吉冰洁^,, 李文海, 徐梦洋, 牛金璨, 张树兰, 杨学云^,西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌 712100

Varying Synthetic Phosphorus Varieties Lead to Different Fractions in Calcareous Soil

JI BingJie^,, LI WenHai, XU MengYang, NIU JinCan, ZHANG ShuLan, YANG XueYun^,College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi

通讯作者: 杨学云,E-mail：xueyunyang@hotmail.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-08-11接受日期:2020-09-10网络出版日期:2021-06-16

基金资助:

国家重点研发计划.2017YFD0200205

Received:2020-08-11Accepted:2020-09-10Online:2021-06-16
作者简介 About authors
吉冰洁,E-mail：ji.bj@nwafu.edu.cn。








摘要
【目的】研究不同磷肥品种在塿土中磷形态转化及有效性差异,有助于选择合适的磷肥品种从而减少土壤磷素累积和提高磷素有效性,为该区磷肥-作物-土壤匹配提供理论依据。【方法】以塿土长期定位试验有效磷含量较低的耕层（0—20 cm）土壤为供试土壤,玉米（郑单958）为供试作物进行盆栽试验。试验共设8个处理：不施磷肥（Control）;过磷酸钙（SSP）;钙镁磷肥（CaMg P）;磷酸一铵（MAP）;磷酸二铵（DAP）;聚磷酸铵（Poly P）;磷酸脲（Urea P）;过磷酸钙加硫酸铵（SSP+ASA）。用蒋柏藩-顾益初无机磷分级法测定土壤无机磷组分,并分析其与玉米植株吸磷量、土壤有效磷之间的关系。【结果】不同磷肥品种均可显著影响土壤有效磷含量,但随时间变化其动态特点有所不同。在玉米种植期间,施不同磷肥品种土壤有效磷平均含量大小为：DAP＞Urea P≥Poly P＞MAP＞SSP+ASA＞SSP＞CaMg P＞Control。不同磷肥品种均可显著提高玉米植株干物质量、吸磷量及肥料利用率,较Control处理分别提高了64.8%—221.3%、114.1%—593.0%、2.1%—11.0%,其中DAP和Poly P处理相似且增幅最大。土壤有效磷含量与玉米植株吸磷量和干物质量均呈极显著的正相关关系。不同施磷处理均可显著增加土壤Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P和Fe-P含量,增幅分别为36.9%—610.0%、21.7%—85.5%、57.2%—83.0%和28.5%—77.8%,O-P和Ca₁₀-P增加不明显。其中,MAP、DAP、Poly P和Urea P可显著提高石灰性土壤中Ca₂-P和Ca₈-P的含量;Al-P和Fe-P增加较大的是SSP+ASA和SSP处理;CaMg P处理显著提高了O-P和Ca₁₀-P含量。Poly P处理土壤Ca₂-P含量显著高于MAP和Urea P,仅次于DAP处理,但土壤Ca₈-P含量显著低于DAP、MAP和Urea P。与SSP相比,SSP+ASA显著增加了Ca₂-P和Al-P含量,分别增加了24.9%和11.9%,有效磷含量提高了11.4%。土壤无机磷组分中Ca₂-P、Ca₈-P和Al-P与土壤有效磷和植株吸磷量呈显著正相关关系。【结论】供试土壤条件下,磷酸二铵（DAP）的磷素固定较低、有效磷含量高,聚磷酸铵（Poly P）降低了土壤Ca₂-P向Ca₈-P的转化,可减少磷在石灰性土壤中的沉淀,磷素有效性与施磷酸二铵的相当,这两种肥料是适合该区施用的磷肥品种;在石灰性土壤中施用酸性肥料硫酸铵不仅可以提高土壤有效磷含量,而且减少了磷素的累积。
关键词： 磷肥品种;塿土;玉米;无机磷组分;土壤有效磷

Abstract
【Objective】Synthetic phosphorus fertilizers may vary in their behavior when applied to soil because of their inherent differences in nature. In order that the phosphate fertilizers could well match the crops’ P requirement, the selection of appropriate types of P sources are of paramount importance in practice. To achieve this, it is necessary to make a thorough investigation on phosphorus distribution among different soil P fractions and their bioavailability when P applied to soil in various varieties of synthetic phosphate fertilizers. 【Method】We conducted a pot experiment on a calcareous tier soil with a lower Olsen P level, which was collected from a plot without P addition for 20 years. Eight treatments were established: (1) no phosphate fertilizer (Control); (2) superphosphate (SSP); (3) calcium magnesium phosphate (CaMg P); (4) mono-ammonium phosphate (MAP); (5) di-ammonium phosphate (DAP); (6) ammonium poly-phosphate (Poly P); (7) Urea phosphate (Urea P); (8) superphosphate plus ammonium sulfate (SSP+ASA). A maize variety ‘Zhengdan 958’ was used as a test crop. We analyzed the correlations between P uptake in above-ground biomass of maize, soil Olsen P and the content of soil P fractions, which were determined with a P fractionation method modified by Jiang & Gu. 【Result】Results showed that the contents of soil available P (Olsen P) and its dynamics varying with treatments. The average Olsen P contents followed an order of DAP＞Urea P≥Poly P＞MAP＞SSP+ASA＞SSP＞CaMg P＞Control based on their statistical significance during the experimental period of two months. Compared with the control treatment, all treatments receiving P significantly increased the above-ground biomass, phosphorus uptake and phosphorus use efficiency of maize by 64.8%-221.3%, 114.1%-593.0% and 2.1%-11.0%, respectively. The largest increase was observed in treatments receiving DAP and poly P. Both the phosphorus uptake and above-ground biomass of maize were positively and significantly correlated with soil Olsen P. Phosphorus fractions of Ca₂-P, Ca₈-P, Al-P and Fe-P were enhanced by 36.9%-610.0%, 21.7%-85.5%, 57.2%-83.0%, 28.5%-77.8% in all phosphorus application treatments except O-P and Ca₁₀-P, which remained unchanged except in CaMg P treatment. Of which, the greatest increases in Ca₂-P and Ca₈-P were observed in treatments given MAP, DAP, poly P and Urea P; the largest increases in Al-P and Fe-P were found in SSP+ASA and SSP treatments; significant increases in O-P and Ca₁₀-P were only obtained in CaMg P treatment. The Poly P treatment had the significantly greater Ca₂-P than MAP and Urea P treatments, only lower that DAP treatment, but it contained a significantly lower Ca₈-P relative to DAP, MAP and Urea P treatments. Compared with SSP, SSP+ASA significantly increased the contents of Ca₂-P and Al-P by 24.9% and 11.9%, respectively, and the available phosphorus content increased by 11.4%. The inorganic P fractions of Ca₂-P, Ca₈-P and Al-P showed a significant and positive correlations with soil available phosphorus and phosphorus uptake by plants. 【Conclusion】Under the tested soil conditions, DAP had a lower phosphorus fixation and thus a greater available phosphorus pool. Poly P inhibited the transformation of Ca₂-P to Ca₈-P and therefore reduced the precipitation of phosphorus. The results suggested that Poly P is equivalent to DAP in bioavailability, and these two varieties of phosphate fertilizers could be used where there is an urgent need to improve and maintain soil Olsen P. The application of physiological acidic fertilizer ammonium sulfate combined with SSP in calcareous soil not only increased the content of available phosphorus, but also reduced the fixation of phosphorus.
Keywords：variety of synthetic phosphate fertilizer;tier soil;maize;inorganic phosphorus fractions;soil available phosphorus


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吉冰洁, 李文海, 徐梦洋, 牛金璨, 张树兰, 杨学云. 不同磷肥品种在石灰性土壤中的磷形态差异[J]. 中国农业科学, 2021, 54(12): 2581-2594 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.12.009
JI BingJie, LI WenHai, XU MengYang, NIU JinCan, ZHANG ShuLan, YANG XueYun. Varying Synthetic Phosphorus Varieties Lead to Different Fractions in Calcareous Soil[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(12): 2581-2594 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.12.009


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0 引言

【研究意义】磷是作物生长发育不可缺少的主要营养元素,也是北方石灰性土壤作物增产的主要限制因子之一^[1]。在某些条件下,尽管土壤的全磷含量较高,但可供植物吸收利用的有效磷仍然很低^[2],只有施磷才能满足作物需要。施入到石灰性土壤中的磷,大部分与Ca²⁺等发生沉淀反应^[3],有近75%—90%的磷转化为难溶性磷酸盐而累积在土壤中,致使主要农作物的磷肥当季利用率仅为10%—25%^[4,5]。统计结果表明,至2010年中国土壤磷的盈余量已增长到P 40.8 kg·hm^-2·a^-1[6]。这不仅浪费了有限的磷矿资源,还可能带来潜在的环境问题。因此,提高土壤磷素有效性是减少土壤磷素累积的关键,对于提高磷肥利用率和减少环境污染,实现农业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】有报道指出,土壤磷素有效性与磷肥品种密切相关。目前,市面上的磷肥品种繁多,如水溶性、弱酸溶性和难溶性的;生理酸性、碱性和中性的,以及不同养分含量的。不同磷肥品种由于其组成、溶解性、酸碱性等性质的差异,在不同土壤中的肥效也不尽相同^[7,8,9]。一般认为过磷酸钙适用于石灰性土壤,如王少仁等^[10]研究表明,在施用等量磷的条件下,石灰性土壤上不同磷肥利用效率表现为过磷酸钙＞钙镁磷肥＞磷酸二铵;而钙镁磷肥在酸性土壤上的施肥效果与水溶性肥料相当甚至更高^[11]。朱宏斌等^[8]研究表明,在酸化的石灰性砂姜黑土上,磷肥对玉米生长和产量的影响均表现为钙镁磷肥＞磷酸二铵＞过磷酸钙。近年来,聚磷酸铵、磷酸脲等作为新型高效磷肥品种逐渐受到关注。尤其在新疆地区,磷酸脲、聚磷酸铵等水溶性肥料被广泛用于膜下滴灌棉花,对于促进棉花的生长、提高棉花品质都发挥了很好的作用,肥效优于可溶性磷铵^[12]。因而根据土壤和作物施用不同种类磷肥有助于提高磷肥利用效率,减少磷肥施用。磷肥的有效性不仅与磷肥的组成、形态及作物有关,而且取决于与土壤反应产物的形态和有效性^[13]。在判断土壤磷肥力时,一般习惯于将有效磷作为最重要的一个衡量指标,而忽略了磷在土壤中的化学行为和存在形态^[14,15]。磷素在土壤中的存在形态和转化直接影响作物对磷素的吸收利用^[16,17,18]。土壤中磷素形态复杂,且处于动态平衡之中,一般采用土壤磷素分级法来定性、定量地评价。1989年,蒋柏藩和顾益初提出了适用于石灰性土壤磷的分级方法,把土壤无机磷分为Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca₁₀-P六种形态^[19]。研究表明,Ca₂-P是作物最有效的磷源,Al-P、Ca₈-P、Fe-P可视为缓效磷源,O-P和Ca₁₀-P短期内难以被植物吸收利用,被视为潜在磷源^[20,21]。长期施化学磷肥可以不同程度地增加土壤有效态和缓效态磷含量^[22]。【本研究切入点】塿土是关中平原地区特有的主要土壤类型之一,关中平原是陕西省乃至西北地区最主要的粮食生产基地。关于提高磷肥利用率的研究,大多集中于单一品种磷肥的长期定位试验、磷肥施用量、肥料管理措施以及土地管理方式等^{[23,24,25,26]},如何匹配磷肥-作物-土壤,使其发挥最大效率,目前研究相对很少。因此,搞清不同磷肥品种在塿土中磷形态转化及有效性差异,是合理选用磷肥品种的前提条件,对提高塿土磷素有效性,实现农业可持续生产和环境保护具有重要意义。【拟解决的关键问题】本试验选用目前市场上主要的6种磷肥品种,通过盆栽试验初步探讨了不同种类磷肥进入石灰性塿土后的土壤磷形态转化及其有效性。旨在选择合适的磷肥品种来提高土壤有效态和缓效态磷,减弱固定态磷的累积,从而提高土壤磷素利用率,为该区磷肥-作物-土壤匹配提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本盆栽试验于2019年7—9月在“国家黄土肥力与肥料效益监测基地”进行,基地位于黄土高原南部的陕西省关中平原杨凌示范区（34°17′51″ N、108°00′48″ E）,海拔534 m,年平均气温12.9℃,年降水量为550—600 mm,降雨量主要集中在6—9月份。年均蒸发量993 mm,无霜期184—216 d,属于暖温带大陆性季风气候。供试土壤为旱耕土垫人为土,黄土母质,采自长期定位试验地低有效磷含量的耕层（0—20 cm）土壤。土壤质地为粉砂黏壤土、土壤pH（1:2.5）8.37、有机质16.6 g·kg^-1、全氮1.1 g·kg^-1、有效磷6.2 mg·kg^-1、速效钾236.4 mg·kg^-1。

1.2 试验设计

试验共设8个处理,4次重复,共32盆,培养

时采取完全随机排列。8个肥料处理分别为：（1）不施磷肥（Control）;（2）过磷酸钙（SSP）;（3）钙镁磷肥（CaMg P）;（4）磷酸一铵（MAP）;（5）磷酸二铵（DAP）;（6）聚磷酸铵（Poly P）;（7）磷酸脲（Urea P）;（8）过磷酸钙加硫酸铵（SSP+ASA）。各磷肥处理施肥量为100 mg P·kg^-1风干土,按含磷量折算施入。硫酸铵施用量为50 mg N·kg^-1风干土。试验开始前,将土壤风干,所有土壤过2 mm筛混匀备用。称3.5 kg土壤放入塑料袋中,将下述养分分别单独配成营养液,按（1）—（7）顺序依次加入（钙镁磷肥、过磷酸钙等不完全溶解磷肥研磨过2 mm筛均匀混入）。土壤N、P、K及中微量元素等养分加入量（mg·kg^-1 风干土）和顺序为：（1）尿素,补齐氮素调节在同一氮水平,即200 mg N·kg^-1风干土;（2）K₂SO₄ 335.10;（3）CaCl₂ 125.67;（4）MgSO₄·7H₂O 43.34;（5）EDTA-FeNa 5.80;（6）MnSO₄·4H₂O 6.67,ZnSO₄·7H₂O 10,CuSO₄·5H₂O 2,H₃BO₃ 0.67,(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O 0.26;（7）磷肥（表1）。充分混匀土壤,风干1 d后根据需要再过2 mm筛,将土从塑料袋中转移到陶瓷盆（直径18 cm,高19 cm）中,加水至田间持水量的50%后平衡2 d左右播种。供试作物选用郑单958,提前萌发种子,待种子长出1 cm左右的芽后,选取萌发状况相对一致的种子播种。每盆播种5粒,待出苗5 d左右间苗,保留2株长势相对一致的幼苗。播种后浇适量水,开始盆栽试验（60 d）。试验期间采用称重法浇水,使含水量保持在田间持水量的70%—80%,以满足作物对水分的需求。定期通过称重法（忽略植株干重的差异）将所有盆的含水量调节一致（至少每周一次）。

Table 1
表1
表1盆栽试验肥料性质及用量
Table 1Characteristics and application amount of fertilizer in the pot experiment

磷肥品种 Phosphorus fertilizer varieties	酸碱性 pH	溶解性 Solubility	N (%)	P2O5 (%)	肥料用量 Fertilizer rate（g/pot）
过磷酸钙SSP	酸性Acidic	水溶性（80%-95%） Water-soluble	0	16.3	4.91
钙镁磷肥CaMg P	碱性Alkaline	弱酸溶性 Weak acid soluble	0	12.3	6.54
磷酸一铵MAP	酸性Acidic	水溶性 Water-soluble	12.0	58.6	1.37
磷酸二铵DAP	碱性Alkaline	水溶性 Water-soluble	15.0	40.4	1.98
聚磷酸铵Poly P	中性Neutral	水溶性 Water-soluble	18.0	58.6	1.37
磷酸脲Urea P	酸性Acidic	水溶性 Water-soluble	17.0	43.3	1.85
硫酸铵ASA	酸性Acidic	水溶性 Water-soluble	21.0	0	0.83

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1.3 样品采集与分析

用手钻（内径1.6 cm,长20 cm）均匀采集盆内土样,每盆3个取样点,取土约50 g/pot,分别在播种后第0、7、15、30、60天取土壤样品测定有效磷含量,并于第60天采集土样,测定磷组分。土样仔细挑拣出所有根系之后,再将土壤充分混匀,风干后按照不同测定指标的要求过筛。有效磷测定过1 mm筛,磷组分测定过0.15 mm筛。植株培养60 d收获（从播种当天开始计）,收获时用剪刀将植株从茎基部剪断,收取植株地上部装入信封,收获的地上部植株在105℃下杀青30 min后,在65℃烘干至恒重。称重后研磨粉碎并过筛,测定植株吸磷量。土壤有效磷（Olsen P）采用pH 8.5的0.5 mol·L^-1 NaHCO₃溶液浸提,植物样品全磷采用H₂SO₄-H₂O₂消煮^[27]。无机磷形态分组按照蒋柏藩和顾益初提出的石灰性土壤无机磷分级法^[19],将土壤无机磷形态分为Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca₁₀-P,分别用0.25 mol·L^-1 NaHCO₃溶液（pH 7.5）、0.5 mol·L^-1 NH₄OAc溶液（pH 4.2）、0.5 mol·L^-1 NH₄F溶液（pH 8.2）、0.1 mol·L^-1 NaOH-0.1 mol·L^-1 Na₂CO₃溶液、0.3 mol·L^-1 柠檬酸钠溶液+0.5 mol·L^-1 NaOH溶液、0.5 mol·L^-1 H₂SO₄溶液连续浸提、振荡、离心。所有浸提液及消煮液中磷含量用钼锑抗比色法测定^[27]。

1.4 计算方法

磷肥利用效率用以下公式计算^[24]。

（1）差减法：磷肥利用率（PUE,%）=（U-U₀）/F×100
（2）平衡法：磷肥利用率（PUE,%）= U/F×100
式中,U代表施磷肥处理作物地上部吸磷总量（mg/pot）,U₀代表未施磷肥处理作物地上部吸磷总量（mg/pot）,F为磷肥施用量（mg/pot）。

1.5 数据处理与统计分析

试验数据用Excel 2016和SPSS 25.0软件进行统计分析,用单因素方差分析（One-way ANOVA）Duncan（P＜0.05）法进行多重比较,采用Origin 2020软件制作图。

2 结果

2.1 不同磷肥品种对土壤有效磷动态的影响

由于磷肥性质不同,等量施用不同品种的磷肥对石灰性土壤有效磷的影响存在显著差异（图1）。各磷肥品种土壤有效磷含量较对照均有显著增加,平均提高了1.52—40.08 mg·kg^-1。DAP、Urea P、Poly P和MAP处理土壤平均有效磷含量范围为32.47—47.40 mg·kg^-1,SSP和SSP+ASA处理土壤平均有效磷含量分别为24.68和27.49 mg·kg^-1,CaMg P处理土壤平均有效磷含量为8.84 mg·kg^-1。在玉米种植期间,施不同磷肥品种的土壤平均有效磷含量大小顺序为：DAP＞Urea P≥Poly P＞MAP＞SSP+ASA＞SSP＞CaMg P＞Control。

图1

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图1不同磷肥品种的土壤有效磷动态

Control：不施磷肥No phosphate fertilizer;SSP：过磷酸钙Superphosphate;CaMg P：钙镁磷肥Calcium magnesium phosphate fertilizer;MAP：磷酸一铵Mono-ammonium phosphate;DAP：磷酸二铵Di-ammonium phosphate;Poly P：聚磷酸铵Ammonium poly-phosphate;Urea P：磷酸脲Urea phosphate;SSP+ASA：过磷酸钙加硫酸铵Superphosphate plus ammonium sulfate。下同 The same as below
Fig. 1Dynamics of Olsen P in soils subjected to different varieties of phosphorus fertilizers



土壤有效磷（Olsen P）含量因磷肥品种（处理）而产生显著差异,且随施入土壤时间而发生不同变化（图1）。钙镁磷肥（CaMg P）处理土壤Olsen P 较Control提高约2 mg·kg^-1左右,且这两个处理土壤Olsen P含量在作物生长期内均维持在一个很低的水平,变化幅度不大且均显著低于其他施磷处理。SSP和SSP+ASA处理土壤Olsen P含量较对照提高约18—22 mg·kg^-1,表现为在0—30 d时稳定,30—60 d时开始缓慢下降,与初始值相比,分别减少了15.1%和11.3%;在整个生长期内,SSP+ASA处理土壤Olsen P始终高于SSP处理,平均约为11.4%,且SSP+ASA处理土壤有效磷含量下降速度低于SSP处理,说明石灰性土壤施硫酸铵酸化后有助于减缓磷素的固定。Poly P施入后,土壤Olsen P含量和SSP+ASA一样,但在0—30 d时一直提高,在15 d后Olsen P显著高于除DAP外的其他所有处理,至播种30 d时提高幅度达31.3%,此后开始缓慢下降。MAP和Urea P施入土壤后Olsen P分别达到43.39和54.38 mg·kg^-1,较Control分别提高576.6%和747.9%,且均随时间一直降低,其中0—7 d时均迅速下降、7—60 d时下降幅度变缓。与初始值相比,不同施磷处理中Urea P处理土壤有效磷含量下降幅度最大,为52.1%,MAP处理土壤有效磷含量降幅仅次于Urea P,为43.6%。二者在7 d时有效磷和Poly P相当,15 d时显著低于Poly P处理,30—60 d时大体与SSP+ASA处理一致。DAP处理土壤有效磷含量较Control提高44.78 mg·kg^-1,且在0—15 d时无显著性变化、15—60 d时呈下降趋势,在播种60 d时下降了25.1%。除刚施入土壤时低于Urea P外,几乎在整个作物生长期间Olsen P均显著高于其他所有处理。

2.2 不同磷肥品种对玉米植株干物质量及吸磷量的影响

所有磷肥品种均可显著提高玉米植株干物质量和吸磷量（表2）,分别较Control提高了2.40—8.18 g/plant（64.8%—221.3%）和3.69—19.19 mg/plant（114.1%—593.0%）。不同磷肥品种中,DAP和Poly P处理玉米植株干物质量和吸磷量最高,分别较Control增加了2.17和2.21倍、5.93和5.87倍,且两个处理无显著差异。MAP处理玉米植株干物质量、吸磷量仅次于DAP和Poly P处理。CaMg P处理玉米植株干物质量、吸磷量增加幅度最小,为64.8%和114.1%。SSP+ASA、Urea P和SSP处理玉米植株干物质量及吸磷量差异不显著,但均高于CaMg P处理。等量施磷情况下,不同磷肥品种磷肥利用率表现为：DAP≥Poly P＞MAP＞SSP+ASA≥Urea P≥SSP＞CaMg P。

Table 2
表2
表2不同磷肥品种对玉米植株干物质量、吸磷量及磷肥利用率的影响
Table 2Effects of different varieties of phosphorus fertilizers on above-ground biomass, P uptake of maize, and P use efficiency

处理 Treatment	干物质量 Biomass (g/plant)	植株吸磷量 P uptake of plant (mg/plant)	磷肥利用率PUE (%)
			差减法 Subtraction method	平衡法 Balanced method
Control	3.70±0.06 e	3.24±0.27 e	—	—
SSP	10.83±0.48 c	15.05±1.14 c	6.75 c	8.60 c
CaMg P	6.09±0.43 d	6.93±0.02 d	2.11 d	3.96 d
MAP	11.01±0.27 bc	18.97±0.99 b	8.99 b	10.84 b
DAP	11.73±0.60 ab	22.43±0.06 a	10.97 a	12.82 a
Poly P	11.88±0.74 a	22.23±1.87 a	10.85 a	12.70 a
Urea P	10.40±0.26 c	15.35±1.33 c	6.92 c	8.77 c
SSP+ASA	10.73±0.27 c	15.47±0.69 c	6.99 c	8.84 c

表中数值均为4次重复的平均值±标准偏差;同列不同小写字母表示不同施磷处理间差异显著（P＜0.05）
The values presented are mean ± standard deviation of 4 replicates; Different small-case letters in the same column denote significant difference between treatments at 0.05 probability level

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在本研究中,土壤有效磷含量与玉米植株吸磷量和干物质量均呈极显著的正相关关系（P＜0.01）,线性关系决定系数分别为0.8987和0.7795（图2）。

图2

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图2土壤有效磷含量与玉米吸磷量及植株干物质量的关系

此处土壤有效磷含量为第60天取样测定的数值。下同
Fig. 2The correlations between soil Olsen P concentration and P uptake and above-ground biomass of maize

The data presented are obtained from soils sampled at the 60th day of the pot experiment. The same as below

2.3 不同磷肥品种对土壤无机磷形态的影响

有效态、缓效态和固定态磷分别表征土壤的高活性、中等活性和低活性磷^[28]。由图3可知,不同磷肥品种对土壤各形态无机磷有显著影响。不同磷肥品种土壤中总无机磷含量变化范围为487.62—574.85 mg·kg^-1,所有磷肥品种均较对照（Control）显著提高了总无机磷的含量,但各施磷处理间无显著差异（P＜0.01）。

图3

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图3不同磷肥品种对土壤无机磷形态的影响

柱中不同字母表示处理间差异达到显著水平
Fig. 3Effect of different varieties of phosphorus fertilizers on the forms of inorganic P in soils

Different lowercase letters for different P fractions mean significant difference between the treatments (P＜0.05)


土壤中有效态磷（Ca₂-P）含量在2.50—17.75 mg·kg^-1之间,各施磷处理土壤Ca₂-P含量均较对照显著增加,增幅达36.9%—610.0%。依其显著性各处理Ca₂-P依次为DAP＞Poly P＞Urea P＞MAP≥SSP+ ASA＞SSP＞CaMg P＞Control（图3-a）。与MAP处理相比,DAP、Poly P和Urea P处理土壤Ca₂-P含量分别增加了9.70、8.85和4.05 mg·kg^-1。SSP+ASA处理土壤Ca₂-P含量显著高于SSP处理,增加了24.9%。各施磷处理中,CaMg P处理土壤Ca₂-P含量最低,仅为3.42 mg·kg^-1。

土壤中缓效态磷（Ca₈-P、Al-P和Fe-P）含量介于104.25—170.20 mg·kg^-1之间,各施磷处理土壤该形态磷含量均较Control显著增加,增幅达24.7%— 63.3%,依其显著性DAP≥MAP＞Urea P＞SSP+ ASA≥SSP＞Poly P＞CaMg P＞Control。其中,土壤Ca₈-P变幅为49.84—92.43 mg·kg^-1,除CaMg P外的其余施磷处理Ca₈-P均显著增加,增加幅度为21.7%— 85.5%。与DAP处理相比,MAP、Poly P和Urea P处理土壤Ca₈-P含量分别减少了6.5%、20.1%和11.8%。各施磷处理中,SSP和SSP+ASA处理土壤Ca₈-P含量增加幅度较小,分别为23.2%和21.7%,二者无显著性差异。土壤Al-P含量范围为22.09—40.42 mg·kg^-1,其中SSP+ASA处理增幅最大,为83.0%,显著高于除CaMg P外的其他处理;Poly P处理增加最小,为57.2%;除SSP+ASA处理外,其余处理间无显著差异,但均显著高于Control;与SSP处理相比,SSP+ASA处理Al-P含量显著增加了11.9%。土壤Fe-P含量在32.32—57.46 mg·kg^-1之间,各磷肥品种均较Control显著提高了Fe-P含量,其中SSP和SSP+ASA处理增幅最高,分别增加了77.8%和75.0%,且均显著高于其他处理。CaMg P、MAP、DAP、Poly P和Urea P处理增幅为28.5%—34.4%,且处理间差异不显著（图3-b）。

土壤中固定态磷（O-P和Ca₁₀-P）含量变化范围为380.87—423.27 mg·kg^-1,CaMg P处理的O-P和Ca₁₀-P含量均显著高于其他处理,分别较Control增加了22.2%、9.2%,其他施磷处理和Control相比略有增加,但均未达到显著水平（图3-c）。

在土壤无机磷各组分中,难以被植株吸收利用的固定态磷（Ca₁₀-P和O-P）占无机磷的比例最大,为67.3%—78.1%。与Control相比,除CaMg P处理的O-P百分比没有降低外,其余施磷处理均降低了O-P的百分比,为4.4%—9.8%,其中DAP和Urea P处理达到显著水平;各施磷处理均减少了Ca₁₀-P的百分比,为4.4%—14.6%,其中DAP处理降幅最大。土壤中缓效态磷（Ca₈-P、Al-P和Fe-P）占无机磷的比例分别为9.1%—16.1%、4.5%—7.3%和6.6%— 10.4%。与Control相比,各施磷处理显著提高了Ca₈-P、Al-P和Fe-P的百分比,分别提高了7.2%—57.4%、36.3%—61.0%和9.0%—57.0%,而CaMg P处理的Ca₈-P占无机磷的比例比Control显著降低了11.0%。Ca₂-P被视为作物最有效的磷源,其在无机磷中所占比例最小,约为0.5%—3.1%。与Control相比,各施磷处理均显著提高了Ca₂-P的百分比,为20.6—506.0%,其中DAP和Poly P处理增加最大（图4）。各级磷组分占总无机磷的比例平均依次为：Ca₁₀-P（60.2%）＞Ca₈-P（12.6%）＞O-P（11.2%）＞Fe-P（8.1%）＞Al-P（6.3%）＞Ca₂-P（1.7%）。说明在石灰性土壤中无机磷主要以有效性较低的固定态磷（Ca₁₀-P和O-P）存在,而高活性的有效态磷（Ca₂-P）很少。

图4

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图4不同磷肥品种的土壤磷组分百分比

柱中同一磷形态不同字母表示处理间差异达到显著水平
Fig. 4Percentage of phosphorus fractions in soils treated with different varieties of phosphorus fertilizers

Different lowercase letters inside the bars with the same color mean significant difference in that P fraction between the treatments (P＜0.05)

2.4 土壤磷组分与土壤有效磷及植株吸磷量的相关关系

将不同磷肥品种的土壤磷组分与土壤有效磷含量进行相关性分析（图5）,可以看出土壤有效磷含量和Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P含量之间均呈显著正相关关系（P＜0.05）,其决定系数分别为0.8925、0.6307和0.1634。植株吸磷量与不同磷肥品种土壤磷组分的关系显示植株吸磷量和Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P含量极显著正相关（P＜0.01）,斜率大小为Ca₂-P＞Al-P＞Ca₈-P（图6）。土壤有效磷含量及植株吸磷量均与Fe-P、O-P、Ca₁₀-P含量无显著相关关系（图5,图6）。

图5

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图5不同磷肥处理土壤有效磷含量与土壤磷组分的关系

Fig. 5The relationship between Olsen P concentrations and P fractions in soils treated with different varieties of phosphorus fertilizers

图6

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图6不同磷肥处理植株吸磷量与土壤磷组分的关系

Fig. 6The relationship between P uptake by plant and P fractions in soils treated with different varieties of phosphorus fertilizers

3 讨论

3.1 不同磷肥品种与土壤有效磷及其生物有效性

试验开始时Poly P处理土壤有效磷含量低于MAP,DAP和Urea P,在15 d后Poly P处理的Olsen P含量显著高于除DAP外的其他所有处理（图1）。这主要归因于聚磷酸盐的缓释作用。Poly P是由正磷酸盐、焦磷酸盐和多聚磷酸盐组成,正磷酸盐可以被作物直接吸收利用,多聚磷酸盐可逐步水解为正磷酸盐后供作物吸收^[29,30,31]。据报道,焦磷酸盐在水环境中经过15 d可完全水解为正磷酸盐^[31]。此外,多聚磷酸盐与磷酸根竞争吸附和络合位点,减少了土壤黏粒对正磷酸盐的吸附以及正磷酸盐与土壤金属离子的化学沉淀,从而提高了土壤有效磷的含量^[32]。

本研究发现,正磷酸盐肥料由于其本身的形态和性质,自施入土壤后有效磷含量就很高（此时正磷酸盐还未来得及和Ca²⁺等结合）,随着时间的变化,正磷酸盐与Ca²⁺等结合发生固定,因其性质、酸碱性等的差异,有效磷动态存在显著差异。DAP处理土壤有效磷含量在15 d后才开始缓慢下降,而Urea P和MAP施入土壤后前两周有效磷快速下降,尤其是Urea P处理最为明显,三者固定率大小为Urea P（52.1%）＞MAP（43.6%）＞DAP（25.1%）（图1）。本结果和李书田等^[33]研究一致,他们通过室内培养试验也观察到了类似的结果,相同时间内土壤对MAP的固定较强,显著大于DAP。这可能是因为Urea P和MAP均为酸性肥料（pH：Urea P＜MAP）,对肥际微域碳酸盐的溶解破坏促进了磷酸钙盐的形成,使有效磷被大量固定^[34]。虽然DAP是弱碱性肥料,但同时也是生理酸性磷肥,铵态氮硝化过程会产生H⁺局部酸化肥际土壤,同样促进了钙磷形成和磷固定。

SSP为非正磷酸盐肥料,其为磷灰石经硫酸高温熔融冷却制得,主要成分为一水磷酸一钙,有效磷含量在一开始施入土壤时就不高,仅大于CaMg P。虽然SSP的饱和溶液pH为最低,一方面可以促进碳酸钙的溶解,使磷酸一钙进一步转化为磷酸二钙、磷酸八钙等;另一方面SSP的酸性是来自于肥料制作过程中的硫酸,而不是它本身,硫酸也可以促进磷的溶解。而且它的有效磷含量也只能在短时间内维持不降,随着作物对磷的吸收,土壤有效磷开始下降。

CaMg P施入土壤后的土壤Olsen P含量较对照有所提高,达到约9 mg·kg^-1（图1）,低于14 mg·kg^-1的玉米农学磷阈值^[35,36],但其玉米地上部生物量及吸磷量均较对照提高约一倍（表2）,尽管大大低于其他所有处理。这是因为其磷主要以枸溶态存在,溶解度很低,加之供试土壤Olsen P低于玉米生长磷阈值,同时玉米苗期虽然吸磷能力弱,但其根系可以分泌质子,活化利用一部分肥料磷。

有研究表明,施用硫酸铵可以降低土壤pH,提高土壤有效磷含量^[37],并且可以为作物提供必需营养元素氮和硫^[38]。也有研究表明,施用酸性物质可以提高植株吸磷量^[39]。本研究发现,SSP+ASA处理土壤有效磷和Ca₂-P含量分别比SSP处理提高了11.4%和24.9%。且添加硫酸铵后减缓了土壤有效磷的固定（图1）。这主要是因为生理酸性肥料硫酸铵通过植物的代谢产生分泌酸降低了植物根际pH,从而促进了钙磷的溶解。但本试验中施用硫酸铵对植株干物质量及植株吸磷量没有显著影响（表2）。这可能与玉米生育时期有关,玉米苗期吸磷量少可能是一个重要原因^[40]。本研究表明,施用酸性物质硫酸铵显著提高了Al-P的含量（图3-b）,也与土壤的酸化有关。黄运湘和周雨舟等 ^[41,42]研究表明,土壤交换性Al³⁺含量与土壤pH呈极显著负相关关系。周雨舟等^[43]研究发现,土壤pH的降低可以增加Al-P的含量,土壤 Al-P与pH呈显著负相关关系。

在一定范围内,植株吸磷量及生物量随着土壤Olsen P的增加而增加^[44]。本试验结果也显示,植株吸磷量和干物质量与土壤有效磷含量呈极显著正相关关系（图2）。然而本研究中DAP处理（47.40 mg·kg^-1）土壤平均有效磷含量大于Poly P（35.50 mg·kg^-1）,且一直维持在一个很高水平（图1）,但和Poly P处理玉米吸磷量及生物量无显著性差异（表2）。一方面是因为聚磷酸盐释放的磷与作物对磷的需求同步^[31]。表明磷肥的有效性不仅决定于土壤有效磷的含量,还取决于被作物吸收一部分磷之后,有效磷库能否迅速得到补充,继续保持植物所需磷的最佳浓度。另一方面,玉米植株吸磷量与土壤速效磷含量仅在一定范围直线相关,一般呈现二次曲线关系。张立花等^[45]在低磷土壤（Olsen P 4.9 mg·kg^-1）上的研究表明,玉米地上部对磷的吸收是有限的,当土壤有效磷达到一定值后,玉米地上部吸磷量不再进一步增加。植物吸收的磷主要是正磷酸形态的磷,其中以H₂PO₄^-最易吸收,HPO₄^2-次之,PO₄^3-吸收较差^[46]。Urea P磷形态为PO₄^3-,只有转化为H₂PO₄^-和HPO₄^2-才能供作物吸收,但只有部分转化,且转化的过程需要一定时间,不利于作物的吸收。MAP含有一定量的铵态氮,铵态氮会酸化根际土壤,促进作物的磷素吸收,这可能是Urea P处理土壤有效磷含量在整个生育期内均大于MAP处理,但肥效却不如MAP的原因。此外,当pH较高时,根系吸收HPO₄^2-较多^[46],DAP处理土壤有效磷含量较高,保证了苗期磷素充分供应,因此DAP处理肥效较高。

3.2 不同磷肥品种与土壤无机磷组分

当磷肥进入石灰性土壤后,并不以原有形态存在于土壤中,而是发生各种化学反应转化成另一些新的磷酸盐形态,结果使磷肥以各种形态固定在土壤中^[13]。本研究表明,不同施磷处理均可显著增加土壤Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P和Fe-P含量,其增幅大小为Ca₂-P＞Al-P＞Ca₈-P＞Fe-P,O-P和Ca₁₀-P增加不明显（图3）。这与其他研究者在石灰性土壤上报道的结果一致^[1,47]。吕家珑等^[48]在红油土上的研究结果表明,长期施肥能够明显地提高Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P和Fe-P含量,其中Ca₂-P的增幅最大,Fe-P增幅最小,O-P和Ca₁₀-P也均有所增加;在短期室内模拟实验中,施磷对O-P和Ca₁₀-P没有影响。这说明施入石灰性土壤中的磷肥主要转化为Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P和Fe-P,短期内没有O-P的形成,Ca₈-P也不会转化为Ca₁₀-P。

磷肥品种不同,其对土壤无机磷组分的影响也存在显著差异。从图3可以看出,水溶性强的磷酸盐肥料MAP、DAP、Poly P和Urea P可在短时间内显著提高石灰性土壤高中活性磷（Ca₂-P和Ca₈-P）含量,SSP和SSP+ASA处理可显著提高中活性磷（Al-P和Fe-P）含量,CaMg P处理可显著提高石灰性土壤中固定态磷（O-P和Ca₁₀-P）含量。也进一步表明不同磷肥品种影响土壤磷形态进而影响到其有效性。蒋柏藩^[13]在石灰性土壤中也报道了类似的结果。其研究表明,过磷酸钙主要成分为一水磷酸一钙,由于其异成分溶解的特性,初期产物中除了生成二水和无水磷酸二钙外,主要是磷酸铁、铝化合物。此外,过磷酸钙在生产过程中,一水磷酸一钙与磷矿本身带入的铁、铝杂质发生反应,形成不溶性的磷酸铁铝沉淀;水溶性磷肥（MAP和DAP）施入石灰性土壤后,反应初期主要是磷酸二钙或磷酸八钙以及含镁的磷酸盐。CaMg P处理对O-P和Ca₁₀-P含量增加可能与磷肥本身性质有关。据报道,钙镁磷肥是由磷灰石和橄榄石等含镁矿物按一定比例,在高炉中经高温熔融,然后加水骤冷,再经磨细而成的肥料^[49]。磷灰石本身的形态就是Ca₁₀-P,因此钙镁磷肥施入土壤后本身带入一部分Ca₁₀-P。刘世亮等^[9]在黄潮土上研究发现,DAP、SSP和CaMg P处理间相比,对Ca₈-P和O-P增加量最大的是DAP处理,对Ca₂-P、Al-P和Fe-P含量SSP处理增幅最大,CaMg P处理的Ca₁₀-P含量显著高于其他处理。部分结果的差异可能与土壤肥力、土壤类型和施肥时间等不同有关。

正磷酸盐与土壤金属离子发生沉淀反应的速率显著高于焦磷酸盐^[50]。MCBEATH等^[51]在多种澳大利亚土壤上的试验表明,焦磷酸盐提供的磷比正磷酸盐具有更强的吸附亲和力。本试验结果表明,磷酸盐肥料中Poly P处理土壤有效态磷（Ca₂-P）含量显著高于MAP和Urea P处理,仅次于DAP处理,但土壤缓效态磷（Ca₈-P）含量显著低于DAP、MAP和Urea P处理。与陈小娟等^[52]发现Poly P处理较MAP 处理降低了土壤低活性磷 （HCl-P）和中活性磷 （NaOH-P） 含量,提高了土壤高活性磷含量的结果相似。高艳菊等^[53]在灌耕灰漠土上的研究也表明聚磷酸磷肥增加了土壤高活性磷（Resin-P,NaHCO₃-P）含量,降低了土壤中活性磷（NaOH-P）与低活性磷（HCl-P,Residue-P）含量。说明Poly P可减少磷在石灰性土壤中的沉淀。

3.3 土壤无机磷组分的供磷能力及其生物有效性

土壤无机磷组分与土壤有效磷含量及植株吸磷量相关性分析结果显示,土壤Ca₂-P、Ca₈-P和Al-P与土壤有效磷和植株吸磷量之间均呈显著正相关关系,单位组分增加对玉米的贡献大小为Ca₂-P＞Al-P＞Ca₈-P（图5、图6）。表明Ca₂-P、Ca₈-P和Al-P是石灰性土壤中有效磷的重要来源,也是植物磷吸收的主要来源。土壤有效磷含量及植株吸磷量均随着Fe-P含量的增加而增加,但未达到显著水平。反映出在本试验供试土壤条件下,Fe-P对土壤有效磷及作物生长有一定贡献,但低于Ca₂-P、Al-P和Ca₈-P。土壤有效磷含量及植株吸磷量随着O-P和Ca₁₀-P含量的增加而减小,但均未达到显著性水平。说明O-P和Ca₁₀-P难以被作物吸收利用。本研究结果与蒋柏藩、沈仁芳和林治安等^{[13, 20, 54]}的报道一致。冯固等^[55]用³²P示踪法研究5种形态磷酸盐对玉米的有效性依次为Ca₂-P＞Al-P＞Ca₈-P＞Fe-P＞Ca₁₀-P。李若楠等^[56]通过通径分析表明,在塿土上不同磷水平下无机磷各组分对有效磷的贡献（直接通径系数）依次为：Ca₂-P（0.974）＞Al-P（0.186）＞Ca₈-P（0.182）＞Fe-P（0.150）＞Ca₁₀-P（0.007）＞O-P（-0.074）。张英鹏等^[57]研究表明Ca₂-P、Fe-P和Ca₈-P是土壤有效磷的主要磷源。刘世亮^[58]研究发现,土壤中Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P和Fe-P在小麦的不同生育时期表现出不同的有效性。结果的差异一方面与土壤类型和施磷水平有关,另一方面可能与作物有关。

4 结论

等磷量施用不同品种磷肥对石灰性土壤有效磷及其生物有效性、磷肥利用率和无机磷组分的影响均存在显著差异,其中磷酸二铵（DAP）处理土壤平均有效磷含量和磷肥利用率均为最高,短期内土壤对该肥料磷固定较低,且土壤无机磷组分中有效性较高的Ca₂-P和Ca₈-P含量及比例显著提高,固定态磷（O-P和Ca₁₀-P）的比例降低;聚磷酸铵（Poly P）由于其缓释作用,能迅速补充土壤磷消耗,继续保持玉米所需磷的最佳浓度,其肥效与DAP相当,且Poly P处理降低了土壤Ca₂-P向Ca₈-P的转化,可减少磷在石灰性土壤中的固定。因此,在塿土-玉米体系上施用DAP和Poly P,既可以保证玉米对磷的需求,又提高了土壤中有效态和缓效态磷,减弱固定态磷的累积,从而提高磷肥利用率。

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