齊 鵬，王曉嬌，焦亞鵬，郭高文，馬娟娟，武 均,3，蔡立群，張仁陟

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室,甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,甘肅 蘭州 730070；4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

磷素既是作物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，也是限制作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的營養(yǎng)元素之一[1]。長期以來，由于黃土高原的特殊性質(zhì)和人類活動的影響[2]，導(dǎo)致該區(qū)土壤中有效磷含量較低，作物生長所需的磷素大部分靠磷肥投入獲取。大量施磷雖然可以使作物產(chǎn)量增加，但同時也加大了土壤對磷素的吸附固定，進而降低磷肥利用效率，形成惡性循環(huán)[3]。長期大量投入磷肥會導(dǎo)致磷素在土壤中大量累積，不僅浪費了磷肥資源，也帶來了環(huán)境風(fēng)險[4-5]。磷養(yǎng)分資源的綜合管理是協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)和環(huán)境友好的關(guān)鍵所在，獲取土壤中磷組分信息對于提高土壤磷的利用率具有重要意義[6]。如何利用土壤積累的磷養(yǎng)分庫達到節(jié)肥、增產(chǎn)、降低環(huán)境污染的目的，對促進可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)模式具有重要意義[7]。

長期持續(xù)施磷可能會導(dǎo)致土壤磷形態(tài)和磷素有效性發(fā)生改變[8]。磷素主要以無機、有機形態(tài)存在于土壤中[9]，有機磷需要礦化成無機磷后才能被植物吸收利用[10]。施磷量不同，無機、有機磷的含量及其占全磷的比例也有所不同。土壤磷素有效性是指土壤磷素能被植物所吸收利用的程度，而土壤中磷的存在形態(tài)是磷素有效性不同的主要原因[4]。因為在整個土壤磷素循環(huán)過程中，磷形態(tài)相互轉(zhuǎn)化一直處于動態(tài)平衡。因此磷素任何形態(tài)的變化，都會引起有效磷含量的波動[11-13]。大量研究均表明[14]，施磷可顯著增加各無機磷組分的含量。但施磷對有機磷組分的影響結(jié)論不太一致，張震[15]在長期施肥和封圍草地上的研究表明，土壤各有機磷組分均不同程度地增加，中長期施肥對有機磷組分增加幅度影響較大。史靜等[16]在紅壤上的研究表明，施磷可顯著增加MLOP、MROP，降低LOP、HROP。Zhang等[17]認(rèn)為施用磷肥可以增加土壤各形態(tài)有機磷含量。磷在土壤中的移動性弱、易固定、基本沒有揮發(fā)和淋溶的損失、有效性低，所以土壤中磷的盈虧主要由磷肥的施用和植物的消耗所決定[18]。謝林花[19]的研究表明，有效磷與所有無機磷組分和LOP均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，與MLOP、MROP、HROP無顯著相關(guān)。張為政[20]研究表明，除了O-P和HROP外，其他磷組分均與有效磷呈顯著或極顯著相關(guān)。

多年來，有關(guān)學(xué)者對隴中黃土高原磷素的分級、遷移轉(zhuǎn)化、空間分布等做了一些研究，但不同施磷量對隴中黃土高原旱作農(nóng)田耕層土壤磷素形態(tài)及其有效性影響的研究較少。因此，本研究以隴中黃土高原旱作春小麥農(nóng)田為研究對象，通過對土壤各形態(tài)磷素賦存狀況及其有效磷之間關(guān)系的研究，探究不同施磷量對土壤磷組分分配與轉(zhuǎn)化以及有效性的影響，以期為合理施用磷肥及提高磷的有效性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試區(qū)位于隴中黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的甘肅省定西市李家堡鎮(zhèn)麻子川村(104°44′ E ，35°28′ N)。試區(qū)農(nóng)田土壤為典型的黃綿土，質(zhì)地均勻、土質(zhì)綿軟。平均海拔2 000 m，無霜期140 d，年均日照時數(shù)2 476.6 h，年均太陽輻射594.7 kJ·cm-2，年均氣溫6.4℃，≥0℃積溫2 933.5℃，≥10℃積溫2 239.1℃，屬中溫帶半干旱區(qū)；多年平均降水390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，80%保證率的年降水量為365 mm，變異系數(shù)為24.3%，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗于2017年布置在甘肅省安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村，設(shè)4個施磷水平，分別為含P2O50.0(P1)、75.0(P2)、115.0(P3)、190.0(P4) kg·hm-2，試驗設(shè)3次重復(fù)，各處理小區(qū)面積為27 m2(4.5 m×6 m)，隨機完全區(qū)組排列，共計12個小區(qū)。氮肥為尿素(N 46%)，各小區(qū)均施115 kg·hm-2(純氮)，磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)，于播種前作基肥一次性施入，不追肥。前茬作物收獲后三耕兩耱，供試作物為春小麥(定西40號)，于2019年3月下旬播種，7月下旬收獲，播種量187.5 kg·hm-2，行距20 cm，播深7 cm。試區(qū)土壤基本理化性質(zhì)：pH 8.45、有機碳8.32 g·kg-1、全氮0.86 g·kg-1、全磷0.82 g·kg-1、全鉀28.00 g·kg-1、堿解氮51.1 mg·kg-1、速效磷21.2 mg·kg-1、速效鉀101 mg·kg-1，0～200 cm平均土壤容重1.17 g·cm-3。

1.3 樣品采集

2019年7月下旬春小麥?zhǔn)斋@后采用“S”型5點取樣方法采集0～20 cm耕層土樣，混勻并挑除其中動植物殘體，過2 mm篩，風(fēng)干后備用。于2019年7月25日小麥?zhǔn)斋@前，每個小區(qū)隨機選取20株小麥，用去離子水洗凈后將籽粒和秸稈分離，105℃烘30 min后于80℃烘干至恒重，稱量計算干物質(zhì)量，粉碎過篩后待測，各小區(qū)全區(qū)刈割，去除邊際效應(yīng)。

全磷采用H2SO4-HClO4酸溶-鉬銻抗比色法測定[9]；土壤有效磷(Olsen-P)采用Olsen方法測定無機磷含量[21]；土壤無機磷組分根據(jù)顧益初-蔣柏藩法[22]將無機磷分為6級：Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P與Ca10-P；土壤有機磷組分：Bowman-Cole法[23]按其在不同濃度酸堿溶液中的溶解性，將有機磷分為4組：活性有機磷(Labile organic P, LOP)，中等活性有機磷(Moderately labile organic P, MLOP)，中穩(wěn)性有機磷(Moderately resistant organic P, MROP)，高穩(wěn)定性有機磷(Highly resistant organic P, HROP)；水溶液總磷用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗比色法[24]測定。

PAC(Phosphorus activation coefficient，磷活化系數(shù))=有效磷/全磷

地上部吸磷量(kg·hm-2)= 各器官磷含量×各器官干重

有機磷(mg·kg-1)= 總磷-無機磷

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016和SPSS 18.0進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，使用Sigma Plot 14.0作圖，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗不同施磷處理各磷組分的顯著性。采用Duncan’s法檢驗不同處理間平均值在P<0.05水平的顯著性差異。采用Pearson相關(guān)分析法(Correlate-Pearson)確定土壤磷組分與有效磷之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施磷水平下土壤各形態(tài)磷的含量

由圖1可知，土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P、LOP、MLOP、MROP、HROP、有效磷、全磷的變化范圍為21.15～32.41、165.97～247.27、28.63～43.45、33.06～37.64、57.67～66.24、321.96～341.60、4.15～4.93、111.17～163.21、22.33～27.31、32.83～41.95、14.16～22.23、856.91～974.83 mg·kg-1。土壤磷組分含量變化順序為Ca10-P> Ca8-P> MLOP> O-P> HROP> Fe-P> Al-P> Ca2-P> MROP> LOP。

不同施磷水平均能顯著影響土壤磷組分。施磷增加了所有磷組分、有效磷、全磷的含量(P<0.05)。隨著施磷量的增加，Ca2-P、Ca8-P、O-P、LOP、MLOP、MROP、HROP、有效磷、全磷含量增加；Al-P、Fe-P、Ca10-P含量先增加后降低，Al-P和Fe-P在 P2水平含量最高、Ca10-P 在P3水平含量最高，P1水平含量最小。

2.2 不同施磷水平下土壤各形態(tài)磷相對含量的變化

不同施磷水平下，土壤各磷組分占全磷的比例分布情況見圖2。如圖所示，施磷顯著影響了土壤各形態(tài)磷素的相對含量(P<0.05)。所有處理土壤無機磷組分均以Ca10-P為主，約占總無機磷的50%，無機磷比例變化順序為Ca10-P>Ca8-P>O-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P。所有處理土壤有機磷組分均以MLOP為主，約占總有機磷的65%，有機磷變化順序為MLOP>HROP>MROP>LOP。隨著施磷量的增加，Ca2-P、Ca8-P和MLOP增加，在P4處理最大、P1處理最小；Al-P、LOP先增加后減小，在P2處理最大、P4處理最小；Fe-P、Ca10-P、MROP、HROP減小，在P1處理最大、P4處理最小；O-P先減小后增加，在P1處理最大、P3處理最小。

不同施磷水平對土壤不同有效性磷組分占全磷的比例分布情況見表1。施磷顯著增加了磷活化系數(shù)(PAC)(P<0.05)。平隨著施磷量的增加，PAC增加，在P4處理最大、P1處理最小；總無機磷占全磷的相對含量和總無機磷與總有機磷之比先增加后減小，P2處理最大、P4處理最??；總有機磷占全磷的相對含量先減小后增加，P4處理最大、P2處理最小。

表1 不同施磷水平下土壤各磷組分的相對含量/%Table 1 Relative content of soil phosphorus components at different levels of phosphorus application

2.3 不同施磷水平對春小麥產(chǎn)量的影響

不同施磷水平對春小麥產(chǎn)量和磷肥利用率的影響見表2。由表2可知，施磷顯著增加了春小麥的地上部吸磷量、籽粒產(chǎn)量、地上部生物量和春小麥農(nóng)田的磷素表觀盈余、磷素利用率(P<0.05)。隨著施磷水平的增加，籽粒產(chǎn)量、地上部吸磷量和磷素表觀盈余增加；地上部生物量先增加后減小，P1處理最小、P3處理最大。磷肥利用率的順序為P3>P2>P4。

表2 不同施磷水平對春小麥產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of different phosphorus application levels on spring wheat yield

2.4 土壤各形態(tài)磷含量和有效磷含量的關(guān)系

為了進一步探討土壤有效磷與土壤各形態(tài)磷組分間的關(guān)系，由圖3可知，土壤Olsen-P與Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P、Ca10-P、LOP、MLOP、MROP、HROP呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，決定系數(shù)R2分別為0.9209、0.7958、0.5600、0.8285、0.5322、0.8159、0.7575、0.7195、0.7718；與Al-P不相關(guān)(P>0.05)。

土壤磷組分與有效磷之間的通徑分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，本研究有效磷與Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P、Ca10-P、LOP、MLOP、MROP、HROP呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，其相關(guān)系數(shù)R分別為0.9596、0.8921、0.7484、0.9102、0.7297、0.9033、0.8704、0.8482、0.8785；與Al-P不相關(guān)(P>0.05)。

表3 土壤磷組分(X)與有效磷(Y)之間的通徑分析Table 3 Path analysis between soil phosphorus component and available phosphorus

土壤磷形態(tài)對有效磷的直接影響(直接通徑系數(shù))大小順序為：Ca8-P(1.4570)>Ca2-P(1.3370)>MLOP(-1.3020)> LOP(-0.9690)>HROP(0.6200)>MROP(0.4320)>Fe-P(-0.3810)> Al-P(-0.3040)> O-P(-0.1220)>Ca10-P(-0.0420)。其中有效磷與Ca2-P的相關(guān)系數(shù)最大，說明它們的相關(guān)程度最高，表明Ca2-P是作物最有效的磷源。Ca10-P、O-P、Al-P、Fe-P、LOP、MLOP對有效磷具有負(fù)向直接效應(yīng)，但是其相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為正相關(guān)，這主要是受Ca2-P、Ca8-P、MROP、HROP的間接影響，表明這些磷組分通過影響其他形態(tài)的磷對有效磷產(chǎn)生間接作用。

為了進一步檢驗各形態(tài)磷組分對有效磷含量影響的顯著性，采用了逐步回歸分析。由逐步回歸分析可知，土壤有效磷與各形態(tài)磷組分的逐步回歸方程：Olsen-P=0.435×Ca2-P+0.352×O-P-15.366，其中方程R=0.986，P<0.01，達到顯著水平，逐步回歸是有意義的。O-P雖然與有效磷有一個極顯著的正相關(guān)系數(shù)(0.9102)，但其直接影響為負(fù)值(-0.1220)，而它與有效磷的正相關(guān)是因為通過 Ca2-P、Ca8-P、MROP、HROP通徑系數(shù)所致。表明Ca2-P是隴中黃土高原春小麥農(nóng)田土壤有效磷的主要磷源。

3 討 論

3.1 不同施磷水平對各形態(tài)磷組分分布的影響

近年來國內(nèi)學(xué)者采用蔣柏藩-顧益初、Bowen-Cole磷素分級的方法在土壤的磷素狀況等方面做了大量的研究工作，研究表明我國北方石灰性土壤主要以無機磷為主[25]，約占土壤全磷的70%～90%[26]。本研究結(jié)果表明無機磷占全磷的73%～81%，占比隨施磷量的增加先升高后降低。磷肥施入土壤中，使土壤中磷素水平普遍提高，施肥量越大，則施入土壤中的磷就越多，所以土壤中的磷素隨施磷量的增大而增大，且是年限增加、施肥積累的結(jié)果[27]。不同施肥處理下，有機、無機磷庫的耗竭和累積速度是不同的，土壤中有機磷短時間內(nèi)不易礦化被作物吸收利用，從而影響土壤無機磷和有機磷的比值[28]。

有研究表明[14]，施磷可顯著增加各無機磷組分的含量。本研究結(jié)果也表明施磷顯著增加了各無機磷組分，這與前人[14]的研究結(jié)果一致。施磷對有機磷組分的影響結(jié)論不太一致，史靜等[16]對紅壤的研究表明，施磷可顯著增加MLOP、MROP，降低LOP、HROP比例。Zhang等[17]認(rèn)為施用磷肥可以增加土壤各形態(tài)有機磷含量。趙吳瓊等[29]則認(rèn)為，不施磷肥處理能降低土壤有機磷組分，而施磷肥處理可以提高有機磷各組分的含量。本研究結(jié)果表明，施磷顯著增加了各有機磷組分的含量。施用磷肥后激發(fā)了固磷微生物的活性，增加了微生物對磷素的固定。本研究中，所有處理土壤無機磷組分均以Ca10-P為主，無機磷相對含量變化順序為Ca10-P>Ca8-P>O-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P。這與江晶等[30]、王海龍等[14]在石灰性土壤上的研究結(jié)果一致。近年來國內(nèi)外學(xué)者采用Bowman-Cole有機磷分級的方法在土壤的有機磷組分分配與轉(zhuǎn)化等方面做了大量的研究工作，不同地區(qū)的土壤由于理化性質(zhì)不同，總有機磷占全磷的比例相差較大，但研究表明有機磷組分中基本都以MLOP為主。本研究中，土壤有機磷組分相對含量變化順序為MLOP>HROP>MROP>LOP，這與海龍等[31]在本文相同試驗區(qū)研究春小麥耕作方式及輪作磷素形態(tài)時得出的結(jié)果一致。隨著施磷量的增加，Ca2-P、Ca8-P和MLOP占比增加；Al-P、LOP占比先增加后減??；Fe-P、Ca10-P、MROP、HROP占比減??；O-P占比先減小后增加。王海龍[32]在山東潮土上的研究結(jié)果表明，施用磷肥可以提高作物能夠吸收利用的Ca2-P、Ca8-P、Al-P所占無機磷總量的相對比例。金欣等[33]研究發(fā)現(xiàn)長期施用磷肥顯著增加了土壤中除O-P以外各無機磷組分的比例，降低了O-P和有機磷的比例。王斌等[34]發(fā)現(xiàn)灰漠土長期不施肥處理土壤Ca2-P、Ca8-P向Ca10-P轉(zhuǎn)化，長期施肥處理Ca2-P、Ca8-P、Al-P顯著增加。這與本研究結(jié)果一致，是由于經(jīng)過長期定位試驗，不同施肥處理無機磷各組分的含量發(fā)生了顯著改變的原因。黃慶海等[35]在江西紅壤上的研究表明，耗磷條件主要引起MLOP、LOP減少，而施磷措施主要促進MROP、HROP的增加。馮躍華等[36]在湖南稻田上的研究則表明，土壤有機磷中變化的主要是MLOP，而其余3種形態(tài)有機磷在水稻生長期間幾乎保持不變。這與本文的研究結(jié)果不一致，可能是由于土壤、氣候、作物等不同導(dǎo)致微生物對有機磷的固定與利用有區(qū)別，最終影響土壤有機磷組分的分配與轉(zhuǎn)化。綜上可知，長期施磷肥主要是通過提高Ca2-P、LOP、Ca8-P、Al-P、MLOP的比例，降低土壤中難溶性、作物難以利用的Fe-P、O-P、Ca10-P、MROP、HROP比例從而增加了有效磷含量，進而提升了土壤潛在供磷能力[11]。

土壤磷活化系數(shù)(PAC)是有效磷占全磷的比值，反映了全磷向有效磷的轉(zhuǎn)化程度[11]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為施磷肥能夠提高土壤磷素活化系數(shù)[37]。沈浦[38]認(rèn)為對于同一土壤，隨著磷肥施用量的增加，土壤有效磷和磷活化系數(shù)增加。本文研究結(jié)果表明，PAC隨施磷量的增加而增加，與前人的研究結(jié)果一致。

3.2 不同施磷水平下各形態(tài)磷組分與有效磷的關(guān)系

磷在土壤中的移動性弱、易固定、基本沒有揮發(fā)和淋溶的損失、有效性低，所以土壤中磷的盈虧主要由磷肥的施用和植物的消耗所決定[18]。在整個土壤磷素循環(huán)過程中，磷形態(tài)相互轉(zhuǎn)化一直處于動態(tài)平衡。因此磷素任何形態(tài)的變化，都會引起有效磷含量的波動[11-13]。本研究區(qū)農(nóng)田耕層土壤磷組分除Al-P與有效磷不相關(guān)外，其他形態(tài)的磷素與有效磷均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。謝林花[19]的研究表明，有效磷與所有無機磷組分和LOP均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，與MLOP、MROP、HROP無顯著相關(guān)。史靜等[16]研究發(fā)現(xiàn)，有效磷與Fe-P、MLOP呈極顯著正相關(guān)，與MROP、Al-P呈顯著正相關(guān)，與Ca-P、O-P、LOP、HROP無顯著相關(guān)。張為政[20]研究表明，除了O-P和HROP外，其他各磷組分均與有效磷呈顯著或極顯著相關(guān)。李若楠等[11]對陜西塿土的研究表明，除Ca10-P與Olsen-P呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系以外，其他形態(tài)的無機磷與Olsen-P都呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。上述結(jié)果與本研究的結(jié)果不太一致，這可能是由于本研究區(qū)的特殊環(huán)境導(dǎo)致增施磷肥降低了Al-P的有效性。通徑分析結(jié)果可知，土壤磷形態(tài)對有效磷的直接影響大小順序為：Ca8-P>Ca2-P>MLOP>LOP>HROP> MROP> Fe-P>Al-P> O-P>Ca10-P，其中有效磷與Ca2-P的相關(guān)系數(shù)最大，說明它們的相關(guān)程度最高，表明Ca2-P是土壤有效磷中最有效的磷源。Ca10-P、O-P、Al-P、Fe-P、LOP、MLOP對有效磷具有負(fù)向直接效應(yīng)，但是其相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為正相關(guān)，這主要是受Ca2-P、Ca8-P、MROP、HROP的間接影響，表明這些磷組分通過影響其他形態(tài)的磷對有效磷產(chǎn)生間接作用。逐步回歸結(jié)果表明，Ca2-P是隴中黃土高原春小麥農(nóng)田土壤有效磷中的最有效磷源。謝林花[19]在石灰性潮土上的研究表明，土壤磷形態(tài)對有效磷的直接影響大小順序為：Ca2-P> Ca8-P> Al-P> O-P> Fe-P> LOP> HROP> MROP> MLOP> Ca10-P；逐步回歸結(jié)果表明，Ca2-P和Ca8-P是有效磷的主要磷源。這與本文的結(jié)果部分一致。O-P與有效磷呈極顯著正相關(guān)，但其直接影響為負(fù)值，它是通過Ca2-P、Ca8-P、MROP、HROP而對有效磷產(chǎn)生較大貢獻，這一點和李若楠等[11]的研究結(jié)果一致，其可能的作用機理與其余幾個形態(tài)的無機磷不一致，可能是由于黃土高原環(huán)境的特殊性，導(dǎo)致在某些還原條件下，其包被鐵膜被還原，致使O-P被活化釋放出磷素，可以被植物吸收利用[39]。

4 結(jié) 論

隴中黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)春小麥耕層土壤磷素主要以無機磷為主，其中無機磷中又以Ca10-P占比最高，有機磷中主要以MLOP為主。施磷可增加各磷組分的含量，本區(qū)土壤磷組分含量變化順序為Ca10-P>Ca8-P>MLOP>O-P>HROP>Fe-P>Al-P>Ca2-P>MROP>LOP。本研究區(qū)農(nóng)田耕層土壤磷組分除Al-P 與有效磷不相關(guān)外，其他形態(tài)的磷素與有效磷均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。通徑分析和逐步回歸結(jié)果表明，Ca2-P對有效磷的貢獻最大，表明Ca2-P是隴中黃土高原旱作春小麥耕層土壤最有效的磷源。長期施磷肥主要是通過提高Ca2-P、LOP、Ca8-P、Al-P、MLOP的比例，降低土壤中難溶性、作物難以利用的Fe-P、O-P、Ca10-P、MROP、HROP比例,從而增加了有效磷含量，進而提升了土壤的潛在供磷能力。