Based on a long-term fertilization experiment in Guizhou Province, we explored the relationships between the soil available phosphorus (Olsen-P), soil apparent P balance and P application rate in order to quantify the best application rate of P fertilizer in yellow upland soil of southwestern China. Moreover, the response curve of crop yield to soil Olsen-P was fitted by Mitscherlich equation to determine the critical content of Olsen-P for crop yield. The results showed that the long-term application of P fertilizer could significantly increase the content of soil Olsen-P, and the increasing rates of Olsen-P across different treatments could be mainly explained by the application rate of P fertilizer. Under no-P treatment, the soil P content was in a deficient state for each year, while it displayed a surplus state in the treatments with P fertilizer, and the crop P uptake and P accumulation were found the highest under MNPK treatment. In contrast to single application of chemical fertilizer treatment (NPK), the combined application of organic fertilizer and chemical fertilizer (1/4 M+3/4 NPK, 1/2 M+1/2 NPK) could enhance crop P uptake and improve accumulative P use efficiency. The soil apparent P balance was significantly (P<0.05) correlated with soil OlsenP. With average P accumulation of 100 kg·hm-2, the soil OlsenP increased by 16.4, 13.0 , 21.4 , and 5.6 mg·kg-1 in the treatments of MNPK, 1/4 M+3/4 NPK, 1/2 M+1/2 NPK, and NPK, respectively. The result showed that combined application of organic fertilizer and chemical fertilizer could effectively increase the soil OlsenP content, and the critical value of soil OlsenP was 22.4 mg·kg-1 in yellow upland soil of southwestern China. The soil P balance and OlsenP content were significantly (P<0.01) correlated with the annual P application rate. When the amount of average P application was 33.3 kg P·hm-2·a-1, the budgets of soil P balance remained stable, and the application rate of P fertilizer corresponding to the critical value of soil Olsen-P for crop yield was 45.9 kg P·hm-2·a-1. The content of soil Oslen P was mainly affected by the P fertilizer input amount. When the average P application rate was 45.9 kg P·hm-2·a-1, higher crop yield and P fertilizer efficiency would be achieved. When the average P application rate was greater than 45.9 kg P·hm-2·a-1, crop yield showed no response to P fertilizer input, but resulted in a large amount of P surplus in soil, thereby increasing the environmental risk of soil P loss. The long-term application of manure resulted in a higher increase of Olsen-P than the single chemical P ferti-lizer.
全 文 :长期施肥条件下西南黄壤旱地
有效磷对磷盈亏的响应
李 渝1,2 刘彦伶1,2 张雅蓉1,2 申 艳3 张文安1,2 蒋太明2,4∗
( 1贵州省农业资源与环境研究所, 贵阳 550006; 2农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站, 贵阳 550006; 3中国农业
科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081; 4贵州省农业科学院, 贵阳 550006)
摘 要 以贵州黄壤肥力与肥效长期定位试验为平台,探究有效磷(Olsen⁃P)与土壤累积磷
盈亏、磷肥用量的关系,确定西南黄壤旱地最佳磷肥施肥量,通过 Mitscherlich 方程模拟作物
相对产量对土壤 Olsen⁃P 的响应关系,明确西南黄壤旱地的农学阈值.结果表明: 施用磷肥可
显著提高土壤 Olsen⁃P 含量,不同施磷处理间提升幅度主要与磷肥施用量有关;不施磷处理土
壤磷素一直处于亏缺状态,施磷处理土壤磷素有盈余,其中全量有机肥配施全量化肥处理
(MNPK)作物吸磷量和磷素盈余量最高,同等施磷水平下,与单施化肥处理(NPK)相比,有机
肥配施化肥处理(1 / 4 M +3 / 4 NPK、1 / 2 M +1 / 2 NPK)更能促进作物对磷素的吸收,提高磷素
累积利用率.土壤累积磷盈亏与土壤 Olsen⁃P 增量呈显著直线相关关系(P<0.05),土壤中磷素
每盈余 100 kg·hm-2,MNPK、1 / 4 M +3 / 4 NPK、1 / 2 M +1 / 2 NPK、NPK处理 Olsen⁃P 分别增加
16.4、13.0、21.4、5.6 mg·kg-1,有机肥与化肥配施能有效增加土壤 Olsen⁃P 含量.西南黄壤旱地
Olsen⁃P 的农学阈值为 22.4 mg·kg-1;土壤每年磷盈亏和 Olsen⁃P 含量与磷肥施用量呈极显著
正相关关系(P<0.01),磷肥用量(纯 P)为每年 33.3 kg·hm-2时,土壤磷盈亏呈持平状态,
Olsen⁃P农学阈值对应的施肥量(纯 P)为每年 45.9 kg·hm-2 .西南黄壤旱地 Olsen⁃P 含量主要
与施磷水平有关,当年施磷量为 45.9 kg·hm-2时可获得最佳的作物产量,磷肥利用率高;当年
施磷量高于 45.9 kg·hm-2时,作物产量对磷肥用量无响应,大量磷素累积在土壤中,增加了磷
素的环境流失风险.西南黄壤旱地长期施用有机肥处理单位累积磷盈余量提升土壤 Olsen⁃P
的速率大于单施化学磷肥处理.
关键词 长期施肥; 有效磷; 磷盈亏; 农学阈值
本文由公益性行业(农业)科研专项( 201203030)、贵州省农业科学院自主创新专项( 2014007)和贵州省科技计划项目( NY[2012] 3082,
[2013]4002)资助 This work was supported by the Public Welfare Industry (Agriculture) Research Project (201203030), the Independent Innovation
Project of Guizhou Provincial Academy of Agricultural Sciences (2014007), and the Science and Technology Project of Guizhou Province (NY, [2012]
3082, [2013]4002).
2015⁃12⁃29 Received, 2016⁃04⁃27 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: jtm532@ 163.com
Response of Olsen⁃P to P balance in yellow soil upland of southwestern China under long⁃
term fertilization. LI Yu1,2, LIU Yan⁃ling1,2, ZHANG Ya⁃rong1,2, SHEN Yan3, ZHANG Wen⁃
an1,2, JIANG Tai⁃ming2,4∗ ( 1Guizhou Institute of Agricultural Resources and Environment, Guiyang
550006, China; 2Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation and Ag⁃
riculture Environment (Guizhou), Ministry of Agriculture, Guiyang 550006, China; 3Institute of
Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing
100081, China; 4Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006, China) .
Abstract: Based on a long⁃term fertilization experiment in Guizhou Province, we explored the rela⁃
tionships between the soil available phosphorus (Olsen⁃P), soil apparent P balance and P applica⁃
tion rate in order to quantify the best application rate of P fertilizer in yellow upland soil of south⁃
western China. Moreover, the response curve of crop yield to soil Olsen⁃P was fitted by Mitscherlich
equation to determine the critical content of Olsen⁃P for crop yield. The results showed that the long⁃
term application of P fertilizer could significantly increase the content of soil Olsen⁃P, and the in⁃
应 用 生 态 学 报 2016年 7月 第 27卷 第 7期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2016, 27(7): 2321-2328 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201607.032
creasing rates of Olsen⁃P across different treatments could be mainly explained by the application
rate of P fertilizer. Under no⁃P treatment, the soil P content was in a deficient state for each year,
while it displayed a surplus state in the treatments with P fertilizer, and the crop P uptake and P
accumulation were found the highest under MNPK treatment. In contrast to single application of
chemical fertilizer treatment (NPK), the combined application of organic fertilizer and chemical
fertilizer (1 / 4 M+3 / 4 NPK, 1 / 2 M+1 / 2 NPK) could enhance crop P uptake and improve accu⁃
mulative P use efficiency. The soil apparent P balance was significantly (P<0.05) correlated with
soil Olsen⁃P. With average P accumulation of 100 kg·hm-2, the soil Olsen⁃P increased by 16.4,
13.0 , 21.4 , and 5.6 mg·kg-1 in the treatments of MNPK, 1 / 4 M+3 / 4 NPK, 1 / 2 M+1 / 2 NPK,
and NPK, respectively. The result showed that combined application of organic fertilizer and chemi⁃
cal fertilizer could effectively increase the soil Olsen⁃P content, and the critical value of soil Olsen⁃
P was 22.4 mg·kg-1 in yellow upland soil of southwestern China. The soil P balance and Olsen⁃P
content were significantly (P < 0. 01) correlated with the annual P application rate. When the
amount of average P application was 33.3 kg P·hm-2·a-1, the budgets of soil P balance remained
stable, and the application rate of P fertilizer corresponding to the critical value of soil Olsen⁃P for
crop yield was 45.9 kg P·hm-2·a-1 . The content of soil Oslen P was mainly affected by the P fer⁃
tilizer input amount. When the average P application rate was 45.9 kg P·hm-2·a-1, higher crop
yield and P fertilizer efficiency would be achieved. When the average P application rate was greater
than 45.9 kg P·hm-2·a-1, crop yield showed no response to P fertilizer input, but resulted in a
large amount of P surplus in soil, thereby increasing the environmental risk of soil P loss. The long⁃
term application of manure resulted in a higher increase of Olsen⁃P than the single chemical P ferti⁃
lizer.
Key words: long⁃term fertilization; Olsen⁃P; P balance; critical Olsen⁃P value for crop yield.
农业生产中磷肥当季利用率低(一般在 10% ~
25%) [1],磷素投入远高于作物需要,导致磷素大量
盈余[2-5],既造成磷肥资源浪费又成为潜在的环境
污染源[6-9] .因而如何合理施肥,适当控制施肥量等
问题,成为研究者关注的热点.土壤有效磷作为土壤
磷储库中对作物最为有效的部分,是确定磷肥用量
和农业磷环境风险评价的重要指标.农田土壤有效
磷含量的变化很大程度上取决于磷盈亏的状况,因
此量化土壤磷盈亏与有效磷的关系,对农田磷素管
理具有重要意义.大量研究表明,土壤磷平衡的盈亏
值与有效磷测定值或其变化量呈显著线性相关,不
同类型土壤、不同施肥方式下土壤有效磷对磷盈亏
的响应关系有明显的差异, 土壤每盈余 100
kg·hm-2,有效磷增加 0. 3 ~ 22. 0 mg · kg-1 不
等[10-14] .生产实践中,作物产量对土壤肥力的响应
有一定的农学阈值(临界值),其中作物产量对土壤
有效磷响应阈值更为明显[15] .土壤有效磷农学阈值
是评价施肥合理性的重要指标.近年来国内外学者
在此方面做了大量的研究,沈浦[16]对我国 13 个长
期定位试验土壤有效磷农学阈值进行分析,发现玉
米农学阈值在乌鲁木齐灰漠土中为 5.5 mg·kg-1,
在公主岭中层黑土中为 13.0 mg·kg-1,在郑州和徐
州潮土中分别为 8.7 和 14.8 mg·kg-1,在平凉黑垆
土中为 15.2 mg·kg-1 .可见,不同作物、土壤类型和
气候的差异可以影响有效磷农学阈值[16-23] .黄壤作
为我国西南地区典型的地带性土壤,集中分布在贵
州、四川、重庆等地.其中,以贵州分布最为广泛,全
国 25.3%的黄壤集中分布在贵州,其面积分别占贵
州国土面积和土壤面积的 41.9%和 46.4%,是贵州
主要的农业土壤类型,在贵州乃至全国农业生产中
发挥着重要的作用.但对该地区黄壤磷盈亏和有效
磷农学阈值方面的研究报道甚少,已有的相关研究
大多从磷肥施用的环境风险来考虑[24-26],很少从施
磷量对作物产量和施磷对生态环境的影响两个方面
来综合确定磷肥合理投入量.因此,本研究通过分析
贵州黄壤长期不同施肥条件下,土壤有效磷和磷盈
亏的关系及土壤有效磷的农学阈值,明确长期不同
施肥条件下西南黄壤磷素的演变过程及土壤磷素供
应状况,提出合理施磷量,可为西南地区农田养分的
合理管理提供科学依据.
1 研究地区与研究方法
1 1 试验地概况
黄壤肥力与肥效长期试验点位于贵州省贵阳市
花溪区贵州省农业科学院院内 ( 26° 11′ N,
106°07′ E),地处黔中黄壤丘陵区,平均海拔 1071
2232 应 用 生 态 学 报 27卷
m,年平均气温 15.3 ℃,年平均日照时数 1354 h,相
对湿度 75.5%,年均无霜期 270 d,年降雨量 1100 ~
1200 mm.土壤类型为黄壤,成土母质为三叠系灰岩
与砂页岩风化物.长期试验始于 1995 年,设置 10 个
处理:1)不施肥(CK);2)常量有机肥(M);3)常量
氮磷钾肥(NPK);4)减 3 / 4 有机肥+减 1 / 4 氮磷钾
肥(1 / 4 M +3 / 4 NPK);5)减 1 / 2 有机肥+减 1 / 2 氮
磷钾肥(1 / 2 M +1 / 2 NPK);6)常量有机肥+常量氮
磷钾肥(MNPK);7)偏施氮钾肥(NK);8)偏施氮肥
(N);9)偏施氮磷肥(NP);10)偏施磷钾肥(PK).采
用大区对比试验,每个处理面积 340 m2 .
试验用氮肥为尿素(含 N 46%),磷肥为普钙
(含 P 2O5 16%),钾肥为氯化钾(含 K2O 60%).常规
用量为每年施 N 330.0 kg·hm-2、P 2O5 165 kg·hm
-2
(纯 P 72.1 kg·hm-2)、K2O 165 kg·hm
-2,所施用有
机肥为牛厩肥(多年平均养分含量为 N 2.7 g·kg-1、
P 2O5 1.3 g·kg
-1、K2O 6 g·kg
-1),每年按照有机肥
养分含量来调节化学氮肥施用量,除 MNPK 处理氮
肥施用量不同外,其余施氮小区的氮素施用量相同.
种植制度为一年一季玉米,在玉米播种前按处理分
别施用氮磷钾肥或配施有机肥作基肥,各处理在玉
米生长期中追施 2次尿素.种植玉米品种为:交 3 单
交(1995—1998 年)、黔单 10 号 (1999—2000 年、
2002—2003 年)、农大 108 ( 2001 年)、黔玉 2 号
(2004—2005 年)、黔单 16 号 ( 2006—2013 年).
1995—2013年各处理年均肥料投入量见表 1.
1 2 样品采集与分析
监测点长期对玉米产量、施肥水平和土壤养分
状况等进行定点调查、动态监测记载与分析测试等.
对作物产量的调查是通过对处理区的每季作物分别
进行籽粒和秸秆产量的测定与记载.玉米籽粒和秸
秆的含磷量通过文献参考和近几年实际分析测试结
果相结合进行估算[19] .在每年度玉米收获后采集土
壤样品,采集方法按照随机(每一个采样点是任意
决定的,一般按照“S” 形或梅花形布点采样)、等量
(每一点采集土壤量一致)和多点混合(将监测田块
内采集的 15个点的土样混合,以提高代表性)的原
则进行.由于历史原因,1997—2005年的土壤样品未
采集,本研究分析了 1994(匀地试验)、1995、1996、
2006—2013 年共 10 年的土壤 Olsen⁃P 和 1995—
2013年的植物样品全磷,分别采用 0. 5 mol·L-1
NaHCO3浸提⁃钼锑抗比色法和 H2SO4⁃H2O2消煮⁃钼
锑抗比色法进行测定.
1 3 计算公式
土壤中有效磷的增量(ΔOlsen⁃P)按照下式计
算:
ΔOlsen⁃P=P i-P0
式中:P i表示第 i年土壤有效磷(mg·kg
-1);P0表示
有效磷初始值(mg·kg-1).
作物吸磷量及土壤⁃作物系统磷盈亏值按照以
下公式计算:
作物吸磷量(kg·hm-2)=籽粒产量(kg·hm-2)
×籽粒含磷量(%)+秸秆产量(kg·hm-2)×秸秆含磷
量(%)
土壤每年表观磷素盈亏(kg·hm-2)=每年施入
土壤磷肥量(kg·hm-2) -每年作物(籽粒+秸秆)吸
收的磷素总量(kg·hm-2)
土壤累积磷盈亏(kg·hm-2)= ∑[土壤表观磷
盈亏(kg·hm-2)]
磷素的累积利用率 = [施磷肥区作物累积吸磷
量 ( kg · hm-2 ) - 对 照 区 作 物 累 积 吸 磷 量
(kg·hm-2)] /施磷区磷肥投入量 ( kg · hm-2 ) ×
100%
玉米农学阈值的计算方法:
表 1 试验处理与施肥量
Table 1 Treatments and application rates of fertilizers (kg·hm-2)
处理
Treatment
化肥 Fertilizer
N P K2O
有机肥 Manure
N P K2O
总量 Total amount
N P K2O
CK 0 0 0 0 0 0 0 0 0
M 0 0 0 330.0 69.4 733.3 330.0 69.4 733.3
NPK 330.0 72.1 165.0 0 0 0.0 330.0 72.1 165.0
1 / 4M+3 / 4NPK 247.5 54.0 123.8 82.5 17.4 183.4 330.0 71.4 307.2
1 / 2M+1 / 2NPK 165.0 36.0 82.5 165.0 34.7 366.7 330.0 70.7 449.2
MNPK 330.0 72.1 165.0 330.0 69.4 733.3 660.0 141.4 898.3
NK 330.0 0 165.0 0 0 0 330.0 0 165.0
N 330.0 0 0 0 0 0 330.0 0 0
NP 330.0 72 0 0 0 0 330.0 72.1 0
PK 0 72.1 165.0 0 0 0 0 72.1 165.0
32327期 李 渝等: 长期施肥条件下西南黄壤旱地有效磷对磷盈亏的响应
Yr =Yi / Ym× 100
式中:Yr(%)为籽粒的相对产量;Yi为每年各处理的
籽粒产量(kg·hm-2);Ym为每年各处理的最大籽粒
产量(kg·hm-2).
作物相对产量对土壤有效磷的响应关系通过
Mitscherlich方程[22]模拟,公式如下:
Y=A × [1-exp (-bx)]
式中:Y是预测的相对产量(%);A 是最大的相对产
量(%);b是产量对土壤有效磷的响应系数.由方程
模拟出的相对产量为最大值的 90%时,土壤有效磷
含量为农学阈值.
1 4 数据处理
数据的统计与分析采用 Excel 2007、SigmaPlot
10.0和 Statistic 5.5软件进行,处理间差异性采用最
小显著检验法(LSD)检验.
2 结果与分析
2 1 长期施肥对土壤有效磷含量的影响
通过选取长期定位试验 5 个典型处理(CK、M、
MNPK、NPK、NP)研究长期施肥条件下土壤 Olsen⁃P
演变特征(图 1),结果表明,CK 处理土壤 Olsen⁃P
含量在试验初期呈下降趋势,但从 2006年开始其含
量基本保持稳定.施磷处理土壤 Olsen⁃P 均呈上升趋
势,但不同处理年际变化不一致,在磷肥用量基本一
致(纯 P 69.4~72.1 kg·hm-2)的条件下,NP 和 NPK
处理 2010年后基本保持稳定.施用有机肥处理中,
单施有机肥处理(M)甚至在试验初期出现下降趋
势,但 2006年后土壤 Olsen⁃P 呈逐年上升趋势.
所有试验处理在连续种植作物 19 年后,CK、
NK、N 3个不施磷处理 2011—2013 年 Olsen⁃P 平均
值显著低于其他各施磷处理,比试验初始值下降
5.3~7.7 mg·kg-1,降幅为31.4% ~ 45.6%,其中以
图 1 长期施肥条件下黄壤有效磷含量
Fig.1 Olsen⁃P content in yellow soil under long⁃term fertiliza⁃
tion (1995-2013).
NK处理降幅最大;在磷肥用量基本一致的条件下,
2011—2013年 Olsen⁃P 平均值除 PK 处理较高外,
其他施磷处理无显著差异,增幅在 88.8% ~112.8%,
其中,1 / 2M + 1 / 2NPK 处理增幅最大;高施磷处理
(MNPK) Olsen⁃P 增加 63. 0 mg· kg-1,增幅高达
371.2%(表 2).以上结果说明,不同施肥处理对土壤
Olsen⁃P 提升幅度的影响主要与磷肥用量有关.
2 2 长期施肥对土壤磷平衡的影响
不同处理玉米累积吸磷量不同,以 CK 处理最
低,为 347.9 kg·hm-2;MNPK 处理最高,为 1328.1
kg·hm-2,比 CK提高 282%.在磷肥用量基本一致的
条件下,1 / 4M+3 / 4NPK和 1 / 2M+1 / 2NPK处理玉米
累积吸磷量分别比 NPK 处理提高 33.9%和 38.4%,
分别比 M处理提高 37.3%和 41.9%(表 3).单施化
肥处理中 NPK配施能提高玉米的吸磷量,但与偏施
化肥处理中的施氮处理差异不显著.
不施磷处理(CK、N、NK)作物吸收的磷素源自
土壤本身,一直处于亏缺状态,其他施磷处理每年磷
素均有盈余(图 2).在同等施磷水平下,NP 和 PK处
理累积磷盈余量最高,分别比 NPK处理高 26.1%和
25.5%,NPK和 M 处理无明显差异,NPK 处理比有
机肥配施化肥的 1 / 4M+3 / 4NPK 和 1 / 2M+1 / 2NPK
处理分别高 54.5%和 71.2%.总体来看,单施化学磷
肥处理土壤累积磷盈余量比施用有机肥处理平均高
61.1%.MNPK处理磷素投入大大高于作物携出,因
表 2 黄壤有效磷含量随时间变化趋势
Table 2 Change trend of Olsen⁃P in yellow soil (1994 -
2013)
处理
Treatment
1994
(mg·kg-1)
2011—
2013年平均
2011-2013
mean
(mg·kg-1)
1994—
2013年
有效磷变化量
The change
of Olsen⁃
P in
1994-2013
(mg·kg-1)
变幅
Amplitude
of variation
(%)
CK 17.00 11.3d -5.70 -33.7
N 17.00 11.6d -5.30 -31.4
NK 17.00 9.2d -7.70 -45.6
NP 17.00 34.3c 17.30 102.1
PK 17.00 44.6b 27.70 163.1
NPK 17.00 32.0c 15.10 88.8
1 / 4M+3 / 4NPK 17.00 32.6c 15.60 91.8
1 / 2M+1 / 2NPK 17.00 36.1c 19.10 112.8
M 17.00 36.0c 19.00 112.0
NPKM 17.00 80.0a 63.00 371.2
同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different small let⁃
ters in the same column meant significant difference among treatments at
0.05 level.下同 The same below.
4232 应 用 生 态 学 报 27卷
表 3 黄壤长期定位施肥试验各处理磷素的平衡及利用
Table 3 Balance and utilization of P in long⁃term fertiliza⁃
tion experiment in yellow soil (1995-2013)
处理
Treatment
1995—2013年
累积吸磷量
P uptake
during
1995-2013
(kg·hm-2)
磷素表观平衡
P apparent
balance
(kg·hm-2)
磷素累积利用率
P accumulated
recovery rate
(%)
1 / 4M+3 / 4NPK 910.3 445.9 41.5
1 / 2M+1 / 2NPK 940.9 402.5 44.1
M 663.2 654.9 23.9
CK 347.9 -347.9 -
MNPK 1328.1 1358.8 36.5
NPK 679.9 688.9 24.3
NK 634.4 -634.4 -
N 608.2 -608.2 -
NP 499.8 869.0 11.1
PK 504.3 864.6 11.4
图 2 不同施肥处理土壤每年磷盈亏均值
Fig. 2 Mean P balance of different fertilization treatments
(1995-2013).
不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05) Different small letters
meant significant difference among treatments at 0.05 level. Ⅰ: 1 / 4 M+
3 / 4 NPK; Ⅱ: 1 / 2 M+1 / 2 NPK.
而土壤磷素累积量最多,高达 1358.8 kg·hm-2 .
有机肥配施化肥的 1 / 4M + 3 / 4NPK、 1 / 2M +
1 / 2NPK和 MNPK处理磷素累积利用率高于单施化
学磷肥的各处理.其中,以 1 / 2M + 1 / 2NPK 处理最
高,NP 和 PK处理最低.上述结果表明,磷肥与其他
肥料配施能促进作物对磷素的吸收,提高磷肥利用
率,而在同等施磷水平下,有机肥配施化学磷肥效果
更佳.
2 3 土壤有效磷对累积磷素盈亏响应
图 3 显示了试验第 12 年(2006 年)和第 18 年
(2012年)耕层土壤 Olsen⁃P 增加量与磷盈亏的关
系.可以看出,在第 12年和第 18年,土壤 Olsen⁃P 增
量与土壤累积磷盈亏均呈极显著的直线正相关,说
明土壤 Olsen⁃P 的消长与磷盈亏呈正相关.
相关性分析表明,2006—2013年施用磷肥的处
图 3 土壤累积磷盈亏对土壤有效磷的影响
Fig.3 Effects of P balance on soil Olsen⁃P.
表 4 土壤 Olsen⁃P 增量与土壤累积磷盈亏的关系
Table 4 Relationship between Olsen⁃P increment and P
balance
处理
Treatment
回归方程
Regression equation
R2
1 / 4M+3 / 4NPK y= 0.130x-39.66 0.861∗∗
1 / 2M+1 / 2NPK y= 0.214x-63.71 0.543∗
M y= 0.091x-37.08 0.817∗∗
MNPK y= 0.164x-148.6 0.863∗∗
NPK y= 0.056x-20.50 0.714∗∗
NP y= 0.036x-12.49 0.775∗∗
PK y= 0.079x-35.58 0.376
n= 8. ∗ P<0.05; ∗∗ P<0.01.
理中,除 PK处理外,其他各处理土壤中 Olsen⁃P 增
量与累积磷盈亏呈显著正相关(表 4).施有机肥的
1 / 4M+3 / 4NPK、1 / 2M+1 / 2NPK、M、MNPK 处理的土
壤中每累积磷 100 kg·hm-2,土壤中 Olsen⁃P 含量
分别提高 13.0、21.4、9.1和 16.4 mg·kg-1,单施化肥
的 NP、PK、NPK 处理的土壤 Olsen⁃P 提高量较低,
分别提高 3.6、7.9 和 5.6 mg·kg-1 .不施磷肥的 CK、
N、NK处理土壤磷累积盈亏与 Olsen⁃P 净增量之间
无显著相关性,其原因是不施磷处理在试验初降幅
较大,2006年后土壤 Olsen⁃P 含量基本趋于稳定.
2 4 黄壤旱地有效磷的农学阈值
玉米相对产量对土壤 Olsen⁃P 的响应关系见图
4.由产量对土壤 Olsen⁃P 的响应关系方程可知,土壤
Olsen⁃P 农学阈值为 22.4 mg·kg-1 .试验本底 Olsen⁃P
为 17.0 mg·kg-1,与此阈值相差 5.4 mg·kg-1 .连续施
肥 19年,不施磷处理土壤 Olsen⁃P 含量平均比此阈值
52327期 李 渝等: 长期施肥条件下西南黄壤旱地有效磷对磷盈亏的响应
图 4 长期施肥下玉米相对产量对土壤有效磷的响应关系
Fig.4 Response of relative maize yield to soil Olsen⁃P under
long⁃term fertilization.
低 11.7 mg·kg-1,几个同等施磷水平处理的土壤
Olsen⁃P含量平均比此阈值高 13.5 mg·kg-1,高施磷
处理 MNPK土壤 Olsen⁃P 含量比此阈值高 3.4倍.
因此,在长期种植条件下,有必要施入磷肥以提
高土壤有效磷.考虑到磷肥的利用效率,最佳施用量
以达到或略超过该区域的有效磷农学阈值为佳,过
多的磷肥施入不能提高作物产量.
2 5 土壤磷盈亏和有效磷对磷肥用量的响应
选取 CK、NK、NPK、1 / 4M + 3 / 4NPKM、1 / 2M +
1 / 2NPKM、M、MNPK几个处理每年土壤磷盈亏值、
Olsen⁃P含量及磷肥施用量作图,得到土壤每年磷盈
亏和 Olsen⁃P 对磷肥用量的响应图(图 5).可以看
出,土壤每年磷盈亏和Olsen⁃P与施肥用量之间存
图 5 黄壤每年土壤磷盈亏和有效磷对磷肥施用量的响应
Fig.5 Response of P balance and Olsen⁃P every year to phos⁃
phorus application rate in yellow soil.
在极显著的线性关系,磷肥用量越多,土壤磷盈余量
和 Olsen⁃P 越高.从回归方程可见,黄壤中磷肥施用
量(纯 P)为 33.3 kg·hm-2时,土壤磷呈持平状态,
说明要维持黄壤磷肥力,每年磷肥施用量(纯 P)不
能低于 33.3 kg·hm-2 .由 Olsen⁃P 对磷肥用量的响
应方程可知,当 Olsen⁃P 为农学阈值 22.4 kg·mg-1
时,其对应的磷肥用量(纯 P)为 45.9 kg·hm-2,说
明每年施磷量(纯 P)为 45.9 kg·hm-2时,既能提高
土壤养分,获得较高的作物产量,也不会造成磷肥的
浪费.
3 讨 论
肥料投入的盈余量对于提高土壤肥力、增加土
地生产力至关重要[27],但施用量过高会导致磷资源
浪费,同时也增加了环境风险[28-29] .本文通过对西
南黄壤旱地长期定位试验分析表明,长期不施磷肥
连续种植作物情况下,土壤磷素一直亏缺,随着磷素
的亏缺,土壤有效磷也随之减少,其原因是无外源磷
补给的条件下,作物生长吸收磷需不断消耗土壤磷
库.长期施用磷肥可不断提高土壤 Olsen⁃P,不同施
磷处理对 Olsen⁃P 的提升幅度主要与磷肥用量有关.
长期施用磷肥处理土壤磷素出现盈余,土壤累积磷
盈亏与 Olsen⁃P 增量呈显著线性相关.土壤每累积磷
100 kg·hm-2,1 / 4M+3 / 4NPK、1 / 2M+1 / 2NPK、M、
MNPK处理土壤中 Olsen⁃P 含量平均分别提高13.0、
21.4、9. 1 和 16. 4 mg·kg-1,单施化肥的 NP、PK、
NPK处理土壤中 Olsen⁃P 含量平均分别提高 3.6、
7.9和 5.6 mg·kg-1,施用有机肥的处理单位磷素盈
余量提升 Olsen⁃P 效果优于单施化学磷肥处理.沈
浦[16]、裴瑞娜[30]对中国主要长期定位试验中有效
磷净增量与土壤磷平衡关系研究表明,土壤每累积
磷 100 kg·hm-2,单施化学磷肥土壤 Olsen⁃P 含量
平均提高 2.6~ 21.2 mg·kg-1,有机肥配施化学磷肥
Olsen⁃P 含量平均提高 0.56 ~ 41.3 mg·kg-1,本研究
单位磷盈余量对 Olsen⁃P 的提高量在此范围内,但
属于提高幅度较大的情况.沈浦[16]研究表明,在单
季旱地土壤上,有机碳含量与有效磷随磷盈亏的变
化量呈显著正相关,有机碳增加 1.0 g·kg-1,每盈余
磷 100 kg· hm-2土壤有效磷会总体多增加 1. 0
mg·kg-1,而本研究中土壤有机碳含量平均高达 25
g·kg-1左右,其中施用有机肥处理有机碳含量比单
施化肥高,尤其以 M和 MNPK两个处理有机碳含量
最高,这可能是本研究中 Olsen⁃P 农学阈值偏高及
其施用有机肥单位磷素盈余量提升 Olsen⁃P 效果优
6232 应 用 生 态 学 报 27卷
于单施化学磷肥处理的原因.
农田土壤有效磷在较低水平时,磷肥的投入在
增加土壤有效磷的同时,能显著增加作物产量,但当
土壤有效磷水平超过农学阈值时,土壤磷素不再是
作物增产的主要限制因子,在此基础上投入磷肥,不
能显著提高作物产量,反而存在进一步加剧环境污
染风险的可能性.有效磷农学阈值的常规确定方法
有十字夹叉法和模型模拟法[16-18],就模型模拟而
言,不同模型的关键都是确定有效磷与产量关系的
临界点.本研究通过 Mitscherlich 方程模拟,在西南
黄壤地区种植玉米条件下,土壤 Olsen⁃P 的农学阈
值是 22.4 mg·kg-1,比前人的研究结果 3.9 ~ 18.0
mg·kg-1偏高[15,17-18,20-21,29] .土壤 Olsen⁃P 农学阈值
与当地的生态环境、气候、土壤类型和管理等有密切
的关系,西南黄壤地区土壤有效磷缺乏,且年降雨量
多,土壤磷素流失的风险大,这些因素可能导致西南
黄壤旱地有效磷的农学阈值比其他地区偏高,具体
机制有待进一步研究.土壤有效磷的基础值与农学
阈值的差值即为土壤磷的培肥目标,对于磷肥低的
土壤,提升土壤有效磷的含量,有利于增产.黄壤旱
地长期定位试验开始前土壤 Olsen⁃P 并未达到农学
阈值,经过连续 19 年施肥试验,不施磷处理土壤
Olsen⁃P含量均低于 Olsen⁃P 农学阈值,而施磷土壤
Olsen⁃P 含量均高于 Olsen⁃P 农学阈值,MNPK 处理
已高出 3.4倍.因此,农业生产中应通过改变磷肥施
用量调控土壤有效磷含量,进而达到高产稳产的目
标,而又不造成磷肥资源的浪费.
每年土壤磷盈亏和 Olsen⁃P 含量与磷肥用量均
呈极显著直线关系,当磷肥用量 (纯 P )为 33. 3
kg·hm-2时土壤磷呈持平状态,因此要提高土壤肥
力,每年平均施磷量不得低于此水平.当 Olsen⁃P 为
农学阈值 22.4 mg·kg-1时,其对应的磷肥用量(纯
P)为 45.9 kg·hm-2,说明每年平均施磷 45.9 kg·
hm-2为最佳施磷量,此时,可获得最佳的作物产量,
且磷素在土壤中累积较少.当每年平均施磷高于 45.
9 kg·hm-2时,作物产量对磷肥用量响应不大,不但
不能再继续提高产量,反而使大量磷素累积在土壤
中,增加磷素的流失风险.农业生产实践中可以此值
为依据,适时调整磷肥施用量,以发挥磷肥的最大效
益,减轻环境风险.例如,对于不施磷处理,实际生产
中应增施磷肥,提高土壤肥力,进而提高作物产量;
对于中等施磷水平的处理,应适时调整磷肥施用量,
以“控”为主;对于高施磷处理(MNPK),土壤 Olsen⁃
P 和施肥量已经远高于 Olsen⁃P 农学阈值和最佳施
肥量,且据刘方等[25]对贵州黄壤旱地磷对水环境的
影响及其风险评价研究显示,当土壤 Olsen⁃P 大于
40.0 mg·kg-1时,土壤磷素流失的风险很高,因此应
减少有机肥施用量,减轻环境风险.
参考文献
[1] Zhang F⁃S (张福锁), Wang J⁃Q (王激清), Zhang W⁃
F (张卫峰), et al. Nutrient use efficiencies of major
cereal crops in China and measures for improvement.
Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2008, 45(5):
915-924 (in Chinese)
[2] Luo L⁃Z (罗龙皂), Li Y (李 渝), Zhang W⁃A (张
文安), et al. Variation characteristics of maize yield
and fertilizer utilization rate on an upland yellow soil
under long term fertilization. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2013, 24 ( 10): 2793 -
2798 (in Chinese)
[3] Huang S⁃M (黄绍敏), Bao D⁃J (宝德俊), Huangpu
X⁃R (皇甫湘荣), et al. Effect of long⁃term fertilization
on utilization and accumulation of phosphate nutrient in
Fluvo⁃Aquic soil. Scientia Agricultura Sinica (中国农业
科学), 2006, 39(1): 102-108 (in Chinese)
[4] Zhan XY, Zhang L, Zhou BK, et al. Changes in Olsen
phosphorus concentration and its response to phosphorus
balance in black soils under different long⁃term fertiliza⁃
tion patterns. PLoS One, 2015, 10(7): e0131713
[5] Pei R⁃N (裴瑞娜), Yang S⁃M (杨生茂), Xu M⁃G
(徐明岗), et al. Response of Olsen⁃P to P balance in
black loessial soil under long⁃term fertilization. Scientia
Agricultura Sinica (中国农业科学), 2010, 43(19):
4008-4015 (in Chinese)
[6] Buciene A, Svedas A, Antanaitis S. Balances of the ma⁃
jor nutrients N, P and K at the farm and field level and
some possibilities to improve comparisons between actual
and estimated crop yields. European Journal of Agrono⁃
my, 2003, 20: 53-62
[7] Lu R⁃K (鲁如坤). The phosphorus level of soil and en⁃
vironmental protection of water body. Phosphate and
Compound Fertilizer (磷肥与复肥), 2003, 18(1): 4-
8 (in Chinese)
[8] Zhao HB, Li HG, Yang XY, et al. The critical soil P
levels for crop yield, soil fertility and environmental
safety in different soil types. Plant and Soil, 2013, 372:
27-37
[9] Qi R⁃S (戚瑞生), Dang T⁃H (党廷辉), Yang S⁃Q
(杨绍琼), et al. The impact on soil phosphorus adsorp⁃
tion characteristics and leaching change⁃point under
long⁃term fertilization. Chinese Journal of Soil Science
(土壤通报), 2012, 43(5): 1187-1194 (in Chinese)
[10] Zhan X⁃Y (展晓莹), Ren Y (任 意), Zhang S⁃X
(张淑香), et al. Changes in Olsen phosphorus concen⁃
tration and its response to phosphorus balance in the
main types of soil in China. Scientia Agricultura Sinica
(中国农业科学), 2015, 48(23): 4728 - 4737 ( in
Chinese)
72327期 李 渝等: 长期施肥条件下西南黄壤旱地有效磷对磷盈亏的响应
[11] Sanginga N, Lyasse O, Singh BB. Phosphorus use effi⁃
ciency and nitrogen balance of cowpea breeding lines in
a low P soil of the derived savanna zone in West Africa.
Plant and Soil, 2000, 220: 119-128
[12] Yang Z⁃X (杨振兴), Zhou H⁃P (周怀平), Xie W⁃Y
(解文艳), et al. Response of Olsen⁃P to P balance in
cinnamon soil under long⁃term fertilization. Journal of
Plant Nutrition and Fertilizer (植物营养与肥料学报),
2015, 21(6): 1529-1535 (in Chinese)
[13] Aulakh MS, Garg AK, Kabba BS. Phosphorus accumu⁃
lation leaching and residual effects on crop yields from
long⁃term application in the subtropics. Soil Use and
Management, 2007, 23: 417-427
[14] Yang X⁃Y (杨学云), Sun B⁃H (孙本华), Gu Q⁃Z
(古巧珍), et al. Phosphorus balance and its effects on
soil phosphorus status under a 12⁃year long⁃term fertili⁃
zation. Acta Agriculturae Boreali⁃Occidentalis Sinica (西
北农业学报), 2007, 16(5): 118-123 (in Chinese)
[15] Cao N, Chen X, Cui Z, et al. Change in soil available
phosphorus in relation to the phosphorus budget in Chi⁃
na. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2012, 94: 161-
170
[16] Shen P (沈 浦). Evolution Characteristics and Mecha⁃
nisms of Soil Available Phosphorus in Typical Croplands
under Long⁃term Fertilization. PhD Thesis. Beijing: Chi⁃
nese Academy of Agricultural Sciences, 2014 ( in Chi⁃
nese)
[17] Tang X, Ma YB, Hao XY, et al. Determining critical
values of soil Olsen⁃P for maize and winter wheat from
long⁃term experiments in China. Plant and Soil, 2009,
323: 143-151
[18] Colomb B, Debaeke P, Jouany C, et al. Phosphorus
management in low input stockless cropping systems:
Crop and soil responses to contrasting P regimes in a 36⁃
year experiment in southern France. European Journal of
Agronomy, 2007, 26: 154-165
[19] Tang X (唐 旭). Long⁃term of Phosphorus in Soils
under Wheat⁃maize Crop Rotation in China. PhD Thesis.
Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences,
2009 (in Chinese)
[20] Mallarino AP, Atia AM. Correlation of a resin membrane
soil phosphorus test with corn yield and routine soil tests.
Soil Science Society of America Journal, 2005, 69: 266-
272
[21] Lan ZM, Lin XJ, Wang F, et al. Phosphorus availabili⁃
ty and rice grain yield in a paddy soil in response to
long⁃term fertilization. Biology and Fertility of Soils,
2012, 48: 579-588
[22] Wang B, Li JM, Ren Y, et al. Validation of a soil phos⁃
phorus accumulation model in the wheat⁃maize rotation
production areas of China. Field Crops Research, 2015,
178: 42-48
[23] Xi B (习 斌). Study on the Environment Threshold of
Soil Olsen⁃P in Farmland: Case of Southern Paddy⁃up⁃
land Rotation and Northern Wheat and Maize Rotation.
PhD Thesis. Beijing: Chinese Academy of Agricultural
Sciences, 2014 (in Chinese)
[24] Liu F (刘 方), Luo H⁃B (罗海波), Su Y⁃G (舒英
格), et al. Soil phosphorus release to the water bodies
in the upland fields of yellow soil areas and the influen⁃
cing factors. Scientia Agricultura Sinica (中国农业科
学), 2006, 39(1): 118-124 (in Chinese)
[25] Liu F (刘 方), Huang C⁃Y (黄昌勇), He T⁃B (何
腾兵), et al. The environmental impact of phosphorus
on water by a long⁃term applying fertilizer P in the up⁃
land fields of yellow soil areas and its risks evaluation.
Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2003, 40(6):
838-844 (in Chinese)
[26] Liu F (刘 方), He T⁃B (何腾兵), Qian X⁃G (钱晓
刚), et al. The status of phosphorus and its environmen⁃
tal effects analysis under various land use patterns in
yellow soil of hilly areas. Soil and Environmental Sci⁃
ences (土壤与环境), 2002, 11 ( 3): 232 - 236 ( in
Chinese)
[27] Wang Y⁃Z (王永壮), Chen X (陈 欣), Shi Y (史
奕). Phosphorus availability in cropland soils of China
and related affecting factors. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2013, 24(1): 260- 268
(in Chinese)
[28] Zhao X⁃R (赵小蓉), Zhong X⁃Y (钟晓英), Li G⁃T
(李贵桐), et al. The evaluation of phosphorus leaching
risk of 23 Chinese soils.Ⅱ. The relationships between
soil properties, P adsorption characteristics and the lea⁃
ching criterion. Acta Ecologica Sinica (生态学报),
2006, 26(9): 3011-3017 (in Chinese)
[29] Hesketh N, Brookes PC. Development of an indicator for
risk of phosphorus leaching. Journal of Environmental
Quality, 2000, 29: 105-110
[30] Pei R⁃N (裴瑞娜). Response of Soil Olsen⁃P to P Ba⁃
lance in Typical Cropland of China under Long⁃term Fer⁃
tilization. Master Thesis. Lanzhou: Gansu Agricultural
University, 2010 (in Chinese)
作者简介 李 渝,男,1983年生,硕士,副研究员.主要从事
土壤环境质量方面的研究.E⁃mail: liyu83110@ 163.com
责任编辑 张凤丽
李渝, 刘彦伶, 张雅蓉, 等. 长期施肥条件下西南黄壤旱地有效磷对磷盈亏的响应. 应用生态学报, 2016, 27(7): 2321-2328
Li Y, Liu Y⁃L, Zhang Y⁃R, et al. Response of Olsen⁃P to P balance in yellow soil upland of southwestern China under long⁃term ferti⁃
lization. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(7): 2321-2328 (in Chinese)
8232 应 用 生 态 学 报 27卷