磷素作为植物生长发育所必需的大量营养元素，植株所需的磷主要从土壤本身磷库和外界所施入土壤的磷肥中获得的. 土壤磷素形态主要由有机态和无机磷组成，无机磷占土壤磷总量的60%~80%^[1]，是植物所需磷素的主要来源. 磷素在土壤中的化学行为和存在形态，直接影响着对作物的有效性. 磷肥施入农田容易被土壤固定形成难以被植物利用的形态，当季利用率一般仅为10%~25%^[2]. 维持农业高产稳产，势必每年要向土壤中施加大量磷肥，土壤中各形态无机磷均会有不同程度的累计，过量施用化学磷肥与生物有机肥可以使土壤表层的磷素显著增加^[3~7]，进而导致磷素的径流流失，给环境带来一系列问题，农田生态系统中磷的流失已经成为水体富营养化的重要影响因子^[8]，研究发现径流水中磷浓度与施入土壤中的磷肥量直接相关^{[9, 10]}. 耕层土壤磷素的累积也会导致磷垂直迁移的可能性增大，因此研究土壤磷素的肥力特征和界面迁移意义重大. 国内外对土壤剖面磷素的分布已经有一些研究^[11~14]，大多都是针对长期定位施肥或者不同土地利用类型对土壤磷素分布的影响^[15~22]. 近年来保护性耕作土壤环境方面的研究也多集中在碳、 氮方面^[23~27]，而针对长期保护性免耕、 垄作、 水旱轮作等不同耕作制度下土壤磷素空间分布研究鲜见报道，而经过22 a不同耕作制度后紫色土壤中无机磷组分变化及其关系的研究还未见报道. 本文应用蒋柏藩^[29]和顾益初^[30]的无机磷分级体系，以1990年在重庆北碚建立的耕作制国家紫色土长期定位试验田水稻土为研究对象，对定位试验剖面土壤无机磷的形态组成进行了分级测定，并运用相关分析、 逐步回归分析对土壤无机磷各组分与速效磷之间的关系进行探讨，揭示紫色土中无机磷的形态转化及在土体中的空间分布和移动规律，以期为在农业生产中制定更好的土壤磷管理措施以及保障该地区农业的可持续发展提供依据.

试验地点设在国家紫色土土壤肥力与肥料效益长期监测基地(以下称长期定位点)，长期定位点基地位于重庆市北碚区西南大学试验农场，地处东经106°26′，北纬30°26′，属紫色丘陵区，方山浅丘坳谷地形，海拔266.3 m，年均气温18.4℃，日照1 276.7 h，全年降水1 105.5 mm，为亚热带季风气候. 试验土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土，中性紫色土亚类，灰棕紫泥土属. 重庆大部分区县多分布此类土壤，因此，用作供试土壤具有广泛的代表性. 试验始于1990年，试验为随机区组设计. 共设计4个处理： ①常规平作(中稻-冬水田，conventional farming，CF)； ②垄作免耕1(中稻-冬水田，combing ridge with no-tillage，RNT1)； ③垄作免耕2(中稻-油菜或小麦，combing ridge with no-tillage，RNT2)； ④水旱轮作(中稻-油菜或小麦，conventional paddy-upland rotation tillage，CR). 每个处理小区面积20 m²，设计3次重复. 具体处理以及耕作方式见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 试验处理基本情况 Table 1 Basic situation of the treatments 处理 具体耕作处理 施肥 常规平作(CF) 按传统的方法每年三犁三耙翻耕植稻，水稻收获后灌冬水 各处理的施肥量均为： 尿素(N 46%)273.1 kg ·hm-2，过磷酸钙(P2O5 12%)500.3 kg ·hm-2，氯化钾(K2O 60%)150.1 kg ·hm-2，小麦和水稻都是过磷酸钙作底肥一次施用，尿素底肥施2/3，追肥施1/3，氯化钾底肥和追肥各施1/2，每年都是如此，1990~1997年处理RNT2、 CR水稻-小麦轮作，之后为水稻-油菜轮作，水稻品种汕优63号，小麦品种西农麦1号，油菜品种渝油1号，常规生产管理 垄作免耕1(RNT1) 作垄方法： 拉线起垄，将垄沟的土壤抱在陇埂上，垄面不宜用手抹平，尽量保持土壤结构，一垄一沟55 cm，垄顶宽25 cm，沟宽30 cm，沟深35 cm，水稻植在垄梗的两侧，每垄栽两行，每小区作5垄，水稻收获后免耕灌冬水 垄作免耕2(RNT2) 全年不翻不耕，作垄方法与垄作免耕1相同，水稻收获后种小麦，小麦生长期间，降低垄沟水位，保持浸润灌溉，第二年小麦收获后灌水种植水稻 水旱轮作(CR) 按传统方法水稻平作，水稻收获后，翻耕种小麦，小麦收货后灌水犁耙种水稻

表 1 试验处理基本情况 Table 1 Basic situation of the treatments

试验前土壤(before farming，BEF)的基本理化性质为，pH 7.7，有机质23.9 g ·kg^-1，全氮1.29 g ·kg^-1，全磷0.48 g ·kg^-1，全钾22.7 g ·kg^-1，碱解氮93.2 mg ·kg^-1，有效磷4.3 mg ·kg^-1，速效钾71.1 mg ·kg^-1，CaCO₃ 0.059%，物理性黏粒144.2 g ·kg^-1.

2013年8月水稻收获后采用S形多点采样法，分别采集定位试验地各处理0~20、 20~40、 40~60、 60~80、 80~100 cm(本研究只对变化比较明显且较为规律的0~20 cm和20~40 cm土壤剖面为研究对象)土层土样1.5 kg，带回实验室风干、 过筛，测定全磷，有效磷，pH，有机质及各层次的Ca₂-P、 Al-P、 Fe-P、 Ca₈-P、 O-P(闭蓄态磷)与Ca₁₀-P等6种形态(均为3次重复的平均值)含量，土壤基本理化性质按常规方法测定^[28]，无机磷分级浸提采用蒋柏藩的方法^[29]，数据采用 Microsoft Excel 2007、 SPSS 17.0进行处理，各处理均值多重比较采用LSD法，显著性水平分别为0.05和0.01.

由表 2可以看出，经过22年常规平作，冬水田，垄作免耕，水旱轮作等不同耕作后，土壤耕层中全磷、 无机磷、 有效磷含量都发生了很大的变化. 所有处理耕层土壤的全磷、 有效磷含量都较试验前土壤有明显上升(表 2). 经过统计分析得出，长期不同耕作方式处理后紫色土壤有效磷含量差异达到了极显著水平(P<0.01)，全磷含量除了常规平作(CF)处理和水旱轮作(CR)处理没有显著性差异外，其他各个处理之间也都达到了显著水平(P<0.05). 无机磷总量各处理与试验前土壤差异均达到了显著水平(P<0.05)，除垄作免耕1(RNT1)与水旱轮作(CR)外，各处理间差异也达到了极显著水平(P<0.01). 变化范围： 全磷为483.2~1 717.0 mg ·kg^-1，有效磷为5.6~39.37 mg ·kg^-1，无机磷410.7~1 492.7 mg ·kg^-1，各处理大小依次为RNT2>CF>CR>RNT1>BEF.

表 2 (Table 2)

表 2 不同耕作处理土壤各形态磷含量1)/mg ·kg-1 Table 2 Contents of different phosphorus forms in soil with different tillage treatments/mg ·kg-1 处理 无机磷 全磷 有效磷 试验前土壤(BEF) 410.7eD 483.2dD 5.6eE 常规平作(CF) 1 165.7bB 1 665.0bB 23.9bB 垄作免耕1(RNT1) 1 019.8dC 1 520.0cC 16.5dD 垄作免耕2(RNT2) 1 492.7aA 1 717.0aA 39.4aA 水旱轮作(CR) 1 073.5cC 1 660.0bB 19.1cC 1)同列不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05)，同列不同大写字母表示处理间差异极显著(P＜0.01)，下同

表 2 不同耕作处理土壤各形态磷含量1)/mg ·kg-1 Table 2 Contents of different phosphorus forms in soil with different tillage treatments/mg ·kg-1

同时从表 2还可以看出经过22年的不同耕作 处理后土壤中各形态的无机磷含量都发生了很大的变化，具体表现为都比试验前土壤有了明显的提升，其中垄作免耕2(RNT2)处理较试验前增加了近2倍多，垄作免耕1(RNT1)处理也增加了近1.5倍.

经过长期不同耕作处理之后土壤中不同形态无机磷含量发生了显著的变化，较之试验前土壤也都有了较大的增加，其中累积增长幅度较大的是垄作免耕2(RNT2)的Fe-P和O-P的增加，分别比试验前土壤增加了4.3倍和3.26倍. 由表 3可以看出，各处理Ca₈-P、 Ca₁₀-P和O-P含量间差异达到了显著水平(P<0.05),含量范围为16.7~46.88、 219.10~696.75和117.5~501.02 mg ·kg^-1(表 3). 各处理大小分别为RNT2>CF>CR>RNT1>BEF. 各处理大小顺序跟有效磷、 全磷差不多. Ca₂-P作为植物的高效有效磷源已被证实^[28~30]. 各处理间Ca₂-P含量差别不大，但均高于试验前土壤. 长期耕作施肥能显著地提高土壤中的各形态无机磷的含量. 这主要是因为每年都向土壤中施加磷肥，土壤中的磷被固定累积，再者土壤中磷的释放与固定处于一个动态平衡的系统中，各形态无机磷也处于一个此消彼长互相转化的变动中.

表 3 (Table 3)

表 3 不同耕作处理各形态无机磷含量/mg ·kg-1 Table 3 Contents of different inorganic phosphorus forms in soil with different tillage treatments/mg ·kg-1 处理 Ca2-P Ca8-P Al-P Fe-P Ca10-P O-P 试验前土壤(BEF) 6.7±0.53c 16.7±1.25e 26.2±0.82d 24.5±1.97d 219.10±3.96e 117.5±10.38e 常规平作(CF) 25.75±0.78ab 42.06±1.01b 52.34±1.80b 53.75±1.84b 659.70±6.71b 332.1±7.03c 垄作免耕1(RNT1) 25.39±0.60ab 24.63±0.55d 50.42±1.11bc 49.24±1.32c 596.05±5.04c 274.1±8.53d 垄作免耕2(RNT2) 26.92±0.94a 46.88±1.50a 90.45±2.04a 130.72±2.69a 696.75±5.76a 501.02±9.95a 水旱轮作(CR) 24.25±0.83b 27.57±0.83c 48.02±1.50c 54.4±0.79b 493.17±6.85d 426.14±5.76b

表 3 不同耕作处理各形态无机磷含量/mg ·kg-1 Table 3 Contents of different inorganic phosphorus forms in soil with different tillage treatments/mg ·kg-1

Fe-P和Al-P已经证实也是植物的一种有效磷源，其中Al-P的作用与Ca₂-P相当^[30]. 其含量范围为24.50~130.72 mg ·kg^-1和26.2~90.45 mg ·kg^-1(表 3). 各处理含量大小与Ca₂-P基本一致. 其中Fe-P和Al-P含量增加较少的是垄作免耕1(RNT1)和水旱轮作(CR)处理. 针对Fe-P来看，常规平作(CF)和水旱轮作(CR)处理之间没有显著性差异，其余处理间差异水平都达到了显著水平(P<0.05)，且各处理含量均高于试验前土壤.

Ca₁₀-P和O-P作为植物的潜在磷源，与Ca₂-P、 Fe-P和Al-P不同的是各处理其含量差异水平均达到了显著水平(P<0.05)，同时Ca₁₀-P和O-P含量较试验前土壤也增加最多，这可能与它们作为不活跃的潜在磷源有关，当有效磷源与缓效潜在磷源累积到一定程度时候，它们之间可以进行相互转化，长期耕作外加施肥，植物在从土壤中吸收有效磷素的同时Ca₁₀-P和O-P等潜在磷源也可以慢慢转化为有效的可供植物体吸收的有效磷源. 韩晓日等^[14]和林利红等^[31]在棕壤上的研究发现长期没有磷素投入补偿的情况下，O-P和Ca₁₀-P一样都能慢慢地转化成能被植物利用的有效磷源.

图 1为长期不同耕作处理后与试验前土壤中Al-P、 Fe-P、 Ca₁₀-P、 Ca₈-P、 Ca₂-P、 O-P占总无机磷的质量分数.

图 1

Fig. 1

图 1 不同耕作处理各组分无机磷相对含量 Fig. 1 Relative contents of different forms of inorganic phosphorus in soil with different tillage treatments

可以看出来，试验前土壤的组成中，各形态无机磷的大小比例为Ca₁₀-P(53.35%)>O-P(28.61%)>Al-P(6.38%)>Fe-P(5.97%)>Ca₈-P(4.07%)>Ca₂-P(1.63%). 这与紫色菜园土中无机磷含量顺序Ca₁₀-P>Ca₈-P>Fe-P≈Al-P≈O-P>Ca₂-P不同^[32]. 与棕壤土各无机磷组分比例也不尽相同，棕壤土中闭蓄态O-P含量较多^[14]. 经过22a不同耕作处理施肥后，各个处理不同形态无机磷比例发生了变化，其中CF、 RNT2、 CR处理的Fe-P含量大于了Al-P的含量. 从图 1中看出，紫色土中钙磷总体所占比例较高，这是紫色土风化程度较低的缘故. 其中对植物有效的磷源Al-P、 Ca₂-P、 Ca₈-P含量较低，而O-P和Ca₁₀-P含量分别占到总的无机磷的28.49%~39.69%和45.94%~58.45%之多. 说明土壤中对植物体比较有效的磷源不足，而一半左右的无机磷都是以潜在磷源的形式存在.

从图 2可以看出，长期不同耕作试验后，各处理Ca₂-P含量分布均为耕层0~20 cm大于20~40 cm，深度增加，含量减少的趋势. 0~20 cm耕层土壤中，处理常规平作(CF)较垄作免耕1(RNT1)高0.36 mg ·kg^-1，处理间差异不显著； 而20~40 cm，处理垄作免耕1(RNT1)比常规平作(CF)高2.51 mg ·kg^-1，且处理间差异显著. 长期不同耕作试验后，各处理Ca₈-P含量分布与Ca₂-P分布趋势较为一致，均为耕层0~20 cm较高，20~40 cm深度土壤中含量较低. 与Ca₂-P不同的是不管是0~20 cm的耕层土壤还是20~40 cm的下层土壤，各处理间Ca₈-P含量差异均达到了显著水平(P<0.05). 22年试验后各处理Al-P含量都有了明显的提高，耕层变化不大，20~40 cm差异较为显著，变幅在18.10~90.45 mg ·kg^-1之间.

图 2

Fig. 2

图 2 不同耕作处理土壤剖面各组分无机磷分布 Fig. 2 Distribution of different forms of inorganic phosphorus in soil profile with different tillage treatments

从图 2不同耕作处理土壤Fe-P剖面分布可以看出与其他形态磷剖面分布不太一致. 20~40 cm土层中Fe-P含量要高于表层0~20 cm. 对于出现下层土壤Fe-P高于耕层土壤的原因可能是因为试验是实行的水稻轮作制度，水稻季时，由于淹水密闭，水土环境的pH升高，氧化还原电位降低，从而促进磷酸铁的水解加强，高价铁的磷酸盐还原为低价铁的磷酸盐，铁、 硅复合体也被还原. 下层还原更强，再者上层的形成的Fe-P又向下淋溶导致下层土壤中Fe-P含量高于耕层土壤.

各个处理Ca₁₀-P和O-P整体含量在无机磷总量中都是比较高的. 说明供植物体吸收的土壤中磷大部分还是以无效态即潜在磷源存在. 同时由于土壤中的无机磷在一定条件下可以互相转化，缺磷条件下潜在磷源Ca₁₀-P和O-P转化分解为可以为植物体所吸收利用的有效磷源. 造成O-P耕层高于底层的原因可能是因为闭蓄态的磷被铁铝等氧化物包裹，在下层土壤中由于还原性强，包膜被溶解还原，转化为非闭蓄态的磷，从而造成了底部O-P含量低于耕层的分布特征.

表 4为土壤各形态磷及其与土壤基本理化性质相关分析结果，从中可以看出各形态磷及其与土壤基本理化指标之间多存在相关关系. 土壤全磷与各形态无机磷之间均呈现显著相关关系. 作为反应土壤磷素养分供应水平高低指标的有效磷与全磷、 Ca₂-P、 Ca₈-P、 Fe-P、 Al-P也均呈显著的相关关系. 从表 4中还可以看出土壤pH与各组分磷及其全磷之间大多呈现显著的负相关关系. 通过各组分之间的相关分析可以看出，土壤磷循环系统中，各形态磷素都处在一个相互影响的动态平衡之中.

表 4 (Table 4)

表 4 土壤磷素各组分与土壤基本理化性状相关系数1) Table 4 Correlation coefficient between soil phosphorus fractions and soil physicochemical properties Ca2-P Ca8-P Al-P Fe-P Ca10-P O-P 土壤全磷 有效磷 pH 有机质 Ca2-P 1 Ca8-P 0.909 1* 1 Al-P 0.900 1** 0.954 7** 1 Fe-P 0.828 8* 0.833 1* 0.813 5* 1 Ca10-P 0.861 3* 0.894 5* 0.903 0* 0.625 9 1 O-P 0.740 5 0.766 2 0.842 2* 0.811 3* 0.955 8** 1 土壤全磷 0.982 3** 0.997 2** 0.908 9* 0.935 5** 0.950 3** 0.909 5* 1 有效磷 0.936 9** 0.901 2* 0.915 8** 0.828 7* 0.805 9* 0.747 2 0.903 5* 1 pH -0.884 1* -0.887 9* -0.844 1* -0.904 1* -0.875 6* -0.905 6* -0.919 1** -0.794 1 1 有机质 0.845 7* 0.858 8* 0.867 3* 0.781 9 0.829 3* 0.848 1* 0.8939* 0.738 6 0.795 6 1 1)*表示差异显著(P＜0.05)，**表示差异极显著(P＜0.01)

表 4 土壤磷素各组分与土壤基本理化性状相关系数1) Table 4 Correlation coefficient between soil phosphorus fractions and soil physicochemical properties

通过表 4的相关分析，土壤有效磷与各形态无机磷组分之间的相关系数大小为Ca₂-P(0.936 9)>Al-P(0.915 8)>Ca₈-P(0.901 2)>Fe-P(0.828 7)>Ca₁₀-P(0.805 9)>O-P(0.747 2),与Ca₂-P、 Al-P呈极显著正相关，与Ca₈-P、 Fe-P呈显著正相关，与Ca₁₀-P、 O-P呈不显著的正相关. 其中土壤有效磷与Ca₂-P的相关系数最大，说明他们之间的相关程度最高，也表明它是最有效的磷源. Al-P、 Ca₈-P、 Fe-P是仅次于Ca₂-P的有效磷源，Ca₁₀-P和O-P为非有效潜在磷源.

免耕作为农业生产中一种重要的保护性耕作方式，不需翻地整修，最大化地减少了机械对土壤的不必要的扰动，是维护土壤良好结构的重要措施. 其作用机制主要是免耕可以改变土壤的通气透水性能，同时能调控土壤的物理化学和生物性能，从而能够延长或缩短作物的生长期，促进或者抑制作物对养分的吸收^[33]. 本研究中不同耕作方式土壤中不同磷素形态的含量差异很大，这与免耕垄作对土壤理化性质所发挥的作用有密切关系. 免耕措施可以增加土壤水分渗透和与空气之间的气体交换，提高土壤导温率，促进水稻各个时期的生长. 土壤透水通气良好，从而促进其中微生物的活力，能增加土壤中磷素的供应，减少磷素流失^[34]； 同时，垄作与平作相比，可以通过微地形改造显著的改善了田间微气候，形成植株群体通风透光的新途径^[35]，垄作还可以促进团粒结构的发育^{[36, 37]}，良好的土壤结构有利于作物根系的分布及其对水分、 养分的吸收，降低土壤对肥料的固定截留，肥料的利用率也会相应地提高. 综合来看，垄作免耕要优于常规平作，更有利于水稻发育对养分磷素的需求，残留于土壤中的磷素就要比常规平作少. 故经过22 a长期定位试验结果使得常规平作处理中不同形态磷素含量要高于垄作免耕处理.

试验结果垄作免耕2(RNT2)土壤中各形态无机磷含量比垄作免耕1(RNT1)、 常规平作(CF)都要高，其原因是垄作免耕2(RNT2)在水稻收获后种小麦，增加了肥料的施入； 再者垄作免耕1(RNT1)和常规平作(CF)灌入冬水田时残留在田间的水稻秸秆会被淹水分解，释放的养分也会被第二年水稻生长再次吸收. 同时，垄作免耕2(RNT2)比水旱轮作(CR)各形态无机磷要高，主要是因为虽说垄作免耕具有众多优点，但是垄作在起垄过程中受到人工耕作，导致土壤比较松散，大量营养元素骤减，可溶态的微量元素含量降低，其次由于土壤长期保持浸润灌溉，氧化还原电位很低，关键是它主要针对常规耕层采取的措施，虽然增加了耕层土壤的生态功能，但是土壤下层的理化性质和生态环境却不能有效改变，而水旱轮作(CR)处理通过干旱和淹水分别种植不同作物，可以较彻底地改善土壤耕层以下土壤的生态环境，通过水旱轮作有利于土壤氧化还原电位的提高，利于有机物质分解，更加有利于作物的对养分磷素的吸收和利用. 以上因素共同作用产生了本研究的结果.

(1)经过22 a的保护性耕作之后土壤0~20、 20~40 cm全磷、 有效磷和各形态无机磷含量都发生了很大的变化，均比试验前土壤有不同程度的增加. 其中无机磷含量，垄作免耕2(RNT2)处理较试验前增加了近2倍多，垄作免耕1(RNT1)处理也增加了近1.5倍. 不同耕作土壤中不同形态无机磷含量大小顺序为垄作免耕2(RNT2)>常规平作(CF)>水旱轮作(CR)>垄作免耕1(RNT1). 土壤中的磷素容易被土壤中金属离子和矿物所吸附固定而累积，利用率非常低，只有最终能被植物体很好地吸收才能体现出其有效性，所以针对保护性耕作土壤中累积的磷素怎样更高效地利用问题是以后研究的方向. 不同耕作制度来看，优势大小依次为水旱轮作、 垄作免耕和常规平作. 水旱轮作作为较为优势的一种耕作制度实施起来也要根据当地实际的具体生产情况.

(2)紫色土不同形态磷素之间存在着显著正相关关系，无机磷各组分对紫色土有效磷的贡献为Ca₂-P>Al-P>Ca₈-P>Fe-P>Ca₁₀-P>O-P.

(3)从各形态无机磷在不同剖面紫色土总无机磷中所占比重来看，Ca₁₀-P和O-P较大，钙磷整体所占比重最大.