水稻是三大粮食作物之一，被认为是全球一半以上人口的主要食物来源^[1]。我国作为水稻种植大国，水稻产量占世界水稻总产量的28.1%，占全球水稻收获面积的18.8%^[2]。随着人口的日益增长，人们对粮食的需求也逐渐增加。研究预测，到2030年中国需要增加约20% 的水稻产量才能满足人口增长的需求^[3]。

磷素是水稻生长发育过程中必需的营养元素，对于水稻增产发挥着重要作用。土壤中的磷以有机磷和无机磷的形式存在^[4]。然而，土壤中的磷大部分是以无机磷形式固定的，且磷在土壤中会通过与Al³⁺、Fe³⁺、Ca²⁺等金属离子的沉淀和吸附形成多种磷化合物，这严重限制了磷的有效性^[5]。土壤磷库组成是评价土壤供磷能力的重要指标，不同形态磷组分的变化也影响着土壤磷有效性^[6]。

出于对土壤养分速效性的追求，农户普遍习惯施用化学肥料。然而，磷作为一种相对稳定的元素，在过量施用化肥的情况下，磷素投入远超作物需求，导致磷素在土壤中的逐步累积和固定^[7]，这不但浪费大量的肥料资源，还限制土壤磷素的有效性，且在稻田中往往还会发生径流、淋溶和渗漏等损失，引发环境风险^[8]。因此，为了保障水稻增产增收和土壤磷素的有效性，应该考虑更加科学合理的施肥方式。

秸秆资源化利用是我国一直强调的一项政策，在党的二十大上仍然提出要扎实推进秸秆科学还田。秸秆是一种关键的有机肥资源，秸秆还田能够减少对化肥的依赖，促进养分归还以及土壤肥力和作物产量的提升^[9]。秸杆能够在一定程度上替代化肥，补偿一部分磷素，在保障磷素正常供应的基础上，减少过量施用化肥所带来的土壤磷素累积^[10-11]。

综合国内外研究报道发现，秸秆通常以氮肥或钾肥的形式投入，针对秸秆替代氮肥对不同水稻生育期土壤磷组分影响的研究较少。因此，本研究依托长期定位试验，选取单施化肥(CF)、秸秆替代1/3化学氮肥(NS)和秸秆替代2/3化学氮肥(HS) 3种施肥措施，研究秸秆替代氮肥对水稻产量和土壤磷素形态变化的影响，以为水稻稳产及秸秆科学施用提供理论依据，助力农业绿色可持续发展。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验地位于湖南省长沙市芙蓉区湖南农业大学校内长期定位试验基地(28°18' N，113°08' E)，属亚热带季风气候，年均气温为17.5 ℃，年平均日照时数为1 400 h，区域内降水充足，年降水量为1 400 mm。供试土壤母质为第四纪红色黏土，土壤基本理化性质为：pH 5.70，有机质13.29 g/kg，全氮1.32 g/kg，全磷0.63 g/kg。供试秸秆为玉米秸秆，其碳、氮、磷、钾含量分别为449.8、10.4、5.93、12.6 g/kg，粉碎后过10 mm筛施入土壤。供试氮肥为尿素(含N 460 g/kg)，磷肥为过磷酸钙(含P₂O₅ 120 g/kg)，钾肥为氯化钾(含K₂O 600 g/kg)。供试水稻品种为湘早籼15。

1.2 试验设计

试验共设置3个处理：单施化肥(CF)、秸秆替代1/3氮肥(NS) 和秸秆替代2/3氮肥(HS)，每个处理设置3个重复，共9个小区，小区随机区组分布。小区面积为1.44 m²，每个小区种植35株水稻(5× 7)。为防止鸟类啄食稻谷对水稻产量的影响，试验区四周采用不锈钢围网包围。每个小区之间用水泥浇筑隔开，各小区均具备独立灌溉能力，并且有完善的防渗措施，能有效避免小区之间串水、串肥的问题。为保证试验处理间施肥量的一致性，秸秆替代处理中养分不足的部分，通过补充化肥以平衡养分差异。所有处理的秸秆及化肥均在水稻移栽前一次性作为基肥施用，以确保各处理基础养分条件相同，从而提高试验结果的可比性和可靠性。试验处理及具体施肥量见表 1。

水稻于2023年4月26日移栽，5月17日采集分蘖期土壤样品，6月19日采集孕穗期土壤样品，7月17日采集成熟期土壤和植株样品。其中，土壤样品每小区采用五点取样法采集0 ~ 20 cm土层土壤混匀，风干后分别过0.15 mm和0.85 mm筛，用于土壤化学性质和磷组分的测定。植株样品每小区随机采取5株，用于产量计算。

1.3 测定项目与方法

土壤pH采用电极法测定(水土质量比2.5∶1)；有机质(SOM) 采用重铬酸钾–H₂SO₄–外加热法测定；全氮(TN)采用凯氏定氮法测定；全磷(TP) 采用H₂SO₄-HClO₄消解，钼锑抗比色法测定；全钾(TK) 采用H₂SO₄-HClO₄消解，火焰光度法测定；碱解氮(AN) 采用碱解扩散法测定；有效磷(AP) 采用NH₄F-HCl浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾(AK) 采用醋酸铵浸提，火焰光度法测定。

土壤无机磷组分测定采用Chang和Jackson^[12]提出的分级方法：先用0.5 mol/L的NH₄F提取铝磷(Al-P)，提取后的土样经饱和NaCl清洗后，用0.1 mol/L的NaOH提取铁磷(Fe-P)，继而用0.3 mol/L的柠檬酸钠和连二亚硫酸钠提取闭蓄态磷(O-P)，最后用0.5 mol/L的H₂SO₄提取钙磷(Ca-P)。土壤有机磷组分测定采用Bowman和cole^[13]提出的分级方法：先用0.5 mol/L的NaHCO₃提取活性有机磷(LOP)，提取后的土样用饱和NaCl清洗后，用0.1 mol/L的NaOH提取中等稳定性有机磷(MSOP)和稳定性有机磷(SOP)。MSOP的测定需要用HCl将提取液pH调节至1 ~ 1.5，之后再经饱和NaCl清洗后，用0.1 mol/L的H₂SO₄提取中等活性有机磷(MLOP)。提取液中各组分磷含量的测定均采用钼锑抗比色法。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2018软件进行数据处理，用SPSS 24.0软件进行数据统计和分析，并用LSD法进行差异显著性检验(P < 0.05)，用Origin 2022软件作图。

2 结果与分析 2.1 秸秆替代氮肥对水稻产量的影响

不同施肥处理下的水稻产量见表 2。与CF处理相比，秸秆替代处理NS和HS的籽粒产量分别显著增加了22.5% 和27.1%，地上部生物量分别显著增加了17.8% 和17.9%，而秸秆产量在不同处理间没有显著差异。

不同施肥处理下的水稻产量构成见表 3。与CF处理相比，秸秆替代处理NS和HS的结实率分别显著增加了5.6% 和8.1%，每穗实粒数分别显著增加了23.4% 和12.6%，HS处理的有效穗数显著增加了7%。

2.2 秸秆替代氮肥对土壤化学性质的影响

不同施肥处理下水稻各生育期的土壤化学性质基本保持一致(表 4)。在水稻分蘖期，与CF处理相比，秸秆替代处理NS和HS的土壤TN、AN、AK和SOM含量均显著增加，其中对AK含量的影响最大，分别增加了62.6% 和122.0%；相反的是，NS和HS处理使土壤TP含量显著降低了35.2% 和37.6%，使AP含量显著降低了44.5% 和56.9%，pH在HS处理下显著降低了0.17个单位。

在水稻孕穗期，与CF处理相比，秸秆替代处理NS和HS对土壤TN、AN、AK和SOM含量的提升仍呈现显著效果，AN含量在这一时期的增幅最大，分别显著增加了33.0% 和48.5%。而NS和HS处理使TP含量显著降低了14.5% 和21.1%，使AP含量显著降低了24.5% 和42.6%。

与前两个时期相比，在水稻成熟期，秸秆替代处理NS和HS对土壤TN和AK含量的影响较大，NS和HS处理使TN含量分别显著增加了31.3% 和52.8%，使AK含量显著增加了87.7% 和192.9%；TP和AP含量保持与之前相同的显著降低趋势；但两个秸秆替代处理(NS和HS) 的pH均分别显著降低了0.15和0.19个单位。

总的来说，在不同水稻生育期，秸秆替代处理使土壤TN、AN、AK和SOM含量显著增加，使TP和AP含量以及除孕穗期以外的pH显著降低，其中HS处理的影响更大。

2.3 秸秆替代氮肥对土壤磷组分含量的影响

水稻分蘖期不同施肥处理下的磷组分含量见图 1。在各磷组分中，除O-P、MLOP、MSOP和SOP外，其他磷组分含量在秸秆替代处理下均显著降低，其中对Ca-P的影响最大，与CF处理相比，秸秆替代处理NS和HS的Ca-P含量分别显著降低了55.2% 和66.6%。MSOP含量显著增加，且以HS处理下的含量最高，与CF处理相比，秸秆替代处理NS和HS的MSOP含量分别显著增加了46% 和100.4%。HS处理下的MLOP和SOP含量与CF处理没有显著差异，而与CF处理相比，NS处理下的MLOP含量显著降低了31.4%，SOP含量显著降低了30.9%。较为稳定的O-P在不同处理下没有显著差异。

水稻孕穗期不同施肥处理下的磷组分含量见图 2。不同处理下的Al-P、Fe-P、Ca-P和SOP含量均表现为CF > NS > HS。其中，SOP含量的变化最大，与CF处理相比，秸秆替代处理NS和HS的SOP含量分别显著降低了42.2% 和44.6%。与CF处理相比，HS处理使O-P含量显著降低了6.0%，使MSOP含量显著增加了23.8%。与水稻分蘖期不同的是，孕穗期的LOP含量在不同处理间没有显著差异，但平均含量较分蘖期降低了43.4%。

水稻成熟期不同施肥处理下的磷组分含量见图 3。除LOP、MLOP和MSOP外，各磷组分含量也表现为CF > NS > HS。与CF处理相比，NS和HS处理使Al-P含量分别显著降低了52.5% 和57.8%；随着时间的推移，较为稳定的O-P也受到秸秆替代处理的影响，其含量分别显著降低了4.9%和2.5%。MLOP、MSOP和SOP含量在HS处理下最高，与CF处理相比，HS处理的MLOP、MSOP和SOP含量分别显著增加了25.3%、75.7% 和42.5%。

总体上，各磷组分含量在不同水稻生育期存在较大的动态变化。在水稻分蘖期和抽穗期，秸秆替代处理(NS和HS) 对磷组分的影响并不稳定，而在水稻成熟期，HS处理表现出更为显著的影响。

2.4 秸秆替代氮肥对土壤磷库组成的影响

水稻分蘖期不同施肥处理下的磷组分占比见图 4A。CF处理下磷组分分布为Fe-P > Ca-P > O-P > Al-P > SOP > LOP > MSOP > MLOP。秸秆替代化肥后，土壤Al-P和Ca-P的比例显著降低，O-P和MSOP的比例显著增加，同时有机磷组分中MLOP和SOP的比例在HS处理下显著增加，与CF相比分别增加了41.1% 和40.7%水稻孕穗期不同施肥处理下的磷组分占比见图 4B。O-P、Ca-P、MLOP和MSOP的比例在不同处理间的差异与分蘖期基本一致；不同的是，与CF处理相比，秸秆替代处理NS和HS的SOP比例分别降低了31.5% 和24.2%，HS处理下LOP的比例显著增加了28.1%，Al-P的比例在CF和NS处理间没有显著差异。

水稻成熟期不同施肥处理下的磷组分占比见图 4C。Ca-P逐渐占据磷库主体位置，与CF处理相比，秸秆替代处理NS和HS下Al-P和Fe-P的比例显著降低，O-P和MLOP的比例显著增加，而Ca-P的比例在HS处理下显著降低了27.8%，MSOP和SOP的比例在HS处理下分别显著增加了150.6% 和110.3%。

总体来看，随着秸秆替代时间的持续，无机磷始终是土壤磷库的主体部分，但在水稻成熟期，Ca-P逐渐代替了Fe-P的主导地位，同时秸秆替代处理还增加了总有机磷的比例。

2.5 土壤磷组分与土壤化学性质的相关性

由表 5可知，在水稻分蘖期，磷组分与土壤TN、TP、AN、AP、AK和SOM之间存在显著相关性。Al-P、Fe-P、Ca-P和LOP与TP和AK均呈显著正相关；Fe-P、Ca-P和LOP与AN、AK和SOM均呈显著负相关，Fe-P还与TN呈显著负相关；MSOP与TN、AN、AK和SOM均呈显著正相关，与pH呈显著负相关。

由表 6可知，在水稻孕穗期，土壤化学性质主要影响无机磷组分。Al-P、Fe-P和Ca-P与TP和AP均呈显著正相关，与TN、AK和SOM均呈显著负相关，同时Fe-P和Ca-P还与AN呈显著负相关；SOP与TP呈显著正相关，与AN和AK呈显著负相关。

由表 7可知，在水稻成熟期，土壤化学性质对无机磷组分的影响与分蘖期和孕穗期基本一致。Al-P、Fe-P和Ca-P与TP、AP和pH均呈显著正相关，与TN和AK呈显著负相关，Fe-P还与AN和SOM呈显著负相关；LOP与TP和pH呈显著正相关，与TN、AN和SOM均呈显著负相关。

由此来看，在不同水稻生育期，TN、TP、AN、AP和SOM是影响土壤磷组分变化的关键因素。

3 讨论 3.1 秸秆替代氮肥对水稻产量和土壤化学性质的影响

数据表明，2020年我国农作物秸秆资源总量约为7.72亿t，年产量位居世界第一^[14]。作物吸收的养分有较多保留在秸秆中，养分资源量巨大，充分利用好秸秆资源是实现化肥减施和土壤培肥的重要途径^[11]。已有研究表明，秸秆还田能够提升作物产量^[15-17]，但秸秆替代部分化肥对作物产量的效果却不尽相同^[18-20]。本研究结果表明，在养分投入量相同的情况下，秸秆替代处理(NS和HS) 能够显著增加水稻产量，对籽粒产量的提升效果显著。秸秆作为一种重要的有机养分资源，不仅能为作物提供生长必需的氮、磷、钾和中微量营养元素，还富含纤维素、半纤维素、木质素和糖类等有机能源^[21]；同时，与化学肥料相比，秸秆的养分释放慢，能够在作物生长期提供持续的营养补给，从而促进水稻增产。

本研究发现，秸秆替代处理(NS和HS) 增加了水稻结实率、每穗实粒数和有效穗数，这与前人的研究结果相符^[22]。一方面，秸秆替代部分氮肥能够促进水稻根系发育，增加根系的养分吸收和地上部干物质累积；另一方面，水稻的穗部和叶部作为主要的养分转运器官，影响着植株的养分分配，对施肥措施的响应可能会更直观^[23-24]。因此，水稻结实率、每穗实粒数和有效穗数对秸秆替代的响应也是水稻产量增加的原因，秸秆替代可能通过改善土壤肥力，影响植株养分分配，从而调控产量构成因素和产量变化。

作物产量往往是土壤质量最直观的体现，土壤养分含量的变化也直接影响着土壤质量。研究表明，秸秆还田能够改善土壤理化性质，提升土壤养分供给能力^[24]。本研究也发现，秸秆替代处理(NS和HS) 使土壤TN、AN、AK和SOM的含量显著增加，且均表现为HS > NS > CF。秸秆本身就是一种微生物碳源，能够激发土壤微生物活性，促进秸秆中的营养元素在土壤中累积，进而增加土壤养分含量^[22]。本研究还发现，土壤TP和AP含量在秸秆替代处理(NS和HS) 下呈显著降低的趋势。前人研究表明，施用秸秆能够提高水稻对磷素的吸收和利用，这可能导致土壤磷盈余量降低，进而影响土壤磷库储量；其次，秸秆本身的磷含量较低，其养分释放会受到多方面因素的制约，TP和AP含量的降低可能受到秸秆磷素释放速率和化学磷肥损失的共同影响^[25-26]。施用秸秆还能提高土壤孔隙度，这也可能引起磷在土壤中的下渗^[27-28]。此外，秸秆替代氮肥处理使土壤pH在水稻分蘖期和成熟期显著降低，这可能是秸秆分解过程中积累的酸性分解产物所致^[29]。

3.2 秸秆替代氮肥对土壤磷组分的影响

土壤中的磷可分为无机磷和有机磷两大类，主要耕作土壤中的无机磷约占全磷的60% ~ 80%，包括多种原生磷矿物和次生无机磷酸盐等^[30]。本研究采用Chang和Jackson^[12]提出的分级方法将无机磷分为Al-P、Fe-P、O-P和Ca-P四种形态，结果表明，不同处理下无机磷组分的含量变化在不同水稻生育期均呈现相似的趋势。Al-P、Fe-P和Ca-P在不同处理下的含量变化均表现为CF > NS > HS，这可能是秸秆分解导致土壤胶体吸附位点饱和，进而减少了铝和铁等金属氧化物对磷的吸附^[31]。与其他组分相比，O-P是一种稳定性较强的磷组分，分蘖期的O-P含量在不同处理间没有显著差异，而在孕穗期和成熟期逐渐表现出减少趋势，随着时间的推移，说明秸秆替代氮肥可能会促进土壤中的难利用态磷向有效态磷转化^[32]。本研究中，秸秆替代处理显著降低了分蘖期和成熟期的LOP含量，这可能是由于秸秆中的磷释放较慢，影响了土壤微生物的养分供应，从而导致土壤微生物生物量磷和磷素活化水平降低。此外，秸秆替代处理还使总有机磷在磷库中的占比增加，在水稻成熟期更为明显，这可能是由于秸秆中大部分磷是难以降解的有机磷，需要一定的时间和特定的环境条件才能释放^[33]。虽然无机磷和有机磷所占总磷的比例不同，但它们之间的比率比较稳定，无机磷可能在土壤磷库中发挥着更大的作用，组分之间通过互相迁移转化使二者保持动态平衡，该结果与前人研究^[34]基本一致。

3.3 土壤磷组分与土壤化学性质的相关性

土壤磷的形态转化过程影响磷的有效性^[35]。TP和AP能够衡量土壤磷素的活性水平。本研究结果表明，Al-P、Fe-P和Ca-P与TP和AP呈显著正相关关系，且这3种组分在土壤磷库中的占比较大。Hu等^[36]研究结果显示，土壤中的磷至少有70% ~ 90% 会以Al-P、Fe-P和Ca-P的稳定形式被吸附或固定，是土壤磷库的主要支柱。前人研究发现，SOM、pH和TN是影响土壤磷组分变化的主导因子^[37]。本研究中，SOM与Al-P、Fe-P和Ca-P之间均呈显著负相关关系，即SOM增加会减少磷的吸附位点，增加磷的移动性，从而提高磷的有效性；秸秆替代化肥条件下，土壤TN含量增加，pH降低，会影响土壤溶液中活性氧化铁/铝的含量，导致金属吸附态磷的解吸，促进难溶性无机磷组分向易溶性无机磷转化^[38]。此外，AK也是影响磷组分的一个因素，它可能通过促进根系生长来刺激根系与土壤互作产生根系分泌物，促使土壤中难溶性磷的转化^[39]。

4 结论

1) 秸秆替代氮肥能够有效促进水稻植株干物质的积累，进而通过提升结实率、每穗实粒数以及有效穗数来实现水稻增产，其中以秸秆替代2/3氮肥处理(HS)的效果尤为显著。

2) 秸秆替代氮肥有助于提升土壤肥力，显著增加土壤中的TN、AN、AK和SOM含量，但土壤TP和AP含量显著下降。在水稻成熟期，秸秆替代氮肥还会显著降低土壤pH，增加土壤酸化的风险。

3) 在土壤磷素形态变化方面，秸秆替代氮肥显著减少了土壤中的Al-P、Fe-P和Ca-P含量，同时在水稻成熟期显著提高了总有机磷的占比。有机磷与无机磷之间的比率变化相对稳定，在水稻的不同生育期内基本维持动态平衡。土壤化学性质主要影响无机磷组分，而TN、TP、AN、AP和SOM是驱动难溶性无机磷变化的关键因素。

4) 生产实践中，在满足水稻生长所需养分供应的基础上，采用秸秆替代部分氮肥既能保障农业养分资源的利用，又能缓解过量施用化肥所带来的负面效应，是值得推广的施肥措施。

致谢: 感谢湖南农业大学新型肥料研发实验室周长宽和雷泽统在土壤检测过程中提供的帮助。