于云飛，汪玉*，李爽，陳光蕾，趙洪猛，趙旭，王慎強(qiáng)*

（1.江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

磷素是作物生長必需的大量營養(yǎng)元素，也是限制作物產(chǎn)量的主要因子，施用磷肥對維持土壤有效磷庫和作物產(chǎn)量具有重要意義。然而，由于磷素易被土壤礦物吸附固定，大量的磷肥施用既造成資源浪費，也會加大環(huán)境污染風(fēng)險[1-3]。調(diào)查表明太湖流域稻麥輪作農(nóng)田化學(xué)磷肥施用量（以P2O5計）高達(dá)每年120 kg·hm-2，超出作物營養(yǎng)需求[4]，造成土壤速效磷過量累積，其中65.2%的農(nóng)田土壤有效磷高于20 mg·kg-1，而引起該區(qū)域環(huán)境風(fēng)險的土壤有效磷閾值為30 mg·kg-1[5]。畜禽糞便是有效的替代磷源，近年來畜禽糞便作為有機(jī)肥部分替代化肥被認(rèn)為是可以減少化肥投入、降低農(nóng)田磷流失風(fēng)險的有效措施[6]。據(jù)調(diào)查，我國畜禽糞尿有機(jī)廢棄物資源年產(chǎn)生量達(dá)38 億t，其中P2O5含量可達(dá)1 100 萬t[7]。因此，提高畜禽糞尿有機(jī)物料還田率，推廣有機(jī)肥替代化學(xué)磷肥對減磷增效和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。然而，如何科學(xué)合理地配施有機(jī)無機(jī)肥以提高資源利用效率和作物產(chǎn)量仍需進(jìn)一步探討。

不同的有機(jī)無機(jī)肥配施方式對作物產(chǎn)量有積極影響，但也可能存在一定的環(huán)境風(fēng)險。李圓賓等[8]通過整合分析稻麥輪作體系下有機(jī)肥配施方式對作物產(chǎn)量的影響，表明有機(jī)肥配施能使稻麥分別顯著增產(chǎn)3.1%和3.0%，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和有效磷等養(yǎng)分含量增幅11.7%~38.4%；黃晶等[9]的長期定位試驗表明，有機(jī)肥在等氮替代無機(jī)氮肥條件下，沒有顯著增加水稻產(chǎn)量，但顯著提高了土壤磷素累積，磷素年均盈余量是等氮量無機(jī)氮肥處理的2.59 倍。也有研究表明[10]，畜禽有機(jī)糞肥含磷量高，等氮量的有機(jī)糞肥處理相比于化學(xué)肥料造成農(nóng)田磷損失增加45%~237%，僅控制等氮量的有機(jī)肥投入容易引發(fā)環(huán)境污染問題。因此，控制農(nóng)田磷投入是降低土壤磷持續(xù)累積和從源頭減少農(nóng)田面源污染的重要舉措，通過養(yǎng)分平衡法來評價不同有機(jī)無機(jī)肥配施方式下農(nóng)田磷養(yǎng)分的盈虧，可以為養(yǎng)分優(yōu)化管理及環(huán)境風(fēng)險評估提供理論依據(jù)。

本研究以太湖流域田間定位試驗為研究對象，比較兩種有機(jī)無機(jī)肥配施方式——控氮控磷（4 a）及控氮不控磷（24 a）處理下農(nóng)田磷盈虧狀況，及其對作物產(chǎn)量、磷吸收、磷損失和土壤磷養(yǎng)分含量等的影響，以期為稻麥輪作農(nóng)田有機(jī)肥施用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗依托常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（31°33'N，120°42'E，實驗始于1998 年）和常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站宜興基地（31°16'N，119°54'E，實驗始于2018 年）。兩地都位于太湖流域，同屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均溫度17 ℃，年平均降水量1 200 mm，為典型的稻麥輪作區(qū)，土壤均為湖積物母質(zhì)發(fā)育的水稻土。常熟0~20 cm 耕層土壤基本理化性質(zhì)（1997 年測定）為：有機(jī)碳10.5 g·kg-1，全氮1.12 g·kg-1，總磷0.54 g·kg-1，有效磷9.41 mg·kg-1。宜興0~20 cm 耕層土壤基本理化性質(zhì)（2018 年測定）為：有機(jī)碳9.10 g·kg-1，全氮0.94 g·kg-1，總磷0.46 g·kg-1，有效磷15.5 mg·kg-1。水稻品種均為南粳48號，小麥品種為楊麥16號。

1.2 試驗設(shè)計

常熟試驗田為控氮不控磷有機(jī)無機(jī)肥配施（有機(jī)肥替代稻季40%和麥季50%的化學(xué)氮肥，不考慮有機(jī)肥帶入的磷、鉀等養(yǎng)分），小區(qū)面積4 m2，包括3 個處理：不施肥（CK）、單施化肥（CF）、豬糞有機(jī)肥與無機(jī)肥配施（PM）。宜興試驗田為控氮控磷有機(jī)無機(jī)肥配施（有機(jī)肥替代30%化學(xué)磷肥，氮、磷、鉀的總養(yǎng)分投入相同），小區(qū)面積為60 m2，包括6 個處理：不施磷肥（CK）、單施化肥（CF）、商品有機(jī)肥與無機(jī)肥配施（OM）、豬糞有機(jī)肥與無機(jī)肥配施（PM）、雞糞有機(jī)肥與無機(jī)肥配施（CM）、牛糞有機(jī)肥與無機(jī)肥配施（DM）。所有處理均設(shè)置3 個重復(fù)，各小區(qū)采用完全隨機(jī)排列。

所有試驗處理的施肥量見表1，試驗所需無機(jī)肥為氮（尿素，46%N）、磷（過磷酸鈣，12%P2O5）、鉀（氯化鉀，60%K2O），有機(jī)肥采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的不同類型有機(jī)肥料，每季經(jīng)測定養(yǎng)分含量后計算施用的實物量。氮肥每季按照30%基肥、40%分蘗追肥和30%拔節(jié)追肥施用，有機(jī)肥同鉀肥和磷肥作基肥一次性施用。田間管理均按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐進(jìn)行。

表1 兩種有機(jī)無機(jī)肥配施方式下化學(xué)肥料和有機(jī)肥料養(yǎng)分施用量Table 1 Organic fertilizer and chemical fertilizer inputs in the field experiments

1.3 樣品采集與測定方法

樣品采集于2021—2022 年稻麥輪作周期，每季作物種植前取有機(jī)肥樣品和水稻移栽幼苗/小麥種子，分別烘干測定含水率和全磷含量；各小區(qū)單打單收計產(chǎn)，取部分秸稈和籽粒鮮樣烘干測定含水率后再測定全磷含量；采用S 型布點法對小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取點，采集0~20 cm 耕層土壤，混合均勻，風(fēng)干、研磨后過20目篩測定土壤有效磷含量，過100 目篩測定土壤總磷含量；兩地農(nóng)田灌溉水于首次灌溉時采集，徑流樣品通過徑流池收集并分別于2021-09-25、2022-04-27（宜興）和2021-07-05、2021-08-09、2021-11-28（常熟）采集，過定量濾紙后測定全磷濃度。

樣品測定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[11]。有機(jī)肥和作物全磷采用硫酸-過氧化氫消煮-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉（pH=8.5）浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤總磷采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定；徑流及灌溉水總磷采用流動分析儀（Skala，荷蘭）消煮測定。

1.4 磷平衡計算方法

磷平衡作為衡量農(nóng)田磷素投入與產(chǎn)出的一種方法[12-14]，在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用[15-18]。本研究以稻麥輪作小區(qū)為研究對象，對有關(guān)農(nóng)田輸入與輸出的磷量分別進(jìn)行測算，并合算輸入與輸出的差值得到磷平衡值。磷平衡（kg·hm-2，以P 計）正值表示磷盈余，負(fù)值表示磷虧缺：

磷平衡=磷輸入量-磷輸出量

磷輸入量=肥料磷+水稻秧苗/小麥種子磷+灌溉水磷

磷輸出量=作物吸磷量+徑流損失磷量

灌溉水磷=灌溉水總量×灌溉水總磷濃度

作物吸磷量=秸稈生物量×秸稈全磷含量+籽粒生物量×籽粒全磷含量

徑流損失磷量=徑流總量×徑流總磷濃度

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2020 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行不同處理間各指標(biāo)的單因素方差分析并選擇Duncan 法（P<0.05）進(jìn)行多重比較，采用Origin 2022軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種有機(jī)無機(jī)肥配施對稻麥產(chǎn)量及磷吸收的影響

不同處理稻麥籽粒與秸稈產(chǎn)量及全磷含量如圖1 所示?？氐亓子袡C(jī)無機(jī)肥配施相較于CF 處理，稻麥產(chǎn)量均無顯著差異（P>0.05），但OM 處理有增加稻麥產(chǎn)量的趨勢，施肥第4年OM處理稻、麥籽粒產(chǎn)量高于CF 處理（6.23 t·hm-2和5.02 t·hm-2），達(dá)到6.28 t·hm-2和5.22 t·hm-2?？氐豢亓子袡C(jī)無機(jī)肥配施處理中，施肥第24 年P(guān)M 處理相比于CF 處理水稻產(chǎn)量無顯著差異（P>0.05），但小麥產(chǎn)量顯著（P<0.05）增加29.2%，小麥籽粒和秸稈產(chǎn)量分別為6.63 t·hm-2和9.14 t·hm-2?？氐亓赘魈幚碇械钧溩蚜Ｅc秸稈全磷含量無顯著差異（P>0.05），全磷含量范圍分別為3.03~3.19 g·kg-1（稻季籽粒）和1.69~2.06 g·kg-1（稻季秸稈），3.28~3.66 g·kg-1（小麥籽粒）和0.23~0.32 g·kg-1（小麥秸稈）?？氐豢亓紫翽M 處理稻麥籽粒全磷含量稍高于CF 處理但差異不顯著（P>0.05），稻、麥秸稈全磷含量顯著高于CF 處理56.5%和77.4%（P<0.05）。

圖1 兩種有機(jī)無機(jī)肥配施方式下稻麥地上部生物量和全磷含量Figure 1 Aboveground biomass and total phosphorus content of crops under different organic substitution treatments

2.2 兩種有機(jī)無機(jī)肥配施對土壤磷養(yǎng)分含量的影響

土壤有效磷和總磷含量在不同的有機(jī)無機(jī)肥配施方式下的變化趨勢不同（表2）?？氐亓紫赂饔袡C(jī)無機(jī)肥配施處理土壤有效磷及總磷含量較CF處理均無顯著差異（P>0.05），稻季土壤有效磷含量為15.7~19.4 mg·kg-1，總磷含量為0.48~0.51 g·kg-1，麥季有效磷含量為18.0~24.8 mg·kg-1，總磷含量為0.46~0.50 g·kg-1。控氮不控磷下，PM 處理土壤有效磷和總磷含量均顯著高于CF處理（P<0.05），稻季有效磷和總磷含量分別高達(dá)132.3 mg·kg-1和2.03 g·kg-1，為CF 處理的2.70 倍和1.80 倍，麥季有效磷和總磷含量增至175.9 mg·kg-1和2.33 g·kg-1，比CF處理高2.15倍和1.75倍。

表2 兩種有機(jī)無機(jī)肥配施方式下稻麥季土壤磷含量Table 2 Soil phosphorus content under different organic substitution treatments

2.3 兩種有機(jī)無機(jī)肥配施對農(nóng)田徑流磷損失的影響

不同有機(jī)無機(jī)肥配施方式對稻麥輪作農(nóng)田徑流總磷濃度的影響有很大差異（圖2）。在控氮控磷條件下，各處理稻麥季農(nóng)田徑流總磷濃度無顯著差異（P>0.05），CK、CF、OM、PM、CM 和DM 水稻季徑流總磷平均濃度依次為0.025、0.062、0.058、0.046、0.045 mg·L-1和0.029 mg·L-1，小麥季依次為0.027、0.031、0.027、0.038、0.030 mg·L-1和0.026 mg·L-1。在控氮不控磷條件下，PM 處理稻麥季徑流總磷平均濃度均顯著高于CF 處理（P<0.05），其中水稻季徑流總磷平均濃度為2.40 mg·L-1，小麥季徑流總磷平均濃度為0.68 mg·L-1，比CF處理分別高出72.2倍和20.8倍。

圖2 兩種有機(jī)無機(jī)肥配施方式下稻麥輪作農(nóng)田徑流總磷濃度Figure 2 Average concentration of total phosphorus in runoff under different organic substitution treatments

2.4 兩種有機(jī)無機(jī)肥配施對稻麥輪作農(nóng)田磷平衡的影響

表3 統(tǒng)計了稻麥輪作農(nóng)田磷的輸入與輸出指標(biāo)，可以看到磷的輸入主要為有機(jī)無機(jī)肥料，水稻秧苗、小麥種子及灌溉水帶入量較少，磷的輸出主要為稻麥籽粒、秸稈帶走和少量徑流?？氐豢亓子袡C(jī)無機(jī)肥配施下，PM 處理肥料帶入的磷量遠(yuǎn)高于CF處理，稻、麥季分別達(dá)到100 kg·hm-2和107 kg·hm-2。磷的輸出主要取決于稻麥地上部生物吸收量，控氮控磷有機(jī)無機(jī)肥配施下，OM、PM 和CM 處理稻麥地上部吸磷量與CF處理無顯著差異（P>0.05），而DM處理則顯著低于CF 處理（P<0.05）；控氮不控磷配施中，PM 處理稻麥吸磷量均顯著高于CF 處理（P<0.05）。徑流磷流失量在控氮控磷條件下各處理無顯著差異（P>0.05），其中稻季磷流失量為0.05~0.11 kg·hm-2，麥季磷流失量為0.03~0.05 kg·hm-2；控氮不控磷條件下，PM 相較于CF 處理稻麥季累計徑流磷流失量高達(dá)5.14 kg·hm-2，為CF處理的50.4倍。

表3 兩種有機(jī)無機(jī)肥配施方式下各處理稻麥季磷的輸入與輸出量（kg·hm-2）Table 3 Input and output of phosphorus in rice and wheat season under different organic substitution treatments（kg·hm-2）

圖3 為不同有機(jī)無機(jī)肥配施下稻麥輪作農(nóng)田磷平衡狀況?？氐豢亓讞l件下PM 處理稻、麥季磷平衡均表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，分別達(dá)44.4 kg·hm-2和73.4 kg·hm-2，顯著高于CF 處理（P<0.05）；而稻麥周年P(guān)M 處理磷盈余量為118 kg·hm-2，比CF 處理高3.41 倍。控氮控磷條件下各配施處理稻季磷平衡與CF處理無顯著差異（P>0.05），均表現(xiàn)為略虧缺狀態(tài)；OM、PM、CM、DM 處理麥季磷盈余量比CF 處理分別提高14.1%、18.8%、26.0%和75.2%，均處于磷盈余狀態(tài)；稻麥周年磷平衡OM、PM、CM和DM處理均略有盈余。

圖3 兩種有機(jī)無機(jī)配施方式下稻麥輪作農(nóng)田磷平衡Figure 3 Soil phosphorus balance of rice-wheat rotation cropland under different organic substitution treatments

3 討論

磷平衡分析是評價農(nóng)田磷養(yǎng)分管理可持續(xù)性的重要依據(jù)，也可為環(huán)境風(fēng)險評估提供重要參考[19-20]?？茖W(xué)合理地減施化學(xué)肥料并保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，維持土壤充足養(yǎng)分又不至于過量盈余，降低面源污染風(fēng)險及優(yōu)化資源配施，是有機(jī)無機(jī)肥配施可持續(xù)應(yīng)用的原則。本研究表明，控氮控磷各有機(jī)無機(jī)肥配施處理中土壤磷均略有盈余，年盈余量為2.29~8.55 kg·hm-2，而控氮不控磷有機(jī)無機(jī)肥配施下磷年盈余量高達(dá)118 kg·hm-2。依據(jù)不同配施方式下各處理磷的輸入與輸出量（表3），控氮不控磷有機(jī)無機(jī)肥配施帶入的肥料磷是控氮控磷的3.96倍，而二者磷的輸出量基本穩(wěn)定在同一范圍。因此，控氮控磷各有機(jī)無機(jī)肥配施處理均能使土壤磷平衡處于略盈余狀態(tài)，而控氮不控磷有機(jī)無機(jī)肥配施與控氮控磷相比，大量的磷肥投入會造成土壤磷過量累積。

土壤磷素累積是土壤磷含量升高的根本原因，但土壤磷含量變化對磷素累積量的響應(yīng)關(guān)系因土壤類型、土地利用方式和施肥方式等不同而存在差異。有研究表明，土壤磷每盈余100 kg·hm-2，紅壤性水稻土有效磷增加0.4~3.2 mg·kg-1[9]，黃壤性水稻土有效磷可增加2.0~4.0 mg·kg-1[21]，黃壤旱地有效磷可增加5.6~21.4 mg·kg-1[22]。本研究中兩種有機(jī)無機(jī)肥配施方式下磷均有盈余，能保障作物磷吸收的持續(xù)供應(yīng)，保證或提高作物產(chǎn)量，這與前人研究一致。李其勝等[23]發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥配施處理相較于單施化肥土壤有效磷和全磷含量分別提高25.0%~33.0%和14.3%~15.4%；任科宇等[24]的研究表明有機(jī)肥替代與單施化肥相比水稻產(chǎn)量增加2.7%~4.7%；魯偉丹等[25]研究發(fā)現(xiàn)18%有機(jī)肥替代化學(xué)肥料可提高小麥有效分蘗，增加有效穗數(shù)，顯著提高小麥產(chǎn)量。有機(jī)肥能提高土壤有效磷水平的原因在于，其本身含有一部分易分解釋放的磷素，且?guī)氲挠袡C(jī)磷礦化后釋放磷的過程中還會產(chǎn)生小分子有機(jī)酸等活性物質(zhì)，從而促進(jìn)土壤無機(jī)磷的溶解釋放[26-27]。另外有機(jī)肥中的磷多為有機(jī)磷或穩(wěn)定性較高的磷組分，其轉(zhuǎn)化為作物可利用性磷的過程相對緩慢，因此可延長肥料磷的持效性。

合理的肥料運籌對土壤供磷和作物吸磷起到調(diào)控作用，有機(jī)無機(jī)肥配施既有速效無機(jī)養(yǎng)分促進(jìn)作物分蘗，又有緩效有機(jī)養(yǎng)分滿足后期需求。本研究表明控氮不控磷有機(jī)無機(jī)肥配施顯著提高小麥產(chǎn)量和稻麥秸稈磷含量，這可能與有機(jī)無機(jī)肥配施改善作物葉片光合性能、促進(jìn)籽粒灌漿有關(guān)[28-29]。但相比于控氮控磷，控氮不控磷有機(jī)無機(jī)肥配施能大幅增加土壤有效磷和全磷含量達(dá)176 mg·kg-1和2.33 g·kg-1，遠(yuǎn)超作物正常生長發(fā)育所需的土壤磷水平。從磷平衡角度考慮，磷肥投入量應(yīng)與作物吸收帶走量基本持平，而土壤磷素的適度盈余有助于提升土壤肥力。因此，控氮控磷有機(jī)無機(jī)肥配施可達(dá)到提升土壤肥力和作物產(chǎn)量的目的且不會造成過量磷累積。

土壤磷素過量累積是造成農(nóng)田面源污染的主要因素[30-31]。肥料磷施入土壤后，大部分被土壤吸附固定，但隨著施入量的增加，土壤磷吸附位點逐漸飽和，無法被吸附固定的磷向水體遷移[32]。徑流磷損失只占農(nóng)田磷輸出的小部分，但由于自然環(huán)境水體對磷素輸入的敏感性，農(nóng)田磷素的遷移損失易產(chǎn)生水環(huán)境問題且過程復(fù)雜，目前衡量磷損失的環(huán)境風(fēng)險指標(biāo)還不完善[33-34]。在本研究中，控氮控磷有機(jī)無機(jī)肥配施較單施化肥均降低了稻季徑流磷損失；而控氮不控磷有機(jī)無機(jī)肥配施則顯著提高了徑流總磷濃度和徑流磷損失量。這一結(jié)果與郭智等[35]、馬凡凡[36]的研究結(jié)果一致。郭智等[35]的研究表明，豬糞有機(jī)肥等氮磷部分替代化肥的減排效果較好，在不影響水稻產(chǎn)量的前提下可降低總磷徑流流失率23.32%；馬凡凡[36]研究發(fā)現(xiàn)，等氮量豬糞有機(jī)肥替代處理磷素帶入量較高，特別是有機(jī)肥作為基肥一次性施入，作物生長發(fā)育前期對磷養(yǎng)分吸收能力低，因此部分磷素會迅速集中地隨徑流流失。這表明在一定量的施用范圍內(nèi)，有機(jī)肥的緩釋性具有抵抗徑流磷損失風(fēng)險的潛力[37]，從而降低徑流磷損失。本研究中控氮控磷有機(jī)無機(jī)肥配施稻麥周年土壤磷平衡表現(xiàn)為稍有盈余，徑流磷損失量低，可有效避免土壤磷素過量累積造成的資源浪費和環(huán)境風(fēng)險。

磷平衡對農(nóng)田磷養(yǎng)分管理和合理施磷具有重要意義，也可作為農(nóng)田磷素?fù)p失的環(huán)境風(fēng)險指標(biāo)以提高環(huán)境風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性[38]。因此，從維持作物高產(chǎn)和提升土壤肥力、降低土壤養(yǎng)分的環(huán)境損失和表觀盈余量等方面考慮，控氮控磷有機(jī)無機(jī)肥配施是更合理的有機(jī)無機(jī)肥配施方式。因試驗條件限制，本研究中控氮控磷有機(jī)無機(jī)肥配施處理進(jìn)行到第4 年，下一步工作還需深入研究控氮控磷下不同有機(jī)肥類型及用量與化肥合理配施的長期效應(yīng)。

4 結(jié)論

控氮控磷有機(jī)無機(jī)肥配施稻麥輪作周年磷平衡表現(xiàn)為略有盈余，且對徑流磷損失無顯著影響，而控氮不控磷有機(jī)無機(jī)肥配施稻麥輪作周年磷平衡及徑流磷損失均大幅增加，造成農(nóng)田磷面源污染風(fēng)險增加。因此，在采取有機(jī)無機(jī)肥配施時應(yīng)考慮控制磷投入量，避免農(nóng)田土壤磷過量累積和流失，以實現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)的同時，兼顧優(yōu)化肥料資源利用和降低環(huán)境風(fēng)險。