长期不同施肥模式黑土有效磷与磷盈亏响应关系差异的机理

摘要

磷是植物生长必需的营养元素之一，它参与植物体内的多种生理过程。植物能够直接吸收利用的是土壤磷库中的有效磷，因此有效磷是衡量土壤供磷能力、决定作物产量、评估磷素流失风险方面至关重要的肥力指标。对农田土壤有效磷水平的合理调控不仅具有农学与环境学的双重意义，还可以从土壤肥力角度预测未来的磷肥施用量。磷盈亏（土壤的磷素投入量减去磷素输出量）是决定土壤有效磷水平的重要因素，有效磷对磷盈亏的响应是预测磷肥施用量最重要的参数。本研究选取了我国东北地区长期施肥的土壤—公主岭黑土（玉米连作）为研究对象，并结合哈尔滨黑土（小麦-大豆-玉米轮作）的数据进行分析。施肥模式包括完全不施肥（CK）、仅施氮肥（N）、施氮钾肥（NK）、施氮磷肥（NP）、施氮磷钾肥（NPK）与氮磷钾肥配施有机肥（NPKM）。通过对历史数据的统计分析得到了长期不同施肥模式下黑土有效磷、磷盈亏的演变规律，以及有效磷对磷盈亏的响应关系（有效磷效率）；通过历史数据分析结合化学分析手段，从土壤理化性质（pH值与有机质）、磷素吸附解吸特性、磷形态特征三个方面探索了不同施肥模式黑土有效磷效率差异的机理；并确定了长期不同施肥模式下黑土磷素的转化特征。研究结果如下：
　　1．21年不施磷肥，公主岭黑土有效磷含量随年份显著下降，而施磷肥处理则随年份显著上升。其中，不施磷肥的CK、N和NK处理有效磷浓度的年下降率分别为0.34、0.29和0.29 mg/(kg a)（P＜0.01）；施用磷肥时，有效磷的年上升率为：NPKM＞NPK＞NP，三者的年上升率分别为：8.16、1.24和1.15 mg/(kg a)（P＜0.01）。21年无磷肥施入，公主岭黑土CK、N和NK处理磷素耗竭量分别为336、676与773 kg/ha；施用化学磷肥NP与NPK处理磷素收支基本平衡，略有亏缺，亏缺量分别为55与91 kg/ha；NPKM处理土壤磷素为累积状态，共盈余844 kg/ha的磷。黑土有效磷变化量与磷盈亏量呈显著的直线正相关关系（P＜0.05）。黑土每耗竭100 kg P/ha，CK、N、NK处理的有效磷分别降低2.14、0.74和0.70 mg/kg（有效磷效率）；黑土每累积100 kg/ha磷， NPKM的有效磷增加19.63 mg/kg。将土壤每亏缺或盈余100kg P/ha时有效磷的消长量称为有效磷效率（mg/kg）。CK处理的有效磷效率与N与NK达到显著差异（P＜0.05）， NPKM与前三者均达到极显著差异（P＜0.01）。
　　2．不同施肥模式的土壤性质、磷素吸附解吸特性和磷形态特征对有效磷效率的影响机理：
　　（1）长期不同施肥模式改变了黑土的pH值与有机质含量，从而改变了有效磷效率。长期投入氮肥的处理（N、NK、NP、NPK）公主岭黑土 pH值较不施用任何肥料的处理（CK）显著降低0.53、0.95、0.95和1.08；有机肥配施磷肥显著提高了公主岭黑土的有机质水平，比CK与NK处理均高出10 g/kg。pH值的降低和有机质水平的提升，促进了难溶性磷向有效磷的转化。土壤有机质每提升1 g/kg，有效磷效率提高2.15 mg/kg。
　　（2）长期不同施肥模式改变了黑土磷的吸附解吸特性，是各处理有效磷效率差异的原因之一。施用化学磷肥（NPK）尤其是化学磷肥配施有机肥（NPKM）的处理土壤磷素解吸量（Readily desorbable phosphorus，RDP）大、吸附饱和度（Degree of phosphorus saturation，DPS）高，最大吸磷量（Qm）、吸附能常数（K）与磷缓冲容量（Max buffer capacity，MBC）小。NPK处理的RDP比CK与NK分别提高了9倍和3倍，NPKM比NPK显著高出761％；施化学磷肥显著提高了DPS值，NPK处理的DPS是CK与NK处理的23和22倍，NPKM处理的DPS较NPK处理显著提高381%；CK、NK和NPK的K值显著高于NPKM，分别比CK、NK和NPK处理高3倍，3倍与4倍；NPK与NPKM的Qm较NK处理分别显著降低了48%和52%。也就是说，有机无机配施，显著减少量胶体吸附磷酸根的位点（Qm），降低了胶体对磷酸根的亲和力（K），增加了易溶性磷的含量（RDP），因此，其有效率效率较CK与NK处理高。
　　（3）通过Tiessen连续浸提法对黑土磷素进行分级，发现长期不同施肥模式改变了土壤各形态磷的含量，是各处理有效磷效率差异的另一原因。Resin-P、NaHCO3-Pi与NaOH-Pi，其与有效磷效率的相关性分别为0.97（P＜0.01）、0.95（P＜0.01）、(r=0.95, P＜0.01)，即活性越高的无机磷对有效磷效率的贡献最大。而与不施磷肥的处理相比，磷肥的施入提高了活性磷（Resin-P+NaHCO3-Pi+NaHCO3-Po）占全磷的比例，NPKM处理的活性磷比例较CK与NK分别高出19%与16%，因此NPKM处理的有效磷效率较高。
　　3．长期不同施肥模式影响了黑土磷形态的转化过程。长期不施磷肥，黑土活性磷占全磷的比例逐渐减小。与1990年比，2010年CK与NK处理活性磷分别减少5%和2%；化肥与化肥配施有机肥处理，活性磷比例均上升10%。作物共吸收了35.48 mg/kg的磷，同时中活性磷增加了5.75 mg/kg，这些磷来源于10.06 mg/kg的活性磷与31.18 mg/kg的稳定态磷。试验二十年，CK处理共有19.64 mg/kg的活性磷与13.94 mg/kg的中活性磷含量降低，其中的16.93 mg/kg的磷转化为稳定态磷，剩余的16.65 mg/kg被作物吸收。不平衡施肥NK处理，作物共吸收了35.48 mg/kg的磷，同时中活性磷增加了5.75 mg/kg，这些磷来源于10.06 mg/kg的活性磷与31.18 mg/kg的稳定态磷。21年的化肥磷投入使得NPK处理的土壤总磷下降了28.84 mg/kg，但活性磷含量增加了45.22 mg/kg，中活性磷增加了43.51 mg/kg，稳定态磷下降了117.56 mg/kg。有机肥配合化肥施用，土壤总磷共增加了647.39 mg/kg，其中有42.29%转化为DilHCl-Pi，有16.60%、14.74%和16.41%转化为了Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi。
　　总之，土壤有机质每提升1 g/kg，有效磷效率提高2.15 mg/kg。玉米对氮肥（N、NK）的吸收造成了对磷素的协同利用与 pH的下降，促进了 NK处理稳定态磷向有效磷的补充，每耗竭100kg/ha有效磷下降幅度较CK处理低。施肥尤其是有机无机配施，活性磷占全磷的比例提高，胶体吸附磷酸根的点位数量少且亲和力低，因此有效磷效率显著高于不施肥（CK、NK）处理。研究施肥模式对有效磷效率的影响可为黑土磷肥的合理施用提供科学依据，从而保障我国农业的友好和可持续发展。

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第一章 引 言

1.1 国内外研究进展

1.2 本文切入点

第二章 材料与方法

2.1 研究内容

2.2 技术路线

2.3 试验设计

2.4 公式计算与统计分析

第三章 长期不同施肥模式黑土有效磷的演变及其对磷盈亏的响应

3.1 长期不同施肥模式黑土有效磷的变化趋势

3.2 长期不同施肥模式黑土磷素累积的变化趋势

3.3 长期不同施肥模式有效磷与磷盈亏的响应关系

3.4 长期不同施肥模式有效磷效率的年际变化

3.5 长期不同施肥模式黑土性质

3.6 讨论

3.7 小结

第四章 长期不同施肥模式黑土磷吸附解吸特征及其对有效磷效率的影响

4.1 长期不同施肥模式下各施肥模式黑土磷的吸附特征

4.2 长期不同施肥模式下各施肥模式黑土磷的解吸特征

4.3 讨论

4.4 小结

第五章 长期不同施肥模式黑土磷素的转化特征

5.1 长期不同施肥模式对磷形态的影响

5.2 长期不同施肥模式黑土磷素的转化特征

5.3 讨论

5.4 小结

第六章 长期不同施肥模式黑土磷形态特征及对有效磷效率的影响

6.1 长期不同施肥模式黑土磷的形态特征

6.2 长期不同施肥模式磷形态与有效磷效率的相关关系

6.3 长期定位试验点有机肥中磷的有效性

6.4 讨论

6.5 小结

第七章 结论与展望

7.1 全文结论

7.2 创新点

7.3 存在问题及展望

参考文献

致谢

作者简历