稻麦轮作农田有机无机肥配施下磷平衡研究

于云飞，汪玉*，李爽，陈光蕾，赵洪猛，赵旭，王慎强*

（1.江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站，中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049）

磷素是作物生长必需的大量营养元素，也是限制作物产量的主要因子，施用磷肥对维持土壤有效磷库和作物产量具有重要意义。然而，由于磷素易被土壤矿物吸附固定，大量的磷肥施用既造成资源浪费，也会加大环境污染风险[1-3]。调查表明太湖流域稻麦轮作农田化学磷肥施用量（以P2O5计）高达每年120 kg·hm-2，超出作物营养需求[4]，造成土壤速效磷过量累积，其中65.2%的农田土壤有效磷高于20 mg·kg-1，而引起该区域环境风险的土壤有效磷阈值为30 mg·kg-1[5]。畜禽粪便是有效的替代磷源，近年来畜禽粪便作为有机肥部分替代化肥被认为是可以减少化肥投入、降低农田磷流失风险的有效措施[6]。据调查，我国畜禽粪尿有机废弃物资源年产生量达38 亿t，其中P2O5含量可达1 100 万t[7]。因此，提高畜禽粪尿有机物料还田率，推广有机肥替代化学磷肥对减磷增效和农业绿色发展具有重要意义。然而，如何科学合理地配施有机无机肥以提高资源利用效率和作物产量仍需进一步探讨。

不同的有机无机肥配施方式对作物产量有积极影响，但也可能存在一定的环境风险。李圆宾等[8]通过整合分析稻麦轮作体系下有机肥配施方式对作物产量的影响，表明有机肥配施能使稻麦分别显著增产3.1%和3.0%，土壤有机质、全氮、全磷和有效磷等养分含量增幅11.7%~38.4%；黄晶等[9]的长期定位试验表明，有机肥在等氮替代无机氮肥条件下，没有显著增加水稻产量，但显著提高了土壤磷素累积，磷素年均盈余量是等氮量无机氮肥处理的2.59 倍。也有研究表明[10]，畜禽有机粪肥含磷量高，等氮量的有机粪肥处理相比于化学肥料造成农田磷损失增加45%~237%，仅控制等氮量的有机肥投入容易引发环境污染问题。因此，控制农田磷投入是降低土壤磷持续累积和从源头减少农田面源污染的重要举措，通过养分平衡法来评价不同有机无机肥配施方式下农田磷养分的盈亏，可以为养分优化管理及环境风险评估提供理论依据。

本研究以太湖流域田间定位试验为研究对象，比较两种有机无机肥配施方式——控氮控磷（4 a）及控氮不控磷（24 a）处理下农田磷盈亏状况，及其对作物产量、磷吸收、磷损失和土壤磷养分含量等的影响，以期为稻麦轮作农田有机肥施用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验依托常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站（31°33'N，120°42'E，实验始于1998 年）和常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站宜兴基地（31°16'N，119°54'E，实验始于2018 年）。两地都位于太湖流域，同属亚热带季风湿润气候，年平均温度17 ℃，年平均降水量1 200 mm，为典型的稻麦轮作区，土壤均为湖积物母质发育的水稻土。常熟0~20 cm 耕层土壤基本理化性质（1997 年测定）为：有机碳10.5 g·kg-1，全氮1.12 g·kg-1，总磷0.54 g·kg-1，有效磷9.41 mg·kg-1。宜兴0~20 cm 耕层土壤基本理化性质（2018 年测定）为：有机碳9.10 g·kg-1，全氮0.94 g·kg-1，总磷0.46 g·kg-1，有效磷15.5 mg·kg-1。水稻品种均为南粳48号，小麦品种为杨麦16号。

1.2 试验设计

常熟试验田为控氮不控磷有机无机肥配施（有机肥替代稻季40%和麦季50%的化学氮肥，不考虑有机肥带入的磷、钾等养分），小区面积4 m2，包括3 个处理：不施肥（CK）、单施化肥（CF）、猪粪有机肥与无机肥配施（PM）。宜兴试验田为控氮控磷有机无机肥配施（有机肥替代30%化学磷肥，氮、磷、钾的总养分投入相同），小区面积为60 m2，包括6 个处理：不施磷肥（CK）、单施化肥（CF）、商品有机肥与无机肥配施（OM）、猪粪有机肥与无机肥配施（PM）、鸡粪有机肥与无机肥配施（CM）、牛粪有机肥与无机肥配施（DM）。所有处理均设置3 个重复，各小区采用完全随机排列。

所有试验处理的施肥量见表1，试验所需无机肥为氮（尿素，46%N）、磷（过磷酸钙，12%P2O5）、钾（氯化钾，60%K2O），有机肥采用当地生产的不同类型有机肥料，每季经测定养分含量后计算施用的实物量。氮肥每季按照30%基肥、40%分蘖追肥和30%拔节追肥施用，有机肥同钾肥和磷肥作基肥一次性施用。田间管理均按照当地农业生产实践进行。

表1 两种有机无机肥配施方式下化学肥料和有机肥料养分施用量Table 1 Organic fertilizer and chemical fertilizer inputs in the field experiments

1.3 样品采集与测定方法

样品采集于2021—2022 年稻麦轮作周期，每季作物种植前取有机肥样品和水稻移栽幼苗/小麦种子，分别烘干测定含水率和全磷含量；各小区单打单收计产，取部分秸秆和籽粒鲜样烘干测定含水率后再测定全磷含量；采用S 型布点法对小区内随机取点，采集0~20 cm 耕层土壤，混合均匀，风干、研磨后过20目筛测定土壤有效磷含量，过100 目筛测定土壤总磷含量；两地农田灌溉水于首次灌溉时采集，径流样品通过径流池收集并分别于2021-09-25、2022-04-27（宜兴）和2021-07-05、2021-08-09、2021-11-28（常熟）采集，过定量滤纸后测定全磷浓度。

样品测定参照《土壤农业化学分析方法》[11]。有机肥和作物全磷采用硫酸-过氧化氢消煮-钼锑抗比色法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠（pH=8.5）浸提-钼锑抗比色法测定；土壤总磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定；径流及灌溉水总磷采用流动分析仪（Skala，荷兰）消煮测定。

1.4 磷平衡计算方法

磷平衡作为衡量农田磷素投入与产出的一种方法[12-14]，在国内外已被广泛应用[15-18]。本研究以稻麦轮作小区为研究对象，对有关农田输入与输出的磷量分别进行测算，并合算输入与输出的差值得到磷平衡值。磷平衡（kg·hm-2，以P 计）正值表示磷盈余，负值表示磷亏缺：

磷平衡=磷输入量-磷输出量

磷输入量=肥料磷+水稻秧苗/小麦种子磷+灌溉水磷

磷输出量=作物吸磷量+径流损失磷量

灌溉水磷=灌溉水总量×灌溉水总磷浓度

作物吸磷量=秸秆生物量×秸秆全磷含量+籽粒生物量×籽粒全磷含量

径流损失磷量=径流总量×径流总磷浓度

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2020 软件进行数据整理，用SPSS 24.0 软件进行不同处理间各指标的单因素方差分析并选择Duncan 法（P<0.05）进行多重比较，采用Origin 2022软件进行数据可视化。

2 结果与分析

2.1 两种有机无机肥配施对稻麦产量及磷吸收的影响

不同处理稻麦籽粒与秸秆产量及全磷含量如图1 所示。控氮控磷有机无机肥配施相较于CF 处理，稻麦产量均无显著差异（P>0.05），但OM 处理有增加稻麦产量的趋势，施肥第4年OM处理稻、麦籽粒产量高于CF 处理（6.23 t·hm-2和5.02 t·hm-2），达到6.28 t·hm-2和5.22 t·hm-2。控氮不控磷有机无机肥配施处理中，施肥第24 年PM 处理相比于CF 处理水稻产量无显著差异（P>0.05），但小麦产量显著（P<0.05）增加29.2%，小麦籽粒和秸秆产量分别为6.63 t·hm-2和9.14 t·hm-2。控氮控磷各处理中稻麦籽粒与秸秆全磷含量无显著差异（P>0.05），全磷含量范围分别为3.03~3.19 g·kg-1（稻季籽粒）和1.69~2.06 g·kg-1（稻季秸秆），3.28~3.66 g·kg-1（小麦籽粒）和0.23~0.32 g·kg-1（小麦秸秆）。控氮不控磷下PM 处理稻麦籽粒全磷含量稍高于CF 处理但差异不显著（P>0.05），稻、麦秸秆全磷含量显著高于CF 处理56.5%和77.4%（P<0.05）。

图1 两种有机无机肥配施方式下稻麦地上部生物量和全磷含量Figure 1 Aboveground biomass and total phosphorus content of crops under different organic substitution treatments

2.2 两种有机无机肥配施对土壤磷养分含量的影响

土壤有效磷和总磷含量在不同的有机无机肥配施方式下的变化趋势不同（表2）。控氮控磷下各有机无机肥配施处理土壤有效磷及总磷含量较CF处理均无显著差异（P>0.05），稻季土壤有效磷含量为15.7~19.4 mg·kg-1，总磷含量为0.48~0.51 g·kg-1，麦季有效磷含量为18.0~24.8 mg·kg-1，总磷含量为0.46~0.50 g·kg-1。控氮不控磷下，PM 处理土壤有效磷和总磷含量均显著高于CF处理（P<0.05），稻季有效磷和总磷含量分别高达132.3 mg·kg-1和2.03 g·kg-1，为CF 处理的2.70 倍和1.80 倍，麦季有效磷和总磷含量增至175.9 mg·kg-1和2.33 g·kg-1，比CF处理高2.15倍和1.75倍。

表2 两种有机无机肥配施方式下稻麦季土壤磷含量Table 2 Soil phosphorus content under different organic substitution treatments

2.3 两种有机无机肥配施对农田径流磷损失的影响

不同有机无机肥配施方式对稻麦轮作农田径流总磷浓度的影响有很大差异（图2）。在控氮控磷条件下，各处理稻麦季农田径流总磷浓度无显著差异（P>0.05），CK、CF、OM、PM、CM 和DM 水稻季径流总磷平均浓度依次为0.025、0.062、0.058、0.046、0.045 mg·L-1和0.029 mg·L-1，小麦季依次为0.027、0.031、0.027、0.038、0.030 mg·L-1和0.026 mg·L-1。在控氮不控磷条件下，PM 处理稻麦季径流总磷平均浓度均显著高于CF 处理（P<0.05），其中水稻季径流总磷平均浓度为2.40 mg·L-1，小麦季径流总磷平均浓度为0.68 mg·L-1，比CF处理分别高出72.2倍和20.8倍。

图2 两种有机无机肥配施方式下稻麦轮作农田径流总磷浓度Figure 2 Average concentration of total phosphorus in runoff under different organic substitution treatments

2.4 两种有机无机肥配施对稻麦轮作农田磷平衡的影响

表3 统计了稻麦轮作农田磷的输入与输出指标，可以看到磷的输入主要为有机无机肥料，水稻秧苗、小麦种子及灌溉水带入量较少，磷的输出主要为稻麦籽粒、秸秆带走和少量径流。控氮不控磷有机无机肥配施下，PM 处理肥料带入的磷量远高于CF处理，稻、麦季分别达到100 kg·hm-2和107 kg·hm-2。磷的输出主要取决于稻麦地上部生物吸收量，控氮控磷有机无机肥配施下，OM、PM 和CM 处理稻麦地上部吸磷量与CF处理无显著差异（P>0.05），而DM处理则显著低于CF 处理（P<0.05）；控氮不控磷配施中，PM 处理稻麦吸磷量均显著高于CF 处理（P<0.05）。径流磷流失量在控氮控磷条件下各处理无显著差异（P>0.05），其中稻季磷流失量为0.05~0.11 kg·hm-2，麦季磷流失量为0.03~0.05 kg·hm-2；控氮不控磷条件下，PM 相较于CF 处理稻麦季累计径流磷流失量高达5.14 kg·hm-2，为CF处理的50.4倍。

表3 两种有机无机肥配施方式下各处理稻麦季磷的输入与输出量（kg·hm-2）Table 3 Input and output of phosphorus in rice and wheat season under different organic substitution treatments（kg·hm-2）

图3 为不同有机无机肥配施下稻麦轮作农田磷平衡状况。控氮不控磷条件下PM 处理稻、麦季磷平衡均表现为盈余状态，分别达44.4 kg·hm-2和73.4 kg·hm-2，显著高于CF 处理（P<0.05）；而稻麦周年PM 处理磷盈余量为118 kg·hm-2，比CF 处理高3.41 倍。控氮控磷条件下各配施处理稻季磷平衡与CF处理无显著差异（P>0.05），均表现为略亏缺状态；OM、PM、CM、DM 处理麦季磷盈余量比CF 处理分别提高14.1%、18.8%、26.0%和75.2%，均处于磷盈余状态；稻麦周年磷平衡OM、PM、CM和DM处理均略有盈余。

图3 两种有机无机配施方式下稻麦轮作农田磷平衡Figure 3 Soil phosphorus balance of rice-wheat rotation cropland under different organic substitution treatments

3 讨论

磷平衡分析是评价农田磷养分管理可持续性的重要依据，也可为环境风险评估提供重要参考[19-20]。科学合理地减施化学肥料并保证作物高产稳产，维持土壤充足养分又不至于过量盈余，降低面源污染风险及优化资源配施，是有机无机肥配施可持续应用的原则。本研究表明，控氮控磷各有机无机肥配施处理中土壤磷均略有盈余，年盈余量为2.29~8.55 kg·hm-2，而控氮不控磷有机无机肥配施下磷年盈余量高达118 kg·hm-2。依据不同配施方式下各处理磷的输入与输出量（表3），控氮不控磷有机无机肥配施带入的肥料磷是控氮控磷的3.96倍，而二者磷的输出量基本稳定在同一范围。因此，控氮控磷各有机无机肥配施处理均能使土壤磷平衡处于略盈余状态，而控氮不控磷有机无机肥配施与控氮控磷相比，大量的磷肥投入会造成土壤磷过量累积。

土壤磷素累积是土壤磷含量升高的根本原因，但土壤磷含量变化对磷素累积量的响应关系因土壤类型、土地利用方式和施肥方式等不同而存在差异。有研究表明，土壤磷每盈余100 kg·hm-2，红壤性水稻土有效磷增加0.4~3.2 mg·kg-1[9]，黄壤性水稻土有效磷可增加2.0~4.0 mg·kg-1[21]，黄壤旱地有效磷可增加5.6~21.4 mg·kg-1[22]。本研究中两种有机无机肥配施方式下磷均有盈余，能保障作物磷吸收的持续供应，保证或提高作物产量，这与前人研究一致。李其胜等[23]发现有机无机肥配施处理相较于单施化肥土壤有效磷和全磷含量分别提高25.0%~33.0%和14.3%~15.4%；任科宇等[24]的研究表明有机肥替代与单施化肥相比水稻产量增加2.7%~4.7%；鲁伟丹等[25]研究发现18%有机肥替代化学肥料可提高小麦有效分蘖，增加有效穗数，显著提高小麦产量。有机肥能提高土壤有效磷水平的原因在于，其本身含有一部分易分解释放的磷素，且带入的有机磷矿化后释放磷的过程中还会产生小分子有机酸等活性物质，从而促进土壤无机磷的溶解释放[26-27]。另外有机肥中的磷多为有机磷或稳定性较高的磷组分，其转化为作物可利用性磷的过程相对缓慢，因此可延长肥料磷的持效性。

合理的肥料运筹对土壤供磷和作物吸磷起到调控作用，有机无机肥配施既有速效无机养分促进作物分蘖，又有缓效有机养分满足后期需求。本研究表明控氮不控磷有机无机肥配施显著提高小麦产量和稻麦秸秆磷含量，这可能与有机无机肥配施改善作物叶片光合性能、促进籽粒灌浆有关[28-29]。但相比于控氮控磷，控氮不控磷有机无机肥配施能大幅增加土壤有效磷和全磷含量达176 mg·kg-1和2.33 g·kg-1，远超作物正常生长发育所需的土壤磷水平。从磷平衡角度考虑，磷肥投入量应与作物吸收带走量基本持平，而土壤磷素的适度盈余有助于提升土壤肥力。因此，控氮控磷有机无机肥配施可达到提升土壤肥力和作物产量的目的且不会造成过量磷累积。

土壤磷素过量累积是造成农田面源污染的主要因素[30-31]。肥料磷施入土壤后，大部分被土壤吸附固定，但随着施入量的增加，土壤磷吸附位点逐渐饱和，无法被吸附固定的磷向水体迁移[32]。径流磷损失只占农田磷输出的小部分，但由于自然环境水体对磷素输入的敏感性，农田磷素的迁移损失易产生水环境问题且过程复杂，目前衡量磷损失的环境风险指标还不完善[33-34]。在本研究中，控氮控磷有机无机肥配施较单施化肥均降低了稻季径流磷损失；而控氮不控磷有机无机肥配施则显著提高了径流总磷浓度和径流磷损失量。这一结果与郭智等[35]、马凡凡[36]的研究结果一致。郭智等[35]的研究表明，猪粪有机肥等氮磷部分替代化肥的减排效果较好，在不影响水稻产量的前提下可降低总磷径流流失率23.32%；马凡凡[36]研究发现，等氮量猪粪有机肥替代处理磷素带入量较高，特别是有机肥作为基肥一次性施入，作物生长发育前期对磷养分吸收能力低，因此部分磷素会迅速集中地随径流流失。这表明在一定量的施用范围内，有机肥的缓释性具有抵抗径流磷损失风险的潜力[37]，从而降低径流磷损失。本研究中控氮控磷有机无机肥配施稻麦周年土壤磷平衡表现为稍有盈余，径流磷损失量低，可有效避免土壤磷素过量累积造成的资源浪费和环境风险。

磷平衡对农田磷养分管理和合理施磷具有重要意义，也可作为农田磷素损失的环境风险指标以提高环境风险评估的准确性[38]。因此，从维持作物高产和提升土壤肥力、降低土壤养分的环境损失和表观盈余量等方面考虑，控氮控磷有机无机肥配施是更合理的有机无机肥配施方式。因试验条件限制，本研究中控氮控磷有机无机肥配施处理进行到第4 年，下一步工作还需深入研究控氮控磷下不同有机肥类型及用量与化肥合理配施的长期效应。

4 结论

控氮控磷有机无机肥配施稻麦轮作周年磷平衡表现为略有盈余，且对径流磷损失无显著影响，而控氮不控磷有机无机肥配施稻麦轮作周年磷平衡及径流磷损失均大幅增加，造成农田磷面源污染风险增加。因此，在采取有机无机肥配施时应考虑控制磷投入量，避免农田土壤磷过量累积和流失，以实现作物稳产的同时，兼顾优化肥料资源利用和降低环境风险。