金 欣，姚 珊，Batbayar Javkhlan，賈麗潔，張樹蘭*，楊學(xué)云*

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海西寧 810001）

磷是植物生長必需的三大營養(yǎng)元素之一，隨有機肥或化學(xué)肥料進入土壤后，在土壤中發(fā)生各種物理、化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致其有效性大幅降低。據(jù)估計，施入土壤中的磷素至少有70%～90%與Fe、Al和Ca結(jié)合固定而失去或很大程度上降低了植物有效性[1]。因此，磷的當(dāng)季利用率一般低于20%[2]。在實踐中，為了保證作物產(chǎn)量，磷肥的施用量一般都遠(yuǎn)大于需求量，從而導(dǎo)致土壤中磷素累積。據(jù)統(tǒng)計，至2010年中國土壤磷的盈余已增長至P 40.8 kg/(hm2·a)[3]。有機肥施用導(dǎo)致的土壤中磷素累積尤為嚴(yán)重，陜西關(guān)中平原20年有機無機肥配施磷盈余量最高達(dá)4265 kg/hm2[4]。盡管盈余在土壤中的磷可通過難溶態(tài)磷的溶解、吸附態(tài)磷的解吸和有機磷的礦化過程轉(zhuǎn)化成有效態(tài)磷供植物利用，但其量一般不足以支撐作物對磷素的需要。施磷可維持土壤中高比例的可利用態(tài)磷，改善作物磷營養(yǎng)和提高產(chǎn)量[5–6]，但也可能通過侵蝕、徑流和淋失進入水體，不僅降低了磷肥利用效率，浪費了有限的磷礦資源，而且造成水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題[7]。因此，研究不同肥料管理措施下土壤磷形態(tài)和有效性，有助于根據(jù)土壤、耕作、作物和氣候因素等制定綜合肥料管理措施，防止過量施用磷肥，減少資源浪費，降低土壤磷流失風(fēng)險。

由于土壤磷形態(tài)復(fù)雜，且處于動態(tài)平衡之中，一般采用磷素分級的方法來定性定量地評價。石灰性土壤上應(yīng)用最久、最多的方法是張守敬?杰克森法[8]及改進的蔣柏藩?顧益初法[9]。但該方法不足之處在于未能包含有機形態(tài)磷，后者盡管在石灰性土壤上含量低于25%[10]，但在磷素較低的情況下，是一個重要的磷源，即使是難溶于水的有機磷經(jīng)礦化轉(zhuǎn)化為無機磷對作物磷吸收的促進作用也不容忽視[11]。尤其是微生物磷在磷素循環(huán)中發(fā)揮主導(dǎo)作用，對作物難以利用的無機形態(tài)磷的活化利用有重要貢獻(xiàn)[12]。Tiessen和Moir[13]改進的Hedley法[14]兼顧了土壤無機磷和有機磷形態(tài)及作物有效性，可定性、定量地評價土壤磷形態(tài)，是目前采用較多的一種方法。該方法根據(jù)植物有效性的不同，將磷形態(tài)分為可利用態(tài)(Resin-P，NaHCO3-Pi、-Po)，中等可利用態(tài) (NaOHPi、-Po) 和難利用態(tài) (C.&D. HCl-Pi，C. HCl-Po，Residual-P)[15]。該方法廣泛應(yīng)用于評價土壤磷形態(tài)在成土過程中的變化以及土壤類型、作物體系、耕作方式和施肥管理等因素對磷組分的影響等研究[15–17]。土壤磷形態(tài)及有效性受多種因素影響，其中施肥影響最直接、最顯著。長期施化學(xué)磷肥和有機肥均可不同程度地增加土壤可利用態(tài)和中等可利用態(tài)無機磷含量[16–19]。但施肥對土壤有機磷組分的影響在不同土壤上存在很大差異，如對沖積土[18]、紅壤[19]、火山灰土[20]的報道均有不同。即使在石灰性土壤上，不同氣候條件下結(jié)果也不盡一致。Yan等[17]研究表明，施有機肥增加了土壤總有機磷含量 (Po)，主要增加H2O-Po和NaOH-Po含量。Kashem等[21]研究表明，添加不同的有機肥不影響或增加了NaOH-Po含量。Zhang等[22]的研究認(rèn)為，施化學(xué)磷肥不影響總有機磷含量，NaOH-Po在試驗的10年間未發(fā)生變化，NaHCO3-Po在試驗的第7年到第10年顯著降低。Vu等[23]研究表明，隨著化學(xué)磷肥施用量的增加，土壤有機磷組分有下降的趨勢。研究結(jié)果的不一致一方面是由于施有機肥、作物殘留等原因?qū)е掠袡C碳投入不同，影響了有機磷礦化。另一方面是由于氣候差異造成的。不同的作物組合和耕作方式也影響磷形態(tài)分布，合理的輪作方式也是提高土壤磷素有效性的重要途徑之一。Priyadarshi等[24]在石灰性土壤上研究表明，水稻?小麥體系的NaOH-Pi和D. HCl-Pi含量顯著高于玉米?小麥和玉米?玉米體系。McKenzie等[25]在黑鈣土上的研究表明，小麥?休閑輪作體系NaHCO3-Po和NaOH-Po含量顯著高于小麥連作。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在“國家黃土肥力和肥料效益監(jiān)測基地”進行，位于黃土高原南部的陜西省楊凌示范區(qū)(34°17′51″N、108°00′48″E，海拔 534 m)。試驗點的平均氣溫13℃，年降水量550 mm，且降水主要集中在6—9月。供試土壤為粉砂粘壤土，屬于旱耕土墊人為土，黃土母質(zhì)。試驗開始前種植了三季作物勻地，均不施任何肥料。第三季作物收獲后 (1990年)，在每個小區(qū)多點采集0—20 cm的基礎(chǔ)混合土樣，進行基本理化性質(zhì)分析。土壤有機碳含量(7.31 ± 0.32) g/kg(CV 4.42%)、全氮 (0.93 ± 0.04) g/kg (CV 4.58%)、全磷 (0.73 ± 0.32) g/kg (CV 4.42%)、有效磷 (6.65 ± 0.53) mg/kg(CV 8.18%)、pH 8.62 (水土比為2.5∶1)、容重1.33 g/cm3、孔隙度49.6%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗開始于1990年。共設(shè)7個處理：1) 對照處理 (CK)，不施用化肥和有機肥；2) 氮處理 (N)，施用化學(xué)氮肥；3) 氮鉀處理 (NK)，施用化學(xué)氮、鉀肥；4) 磷鉀處理 (PK)，施用化學(xué)磷、鉀肥；5) 氮磷處理 (NP)，施用化學(xué)氮、磷肥；6) 氮磷鉀處理(NPK)，施用化學(xué)氮、磷、鉀肥；7) 氮磷鉀+有機肥處理 (MNPK)，施用化學(xué)氮、磷、鉀肥配施有機肥。小麥生長期內(nèi)施肥量分別為N 135 kg/hm2、P 47.1 kg/hm2、K 56 kg/hm2。MNPK中N來自有機肥和無機肥的比例為7∶3，按N含量折合施用牛糞，隨其施入的磷鉀量未計入。有機肥中氮含量為(1.71 ±0.87)% (SD)，平均干重 7.37 t/hm2± 4.95 (SD)。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。有機肥和化肥均于秋播小麥時一次施入。小區(qū)面積為399 m2(21 m × 19 m)，由于試驗為大區(qū)試驗，基于實踐考慮，未設(shè)重復(fù)。一方面，試驗地近百年來實行同樣的肥料管理和作物種植系統(tǒng)；其次，試驗開始前連續(xù)種植冬小麥和夏玉米三年勻地，主要肥力指標(biāo)測定結(jié)果顯示各小區(qū)空間異質(zhì)性很小。因此，可以認(rèn)為試驗所有變異均來源于處理[28]。試驗實行冬小麥?夏休閑種植，生長期內(nèi)無灌溉；作物收獲后秸稈移走，其它田間管理與當(dāng)?shù)亓?xí)慣相同。

1.3 樣品采集與分析

2010年小麥?zhǔn)斋@后，將每個處理小區(qū)劃分為三個區(qū)域，作為3次重復(fù)進行采樣。在每個區(qū)域內(nèi)多點取0—20 cm土壤混合樣。樣品去除植物殘體及根系，風(fēng)干過1 mm篩進行土壤磷素分級。

土壤磷素分級采用Tiessen-Moir修正的Hedley磷素分級方法[13]，該方法將土壤磷分為Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、D.HCI-Pi、C.HCl-Pi、C.HCl-Po 和 Residual-P 共計9種磷形態(tài)。簡要提取基本步驟如下：稱取0.5000 g風(fēng)干土樣置于50 mL離心管中，順次用1.00 g陰離子交換樹脂加30 mL去離子水、0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)、0.1 mol/L NaOH、1 mol/L 稀鹽酸 (HCl)、濃鹽酸分別提取，每次提取振蕩時間為16 h，每次提取后離心，過濾分離懸液。樹脂去離子水、稀HCl提取物中的磷用鉬藍(lán)比色法直接測定[29]；NaHCO3、NaOH和濃HCl提取物中的磷包括有機磷和無機磷兩種形態(tài)，用鉬藍(lán)比色法測定溶液中無機磷含量，同時，取一定體積樣品用過硫酸銨?硫酸消化，然后測定溶液中的總磷，二者之差為有機磷含量。提取后最后剩余的土用濃硫酸與雙氧水進行消化，用鉬藍(lán)比色法測得殘余態(tài)磷 (Residual-P)。

植株籽粒和秸稈中的磷濃度通過濃硫酸和雙氧水消化后用鉬藍(lán)比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)計算

磷投入和磷攜出是20年 (1990—2010) 大田試驗結(jié)果，計算公式為：磷表觀平衡 = 磷投入 ? 磷攜出，公式中的磷投入包括化肥、有機肥、降水以及種子中所含的磷。磷攜出為作物收獲后隨地上部移出的磷，包括小麥籽粒和秸稈兩部分。

數(shù)據(jù)用SAS (version 16.0) 軟件包進行單因素方差分析，用最小顯著性差異法 (LSD) 進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱作長期施肥處理小麥籽粒產(chǎn)量及磷表觀平衡

20年長期平衡施用化肥氮磷 (NP)、氮磷鉀 (NPK)及化肥有機肥配施 (MNPK) 三個處理冬小麥籽粒產(chǎn)量無顯著差異，但均顯著高于對照不施肥 (CK) 及單施或偏施化肥處理 (N、NK和PK)。除NK顯著高于CK外，其余不施或偏施肥處理間 (CK、N、NK和PK) 小麥產(chǎn)量均無顯著差異。所有施NP處理及NK處理，冬小麥產(chǎn)量變異均高于CK、N及PK處理。各處理冬小麥產(chǎn)量均有隨施肥時間延長而增加的趨勢，但僅平衡施肥三個處理趨勢顯著，年均增產(chǎn)在205～265 kg/hm2之間，以MNPK增幅最高 (表1)。

小麥籽粒磷吸收量在72.4～327.5 kg/hm2之間，其中NP、NPK和MNPK處理小麥籽粒吸磷量最高，較CK處理分別增加232.5%、238.1%和283.0%，較其它偏施肥處理也高出近一倍以上。NK和PK處理較CK處理也增加了小麥籽粒磷素吸收，增加幅度分別為35.6%和71.7%，CK和N處理小麥籽粒吸磷量最低。小麥秸稈磷吸收量的范圍在22.5到123.6 kg/hm2之間，趨勢和籽粒相同。磷表觀平衡顯示，三個不施磷肥處理磷凈虧缺達(dá)到87～140 kg/hm2，而施磷的四個處理，磷素均有大量盈余，以NP和NPK處理較低，達(dá)到約590 kg/hm2左右，PK處理達(dá)764 kg/hm2，MNPK處理盈余多達(dá)2130 kg/hm2(表2)。

表1 土20年不同施肥處理冬小麥籽粒平均產(chǎn)量及年均增產(chǎn)量Table 1 Yield and its annual mean increment of winter wheat under different fertilization over 20 years in loess soil

表1 土20年不同施肥處理冬小麥籽粒平均產(chǎn)量及年均增產(chǎn)量Table 1 Yield and its annual mean increment of winter wheat under different fertilization over 20 years in loess soil

注（Note）：CK—不施肥對照；N、P、K、M 分別表示氮肥、磷肥、鉀肥和有機肥；相同小寫字母表示不同施肥處理間產(chǎn)量未達(dá) 5% 顯著水平；P為產(chǎn)量與年份線性相關(guān)的顯著性水平。Control without any fertilizer input; N, P, K and M represent nitrogen,phosphorus, potassium fertilizers and organic manure. Yields followed by the same lowercase letters mean no significant differences between treatments at 0.05 level; P means significant level of regression equation of yield with years.

處理Treatment產(chǎn)量Yield(kg/hm2)CV(%)增產(chǎn)量Increase[kg/(hm2?a)]R2 P CK 1543 c 21.2 46.3 0.18 0.060 N 1585 bc 18.5 32.3 0.12 0.140 NK 2090 b 47.9 104.6 0.44 0.118 PK 1936 bc 33.1 41.0 0.06 0.300 NP 4446 a 54.5 219.0 0.62 0.003 NPK 4655 a 57.6 204.9 0.49 0.001 MNPK 4447 a 65.2 265.0 0.64 0.000

2.2 旱作長期施肥處理耕層土壤磷形態(tài)

土壤中總無機磷含量變化范圍為489.8～961.4 mg/kg。施肥20年后各處理耕層土壤Resin-P含量介于18.5 mg/kg～140.7 mg/kg之間。長期不施磷肥處理，經(jīng)過20年作物種植，Resin-P基本保持在試驗開始前的水平；而施用磷肥處理土壤Resin-P均有顯著增加，增幅達(dá)70%～427%，其中NP增加較少，MNPK增幅最大。土壤NaHCO3-Pi含量與Resin-P大體一致，不施肥處理均有降低趨勢，其中N處理顯著降低。與初始值相比，PK、NP、NPK和MNPK處理的NaHCO3-Pi分別增加了201%、216%、224%、573%。NaOH-Pi含量范圍在6.11～30.97 mg/kg之間，除PK和NPK外的其余處理此形態(tài)磷均較試驗開始前有顯著增加，尤其NP和MNPK處理增加最多 (圖1A)。所有處理的C.HCl-Pi含量均較試驗開始時顯著下降，下降幅度為30.8%～52.5%，依其顯著性NPK、MNPK顯著高于NP和PK，后二者與CK近似，但均顯著高于N處理 (圖1A)。MNPK處理D.HCl-Pi含量顯著高于其它處理及試驗開始前土壤，其它處理均維持在試驗開始時的水平。土壤中殘余磷 (Residual-P)的含量在138.7～221.0 mg/kg之間。CK、N、PK和MNPK處理與試驗開始時相比，Residual-P顯著降低，降幅在7.5%～35.9%之間。NK、NP和NPK基本保持在試驗開始前的水平 (圖1B)。

表2 土冬小麥–夏休閑體系不同施肥處理20年累積磷投入、攜出和磷表觀平衡 (kg/hm2)Table 2 Cumulative input, output and apparent balance of P in winter wheat-summer fallow system over the 20-years’different fertilization in loess soil

表2 土冬小麥–夏休閑體系不同施肥處理20年累積磷投入、攜出和磷表觀平衡 (kg/hm2)Table 2 Cumulative input, output and apparent balance of P in winter wheat-summer fallow system over the 20-years’different fertilization in loess soil

注（Note）：磷表觀平衡 = 磷投入 ? 磷攜出；CK—不施肥對照；N、P、K、M 分別表示氮肥、磷肥、鉀肥和有機肥 P apparent balance = P input – P output. Control without any fertilizer input; N, P, K and M represent chemical nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers and organic manure.

磷投入P input 磷攜出P output處理Treatment秸稈Straw CK 0 0 2.5 7.4 9.9 85.5 22.5 ?98.1 N 0 0 2.5 7.4 9.9 72.4 24.3 ?86.8化肥Mineral fertilizer有機肥Organic manure降水Rainfall種子Seed合計Total籽粒Grain磷表觀平衡Apparent balance NK 0 0 2.5 7.4 9.9 115.9 33.6 ?139.7 PK 942.6 0 2.5 7.4 952.5 146.8 42.2 763.5 NP 942.6 0 2.5 7.4 952.5 284.3 75.2 593.0 NPK 942.6 0 2.5 7.4 952.5 289.1 76.3 587.2 MNPK 942.6 1628.5 2.5 7.4 2581.0 327.5 123.6 2129.9

圖1 土20年不同施肥處理耕層土壤各組分磷含量Fig. 1 Contents of P fractions in the soils subjected to 20 years diverse fertilization in loess soil

總有機磷含量變化范圍為33.9～80.7 mg/kg。不同施肥處理，耕層土壤NaHCO3-Po含量除CK和MNPK處理外均較試驗前顯著降低，下降幅度為62.6%～87.9%，其中N處理下降幅度較少，NPK處理降幅最大。N、NK和NP處理的NaOH-Po分別較基礎(chǔ)土樣下降了68.3%、74.8%和64.6%。PK、NPK和MNPK中NaOH-Po含量與試驗開始時接近；CK處理較基礎(chǔ)土樣增加了34.6%。除MNPK外，施磷肥處理及CK處理C.HCl-Po較試驗開始前顯著降低，N、NK及MNPK維持在試驗開始前水平 (圖1C)。

無機磷約占全磷的70.1% (變幅66.1%～78.6%)，其中D. HCl-Pi所占比例最大，約為49.2%～56.5%，平均52.6%；其次為C. HCl-Pi和Resin-P，平均分別為7.2% (5.3%～11.2%) 和 5.6% (2.5%～11.6%)；NaHCO3-Pi和NaOH-Pi占全磷比例較小，分別為2.9% (0.6%～6.6%) 和1.8% (0.7%～3.1%) (表3)。20年施用磷肥后土壤Resin-P占全磷比例均有顯著提高，尤其是MNPK處理顯著高于其它處理。長期不施磷肥處理Resin-P占全磷比例保持在初始值的水平 (表3)。NaHCO3-Pi占全磷比例與Resin-P有相同的趨勢。除PK和NPK外，其它施肥處理NaOH-Pi占全磷比例較試驗開始前顯著增加，其中CK處理增加幅度最小，NP和MNPK處理增加幅度最高。所有處理的C. HCl-Pi占全磷比例均較試驗前顯著下降，尤其是MNPK處理，降低了5.9個百分點，CK處理C. HCl-Pi降低幅度最??；其余處理除N處理C. HCl-Pi占全磷比例顯著低于NPK外，N、NK、PK、NP、NPK處理間無顯著差異。與試驗開始時相比，CK處理和N處理增加了D. HCl-Pi占全磷比例，其它處理D. HCl-Pi占全磷比例保持在初始值的水平。Residual-P占全磷比例平均約為23.1% (15.2%～28.8%)。施磷肥處理有降低Residual-P占全磷比例的趨勢，但只有MNPK處理較試驗開始時顯著降低。不施肥 (CK) 處理Residual-P占全磷比例較試驗開始時降低了5.4個百分點。相反，NK處理Residual-P占全磷比例較試驗開始時增加了3.8個百分點 (表3)。

有機磷約占全磷的3.9%～11.2%，其中NaOH-Po所占比例最大，平均約為3.2% (1.1%～6.7%)，C.HCl-Po所占比例與NaOH-Po相近，平均約為3.0%(2.1%～4.2%)，NaHCO3-Po所占比例最小，平均約為0.7% (0.1%～2.0%)。CK處理NaHCO3-Po占全磷比例較試驗前顯著增加，也顯著高于其它處理；其它所有施肥處理除MNPK維持在試驗前水平，均較初始值有顯著下降。對于NaOH-Po組分而言，除CK顯著升高和PK、NPK處理無顯著差異外，其它處理顯著降低了土壤NaOH-Po所占比例，降低幅度最大的是NK處理，降低了3個百分點，降低幅度最小的是NPK處理，降低了0.7個百分點。20年長期用化肥氮磷 (NP)、氮磷鉀 (NPK) 及氮磷鉀配施有機肥(MNPK) 三個處理C. HCl-Po占全磷比例均較試驗開始時顯著下降，降低了1.6～2.1個百分點，單施或偏施化肥處理 (N、NK和PK) C.HCl-Po占全磷比例有下降趨勢但差異不顯著，不施肥 (CK) 處理較試驗前降低了1.7個百分點 (表3)。

2.3 小麥地上部磷吸收量與土壤磷組分的關(guān)系

將各處理小麥地上部吸磷量和土壤磷組分進行相關(guān)分析 (圖2)，可以看出小麥地上部磷吸收量和樹脂磷 (Resin-P)、碳酸氫鈉提取無機磷 (NaHCO3-Pi)、濃鹽酸提取無機磷 (C.HCl-Pi) 之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜ 0.05)，其決定系數(shù)R2分別為0.607、0.784和0.651。斜率大小分別為C.HCl-Pi ＞ NaHCO3-Pi ＞Resin-P (圖 2)。

2.4 耕層土壤磷組分與磷表觀平衡的關(guān)系

耕層土壤磷組分與磷表觀平衡的關(guān)系 (圖3) 顯示樹脂磷 (Resin-P)、碳酸氫鈉提取無機磷 (NaHCO3-Pi) 和稀鹽酸提取的無機磷 (D.HCl-Pi) 隨磷素盈余量增加而顯著升高 (P ＜ 0.001)。斜率大小分別為D.HCl-Pi ＞Resin-P ＞ NaHCO3-Pi。其它組分則和磷表觀平衡無顯著相關(guān) (圖3)。進一步分析可知，土壤全磷和各無機磷組分之和與磷素盈余均呈顯著線性相關(guān) (P ＜ 0.001)，有機磷則和磷素盈余量無相關(guān)關(guān)系 (圖4)。

表3 土20年不同施肥處理土壤磷組分占全磷的比例 (%)Table 3 Proportion of each P fraction in the total P contents of the soils subjected to diverse fertilization for 20 years in loess soil

表3 土20年不同施肥處理土壤磷組分占全磷的比例 (%)Table 3 Proportion of each P fraction in the total P contents of the soils subjected to diverse fertilization for 20 years in loess soil

注（Note）：Initial—試驗開始前基礎(chǔ)土壤；CK—不施肥對照；N、P、K、M 分別表示氮肥、磷肥、鉀肥和有機肥；Resin、NaHCO3、NaOH、D.HCl 和 C.HCl 均為對應(yīng)磷組分浸提劑；同列數(shù)據(jù)后相同小寫字母表示不同施肥處理間在 5% 水平差異不顯著。Initial—Soil at initial of the experiment; CK—Control without any fertilizer input; N, P, K and M represent chemical nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers and organic manure. Resin, NaHCO3, NaOH, D.HCl, C.HCl denote the extracting agents of P fractions. Values followed by the same lowercase letters are not significantly different among treatments (P ＜ 0.05).

處理Treatment無機磷組分Inorganic fraction 有機磷組分Organic fraction 殘余磷Residual Resin-P NaHCO3-Pi NaOH-Pi D. HCl-Pi C. HCl-Pi NaHCO3-Po NaOH-Po C.HCl-Po Initial 3.1 ± 0.35 de 1.4 ± 0.09 c 0.8 ± 0.03 d 49.2 ± 0.75 c 11.2 ± 0.47 a 1.1 ± 0.32 b 4.1 ± 0.30 b 4.2 ± 1.13 a 25.0 ± 1.98 bc CK 2.9 ± 0.44 de 1.3 ± 0.13 cd 1.9 ± 0.09 c 55.5 ± 0.53 ab 7.8 ± 0.24 b 2.0 ± 0.32 a 6.7 ± 0.37 a 2.5 ± 0.28 bc 19.6 ± 0.82 d N 2.5 ± 0.59 e 0.6 ± 0.08 d 2.0 ± 0.43 bc 56.5 ± 2.58 a 6.1 ± 0.80 de 0.4 ± 0.06 c 1.6 ± 0.69 d 3.9 ± 0.86 a 26.4 ± 0.43 ab NK 3.5 ± 0.75 de 1.0 ± 0.17 cd 2.5 ± 0.77 ab 52.6 ± 5.05 abc 6.5 ± 1.04 cd 0.4 ± 0.17 c 1.1 ± 0.83 d 3.6 ± 0.36 ab 28.8 ± 2.94 a PK 8.0 ± 2.42 bc 4.0 ± 0.43 b 0.8 ± 0.04 d 51.2 ± 1.42 bc 6.4 ± 0.47 cde 0.2 ± 0.15 c 4.1 ± 0.11 b 2.9 ± 0.18 abc 22.3 ± 2.03 cd NP 5.3 ± 0.72 cd 4.4 ± 0.25 b 3.1 ± 0.43 a51.9 ± 2.13 abc 6.7 ± 0.87 bcd 0.2 ± 0.11 c 1.5 ± 0.43 d 2.3 ± 0.55 bc 24.7 ± 1.89 bc NPK 8.2 ± 1.59 b 4.2 ± 0.38 b 0.7 ± 0.11 d 51.3 ± 1.05 bc 7.3 ± 0.03 bc 0.1 ± 0.12 c 3.4 ± 0.35 bc2.1 ± 1.14 c 22.7 ± 0.48 c MNPK 11.6 ± 3.05 a 6.6 ± 0.73 a 2.5 ± 0.25 ab 52.6 ± 4.12 abc 5.3 ± 0.10 e 0.9 ± 0.19 b 2.8 ± 0.54 c 2.6 ± 0.22 bc 15.2 ± 1.00 e

圖2 土20年不同施肥管理土壤冬小麥地上部吸磷量與土壤各組分磷含量的關(guān)系Fig. 2 Relationship between phosphorus uptake by above-ground biomass of winter wheat and each P fraction contents in soils subjected to diverse fertilization managements for 20 years in loess soil

3 討論

3.1 長期施肥對旱作小麥產(chǎn)量的影響

本研究顯示，旱作條件下平衡施用氮磷較不施肥及偏施肥 (N、NK、PK) 處理顯著提高了小麥產(chǎn)量。這表明氮磷是限制該區(qū)小麥生長的主要因素[4]。陳磊等[6]報道黑壚土旱作長期施肥對小麥產(chǎn)量及肥料利用率的影響，也得到了相似的研究結(jié)果。本試驗結(jié)果還顯示相比平衡施用氮磷無機肥，化肥有機肥配施并沒有表現(xiàn)出更高的產(chǎn)量優(yōu)勢，盡管化肥有機肥配施顯著提高了土壤有機質(zhì)含量，改善了土壤物理性質(zhì)[28]。其他研究者也報道了相似的結(jié)果[6]。本試驗是基于相同的施氮量，化肥有機肥配施中70%的氮來源于有機肥，有機氮的礦化受水熱條件影響，如小麥生育期低溫和少雨的條件會影響氮的釋放和有效性，進而影響小麥生長及產(chǎn)量[28]。另一方面，微生物和作物競爭氮源可能也部分地限制了小麥生育期氮素養(yǎng)分供應(yīng)，進而影響了MNPK處理冬小麥產(chǎn)量進一步提升。然而在灌溉條件下，呂鳳蓮等[30]研究表明，土小麥–玉米輪作體系，50%和75%有機氮替代化肥氮較氮磷鉀化肥配施顯著提高了小麥和玉米總產(chǎn)量。不同試驗結(jié)果的差異性可能與作物體系和水熱等環(huán)境條件不同有關(guān)。

圖3 土20年不同施肥管理土壤磷組分與磷表觀平衡的關(guān)系Fig. 3 Soil P fraction as a function of soil P balances in soils subjected to diverse fertilization managements in loess soil

圖4 土20年不同施肥管理土壤全磷、總有機磷和總無機磷與磷表觀平衡的關(guān)系Fig. 4 Soil total P, total organic P and total inorganic P as function of the soil P balances in soils subjected to diverse fertilization managements for 20 years in loess soil

3.2 長期施肥對土壤無機磷組分的影響

樹脂提取磷 (Resin-P) 是植物有效性最高的可溶性無機磷，NaHCO3-Pi是較松散的結(jié)合在晶體鐵鋁氧化物表面的活性磷，也是植物有效磷源。本研究表明，20年長期施用磷肥較不施肥處理顯著提高了土Resin-P和NaHCO3-Pi，且化肥有機肥配施處理增幅最大。這與其他研究者報道的結(jié)果相一致[18,31]。增加的植物有效磷一方面來自化學(xué)磷肥和有機肥中大量的活性磷的釋放，且相對化肥而言，有機肥對活性態(tài)無機磷組分的累積貢獻(xiàn)更大[32]。Resin-P和NaHCO3-Pi含量與磷素盈余量顯著相關(guān) (圖3) 也反映了這一點。另一方面土壤有機磷的礦化可能也對Resin-P和NaHCO3-Pi含量增加有貢獻(xiàn)[33]。

NaOH-Pi是吸附在非晶態(tài)鋁鐵氧化物上的無機磷，被認(rèn)為是中等可利用態(tài)磷，解吸后可供植物利用。本研究表明，施用NP、MNPK較CK處理顯著增加NaOH-Pi含量，而施用PK、NPK顯著降低NaOH-Pi含量。Yan等[17]和Malik等[31]也曾報道施用有機肥增加了NaOH-Pi含量。張奇春等[18]在水稻土上的研究表明，施NPK、NP顯著增加土壤中NaOH-Pi含量，其施用鉀肥為氯化鉀。部分研究結(jié)果的不一致可能與土壤類型、種植體系和施肥種類有關(guān)，尚需進一步研究。NaOH-Pi的增加可能是由于施磷肥后土壤顆粒的磷飽和吸附位點增加和有機肥釋放有機酸對鐵鋁磷的螯合作用。本研究施鉀肥后NaOH-Pi下降可能是因為鉀影響了鐵鋁復(fù)合物的化學(xué)吸附過程導(dǎo)致的。有研究表明，施硫酸鉀后植物對鉀離子的吸收大于硫酸根離子，大量硫酸根離子存在于土壤中，與磷的含氧酸根陰離子競爭磷吸附位點，減少對磷的吸附[34]，導(dǎo)致施鉀肥的處理NaOH-Pi較低。有研究表明NaOH-Pi與Eh之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[35]，施鉀肥顯著提高了Eh[36]，降低了NaOH-Pi含量。此外，測定方法對NaOH浸提的磷組分也存在一定的影響，前一步的NaHCO3-Pi浸提過程中有一部分鋁磷和鐵磷溶解[13]。中等可溶性的NaOH-Pi既是磷源也是磷庫，對Eh和pH等環(huán)境條件變化比較敏感，易發(fā)生轉(zhuǎn)化[35,37]。因此，土施用鉀肥對NaOH-Pi含量的影響差異需要進一步研究。

D.HCl-Pi浸提的磷主要與原生磷灰石礦物有關(guān)，是鈣結(jié)合態(tài)化合物。本研究結(jié)果表明，MNPK處理D.HCl-Pi含量顯著高于其它處理及試驗開始前土壤，其它處理均維持在試驗開始時的水平，但施磷肥處理有高于不施磷肥處理的趨勢?？赡苁怯捎诖诵螒B(tài)活性相對較高，在長期不施磷條件下部分會轉(zhuǎn)化為其它形態(tài)被作物利用而消耗，施磷時可作為磷庫。Beck和Sanchez[37]研究表明，HCl-P與NaOHP一樣既是磷源也是磷庫，能作為可利用形態(tài)磷的補充。但由于其占全磷比例最大，緩沖能力最大，因而只有大量磷盈余情況下才發(fā)生明顯改變 (MNPK)。C.HCl-Pi和D.HCl-Pi均為難溶性鈣磷，稀鹽酸較濃鹽酸浸提的鈣磷有效性稍高，更容易提取。本研究也表明磷素的盈余優(yōu)先進入有效性稍高的D.HCl-Pi(圖3)。C.HCl-Pi主要為纖維素包被的閉蓄態(tài)磷，在高pH土壤上是更穩(wěn)定的鈣結(jié)合態(tài)磷，在熱濃縮后的酸中釋放。本研究中所有處理的C.HCl-Pi含量均較試驗開始時顯著下降，其主要原因可能是由于試驗開始前是小麥–玉米一年兩熟制，且有灌溉，改為冬小麥–夏休閑一季作物種植后，單位面積上作物的總產(chǎn)量下降較多，因此以根茬等殘落物形式進入土壤的纖維素量減小，因而C.HCl-Pi在土壤中累積量隨之減小。另一方面土壤含水量與纖維素分解菌數(shù)量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[38]，灌溉改旱作可能促進了纖維素分解，降低了與纖維素相關(guān)的C.HCl-Pi含量。土壤中C.HCl-Pi和D.HCl-Pi含量除了受種植制度、灌溉的影響外，土壤類型、施肥量和施肥時間也是重要影響因素。土壤類型直接影響礦物組成，施肥量和施肥時間決定土壤中磷素盈余量，進一步影響土壤中難溶性鈣磷的含量。

Residual-P為閉蓄態(tài)無機磷，主要是難溶性鈣磷和腐殖化的有機磷混合物。本研究施磷肥處理較不施肥 (CK處理) 顯著增加Residual-P含量。張奇春等[18]也報道了相似的研究結(jié)果。Zhang和Mackenzie[39]認(rèn)為長期施肥對Residual-P影響的變異 (98%) 是由于其中有機磷組分的增加所導(dǎo)致。不過從本文結(jié)果來看，不施磷處理 (CK和N處理) 的磷素耗竭也降低了Residual-P的含量。從Residual-P與磷素盈余關(guān)系可以看出施肥對該組分影響甚微，這可能表明長期施磷主要以可利用態(tài)和中等可利用態(tài)存在于土壤中。

3.3 長期施肥對土壤有機磷組分的影響

NaHCO3-Po主要是可溶性的有機磷化合物和一些微生物磷，易礦化供植物利用。NaOH-Po主要是腐殖酸中和鐵鋁復(fù)合物表面吸附的有機磷，是中等可利用的有機磷形態(tài)。本研究表明，施化學(xué)磷肥和有機無機肥配施顯著降低了NaHCO3-Po和NaOH-Po組分含量 (表3)，與Vu等[23]在石灰性土壤上的研究結(jié)果一致。楊學(xué)云等[10]在土上的研究顯示，不施肥或施無機磷肥 (NPK處理) 耕層土壤有機磷 (灼燒法測定) 有降低趨勢。Dalal等[11]研究表明，施入土壤的化學(xué)磷肥與有機磷競爭，形成鐵、鋁絡(luò)合物，土壤有機磷呈微溶態(tài)，礦化分解后減少了有機磷的積累。Zhang等[22]在石灰性土壤上研究表明，通過作物殘茬進入土壤的新鮮有機碳增加，促進微生物活動，導(dǎo)致施化學(xué)磷肥后NaHCO3-Po顯著下降。影響土壤有機磷累積的因素比較復(fù)雜，除全磷、有機質(zhì)、溫濕度條件外，還涉及其它因素，如土壤母質(zhì)、C/P比、pH、氧化還原條件等。長期平衡施用化肥或化肥有機肥配施土耕層土壤有機碳含量顯著增加，較高水平的土壤有機碳能促進微生物活性，從而促進不同形態(tài)的磷組分之間進行轉(zhuǎn)化[4]。土壤的C/P比影響有機磷礦化，凈固定和礦化發(fā)生的C/P比分別為 ＞ 300和 ＜ 200[40]。本試驗中施磷肥處理的C/P小于11.1，存在有機磷凈礦化作用。

C.HCl-Po是易于生物利用的顆粒有機物，生物有效性比前兩種形態(tài)有機磷低，是穩(wěn)定的有機磷形態(tài)。本研究表明，施化學(xué)磷肥和CK對C.HCl-Po影響不大，有機無機肥配施處理較CK顯著提高了C.HCl-Po含量。表明施入土壤的有機肥經(jīng)過生物體的吸收利用而轉(zhuǎn)化為C.HCl-Po，導(dǎo)致難利用態(tài)有機磷組分增加。Lehmann等[41]在酸性沙壤上長期有機無機肥配施得到與本研究相似的結(jié)果。Gale等[42]在粉壤土上研究表明，5年有機肥施肥量在P 140、210、280 kg/(hm2?a) 條件下，0—15 cm 土層除 NaHCO3-Po和NaOH-Po以外的殘余有機磷含量均顯著增加，但是施過磷酸鈣 [P 80 kg/(hm2?a)]、施有機肥量在P 280 kg/(hm2?a) 條件下兩個處理較對照不影響該形態(tài)有機磷含量。不同研究結(jié)果的變異性可能也與施磷量和施肥時間有關(guān)。

3.4 長期施肥對土壤磷轉(zhuǎn)化的影響

本研究發(fā)現(xiàn)冬小麥?夏休閑種植體系下，經(jīng)過20年不施肥之后土壤仍然保持了相同比例的植物易利用的Resin-P和NaHCO3-Pi，這可能源于有機以及無機的難溶性磷向可利用磷的轉(zhuǎn)化，如殘余態(tài)磷的減少，以及其它有效態(tài)的增加 (圖1)。而長期施用氮肥以及氮鉀配施也保持了相同比例的植物易利用的Resin-P和NaHCO3-Pi，可能與無機難溶性磷向可利用磷的轉(zhuǎn)化，并且加劇了有效有機磷的進一步降低(圖1) 有關(guān)。土壤磷素轉(zhuǎn)化一方面受土壤pH的影響，另一方面植物介導(dǎo)的根際酸化過程能夠增加磷酸鈣的溶解度而活化磷。還有在缺磷環(huán)境下，外生菌根真菌的大量生長也可通過釋放低分子量有機酸，特別是草酸和檸檬酸，增加磷酸鈣的溶解，增加磷的有效性[43]。

長期施用化學(xué)磷肥和有機肥主要增加了土壤中可利用態(tài)無機磷的比例，降低了難利用態(tài)磷和有機磷的比例 (表3)。與Lehmann等[41]和Gale等[42]的研究結(jié)果一致。Wang等[44]在黑壚土上和賈莉潔等[45]在土上施磷肥 (蔣柏藩?顧益初法) 得到的研究結(jié)果與本研究相似?；瘜W(xué)氮肥和磷肥長期投入導(dǎo)致土壤pH值降低[46–47]，難溶性鈣磷在pH值下降時溶解。有機肥分解過程中產(chǎn)生的小分子有機酸也可以溶解磷酸鈣，還能抑制大分子磷酸鈣的形成[48]。這些因素均有利于土壤保持較高比例的有效磷庫。

3.5 土壤磷組分變化對小麥磷吸收量的貢獻(xiàn)

本試驗結(jié)果顯示土壤中Resin-P、NaHCO3-Pi和C. HCl-Pi與小麥磷吸收之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其單位組分增加對小麥磷吸收的貢獻(xiàn)大小為C.HCl-Pi ＞NaHCO3-Pi ＞ Resin-P (圖2)。表明在目前試驗條件下，除了Resin-P和NaHCO3-Pi可溶性磷之外，C.HCl-Pi也是小麥利用的重要磷源。不過C.HCl-Pi含量隨土壤磷盈余量增加不顯著 (P ＞ 0.05)，而Resin-P和NaHCO3-Pi含量隨磷盈余量增加顯著升高 (圖3)。因此，Resin-P和NaHCO3-Pi可溶性磷對小麥磷吸收貢獻(xiàn)在未來可能更大。Boschetti等[49]研究同樣認(rèn)為Resin-P和NaHCO3-Pi與苜蓿磷吸收呈顯著的正相關(guān)。Zhang等[5]在水稻土上的研究也表明，以上三種無機磷形態(tài)與水稻磷吸收均呈正相關(guān)關(guān)系。Tiessen和Moir[13]認(rèn)為D.HCl-Pi和C.HCl-Pi是鈣結(jié)合態(tài)磷，植物有效性低。但是，植物能夠通過調(diào)節(jié)自身根系形態(tài)和生理特征，通過微生物作用活化難溶性無機磷和有機磷，促進磷的吸收[43]。馮固等[50]在灰漠土上用蔣柏藩?顧益初法研究表明，磷酸八鈣對植株磷營養(yǎng)有直接的貢獻(xiàn)。磷酸八鈣在強酸性條件下提取，在土上約占全磷的8%～24%[45]，筆者認(rèn)為磷酸八鈣屬于Tiessen-Moir法鹽酸提取磷的一部分。因而，C. HCl-Pi與小麥磷吸收的正相關(guān)性可能與磷酸八鈣對作物磷吸收的直接貢獻(xiàn)有關(guān)。但是本試驗中，有機磷組分并沒有直接表現(xiàn)出與小麥磷吸收量的相關(guān)性，可能與作物直接吸收利用的主要是無機磷有關(guān)。也可能是由于本研究條件有助于有機磷的礦化分解有關(guān)。

4 結(jié)論

旱作條件下平衡施用氮磷顯著提高小麥產(chǎn)量。長期施用磷肥增加土壤磷素盈余，并主要提高了耕層Resin-P、NaHCO3-Pi以及D.HCl-Pi無機磷組分的含量。與試驗開始前相比，20年長期施用化學(xué)磷肥和有機肥主要增加了土壤中可利用態(tài)無機磷的比例，降低了有機磷和難利用態(tài)無機磷的比例。土壤磷組分中Resin-P、NaHCO3-Pi和C.HCl-Pi對小麥磷吸收起主要的貢獻(xiàn)?？傮w而言，施用氮磷 (NP、NPK和MNPK) 不僅有利于作物增產(chǎn)，而且有利于保持高比例的土壤有效磷庫。但是考慮到有機無機肥配施導(dǎo)致大量磷素盈余，不僅有淋失風(fēng)險，而且降低磷效率。因此，在土壤有效磷水平合適的情況下應(yīng)該調(diào)整磷肥施用量。