长期不同施肥红壤磷素变化及其对产量的影响

李冬初，王伯仁，黄晶，张杨珠，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

李冬初1,2，王伯仁2，黄晶2，张杨珠1，徐明岗2，张淑香2，张会民2

（1湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

【】定量长期不同施肥红壤磷素的演变特征，研究红壤磷素变化对生产力的影响，为红壤地区磷素管理提供理论依据。利用持续26年的红壤旱地长期定位试验平台（1991—2016年），比较长期不施磷肥（CK、N、NK）、施用化学磷肥（PK、NP、NPK）、化肥配合秸秆还田（NPKS）和化肥配施有机肥及有机肥（1.5NPKM、NPKM、M）土壤Olsen-P和全磷含量变化，分析土壤磷素对磷盈亏量的响应，采用不同模型拟合作物产量对有效磷的响应曲线，计算土壤有效磷农学阈值。长期施用磷肥显著提高了土壤全磷和有效磷含量，提升了土壤磷素活化系数（PAC）。化肥配施有机肥及有机肥处理（1.5NPKM、NPKM、M）的PAC高于化肥配合秸秆还田（NPKS）和施用化学磷肥（PK、NP、NPK）。红壤地区土壤全磷和有效磷变化量与土壤磷盈亏量呈正相关关系（＜0.01），土壤每累积盈余100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P含量上升3.00—5.22 mg·kg-1，全磷上升0.02—0.06 g·kg-1。土壤每累积亏缺磷100 kgP·hm-2，不施磷肥处理（CK、N、NK）土壤Olsen-P分别下降1.85、0.40、1.76 mg·kg-1。化肥配施有机肥及有机肥处理（1.5NPKM、NPKM、M）的小麦和玉米产量显著高于化肥配合秸秆还田（NPKS）以及施用化学磷肥（PK、NP、NPK），显著高于不施磷肥（CK、NK、N）。化肥配施有机肥及有机肥处理（1.5NPKM、NPKM、M）的产量可持续指数也高于其他处理。3种模型（线性-线性模型、线性-平台模型和米切里西方程）均能较好地拟合作物产量与红壤有效磷含量的响应关系（＜0.01）。在红壤地区推荐使用拟合度较好的线性-线性模型，其计算出小麦和玉米的土壤Olsen-P农学阈值分别为13.5和23.4 mg·kg-1。在南方红壤地区，化肥配施有机肥更有利于磷素累积和提升磷素有效性。化肥配施有机肥作物产量显著高于其他处理，且稳产性好。线性-线性模型可用于计算红壤地区有效磷的农学阈值。生产上应该根据土壤有效磷含量及其农学阈值调整磷肥施用量。

Olsen-P；全磷；相对产量；磷素活化系数；磷盈亏；磷素农学阈值；长期施肥；红壤

0 引言

【研究意义】磷是生物系统的重要组成部分，在促进农业生产力方面发挥着至关重要的作用[1-2]。施用磷肥是提高农作物产量的重要途径。全世界有2/3的土壤因为缺磷而限制作物生长[3-4]，据美国地质调查局统计，每年估计在作物生产上使用了2.61亿t磷酸盐作为磷肥[5]。磷肥主要来源于磷矿石，是一种不可再生资源，目前全世界约80%的磷矿石资源被用于生产肥料[6-7]。南方红壤地区土壤有效磷含量低，磷是作物生长主要限制因子。自20世纪以来，土壤中已经施用了大量的肥料磷来增加土壤磷含量和提高作物产量[8-9]。施入土壤中的磷一方面容易被固定为钙磷，铁磷和铝磷等；另一方面磷的流失也是环境污染尤其是农业面源污染的重要来源。因此，阐明不同施肥磷素在土壤中累积特征以及对磷素盈亏的响应，分析磷素变化对作物产量的影响，对合理利用磷肥资源，提高作物产量和减少环境风险具有重要意义。【前人研究进展】大量研究表明，长期施肥尤其是化肥有机肥配施显著提高了土壤全磷和有效磷含量[10-14]。与第二次土壤普查相比，我国土壤有效磷平均含量由8 mg·kg-1提高到20 mg·kg-1以上[15-21]。不同外源磷素在土壤中累积和转化存在差异[22-23]。施用磷肥促进了农业生产力的提升。农作物产量随着土壤有效磷含量的提升而增加，两者之间存在较强的响应关系[8-9]。施用有机肥能提高土壤磷素活性，降低土壤对磷的吸附[24]。【本研究切入点】目前在红壤上的研究较多集中在土壤磷素演变特征、土壤磷素吸附解吸以及磷肥高效利用等方面[12-13]。长期不同施肥造成了土壤磷素盈亏量变化，其势必对土壤磷库及磷素有效性产生影响。研究土壤全磷变化及有效性对土壤磷盈亏量的响应具有重要意义。红壤地区降水丰沛，土壤淋溶作用强；另一方面，红壤富含铁铝，能固定土壤磷素。土壤中过量的磷不仅容易固定变成无效磷，还可能淋失造成环境风险[25]。因此，需要探讨作物产量对土壤磷素的响应特征，确定土壤磷素的适合浓度，计算其农学阈值。【拟解决的关键问题】本研究利用持续26年的红壤旱地长期定位试验平台，阐明不同施肥措施土壤全磷和有效磷的变化，定量土壤磷素变化对磷盈亏的响应。分析作物产量对土壤磷素的响应，确定合适的土壤有效磷含量，提出磷肥减施等管理策略，为红壤地区合理施用磷肥，开展磷肥高效利用等提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

红壤旱地长期定位试验开始于1990年，地点位于湖南省，湖南祁阳农田生态系统国家野外科学观测研究站内（东经111°52′，北纬26°45′，海拔高度120 m）。该地位于我国亚热带湿润季风气候区，年降水量1 250—1 400 mm，多年平均气温18.3℃。

1.2 试验设计

供试土壤为第四纪红土发育的旱地红壤，采用冬小麦（湘麦11号）和夏玉米（掖单13号）轮作。试验开始时（1990年秋季小麦为第一季作物）表层（0—20 cm）土壤基本性质：有机碳含量8.6 g·kg-1；全氮、全磷、全钾分别为1.1、0.45和13.3 g·kg-1；有效氮、Olsen-P、交换性钾分别为79、11、122 mg·kg-1。该地区的土壤酸性很强，试验起始土壤pH为5.7（水土比为2.5﹕1）。

为更好地确定不同外源磷素对红壤磷素变化特征和产量的影响，本研究选取该长期试验的4组不同的典型处理[26-27]：（1）不施磷肥处理（CK、N、NK）；（2）施用化学磷肥处理（PK、NP、NPK）；（3）施用化学氮磷钾肥配合1/2秸秆还田处理（NPKS）；（4）施用化学氮磷钾肥料配施有机肥以及单施有机肥处理（NPKM、1.5NPKM、M）。各处理化学氮、磷、钾肥料及有机肥投入量见表1，化肥分别采用尿素、过磷酸钙和氯化钾，有机肥为新鲜猪粪，含N 16.7 g·kg-1。肥料用量为年施用纯氮 300 kg·hm-2，N﹕P2O5﹕K2O = 1﹕0.4﹕0.4。所有施氮小区的纯氮用量相同，有机肥料处理中有机肥带入磷、钾养分不计入总量，NPKM及1.5NPKM处理中，有机氮施用量占全氮 70%。玉米季肥料施用量占全年施肥量的70%，小麦占全年施肥量30%。NPKS处理作物1/2秸秆还田，其余处理作物地上部分带走。

肥料在小麦、玉米播种前作基肥一次施入。1991—2016年间，NPKS处理，累积投入磷素1 499.1 kg·hm-2，其中化肥磷素占90.9%，秸秆还田磷素占9.1%。NPKM和1.5NPKM处理累积投入磷素分别为5 569.8 kg·hm-2和7 673.6 kg·hm-2，其中化肥磷素分别占24.5%和17.8%，有机肥磷素分别占75.5%和82.2%。M处理累积投入磷素7 416.3 kg·hm-2。

表1 不同处理肥料年投入量

表中0-0-0代表N-P2O5-K2O的施肥量，以此类推 0-0-0: represent mineral fertilizer rates of N-P2O5-K2O. The same as below

1.3 样品采集与分析

每年9月10—20日，在玉米收获后采集土壤（0—20 cm）样品。采集时使用内径为4.3 cm的不锈钢土壤取样器，采用“S”形，按照每小区随机采取5—10个点，土样混合，每个试验处理采集4次重复（每个重复采集500 g土样）。土壤样品风干过筛后，转移到实验室分析测定。土壤全磷采用H2SO4- HClO4消解、Olsen-P采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定磷[28]。

1.4 数据处理和统计分析

土壤磷活化系数PAC（%）= Olsen-P（mg·kg-1）/[全磷（g·kg-1）×1000] × 100；

作物吸磷量（kg·hm-2）= 籽粒产量（kg·hm-2）× 籽粒含磷量（%）+ 秸秆产量（kg·hm-2）× 秸秆含磷量（%）；

土壤累积磷盈亏（P, kg·hm-2）= 累积施磷量（kg·hm-2）-作物累积吸磷量（kg·hm-2）；

产量可持续性指数SYI[29]=[作物的多年平均产量（kg·hm-2）- 作物产量年度标准差] / 作物最高年产量（kg·hm-2）；

各处理相对产量[30]= [各处理当年产量（kg·hm-2）-对照不施肥处理产量（kg·hm-2）] / [当年所有处理最高产量（kg·hm-2）-对照不施肥处理产量（kg·hm-2）]。

数据分别采用Microsoft Excel 2016软件处理计算，Sigmaplot 12.0软件作图，IBM SPSS 22.0软件进行统计分析。

2 结果

2.1 土壤全磷含量变化

长期不同施肥土壤全磷含量随时间变化呈现明显的差异（图1）。不施磷肥的3种处理（CK、N、NK），土壤全磷含量无显著差异。施用磷肥显著提升土壤全磷含量，其随试验年限呈现极显著上升趋势（＜0.01）。施用化学磷肥的3种处理（NP、PK、NPK），土壤全磷含量由试验开始时（1991年含量）的0.45 g·kg-1分别上升到2016年的1.00、1.04和1.15 g·kg-1，统计得到各处理全磷含量增加速率分别为0.0143、0.0150、0.0194 g·kg-1·a-1。化肥有机肥配施和单施有机肥的3种处理（M、NPKM、1.5NPKM），土壤全磷含量增加速率分别为0.0457、0.0500和0.0688 g·kg-1·a-1，化肥配合秸秆还田（NPKS）土壤全磷年增加量介于化学磷肥（NP、PK、NPK）和化学磷肥配施有机肥处理（NPKM、1.5NPKM）之间，全磷增加速率0.0235 g·kg-1·a-1。长期施用磷肥均能提升南方红壤区旱地红壤的全磷含量。

2.2 土壤有效磷含量变化

长期不同施肥显著改变了土壤有效磷状况（Olsen-P，图2）。不施磷肥土壤Olsen-P含量随试验年限呈现下降或显著下降趋势（＜0.01）。不施磷肥的3种处理（CK、N、NK）土壤Olsen-P含量由试验开始时（1991年含量）的11.0 mg·kg-1分别下降到2016年的3.3、2.9、3.2 mg·kg-1，达到极缺程度。施用磷肥各处理土壤Olsen-P含量均随时间呈现显著上升趋势（＜0.01）。土壤Olsen-P含量年增加速率高低顺序分别为化肥有机肥配施和单施有机肥的3种处理（1.5NPKM、M、NPKM），高于化肥配合秸秆还田（NPKS）和化学磷肥处理（NP、PK、NPK）。

图1 长期不同施肥红壤全磷含量变化（1991—2016）

图2 长期不同施肥红壤Olsen-P含量变化（1991—2016）

2.3 长期施肥土壤磷素活化系数变化

土壤磷素活化系数（PAC）常用来表征土壤磷素的有效化程度。由图3可知，不施磷肥的3种处理（CK、N、NK）的PAC一直维持在较低水平，且随试验年限有下降或显著下降趋势（＜0.01）。施用磷肥各处理的PAC随试验年限呈现显著上升趋势（＜0.01）。PAC上升速率高低顺序分别为化肥有机肥配施和单施有机肥的3种处理（1.5NPKM、M、NPKM），高于化学磷肥处理（NP、PK、NPK）和化肥配合秸秆还田（NPKS）。

图3 长期不同施肥红壤磷素活化系数变化（1991—2016）

2.4 长期施肥土壤磷素变化量对磷盈亏量的响应

长期施用磷肥土壤全磷增加量与土壤累积磷盈余量呈显著正相关关系（图4，＜0.01）。由图可知，土壤每累积100 kg P·hm-2，土壤全磷含量上升0.02—0.06 g·kg-1，其中以化肥配合秸秆还田（NPKS）最高，单施有机肥（M）最低。长期不施磷肥3种处理（CK、N、NK），土壤全磷变量与土壤累积磷盈亏量无显著关系。

土壤Olsen-P变化量与土壤磷素盈亏量呈正相关或显著正相关关系（图5，＜0.01）。长期不施磷肥3种处理（CK、N、NK），土壤每亏缺100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P分别下降1.85、0.40、1.76 mg·kg-1。施用化学磷肥的3种处理（PK、NP、NPK），土壤每累积100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P分别上升4.34、4.64、4.86 mg·kg-1。单施有机肥（M）、化肥有机肥配施（NPKM、1.5NPKM），以及化肥配合秸秆还田（NPKS），土壤每累积100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P分别上升3.00、4.13、4.12、5.22 mg·kg-1。

图4 长期不同施肥红壤全磷增量与土壤累积磷盈亏的关系（1991—2016）

图5 长期不同施肥红壤有效磷变量与累积磷盈亏的关系（1991—2016）

26年间所有施用磷肥7种处理（NP、PK、NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS、M）土壤全磷及Olsen-P 变化量与土壤累积磷盈亏量之间的关系表明（图6），随着土壤累积磷的增加，土壤全磷及有效磷含量呈增加趋势，红壤磷素每盈余100 kg P·hm-2，全磷上升0.03 g·kg-1，Olsen-P上升3.79 mg·kg-1。

2.5 长期施肥红壤磷素变化对作物产量的影响

2.5.1 对作物产量的影响 长期不同施肥对红壤地区小麦及玉米产量影响显著（表2）。通过对试验开始至今26年（1991—2016年）产量统计分析，小麦产量高低顺序分别为化肥有机肥配施和单施有机肥的3种处理（NPKM、1.5NPKM、M），显著高于化肥配合秸秆还田（NPKS）和施用化学磷肥3种处理（NPK、PK、NP），显著高于不施磷肥的3种处理（CK、NK、N）。玉米产量趋势大致一致，分别为高量化肥有机肥配施（1.5NPKM），显著高于化肥有机肥配施（NPKM），显著高于单施有机肥（M），显著高于化肥配合秸秆还田（NPKS）和化肥平衡施用处理（NPK），显著高于化学氮磷肥处理（NP），显著高于其他处理（NK、N、PK、CK）。综合全年产量（小麦玉米产量之和）高低顺序分别为化肥有机肥配施两种处理（NPKM、1.5NPKM），显著高于单施有机肥（M），显著高于化肥配合秸秆还田（NPKS）和化肥平衡施用处理（NPK），显著高于化学氮磷肥处理（NP），显著高于其他处理（NK、N、PK、CK）。

图6 长期施用磷肥红壤全磷及有效磷增量与累积磷盈亏的关系（1991—2016）

表2 长期不同施肥小麦玉米产量及产量可持续性指数（1991—2016）

SYI：产量可持续指数SYI。表中数据为平均值±标准差，不同大写字母表示不同处理产量差异显著（＜0.05）

SYI: Sustainability index of grain yield. Data in the table are average ± standard deviation. Capital letter indicates the difference of yield significantly among different treatments (＜0.05)

由表2还可看出，持续26年的长期试验表明，无论小麦还是玉米，化肥有机肥配施和单施有机肥的3种处理（NPKM、1.5NPKM、M）产量可持续性指数（SYI）要高于其他处理，其中又以化肥无机肥配施处理（NPKM）产量可持续性指数（SYI）最高（表2）。

2.5.2 作物产量对红壤有效磷的响应 在红壤地区，小麦及玉米相对产量与土壤Olsen-P含量存在显著的响应关系（图7，＜0.01），线性-线性模型、线性-平台模型和米切里西方程均能较好地拟合二者的关系，3种模型计算的小麦和玉米农学阈值范围分别为13.5—28.8 mg·kg-1和23.4—46.0 mg·kg-1，线性-线性模型反应最敏感，米切里西方程计算的农学阈值最高（表3）。从2看，小麦农学阈值以线性-线性模型拟合度要优于米切里西方程和线性平台模型。

以米切里西方程计算获得的红壤Olsen-P含量最高农学阈值46.0 mg·kg-1为标准，目前该长期试验所有施用磷肥处理的土壤均达到或超过该阈值的Olsen-P含量。其中化肥有机肥配施和单施有机肥的3种处理（NPKM、1.5NPKM、M）在7—8年后土壤Olsen-P含量超过阈值（表3，图2）。化肥配合秸秆还田（NPKS）11年后超过阈值，施用化学磷肥3种处理（NPK、 PK、NP）在16年后超过阈值。

短划线、实线和点虚线分别表示线性-线性、线性-平台和米切里西拟合曲线

表3 长期不同施肥磷素农学阈值

LL: linear-linear model; LP: linear-platform model; EXP: Michelice model; CV: Critical value of Olsen-P content in agronomic

3 讨论

3.1 长期施肥红壤磷素含量变化及有效磷活化特征

土壤磷素含量变化受到施肥和土壤磷素累积量影响，长期不施磷肥土壤磷含量呈现降低趋势，过量施用磷肥土壤磷含量增加[11-14, 21]。南方红壤地区土壤有效磷含量低，本研究发现长期不施磷肥（CK、N、NK）土壤Olsen-P含量随着试验年限有下降趋势，约在10年左右达到土壤严重缺磷程度（图2），并且影响作物生产。长期不施磷肥（CK、N、NK）土壤全磷含量随试验年限无显著变化趋势，这可能与该试验条件下不施磷肥作物产量低带走少，土壤磷素活化速度慢等有关[28-29]。长期施用磷肥，土壤Olsen-P和全磷含量均逐年增加，磷肥的长期施用对于提高土壤磷素水平起到重要作用。这与大部分研究结果一致[11-14,31-33]。

土壤磷活化系数（PAC）结果表明，长期不施磷肥土壤有效磷逐年耗竭，土壤全磷越来越难以转化为有效磷。施用磷肥在提高土壤有效磷含量的同时，改变了土壤磷素有效性。化肥配施有机肥，一方面增加了土壤有机质，减少土壤有效磷固定。另一方面，有机肥和土壤有机质中富含的有机酸能活化土壤溶液中的磷酸根离子，减少磷素固定，增加土壤有效磷含量。因此，化肥配施有机肥和单施有机肥处理的PAC要高于单施化肥处理。相关结果也在红壤稻田和黑土上得到证实[14, 34-37]。施用化学磷肥配合秸秆还田其PAC上升速率低于单施化学磷肥，可能与土壤微生物分解固定土壤有效磷有关[38]。

3.2 红壤磷素变化对磷盈亏量的响应

土壤磷盈亏量决定着土壤有效磷含量水平，影响土壤有效磷转化[21]。长期施用磷肥造成土壤磷素累积，大量研究表明土壤磷素变化量与磷盈亏量显著相关[36-37, 39-40]。国内外文献结果表明，累积盈余100 kg P·hm-2土壤有效磷提高1—6 mg·kg-1，不同试验点之间差异与其环境因素、土壤理化性质及种植制度等有关[42-43]。对于不同施肥措施，土壤每累积盈余100 kg P·hm-2，单施化学磷肥处理土壤有效磷含量平均提高2.6—21.2 mg·kg-1，有机肥配施化学磷肥处理有效磷含量平均提高0.56—41.3 mg·kg-1[40,43]。本研究结果表明红壤磷素累积量对磷盈亏量存在显著响应关系。在红壤旱地小麦玉米轮作体系上，土壤每累积盈余100 kg P·hm-2，土壤有效磷含量提高3.0—5.2 mg·kg-1，高低顺序分别为NPKS＞NPK＞NP＞PK＞NPKM＞1.5NPKM。施用有机肥处理表层土壤有效磷对磷盈亏量的转化效率要低于施用化学磷肥。原因可能在于有机肥处理磷素投入量大，随着磷肥施用年限持续，大量的磷素在土壤中累积，一方面增加了磷素向土壤深层迁移量，以及淋失或径流迁移出土体风险[25, 43]；另一方面有机肥投入的磷素以有机磷为主，虽然有机肥的加入促进了土壤磷的有效化，但土壤磷的有效化速度要低于有机肥固定无机磷的速度[14]。与单施化学磷肥相比，化肥配合秸秆还田，有利于减缓磷素迁移，提升表层土壤磷素的转化效率。

诸多研究发现，各施肥处理有效磷对磷盈亏的转化效率不同，引起差异的原因通常认为与土壤矿物质、黏粒、pH以及有机质等对磷素的固定和解析有关[39]。磷素是红壤主要限制因子，长期不施磷肥作物产量低，磷素带走量少，土壤全磷变化量少，其对累积磷盈亏量无显著响应关系。本试验3种不施磷肥处理（CK、N、NK），其中N、NK处理土壤有效磷变化量与盈亏量无显著关系。其原因可能是由于长期不合理氮肥施用导致土壤酸化，影响作物生长和累积磷盈亏量。土壤有效磷含量变化也因为pH影响而变得复杂[44]。

3.3 作物产量对红壤有效磷的响应

土壤有效磷与作物产量之间响应关系表明两者之间遵循报酬递减规律，土壤有效磷含量较低时，施用磷肥增产效果显著，土壤有效磷含量上升到一定水平，施用磷肥增产效果显著降低。因此，确定适宜的土壤有效磷水平对于提升作物产量，节约磷矿资源和环境保护具有重要意义。土壤磷素累积过高时，不仅对作物增产不显著，甚至可能由于淋失或地表径流造成水体富营养化，污染环境[25, 45]。该试验结果也表明土壤Olsen-P含量与小麦及玉米产量存在较强的响应关系，作物产量随土壤Olsen-P增加而增加，土壤Olsen-P含量达到一定值时，作物产量的响应降低。

本研究采用线性-线性模型、线性-平台模型和米切里西方程均可以较好的模拟二者的关系。从拟合度以及红壤有效磷现状来看，线性-线性模型拟合结果要优于其他2个模型。米切里西模型可能高估了红壤有效磷农学阈值。线性-线性模型拟合的红壤小麦和玉米农学阈值结果与Bai等结果相吻合[9]。两者的结论均表明红壤地区小麦农学阈值要低于玉米。作物的农学阈值受作物类型、土壤类型以及气候环境等诸多因素的影响，需要结合实际情况考虑[46]。

本研究还发现，长期施用磷肥的各处理土壤Olsen-P含量在不同年限内均超过了农学阈值，因此在实际生产上应该及时调整磷肥施用量，土壤有效磷水平较高时，减少或一段时间内不施磷肥，待土壤有效磷含量接近农学阈值时再给与补充。

4 结论

长期施用磷肥显著增加南方红壤地区土壤全磷和有效磷含量，化肥配施有机肥在磷素累积和提升磷素的有效性方面更有优势。在南方红壤地区，土壤全磷和有效磷变化量与土壤磷素盈亏量呈显著正相关关系，每累积盈余100 kg P·hm-2，土壤Olsen-P上升3.79 mg·kg-1，全磷上升0.03 g·kg-1。化肥有机肥配施有利于保持小麦及玉米的高产和稳产性能。线性-线性模型推荐用于评估红壤地区磷素农学阈值，其在小麦和玉米上计算的土壤有效磷农学阈值分别为13.5、23.4 mg·kg-1，生产上应该根据土壤有效磷含量及时调整磷肥施用量。

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Change of Phosphorus in Red Soil and Its Effect to Grain Yield Under Long-term Different Fertilizations

LI DongChu1, 2, WANG BoRen2, HUANG Jing2, ZHANG YangZhu1, XU MingGang2, ZHANG ShuXiang2, ZHANG HuiMin2

(1College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha410128;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081)

【】Change characteristic of phosphorus (P) in red soil were quantified under long term different fertilizations, and effects of P on soil productivity were studied, so as to provide a theoretical basis for P management in red soil regions in southern China. 【】Change of soil Olsen-P and total P content was compared under long term no P fertilization (CK, N, NK), chemical P fertilizer (PK, NP, NPK), application of chemical fertilizer combined with half crop straw return (NPKS) and application of organic manure and chemical fertilizer combined with organic manure (1.5NPKM, NPKM, M) using long term trial platform in the upland red soil (from 1991-2016). Responses of soil P to P balance were analyzed. Different models were used to fit the response curve of crops yield to Olsen-P in the red soil. The critical P value of soil Olsen-P for crop yield (CV) was calculated.】The Olsen-P and total P increased, and P activation coefficient (PAC) promoted under long term P fertilization in the red soil. PAC was higher under application of organic manure and chemical fertilizer combined with organic manure (1.5NPKM, NPKM, M) than that under application of chemical fertilizer combined with half crop straw return (NPKS) and chemical P fertilizer (PK, NP, NPK). Changes of Olsen-P and total P were significantly affected by P balance (＜0.01). Soil Olsen-P increased by 3.00-5.22 mg·kg-1, and total P increased by 0.02-0.06 g·kg-1with 100 kg P·hm-2cumulative surplus in the red soil. The Olsen-P decreased with years under long term no P fertilization (CK, N, NK), and they decreased by 1.85 mg·kg-1, 0.40 mg·kg-1, and 1.76 mg·kg-1, respectively, with 100 kg P·hm-2cumulative deficiency in the red soil. Grain yields of wheat and maize were significant higher under application of organic manure and chemical fertilizer combined with organic manure (1.5NPKM, NPKM, M) than that under application of chemical fertilizer combined with half crop straw return (NPKS) and chemical P fertilizer (PK, NP, NPK) than under no P fertilizations (CK, N, NK). Sustainability index of grain yield (SYI) were higher under application of organic manure and chemical fertilizer combined with organic manure (1.5NPKM, NPKM, M) than that under the other treatments. Three models (linear-linear model, linear-platform model and Michelice model) were better fit the response of crop yield to Olsen-P in red soil (＜0.01). Linear-linear model was recommended for the higher2. The critical value of Olsen-P content in agronomic in red soil of wheat and maize were 13.5 mg·kg-1, and 23.4 mg·kg-1, respectively, calculated by linear-linear mode. 【】Application of chemical fertilizer combined with organic manure were recommended in red soil region of southern China. That had the beneficial for P accumulation and promoting P availability. Applications of chemical fertilizer combined with organic manure were also used to keep the high and stable production. Linear-linear model was recommended to calculate the critical value of Olsen-P content in agronomic. Application rates of P fertilizer should be adjusted timely according to the difference between actual Olsen-P content in the soil and critical value of Olsen-P content in agronomic in productivity.

Olsen-P; total P; relative yield; PAC; P balance; critical value of Olsen-P content in agronomic; long-term fertilization; red soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.21.012

2019-06-05；

2019-07-25

国家重点研发计划项目（2017YFD0800101，2016YFD0300901）、国家自然科学基金（4167130）、国家现代农业产业技术体系（CARS-01-83）

李冬初，E-mail：lidongchu@caas.cn。通信作者王伯仁，E-mail：wangboren@caas.cn。通信0000作者张会民，E-mail：zhanghuimin@ caas.cn

（责任编辑 李云霞）