磷(P)是植物生长中能够增加作物产量和提高作物品质的十分重要的营养元素。农业生产中,为了获得作物高产而施用高于作物推荐施肥水平的情况非常普遍,过量施肥尤其是磷肥使农田耕层土壤中磷素大量累积、盈余,这使磷肥利用率降低和面源污染加剧,这一现象已经威胁到我国乃至世界多国的生态环境安全。土壤P素累积规律、形态演变及归宿的研究对于合理、有效的预测农田土壤P素累积状态、提高作物产量和保护生态环境均具有十分重要的作用。本论文以土壤有效磷(Olsen-P)累积模型为基础,应用长期(1986-2009年,共24年)、大区域(河南、河北、山东、山西,共4省)、大范围(监测区小麦玉米种植面积及总产量约占我国小麦-玉米轮作区域总面积的40%和总产最的43%)、多站点(58个站点)、大样本(411个样本)、多土壤类型(潮土、褐土、黄褐土、砂姜黑土、红粘土、棕壤、粗骨土,共7类土壤)以及多施磷肥条件(单施化学磷肥、单施有机磷肥、化学磷肥与有机磷肥同时施用,共3种条件)下的国家级耕地土壤质量监测数据对其进行验证,验证通过后的模型应用国家灰漠土土壤肥力与肥料效益长期监测数据,得到我国干旱灰漠土区一年一季小麦、玉米、棉花轮作下的土壤Olsen-P累积模型,同时,应用蒋柏藩-顾益初(1989)连续浸提法与同步辐射X射线吸收近边结构技术(XANES)、 Bowman-Cole (1978)连续浸提法与核磁共振(NMR)技术相结合的办法得到灰漠土土壤磷素组分累积规律,应用等温吸附与解吸实验方法得到含磷不同水平的灰漠土土壤磷素吸附与解吸特征,应用线线模型(Line-Line model,简写为LL)、线平台模型(Line-Plateau model,简写为LP)以及米切里西模型(Mitscherlish,简写为Exp)得到我国干旱区小麦、玉米、棉花3种作物土壤Olsen-P农学阈值,从而阐明长期施肥条件下,我国西北干旱灰漠土区土壤磷素累积、形态演变及阈值,以期达到为我国西北干旱区作物一年一季生长条件下,提高磷肥利用率、保障作物高产与生态环境安全的目的。主要研究结果与结论如下：1.应用我国小麦-玉米轮作主产区、大区域尺度、长期监测的历史数据,验证了基于初始土壤Olsen-P含量、磷肥施用量、作物产量和土壤pH的土壤Olsen-P累积模型的有效性和可靠性;应用模型得到该区域土壤Olsen-P年累积率平均为1.29 mg·kg-,土壤每公顷盈余100kgP导致土壤Olsen-P平均增加2.2 mg·kg-1。2.在新疆干旱灰漠土区小麦、玉米、棉花一年一季轮作条件下,修正土壤Olsen-P累积模型参数后得到：新疆灰漠土区土壤Olsen-P含量在不施磷肥条件下,以每年0.12mg·P·kg-1(从每年0.067 mg·kg1-到0.26 mg·kg-1)的速度下降,而在施磷条件下以每年0.36 mg·kg-1(从每年0.083mg·kg-1到0.47 mg·kg-1)的速度增加；每公顷土壤盈余100 kg P时,土壤Olsen-P平均增加1.1mg·kg-1。此结果说明新疆干旱灰漠土区土壤对磷的长期固定能力强于我国一年两季小麦玉米轮作主产区土壤。3.长期只种作物不施肥条件下,灰漠土耕层土壤无机磷总量无显著变化,组分间Ca2-P和Ca8-P含量显著降低而Ca10-P含量显著增加；土壤无机磷在组分间循环转化,使土壤无机磷总量基本恒定。长期施肥(NPK、NPKM、NPKS)条件下,灰漠土土壤无机磷总量极显著增加,其增加量主要来源于土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P,其中前三者增加作用较为显著、相对含量提高较快；土壤无机磷组分中Ca8-P转化率(指土壤磷素某一组分P的变化量占土壤磷素变化总量的比例)最高、占土壤无机磷变化总量的39%-50%,其次是Al-P、占16%-30%,再次是Ca2-P、占10%-29%,三者合计占78%-88%,其余三种组分Fe-P、O-P, Ca10-P占12%-22%。连续浸提法与XANES法得出一致结论：长期不同施肥条件下,土壤无机磷组分间累积转化92%发生在Ca-P和Al-P之间,二者平均转化率分别为68%和24%。4.NMR方法得到：灰漠上长期不同施肥条件下,土壤有机磷主要以磷酸单酯形态存在,实验条件范围内没有检测到其他形态土壤有机磷,磷肥施用类型(包括CK、NPK、NPKM及NPKS)对灰漠土有机磷形态无显著影响。长期定位条件下,施肥(NPK、NPKM及NPKS)处理的磷酸单酯含量随时间极显著增大,23年间NPKM、NPKS以及NPK处理分别提高了4.52倍、2.23倍和2.29倍,而CK的磷酸单酯含量基本保持不变。Bowman-Cole连续浸提法得到：土壤有机磷总量在长期不施条件下极显著降低、而在施肥条件下极显著提高。长期定位条件下,不同施肥处理土壤有机磷组分中中活性有机磷(Moderately labile organic phosphorus,简写MLOP)相对含量最大、其次是高稳性有机磷(Highly resistant organic phosphorus,简写HROP)和中稳性有机磷(Moderately resistant organic phosphorus,简写MROP)、活性有机磷(Labile organic phosphorus,简写LOP)最小,4种组分占土壤有机磷总量的比例分别为56%-69%、15%-22%、12%-19%和1%-6%。长期施肥条件下,土壤有机磷组分间主要发生MLOP向LOP、MROP及HROP的转化,其中,HROP的转化率最高、达到56%-399%,其次为MROP、达到21%-82%,LOP为-6%-11%、转化率最小。5.不同Olsen-P水平的灰漠土土壤,随外源磷量(0～100 mg·P·L-1范围内)增加,磷的吸附量、解吸量及解吸率均逐渐增大、而吸附率逐渐减小。灰漠土P素吸附过程符合Langmuir等温方程,吸附常数K大、吸附能力强是灰漠土区百公斤P盈余增加Olsen-P量较小和土壤P素累积模型中D值较低的主要原因。6.通过双直线、直线-平台及米切里西三种模型,得到新疆干旱区灰漠土一年一季条件下,小麦、玉米和棉花土壤磷素平均阈值分别为15mg·kg-1、13 mg·kg-1和25 mg·kg-1。综合分析得出,新疆灰漠土区上壤Olsen-P农学阈值为25 mg·kg-1。我们的研究结果表明,土壤中磷素的累积量化关系可以用初始土壤Olsen-P含量、磷肥施用量、作物产量和土壤pH之间建立的模型准确模拟。24年间(1989-2012年),施磷条件下,新疆灰漠土土壤Olsen-P含量累积了8.64 mg·kg-1、年平均累积率为0.36 mg·kg-1；灰漠土土壤磷素组分中,无机磷(占全磷的80%左右)和有机磷(占全磷的20%左右)分别主要以钙磷、铝磷及中活性有机磷为主,长期施肥使土壤磷素组分中Ca8-P、Al-P及Ca2-P和HROP、MROP及LOP显著增加；新疆灰漠土区土壤Olsen-P农学阈值为25 mg·kg-1。