都江雪，柳開樓，，黃 晶，3，韓天富，王遠鵬 ，李冬初，3，李亞貞，馬常寶，薛彥東，張會民，3?

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2 江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術研究中心，南昌 330046；3. 中國農(nóng)業(yè)科學院祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外試驗站，湖南祁陽 426182；4. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心，北京 100125）

水稻是我國主要的糧食作物之一，我國約60%以上的人口以稻谷為主食，因此，水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定增長是保障我國糧食安全的根本[1]。而在水稻生產(chǎn)中，土壤有效磷的含量是判定磷肥投入水平的重要因素，對水稻生長起著至關重要的作用。但是，與氮鉀相比，磷肥施入土壤后，很容易被土壤顆粒表面或土壤中的鐵鋁氧化物等吸附轉(zhuǎn)化成作物難以吸收的難溶性磷酸鹽[2]，導致磷肥當季利用率一般較低，約為10%～25%[3]。同時，農(nóng)戶習慣施肥中磷肥投入常常超出作物實際需磷量，造成土壤中磷素累積量逐漸增加，導致部分稻作區(qū)地表和地下水中含磷量嚴重超標，污染環(huán)境[4]。因此，了解稻田土壤磷素的時空演變及其盈虧平衡，提高磷肥利用率的同時降低環(huán)境風險是當前的重點和難點。

近年來，在我國南方稻作區(qū)，關于土壤磷素的演變特征進行了大量研究。魯艷紅等[5]在研究長期施肥紅壤性水稻土的磷素演變特征及對磷盈虧的響應時發(fā)現(xiàn)，不施磷肥導致紅壤性水稻土磷素的虧缺，而施用化肥磷及化肥磷配施稻草等土壤磷素出現(xiàn)盈余，土壤每盈余磷100 kg·hm–2，全磷含量提高0.03 g·kg–1，有效磷含量提高1.2 mg·kg–1。黃繼川等[6]研究表明，廣東省水稻土有效磷含量總體處于豐富水平，由于在水稻生產(chǎn)中普遍施用過多的磷肥，與第二次土壤普查結(jié)果相比，全省土壤有效磷含量平均提高13.34 mg·kg–1，相對提高87.19%。劉占軍[7]在關于我國南方低產(chǎn)水稻土養(yǎng)分特征的研究中指出，南方各低產(chǎn)水稻土區(qū)域因不平衡施肥導致有效磷含量空間分布出現(xiàn)顯著差異，整體表現(xiàn)為東南高、西南低，其中西南稻區(qū)大面積為低磷區(qū)域（小于10 mg·kg–1），土壤有效磷表現(xiàn)為虧缺。但是，目前關于土壤磷素時空變異的研究主要集中在特定區(qū)域，而有關全國尺度的稻作區(qū)土壤磷素時空演變研究鮮有報道。此外，我國稻作區(qū)分布廣泛，不同稻作區(qū)的土壤類型、種植制度和施肥制度差異較大。為此，本文基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國水稻土監(jiān)測數(shù)據(jù)，在分析土壤有效磷時空變化、磷肥回收率和磷肥農(nóng)學效率的基礎上，結(jié)合各區(qū)域磷素表觀平衡，深入研究不同區(qū)域土壤有效磷含量與磷素盈虧的量化關系，從而為各主要稻作區(qū)合理的磷肥施用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點概況

基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在全國稻作區(qū)布置的土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，本研究共計130 個稻作區(qū)土壤監(jiān)測點，并劃分為東北（黑龍江（3）、吉林（2）和遼寧（1））、長江三角洲（簡稱“長三角”，江蘇（9）、安徽（15）、浙江（2）和上海（3））、長江中游（湖南（28）、江西（7）和湖北（12））、華南（廣東（9）、福建（11）、海南（5）和廣西（6））和西南（四川（8）、云南（1）、貴州（5）和重慶（3））五個區(qū)域（括號內(nèi)為各區(qū)域樣點數(shù)）?；谏鲜霰O(jiān)測數(shù)據(jù)庫計算，1988 年至2017 年，東北、長三角、長江中游、華南和西南等區(qū)域每年水稻的磷肥投入量平均分別為86.55、80.02、70.91、88.96 和70.01 kg·hm–2（以P2O5計），具體試驗設計參考文獻[8]。

1.2 數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計分析

監(jiān)測內(nèi)容主要包括：在每年水稻成熟期，施肥區(qū)和無肥區(qū)作物產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、磷肥施用量和土壤有效磷含量。水稻產(chǎn)量采用去邊行后實打、實收的方法測定。秸稈產(chǎn)量根據(jù)小樣本進行籽粒與秸稈生物量比的考種數(shù)據(jù)換算。土壤樣品統(tǒng)一在每年水稻收獲之后進行采集，每個監(jiān)測點用土鉆隨機采集5 個樣品，混勻后風干研磨，過2 mm 篩后，采用Olsen 法[9]測定土壤有效磷含量。水稻籽粒和秸稈含磷量參考文獻[10]，分別取4 g·kg–1和2 g·kg–1。結(jié)合產(chǎn)量和磷肥投入量計算磷肥回收率、磷肥農(nóng)學效率和磷素累積盈虧量（或磷平衡），具體計算公式如下[5，11]：

磷肥回收率（phosphorus recovery efficiency，PRE，%）=[施肥區(qū)地上部分含磷量（kg·hm–2）-無肥區(qū)地上部分含磷量（kg·hm–2）] / [施磷量（kg·hm–2）]×100

磷肥農(nóng)學效率（phosphorus agronomy efficiency，PAE，kg·kg–1）=[施肥區(qū)水稻籽粒產(chǎn)量（kg·hm–2）-無肥區(qū)水稻籽粒產(chǎn)量（kg·hm–2）] / [施磷量（kg·hm–2）]

土壤磷素累積盈虧量（cumulative phosphorus surplus，kg·hm–2）=∑[當年投入磷總量（kg·hm–2）-當年作物（籽粒+秸稈）吸磷量（kg·hm–2）]

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2016 整理，采用SigmaPlot 12.5 軟件進行繪圖和擬合，運用SPSS 19 統(tǒng)計分析軟件進行相關性分析及顯著性檢驗。為避免個別年份點位差異對土壤有效磷含量變化規(guī)律造成影響，本研究按照監(jiān)測點位的施肥年限每隔5 年劃分成6個階段，分別為 1988—1992 年（施肥 5 a）、1993—1997 年（施肥10 a）、1998—2002 年（施肥15 a）、2003—2007 年（施肥20 a）、2008—2012 年（施肥25 a）和2013—2017 年（施肥30 a）。

2 結(jié) 果

2.1 不同區(qū)域稻田土壤有效磷的時空變化

近30 a 來，全國主要稻作區(qū)土壤有效磷含量平均值為21.18 mg·kg–1，呈南北高、中間低的趨勢，其中以華南和西南區(qū)分別為最高和最低（圖1）。各區(qū)域的土壤有效磷含量高低順序依次為：華南、東北、長三角、長江中游和西南，分別為33.71、21.79、20.06、17.24 和12.49 mg·kg–1。時間尺度上，全國范圍土壤有效磷含量隨施肥年限的延長而顯著升高（P＜0.05）（圖2），年均增速為0.36 mg·kg–1。線性擬合方程斜率（表1）表明，東北、長三角和長江中游無明顯的變化趨勢，華南和西南區(qū)土壤有效磷含量隨施肥年限的延長而顯著升高（P＜ 0.05），年增速分別為0.65 和0.30 mg·kg–1，以華南區(qū)增速最快。

圖1 不同區(qū)域稻田土壤有效磷含量Fig. 1 Available phosphorous content in the soil of paddy fields relative to region

圖2 不同區(qū)域稻田土壤有效磷含量30 a 變化趨勢Fig. 2 Variation of soil available phosphorous content in paddy soil during the past 30 years relative to region

表1 不同區(qū)域稻田土壤有效磷含量（y）與施肥年限（x）的相關性Table1 Correlation between soil available phosphorous content in paddy soil（y）and years of the fertilization（x）relative to region

2.2 不同區(qū)域稻田土壤磷肥回收率的變化

由圖3 及表2 可知，全國稻田土壤磷肥回收率平均值為28.03%，長江中游、東北、長三角、華南和西南區(qū)磷肥回收率分別為 25.2%、25.71%、27.04%、29.49%和35.92%，由北向南逐漸升高，并以西南區(qū)最高。磷肥回收率隨施肥年限的延長而顯著增加（P＜0.05），全國平均增速為0.32%。東北、長江中游、長三角、華南和西南區(qū)年均增加速率分別為 0.79%、0.58%、0.4%、0.29%和0.21%，以東北區(qū)增速最快。

圖3 不同區(qū)域稻田土壤磷肥回收率30 a 變化趨勢Fig. 3 Variation of phosphorus recovery rate in paddy fields during the past 30 years relative to region

表2 不同區(qū)域稻田土壤磷肥回收率（y）與施肥年限（x）的相關性Table2 Correlation between phosphorus recovery rate in paddy soil（y）and years of fertilization（x）relative to region

2.3 不同區(qū)域稻田磷肥農(nóng)學效率的變化

全國稻田磷肥農(nóng)學效率平均為58.48 kg·kg–1，長江中游、長三角、東北、華南和西南區(qū)磷肥農(nóng)學效率平均分別為46.83、49.83、53.99、63.72 和69.02 kg·kg–1，在全國范圍內(nèi)呈南北高、中間低的趨勢，以西南區(qū)最高，說明西南區(qū)更需要重視磷肥的施用。由圖4 可知，全國稻田磷肥農(nóng)學效率隨施肥年份的延長而顯著提高（P＜0.01），年均升高0.94 kg·kg–1。各區(qū)域磷肥農(nóng)學效率呈現(xiàn)與全國相似趨勢，長江中游、長三角、東北、西南和華南區(qū)磷肥農(nóng)學效率年均增加分別為 2.32、1.29、0.89、0.89 和0.76 kg·kg–1（表3），可見，長江中游區(qū)的磷肥施用增產(chǎn)效果優(yōu)于其他區(qū)域。

2.4 不同區(qū)域稻田土壤有效磷含量對磷平衡的響應

圖4 不同區(qū)域稻田土壤磷肥農(nóng)學效率30 a 變化趨勢Fig. 4 Variation of phosphorus agronomic efficiency in paddy fields during the past 30 years relative to region

表3 不同區(qū)域稻田土壤磷肥農(nóng)學效率（y）與施肥年限（x）的相關性Table3 Correlation between phosphorus agronomic efficiency in paddy fields（y）and years of fertilization（x）relative to region

圖5 近30 a 不同區(qū)域稻田土壤磷素累積盈余量變化Fig. 5 Variation of cumulative phosphorus surplus of paddy soil during the past 30 years relative to region

由圖5 可知，全國主要稻田土壤中磷素累積量隨施肥年限的延長逐漸增加，年均磷盈余量為35.03 kg·hm–2，約占磷肥平均投入量的44.16%。各區(qū)域均表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，年均盈余在 20.69～51.31 kg·hm–2之間，占磷肥施入量的 42.73%～52.56%。磷素累積盈余量呈南北高、中間低的趨勢，并以華南區(qū)最高，長三角區(qū)最低。土壤磷素累積盈余量隨化學磷肥和有機磷肥施入總量的增加而顯著增加（y= 1.020 x – 42.70，R2 = 0.950，n=23）。其中，長三角、長江中游和西南區(qū)早期因磷肥投入量較低出現(xiàn)短暫虧缺狀態(tài)，隨施肥年限的延長及施磷量的增加，逐漸出現(xiàn)盈余。

由圖6 可知，就全國范圍而言，土壤有效磷含量與磷素累積盈余量呈顯著正相關關系（P＜0.05），土壤中平均每盈余磷素100 kg·hm–2，土壤有效磷含量增加0.82 mg·kg–1。華南和西南區(qū)也呈現(xiàn)顯著增加趨勢，土壤中每累積盈余磷素100 kg·hm–2，土壤有效磷含量分別增加2.25 和0.85 mg·kg–1。東北、長三角和長江中游區(qū)土壤有效磷含量分別在21.79、20.06、17.24 mg·kg–1左右浮動，與土壤磷素累積盈余量之間相關關系不顯著。

3 討 論

3.1 不同區(qū)域稻田土壤有效磷的變化特征及對磷平衡的響應

土壤有效磷常用作衡量土壤供磷能力和評估磷素流失風險，而農(nóng)田養(yǎng)分平衡的研究有助于從宏觀上觀察農(nóng)田養(yǎng)分的時間變化和可能存在的問題[12]。近30 a 來，全國主要稻作區(qū)土壤有效磷含量平均為21.18 mg·kg–1，隨施肥年限的延長，土壤磷素累積盈余量逐年增加，土壤有效磷含量以每年0.36 mg·kg–1的速率顯著升高（圖1、圖5 和圖6；表1）。展曉瑩等[13]研究表明，全國21 個監(jiān)測點在15～25 a 的監(jiān)測期間，土壤有效磷含量呈顯著增加趨勢，年均增加量為0.74 mg·kg–1，年均增速高于本研究結(jié)果，可能的原因：首先，其監(jiān)測點分布較廣但監(jiān)測點位數(shù)（28 個）較本研究監(jiān)測點位數(shù)（130 個）少；其次，本研究監(jiān)測范圍集中在全國除西北和華北外的稻田土壤，并不涵蓋旱地土壤，而稻田土壤由于淹水降低土壤氧化還原電位，提高土壤中無定形態(tài)氧化鐵含量，增強了土壤對磷的吸附能力，從而降低磷素的有效性和有效磷的平均含量[14]。

圖6 不同區(qū)域土壤有效磷含量與磷素累積盈余量的相關分析Fig. 6 Correlation analysis of soil available phosphorus content of paddy soil with cumulative phosphorus surplus relative to region

土壤磷素累積盈余量主要由磷素投入量和作物帶走量決定，由于作物對磷素的吸收能力有限，隨著施肥年限的延長和施磷量的增加，土壤磷素累積盈余量逐漸增加，導致土壤有效磷含量也逐漸升高[15-16]。土壤中磷素每盈余100 kg·hm–2，土壤有效磷含量平均增加0.82 mg·kg–1，華南和西南區(qū)平均分別增加2.25 和0.85 mg·kg–1，該結(jié)果與之前的研究[17-19]一致。

然而，施肥方式、磷肥投入量、耕作模式、氣候條件及土壤類型的不同均導致各區(qū)域磷素累積的速率不同，土壤有效磷含量及年均增速各不相同[18]。東北區(qū)一次性施肥比例較高，施肥量也有逐漸上升的趨勢[20-21]，但耕作模式為一年一熟，作物收獲帶走量較低，所以東北區(qū)磷素累積量較高且累積速率較快。但是東北區(qū)土壤有效磷含量的年均增速并不高，約為0.05 mg·kg–1，且土壤有效磷含量與磷素累積盈余量之間并無顯著正相關關系（P＞0.05，圖6），可能是因為土壤中存在磷素累積閾值，當土壤中磷素累積未超過磷素累積閾值時，土壤有效磷含量會受年際間降水、年際均溫及土壤組分（有機質(zhì)和黏粒含量）等影響而上下波動[22]。長三角和長江中游區(qū)主要土壤類型為潮土和紅壤，土壤中含有豐富的碳酸鹽和鐵鋁氧化物，黏粒含量較高，對磷素有較強的吸附作用[23-24]。過量的磷被吸附在土壤中，當未超過磷素累積閾值時，出現(xiàn)與東北區(qū)相似趨勢，年際間土壤有效磷含量變化不顯著[13，18]。華南區(qū)土壤有效磷含量較高，年均增速也較快，可能因為：第一，華南稻作區(qū)主要為稻-稻-菜的耕作模式，蔬菜種植季節(jié)大量磷肥的投入（年均磷肥投入量為88.96 kg·hm–2（以P2O5計，下同）），導致磷素累積速率較高[6]；第二，土壤中有機質(zhì)與磷酸鹽競爭鐵鋁氧化物的表面結(jié)合位點[25-26]，華南區(qū)稻田土壤大多為三角洲沉積物，有機質(zhì)含量較高，而且近年來有機質(zhì)含量仍呈升高趨勢[6]，有機質(zhì)含量的增加因競爭作用促進土壤中鐵鋁氧化物釋放吸附態(tài)磷，增加土壤有效磷含量[27-28]；第三，華南區(qū)屬亞熱帶和熱帶季風氣候區(qū)，在水稻生長季節(jié)，較高的水溫和土溫，有利于有效磷的釋放和移動[29]。西南區(qū)土壤有效磷含量較低，平均為12.49 mg·kg–1，土壤磷素累積盈余量因施磷量較低（70.01 kg·hm–2）而增速緩慢，導致土壤有效磷含量年均增速也低，約為0.3 mg·kg–1，這與劉占軍[7]的研究結(jié)果類似。除上述因素外，土壤有效磷含量還受土壤pH[30]和磷肥類型[31]的影響。

3.2 不同區(qū)域稻田土壤磷肥回收率與農(nóng)學效率的變化趨勢

全國主要稻作區(qū)土壤磷肥回收率和農(nóng)學效率均隨施肥年限的延長而提高（圖3 和圖4），這與其他關于長期施肥下農(nóng)田磷肥回收率和農(nóng)學效率的研究結(jié)果[32-33]一致，表明磷肥在水稻的增產(chǎn)中仍發(fā)揮著巨大作用，且長期均衡施肥可促進作物對磷素的吸收[34]。但是，由于施肥用量和模式、種植模式及土壤性質(zhì)的不同，各區(qū)域土壤磷肥回收率和農(nóng)學效率的年均增速出現(xiàn)差異。西南區(qū)年均磷肥投入量最低，為70.01 kg·hm–2，且監(jiān)測前期出現(xiàn)短暫磷素虧缺。由于施肥量較低，無法滿足作物生長需求，導致施磷后回收率和農(nóng)學效率持續(xù)升高。其次，由于底層土壤含有25%～70%作物可利用的全磷，可貢獻作物所需的超過1/3 磷素，給作物提供除當季磷肥投入以外的磷源[35]。東北區(qū)年均磷肥投入為86.55 kg·hm–2，僅次于華南區(qū)（88.96 kg·hm–2），但其磷肥回收率和農(nóng)學效率均低于華南區(qū)，主要由于東北區(qū)土壤類型以黑土為主，黑土磷儲量較高，給予作物較高的養(yǎng)分供應，降低了對外源磷肥的依賴[36]。

隨著施肥年限的延長和施磷量的增加，土壤中磷素累積盈余量逐漸增加，有些區(qū)域甚至已明顯超過土壤對磷素的容納量[37]。所以，在磷肥施用不再是作物產(chǎn)量提升的限制因素或者當磷肥施用的增產(chǎn)效果較低時，應該考慮如何提高磷肥利用率。但不同區(qū)域則需要根據(jù)耕作模式及土壤特性調(diào)整施磷方式，在保證產(chǎn)量的同時提高磷肥利用率，減少面源污染風險。例如，西南區(qū)土壤磷素累積盈余量較低、磷肥回收率及農(nóng)學效率較高，應注重增施磷肥或配施有機肥，以保證作物的正常磷素需求。華南區(qū)土壤有效磷含量總體偏高，磷素累積盈余量較高，但磷肥回收率及農(nóng)學效率較低，應減少磷肥施用量，提高磷素利用率。

4 結(jié) 論

近30 a 來，全國稻田土壤有效磷含量平均值為21.18 mg·kg–1，并隨施肥年限的延長而顯著提高。各區(qū)域土壤磷素累積均表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，平均每盈余磷素100 kg·hm–2，土壤有效磷含量增加0.82 mg·kg–1。各區(qū)域土壤有效磷含量由高到低依次為：華南、東北、長三角、長江中游、西南，磷素累積盈余量由高到低依次為：華南、東北、長江中游、西南、長三角，磷肥農(nóng)學效率高低順序依次為：西南、華南、長三角、東北、長江中游。各區(qū)域磷肥回收率和農(nóng)學效率均隨施肥年限的延長而升高，但各區(qū)域增幅明顯不同。綜上，建議西南區(qū)適當增加施磷量，華南區(qū)合理減少磷肥投入，降低面源污染風險。

致謝在此對Waqas Ahmed、Asad Shah 和Nano Alemu 為英文摘要提出的修改建議表示衷心的感謝！