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农业生产中长期大量施肥导致的土壤磷素逐年累积,不仅直接影响土壤磷素有效性和磷肥利用率,还会造成不可再生磷矿资源的浪费并增加磷素流失风险。本研究基于吉林公主岭黑土、河南郑州潮土和湖南祁阳红壤三个长期(1990年至今)定位试验点,选取了三个施肥年份(1990,2000/2002和2013年)的五种施肥处理(对照,CK;氮钾肥,NK;氮磷钾肥,NPK;NPK配施秸秆,NPKS;NPK配施有机肥,NPKM),采用蒋柏藩-顾益初、核磁共振和修正Hedley等三种磷分级方法以及等温吸附实验,分析了土壤磷形态和吸附-解吸变化特征,探讨了三种土壤磷素有效性和磷肥利用率的差异机理。主要研究结果如下:(1)通过23年长期施磷肥处理发现,三种土壤有效磷(OlsenP)含量、磷活化系数(PAC)和磷吸附饱和度(DPS)均大幅度提升:与1990年的基础土壤相比,黑土、潮土和红壤的Olsen P含量平均分别提高了 6.8、2.7和6.1倍,PAC值平均提高了 3.8、1.3和1.4倍,DPS值提高了6.3、6.5和6.6倍。不同土壤类型和施肥处理的磷肥利用率(PUE)差异明显:潮土最高,黑土次之,红壤最低;NPK和NPKS处理高于NPKM处理。(2)施磷肥处理能提高PAC,主要通过提高土壤无机磷和有机磷磷的比例(Pi/Po)、有机碳(SOC)含量并降低碳磷比(C/Po),也受吸附-解吸特征、土壤理化性质等变化的影响。三种土壤中,长期施磷肥后,活性(Resin-P,NaHC03-Pi和NaHC03-Po)与中等活性磷(NaOH-Pi,NaOH-Po和Dil.HCl-Pi)在全磷中的比例增加,而稳定态磷(Conc.HCl-Pi,Conc.HCl-Po和Residual-P)的比例降低;施磷肥处理同时提高无机磷和有机磷含量,但无机磷比例增加的幅度更大,进而提高了 Pi/Po值。此外施磷肥处理可以提高土壤SOC含量,并降低C/Po值,NPKM处理尤为明显。逐步回归显示,PAC与Pi/Po和SOC正相关,而与C/Po和CaC03负相关。此外,方差分解分析表明,土壤因子(48%)比磷素投入因子(5%)和气候因子(12%)等对PAC变异的解释率更高。(3)施磷肥处理均能提高DPS,主要受NaHC03-Pi,NaHC03-Po和SOC含量变化的影响,也受吸附-解吸特征、土壤理化性质等变化的影响。所有三种土壤中:施磷肥均能提高NaHC03-Pi,NaHC03-Po和SOC含量,降低磷吸附强度(k)和最大缓冲容量(MBC),但最大磷吸附容量(Qm)的变化趋势随着土壤类型和施肥处理的变化而不同。主成分分析表明,DPS与SOC和绝大多数磷组分含量呈正相关,与Qm、k、MBC和Dil.HCl-Pi含量呈负相关性。此外,土壤活性磷组分NaHC03-Pi、NaHC03-Po和土壤易解吸磷对DPS的响应关系存在一个转折点,转折点处DPS值分别为34.5,24.9和25.4%。不考虑土壤类型的情况下,DPS值为25%可以用作临界值以监测土壤是否达到磷流失风险水平。(4)不同土壤类型和施肥处理之间,PUE存在差异,与土壤性质、磷形态和吸附-解吸特征等均有一定相关性。逐步回归显示,PUE主要受土壤比表面积影响。长期施肥下,考虑到磷肥的后效问题,计算磷肥累积利用率(PUEa)更为合理;同时平衡法计算的磷肥利用率(PUEb)与PUEa比较接近,且计算更简单,也具有一定参考价值。三种土壤中,磷肥累积利用率对Olsen P的响应关系可以发现:当土壤的Olsen P含量超过农学阈值,PUEa随着Olsen P含量上升维持不变或者呈现下降趋势。特别当OlsenP含量超过土壤磷素肥力转折点的时候,OlsenP含量会随着全磷含量的增加急剧上升,可能导致PUEa的快速下降。为了达到较高的磷肥利用率,作物产量和土壤肥力,应调节土壤OlsenP水平在农学阈值和土壤磷素肥力转折点之间,公主岭、郑州和祁阳分别为 13.4-25.2,10.4-26.5 和 29.4-40.0 mg kg-1。