不同灌溉和施肥模式對稻田磷形態轉化和有效性的影響

田 倉，虞軼俊，吳龍龍，張 露，黃 晶，朱練峰，張均華，朱春權，孔亞麗，武美燕，曹小闖※，金千瑜

不同灌溉和施肥模式對稻田磷形態轉化和有效性的影響

田 倉1,2，虞軼俊3，吳龍龍1，張 露1，黃 晶1，朱練峰1，張均華1，朱春權1，孔亞麗1，武美燕2，曹小闖1※，金千瑜1

（1. 中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室，杭州 311400；2. 長江大學農學院濕地生態與農業利用教育部工程中心，荊州 434025；3. 浙江省耕地質量與肥料管理總站，杭州 310020）

為闡明不同灌溉和施肥模式對水稻磷吸收和利用效率、稻田土壤磷形態轉化特征的影響及其對土壤磷素有效性的貢獻，該研究以雜交秈稻中浙優1號為供試材料，設常規淹灌（Conventional Flooding，CF）、干濕交替（Alternate Wet and Dry irrigation，AWD）2種灌溉模式，以及不施肥（CK）、常規尿素（Ureal，100%PU）、常規尿素減氮20%（80% of Urea，80%PU）、緩控釋復合肥減氮20%+生物炭（80% of Control-Released Fertilizer+Biochar，80%CRF+BC）和穩定性復合肥減氮20%+生物碳（80% of Stable Fertilizer+Biochar，80%SF+BC）5種施肥模式，對比分析了不同灌溉和施肥模式下水稻產量、磷吸收效率、稻田土壤磷有效性及土壤磷形態變化特征。結果表明：1）與CF相比，AWD灌溉模式下80%CRF+BC和80%SF+BC處理水稻產量顯著高于100%PU和80%PU處理（<0.05）；2）AWD灌溉顯著增加了成熟期80%SF+BC處理水稻穗部磷累積量，且80%CRF+BC與80%SF+BC處理水稻各器官磷累積量、磷吸收效率與磷肥偏生產力均顯著高于80%PU處理；3）AWD灌溉顯著提高80%CRF+BC和80%SF+BC處理土壤有效磷、無機磷、有機磷含量與磷活化系數，以及土壤各形態無機磷和0～15 cm 土壤中活性有機磷（Moderately Labile Organic Phosphorus，MLOP）、活性有機磷（Labile Organic Phosphorus，LOP）含量，且其含量均顯著高于兩組尿素處理；4）相關分析表明，土壤中穩態有機磷（Moderately Resistant Organic Phosphorus，MROP）、LOP、MLOP和Al-P是土壤有效磷的主要決策因子，O-P（閉蓄態磷）和Ca-P是有效磷的主要限制因子。通過適宜的水肥管理提高MROP、LOP、MLOP含量可能是提高土壤有效磷的潛在有效途徑。AWD灌溉模式下，生物炭配施穩定性復合肥/緩控釋肥能通過調控土壤磷形態轉化和磷素活化提高稻田磷有效性，進而提高水稻磷吸收累積和磷素利用效率。研究結果可為通過不同水肥管理模式提高水稻磷利用效率提供理論依據。

灌溉；施肥；土壤；干濕交替；有機磷；無機磷；磷有效性；水稻

0 引 言

磷是水稻生長所必須的營養元素之一，在能量傳遞、物質代謝和抗逆調控中有著重要的作用[1]。由于在土壤中移動性差、易固定，土壤中可溶性磷肥絕大部分以無效態形式積累，導致磷肥當季利用利率較低，僅為5%～15%[2]。另一方面，水稻生產過程磷肥大量施用，未被吸收利用的磷素大多數滯留在表層土壤中，經徑流、滲漏等途徑進入生態環境，導致農業面源污染和嚴重的資源環境壓力[3]。因此，探索適宜養分資源管理模式提高水稻磷素利用效率對降低農業面源污染、水稻綠色高質量發展具有至關重要的意義。

土壤中磷形態分為無機磷和有機磷，無機磷是作物有效磷素的主要來源。土壤無機磷可分為Ca-P、Al-P、Fe-P和O-P（閉蓄態磷）[4]，其中Ca-P、Al-P和Fe-P是植物的有效磷源。當土壤無機磷含量較低時，有機磷礦化成為植物磷素的重要來源。有機磷按其活性可分為活性有機磷（Labile Organic Phosphorus，LOP）、中活性有機磷（Moderately Labile Organic Phosphorus，MLOP）、中穩性有機磷（Moderately Resistant Organic Phosphorus，MROP）和高穩性有機磷（Highly Resistant Organic Phosphorus，HROP）[4]。土壤磷有效性與土壤的理化性質（如含水率）密切相關，江孟孟等[5]研究發現，與淹灌對照相比，輕干濕交替灌溉提高了土壤有效磷含量。這可能因為頻繁干濕交替能加速刺激植物殘體的破碎分解，產生的有機酸促進土壤磷溶解和活化[6]，干濕交替灌溉還能誘導土壤團聚體破壞、有機質分解，加速有機質中富里酸聚等陰離子釋放，其可與磷酸鹽陰離子競爭吸附位點，進而促進土壤吸附態磷的釋放[7]。也有研究指出，有機肥部分替代化肥可增大磷素積累增長持續期和最大增長速率，促進花前磷素的轉運，進而提高磷素利用效率[8]；施用生物炭可降低磷養分在土壤中的釋放速率，降低其淋濾損失。馮軻等[9]進一步研究發現，生物炭對降低田面水的全磷流失量具有明顯的效果，且生物炭能通過促進不同無機磷形態間的轉化提高土壤磷有效性[10]。葉玉適等[11]研究指出，干濕交替灌溉結合樹脂包膜尿素施用能有效降低稻田磷素徑流和滲漏損失，減少農業面源污染，提高磷素利用效率。但是，不同灌溉模式下緩控釋與生物炭配施對稻田磷素有效性、磷形態轉化特征及其與水稻磷素利用效率的關系仍鮮有研究。

前期研究發現，適宜水氮耦合模式可通過調控稻田氮形態轉化提高氮素有效性，協調同化物和氮素吸收轉運，提高水稻產量和氮素利用[12]。目前，農田磷養分資源管理的研究多集中于不同施磷條件下田間磷素的動態變化及其徑流和淋溶損失等方面[11,13-14]。因此，本文在連續2 a定位試驗基礎上，研究不同施肥和灌溉模式對水稻磷利用效率、土壤磷形態轉化特征及其有效性關鍵限制因子的影響，以期為通過不同水氮管理模式提高水稻磷肥利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019—2020年在中國水稻研究所富陽試驗基地進行。供試土壤類型為青紫泥型黏土，基礎土壤理化性質：pH值6.3、有機質36.8 g/kg，全氮 2.6 g/kg，有效磷17.0 mg/kg，速效鉀54.1 mg/kg，堿解氮142.0 mg/kg。供試水稻品種為雜交稻中浙優1號，采用裂區設計，以灌溉模式為主區、施肥模式為裂區，小區面積8.3 m2左右，各處理重復3次。2種灌概模式：干濕交替灌溉（Alternate Wet and Dry irrigation，AWD）和常規淹灌（Conventional Flooding，CF）。CF灌溉，水稻返青后田面保持水層，整個生育期不曬田，收獲前自然落干；AWD灌溉，水稻移栽后保持淺水層5～7 d確保秧苗返青成活，至孕穗前田面不保持水層，土壤含水量為飽和含水量的70%～80%，分蘗期“夠苗”曬田，孕穗期保持1～3 cm水層，抽穗至成熟期，灌透水、自然落干至土壤飽和含水量的60%時灌水，干濕交替灌溉。5種氮肥管理模式分別為：不施肥（CK）、常規尿素（Ureal，100%PU）、常規尿素減氮20%（80% of Urea，80%PU）、緩控釋復合肥減氮20%+生物炭（80% of Control-Released Fertilizer+Biochar，80%CRF+BC）和穩定性復合肥減氮20%+生物炭（80% of Stable Fertilizer+Biochar，80%SF+BC）。所有處理均為等磷、等鉀處理，P2O5施用量為90 kg/hm2，K2O為150 kg/hm2，鉀肥按照基肥∶穗肥=6∶4分兩次施入。100%PU和80%PU處理中施氮量分別為180kg/hm2和144 kg/hm2（氮肥以尿素計），按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3分3次施用；80%CRF+BC和80%SF+BC處理中施氮量為144kg/hm2，按照基肥∶穗肥=7∶3分2次施用（一基一追，基施緩控/穩定性復合肥，追施尿素）。

緩控釋復合肥（Control-Released Fertilizer，CRF）中N-P2O5-K2O含量為 22%-8%-12%，穩定性復合肥（Stable Fertilizer，SF）中N-P2O5-K2O含量為 21%-8%-18%，且含有1.5% 的2-氯-6-三氯甲基吡啶（CP）作為硝化抑制劑。生物炭施用量為1 800 kg/hm2，在插秧前與20 cm表層土壤均勻混拌，插秧前1 d同基肥一起施于稻田。

1.2 樣品采集及試驗方法

1.2.1 產量與水稻各器官磷累積量

成熟后采集3穴水稻樣品，分成莖鞘、葉片和穗3個部分，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至質量不變，植株樣品粉碎后采用H2SO4-H2O2消煮-鉬銻鈧比色法測定各器官磷含量。成熟期小區內剩余水稻植株全部收獲計產。

1.2.2 稻田土壤各形態磷含量

成熟后采集土壤樣品。采用“S”型采集各小區0～15 cm和>15～30 cm土層土壤，風干，過篩備用。土壤有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3（pH值 8.5，土水體積比1∶2.5）浸提-鉬銻抗比色法測定；全磷含量采用H2SO4-HClO4消煮[15]，稱取0.5 g土加入3 mL濃硫酸、10滴HClO4消煮2 h，冷卻定容后采用鉬銻抗比色法進行測定。

土壤無機磷各組分含量測定參考文獻[16]。具體如下：鋁磷酸鹽（Al-P）：稱取1.00 g風干土樣加入50 mL 0.1 mol/L NH4Cl，振蕩30 min，棄去上清液，再次加入50 mL 0.1 mol/L NH4F振蕩1 h，取上清液進行測定；鐵磷酸鹽（Fe-P）：浸提過Al-P的土壤用飽和NaCl洗兩次，之后加入0.1 mol/L NaOH，振蕩2 h，取上清液進行測定；閉蓄態磷（O-P）：浸提過Fe-P的土壤用飽和NaCl溶液洗兩次，之后加入40 mL 0.3 mol/L檸檬酸鈉溶液、1.0 g 連二亞硫酸鈉，水浴15 min后加入0.5 mol/L NaOH振蕩，冷卻離心后土樣用飽和NaCl潤洗兩次，離心后將上清液定容，取上清液進行測定；鈣磷酸鹽（Ca-P）：浸提過O-P的土樣加入0.5 mol/L 1/2 H2SO450 mL，振蕩離心后取上清液進行測定?？偀o機磷含量為各無機磷組分之和。

土壤有機磷采用Bowman-Cole分級方法[17]，活性有機磷（LOP）采用pH值8.5，0.5 mol/L NaHCO3浸提，全磷與無機磷之差即為活性有機磷含量；中等活性有機磷（MLOP）采用1 mol/L H2SO4溶解加上0.5 mol/L NaOH 浸提；中等穩定性有機磷（MROP，在 pH值1～1.5的條件下不發生沉淀的部分富里酸磷）和高穩定性有機磷（HROP，pH值1～1.5的條件下發生沉淀的部分胡敏酸磷）采用0.5 mol/L NaOH 浸提；總有機磷（Total OP）為各有機磷組分之和。

1.2.3 計算方法

作物磷素累積量=地上部生物量×磷濃度 （1）

磷肥偏生產力=籽粒產量/施磷量 （2）

磷吸收效率=植株地上部磷積累量×2.29/施磷量 （3）

土壤磷活化系數=有效磷/[全磷×1 000]×100% （4）

1.3 數據處理

前期連續2 a試驗結果顯示不同灌溉和施肥處理水稻產量、土壤理化變化趨勢已趨于穩定，經方差分析，2018 —2020年的試驗結果中，重復的水肥處理下，水稻產量與土壤理化性質各指標間差異不顯著（表1），因此本文只進行1 a試驗結果進行分析探討。所有數據均采用Microsoft excel 2010和SPSS數據分析軟件進行數據整理和方差分析，不同處理間顯著性檢驗采用LSD0.05（Least Significant Difference test）進行比較，各指標間的相關分析采用Pearson相關系數法進行分析。采用Origin 8.0進行繪圖。

表1 2019—2020年相同試驗處理下產量及土壤養分指標的方差分析（F值）

注：ns表示在0.05水平上差異不顯著。

Note: ns indicates that there is no significant difference at the level of 0.05.

2 結果與分析

2.1 不同灌溉和施肥模式對水稻產量、磷素累積和磷肥吸收效率的影響

由表2可知，與CF灌溉模式相比，AWD顯著提高各施肥處理水稻產量、磷肥偏生產力和磷吸收效率（除80%CRF+BC），且顯著增加了80%PU與80%SF+BC處理水稻穗部、100%PU處理水稻莖鞘和80%CRF+BC處理水稻葉片磷累積量（<0.05）。不論是CF還是AWD灌溉模式，80%CRF+BC和80%SF+BC處理水稻產量、各器官磷累積量、磷肥偏生產力以及磷吸收效率均顯著高于80%PU處理。80%CRF+BC和80%SF+BC處理水稻產量分別達9 656.2和10 032.4 kg/hm2。

2.2 不同灌溉和施肥模式對土壤各形態磷含量及磷活化系數的影響

由表3可知，各處理0～15 cm土壤全磷、有效磷、無機磷和有機磷含量均高于15～30 cm土壤。與CF相比，AWD顯著提高了各施肥處理0～15 cm土壤全磷（除80%SF+BC）、有效磷、無機磷以及80%PU和80%SF+BC處理有機磷含量（<0.05）。不論是CF還是AWD灌溉模式，80%SF+BC處理土壤有效磷、無機磷、有機磷含量和磷活化系數均顯著高于其他各施肥處理。類似地，AWD也顯著增加了15～30 cm剖面80%CRF+BC和80%SF+BC處理的土壤全磷、有效磷、無機磷、有機磷含量以及磷活化系數，且80%SF+BC處理全磷、有效磷和無機磷含量最高。

2.3 不同灌溉和施肥模式對土壤各形態無機磷含量的影響

由表4 可知，與CF相比，AWD灌溉顯著提高了80%PU、80%CRF+BC和80%SF+BC處理0～15 cm土壤Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P（除80%PU）含量，以及100%PU處理Fe-P和O-P含量（<0.05）；同時，顯著提高了100%PU（除Al-P）、80%CRF+BC和80%SF+BC處理15～30 cm土壤Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P以及80%PU處理O-P含量。不論CF還是AWD，80%SF+BC處理土壤Al-P、Fe-P和O-P含量顯著高于其他各施肥處理，AWD灌溉模式下80%SF+BC處理Ca-P含量顯著高于其他處理。

表2 不同灌溉和施肥模式對水稻產量、磷素累積和磷肥吸收效率的影響

注：CK，空白對照；100%PU，常規氮肥；80%PU，減氮20%；80%CRF+BC，緩控釋肥減氮20%+生物炭；80%SF+BC，穩定性復合肥減氮20%+生物炭。CF，常規淹灌；AWD，干濕交替灌溉。PPFP，磷肥偏生產力；PAE，磷吸收效率。表中不同處理數據后不同字母表示有顯著性差異（<0.05），顯著性分析采用LSD多重比較。下同。

Note: CK, blank control; 100% PU, conventional nitrogen fertilizer; 80% PU, nitrogen reduction 20%; 80% CRF+BC, 80% of control-released fertilizer-nitrogen plus biochar; 80% SF+BC, 80% of stable fertilizer-nitrogen plus biochar; CF, conventional flooding irrigation; AWD, alternate wet and dry irrigation; PPFP, partial productivity of phosphate fertilizer; PAE, Phosphorus absorption efficiency. There are significant differences in different letters after data of different treatments in the table (<0.05), LSD multiple comparisons were used for significance analysis The same as below.

2.4 不同灌溉和施肥模式對土壤各形態有機磷含量的影響

由表5可知，在0～15 cm土層中，與CF相比，AWD顯著提高了80%SF+BC處理LOP，以及80%PU、80%CRF+BC和80%SF+BC處理MLOP含量，且80%SF+BC處理下LOP、MLOP、MROP和HROP有機磷含量最高（<0.05）；15～30 cm土層中，AWD顯著提高80%CRF+BC（除MLOP）和80%SF+BC（除LOP）處理土壤LOP、MLOP和MROP等形態有機磷，以及80%PU處理LOP和100%PU處理MLOP含量。無論是CF還是AWD模式，80%SF+BC處理下LOP（除CF下100%PU）、MLOP、MROP和HROP含量均顯著高于常規施肥處理。

表3 不同灌溉和施肥模式下土壤磷含量及磷活化系數

表4 不同灌溉和施肥模式下土壤無機磷含量

注：Al-P-鋁磷；Fe-P-鐵磷；O-P-閉蓄態磷；Ca-P-鈣磷。下同。

Note: Al-P Al-Phosphate; Fe-P Fe-Phosphate; O-P Occluded phosphate; Ca-P Ca-Phosphate. The same as below.

2.5 不同灌溉和施肥模式對土壤不同形態磷相對含量的影響

2.5.1 土壤無機磷相對含量

如圖1所示，不同形態無機磷相對含量受灌溉、施肥模式和土壤深度影響。在0～15和>15～30 cm土層中，Ca-P相對含量最高，平均為40.7%和52.9%；Al-P相對含量最低，平均為4.5%和4.1%。在0～15 cm中，Fe-P和O-P相對含量次之，平均為34.6%和20.3%，而在>15～30 cm中O-P和Fe-P相對含量分別為26.3%和16.7%。

與CF相比，AWD顯著增加了0～15 cm土層100%PU處理Ca-P、80%PU處理Al-P和80%CRF+BC處理O-P相對含量，但顯著降低了>15～30 cm土層100%PU和80%CRF+BC處理Ca-P以及80%PU處理Al-P相對含量（<0.05）。不論AWD還是CF灌溉模式下，80%CRF+BC和80%SF+BC處理0～15、>15～30 cm土壤O-P相對含量均顯著高于其他施肥處理。

表5 不同灌溉和施肥模式下土壤有機磷含量

注：LOP-活性有機磷，MLOP-中活性有機磷，MROP-中穩性有機磷，HROP-高穩性有機磷。下同。

Note: LOP-Labile organic phosphorus, MLOP-Moderately labile organic phosphorus, MROP-Moderately resistant organic phosphorus, HROP-Highly resistant organic phosphorus. The same as below.

2.5.2 土壤有機磷相對含量

如圖2所示，不同灌溉和施肥模式對稻田土壤有機磷相對含量影響不大。在0～15、>15～30 cm土層中，MLOP相對含量最高，平均為62.1%、53.6%；MROP和HROP相對含量次之，平均為23.3%、27.4%和7.5%和10.7%；LOP相對含量最低，平均為7.0%、8.3%。在0～15 cm土層中，與CF相比，AWD灌溉顯著提高了80%SF+BC處理MLOP相對含量；>15～30 cm土層中，100%PU處理下LOP、MROP相對含量顯著增加，而在80%SF+BC處理下LOP相對含量顯著降低（<0.05）。

2.6 土壤不同形態磷素與有效磷的相關分析

由表6可知，MROP、MLOP、LOP和Al-P對有效磷的直接通徑系數分別為0.599、0.248、0.177和0.126，遠大于其他形態磷對有效磷的直接通徑系數。表明上述磷形態對土壤有效磷含量有直接影響，為有效態磷，其含量增加會促進有效磷的積累；而Ca-P、O-P與有效磷的直接相關系數為負值，即Ca-P、O-P含量的減少會導致有效磷含量的增加。Al-P和Fe-P與MLOP、MROP的間接通徑系數分別為0.144和0.253、0.188和0.120，遠大于二者與其他形態磷形態的間接通徑系數，這說明Al-P和Fe-P與MLOP、MROP間的相關系數較二者與有效磷的相關系數更為明顯，可以通過二者來對MLOP和MROP的影響作用表征其對有效磷含量變化的貢獻特征。O-P與有效磷的直接通徑系數不大，表明O-P與有效磷的相關關系較小，是土壤無機磷中的緩效態，即土壤的潛在磷源。Ca-P、LOP、MLOP、HROP與MROP的間接通徑系數分別為0.318、0.302、0.295、0.315，均大于其與有效磷的直接通徑系數，表明Ca-P、LOP、HROP、MLOP是通過與MROP較大的相關關系對有效磷含量進行間接影響。MROP、MLOP、LOP和Al-P對有效磷的決策系數分別為0.567、0.278、0.174和0.129，是有效磷含量的主要決策因子；O-P、Ca-P對有效磷的決策系數分別為-0.079、-0.137，是有效磷含量的主要限制因子，因此提高MROP、MLOP、LOP和Al-P含量，限制O-P、Ca-P含量是提高土壤有效磷含量的有效途徑。

表6 不同形態無機磷、有機磷與有效磷通徑相關分析

3 討 論

3.1 不同灌溉和施氮模式對水稻磷累積和磷利用效率的影響

本研究結果表明，與常規淹灌（CF）相比，干濕交替灌溉（AWD）顯著提高了各施肥處理水稻產量，且80%CRF+BC和80%SF+BC處理水稻產量顯著高于其他處理。孫永健等[18]發現干濕交替灌溉耦合實時實地氮肥管理，能通過促進磷素從營養器官向生長中心轉移，提高磷素吸收和利用效率，與該研究結果一致，本研究結果表明，水稻成熟期穗部磷累積量顯著高于水稻莖鞘與葉片磷素累積量，并且在80%CRF+BC與80%SF+BC處理下水稻各部位磷累積量均顯著高于80%PU處理。而在CK處理下水稻莖鞘磷素累積量顯著高于其他施肥處理，由于在不施肥處理下，莖鞘向穗部的磷素轉運量低，其轉運率不高，導致穗部磷積累量低，而在莖鞘的殘余量大，因此不施肥處理下水稻莖鞘磷素累積量顯著高于施肥處理。李漢常等[19]發現，干濕交替灌溉能顯著提高水稻根系磷吸收，且土壤有效磷與植株磷累積量、各器官磷吸收量顯著正相關。這可能因為干濕交替可通過提高根系溶解氧含量活化水稻根際土壤難溶性磷，進而提高土壤有效磷水平[20-21]；同時，干濕交替有利于促進水稻根系生長，形成早期快速生長勢，能提高水稻磷養分吸收[19]。

AWD灌溉模式較CF處理顯著提高了成熟期80%CRF+BC水稻穗部磷累積量，且80%CRF+BC和80%SF+BC處理各器官磷素累積量、磷肥偏生產力以及磷吸收效率均顯著高于80%PU處理。這可能與80%CRF+BC和80%SF+BC處理中緩控釋/穩定性復合肥養分釋放特性能有效契合水稻養分需求規律有關，其不僅能防止葉片早衰、增強后期光合作用，還有利于維持生育后期較強的根系活力，增強根系磷養分吸收能力，進而提高水稻磷利用效率[18]。此外，生物炭與緩控釋或穩定性復合肥配施也可有效控釋養分的釋放速率，降低田面水和滲漏水的磷濃度和可溶態磷損失量[11,22]。王靜等[23]發現尿素配施硝化抑制劑可有效地增加水稻生物量和磷吸收量，提高水稻磷素利用效率，這與本研究結果基本一致。這可能因為硝化抑制劑通過影響硝化細菌活性抑制了硝化作用，使施入的氮源以NH4+-N的形式存在，植物根系大量吸收NH4+導致根際周圍pH值下降，活化土壤中固定的磷，增加了土壤磷釋放[24]。

3.2 不同灌溉和施氮模式對稻田磷形態轉化特征的影響

土壤全磷含量高低可表征磷庫容量的大小，其磷素盈虧取決于磷肥施用量、作物吸磷量和磷損失量。本研究發現AWD較CF灌溉顯著增加了各施肥處理水稻產量和磷素吸收量，但在等磷量投入條件下，干濕交替灌溉顯著提高了各施肥處理（除80%SF+BC）0-15 cm土壤總磷，稻田土壤磷的收支均為盈余狀態。從磷平衡的角度考慮，這可能是其較常規淹灌顯著降低了稻田磷素徑流、滲漏損失。有效磷與全磷比值作為土壤磷素活化系數，可以反映土壤全磷與有效磷的變異狀況[25]，表征土壤磷養分的供應能力。本研究結果表明，AWD灌溉模式下80%CRF+BC與80%SF+BC土壤磷活化系數顯著高于其他施肥處理。這可能因為干濕交替灌溉下，土壤團聚體發生破裂，受物理保護的有機質暴露出來，有機質分解使得土壤可溶性磷含量增加；此外，干濕交替灌溉模式有利于提高土壤酸性磷酸酶活性，可促進有機磷轉化為可溶態的無機磷[26-27]。施入稻田中的磷大多數被土壤、植物和微生物吸收固定[28]，少量溶于水體之中。本研究結果表明，與CF相比，AWD灌溉模式顯著增加了各施肥處理不同剖面深度土壤有效磷和無機磷含量。進一步研究發現，AWD顯著提高了80%CRF+BC和80%SF+BC處理土壤各形態無機磷含量，以及CK、100%PU和80%PU處理Fe-P和閉蓄態磷（O-P）含量。這是由于長期淹灌條件下的嫌氣環境可顯著降低土壤黏粒和有機質對磷的吸附[11]，釋放土壤蓄閉態磷（O-P），使得土壤中O-P含量增大；淹水后Ca8-P向Ca2-P轉化，Ca2-P溶解產生PO43-，而PO43-可被晶型氧化鐵轉化為非晶型氧化鐵，從而增加了Fe-P含量[29-30]。AWD灌溉模式下，生物炭與穩定性或緩控釋復合肥配合處理均明顯提高了土壤Fe-P、Al-P和O-P，這可能與生物炭添加明顯提高了土壤閉蓄態磷（O-P）含量有關[31]；生物炭也可通調節土壤pH改變磷酸根與Al3+、Fe3+和Fe2+等金屬離子的作用強度，減少土壤溶液中Al3+沉淀[22]，增加土壤Al-P含量。也有研究指出，添加生物炭顯著提高土壤 Ca2-P、Ca8-P和Fe-P含量，但降低了Ca10-P和O-P含量[32]。不同研究結果間的差異可能與土壤質地、生物炭和施用環境等條件差異有關。

當土壤中的無機磷含量供應不足時，植物可以吸收一定含量的可溶性有機磷，難溶性有機磷的礦化過程是有效磷的主要供應方式，因而有機磷對磷素有效性的影響也十分明顯。與CF相比，AWD灌溉模式顯著增加了80%CRF+BC和80%SF+BC處理土壤有機磷含量，顯著提高80%SF+BC處理0-15 cm土壤活性有機磷（LOP）和中活性有機磷（MLOP）含量，其含量均顯著高于其他各施肥處理。分析這可能與該80%CRF+BC和80%SF+BC處理下較高的水稻生物量有關，其可通過根系分泌物增加土壤微生物活性和群落結構，而頻繁干濕交替可誘導微生物死亡裂解釋放有機磷[33]，增加土壤中有機磷含量。聶云鑫等[34]發現，脲酶-硝化雙抑制劑緩釋肥可顯著提高土壤磷酸酶活性增加土壤磷素有效性。土壤堿性磷酸酶活性的提高，能夠加速有機磷的礦化，特別是中活性有機磷（MLOP）和中穩性有機磷（MROP）[35]。本研究中添加生物炭處理顯著提高了LOP、MLOP含量，但對MROP和HROP含量無顯著影響。這可能因為一方面外源添加生物炭可促進土壤團聚體的形成，改善土壤通透性，顯著提高土壤脲酶和堿性磷酸酶活性[12]，促進土壤中有機磷的礦化；另一方面，磷在植物組織中以酯類或焦磷酸鹽等有機態存在，這些形態磷素是活性有機磷（LOP）的主要組分，低溫熱解炭化過程中植物體內磷素不易發生變化，因此施用生物炭可以提高土壤活性有機磷（LOP）含量；土壤中活性有機磷（MLOP）是通過化學吸附緊密結合在土壤固相上的生物炭中而植酸鎂、鈣等化合物，生物炭中的鈣、鎂在土壤中以鹽基離子的形態存在，它們會與腐植酸絡合進而促進中活性有機磷（MLOP）的積累[10]。由于高穩性有機磷（MROP）是很難礦化且難以被植物吸收利用的有機態磷含量，因此其含量變化不明顯。

3.3 不同灌溉和施氮模式影響稻田磷素有效性的關鍵因子分析

通徑分析可以通過對兩變量之間表面直接相關性的分解，來研究自變量對因變量的直接重要性和間接重要性。決策系數是通徑分析中的決策指標，用它可以把各自變量對響應變量的綜合作用進行排序，以確定主要決策變量和限制性變量。前期，有關土壤各形態磷有效性的研究結果不甚一致。顏曉軍等[36]研究認為Al-P是土壤高度有效的磷源，而Uzoma等[37]則認為Ca-P是土壤中有效磷的主體。與張為政[38]對土壤各形態磷對有效磷含量影響的研究結果相似，本研究表明中穩性有機磷（MROP）、中活性有機磷（MLOP）、活性有機磷（LOP）和Al-P是直接影響有效磷含量的主要決策因子，閉蓄態磷（O-P）、Ca-P是有效磷含量的主要限制因子。需要指出的是，灌溉模式對80%CRF+BC和80%SF+BC處理土壤高穩性有機磷（MROP）含量無顯著影響，這與通徑分析結果并不一致。分析這可能因為高穩性有機磷（MROP）是土壤有機磷的活躍形態，高穩性有機磷（MROP）的分解是磷素的主要供給過程，其可通過對活性有機磷（LOP）和中活性有機磷（MLOP）含量的間接影響表征其對有效磷含量變化的貢獻特征。結果表明，干濕交替灌溉下通過合理施肥提高土壤LOP、MLOP和Al-P含量可能是提高土壤有效磷的有效途徑。

4 結 論

1）干濕交替（Alternate Wet and Dry irrigation，AWD）灌溉模式顯著增加了各處理水稻產量（<0.05），緩控釋復合肥減氮20%+生物炭（Control-Released Fertilizer，80%CRF+BC）和穩定性復合肥減氮20%+生物碳（Stable Fertilizer，80%SF+BC）處理水稻產量分別達9 656.2和10 032.4 kg/hm2，顯著高于常規施肥處理；且顯著增加了成熟期80%SF+BC處理水稻穗部磷累積量，80%CRF+BC與80%SF+BC處理水稻各器官磷累積量、磷吸收效率與磷肥偏生產力均顯著高于80%PU處理。

2）AWD灌溉顯著提高80%CRF+BC和80%SF+BC處理0～30 cm 土壤有效磷、無機磷、有機磷含量與磷活化系數、各形態無機磷以及0～15 cm 土壤活性有機磷（Moderately Labile Organic Phosphorus，MLOP）、活性有機磷（Labile Organic Phosphorus，LOP）含量，且其含量均顯著高于100%PU和80%PU處理。

3）通徑分析結果表明，中穩性有機磷（Moderately Resistant Organic Phosphorus，MROP）與有效磷的直接通徑系數最大，達0.599；活性有機磷（LOP）和中活性有機磷（MLOP）、鈣磷（Ca-P）、鋁磷（Al-P）和閉蓄態磷（O-P）的直接通徑系數分別為0.248、0.177、-0.169、0.126和-0.079，表明MROP、LOP、MLOP和Al-P是有效磷的主要決策因子，O-P（閉蓄態磷）和Ca-P是有效磷的主要限制因子。AWD灌溉模式下生物炭配施穩定性復合肥/緩控釋肥能通過提高土壤中Al-P、MROP、LOP和MLOP含量，活化土壤中的閉蓄態磷（O-P），進而提高水稻磷吸收累積和磷素利用效率。

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Effects of various irrigation and fertilization schedules on the transformation and availability of phosphorus in paddy fields

Tian Cang1,2, Yu Yijun3, Wu Longlong1, Zhang Lu1, Huang Jing1, Zhu Lianfeng1, Zhang Junhua1, Zhu Chunquan1, Kong Yali1, Wu Meiyan2, Cao Xiaochuang1※, Jin Qianyu1

(1.,,,311400,;2.,,,,,434025,;3.,310020,)

Phosphorus has been one of the most limiting factors to food security in modern agriculture, due to the nonrenewable natural resource. This study aims to investigate the effects of irrigation and fertilization schedules on the phosphorus absorption, transformation, and use efficiency in paddy fields. A systematic evaluation was made on the contribution to the phosphorus availability of rice in the paddy soil. Taking the hybrid indica rice Zhongzheyou 1 as the experimental material, two irrigation schedules were set, including the conventional flooding and alternate wet/dry (AWD) irrigation. Five types of nitrogen application were the zero fertilizer (CK), traditional nitrogen level (100% PU), 80% of traditional nitrogen level (80% PU), 80% of control-released nitrogen fertilizer plus biochar (control released fertilizer, 80% CRF + BC), and 80% of stable compound nitrogen fertilizer plus biochar (stable fertilizer, 80% SF + BC). An analysis was performed on the rice yield and phosphorus absorption efficiency, as well as the contents of soil available phosphorus, and the composition of the various phosphorus forms. The results showed that: 1) The AWD irrigation under various treatments significantly increased the rice yield (0.05), compared with the CF schedule. The maximum yields of 9 656.2 and 1 0032.4 kg/hm2were achieved in the 80% CRF+BC and 80% SF+BC treatments, respectively. All yields here were also significantly higher than those in the 100% PU and 80% PU treatments.2) The AWD also significantly improved the content of phosphorus that accumulated in the panicle at the maturity stage of rice in the 80% SF+BC treatment. The phosphorus accumulation in the different organs of rice, the absorption efficiency, and partial factor productivity were all significantly higher in the 80% CRF+BC and 80% SF+BC treatments than those in the 80% PU one; 3) There were the higher contents of soil available phosphorus, inorganic/organic phosphorus, and soil phosphorus activated coefficient at the depth of 0-15 cm and >15-30 cm in the 80% CRF + BC and 80% SF + BC treatments, including the moderately labile organic phosphorus (MLOP), and labile organic phosphorus (LOP) at the depth of 0-15 cm, compared with the 100% PU and 80% PU treatments; 4) A correlation analysis showed that there was the largest direct path coefficient of available phosphorus with the moderately resistant organic phosphorus (MROP, 0.599). The direct path coefficient with the LOP and MLOP, Ca-, Al- and O-Phosphate were 0.248, 0.177, -0.169, 0.126, and -0.079, respectively. It indicated that the MROP, LOPs, MLOP, and Al-Phosphate were the main decision-making factors for the soil available phosphorus, whereas, the Ca- and O-phosphate were the limiting factors for the available phosphorus. Correspondingly, an effective way can be expected to increase the content of MROP, LOP, and MLOP under the appropriate water and fertilizer management, further to increase the soil available phosphorus. Furthermore, the phosphorus uptake and use efficiency of rice can be achieved for the better transformation and activity of soil phosphorus at the mature stage of rice under the suitable AWD irrigation, control-released nitrogen fertilizers, or stable compound nitrogen fertilizer plus biochar in paddy fields.

fertilization; irrigation; soils; alternate wet and dry; organic phosphorus; inorganic phosphorus; phosphorus availability; rice

2021-09-23

2021-12-10

浙江省重點研發計劃（2021C02035）；國家自然科學基金（31771733）；國家重點研發計劃（2017YFD0300106，2016YFD0200800）作者簡介：田倉，研究方向為稻田養分資源管理。Email：t192688@163.com

曹小闖，博士，副研究員，研究方向為稻田養分資源管理。Email：caoxiaochuang@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.013

S511

A

1002-6819(2021)-24-0112-11

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