陜西關中冬小麥-夏玉米種植區塿土無機磷形態及其有效性

張澤興，柳小琪，別婧雅，呂家瓏

(西北農林科技大學 資源環境學院/農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100)

磷是肥料三要素之一，也是農作物生命活動必不可少的營養元素之一，參與作物體內核酸、磷脂、ATP等化合物的合成，促進農作物的生長發育[1]。增加磷肥的施用量可以提高農作物的產量，達到高產的目的[2]。2000-2019年中國每年磷肥用量呈增長趨勢，2014年中國磷肥施用折純量為近20年最高，達845.34萬t[3]，中國已經是世界上土壤磷盈余最為嚴重的國家之一[4-5]。磷肥的大量使用會導致磷礦資源被大量消耗，嚴重威脅中國生態環境安全，節約磷礦資源問題亟待解決。中國北方石灰性土壤由于存在大量的碳酸鈣，當磷酸鈣鹽接觸土壤后發生沉淀作用被固定，而在酸性土壤中，磷主要由土壤中存在的鐵、鋁氧化物吸附固定[6]。導致中國北方主要農區磷肥當季利用率偏低，嚴重阻礙農業發展。研究表明中國北方作物磷肥當季利用率只有10%～25%[7-8]。陜西關中地區春小麥和夏玉米種植季分別有60%和20%的農戶施用磷肥過高[9]，且關中地區塿土的固磷能力很大，72h內就有40%左右的水溶性磷肥被固定[10]。無效態的磷在土壤里逐年積累，通過地表徑流或淋溶進入水體，可能造成水環境的污染[11]。因此合理地施用磷肥對保證當地農作物獲得高產、防止環境污染和實現農業可持續發展具有重要意義。

石灰性土壤中無機磷占全磷含量的75%以上，是土壤磷素的主要組成部分[12]。各形態無機磷組分對農作物的有效性不同，致使土壤對磷的供應能力有所差異[13-14]。運用化學分級法研究土壤無機磷形態含量組成比例，再結合數學方法分析各形態的有效性對了解土壤無機磷庫特征具有重要意義[15-16]。沈仁芳等[17]通過對16種石灰性土壤研究發現各無機磷組分含量順序為Ca10-P>O-P>Ca8-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P，Ca-P占絕大部分，通過生物試驗得出Ca2-P是最有效的磷源，Ca8-P、Al-P和Fe-P被看作緩效磷源，O-P和Ca10-P有效性極低，被看作潛在性磷源。王艷玲等[18]對吉林省春玉米種植區黑土無機磷的有效性研究發現，各無機磷形態的組成相對穩定，既有自身對有效磷的直接影響也可以通過其他形態間接影響有效磷，且Ca2-P、Al-P和Fe-P是有效磷的主要磷源。李運陽等[19]對吉林省西部黑鈣土無機磷的研究表明，黑鈣土無機磷含量為154.1～381.1mg/kg，且以無效態的O-P和Ca10-P為主，只有Ca2-P為有效性磷源且含量最低。呂家瓏等[20]和孫本華等[21]通過23a肥料定位試驗發現Ca2-P和Ca8-P是塿土有效磷的主要磷源。目前，國內主要是基于塿土的長期定位試驗來研究土壤磷形態分布及其對農作物的有效性，而對于關中平原廣泛的農作物種植區典型土壤無機磷形態分布特征及其有效性的研究卻 很少。

因此本研究以陜西省關中平原冬小麥-夏玉米種植區塿土為研究對象，通過測定供試土壤樣品各形態無機磷組分的含量，了解無機磷形態的分布特征，并結合相關分析、通徑分析和逐步回歸分析闡明各無機磷形態對有效磷的貢獻。為指導科學施用磷肥、減磷增效及提高磷肥利用率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

選擇陜西關中平原冬小麥-夏玉米一年兩熟種植區為研究區域。關中平原又稱渭河平原，是中國的第四大平原。南與秦嶺山脈相依，北和黃土高原相連，渭水由西向東流經關中平原，屬于暖溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫為12～13.6 ℃，年均降水量550～660 mm，平均海拔約為500 m。陜西關中的河流階地與黃土臺塬區是塿土的主要分布區域，跨寶雞、咸陽、西安、渭南等地市，是陜西關中主要的耕作土壤，總面積為9.8×105hm2，占全省總土壤面積的5%[22]。當地農民于10月初播種小麥，次年6月初收獲，收獲小麥后即時播種玉米并于該年10月收獲。

1.2 土壤樣品采集

土壤樣品的采集時間為2018年9月，在當季作物春小麥收獲后及下一季作物夏玉米播種之前。參考陜西省第二次土壤普查采樣點位，綜合土地利用現狀圖、土壤圖和行政區劃圖等。按“等量、隨機、多點混合”的取樣原則，同時避開堆肥、田埂、路沿等特殊區，在陜西省中部地區4個地市選擇具備代表性的縣區22個，共計采取0～20 cm的耕層土壤樣品117個，供試土壤樣品的分布情況見表1，基本化學性質：pH為7.2～9.0、有機質5.1～38.1 g/kg、堿解氮66.9～273.3 mg/kg、速效鉀94.6～402.4 mg/kg。采樣的經度、緯度、海拔分別為：107°23′18.53″～ 110°03′05.27″E、34°06′31.52″～35°11′45.07″N、 316～783 m。將土壤樣品帶回實驗室，風干后經人工揀掉植物殘體和石塊，研磨后過10目及100目篩網，將樣品保存，備用。

表1 陜西省塿土土壤樣品采集地區及其樣本容量Table 1 Distribution and collection area of tier soil samples in Shaanxi province

1.3 指標分析

土壤pH用電位法測定；堿解氮用堿解擴散法測定；有機質用重鉻酸鉀容量法-外加熱法法測定；速效鉀用1 mol/L醋酸銨溶液(pH 7.0)浸提，火焰光度計測定；有效磷含量用0.5 mol/L NaHCO3溶液(pH 8.5)浸提，鉬銻抗比色法測定；土壤無機磷分級采用蔣柏藩和顧益初改進的分級法，依次測定土壤樣品的Ca2-P、Ca8-P、 Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P含量。以上測定方法均參照文獻[23]進行，且每個樣品重復4次。

1.4 數據處理

采用Excel 2019對數據進行整理計算，用SPSS 19進行相關分析、通徑分析、逐步回歸分析。圖中數據均為平均值。

2 結果與分析

2.1 塿土有效磷養分含量

由表2可知，塿土有效磷含量變幅為1.2～65.6 mg/kg，平均含量為28.7 mg/kg。長期以來為提高農業經濟利益，人們大量施肥，導致磷素在農田中累積，由于農田中磷的盈余，土壤有效磷水平在不斷上升[24]。對比全國第二次土壤普查塿土耕層有效磷含量[22]，本研究中供試土壤樣品有效磷平均值增長241.7%。4個地市中以寶雞市平均含量最高為35.3 mg/kg，比西安市高4.4 mg/kg、比咸陽市高8.9 mg/kg，渭南市平均含量最低為22.2 mg/kg。渭南市有效磷含量的變異系數最大為65.6%，西安市最小為39.4%，變異系數都比較低，均屬中等變異范疇[25-26]。說明氣候、地形、土地利用方式以及人類活動等環境因素變化對有效磷造成的影響作用較弱。參照《中國土壤》中有效磷含量的分級標準[27]，由表3可知供試土壤樣品的有效磷含量大部分都高于20 mg/kg，可見塿土的有效磷水平是較好的。

表2 塿土無機磷組分測定結果Table 2 Determination result of inorganic phosphorus components in tier soil

表3 土壤有效磷含量的分級標準和供試土樣各等級有效磷所占比例Table 3 Grading statistical criteria for Olsen-P content and proportion of soil samples for testing

2.2 塿土無機磷含量的分布

由表2可知，塿土無機磷含量為585.4～ 1 513.8 mg/kg，平均含量為983.4 mg/kg。寶雞市無機磷平均含量最高為1 115.5 mg/kg，比西安市高113.8 mg/kg，比咸陽市高97.8 mg/kg，渭南市無機磷平均含量最低為876.1 mg/kg。并且寶雞市、渭南市、西安市和咸陽市無機磷含量的變異系數分別為19.3%、19.5%、16.4%和19.1%，均屬中等變異范疇[25-26]，雖然塿土無機磷含量變化幅度較大，但是各研究區域間的變異系數差值很小，可見塿土無機磷含量對環境的敏感程度比較低，不易受外界因素的影響。

2.3 塿土各形態無機磷組分和有效磷的相關分析

有效磷是評價土壤磷素利用率的重要指標，通過探討塿土有效磷和各無機磷組分的相關性關系，可以合理反映塿土各形態無機磷的有效性。由表4可知，除Ca10-P與Ca2-P、Fe-P不具有相關性關系外，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P之間，以及Ca8-P、Al-P、O-P、Ca10-P之間具有極顯著相關性關系。各無機磷形態和有效磷的相關性大小依次為Ca2-P(0.912)>Ca8-P(0.598)>Al-P (0.569)>Fe-P(0.531)>O-P(0.426)>Ca10-P (0.138)，其中Ca10-P和有效磷不具有相關關系，其余無機磷形態和有效磷均有極顯著相關關系 (P<0.01)。可見各無機磷形態中Ca2-P的有效性最顯著、其余依次為Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P，而Ca10-P的有效性則最低。

表4 塿土各形態無機磷組分和有效磷的相關分析系數與顯著性檢驗Table 4 Analysis coefficient of single correlation and significance test of various forms of inorganic phosphorus components and Olsen-P in tier soil

2.4 塿土各形態無機磷組分和有效磷的通徑分析

簡單的相關分析只能得出塿土各形態無機磷組分和有效磷之間具有不同程度的相關性關系，由于各形態無機磷組分之間處于動態平衡之中，無法全面了解各形態無機磷組分對有效磷貢獻的大小，也不能說明其對有效磷是直接影響作用還是間接影響作用。因此采用通徑分析來研究塿土各形態無機磷組分對有效磷的貢獻，可以通過直接通徑系數和間接通徑系數了解各無機磷形態對有效磷貢獻的大小。

由塿土各無機磷形態與有效磷含量之間的通徑系數和通徑鏈系數(表5)可知，塿土各形態無機磷組分對有效磷的直接影響作用大小依次為：Ca2-P(0.771)>Ca8-P(0.155)>Fe-P(0.107)>O-P(0.042)>Al-P(0.010)>Ca10-P(-0.068)。Ca2-P與有效磷的通徑系數最大(py1=0.771)，相關性也最強(r=0.912)，對有效磷的直接影響也最大，可見Ca2-P主要是通過直接作用影響有效磷的，是陜西省塿土冬小麥-夏玉米種植體系最有效的磷源。Ca8-P(py2=0.155)和Fe-P(py4=0.107)對有效磷既有其自身的直接影響作用，也有通過其他因子的間接影響作用，比如Ca8-P和Fe-P存在通過Ca2-P較大的間接影響作用，其間接通徑系數分別為0.401和0.353，因此Ca8-P和Fe-P也被看作是有效磷源。Al-P(py3= 0.010)和O-P(py5=0.042)與有效磷均呈極顯著相關關系，但是它們的直接通徑系數較小，主要是通過Ca2-P的間接影響作用，其間接通徑系數分別為0.388和0.281，因此Al-P和O-P可被看作是緩效磷源。Ca10-P(py6=-0.068)與有效磷不具有相關關系，對有效磷的直接通徑系數是較小的負值，而且其余形態無機磷組分通過Ca10-P的間接通徑系數都很小，因此Ca10-P被認為是作物難以利用的磷源。

表5 塿土各形態無機磷組分與有效磷的通徑系數與通徑鏈系數Table 5 Path coefficient and path chain coefficient of phosphorus to Olsen-P in each group of tier soil

2.5 塿土各形態無機磷組分和有效磷的回歸分析

為進一步驗證陜西關中冬小麥-夏玉米種植區塿土各形態無機磷組分的有效性，在相關分析和通徑分析的基礎上，運用相關分析檢驗各組分對有效磷貢獻的顯著性。由表6可知，Ca2-P、Ca8-P和Fe-P對有效磷的貢獻達極顯著水平 (P<0.01)，Al-P、O-P和Ca10-P對有效磷的貢獻則不顯著。無機磷組分對有效磷影響作用顯著的3因子回歸方程為：y=-1.893+0.907x1+ 0.036x2+0.087x4，R2=0.864(y代表有效磷，x1、x2和x4分別代表Ca2-P、Ca8-P和Fe-P)， 表明塿土無機磷組分中Ca2-P對有效磷的貢獻 最大，Ca8-P和Fe-P也是有效磷的重要補充 來源。

表6 塿土無機磷組分和有效磷的回歸分析Table 6 Stepwise regression analysis of inorganic phosphorus components and available phosphorus in tiersoil

3 討 論

本研究通過對寶雞市、渭南市、西安市、咸陽市塿土各無機磷形態的變異分析可知，各無機磷形態均屬中等變異范疇，但Ca10-P的變異系數均小于其他形態，可見Ca10-P的含量對環境變化的敏感度最低。關中地區各形態無機磷組分中以Ca10-P占最多數，含量為374.5～700.4 mg/kg，平均含量為521.8 mg/kg，占無機磷總量的 36.8%～82.9%；其次是Ca8-P，含量為31.6～430.5 mg/kg，平均含量為186.8 mg/kg，占無機磷總量的5.0%～30.7%；其余形態無機磷組分含量大小順序為：O-P(含量為46.3～218.6 mg/kg，平均含量為102.9 mg/kg，占無機磷總量的 6.4%～17.5%)>Al-P(含量為6.4～248.5 mg/kg，平均含量為89.3 mg/kg，占無機磷總量的1.0%～16.6%)>Fe-P(含量為14.6～148.2 mg/kg，平均含量為64.0 mg/kg，占無機磷總量的1.9%～17.2%)>Ca2-P(含量為0.9～58.5 mg/kg，平均含量為19.0 mg/kg，占無機磷總量的0.1%～ 4.8%)。本研究結果中Ca10-P和Ca8-P的含量明顯高于其他形態的無機磷，這是因為水溶性磷肥施入石灰性土壤會迅速轉化為磷酸二鈣，磷酸二鈣繼續作用形成溶解度很小的磷酸八鈣，最后逐漸轉化為穩定的磷酸十鈣[28]。本研究結果顯示，4個地區從西部寶雞到東部渭南土壤無機磷含量呈遞減趨勢，這與陜西關中各地區磷肥用量的調查結果一致[9,11,29]，可見造成這4個地區無機磷含量呈現西高東低的主要原因是磷肥施用量的差異。將Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P合在一起作為Ca-P，Ca-P含量變幅為429.6～ 1 042.8 mg/kg，平均含量為727.3 mg/kg，占無機磷總量的61.6%～88.2%，是無機磷的主要形態。本研究結果表明各形態無機磷組分含量依次是：Ca-P>O-P>Al-P>Fe-P。有研究表明土壤中的鈣磷酸鹽和鐵磷酸鹽的成分可以反應土壤分化程度，Ca-P越多則分化程度越淺，Fe-P越多則分化越深[30]，因此本研究結果說明塿土處在風化初期。

結合相關分析、通徑分析、逐步回歸分析發現Ca2-P、Ca8-P、Fe-P是有效的磷源，Al-P和O-P是緩效性磷源，Ca10-P含量雖然最多，但有效性極低。沈仁芳等[17]和蔣柏藩等[30]對石灰性土壤的研究認為，O-P(閉蓄態磷)有效性很低，只是一種潛在性磷源，O-P和其余形態無機磷組分之間的轉化量極低的原因是Fe2O3膠膜包被在閉蓄態磷表面，使得O-P的抗腐蝕能力極強，所以O-P很難被植物利用。也有研究表明，在植物根系周圍，根系分泌的小分子有機酸會促進Fe2O3被還原，主要是通過質子酸效應、有機酸陰離子絡合效應使O-P釋放出來，被作物吸收利用[31-32]。呂家瓏等[20]基于塿土的長期定位試驗也發現，Ca2-P和Ca8-P是有效磷主要磷源，雖然O-P和有效磷呈極顯著正相關關系，但是它對有效磷的直接貢獻卻為負值，O-P主要是通過影響Ca2-P和Ca8-P間接影響有效磷。

4 結 論

陜西關中冬小麥-夏玉米產區塿土無機磷和有效磷含量較高且變異較小，其含量以西部寶雞地區最高，東部渭南地區最低。耕層的無機磷以Ca10-P為主，Ca2-P含量最低。結合相關分析、通徑分析以及逐步回歸分析法，各組分無機磷和有效磷含量之間的關系表明，Ca2-P對有效磷是直接影響，是最有效的磷源；Ca8-P和Fe-P對有效磷既有直接影響，也有間接影響，也是有效磷源；Al-P和O-P主要通過間接影響，是緩效磷源；Ca10-P則是作物難以吸收利用的磷源。因此，本研究結果表明Ca2-P，Ca8-P和Fe-P是塿土有效磷的主要磷源。