胡云峰，王擎運，屠人鳳，李霞，劉明學(xué)，李慶陽，樊劍波，趙懷燕

1.農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室/長江經(jīng)濟(jì)帶磷資源高效利用與水環(huán)境保護(hù)研究中心/安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008

紅壤廣泛分布于我國南方，具有很大的生產(chǎn)潛力，是我國糧食生產(chǎn)主要土地貯備之一［1］。由于紅壤風(fēng)化淋溶強烈，脫硅富鐵鋁化現(xiàn)象嚴(yán)重，對磷素的固定作用強，所以紅壤磷素匱乏是限制區(qū)域作物產(chǎn)量進(jìn)一步提高的主要因子［2］。根據(jù)我國第二次土壤調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，南方酸性土壤的全磷含量低于0.56 g/kg［3］，全磷含量低時有效磷供應(yīng)常常不足。

磷是土壤的大量元素，也是影響土壤肥力、作物產(chǎn)量的重要養(yǎng)分元素［4］，施用磷肥能顯著增加紅壤全磷和有效磷含量［5-6］。但磷肥利用率較低，僅為5%～20%［7］。研究發(fā)現(xiàn)，紅壤中化肥配施有機肥在磷素累積和有效性方面比單施化肥更有優(yōu)勢［8］。土壤磷活化系數(shù)（phosphorus activation coefficient，PAC）可以表征土壤磷素的活化能力，常年施用有機物料可以提高紅壤PAC［9］。不同磷肥用量下耕層土壤（0～20 cm）PAC 隨著施磷量的增加而增大，但20～40 cm 土壤PAC 變化并不規(guī)律［10］。土壤中的磷主要以有機態(tài)和無機態(tài)存在，有機磷按Bowman-Cole 法可分為活性有機磷（active organic phosphorus，AOP）、中等活性有機磷（moderately active organic phosphorus，MAOP）、中穩(wěn)性有機磷（moderately stable organic phosphorus，MSOP）和高穩(wěn)性有機磷（highly stable organic phosphorus，HSOP）4 種［11］。酸性土壤無機磷分級一般參考文獻(xiàn)［12］方法，可分為磷酸鋁鹽（Al-P）、磷酸鐵鹽（Fe-P）、閉蓄態(tài)磷酸鹽（O-P）和磷酸鈣鹽（Ca-P）4種形態(tài)。有機磷可以轉(zhuǎn)化為有效態(tài)磷，是土壤有效磷的主要來源之一［13］；無機磷是植物吸收磷素的主要形態(tài)，其有效性對土壤供磷能力有著重要作用［14］。研究［9，15］表明，施用有機物料可以顯著提高有機磷MAOP、MSOP組分及無機磷Al-P、Fe-P的含量，其含量與土壤有效磷呈顯著正相關(guān)。在紅壤中施用有機肥料時，磷以Ca-P 和Al-P 積累為主，施用無機磷肥時主要增加Al-P 含量，O-P 含量則相對穩(wěn)定［16］。趙海濤等［17］研究發(fā)現(xiàn)在紅壤中施用的磷首先轉(zhuǎn)化為Al-P 和Fe-P，然后Al-P 繼續(xù)向Fe-P轉(zhuǎn)化。在溫室栽培條件下，Al-P 和Fe-P 主要在耕層（0～20 cm）土壤累積，全磷、有效磷和無機磷含量隨土層深度的增加而急劇下降［18］。

磷肥合理施用是解決紅壤肥力較低的重要措施，但過量施肥不僅提高成本，還會增加土壤磷流失風(fēng)險，造成環(huán)境污染［19］。目前，大多數(shù)研究僅針對紅壤耕層，而對深層土壤研究較少，施肥量對土壤磷素的累積特征缺乏定量研究。本研究依托長期定位試驗，通過分析不同施肥方式下磷素在土壤中的含量變化，研究旱地紅壤耕層磷素形態(tài)差異及剖面累積特征，旨在為科學(xué)評價土壤磷的有效性、實現(xiàn)磷素高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

田間試驗設(shè)置于江西省鷹潭市余江縣中國科學(xué)院紅壤生態(tài)實驗站內(nèi)（東經(jīng)116°41′～117°09′，北緯28°04′～28°37′）。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫17.8 ℃，年均降雨量1 785 mm，蒸發(fā)量1 318 mm。地形為丘陵地貌，供試土壤為第四紀(jì)粘土發(fā)育而來的紅壤。

田間試驗設(shè)置5個不同施肥處理：氮磷鉀肥平衡施用（NPK）、氮磷鉀肥+花生秸稈（NPK+PS）、氮磷鉀肥+綠肥（鮮蘿卜菜）（NPK+FR）、氮磷鉀肥+腐熟豬糞（NPK+PM）、只施氮鉀肥（CK）。試驗設(shè)置3個重復(fù)，隨機排列，單個小區(qū)面積35 m2。肥料年用量見表1。各處理氮的施用量一致，有機物料占總投入量的30%（以N 計算）。試驗正式開始于1989年，1995 年以前采用花生/油菜輪作，后改為一季花生，冬季休耕處理。試驗前耕層土壤（0～20 cm）基本性質(zhì)為：有機質(zhì)（OM）6.4 g/kg，全氮（TN）0.34 g/kg，全鉀（TK）10.6 g/kg，全磷（TP）0.5 g/kg，堿解氮（AV-N）32.1 mg/kg，速效鉀（AV-K）46.7 mg/kg，速效磷（AV-P）3.9 mg/kg，pH為4.70。

表1 施肥處理及施用肥料量Table 1 Fertilization treatment and amount of fertilizer appliedkg/hm2

1.2 樣品采集

本研究土樣于2019年8月采集，每小區(qū)采用五點法取0～100 cm 土層土樣，樣品按0～20（0 cm≤土層≤20 cm）、20～40（20 cm＜土層≤40 cm）、40～60（40 cm＜土層≤60 cm）、60～100（60 cm＜土層≤100 cm）cm斷層處理，同一層土樣混勻按四分法去除多余樣品，剩余土樣剔除石塊、植物殘根等雜物，自然風(fēng)干，過孔徑2 mm篩備用。

1.3 測定方法

土壤基本理化性質(zhì)測定［12］：土壤pH測定采用電位法；土壤有機質(zhì)測定采用外加熱-重鉻酸鉀氧化法；堿解氮測定采用堿解擴散法；土壤有效磷測定采用鹽酸-氟化銨法；速效鉀測定采用乙酸銨提取法；全氮測定采用凱氏定氮法；土壤全磷測定采用堿熔融-鉬銻鈧比色法；土壤全鉀測定采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法。

參照Bowman等［20］方法，根據(jù)土壤有機磷在不同濃度酸堿溶液中的溶解性進(jìn)行有機磷組分測定。（1）活性有機磷：0.5 mol/L NaHCO3（pH 8.5）浸提。（2）中等活性有機磷：1.0 mol/L H2SO4和0.5 mol/L NaOH 浸提。（3）中穩(wěn)性有機磷，即富里酸態(tài)有機磷，為前述浸提液不能被酸所沉淀的部分。（4）高穩(wěn)性有機磷，即胡敏酸結(jié)合態(tài)有機磷，為前述浸提液被酸所沉淀的部分。

參照Chang 等［12］方法，將無機磷分為磷酸鋁鹽（Al-P）、磷酸鐵鹽（Fe-P）、閉蓄態(tài)磷酸鹽（O-P）和磷酸鈣鹽（Ca-P）。具體步驟如下：稱1.00 g風(fēng)干土樣于離心管中，加入50 mL 1.0 mol/L NH4Cl震蕩離心棄去上清液后再次加入0.5 mol/L NH4F，室溫震蕩1 h，提取上清液用于測定Al-P；殘留土壤采用飽和NaCl溶液清洗2 次，加入0.1 mol/L NaOH 浸提，并用于Fe-P測定；上述殘留土壤再次采用NaCl溶液洗2 次，加入0.3 mol/L 檸檬酸鈉和1.0 g 連二亞硫酸鈉進(jìn)行水浴（80～90 ℃），攪拌后加入0.5 mol/L NaOH，離心后將上清液加入三酸（硫酸、高氯酸、硝酸）混合液消煮，測定O-P；最后土樣采用0.5 mol/L H2SO4浸提，可測定Ca-P。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤磷活化系數(shù)（phosphorus activation coefficient，PAC）=土壤有效磷/全磷×100%［10］。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 20.0 軟件，繪圖采用Origin 2018軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥處理耕層土壤肥力特征

經(jīng)過長期不同施肥處理，土壤養(yǎng)分含量有明顯變化。土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、堿解氮和有效磷含量總體呈現(xiàn)NPK+PM＞NPK+FR≈NPK+PS≈NPK＞CK。其中，NPK、NPK+PS、NPK+FR處理間的差異較小，顯著高于CK 處理，低于NPK+PM 處理。NPK、NPK+PS、NPK+FR 處理pH 值在5.10～5.20，而NPK+PM處理pH值則為5.54，與對照相比高0.89。對照處理土壤有機質(zhì)含量為16.16 g/kg，與試驗前土壤相比提升了152.5%。NPK、NPK+PS、NPK+FR和NPK+PM處理有機質(zhì)積累量與CK相比分別提升了21.91%、30.75%、31.93%和52.54%。各處理堿解氮在對應(yīng)處理全氮中占比為11.52%～14.64%。NPK、NPK+PS、NPK+FR和NPK+PM處理土壤氮素含量與CK 相比分別提高了24.39%、39.02%、56.10%、97.56%（全氮）和56.12%、70.75%、73.18%、95.13%（堿解氮）。由此可見，在NPK+PM處理下全氮與堿解氮積累特征差異不大，但在其余肥料處理下，尤其NPK+PS、NPK+FR處理有促進(jìn)堿解氮積累的趨勢。鉀素積累特征明顯不同，全鉀含量除NPK+FR處理比CK提高了40.25%，其余處理全鉀變化較CK均不顯著。速效鉀含量占全鉀的1%～3%，有效性較低。在不同肥料尤其綠肥處理土壤速效鉀含量得到明顯改善（表2）。

表2 不同施肥處理下0～20 cm耕層紅壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of 0-20 cm surface red soil under different fertilization treatments

對照處理與試驗前土壤相比有效磷含量變化不大，全磷下降接近50%。在NPK、NPK+PS、NPK+FR處理下土壤全磷含量較為穩(wěn)定，但明顯提高了速效磷的含量。NPK+PM 處理對土壤磷素的影響最為顯著，與CK處理相比全磷積累量提升約336%，而有效磷積累量提升高達(dá)105倍。無機磷肥施用量接近的情況下，豬糞的施用顯著改變了土壤中磷的含量及其有效性。

2.2 長期不同施肥處理土壤剖面磷積累特征

圖1A顯示CK處理土壤各剖面中全磷含量變化不大，但在不同施肥處理下磷素出現(xiàn)不同程度積累，尤其NPK+PM處理出現(xiàn)明顯積累，且以耕層積累為主。隨著土壤深度的增加，全磷含量急劇下降。土壤深度從0～20 cm到20～40 cm全磷含量變化最快，NPK、NPK+PS、NPK+FR 和NPK+PM 處理全磷含量分別下降了29.85%、23.86%、28.04%和50.09%。40～60 cm土層中，NPK+PM 處理全磷含量依然顯著高于其他各處理，但60～100 cm處各處理全磷含量基本一致，無明顯差異。

土壤剖面有效磷含量（圖1B）變化趨勢總體與全磷較為一致，但變化趨勢更為明顯。在不同施肥處理下20～40 cm土壤有效磷含量與0～20 cm相比分別下降了88.08%（NPK）、89.13%（NPK+PS）、90.45%（NPK+FR）和87.35%（NPK+PM）。即使在不施磷肥處理下土壤有效磷含量依然下降了44.42%（CK）。值得注意的是，NPK+PM處理土壤剖面中有效磷保持了相對較高含量。盡管氮磷鉀配合豬糞處理對底層（60～100 cm）土壤全磷含量影響不大，但有效磷含量依然高于其余處理。

圖1 不同施肥處理下各土層全磷（A）和有效磷（B）含量Fig.1 Contents of total phosphorus（A）and available phosphorus（B）in soil layers under different fertilization treatments

長期不施磷肥處理下耕層土壤磷的活化系數(shù)較低，僅有1.62%（圖2）。不同施肥處理（NPK、NPK+PS、NPK+FR）可將土壤磷的活化系數(shù)提高至6%～10%，NPK+PM 處理下耕層土壤磷的活化系數(shù)高達(dá)38.91%。土壤剖面磷活化系數(shù)變化情況與磷含量變化特征基本相同。20 cm 以下，NPK、NPK+PS 和NPK+FR 處理土壤磷的活化系數(shù)均降低在2.0%以下。NPK+PM 處理土壤剖面磷的活化系數(shù)同樣有明顯下降趨勢，在犁底層（20～40 cm）磷的活化系數(shù)約10%，明顯高于其余處理（＜2%），在深層（＞40 cm）土壤中磷的活化系數(shù)為2%～3%，略高于其余處理。

圖2 不同施肥處理對各土層PAC影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on PAC in soil layers

2.3 長期不同施肥處理對紅壤旱地?zé)o機磷形態(tài)的影響

CK 處理整個土壤剖面中無機磷形態(tài)分布特征較為一致。各剖面Al-P 平均含量為11.88 mg/kg，占無機磷總量的6.56%。其余形態(tài)平均含量分別占全量的14.91%（Fe-P）、66.27%（O-P）和12.26%（Ca-P）。長期不施磷肥處理下，土壤無機磷主要以O(shè)-P 的形式存在。肥料施用可以改變耕層（0～20 cm）土壤磷的形態(tài)，尤其低肥處理下的豬糞施用最為顯著。NPK、NPK+PS、NPK+FR 處理之間不同形態(tài)磷含量差異較小，明顯高于CK 處理，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于NPK+PM 處理。表3 同樣顯示在不同施肥處理下Al-P、Fe-P 的百分含量隨著其絕對含量的增加而明顯提高，但O-P 和Ca-P 則呈現(xiàn)相反的規(guī)律。外源性磷易于以Al-P 和Fe-P 形式積累。NPK+PM 與CK處理相比，Al-P、Fe-P 絕對含量分別提高了16.74、7.18 倍，比例分別上升至27.58%、37.35%；O-P、Ca-P 絕對含量分別提高了0.66、1.86 倍，但比例下降到26.61%、8.46%。在NPK+PM 處理下O-P 比例下降高達(dá)37.93%（表3）。

表3 不同施肥處理下各土層紅壤無機磷形態(tài)含量Table 3 Inoganic phosphorus form and content of red soil in soil layers under different fertilization treatments

土壤剖面不同形態(tài)磷絕對含量的變化趨勢與全磷和有效磷的變化規(guī)律一致。20～40 cm 土層不同形態(tài)磷的絕對含量均顯著下降，尤其Al-P、Fe-P表現(xiàn)的最為明顯。深層（＞20 cm）土壤中NPK、NPK+PS、NPK+FR 處理間的差異較小，Al-P、Fe-P 絕對含量略高于CK，并隨著土層深度的增加而減少；O-P、Ca-P 絕對含量與CK 相比則無明顯差異。NPK+PM 處理在深層土壤中不同形態(tài)磷絕對含量同樣有明顯下降特征，但高于其余處理。其中，40 cm 以下土層各處理間的O-P 和Ca-P 絕對含量差異不明顯，但Al-P、Fe-P，尤其Fe-P 在NPK+PM 處理的底層（60～100 cm）土壤中含量依然明顯高于其余處理。深層土壤中不同形態(tài)磷的比例變化規(guī)律明顯不同于耕層土壤。在不同施肥處理下，Al-P、Fe-P 百分含量呈現(xiàn)明顯下降趨勢，O-P、Ca-P 比例則隨著土層深度的增加明顯提高。Al-P、Fe-P 和O-P 變化較大，Ca-P 比例相對較低，且變化較小。在底層（60～100 cm）土壤中各處理間的差異不明顯，僅NPK+PM處理下Fe-P的比例顯著高于其余處理。

2.4 長期不同施肥處理對紅壤旱地有機磷形態(tài)的影響

圖3 顯示土壤中有機磷組分含量由高到低總體表現(xiàn)為MAOP＞MSOP＞HSOP＞AOP。單施氮鉀肥（CK）的耕層（0～20 cm）土壤AOP、MAOP、MSOP 和HSOP 含量分別為10.71、104.08、100.03 和9.91 mg/kg。其余處理與CK 相比，MAOP 和HSOP含量均有不同程度的提高，而AOP 含量顯著下降；NPK+PM 處理MAOP 和MSOP 含量提升最為顯著，分別提高了196.15%和22.20%。隨著土壤深度的增加，有機磷各組分呈現(xiàn)下降趨勢，以MAOP、MSOP 最為顯著。0～20 cm 土層，各施磷肥處理仍對有機磷組分有較大影響；40 cm 以下土層除豬糞處理外，其余處理對有機磷組分含量沒有明顯影響。

圖3 不同施肥處理下各土層有機磷組分含量Fig.3 Content of organic phosphorus components in soil layers under different fertilization treatments

2.5 不同磷組分與土壤全磷、有效磷的相關(guān)性分析

將不同磷組分與土壤全磷及有效磷含量分別進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)不同磷組分與土壤全磷及有效磷含量呈線性相關(guān)。土壤有機磷含量與有效磷呈顯著相關(guān)，無機磷含量與全磷及有效磷均呈顯著相關(guān)。有機磷中AOP 和HSOP 與土壤全磷含量具有相關(guān)性，MAOP 與有效磷相關(guān)性顯著。無機磷中Al-P 與全磷含量呈極顯著相關(guān)、與有效磷含量顯著相關(guān)，F(xiàn)e-P則與全磷呈顯著相關(guān)、與有效磷呈極顯著相關(guān)，O-P和Ca-P與全磷及有效磷含量均不顯著（表4）。

表4 不同磷組分與全磷及有效磷關(guān)系的回歸方程Table 4 Regression equation for the relationship between phosphorus fractions and total phosphorus and available phosphorus

3 討 論

紅壤中的磷易于固定、活性較低，導(dǎo)致肥力較低［21］，是限制紅壤生產(chǎn)力的重要因素。本研究發(fā)現(xiàn)長期不施磷肥處理耕層及耕層以下土壤磷含量分布特征較為一致。土壤中全磷的含量約為0.28 g/kg，但有效磷的含量不足5.00 mg/kg，磷的活化系數(shù)不足2.5%。長期施用無機磷肥土壤中磷素的活化系數(shù)也不超過8%。土壤磷素活化系數(shù)（PAC）可以表征土壤全磷與有效磷之間的轉(zhuǎn)化難易程度。當(dāng)土壤PAC越高時，有效磷所占土壤全磷的比例越大，磷素的有效性也就越高。當(dāng)PAC小于2.0%時，表明總磷不易轉(zhuǎn)化為有效磷［22］。由于化肥的大量投入易于造成土壤酸化、板結(jié)，帶來土壤屬性障礙因子的進(jìn)一步加劇，紅壤區(qū)域通常適當(dāng)降低化肥施用，增加有機物料的投入。外源性有機物料輸入對土壤磷的影響與物料腐化狀態(tài)有關(guān)［23］。綠肥與秸稈通常易于腐化，而腐熟豬糞中含有的大量腐熟質(zhì)及可溶性有機碳對磷的活化有較大促進(jìn)作用［24］。本試驗發(fā)現(xiàn)花生秸稈和綠肥對土壤磷累積的影響與長期化肥的投入相比差異不顯著，但有提高土壤磷活化度的趨勢。以豬糞為主的養(yǎng)殖廢棄物的投入則造成土壤磷的大量積累，并顯著提高了磷的活化度，高達(dá)38.91%。因此，長期有機、無機肥配施可以增加土壤磷素含量累積，促進(jìn)全磷向有效磷轉(zhuǎn)化，提高土壤PAC。其中NPK+PM處理效果最明顯，顯著高于NPK處理。

長期施用無機肥主要提升土壤無機磷，有機肥主要提升有機磷［25］。相關(guān)分析表明，土壤有機磷與有效磷含量呈顯著相關(guān)，土壤無機磷與全磷及有效磷含量均呈顯著相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，70%化肥和不同有機物料配施，與單施NPK 處理相比，NPK+PS、NPK+FR 處理土壤無機磷和有機磷含量沒有明顯提高。無機磷形態(tài)中，所有施磷肥處理Al-P、Fe-P均顯著提升，NPK+PM 處理對Al-P、Fe-P 含量變化最為顯著。外源性磷更易于形成Fe-P 和Al-P，F(xiàn)e-P 積累明顯高于Al-P，Al-P、Fe-P 與有效磷分別呈顯著、極顯著相關(guān)，構(gòu)成了土壤有效磷的主要來源。有機與無機化肥的配施更易于提高磷的有效性，尤其畜禽養(yǎng)殖廢棄物的大量施用顯著提高了土壤磷的有效性。O-P 也是土壤磷的主要形態(tài)，但性質(zhì)穩(wěn)定，只有在大量外源性磷輸入的情況下才有可能發(fā)生較為明顯的積累；酸性土壤鈣鎂等堿基陽離子的含量較低，制約了Ca-P 的蓄存能力［26-27］。在不同施肥處理中，紅壤有機磷組分中MAOP比例最高，其次為MSOP，再次為HSOP，AOP 最低。通過有機磷組分與有效磷相關(guān)性分析得出：有機磷組分中MAOP 與有效磷顯著相關(guān)，說明旱地紅壤中等活性有機磷與土壤有效磷含量密切相關(guān)，是土壤有效磷的主要來源。

研究結(jié)果表明，紅壤中的磷素總體較為穩(wěn)定，遷移能力較弱。盡管秸稈還田、綠肥的種植活化了土壤中的磷素，但影響主要集中于耕層。耕層以下土壤磷含量及其形態(tài)與不施磷肥的對照處理相比，沒有太大差異［28］。值得注意的是腐熟豬糞大量施用對土壤剖面磷積累及其形態(tài)變化有較大影響。盡管在20～40 cm 土層中全磷、有效磷含量急劇下降，但依然維持了相對較高的活化度，即使在底層（60～100 cm）中有效磷仍有相對較高的含量。腐熟豬糞施用下，磷素在土壤剖面有明顯的遷移特征。這是由于腐熟豬糞含有大量的有機質(zhì)，有機質(zhì)富含的磷元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土壤對磷的最大吸附量，使得磷元素順著土壤孔隙進(jìn)一步向下層遷移［29］；同時腐熟豬糞中含有大量土壤微生物，土壤微生物可以將不溶性磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷，增大磷素向土壤深層的遷移能力［30］。本研究發(fā)現(xiàn)，NPK+PM 處理下土壤剖面中Fe-P、Al-P，尤其Fe-P 變化特征與有效磷的變化較為一致，這也與上文中外源性磷更易于形成Fe-P 的結(jié)果一致。綜上，NPK、NPK+PS 和NPK+FR 處理活化了土壤中的磷素，但影響主要集中于耕層。NPK+PM 處理對土壤剖面磷積累有較大影響。