不同轮作模式下优化施肥对水稻产量及磷素积累与分配的影响

http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201906036

文章信息

孙博, 李帅帅, 周毅, 张莹, 陈健, 刘田, 郭俊杰, 凌宁, 郭世伟

SUN Bo, LI Shuaishuai, ZHOU Yi, ZHANG Ying, CHEN Jian, LIU Tian, GUO Junjie, LING Ning, GUO Shiwei

Effects of optimized fertilization on rice yield and accumulation and distribution of phosphorus under different rotation systems

南京农业大学学报, 2020, 43(4): 658-666

Journal of Nanjing Agricultural University, 2020, 43(4): 658-666.

http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201906036

文章历史

收稿日期: 2019-06-19

引用本文

孙博, 李帅帅, 周毅, 等. 不同轮作模式下优化施肥对水稻产量及磷素积累与分配的影响[J]. 南京农业大学学报, 2020, 43(4): 658-666.

SUN Bo, LI Shuaishuai, ZHOU Yi, et al. Effects of optimized fertilization on rice yield and accumulation and distribution of phosphorus under different rotation systems[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2020, 43(4): 658-666. DOI: 10.7685/jnau.201906036

不同轮作模式下优化施肥对水稻产量及磷素积累与分配的影响

孙博¹ , 李帅帅¹ , 周毅² , 张莹³ , 陈健⁴ , 刘田⁴ , 郭俊杰¹ , 凌宁¹ , 郭世伟¹

1. 南京农业大学资源与环境科学学院/江苏省固体有机废弃物资源化研究重点实验室, 江苏南京 210095;
2. 安徽科技学院资源与环境科学学院, 安徽凤阳 233100;
3. 江苏省土肥站, 江苏南京 210036;
4. 如皋市农业科学研究所, 江苏南通 226575

收稿日期：2019-06-19

基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFD0200200，2018YFD0200500）；江苏省农业科技自主创新资金项目[CX（16）1001]

作者简介：孙博, 硕士研究生

通信作者：郭世伟, 教授, 研究方向为养分资源管理, E-mail:sguo@njau.edu.cn.

摘要：[目的]本文旨在研究不同水旱轮作模式对当季水稻产量、磷肥利用率以及耕层土壤磷库组成的影响。[方法]设置水稻-小麦（RW）、水稻-油菜（RO）、水稻-冬闲田（RF）和水稻-结球甘蓝（RC）4种水旱轮作模式，每种轮作模式设置不施肥处理（CK）、优化施肥处理（OPT）以及农民习惯施肥处理（FFP）3种施肥处理的田间小区试验。于成熟期分析水稻产量、水稻磷素吸收与分配以及磷肥利用率，并采用Tiessen-P分级法，分析耕层土壤各形态磷库的变化特性。[结果]OPT和FFP处理RO轮作模式的水稻产量分别为9.98和10.1 t·hm^-2，磷素累积量分别为0.97和1.06 g·kg^-1，磷农学利用率分别为55.0和31.5 kg·kg^-1，磷偏生产力分别为166.0和86.4 kg·kg^-1，且相对高于其他3种轮作模式。OPT处理4种轮作模式的磷农学利用率和磷肥偏生产力分别比FFP处理平均提高91.0%和91.6%。OPT处理RW模式的NaHCO₃-Pi含量，RO模式的NaOH-Pi含量以及RC模式的Resin-P和HCl-P含量最高，分别为31.4、35.4、14.0和425 kg·kg^-1；而FFP处理RW模式的Residues-P，RO模式的NaOH-Pi、NaHCO₃-Po和NaOH-Po含量以及RC模式的HCl-P含量均较高，分别为556、40.9、28.6、24.4和451 kg·kg^-1。[结论]轮作模式和施肥管理是影响水稻生产的2个因素。采用优化施肥方式同时选择水稻-油菜和水稻-小麦轮作模式更有利于水稻生产，可在减少磷肥施用的基础上既保证水稻获得稳产，又有利于提高土壤磷组分的含量以及调节土壤磷库活性，促进水稻植株对磷素的吸收利用，提升磷肥利用率，最终实现水旱轮作模式水稻的高产高效。

关键词：水稻水旱轮作产量磷肥利用率 Tiessen-P分级

Effects of optimized fertilization on rice yield and accumulation and distribution of phosphorus under different rotation systems

SUN Bo¹, LI Shuaishuai¹, ZHOU Yi², ZHANG Ying³, CHEN Jian⁴, LIU Tian⁴, GUO Junjie¹, LING Ning¹, GUO Shiwei¹

1. College of Resources and Environmental Sciences/Jiangsu Provincial Key Laboratory of Solid Organic Waste Utilization, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2. College of Resources and Environmental Sciences, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;
3. Jiangsu Soil and Fertilizer Station, Nanjing 210036, China;
4. Institute of Agricultural Science Research Rugao County, Nantong 226575, China

Abstract: [Objective] This study investigated the effects of different paddy-upland crop rotation systems on rice yield, phosphorus utilization rate and phosphorus composition in topsoil. [Methods] 4 rice field-upland field rotations:rice-wheat(RW), rice-oilseed rape(RO), rice-fallow(RF) and rice-common head cabbage(RC) were conducted and each applied with 3 fertilization regimes:no fertilization(CK), optimal phosphorus fertilizer input(OPT) and farmer's fertilizer input(FFP). The rice yield, phosphorus uptake and distribution, and phosphorus fertilizer use efficiency were analyzed at maturity stage. Based on the method of Tiessen-phosphorus fractionation, the changes of phosphorus content in tillage soil were evaluated. [Results] For OPT and FFP, the rice yields were 9.98 and 10.1 t·hm^-2, phosphorus accumulations were 0.97 and 1.06 g·kg^-1, phosphorus agronomic efficiencies were 55.0 and 31.5 kg·kg^-1, phosphorus partial factor productivities were 166.0 and 86.4 kg·kg^-1 in RO system respectively, which were higher than the other rotation modes. In OPT treatment, the average phosphorus utilization rate and average phosphorus fertilizer partial productivity of 4 rotation modes increased by 91.0% and 91.6%, compared with FFP treatment. The NaHCO₃-Pi, NaOH-Pi, resin-P and HCl-P contents were higher in RW, RO, RV and RC, which were 31.4, 35.4, 14.0 and 425 kg·kg^-1, respectively. Under the FFP condition, Residues-P content in RW rotation, NaOH-Pi, NaHCO₃-Po, NaOH-Po contents in RO rotation and HCl-P content in RC rotation were more than the other rotation treatments, which were 556, 40.9, 28.6, 24.4 and 451 kg·kg^-1, respectively. [Conclusions] Both rotation systems and fertilization treatments affect rice production. It is more favorable for rice production to choose the rotation pattern of rice-oilseed rape and rice-wheat with optimized fertilization. RO and RW rotations can increase the relative proportion of available phosphorus and improve the utilization rate of rice phosphorus fertilizer in the optimized(reduced fertilizer) and thus ensure the rice production.

Keywords: rice paddy-upland crop rotation yield phosphate utilization rate Tiessen-phosphorus fractionation

磷是植物生长发育的必需营养元素, 在土壤中以多种化学形态存在。磷在土壤中的存在形态、含量及生物有效性均受土地利用方式和施肥管理的影响^[1]。在大部分农田生态系统中, 由于磷肥移动性差且容易被固定在土壤中, 磷肥的当季利用率降低。在我国磷肥利用率仅25%, 近75%施入土壤的磷素都被固定而积累下来^[2]。因此, 探究活化土壤磷库和提高磷肥利用率的途径, 对磷素资源高效利用具有重要的意义^[3]。

水旱轮作系统是我国典型的水稻种植制度, 包括水稻-小麦、水稻-油菜、水稻-冬闲田、水稻-结球甘蓝等多种轮作模式, 主要分布在长江和淮海流域的10多个省(市), 种植面积约470万hm²^[4]。目前, 对土壤磷素变化研究较多, 主要集中在定位施肥及肥效^[5]、磷素流失机制^[6]、土壤磷素形态及有效性等方面^[7-8]。然而, 关于不同轮作模式下土壤磷素的形态特征、含量变化及影响因素的研究较少^[9]。本文通过Tiessen-P分级方法测定4种水旱轮作模式下水稻季耕层土壤磷库形态组成, 探究在不同轮作模式下稻田土壤各级磷库含量变化特征及其磷组分比例, 以期了解不同水旱轮作模式对稻田土壤磷库的调控活化作用, 从而为通过养分资源管理途径, 减少我国稻田生态系统的磷固定, 实现高产高效水稻生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验点位于江苏省如皋市农业科学研究所试验田(120°49′E, 32°37′N), 供试土壤为江淮冲积物形成的薄层高砂土。轮作试验于2015年6月水稻季开始, 土壤基础理化性质为:有机质含量21.30 g·kg^-1, 全氮含量1.22 g·kg^-1, 全磷含量0.98 g·kg^-1, 有效磷含量27.9 mg·kg^-1, 速效钾含量78.33 mg·kg^-1, pH7.46。

水稻、小麦、油菜和结球甘蓝品种分别为‘镇稻11号’‘扬麦16号’‘汾油737’和‘绿帅55’, 均为当地常规品种。

1.2 试验设计

采用完全随机区组试验设计。设置4种不同水旱轮作模式:水稻-小麦轮作(RW)、水稻-油菜轮作(RO)、水稻-冬闲田(RF)、水稻-结球甘蓝轮作(RC)。每种轮作模式下设3种磷肥施用处理, 即:1)不施肥处理(CK); 2)优化施肥处理(OPT):氮肥(180 kg·hm^-2)按基肥、分蘖肥、穗肥(水稻移栽后41 d)质量比为5:3:2施入, 磷肥(60 kg·hm^-2)全部基施处理, 钾肥(75 kg·hm^-2)作为基肥、穗肥按质量比为6:4施入; 3)农民习惯处理(FFP):氮肥(300 kg·hm^-2)作为基肥与分蘖肥按质量比5:5施入, 磷肥(120 kg·hm^-2)与钾肥(75 kg·hm^-2)均作为基肥于水稻移栽前一次性施入。共计12个处理。每个处理设置3个重复, 各重复小区面积为40 m²(5 m×8 m)。

经2年4季水旱轮作后, 测定分析第5季即2017年水稻季相关指标。水稻移栽时间为2017年6月25日。种植密度为每公顷20.0×10⁴穴, 每穴定植2株, 株、行距分别为25、13 cm。不同轮作模式肥料施用量见表 1。其中氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素(N, 46%)、过磷酸钙(P₂O₅, 14%)和氯化钾(K₂O, 64%)。其他田间管理措施按当地习惯。

表 1 不同轮作模式肥料施用量 Table 1 Fertilizer application rate of different rotation systemskg·hm^-2

轮作模式 Rotation systems	施肥处理 Fertilization treatment	前茬作物Fore crop			水稻Rice
		施肥量 Fertilizer application			基肥 Basal fertilizer			分蘖肥 Tiller fertilizer	穗肥 Panicle fertilizer
		N	P₂O₅	K₂O	N	P₂O₅	K₂O	N	N	K₂O
RW	CK	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	OPT	120	60	45	90	60	45	54	36	30
	FFP	300	120	45	150	120	75	150	0	0
RO	CK	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	OPT	120	60	45	90	60	45	54	36	30
	FFP	300	120	45	150	120	75	150	0	0
RF	CK	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	OPT	0	0	0	90	60	45	54	36	30
	FFP	0	0	0	150	120	75	150	0	0
RC	CK	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	OPT	250	90	120	90	60	45	54	36	30
	FFP	750	180	120	150	120	75	150	0	0
注:RW、RO、RF和RC分别表示水稻-小麦轮作、水稻-油菜轮作、水稻-冬闲田轮作和水稻-结球甘蓝轮作。CK表示不施肥处理; OPT表示优化施肥方式; FFP表示农民习惯施肥方式。下同。 Note:RW, RO, RF and RC represent the rice-wheat rotation system, the rice-rape rotation system, the rice-fallow rotation system and the rice-common head cabbage rotation system, respectively. CK means no fertilizer treatment; OPT means optimizing fertilization methods; FFP means farmer accustomed fertilization methods. The same as follows.

表选项

1.3 测定项目与方法 1.3.1 样品采集与分析

于2017年11月3日水稻成熟后收获。收获时, 在每个小区随机选取4 m²采样, 将水稻脱粒晾晒至标准水分20%以下, 除去杂物后称质量, 测定水稻的实际产量。采集水稻成熟期植株样品, 选择长势较一致的3穴植株的地上部位, 将其分为叶片、茎秆和穗3个部分, 用自来水清洗后再用去离子水洗净, 105 ℃杀青30 min, 然后于75 ℃烘干至恒质量。粉碎后的叶片、茎秆和穗均采用H₂SO₄-H₂O₂消煮, 钼锑抗比色法测定各部位的磷素含量。以五点采样法采集耕层土壤, 除去植物残体及根系, 风干后过0.15 mm筛, 贮存待用于土壤Tieseen-P分级测定。2015年土壤为试验前基础土样, 土壤样品为每小区五点取样混合, 风干后保存。

1.3.2 Tieseen-P分级测定

Tiessen和Moir的磷分级体系通过采用连续浸提的方法将有机磷和无机磷分开, 用全磷含量与无机磷含量的差值来表示有机磷含量^[10]。该方法将土壤磷级分为:1)树脂交换态磷(Resin-P); 2)NaHCO₃溶液浸提的磷(NaHCO₃-P), 分为无机(NaHCO₃-Pi)、有机(NaHCO₃-Po)2种形态; 3)NaOH溶液浸提的磷(NaOH-P), 分为无机(NaOH-Pi)、有机(NaOH₃-Po)2种形态; 4)稀HCl溶液浸提的磷(HCl-P); 5)残留态磷(Residues-P)。在水稻成熟期采集收获后0~15 cm耕层土壤, 采用Tiessen-P分级方法测定土壤各级磷含量。各级磷含量计算公式如下:

(1)

式中:m代表土壤质量; P代表各磷级的磷含量(mg·kg^-1); ρ为显色液的浓度(μg·mL^-1); V为显色液的体积(mL); V₁为浸提液的体积(mL); V₂为测定时吸取的浸提液的体积(mL)。将这7种不同磷级按照其稳定性归类为4种磷库, 即活性磷库包含Resin-P和NaHCO₃-Pi磷级; 中稳性磷库包含NaOH-Pi和HCl-P磷级; 稳定性磷库为残留态Residues-P磷级; 有机磷库包括NaHCO₃-Po和NaOH-Po磷级。磷肥利用率及增产率计算公式^[11]如下:

(2)

(3)

(4)

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2007和SPSS 22.0软件对试验数据进行绘图和方差分析。

2 结果与分析 2.1 不同轮作模式优化施肥对水稻产量的影响

如图 1所示:轮作与施肥均对水稻产量有影响, 但二者的交互作用对产量影响不显著。同一轮作模式下, OPT和FFP处理比CK均增加水稻产量, 增产率为32.1%~51.6%。同一施肥处理下, CK和FFP处理, 4种轮作模式间的水稻产量均无差异; 但OPT处理中, RO模式的水稻产量相比RF模式高10.7%(P < 0.05), 但与其他2种轮作模式的水稻产量无显著差异。

	图 1 不同轮作模式优化施肥对水稻产量的影响 Fig. 1 Effect of optimized fertilization on rice yield under different rotation systems 不同小写字母表示同一施肥下不同轮作处理间在0.05水平显著差异。下同。 The different small letters in the same fertilizer mean significant difference at 0.05 level among different rotation treatments. The same as follows.
图选项

2.2 不同轮作模式优化施肥对水稻磷累积量和分配的影响

从表 2可知:轮作和施肥以及二者的交互作用对籽粒磷累积量和总磷累积量有显著影响, 且施肥对水稻各部位磷累积量和总磷累积量影响极显著。在成熟期, 不同轮作模式下水稻植株磷累积量为12.8~45.2 kg·hm^-2, 且磷主要累积在籽粒中, 占植株总磷累积量的75.0%~89.4%(表 3)。与CK处理相比, OPT和FFP处理均可明显提高水稻植株的磷累积量, 但磷在籽粒中的累积分配比例下降。同一施肥条件下, 在CK和FFP处理下, 4种轮作模式间的总磷累积量及各部位间的磷累积量无差异。在OPT处理下, RO和RW模式的植株籽粒磷累积量和总磷累积量显著高于RF和RC模式, 分别增加31.5%~53.7%和20.5%~41.9%。

表 2 轮作和施肥对植株磷累积量交互作用的双因素方差分析 Table 2 Two-way ANOVA analysis of different rotations and fertilization on plant phosphorus accumulation

因素 Factor	茎秆 Stem	叶片 Leaf	籽粒 Grain	总磷累积量 Total phosphorus accumulation
轮作Rotation	0.169	0.904	6.31^**	4.92^*
施肥Fertilization	47.500^**	39.200^**	314.00^**	387.00^**
轮作×施肥Rotation×fertilization	0.383	0.188	6.90^**	4.01^*
注: ^P < 0.05, ^*P < 0.01.

表选项

表 3 不同轮作模式下植株磷累积量及分配比例 Table 3 Plant phosphorus accumulation and distribution ratio of different rotation systems

施肥方式 Fertilization method	轮作模式 Rotation system	总磷累积量/(kg·hm^-2) Total phosphorus accumulation	植株磷累积量/(kg·hm^-2) Plant phosphorus accumulation			磷累积量分配比例/% Phosphorus accumulation distribution ratio
施肥方式 Fertilization method	轮作模式 Rotation system	总磷累积量/(kg·hm^-2) Total phosphorus accumulation	茎秆Stem	叶片Leaf	籽粒Grain	茎秆Stem	叶片Leaf	籽粒Grain
CK	RW	14.1^a	1.23^a	0.33^a	12.6^a	8.72^ab	2.34^a	89.4^a
	RO	14.9^a	1.12^a	0.43^a	13.3^a	7.52^b	2.89^a	89.3^a
	RF	12.8^a	1.61^a	0.31^a	10.9^a	12.6^a	2.42^a	85.2^a
	RC	13.0^a	1.53^a	0.34^a	11.2^a	11.7^ab	2.62^a	86.2^a
OPT	RW	34.7^ab	4.41^a	1.95^a	28.4^a	12.7^b	5.62^a	81.8^a
	RO	35.2^a	4.11^a	2.18^a	28.9^a	11.7^b	6.19^a	82.1^a
	RF	28.8^bc	5.61^a	1.57^a	21.6^b	19.5^a	5.45^a	75.0^b
	RC	24.8^c	4.33^a	1.66^a	18.8^b	17.5^ab	6.69^a	75.8^b
FFP	RW	41.0^a	7.24^a	2.35^a	31.5^a	17.7^a	5.73^a	76.8^a
	RO	43.9^a	7.86^a	2.76^a	33.3^a	17.9^a	6.29^a	75.9^a
	RF	45.2^a	6.93^a	2.36^a	35.9^a	15.3^a	5.22^a	79.4^a
	RC	42.5^a	7.03^a	2.15^a	33.3^a	16.5^a	5.06^a	78.4^a
注:不同小写字母表示相同施肥条件下不同轮作处理间在0.05水平差异显著。下同。 Note:The different small letters mean significant difference at 0.05 level in the same fertilizer application among different rotation treatment. The same as follows.

表选项

2.3 不同轮作模式优化施肥对水稻磷素利用率的影响

从表 4可知:同一轮作模式下, OPT处理的平均磷农学利用率(AEp)和磷肥偏生产力(PFPp)均高于FFP处理, 分别增加91.0%和91.6%。同一施肥处理下, RO模式在4种轮作模式中的磷农学利用率和磷偏生产力最高。在OPT处理中RO模式的磷农学利用率和磷偏生产力分别比其他轮作模式增加10.7%~50.3%和5.7%~10.7%, 在FFP处理中分别比其他轮作模式增加23.0%~47.2%和3.4%~12.4%。

表 4 不同轮作模式下水稻磷肥利用率 Table 4 Rice phosphorus use efficiency under different rotation systems

施肥方式 Fertilization method	轮作模式 Rotation system	磷农学利用率/(kg·kg^-1) Phosphorus agronomic efficiency(AEp)	磷偏生产力/(kg·kg^-1) Phosphorus partial factor productivity(PFPp)
OPT	RW	49.7^ab	157.0^ab
	RO	55.0^a	166.0^a
	RF	36.6^b	150.0^b
	RC	46.0^ab	156.0^ab
FFP	RW	23.3^bc	76.9^c
	RO	31.5^a	86.4^a
	RF	21.4^c	83.6^ab
	RC	25.6^b	80.9^bc

表选项

2.4 不同轮作模式对水稻耕层土壤磷库的影响 2.4.1 不同轮作模式对水稻耕层土壤全磷含量的影响

从图 2可以看出:土壤中全磷含量变化范围为0.71~1.18 g·kg^-1。CK处理土壤全磷含量处于耗竭状态, 4种轮作模式土壤全磷含量较试验开始前降低10.1%~27.2%。4种轮作模式下OPT和FFP处理全磷含量较试验开始前分别提高0.41%~4.29%和2.35%~8.18%。OPT处理的4种轮作模式土壤全磷含量无差异, FFP处理的RW模式土壤全磷含量显著高于其他3种轮作模式(11.3%~15.7%)。

	图 2 不同轮作模式下水稻耕层土壤全磷含量 Fig. 2 Total phosphorus content of soil under different rotation systems
图选项

2.4.2 不同轮作模式对水稻耕层土壤各级磷库含量的影响

从表 5可以看出:轮作和施肥对土壤不同磷素含量的影响不同, 但这2种因素的交互对不同形态磷素含量均有显著影响。水稻耕层土壤磷组分以HCl-P和Residues-P为主, 其含量分别为370~447 mg·kg^-1和190~556 mg·kg^-1(表 6)。CK处理下, RO模式明显提高土壤中Resin-P、NaHCO₃-Pi、HCl-P和NaOH-Po的含量, 比其他轮作模式分别提高13.6%~35.2%、30.5%~49.7%、1.7%~10.4%和19.7%~143.0%, 而RW和RC模式显著提高土壤中NaHCO₃-Po含量(增幅8.47%~26.6%), RF模式显著提高土壤中NaHCO₃-Pi含量(11.7%~33.2%)(表 6)。OPT处理下, RO模式比其他轮作模式显著提高土壤中NaOH-Pi含量(6.3%~31.1%), RW模式NaHCO₃-Pi含量比其他轮作模式提高8.7%~37.7%, RC模式Resin-P和HCl-P含量分别高出其他轮作模式28.4%~35.9%和2.4%~12.4%(表 6)。FFP处理下, RO模式明显提高土壤中NaOH-Pi、NaHCO₃-Po和NaOH-Po的含量, 比其他轮作模式分别提高18.2%~78.6%、7.5%~20.7%和47.9%~311.0%(表 6)。

表 5 轮作和施肥对土壤不同形态磷素交互作用的双因素方差分析 Table 5 Two-way ANOVA analysis of different rotations and fertilization on different forms of phosphorus

因素Factor	无机磷Inorganic-P				有机磷Organic-P		残留态磷 Residues-P
因素Factor	树脂交换态磷 Resin-P	NaHCO₃溶液浸提态磷 NaHCO₃-Pi	NaOH溶液浸提态磷 NaOH-Pi	HCl溶液浸提态磷 HCl-P	NaHCO₃溶液浸提态磷 NaHCO₃-Po	NaOH溶液浸提态磷 NaOH-Po	残留态磷 Residues-P
轮作Rotation	6.11^**	0.252	112.0^**	8.230^*	4.06^*	10.30^**	5.56^*
施肥Fertilization	2.32	16.400^**	53.1^**	0.654	21.50^**	6.92^*	4.53^*
轮作×施肥Rotation×fertilization	6.05^**	6.430^**	21.9^**	8.930^**	10.00^**	21.90^**	6.14^**

表选项

表 6 不同轮作处理对水稻耕层土壤不同形态磷素含量的影响 Table 6 Effect of different rotation treatment on different forms of phosphorus content in rice topsoilmg·kg^-1

施肥方式 Fertilizatin	轮作模式 Rotation system	无机磷Inorganic-P				有机磷Organic-P		残留态磷 Residues-P
施肥方式 Fertilizatin	轮作模式 Rotation system	树脂交换态磷 Resin-P	NaHCO₃溶液浸提态磷 NaHCO₃-Pi	NaOH溶液浸提态磷 NaOH-Pi	HCl溶液浸提态磷 HCl-P	NaHCO₃溶液浸提态磷 NaHCO₃-Po	NaOH溶液浸提态磷 NaOH-Po	残留态磷 Residues-P
原始土壤Initial soil		7.04	56.6	42.8	340	4.53	12.5	511
CK	RW	10.5^b	30.2^b	31.6^d	413^ab	26.9^a	12.2^b	322^a
	RO	14.2^a	44.9^a	37.7^b	426^a	24.8^b	14.6^a	332^a
	RF	12.5^ab	34.4^b	42.1^a	419^ab	21.4^c	7.25^c	276^a
	RC	10.8^b	30.0^b	35.5^c	386^b	27.1^a	6.02^c	217^a
OPT	RW	10.3^b	31.4^a	27.0^d	403^b	24.1^a	13.5^a	190^a
	RO	10.7^b	22.8^b	35.4^a	378^b	20.4^a	13.0^a	199^a
	RF	10.9^b	25.5^b	29.8^c	415^b	30.2^a	11.7^a	191^a
	RC	14.0^a	28.9^a	33.3^b	425^a	25.0^a	12.9^a	299^a
FFP	RW	10.0^a	28.6^a	22.9^c	379^b	26.6^a	16.5^a	556^a
	RO	11.3^a	30.7^a	40.9^a	374^b	28.6^a	24.4^a	281^b
	RF	13.3^a	30.8^a	33.4^b	408^b	24.8^b	9.47^b	206^b
	RC	13.5^a	28.4^a	34.6^b	451^a	23.7^b	5.93^b	194^b

表选项

2.4.3 不同轮作模式对水稻耕层土壤各级磷库比例的影响

轮作、施肥以及这2种因素的交互作用对不同土壤磷库影响显著。轮作对土壤活性磷库、中稳性磷库和稳定性磷库影响显著, 施肥对有机磷库影响极显著(表 7)。

表 7 轮作和施肥对土壤不同磷库组成比例交互作用的双因素方差分析 Table 7 Two-way ANOVA analysis of different rotations and fertilization on phosphorus pool composition in rice topsoil

因素 Factor	活性磷库 Labile P	中稳性磷库 Moderate P	稳定性磷库 Occluded P	有机磷库 Organic P
轮作Rotation	3.61^*	4.50^*	3.51^*	1.51
施肥Fertilization	1.71	2.97	2.83	10.20^**
轮作×施肥Rotation×fertilization	6.33^**	3.99^*	3.36^*	2.10

表选项

从表 8可知:轮作各处理的土壤磷库主要以中稳性磷库为主, 占总磷库的52.8%~64.8%, 其次是稳定性磷库, 占总磷库的25.7%~38.4%, 活性磷库和有机磷库的比例较低, 分别占总磷库的3.7%~6.0%和3.3%~6.0%。与试验开始前相比, 同一施肥方式下, 4种轮作模式的活性磷库和稳定性磷库的比例降低, 而中稳性磷库和有机磷库的比例提高。CK和OPT处理下, 4种轮作模式间的土壤各磷库的比例均无差异。FFP处理下, RW模式的活性磷库比例显著低于其他轮作模式32.7%~37.3%, RC模式的中稳性磷库比例高出其他轮作6.4%~21.2%, RO模式的有机磷库较其他轮作模式增加16.0%~52.6%。

表 8 不同轮作处理对水稻耕层土壤磷库组成比例的影响 Table 8 Effects of different rotation treatments on phosphorus pool composition in rice topsoil %

土壤磷库 Soil phosphorus pool	原始土壤 Initial soil	CK				OPT				FFP
土壤磷库 Soil phosphorus pool	原始土壤 Initial soil	RW	RO	RF	RC	RW	RO	RF	RC	RW	RO	RF	RC
活性磷库Labile P	6.50	4.90^a	5.70^a	5.80^a	5.80^a	6.00^a	4.70^a	5.10^a	5.00^a	3.70^b	5.50^a	5.90^a	5.60^a
中稳性磷库Moderate P	39.30	52.80^a	53.00^a	57.10^a	59.20^a	61.40^a	59.60^a	61.30^a	56.00^a	53.30^b	53.30^b	60.90^ab	64.80^a
稳定性磷库Occluded P	52.40	38.40^a	37.90^a	33.70^a	30.80^a	27.40^a	31.60^a	27.60^a	34.70^a	38.00^a	35.50^ab	28.70^b	25.70^b
有机磷库Organic P	1.80	3.90^a	3.40^a	3.30^a	4.10^a	5.30^a	4.10^a	6.00^a	4.30^a	5.00^ab	5.80^a	4.50^ab	3.80^b

表选项

3 讨论 3.1 不同水旱轮作模式对水稻产量、植株磷累积量及磷肥利用率的影响

磷肥的投入对水稻的生长发育和生理过程都有促进作用, 适量磷肥的投入可以提升土壤肥力, 提高水稻产量^[12-13]。本试验OPT处理水稻产量与FFP处理差异不明显。此外, 不同轮作模式下磷肥施用对水稻的增产效果存在一定的差异。周昱磊等^[14]研究表明在优化施磷方式下水稻-榨菜轮作模式的水稻产量最高, 其次是水稻-小麦轮作, 而水稻-闲田轮作模式最低。蔬菜季较高的磷肥施入量是水稻产量增加的原因。本研究中, 水稻-油菜轮作的水稻产量大于水稻-小麦轮作, 水稻-结球甘蓝轮作大于水稻-冬闲区轮作。可能是前茬作物油菜的根系为直根系, 在土壤中易于形成孔径较大的“优先路径”, 从而促进后茬作物对养分的吸收和利用, 优化水稻群体结构, 提高水稻产量^[15]。因此, 从肥料投入和稳产的角度分析, OPT条件下的RO模式可能更经济、高效。不同作物轮作换茬可以改善土壤理化性状^[16], 提升土壤肥力^[17], 提高作物产量^[18]。周春火^[19]的研究表明, 冬季种油菜对水稻磷素吸收有积极作用, 这与本试验结果一致。在本试验中水稻-油菜轮作的水稻植株磷累积量表现出明显优势, 其原因可能在于稻油轮作有助于提高土壤风化程度, 改良土壤结构进而影响土壤养分释放, 提高作物产量, 增加植株磷累积量^[20-21]。郭鑫年等^[22]研究表明合理的磷肥用量不仅提高作物产量, 同时也促进作物磷素利用率。本试验中, OPT处理的磷农学利用率和磷偏生产力均高于FFP处理, 主要原因是OPT处理的磷肥施用量较FFP处理相差1倍(分别是60和120 kg·hm^-2), 并且本试验中的高砂土具有缓冲性差、通透性强等特点^[23], 因此水稻对磷肥的利用效率相差非常大, 且OPT处理中水稻-油菜轮作的磷农学效率和偏生产力最高, 其次是水稻-小麦轮作。由此可见, 在本试验中OPT处理RO和RW轮作模式更经济、高效, 可能是其促进水稻植株吸收累积相对较多的磷, 且保持相对较高的营养器官累积磷的再利用效率, 进而增加籽粒产量。

3.2 不同水旱轮作模式水稻季耕层土壤磷库组分的影响

与试验开始前相比, 4种轮作模式土壤活性磷库和稳定性磷库的相对含量降低, 而中稳性磷库和有机磷库的相对含量提高, 说明轮作管理有利于土壤中稳定性磷库向中稳性磷库转换, 提高土壤中可利用磷的含量。不施肥的土壤全磷、无机磷将处于耗竭状态^[24-26]。本试验中, CK处理下4种轮作模式土壤磷库均损耗, 全磷含量和Residues-P含量明显降低。研究表明, 长期施用磷肥, 土壤全磷、无机磷和有机磷均有不同程度的积累^[27-29]。在本试验中, 施肥处理的4种轮作模式土壤全磷较CK处理均有所积累。本试验中, 施肥可以提高中稳性磷库和有机磷库的比例, 但活性磷库比例降低, 说明其他形态磷不足以补充作物带走的磷, 所以在磷肥管理中必须合理增加磷肥的投入来维持土壤供磷能力, 从而增加水稻产量。OPT处理土壤磷库在4种轮作模式间无显著差异, 但与CK处理相比, 其在水稻-小麦、水稻-油菜、水稻-冬闲区模式土壤中稳性磷库比例提高, 表明磷肥的适量投入可以改善土壤磷库组分的有效性, 提高有效磷库占总磷库的比例。同时, 本研究结果表明不同轮作模式对水稻季土壤无机形态磷的影响不同, OPT处理中水稻-小麦模式的NaHCO₃-Pi含量最高, 这可能是由于稻麦轮作在稻季淹水条件下氧化还原电位降低, 高价铁还原低价铁提高了土壤NaHCO₃-Pi含量^[30]。水稻-油菜模式的NaOH-Pi含量最高, 可能是该轮作能够促进Fe-P和Al-P的水解, 减少土壤表面的正电荷, 使吸附态磷解吸进而提高NaOH-Pi含量^[31]。水稻-结球甘蓝轮作模式的Resin-P和HCl-P含量最高, 可能是因为旱季作物的肥料投入量多。一方面对水稻季产生肥效残留效果, 另一方面导致大部分磷素被土壤固持, 造成水稻季土壤Resin-P含量高, 且增加了HCl-P的累积量^[32]。

参考文献(References)

[1]	贾莉洁.长期不同施肥和管理对塿土耕层土壤磷形态的影响[D].杨凌: 西北农林科技大学, 2012. Jia L J. Effects of long-term fertilization and management on soil enzyme activity of lou soil[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2012(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10712-1012436257.htm

[2]	高静, 徐明岗, 张文菊, 等. 长期施肥对我国6种旱地小麦磷肥回收率的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(3): 584-592. Gao J, Xu M G, Zhang W J, et al. Influences of long-term fertilizations on phosphorus recovery efficiency of wheat in six dry upland soils of China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(3): 584-592 (in Chinese with English abstract). DOI:10.3321/j.issn:1008-505X.2009.03.014

[3]	尹金来, 周春霖, 沈其荣, 等. 水稻水作与旱作条件下土壤和植物磷素有效性的研究[J]. 南京农业大学学报, 2002, 25(4): 53-56. Yin J L, Zhou C L, Shen Q R, et al. Availabilities of phosphorus in soil and rice plant under waterlogged and aerobic conditions[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2002, 25(4): 53-56 (in Chinese with English abstract). DOI:10.7685/j.issn.1000-2030.2002.04.013

[4]	范明生, 江荣风, 张福锁, 等. 水旱轮作系统作物养分管理策略[J]. 应用生态学报, 2008, 19(2): 424-432. Fan M S, Jiang R F, Zhang F S, et al. Nutrient management strategy of paddy rice-upland crop rotation system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(2): 424-432 (in Chinese with English abstract).

[5]	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. 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 with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10537-1018827389.htm

[6]	习斌.典型农田土壤磷素环境阈值研究[D].北京: 中国农业科学院, 2014. Xi B. Study on the environment threshold of soil Olsen-P in farmland[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-82101-1014327019.htm

[7]	袁佳慧.太湖稻麦轮作农田土壤磷素生物有效性研究[D].哈尔滨: 东北农业大学, 2018. Yuan J H. Availability of soil P in a rice-wheat cropping rotation in Taihu Lake region[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2018(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10224-1018091180.htm

[8]	蔡观, 胡亚军, 王婷婷, 等. 基于生物有效性的农田土壤磷素组分特征及其影响因素分析[J]. 环境科学, 2017, 38(4): 1606-1612. Cai G, Hu Y J, Wang T T, et al. Characteristics and influencing factors of biologically-based phosphorus fractions in the farmland soil[J]. Environmental Science, 2017, 38(4): 1606-1612 (in Chinese with English abstract).

[9]	戚瑞生, 党廷辉, 杨绍琼, 等. 长期轮作与施肥对农田土壤磷素形态和吸持特性的影响[J]. 土壤学报, 2012, 49(6): 1136-1146. Qi R S, Dang T H, Yang S Q, et al. Forms of soil phosphorus and P adsorption in soils under long-term crop rotation and fertilization systems[J]. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(6): 1136-1146 (in Chinese with English abstract).

[10]	Tiessen H, Stewart J W B, Moir J O. Changes in organic and inorganic phosphorus composition of two grassland soils and their particle size fractions during 60-90 years of cultivation[J]. Journal of Soil Science, 1983, 34(4): 815-823. DOI:10.1111/j.1365-2389.1983.tb01074.x

[11]	盛伟红, 刘文波, 赵晨光, 等. 优化施肥对不同轮作系统稻田氨挥发的影响[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2018, 46(7): 45-53, 65. Sheng W H, Liu W B, Zhao C G, et al. Effect of optimized fertilization on ammonia volatilization of paddy rice under different rotation systems[J]. Journal of Northwest A & F University(Natural Science Edition), 2018, 46(7): 45-53, 65 (in Chinese with English abstract).

[12]	管冠.施肥模式对稻麦产量、养分吸收及土壤生物学性状的影响研究[D].武汉: 华中农业大学, 2012. Guan G. Effects of fertilizer ppliction modes on yield and nutrient uptke of rice and wheat and soil biologicl properties[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2012(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10504-1012458212.htm

[13]	刘金山.水旱轮作区土壤养分循环及其肥力质量评价与作物施肥效应研究[D].武汉: 华中农业大学, 2011. Liu J S. Studies on soil nutrition cycling, soil fertility evaluation and crop fertilization of paddy rice-upland rotation system[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2011(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10504-1011405190.htm

[14]	周昱磊, 陈轩敬, 杨敏, 等. 不同轮作制度减量施肥对水稻群体质量及产量的影响[J]. 贵州农业科学, 2016, 44(11): 77-82. Zhou Y L, Chen X J, Yang M, et al. Effects of reducing chemical fertilizer application on rice population quality in different rotation system[J]. Guizhou Agricultural Sciences, 2016, 44(11): 77-82 (in Chinese with English abstract). DOI:10.3969/j.issn.1001-3601.2016.11.017

[15]	Mai W X, Xue X R, Feng G, et al. Can optimization of phosphorus input lead to high productivity and high phosphorus use efficiency of cotton through maximization of root/mycorrhizal efficiency in phosphorus acquisition?[J]. Field Crops Research, 2018, 216: 100-108. DOI:10.1016/j.fcr.2017.11.017

[16]	徐宁.稻田复种轮作系统的作物生产力、生态环境效应及能流物流特征研究[D].南昌: 江西农业大学, 2013. Xu N. Research on productivity, ecological environmental effect and the characteristics of energy-nutrient flow under the multiple cropping rotation systems[D]. Nanchang: Jiangxi Agricultural University, 2013(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10410-1013342855.htm

[17]	石孝均.水旱轮作体系中的养分循环特征[D].北京: 中国农业大学, 2003. Shi X J. Characteristics of nutrient cycling in the rice-wheat rotation system[D]. Beijing: China Agricultural University, 2003(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10019-2003092785.htm

[18]	杨莨杰.不同水旱轮作模式对周年磷钾养分及其产量的影响[D].雅安: 四川农业大学, 2016. Yang L J. Effect on soil P K and yield in different paddy rice-upland crop rotation mode of the anniversary[D]. Ya'an: Sichuan Agricultural University, 2016(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10626-1017013370.htm

[19]	周春火.不同复种方式对水稻生长发育和土壤肥力影响研究[D].南昌: 江西农业大学, 2012. Zhou C H. Effects of different multiple cropping patterns on rice growth and soil fertility[D]. Nanchang: Jiangxi Agricultural University, 2012(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10410-1013342773.htm

[20]	卢胜, 张振华. 长期稻油轮作改良土壤结构提高水稻产量[J]. 土壤通报, 2018, 49(2): 409-414. Lu S, Zhang Z H. Long-term rice-rice-rape rotation significantly improved soil structure and rice yield[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2018, 49(2): 409-414 (in Chinese with English abstract).

[21]	卜容燕, 任涛, 鲁剑巍, 等. 水稻-油菜轮作条件下磷肥效应研究[J]. 中国农业科学, 2014, 47(6): 1227-1234. Bu R Y, Ren T, Lu J W, et al. Analysis of P fertilizer efficiency under rice-rapeseed rotation system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(6): 1227-1234 (in Chinese with English abstract). DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.06.020

[22]	郭鑫年, 孙娇, 梁锦绣, 等. 栽培方式与施磷量对水稻养分累积、分配及磷素平衡的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2017(4): 104-111. Guo X N, Sun J, Liang J X, et al. Cultivation way and phosphorus fertilizer on rice nutrient accumulation, distribution and soil phosphorus balance[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2017(4): 104-111 (in Chinese with English abstract).

[23]	阚建鸾.如皋市耕地土壤肥力的时空变化特征研究[D].南京: 南京农业大学, 2016. Kan J L. Themporaland and spetial variability characteristics of soil fertility for cultivated land in Rugao city[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2016(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10307-1017260225.htm

[24]	Motavalli P, Miles R. Soil phosphorus fractions after 111 years of animal manure and fertilizer applications[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 36(1): 35-42. DOI:10.1007/s00374-002-0500-6

[25]	Gallet A, Flisch R, Ryser J P, et al. Effect of phosphate fertilization on crop yield and soil phosphorus status[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2003, 166(5): 568-578. DOI:10.1002/jpln.200321081

[26]	王海龙, 张民, 刘之广, 等. 多年定位试验条件下不同施磷水平对土壤无机磷分级的影响[J]. 水土保持学报, 2018, 32(5): 318-324. Wang H L, Zhang M, Liu Z G, et al. Effects of different phosphorus application levels on the inorganic phosphorus fraction under multi-year location experiment[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(5): 318-324 (in Chinese with English abstract).

[27]	史静, 张誉方, 张乃明, 等. 长期施磷对山原红壤磷库组成及有效性的影响[J]. 土壤学报, 2014, 51(2): 351-359. Shi J, Zhang Y F, Zhang N M, et al. Effects of long-term fertilization on forms and availability of phosphorus in mountain red soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(2): 351-359 (in Chinese with English abstract).

[28]	韩梅, 李东坡, 武志杰, 等. 持续六年施用不同磷肥对稻田土壤磷库的影响[J]. 土壤通报, 2018, 49(4): 929-935. Han M, Li D P, Wu Z J, et al. Response of soil phosphorus pool after 6 years application of different phosphorus fertilizers in a paddy field[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2018, 49(4): 929-935 (in Chinese with English abstract).

[29]	Darilek J L, Huang B, Li D C, et al. Effect of land use conversion from rice paddies to vegetable fields on soil phosphorus fractions[J]. Pedosphere, 2010, 20(2): 137-145. DOI:10.1016/S1002-0160(10)60001-X

[30]	李雪.长期轮作施肥对土壤的供磷量及其与土壤磷组分的关系研究[D].沈阳: 沈阳农业大学, 2018. Li X. Effects of long-term rotation fertilization on soil phosphorus supply and soil phosphorus fractions[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2018(in Chinese with English abstract). https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CMFD&filename=1018993417.nh

[31]	吕阳.水旱轮作体系的磷平衡与土壤磷有效化过程研究[D].北京: 中国农业大学, 2016. Lü Y. Phosphorus balance in paddy-upland rotation system and processes of increasing soil phosphorus availability[D]. Beijing: China Agricultural University, 2016(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10019-1016085173.htm

[32]	王强.大棚蔬菜-水稻轮作土壤养分转化和迁移特征[D].杭州: 浙江大学, 2016. Wang Q. Transformation and movement of soil nutrients under greenhouse vegetable-rice rotation[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2016(in Chinese with English abstract). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10335-1017039818.htm