孫博,李帥帥,周毅,張瑩,陳健,劉田,郭俊杰,凌寧,郭世偉*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院/江蘇省固體有機廢棄物資源化研究重點實驗室,江蘇 南京 210095;2.安徽科技學院資源與環(huán)境科學學院,安徽 鳳陽 233100;3.江蘇省土肥站,江蘇 南京 210036;4.如皋市農(nóng)業(yè)科學研究所,江蘇 南通 226575)

磷是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素,在土壤中以多種化學形態(tài)存在。磷在土壤中的存在形態(tài)、含量及生物有效性均受土地利用方式和施肥管理的影響[1]。在大部分農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,由于磷肥移動性差且容易被固定在土壤中,磷肥的當季利用率降低。在我國磷肥利用率僅25%,近75%施入土壤的磷素都被固定而積累下來[2]。因此,探究活化土壤磷庫和提高磷肥利用率的途徑,對磷素資源高效利用具有重要的意義[3]。

水旱輪作系統(tǒng)是我國典型的水稻種植制度,包括水稻-小麥、水稻-油菜、水稻-冬閑田、水稻-結(jié)球甘藍等多種輪作模式,主要分布在長江和淮海流域的10多個省(市),種植面積約470萬hm2[4]。目前,對土壤磷素變化研究較多,主要集中在定位施肥及肥效[5]、磷素流失機制[6]、土壤磷素形態(tài)及有效性等方面[7-8]。然而,關于不同輪作模式下土壤磷素的形態(tài)特征、含量變化及影響因素的研究較少[9]。本文通過Tiessen-P分級方法測定4種水旱輪作模式下水稻季耕層土壤磷庫形態(tài)組成,探究在不同輪作模式下稻田土壤各級磷庫含量變化特征及其磷組分比例,以期了解不同水旱輪作模式對稻田土壤磷庫的調(diào)控活化作用,從而為通過養(yǎng)分資源管理途徑,減少我國稻田生態(tài)系統(tǒng)的磷固定,實現(xiàn)高產(chǎn)高效水稻生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗點位于江蘇省如皋市農(nóng)業(yè)科學研究所試驗田(120°49′E,32°37′N),供試土壤為江淮沖積物形成的薄層高砂土。輪作試驗于2015年6月水稻季開始,土壤基礎理化性質(zhì)為:有機質(zhì)含量21.30 g·kg-1,全氮含量1.22 g·kg-1,全磷含量0.98 g·kg-1,有效磷含量27.9 mg·kg-1,速效鉀含量78.33 mg·kg-1,pH7.46。

水稻、小麥、油菜和結(jié)球甘藍品種分別為‘鎮(zhèn)稻11號’‘揚麥16號’‘汾油737’和‘綠帥55’,均為當?shù)爻Ｒ?guī)品種。

1.2 試驗設計

采用完全隨機區(qū)組試驗設計。設置4種不同水旱輪作模式:水稻-小麥輪作(RW)、水稻-油菜輪作(RO)、水稻-冬閑田(RF)、水稻-結(jié)球甘藍輪作(RC)。每種輪作模式下設3種磷肥施用處理,即:1)不施肥處理(CK);2)優(yōu)化施肥處理(OPT):氮肥(180 kg·hm-2)按基肥、分蘗肥、穗肥(水稻移栽后41 d)質(zhì)量比為5∶3∶2施入,磷肥(60 kg·hm-2)全部基施處理,鉀肥(75 kg·hm-2)作為基肥、穗肥按質(zhì)量比為6∶4施入;3)農(nóng)民習慣處理(FFP):氮肥(300 kg·hm-2)作為基肥與分蘗肥按質(zhì)量比5∶5施入,磷肥(120 kg·hm-2)與鉀肥(75 kg·hm-2)均作為基肥于水稻移栽前一次性施入。共計12個處理。每個處理設置 3個重復,各重復小區(qū)面積為40 m2(5 m×8 m)。

經(jīng)2年4季水旱輪作后,測定分析第5季即2017年水稻季相關指標。水稻移栽時間為2017年6月25日。種植密度為每公頃20.0×104穴,每穴定植2株,株、行距分別為25、13 cm。不同輪作模式肥料施用量見表1。其中氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素(N,46%)、過磷酸鈣(P2O5,14%)和氯化鉀(K2O,64%)。其他田間管理措施按當?shù)亓晳T。

表1 不同輪作模式肥料施用量Table 1 Fertilizer application rate of different rotation systems kg·hm-2

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集與分析于2017年11月3日水稻成熟后收獲。收獲時,在每個小區(qū)隨機選取4 m2采樣,將水稻脫粒晾曬至標準水分20%以下,除去雜物后稱質(zhì)量,測定水稻的實際產(chǎn)量。采集水稻成熟期植株樣品,選擇長勢較一致的3穴植株的地上部位,將其分為葉片、莖稈和穗3個部分,用自來水清洗后再用去離子水洗凈,105 ℃殺青30 min,然后于75 ℃烘干至恒質(zhì)量。粉碎后的葉片、莖稈和穗均采用H2SO4-H2O2消煮,鉬銻抗比色法測定各部位的磷素含量。以五點采樣法采集耕層土壤,除去植物殘體及根系,風干后過0.15 mm篩,貯存待用于土壤Tieseen-P分級測定。2015年土壤為試驗前基礎土樣,土壤樣品為每小區(qū)五點取樣混合,風干后保存。

1.3.2 Tieseen-P分級測定Tiessen和Moir的磷分級體系通過采用連續(xù)浸提的方法將有機磷和無機磷分開,用全磷含量與無機磷含量的差值來表示有機磷含量[10]。該方法將土壤磷級分為:1)樹脂交換態(tài)磷(Resin-P);2)NaHCO3溶液浸提的磷(NaHCO3-P),分為無機(NaHCO3-Pi)、有機(NaHCO3-Po)2種形態(tài);3)NaOH溶液浸提的磷(NaOH-P),分為無機(NaOH-Pi)、有機(NaOH3-Po)2種形態(tài);4)稀HCl溶液浸提的磷(HCl-P);5)殘留態(tài)磷(Residues-P)。在水稻成熟期采集收獲后0～15 cm耕層土壤,采用Tiessen-P分級方法測定土壤各級磷含量。各級磷含量計算公式如下:

(1)

式中:m代表土壤質(zhì)量;P代表各磷級的磷含量(mg·kg-1);ρ為顯色液的濃度(μg·mL-1);V為顯色液的體積(mL);V1為浸提液的體積(mL);V2為測定時吸取的浸提液的體積(mL)。將這7種不同磷級按照其穩(wěn)定性歸類為4種磷庫,即活性磷庫包含Resin-P和NaHCO3-Pi磷級;中穩(wěn)性磷庫包含NaOH-Pi和HCl-P磷級;穩(wěn)定性磷庫為殘留態(tài)Residues-P磷級;有機磷庫包括NaHCO3-Po和NaOH-Po磷級。磷肥利用率及增產(chǎn)率計算公式[11]如下:

磷農(nóng)學利用率(phosphorus agronomic efficiency,AEp)=(施磷區(qū)產(chǎn)量-不施肥區(qū)產(chǎn)量)/施磷量

(2)

磷偏生產(chǎn)力(phosphorus partial factor productivity,PFPp)=施磷區(qū)產(chǎn)量/施磷量

(3)

增產(chǎn)率(yield increase rate)=(施磷區(qū)產(chǎn)量-不施肥區(qū)產(chǎn)量)/不施肥區(qū)產(chǎn)量×100%

(4)

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2007和SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行繪圖和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式優(yōu)化施肥對水稻產(chǎn)量的影響

如圖1所示:輪作與施肥均對水稻產(chǎn)量有影響,但二者的交互作用對產(chǎn)量影響不顯著。同一輪作模式下,OPT和FFP處理比CK均增加水稻產(chǎn)量,增產(chǎn)率為32.1%～51.6%。同一施肥處理下,CK和FFP處理,4種輪作模式間的水稻產(chǎn)量均無差異;但OPT處理中,RO模式的水稻產(chǎn)量相比RF模式高10.7%(P<0.05),但與其他2種輪作模式的水稻產(chǎn)量無顯著差異。

2.2 不同輪作模式優(yōu)化施肥對水稻磷累積量和分配的影響

從表2可知:輪作和施肥以及二者的交互作用對籽粒磷累積量和總磷累積量有顯著影響,且施肥對水稻各部位磷累積量和總磷累積量影響極顯著。在成熟期,不同輪作模式下水稻植株磷累積量為12.8～45.2 kg·hm-2,且磷主要累積在籽粒中,占植株總磷累積量的75.0%～89.4%(表3)。與CK處理相比,OPT和FFP處理均可明顯提高水稻植株的磷累積量,但磷在籽粒中的累積分配比例下降。同一施肥條件下,在CK和FFP處理下,4種輪作模式間的總磷累積量及各部位間的磷累積量無差異。在OPT處理下,RO和RW模式的植株籽粒磷累積量和總磷累積量顯著高于RF和RC模式,分別增加31.5%～53.7%和 20.5%～41.9%。

表2 輪作和施肥對植株磷累積量交互作用的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA analysis of different rotations and fertilization on plant phosphorus accumulation

表3 不同輪作模式下植株磷累積量及分配比例Table 3 Plant phosphorus accumulation and distribution ratio of different rotation systems

2.3 不同輪作模式優(yōu)化施肥對水稻磷素利用率的影響

從表4可知:同一輪作模式下,OPT處理的平均磷農(nóng)學利用率(AEp)和磷肥偏生產(chǎn)力(PFPp)均高于FFP處理,分別增加91.0%和91.6%。同一施肥處理下,RO模式在4種輪作模式中的磷農(nóng)學利用率和磷偏生產(chǎn)力最高。在OPT處理中RO模式的磷農(nóng)學利用率和磷偏生產(chǎn)力分別比其他輪作模式增加10.7%～50.3%和5.7%～10.7%,在FFP處理中分別比其他輪作模式增加23.0%～47.2%和3.4%～12.4%。

表4 不同輪作模式下水稻磷肥利用率Table 4 Rice phosphorus use efficiency under different rotation systems

2.4 不同輪作模式對水稻耕層土壤磷庫的影響

2.4.1 不同輪作模式對水稻耕層土壤全磷含量的影響從圖2可以看出:土壤中全磷含量變化范圍為0.71～1.18 g·kg-1。CK處理土壤全磷含量處于耗竭狀態(tài),4種輪作模式土壤全磷含量較試驗開始前降低10.1%～27.2%。4種輪作模式下OPT和FFP處理全磷含量較試驗開始前分別提高0.41%～4.29%和 2.35%～8.18%。OPT處理的4種輪作模式土壤全磷含量無差異,FFP處理的RW模式土壤全磷含量顯著高于其他3種輪作模式(11.3%～15.7%)。

2.4.2 不同輪作模式對水稻耕層土壤各級磷庫含量的影響從表5可以看出:輪作和施肥對土壤不同磷素含量的影響不同,但這2種因素的交互對不同形態(tài)磷素含量均有顯著影響。水稻耕層土壤磷組分以HCl-P和Residues-P為主,其含量分別為370～447 mg·kg-1和190～556 mg·kg-1(表6)。CK處理下,RO模式明顯提高土壤中Resin-P、NaHCO3-Pi、HCl-P和NaOH-Po的含量,比其他輪作模式分別提高13.6%～35.2%、30.5%～49.7%、1.7%～10.4%和19.7%～143.0%,而RW和RC模式顯著提高土壤中NaHCO3-Po含量(增幅8.47%～26.6%),RF模式顯著提高土壤中NaHCO3-Pi含量(11.7%～33.2%)(表6)。OPT處理下,RO模式比其他輪作模式顯著提高土壤中NaOH-Pi含量(6.3%～31.1%),RW模式NaHCO3-Pi含量比其他輪作模式提高8.7%～37.7%,RC模式Resin-P和HCl-P含量分別高出其他輪作模式28.4%～35.9%和2.4%～12.4%(表6)。FFP處理下,RO模式明顯提高土壤中NaOH-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po的含量,比其他輪作模式分別提高18.2%～78.6%、7.5%～20.7%和47.9%～311.0%(表6)。

表5 輪作和施肥對土壤不同形態(tài)磷素交互作用的雙因素方差分析Table 5 Two-way ANOVA analysis of different rotations and fertilization on different forms of phosphorus

表6 不同輪作處理對水稻耕層土壤不同形態(tài)磷素含量的影響Table 6 Effect of different rotation treatment on different forms of phosphorus content in rice topsoil mg·kg-1

2.4.3 不同輪作模式對水稻耕層土壤各級磷庫比例的影響輪作、施肥以及這2種因素的交互作用對不同土壤磷庫影響顯著。輪作對土壤活性磷庫、中穩(wěn)性磷庫和穩(wěn)定性磷庫影響顯著,施肥對有機磷庫影響極顯著(表7)。

表7 輪作和施肥對土壤不同磷庫組成比例交互作用的雙因素方差分析Table 7 Two-way ANOVA analysis of different rotations and fertilization on phosphorus pool composition in rice topsoil

從表8可知:輪作各處理的土壤磷庫主要以中穩(wěn)性磷庫為主,占總磷庫的52.8%～64.8%,其次是穩(wěn)定性磷庫,占總磷庫的25.7%～38.4%,活性磷庫和有機磷庫的比例較低,分別占總磷庫的3.7%～6.0%和3.3%～6.0%。與試驗開始前相比,同一施肥方式下,4種輪作模式的活性磷庫和穩(wěn)定性磷庫的比例降低,而中穩(wěn)性磷庫和有機磷庫的比例提高。CK和OPT處理下,4種輪作模式間的土壤各磷庫的比例均無差異。FFP處理下,RW模式的活性磷庫比例顯著低于其他輪作模式32.7%～37.3%,RC模式的中穩(wěn)性磷庫比例高出其他輪作6.4%～21.2%,RO模式的有機磷庫較其他輪作模式增加16.0%～52.6%。

表8 不同輪作處理對水稻耕層土壤磷庫組成比例的影響Table 8 Effects of different rotation treatments on phosphorus pool composition in rice topsoil %

3 討論

3.1 不同水旱輪作模式對水稻產(chǎn)量、植株磷累積量及磷肥利用率的影響

磷肥的投入對水稻的生長發(fā)育和生理過程都有促進作用,適量磷肥的投入可以提升土壤肥力,提高水稻產(chǎn)量[12-13]。本試驗OPT處理水稻產(chǎn)量與FFP處理差異不明顯。此外,不同輪作模式下磷肥施用對水稻的增產(chǎn)效果存在一定的差異。周昱磊等[14]研究表明在優(yōu)化施磷方式下水稻-榨菜輪作模式的水稻產(chǎn)量最高,其次是水稻-小麥輪作,而水稻-閑田輪作模式最低。蔬菜季較高的磷肥施入量是水稻產(chǎn)量增加的原因。本研究中,水稻-油菜輪作的水稻產(chǎn)量大于水稻-小麥輪作,水稻-結(jié)球甘藍輪作大于水稻-冬閑區(qū)輪作?？赡苁乔安缱魑镉筒说母禐橹备?在土壤中易于形成孔徑較大的“優(yōu)先路徑”,從而促進后茬作物對養(yǎng)分的吸收和利用,優(yōu)化水稻群體結(jié)構(gòu),提高水稻產(chǎn)量[15]。因此,從肥料投入和穩(wěn)產(chǎn)的角度分析,OPT條件下的RO模式可能更經(jīng)濟、高效。不同作物輪作換茬可以改善土壤理化性狀[16],提升土壤肥力[17],提高作物產(chǎn)量[18]。周春火[19]的研究表明,冬季種油菜對水稻磷素吸收有積極作用,這與本試驗結(jié)果一致。在本試驗中水稻-油菜輪作的水稻植株磷累積量表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢,其原因可能在于稻油輪作有助于提高土壤風化程度,改良土壤結(jié)構(gòu)進而影響土壤養(yǎng)分釋放,提高作物產(chǎn)量,增加植株磷累積量[20-21]。郭鑫年等[22]研究表明合理的磷肥用量不僅提高作物產(chǎn)量,同時也促進作物磷素利用率。本試驗中,OPT處理的磷農(nóng)學利用率和磷偏生產(chǎn)力均高于FFP處理,主要原因是OPT處理的磷肥施用量較FFP處理相差1倍(分別是60和120 kg·hm-2),并且本試驗中的高砂土具有緩沖性差、通透性強等特點[23],因此水稻對磷肥的利用效率相差非常大,且OPT處理中水稻-油菜輪作的磷農(nóng)學效率和偏生產(chǎn)力最高,其次是水稻-小麥輪作。由此可見,在本試驗中OPT處理RO和RW輪作模式更經(jīng)濟、高效,可能是其促進水稻植株吸收累積相對較多的磷,且保持相對較高的營養(yǎng)器官累積磷的再利用效率,進而增加籽粒產(chǎn)量。

3.2 不同水旱輪作模式水稻季耕層土壤磷庫組分的影響

與試驗開始前相比,4種輪作模式土壤活性磷庫和穩(wěn)定性磷庫的相對含量降低,而中穩(wěn)性磷庫和有機磷庫的相對含量提高,說明輪作管理有利于土壤中穩(wěn)定性磷庫向中穩(wěn)性磷庫轉(zhuǎn)換,提高土壤中可利用磷的含量。不施肥的土壤全磷、無機磷將處于耗竭狀態(tài)[24-26]。本試驗中,CK處理下4種輪作模式土壤磷庫均損耗,全磷含量和Residues-P含量明顯降低。研究表明,長期施用磷肥,土壤全磷、無機磷和有機磷均有不同程度的積累[27-29]。在本試驗中,施肥處理的4種輪作模式土壤全磷較CK處理均有所積累。本試驗中,施肥可以提高中穩(wěn)性磷庫和有機磷庫的比例,但活性磷庫比例降低,說明其他形態(tài)磷不足以補充作物帶走的磷,所以在磷肥管理中必須合理增加磷肥的投入來維持土壤供磷能力,從而增加水稻產(chǎn)量。OPT處理土壤磷庫在4種輪作模式間無顯著差異,但與CK處理相比,其在水稻-小麥、水稻-油菜、水稻-冬閑區(qū)模式土壤中穩(wěn)性磷庫比例提高,表明磷肥的適量投入可以改善土壤磷庫組分的有效性,提高有效磷庫占總磷庫的比例。同時,本研究結(jié)果表明不同輪作模式對水稻季土壤無機形態(tài)磷的影響不同,OPT處理中水稻-小麥模式的NaHCO3-Pi含量最高,這可能是由于稻麥輪作在稻季淹水條件下氧化還原電位降低,高價鐵還原低價鐵提高了土壤NaHCO3-Pi含量[30]。水稻-油菜模式的NaOH-Pi含量最高,可能是該輪作能夠促進Fe-P和Al-P的水解,減少土壤表面的正電荷,使吸附態(tài)磷解吸進而提高NaOH-Pi含量[31]。水稻-結(jié)球甘藍輪作模式的Resin-P和HCl-P含量最高,可能是因為旱季作物的肥料投入量多。一方面對水稻季產(chǎn)生肥效殘留效果,另一方面導致大部分磷素被土壤固持,造成水稻季土壤Resin-P含量高,且增加了HCl-P的累積量[32]。