区惠平，周柳强，黄金生，谢如林，朱晓晖，彭嘉宇，曾艳，莫宗标，谭宏伟，叶盛勤

（1广西壮族自治区农业科学院农业资源与环境研究所，南宁 530007；2广西壮族自治区农业生态与资源保护总站，南宁 530000）

0 引言

【研究意义】磷是植物生长发育必需的营养元素，是提升地力和作物产量的重要保障因子[1]。甘蔗是广西主要的支柱产业，全区甘蔗种植面积常年稳居全国第一[2]。广西蔗区土壤普遍缺磷，磷是作物生长的主要限制因子[3]，生产上需要大量施用磷肥确保甘蔗高产稳产。据统计，广西全区作物常年施入纯磷 60 万t[4]。然而，作物的磷肥当季利用率仅为10%—25%[5]。大部分施入土壤中的磷被固定为钙磷、铁磷和铝磷[6]，并随磷的流失成为农业面源污染的重要来源[7]。因此，阐明施肥尤其增量施磷下磷素在土壤中的时间累积变化特征以及对磷素盈亏的响应，分析磷素变化对作物产量和磷素地表径流流失的影响，对合理施用磷肥，科学管理土壤磷素，提高作物产量和减少环境污染风险具有重要意义。【前人研究进展】前人在土壤磷素的演变及其变化量对磷累积盈亏量的响应、土壤Olsen-P农学阈值做了大量的研究工作。研究表明，不施肥土壤磷素下降，持续集约化施入磷肥显著提高土壤全磷和有效磷含量[8-11]。我国土壤以11%的速度在累积磷[12]，土壤磷素流失风险加剧[13]。土壤磷素变化与土壤磷素盈亏有显著相关关系[8-10]，因作物类型、土壤类型、气候、种植制度和施肥制度而异[14-15]。土壤Olsen-P与作物产量呈报酬递减规律[8]。【本研究切入点】目前关于土壤磷素的演变主要侧重于黑土、褐土、紫色土、黑垆土、水稻土、潮土、红壤等[8,15-20]，对于赤红壤的磷素研究局限于有效磷丰缺分级指标[21-22]、磷的吸附解吸特征[23]，酸雨或施肥下赤红壤磷素形态、淋失特征[24-26]、耕层土壤磷空间变异[27]等。针对赤红壤蔗区土壤磷的演变未见报道。赤红壤区降雨充沛，土壤地表径流和淋溶作用强，长期增量施磷造成土壤磷素盈亏量变化，势必对土壤磷素累积及流失产生影响，因此，迫切需要探讨连续施肥尤其增量施磷下土壤磷素的演变特征及其与土壤磷盈亏的响应关系，明确土壤磷素的农学阈值。【拟解决的关键问题】利用长期定位试验系统研究施肥下赤红壤蔗区土壤磷素累积、磷素流失和磷素变化与磷平衡、甘蔗产量的响应关系，确定土壤的Olsen-P农学阈值，为赤红壤蔗区磷肥科学施用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

蔗地长期肥力与地表径流定位监测试验始于2008年，地点位于广西，农业农村部华南植物营养与施肥技术科学观测实验站内（东经 108°2′50.2″，北纬 23°14′49.0″），海拔高度 115 m。该地处于亚热带季风气候，年平均气温21.7℃，最高气温40.7℃，≥5℃积温8 046℃，年均降雨量1 250 mm，年蒸发量892.6 mm，无霜期约为346 d，年均日照时数1 660 h，太阳辐射量为4 529 MJ·m-2。温、光、热资源丰富。

1.2 供试材料

1.2.1 供试作物 种植的甘蔗品种2008—2010年为新台糖22号，2011—2013年为桂糖28号，2014—2018年为桂糖29号。

1.2.2 供试土壤 土壤为第四纪红土发育的赤红壤，试验开始前表层（0—20 cm）土壤理化性质：pH（H2O）5.68，有机质 20.1 g·kg-1，全氮 0.85 g·kg-1，铵态氮 5.58 mg·kg-1，硝态氮 0.9 mg·kg-1，速效磷 9.7 mg·kg-1，速效钾 53 mg·kg-1。

1.3 试验设计

选取长期试验的3个不同处理：（1）耕作不施肥（CK）；（2）优化施肥（OPT）；（3）增量施磷（OPT+P），磷肥施用量为 OPT处理的 1.5倍，氮钾肥施用量同OPT处理。随机区组设计，3次重复，小区面积24 m2（长8 m、宽3 m）。小区四周筑40 cm深水泥作永久性田埂（宽12 cm，高40 cm，地下埋深30 cm），无灌溉设施，不灌水，为自然雨养农业。每个小区外对应1个独立的容积为1.5 m3的径流收集池（长3 m、宽1 m、深 0.5 m），池内设有标杆池，用于计量地表径流的产流量。径流池上盖有盖子，小区内设有凹槽连通径流收集池。

施肥处理氮钾肥施入量一致，磷肥 2008—2010年和2013年施入120 kg·hm-2，2011—2012年以及2014—2018年施入 135 kg·hm-2。各处理均采用尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O518%）和氯化钾（K2O 60%）。甘蔗种植及施肥方法参见区惠平等[28]文献。杂草与病虫害防治与当地甘蔗种植一致。

试验种植制度为 1年新植蔗-2—3年宿根蔗，其中，2008、2011、2014和2018年为新植年份，2009、2012和2015年为第一年宿根、2010、2013和2016为第二年宿根、2017年为第三年宿根。

1.4 测定项目和方法

甘蔗产量验收：各小区单独测产，在甘蔗收获期将各小区的甘蔗全部平地收获，脱叶，砍去尾稍，按实收株测定蔗茎产量与蔗叶产量。

植株样品的采集与测定：在甘蔗收获前取小区生长势一致的代表性植株6株，平地收获。用H2SO4-H2O2消化，钼锑抗比色法测磷[29]。

土壤采集与测定：每年在甘蔗收获后15 d内使用直径2 cm的土钻，按X方式采集0—20 cm 土层土壤15个点混合样，室内风干，磨细过1 mm和0.25 mm筛，分别用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定Olsen-P含量和碱熔-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量[29]。

径流水样的采集及其总磷测定参照区惠平等[24]文献。

1.5 数据处理方法[8,10,17]

作物相对产量对土壤有效磷的响应关系通过Mitscherlich方程模拟，公式如下：

由方程模拟出的相对产量为最大值的90%时，土壤有效磷的含量即为农学阈值。

式中，Pi表示第 i 年土壤磷含量；P0表示初始土壤有效磷含量；P2为甘蔗种植第2年的土壤全磷含量；Yr为蔗茎的相对产量（t·hm-2）；Yi为每年各处理蔗茎产量（t·hm-2）；Ym为每年各处理的最大蔗茎产量（t·hm-2）；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Olsen-P的响应系数；x是土壤有效磷含量。

数据采用Excel 2007进行整理，DPS7.5软件分析，Sigmaplot软件和 origin 8.0软件作图。不同处理间多重比较采用 Duncan新复极差法（α=0.05）。

2 结果

2.1 土壤全磷含量变化

图1显示，各处理土壤全磷含量均与甘蔗种植年限呈极显著相关关系。CK处理土壤全磷含量随试验年限呈缓慢下降，从种植第二年（2009年含量）的0.44 g·kg-1下降到 2016 年的 0.31 g·kg-1，下降幅度 29.5%。施用磷肥后，土壤全磷含量均随试验年限波动增加。OPT和 OPT+P处理分别从试验第二年的 0.40 g·kg-1和 0.53 g·kg-1上升到 2016 年的 0.64 g·kg-1和 0.92 g·kg-1，增幅 60.0%和 73.0%。拟合分析，CK处理全磷降低速率为 0.0251 g·kg-1·a-1，OPT 和 OPT+P 处理全磷含量增加速率分别为 0.0318和 0.0596 g·kg-1·a-1。可见，土壤连续种植甘蔗而不施用磷肥，由于磷的耗竭，土壤磷素将变得缺乏，施用磷肥尤其增量施磷提高南方赤红壤区土壤全磷含量。

图1 连续施磷下赤红壤蔗地土壤全磷含量变化Fig. 1 Change of total P in latosolic red soil under long-term P fertilization

2.2 土壤Olsen-P含量变化

图2显示，CK处理土壤Olsen-P含量变化不规律。施肥后土壤Olsen-P含量均随种蔗年限的增加呈现波动上升趋势。其中，OPT和OPT+P处理分别从试验开始的 9.7 g·kg-1上升到 2018 年的 45.8 mg·kg-1和 50.0 mg·kg-1，增幅高达4.7倍和5.2倍。拟合分析，Olsen-P含量增加速率分别为 4.3 和 5.3 mg·kg-1·a-1。

2.3 土壤磷变化对土壤磷盈亏的响应

2.3.1 土壤磷素盈亏情况 图 3显示，CK处理 11年当季土壤表观磷盈亏量和累积磷盈亏量平均分别为-10.2 kg P·hm-2·a-1和-112.1 kg P·hm-2。施磷肥处理当季土壤表观磷盈亏处于盈余状态，11年平均土壤表观磷盈亏量和土壤磷累积盈亏量分别为41.3—69.2 kg P·hm-2·a-1和 454.7—761 kg P·hm-2，以 OPT+P 处理显著高于OPT处理67.5%。年平均土壤表观磷盈亏量占施磷量的比例OPT和OPT处理分别为31.9%和35.6%。说明增量施磷加剧了土壤磷的盈余。

2.3.2 土壤全磷与有效磷变化对土壤磷素盈亏的响应 图4显示，土壤全磷变化量与土壤累积磷盈亏量呈显著（P<0.05）或极显著正相关关系（P<0.01）。CK处理每亏缺100 kg P·hm-2，土壤全磷含量下降0.32 g·kg-1，OPT 和 OPT+P 处理每盈余 100 kg P·hm-2，全磷含量增加0.06和 0.09 g·kg-1。

CK处理土壤Olsen-P变化量与土壤累积磷盈亏量无相关关系。施肥土壤 Olsen-P变化量与土壤累积磷盈亏量呈极显著正相关关系（图 5，P<0.01）。OPT处理和OPT+P处理土壤每盈余100 kg P·hm-2，Olsen-P浓度分别上升11.0和9.1 mg·kg-1。所有处理下的土壤全磷及Olsen-P变化量与土壤累积磷盈亏量的关系表明，随着土壤累积磷盈亏量的增加，土壤全磷及有效磷含量呈增加趋势，赤红壤每盈余 100 kg P·hm-2，全磷及Olsen-P浓度分别上升0.08 g·kg-1和8.1 mg·kg-1（图6）。

图2 长期施磷下赤红壤蔗地土壤速效磷含量变化Fig. 2 Change of Olsen-P in latosolic red soil under long-term P fertilization

图3 连续施磷下土壤磷盈亏变化Fig. 3 Change of P balance under long-term P fertilization

2.4 蔗茎产量对土壤有效磷的响应

磷农学阈值是指当土壤中的有效磷含量达到某个值后，作物产量不随磷肥的继续施用而增加，即作物产量对磷肥的施用响应降低。图 7显示，以Mitscherlich方程拟合作物相对产量和土壤有效磷的关系获得的赤红壤蔗地土壤 Olsen-P农学阈值为12.1 mg·kg-1。

2.5 施肥下地表径流磷流失变化及其与土壤 Olsen-P的关系

将11年地表径流磷流失量进行平均分析，结果表明（图8），与CK处理相比，施肥均显著提高地表径流磷的流失量49.5%—87.3%。施肥处理下，磷流失量 OPT+P处理极显著高于OPT处理 25.2%。可见施肥，尤其增量施磷提高了土壤磷通过地表径流途径流失的风险。将每年土壤地表径流磷流失量与土壤Olsen-P含量进行线性拟合，两者呈显著相关关系（P<0.05）（表1）。

2.6 施肥下土壤磷素管理

图4 连续增施磷肥土壤全磷变化与土壤磷累积盈亏的关系Fig. 4 Correlations relationship between soil total P change and P balance under long-term P fertilization

图5 连续增施磷肥土壤Olsen-P变化与累积磷盈亏的关系Fig. 5 Correlations relationship between soil Olsen-P change and P balance under long-term P fertilization

图6 赤红壤全磷及Olsen-P变化量与土壤累积磷盈亏的关系Fig. 6 Correlations relationship between soil total P, Olsen-P change and P balance under all treatments

图7 甘蔗相对产量与土壤有效磷的响应关系Fig. 7 Responses of relative yield of cane to soil Olsen-P content

农学阈值和环境阈值是土壤磷素管理的重要依据。当土壤的Olsen-P含量高于环境阈值时，应当减少磷肥用量使 Olsen-P含量降低到环境阈值下；当土壤的 Olsen-P含量高于农学阈值又低于环境阈值时，施磷量与作物带走磷量相当；当土壤 Olsen-P含量低于农学阈值，需要施入磷肥使Olsen-P达到农学阈值。

基于第11年的土壤Olsen-P含量以及土壤磷素变化量与土壤磷盈亏的关系，参考朱晓晖等[13]在红壤蔗区获得的土壤Olsen-P环境阈值，推算得出OPT和OPT+P处理Olsen-P水平从第11年降到环境阈值的时间分别需要12年和16年（表2）。

图8 长期增施磷肥下地表径流磷流失量Fig. 8 Change of P loss amount under long-term P fertilization

3 讨论

3.1 增施磷肥赤红壤磷素含量变化

施磷是显著影响土壤磷素含量变化的重要措施，而土壤磷素应对施肥措施的响应因不同土壤类型、种植作物等而异，一方面主要与不同种植作物下的土壤累积磷盈余量有关，另一方面，与土壤矿物质、黏粒以及有机质等对磷素固定解吸的差异有关[30]。研究表明，不施肥条件下红壤旱地冬小麦-夏玉米轮作下土壤全磷和速效磷含量以 0.0003 g·kg-1·a-1和 0.10 mg·kg-1·a-1的速率下降，单施氮磷钾以 0.0194 g·kg-1·a-1和 1.87 mg·kg-1·a-1的速率增加[8]，潮土小麦田不施肥以0.004 g·kg-1·a-1和 0.13 mg·kg-1·a-1的速率下降，单施氮磷钾以 0.005 g·kg-1·a-1和 0.02 mg·kg-1·a-1的速率增加[31]，中潴黄泥田双季稻土壤全磷含量不施肥以0.002 g·kg-1·a-1的速率下降，单施氮磷钾土壤全磷以 0.0033 g·kg-1·a-1的速率增加[17]。本研究表明，连续 11 年不施肥，由于甘蔗每年的携出，土壤全磷和速效磷随甘蔗种植年限的增加分别以0.025 g·kg-1·a-1（图1）和0.18 mg·kg-1·a-1的速率（图2）下降。施磷处理土壤磷长期盈余（图3），OPT与OPT+P处理土壤全磷和速效磷分别以 0.032 g·kg-1和 4.3 mg·kg-1·a-1、0.060 g·kg-1·a-1和5.3 mg·kg-1·a-1的速率（图1和图2）增加，施磷量越高，土壤磷素累积量越大，这主要是在增量施磷条件下，因此OPT处理和OPT+P处理甘蔗带走的磷素相当，OPT+P处理土壤累积磷盈余量更高（图3）。可见，磷肥的连续施用，尤其增量施用在土壤磷总贮量和磷素有效性的提升上效果更显著。这与大部分定位试验研究结果一致[8-9,20,32-33]。

表1 土壤地表径流磷流失量与土壤Olsen-P的关系Table 1 Relation between P loss and Olsen-P

表2 施肥处理第11年土壤Olsen-P含量降至环境阈值所需的时间Table 2 Time need for Olsen-P content in 11-year decrease to environmental threshold

3.2 磷素变化对磷盈亏量的响应

研究表明，土壤磷素变化量与磷盈亏量显著相关[8,10,30]，不同土壤类型、种植作物、施肥制度或同一区域同一作物，由于土壤性质和管理水平的差异，土壤磷素变化量对磷盈亏的响应有显著差异。土壤每累积盈余100 kg P·hm-2，单施氮磷钾肥西南紫色水稻土全磷和 Olsen-P含量分别增加 0.16 g·kg-1和 17.19 mg·kg-1[18]，红壤旱地小麦玉米轮作体系提高 0.02—0.06 g·kg-1和 3.00—5.22 mg·kg-1[8]，南方黄泥田双季稻单施化肥土壤Olsen-P提高4.5 mg·kg-1[10]，褐土、黑土、紫色土、水稻土土壤Olsen-P分别平均提高1.12、3.76、2.34、5.04 mg·kg-1[19]。本研究结果表明，长期不施肥，由于作物对土壤磷素的消耗，土壤全磷含量变少，土壤累积盈亏100 P·hm-2，土壤全磷下降0.32 g·kg-1。施肥下蔗地土壤磷均处于盈余状态，土壤累积盈余100 kg P·hm-2，土壤全磷含量OPT处理和OPT+P处理分别提高0.06和0.09 g·kg-1，Olsen-P 含量OPT处理和OPT+P处理分别提高11.0和9.1 mg·kg-1。可见，磷累积亏缺下，全磷降幅响应比磷累积盈余下全磷增幅响应大。增量施磷更能促进土壤全磷的累积。故过量施磷更容易增加磷素流失风险。

3.3 土壤有效磷与作物产量、径流磷流失及土壤磷素管理

土壤侵蚀是蔗地磷地表径流流失的一个重要机制[34]，在同等径流条件下，土壤磷水平越高，磷流失量越大。施肥，尤其增量施磷极显著增加地表径流磷流失量（图 8），这与其土壤磷水平含量较高有关。地表径流磷流失量与土壤 Olsen-P含量显著或极显著相关（表 2）也充分证明了这一点。由此可见，施肥提高土壤磷素水平的同时增加了磷通过地表径流流失造成环境污染的风险。故在生产上应注重土壤磷素的精准培肥，过高的土壤磷素导致磷素流失风险加剧，过低的土壤磷素又成为作物生长的限制因子。

土壤 Olsen-P农学阈值是评估作物产量效应的重要参考指标。研究认为，当土壤Olsen-P含量较低时，Olsen-P含量的增加显著增加作物产量，当土壤Olsen-P含量达到农学阈值时，Olsen-P含量增加无法继续引起作物产量的增加[8]。本研究采用Mitscherlich方程拟合获得甘蔗的农学阈值为12.1 mg·kg-1，这与黄美福等[22]在赤红壤以 10.5 mg·kg-1作为高磷水平的数据吻合，也与魏猛等[31]在潮土小麦地获得的农学阈值（13.41 mg·kg-1）相近，但低于李冬初等[8]在红壤区获得的小麦地（21.5 mg·kg-1）和玉米地 Olsen-P（32.9 mg·kg-1）农学阈值，这主要是作物、土壤类型以及气候环境等均是影响着作物农学阈值的因素。

出于产量与环境保护方面考虑，提高作物产量兼顾降低环境污染风险的最佳土壤Olsen-P含量控制在农学阈值与环境阈值之间。本研究发现连续施肥3年，土壤 Olsen-P含量从试验初始的 9.7 mg·kg-1上升到23.0—26.0 mg·kg-1，超过了土壤 Olsen-P 环境阈值（21.7 mg·kg-1）[13]，在第11年土壤Olsen-P含量更是高达环境阈值的2倍以上，加剧了土壤磷素通过地表径流或淋溶流失污染水体的风险。基于种植第 11年（2018年）的土壤Olsen-P含量，采用不施肥方式需要 12—16年时间土壤 Olsen-P含量才能降至环境阈值，其间必然对作物产量造成影响。因此，基于施肥处理土壤磷累积盈亏量及其与土壤 Olsen-P的相应关系，在初始土壤Olsen-P含量约为10 mg·kg-1的赤红壤蔗区，按120—135.5 kg P2O5·hm-2施入磷肥，在甘蔗种植的第 2—3年采用隔年施磷的措施均可维持土壤Olsen-P含量处于农学阈值与环境阈值之间。

4 结论

长期施磷土壤磷一直处于盈余状态，增量施磷下土壤磷盈余量更多，土壤全磷和 Olsen-P含量累积与提升更显著，地表径流磷流失量更大。土壤全磷和有效磷变化量均与土壤磷盈亏量呈显著正相关关系。土壤Olsen-P 农学阈值为12.1 mg·kg-1。当蔗区土壤 Olsen-P含量约为 10 mg·kg-1，施入 120—135.5 kg P2O5·hm-2并从甘蔗种植的第2—3年采用隔年施磷，可维持土壤 Olsen-P含量处于农学阈值与环境阈值之间。