长期保护性耕作对陇中旱农区小麦田土壤磷组分的影响

Effects of long-term conservation tillage on soil phosphorus fraction in rainfed wheat field of Longzhong

摘要

目的 研究不同保护性耕作措施对土壤磷组分的影响，为旱农区磷素高效利用提供理论依据。 方法 于2022年研究四种耕作措施［免耕（NT）；免耕秸秆覆盖（NTS）；传统耕作秸秆覆盖（TS）；传统耕作（T）］对小麦农田0~60 cm土层Resin-P、NaHCO₃-P、NaOH-P、HCl-P和Residual-P磷组分含量。 结果 随着土层加深，各处理磷组分含量均呈下降趋势，但残留磷含量变化不明显。0~20 cm土层NTS处理土壤总磷含量和有效磷含量较T分别显著增加了9.95%和22.14%，但在20~60 cm土层土壤总磷和有效磷含量变化不明显，相关分析表明土壤有效磷含量与土壤有机碳、土壤水分含量呈正相关，与土壤pH呈负相关。 结论 免耕+秸秆覆盖有利于土壤总磷和有效磷的积累与提高，秸秆覆盖还田可能通过影响土壤有机碳和土壤水分和pH，促进土壤磷的活化，提高作物对磷的利用效率。

Abstract

Objective To study the effects of different conservation tillage measures on soil phosphorus fractions and to provide a theoretical basis for efficient phosphorus use in dryland agriculture. Method Four tillage practices (no-tillage，NT;no-tillage straw mulch，NTS;conventional tillage straw mulch，TS; conventional tillage，T) were studied in 2022 on the phosphorus fractions of Resin-P，NaHCO₃-P，NaOH-P，HCl-P and Residual-P in the 0~60 cm soil layer of wheat fields. Result With the deepening of the soil layer，the phosphorus content of each treatment showed a decreasing trend，but the residual phosphorus content did not change significantly.In the 0~20 cm soil layer of the NTS treatment，the total phosphorus content and the effective phosphorus content increased significantly by 9.95% and 22.14%，respectively，compared with T.However，in the 20~60 cm soil layer，the total phosphorus content and the effective phosphorus content did not change significantly.Correlation analysis showed that the soil effective phosphorus content was positively correlated with soil organic carbon and soil moisture content，and negatively correlated with soil pH. Conclusion No-till+straw mulching is beneficial for the accumulation and improvement of total and effective phosphorus in the soil，and straw mulching may promote soil phosphorus activation and improve crop phosphorus use efficiency by affecting soil organic carbon，and soil moisture and pH.

Graphical abstract

关键词

保护性耕作 / 土壤磷组分 / 有机磷 / 无机磷 / 有效磷

Key words

conservation tillage / soil phosphorus fraction / organic phosphorus / inorganic phosphorus / effective phosphorus

Author summay

刘生忠，硕士研究生。Ｅ-mail：[e-mail]

磷是植物必需的三大营养元素之一，在促进植物生长、形成强壮的局部根系和调控植物生长发育进程中发挥着重要作用^［1］，但是由于磷素在土壤中的移动性差，施入的磷肥会被土壤中的矿物和有机物吸附，转化为不同形态的磷，导致磷素利用效率低^［2］。一般认为树脂磷（Resin-P）和NaHCO₃提取态的磷是植物可以直接吸收利用的磷形态，即活性磷^［3］，而NaOH提取态磷属于不易被植物直接利用的磷库，需要通过转化后植物才可利用，即属于中活性磷，是土壤中潜在的磷源^［4］；盐酸提取态磷和残留磷属于稳定态磷，难以被作物吸收利用^［5］。

研究表明，黄土高原地区稳定态磷占总磷的85%以上^［6-7］，难以被作物直接利用；其它磷组分占比较小，其中水溶性无机磷对增加有效磷含量显著，属于植物最易利用的磷源。秆还田配施化肥可显著提高NaHCO₃-P_i、NaHCO₃-P_o和NaOH-P_i含量，降低Residual-P含量^［8-9］。秸秆覆盖加免耕措施可促进黄绵土土壤各形态有机磷含量的提高^［10］，其中免耕通过影响土壤物理结构和氧化还原电位，进而影响磷组分组成^［11］，而秸秆还田增加与碳磷循环有关微生物的相对丰度^［12］，及有机物^［13］提高土壤磷的有效性，并且，秸秆还田降低了磷吸附，增加了磷释放^［12］。秸秆还田可提高土壤有机质含量，增强土壤蓄水能力，而土壤水分含量的增加可提高土壤速效磷含量^［14］。研究表明，pH=7.0时，利于提高磷素有效水平，当pH<5.0时磷易被土壤中的阳离子固定，pH>7.5时，部分磷和土壤中的碳酸钙形成不易溶解的磷酸盐，使得作物难以利用^［15］。黄土高原农田土壤pH一般为7.8~8.4，土壤中的磷易形成作物难以利用的磷酸盐，降低了磷的有效性。

本研究采用Hedley^［16］土壤磷素分级法将土壤磷分为7部分（Resin-P、NaHCO₃-P_i、NaHCO₃-P_o、NaOH-P_i、NaOH-P_o、HCl-P和Residual-P），同时兼顾了无机和有机磷组分的分级提取，可以更全面的估计土壤中无机态磷和有机态磷的有效程度，依托于陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区保护性耕作长期定位试验，通过分析不同耕作措施以及不同土层土壤磷组分的变化，可以更清楚的了解不同保护性耕作下土壤磷组分的对总磷和有效磷的影响，阐明磷组分对耕作和秸秆管理的响应，可为旱农区磷素高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究在陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的安定区李家堡镇麻子川村进行，研究所依托定位试验始于2001年。试区属中温带偏旱区，平均海拔2 000 m，年均太阳辐射592.7 kJ/cm²，日照时数2 476.6 h，年均气温6.4 ℃，≥0 ℃积温2 933.5 ℃，≥10 ℃积温2 239.1 ℃；无霜期140 d。多年平均降水390.9 mm，年蒸发量1 531 mm，干燥度2.53，年均降雨量为365 mm，变异系数为24.3%，为典型的雨养农业区。土壤为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，贮水性能良好；0~200 cm土壤容重平均为1.17 g/cm³，凋萎含水率7.3%，饱和含水率21.9%。

1.2 试验设计

采取春小麦、豌豆双序列轮作，随机区组设计，以耕作措施设4个处理，具体如表1所示，每处理3次重复，共12个小区，小区面积80 m²（4 m×20 m）。供试春小麦为当地主栽品种定西40号。春小麦播种量为187.5 kg/hm²，行距20 cm，各处理均施纯P₂O₅ 105 kg/hm²（过磷酸钙含P₂O₅ 16%），纯N 105 kg/hm²（尿素含N 46%）；春小麦于3月中旬播种，7月20日收获。

1.3 测定项目与方法

于2022年7月20日小麦收获后，采用五点取样法用土钻采取每个小区取0~10，10~20，20~30，30~40，40~60 cm土层土样，土样采集后混匀装入塑料袋在室内自然风干，将土样研磨过1 mm筛子进行磷组分的测定。

具体方法为，称取0.15 g风干土于10 mL离心管中，一次加入7 mL区离子水、0.5 mol/L NaHCO₃溶液（pH 8.5）、0.1 mol/L NaOH、1 mol/L HCI连续浸提，每种浸提剂加入后均在25 ℃恒温震荡培养箱中连续震荡16 h（180 r/min）。取出后4 ℃离心15 min（8 000 r/min），所得上清液用钼锑抗比色法测定H₂O-P、NaHCO-P_i和NaOH-P_i、和HCl-P这4种无机磷含量。另外，用NaCO₃和NaOH提取的上清液用酸化的过磷酸酸钾高温消化后采用钼锑抗比色法测得总磷含量（Pt），总磷与无机磷的差值即为有机磷，NaHCO₃-P_o和NaOH-P_o。以上连续浸提后剩余的土壤残渣经酸化的过硫酸钾高温消化后测定的磷含量为残余态磷（Residual-P）^［17］。其中有效磷为水溶性无机磷与NaHCO₃-P之和，总磷为提取态各磷组分之和。土壤碳及pH的数据为2022年之前本试验田数据的平均值，土壤水分为2022年7月20日在小麦为收获后用烘干法测定 （在本文中未展示数据）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019进行数据处理与制表，用SPSS 26.0软件进行统计分析。用SigmaPlot14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同保护性耕作措施对各层土壤总磷含量的影响

从表2可以看出，随着土层加深，土壤总磷含量呈现下降趋势。在0~10 cm土层，NTS下的总磷较T、NT和TS分别提高8.9%、7.7%和5.6%；TS处理较T提高3.6%，其总磷含量由大到小依次为NTS>TS>NT>T；在10~20 cm土层，NTS处理较T、NT和TS分别显著提高11%、8.4%和6.7%，其总磷含量表现为NTS>TS>NT>T；在20~60 cm土层，其总磷含量各处理间无显著差异。耕作和秸秆覆盖对0~10 cm土层总磷含量影响显著，秸秆覆盖对10~20 cm总磷含量较耕作影响更明显，耕作和秸秆覆盖对20~60 cm土层总磷含量无明显影响。

不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。*，**分别表示在P=0.05，0.01水平差异显著，ns表示差异不显著。

Different lowercase letters represent significant differences between treatments（P<0.05），*，**indicated significant differences at P=0.05，0.01 levels，respectively；ns：not significant.

2.2 不同保护性耕作措施对各层土壤有效磷含量的影响

从图1和表3可以看出，随着土层加深，土壤有效磷含量呈下降趋势，由大到小依次为NTS>TS>NT>T。在0~10 cm土层，NTS处理有效磷较T、NT和TS分别提高31.6%、21.4%和5.6%，TS处理较T和NT分别提高24.5%和14.9%；在10~20 cm土层，NTS处理较T、NT和TS分别提高27.6%、19.1%和10.8%，TS较T提高15.1%。在20~30、30~40和40~60 cm土层，各处理间有效磷含量差异不显著。由图3看出，耕作和秸秆覆盖对0~20 cm土层有效磷含量影响显著，秸秆覆盖对0~20 cm有效磷含量较耕作影响更明显，免耕加秸秆覆盖提高0~20 cm土层有效磷含量。

2.3 不同保护性耕作措施对各层土壤水溶性无机磷（Resin-P）含量的影响

从图2可知，在0~10 cm土层，NTS的Resin-P较T、NT、TS分别提高36.6%、25.8%、11.6%；TS处理较T、NT分别提高21.6%和13.3%；在10~20 cm土层，NTS处理较T和NT分别提高30.5%和38.2%，TS处理较T和NT分别提高22.7%和29.9%；在20~30 cm土层，TS处理较T提高43.3%；在30~60 cm土层各处理间差异不显著。随着土层深度增加，各处理土壤Resin-P含量逐渐降低。

2.4 不同保护性耕作措施对各层土壤NaHCO₃提取态磷含量的影响

在0~10 cm的土层，NTS处理下NaHCO₃-P_i较NT、TS和T分别提高18.3%、27%和36.7%，NaHCO₃-P_i的含量由大到小依次为NTS>TS>NT>T；10~20 cm土层，TS处理较T和NT分别提高52.1%和14.7%；0~30 cm土层，TS处理较T提高35.7%（表4）。在0~10 cm的土层，NaHCO₃-P_o的含量由大到小依次为NTS>NT>T>TS，NTS处理下NaHCO₃-P_o较T和TS分别增加33.7%和53.5% ，NT处理较T和TS分别增加26.7%和45.2%；在10~20 cm土层，NT处理最高，且与NTS、TS和T处理间差异显著。NaHCO₃-总磷，在0~10 cm土层NTS处理较T差异显著提高30.1%，在10~20 cm土层，NTS、TS和NT处理较T差异显著，在20~60 cm土层无显著差异。

不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters represent significant differences between treatments （P<0.05）.

2.5 不同保护性耕作措施对各层土壤NaOH提取态磷含量的影响

随着土层深度的增加，NaOH提取态磷含量逐渐降低，但不同耕作措施对各土层的影响不同（表5）。在0~10 cm土层，NTS处理NaOH-P_i较T提高23.1%；在10~20 cm土层，NTS处理NaOH-P_i含量表现为最高，与T有显著差异，与TS和NT差异不显著；在20~60 cm土层无显著差异。在0~60 cm各土层间NaOH-P_o含量无显著差异。各处理在0~10 cm土层的NaOH-总磷含量差异显著，NTS处理较T、NT、TS分别提高30.8%、17.8%、14.2%，NaOH-总磷含量在10~60 cm各土层间土层无显著差异。

不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters represent significant differences between treatments（P<0.05）.

2.6 不同保护性耕作措施对各层土壤HCl提取态磷含量的影响

在0~10 cm土层，NT和TS处理 HCl-Pi含量较T分别降低8.7%和11%；NTS处理较TS降低7.8%；NT、TS、NTS处理HCl-P_o含量较T分别降低22.9%、26.5%、15.6%；NTS、TS和NT处理HCl-总磷含量较T分别降低15.5%、20.8%和17.9%，TS处理较NTS降低6.3%。在10~20 cm土层，NTS处理HCl-P_i较T、TS和NT分别降低11.6%、10.2%和10.2%；T处理HCl-P_o含量较NT降低14.1%；各处理间HCl–总磷含量无显著差异。20~30 cm土层，各处理间HCl-P_i和HCl-P_o含量均无显著差异，NT处理HCl-总磷含量较T降低9.2%。30~40 cm土层，各处理间HCl–P含量差异不显著；在40~60 cm土层，NT处理较T和TS分别降低8.3%和8.2%，NTS处理较T和TS分别降低5.8%和5.8%。在40~60 cm土层，各处理间HCl-P_i含量和HCl-总磷含量差异不显著；TS和NTS处理HCl-P_o含量较T分别降低14%和18%，N T、TS、NTS处理间无显著差异（表6）。

不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters represent significant differences between treatments （P<0.05）.

2.7 不同保护性耕作措施对各层土壤Residual-P含量的影响

从图3可以看出，不同处理下各土层的残留磷含量在T处理下均高于于其它处理。在0~10 cm土层，NT处理较T降低8.7%；在10五号20 cm土层，NTS和NT处理较T分别降低8.6%和13.3%；在20~30 cm和30~40 cm土层，各处理间Residual-P含量差异不显著；在40~60 cm土层，TS处理较T降低8.6%。在0~30 cm土层，各处理间的Residual-P含量呈降低趋势，但在30~60 cm土层均呈上升趋势。

2.8 不同保护性耕作措施对0~30 cm土层各形态磷占总磷百分比的影响

土壤总磷中活性磷和中等活性磷占比较小，而稳定态磷占比最大（表7）；在NTS和TS处理下活性磷较T处理占比增加主要是因为水溶性无机磷（Resin-P） 和NaHCO₃-P_i显著增加，在NT处理下活性磷较T处理占比增加主要是因NaHCO₃-P_i占比显著增加，活性磷占总磷的比例表现为NTS>TS>NT>T。在NTS、TS和NT处理下中等活性磷较T处理占比无显著差异，其NaOH-P_i和NaOH-P_o占比对中等活性磷占比的增加无显著影响，各处理间中等活性磷占比大小表现为NTS>TS>NT>T；土壤中稳定态磷占比最高，T处理稳定态磷占比高于NT、TS和NTS；但各处理间HCl-P占比无显著差异；与T处理相比，NTS和NT处理显著降低了Residual-P占比，NT和T处理无显著差异；以上结果说明，与T处理相比，NTS和TS显著增加土壤活性磷占比，对中等活性磷影响无显著差异，且显著降低了稳定态磷占比；与T处理相比，NT对活性磷、中等活性磷和稳定态磷无显著影响。相关性分析发现，0~30 cm土层土壤有效磷含量与总有机碳间呈显著正相关（r=0.959*），与活性有机碳、微生物量碳、土壤水分正相关，与pH负相关，且均未达到显著水平（表8）。

不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters represent significant differences between treatments （P<0.05）.

3 讨论

本研究结果表明随着土层深度的增加其总磷含量呈现下降趋势，其活性磷和中等活性磷含量显著下降，稳定态磷含量无显著变化，随着土层的加深，其活性有机磷和中活性有机磷含量降低，稳定态含量下降不明显，与前人研究结果一致^［18-19］，这可能是因为秸秆还田以及化学肥料的施用，土壤表层的活性磷和中等活性磷含量显著增加，但由于磷的移动性差，向深层土壤扩散缓慢，导致表层土壤磷含量显著高于深层土壤磷含量^［20］，且秸秆还田增加了耕层土壤有机物含量，而有机物的增加促进了耕层土壤中微生物量以及土壤酶活性加强，促进了土壤难溶态磷向土壤无机磷的转化，使土壤无机磷含量显著增加^［21-22］，而且由于土壤磷素的难以迁移性，使得上层土壤（0~30 cm）活性磷和中等活性磷显著高于下层土壤（30~60 cm）。而稳定态磷是难容态的磷酸盐组成，有较强的稳定性，不易溶解，难以迁移，从而导致其含量不随土层深度的变化而变化。保护性耕作处理不仅能提高土壤中活性磷和中等活性磷含量，而且能促进土壤稳定态磷向活性磷和中等活性磷的转化^［23］，因此NTS和TS处理有较高的土壤有效磷含量。

耕作和秸秆管理显著影响NaHCO₃-P_i和NaOH-P_i含量，在0~30 cm土层，相比于T处理，而NT处理显著提高土壤NaHCO₃-P_o含量，这是因为在免耕处理下，对土壤的扰动少，增加了土壤有机质的积累，从而增加了土壤有机磷含量^［20］；NTS显著提高土壤水溶性无机磷（Resin-P_i）、NaHCO₃-P_i和NaOH-P_i含量，TS显著提高土壤NaHCO₃-P_i含量，在NTS、NT和TS处理下其NaOH-P_o含量无显著变化，这种变化可能是因为秸秆还田可增加土壤有机质，有机质的增加可以屏蔽土壤中的磷吸附位点，从而降低土壤对磷的吸附，促进土壤中磷素的循环^［24］；其次，在秸秆覆盖还田处理下，因秸秆自身所带的磷增加了土壤中的磷含量，且秸秆覆盖增加了土壤中的水分^［25］促进了土壤中磷的溶解，再次，秸秆的分解可提高土壤中微生物的活性和土壤磷酸酶活性（如碱性磷酸酶、酸性磷酸酶以及中性磷酸酶等），有利于促进有机磷转化为无机磷^［26-27］，促进磷的循环，且秸秆在腐解过程中会产生的有机酸，降低土壤pH^［28］，有利于土壤难溶态磷的活化^［29］，促进了土壤各形态磷组分的循环，从而增加了其活性磷和中等活性占总磷的比例，降低稳定态磷占总磷的比例^{［17，26］}。因此耕作与秸秆覆盖还田显著影响土壤有效磷，但秸秆覆盖还田因秸秆降解过程中的有机酸及微生物活性的增加有利于土壤磷素的循环，因此秸秆覆盖还田较耕作对有效磷的影响更显著。

4 结论

耕作与秸秆覆盖通过影响活性磷、中等活性磷（NaOH-P）和中稳定态HCl-P含量进而影响土壤总磷和有效磷含量。随着土层的加深，土壤总磷、有效磷、活性磷、中等活性磷（NaOH-P）和中稳定态HCl-P含量呈现下降趋势，而残留磷含量随土层的变化不明显。通过相关分析表明，NTS和TS处理下土壤碳和土壤水分含量增加，土壤pH降低，促进了土壤磷的活化。秸秆覆盖较耕作更有利于土壤总磷和由有效磷的累积，且秸秆覆盖免耕处理（NTS）影响更显著。

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基金资助

甘肃省自然科学基金项目(21JR7RA813)

国家重点研发计划项目(2021YFD1900700)