長期施用有機物料對旱地紅壤磷組分及磷素有效性的影響①

陳利軍，蔣瑀霽，王浩田，趙其國，孫 波

長期施用有機物料對旱地紅壤磷組分及磷素有效性的影響①

陳利軍1,2，蔣瑀霽1*，王浩田1，趙其國1，孫 波1

(1土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國科學院大學，北京 100049)

針對中亞熱帶第四紀紅黏土發育的紅壤旱地，建立了玉米單作系統等碳量投入有機物料的田間試驗，利用不同的磷分級方法研究了不同有機物料施用對土壤磷組分的影響，構建了不同磷組分的含量與土壤全磷及有效磷之間的回歸方程，明確了不同磷組分對土壤磷活化系數(PAC)及磷肥(表觀和經濟)利用率的影響。連續7 a的試驗結果表明：施用有機物料可以增加土壤PAC和磷肥利用率，并以秸稈豬糞9︰1配施(NPKS/M)處理效果最佳，顯著高于常規施肥處理(NPK)；施用有機物料顯著提升了土壤有機磷含量，且與土壤有效磷含量顯著正相關，其對土壤PAC及磷肥(表觀和經濟)利用率影響顯著。施用有機物料通過影響土壤有機碳、全氮、堿解氮、交換性K+以及交換性Al3+含量影響土壤磷的有效性。

紅壤；有機物料；土壤磷分級；磷活化系數

近年來，雖然隨著磷肥施用量的不斷提高，我國農田土壤有效磷含量呈穩中有升的趨勢，但是南方紅壤缺磷情況仍十分普遍[1-2]。由于紅壤淋溶強烈，脫硅富鐵鋁化現象嚴重，土壤有機質和養分含量極低，尤其酸性紅壤以可變電荷礦物為主，對磷素具有強烈的固定作用，可變電荷礦物表面大量的鋁(Al)和鐵(Fe)氧化物是參與磷酸根離子固定作用的主要條件[3-4]，其他表面反應還包括碳酸鹽、黏土礦物和土壤有機物對磷素的固定[5]。因此，紅壤中磷素的有效性較低，磷肥的作物利用率極其低下，如何提高紅壤中磷素有效性對于紅壤區農業可持續發展具有重要的現實意義。

土壤中磷的形態直接決定了磷的生物有效性[6-7]。有效磷是土壤中可被植物吸收利用磷組分的總和，一般采用碳酸氫鈉溶液提取的Olsen-P表征。Olsen-P主要包括土壤中全部水溶性磷、部分吸附態磷、部分有機磷和少量沉淀態磷。但是單一的碳酸氫鈉溶液提取法對土壤中有效磷的評估可能并不準確，因為其無法準確地測量土壤中有效磷含量[8]。土壤有效磷含量的測定通常是通過一定的含有中度酸性或堿性物質的提取劑來增強土壤磷組分的釋放，例如Olsen和Bray方法[9-10]，這些方法主要測定土壤中以最容易溶解或解吸形式存在的磷。對土壤磷進行分級可作為探討不同磷組分對有效磷貢獻的一種方法。酸性土壤中無機磷分級一般采用Chang-Jackson方法，可分為磷酸鋁鹽(Al-P)、磷酸鐵鹽(Fe-P)、磷酸鈣鹽(Ca-P，Ca2-P、Ca8-P和Ca10-P)和閉蓄態磷酸鹽(O-P)4個組分[11]。然而，由于土壤磷的化合物組成較為復雜[12]，單一提取方法對磷素分級存在諸多弊端[13]。利用Deluca等[14]開發的基于土壤磷素生物有效性的分級方法可以充分反映磷素的生物學利用難易程度。對磷進行生物有效性分級主要考慮以植物和微生物分泌有機酸等活化的磷表征磷組分，其較好地模擬了土壤-植物-根系過程，有效地反映了各形態磷的生物有效性。由于磷與土壤中的有機和無機成分具有極強的相互作用、研究者對磷形態的認識不夠全面、有機磷和穩定無機磷的轉化率的不明確，以及作物從土壤獲取磷策略和能力的不同，導致土壤中潛在可利用磷的確定和測量存在很大的不確定性。

一般來說，土壤有機磷各組分的含量可以通過施用有機肥來增加，但其各組分增加的幅度主要受土壤類型和有機肥的種類等因素的綜合影響。研究表明，有機肥的施用能提高活性有機磷、中活性有機磷和中穩性有機磷等組分的含量[15]，施用豬糞、紫云英、稻草等有機肥能顯著提高有機磷各組分的含量[16]。此外，磷素的有效性還會受到碳磷比(C/P)的影響[17]。

本研究針對南方紅壤區磷肥、磷素有效性低等問題，基于江西鷹潭長期等碳投入有機物料試驗平臺，探究了不同有機物料施用對土壤磷組分和磷素有效性的影響、不同磷素分級方法能否客觀科學地反映不同磷組分在土壤中的真實存在狀況和磷素分級方法在紅壤中的適用性，本研究將對揭示土壤磷素狀況及其轉化具有深刻意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本概況

田間試驗于2010年設置在江西省鷹潭市中國科學院紅壤生態實驗站(116?55′E，28?13′N)，試驗區屬中亞熱帶季風氣候，年均溫17.8℃，年均降水量1 795 mm。田間試驗小區面積為100 m2(5 m × 20 m)。供試土壤為第四紀紅黏土發育的紅壤(黏化濕潤富鐵土)，原始植被為稀疏馬尾松林。紅壤養分和有機質含量低，強酸性，陽離子交換量(CEC)低。試驗前表層土壤(0 ~ 20 cm)基本性質為：有機碳2.52 g/kg，全氮0.40 g/kg，全磷0.23 g/kg，全鉀11.95 g/kg，速效氮38.30 mg/kg，有效磷0.76 mg/kg，速效鉀47.58 mg/kg，緩效鉀135.38 mg/kg，CEC 12.12 cmol/kg，pH 4.73。

1.2 試驗處理

試驗共設置6種施肥處理：①空白(Ref)，不施肥，不種作物；②對照(CK)：不施肥，只種植作物；③施用化肥(NPK)：施用常規氮磷鉀化肥；④秸稈還田(NPKS)：施氮磷鉀化肥，秸稈還田；⑤秸稈-豬糞配施(NPKS/M)：施氮磷鉀化肥，秸稈∶豬糞按9∶1的碳投入配比施用；⑥秸稈生物質炭(NPKBC)：施氮磷鉀化肥和生物質炭。除Ref處理外，其他處理均為玉米單作，供試玉米品種為蘇玉20。每個處理重復3次，采用隨機區組排列。生物質炭利用風干玉米秸稈在生物炭爐中厭氧悶燒法獲得。有機物料施用處理(NPKS、NPKSM、NPKB)中碳輸入量均為1 000 kg/hm2。除了空白(Ref)和對照(CK)處理，其他處理化肥施用量均為：尿素(N 150 kg/hm2)、鈣鎂磷肥(P2O575 kg/hm2)、氯化鉀(K2O 60 kg/hm2)，所有肥料作基肥播種前一次施入。

1.3 樣品采集和分析方法

土壤樣品為2017年玉米收獲后采集，各小區按S型采集8個樣點的表層(0 ~ 20 cm)土壤樣品，混合均勻后用四分法取600 g土樣，風干后用于測定土壤理化性質。土壤全氮采用凱氏消煮法測定，全磷采用高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻抗比色法測定，全鉀采用原子吸收分光光度法測定，速效氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用原子吸收分光光度法測定，有機質采用重鉻酸鉀氧化法測定，pH采用電位計法測定，CEC采用乙酸銨交換法測定，土壤交換性鹽基離子和交換性鋁離子采用乙酸銨浸提原子吸收光譜法測定，土壤有機磷含量采用灼燒法測定[18]。土壤中無機磷分級一般采用Chang-Jackson方法，分為磷酸鐵鹽(Fe-P)、磷酸鈣鹽(Ca-P，Ca2-P、Ca8-P和Ca10-P)和閉蓄態磷酸鹽(O-P)3個(由于磷酸鋁鹽幾乎檢測不到，故不分)組分[11]。生物有效性分級：①0.01 mol/LCaCl2溶液提取的水溶性磷(H2O-P)，能夠模擬直接被根系截留、擴散和吸收的磷；②10 mmol/L檸檬酸(Citrate)溶液提取態磷(Citrate-P)，能夠模擬被有機酸活化釋放的磷；③1 mol/L HCl提取的磷(HCl-P)，能夠模擬質子活化的土壤最大潛力磷庫[17]。

1.4 數據分析方法

磷活化系數(phosphorus activation coefficient，PAC)= 土壤有效磷/全磷×100%；磷肥表觀利用率 = (施肥處理生物量含磷總量-對照處理生物量含磷總量)/施磷總量×100%；磷肥經濟利用率 = (施肥處理籽粒含磷總量-對照處理籽粒含磷總量)/施磷總量×100%。

數據差異顯著性分析用方差分析法(ANOVA)和Tukey 法(<0.05)；相關分析采用皮爾遜相關系數法；隨機森林分析采用R語言randomForest程序包計算，并分別rfUtilities和rfPermute程序包檢驗模型和每個變量的值。

2 研究結果

2.1 不同施肥處理土壤磷活化系數

土壤PAC表征土壤磷素的活化能力，即全磷向有效磷轉化的難易程度。土壤PAC越高，有效磷在全磷中的比例越大，磷素有效性也就越高。有機物料施用7 a后土壤PAC增高，其中NPKS/M處理顯著高于NPK處理(< 0.01)，PAC上升了1.19倍(圖1)。土壤PAC大小依次為NPKS/M > NPKBC > NPKS > NPK > CK > Ref。施碳處理與NPK處理相比，磷肥表觀利用率和經濟利用率分別上升了1.24% ~ 14.49% 和1.61% ~ 9.42%。各處理磷肥表觀利用率和經濟利用率的高低依次為NPKS/M > NPKBC > NPKS > NPK，且NPKS/M和NPKBC處理磷肥表觀利用率和經濟利用率均顯著高于NPK處理，NPKS/M處理磷素表觀利用率和經濟利用率分別為NPK處理的3.05倍和2.68倍，NPKBC分別為NPK的1.55倍和1.53倍。

(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)

2.2 不同施肥處理土壤磷分級

施用有機物料顯著提升了土壤有機磷的含量，但對無機磷的含量無顯著影響(圖2)。土壤有機磷占全磷的11.10% ~ 25.32%，施用有機物料后提高了0.003 ~ 0.07 g/kg，其中NPKS/M和NPKBC處理顯著高于NPK處理，土壤有機磷含量增幅分別為132.1% 和5.6%。將土壤中的無機磷進行分級(因本試驗土樣中Al-P含量極為低下，故將土壤無機磷分為Fe-P、Ca-P和O-P 3類)發現，試驗土壤中Fe-P含量最高，占土壤無機磷總量的50.65% ~ 82.55%；其次為Ca-P，占4.71% ~ 45.31%；O-P含量最低，占3.72% ~ 17.20%。對Fe-P而言，除NPKS/M處理顯著高于NPK處理外，其他施用有機物料處理與NPK處理差異不顯著。施用有機物料會導致紅壤中的Ca-P含量顯著下降(< 0.05)，但對O-P影響并不顯著(>0.05)。

為探討不同的磷組分對土壤有效磷的貢獻，根據磷的利用難易程度可對土壤有效磷進行分級。根據不同提取劑，可將土壤中的有效磷分為極易利用磷(水溶態磷，H2O-P)、缺磷情況下容易利用磷(檸檬酸提取，模擬根系分泌物活化磷，Citrate-P)以及極度缺磷情況下可利用磷(鹽酸提取態，HCl-P)。施用有機物料土壤中H2O-P和Citrate-P分別上升了0.05 ~ 0.43 mg/kg和0.16 ~ 5.21 mg/kg，土壤中H2O-P含量依次為NPK < NPKS < CK < Ref < NPKS/M < NPKBC，其中NPKS/M和NPKBC處理顯著高于NPK處理。土壤中Citrate-P含量則為CK < Ref < NPK < NPKBC < NPKS < NPKS/M，其中NPKS/M和NPKS處理顯著高于NPK處理。HCl-P含量則只有NPKS/M處理顯著高于NPK處理。

(圖中Po為有機磷；Pi為無機磷)

2.3 不同磷分級與土壤有效磷的關系

分別對不同分級方法所得到的磷組分與土壤有效磷和全磷進行擬合，探究不同的磷組分與土壤有效磷和全磷含量的關系，結果發現土壤中磷素組分與全磷及有效磷含量呈線性相關(表 1)。土壤有機磷含量與有效磷含量顯著正相關(2=0.327，<0.05)，無機磷含量與土壤全磷及有效磷均極顯著相關(2分別為0.867和0.516，< 0.001)。無機磷中Fe-P含量與土壤全磷和有效磷含量相關性極強(2分別為0.855和0.755，0.001)，Ca-P含量與土壤全磷含量相關性極顯著(2=0.414，0.01)，但與有效磷含量相關性并不顯著，O-P含量則與全磷及有效磷含量相關性均不顯著。土壤中Citrate-P和HCl-P含量與全磷(2分別為0.831和0.794)及有效磷(2分別為0.641和0.869)含量均顯著正相關(0.001)，H2O-P含量則只與有效磷含量顯著正相關(2=0.230，<0.05)。

表1 土壤不同磷組分與全磷及有效磷含量的回歸方程

注：表中AP為土壤有效磷；TP為土壤全磷；Po為土壤有機磷；Pi為土壤無機磷。

2.4 土壤組分對磷活化系數和磷素利用率的影響

隨機森林模型預測結果顯示(圖3)，Po、Fe-P、Ca-P、Citrate-P以及HCl-P是土壤PAC的主要決定因素(<0.05)。當分別去除Po、Fe-P、Ca-P、Citrate-P以及HCl-P的預測值時，土壤PAC的均方差分別增加5.91%、9.71%、7.80%、8.46% 和10.70%。Po、Fe-P以及HCl-P對土壤磷素表觀利用率(去掉其預測值，均方差分別增加了7.28%、7.94% 和7.98%，<0.05)和經濟利用率(去掉其預測值，均方差分別增加了7.56%、7.88% 和7.25%，<0.05)的影響均達顯著水平，此外Citrate-P對磷素的經濟利用率的影響也較顯著(去掉其預測值，均方差增加5.48%，<0.05)。

(圖中*表示剔除橫坐標對應因子預測對象均方差增加量在P<0.05水平顯著，下同)

進一步通過構建隨機森林模型，分析土壤環境因子對土壤PAC的影響(圖 4)，發現當分別去除土壤有機碳、全氮和速效氮的預測值時，土壤PAC的均方差分別增加了5.21%、4.20% 和5.02%；去掉交換性K+，均方差增加了5.52%；去掉交換性Al3+，均方差增加了3.85%。

(圖中SOC：土壤有機碳；TN：土壤全氮；TK：土壤全鉀；AN：土壤速效氮；AK：土壤速效鉀；CEC：陽離子交換量；Ex.Mg2+、Ex.K+、Ex.Ca2+和Ex.Na+分別表示交換性鎂、鉀、鈣和鈉；Ex.Al3+和H+分別表示交換性鋁和氫)

3 討論

全磷和有效磷是衡量土壤供磷潛力和供磷活力的兩個重要指標，有效磷與全磷含量之比則為土壤磷素活化系數(PAC)，PAC直觀地反映了磷素的有效化潛力[19-20]，其比例越高，則表明全磷轉化成有效磷能力越大，其比例越低，表示土壤固定磷的能力越強。本研究中，施肥處理土壤PAC顯著高于Ref和CK處理，與NPK處理相比施用有機物料也會提高土壤PAC，其中NPKS/M處理顯著高于NPK處理(< 0.01)。大部分研究認為施用磷肥能夠顯著提高土壤PAC，而化肥磷配施有機物料對土壤有效磷和PAC的增加更顯著[21-22]。在酸性紅壤中這種效應更加明顯，已有研究認為長期不施磷土壤PAC值呈下降趨勢，而長期施磷(無機或有機磷肥)及無機磷肥與有機肥配施均促進了土壤PAC增高[23]。土壤PAC一方面與磷素投入量相關，磷肥輸入量越大，土壤有效磷和PAC上升越多，這可能是由于土壤礦物表面的吸附位點被施入的磷占據，降低了礦物對磷的固定強度從而促進磷的活化[24]；另一方面，施用有機物料會影響土壤磷素的活化，有機物腐解過程中產生的小分子有機酸等物質能夠減少無機磷的固定，并活化土壤無機磷，增加有效性磷[25-26]，此外，有機質還可以與土壤礦物形成有機無機復合體，包裹土壤礦物表面的吸附位點，從而降低礦物對磷素的固定作用。本研究中磷肥表觀利用率及經濟利用率變化趨勢與PAC基本一致，土壤磷活化能力增強，植物吸收利用的磷素增加，故利用率上升。

研究表明，長期施用無機磷肥或有機肥均可提升土壤有機磷和無機磷含量，化肥主要提高無機磷，有機肥則以提高有機磷為主[27]。本研究中長期施肥處理土壤無機磷總量顯著升高，但與NPK處理相比，施用有機物料土壤無機磷含量并未顯著上升，甚至NPKS/M和NPKBC處理還稍有下降，這有可能是因為隨著生物量上升，作物帶走的磷量增加所致。施用有機物料增加了土壤有機磷含量，NPKS/M和NPKBC處理土壤有機磷含量顯著高于NPK處理，且有機磷含量與有效磷含量顯著正相關，對PAC、磷素表觀利用率和經濟利用率的影響均顯著；雖然土壤無機磷含量與全磷和有效磷的含量的相關性均高于有機磷，但其對PAC、磷素表觀利用率和經濟利用率的影響均不顯著。這有可能是因為有機物料施用多年后，土壤有機磷總量增加，且主要是增加了土壤中活性有機磷含量[28]。

本研究還發現，施肥處理土壤中Fe-P和Ca-P的含量顯著高于不施肥的Ref和CK處理，且有機物料施用會進一步增加Fe-P的含量，其中NPKS/M和NPKBC處理土壤Fe-P含量顯著高于NPK處理；施用有機物料顯著降低Ca-P含量。土壤Fe-P與土壤全磷、有效磷含量顯著正相關，對PAC及磷素(表觀及經濟)利用率影響顯著；Ca-P則只與全磷含量顯著相關，且只對PAC影響顯著。在氧化土中Fe-P的含量較高，Ca-P含量低于Fe-P，氧化土中Ca缺乏，因為強烈的脫硅化作用通過去除土壤中二氧化硅和堿性離子，形成更多的酸，大多數可溶的Ca-P都轉化為Fe-P和Al-P[29]。值得注意的是，本研究土壤樣品中Ca-P含量也比較高，這可能是因為施用的無機磷肥為鈣鎂磷肥所致。

同時，本研究通過生物有效性分級法證明了3種不同提取效率溶液(CaCl2、Citrate和HCl)提取的磷都在一定范圍與Olsen-P含量正相關，每種溶液提取的磷都與一定程度可利用的磷對應：①CaCl2溶液提取的水溶性磷H2O-P，是直接被根系和叢枝菌根吸收的磷[30]；②Citrate提取的磷，是根系和根外菌根中釋放出有機酸可活化的磷[31]；③HCl提取的磷，是根尖和外生菌根釋放H+可活化的磷[31]。施用有機物料土壤中檸檬酸鹽和HCl可提取的磷含量上升，且NPKS和NPKS/M處理顯著高于NPK處理，反映了土壤中植物可利用磷累積增加，植物吸收帶走的磷可以通過施肥得到補充，且有機物料施用可以促進這種形式的補充[32]。檸檬酸和HCl提取磷與土壤全磷、有效磷含量顯著正相關，且對PAC和磷素利用率影響顯著，Citrate-P代表磷高效植物可利用態磷，HCl-P代表植物根尖釋放質子可活化的磷總量，這兩種磷對土壤中磷的持續供應具有重要意義[5,33-36]。

4 結論

1)連續7 a施用有機物料提高了土壤PAC和磷肥利用率，且以NPKS/M處理效果最佳，顯著高于NPK處理；其次為NPKBC處理，磷肥利用率顯著高于NPK處理。

2)施用有機物料顯著提高了土壤有機磷、Fe-P、Citrate-P及HCl-P的含量，這些組分均與土壤有效磷含量顯著正相關，并對土壤PAC影響顯著。

3)土壤有機碳、全氮、速效氮、交換性K+以及交換性Al3+含量對土壤PAC的影響顯著，施用有機物料主要是通過改變這些土壤因子，提高磷素有效性。

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Effects of Long-term Application of Organic Materials on Phosphorus Fractions and Availability in Red Soil

CHEN Lijun1,2, JIANG Yujil*, WANG Haotian1, ZHAO Qiguo1, SUN Bo1

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A 7-year field experiment was conducted on the dry land of red soil derived from Quaternary red clay in the middle subtropical zone under the same carbon input from organic materials in corn monocropping system, and the effects of different organic material application on soil phosphorus fractions using different phosphorus fraction methods, the correlation between different phosphorus fractions with soil total phosphorus and available phosphorus, and the effects of different phosphorus fractions on soil phosphorus activation coefficient (PAC), the apparent and economic utilization rates of phosphate fertilizer were studied. The results showed that the application of organic materials increased soil PAC and the utilization rates of phosphorous fertilizer, and the best effect was obtained by applying 9︰1 (NPKS/M) with straw pig manure, which was significantly higher than those of conventional fertilization treatment (NPK). The application of organic materials significantly increased the content of soil organic phosphorus, which was significantly positively correlated with the content of soil available phosphorus, thus, had significant effects on soil PAC and the apparent and economic utilization rates of phosphate fertilizer. In addition, the application of organic materials also affected the availability of soil phosphorus by affecting the contents of soil organic carbon, total nitrogn, available nitroger, exchangeable K+and Al3+.

Red soil; Organic material; Soil phosphorus fraction; Phosphorus activation coefficient

S158.9；S154.31

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.03.004

陳利軍, 蔣瑀霽, 王浩田, 等. 長期施用有機物料對旱地紅壤磷組分及磷素有效性的影響. 土壤, 2020, 52(3): 451–457.

國家重點研發計劃項目(2016YFD0200300)、中國科學院重點部署項目(KFZD-SW-112, KFJ-SW-YW032)和國家優秀青年基金項目(41922048)資助。

(yjjiang@issas.ac.cn)

陳利軍(1988—)，男，湖南衡陽人，博士研究生，主要從事土壤微生物生態學研究。E-mail: ljchen@issas.ac.cn