顏曉軍，蘇 達，鄭朝元，葉德練，吳良泉*

長期施肥對酸性土壤磷形態(tài)及有效性的影響①

顏曉軍1,2，蘇 達2,3，鄭朝元1,2，葉德練2,3，吳良泉1,2*

(1 福建農林大學資源與環(huán)境學院，福州 350002；2 福建農林大學國際鎂營養(yǎng)研究所，福州 350002；3 福建農林大學作物科學學院，福州 350002)

為明確長期施肥對集約化果園土壤磷形態(tài)、分布特征及其有效性的影響，本研究對琯溪蜜柚主產區(qū)29個果園的土壤進行調查研究，采用張守敬和Jackson的酸性土壤無機磷分級方法，研究蜜柚果園土壤磷素累積對土壤磷形態(tài)及有效性的影響。結果表明：在集約化蜜柚果園中，土壤磷素累積豐富，隨樹齡增加土壤有效磷含量上升顯著，且土壤磷形態(tài)在不同土層存在顯著性差異；當全磷含量≤0.5 g/kg時，土壤磷形態(tài)主要以有機磷、鐵磷為主，隨著全磷含量的上升，鋁磷含量、占比均顯著上升；多元線性回歸和逐步回歸分析結果表明本試驗中鋁磷與有效磷相關性最好。果園土壤已經形成一個巨大的磷庫，且有效性較高，可適當減少磷肥投入，降低土壤磷含量，減少經濟成本，提高生態(tài)效益。

酸性土壤；磷表觀平衡；磷形態(tài)；磷有效性

磷是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一，同時也是一種不可再生資源[1]。在過去幾十年里，磷肥投入在一定程度上改善了土壤肥力，提升了作物產量。然而過量施肥也導致土壤磷素大量累積，同時還引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題，如水體富營養(yǎng)化等[2-5]。

土壤磷素大量累積的一個顯著特點是土壤有效磷含量顯著上升。據統(tǒng)計，從1980—2007年間，我國農作物種植體系中土壤磷(P)累積量高達242 kg/hm2，其中有效磷由原來的7.4 mg/kg上升至24.7 mg/kg[6]。而在經濟作物體系中，土壤磷素累積和土壤有效磷的增幅更大。彭智平等[7]在湛江市辣椒種植區(qū)發(fā)現土壤有效磷平均含量為72.5 mg/kg。全智等[8]研究表明，種植30 a以上的蔬菜地土壤有效磷含量甚至高達220.0 mg/kg；盧樹昌等[9]研究也發(fā)現河北果園的磷素(P2O5)年盈余量為270 kg/hm2，其中土壤有效磷含量超過50 mg/kg的占到樣本總量的33.6%。前人的相關研究多集中于對表層土壤的分析，而關于磷素投入對不同土層影響的分析還相對較少。因此，明確土壤磷素累積及土壤有效磷分布特征，將有助于指導磷肥的合理運籌。

前人的研究表明，磷素累積除影響土壤有效磷外，對磷的形態(tài)組分也會產生相應的影響[10-15]。各磷形態(tài)的變異同時還受到了土壤和作物類型等特異性的影響。如在小麥/玉米輪作中，潮土中磷形態(tài)主要以Ca10-P累積為主[10]，砂姜土中主要以Ca2-P和Ca8-P為主，其次是Al-P、Fe-P和O-P[11]，而在黑壚土中以Al-P和Fe-P累積最高[12]。蔬菜施肥定位研究表明，長期施用磷肥明顯增加土壤中無機磷積累，且Ca-P、Al-P積累程度高于O-P和Fe-P[13]；而在甘蔗種植中，紅壤上磷形態(tài)累積以Fe-P和Al-P為主，分別占土壤全磷含量的31.86% 和19.80%[14]；在咖啡種植下，磚紅壤上磷形態(tài)累積以O-P為主，Fe-P、Al-P次之，Ca-P最少[15]。這些研究多集中于磷肥投入對土壤各磷形態(tài)累積和分布特征的研究，揭示磷肥投入在不同土壤、作物類型上對土壤磷形態(tài)的影響，而缺少定量土壤磷累積對土壤磷素去向及各磷形態(tài)的影響，尤其是在pH<5.0酸性土壤上。

近年來，不同磷形態(tài)的有效性也是目前的研究熱點。土壤pH是影響土壤磷有效性的重要因素。前人研究表明，在堿性土壤不同磷形態(tài)中，Ca2-P易被作物吸收，是作物的第一有效磷源，Ca8-P、Al-P和Fe-P是作物的第二有效磷源，而O-P、Ca10-P被認為是作物的潛在磷源[16]。設施蔬菜種植上(pH為6.75)Ca-P、Al-P、Fe-P與有效磷呈顯著正相關，為有效磷源[13]。而在酸性山原紅壤上(pH為6.10)的不同無機磷形態(tài)中，Fe-P、Al-P是有效磷源，而O-P的有效性較低[17]。同樣是酸性土壤，白漿土上(pH為6.05)各磷形態(tài)以Fe-P和Al-P對有效磷的貢獻大，Ca2-P次之[18]。綜觀前人的研究主要集中在堿性土壤或微酸性的土壤上，而關于酸性土壤上各磷形態(tài)有效性的探究仍少見報道。

本研究采集了集約化蜜柚果園87個土壤樣品，主要研究磷素累積對土壤有效磷、各磷形態(tài)的累積分布特征及其有效性的影響，研究對于指導果園合理施肥和管理及磷肥高效可持續(xù)利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平和縣地處漳州西南部，地理位置116°54 ~ 117°31′E，24°02 ~ 24°35′N；屬南亞熱帶季風氣候，全年平均氣溫17.5 ~ 21.3 ℃，溫差小，氣候溫暖，夏季較長；全年平均降雨量1 600 ~ 2 000 mm，受季風影響年季間降雨差異較大，主要集中在6—9月，干濕季明顯；土壤類型以紅壤、水稻土為主。

1.2 農戶調研及土樣采集

對平和琯溪蜜柚主產區(qū)的農戶調研及土樣采集在2016年7月集中進行，選取安厚鎮(zhèn)、坂仔鎮(zhèn)、文峰鎮(zhèn)、南勝鎮(zhèn)、霞寨鄉(xiāng)、崎嶺鄉(xiāng)、小溪鎮(zhèn)、大溪鎮(zhèn)、國強鄉(xiāng)的29個具有代表性農戶為調研對象(圖1)，通過問卷調研的方式了解農戶磷肥的施肥方式、施肥時間、施肥量和蜜柚產量；每個農戶果園采取0 ~ 20、20 ~ 40 和40 ~ 60 cm土層的87個土樣，土樣采集按S形設置5個采樣點均勻混合成一個土樣，四分法分取約500 g土壤為1個土壤樣品，采樣時避開施肥點。

圖1 取樣位點圖

1.3 測定項目與方法

土壤無機磷組分是根據Chang和Jackson[19]提出的酸性土壤無機磷分級方法測定；有機磷采用灼燒法分離測定；有效磷含量用鹽酸–氟化銨法浸提，鉬藍比色法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；速效鉀含量用1.0 mol/L NH4OAC(pH7.0)浸提–火焰光度計法測定；土壤pH采用電位法測定(土水比為1︰2.5)；有機碳含量用碳氮分析儀測定[20]。

1.4 數據處理

采用 Excel 2010 軟件進行數據處理，用SPSS 21.0 軟件進行數據統(tǒng)計和分析，進行方差分析，不同處理間數據的多重比較采用Duncan新復極差法檢驗 (<0.05)，利用Excel 2010軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 蜜柚果園土壤磷素累積狀況

通過對蜜柚果園土壤基本理化性質分析可知(表1)，表層(0 ~ 20 cm)土壤pH介于3.46 ~ 5.89，平均值為4.56，根據柑橘園土壤pH分級標準[21]，71.4% 的土壤pH偏酸，不適宜于柑橘生長。中層(20 ~ 40 cm)土壤、底層(40 ~ 60 cm)土壤pH平均值分別為4.19和4.15。不同土層的土壤有效磷含量存在顯著性差異，隨著土層深度的增加，有效磷含量呈現下降趨勢。表層土壤有效磷含量豐富且變異大，平均含量638.9 mg/kg，變異系數46.51%；中層、底層土壤有效磷平均含量分別為384.9和171.7 mg/kg，變異系數分別為69.9%、102.2%。隨著蜜柚種植年限的增加，土壤磷素盈余上升，有效磷含量也隨之增加(圖2)，<10 a、10 ~ 20 a、≥20 a有效磷含量分別為414.2、736.2、839.2 mg/kg；表層土壤樹齡<10 a的果園土壤有效磷含量顯著低于樹齡>10 a的果園，底層土壤之間沒有顯著性差異。

表1 土壤基本理化性質

注：同一列中小寫字母不同表示不同土層間差異達新復極差檢驗<0.05顯著水平，下表同。

(同一土層深度中小寫字母不同表示不同年限間差異達到新復極差檢驗P<0.05顯著水平)

2.2 土壤磷素累積對不同磷形態(tài)的影響

全磷和各磷形態(tài)均隨土壤深度的增加呈現下降趨勢，且不同全磷含量條件下土壤各磷形態(tài)含量占比差異較大。如表2可知，不同土層土壤全磷含量介于0.48 ~ 1.41 g/kg，土層之間存在顯著性差異；表層土壤各磷形態(tài)含量表現為Al-P>Org-P>Fe-P>O-P>Ca-P，底層土壤Org-P含量最高。為進一步分析土壤磷累積對土壤磷形態(tài)的影響，本試驗將全磷含量分為4級：≤0.50、0.51 ~ 1.00、1.01 ~ 1.50、>1.50 g/kg。由圖3所示，隨著全磷含量的變化，各磷形態(tài)含量及其構成占比也相應發(fā)生變化。隨著全磷含量增加，無機磷含量明顯增加，全磷含量由≤0.50 g/kg上升到>1.50 g/kg時，無機磷含量由156.07 mg/kg上升至1 762.26 mg/kg，占全磷比重由55.47% 增加到76.82%；有機磷含量由125.30 mg/kg上升至531.61 mg/kg，增加了4.2倍，占全磷比重由44.53%下降至23.18%。在無機磷中，Al-P增量居首位，Al-P含量由25.15 mg/kg增加至918.89 mg/kg，增加了36.53倍，占全磷比重由8.94% 上升至40.06%；其次為Fe-P，含量由56.92 mg/kg上升至409.80 mg/kg，增加了7.2倍，占全磷比重由20.23% 下降至17.87%；再者是O-P含量由49.83 mg/kg上升至286.03 mg/kg，增加了5.7倍，占全磷比重由17.71% 下降至12.47%；Ca-P增加較小，由24.16 mg/kg上升至147.54 mg/kg，增加了6.1倍，占全磷比重由8.59% 下降至6.43%。

表2 不同深度土壤全磷及磷各形態(tài)含量

注：Al-P：鋁磷；Fe-P：鐵磷；O-P：閉蓄態(tài)磷；Ca-P：鈣磷；Org-P：有機磷。

2.3 不同磷形態(tài)與土壤有效磷的關系

本研究中用Bray I-P來表示土壤磷的有效性(圖4)，結果表明，Al-P與有效磷之間具有顯著的相關關系，其決定系數2= 0.88**(= 87)；其次，Fe-P和Org-P與有效磷也有明顯的相關關系，決定系數分別為0.41和0.47(= 87)；而Ca-P、O-P與有效磷決定系數較小。將土壤各磷形態(tài)()與有效磷()進行多元線性回歸分析，得出如下方程式：= 137.651+0.9251+0.0902– 0.1073–0.1014+0.0025，1、2、3、4、5分別代表Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P、Org-P。再進行逐步多元回歸分析，得出如下方程式：= 136.909+0.912(2= 0.876)，代表有效磷，代表Al-P。由多元線性回歸和逐步回歸可知，在平和蜜柚果園中，Al-P為土壤中有效磷的顯著作用項，是有效磷的主要來源。

3 討論

本研究結果表明，在當前的生產條件下，平和果園蜜柚年平均產量為53 t/hm2，磷素投入量卻高達P2O5971 kg/hm2，是果實吸收量(P2O517.5 kg/hm2)的55.4倍[22]。而同樣是生產55 t鮮果，美國佛羅里達州柑橘生產的一般磷肥推薦用量僅為P2O550 kg/hm2[23]，產量相近的情況下，平和蜜柚果園的磷肥投入量是佛羅里達州磷肥推薦用量的19.6倍，說明平和果園的磷肥投入量明顯偏高，磷肥使用效率卻顯著偏低。過量磷肥投入導致的直接結果是土壤中盈余了大量磷素，直接導致表層土壤有效磷的平均含量升至638.9 mg/kg (表1)，大大超出了平和土壤磷素環(huán)境敏感臨界值(山地果園：96.3 mg/kg，耕地果園：62.3 mg/kg)[24]。已有的研究表明，土壤磷含量與土壤磷素表觀平衡狀況關系緊密。Blake等[25]在洛桑試驗站的研究結果表明，土壤有效磷含量隨著土壤磷盈余呈增加趨勢；對我國7種不同類型土壤研究結果表明，在紅壤上每100 kg/hm2的磷素盈余，會造成土壤有效磷含量上升2.75 mg/kg。磷表觀平衡與土壤有效磷變化呈極顯著正相關關系[26]。與預期設想一致，本研究表明土壤磷素的盈余所導致的有效磷含量會隨著蜜柚種植年限的增加持續(xù)性累積(圖2)。雖然各磷形態(tài)含量總體均隨著土層深度的增加而下降，但下層土壤有效磷含量依然高達171.7 mg/kg(表1)，推測可能與磷素累積已經超出土壤飽和閾值并向下遷移有關。

而關于磷素累積對土壤磷形態(tài)構成的影響，前人已做了較為廣泛的研究，結果表明其在不同土壤類型上存在明顯差異[27-28]。1989年宋淑瓊[29]的研究表明在4種類型的紅壤上，O-P是主要的磷素組成成分，占全磷平均為46.2%；林地紅壤、赤紅壤上O-P占全磷比例分別為47.9%、55.9%[30]。同時，土壤中磷素的轉化受到土壤全磷含量的影響。在全磷含量0.60 g/kg的條件下，紅壤中O-P占全磷含量的30.9%[31]；也有研究表明在紅壤中全磷含量為0.85 g/kg的條件下，Fe-P占全磷的31.86%[14]。而在本研究中，在pH平均為4.3的條件下，當全磷含量低于0.50 g/kg，主要以Fe-P為主；但隨著全磷含量的上升，Al-P占比顯著提高，當全磷含量介于0.50 ~ 1.00 g/kg，Al-P占比達到29.60%，占比超過Fe-P；當全磷含量高于1.50 g/kg，Al-P占比高達40.1%，成為最主要的無機磷形態(tài)。長期磷肥大量的投入，導致土壤磷庫相比于20世紀八九十年代有了比較明顯的變化，林地與耕地也有顯著性差異。此外，由于pH影響著土壤溶液中Fe、Al離子的強度，對土壤各磷形態(tài)起著決定性的作用，且南方氣候原因導致雨熱同期，土壤富鋁化作用強烈，導致Fe、Al離子大量溶出[32]。因此紅壤中施入的磷肥首先轉化為Al-P、Fe-P，而部分Al-P會繼續(xù)向Fe-P轉化[33]，這可能是本研究中當全磷含量較低時，磷形態(tài)主要以Fe-P為主的原因(圖3)。此外也有研究表明，無定形氧化鋁對磷的吸附量大于無定形氧化鐵[34]，這可能是本研究中全磷含量較高時，Al-P成為最主要的無機磷形態(tài)的原因。

本研究中，Al-P、Fe-P、Org-P與有效磷均顯著正相關，Al-P與有效磷相關性最好，是有效磷的主要來源；Fe-P、Org-P與有效磷相關性次之。在土壤pH介于4.15 ~ 4.56的條件下，Al-P含量決定土壤有效磷的供應水平，這與前人的研究結果一致[13]。已有研究表明Fe-P、Al-P是紅壤的有效磷源，而O-P的有效性較低[17]；通過相關分析結合通徑分析的研究也表明Fe-P、Al-P是有效磷源，可以直接影響土壤有效磷含量，Al-P、O-P、Ca-P間接影響土壤有效磷含量[35]。這說明高磷累積的土壤磷有效性并不低。這與之前認為的酸性土壤上磷的有效性低，大部分磷素轉為O-P不同，高磷累積的土壤上磷素大部分轉化為Al-P，有效性還是比較高。結合前人研究結果我們認為當土壤磷素大量累積，O-P占全磷比例下降，而主要以有效性較好的Al-P、Fe-P為主。根據平和果園土壤有效磷及各磷形態(tài)含量分析可知，果園土壤磷累積已經形成一個巨大的磷庫，而其中大部分又能被果樹直接或間接利用，因此，可以對高磷果園采取針對性的施肥方案，減少磷肥投入，降低土壤磷含量，在減少肥料投入成本的同時，也有助于改善平和琯溪蜜柚果園生態(tài)環(huán)境。

4 結論

在高磷素累積的果園土壤中，隨樹齡增加，表層土壤有效磷顯著上升。隨著土壤磷素的累積，土壤磷素形態(tài)發(fā)生明顯變化，當全磷含量≤0.5 g/kg時，各磷形態(tài)主要以Org-P、Fe-P為主；隨著全磷含量的上升，Al-P占比明顯上升，成為主要的磷素形態(tài)；多元線性回歸和逐步回歸分析結果表明Al-P與有效磷相關性最好，是土壤有效磷的主要來源。磷素累積果園土壤中已經形成一個巨大的磷庫，且高磷條件下主要以Al-P累積為主，因此認為土壤磷庫有效性較高，可適當減少磷肥投入或者不施磷肥，降低土壤磷含量，減少經濟成本，提高生態(tài)效益。

致謝：感謝林偉杰、林瑞坤對土壤取樣的幫助。

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Effects of Long-term Fertilization on Phosphorus Forms and Availability in Acid Soils

YAN Xiaojun1,2, SU Da2,3, ZHENG Chaoyuan1,2, YE Delian2,3, WU Liangquan1,2*

(1 College of Resources and Environment,Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2 International Magnesium Institute, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 3 College of Crop Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

In order to understand the effects of long-term fertilization on the forms, distribution and availability of phosphorus (P) in acid orchard soils, 87 soil samples were collected from pomelo orchards in Guanxi to investigate the effects of soil P accumulation on P forms and availability by using Chang and Jackson's inorganic phosphorus forms method. The results showed that soil P was abundant in intensive pomelo orchard, and soil available P increased significantly with tree age. In addition, there were significant differences in P forms among different depths. When soil total P was less than 0.5 g/kg, the main forms of P were organic-P and Fe-P, but with the increase of soil total P, Al-P ratio and content increased significantly. Multiple linear regression and stepwise regression analyses showed the significant correlation between Al-P and available P. In conclusion, orchard soil has formed a huge phosphorus pool with high availability, reducing P input properly can effectively reduce soil P content and economic cost, and improve ecological benefit.

Acid soil; Phosphorus balance; Phosphorus forms; Phosphorus availability

S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.06.006

顏曉軍, 蘇達, 鄭朝元, 等. 長期施肥對酸性土壤磷形態(tài)及有效性的影響. 土壤, 2020, 52(6): 1139–1144.

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0200200，2017YFD0200207)資助。

(liangquan01@163.com)

顏曉軍(1994—)，男，福建泉州人，碩士研究生，主要從事養(yǎng)分資源管理研究。E-mail: 16565710@qq.com