赵芸晨, 王治江, 孙晓娟, 付余业

(1.河西学院 农业与生物技术学院, 甘肃 张掖734000; 2.甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室, 甘肃 张掖 734000; 3.甘肃张掖市中天农业科技有限公司, 甘肃 张掖 734000)

磷素在农业生产与环境安全中具有重要影响，磷肥当季利用率低，在土壤中移动性小，固定强烈[1]；磷素施用后的产量效应逐渐降低，农田土壤磷素环境风险逐渐增大[2-3]，磷素已经成为农业生产的重要限制因素，研究表明随着土壤磷素大量积累，土壤磷素逐渐由亏转盈[4-5]，70%～90%的磷成为难以被作物吸收利用的固定形态[6]。石灰性土壤12 a磷肥施用，无机态磷大量增加[6]。棕壤26 a化学磷肥施用，除十钙磷以外的其他磷素均增加[7]。

河西走廊张掖是全国玉米制种大区，玉米种子产量占全国用种量70%以上，为当地经济提供了巨大贡献。高利益驱动下，使玉米制种地块连作严重，且85%以上农田采用恒量施肥模式，势必会对玉米种子生产造成相应的影响，因此研究制种玉米连作恒量施磷模式下土壤磷素动态变化、土壤—植物磷素平衡，以及植物磷素吸收利用效率问题对该区玉米种子生产及当地生态环境变化都具有重要意义。作者前期研究表明10 a制种玉米连作生产，土壤总磷含量增加，速效磷先增后降[8]，但恒量施肥模式，长期连作，不同土类土壤磷素迁移、分级的研究报道还未见，外源磷素进入后在土体后发生的运移、转化、积累、吸收利用动态，及其变化对生态环境影响的研究也未见报道。基于此，本研究拟以当地2种代表性石灰性灌漠土与石灰性潮土为研究对象，玉米制种连作8 a，研究连作条件2种不同土类土壤磷素动态变化特征及磷素养分亏缺、吸收利用规律，以期阐明制种玉米连作土壤磷素动态变化情况，为合理施磷，提高磷肥利用率，高产优质玉米种子生产提供合理的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省张掖市乌江镇(海拔1 400 m，东经106°33′—107°47′，北纬37°04′—38°10′，土壤类型灌漠土)与张掖市临泽县鸭暖乡(海拔1 600 m，东经99°51′—99°57′，北纬38°57′—39°02′，土壤类型潮土)，2种土壤基本理化性状：灌漠土，pH值8.4，有机质17.5 g/kg，全氮0.91 g/kg，全磷0.661 g/kg，碱解氮63 mg/kg，速效磷7.5 mg/kg，速效钾160 mg/kg。潮土pH 8.7，有机质13.5 g/kg，全氮0.83 g/kg，全磷0.635 g/kg，碱解氮56 mg/kg，速效磷7.1 mg/kg，速效钾167 mg/kg。

1.2 供试品种

供试玉米品种为浚单22(河南秋乐种业集团提供)，播前种子包衣，包衣剂代号Q23，种子成熟后收获全株，籽粒与秸秆分别收获，秸秆不还田，测定籽粒、秸秆产量及籽粒、秸秆全磷含量。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，连续定位恒量施肥模式，于2006年开始，小区面积30 m×20 m，3次重复，小区四周设置保护行，制种玉米种植模式为“行比加满天星”，播前覆膜。种植期间只施尿素与磷二铵，其中二铵用量525 kg/hm2(磷二胺，P2O548%)，氮肥用量675 kg/hm2(尿素，N 46%)，播前以底肥形式施入全部磷肥与1/3氮肥，拔节期及孕穗期追施剩余2/3尿素，通过药剂防治红蜘蛛及其他常见病虫害，常规水肥管理，灌漠土小区代号A，潮土区代号B。

1.4 分析项目及方法

土壤与植物样品：分别在连作的第1，3，5，7 a地上部分分秸秆与籽粒分别取样(因2014年鸭暖乡试验地受虫害影响没有取样，于连作第8 a取样)为植物样品，测定全磷含量，以末施磷区为空白对照CK。全株采收后利用5点法，每小区取6个样点混合成一个土壤样品，风干后测定全磷、速效磷，并分析磷的活化系数，样品名称分别为A1,A3,A5,A7和B1,B3,B5,B8；在0—20,20—40,40—60 cm分层采样，样品名称仍为A1,A3,A5,A7和B1,B3,B5,B8，分析无机与有机分级磷。

测定项目与方法：土壤全磷量采用碳酸钠熔融—钼锑抗比色法[9]。速效磷采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法。土壤无机磷分级采用顾益初和蒋柏藩法[10]，用0.25 mol/L的NaHCO3溶液浸提土壤二钙磷，用0.5 mol/L的NH4OAC(pH=4.2)溶液浸提土壤八钙磷，用0.5 mol/L的NH4F溶液浸提土壤铝磷，用0.1 mol/L的NaOH与0.1 mol/L的Na2CO3混合溶液浸提铁磷，用0.3 mol/L柠檬酸钠-Na2S2O4溶液浸提闭蓄态磷，用0.5 mol/L的H2SO4溶液浸提十钙磷，然后在分光光度计上采用硫酸钼锑比色法测定。土壤有机磷分级采用Bowman-Cole法[11]，用0.5 mol/L的NaHCO3浸提活性有机磷，1 mol/L的H2SO4与1 mol/L的NaOH浸提中等活性有机磷，0.5 mol/L的NaOH浸提中稳性有机磷，0.5 mol/L的NaOH浸提高稳性有机磷，硫酸钼锑抗比色法测定。玉米籽粒与秸秆中全磷含量采用H2O2—H2SO4消煮—钼锑抗比色法测定[9]。

1.5 数据处理与统计

采用Excel 2007，SPSS 10.0软件对数据进行统计分析和处理，采用单因素方差分析对数据进行显著性检验，采用Person法对所有数据进行相关性分析。

表观磷平衡(%)(SPB)[12]=(输入磷-

输出磷)/输出磷×100%

(1)

磷素活化系数(%)(PAC)[13]=(土壤速效磷

含量/土壤全磷含量)×100%

(2)

作物磷素移出量(PTA)[14]=(籽粒全磷量×

籽粒产量)+(秸秆全磷量×秸秆产量)

(3)

磷肥表观利用率(%)(APUE)[15]=

(施肥区作物养分含量-不施肥作物养分含量)×100/施肥量

(4)

2 结果与分析

2.1 制种玉米连作恒量施肥模式土壤磷素构成特征

连作8 a，2种连作土壤全磷含量分别为719.82与705.24 mg/kg，较处理前(0.661与0.635 g/kg)增加，增加量分别为58.01与69.91 mg/kg，年平均增加量为8.28与8.75 mg/kg，增加率为8.76%～11.01%。灌漠土速效磷含量先增后降，潮土中速效磷含量持续增加，2种土类速效磷较处理前分别增加1.66～4.64与1.01～4.04 mg/kg。磷的活化系数(PAC)为1.274%～1.794%，均小于2%(表1)。

表1 制种玉米连作总磷与速效磷的变化

注：同行不同小写字母表明差异显著性(p<0.05); T-P代表总磷; Av-P代表速效性磷; PA代表磷活化系数。下同。

连作8 a，土壤磷素组成以无机磷为主，占全磷总量65.3%～70.2%，无机磷主要以钙磷(Ca-P)为主，其次为铝磷(Al-P)和铁磷(Fe-P)，而闭蓄态磷(O-P)只占全磷很少部分。钙磷中十钙磷(Ca10-P)含量最高，其次为八钙磷(Ca8-P)， 最后为二钙磷(Ca2-P)(表2)。总有机磷占全磷含量的6.3%～11.4%，主要以中度活性有机磷(MLO-P)为主，其次为中稳性(MRO-P)和高稳性有机磷(HPO-P)，活性有机磷(LO-P)含量最低(表3)。随连作年限增加、无机化肥连续施用，土壤不同磷素：Al-P,Fe-P,Ca8-P,Ca10-P,LO-P,MLO-P均增加(表2—3)。制种玉米连作8 a，灌漠土中T-P,Ca10-P,Ca2-P,Av-P,LO-P含量较潮土高，而Fe-P,Ca8-P,MLO-P,HPO-P与MRO-P含量较潮土低，O-P相差不大(表2—3)。

表2 研究区不同连作年限土壤无机磷在不同土层含量特征 mg/kg

注：表中不同小写字母表明差异显著性(p<0.05); Ca2-P代表二钙磷; Ca8-P代表八钙磷; Al-P代表铝磷，Fe-P代表铁磷; O-P代表闭蓄态磷; Ca10-P代表十钙磷; T-IP代表总无机磷。下同。

表3 研究区制种玉米连作有机磷在不同土层的分部特征 mg/kg

注：LO-P代表活性有机磷; MLO-P代表中度活性有机磷； MRO-P代表中稳性有机磷; HRO-P代表高稳性有机磷; T-OP代表总有机磷。下同。

2.2 制种玉米连作无机磷动态变化特征

恒量施磷模式下，随着施肥年限增加，无机磷总量增加，增加比率为14%～18%。无机磷分级钙磷所占比重最大，占无机磷总量81.15%～88.16%，其次为铝磷，占无机磷总量10.73%～16.20%，闭蓄态磷含量最小，只占0.36%～0.64%。钙磷中Ca2-P，Ca8-P，Ca10-P分别占无机磷总量5.32～9.95%，15.50～23.52%，55.66～64.19%，Ca10-P所占比重最大。2种不同土类随磷肥施用年限增加：除Ca2-P显著减少外， Ca8-P，Ca10-P，Al-P，Fe-P，O-P均增加；Fe-P在连作第3 a降至最低；灌漠土Ca10-P在连作第5 a，潮土Ca10-P在连作第8 a达最大，Ca8-P动态变化。灌漠土Ca2-P下降速率较潮土大，Ca10-P增加量较潮土高，Ca8-P与Al-P增加量较潮土低。不同剖面土层由上至下，各分级无机磷均呈现递减趋势(表4)，但各形态无机磷在不同土层所占总无机磷比例不同，Ca-P在20—40 cm土层比例最高，其次为0—20 cm土层，40—60 cm土层最低，O-P在40—60 cm土层比例最高，Al-P在20—40 cm土层比例最低，Fe-P在0—20 cm 比例最高。

Ca-P中，Ca10-P在40—60 cm土层比例最高，Ca2-P在0—20 cm土层比例最高，Ca8-P在20—40 cm土层最高(表4)。无机磷增加主要以Ca8-P与Ca10-P增加，呈现Ca10-P,O-P底聚，Ca2-P,Fe-P,Al-P表聚在0—20 cm，Ca8-P中层(20—40 cm)聚集现象(表4)。

表4 不同无机磷在不同土层占总无机磷的比例 %

2.3 制种玉米连作有机磷组分动态变化特征

如表5所示，有机磷各组分以MLO-P含量最高，占总有机磷52.10%～79.49%，其次为HRO-P，占9.31%～38.01%，MRO-P和LO-P含量较低，分别占6.64%～10.31%和3.21%～8.18%，随连作年限增加，2种不同土类，土壤总有机磷各组分均增加，其中灌漠土中增加幅度最大的是MLO-P，其次为MRO-P和LO-P，HRO-P有下降趋势，LO-P,MLO-P与MRO-P持续增加。

而潮土中有机磷各组分含量均随连作年限增加而持续增加。在不同剖面土层中，2种不同土类各不同有机磷组分均呈现表层含量最高—表聚现象，但不同组分在不同土层中所占比例不同，灌漠土LO-P在20—40 cm土层最高,HRO-P在0—20 cm土层最高，MLO-P，MRO-P在40—60 cm土层最高，而潮土LO-P，MRO-P在40—60 cm土层最高，MLO-P在20—40 cm土层最高，HRO-P在0—20 cm土层最高。

表5 各有机磷在不同土层占总有机磷的分布比例 %

2.4 制种玉米连作土壤磷素动态平衡变化

依据不同连作年限制种玉米籽粒与秸秆产量，籽粒与秸秆中磷素含量，磷肥施入量以及土壤中磷素含量，得出土壤磷素收支表观利用率等特征(表6)。由表6可以看出，当前恒量施肥模式，外源磷肥进入土壤产生173.10～175.65 kg/(hm2·a)的磷肥盈余量。灌漠土在连作第5 a，潮土在连作第3 a植物磷素带走量最大，分别达到79.05与78.15 kg/hm2，随后下降；而灌漠土在连作第3 a，潮土在连作第5 a磷素吸收量达到最大，分别为147.60与145.2 kg/hm2，然后下降，磷素的表观利用率只有2.08%～4.89%，磷素表观平衡系数均超过200%以上。

表6 不同土类作物磷素的带走、吸收及可及性

注：籽粒/秸秆磷带走量=籽粒/秸秆产量×籽粒/秸秆全磷量，总磷=籽粒磷+秸秆磷，剩余磷=施入磷肥量-总磷，磷肥表观利用率=(施肥区作物养分含量-不施肥作物养分含量)×100/施肥量。

长期单施化肥使土壤磷素的可及性在一定程度上增加，但其增加量有限，分别在灌漠土上连作第3 a，潮土上连作第5 a达到最高，随后下降，作物磷素吸收量也呈现相同规律，先增后降，制种玉米种子生产，总体磷肥利用率极低，大量磷肥在土体中盈余。

2.5 制种玉米连作土壤磷素间相关性分析

土壤各形态磷的相关关系如表7—8所示。由表7可知，在恒量施磷模式，制种玉米连作8 a，土壤全磷与土壤速效磷、总无机磷，八钙磷、十钙磷、铝磷均呈现显著正相关关系，相关系数分别为0.958,0.798,0.875,0.896,0.766，土壤中磷素总量的增加与上述不同形态磷素增加关系密切，土壤无机磷总量与土壤中八钙磷、十钙磷关系密切。土壤速效磷与土壤中全磷、二钙磷、铝磷、八钙磷4项指标关系密切，说明土壤中速效磷的增加与上述磷密切相关。

如表8所示，速效磷与活性有机磷和中度活性有机磷也显著相关。有机磷总量与中活性有机磷、高稳性有机磷关系密切，中活性有机磷与全磷间关系密切。

表7 各无机磷素间的相关系数

注：*表示显著相关； **表示极显著相关。下同。

表8 各有机磷素间的相关关系

3 讨 论

3.1 衡量施肥模式对连作制种玉米各形态磷库的影响

外源磷进入土壤后被有机、无机组分吸持，并最终以不同形态赋存于土壤，表现出不同的移动性和生物活性[16]。在本研究中，恒量施磷肥，制种玉米连作8 a，除Ca2-P以外的其他分级磷，全磷、速效磷均不同程度增加，说明外源无机磷肥施用可使土壤磷素增加，这与裴瑞娜及刘建玲长期施用无机磷均能显著增加土壤中Olsen-P含量的研究结论相符[17,6]，但不同分级磷在不同土层所占比例不同，说明种子连作生产过程，不同分级磷在土体中转化、累积、移动与被利用的程度不同。其中活性较高的Ca2-P含量显著减少，表明其在连作过程被持续利用，是玉米种子生产主要的有效磷源，特别生产力较高的灌漠土消耗比例较潮土高。本研究中，Ca8-P与Ca10-P的量呈现积累—消耗—再积累模式，其中Ca8-P层聚在20—40 cm，Ca10-P在40—60 cm底聚，说明Ca8-P潜在被利用程度较Ca10-P高，Ca10-P被利用程度低。Al-P，Fe-P，O-P稳步增加，Fe-P呈现表聚现象，有被潜在利用的可能性。Al-P随连作年限由表聚变底聚，可利用性由大变小。前人研究表明，Al-P是石灰性土壤中一种相当有效磷源[18-20]，Ca8-P，Al-P与Fe-P是作物第2有效磷源，无机磷对玉米有效性表现为Ca2-P>Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca10-P[20]。O-P与Ca10-P被认为是土壤中非活性磷的赋存形态[21]。本研究中，从相关系数的大小可以看出，各种形态磷对总磷的贡献为：Ca10-P>Ca8-P>Ca2-P>Al-P>Fe-P >O-P，各形态磷对速效磷的贡献为Ca8-P>Ca2-P>Al-P>Fe-P>Ca10-P>O-P，这说明本研究石灰性土壤中可有效增加土壤磷含量，但其底聚趋势使其潜在有效被利用程度低，Ca8-P，Al-P，Fe-P分布在植物根系较丰富的区域，潜在被利用的程度较大，为潜在有效磷源，但其活性不同，在土壤中移动性也不同，在不同土层的积累量之间存在差异。由无机磷、速效磷的增加比率可以看出，河西走廊石灰性土壤恒量施磷，速效磷转化比率小，有部分磷转化为潜在植物磷源，还有大部分磷转化成难利用性无机磷，如Ca10-P，逐渐向土壤下层移动，造成土壤中磷的累积。O-P也是作物潜在磷源[22]，但在本研究中，闭蓄态磷在土壤剖面中含量最低，且呈现明显底聚现象，潜在被转化利用的可能性较小。由上可以看出，不同磷素增加，但主要以难溶性磷增加为主，且磷土壤中的移动性都较小，造成土壤磷空间分布不均，土体剖面磷素动态分布不平衡现象，从而影响作物根系对养分的吸收，使所施磷肥的空间有效性降低。

本研究中，有机磷各形态增加，且均呈现表层含量较高现象，可以作为潜在磷源。中活性与活性有机磷可以作为植物有效磷供应的指标之一。从相关系数可以看出，长期单施化肥能促进植物难以利用的高稳性有机磷向活性、中活性有机磷转化，施肥处理有利于增加耕层活性、中活性有机磷的含量。

3.2 衡量施磷模式制种玉米连作磷素动态利用与磷肥施用关系

作物对磷素的吸收利用不仅取决于土壤磷的含量和形态，还取决于磷素在土壤中的运移，无机磷是作物吸收利用的主要磷源，其在土壤中的含量和形态影响作物对磷素的吸收与利用，而有机磷对作物磷素的吸收也具有一定的影响。土壤全磷的变化与许多因素有关，许多研究表明长期过量施肥会导致土壤全磷含量升高[23]，本研究中，磷的增加量与土壤全磷变化线性相关，每年在土体中盈余较多磷肥，外源输入磷量远大于产品磷输出量，说明全磷增加与外源磷肥进入直接相关，外源磷肥施入导致磷素在土壤中的积累，这与孙宁科等[24]24 a田间定位研究结果相似。本研究不同分级磷不同土层增加程度不同，说明肥料磷进行了部分转化与移动。施入土壤的无机磷肥，主要向植物难利用的Ca10-P,MRO-P,HRO-P转化，这可能与二铵的效应有关，二铵施入土壤后，会引起土壤磷酸盐及土壤原有铁铝矿物发生分解，释放铁铝，减少对肥料磷的固定和限制磷肥迁移有关[25]，不过金亮等[25]认为短时间内肥料磷不会转化形成结晶态的难溶性含磷矿物，仍以水溶态存在，可以得出水溶态磷肥短期肥料效应与长期肥料效应不同，这造成不同连作年限外源磷肥的转化效应在土体中进行了不同的表征。另外，本研究中2种土壤类型均为典型石灰性土壤，理论上存在碳酸钙对磷素固定现象，使钙磷有效性降低。有研究表明，当土壤磷素负荷超过一定的临界点，磷的释放能力将迅速增加，产生磷素在土体中的垂直迁移[26-28,14]，且Eghball等[29]认为外源化肥在土壤中的迁移距离为1.1 m，一旦超过，将进入其他循环中，磷素向下累积，超过农作物的需求水平，下层土壤对迁移的磷素具有很强的吸附能力[29]。本研究中，虽然土壤速效磷含量< 57 mg/kg，各分级磷在土体中垂直迁移性较小，但外源磷肥残余量较大，有部分成为结合态磷，有部分成为潜在磷源，且活性很低的Ca10-P与O-P在土体下层呈现底聚趋势，磷素活化系数<2%，磷素表观利用率<5%，被利用的肥料磷只占到施用磷肥的15%左右，且磷肥一次性以基肥形式施入。Djodjic等研究表明，即使土壤固磷能力末达到饱和，若土壤中存在大孔隙，水溶性磷与吸附磷也会向下移[30],且磷肥后效较高[31]，超过磷素利用的临界点，将使土壤磷极度不平衡，造成植物对磷的吸收发生紊乱。说明本试验制种玉米连作恒量施磷水平条件下，全磷很难转化为速效磷，其有效性不高[29]，在土壤中形成残留，并向下积累，超过农作物的需求水平，土壤中磷素负荷正在逐渐加重，形成土壤磷空间分布不均状态，使磷肥的空间有效性降低，从而造成植物磷素吸收紊乱，极有可能进入其它循环。恒量施磷是制种区长期制种玉米生产过程中一种保护产地稳定的政策，但其磷肥施用量远远超过农田植物获取经济产量实际所需要磷素水平，具有极大的潜在环境威胁性，其模式不利于生产区土壤磷素的合理循环与利用，增加了磷素离开土体，向水体或生态环境中迁移的可能，必将使生产区面临巨大面源污染，导致相应的生态环境隐患。同时，磷素过量施用又会引起作物早熟，诱发土壤缺锌，缺钼，有害重金属如镉元素的富集[8]，使土壤碱性加重，理化性状恶化。在今后的制种生产过程中，本区制种田磷素施用应减量或基本停止施用，进一步研究如何有效转化土壤中残余磷素。

3.3 衡量施肥模式2种不同土类磷素动态变化特征

石灰性潮土与灌漠土上定位施用磷肥，无论是分级磷含量还是分级磷在不同土层变化趋势间均存在一定的差异性，从产量水平可以看出，灌漠土生产力较潮土高，从磷素的分级积累看，Ca8-P在潮土中移动性较灌漠土中强，灌漠土Ca10-P达到最高年限较潮土中早，潮土中除HRO-P外其他有机磷均向下移动性增加，2种不同土类磷素的移动性特征及磷素含量高低可能与土壤本身的肥力特征、水文运动特性及与地下水相连有关。研究表明，土壤水分条件与土壤中各个形态磷的相对含量有关，随着水分的增加和还原作用的加强，会对土壤磷的吸附发生改变[32-33]。灌漠土发自于漠土纲，水分条件较差，在后期灌耕过程中，肥力逐渐增加，而潮土多源发于较低湿洼且地下水位较高的地方，水分动态较灌漠土活跃，因此其磷素运移特性较灌漠土更明显，磷素的累积量也较灌漠土中明显，但水文动态特性增加了磷素向土体下部迁移且进入水体及其他生态环境的危险性，潮土中磷素的施用更应该关注磷素的累积问题。

4 结 论

制种玉米连作恒量施磷8 a土体含磷量增加。2种不同农业土壤，除Ca2-P下降外，其他总磷及各分级磷均不同程度增加。Ca10-P及MLO-P含量最高，增加量最大，O-P及LO-P相对含量最低。总磷转化率低，磷素在土体中移动性较小，磷肥表观利用率小于5%，磷素活化系数<2%,外源输入磷肥以174.16 kg/(hm2·a)量残余在土壤中，大部分磷以低溶解态形式聚积在土壤表层。但随连作年限增加，表层土壤对磷素特别对钙磷及有机磷的固持及转化率下降，赋存容量下降，呈现底聚趋势，对生态环境健康存在极大威胁，应减量或停止施磷。潮土磷肥施用需更加精细化。

致谢：本研究在实施过程中，受秋乐种业生产部经理鲁银国大力支持，在土样采集与管理过程受中天种业的大力支持，在此表示衷心的感谢！

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