張珂珂，黃紹敏*，郭斗斗，宋 曉，岳 克，張水清，黃晨晨

（1．河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2．鄭州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450006）

磷素是作物生長的主要營養(yǎng)元素之一，影響著作物產(chǎn)量，但是磷肥的當季利用率僅有5%～25%，若長期施用磷肥易造成土壤中磷素的累積［1-2］。Macdonald 等［3］研究顯示全球每年向土壤投入1 420萬t 化肥磷和960 萬t 有機肥磷，僅有1 230 萬t 磷被作物吸收，從而導(dǎo)致了大部分耕地出現(xiàn)磷素顯著增加，尤其亞洲東部、巴西南部、歐洲西南部等地區(qū)磷素增加更嚴重。土壤中不能被作物利用的養(yǎng)分，可通過徑流或者淋溶進入地下水，對水環(huán)境造成污染［4］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤中磷素提高能增加磷供應(yīng)，但磷含量超過一定量會增加磷的流失能力，這也就增加了磷素引起的環(huán)境風險［5-7］。因此，合理的管理農(nóng)田有效磷含量并防止其向下大量的遷移，對農(nóng)業(yè)生態(tài)安全具有重要意義。

有效磷含量可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。郭斗斗等［8］通過研究潮土有效磷含量與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系得出，有效磷含量小于13.1 mg/kg 時，小麥產(chǎn)量隨有效磷含量增加而增加，超過此值時，有效磷含量增加對小麥的產(chǎn)量沒有顯著影響，且有效磷長期處于盈余狀態(tài)，會使其淋失量增大，對農(nóng)業(yè)生態(tài)安全造成威脅［9］。而不同地區(qū)之間的土壤性質(zhì)、作物管理及氣候等都會對有效磷產(chǎn)生影響，生態(tài)安全受到的威脅因素不一［10-11］。另外，牛明芬等［12］通過對潮褐土有效磷研究發(fā)現(xiàn)，有效磷含量大于69.4 mg/kg 時磷素隨徑流或淋溶進入水體，對環(huán)境造成危害；還有研究表明，黑壚土0 ～20 cm 土層有效磷含量大于36 mg/kg，磷素可下移到60 cm 土層以下［13］，若長期大量施磷，土壤中有效磷下移進入水體，造成污染。

前人研究有效磷含量大多考慮作物對其的反應(yīng)以及其在土壤中剖面的分布［8，14-15］。本研究，基于30 年長期定位施肥試驗，主要探討在保障作物產(chǎn)量條件下，避免土壤中過多的磷素下移危害生態(tài)安全，因此尋找協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)與環(huán)境保護的0 ～20 cm 土層有效磷含量，這一有效磷含量即生態(tài)閾值，以期為合理利用磷素和施用磷肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

“國家潮土土壤肥力與肥料效益長期監(jiān)測站”（113°40′42″E，34°47′55″N），屬于典型溫帶季風氣候，每年降水主要集中7、8、9 月份。土壤類型為潮土，質(zhì)地為輕壤。長期監(jiān)測試驗原址位于河南省鄭州市，1988 年開始，經(jīng)過兩年勻地種植，1990 年開始正式試驗，在2009 年 5 月采用原狀土搬遷方式移至河南省原陽縣祝樓鄉(xiāng)，位于原試驗地正北約 23 km。試驗初期（1988 年）土壤pH 值為 8.1、有機質(zhì)含量 10.6 g/kg、全氮 1.69 g/kg、全磷 0.65 g/kg、有效磷 6.9 mg/kg、堿解氮52.3 mg/kg、速效鉀 71.7 mg/kg、緩效鉀 647.2 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

本研究選取其中5 個處理:（1）不施磷肥（NK）；（2）施氮磷鉀（NPK）；（3）氮磷鉀化肥和有機肥配施（MNPK），與 NPK 處理等氮量，其中70%的氮由有機肥提供，根據(jù)其含氮量確定有機肥的量；（4）1.5MNPK 所有肥料均為 MNPK 處理的 1.5倍；（5）氮磷鉀化肥與玉米秸稈還田配施（SNPK），與NPK 處理等氮量，1991 ～2001 年70%的氮由秸稈還田提供（不足部分由同期其他試驗區(qū)秸稈補充），2002 ～2017 年只將該處理玉米秸稈還田，不足氮量由尿素補足。磷肥為普通過磷酸鈣，過磷酸 鈣 中P2O5含量在1991 ～2003、2004 ～2011、2012 ～2017 年分別為12.05%、8%、8.8%，氮肥為尿素，鉀肥為氯化鉀，施用的有機肥 1990 ～1999年為馬糞，2000 ～2010 年為牛糞，其中2007 年沒有施用有機肥，2011 ～2017 年為商品有機肥；每年小麥季將前茬玉米秸稈粉碎還田。小麥季氮肥（以N 計）165 kg/hm2、鉀肥（以 K2O 計）68.5 kg/hm2，玉米季氮肥（以 N 計）187.5 kg/hm2、鉀肥（以 K2O計）94 kg/hm2，每年投入的磷素量見表1，施肥前測定施用有機肥及玉米秸稈的氮、磷、鉀含量。2009年之前不設(shè)重復(fù)，試驗區(qū)面積16 m×25 m，2009 年原裝土搬遷后每小區(qū)面積為45 m2，3 次重復(fù)。

表1 長期定位試驗不同年份磷素總投入量 （kg/hm2）

各處理為小麥-玉米輪作，每年度依據(jù)土壤和天氣狀況播種，小麥播種時間為 10 月中旬，玉米為 6 月上旬。小麥季施肥后，深耕一次，玉米季免耕。作物收獲時，小麥底部留茬約 15 cm，玉米植株全部清除，NPKS 處理玉米秸稈粉碎還田用于下一季小麥生產(chǎn)。每年度依據(jù)土壤狀況適當灌溉，保證作物正常生長。

1.3 測試項目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集與分析

2009 年之前玉米收獲后取土樣，用 5 點取樣法取土樣，在2010 年之后改為小麥收獲后取樣。1988、2000、2005、2009、2013、2017 年各處理采集剖面土樣，其中2005、2009、2013 年土樣采集至200 cm，其余年份采集至100 cm。揀去土樣中的根茬、石塊等雜物，風干后研磨備用。有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定。

1.3.2 統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)采用 Excel 2007、Origin 軟件進行數(shù)據(jù)分析和作圖，2005、2009、2013 年土樣100 cm以下土層有效磷含量無差異，因此100 cm 以下土層不進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有效磷的垂直空間變化

圖1 是長期定位試驗中潮土剖面有效磷含量分布狀況（2009 年之前試驗沒有設(shè)置重復(fù)），1988 年試驗起始時0 ～100 cm 各土層有效磷含量均小于10 mg/kg，經(jīng)過30 年不施磷肥（NK），0 ～40 cm 土層有效磷含量較試驗起始時（1988 年）有所消耗，且0 ～40 cm 土層耗磷較多，40 ～100 cm 土層與試驗起始時基本無差異，這因為一是沒有磷的投入，二是為滿足作物生長發(fā)育，作物根系將不斷從土壤中吸收養(yǎng)分，0 ～40 土層有效磷一直處于消耗狀態(tài)。1991 ～2003 年階段每年磷投入量77 kg/hm2（NPK處理）及90 kg/hm2（SNPK 處理）0 ～20 cm 土層有效磷含量均小于30 mg/kg，20 ～40 cm 土層有效磷含量分別達到14.2、21.2 mg/kg，高于試驗起始值3.8 mg/kg，40～60 cm 以下土層有效磷基本維持在2～4 mg/kg 之間。2003 ～2017 年磷素投入量降低，而各土層有效磷含量與2003 年之前相比變化并不大。

1991 ～2003 年階段MNPK、1.5 MNPK 處理磷投入量分別為140 、210 kg/hm2，2000 年MNPK、1.5 MNPK 處理0 ～20、20 ～40、40 ～60 cm 分別是起始值5.84、8.8、4 倍和8.96、8.89、5.59 倍；2004 ～2011 年階段MNPK、1.5 MNPK 處理磷投入量分別為100、150 kg/hm2，2009 年20 ～40 cm土層有效磷含量，分別是試驗起始值的6.71、3.58倍，1.5 MNPK 處理40 ～60 cm 土層有效磷含量是試驗起始值1.73 倍，而MNPK 處理與試驗起始值沒差異。2012 年之后MNPK、1.5 MNPK 處理磷投入量分別為130、90 kg/hm2，在2017 年時土壤40 ～60 cm 土層有效磷含量是試驗起始值的4.9 倍。

圖1 有效磷在0 ～100 cm 土層分布

2.2 0 ～20 cm 土層有效磷含量對磷素移動程度的影響

如圖2 所示，直觀分析0 ～20 cm 土層有效磷含量對磷素在垂直空間運移影響。長期試驗結(jié)果顯示，0 ～20 cm 土層有效磷含量小于15.7 mg/kg 時，土壤磷素主要分布在20 ～40 cm 土層； 0 ～20 cm土層有效磷含量為15.7 ～24.7 mg/kg 時，40 ～60 cm 土層有效磷含量增加了2 mg/kg，磷素下移的量占0 ～20 cm 土層增加量的31%；0 ～20 cm 土層有效磷含量為24.7 ～55.6 mg/kg 時，土壤中的磷素可以下移到60 ～80 cm 土層，20 ～40、40 ～60、60 ～80 cm 土層磷素增加量占0 ～20 cm 土層增加量的39.4%、20.8%、9.1%。0 ～20 cm 土層土壤有效磷含量55.6 ～69.0 mg/kg 時，20 ～40 cm 有效磷的含量為24.1 ～33.8 mg/kg，磷素增加量占0 ～20 cm 土 層 增 加 量 的72.5%，40 ～60、60 ～80 cm土層磷素增加量占0 ～20 cm 土層磷素增加量的15.0%、20.9%。綜上所述，0 ～20 cm 土層有效磷含量越高，磷素下移不僅深而且量多。

2.3 土壤有效磷與作物產(chǎn)量的關(guān)系

土壤有效磷含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系，如圖3，拐點比較明顯，有效磷的含量高于15 mg/kg，小麥產(chǎn)量增加緩慢，有效磷含量小于15 mg/kg 時，小麥產(chǎn)量隨有效磷含量的增加而增加。而有效磷含量大于10 mg/kg時，玉米產(chǎn)量增加緩慢。小麥產(chǎn)量2011 年達到最高，產(chǎn)量為9 331 kg/hm2，而玉米產(chǎn)量2012 年時最高，產(chǎn)量達到11 487 kg/hm2，有效磷含量到達這一水平后，只要維持這一水平，即可獲得高產(chǎn)。

圖2 耕層有效磷含量對其移動的影響

圖3 作物產(chǎn)量與耕層土壤有效磷的關(guān)系

2.4 土壤有效磷生態(tài)閾值的確定

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，關(guān)于有效磷生態(tài)閾值，目前還沒有明確的定義。本研究中生態(tài)閾值主要是基于產(chǎn)量安全、作物根系對養(yǎng)分的吸收情況及磷素下移的情況，即保證作物產(chǎn)量又未對環(huán)境造成影響，同時磷素下移的深度有利于作物根系吸收。有效磷生態(tài)閾值指0 ～20 cm 土層有效磷含量超過該值不但不能使作物繼續(xù)增產(chǎn)，還可能會對農(nóng)業(yè)生態(tài)造成威脅，同時造成磷資源的浪費。長期定位試驗結(jié)果表明，0 ～20 cm 土層有效磷含量大于24.7 mg/kg 時，磷素下移至60 ～80 cm；有研究表明，不同類型冬小麥及玉米的根系90%在0 ～60 cm 土層，僅有10%在60 cm 土層以下［16-17］，所以 60 cm 土層以下的有效磷不易被作物吸收利用。0 ～20 cm 土層有效磷含量大于10、15 mg/kg（圖3），磷素已不是小麥、玉米產(chǎn)量的限制因素，增加磷的投入量對作物產(chǎn)量不能起顯著作用。綜上所述，本研究提出，有效磷含量25 mg/kg 可作為潮土有效磷生態(tài)閾值。由此，潮土小麥-玉米輪作模式下，為保障生產(chǎn)，保護生態(tài)環(huán)境，土壤耕層有效磷含量為15 ～25 mg/kg 時，應(yīng)合理控制磷的投入量；當耕層有效磷含量超出25 mg/kg，減少磷的投入。

3 討論

3.1 長期施肥對土壤磷流失風險的影響

磷肥投入量超出作物需求量，可使有效磷含量增加，造成土壤中磷素下移。長期施肥的研究結(jié)果表明，有機肥配施化肥（1.5 MNPK、MNPK 處理）土壤中磷素下移的深度比施化肥（NPK）及秸稈還田配施（SNPK 處理）深，達到60 ～80 cm 土層，這一方面是因為施肥量高的處理，可使0 ～20 cm土層有效磷含量增高，從而促進磷素下移［18］；另一方面可能是有機肥配施化肥更易使磷素向下遷移，有機肥中含有的有機酸可以活化土壤中的磷素，使土壤對磷的吸附降低，所以使磷素更易于向土壤深層移動［19］。40 年長期試驗表明，施用化肥可使磷素下移1.1 m，而施有機肥可達到1.8 m 左右［20］；還有研究表明，施磷量相等的條件下，有機肥中磷在土壤剖面中下移深度比化肥深［21］。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，2005 年時MNPK、1.5 MNPK處理20 ～40 cm 土層有效磷含量高于0 ～20 cm 土層，這主要由于0 ～20 cm 土層有效磷含量分別達到54.4、79 mg/kg，已顯著高于磷素的淋溶臨界值40 mg/kg［9］，又遇到 7 ～10 月份強降雨，促進磷素加速下移。Hesketh 等［22］對連作小麥試驗地的研究發(fā)現(xiàn)，當有效磷含量達到 60 mg/kg 時，土壤磷素遷移量明顯增加。試驗數(shù)據(jù)還表明，0 ～20 cm 土層有效磷含量為15.7 ～24.7 mg/kg，磷素可下移到40 ～60 cm 土層；有效磷含量24.7 ～55.6 mg/kg，磷素可下移到60 ～80 cm 土層。有研究表明，在遼河平原長期施肥條件下，0 ～20 cm 土層土壤有效磷含量為35.1 mg/kg 時，可使磷素下移到60 ～80 cm 土 層［15］。0 ～20 cm 土 層 有 效 磷 含 量55.6～69.0 mg/kg 時，磷素下移到60～80 cm 土層，且 20 ～40 cm 土層有效磷增加的量占耕層增加量的72.5%，這充分說明，土壤0 ～20 cm 有效磷含量超過淋溶臨界值時，磷素下移的風險增大。

3.2 潮土的生態(tài)安全臨界值

本研究有效磷生態(tài)閾值是基于產(chǎn)量及生態(tài)安全前提下，提出合理控制0 ～20 cm 土層有效磷含量。本研究結(jié)果表明，潮土區(qū)土壤有效磷生態(tài)閾值為25 mg/kg。前人研究的玉米Olsen-P 高產(chǎn)臨界值范圍為 3.9 ～17.3 mg/kg［23-25］，小麥 Olsen-P 高產(chǎn)臨界值范圍為 4.9 ～20.0 mg/kg［23-24，26］，而本研究通過分析土壤有效磷和作物產(chǎn)量的關(guān)系，得出土壤有效磷含量大于15 mg/kg，小麥產(chǎn)量增加不顯著，而玉米產(chǎn)量則是土壤有效磷含量大于10 mg/kg 增加不顯著，基本符合上述研究結(jié)果，生態(tài)閾值滿足了作物高產(chǎn)，同時對生態(tài)沒有造成危害。本研究結(jié)果還顯示，通過30 年的連續(xù)施肥，不施磷處理有效磷含量低于此生態(tài)閾值，而施磷處理均高于此值，其中 MNPK 處理比生態(tài)閾值高出2.7 倍，易加速磷素下移［8］。因此，考慮土壤有效磷生態(tài)閾值，NPK、SNPK 處理應(yīng)控制施肥、適度用肥，使土壤有效磷穩(wěn)定在一定水平；MNPK 處理的有效磷含量已處于磷素高流失水平，生產(chǎn)者應(yīng)減少磷的施用量。

4 結(jié)論

在潮土區(qū)長期施用化肥、有機肥配施化肥或者秸稈還田配施化肥均可提高土壤中有效磷含量，0 ～20 cm 土層有效磷含量為15.7 ～24.7 mg/kg，磷素可下移到20 ～40 cm 土層；土壤0 ～20 cm土層有效磷含量超過24.7mg/kg，磷素可下移到60 ～80 cm 土層。

潮土區(qū)土壤有效磷生態(tài)閾值為25 mg/kg，既滿足作物高產(chǎn)，又不對生態(tài)環(huán)境造成危害。施磷量與土壤有效磷含量有密切的關(guān)系，據(jù)此可以根據(jù)實際的土壤有效磷的情況，調(diào)控施用磷肥量。