黃少輝 楊軍芳 劉學(xué)彤 楊云馬 邢素麗韓寶文 劉孟朝 賈良良 何 萍

（1河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所/河北省肥料技術(shù)創(chuàng)新中心，050051，河北石家莊；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，100081，北京；3河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所，053000，河北衡水）

磷素是作物生長所必需的大量營養(yǎng)元素之一，是植物體內(nèi)重要有機化合物組分，參與植物體內(nèi)各種代謝過程，對作物生長產(chǎn)生影響[1]。土壤磷素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的限制因子[2-3]，而磷肥施用是增加土壤磷含量和供應(yīng)的主要措施[4-5]，但磷肥施入土壤后會很快被土壤固定，致使磷肥有效性降低，其當(dāng)季利用率低于25%[6]，故了解土壤磷素演變規(guī)律對磷肥高效利用和作物可持續(xù)生產(chǎn)有重要作用。土壤有效磷是最易被作物吸收利用的磷形態(tài)，是衡量土壤磷素供應(yīng)能力的重要指標(biāo)[2，7]。有研究指出，隨著磷肥的大量施用，現(xiàn)階段我國土壤平均有效磷含量已經(jīng)從二次土壤普查時8mg/kg提高至20mg/kg以上[8-9]。施肥年限與施肥量均對其有顯著影響[10-12]。土壤全磷是土壤磷庫大小的表征指標(biāo)，長期施用磷肥（化學(xué)磷肥和有機磷肥）能明顯增加耕層土壤全磷的積累，有機無機肥配施對增加土壤全磷的作用更顯著[9，13-15]。活化被土壤固定和不易被作物吸收的磷是提高磷肥利用率的重要途徑，磷活化系數(shù)（phosphorus activation coefficient，PAC）[4，11，16-17]是指土壤有效磷與全磷的比值，表征全磷轉(zhuǎn)化為有效磷的比例。較高的PAC說明土壤磷素有效化程度高，有助于作物對磷素的高效吸收。土壤磷盈虧是磷素投入與產(chǎn)出之差，土壤有效磷的變化與土壤磷盈虧呈顯著相關(guān)關(guān)系[9，12，18-19]，且單位磷盈虧量下土壤有效磷的變化量可作為磷素的轉(zhuǎn)化率，不同土壤磷素的轉(zhuǎn)化率差異較大，展曉瑩等[9]通過對多種土壤類型研究，發(fā)現(xiàn)土壤每盈余100kg/hm2磷，褐土、黑土、紫色土和水稻土有效磷增加量分別為1.12、3.76、2.34和5.01mg/kg。此外，有研究也指出不同的外源磷肥類型也對轉(zhuǎn)化率有顯著影響，土壤每累積100kg/hm2磷，有機肥配施化學(xué)磷肥處理有效磷含量平均提高0.56～41.30mg/kg，單施化學(xué)磷肥處理平均提高2.6～21.2mg/kg[20-21]。

秸稈是豐富的有機資源[22]，其還田后可提高土壤質(zhì)量，生成增加土壤緩沖性能的Ca8-P，同時增強微生物活性，對改善根際土壤pH值及對固定態(tài)磷素的活化均有增強作用[14，23-25]，是磷素高效利用的重要手段之一。郭斗斗等[14]研究指出，秸稈還田可顯著增加土壤磷素含量6.5%，并且增加土壤中有機磷向無機磷的轉(zhuǎn)化；李冬初等[4]在紅壤上的研究也指出秸稈還田可增加有效磷和全磷含量，但較不還田PCA降低13.1%。

壤質(zhì)潮土是華北地區(qū)主要土壤類型之一[26]，該地區(qū)面積廣闊，小麥-玉米輪作是這一區(qū)域最主要的輪作制度，這種高度集約化的兩熟制種植制度對土壤養(yǎng)分的供應(yīng)提出了很高的要求。潮土含鈣量高，而土壤中有效磷素主要以陰離子形式存在，在潮土中很容易被固定，使其有效性降低[27-28]，因此對其土壤磷素研究可促進該區(qū)域磷素高效利用。近年來，秸稈還田已是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的農(nóng)藝措施，隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，部分玉米籽粒收獲后秸稈作為飼料，或玉米整株用于青貯，供應(yīng)養(yǎng)殖業(yè)[29]，而小麥秸稈由于不易被收集，會更多地還田于土壤中。目前關(guān)于秸稈不還田或小麥玉米秸稈全部還田對潮土土壤磷素演變的研究較多，而小麥秸稈單獨還田對潮土土壤磷素演變的作用還不明確。因此，本研究以壤質(zhì)潮土長期（1992-2015年）定位試驗為基礎(chǔ)，設(shè)置單施化肥處理（NP、NPK）與小麥秸稈還田配施化肥處理（NPS、NPKS），研究小麥秸稈還田對土壤有效磷含量、全磷含量、PCA及磷盈虧的影響，并探尋有效磷增量與磷素盈虧的響應(yīng)關(guān)系，以期為壤質(zhì)潮土磷素養(yǎng)分高效利用、秸稈高效利用和磷肥科學(xué)施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于1992-2015年在河北省辛集市馬蘭農(nóng)場（115°11′28.18″ E，37°59′22.93″ N）進行長期定位試驗，該地區(qū)處中緯度歐亞大陸邊緣，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.5℃，大于10℃積溫4 653℃，年均降水量447mm，年均蒸發(fā)量1 211mm，無霜期約198d，年日照時數(shù)2 427h。該區(qū)域種植制度為小麥-玉米輪作，一年兩熟。試驗地土壤為壤質(zhì)潮土，成土母質(zhì)為洪沖積物。長期定位試驗從1992年10月開始，初始耕層（0～20cm）土壤有機碳含量8.70g/kg，堿解氮69.7mg/kg，有效磷12.6mg/kg，全磷0.74g/kg，有效鉀83.2mg/kg，全鉀24.4g/kg，pH值8.2。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位試驗設(shè)置4個處理：秸稈不還田單施化肥氮磷（NP）、小麥秸稈還田配施化肥氮磷（NPS）、秸稈不還田單施化肥氮磷鉀（NPK）和小麥秸稈還田配施化肥氮磷鉀（NPKS）。每個處理重復(fù)4次，小區(qū)面積50m2，隨機區(qū)組排列。種植制度為小麥-玉米輪作。小麥播種于每年10月中旬，小區(qū)撒基肥后旋耕15～20cm，之后播種，播量225kg/hm2左右，小麥生長期內(nèi)灌溉2～3次，分別為苗期（“凍水”，每年11月中旬進行，視土壤墑情確定灌溉量）、拔節(jié)期（追施尿素后灌溉）和灌漿期。小麥于次年6月上旬收獲，小麥?zhǔn)斋@時NPS和NPKS處理小麥秸稈直接還田，NP和NPK處理小麥秸稈全部清除。玉米于每年6月中旬播種（不旋耕，鐵茬播種），密度為6萬株/hm2，玉米出苗后溝施底肥，并于6～7葉期追施尿素，玉米生育期不灌溉，玉米于9月末或10月初收獲，玉米收獲后玉米秸稈全部清除。其余田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶相同。1992-1994年玉米品種為掖單13號，之后為鄭單958，1992-1994年小麥品種為石家莊8號，1995-2000年為石4185，之后為石麥18。各處理均不施有機肥，各處理化肥施用量如表1所示，所有處理磷、鉀肥全部作基肥，氮肥基、追肥各半。1992-2015年試驗期間NP和NPK處理累積投入磷素1 821.6kg/hm2，均來源于化肥；NPS處理累積投入磷素1 941.4kg/hm2，其中化肥磷素占93.8%，秸稈磷素占6.2%；NPKS處理累積投入磷素1 959.7kg/hm2，其中化肥磷素占93.0%，秸稈磷素占7.0%。

表1 試驗處理及肥料施用量Table 1 Experiment treatments and fertilizer rates kg/hm2

1.3 樣品采集及分析方法

每年玉米收獲時，每小區(qū)選取長勢均勻2行玉米，將穗人工掰下帶回實驗室，烘干后稱重，計算產(chǎn)量，同時每個小區(qū)隨機取8株玉米，帶回實驗室后將籽粒與秸稈分開，55℃烘干后測定秸稈產(chǎn)量和植株養(yǎng)分含量。小麥?zhǔn)斋@時，每小區(qū)選取長勢均勻的3個2m2樣方，取下穗部后脫粒風(fēng)干，測定產(chǎn)量，同時每小區(qū)采集3個1m雙行小麥植株樣品，帶回實驗室將籽粒與秸稈分開，55℃烘干后測定秸稈產(chǎn)量和植株養(yǎng)分含量。1992-2008年每4年采集1次土樣，2008年后每年采集土壤樣品，樣品采集在玉米收獲后，各小區(qū)按“之”字形采集耕層0～20cm土壤樣品，每小區(qū)每層取10個點充分混勻，組成一個樣品，剔除礫石和植物根系等雜物，帶回實驗室于室內(nèi)風(fēng)干，磨細過1mm篩，測定土壤有效磷與全磷含量。

采用堿熔-鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量；采用Olsen法測定有效磷含量；采用H2SO4-H2O2消化植株樣品，采用鉬銻抗比色法測定植株磷含量[30]。

1.4 數(shù)據(jù)計算及統(tǒng)計分析

土壤磷活化系數(shù)（PAC）=有效磷含量（mg/kg）/[全磷含量（g/kg）×1000]×100%；

土壤有效磷變化量（ΔOlsen P，mg/kg）=Pi（mg/kg）-P0（mg/kg），（Pi表示第i年土壤有效磷；P0表示初始土壤的有效磷）；

作物吸磷量（kg/hm2）=籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）×籽粒含磷量（%）+秸稈產(chǎn)量（kg/hm2）×秸稈含磷量（%）；

每年土壤磷盈虧（kg/hm2）=每年施入土壤磷素（化肥+秸稈）總量（kg/hm2）-每年作物（籽粒+秸稈）吸磷量（kg/hm2）；

土壤累積磷盈虧（kg/hm2）=∑每年土壤磷盈虧（kg/hm2）。

數(shù)據(jù)處理應(yīng)用Microsoft Excel 2010軟件，應(yīng)用回歸分析F檢驗和ANOVA方差分析確定顯著性（P＜0.05或P＜0.01）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有效磷、全磷和磷活化系數(shù)的變化

土壤有效磷含量如圖1所示，NP處理和NPS處理有效磷含量高于NPK處理和NPKS處理。各處理土壤有效磷含量隨試驗?zāi)晗薜脑鲩L而增加，但增加速率不同。NP和NPK每年增加0.78和0.72mg/kg，NPS和NPKS處理分別增加0.77和0.68mg/kg，相比之下，小麥秸稈還田使NP處理有效磷年增加速度降低0.01mg/kg，使NPK處理降低0.04mg/kg，但組間差異不顯著（P＞0.05，表2）。

圖1 土壤有效磷含量變化Fig.1 Change of soil olsen P content

各處理土壤全磷含量隨試驗?zāi)晗薜脑鲩L呈增加趨勢，其增加速率順序為NPKS＞NPK＞NPS＞NP，年增加速率分別為0.0047、0.0043、0.0037和0.0031g/kg（圖2）。NPKS比NPK處理全磷年增長速率增加0.0004g/kg，占NPK處理年增長速率的9.3%，NPS比NP處理全磷年增長速率增加0.0006g/kg，占NP處理年增長速率的19.4%，但差異不顯著（表2）。

表2 小麥秸稈效應(yīng)方差分析Table 2 Variance analysis of wheat straw effect

圖2 土壤全磷含量變化Fig.2 Change of soil total P content

圖3 土壤PAC變化Fig.3 Change of soil PAC value

PAC可以用來表征土壤磷素有效化程度。如圖3所示，隨試驗?zāi)晗薜脑黾樱琋P、NPS、NPK和NPKS處理PAC顯著增加，年增加量分別為0.09%、0.09%、0.08% 和 0.07%。NP與 NPS、NPK與NPKS相比，PAC年增長速率無差異（表2），說明長期小麥秸稈還田并未對土壤PAC的變化產(chǎn)生影響。

2.2 土壤磷盈虧和累積磷盈虧的變化

如圖4所示，各處理年際間磷盈虧差異較大，總體來看在–20～30kg/hm2波動，在施肥后11～15年，各處理出現(xiàn)虧缺，其余年份處于盈余狀態(tài)。各處理累積磷盈虧差異顯著，盈余最高的為NPS處理，最低為NPK處理。NP、NPS、NPK和NPKS處理年平均盈余量分別為8.80、9.44、2.21和3.17kg/hm2，小麥秸稈還田較不還田年平均盈余分別增加0.64和0.96kg/hm2，分別增長7.3%和43.4%。

圖4 土壤磷盈虧（a）與累積磷盈虧（b）變化Fig.4 Changes of soil P balance (a) and soil accumulated P balance (b)

2.3 土壤累積磷盈虧與速效磷增量的響應(yīng)關(guān)系

由圖5可知，土壤累積磷盈虧與有效磷變化量呈顯著相關(guān)關(guān)系。NP與NPKS處理有效磷增量與累積磷盈余呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤每盈余100kg/hm2磷，土壤有效磷分別增加9.7和10.0mg/kg。NPK與NPKS處理有效磷增量與累積磷盈余呈負相關(guān)關(guān)系，土壤每虧缺100kg/hm2磷，土壤有效磷分別降低12.6和1.95mg/kg。由此可知，小麥秸稈還田在土壤磷盈余時，對土壤有效磷增量無顯著影響；在磷虧缺時，可減緩?fù)寥烙行Я椎慕档退俾?，起緩沖作用。

圖5 土壤有效磷變化量對累積磷盈虧的響應(yīng)Fig.5 Response of olsen P to accumulated P balance

3 討論

3.1 小麥秸稈還田影響土壤磷素變化

各處理土壤有效磷、全磷及PAC隨試驗?zāi)晗薜脑黾佣黾樱暝黾恿糠謩e為0.68～0.78mg/kg、0.0031～0.0047g/kg和0.07%～0.09%），這與李冬初等[4]對湖南紅壤、楊軍等[10]對天津潮土和楊學(xué)云等[31]對陜西塿土的研究結(jié)果一致，即長期施用有機或無機磷肥能顯著增加土壤有效磷和全磷含量，提高PAC。本研究中NPS與NP處理相比，NPKS與NP處理相比，土壤有效磷年增加速率均有所降低，與小麥秸稈還田對作物磷素吸收的促進作用有很大關(guān)系。秸稈還田通過增加土壤有機質(zhì)，增強微生物活性，促進作物生長，從而促進作物對土壤磷素的吸收利用[32]，由于秸稈還田處理作物磷素吸收量的增加，使其土壤磷素年增加速率較秸稈不還田處理有所降低。并且，秸稈還田帶入的磷素大多轉(zhuǎn)化為土壤全磷[13]，這與本研究中秸稈還田處理土壤全磷年增加率高于不還田處理的結(jié)果相一致。此外本研究未設(shè)置不施磷肥處理，黃紹敏等[13]在潮土上研究發(fā)現(xiàn)單施氮鉀肥連續(xù)14年后土壤磷素虧缺，有效磷降低3.8mg/kg，年降低量0.27mg/kg，全磷降低0.1g/kg，年降低量0.007g/kg。本研究中土壤PAC并沒有一致的結(jié)果，NP處理施用小麥秸稈后PAC年增量高于秸稈不還田處理，而NPK和NPKS處理基本持平，這可能與氮磷鉀全施處理土壤微生物活性更高[33]，對土壤有效磷分解和固定作用更強有很大關(guān)系，李冬初等[4]的研究也發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的問題。小麥秸稈還田對土壤有效磷含量的增加有抑制作用，對全磷含量的增加有促進作用。

3.2 小麥秸稈還田影響土壤磷盈虧和轉(zhuǎn)化率

土壤磷盈虧對土壤磷素變化有重要作用，土壤磷盈虧是決定磷肥施用量的主要指標(biāo)[2，34-37]。小麥秸稈還田增加土壤磷盈余，本試驗中，相較于NP和NPK處理，NPS和NPKS處理，1992-2015年分別累積增加磷投入120和138kg/hm2，磷支出分別增加105和116kg/hm2，最終盈余量分別增加14.7和22.2kg/hm2，分別占NP和NPK累積盈余量的7.3%和43.4%。楊軍等[10]和黃欣欣等[38]的研究也指出，秸稈還田會帶入一定量的磷素，但秸稈對作物磷素吸收的促進作用會消耗更多的磷素，從而造成累積磷平衡的下降，尤其在氮肥缺乏的處理中秸稈對磷盈虧的影響更大。本研究中，各處理氮肥施用較為充足，因此整體來看，秸稈還田對磷盈余有增加作用。此外本研究并未考慮環(huán)境磷素輸入，根據(jù)馬進川[39]的研究，華北地區(qū)磷素沉降量約為0.4kg/hm2，其對磷盈虧也會產(chǎn)生影響。

大量研究指出土壤有效磷的變化與土壤的磷盈虧有顯著的相關(guān)關(guān)系，并將單位磷盈虧下土壤有效磷變化量稱為土壤磷轉(zhuǎn)化率，其受施肥措施、土壤類型、有機質(zhì)含量和pH值等因素的影響[2，4，9-10，16，40]。本研究發(fā)現(xiàn)，在土壤磷素盈余情況下，小麥秸稈還田對土壤磷轉(zhuǎn)化無影響，且土壤每累積盈余磷100kg/hm2，土壤有效磷增加9.7～10.0mg/kg；土壤磷素虧缺時，小麥秸稈還田對土壤磷轉(zhuǎn)化有顯著影響，土壤每累積虧缺磷100kg/hm2，NPK處理有效磷含量降低12.6mg/kg，NPKS處理降低1.95mg/kg?？梢娏滋澣睍r，小麥秸稈還田對土壤有效磷含量的維持有很好的緩沖作用。秸稈還田帶入大量碳，有助于土壤有機質(zhì)含量的提高[5，41]，而有機質(zhì)有利于土壤磷素活化[28]和微生物活性的提高[23]，同時秸稈也帶入一定量磷素，有利于土壤磷素高效利用[24]，并且秸稈還可降低土壤pH值，從而減少土壤中碳酸鈣對磷的固定，進而增強土壤供磷潛力[14，42-43]。也有研究表明，秸稈還田可提高土壤微生物數(shù)量，而土壤微生物數(shù)量的增加又進一步增加了包括磷酸酶在內(nèi)的分泌物量，磷酸酶可加快有機磷向無機磷的轉(zhuǎn)化速度，從而提高磷素活化與供應(yīng)[44]。因此，小麥秸稈還田可增強土壤緩沖性，提高供磷潛力。

4 結(jié)論

長期施用磷肥和小麥秸稈還田不僅可以提高土壤速效磷和全磷含量，而且可以提高土壤PAC。小麥秸稈還田對土壤有效磷含量的增加有抑制作用，對全磷含量的增加有促進作用。壤質(zhì)潮土土壤累積磷盈虧和土壤有效磷變化量呈線性相關(guān)關(guān)系，土壤每盈余磷100kg/hm2，有效磷增加9.7～10.0mg/kg，小麥秸稈還田對其影響不大；土壤每虧缺磷100kg/hm2，秸稈不還田處理土壤有效磷含量降低12.6mg/kg，小麥秸稈還田處理土壤降低1.95mg/kg。綜上所述，小麥秸稈還田對土壤有效磷含量維持有緩沖作用，同時配施磷肥可增加土壤供磷能力。