)轉化[12]。但是，目前尚缺乏滴灌方式對土壤磷素形態(tài)影響的相關報道，對不同灌溉方式下磷的轉化形態(tài)和數(shù)量尚不清楚。

有研究表明，施氮也會激發(fā)土壤微生物活動，提高磷素轉化相關酶活性，從而加速土壤磷的溶解和生物周轉[13,14]。有學者認為這與土壤磷吸附點位被掩蔽有關，因為多施的氮素占據(jù)了土壤膠體或鐵、鋁氧化物表面的吸附點位后，土壤對磷的吸持能力下降[15,16]。但上述研究大多集中在漫灌及水田方面，在干旱內陸地區(qū)對土壤磷遷移轉化的研究較少。近年來隨著南疆地區(qū)農業(yè)節(jié)水技術的大面積推廣，滴灌已經替代大水漫灌作為一種高效的灌溉技術被廣泛應用。節(jié)水條件下的土壤磷形態(tài)及生物可利用度值得深入研究。因此，本研究的目的是通過探討塔里木河流域不同灌溉方式和不同施氮處理的棗園土壤磷素動態(tài)特征及生物可利用磷素轉化規(guī)律，了解優(yōu)化水肥管理下磷素的行為特征，以期為該地區(qū)控制和減少磷素流失、提高磷肥的利用效率提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在新疆阿拉爾市塔里木大學現(xiàn)代農業(yè)工程節(jié)水灌溉試驗基地進行。該基地位于塔克拉瑪干沙漠綠洲農業(yè)區(qū)，距離塔里木河較近，為大陸性干旱氣候，年均氣溫10.8 ℃，無霜期約為210 d，年均降水量僅53.3 mm，年均蒸發(fā)量1 969.4 mm。風沙浮塵天氣頻繁，土壤類型為灰漠土。試驗田為棗園，棗樹為駿棗（Ziziphus ziziphus (L.)Karst），是南疆地區(qū)廣泛種植的品種之一；其種植方式為矮化密植，行距為2 m，株距為1 m；每年年初修剪一次，株高保持在1.5 ～2.0 m。灌溉方式有滴灌和漫灌兩種，其中滴灌區(qū)已連續(xù)灌溉7 a，漫灌區(qū)連續(xù)灌溉3 a。土壤基本物理化學性質（0 ～80 cm 土層平均值）見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性質Tab.1 Physico-chemical properties of the initial soil

1.2 試驗設計

1.2.1 灌溉施肥

本研究采用滴灌和漫灌兩種灌溉方式。滴灌采用單翼迷宮式滴灌管，滴頭間距30 cm，每年3月底在棗樹根區(qū)鋪設滴灌帶。新梢生長期灌水3 次，灌水周期為10 d；盛花期灌水6次，灌水周期為7 d；幼果期灌水4 次，灌水周期為7 d；果實膨大期灌水4 次，灌水周期為7 d；各生育時期滴灌單次灌水量均為150 m3∕hm2；果實成熟期不灌水；整個生育期總灌水量2 550 m3∕hm2。漫灌新梢生長期灌水1次，盛花期灌水2次，幼果期灌水1 次，果實膨大期灌水2 次；每次灌水的單次灌水量均為1 200 m3∕hm2，棗樹全生育期灌水7 200 m3∕hm2。

試驗中采用的肥料類型分別為有機肥（羊糞）、尿素（含N 量為46.7%）、二銨（含N 量為21.2%）、重過磷酸鈣（含P2O5為30%）、硫酸鉀（含K2O 為50%）。其中，有機肥（1.5萬kg∕hm2）、磷肥（90 kg∕hm2）、鉀肥（90 kg∕hm2）一次性作為基肥施入。試驗小區(qū)共劃分為4 個處理，分別為低氮（T1，102 kg∕hm2）、中氮（T2，204 kg∕hm2）、高氮（T3，306 kg∕hm2）；漫灌小區(qū)統(tǒng)一施純氮量204 kg∕hm2；分別于新梢生長期、花期、果實膨大期分3次施入。漫灌處理于灌水前在距棗樹根部15 cm 處開環(huán)形溝（深約20 cm）將肥料均勻施入，再進行灌水；滴灌和漫灌處理基肥施入方式相同，即均在距棗樹根部15 cm 處開環(huán)形溝進行施肥，氮肥則溶入施肥罐，隨水滴施。

每個處理隨機設置3 個重復，小區(qū)為矩形（長10 m×寬5 m），面積50 m2，東西走向，各小區(qū)之間設置2 m 的隔離帶。本文中將滴灌T2 處理和漫灌小區(qū)進行對比，比較不同灌溉方式下磷含量和形態(tài)的差異。

1.2.2 土壤采樣及分析

待10月紅棗收獲后，分別采集滴灌、漫灌各處理土壤樣品；其中，滴灌T1和T3處理土樣采集深度為0 ～40 cm，而漫灌和滴灌T2 處理按0 ～10、10 ～20、20 ～40、40 ～60 和60 ～80 cm 土層深度分層采集。采樣點距棗樹根部15 cm 處。每個處理收集3個土壤樣品并完全混合，然后自然干燥以獲得復合樣品，并用100目篩網(wǎng)篩分，儲存在密封袋中，用于基本理化性質測定。

土壤容重用環(huán)刀法測定[17]；速效磷用Olsen 法測定[18]；有效鉀用Page 的方法測定[19]；土壤機械組成用比重計法測定，用國際制標準進行土壤質地分類[20]。土壤硝態(tài)氮采用分光光度法測定[21]；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定[22]；土壤總磷采用250 ℃H2SO4-HClO4消解、鉬-藍比色法測定[23]；土壤鹽分采用烘干法測定。

使用改良的Hedley 連續(xù)提取方法浸提、測定不同形態(tài)土壤磷含量（圖1）[24]。選擇該方法的原因是，它可以直接估計不同操作意義磷庫的穩(wěn)定性，并且是研究土壤中磷有效性和動態(tài)差異的最常用方法[8，25，26]。具體操作步驟為：將0.5 g 的土壤樣品分別按圖1所示順序依次轉移至裝有30 mL 的去離子水、0.5 M 碳酸氫鈉（NaHCO3）、0.1 M 氫氧化鈉（NaOH）、1 M 鹽酸（HCI）以及濃硫酸-過氧化氫（H2SO4-H2O2）的50 mL離心管中逐步提取不同形態(tài)磷。每次提取后，將樣品以10 000 g離心15 min，并將上清液轉移至比色管中。用比色法測定提取物中的無機態(tài)磷（Pi）含量（Murphy等，1986年）。同時測定H2O、NaHCO3和NaOH 提取物中的總磷[23，27]。并通過各形態(tài)總磷與Pi的差值計算有機態(tài)磷（Po）[28]。H2O-P 和NaHCO3-P組成的總不穩(wěn)定磷被定義為生物可利用的磷[8]。濃硫酸-過氧化氫提取態(tài)磷被定義為殘留態(tài)磷（Residue-P）。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 進行原始數(shù)據(jù)的處理。使用SPSS 22.0 分析軟件中的Tukey 分離程序來識別不同施氮處理和不同磷形態(tài)含量之間的顯著差異，顯著水平設置為P=0.05。采用Origin 2017進行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤總磷和有效磷的變化

圖2表示了不同灌溉方式下土壤中總磷和有效磷含量隨土壤深度的變化。在滴灌土壤中，總磷和有效磷均隨土層深度的增加呈下降趨勢，而漫灌土壤中，二者則為先升高后降低。表層土壤總磷和有效磷含量較高，其中滴灌和漫灌0 ～20 cm的總磷平均含量分別達到了0.99和1.01 g∕kg，有效磷含量分別達到了31.96 和21.85 mg∕kg；而60 ～80 cm 土層總磷分別只有0.67 和0.79 g∕kg，有效磷含量分別僅有5.22 和7.17 mg∕kg。除了10 cm 滴灌土壤總磷高于漫灌外，其他各層土壤總磷均低于漫灌[圖2（a）]。滴灌總磷隨土層深度的增加逐漸下降，而漫灌土壤總磷最高的土層為40 cm。滴灌土壤0 ～20 cm有效磷的含量顯著高于漫灌[圖2（b）]。但滴灌處理20 cm 以下土層的有效磷均小于漫灌處理。且兩種灌溉方式下40 ～80 cm土壤有效磷含量均較低，均低于10 mg∕kg。

2.2 不同灌溉方式下各形態(tài)磷的分布

滴灌和漫灌土壤各形態(tài)磷的平均含量占總磷的比例依次為：HCl-P ＞Residue P ＞NaHCO3-P ＞NaOH-P ＞H2O-P（圖3）。而二者生物活性磷（NaHCO3-P 和H2O-P）的平均比例分別為10.2%和9.4%。與土壤總磷和有效磷相似，滴灌土壤的生物活性磷的比例隨灌溉土壤深度的增加逐漸降低，有利于表層土壤生物活性磷的積累，10 cm和20 cm土層的NaHCO3-P含量分別達到了19%和11%，遠高于漫灌處理的13%和7%。與滴灌相比，漫灌處理20 ～80 cm土層的生物活性磷分布更均勻，且40 ～80 cm土壤的生物活性磷占比明顯高于滴灌（圖3）。

圖4進一步區(qū)分了土壤各形態(tài)磷的無機態(tài)磷[圖4（a）]和有機態(tài)磷[圖4（b）]在不同土層的分布狀況。滴灌土壤各形態(tài)無機態(tài)磷含量均隨土壤深度的增加呈明顯的遞減規(guī)律。其中，NaHCO3-Pi顯著高于H2O-Pi和NaOH-Pi（P＜0.05），10 cm 和20 cm 土壤的NaHCO3-Pi分別達到了165.75 和95.08 mg∕kg，而40 ～80 cm 各土層NaHCO3-Pi含量較低。這說明滴灌土壤中的無機態(tài)磷主要以高活性的NaHCO3-Pi為主，且主要存在于淺層土壤中。除了NaHCO3-Pi外，漫灌土壤中無機態(tài)磷含量也基本隨土壤深度的增加呈現(xiàn)遞減規(guī)律。但NaHCO3-Pi則分別在10 cm和40 cm處顯著高于其他土層。漫灌土壤NaHCO3-Pi的平均含量為34.32 mg∕kg遠低于滴灌處理的65.49 mg∕kg。但二者H2O-Pi和NaOH-Pi的差異較小。

滴灌和漫灌土壤有機態(tài)磷具有明顯的差異。在滴灌土壤中，0 ～20 cm 土層主要以NaHCO3-Po顯著高于H2O-Po和NaOH-Po（P＜0.05），而40 ～80 cm 土壤中則以NaOH-Po為主，且60 ～80 cm 土層高活性的H2O-Po和NaHCO3-Po均低于5 mg∕kg。漫灌土壤中各土層高活性的H2O-Po和NaHCO3-Po顯著高于滴灌。其中，10 cm 和20 cm 土層的NaHCO3-Po含量分別是滴灌的2.4 和4.2 倍。而H2O-Po的平均含量為12.12 mg∕kg 顯著高于滴灌的4.16 mg∕kg。因此，漫灌土壤中高活性的有機磷含量高于滴灌，而滴灌土壤則以高活性的無機磷含量高于漫灌。

2.3 不同施氮量對磷形態(tài)的影響

圖5表明了不同施氮量下土壤各形態(tài)磷的差異。不同施氮處理下的各形態(tài)磷含量也以HCl-P 最高，Residual P 含量次之，H2O-P 最低。除了NaOH-Pi外，H2O-Pi、 H2O-Po、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-P 和NaOH-Po均隨施氮量的增加而增加；而HCl-P 和Residua P 則隨著施氮量的增加而逐漸下降。這表明氮肥輸入增加了土壤中高生物活性磷的含量，而降低了土壤低活性磷的含量。

3 討 論

研究表明，無論滴灌或漫灌表層土壤的有效磷含量均較高，且隨土層深度的增加有明顯下降的趨勢，這與其他學者的研究結果一致[1,29,30]。這主要是由于磷肥和其他基肥的施用深度約為20 cm，施肥后磷酸根離子迅速與土壤顆粒發(fā)生吸附作用，被表層土壤中黏粒、Fe、Al 氧化物和有機物固定。由于磷素的遷移能力較低，導致其在土壤剖面呈現(xiàn)梯度性分布[31,32]，而表層土壤較高的磷有效性有利于植物根系對磷的利用。另外，滴灌處理表層土壤的有效磷大于漫灌處理，且漫灌處理40 cm 處的總磷含量最高。這是因為兩次滴灌間隔時間較短，表層土壤一直處于周期性濕潤狀態(tài)，與漫灌相比，高分子有機磷化合礦化速率較高，提高了土壤磷的有效性[31,33]。有研究表明，長期滴灌導致了棗樹根系主要在0～40 cm 土層內生長，這可能與滴灌土壤表層較高的養(yǎng)分含量（如有效磷）和水分含量有關[34]。而大水漫灌產生的剪切作用較強，促使土壤中的磷素明顯向下遷移，由于40 cm 以下為黏質土層，磷素遷移受到阻滯并在此處積累，導致總磷濃度升高。而滴灌土壤并未發(fā)現(xiàn)相似的規(guī)律，這可能是由于滴灌濕潤層較淺，入滲作用弱，表層可溶性的有機磷和無機磷受土壤空隙毛細作用和吸附作用下，很難向下部遷移，從而導致表層磷素的累積。綜上，滴灌有利于土壤磷的有效性和減少磷的深層滲漏，而漫灌則可能造成了磷的淋溶流失。

生物活性磷的比例隨灌溉土壤深度的增加逐漸降低，且與漫灌相比，滴灌有利于表層土壤生物活性磷的積累。漫灌土壤中高活性的有機磷含量高于滴灌，而滴灌則以高活性的無機磷含量高于漫灌，表明滴灌有利于土壤有機態(tài)磷向無機態(tài)磷的轉化，從而提高了磷的生物有效性。一方面可能是滴灌導致土壤持續(xù)的濕潤狀態(tài)，促使了土壤小分子有機磷的降解，提高了土壤無機態(tài)磷的含量[33]；另一方面可能是滴灌使土壤處于厭氧狀態(tài)，土壤化學電勢下降，F(xiàn)e、Al 氧化物對磷的吸持力降低，被土壤吸附的膠體磷顆粒從團聚體中釋放出來[35]。由于本研究中土壤為沙質土，水分及磷分子在空隙中的遷移較快。與滴灌相比，漫灌增加了土壤中高活性有機態(tài)磷向深層土壤的遷移量。這與其他在南方稻田系統(tǒng)的研究結論明顯不同，這些研究認為淹水提高了土壤及田面水中的無機磷含量[35]?？傊?，在旱地沙質土壤中，漫灌導致了高活性磷的流失，長期大水漫灌可能加速磷素的深層滲漏，降低磷肥的利用效率和導致地下水污染等。

本研究表明，氮肥輸入增加了土壤中生物可利用的高活性磷含量，而降低了土壤低活性磷的含量。這意味著施氮促使了土壤磷素有效性的顯著提升。一些研究表明，氮肥的過量施入增加了土壤小分子的有機和無機態(tài)磷的遷移能力，并且降低了HCl-Pi的比例和提高了NaOH-Pi的比例[15]。而稻田系統(tǒng)中的研究發(fā)現(xiàn)，追施氮肥會引起田面水中磷濃度顯著升高[36,37]。其他在草地方面的一些研究也發(fā)現(xiàn)了氮肥施用增加了土壤正磷酸鹽的含量[38,39]。同時，施氮會激發(fā)土壤微生物活動、刺激初級生產并增加生物對磷的需求，提高磷素轉化相關酶活性，從而加速土壤磷的溶解和生物周轉，促進難降解的磷單脂向磷二脂轉化[13-15,38]。這些現(xiàn)象在高有機質和低養(yǎng)分的草場和森林土壤中尤其明顯[38]。也有學者認為這與土壤磷吸附點位被掩蔽有關，因為多施的氮素占據(jù)了土壤膠體或鐵、鋁氧化物表面的吸附點位后，土壤對磷的吸持能力下降[15,16]。但另一些研究表明，長期施氮增加了表層土壤中的有機磷含量，卻降低了無機磷的含量。本研究對不同水肥管理下的養(yǎng)分形態(tài)特征進行了基礎性分析，未來的研究應聚焦于灌溉方式和氮肥輸入下土壤養(yǎng)分的流失特性，尋找既能夠提高作物經濟效益，又能減少養(yǎng)分流失和環(huán)境污染的水肥管理模式。

4 結 論

漫灌導致了磷素向深層土壤的遷移，而滴灌有利于表層土壤磷素的積累。生物活性磷的比例隨灌溉土壤深度的增加逐漸降低，且滴灌有利于表層土壤生物活性磷的積累。漫灌土壤中高活性的有機磷含量高于滴灌，而滴灌則以高活性的無機磷含量高于漫灌。與滴灌相比，漫灌增加了土壤中高活性的有機磷向深層土壤的遷移量。施氮有利于提高土壤高活性的磷素的含量。因此，長期漫灌可能導致土壤磷素的大量流失，滴灌和施氮是提高磷素利用效率，降低磷流失風險的有效途徑之一。但是，氮肥的施用也應該結合作物各生育期的不同需求，施氮量的增加也可能導致氮素流失的加劇。