作为一种有限的自然资源,磷(P)逐渐成为影响全球可持续发展的新挑战。中国农业对全球可持续磷管理意义重大。在中国集约化的农业生产中,通过根际和土壤磷管理来提高磷的利用效率和作物生产力是很有必要的。之前的研究表明,利用LePA模型(legacy phosphorus assessment model)基于土壤磷管理(恒量监控方法)预测中国未来的磷肥需求量会大大降低。本研究利用LePA模型基于根际和土壤磷综合管理预测了在四种减磷情景下我国各县未来的磷肥需求量。四种情景设置分别为:(1)模拟期间磷肥投入量与2012年相同;(2)低磷县先保持2012年的施磷水平,而高磷县先停施磷肥,直至土壤Olsen-P达目标值,然后施磷量均与作物磷带走量相同;(3)低磷县的土壤Olsen-P达目标值后,各县的施磷量每年降低1 – 7 kg ha-1,然后每年增加0.1 – 9 kg ha-1至作物磷带走量;(4)低磷县的磷投入量与2012年相同直至土壤Olsen-P含量升高到目标值,而高磷县的磷投入量先每年降低1 – 7 kg ha-1,再每年增加0.1 – 9 kg ha-1,然后与作物磷带走量相同。结果表明,情景4分析的我国在2013 – 2080年期间的磷肥需求总量为6.93亿吨,与农民传统施磷量相比降低了57.5%。与基于土壤管理的磷需求量相比,模拟期间我国磷肥总需求量可进一步降低8.0%。我国平均的土壤Olsen-P含量只需维持在17.2 mg kg-1即可满足作物高产的需求。我们的研究结果为政府出台可持续磷管理的相关政策提供了坚实的基础。
了解磷组分特征和影响因素对提高土壤磷利用效率具有重要的意义。基于黑土、潮土和塿土的长期定位试验,选择了五种施肥方式并将其分为三组:无磷肥处理(CK/NK)、平衡施用无机肥处理(NPK/NPKS)和有机无机配施处理(NPKM)。对土壤无机磷组分和土壤性质进行了分析,研究了无机磷组分特征及无机磷组分与土壤性质的关系。结果表明,三种土壤中Ca10-P占总无机磷的比例最高,黑土、潮土和塿土分别为33.5%、48.8%、44.8%。长期施肥导致了土壤无机磷累积或耗竭的周期性变化。NPK/NPKS和NPKM处理下,黑土和潮土在施肥后期(10-20年)的磷累积量高于施肥早期(0-10年),而塿土正好相反。黑土中无机磷的累积发生在全部磷组分中,而潮土主要为Ca8-P、Fe-P和Ca10-P,塿土主要为Ca2-P、Ca8-P和O-P。CK/NK处理下,三种土壤的无机磷耗竭主要发生在施肥早期;除活性无机磷(Ca2-P)和中活性无机磷(Ca8-P、Fe-P、Al-P)外,黑土和潮土中的Ca10-P,塿土中的O-P也可被作物利用。冗余分析表明,土壤性质解释了每种土壤90%以上无机磷组分的变化,其中,土壤有机质的解释百分比在黑土、潮土和塿土中分别为43.6%、74.6%、38.2%。总之,在非酸性土壤中施用磷肥时,应考虑磷的累积速率和土壤性质驱动的无机磷组分的变化。
本研究选取黄土高原旱地农田系统三个长期定位试验:杨凌(25年)、天水(35年)、平凉(37年),研究长期不同施肥对SOC及其组分,例如:矿质结合态有机碳(MOC)和颗粒有机碳(POC,包含轻组颗粒有机碳和重组颗粒有机碳)的影响。每个试验点包括三个处理:对照(不施任何肥料,CK),施化肥(CF)和化肥与有机肥配施(MCF)。结果表明:施肥显著增加了耕层(0-20 cm)土壤固碳速率,杨凌、天水和平凉三个点化肥处理较CK分别提高134、89和129 kg ha-1 yr-1,有机无机配施 分别提高418、153和384 kg ha-1 yr-1。杨凌、天水和平凉三个点MOC库分别占总SOC储量的72、67和64%;三个地点CF处理的固碳速率分别为76、57和83 kg ha-1 yr-1,MCF分别为238、118和156 kg ha-1 yr-1且呈现出MOC饱和的趋势。相应的POC库储量在三个试验点分别占总SOC储量的27、33和36%,其中Light-POC占SOC总量的11、17和22%,Heavy-POC占17、16和15%。三个点CF处理POC库固碳速率分别为58、32和46 kg ha-1 yr-1,MCF分别为181、90和228 kg ha-1 yr-1。其中,Light-POC在CF处理中的贡献占POC的59、81和72%,在MCF处理中的贡献占POC的60、40和69%,其余则为Heavy-POC的贡献。相比CK处理,单施化肥对MOC和POC占总SOC的比例没有影响,而MCF处理显著降低了MOC占SOC的比例,增加了POC所占比例,主要表现为Light-POC组分的增加。SOC在不同库中的分布与土壤团聚体的分布和稳定性密切相关。本研究表明,施用有机肥不仅能够提高土壤有机碳储量,还可以显著改变土壤有机碳的组成,从而提高土壤有机碳的质量,可能与土壤有机碳的饱和水平有关。