劉曉玲，宋照亮，單勝道，葉正錢

（浙江農林大學 環(huán)境科技學院，浙江 臨安 311300）

隨著有機肥和磷肥的長期大量施用，土壤有效磷也隨之上升，但由于作物對磷肥的利用率很低，因此，磷流失引起的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益顯現(xiàn)[1－2]。如何提高農田磷的生物有效性，減少磷流失已成為近年來人們關注的焦點[3]。1994年Bamett等[4]在對Mcaulife技術體系做出一定調整的情況下，研究了家畜和家禽糞便中磷的不同形態(tài)，結果表明不同畜禽糞中不同形態(tài)磷含量變化范圍較大。在總磷中，磷脂占0.4%～2.1%，無機態(tài)磷占35.0%～63.0%，酸溶性磷占8.0%～53.0%，殘留磷占11.0%～41.0%。而豬糞中的磷主要為水溶性較高的無機磷，因而對作物的有效性高，其磷的利用率與化肥相當。因此，國外很早就開始對長期施糞肥磷后，在土壤中的分布進行研究。如英國洛桑試驗站長期定位試驗表明[5]：土壤磷收支和有效磷含量呈顯著性相關關系，大約有10%～13%的純累積態(tài)磷會轉化為有效態(tài)。中國也有過紅壤性水稻土和塿土長期施肥對土壤磷影響的研究。賴濤等[6]對長期施肥條件下，不同施肥處理紅壤性水稻土耕層土壤的研究發(fā)現(xiàn)，有機磷庫和無機磷庫的耗竭或積累速度是不同的，從而使土壤有機磷和無機磷的比值發(fā)生變化。姚炳貴等[7]對塿土的研究表明，土壤有效磷的積累與消耗呈階段性，一般開始1～2 a變幅大，其后6～8 a保持穩(wěn)定的變化，當升降到某一值后，其變化顯著變小。劉杏蘭等[8]通過長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，有機肥與氮、磷化肥配施及單施有機肥處理，都能顯著提高土壤有機質、全氮、全磷、速效氮、磷、鉀的水平，尤其是速效磷，其增量達到2.8～10.8倍。然而，目前對水網平原地區(qū)長期施肥條件下土壤磷有效性及其與總磷、有機磷和有機質等關系的系統(tǒng)研究較少。因此，本研究以嘉興水稻土為例，結合持續(xù)10 a的長期定位施肥試驗，討論不同施肥年限對嘉興水稻土總磷、有機磷和有效磷的影響，闡明糞肥施加影響下磷的積累和流失規(guī)律，為提高嘉興地區(qū)土壤磷素資源的利用效率，減少農業(yè)生產對環(huán)境造成的負面影響，保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

試驗地位于浙江嘉興平湖，屬北亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為16.0℃，年平均日照時數(shù)2000 h，年平均降水量1170 mm，全年無霜期225 d。試驗時間為1999年4月至2009年4月，試驗地為油菜Brassica campestris，小麥Triticum aestivum，苜蓿Medicago sativa和馬鈴薯Solanum tuberosum輪作地塊，施糞肥量為30～45 t·hm－2。試驗設3個處理，分別為無豬糞肥地塊（S0），施豬糞肥5 a地塊（S5），施豬糞肥10 a的地塊（S10），各個處理設3次重復。供試肥料為純豬糞，其有機碳、全磷、有效磷分別為252.6，14.70，870.80 mg·kg－1。于2009年4月開挖土壤剖面到地下水水位為止，自下而上采集土壤剖面樣品，并進行編號。樣品現(xiàn)場縮分后用聚乙烯塑料袋密封包裝。樣品自然風干后，去掉植物根須及植物殘枝和腐葉，粉碎，過篩。用于測pH值的樣品過10目篩，其他測試的過100目篩。

樣品的分析測定方法見參考文獻 [9]。按土水比為1.0∶2.5測定土壤pH值。土壤堿熔后，用鉬藍比色法測定總磷。重鉻酸鉀法測有機碳（organic carbon，OC）質量分數(shù)，再將有機碳質量分數(shù)轉換為土壤有機質（soil organic matter，SOM）。Olsen法測定土壤有效磷。土壤有機磷的測定采用土樣經550℃灼燒后，用0.2 mg·L－1硫酸提取，則灼燒前后提取的磷的差值即為有機磷質量分數(shù)。

2 結果與分析

2.1 土壤基本性質的剖面變化

土壤基本性質及總磷、有機磷、有效磷受不同施肥處理的影響及隨土壤剖面的變化結果見表1。

從pH值來看，不同施肥年限土壤pH值多分布于5.5～8.5。隨著施肥年限的增加，土壤的pH值不斷升高。土壤有機質、總磷、有效磷質量分數(shù)差異較大，施肥10 a的土壤有機質質量分數(shù)大大高出未施糞肥的土壤，約為未施糞肥土壤有機質的3倍。

圖1是不同施肥年限土壤剖面總磷變化趨勢圖。從圖1中可以看出，總磷質量分數(shù)隨施肥年限的增加而增加，施5 a糞肥和10 a糞肥的土壤表層總磷最高值分別達到了2425 mg·kg－1和4982 mg·kg－1。且不同施肥年限0～10，10～20，20～30 cm各土壤剖面總磷變化差異顯著，而40～85 cm各土壤剖面總磷沒有顯著變化，說明經過10 a的糞肥施加處理，磷能遷移到的深度為40 cm左右，并在0～40 cm土壤剖面間積累起來。

比較不施糞肥和施加5 a糞肥的土壤磷質量分數(shù)，發(fā)現(xiàn)施加5 a糞肥土壤，磷從表層逐漸遷移到20～30 cm深處，總磷質量分數(shù)達到了1387 mg·kg－1，而30 cm以下的土層磷質量分數(shù)變化不大，說明施加5 a糞肥，磷能遷移到的深度為30 cm。

對比施5 a糞肥和施10 a糞肥不同剖面的磷質量分數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，施糞肥5 a磷能遷移到的深度為30 cm，而施糞肥10 a磷能遷移到的深度為40 cm，在40 cm深處總磷質量分數(shù)達到1076 mg·kg－1。

2.2 有機磷剖面變化

圖2是不同施肥年限土壤剖面有機磷平均質量分數(shù)變化趨勢。從圖2中可以看出，有機磷隨施肥年限的增加而增加，施5 a糞肥和10 a糞肥的土壤有機磷質量分數(shù)最高值分別達到了230和248 mg·kg－1。主要分布在0～30 cm的土壤剖面中，犁底層以下有機磷變化不顯著。

表1 不同施肥處理對土壤基本性質及總磷、有機磷、有效磷的影響Table1 Basic soil characteristics and soil phosphorus （P）distribution in soil profile affected by pig manure application

0～30 cm土壤有機磷質量分數(shù)從0 a的 121 mg·kg－1增加到5 a的160 mg·kg－1，變化顯著，說明糞肥施加對耕層影響較大。施加10 a糞肥，表層土壤有機磷質量分數(shù)從5 a的230 mg·kg－1，增加到10 a的248 mg·kg－1，說明隨施肥年限增加土壤有機磷不斷積累。

圖1 不同施肥年限不同深度總磷比較Figure1 Comparison of soil total phosphorus and its distribution with soil profile affected by long-term application of pig manure

圖2 不同施肥年限不同深度有機磷比較Figure2 Comparison of soil organic phosphorus and its distribution with soil profile affected by long-term application of pig manure

從表1中也可以看出，雖然土壤剖面中各土層土壤有機磷占全磷比例較低，但長期施用豬糞肥后，隨土層深度增加，有機磷占全磷的比例逐漸增加。這說明有機磷在土壤中還是較易移動的[10]。

2.3 有效磷剖面變化

圖3是不同施肥年限土壤剖面有效磷質量分數(shù)變化趨勢。從圖3中可以看出，隨施肥年限增加，土壤中的有效磷也不斷積累。施5 a糞肥和10 a糞肥的土壤，表層有效磷質量分數(shù)最高值分別達到了310和 1555 mg·kg－1。土壤 0～ 30 cm 處有效磷質量分數(shù)變化差異顯著，30 cm以下的土層有效磷變化不大。這與前人的有效磷主要集中分布在耕層的研究一致[11]。

通過對不施糞肥和施5 a糞肥有效磷質量分數(shù)進行比較，可見不施糞肥土壤表層有效磷為89 mg·kg－1，施5 a糞肥表層有效磷達310 mg·kg－1，說明長期施用糞肥能提高土壤有效磷質量分數(shù)。但對照地塊，表層土壤有效磷質量分數(shù)也很高，說明無機磷肥用量大。

施糞肥10 a表層土壤有效磷質量分數(shù)達1555 mg·kg－1，是施糞肥5 a土壤有效磷質量分數(shù)的5倍。施肥年限越長，土壤有效磷積累越多，施加5 a和10 a糞肥的土壤有效磷質量分數(shù)最高值出現(xiàn)在0～30 cm土層，表層土分別達到310 mg·kg－1，和近1500 mg·kg－1，與下層土壤相比可以發(fā)現(xiàn)，施肥5 a對土壤剖面有效磷 的影響到30 cm左右，而施肥10 a后到達40 cm，說明隨著施肥年限的增加，有效磷向土壤深處不斷遷移，并在更深一層的剖面積累。

圖3 不同施肥年限不同深度有效磷比較Figure3 Comparison of soil available phosphorus and its distribution with soil profile affected by long-term application of pig manure

3 討論

3.1 糞肥施加影響水稻土有機磷質量分數(shù)的可能機制

本研究結果顯示（圖4），不同施肥年限不同剖面深度有機質與有機磷呈顯著線性關系。從表1中也可以看出土壤在無糞肥投入的情況下，有機磷占全磷的比例隨剖面深度加深變化不大，而長期施肥后隨著剖面的加深有機磷在全磷中的比例有增加的趨勢。以不同形態(tài)有機磷占全磷總量的百分數(shù)作為分配系數(shù)，研究有機磷各組分對土壤全磷的貢獻，結果表明（表1），隨施肥年限增加，耕層土壤有機磷占全磷比例下降；隨施肥年限增加，犁底層以下土壤有機磷占全磷比例增加。這是因為施用豬糞肥在提高土壤有機磷質量分數(shù)的同時，提高了土壤微生物和土壤磷酸酶活性，促進了有機磷形態(tài)間的轉化，表明長期施用豬糞肥能使土壤有機磷活性加強，提高土壤的供磷能力。這可能是由于糞肥本身含有較多活性和中度活性的有機磷且可以降低土壤對磷的吸附，增加對磷的解吸，通過還原、酸溶、絡合溶解作用促進解磷微生物增殖等過程活化土壤中難利用磷為可利用磷[12]。再者有機肥分解過程產生的有機酸對土壤磷不但能起酸溶、絡合溶解作用，而且還能通過其陰離子的代換和競爭吸附影響土壤對磷的吸附與解吸[13]。

3.2 糞肥施加影響水稻土有效磷質量分數(shù)的可能機制

本研究結果顯示（圖5），不同施肥年限不同剖面深度土壤有機質與有效磷呈顯著線性關系。而就水稻Oryza sativa生長而言，有效磷大于15 mg·kg－1時，土壤可視為高磷，依此而論，嘉興地區(qū)被調查的土壤都已達到了高磷水平，磷肥的增產效果可能不大；若以土壤有效磷大于20 mg·kg－1視為極高磷水平[14]，被調查的水稻土都達到了極高磷水平。試驗地為油菜、小麥、苜蓿、馬鈴薯輪作地塊，不同作物對磷的利用為每個生長季1～4 kg，而糞肥中總磷輸入量為441.0～661.5 t·hm－2，作物的吸收利用對土壤磷的輸入和輸出影響不大。對照地塊，土壤有效磷質量分數(shù)也很高，說明無機磷肥用量大，磷素本身存在盈余。施無機肥增加有效磷在土壤無機磷中的比例，但增加幅度較緩慢，施有機肥顯著增加了有效磷/無機磷比率，最高可達30%。這可能是由于，一方面長期糞肥的施入有利于耕層土壤有機質的累積；另一方面糞肥能提高土壤有機質中可溶性有機物的含量，而這些可溶性有機物對土壤磷素有活化作用[15]。另外，糞肥還田還增加了磷素向土壤返回的通量，且糞肥磷的有效性遠遠高于土壤磷。

圖4 不同施肥年限不同深度有機質與有機磷的關系Figure4 Relationships of different fertilization ages on soil organic matter content and soil organic phosphorus distribution with depth

圖5 不同施肥年限不同深度有機質與有效磷的關系Figure5 Relationships of different fertilization ages on soil organic matter content and available P distribution with depth

但從圖3中我們也看到，隨著土壤剖面的加深，有效磷質量分數(shù)逐漸降低。周建斌等[15]的研究表明，施糞肥雖然對土壤剖面各層有效磷均有影響，但對上層土壤的影響比下層顯著。這可能與農作物的根系比天然雜草的根系粗壯龐大且集中分布在耕層，分泌的有機酸更多；農田土壤經連年耕翻，有利于耗氧微生物及解磷菌的繁衍，因而大大提高了表層土壤的有效磷含量[16]等多種因素有關。這也說明了土壤對磷有一定的固定能力。研究表明，在旱作時水稻土固磷能力較低，淹水后土壤氧化還原電位（Eh）逐漸降低，F(xiàn)e3+還原為溶解度更高的Fe2+，部分被氫氧化鐵所吸持和閉蓄的磷得以釋放，但在合適的pH值條件下，溶液中的Fe2+能夠形成無定形的Fe3+-Fe2+混合氫氧化物的再沉淀。這種混合物具有比Fe3+氫氧化物更大的表面積和有著更多的磷吸附位，能增強土壤對磷的吸持能力[17]。且由于供試土壤有機質質量分數(shù)較高，因此有效磷質量分數(shù)更多地決定于土壤總磷水平和閉蓄態(tài)磷的釋放，即一個與土壤氧化還原特性（Eh）密切相關的化學過程[18]。劉方等[19]對黃壤旱地的研究顯示，因不同的作物種植利用實踐，土壤磷素在不斷升高的同時，易遷移性磷如有效磷、水溶性磷隨全磷增加呈指數(shù)提高。而本研究發(fā)現(xiàn)土壤全磷與有效磷間未見指數(shù)增長關系，可能是長期施糞肥處理使土壤磷素的形態(tài)分配發(fā)生了分異。

3.3 糞肥施加對磷淋洗流失的影響

圖1和圖3顯示，不施肥土壤、施糞肥5 a土壤、施糞肥10 a土壤，各自的總磷、有效磷質量分數(shù)均隨土壤剖面深度增加而減少，這充分說明了磷在土壤中存在遷移行為。

但英國洛桑試驗站100 a的研究結果表明，磷素易被土壤固定，磷每年移動距離不超過0.1～0.5 mm，從施肥點向外移動距離不超過1.0～3.0 cm，磷的淋溶損失很小。然而，更多的研究表明，長期施用磷肥磷素向下淋洗量增加，晏維金等[10]的野外試驗表明，水稻田施磷處理的磷流失量是不施磷處理的10～30倍。國外在旱地和牧草地上的研究表明結果也表明，土壤磷素徑流流失的大小在其他條件（植被、氣候、土壤等生態(tài)或管理）一致的前提下，隨土壤有效磷含量的增加而提高。如果按照曹志洪等[20]研究，將有效磷質量分數(shù)25～30 mg·kg－1作為磷素向水體釋放的環(huán)境警戒值，那么施加5 a糞肥的土壤就已經超過了該警戒值，存在著向水體釋放磷素的風險。

土壤有效磷的相對含量與土壤總磷間存在較好的相關關系。作為一種易移動的磷形態(tài)，有效磷的相對分配與水稻土中磷流失潛能密切有關[21]。長期施用糞肥會增加土壤有效磷的絕對含量，但由于占總磷的相對含量仍較低，不會使土壤磷活化而促進流失。但由于供試土壤有機質質量分數(shù)較高，促進磷的活化，因此長期糞肥投入還是會增加磷的流失風險。

4 結論

在植物營養(yǎng)元素中，磷素是比較容易在土壤中積累的，而且主要積累在土體上部，特別是耕層（0～30 cm）。施5 a糞肥磷能遷移到的深度為30 cm左右，總磷質量分數(shù)達1387 mg·kg－1。施糞肥10 a，磷能遷移到的深度為40 cm左右，總磷質量分數(shù)達1076 mg·kg－1。

表層土壤有機磷質量分數(shù)從 0 a 的 121 mg·kg－1增加到 10 a 的 248 mg·kg－1。

施肥年限越長，土壤有效磷積累越多，并對深層土壤發(fā)生影響。施加10 a糞肥的土壤，0～30 cm土層有效磷達 1500 mg·kg－1，30～ 40 cm 土層有效磷達 250 mg·kg－1，是下層土壤的 6倍多。

研究地區(qū)土壤就已經超過了磷素向水體釋放的環(huán)境警戒值，存在著向水體釋放磷素的風險。

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