長期定位施肥對潮土磷素下移及有效磷生態閾值的研究

張珂珂，黃紹敏*，郭斗斗，宋 曉，岳 克，張水清，黃晨晨

（1．河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2．鄭州大學農學院，河南 鄭州 450006）

磷素是作物生長的主要營養元素之一，影響著作物產量，但是磷肥的當季利用率僅有5%～25%，若長期施用磷肥易造成土壤中磷素的累積［1-2］。Macdonald 等［3］研究顯示全球每年向土壤投入1 420萬t 化肥磷和960 萬t 有機肥磷，僅有1 230 萬t 磷被作物吸收，從而導致了大部分耕地出現磷素顯著增加，尤其亞洲東部、巴西南部、歐洲西南部等地區磷素增加更嚴重。土壤中不能被作物利用的養分，可通過徑流或者淋溶進入地下水，對水環境造成污染［4］。農業生產中，土壤中磷素提高能增加磷供應，但磷含量超過一定量會增加磷的流失能力，這也就增加了磷素引起的環境風險［5-7］。因此，合理的管理農田有效磷含量并防止其向下大量的遷移，對農業生態安全具有重要意義。

有效磷含量可為農業生產提供依據。郭斗斗等［8］通過研究潮土有效磷含量與作物產量之間的關系得出，有效磷含量小于13.1 mg/kg 時，小麥產量隨有效磷含量增加而增加，超過此值時，有效磷含量增加對小麥的產量沒有顯著影響，且有效磷長期處于盈余狀態，會使其淋失量增大，對農業生態安全造成威脅［9］。而不同地區之間的土壤性質、作物管理及氣候等都會對有效磷產生影響，生態安全受到的威脅因素不一［10-11］。另外，牛明芬等［12］通過對潮褐土有效磷研究發現，有效磷含量大于69.4 mg/kg 時磷素隨徑流或淋溶進入水體，對環境造成危害；還有研究表明，黑壚土0 ～20 cm 土層有效磷含量大于36 mg/kg，磷素可下移到60 cm 土層以下［13］，若長期大量施磷，土壤中有效磷下移進入水體，造成污染。

前人研究有效磷含量大多考慮作物對其的反應以及其在土壤中剖面的分布［8，14-15］。本研究，基于30 年長期定位施肥試驗，主要探討在保障作物產量條件下，避免土壤中過多的磷素下移危害生態安全，因此尋找協調作物高產與環境保護的0 ～20 cm 土層有效磷含量，這一有效磷含量即生態閾值，以期為合理利用磷素和施用磷肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

“國家潮土土壤肥力與肥料效益長期監測站”（113°40′42″E，34°47′55″N），屬于典型溫帶季風氣候，每年降水主要集中7、8、9 月份。土壤類型為潮土，質地為輕壤。長期監測試驗原址位于河南省鄭州市，1988 年開始，經過兩年勻地種植，1990 年開始正式試驗，在2009 年 5 月采用原狀土搬遷方式移至河南省原陽縣祝樓鄉，位于原試驗地正北約 23 km。試驗初期（1988 年）土壤pH 值為 8.1、有機質含量 10.6 g/kg、全氮 1.69 g/kg、全磷 0.65 g/kg、有效磷 6.9 mg/kg、堿解氮52.3 mg/kg、速效鉀 71.7 mg/kg、緩效鉀 647.2 mg/kg。

1.2 試驗設計

本研究選取其中5 個處理:（1）不施磷肥（NK）；（2）施氮磷鉀（NPK）；（3）氮磷鉀化肥和有機肥配施（MNPK），與 NPK 處理等氮量，其中70%的氮由有機肥提供，根據其含氮量確定有機肥的量；（4）1.5MNPK 所有肥料均為 MNPK 處理的 1.5倍；（5）氮磷鉀化肥與玉米秸稈還田配施（SNPK），與NPK 處理等氮量，1991 ～2001 年70%的氮由秸稈還田提供（不足部分由同期其他試驗區秸稈補充），2002 ～2017 年只將該處理玉米秸稈還田，不足氮量由尿素補足。磷肥為普通過磷酸鈣，過磷酸 鈣 中P2O5含量在1991 ～2003、2004 ～2011、2012 ～2017 年分別為12.05%、8%、8.8%，氮肥為尿素，鉀肥為氯化鉀，施用的有機肥 1990 ～1999年為馬糞，2000 ～2010 年為牛糞，其中2007 年沒有施用有機肥，2011 ～2017 年為商品有機肥；每年小麥季將前茬玉米秸稈粉碎還田。小麥季氮肥（以N 計）165 kg/hm2、鉀肥（以 K2O 計）68.5 kg/hm2，玉米季氮肥（以 N 計）187.5 kg/hm2、鉀肥（以 K2O計）94 kg/hm2，每年投入的磷素量見表1，施肥前測定施用有機肥及玉米秸稈的氮、磷、鉀含量。2009年之前不設重復，試驗區面積16 m×25 m，2009 年原裝土搬遷后每小區面積為45 m2，3 次重復。

表1 長期定位試驗不同年份磷素總投入量 （kg/hm2）

各處理為小麥-玉米輪作，每年度依據土壤和天氣狀況播種，小麥播種時間為 10 月中旬，玉米為 6 月上旬。小麥季施肥后，深耕一次，玉米季免耕。作物收獲時，小麥底部留茬約 15 cm，玉米植株全部清除，NPKS 處理玉米秸稈粉碎還田用于下一季小麥生產。每年度依據土壤狀況適當灌溉，保證作物正常生長。

1.3 測試項目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集與分析

2009 年之前玉米收獲后取土樣，用 5 點取樣法取土樣，在2010 年之后改為小麥收獲后取樣。1988、2000、2005、2009、2013、2017 年各處理采集剖面土樣，其中2005、2009、2013 年土樣采集至200 cm，其余年份采集至100 cm。揀去土樣中的根茬、石塊等雜物，風干后研磨備用。有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定。

1.3.2 統計分析

所有數據采用 Excel 2007、Origin 軟件進行數據分析和作圖，2005、2009、2013 年土樣100 cm以下土層有效磷含量無差異，因此100 cm 以下土層不進行分析。

2 結果與分析

2.1 土壤有效磷的垂直空間變化

圖1 是長期定位試驗中潮土剖面有效磷含量分布狀況（2009 年之前試驗沒有設置重復），1988 年試驗起始時0 ～100 cm 各土層有效磷含量均小于10 mg/kg，經過30 年不施磷肥（NK），0 ～40 cm 土層有效磷含量較試驗起始時（1988 年）有所消耗，且0 ～40 cm 土層耗磷較多，40 ～100 cm 土層與試驗起始時基本無差異，這因為一是沒有磷的投入，二是為滿足作物生長發育，作物根系將不斷從土壤中吸收養分，0 ～40 土層有效磷一直處于消耗狀態。1991 ～2003 年階段每年磷投入量77 kg/hm2（NPK處理）及90 kg/hm2（SNPK 處理）0 ～20 cm 土層有效磷含量均小于30 mg/kg，20 ～40 cm 土層有效磷含量分別達到14.2、21.2 mg/kg，高于試驗起始值3.8 mg/kg，40～60 cm 以下土層有效磷基本維持在2～4 mg/kg 之間。2003 ～2017 年磷素投入量降低，而各土層有效磷含量與2003 年之前相比變化并不大。

1991 ～2003 年階段MNPK、1.5 MNPK 處理磷投入量分別為140 、210 kg/hm2，2000 年MNPK、1.5 MNPK 處理0 ～20、20 ～40、40 ～60 cm 分別是起始值5.84、8.8、4 倍和8.96、8.89、5.59 倍；2004 ～2011 年階段MNPK、1.5 MNPK 處理磷投入量分別為100、150 kg/hm2，2009 年20 ～40 cm土層有效磷含量，分別是試驗起始值的6.71、3.58倍，1.5 MNPK 處理40 ～60 cm 土層有效磷含量是試驗起始值1.73 倍，而MNPK 處理與試驗起始值沒差異。2012 年之后MNPK、1.5 MNPK 處理磷投入量分別為130、90 kg/hm2，在2017 年時土壤40 ～60 cm 土層有效磷含量是試驗起始值的4.9 倍。

圖1 有效磷在0 ～100 cm 土層分布

2.2 0 ～20 cm 土層有效磷含量對磷素移動程度的影響

如圖2 所示，直觀分析0 ～20 cm 土層有效磷含量對磷素在垂直空間運移影響。長期試驗結果顯示，0 ～20 cm 土層有效磷含量小于15.7 mg/kg 時，土壤磷素主要分布在20 ～40 cm 土層； 0 ～20 cm土層有效磷含量為15.7 ～24.7 mg/kg 時，40 ～60 cm 土層有效磷含量增加了2 mg/kg，磷素下移的量占0 ～20 cm 土層增加量的31%；0 ～20 cm 土層有效磷含量為24.7 ～55.6 mg/kg 時，土壤中的磷素可以下移到60 ～80 cm 土層，20 ～40、40 ～60、60 ～80 cm 土層磷素增加量占0 ～20 cm 土層增加量的39.4%、20.8%、9.1%。0 ～20 cm 土層土壤有效磷含量55.6 ～69.0 mg/kg 時，20 ～40 cm 有效磷的含量為24.1 ～33.8 mg/kg，磷素增加量占0 ～20 cm 土 層 增 加 量 的72.5%，40 ～60、60 ～80 cm土層磷素增加量占0 ～20 cm 土層磷素增加量的15.0%、20.9%。綜上所述，0 ～20 cm 土層有效磷含量越高，磷素下移不僅深而且量多。

2.3 土壤有效磷與作物產量的關系

土壤有效磷含量與作物產量的關系，如圖3，拐點比較明顯，有效磷的含量高于15 mg/kg，小麥產量增加緩慢，有效磷含量小于15 mg/kg 時，小麥產量隨有效磷含量的增加而增加。而有效磷含量大于10 mg/kg時，玉米產量增加緩慢。小麥產量2011 年達到最高，產量為9 331 kg/hm2，而玉米產量2012 年時最高，產量達到11 487 kg/hm2，有效磷含量到達這一水平后，只要維持這一水平，即可獲得高產。

圖2 耕層有效磷含量對其移動的影響

圖3 作物產量與耕層土壤有效磷的關系

2.4 土壤有效磷生態閾值的確定

在農業生產中，關于有效磷生態閾值，目前還沒有明確的定義。本研究中生態閾值主要是基于產量安全、作物根系對養分的吸收情況及磷素下移的情況，即保證作物產量又未對環境造成影響，同時磷素下移的深度有利于作物根系吸收。有效磷生態閾值指0 ～20 cm 土層有效磷含量超過該值不但不能使作物繼續增產，還可能會對農業生態造成威脅，同時造成磷資源的浪費。長期定位試驗結果表明，0 ～20 cm 土層有效磷含量大于24.7 mg/kg 時，磷素下移至60 ～80 cm；有研究表明，不同類型冬小麥及玉米的根系90%在0 ～60 cm 土層，僅有10%在60 cm 土層以下［16-17］，所以 60 cm 土層以下的有效磷不易被作物吸收利用。0 ～20 cm 土層有效磷含量大于10、15 mg/kg（圖3），磷素已不是小麥、玉米產量的限制因素，增加磷的投入量對作物產量不能起顯著作用。綜上所述，本研究提出，有效磷含量25 mg/kg 可作為潮土有效磷生態閾值。由此，潮土小麥-玉米輪作模式下，為保障生產，保護生態環境，土壤耕層有效磷含量為15 ～25 mg/kg 時，應合理控制磷的投入量；當耕層有效磷含量超出25 mg/kg，減少磷的投入。

3 討論

3.1 長期施肥對土壤磷流失風險的影響

磷肥投入量超出作物需求量，可使有效磷含量增加，造成土壤中磷素下移。長期施肥的研究結果表明，有機肥配施化肥（1.5 MNPK、MNPK 處理）土壤中磷素下移的深度比施化肥（NPK）及秸稈還田配施（SNPK 處理）深，達到60 ～80 cm 土層，這一方面是因為施肥量高的處理，可使0 ～20 cm土層有效磷含量增高，從而促進磷素下移［18］；另一方面可能是有機肥配施化肥更易使磷素向下遷移，有機肥中含有的有機酸可以活化土壤中的磷素，使土壤對磷的吸附降低，所以使磷素更易于向土壤深層移動［19］。40 年長期試驗表明，施用化肥可使磷素下移1.1 m，而施有機肥可達到1.8 m 左右［20］；還有研究表明，施磷量相等的條件下，有機肥中磷在土壤剖面中下移深度比化肥深［21］。另外，本研究還發現，2005 年時MNPK、1.5 MNPK處理20 ～40 cm 土層有效磷含量高于0 ～20 cm 土層，這主要由于0 ～20 cm 土層有效磷含量分別達到54.4、79 mg/kg，已顯著高于磷素的淋溶臨界值40 mg/kg［9］，又遇到 7 ～10 月份強降雨，促進磷素加速下移。Hesketh 等［22］對連作小麥試驗地的研究發現，當有效磷含量達到 60 mg/kg 時，土壤磷素遷移量明顯增加。試驗數據還表明，0 ～20 cm 土層有效磷含量為15.7 ～24.7 mg/kg，磷素可下移到40 ～60 cm 土層；有效磷含量24.7 ～55.6 mg/kg，磷素可下移到60 ～80 cm 土層。有研究表明，在遼河平原長期施肥條件下，0 ～20 cm 土層土壤有效磷含量為35.1 mg/kg 時，可使磷素下移到60 ～80 cm 土 層［15］。0 ～20 cm 土 層 有 效 磷 含 量55.6～69.0 mg/kg 時，磷素下移到60～80 cm 土層，且 20 ～40 cm 土層有效磷增加的量占耕層增加量的72.5%，這充分說明，土壤0 ～20 cm 有效磷含量超過淋溶臨界值時，磷素下移的風險增大。

3.2 潮土的生態安全臨界值

本研究有效磷生態閾值是基于產量及生態安全前提下，提出合理控制0 ～20 cm 土層有效磷含量。本研究結果表明，潮土區土壤有效磷生態閾值為25 mg/kg。前人研究的玉米Olsen-P 高產臨界值范圍為 3.9 ～17.3 mg/kg［23-25］，小麥 Olsen-P 高產臨界值范圍為 4.9 ～20.0 mg/kg［23-24，26］，而本研究通過分析土壤有效磷和作物產量的關系，得出土壤有效磷含量大于15 mg/kg，小麥產量增加不顯著，而玉米產量則是土壤有效磷含量大于10 mg/kg 增加不顯著，基本符合上述研究結果，生態閾值滿足了作物高產，同時對生態沒有造成危害。本研究結果還顯示，通過30 年的連續施肥，不施磷處理有效磷含量低于此生態閾值，而施磷處理均高于此值，其中 MNPK 處理比生態閾值高出2.7 倍，易加速磷素下移［8］。因此，考慮土壤有效磷生態閾值，NPK、SNPK 處理應控制施肥、適度用肥，使土壤有效磷穩定在一定水平；MNPK 處理的有效磷含量已處于磷素高流失水平，生產者應減少磷的施用量。

4 結論

在潮土區長期施用化肥、有機肥配施化肥或者秸稈還田配施化肥均可提高土壤中有效磷含量，0 ～20 cm 土層有效磷含量為15.7 ～24.7 mg/kg，磷素可下移到20 ～40 cm 土層；土壤0 ～20 cm土層有效磷含量超過24.7mg/kg，磷素可下移到60 ～80 cm 土層。

潮土區土壤有效磷生態閾值為25 mg/kg，既滿足作物高產，又不對生態環境造成危害。施磷量與土壤有效磷含量有密切的關系，據此可以根據實際的土壤有效磷的情況，調控施用磷肥量。