王淑英，樊廷录，李利利，赵 刚，张建军，李尚中，王 磊,党 翼，程万莉，唐小明

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所/甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室,甘肃 兰州 730070；2.平凉市农业科学研究院，甘肃 平凉 744500)

磷是植物生长发育必需的营养元素之一, 植物利用的磷素主要来源于土壤，但很多农田土壤的自然供磷能力不能满足植物生长发育及高产对磷的需求，明确不同作物产量对土壤有效磷的响应关系和阈值，可为磷肥的合理利用和优化土壤磷管理提供科学依据。施磷显著改善了土壤磷肥力并提高土壤的供磷能力，但磷肥的当季利用率一般只有10%～25%[1]，当土壤中磷肥的投入量大于支出量时，剩余的磷素积累在土壤中，积累超过一定限度后向水体迁移，造成资源浪费和环境污染[2]。英国洛桑试验站长期定位试验表明，施入土壤的磷仅约13%以有效磷(Olsen-P)形式积累在土壤中，土壤磷的储量与新施入P的产量效应显示，磷肥施入到有效磷储备达到某一临界值的土壤时作物产量最高。当土壤有效磷含量低于某一临界值，产量随有效磷水平的增加而显著增加，当有效磷含量高于临界值时，磷肥的投入在增加土壤有效磷的同时不能显著增加产量，还会引起环境污染风险[3-4]，这一临界值即为作物高产的有效磷临界值或农学阈值。短期试验难以确定不同农业管理措施下土壤磷素演变特征、磷盈亏变化、农学阈值和环境阈值，从而无法量化土壤有效磷与磷盈亏的关系。研究表明，长期施磷后土壤磷平衡与有效磷变化呈极显著正相关，土壤每累积磷100 kg·hm-2，土壤有效磷增加值分别为：褐土1.12 mg·kg-1，黑土3.76 mg·kg-1，水稻土5.01 mg·kg-1，紫色土2.34 mg·kg-1，灌淤土0.47 mg·kg-1[5]。我国7个点位的长期试验研究结果表明：施用磷肥每盈余100 kg·hm-2，土壤有效磷增加1.44～5.74 mg·kg-1，每亏缺100 kg·hm-2，土壤有效磷下降1.44～5.74 mg·kg-1[6]；有效磷的变化对土壤磷平衡的响应关系因土壤类型、作物种类、施肥和管理方式等不同而差异明显[7-10]。当土壤有效磷水平超过一定阈值时，磷肥继续投入和提高土壤磷肥力则难以持续提高产量[11]; 小麦、玉米和水稻土壤有效磷的农学阈值分别为7.5～23.5、5.7～15.2 mg·kg-1和4.3～14.9 mg·kg-1，然而，由于气候条件、土壤性质和管理水平的差异，作物土壤有效磷的阈值差异很大[12-15]。

甘肃平凉长期定位试验站在揭示黄土旱塬黑垆土农田生产力、土壤肥力、肥料效率和碳库演变以及生物活性等方面发挥了重要的平台作用[16-21]。目前，沈浦、裴瑞娜等[12,22]利用该试验部分处理1979—2006年数据，分析了磷平衡、土壤磷有效性和农学阈值；王淑英等[23]依据所有处理36 a数据，分析了长期不同施肥下土壤磷和磷肥效率的演变特征，而有关黄土旱塬黑垆土有效磷农学阈值、不同施肥措施对磷盈亏的影响等尚未进行系统全面的分析研究。因此，本文利用该试验1979—2016年全部处理数据，分析长期不同施肥措施下土壤有效磷农学阈值、有效磷对磷盈亏的响应，以及达到有效磷农学阈值需要的年限、科学高效的施磷量和施肥措施，旨在为旱地黑垆土雨养农田科学合理施用磷肥和土壤磷肥管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验基地概况

试验基地位于甘肃省平凉市泾川县高平镇境

内(107°30′E，35°16′N)，是典型的黄土高原雨养农业区，土地平坦，海拔1 150 m，年均气温8.6℃，≥10℃积温2 800℃，年降雨量540 mm，其中60%集中在7—9月，年蒸发量1 380 mm，无霜期约170 d。光、热资源丰富，水热同季，适宜于冬小麦、玉米、果树、杂粮等生长。土壤为黑垆土，黄土母质，土体深厚疏松，利于植物根系伸展下扎，富含碳酸钙，腐殖质累积主要来自土粪堆垫。

1.2 试验设计

试验共设6个处理:不施肥(CK); 施氮肥(N); 施氮、磷肥(NP); 秸秆(S)还田配施氮、磷肥(SNP),其中磷肥为隔年施; 施农家肥(M); 氮、磷肥配施农家肥(NPM)。各处理的施肥量和磷输入量见表1。

表1 1979—2016年各处理年施肥量和磷素养分输入量

1979年试验开始的第一季作物为春玉米，多数年份按2年春玉米→4年冬小麦的一年一熟轮作制进行，其中1993—1998年为冬小麦连作、1999年为高粱、2000年为大豆。各处理按大区顺序排列，每个大区为一个肥料处理，每个处理面积666.7 m2，大区划分为3个顺序排列的重复，每个小区220 m2。玉米为露地穴播，密度5.25万株·hm-2，小麦机械条播, 播量187.50 kg·hm-2。氮肥为尿素，其用量的60%做基肥, 40%做追肥(均于春玉米、冬小麦拔节期均匀撒在种植行内)；磷肥为过磷酸钙；农家肥平均含磷0.267%、含氮0.158%；秸秆平均含磷0.17%、含氮量61%。农家肥和磷肥在作物播前全部基施，每年作物收获后结合犁地将约5 cm长的秸秆翻入土壤0～20 cm耕层。试验开始前耕层(0～20 cm)土壤化学性质：有机质10.75 g·kg-1, 全氮0.95 g·kg-1, 全磷0.57 g·kg-1, 碱解氮65.9 mg·kg-1, 有效磷6.77 mg·kg-1, 速效钾163.2 mg·kg-1。

1.3 样品采样

土壤样品：每季作物收获后(冬小麦9月15日播种、6月下旬收获，玉米4月20日播种、9月上旬收获)采集每个小区0～20 cm土层土样5个，均匀混合，土样风干用于土壤速效磷等指标的分析。

植物样品：小麦收获时每小区随机采集面积为0.5 m2的10个点植株样品混合, 玉米收获时每小区随机采集5株植株样品混合, 样品风干后脱粒, 进行收获指数和籽粒及秸秆磷含量测定。各小区的秸秆生物量通过收获指数和籽粒产量计算。

1.4 测定方法

土壤有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提、钼锑抗比色测定；植株磷含量采用H2SO4-H2O2消煮、钼锑抗比色测定。

作物产量：玉米每个小区收获40 m2, 小麦收获20 m2, 自然风干后, 每个处理单独计算产量。

1.5 指标计算与数据处理

磷盈亏平衡量:

PAB=PI-PO

(1)

式中，PAB为磷的盈亏平衡量(kg·hm-2)；PI为磷的当季投入量(kg·hm-2)；PO为磷的当季支出量(kg·hm-2)。

磷累积盈亏量:

APAB=API-APO

(2)

式中,APAB为磷的累积盈亏平衡量(kg·hm-2)；API为磷的累积投入量(kg·hm-2)；APO为磷的累积支出量(kg·hm-2)。

磷残余率：

PSR=PAB/PI×100

(3)

式中,PSR为磷的残余率(%)；PAB为施磷处理磷盈余平衡量(kg·hm-2)；PI为磷的投入量(kg·hm-2)。

土壤有效磷变化量：

ΔSAP=SAPn-SAP0

(4)

式中，ΔSAP为土壤有效磷的变化量(mg·kg-1)；SAPn为每年各处理有效磷含量(mg·kg-1)；SAP0为基础土有效磷含量(mg·kg-1)。

作物相对产量：

RCY=Yn/Ymax×100

(5)

式中，RCY为作物相对产量(%)；Yn为每年各处理产量(t·hm-2)；Ymax为试验每年所有处理最大产量(t·hm-2)。

作物有效磷农学阈值：

Y=A×(1-e-bX)

(6)

式中，Y为相对产量(%)；A为模拟获得的最大相对产量(%)；e是一个数学常数，即自然对数的底数，约等于2.718；b为土壤供磷能力；X为土壤有效磷含量(mg·kg-1)，作物相对产量达到90%最大相对产量所对应的土壤有效磷含量即为该作物的有效磷的农学阈值[24]。

采用 Excel和DPS 5.01软件模拟作物产量、土壤全磷和有效磷、作物磷肥效率的时间变化趋势，并进行显著性检验；应用Sigmaplot 12.5软件，拟合Mitscherlich方程，模拟作物相对产量对土壤有效磷的响应关系并作图，用最小显著性检验法(LSD)检验。

2 结果与分析

2.1 长期施肥下土壤磷盈亏及土壤磷的响应

2.1.1 土壤磷当季盈亏 各处理当季土壤表观磷盈亏差异较大(见图1)，不施磷处理(CK、N)当季土壤磷一直呈亏缺状态，平均亏缺9.42 kg·hm-2和9.62 kg·hm-2，随试验年限延长作物产量不断降低、当季磷亏缺值减少。施磷处理(NP、SNP、M、MNP)中SNP 当季土壤磷盈亏总体上呈盈余状态，平均盈余4.3 kg·hm-2，其中26 a冬小麦全部呈盈余状态，10 a春玉米呈亏缺状态；NP处理土壤当季表观磷盈亏个别年份亏缺，平均盈余14.5 kg·hm-2，M和MNP处理土壤磷当季盈余较高，分别为178.4 kg·hm-2和207.9 kg·hm-2，除第25～26年和第32～33年有较明显的下降外，其他年份变化不大，可能与2005年沈单16和2006年中单2号产量较高以及2011—2012年种植作物品种为产量高、养分吸收率高的先玉335有关。

图1 当季土壤表观磷盈亏Fig.1 P apparent balance under long-term fertilization

2.1.2 土壤累积磷盈亏 随着试验年限的增长，施磷处理土壤累积磷盈余量不断增加，且处理间差异增大。单施化肥N、不施肥(CK)处理的土壤磷累积亏损量增加。试验进行到2016年时，各处理土壤累积磷盈亏为-346.5～7 483.6 kg·hm-2(图2)，CK处理因长期不施肥作物产量较低，携出土壤磷量较少，土壤磷亏缺值较低；相对于CK，单施N处理土壤氮素养分状况较好，尤其试验开始前15 a内产量较高、土壤磷消耗量大于CK；MNP处理土壤累积磷盈余最高，是NP处理的14.3倍、SNP处理的48.3倍;M处理土壤累积磷盈余次之，是MNP处理的85.8%，NP处理的12.3倍、SNP处理的41.2倍。

图2 土壤累积磷盈亏Fig.2 Accumulation of P balance

2.1.3 土壤有效磷对土壤累积磷盈亏的响应 所有处理土壤有效磷增量(ΔOlsen-P)与土壤累积磷盈亏显著正相关(P<0.01，见图3)，黄土旱塬黑垆土每盈余磷100 kg·hm-2，土壤有效磷含量平均提高0.33 mg·kg-1。不同施肥措施土壤有效磷对土壤累积磷盈亏的响应差异较大(图4)，不施磷肥处理中N处理土壤有效磷增量与土壤累积磷亏缺显著正相关(P<0.05)，土壤每亏缺磷100 kg·hm-2，有效磷含量降低1.05 mg·kg-1，而CK处理土壤有效磷增量与土壤累积磷亏缺相关性不显著；4个施磷处理(NP、SNP、M、MNP)土壤有效磷增量与土壤累积磷盈余极显著正相关(P<0.01)，土壤每积累磷100 kg·hm-2，有效磷分别增加2.47、7.55、0.28、0.46 mg·kg-1，SNP处理土壤有效磷含量对土壤累积磷盈亏的响应最大。

图4 各处理土壤有效磷对累积磷盈亏的响应Fig.4 Response of soil Olsen-P to the accumulation of P under different fertilizations

图3 有效磷对土壤累积磷盈亏的响应Fig.3 Response of soil Olsen-P to the accumulation of P

2.2 土壤磷残余率

冬小麦种植年份，NP、SNP、M、MNP处理土壤磷残余率26 a的平均值依次为60.7%、46.3%、92.9%、92.5% (图5)，玉米种植年份相应处理土壤磷残余率10 a平均值为25.0%、-14.9%、86.5%、85.3%。玉米种植年份土壤磷残余率较小麦种植年份下降6.4%～61.2%，SNP处理下降幅度最大，M处理下降幅度最小。SNP处理小麦种植年份土壤磷盈余，土壤磷残余率在17.7% ～ 75.9%之间；玉米种植年份土壤磷总体亏缺，10 a间玉米种植年份土壤磷残余率在-78.7% ～ 47.9%之间，其中有6 a作物携出磷量大于当年施入磷量。无论小麦还是玉米种植年份，NP、M、MNP处理磷的施入量始终大于作物携出量。

图5 各处理磷的当季土壤残余率(%)Fig.5 The soil phosphorus residue of different fertilizations

2.3 土壤有效磷农学阈值

2.3.1 旱塬农田小麦、玉米的有效磷农学阈值 用Mitscherlich方程模拟土壤有效磷含量对作物产量的效应，作物相对产量达到90%最大相对产量所对应的土壤有效磷含量即为该作物的有效磷的农学阈值。当土壤有效磷含量低于该阈值时，作物产量随磷肥用量增加而显著提高；当土壤有效磷高于该阈值时，作物产量随磷肥的增加提高缓慢，或者无提高趋势。利用长期定位试验的各处理土壤有效磷含量与作物产量数据，运用Sigmaplot 9.0拟合出小麦和玉米相对产量与土壤有效磷的指数曲线(图6)，玉米：Y=95.88(1-e-0.20x)(R2=0.58,p<0.0001,n=54)，小麦：Y=93.42(1-e-0.15x)(R2=0.56,p<0.0001,n=132)，玉米和小麦相对产量达到90%最大相对产量时的土壤有效磷值分别为13.96 mg·kg-1和22.05 mg·kg-1。

图6 作物产量对土壤有效磷的响应Fig.6 Response of crop yield to the soil Olsen-P under long-term fertilization

2.3.2 不同施磷处理土壤有效磷含量达到农学阈值的年限 4个施磷处理(NP、SNP、M、MNP)耕层土壤有效磷含量(2016年)分别为13.48、10.05、20.74、32.20 mg·kg-1，M 和MNP处理耕层土壤有效磷含量已超过小麦和玉米农学阈值，M处理耕层土壤有效磷含量超过玉米农学阈值但没达到小麦农学阈值, 而NP和SNP处理耕层土壤有效磷含量低于玉米农学阈值。本长期定位试验中NP和SNP处理分别需要21a和24a耕层土壤有效磷含量才能达到小麦农学阈值，分别需要2a和8a耕层土壤有效磷含量才能达到玉米农学阈值；M处理需要3年耕层土壤有效磷含量才能达到小麦农学阈值。

3 讨 论

3.1 土壤磷对累积磷盈亏的响应及磷残余

黄土旱塬黒垆土农田耕层土壤有效磷变化与土壤磷累积盈亏呈正相关。不施磷肥的2个处理(CK、N)土壤磷长期亏缺，但CK耕层土壤有效磷对磷亏缺的响应小于N处理，土壤每亏缺100 kg·hm-2磷, CK土壤有效磷的减幅是N处理的19.05%，与N处理产量和携出土壤磷量大于CK处理有关，同时也可能与N处理长期单施无机氮肥、耕层土壤pH值下降有关[15,17]。施磷处理(NP、SNP、M、MNP)中SNP年均施磷量最小，36 a平均当季盈余和累积磷盈余也最低，但土壤有效磷对累积磷盈亏响应最大，土壤每盈余100 kg·hm-2磷，有效磷含量提高7.55 mg·kg-1，这可能与还田秸秆使微生物繁殖增强、提高了土壤生物活性、加速磷的矿化有关[25-26]；NP、M和MNP处理土壤有效磷增量均与土壤累积磷盈亏呈正相关，土壤每积累100 kg·hm-2磷，有效磷增加0.28～2.47 mg·kg-1，单施农家肥处理(M)耕层土壤有效磷对土壤磷素累积盈亏的响应最小，化学磷肥比农家肥更有利于土壤有效磷的增加，这与裴瑞娜等[18]研究结果一致，也与张淑香等[27]对我国50个长期肥料试验的研究结果(每100 kg·hm-2磷盈余使得各土壤有效磷含量提高1～6 mg·kg-1)相近。本研究中2个施磷处理土壤磷残余既与土壤投入磷量有关，也与作物吸收携出土壤磷量有关，总体上土壤投入磷量越多、利用率越低，土壤磷残余率越高，但M处理比MNP处理磷投入量减少14.2%，磷素利用率降低18.9%，土壤磷残余率高0.4%。这也许归结于MNP处理比M处理磷活化率高(2016年高37.8%)、农田土壤磷的作物有效性较好(2012—2016年有效磷含量平均提高59.1%)，最终引起作物产量大幅度提高、吸磷量增加(2012—2016年作物吸磷量平均增加10.2%)[23]。本研究结果表明，当磷素年均投入量为22.9～33 kg·hm-2时可以满足旱塬黒垆土作物生长需求，磷肥当季利用率较高，磷素在土壤中累积量较少；当磷素年均投入量大于233 kg·hm-2后会造成磷素在土壤中大量残余累积，作物产量对磷肥增加和土壤有效磷提高没有响应，与杨振兴等研究结果基本一致[28]。

3.2 土壤有效磷的农学阈值

土壤有效磷含量是影响作物产量的重要因素，土壤有效磷含量较低造成作物明显减产，但当土壤有效磷含量超过阈值时，增加磷肥施入对作物的增产效果不明显，甚至可能由于淋溶或者地表径流造成环境污染。因此，全面分析长期试验多年历史系统数据，明确土壤有效磷对磷盈亏的响应，确定土壤有效磷农学阈值以及达到有效磷农学阈值需要的年限，对旱地黑垆土雨养农田科学合理施用磷肥、采取高效的土壤磷肥管理措施至关重要。多项研究显示在小麦-玉米轮作中，小麦土壤有效磷农学阈值总是高于玉米[10-12]，陕西的土、安徽的黄棕壤、湖南和江西的红壤、河南和河北的潮土、江苏的水稻土、甘肃的灌淤土等6种土壤盆栽试验研究也说明冬小麦有效磷农学阈值(13.1～26.2 mg·kg-1)高于夏玉米(9.78～16.0 mg·kg-1)[29]；本研究黄土旱塬黑垆土农田小麦、玉米的有效磷农学阈值分别为22.05 mg·kg-1和13.96 mg·kg-1，与上述研究结果一致，与沈浦[12]利用该试验5个处理(CK、N、NP、M、MNP)1979—2006年数据研究结果(小麦19.35 mg·kg-1、玉米15.14 mg·kg-1)相比，本研究的玉米有效磷农学阈值略低、而小麦农学阈值高，与SNP处理土壤有效磷含量较低、而作物产量相对较高有关。施磷处理耕层土壤有效磷含量1979—2016年平均在13.7～24.9 mg·kg-1之间，小麦和玉米平均产量分别在3.83～4.65 t·hm-2和7.14～8.73 t·hm-2之间，其中SNP处理土壤有效磷含量最低，而作物产量仅次于MNP处理,高于NP、M处理[23]。郭斗斗等[24]研究认为小麦和玉米有效磷农学阈值差异的主要原因是小麦对磷缺乏更为敏感，土壤磷素养分充足时，小麦对磷的吸收量大于玉米，且小麦茎秆磷浓度和吸磷量随土壤有效磷含量增加而大幅度提高。

4 结 论

不施肥和单施氮肥土壤磷始终亏缺，单施氮处理每亏缺磷100 kg·hm-2，有效磷含量下降1.05 mg·kg-1；施磷处理(SNP、NP、M和NPM)土壤每盈余磷100 kg·hm-2，有效磷含量提高0.28～7.55 mg·kg-1，SNP处理土壤有效磷对磷盈亏响应最大。每年磷投入量22.9 kg·hm-2时, 土壤磷素呈持平状态，达到33 kg·hm-2时既可获得较高产量，又能增加土壤有效磷含量，同时磷肥当季利用率也较高；当磷用量达到233 kg·hm-2时，作物产量对磷增加无响应，土壤磷残余超过90%，大量磷素累积在土壤中，增加了土壤磷的流失风险。玉米和小麦有效磷农学阈值分别为13.96 mg·kg-1、22.05 mg·kg-1，NP和SNP处理分别需要21 a和24 a耕层土壤有效磷含量可达到小麦农学阈值，M处理需要3 a耕层土壤有效磷含量可达到小麦农学阈值；MNP处理耕层土壤有效磷含量已高于黄土旱塬2 a春玉米→4 冬小麦一年一熟轮作黑垆土土壤有效磷农学阈值，每年233 kg·hm-2输入除了不断扩大土壤磷库、提高土壤有效磷含量之外，不能持续提高作物产量。黄土旱塬小麦玉米一年一熟轮作黑垆土雨养农田土壤有效磷农学阈值为13.96 mg·kg-1(玉米) 和22.05 mg·kg-1(小麦)，秸秆还田配施氮肥加隔年施磷是甘肃黄土旱塬黑垆土农田科学高效的施肥措施。