Effects of Long-term Application of Bag-controlled Slow-release Fertilizer on the Form and Availability of Phosphorus in Red Soil of South China

ZHAO Junyu, PAN Bo, QIN Zuoyu, TANG Jian, WANG Huili, HUANG Xiaorui, CAO Jizhao

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Journal of Agriculture ›› 2022, Vol. 12 ›› Issue (11) : 14-19. DOI: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2021-0121

Effects of Long-term Application of Bag-controlled Slow-release Fertilizer on the Form and Availability of Phosphorus in Red Soil of South China

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Abstract

The insufficient supply of phosphorus is the main problem restricting agriculture and forestry production in red soil region of south China. To investigate whether applying bag-controlled slow-release fertilizer can improve the phosphorus availability and have a significant positive effect on phosphorus components’ content, with Eucalyptus plantation forest in Gaofeng State-owned Farm in Guangxi red soil region as the research object, we designed bag-controlled slow-release fertilizer with conventional fertilization (G1), bag-controlled slow-release fertilizer with reducing fertilization (G2), traditional compound fertilizer application (G3), basal fertilizer application (G4) and no fertilization (G5) to conduct the comparative tests, and used soil phosphorus classification method to determine the content of phosphorus components in soil. The results showed that: (1) compared with traditional fertilization, bag-controlled slow-release fertilization significantly increased the content of AP, Pi, Fe-P and other phosphorus components in soil; (2) the P activation coefficient of G2 and G1 were significantly higher than that of the other three treatments, the order was G2>G1>G4>G5>G3; (3) redundancy analysis showed that PAC and Fe-P had the most significant effect on plant growth among all phosphorus components. The application of bag-controlled slow-release fertilizer in red soil Eucalyptus plantation in south China can promote the accumulation of phosphorus and increase the phosphorus activity, and the mechanism of high phosphorus use efficiency is mainly through the sustained input of phosphorus and reducing phosphorus immobilization by obstructing the contact of phosphorus with acid soil to guarantee the phosphorus supply.

Key words

red soil / bag-controlled slow-release fertilizer / phosphorus component / traditional / fertilization / redundancy analysis

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ZHAO Junyu , PAN Bo , QIN Zuoyu , TANG Jian , WANG Huili , HUANG Xiaorui , CAO Jizhao. Effects of Long-term Application of Bag-controlled Slow-release Fertilizer on the Form and Availability of Phosphorus in Red Soil of South China. Journal of Agriculture. 2022, 12(11): 14-19 https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2021-0121

0 引言

磷(P)是植物生长发育所必需的大量营养元素之一，是植物体内核苷酸、蛋白质、膜磷脂、ATP、ADP和NADPH等有机物合成的重要组成部分，在植物新陈代谢过程，如光合作用和呼吸作用中起重要的作用，同时也是影响作物产量和品质的基本营养物质[1-2]。然而，磷在土壤中移动性差，易固定，连续大量施用磷肥导致土壤中的磷素富集但有效性降低[3]，尤其是中国南方大面积的红壤分布区，气候呈现高温多雨特点，土壤风化、淋溶作用引起的富铝化现象严重，土壤养分含量较低[4-5]。同时，红壤中的可变电荷矿物(Al、Fe)对土壤中磷元素具有强烈的固定作用[6]。因此，即使林地土壤中的磷背景值较高，但植被生长发育中磷素供应仍然不足。土壤中的磷素形态直接决定了其生物有效性[7]。磷素在土壤中主要分为无机磷(Pi)、有机磷(Or-P)两大类，其中无机磷又被细分为矿物态磷(Al-P、Fe-P、Ca-P)、闭蓄态磷(O-P)、可交换磷(W-P)[3,8-9]。植物对有机磷的利用主要以小分子态为主，但其含量较低，所以无机磷组分中有效态含量的高低决定了植物对磷素的吸收利用效率[10]。因此，研究林地土壤中磷元素各组分含量及其分布规律，对于提高磷肥利用效率、减少磷在土壤中的固定，保证林业生产高效、可持续经营具有重要意义。
袋控缓释肥料是目前国际上较为公认的一种提高植物营养利用效率、减少肥料流失的新型肥料[11-12]，其通过将传统施用的养分肥料按照一定的配方配比掺混均匀后通过可预期的材料进行小定量包装（包膜），通过筛选包袋材料的材质、密度、孔隙度和降解速度或进行不同材质的复合、复层等方式控制肥料的养分释放速度，达到满足不同植物不同生长阶段的养分需求的效果[13-14]。张守仕等[15]研究了袋控缓释对桃幼树和沾化冬枣氮素利用率及生长的影响，结果表明肥料袋控缓释可以促进细根发生，显著提高氮素利用率。Xiao等[16]的研究表明，BCRF（袋控缓释肥料）在不降低桃产量的前提下，氮肥施用量较普通施肥方式减少了65%~82%，在鲜桃生产中施用袋控缓释肥料有降低氮肥施用量和降低肥料投入成本的潜力。大量研究表明，袋控缓释肥在多年生树种上的应用效果良好，同时相比传统缓释肥具有较高的成本收益[17]，但袋控缓释肥在桉树人工林上的应用尚未见报道。同时，由于不同袋控肥料的袋包材质、肥料工艺以及施用土壤环境等因素均不相同，研究者对于袋控缓释肥与土壤磷素的互作机理以及磷素各形态分布规律尚不明确，亟待深入研究。
综上所述，本研究针对桂北红壤区桉树人工林土壤磷素利用效率较低的问题，拟选择尾叶桉幼林为研究对象，基于施肥对比试验，通过设计5种施肥梯度水平，采用无机磷分级测定方法探究传统配方肥、袋控缓释肥、施用基肥等施肥方式对土壤磷元素含量、组分分布规律以及对植株生长的影响，筛选出较为适宜该区域生产经营的施肥方式，以期降低桉树人工林人力施肥成本，同时研究结果也可为人工林地土壤中磷素的循环转化过程提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验采用田间定位监测，试验地位于广西国有高峰林场六里分场(22°56′10″—22°56′16″ N，108°17′23″—108°17′24″ E)，海拔为158 m，年平均温度为21.6℃，年平均降水量1304.2 mm，平均相对湿度为79%，气候为高温多雨。土壤为砂岩发育而成的红壤，土层厚度50~100 cm，质地疏松，pH 4.5~6.5。试验点内立地条件基本相同。供试桉树品种为‘广林29号’，2019年5月种植，种植密度为1.8 m×4 m。供试肥料传统配方肥（施肥深度25 cm、N:P2O5:K2O=15:6:9）、袋控缓释肥（施肥深度10 cm，N:P2O5:K2O=15:6:9）。袋控缓释肥的肥料袋包装材料为牛皮纸与易自然降解的非织造布组成的复合材料（年降解率大于70%）。其中，非织造布添加适量的矿质原料。肥料主成分N素来源为尿素和磷酸一铵，P素为磷酸一铵，K素为氯化钾。所用的肥料由广西林科院土壤肥料与环境研究所研制，委托广西华沃特生态肥业有限公司生产。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理：袋控缓释肥(G1)、减量20%袋控缓释肥(G2)、传统配方肥(G3)、只施基肥(G4)、完全不施肥(G5)。G1、G2、G3处理使用同等无机养分含量的相同肥料，具体施肥量及试验区面积见表1。各处理之间四周设保护行，避免肥料互渗，减少试验误差。分别于2019年6月和2020年6月进行施肥处理，每年进行一次施肥。试验于2021年1月30日在研究区内采集土壤样品并同时测定植株生长数据。在各处理内以上、中、下坡设置3个20 m×20 m标准样方，以“S”型5点取样法在标准地内挖取剖面，采集表层(0~ 20 cm)土壤，将样品充分混合均匀后以四分法取1000 g土样，放入自封袋内并做好标记，带回实验室。同时以每木检尺，测定样方内活立木胸径和树高。
表1 试验点施肥情况
处理 施肥处理 基肥施肥量/(kg/hm2) 追肥施肥量/(kg/hm2) 施肥面积/hm2
G1 袋控缓释肥0.5 kg 697.5 1395 1.33
G2 袋控缓释肥0.4 kg 697.5 1116 1.33
G3 配方肥0.5 kg 697.5 1395 1.33
G4 只施基肥 697.5 0 1
G5 完全不施肥 0 0 1
表2 不同磷形态含量及其活化系数
注：*表示在P<0.05水平上显著相关（双侧）。

1.3 实验室分析方法

土壤全磷、有效磷采用实验室常规方法测定[18]。土壤有机磷(Or-P)采用灼烧法[19]测定，称取相同质量的2份土壤，经灼烧与未经灼烧的土壤含磷量差值即为有机磷含量。土壤磷分级测定采用磷形态连续提取方法[20]，其中钙磷(Ca-P)、铝磷(Al-P)以及闭蓄态磷(O-P)等磷组分含量均在检测线以下。磷活化系数(PAC)根据有效磷与全磷的比值计算[21]。

1.4 数据处理与分析

采用IBM Statistics SPSS24.0 软件进行单因素方差分析、描述性统计等常规数据分析方法，Origin 2018进行制图以及Person相关分析，采用Canono5.0进行冗余分析(RDA)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理磷组分特征

不同施肥处理间土壤磷含量及其活化系数如表1所示。土壤PAC代表了土壤中磷素的活化能力及其有效性，PAC系数约大说明全磷-有效磷转化效率越高。各处理土壤PAC由高到低排序为G2>G1>G4>G5>G3，施用袋控缓释肥后，PAC显著增加(P<0.05)。不同施肥间处理的全磷、有效磷含量表现基本一致，G2处理土壤全磷、有效磷含量显著高于其余几种处理，G3、G4、G5间并未表现出显著差异性(P>0.05)，G3处理全磷含量相比G4、G5分别增加了17.83%、15.62%，但有效磷含量相比这2种处理差异不大，同时其PAC显著低于G4、G5处理(P<0.05)。G4处理有机磷含量显著高于其余4个处理。土壤Fe-P含量高低排序为G2>G1>G3>G5>G4，G1、G2、G3 3种施肥处理的Fe-P含量显著高于施基肥(G4)、不施肥(G5)处理(P<0.05)。
不同施肥处理各磷组分相对含量占比如图1所示。各处理间土壤磷素形态主要以Pi、Fe-P存在，Pi相对含量分别占比范围在18.8%~36.06%，Fe-P相对含量范围在16.77%~32.92%。与对照组G5相比，G3、G4土壤AP含量占比基本一致，G1、G2处理的AP含量相对占比较高，分别为3.84%、6.41%。W-P含量相对占比排序大小为G2>G1>G3>G4>G5，其分布规律与AP含量基本一致。Or-P相对含量占比排序大小为G4>G3>G5>G1>G2，其中G4处理Or-P占比为19.83%，相比对照组增加了81.75%。G1、G2处理中Or-P含量相比原始土壤G5分别下降了18.69%、54.17%。
图1 不同施肥处理各组分磷相对含量百分比

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2.2 不同磷组分之间Person相关分析

采用Person相关性分析研究不同磷组分之间相关系数，结果如表3所示。土壤有效磷(AP)除与有机磷含量相关性不显著外(P>0.05)，与其余所有组分均呈现显著相关(P<0.05)，其中相关系数排序大小为TP (0.9811)>Fe-P (0.9623) >PAC (0.9398) >Pi (0.9119)。同样的，全磷含量除与有机磷含量相关性不显著外(P>0.05)，与其余所有组分均呈现显著相关关系(P<0.05)。与有机磷含量相关系数最高的组分为Pi (0.1044)，但并未呈现显著相关关系(P>0.05)。除有机磷外，其余土壤磷组分之间均呈现显著相关关系，这可能与施肥量提高导致土壤中的磷组分均显著提升有关。
图2 植株生长量与磷组分冗余分析排序图

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表3 不同磷组分之间相关系数
AP TP Or-P Pi PAC Fe-P
AP 1
TP 0.9811* 1
Or-P 0.0903 0.0956 1
Pi 0.9119* 0.9151* 0.1044 1
PAC 0.9398* 0.8967* 0.0392 0.8383* 1
Fe-P 0.9623* 0.9516* 0.0317 0.9566* 0.8014* 1

2.3 不同磷组分与植物生理特性RDA分析

将植株生长量树高(Height)、胸径(DBH)作为生物特性，各磷组分含量作为环境因子进行冗余分析，结果如图1所示。在排序图中横轴和纵轴构成一个平面，箭头表征环境因子在平面上的相对位置，向量长短代表它在主轴中的作用，箭头所处象限表示环境因子与排序轴之间相关性的正负。DBH与AP、TP、Pi、Fe-P、PAC等指标均处第二象限，其横轴、纵轴方向均一致，说明这些指标与DBH均呈现显著正相关的关系，从向量长度可以看出，PAC、Fe-P、Pi、AP等指标对胸径均有较大影响，说明增加这些磷组分的含量可以显著促进树木的胸径增长。Height与AP、TP、Pi、Fe-P、PAC在横轴上处于同一方向，纵轴上方向不一致，但从投影距离来看，横轴距离高于纵轴距离，说明Height与这些指标仍然呈现正相关关系，但受影响不显著。Or-P、DBH与Height分别处于第一、第二、第三象限，Or-P与DBH、Height向量间夹角均大于90°，说明该指标对于植株生长具有显著负效应。

3 结论

在南方桉树人工林红壤中施用袋控缓释肥可以促进土壤中磷素的累积并提高磷活性，AP、Pi、Fe-P组分含量相比传统施肥方式有显著提升。施用传统复混肥虽然能提高土壤中Pi、Fe-P等组分含量，但其PAC相比袋控缓释肥、施基肥以及不施肥3个处理显著降低，说明长期施用复混肥不利于土壤中磷素的活化。Fe-P的含量对植物生长量的影响最为显著，在该区域土壤中有效性较高。因此，在南方红壤桉树人工林的经营中，应逐步增加袋控缓释肥、有机肥的投入，促进林地土壤中Fe-P的含量，以促进桉树人工林的生长量的增加。

4 讨论

不同施肥处理对土壤磷组分含量的影响显著不同，施用袋控缓释肥可以有效提高土壤中磷素的含量及其有效性[22]。相比传统施肥，施用袋控缓释肥后，土壤全磷、有效磷以及磷活化系数均显著高于其余3种处理。G1、G2处理在施肥18个月后，土壤全磷含量仍有显著提升，而传统施肥全磷含量与不施肥处理相比差异不显著，说明袋控缓释肥具有较好的肥料缓释效应[23]。由于袋包材料以纸布混合材料制成，该材料在土壤中的分解时间大约为30~45天，在袋包材料分解前，肥料主要通过降雨淋溶作用缓慢释放养分，随着分解程度加大，肥料逐渐与土壤融合，其肥效期至少长达180天[24]，而传统化肥释放时间约为30天，因此传统化肥在肥料的长效供应上效果较差。从不同磷组分含量分析，袋控缓释肥的2种施肥梯度土壤AP及PAC相比传统施肥均有显著提高，说明袋控缓释肥对提高土壤中有效磷含量具有显著正向效应，该结论与周文兵等[25]的研究结果一致，可能的原因是由于袋包材料阻隔了磷元素与土壤的接触，减少了酸性环境对磷素的吸附与固定[26]。
此次研究结果表明，Fe-P、PAC含量提升对桉树人工林生长量有显著促进作用。冗余分析结果显示（图1），除了PAC外，Fe-P含量的高低对树高、胸径的影响最为显著，Or-P含量提高对树高、胸径具有负效应影响。Keller[27]认为酸性红壤中磷的生物有效性主要是由Ca-P含量决定的，而Fe-P为缓效磷源。植物对P的吸收利用主要以水溶态的磷，随着耕作时间的增长，亚热带红壤中的Al-P、Fe-P可持续转化为有效磷形态[28]，因此Fe-P的含量与树高、胸径有显著相关性。土壤有机磷组分较为复杂，可溶性有机磷可以直接被植物吸收利用，而难溶性有机磷主要是通过矿化过程来影响土壤磷素的供应[29-30]，但其组分较为复杂，目前尚未有较统一的结论，需在今后进一步区分有机磷的形态及含量以研究其有效性以及袋控缓释肥对有机磷组分的影响。

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Soil organic carbon (SOC) and soil Olsen-P are key soil fertility indexes but information on their relationships is limited particularly under long-term fertilization. We investigated the relationships between SOC and the percentage of soil Olsen-P to total P (PSOPTP) under six different 15-yr (1990-2004) long-term fertilizations at two cropping systems in northern China. These fertilization treatments were (1) unfertilized control (control); (2) chemical nitrogen (N); (3) N plus chemical P (NP); (4) NP plus chemical potassium (NPK); (5) NPK plus animal manure (NPKM) and (6) high NPKM (hNPKM). Compared with their initial values in 1989 at both sites, during the 11th to 15th fertilization years annual mean SOC contents were significantly increased by 39.4-47.0% and 58.9-93.9% at Gongzhuling, Jilin Province, and Urumqi, Xinjiang, China, under the two NPKM fertilizations, respectively, while no significant changes under the no-P or chemical P fertilization. During the 11th to 15th fertilization years, annual mean PSOPTP was respectively increased by 2.6-4.2 and 5.8-14.1 times over the initial values under the two chemical P fertilizations and the two NPKM fertilizations, but was unchanged in their initial levels under the two no-P fertilizations at both sites. Over the 15-yr long-term fertilization SOC significantly positively correlated with PSOPTP (r2=0.55-0.79, P&lt;0.01). We concluded that the combination of chemical P plus manure is an effective way to promote SOC accumulation and the percentage of soil Olsen-P to total P at the two mono-cropping system sites in northern China.
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