2023, Vol. 60
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室, 北京 100081;
3. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/湖南祁阳农田生态系统国家野外科学观测研究站, 湖南祁阳 426182
2. National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land / Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. National Field Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Hunan Province/ Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qiyang, Hunan 426182, China
磷是植物生长发育不可缺少的第二大营养元素[1]，在保障作物高产中发挥着不可替代的作用[2]。我国南方红壤区总面积约110万km2，占国土面积的11.8%[3]，是重要的粮棉油产区[4]。然而，红壤由于强烈的脱硅富铝化作用，土壤酸度强且存在大量的铁、铝等离子，磷素易被固定为难溶性的磷酸盐，从而导致磷素有效性和利用率低[5]。研究表明，我国红壤地区磷肥的当季利用率仅为10%~25%[6]。
研究表明，磷肥品种与土壤酸碱度匹配对提高磷素有效性和利用率至关重要。余小兰等[7]通过短期培养试验发现，钙镁磷肥可有效提高酸性砖红壤（pH5.67）和酸性水稻土（pH5.81）pH和有效磷含量。李会枝[8]则通过2年田间试验发现，在酸性土壤的水稻季和油菜季分别施用磷酸二铵和钙镁磷肥，均能有效提高作物产量和磷肥利用率。钙镁磷肥和磷酸二铵均为碱性肥料，其中钙镁磷肥含有丰富的钙、镁，施入酸性土壤中，可中和土壤酸度、释放出磷，又能提供钙、镁，促进作物生长[9]。此外，有机物料中含有较多的磷及解磷微生物，这些微生物的分泌物可活化土壤中的磷，提高土壤有效磷含量和磷肥利用率[10]。石灰及秸秆还田作为红壤酸度调控和肥力提升的措施，对提高红壤磷素有效性具有一定效果[11-12]。
前人就如何提升红壤磷素有效性及磷肥利用率的问题已开展了大量工作，但大部分研究集中在初始土壤pH较低的酸性或强酸性红壤上（pH < 6.0）[11-14]。磷肥在红壤中的有效性在很大程度上取决于土壤酸度状况，而不同磷肥品种及调控措施能否有效提高弱酸性红壤（pH > 6.0）磷素有效性和磷肥利用率尚不明确。为此，本研究将磷肥品种与施磷量及不同调控措施相结合进行研究，探索出适于弱酸性缺磷红壤的磷肥高效利用途径。
1 材料与方法 1.1 研究地概况试验地位于湖南省永州市祁阳县文富市镇官山坪村中国农业科学院红壤实验站内（26°45'12''N，111°52'32''E），海拔120 m，年降水量1 407.5 mm，年均温度18.1℃，有效积温3 258.9℃，无霜期300 d，日照时数1 458.3 h。土壤母质为第四纪红土；土壤基础性质为全氮0.79 g·kg–1、全磷0.18 g·kg–1、全钾6.17 g·kg–1、碱解氮43.45 mg·kg–1、有效磷7.19 mg·kg–1、速效钾98.81 mg·kg–1、有机质12.68 g·kg–1、pH 6.5。
1.2 试验设计及田间管理本试验共设置11个处理，分别为：（1）不施磷（CK1），（2）常规施磷量（CK2，过磷酸钙），（3）减磷20%（0.8SSP，过磷酸钙），（4）减磷30%（0.7SSP，过磷酸钙），（5）猪粪磷（M），（6）减磷30% +石灰（0.7SSPL，过磷酸钙），（7）钙镁磷肥（CMP），（8）磷酸二铵（DAP），（9）钙镁磷肥+磷酸二铵（CMPD），（10）磷酸一铵（MAP）和（11）钙镁磷肥+秸秆还田（CMPS），处理（5）~（11）施磷量相同，均为减磷30%。每个处理4次重复，采用随机排列，小区面积为40 m2。其中，CK1、CK2、0.7SSP、M、CMP、DAP、MAP 7个处理比较不同磷肥品种间差异；CK1、CK2、0.8SSP、0.7SSP 4个处理比较磷肥梯度对土壤磷有效性和磷肥利用率的影响；CK1、CK2、CMP、CMPD、CMPS等5个处理为钙镁磷肥调控试验；CK1、CK2、0.7SSP、0.7SSPL等4个处理为石灰调控试验。种植方式为一年两熟制的油菜—玉米轮作。供试油菜品种：2019年用白菜型油菜（国审早熟100天），2020年为甘蓝型油菜（农华油101）。白菜型油菜于2018年12月移栽，2019年5月收获；橄榄型油菜于2019年10月移栽，2020年5月收获。各处理施肥量如表 1所示。氧化钙于施肥前10 d一次性施入土壤；每季过磷酸钙、钙镁磷肥、磷酸二铵、磷酸一铵、猪粪均一次性施入作为底肥；每季氮、钾肥施入量的40%作为基肥，60%作为追肥（尿素和氯化钾）；秸秆还田于每季作物收获、测产后，将秸秆剁碎还田。田间管理措施与当地习惯相同。
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表 1 处理与油菜季施肥量 Table 1 Treatments and application rates of fertilizers for rape |
油菜收获后测产和采集土壤样品。按照茎、壳、籽粒等器官采集植株样品，带回并烘干、称重、打碎测定养分含量。在每个小区选择5个样点，用土钻取0~20 cm的土壤样品，混匀、风干后，分别过20目和60目筛。用H2SO4-H2O2消煮、钼蓝比色法[15]测定油菜秸秆和籽粒中的磷含量；用Olsen法[11]测定土壤有效磷含量。通过上述数据进行磷平衡（土壤磷素累积盈亏量）、磷肥农学效率、磷肥累积利用率的计算以及相关性分析。主要计算公式：
油菜相对产量（relative yield of rape，kg·kg–1）=各处理产量（kg·hm–2）/不同处理之间的最大产量（kg·hm–2）
土壤磷素累积盈亏量（cumulative phosphorus surplus，kg·hm–2）=当年投入磷总量（kg·hm–2）-当年作物吸磷量（籽粒+秸秆）（kg·hm–2）
磷肥农学效率（phosphorus agronomy efficiency，kg·kg–1）=[施磷处理油菜籽粒产量（kg·hm–1）–不施磷处理油菜籽粒产量（kg·hm–2）] / [施磷量（kg·hm–2）] [11]
磷肥累积利用率（cumulative utilization rate of phosphate fertilizer，%）=[施磷处理地上部含磷量（kg·hm–2）–不施磷处理地上部分含磷量（kg·hm–2）] / [当季施磷量（kg·hm–2）+往季残留量（kg·hm–2）]×100
1.4 数据分析采用SPSS 23.0软件进行数据统计分析，用最小显著差异法（LSD）法进行多重比较和方差分析，在0.05水平下检验差异显著性，用K-S法在5%水平下进行非参数检验；采用Excel 2019软件作图。
2 结果与讨论 2.1 磷肥品种对红壤磷素有效性和磷肥利用率的影响 2.1.1 磷肥品种对红壤磷素有效性及作物产量的影响施用不同磷肥品种后土壤有效磷含量变化如图 1所示。与CK1相比，2019年CK2、M、DAP、MAP处理土壤有效磷含量分别提高了29%、32%、24%、13%；至2020年CK2、0.7SSP、M、DAP、MAP处理土壤有效磷较CK1提高了130%、86%、241%、110%、100%，其中以M处理土壤有效磷含量最高，显著高于其他处理。这主要由于猪粪中含有大量的解磷微生物，可以活化土壤中难溶性的磷，提高土壤磷素有效性[16]，相同施磷量下猪粪提高土壤有效磷含量效果最佳。
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注：不同小写字母表示相同年份不同处理间差异显著（P < 0.05）。下同。 Note: Different letters showed significant differences between different treatments in the same year(P < 0.05). The same below. 图 1 施用不同品种磷肥后土壤有效磷含量变化 Fig. 1 Changes in soil available phosphorus under different P fertilizers |
不同磷肥品种对油菜产量及地上部生物量的影响见表 2。2019年CK2、M、DAP、MAP处理油菜产量较CK1处理显著增产67%、73%、64%、77%，而0.7SSP、CMP处理与CK1无显著差异。2019年除CMP处理外，其他磷肥品种处理油菜地上部生物量均显著高于CK1处理。2020年，各磷肥品种处理油菜产量和地上部生物量均显著高于CK1处理，增产幅度分别为240%~510%和410%~780%，其中，以猪粪处理油菜产量最高，显著高于其他磷肥品种处理。2019年和2020年各处理的油菜相对产量与土壤有效磷含量呈极显著正相关（图 2），可见不同磷肥品种提高土壤有效磷效果不同是影响油菜产量的主要因素之一。此外，本研究发现，2020年甘蓝型油菜籽粒产量整体高于2019年白菜型油菜的籽粒产量，这种差异是由油菜类型或者油菜生育期的不同造成的，本试验是在低磷的红壤中进行，田飞等[17]研究发现在低磷或低氮的条件下，甘蓝型油菜籽粒产量高于白菜型油菜籽粒产量。
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表 2 施用不同品种的磷肥后油菜产量及地上部生物量的变化 Table 2 Changes in yield and aboveground biomass of rape under different P fertilizers |
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图 2 施用不同品种磷肥后土壤有效磷与油菜相对产量的关系 Fig. 2 Relationship between soil available phosphorus and relative yield of rape under different P fertilizers |
由表 3知，2019年M处理磷肥累积利用率为16.4%，与CK2、SSP、CMP、MAP处理相比显著提升8.8、11.6、15.1、4.8个百分点；2020年M处理磷肥累积利用率较其他处理显著提升8.3~19.2个百分点。2019年M及MAP处理磷肥农学效率分别为6.2 kg·hm–2和6.6 kg·hm–2，均显著高于CMP处理。2020年M处理磷肥农学效率显著高于CK2、SSP、CMP、DAP、MAP处理，分别高124%、70%、110%、68%、60%。2019年各施磷处理之间相比，M处理磷素盈余量最低，为11.8 kg·hm–2（表 3），显著低于CK2、SSP、CMP、MAP处理。2020年M处理土壤磷素亏损1.5 kg·hm–2，显著低于其他施磷处理，其他施磷处理盈余量为5.7~16.0 kg·hm–2。
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表 3 施用不同品种的磷肥后磷素累积盈亏量、磷肥农学效率及磷肥利用率的变化 Table 3 Changes in cumulative phosphorus surplus, phosphorus agronomy efficiency and cumulative utilization rate of phosphate fertilizer under different P fertilizers |
本研究表明，猪粪处理的油菜籽粒产量（表 2）、土壤有效磷（图 1）、磷肥累积利用率（表 3）均为最佳。猪粪一方面能活化土壤磷素，另一方面含有较多的营养元素供给作物吸收利用，促进作物生长。本研究中猪粪处理土壤磷素处于亏缺状态，但有效磷含量增幅仍为最大，这与他人[18]研究结果不一致，即长期定位试验结果表明土壤有效磷含量与土壤磷素盈余量呈显著正相关关系。本研究结果的差异，可能是由于玉米季土壤磷素盈余量过多，并且加入猪粪后微生物能够活化累积态磷，减少磷的固定，因此猪粪处理有效磷增加幅度较大。此外，前人[9]研究发现钙镁磷肥在南方酸性红壤具有很好的改良土壤酸度以及提高土壤有效磷含量、作物产量和磷肥利用率的效果。而本试验并未发现钙镁磷肥对土壤有效磷、油菜产量及磷肥利用率有显著的提升，相反钙镁磷肥处理的油菜产量、土壤有效磷等指标均为最低（图 1，表 2），这主要是因为本试验红壤初始pH为6.5，不存在酸害的问题，因此钙镁磷肥的改良酸度作用不显著，而其作为一种缓效磷肥，供磷作用较其他磷肥弱[19]，在一定程度上限制了土壤磷素有效性和作物生长。与磷酸一铵相比，磷酸二铵作为碱性肥料对土壤有效磷、作物产量及磷肥累积利用率影响并未出现显著性差异（图 1，表 2，表 3），进一步说明本研究所选土壤酸碱度对作物生长无限制作用，碱性肥料的改良作用不明显，而磷酸一铵和磷酸二铵均为高浓度水溶性磷肥，二者对弱酸性红壤磷素有效性和磷肥利用率的影响无显著差异。
2.2 磷肥用量对红壤磷素有效性和磷肥利用率的影响 2.2.1 磷肥用量对红壤磷素有效性及作物产量的影响与CK1相比，各施磷处理土壤有效磷含量均显著升高（图 3）。与CK2相比，2019年0.8SSP和0.7SSP处理土壤有效磷含量分别减少11%和15%，而2020年则分别减少14%和22%。
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图 3 施用不同量磷肥后土壤有效磷变化 Fig. 3 Changes of soil available phosphorus under different amounts of P fertilizer |
与CK1相比，2019年CK2、0.8SSP、0.7SSP处理分别增产67%、64%、46%，地上部生物量分别提高106%、83%、67%；2020年则分别增产321%、322%、298%，地上部生物量分别提高644%、690%、622%（表 4）。与常规施磷量（CK2）相比，施磷量减少20%和30%对油菜产量和地上部生物量无显著影响。相关分析表明，油菜相对产量随着土壤有效磷含量增加而显著增加（P < 0.01）（图 4）。
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表 4 施用不同量磷肥后油菜产量及地上部生物量的变化 Table 4 Changes in yield and aboveground biomass of rape under different amounts of P fertilizer |
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图 4 施用不同量磷肥后土壤有效磷与作物相对产量的关系 Fig. 4 Relationship between soil available phosphorus and crop relative yield under different amounts of P fertilizers |
伴随磷肥施用量降低，磷肥累积利用率有增加趋势（表 5），但未达到显著差异。随施磷量的减少，土壤磷素盈余量降低（表 5），2019年和2020年减磷处理盈余量显著低于CK2处理；0.8SSP与0.7SSP处理之间无显著差异。随着施磷量减少磷肥农学效率呈升高趋势，但处理间无显著差异（表 5）。
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表 5 施用不同量磷肥后磷素累积盈亏量、磷肥农学效率及磷肥累积利用率变化 Table 5 Changes in cumulative phosphorus surplus, phosphorus agronomy efficiency and Cumulative utilization rate of phosphate under different amounts of P fertilizers |
已有研究[20]表明，当土壤有效磷含量较低时，作物产量随土壤有效磷含量增加而显著增加，当超过磷的农学阈值时作物产量不再增加，为此土壤有效磷含量高于农学阈值，减少施磷量作物产量不会降低。本研究表明，减少施磷量后尽管土壤有效磷含量显著降低，但油菜产量无显著变化，且磷肥累积利用率显著提升（图 3，表 4，表 5）；根据2019年和2020年的土壤有效磷与油菜产量非线性拟合结果发现，当土壤有效磷含量达到16.72 mg·kg–1时，作物产量不再随土壤有效磷含量的增加而增加，因此在该土壤有效磷水平下减施磷肥不会造成作物产量降低。
2.3 不同磷肥调控措施对红壤磷素有效性和磷肥利用率的影响 2.3.1 不同磷肥调控措施对红壤磷素有效性及作物产量的影响钙镁磷肥及其调控对土壤有效磷的影响如图 5a所示，与CK1处理相比，2019年CMPD处理将土壤有效磷提升21%，而CMP、CMPS处理无显著变化。2020年CMP、CMPD、CMPS处理分别提升30%、37%、9%，三个处理之间无显著差异，均显著低于CK2处理。石灰调控试验中（图 5b），0.7SSPL处理土壤有效磷含量与0.7SSP处理无显著差异，二者均显著低于CK2处理。
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图 5 不同磷肥调控措施处理下土壤有效磷的变化（图a为钙镁磷肥及其调控处理的土壤有效磷，图b石灰调控的土壤有效磷） Fig. 5 Changes of soil available phosphorus under different P fertilizer control measures(Figure a shows the soil available phosphorus of calcium magnesium phosphate fertilizer and its control treatment, figure b shows the soil available phosphorus of lime control) |
钙镁磷肥及其调控对作物产量及地上部生物量的影响如表 6所示，2019年CMPD处理与CK1处理相比显著增产58%，其产量显著高于CMP、CMPS处理；2020年CMP、CMPD、CMPS处理分别显著增产242%、291%、282%，但三个处理间无显著差异。2019年CMPD处理地上部生物量显著高于CK1、CMPS处理，2020年显著高于CMPS、CK1处理。
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表 6 钙镁磷肥及其调控处理和石灰调控处理下油菜产量及地上部生物量的变化 Table 6 Changes in yield and aboveground biomass of rape under calcium magnesium phosphate fertilizer and its regulation and lime control treatment |
石灰调控试验中（表 6），与CK1处理相比，2019年CK2、0.7SSP、0.7SSPL处理分别显著增产67%、46%、63%，2020年分别显著增产321%、298%、377%，但0.7SSP与0.7SSPL之间无显著差异。2019年和2020年0.7SSPL处理地上部生物量与CK1处理相比分别增加109%、670%，两年均为最高，仅在2019年0.7SSPL与0.7SSP处理有显著差异。
油菜相对产量与土壤有效磷有显著的相关性（图 6），由此可见在红壤上，提高土壤有效磷的含量对油菜产量的提高非常重要。
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图 6 不同磷肥调控措施下土壤有效磷与油菜相对产量的关系 Fig. 6 Relationship between soil available phosphorus and relative yield of rape under different phosphorus fertilizer control measures |
由表 7可知，钙镁磷肥及其调控处理间相比，CMPD处理磷肥累积利用率两年分别为7.0%和10.9%，仅在2019年显著高于CMP、CMPS处理；CMPD处理磷素盈余量两年均为最低，分别为16.3 kg·hm–2和11.0 kg·hm–2，仅在2019年与CMP、CMPS处理有显著差异（表 7）；CMPD处理磷肥农学效率两年均为最高，分别为5.0 kg·kg–1和21.1 kg·kg–1，但是与CMP、CMPS处理无显著差异（表 7）。
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表 7 钙镁磷肥及其调控处理和石灰调控处理下磷素累积盈亏量、磷肥农学效率及磷肥累积利用率的变化 Table 7 Changes in cumulative phosphorus surplus, phosphorus agronomy efficiency and cumulative utilization rate of phosphate under calcium magnesium phosphate fertilizer and its control treatment and lime control treatment |
0.7SSPL处理磷肥累积利用率两年分别为9.5%和14.2%，仅2019年显著高于0.7SSP处理（表 7）。0.7SSPL处理磷肥农学效率仅在2019年显著高于0.7SSP处理（表 7）。0.7SSPL处理土壤磷素盈余量两年均为最低，在2019年与0.7SSP处理有显著差异（表 7）。
本研究表明，钙镁磷肥+秸秆还田处理土壤有效磷含量低于单施钙镁磷肥处理（图 5a），这与前人研究结果相反，如王昆昆等[21]研究发现，秸秆还田较单施化学磷肥能显著提高土壤有效磷的含量，归因于秸秆还田提高了土壤微生物数量，进而提高磷酸酶活性[22]，促进了微生物对土壤难利用磷的活化。而本研究土壤初始有效磷含量较低（7.19 mg·kg–1），且钙镁磷肥供磷效果较慢，秸秆还田后土壤C/P比值增大[23]，磷被微生物固定。当钙镁磷肥配施磷酸二铵时作物产量、磷肥累积利用率优于单施钙镁磷肥处理（图 5a，表 6，表 7），说明增加水溶性磷含量可提升作物产量和肥料利用率。有研究[24]表明石灰可提高红壤磷素有效性、作物产量和磷肥利用率，本研究结果与其一致：在施等量磷的前提下，石灰处理的各项指标要优于单施过磷酸钙处理（图 5b，表 6，表 7），原因可能是石灰中含有大量的钙元素对植物钙起到了补充作用，或是因为石灰作为碱性物质对于酸性的过磷酸钙进行中和，进而起到提升磷素有效性的作用。
3 结论综合两年田间试验结果，在弱酸性低磷红壤上（pH6.5）猪粪对油菜产量及磷肥累积利用率的提升效果最佳，其次为水溶性磷肥，而以钙镁磷肥效果最差，在弱酸性红壤上钙镁磷肥需配施水溶性磷肥施用，以满足对作物的供磷需求；结合油菜产量和磷肥利用率，减磷30%可以作为该地区农业生产中的推荐施磷量。
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