任嘉欣^,1, 刘京¹, 陈轩敬¹, 张跃强^1,2, 张勇^1,2, 王洁^,1,2,*, 石孝均^1,21西南大学资源环境学院,重庆 400716
²重庆三峡库区土壤质量国家野外科学观测研究站,重庆 400716

Variation of Available Phosphorus in Purple Soil and Its Effects on Crop Yield of Rice-Wheat Rotation Under Long-Term Fertilizations

REN JiaXin^,1, LIU Jing¹, CHEN XuanJing¹, ZHANG YueQiang^1,2, ZHANG Yong^1,2, WANG Jie^,1,2,*, SHI XiaoJun^1,21College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716
²National Monitoring Station of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency on Purple Soils, Chongqing 400716

通讯作者: 王洁,E-mail： mutouyu@swu.edu.cn

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-11-23接受日期:2021-01-22

基金资助:

国家重点研发计划(2017YFD0200206)

Received:2020-11-23Accepted:2021-01-22
作者简介 About authors
联系方式：任嘉欣,E-mail： 3465044028@qq.com。









摘要
【目的】通过总结分析长期施肥处理下紫色土稻麦轮作土壤有效磷的变化特征,以及土壤磷素变化对作物产量的影响,为紫色土稻麦轮作磷素管理提供理论依据。【方法】依托国家肥力监测网紫色土肥力监测试验站27年的稻麦轮作定位试验,选取10种不同施肥处理：CK处理（只种作物不施肥）;N、NP、NK、PK、NPK为不同氮（N）、磷（P）、钾（K）化肥配施处理;M、NPKS、NPKM、1.5NPK+M为有机肥（M）、秸秆还田（S）及其与化肥配施处理。试验数据涵盖1991—2018年,测定不同施肥处理下土壤有效磷含量和作物产量,计算100 kg籽粒磷素吸收量和磷肥利用率,分析土壤磷素变化对累积磷盈亏的响应,采用不同模型计算土壤磷素农学阈值。【结果】长期施用磷肥能够显著提高土壤有效磷含量,各施磷处理有效磷年均增量为0.80—2.32 mg·kg^-1;而不施磷处理CK、N、NK和单施有机肥处理M的土壤有效磷含量则逐年下降至平稳状态。不施磷处理土壤磷素一直处于亏缺状态,施磷各处理27年后土壤累积磷盈余量为244.8—698.2 kg P·hm^-2,其中1.5NPK+M处理累积磷盈余量最高;施磷处理土壤累积盈余量与土壤Olsen-P增量呈显著线性相关,土壤每盈余磷100 kg·hm^-2,土壤有效磷含量提高4.27—6.5 mg·kg^-1。磷肥施用能显著提升稻麦轮作系统作物产量和吸磷量,100 kg水稻籽粒需磷量为0.17—0.41 kg,100 kg小麦籽粒需磷量为0.25—0.57 kg;试验各处理的磷肥利用率为10.3%—39.7%;4种模型（线性-平台模型、双直线模型、BoxLucas模型和米切里西模型）均能较好地拟合作物产量与紫色土有效磷含量的响应关系,其中双直线模型的拟合度最好,其计算的水稻和小麦的土壤有效磷农学阈值分别为13.28和9.93 mg·kg^-1。 【结论】在紫色土水稻-小麦轮作体系中,合理施用磷肥能显著提高作物吸磷量、产量以及土壤有效磷含量。推荐双直线模型用于计算紫色土稻麦轮作体系下土壤有效磷的农学阈值,生产上应根据土壤有效磷含量及其农学阈值调整磷肥施用量。
关键词： 紫色土;稻麦轮作;长期施肥;有效磷;累积磷盈亏;农学阈值

Abstract
【Objective】Based on the analyses of soil Olsen-P variation in the purple soil and its effects on crop yield under long-term different fertilizations in the rice-wheat rotation, this paper provided a theoretical basis for efficient and rational P management in purple soil. 【Method】This study were conducted based on the 27-year rice-wheat rotation trial platform in the Purple Soil Fertility Monitoring Station of the national soil fertility monitoring network. The soil Olsen-P content and crop yields of 10 different fertilization treatments were measured and compared, including CK treatment (crops growing without fertilization), N, NP, NK, PK, NPK (treatments with different chemical nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) fertilizations), and M, NPKS, NPKM, 1.5NPK+M (chemical fertilizer combined with organic manure (M) and straw return (S) treatments) from 1991 to 2018. Then, the plant P uptake per 100 kg grains yield and the recovery rate of P by different fertilizations were calculated and compared, respectively. The responses between soil Olsen-P increment and cumulative P depletion were explored. In addition, the response curve of crop yield to soil Olsen-P content in the purple soil was figured by different modelling methods. The agronomic critical value of Olsen-P content in purple soil was finally calculated. 【Result】Long-term application of P fertilizer could significantly increase soil Olsen-P content. The average annual increment of soil Olsen-P content was 0.80-2.32 mg·kg^-1 in P application treatments, whereas the soil Olsen-P content of CK, N, NK and M treatments decreased year by year to a steady state. The cumulative P surpluses by the 27-year P application treatments were 244.8-698.2 kg P·hm^-2, among which the cumulative P surplus of the 1.5NPK+M treatment was the highest. A significant linear correlation between cumulative soil P surplus and soil Olsen-P increment could be found in P application treatments. In detail, soil Olsen-P increased by 4.27-6.5 mg·kg^-1with 100 kg·P·hm^-2 cumulative surplus in P application treatments. Fertilization could significantly increase crop yields and P uptake in the long-term rice-wheat rotation system. The plant P uptake per 100 kg rice yield was 0.17-0.41 kg, whereas the plant P uptake per 100 kg wheat yield was 0.25-0.57 kg. The utilization rates of P under all treatments were 10.3%-39.7%. Four models (linear-platform model, linear-linear model, BoxLucas model, and Michelice model) were good for fitting the response of crop yield to Olsen-P content in purple soil. The agronomic critical value of Olsen-P content in purple soil of rice and wheat calculated by linear-linear model (with the highest R²) were 13.28 mg·kg^-1 and 9.93 mg·kg^-1, respectively. 【Conclusion】Appropriate application of P fertilizer could significantly improve the P uptake of crop in rice-wheat rotation system on purple soil, crop yields and soil available P content. The linear-linear model was recommended to calculate the critical value of Olsen-P content in purple soil under rice-wheat rotation system. Application rates of P fertilizer should be adjusted timely according to the difference between actual soil Olsen-P content and agronomic critical value of Olsen-P content in productivity.
Keywords：purple soil;rice-wheat rotation;long-term fertilization;Olsen-P content;total P balance;agronomic critical value of Olsen-P


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本文引用格式
任嘉欣, 刘京, 陈轩敬, 张跃强, 张勇, 王洁, 石孝均. 长期施肥紫色土有效磷变化及其对稻麦轮作产量的影响. 中国农业科学, 2021, 54(21): 4601-4610 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.21.010
REN JiaXin, LIU Jing, CHEN XuanJing, ZHANG YueQiang, ZHANG Yong, WANG Jie, SHI XiaoJun. Variation of Available Phosphorus in Purple Soil and Its Effects on Crop Yield of Rice-Wheat Rotation Under Long-Term Fertilizations. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(21): 4601-4610 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.21.010


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0 引言

【研究意义】磷是作物生长发育不可缺少的营养元素之一,紫色土初始有效磷含量低,缺磷常成为限制农作物高产的重要因素,磷肥的合理施用是作物获得高产的重要措施之一^[1,2]。水旱轮作是长江流域的主要轮作模式,以稻油、稻麦等轮作为主,其季节性的干湿交替导致土壤氧化与还原过程交替进行,影响了土壤磷素的有效性^[3]。但在目前的生产中,往往通过投入大量的磷肥来增加土壤磷含量和提高作物产量^[4,5],施入的磷肥大部分被土壤吸附固定,不能被后季作物充分利用,或是随水流失造成环境污染^[6]。因此,探究长期不同施肥处理下,紫色土稻麦轮作系统土壤磷素的演变规律,分析土壤磷素变化对产量的影响,对制定磷素优化管理策略,提高磷的肥料利用率,实现作物高产优质、降低环境风险具有重要意义。【前人研究进展】王斌等^[7,8]通过在新疆、黑龙江、河南、陕西和中国南方一些土壤上的研究,发现磷肥或有机肥的施用均能显著提高土壤有效磷的含量。展晓莹等^[9]通过分析21个监测点（包括5种土壤类型）单位磷平衡的有效磷增量发现,其中81%的土壤监测点有效磷与磷素盈亏之间呈显著正相关关系。李冬初等^[10]利用持续26年的红壤旱地长期定位试验平台（1991—2016年）,分析有效磷增量与作物产量之间的关系发现,小麦和玉米的土壤Olsen-P 农学阈值分别为13.5和23.4 mg·kg^-1。土壤磷素盈余会增加土壤有效磷含量,从而提高作物产量,但当土壤有效磷含量达到农学阈值时,作物产量不再提高,过多的磷素投入反而会增加环境风险^[11]。TANG等^[12]探究紫色土稻麦轮作中的磷素去向发现,作物系统磷素利用效率为24%—38%,而未被利用的磷素一般贮存在土壤中或者随降雨流失,最终进入地表水系统,造成一定的环境风险。此外,刘方等^[13]和DJODJIC等^[14]的研究表明,若土壤中磷素大量积累,不论土壤吸附磷是否达到饱和,土壤磷会以水溶态和颗粒态的形式随地表径流向水体迁移;若土壤中存在较大孔隙,则磷会在降雨较强时向下迁移。这两种方式都会导致地表水和地下水的磷污染。为降低农田生态系统中磷素投入过高带来的环境风险,同时兼顾农业生产需求,曹宁等^[15]通过对我国8种典型农田土壤磷收支平衡和有效磷消长关系的研究发现,基于国家尺度的平均土壤有效磷的最适范围应为30—50 mg·kg^-1,生产上应根据土壤中有效磷的含量确定最佳的磷肥施用量。【本研究切入点】综上所述,国内外****对施用磷肥后有效磷增量与磷盈亏、作物产量关系的长期定位试验研究较多,而对长期不同施肥下紫色土稻麦轮作系统中土壤有效磷的含量变化、作物对磷素的需求量和磷素农学阈值的研究较少。【拟解决的关键问题】本试验依托紫色土长期稻麦轮作定位试验,探究不同施肥处理下土壤有效磷含量的变化趋势,定量土壤磷素变化对累积磷盈亏和作物产量的响应,以期为减少磷素损失,提高磷肥利用率,实现作物高产优质、环境保护和磷素优化管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

长期定位试验位于重庆市北碚区西南大学试验农场,地理位置为106°24′33″E、29°48′36″N,是典型的紫色土丘陵区。海拔266.3 m,气候为亚热带湿润季风气候,年平均气温18.5℃,年降水量1 105.1 mm,全年降水日数132 d,年日照时数1 173.5 h。

长期定位试验小区所在地为沟谷。试验基地的面积为0.2 km²,海拔250—267 m,相对高度17 m,坳谷谷宽50—60 m,沟谷纵比降15%,丘陵坡度10%—26%。供试土壤属于侏罗纪沙溪庙组,为紫色土类、中性紫色土亚类、灰棕紫泥土属。该土层大约占紫色土类面积的40%,是四川盆地紫色土中最多的一个土属。该供试土壤具有广泛的代表性,因为这类土壤分布的地区多为四川省和重庆市的粮食主产县。

试验前土壤基本理化性质分别为：pH为7.70,有机质22.61 g·kg^-1,全氮1.25 g·kg^-1,全磷0.69 g·kg^-1,全钾21.10 g·kg^-1,碱解氮92.36 mg·kg^-1,有效磷4.30 mg·kg^-1,速效钾88.45 mg·kg^-1。

1.2 试验设计

试验起始于1991年,轮作方式：水稻-小麦轮作。本试验共有如下10个处理。

（1）CK处理为对照,只种作物不施肥;（2）N、NP、NK、PK、NPK处理为化肥试验区;（3）M、NPKS、NPKM、1.5NPK+M处理为有机肥及其与化肥配合试验区。其中,M代表有机肥（主要是猪粪尿和牛粪）,且有机肥只在小麦季施用;S代表秸秆还田。各处理氮、钾肥均采用46%的尿素和52%的硫酸钾,磷肥均用12%的过磷酸钙。1.5NPK+M处理为化肥增量区,其氮、磷、钾肥的施用量均为其他各处理的1.5倍。

试验各处理按上述设计进行施肥,1991—1996年每季的化肥施用量是：氮肥150 kg N·hm^-2、磷肥75 kg P₂O₅·hm^-2、钾肥75 kg K₂O·hm^-2。从1996年的秋季起,每季磷、钾肥施用量由原来的75 kg·hm^-2变为60 kg·hm^-2,小麦的氮肥施用量改为135 kg·hm^-2,其余施肥量保持不变。M、1.5NPK+M处理的有机肥由厩肥变为稻草。有机肥于每年秋季小麦播种前作为基肥施用,每年施用一次,年用量为厩肥22.5 t·hm^-2、稻草7.5 t·hm^-2。水稻和小麦的全部磷、钾肥和60%的氮肥作为基肥施用,水稻40%的氮肥在插秧后2—3周追施,小麦40%的氮肥则于3—4叶期追施。

1.3 测定项目和方法

本试验为国家肥力监测网络紫色土肥力试验,数据采集按照统一的方法进行,分析测定方法见参考文献^[16,17]。速效磷的测定方法为Olsen法。植株样品用H₂SO₄-H₂O₂进行消化,磷的测定采用钼锑抗比色法。

1.4 数据处理和分析

100 kg籽粒需磷量（kg）=100×[籽粒产量（kg·hm^-2）×籽粒含磷量（%）+秸秆产量（kg·hm^-2）×秸秆含磷量（%）]/籽粒产量（kg·hm^-2）。

作物相对产量与土壤有效磷之间的响应关系通过Mitscherlich方程模拟,公式如下：

Y = A×（1- e^-bx）

式中,Y为预测的相对产量,A为最大的相对产量,b为产量对土壤有效磷的响应系数,x为土壤有效磷含量。

磷肥利用率（%）={[某施磷处理作物总吸磷量（kg P·hm^-2）- CK处理作物总吸磷量（kgP·hm^-2）] /该施磷处理施磷量（kg·hm^-2）}×100。

当季土壤表观磷盈亏（kg P·hm^-2）=每年施入土壤的磷素总量（kg P·hm^-2）-每年作物（籽粒+秸秆）吸磷量（kg P·hm^-2）。

土壤累积磷盈亏（kg P·hm^-2）=∑[当年作物表观磷盈亏]。

土壤Olsen-P增量的计算方法如下：

ΔOlsen P（mg·kg^-1）=P_i（mg·kg^-1）- P₀（mg·kg^-1）

式中,P_i为第i年土壤有效磷的含量;P₀为初始土壤中的有效磷含量。

2 结果

2.1 长期施肥下作物吸磷特征与土壤有效磷的变化趋势

水稻、小麦产量和100 kg籽粒需磷量随不同施肥处理表现出较为明显的差异（表1）。水稻季和小麦季NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS处理的产量均显著高于其他施肥处理,其中水稻季以NPKS处理的产量最大,小麦季以1.5NPKM处理的产量最大;水稻产量与小麦产量表现不尽相同,磷肥的施用对小麦的增产率大于水稻。通过对紫色土长期稻麦轮作下100 kg籽粒需磷量的统计分析,100 kg水稻籽粒需磷量为0.17—0.41 kg,100 kg小麦籽粒需磷量为0.25—0.57 kg;施磷各处理PK、NP、NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS的100 kg籽粒需磷量显著高于其他施肥处理,其中1.5NPK处理的100 kg籽粒需磷量最大,总体而言,随着产量水平提高,100 kg作物籽粒需磷量呈增加趋势。

Table 1
表1
表1长期施肥下紫色土水稻和小麦的产量及100 kg籽粒需磷量
Table 1Plant P uptake per 100 kg grains yield in purple soil under long-term fertilizations

处理 Treatment	产量 Yield (kg·hm-2)		100 kg籽粒需磷量 P uptake per 100 kg grains yield (kg)
	水稻Rice	小麦Wheat	水稻Rice	小麦Wheat
CK	6115.8±1271.1e	3099.9±790.9c	0.26±0.03b	0.33±0.06b
N	9458.1±1804.4c	3727.0±1382.8c	0.17±0.07c	0.25±0.02c
NP	11060.0±1886.9b	5667.5±1378.2b	0.38±0.04a	0.46±0.05a
NK	11151.5±1916.0b	3687.4±1632.2c	0.27±0.04b	0.25±0.05b
PK	7939.6±1120.4d	3698.0±1061.4c	0.38±0.03a	0.57±0.02a
NPK	12444.9±1793.3a	7015.6±1265.8a	0.36±0.03a	0.48±0.03a
NPKM	12441.7±2033.1a	6958.7±1369.1a	0.37±0.03a	0.50±0.06a
1.5NPKM	12760.5±1937.4a	7624.9±1590.5a	0.41±0.04a	0.52±0.03a
NPKS	13148.4±1910.1a	6883.9±1619.9a	0.39±0.02a	0.48±0.03a
M	8174.1±2174.2d	3161.9±913.2c	0.32±0.03b	0.39±0.05b

Different letters in one column mean significant difference at 0.05 level
同列不同字母表示差异显著(P<0.05)

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长期不同施肥处理下稻麦轮作系统土壤有效磷含量的变化如图1所示,不施磷处理CK、N、NK和单施有机肥处理M的有效磷含量随试验年份的增加逐渐下降至平稳状态,NK处理的有效磷含量与时间呈负相关但不显著,而CK、N和M处理的土壤有效磷含量则与试验年份呈显著负相关;施磷各处理NP、PK、NPK、NPKM、1.5NPK+M和NPKS的有效磷含量则随试验年份的增加呈持续增加趋势,且土壤有效磷含量与试验年份呈极显著正相关。不施磷处理和单施有机肥处理的土壤有效磷含量在27年后达到极缺程度;而施磷各处理的土壤有效磷年均增量为0.80—2.32 mg·kg^-1,其中以1.5NPKM处理的年均增量最大。

图1

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图1长期施肥处理下紫色土有效磷含量的变化

Fig. 1Change of Olsen-P in purple soil under long-term different fertilizations

2.2 长期施肥下土壤有效磷增量对累积磷盈亏的响应特征

长期施肥处理条件下,土壤Olsen-P变化量与土壤耕层磷盈亏的响应关系有明显差异（图2）。不施磷处理CK、N和NK和单施有机肥处理M的土壤有效磷均呈下降的趋势。施磷各处理的有效磷增量与土壤累积磷盈亏均呈显著正相关,其中1.5NPK+M、NPKM和PK处理的累积磷盈余量较高,最高可达700—1 000 kg·hm^-2,NPK、NPKS和NP处理的累积磷盈余量较小,最大为350—500 kg·hm^-2;PK和NP处理土壤每累积磷100 kg·hm^-2,土壤中有效磷的含量平均分别可提高7.42和5.99 mg·kg^-1,NPK、NPKM、1.5NPK+M和NPKS各处理土壤每盈余磷100 kg·hm^-2,土壤中有效磷的平均增量分别为4.95、4.27、5.53和6.5 mg·kg^-1。

图2

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图2长期施肥处理下紫色土Olsen-P增量与累积磷盈亏的关系

Fig. 2Correlations relationship between soil Olsen-P change and P balance in purple soil under long-term fertilization treatments

2.3 长期施肥下的磷肥利用效率与农学阈值

稻麦轮作系统中不同施肥处理对磷肥利用效率的影响如表2所示。不同施磷处理的磷肥利用率不同,且小麦季和水稻季的磷肥利用率范围也不同。各处理水稻季的磷肥利用率范围为14.2%—32.9%,小麦季磷肥利用率范围为7.4%—19.9%;相较于偏施肥处理NP、PK,平衡施肥各处理NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS显著提高了稻麦轮作系统的磷肥利用率,其范围为44.4%—50.9%,平衡施肥各处理间差异不显著。NP处理稻麦轮作系统磷肥利用率为36.7%,显著高于PK处理（21.5%）。

Table 2
表2
表2长期施肥处理下稻麦轮作系统的磷肥利用率
Table 2P utilization efficiency in rice-wheat rotation system under long-term fertilization treatments

处理 Treatment	水稻季 Rice	小麦季 Wheat	全年 Annual
CK	—	—	—
N	—	—	—
NP	24.4±7.5b	12.3±2.4b	36.7±6.9b
NK	—	—	—
PK	14.2±2.0c	7.4±2.0c	21.5±2.7c
NPK	27.0±7.4a	17.4±3.1a	44.4±7.2a
NPKM	27.7±4.9a	17.1±2.7a	44.8±5.4a
1.5NPKM	31.1±7.4a	19.9±2.7a	50.9±7.3a
NPKS	32.9±6.5a	16.8±2.7a	49.6±5.2a
M	—	—	—

同列不同字母表示差异显著（P<0.05）
Different letters in one column mean significant difference at 0.05 level

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不同模型对农学阈值的确定存在一定的差异。为了使紫色土稻麦轮作土壤磷素农学阈值准确定量化,比较了较为常见的线性-平台模型、双直线模型、BoxLucas模型和米切里西模型对农学阈值定量化的结果（表3）。由线性-平台模型、双直线模型、BoxLucas模型和米切里西模型得到土壤磷素农学阈值分别为10.10、9.93、9.17、12.50、10.44 mg·kg^-1,4种模型计算的稻麦轮作条件下紫色土土壤磷素农学阈值一般处于9—15 mg·kg^-1范围内。因此,只有当土壤Olsen-P的含量高于15 mg·kg^-1时,才能保证水稻和小麦的正常生产。从R²看,各模型均达到了极显著水平（P< 0.01）,小麦和水稻的农学阈值均以双直线模型的拟合效果最佳,其次为线性-平台模型。

Table 3
表3
表3长期施肥下紫色土土壤磷素农学阈值
Table 3The critical P value of soil Olsen-P in purple soil under long-term fertilization treatments

模型 Model	小麦 Wheat			水稻 Rice
	农学阈值 Agronomy threshold (mg·kg-1)	相对产量 Relative yield (%)	R2	农学阈值 Agronomy threshold (mg·kg-1)	相对产量 Relative yield (%)	R2
线性-平台模型 LP	10.10	88.3	0.643**	14.34	92.4	0.427**
双直线模型 LL	9.93	87.5	0.654**	13.28	92.9	0.548**
BoxLucas模型 BL	9.17	79.5	0.595**	3.96	80.0	0.229**
米切里西模型 EXP	12.50	80.8	0.621**	10.01	84.0	0.414**
均值 Mean	10.44	84.1	—	10.73	87.4	—

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3 讨论

3.1 紫色土稻麦轮作系统土壤有效磷的含量变化及其对累积磷盈亏的响应

Olsen-P 常用来表征紫色土中可被植物吸收利用的磷^[18]。本试验的研究结果表明,长期施用磷肥,土壤有效磷含量随试验年份呈增加趋势,而长期不施磷肥,土壤有效磷含量随着试验年限的延长下降至平稳状态。这与吴春艳等^[19]对长期不同施肥管理下水旱轮作水稻土耕层土壤磷含量的研究结果一致,即长期施磷水稻土耕层有效磷含量随施用年限增加而增加,而在没有磷肥投入的情况下,土壤稳态磷会逐渐转化为有效态,使得有效磷含量可以维持在一定低水平^[20]。

前人研究表明,长期不同施肥处理下,土壤磷素变化与土壤耕层磷盈亏的响应关系会有明显差异^[21]。本试验的研究结果也证明了这一点,即不施磷各处理土壤有效磷增量与累积磷盈亏无显著相关性,而施磷各处理土壤有效磷增量与土壤累积磷盈亏均呈正相关。本试验结果中施磷各处理土壤每盈余磷100 kg·hm^-2,土壤有效磷增量范围为4.27—6.5 mg·kg^-1。TANG等的结果表明,长期不同磷肥施用下小麦玉米轮作系统土壤每盈余磷100 kg·hm^-2,施磷各处理土壤有效磷增量的范围为1—6 mg·kg^-1。长期不同施磷处理下,土壤有效磷增量和累积磷盈亏的响应会随不同土壤类型、种植模式以及气候条件等因素而有所差异^[22]。本试验结果表明,达到相同的有效磷增量,施磷各处理中PK、1.5NPK+M处理的土壤磷素累积盈余量均较高,约为NPKS处理的2倍。在相同的施磷量下,PK处理下的作物产量较NPKS处理低（表1）,且磷肥利用效率较低（表2）,因此土壤磷素累积盈余量较高（图2）;而1.5NPK+M处理较NPKS处理而言,磷素投入量较高,在相近的磷利用率的情况下（表2）,累积磷盈余量更高。诸多研究发现,过量施磷肥虽然能提高土壤磷的供应潜力,但会使土壤中磷素盈余过量,增加环境风险,降低磷肥利用率^[23,24]。

3.2 紫色土稻麦轮作系统作物产量、吸磷量及磷肥利用率

生产实践中,产量是评估肥料效应最直接的指标之一,本试验中NPK、NPKM、1.5NPKM和NPKS处理均能显著提高作物产量,相较于其他处理平均高45.9%。本研究中水稻产量与小麦产量对施磷各处理表现也不尽相同,磷肥的施用对小麦的增产率大于水稻,为47.4%。这与李忠芳等^[25]、魏猛等^[20]的研究结果一致,即均衡施肥可以显著提高作物产量及其在年际间的稳定性,不同作物对施磷的表现不尽相同。100 kg籽粒需磷量是评价磷肥施用对作物增产效果以及指导磷肥合理施用的重要指标之一^[26]。本试验研究结果表明,不同施肥处理间100 kg籽粒需磷量差异较大,但总体而言100 kg籽粒需磷量随产量水平的提高而增加,这一趋势与车升国等^[27]汇总的我国主要麦区小麦100 kg籽粒需磷量结果一致。此外,ZHANG等^[28]认为作物吸磷量由作物产量和作物磷含量决定,而产量对作物吸磷量的影响更大。本研究中100 kg水稻籽粒需磷量为0.17—0.41 kg,100 kg小麦籽粒需磷量为0.25—0.57 kg,总体小麦比水稻平均高27.3%,这与赵双进等^[29]在河北省潮土稻麦轮作的研究结果相似。前人研究表明,不同作物栽培品种及田间管理水平不同,作物养分吸收能力会不同,即生产100 kg籽粒的磷需求量存在区域差异性^[8,27]。因此,推荐施磷时要充分考虑区域间不同作物产量水平与作物类型对磷素需求量的差异,因地制宜地指导施肥。

磷肥利用率是评价磷肥施用被作物系统吸收利用的重要指标之一^[30]。本试验研究结果表明（表2）,长期不同施磷处理的磷肥利用率不同。NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS处理的磷肥利用率范围为44.4%—50.9%,PK处理稻麦轮作系统磷肥利用率为21.5%,显著低于其他处理,主要是由于PK处理产量显著低于其他处理导致的（表1）。本研究结果较孙明等^[31]、高静等^[32]在其他土壤不同轮作方式下的磷肥利用效率高,即在山东潮土小麦-玉米轮作长期定位试验中,平衡施肥处理（NPK、N₁₅PK、N₂₅PK）磷肥利用率为26.6%—31.8%;而长期NPK施用下的北方塿土、潮土和褐潮土上的小麦磷肥利用率分别为15.3%、31.2%和23.8%。因此,不同土壤、气候类型、磷肥施用量以及不同作物和轮作方式等会影响处理的磷肥利用率的大小^[31,32]。此外,本研究中施磷各处理每盈余磷100 kg·hm^-2,土壤有效磷增量范围为4.27—6.5 mg·kg^-1,这一结果较其他地区高35%^[24],土壤中作物可吸收利用的有效磷高,可能也是本研究中磷肥利用率较高的原因之一。

3.3 紫色土稻麦轮作系统土壤有效磷变化对作物产量的响应

作物相对产量对土壤有效磷的响应阈值即农学阈值是评价施肥合理性的重要指标^[33]。本试验采用线性-平台模型、双直线模型、BoxLucas模型和米切里西模型均可以较好地模拟土壤有效磷变化与作物产量之间的响应关系,得到稻麦轮作条件下紫色土有效磷农学阈值范围为9—15 mg·kg^-1,其中双直线模型的拟合效果最好,其计算出的水稻和小麦的土壤有效磷农学阈值分别为13.28和9.93 mg·kg^-1。黄晶^[34]基于长江中上游5个典型农田试验点的研究发现紫泥田稻麦轮作下水稻和小麦土壤有效磷农学阈值分别为16.6和10.2 mg·kg^-1,相较之本研究结果偏低,可能是因为本研究中施磷各处理每100 kg·hm^-2累积磷盈余所对应的有效磷增量相对较高（图2）以及稻麦轮作系统相对较高的磷肥利用率（表2）。此外,土壤类型、作物种类、轮作制度以及气候条件等诸多因素也会对作物农学阈值的拟合大小有一定的影响^[35]。在本长期定位试验中,不施磷处理和单施有机肥处理的土壤有效磷含量均没有达到水稻和小麦的农学阈值;施磷各处理土壤有效磷含量在不同年限均超过了农学阈值,其中1.5NPK+M和PK处理在长期施肥27年以后土壤有效磷含量最高,为稻麦轮作系统农学阈值的3.5—5.5倍,严重超过农学阈值的范围。据刘方等^[13]对贵州黄壤磷的淋失风险评价研究显示,当土壤Olsen-P>40.0 mg·kg^-1,土壤磷素向水环境的流失风险很高。因此,生产上应根据土壤有效磷含量和农学阈值及时调整磷肥施用量或一段时间内不施磷肥,避免过量施肥造成环境风险增加。

4 结论

长期施用磷肥能显著提高水旱轮作系统中土壤有效磷含量和磷素累积量,施磷各处理的有效磷增量与土壤累积磷盈亏均呈显著正相关关系,土壤每盈余磷100 kg·hm^-2,土壤有效磷含量提高4.27—6.5 mg·kg^-1;秸秆还田或有机肥配施化肥的磷肥利用率相对较高（44.4%—50.9%）;总体而言,作物吸磷量随产量水平的提高呈增加趋势,100 kg水稻籽粒需磷量为0.17—0.41 kg,100 kg小麦籽粒需磷量为0.25—0.57 kg;双直线模型推荐用于计算紫色土稻麦轮作地区磷素农学阈值,其在水稻和小麦上计算的土壤有效磷农学阈值分别为13.28和9.93 mg·kg^-1,生产应根据土壤磷素水平及时调整施磷量。

（责任编辑 李云霞）

参考文献 View Option 原文顺序
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被引期刊影响因子

[1] 陆景陵. 植物营养学. 北京: 中国农业大学出版社, 2005.
[本文引用: 1]

LU J L. Plant Nutrition. Beijing: China Agriculture University Press, 2005. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[2] KOPITTKE P M, DALAL R C, WANG P, MENZIES N W. Effects of long-term cultivation on phosphorus (P) in five low-input, subtropical Australian soils
Agriculture Ecosystems & Environment, 2018, 252:191-199.
DOI:10.1016/j.agee.2017.10.018URL [本文引用: 1]

[3] SURIYAGODA L D B, RYAN M H, RENTON M, LAMBERS M. Plant responses to limited moisture and phosphorus availability: A meta-analysis
Advances in Agronomy, 2014, 124:143-200.
[本文引用: 1]

[4] LI H G, HUANG G, MENG Q, MA L N, YUANL X, WANG F Y, ZHANG W, CUI Z, SHEN J Y, CHEN X G, JIANG R F, ZHANG F S. Integrated soil and plant phosphorus management for crop and environment in China: A review
Plant and Soil, 2011, 349:157-167.
DOI:10.1007/s11104-011-0909-5URL [本文引用: 1]

[5] BAI Z H, LI H G, YANG X Y, ZHOU B K, SHI X J, WANG B R, LI D C, SHEN J B, CHEN Q, QIN W, OENEMA O, ZHANG F S. The critical soil P levels for crop yield, soil fertility and environmental safety in different soil types
Plant and Soil, 2013, 372:27-37.
DOI:10.1007/s11104-013-1696-yURL [本文引用: 1]

[6] YANG Y J, ZHANG H P, QIAN X Q, DUAN J N, WANG G L. Excessive application of pig manure increases the risk of P loss in calcic cinnamon soil in China
Science of the Total Environment, 2017, 609:102-108.
DOI:10.1016/j.scitotenv.2017.07.149URL [本文引用: 1]

[7] 王斌, 刘骅, 李耀辉, 马兴旺, 王西和, 马义兵. 长期施肥条件下灰漠土磷的吸附与解吸特征
土壤学报, 2013, 50(4):727-733.
[本文引用: 1]

WANG B, LIU H, LI Y H, MA X W, WANG X H, MA Y B. Phosphorus adsorption and desorption characteristics of gray desert soil under long-term fertilization
Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(4):727-733. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[8] 卜容燕, 任涛, 鲁剑巍, 李小坤, 丛日环, 李云春, 汪洋, 鲁君明. 水稻-油菜轮作条件下磷肥效应研究
中国农业科学, 2014, 7(6):1227-1234.
[本文引用: 2]

BU R Y, REN T, LU J W, LI X K, CONG R H, LI Y C, WANG Y, LU J M. Analysis of phosphorus fertilizer efficiency under rice-rapeseed rotation system
Scientia Agricultura Sinica, 2014, 7(6):1227-1234. (in Chinese)
[本文引用: 2]

[9] 展晓莹, 任意, 张淑香, 康日峰. 中国主要土壤有效磷演变及其与磷平衡的响应关系
中国农业科学, 2015, 48(23):4728-4737.
[本文引用: 1]

ZHAN X Y, REN Y, ZHANG S X, KANG R F. Changes in Olsen phosphorus concentration and its response to phosphorus balance in the main types of soil in China
Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23):4728-4737. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[10] 李冬初, 王伯仁, 黄晶, 张扬珠, 徐明岗, 张淑香, 张会民. 长期不同施肥红壤磷素变化及其对产量的影响
中国农业科学, 2019, 52(21):3830-3841.
[本文引用: 1]

LI D C, WANG B R, HUANG J, ZHANG Y Z, XU M G, ZHANG S X, ZHANG H M. Change of phosphorus in red soil and its effect to grain yield under long-term different fertilizations
Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(21):3830-3841. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[11] DODD J R, MALLARINO A P. Soil-test phosphorus and crop grain yield responses to long-term phosphorus fertilization for corn-soybean rotations
Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(4):1118-1128.
DOI:10.2136/sssaj2004.0279URL [本文引用: 1]

[12] TANG X, SHI X, MA Y, HAO X. Phosphorus efficiency in a long-term wheat-rice cropping system in China
Journal of Agricultural Science, 2011, 149(3):297-304.
[本文引用: 1]

[13] 刘方, 黄昌勇, 何腾兵, 钱小刚, 刘元生, 罗海波. 长期施肥下黄壤旱地磷对水环境的影响及其风险评价
土壤学报, 2003, 40(6):838-844.
[本文引用: 2]

LIU F, HUANG C Y, HE T B, QIAN X G, LIU Y S, LUO H B. The environmental impact of phosphorus on water in the upland fields of yellow soil areas under long-term fertilization and its risks evaluation
Acta Pedologica Sinica, 2003, 40(6):838-844. (in Chinese)
[本文引用: 2]

[14] DJODJIC F, BÖRLING K, BERGSTRÖM L. Phosphorus leaching in relation to soil type and soil phosphorus content
Journal of Environmental Quality, 2004, 33(2):678-684.
DOI:10.2134/jeq2004.6780URL [本文引用: 1]

[15] 曹宁, 陈新平, 张福锁, 曲东. 从土壤肥力变化预测中国未来磷肥需求
土壤学报, 2007, 44(3):536-543.
[本文引用: 1]

CAO N, CHEN X P, ZHANG F S, QU D. Prediction of phosphate fertilizer demand in China based on change in soil phosphate fertility
Acta Pedologica Sinica, 2007, 44(3):536-543. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[16] 鲍士旦. 土壤农化分析. 北京: 中国农业出版社, 2000.
[本文引用: 1]

BAO S D. Soil Agrochemical Analysis. Beijing: China Agriculture Press, 2000. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[17] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.
[本文引用: 1]

LU R K. Soil Agrochemical Analysis Method. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[18] 刘京. 长期施肥下紫色土磷素累积特征及其环境风险
[D]. 重庆: 西南大学, 2015.
[本文引用: 1]

LIU J. Characteristics of phosphorus accumulation in purple soil under long-term fertilization and its environmental risks
[D]. Chongqing: Southwest University, 2015. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[19] 吴春艳, 刘晓霞, 陈义, 李艳, 唐旭, 陆若辉. 不同施肥管理下水旱轮作水稻土磷含量的演变
浙江农业学报, 2019, 31(7):1128-1137.
[本文引用: 1]

WU C Y, LIU X X, CHEN Y, LI Y, TANG X, LU R H. Variation of phosphorus content in paddy soil under different fertilization management
Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2019, 31(7):1128-1137. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[20] 魏猛, 张爱君, 李洪民, 唐忠厚, 陈晓光, 诸葛玉平. 长期施肥条件下黄潮土有效磷对磷盈亏的响应
华北农学报, 2015, 30(6):226-232.
[本文引用: 2]

WEI M, ZHANG A J, LI H M, TANG Z H, CHEN X G, ZHUGE Y P. The response of available phosphorus in yellow fluvo-aquic soil to phosphorus surplus and loss under long-term fertilization conditions
Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2015, 30(6):226-232. (in Chinese)
[本文引用: 2]

[21] 袁天佑, 王俊忠, 冀建华, 牛俊义, 慕兰. 长期施肥条件下潮土Olsen-P的演变及其对磷盈亏的响应
核农学报, 2017, 31(1):125-134.
[本文引用: 1]

YUAN T Y, WANG J Z, JI J H, NIU J Y, MU L. Changes in soil available phosphorus and its response to phosphorus balance under long-term fertilization in fluvo-aquic soil
Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2017, 31(1):125-134. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[22] TANG X, LI J M, MA Y B, HAO X Y, LI X Y. Phosphorus efficiency in long-term (15 years) wheat-maize cropping systems with various soil and climate conditions
Field Crops Research, 2008, 108(3):231-237.
DOI:10.1016/j.fcr.2008.05.007URL [本文引用: 1]

[23] YANG X Y, SUN B H, ZHANG S L. Trends of yield and soil fertility in a long-term wheat-maize system
Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(2):402-414.
DOI:10.1016/S2095-3119(13)60425-6URL [本文引用: 1]

[24] SHEN P, XU M G, ZHANG H M, YANG X Y, HUANG S M, ZHANG S X, HE X H. Long-term response of soil Olsen P and organic C to the depletion or addition of chemical and organic fertilizers
Catena, 2014, 118:20-27.
DOI:10.1016/j.catena.2014.01.020URL [本文引用: 2]

[25] 李忠芳, 徐明岗, 张会民, 张文菊, 高静. 长期施肥下中国主要粮食作物产量的变化
中国农业科学, 2009, 42(7):2407-2414.
[本文引用: 1]

LI Z F, XU M G, ZHANG H M, ZHANG W J, GAO J. Changes in yields of major grain crops in China under long-term fertilization
Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(7):2407-2414. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[26] 黄琦. 基于“3414”田间试验的吉林省水稻施肥效果分析
[D]. 吉林: 吉林农业大学, 2016.
[本文引用: 1]

HUANG Q. Fertilization effect analysis of Rice in Jilin Province based on field experiment of “3414”
[D]. Jilin: Jilin Agricultural University, 2016. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[27] 车升国, 袁亮, 李燕婷, 林治安, 李燕青, 赵秉强, 沈兵. 我国主要麦区小麦产量形成对磷素的需求
植物营养与肥料学报, 2016, 22(4):869-876.
[本文引用: 2]

CHE S G, YUAN L, LI Y T, LIN Z A, LI Y Q, ZHAO B Q, SHEN B. Phosphorous requirement for yield formation of wheat in main wheat production regions of China
Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2016, 22(4):869-876. (in Chinese)
[本文引用: 2]

[28] ZHANG B B. LIU W Z, CHANG S X, ANYIO A O. Phosphorus fertilization and fungal inoculations affected the physiology, phosphorus uptake and growth of spring wheat under rainfed conditions on the Canadian prairies
Journal of Agronomy & Crop Science, 2013, 199(2):85-93.
[本文引用: 1]

[29] 赵双进, 李晋生. 施肥对冬小麦夏谷氮磷吸收量的影响
土壤肥料, 1992(3):27-29.
[本文引用: 1]

ZHAO S J, LI J S. Effect of fertilization on nitrogen and phosphorus uptake in winter wheat and summer valley
Soil and Fertilizer Sciences in China, 1992(3):27-29. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[30] WANG X R, SHEN J B, LIAO H. Acquisition or utilization, which is more critical for enhancing phosphorus efficiency in modern crops
Plant Science, 2010, 179(4):302-306.
DOI:10.1016/j.plantsci.2010.06.007URL [本文引用: 1]

[31] 孙明, 孙翠平, 李彦, 仲子文, 井永苹, 罗加法, 薄录吉, 张英鹏. 长期定位施肥对山东潮土磷肥回收率演变及不同作物磷素吸收的影响
农业科学, 2017, 7(6):433-442.
[本文引用: 2]

SUN M, SUN C P, LI Y, ZHONG Z W, JING Y P, LUO J F, BO L J, ZHANG Y P. Effects of long-term fertilization on phosphorus recovery and phosphorus uptake by different crops in fluvo-aquic soil of Shandong Province
Agricultural Sciences, 2017, 7(6):433-442. (in Chinese)
[本文引用: 2]

[32] 高静, 张淑香, 徐明岗, 黄绍敏, 杨学云. 长期施肥下三类典型农田土壤小麦磷肥利用效率的差异
应用生态学报, 2009, 20(9):2142-2148.
[本文引用: 2]

GAO J, ZHANG S X, XU M G, HUANG S M, YANG X Y. Difference of phosphorus use efficiency of wheat in three typical farmland soils under long-term fertilization
Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(9):2142-2148. (in Chinese)
[本文引用: 2]

[33] 孙翠平, 张英鹏, 罗加法, 仲子文, 孙明, 李彦, 刘兆辉, 井永苹, 薄录吉. 长期施肥对山东潮土磷盈亏及农学阈值的影响
华北农学报, 2019, 34(5):185-191.
[本文引用: 1]

SUN C P, ZHANG Y P, LUO J F, ZHONG Z W, SUN M, LI Y, LIU Z H, JING Y P, BO L J. The effect of long-term fertilization on the phosphorus gain and loss and agronomic threshold of the fluvo-aquic soil in Shandong
Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2019, 34(5):185-191. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[34] 黄晶. 基于几个长期定位试验的长江上、中游水稻土磷素肥力与磷肥肥效的演变规律
[D]. 长沙: 湖南农业大学, 2017.
[本文引用: 1]

HUANG J. Evolution of soil phosphorus fertility and phosphate fertilizer efficiency of paddy soils in the upper and middle reaches of the Yangtze River based on several stationary experiments
[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2017. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[35] KHAN A, LU G Y, AYAZ M, ZHANG H T, WANG R J, LV F L, YANG X Y, SUN B H, ZHANG S L. Phosphorus efficiency, soil phosphorus dynamics and critical phosphorus level under long-term fertilization for single and double cropping systems
Agriculture Ecosystems & Environment, 2018, 256:1-11.
DOI:10.1016/j.agee.2018.01.006URL [本文引用: 1]