磷是作物的必需元素,在农业生产中起着极为重要的作用,目前我国磷素资源状况呈日益严峻趋势,磷肥的生产及进口量均有大幅度增长,而且磷肥在土壤中容易发生固定,肥料利用率仍然很低,其较低的利用率使其容易在土壤中累积,一方面既造成磷肥资源的浪费,另一方面这部分累积的磷素可能通过农田排水、地表和地下径流、以及漏渗等方式进入水体,引起水体富营养化等生态环境问题,农田非点源磷素对水体污染的威胁日益凸显。因此,从目前农业持续发展的角度来讲,提高磷素利用率、减少面源污染方面的研究对农业生产和生态环境保护有非常重要的意义。面对国家粮食、生态与环境安全的多重需要,本研究以提高我国农田生态系统磷素利用率、减少面源污染、发展农田持续生产能力为目标,依托于长江中下游农区、黄淮海农区、东北农区和黄土高原农区四个具有代表性的野外站,选取典型农田生态系统代表性土壤样品和西北农林科技大学杨凌农作一站塿土土壤样品,以及著名的英国洛桑研究所的长期定位试实验土壤样品,进行定点研究和对比分析研究相,在探讨农田土壤磷素固液相分配规律、吸附特征、微生物量特性及其影响因素的基础上,试图建立宏观的农田磷素利用调控理论,提出不同水、热、肥条件下的磷素利用的持续生产力发展的调控对策,为满足国家需求-粮食安全、生态环境安全,提高磷素利用率和降低农田面源污染提供理论依据。本研究主要结论如下:1.土壤磷素固液相分配系数是磷素在土壤溶液及土壤颗粒表面的界面反映过程的重要量化指标,其变化受水分,温度,浓度,时间及其质地等多种因素的影响。通过室内模拟试验,设置不同的水、热、肥和培养时间梯度,采用高速离心法对红壤、黑土、潮土、黑垆土、塿土五种中国典型土壤的磷素固液相分配规律及其影响因素进行了探讨。研究表明质地不同土壤磷素固液相分配系数(Kd)值差别很大,整体变化趋势为红壤>黑垆土>塿土>黑土>潮土。不同培养条件下土壤磷素Kd值变化特征表现出随着培养时间延长,土壤磷素Kd值增大,土壤磷素生物有效性逐渐降低。水吸力、浓度与之相反,随着水吸力的增加土壤磷素Kd值变小,随着加入磷素浓度的增加而Kd值降低。在整个温度梯度中,当温度处于20-25℃左右时,土壤磷素Kd值达到最小值,液相磷素含量相对增多,养分有效性增强。2.通过合理的农田管理如肥料配施,增加有机肥等措施来提高磷素利用率,减少面源污染对当前发展持续稳定的生态农业具有重要的意义。以长武长期定位试验为研究对象,选取25年小麦连作试验田不同氮磷配比处理和氮磷有机肥配施处理,研究不同肥料处理对磷素固液相分配及其磷素组分的影响。结果表明,农田生态系统磷素固液相分配系数与钙二磷和活性有机磷具有一定的相关性。同等氮水平处理下,随着施入磷素的增加,土壤中全磷,固相磷和液相磷的含量均呈增加趋势,而固液相分配系数却呈减少趋势。同一磷素水平下,氮素的施入对磷素利用也存在一定的影响,全磷在N135时达到最小值,固相速效磷有减少趋势,液相磷在N135时达到最大值,固液相分配系数以单施入磷素(无氮肥施入)处理最大。有机物质对磷素的有效性具有很大的激发作用。平衡施肥对磷素高效利用作用明显。3.腐殖酸等有机胶体物质具有巨大的比表面积和表面活化基团,从而具有很强的吸附性能,在土壤磷素迁移转化过程中起着重要作用,对土壤磷素起到一定的活化作用。选取我国五个典型农区土壤,采用增加或减少腐殖酸类物质含量的方法,设置不同含量梯度,利用震荡平衡法来研究不同腐殖酸含量对磷素吸附特性的影响程度,并对其利用Freundlich方程,Langumuir方程和Temkin方程来进行定量化拟合分析研究,试图探讨有机腐殖酸类物质对磷素吸附行为的影响。研究结果表明:Freundlich方程,Langumuir方程和Temkin这三种方程均可对磷素吸附进行拟合,拟合相关性Freundlich最好。对于不同土壤适应性而言,Freundlich方程对黑土和红土最好,塿土和黑垆土次子,对于潮土最差。腐殖酸对于土壤磷素有一定的活化作用,加入腐殖酸明显的减少磷素吸附量和吸附速率。无论是加入还是减少腐殖酸时,最大吸附量黑土和红土变化幅度较小,以塿土和黑垆土变化最大,最大吸附量塿土和黑垆土可以减少50 %-60 %左右,潮土次之。4.微生物C/P比可以作为土壤磷素利用的一个重要指示指标,与土壤pH,全碳,无机磷含量以及磷素回收率具有一定的相关性。pH在土壤养分转化中影响许多物理化学性质的变化。以英国洛桑研究所长期定位试验pH梯度土样为研究对象,测定其土壤化学及生物化学指标,来研究不同pH梯度的耕地土壤微生物C/P比及其磷素利用的有效性的影响,并对酸性土壤的微生物磷用Bray-1和Olsen两种方法进行测定比较研究。结果表明微生物C/P比可以作为土壤磷素利用的一个重要指示指标。微生物C/P比与土壤pH、全碳、无机磷含量以及磷素回收率具有一定的相关性。土壤pH的改变影响许多化学和生物化学特性,磷素回收率和微生物C/P比随着pH的增加而增加,土壤的全碳、全磷、总碳、C/N和微生物磷随着pH的增加有减少趋势。微生物碳与ATP表现出明显的正相关,相关系数达到0.912(n=16)。Olsen和Bray-1两种方法测定的土壤各种磷素含量均具有很好的相关性,但Bray-1法具有较小的标准差,更适用于酸性土壤。酸性土壤中,pH对于微生物磷的熏蒸转化测定有一定影响。5.土壤微生物量磷是植物磷素营养极其重要的来源,对土壤磷素的供给和调节起着重要作用,其变化受多种因素的影响。通过设置室内培养试验,在较低养分和碳素含量的农田土壤中,通过加入外源的高、中、低浓度的无机磷和碳源黑麦草基质的方式,来研究不同梯度的磷素含量和不同培养时间序列的土壤微生物磷,微生物C/P比的变化规律以及磷素利用的有效性。研究结果表明,外源无机磷的加入对土壤微生物碳的影响不大,黑麦草的加入引起微生物碳的巨大变化,也就是碳素的多少对于微生物碳的变化起着重要作用。低碳条件下,无机磷的加入对微生物磷的影响不大,而加入黑麦草后较高碳素含量的情况下,微生物磷含量较不加入黑麦草急剧上升,增加幅度高达200%,外源碳源加入对于微生物磷活化起着重要极其重要的作用。微生物磷具有较快的周转周期,微生物碳磷比波动比较大,加入外源物质以后,分别在5天和25天出现了高峰,大多数在第10天左右出现了低谷,也就是第十天左右微生物活性较大,微生物磷含量较高,磷素利用较为活跃。速效磷与微生物磷和微生物C/P比具有很好的相关性,分别呈对数函数和二项式函数关系。