外源性碳磷輸入對寧夏灌淤土磷素變化的影響

冒辛平，趙 營*，劉汝亮，魏永東

（1.寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，寧夏 銀川 750002；2.寧夏回族自治區鹽池縣科學技術局中藥材站，寧夏 鹽池 751500）

施用磷肥是解決土壤缺磷和植物磷脅迫的有效途徑，但連續大量的磷肥施入土壤造成磷素的過度累積，到2007 年時，我國農田土壤平均有效磷含量已達到24.7 mg/kg，其磷肥利用率僅為15%～20%，大量的土壤磷素累積也加劇了磷流失的風險［1-8］。近年來，河流和湖泊的水體富營養化、赤潮等環境問題受到越來越廣泛的關注，這都與過量施肥造成的氮磷流失密切相關。磷作為一種不可再生資源，大多數人普遍認為磷礦短缺即將到來，這將嚴重威脅世界磷肥價格穩定和農業可持續發展［9-14］。一般來說，經過大量施肥后的土壤中并不缺少磷素，但是卻缺少對植物有效的磷素。近年來科學家關注的焦點是如何提高土壤中磷的生物有效性及磷肥利用率，有關土壤磷素的形態及其轉化、運移和其與供磷能力的關系，始終是土壤化學的研究熱點［15-16］。因此，通過持續增加磷肥的投入來滿足作物磷的需求顯然是不可取的，而如何通過管理措施改變作物吸收利用土壤磷素的潛力，提高土壤磷的生物有效性，最大化利用土壤中已富集的磷素資源則更為重要。

寧夏引黃灌區現有耕地總面積44.1 萬hm2，占全區耕地總面積的40%，卻提供全區70%左右的糧食［17］。據統計，寧夏主要作物產量的增加55%來自化肥［18］。年際間水旱輪作是寧夏引黃灌區重要的提高作物產量、保障糧食安全的種植體系。灌淤土作為寧夏引黃灌區農田典型土壤類型，其土壤干濕交替過程及不同作物參與輪作條件下，內在的養分平衡與轉化機制并不明晰，研究該體系施肥對灌淤土磷素形態及有效性的影響機制，旨在為寧夏引黃灌區灌淤土水旱輪作體系減肥增效與減少農田磷素對水體的環境風險等方面提供理論依據。因此，本文利用室內培養模擬試驗，以水旱輪作灌淤土作為供試材料，研究添加外源性碳和化學磷肥條件下，寧夏灌區灌淤土磷素形態的變化特征，以期分析施用有機肥后，灌淤土中各磷素形態的含量變化特征及其有效性，明確目前的施肥量和施肥種類是否有利于灌淤土農田土壤中磷素的可持續發展，從而為選擇對土壤磷素進行優化管理的措施提供科學依據，研究結果對于保證區域農業的可持續發展具有重要的生態和社會意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗研究于2018～2019 年在寧夏土壤與植物營養重點實驗室進行，稱取100 g 過1 mm 篩的農民常規水旱輪作農田灌淤土，放入三角瓶中作為培養基質，設7 個不同外源碳磷添加處理，分別為T0，對照（CK）（不添加任何外源物質）；T1，5%雞糞（添加質量分數5%的商品干雞糞，磷養分含量P2O55.06%）；T2，5%雞糞+P（添加質量分數5%的商品干雞糞+低量化肥P2O50.26 g）；T3，5%雞糞+2P（添加質量分數5%的商品干雞糞+高量化肥P2O50.52 g）；T4，5%生物炭（添加質量分數5%的生物炭，全磷養分含量P2O50.83 g/kg）；T5，5%生物炭+P（添加質量分數5%的生物炭+低量化肥P2O50.26 g）；T6，5%生物炭+2P（添加質量分數5%的生物炭+高量化肥P2O50.52 g），每個處理重復4次，隨機區組排列。各處理外源物質添加完后，用玻璃棒攪拌混勻土壤，分別加入200 mL 去離子水模擬淹水（稻田）條件，培養期間定期補水使土壤一直處于淹水狀態，培養滿90 d，取樣測定土壤中全磷、有效磷和無機態磷組分含量。本試驗所用磷肥為重過磷酸鈣（P2O546.0%），生物炭來源為秸稈生物炭。

1.2 測定方法

全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定，有效磷采用碳酸氫鈉提取，硫酸-鉬銻抗比色法測定；土壤中無機態磷測定：采用魯如坤［19］無機磷組分連續提取法測定土壤中可交換P、Ca-P、Al-P、Fe-P、O-P 等化學賦存形態磷。

1.3 統計分析

本研究采用Excel 2007 與DPS 18.10 進行數據處理分析及相關制圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對灌於土土壤全磷含量的影響

研究結果表明，表層0～20 cm的土層上，與對照相比，外源性雞糞、秸稈生物炭及其配施磷肥均能提高土壤全磷含量，其中單施雞糞較對照土壤全磷增加55.2%，雞糞配施磷肥與單施雞糞相比土壤全磷含量增加不顯著，即在灌於土上添加外源性雞糞后，增加磷肥用量對土壤全磷增量差異不顯著；單施外源性秸稈生物炭較對照土壤全磷含量略有增加（6.4%），達不到顯著差異水平，但是秸稈生物炭配施高量磷肥與對照相比土壤全磷增加24.7%，達到顯著差異水平（圖1）。添加外源性雞糞和秸稈生物炭相比，前者較后者顯著提高灌於土全磷含量，增幅達45.9%。

2.2 不同處理對灌於土土壤有效磷含量的影響

試驗結果表明，在表層0～20 cm 土層上，與對照相比，外源性雞糞、秸稈生物炭及其與磷肥配施均能顯著提高土壤有效磷含量，在外源性雞糞添加條件下，單施雞糞較對照土壤有效磷增加1 倍以上，單施雞糞分別較雞糞配施中量磷肥和高量磷肥土壤有效磷含量均降低了10%。在外源性秸稈生物炭條件下，與對照處理相比，單施秸稈生物炭土壤有效磷增加了65.8%，單施秸稈生物炭和秸稈生物炭與中量磷肥配施對土壤有效磷含量的增加差異顯著，秸稈生物炭與高量磷肥配施較單施秸稈生物炭土壤有效磷增加29.4%。單施外源性雞糞和秸稈生物炭相比，前者較后者土壤有效磷增加39.0 mg/kg，增幅達45.4%（圖2）。

2.3 不同處理對灌於土土壤無機磷形態組分的影響

試驗結果表明，灌於土土壤中無機磷以O-P、Ca-P 為主，其次為Ex-P 和Fe-P，Al-P 含量最低（表1）。在外源性雞糞添加下，與對照相比無機磷總量顯著增加，其中土壤Ca-P 影響最大，較對照Ca-P 含量增加88.4%。隨著施磷水平的增加無機磷（Pi）占土壤全磷（TP）總量比例也逐漸提高，其中O-P 增加最為顯著，其次為Ex-P 和Al-P，而Fe-P 和Ca-P 隨施磷水平的增加差異不顯著。在外源性秸稈生物炭添加下，與對照相比無機磷總量也呈顯著增加，其中增加最為顯著的為O-P，增幅為45.0%，其次為Ex-P 和Al-P，而Fe-P 和Ca-P 幾乎沒有影響，甚至Ca-P 稍有降低趨勢，在外源性碳添加條件下隨著施磷水平的提升土壤無機磷差異不顯著。從添加外源性雞糞和秸稈生物炭來看，前者較后者無機磷總量增加176.1 mg/kg，增幅達34.5%，其中，增幅最顯著的為Ca-P，其次為O-P 和Fe-P，而Ex-P 前者較后者降低了1 倍以上；但是從無機磷占全磷的百分含量來看，添加外源性秸稈生物炭較雞糞無機磷占全磷的百分數顯著增加，其中同等磷肥水平下以秸稈生物炭配施中量磷肥增幅最大，達到30.3%，這可能與雞糞的添加增加了土壤全磷總量有關。

表1 不同處理土壤無機磷各組分含量

2.4 不同處理對土壤磷素中各形態無機磷組分比例的影響

試驗結果表明，與對照相比，在外源性雞糞和秸稈生物炭添加下，作物能夠吸收利用的Ex-P、Al-P、Fe-P 占土壤全磷總量的百分數均增加，而作物較難利用的O-P 相對增加，而Ca-P 有所降低（表2）。在添加外源性雞糞條件下，隨著化學磷肥施入量的增加，除Ca-P 降低外，Ex-P、AL-P、Fe-P、O-P 占土壤全磷的百分數較對照也均有增加，Ca-P 降低，而Fe-P 和O-P 變化不大。在添加外源性秸稈生物炭條件下，增施磷肥對各形態無機磷占土壤全磷的百分數影響差異較小。由此可見，施用外源性雞糞和秸稈生物炭可以增加灌淤土Ex-P、AL-P、Fe-P、O-P 所占土壤全磷總量的相對比例。

表2 不同處理下各形態無機磷占土壤全磷百分數 （%）

3 討論

在農田管理中外源磷的添加是提高土壤磷素有效性的關鍵因素，有機物料施入土壤，可以減少土壤對磷素的固定，還可以促進土壤全磷向有效態轉化，適宜的有機無機配比可以使土壤能夠持續保持較高的供磷能力。多數研究結果表明，肥料的投入與土壤總磷庫和無機磷磷庫的增加顯著相關［20-23］。本試驗結果與前人研究有相似之處，但在本試驗中，外源性有機肥或秸稈生物炭配施磷肥對灌淤土Ca-P、O-P 含量與對照相比增加顯著，這說明施用有機肥或生物炭是提高土壤總磷庫、無機磷庫的有效手段。縱觀前人研究結果，有機肥增加土壤有效磷的原因有兩方面，一是因為有機肥本身含有一定數量的有機磷，而這部分的磷是易于分解釋放的，因此提高了土壤有效磷的含量。另一方面，有機肥可以增加土壤有機質的含量，有機質本身可以礦化外，還可能具有以下作用：一是有機陰離子可參與競爭土壤固相表面的專性吸附點從而降低了對磷的吸附固定，二是有機質分解產生的某些有機酸可與土壤中難溶性磷酸鹽的金屬離子產生絡合反應從而釋放其中的磷，三是腐殖質可在鐵、鋁氧化物等膠體表面形成包蔽，也可減少對磷的吸附固定。王伯仁等［24］研究表明，施用有機肥料土壤中的磷以Ca-P 和Al-P的積累為主要表現形式，施用化學磷肥能夠提高土壤中的全磷含量，并且以Al-P的增幅最大，在所有的處理中均表現為O-P 相對穩定。呂家瓏等［25］試驗結果表明，施用化肥或有機肥均可顯著增加土壤中Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P的含量，而Ca10-P 和O-P 在短期內是不能生成的。馬艷梅［26］研究表明，長期施用有機肥（牛糞廄肥）后，土壤中的無機磷主要向Fe-P、Al-P 和Ca-P 轉化；長期施用化肥后土壤中無機磷主要向Fe-P、O-P 和Al-P 形態轉化，這說明施用化肥有促進Ca-P 體系向Fe-P 體系轉化的作用，施入的化學磷素被土壤固定的作用較為嚴重。中國農科院長期定位試驗研究結果表明，長期施用磷肥能夠提高土壤中的無機磷總量和各形態無機磷含量，其中以Ca-P、Al-P 和Fe-P 提高的比例顯著，而O-P和Ca10-P 提高的比例較低［27］。韓曉日等［28］在棕壤土上研究表明，長期施入有機肥或化學磷肥，除了Ca10-P 含量在耕層減少外，其它各形態無機磷含量都有所增加。高天一等［29］研究連續5 年增施生物炭對棕壤土土壤磷素變化情況表明，施用生物炭可以促進棕壤磷素積累并提高其活性；施用生物炭條件下，Al-P、活性有機磷（LOP）是棕壤磷素的活躍組分，提高Al-P 含量、限制高穩性有機磷（HROP）含量是生物炭提高棕壤磷素有效性的主要途徑。由此可見，外源碳磷輸入方式（磷肥管理措施）對土壤磷素轉化形態和累積過程均會產生重要的影響，而有關農田土壤磷素形態與轉化、富集過程以及施肥對土壤磷素有效性等已開展了很多研究，也取得了大量進展，不同學者在不同條件、不同土壤類型和氣候條件下，研究結論各有己見。

4 結論

本試驗以寧夏引黃灌區水旱輪作種植模式為背景，以灌淤土為研究基礎，采用室內培養法研究水旱輪作淹水培養90 d 后灌淤土磷素的演變特征，主要形成以下結論：

（1）外源性雞糞、秸稈生物炭及與磷肥配施均能顯著提高土壤全磷含量，在灌於土上添加外源性雞糞后，增加磷肥用量對土壤全磷增量差異不顯著；單施外源性秸稈生物炭對土壤全磷含量增加不顯著，但秸稈生物炭配施高量磷肥土壤全磷增加24.7%，添加外源性雞糞和添加秸稈生物炭土壤全磷前者較后者增加45.9%。

（2）灌淤土表層土壤0～20 cm，外源性雞糞、秸稈生物炭及與磷肥配施均能顯著提高土壤有效磷含量，添加外源性雞糞較不施肥土壤有效磷增加1倍以上，雞糞、秸稈生物炭配施磷肥較單施雞糞、秸稈生物炭可顯著提升土壤有效磷含量。添加雞糞與添加秸稈生物炭相比，前者較后者土壤有效磷含量提升45.4%。

（3）灌於土土壤中無機磷以O-P、Ca-P 為主，其次為Ex-P 和Fe-P，Al-P 含量最低。添加外源性雞糞可顯著增加土壤Ca-P 含量；增加磷肥無機磷占土壤總磷比例提升；添加外源性秸稈生物炭增加土壤無機磷O-P、Ex-P 和Al-P 含量，對Fe-P和Ca-P 含量影響較小；添加外源性雞糞和秸稈生物炭無機磷總量前者較后者增加176.1 mg/kg，增幅達34.5%。

（4）施用外源性雞糞和秸稈生物炭均可改變土壤中各無機磷組分形態，提高了Ca-P、Al-P、Fe-P 所占土壤全磷總量的相對比例，但添加外源性雞糞和秸稈生物炭前者較后者土壤全磷增加了45.9%，以至于無機磷總量占土壤全磷總量相對比例后者較前者略有提升，提高8.5%。