水稻-牧草輪作牧草季土壤磷對牛糞漿施用的響應特征

舒正文，王春雪，李 敏，王 昭，李 元，祖艷群，陳建軍*，張克強

(1.云南農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院/云南省農業(yè)環(huán)境污染控制與生態(tài)修復工程實驗室，云南 昆明 650201；2.農業(yè)部 大理農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，云南 大理 671004)

磷在土壤中分為無機和有機兩大部分，無機磷種類較多，主要有礦物態(tài)、吸附態(tài)和水溶態(tài)，有機磷主要有磷酸肌醇、磷脂、核酸、磷蛋白、磷酸糖、微生物量磷[1,2]。土壤中的有效磷(包括全部水溶性磷、部分吸附態(tài)磷、一些微溶的無機磷和易礦化的有機磷)可被植物吸收利用，而有機磷通過礦化作用轉化為有效磷供植物吸收利用。磷素營養(yǎng)通過在植物生理和形態(tài)上的作用使植物的保水能力增強[3]，同時土壤中磷素的多少也會影響植物的光合作用及生產力[4]，大量研究表明，提高作物產量的關鍵在于早期供磷量是否充足，有效磷含量若過高，不但不會提高作物產量和品質，還會起到相反作用，降低作物產量和品質[5-7]。因此，研究土壤中磷的形態(tài)及其有效性對揭示土壤中磷素營養(yǎng)狀況具有重要價值，對評估磷素流失風險也具有重要意義。

水旱輪作是指在同一塊地上順序地輪換種植水稻和旱作物的種植方式[8]，水旱輪作可以增加土壤孔隙度和通透性，改善土壤的團粒結構和理化性質，顯著提高土壤肥力[9]，同時可以增強作物充分吸收利用土壤營養(yǎng)物質的能力，抑制病蟲害的發(fā)生，淋洗、稀釋根系分泌的化感物質，改善土壤鹽漬化和酸化[10,11]。目前生產上常用的幾種水稻水旱輪作模式有水稻-大棚青椒、水稻-黑麥草、水稻-夏煙早植、水稻-早青蠶豆、水稻-青食玉米、水稻-香料煙、水稻-油菜、水稻-大麥、水稻-紫云英[12]。土壤季節(jié)間的干濕交替變化對土壤磷的形態(tài)以及轉化、遷移、積累產生顯著影響[13]，李清華研究發(fā)現(xiàn)水旱輪作可以提高土壤全磷、有效磷以及土壤微生物量磷的含量[14]。有研究指出土壤干濕交替使得土壤有機質溶解，微生物細胞破裂溶解，將磷釋放出來，提高土壤有效磷的含量[15]。水旱輪作可以提高磷肥利用率和磷素長效性，減少磷肥施用量，降低磷素流失風險[16,17]。

牛糞及尿液通過沼氣發(fā)酵后施入到土壤，作為種植業(yè)的有機肥料，種植業(yè)又為養(yǎng)殖業(yè)提供飼料，從而形成良性循環(huán)。牛糞化肥配施對土壤中的速效磷、各無機磷形態(tài)的含量、濾液中的可溶性總磷、總磷的濃度有顯著影響，可大大提高土壤有效磷含量，也可增加土壤中植株當季可利用的磷素，提高土壤磷素肥力[18,19]。長期施用有機肥顯著改變了黑土中各無機磷組分的含量；有機肥化肥配施能顯著增加土壤 Ca2-P 和Ca8-P、Al-P 和 Fe-P 的絕對含量和相對含量，同時減少Ca10-P 和O-P 的相對含量[20-22]。國內外學者應用各類土壤分級方法對土壤磷素形態(tài)方面的研究并不少見[23-25]。但應用Hedley法對有機肥化肥配施及水旱輪作土壤中磷素的分級研究鮮有報道。本研究在水稻-牧草輪作模式的條件下，通過對比不同輪作模式下牛糞漿施用對水稻后茬牧草土壤中磷素的影響，了解農田磷素動態(tài)變化以及磷素供應狀況，為施用牛糞后水稻-牧草輪作系統(tǒng)土壤磷素的合理利用及變化特征提供科學依據，同時使磷素養(yǎng)分能得到充分的利用，解決養(yǎng)殖廢物資源化問題，又能減少磷素流失風險，減輕農業(yè)面源污染。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗田位于云南省農業(yè)部環(huán)保所大理綜合實驗站(25°50′ N、100°07′ E，海拔1900 m)。該區(qū)域季風氣候明顯，干濕季分明，降雨主要集中在5～10月，全年降雨量為1048 mm，平均氣溫在21 ℃左右，土壤類型為水稻土，不同處理地塊土壤基本理化性狀見表1。

表1 牧草季供試土壤的基本理化性狀

1.2 試驗設計

以長期耕作的水稻田為實驗對象，在水稻季種植水稻(Oryzasativa)，品種為云粳25。在水稻后茬旱季種植多花黑麥草(品種為特高Loliummultiflorumcv. ‘Tetragold’)和光葉紫花苕(Viciavillosavar.glabresens)。根據輪作及牛糞和無機肥不同配比設置8個處理，3個重復，共計24個小區(qū)，各處理小區(qū)隨機分布。各小區(qū)長6 m，寬5 m，面積30 m2，田埂夯實為防止各小區(qū)水分串流和側滲，用塑料膜將小區(qū)隔開，頂層加空心磚鋪砌，土埂寬0.5 m，高0.4 m，塑料膜深入地下0.4 m。不同比例牛糞與化肥的配施處理設計為：水稻-黑麥草輪作100%化肥(OL 100% CF)、水稻-黑麥草輪作70%化肥+30%牛糞(OL 70% CF+30% MF)、水稻-黑麥草輪作50%化肥+50%牛糞(OL 50% CF+50% MF)、水稻-黑麥草輪作30%化肥+70%牛糞(OL 30% CF+70% MF)、水稻-紫花苕輪作100%化肥(OV 100% CF)、水稻-紫花苕輪作70%化肥+30%牛糞(OV 70% CF+30% MF)、水稻-紫花苕輪作50%化肥+50%牛糞(OV 50% CF+50% MF)、水稻-紫花苕輪作30%化肥+70%牛糞(OV 30% CF+70% MF)，OL表示水稻-黑麥草輪作，OV表示水稻-紫花苕輪作，CF表示化肥，MF表示牛糞。

牧草季牧草每次刈割后施大理當?shù)嘏＜S漿，不施化肥。黑麥草和紫花苕采取撒播方式播種，2017年11月16日播種，2018年5月16日收割。不同處理的牛糞與化肥配施用量見表2，牛糞漿養(yǎng)分化學指標為：pH 8.89±0.08，總氮(6015.56±2719.70)mg/L，總磷(21.50±6.80)mg/L，硝態(tài)氮(608.65±242.83)mg/L，銨態(tài)氮(2635.70±616.20)mg/L，COD(9512±2187.60)mg/L。2018年2月22日牛糞漿施用量為36 m3/hm2，2018年4月18日牛糞漿施用量40 m3/hm2。

表2 不同配比的牛糞與化肥施用量kg/hm2

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品采集：采用五點法在種植牧草前和牧草生長旺盛期和成熟期采集0～20 cm的表層土壤，風干，過篩，測定。

土壤樣品測定：土壤磷素分析測定樹脂態(tài)磷(Resin-P)、碳酸氫鈉提取態(tài)無機磷(NaHCO3-Pi)、碳酸氫鈉提取態(tài)有機磷(NaHCO3-Po)、氫氧化鈉提取態(tài)無機磷(NaOH-Pi)、碳酸氫鈉提取態(tài)有機磷(NaOH-Po)、稀鹽酸提取態(tài)磷(D.HCl-Pi)、濃鹽酸提取態(tài)無機磷(C.HCl-Pi)、濃鹽酸提取態(tài)無機磷(C.HCl-Po)、殘留態(tài)磷(Residual-P)，采用Tiessen法進行測定[26]。

1.4 數(shù)據處理

試驗數(shù)據采用SPSS 19.0進行分析，采用Origin 9.1作圖。

2 結果與分析

2.1 牧草季土壤全磷含量

由圖1可以看出，牧草生長旺盛期土壤全磷的平均含量為887.47～1146.79 mg/kg，牧草成熟期各處理土壤全磷平均含量為757.34～1039.54 mg/kg，低于牧草生長旺盛期土壤全磷整體水平含量，這與作物的吸收利用以及磷素流失有關。水稻-黑麥草輪作模式下單施化肥處理的土壤全磷含量要低于牛糞化肥配施處理，50% CF+50% MF處理低于其他牛糞化肥配施比例處理。牛糞替代可以提高水稻-黑麥草輪作土壤中的全磷含量。水稻-紫花苕輪作模式下，牛糞化肥配施處理土壤全磷含量與單施化肥處理差異不大，50% CF+50% MF處理土壤全磷含量低于其他處理。兩種輪作模式下50%牛糞替代處理的土壤中全磷含量都要顯著低于其他牛糞替代比例的處理，說明50%牛糞替代處理不利于土壤中磷素吸附累積。

柱狀圖上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，相同字母表示不顯著。小寫字母表示牧草生長旺盛期各處理差異性，大寫字母表示牧草成熟期各處理差異性。

圖1 牧草季土壤全磷含量

2.2 牧草季土壤磷素特征

如圖2所示，在牧草生長旺盛期不同輪作模式及處理下，土壤磷組分中，Resin-P所占比例最低，在1%～2%，土壤中NaHCO3-P的比例在12%～18%， NaOH-P的含量所占比例為16%～20%，C.HCl-P占全磷的16%～18%，殘留態(tài)磷占10%～14%，而牧草季土壤D.HCl-P所占比例最高，為36%～40%。如圖3所示，牧草成熟期不同輪作模式及處理之下，土壤磷組分中，Resin-P所占比例最低，在1%～2%，土壤中NaHCO3-P的比例在14%～19%，NaOH-P的含量所占比例為16%～19%，C.HCl-P占全磷的13%～18%，殘留態(tài)磷在9%～13%，而牧草季土壤D.HCl-P所占比例最高，為35%～42%。

可以看出，NaHCO3-P、NaOH-P、C.HCl-P中的無機磷所占比例基本要高于有機磷。由此可見土壤中磷素主要是以無機磷形式存在。Resin-P作為可直接被植物吸收利用的有效磷，為植物生長需要被大量吸收利用，從而在土壤中所占比例極低，而NaHCO3-P、NaOH-P做為有效性磷源，有一部分可以被植物吸收利用，也可通過微生物礦化為植物吸收利用，在土壤磷素所占比例要低于穩(wěn)定態(tài)的HCl-P和殘留態(tài)磷。

圖2 牧草生長旺盛期土壤各形態(tài)磷素比例

圖3 牧草成熟期土壤各形態(tài)磷素比例

2.3 牧草成熟期土壤無機磷含量

從表3可以看出，牧草成熟期土壤水溶性磷含量普遍偏低，平均含量為8.80～16.69 mg/kg。牛糞化肥配施處理土壤中的Resin-P和NaHCO3-Pi含量要高于單施化肥的處理，說明牛糞替代提高了牧草成熟期土壤中Resin-P和NaHCO3-Pi的吸附累積，Resin-P和NaHCO3-Pi屬于活性無機磷，牛糞化肥配施處理增加了土壤對有效磷的保肥能力，但也加劇了磷素的流失風險。兩種輪作模式下50% CF+50% MF處理土壤中的NaHCO3-Pi含量要顯著低于其他比例牛糞化肥配施處理，表明該比例牛糞化肥配施可以提高牧草對NaHCO3-Pi的吸收利用率。水稻-黑麥草輪作模式下牛糞化肥配施處理土壤中NaOH-Pi的平均含量要高于單施化肥處理，說明牛糞化肥配施有利于土壤中NaOH-Pi的吸附累積，但也潛在增加了活性NaOH-Pi流失的風險。兩種輪作模式下50%牛糞比例替代處理土壤中NaOH-Pi的含量要顯著低于其他牛糞替代比例處理，表明50%牛糞替代比例處理可以降低NaOH-Pi的流失風險。鹽酸提取態(tài)磷屬于穩(wěn)定態(tài)無機磷，各處理土壤中D.HCl-P含量沒有差異，平均含量為300.76～383.38 mg/kg，是土壤最大的潛在磷源。水稻-黑麥草輪作模式下牛糞化肥配施處理土壤C.HCl-Pi含量要高于單施化肥處理，70% CF+30% MF處理土壤中C.HCl-Pi含量則要高于其他牛糞替代比例處理。由此可見，大部分無機磷以穩(wěn)定態(tài)形式儲存在土壤中，這些磷如果被外界影響而釋放到環(huán)境中，將會造成嚴重的環(huán)境污染問題。

表3 各處理土壤無機磷組分含量(平均值±標準差) mg/kg

注：同列8種施肥處理之間進行單因素方差分析，不同字母表示P<0.05有顯著差異。下同。

2.4 牧草成熟期土壤有機磷含量

由表4可以看出，各處理土壤NaHCO3-Po含量差異較大，水稻-黑麥草輪作模式各處理土壤中的NaHCO3-Po平均含量要高于水稻-紫花苕輪作，這說明水稻-黑麥草輪作有利于土壤NaHCO3-Po的吸附累積，同時兩種輪作模式下牛糞化肥配施處理都有著隨牛糞替代比例的增加，土壤NaHCO3-Po含量逐漸減少的規(guī)律。水稻-黑麥草輪作模式下NaOH-Po含量隨牛糞比例的增加而增加，而水稻-黑麥草輪作模式下100% CF處理的NaOH-Po含量要高于其他處理，說明該輪作模式下牛糞化肥配施不利于NaOH-Po的吸附累積。各處理間土壤C.HCl-Po含量差異較大，但是沒有一定的規(guī)律，OL 70% CF+30% MF和OV 30% CF+70% MF處理土壤中C.HCl-Po含量顯著高于其他處理，能夠有效提高土壤對C.HCl-Po的吸附累積能力，而50%牛糞替代比例處理下的土壤C.HCl-Po含量顯著低于其他處理，不利于C.HCl-Po在土壤中的吸附累積。殘留態(tài)磷是土壤中最穩(wěn)定的磷素形態(tài)，很難被一般浸提劑浸提出來，是土壤的潛在磷源。各輪作模式下土壤殘留態(tài)磷含量差異不顯著。水稻-黑麥草輪作模式下土壤殘留態(tài)磷的平均含量高于水稻-紫花苕輪作，這說明水稻黑麥草輪作模式更有利于殘留態(tài)磷的吸附累積，但是殘留態(tài)磷不能被植物充分吸收，以最穩(wěn)定的形態(tài)儲存在土壤中，造成資源浪費的同時也給環(huán)境帶來潛在的威脅。

表4 各處理土壤有機磷組分含量(平均值±標準差) mg/kg

3 討論

Tiessen等[26]對Hedley磷分級做了進一步的改進，將土壤中的磷分為六大類：樹脂交換態(tài)磷(Resin-P)、碳酸氫鈉提取態(tài)磷(NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)、氫氧化鈉提取態(tài)磷(NaOH-Pi、NaOH-Po)、稀鹽酸提取態(tài)磷(D.HCl-Pi)、濃鹽酸提取態(tài)磷(C.HCl-Pi、C.HCl-Po)、殘留態(tài)磷(Residual-P)。樹脂態(tài)磷是指與土壤溶液磷處在平衡狀態(tài)的土壤固相無機磷，在土壤溶液被移走后，它可迅速補充，是充分有效的，是土壤活性磷的主要部分[27]。碳酸氫鈉提取態(tài)磷是指吸附土壤表面的磷，有機部分是易于礦化的可溶性有機磷，是植物的有效磷源。氫氧化鈉提取態(tài)磷是指通過化學吸附在土壤鐵鋁化合物表面的中等活性磷，用于磷的長期轉化，對植物有一定有效性[28]。鹽酸提取態(tài)磷類似于Ca-P，在石灰性土壤中主要提取磷灰石型磷，而在高度風化的土壤中能提取部分閉蓄態(tài)磷，鹽酸提取態(tài)磷和殘留態(tài)磷是土壤中比較穩(wěn)定的磷素形態(tài)，短期內無法被植物吸收利用，在外界條件發(fā)生變化的情況下，有可能轉化為被植物和微生物利用的形態(tài)[29]。土壤中磷的轉化與形態(tài)受眾多因素影響，包括土壤組成和土壤性狀，這些因素可影響與磷轉化及形態(tài)有關的溶解-沉淀、吸附-解吸等過程[30]。土壤磷的轉化有4個過程，無機磷酸鹽的溶解作用、有機磷酸鹽的礦化和固定作用、無機磷酸鹽的氧化-還原作用、土壤生物在這些轉化過程中起著重要的作用、當土壤可溶性磷因作物吸收或淋溶流失后，可由土壤的化學平衡以及微生物的溶解和礦化作用而順序得到補充。通過施化肥或有機肥進入土壤中的磷，一方面由于吸附、沉淀、微生物固持為土壤所固定，另一方面由于土壤微生物的作用而得以分解釋放[31]。大量研究表明，有機肥的施用可以提高土壤中各形態(tài)無機磷的含量[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，牛糞化肥配施可以提高水稻-黑麥草輪作土壤中Resin-Pi和NaHCO3-Pi含量，而水稻-紫花苕輪作50%牛糞替代比例土壤C.HCl-Pi的含量處理要低于單施化肥處理。而各處理土壤中D.HCl-P的含量沒有差異，水稻-紫花苕輪作50%牛糞添加比例土壤的NaOH-Pi含量要低于單施化肥處理，與相關研究結果存在差異。

水稻-黑麥草輪作30%牛糞替代比例處理土壤中的NaHCO3-Po、C.HCl-Po、Residual-P含量要高于單施化肥處理，50%牛糞替代比例處理土壤中的NaHCO3-Po、NaOH-P含量要高于單施化肥處理，70%牛糞替代比例處理土壤中的NaOH-P、C.HCl-Po、Residual-P含量要顯著高于單施化肥處理。水稻-紫花苕輪作30%牛糞替代比例處理土壤的NaOH-Po含量以及70%牛糞替代比例處理的C.HCl-Po含量顯著高于單施化肥處理。各比例牛糞替代處理之間的各形態(tài)有機磷含量存在差異，前人研究發(fā)現(xiàn)有機肥替代會降低土壤中各形態(tài)有機磷含量[33，34]，這與前人的研究結果也存在差異。

4 結論

牛糞化肥配施以及輪作條件下，各處理土壤各形態(tài)磷素含量差異較大。除D.HCl-Pi外，其他各形態(tài)無機磷含量均表現(xiàn)為牛糞化肥配施處理相對較高，而單施化肥處理相對較低。土壤各形態(tài)磷的變化較大，但整體上增加了土壤各形態(tài)無機磷含量，降低了各形態(tài)有機磷含量。水稻-紫花苕輪作對土壤各形態(tài)磷的吸收利用要優(yōu)于水稻-黑麥草輪作。OV 70% CF+30% MF土壤中磷素狀況最佳，可有效減少土壤磷素流失，增強植物對各形態(tài)磷的吸收利用。