郭斗斗，黃紹敏，張水清，張珂珂，宋 曉

（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南鄭州 450002）

潮土小麥和玉米Olsen-P 農(nóng)學(xué)閾值及其差異分析

郭斗斗，黃紹敏*，張水清，張珂珂，宋 曉

（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南鄭州 450002）

【目的】磷農(nóng)學(xué)閾值是指導(dǎo)不同作物磷肥用量并獲取最佳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的重要依據(jù)，然而，不同地區(qū)不同的耕作制度、土壤類型、作物種類、pH、溫濕度條件下，作物的磷農(nóng)學(xué)閾值不同。明確小麥–玉米輪作體系下，典型潮土區(qū)小麥和玉米的磷農(nóng)學(xué)閾值，并分析其差異。【方法】本研究基于“國家潮土土壤肥力與肥料效益長期監(jiān)測(cè)站”25年的定位試驗(yàn)，選取氮、鉀肥施用充足和磷肥用量不同的NK (不施磷肥)、NPK (施用氮磷鉀化肥)、NPKM (氮磷鉀化肥和有機(jī)肥配施)、1.5NPKM (高量氮磷鉀化肥配施有機(jī)肥)、NPKS (氮磷鉀化肥與玉米秸稈還田配施) 5個(gè)處理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用米切里西指數(shù)模型 (Mitscherlich exponential model) 擬合小麥和玉米的Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值，并通過對(duì)比不同土壤磷水平下兩種作物的磷吸收利用特性，分析其閾值不同的原因。【結(jié)果】獲得最大相對(duì)產(chǎn)量的95%時(shí)，潮土區(qū)小麥Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值為13.1 mg/kg，玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值為7.5 mg/kg。玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值低于小麥主要原因：1) 土壤磷水平較低時(shí)，小麥對(duì)磷缺乏更為敏感，而玉米可保持相對(duì)較強(qiáng)的吸磷能力，25年不施磷處理玉米吸磷量是小麥的1.4倍；2) 土壤Olsen-P含量達(dá)到玉米閾值，而未能達(dá)到小麥閾值時(shí)，可保障玉米籽粒、莖稈及小麥籽粒正常生長對(duì)磷的需求，但小麥莖稈磷濃度僅能達(dá)到相對(duì)最大磷濃度的68.9%，嚴(yán)重影響了小麥的正常生長和獲取較高產(chǎn)量的能力；土壤Olsen-P含量提高到小麥閾值后，小麥莖稈磷濃度提高到相對(duì)最大磷濃度的80.5%以上，進(jìn)而可保障小麥獲得較高的產(chǎn)量；3) 土壤磷素養(yǎng)分充足時(shí)，小麥對(duì)磷的吸收量大于玉米，且主要是由于小麥莖稈磷濃度和吸磷量隨土壤Olsen-P含量的增加而大幅度增加?！窘Y(jié)論】小麥和玉米作為典型潮土區(qū)兩種重要的糧食作物，Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值分別為13.1和7.5 mg/kg。由于兩種作物的生理特性不同，小麥對(duì)磷素的吸收利用率較低，莖稈需要較高的土壤磷濃度維持正常生長，產(chǎn)量形成對(duì)磷養(yǎng)分需求更大。因此，小麥–玉米輪作體系下，小麥的磷農(nóng)學(xué)閾值更高，小麥季所需土壤磷供應(yīng)量大于玉米季。為增強(qiáng)磷肥利用效率，減少磷肥投入量和土壤中磷素的過量累積，玉米季磷肥使用量應(yīng)適當(dāng)小于小麥季。當(dāng)土壤Olsen-P水平高于作物磷農(nóng)學(xué)閾值后，減少或短時(shí)間停止施用磷肥并不會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量有明顯影響。

潮土；小麥；玉米；磷農(nóng)學(xué)閾值；差異分析

施用磷肥可以保證較高的土壤磷水平和穩(wěn)定的作物產(chǎn)量，然而磷礦是有限的不可再生資源，過量的磷素也是水體富營養(yǎng)化最為關(guān)鍵的因素，連續(xù)多年重施磷肥可能會(huì)帶來資源浪費(fèi)和環(huán)境問題，因此合理施用農(nóng)業(yè)磷肥是保證作物產(chǎn)量兼具環(huán)境效益的必要措施?，F(xiàn)代施肥體系應(yīng)該考慮土壤性質(zhì)，磷在不同耕作制度中的循環(huán)潛力，在一定的土壤、氣候環(huán)境條件下保證較高產(chǎn)量時(shí)作物對(duì)磷的需求量等[1–2]。土壤中速效磷肥對(duì)作物生長狀態(tài)及產(chǎn)量有重大影響，對(duì)于典型潮土而言，土壤Olsen-P與作物對(duì)磷養(yǎng)分的吸收利用和產(chǎn)量有顯著的相關(guān)關(guān)系，可很好地反映土壤的供磷能力。通過擬合土壤Olsen-P含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系，在一定的栽培環(huán)境下可獲得作物最佳經(jīng)濟(jì)效益時(shí)最適宜的土壤Olsen-P值，超過該Olsen-P閾值之后，作物的產(chǎn)量不再隨施磷量的增加而顯著增加[3]。

已有的研究顯示，不同耕作制度下，由于土壤結(jié)構(gòu)、深度、土壤有機(jī)質(zhì)和pH等因素不同，磷的有效性差異較大[4–5]，Olsen-P閾值在不同作物和種植條件下的值不同[6–7]，不同的閾值擬合方法獲取的磷農(nóng)學(xué)閾值也有較大差異，Zhao等[8]研究顯示楊凌土區(qū)小麥–玉米輪作體系下，使用線性平臺(tái)模型獲取的小麥、玉米Olsen-P閾值分別為14.6、16.1 mg/kg，祁陽紅壤區(qū)小麥–玉米輪作體系下，小麥、玉米Olsen-P閾值分別為28.2 mg/kg、12.7 mg/kg，重慶紫色土區(qū)小麥水稻輪作體系下小麥、水稻Olsen-P閾值為11.1、10.9 mg/kg；席雪琴等[9]應(yīng)用米切里西指數(shù)模型模擬獲得90%最大相對(duì)產(chǎn)量時(shí)楊凌土區(qū)小麥、玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值分別為26.2、13.9 mg/kg；Shi等[10]使用兩種方法獲取太湖流域水稻土小麥–水稻輪作體系下小麥、水稻農(nóng)學(xué)閾值較低，平均值分別為4.08、3.40 mg/kg。Xu等[11]對(duì)不同地區(qū)使用三種不同的模型獲得的小麥磷農(nóng)學(xué)閾值范圍為12.5～19.0 mg/kg，玉米磷農(nóng)學(xué)閾值范圍為12.1～17.3 mg/kg。Jordan等[12]通過對(duì)不同國家18個(gè)地區(qū)磷肥推薦量的研究發(fā)現(xiàn)，有效磷測(cè)定方法、作物類型和土壤類型都會(huì)影響磷農(nóng)學(xué)閾值。為明確典型潮土區(qū)小麥玉米輪作體系下，小麥和玉米兩大主要作物的Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值，本研究基于“國家潮土土壤肥力與肥料效益長期監(jiān)測(cè)站”25年間的定位試驗(yàn)，選取氮、鉀肥施用充足，磷肥用量不同的5個(gè)處理，通過米切里西指數(shù)模型確定小麥和玉米的Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值，并分析相同耕作條件下小麥、玉米Olsen-P閾值不同的原因，為實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)和小麥季、玉米季磷肥的合理分配提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及施肥設(shè)計(jì)

“國家潮土土壤肥力與肥料效益長期監(jiān)測(cè)站”(113°40′42″E，34°47′55″N)，屬于典型溫帶季風(fēng)氣候，年均降雨量665 mm，分布不均，主要集中于7、8、9月。土壤類型為潮土，質(zhì)地為輕壤。試驗(yàn)基地1989年建成，1990年開始定位試驗(yàn)，試驗(yàn)初期土壤pH為8.1、有機(jī)質(zhì)含量10.6 g/kg、全氮1.69 g/kg、全磷0.65 g/kg、Olsen-P 6.9 mg/kg、有效氮52.3 mg/kg、速效鉀71.7 mg/kg、緩效鉀647.2 mg/kg，土壤容重1.45 g/cm3。本研究選取了試驗(yàn)站1990～2015年5個(gè)處理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于確定土壤Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值：不施磷肥 (NK)、施用氮磷鉀化肥 (NPK)、氮磷鉀化肥和有機(jī)肥配施 (NPKM)、NPKM施肥量的1.5倍 (1.5NPKM)、氮磷鉀化肥與玉米秸稈還田配施 (NPKS)。

每年施用的磷肥為普通過磷酸鈣，氮肥為尿素，鉀肥為氯化鉀，施用的有機(jī)肥1990～1999年為馬糞，2000～2010年為牛糞，2011～2014年為商品有機(jī)肥；每年小麥季將前茬玉米秸稈粉碎還田。小麥季施氮肥 (以N計(jì)) 165 kg/hm2，磷肥 (以P2O5計(jì))、鉀肥 (以K2O計(jì)) 各82.5 kg/hm2，玉米季施氮肥(以 N 計(jì)) 187.5 kg/hm2，磷肥 (以 P2O5計(jì))、鉀肥 (以K2O計(jì)) 各93.75 kg/hm2。每年施肥前測(cè)定施用有機(jī)肥及玉米秸稈的氮、磷、鉀含量。MNPK處理在施用相當(dāng)于NPK處理磷、鉀肥的基礎(chǔ)上，增施相當(dāng)于70%NPK處理氮量的有機(jī)肥，相當(dāng)于30%NPK處理的氮肥由尿素補(bǔ)充；SNPK處理在施用相當(dāng)于NPK處理磷、鉀肥的基礎(chǔ)上，將前茬玉米秸稈粉碎還田，秸稈還田量以每年測(cè)定的秸稈氮含量計(jì)算，在1991～2001年秸稈還田量相當(dāng)于70%NPK處理氮量(不足部分由同期其他試驗(yàn)區(qū)秸稈補(bǔ)充)，2002～2014年為地上部生產(chǎn)的全部秸稈量，不足70%NPK處理氮量的部分，追肥期間以尿素補(bǔ)足。每季磷、鉀肥和有機(jī)肥作為底肥一次性施入，氮肥按基追比5∶5施入。

各年度依據(jù)土壤和天氣狀況播種，小麥播種時(shí)間為10月中旬，玉米為6月上旬。施肥時(shí)間為播種前一天，小麥季施肥后，深耕一次，玉米季免耕。作物收獲時(shí)，小麥底部留茬約15 cm，玉米植株全部移出，NPKS處理玉米秸稈粉碎還田用于下一季小麥生產(chǎn)。各年度依據(jù)土壤狀況適當(dāng)灌溉，保證作物正常生長。

1.2 樣品采集及測(cè)定方法

各年度不同處理收獲5 m2測(cè)產(chǎn)；選取長勢(shì)均勻的20株小麥、3株玉米樣品，分為籽粒、莖稈兩部分，采集混合樣，帶回室內(nèi)105℃下殺青30 min，烘干至恒重后，粉碎過0.15 mm篩備用。小麥季收獲后使用五點(diǎn)采樣法采集各處理0—20 cm土樣，帶回室內(nèi)風(fēng)干，揀去雜物后，研磨過1 mm篩備用。

植株全磷含量采用H2SO4–H2O2消煮—鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤Olsen-P含量使用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定[13]。

1.3 潮土磷農(nóng)學(xué)閾值確定方法

依據(jù)前人研究結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)中作物產(chǎn)量與土壤Olsen-P的響應(yīng)關(guān)系[14–15]，本研究使用米切里西指數(shù)模型 (Mitscherlich exponential model) 擬合土壤Olsen-P與作物相對(duì)產(chǎn)量間的關(guān)系。

作物相對(duì)產(chǎn)量的計(jì)算公式為：Y = Yi/Ym × 100其中：Y為作物的相對(duì)產(chǎn)量 (%)；Yi為每年不同處理的籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2)；Ym為每年各處理的最大籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2)。

米切里西模型表示作物的增產(chǎn)量隨限制性養(yǎng)分(土壤Olsen-P) 的遞增而減少。計(jì)算公式如下：

Y = A(1 – e–bX)

其中：Y是各年度作物的相對(duì)產(chǎn)量 (%)；X是各年度玉米種植前取樣測(cè)定的土壤Olsen-P含量 (mg/kg)；A是預(yù)測(cè)的最大相對(duì)產(chǎn)量 (%)；b是效應(yīng)因子。

使用米切里西模型擬合時(shí)，作物產(chǎn)量達(dá)到最大相對(duì)產(chǎn)量的95%時(shí)獲取的土壤Olsen-P值為農(nóng)學(xué)閾值，土壤Olsen-P大于該閾值后，作物產(chǎn)量隨Olsen-P的增加不再有明顯的增加[14]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

使用SPSS軟件對(duì)作物產(chǎn)量、植株磷含量和土壤Olsen-P含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 8軟件的非線性曲線擬合功能對(duì)作物產(chǎn)量、植株磷含量與土壤Olsen-P進(jìn)行米切里西模型擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷農(nóng)學(xué)閾值的確定

經(jīng)米切里西指數(shù)模型擬合，獲得小麥、玉米各自的擬合模型。

小麥：Y = 93.29 (1 – e–0.229X)(R2= 0.731，n= 125)

玉米：Y = 93.35 (1 – e–0.398X)(R2= 0.622，n= 125)

米切里西模型很好地描述了作物相對(duì)產(chǎn)量與土壤Olsen-P的關(guān)系，隨著土壤Olsen-P含量的增加，初期小麥和玉米的相對(duì)產(chǎn)量顯著增加，土壤Olsen-P增加到一定階段后相對(duì)產(chǎn)量不再明顯增加。潮土區(qū)小麥–玉米輪作體系下，通過模型擬合獲取的作物理論最大相對(duì)產(chǎn)量基本相同，小麥為93.4%，玉米為93.3%，獲得理論最大相對(duì)產(chǎn)量的95%時(shí)，小麥Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值為13.1 mg/kg，玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值為7.5 mg/kg (圖1)。玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值較小，模型中的效應(yīng)因子b值較大 (玉米是小麥的1.74倍)，這表明玉米植株可利用有效磷量較大，玉米季的土壤供磷能力較強(qiáng)。

2.2 不同施磷量對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量的影響

比較不同施磷量條件下小麥和玉米25年間產(chǎn)量可知，小麥最高產(chǎn)量出現(xiàn)在施磷量最高的1.5NPKM處理和NPK處理 (其中最高產(chǎn)量在2011年達(dá)到9331 kg/hm2)，不施磷處理 (NK) 產(chǎn)量最低，且有逐步下降的趨勢(shì)。由于試驗(yàn)初期Olsen-P含量較低 (6.9 mg/kg)，長期不施磷肥對(duì)作物產(chǎn)量影響很大 (圖2)，NK處理小麥產(chǎn)量與最大產(chǎn)量的比值 (YNK/Ymax)，試驗(yàn)第1年為0.94，6年后下降到0.4之下，之后10年逐步穩(wěn)定在0.3左右，2015年下降到0.2左右。玉米最高產(chǎn)量和最低產(chǎn)量也分別出現(xiàn)在1.5NPKM和NK的處理 (其中最高產(chǎn)量在2012年達(dá)到11487 kg/hm2)，下降趨勢(shì)和小麥相同，但下降幅度較小。YNK/Ymax值試驗(yàn)第1年為0.88，6年后下降到0.6之下，之后10年逐步穩(wěn)定在0.5左右，2015年下降到0.4左右。比較可知，小麥對(duì)磷肥缺乏更為敏感，不施磷肥對(duì)小麥產(chǎn)量影響更大。

2.3 作物磷含量和吸磷量與施磷量的響應(yīng)關(guān)系

長期不同施磷量處理，作物磷含量因土壤Olsen-P的增量不同而有較大差異。如圖3所示，長期不施磷處理，作物籽粒與莖稈多年平均磷含量顯著低于施磷肥各處理 (P＜ 0.05)，平衡施肥 (NPK) 處理小麥籽粒、玉米籽粒、小麥莖稈、玉米莖稈多年平均磷含量分別比常年不施磷 (NK) 處理提高37.6%、51.6%、131.4%、95.3%，隨著施磷量的增加，作物植株磷含量均有較大幅度的增加，施磷量最大的1.5NPKM處理小麥籽粒、玉米籽粒、小麥莖稈、玉米莖稈磷含量比NPK處理分別提高10.9%、6.6%、35.5%、13.5%，比較可知，隨著施磷量和土壤Olsen-P含量的增加，小麥植株磷含量增幅大于玉米，其中小麥莖稈磷含量增幅最大。

圖1 小麥、玉米相對(duì)產(chǎn)量對(duì)土壤Olsen-P含量的響應(yīng)Fig. 1 Response of relative yield of wheat and maize to soil Olsen-P fitted by the Mitscherlich model

圖2 25年間不施磷處理產(chǎn)量與最大產(chǎn)量比值的變化Fig. 2 Variation of the yield ratios of the NK treatment to the maximum yield treatment over 25 years

圖3 不同處理小麥和玉米植株25年平均磷含量Fig. 3 Average P concentrations of wheat and maize over 25 years under different treatments

不施磷處理，由于Olsen-P的消耗，從第4年開始作物吸磷量迅速下降，小麥籽粒吸磷量維持在5.4 kg/(hm2·a)，玉米籽粒吸磷量高于小麥，維持在8.0 kg/(hm2·a)。兩種作物莖稈吸磷量的差異大于籽粒，第4年之后，小麥莖稈吸磷量維持在0.55 kg/(hm2·a)，玉米莖稈吸磷量維持在1.4 kg/(hm2·a)，遠(yuǎn)高于小麥莖稈。比較可知，在土壤Olsen-P含量極低的情況下，玉米仍能獲取一定量的土壤磷養(yǎng)分供作物生長，整體上，不施磷處理玉米吸磷量是小麥吸磷量的1.4倍。

隨著施肥時(shí)間的增加，不同施磷處理的土壤Olsen-P含量有不同程度的增加，作物產(chǎn)量也隨之不斷增加，將25年間5個(gè)處理小麥、玉米產(chǎn)量和作物吸磷量進(jìn)行相關(guān)分析表明，作物產(chǎn)量與吸磷量之間呈極顯著的線性關(guān)系 (圖4)，每生產(chǎn)1 t小麥，作物平均吸磷量為5.2 kg，每生產(chǎn)1 t玉米，作物平均吸磷量為4.4 kg。25年間，NPK、NPKM、1.5NPKM、NPKS處理小麥平均吸磷量分別為28.3、30.3、34.5、30.2 kg/(hm2·a)，玉米平均吸磷量分別為26.2、29.8、31.1、29.6 kg/(hm2·a)，其中，小麥莖稈吸磷量分別為 4.11、4.98、6.46、4.55 kg/(hm2·a)，玉米莖稈吸磷量分別為 4.53、5.77、6.23、5.76 kg/(hm2·a)。對(duì)比可知，土壤磷素養(yǎng)分充足時(shí)，與平衡施肥NPK處理相比，施磷量最大的1.5NPKM處理小麥和玉米籽粒增加的吸磷量基本一致，約為15.5%，但莖稈吸磷量大幅增加，小麥、玉米莖稈吸磷量分別增加57.3%和37.6%。整體上小麥對(duì)磷的吸收量大于玉米，且主要是由于小麥莖稈磷濃度和吸磷量隨土壤Olsen-P的增加而大幅度增加。

圖4 小麥玉米產(chǎn)量與作物吸磷量的關(guān)系Fig. 4 Relationship between yields and P uptakes of maize and wheat

2.4 不同Olsen-P閾值對(duì)作物磷含量的影響

作物磷含量隨土壤Olsen-P含量的增加，呈現(xiàn)一個(gè)無限接近平臺(tái)的曲線關(guān)系。為進(jìn)一步明確Olsen-P閾值與作物磷含量的量化關(guān)系，本試驗(yàn)使用米切里西模型分別擬合土壤Olsen-P含量與小麥籽粒、玉米籽粒、小麥莖稈、玉米莖稈相對(duì)磷含量的關(guān)系，并將上文獲取的小麥和玉米Olsen-P閾值分別帶入所得回歸方程，計(jì)算獲取95%最大相對(duì)產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的植株相對(duì)磷含量 (玉米Olsen-P閾值和小麥Olsen-P閾值對(duì)應(yīng)的植株相對(duì)磷含量分別用MP和WP表示，表1)。結(jié)果顯示，土壤Olsen-P含量達(dá)到玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值時(shí)，小麥籽粒、玉米籽粒磷含量相應(yīng)達(dá)到了最大相對(duì)磷含量的90%以上，玉米莖稈磷含量達(dá)到相對(duì)最大磷含量的80%以上，但小麥莖稈磷含量只能達(dá)到最大磷含量的68.9%，因此土壤Olsen-P含量超過玉米閾值，即可保障玉米正常生長對(duì)土壤磷的需求，但不能滿足小麥莖稈生長對(duì)磷的需求，進(jìn)而影響了小麥的高產(chǎn)。當(dāng)土壤Olsen-P達(dá)到小麥閾值后，小麥莖稈磷含量提升了11.2%，達(dá)到最大磷含量的80.5% (圖5)，基本保障了小麥莖稈對(duì)磷的需求，最終可確保小麥獲得較高的產(chǎn)量。

表1 作物植株相對(duì)磷含量與土壤Olsen-P的米切里西模型Table 1 Response of relative P concentration to soil Olsen-P fitted by the Mitscherlich models for maize and wheat

圖5 不同Olsen-P閾值對(duì)小麥莖稈相對(duì)磷含量的影響Fig. 5 Effect of different Olsen-P critical values on relative P concentrations of wheat straw

3 討論

不施磷處理，磷素從土壤中的有機(jī)或無機(jī)物中釋放來供給作物生長，這種釋放會(huì)以一定的速率持續(xù)多年，釋放速率大小由初始土壤磷含量和土壤性質(zhì)決定[16–17]。隨著時(shí)間的變化，儲(chǔ)備磷的釋放速率下降，因此供給作物生長需要的磷肥缺乏量相應(yīng)地增加，不施磷肥處理作物產(chǎn)量有降低趨勢(shì)，但小麥比玉米產(chǎn)量下降更多，主要是因?yàn)橛衩赘捣置诘聂人狨サ瓤墒垢抵車寥浪峄罨送寥乐械臒o機(jī)磷，增強(qiáng)了玉米對(duì)磷的吸收[18–19]。多年小麥產(chǎn)量的分析顯示，不施磷處理小麥產(chǎn)量不斷下降，本試驗(yàn)中最大產(chǎn)量隨施肥時(shí)間的增加而增大，因此后者與前者的比值有較大的增加。同時(shí)，有報(bào)道稱現(xiàn)代的栽培品種比以前品種提高了對(duì)氮肥的利用，而有效磷的降低將阻止作物對(duì)氮肥的利用效率[20]，這可能可以解釋為什么不施磷處理小麥產(chǎn)量與最大產(chǎn)量之間的差距越來越大。

不同作物對(duì)磷素缺乏的敏感性不同，依據(jù)多年不施磷肥處理平均相對(duì)產(chǎn)量可知，小麥對(duì)磷敏感性更高，該結(jié)論和Colomb等[14]認(rèn)為硬質(zhì)小麥對(duì)磷最敏感的結(jié)論一致。

前人研究結(jié)果顯示，玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值范圍為3.9～17.3 mg/kg[3,11,14,21]，小麥Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值范圍為4.9～20.0 mg/kg[11,14,22–23]，本研究使用米切里西指數(shù)模型獲取的玉米Olsen-P閾值為7.5 mg/kg，小麥Olsen-P閾值為13.1 mg/kg，符合前人研究結(jié)果。玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值低于小麥，該結(jié)論和Colomb等[14]認(rèn)為小麥對(duì)磷的需求大于玉米的結(jié)論相同，然而本研究的小麥、玉米Olsen-P閾值均低于后者；但和席雪琴等[9]研究獲取的玉米磷農(nóng)學(xué)閾值高于小麥的結(jié)論不同。產(chǎn)生這些差異的原因主要是因?yàn)椴煌芯康膮^(qū)域、土壤類型、管理措施及氣候環(huán)境不同。因此，在特定區(qū)域和一定的土壤類型和種植模式下，有必要對(duì)當(dāng)?shù)刂饕魑锏牧邹r(nóng)學(xué)閾值進(jìn)行研究和確定，為指導(dǎo)磷肥用量提供科學(xué)依據(jù)。Barrow等[24]的研究認(rèn)為，由于小麥越冬期較低的生長溫度減少了根系活性和土壤磷的擴(kuò)散，從而抑制了小麥對(duì)磷的吸收，本研究區(qū)域小麥越冬期多年的平均溫度僅為1.6℃，小麥正常生長需要更多的土壤磷素，這也解釋了為什么本研究中的小麥Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值高于玉米。

由32P同位素標(biāo)記試驗(yàn)可知，土壤中已有磷水平顯著影響小麥和玉米對(duì)施入磷肥的利用效率[25–26]。Singh等使用三維米切里西模型，擬合同一地區(qū)土壤磷水平和施磷量對(duì)小麥和玉米磷閾值的影響，結(jié)果顯示，玉米對(duì)原有土壤磷素利用率較高，對(duì)施磷量要求較低，小麥則相反[27]。因此，考慮地力貢獻(xiàn)對(duì)土壤供磷能力的影響，確定可有效提升磷肥利用效率的土壤磷閾值顯得非常重要，這將是進(jìn)一步研究的方向。

4 結(jié)論

1) 小麥–玉米輪作體系下，獲得最大相對(duì)產(chǎn)量的95%時(shí)，典型潮土區(qū)土壤Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值小麥為13.1 mg/kg，玉米為7.5 mg/kg。

2) 土壤磷水平較低時(shí)，小麥對(duì)磷缺乏更為敏感，而玉米可保持相對(duì)較強(qiáng)的吸磷能力，25年不施磷處理玉米吸磷量是小麥的1.4倍。

3) 土壤Olsen-P含量達(dá)到玉米閾值，而未能達(dá)到小麥閾值時(shí)，可保障小麥籽粒正常生長對(duì)磷的需求，但小麥莖稈磷含量僅能達(dá)到相對(duì)最大磷含量的68.9%，嚴(yán)重影響小麥的正常生長和獲取較高產(chǎn)量的能力。土壤Olsen-P含量提高到小麥閾值后，小麥莖稈磷含量提高到相對(duì)最大磷含量的80.5%以上，進(jìn)而可保障小麥獲得較高的產(chǎn)量。

4) 土壤磷素養(yǎng)分充足時(shí)，小麥對(duì)磷的吸收量大于玉米，且主要是由于小麥莖稈磷含量和吸磷量隨土壤Olsen-P含量的增加而大幅度增加。

[ 1 ]Wang B, Li J M, Ren Y,et al. Validation of a soil phosphorus accumulation model in the wheat-maize rotation production areas of China[J]. Field Crops Research, 2015, 178: 42–48.

[ 2 ]Johnston A E, Syers J K. Changes in understanding the behavior of soil and fertilizer phosphorus: implications for their efficient use in agriculture [C]. International Fertiliser Society, 2006.

[ 3 ]Mallarino A P, Blackmer A M. Comparison of methods for determining critical concentrations of soil test phosphorus for corn[J].Agronomy Journal, 1992, 84(5): 850–856.

[ 4 ]曲均峰, 李菊梅, 徐明崗, 等. 長期不施肥條件下幾種典型土壤全磷和Olsen-P的變化[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2008, 14(1): 90–98.Qu J F, Li J M, Xu M G,et al. Total-P and Olsen-P dynamics of long term experiment without fertilization[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(1): 90–98.

[ 5 ]劉恩科, 趙秉強(qiáng), 胡昌浩, 等. 長期施氮、磷、鉀化肥對(duì)玉米產(chǎn)量及土壤肥力的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2007, 13(5): 789–794.Liu E K, Zhao B Q, Hu C H,et al. Effects of long-term nitrogen,phosphorus and potassium fertilizer applications on maize yield and soil fertility[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(5):789–794.

[ 6 ]Johnston A E, Poulton P R, White R P. Plant-available soil phosphorus. Part II. The response of arable crops to Olsen P on a sandy clay loam and a silty clay loam[J]. Soil Use and Management,2013, 29(1): 12–21.

[ 7 ]Poulton P R, Johnston A E, White R P. Plant-available soil phosphorus. Part I. The response of winter wheat and spring barley to Olsen P on a silty clay loam[J]. Soil Use and Management, 2013,29(1): 4–11.

[ 8 ]Bai Z H, Li H G, Yang X Y,et al. The critical soil P levels for crop yield, soil fertility and environmental safety in different soil types[J].Plant and Soil, 2013, 372(1–2): 27–37.

[ 9 ]席雪琴, 孫本華, 陳勇, 等. 土區(qū)作物和土壤淋溶磷臨界值研究及推薦施磷建議[J]. 中國土壤與肥料, 2015, (6): 34–40.Xi X Q, Sun B H, Chen Y,et al. Research of phosphorus critical value for crop yield and soil leaching and phosphorus fertilizer recommendation on an anthropogenic Loess soil area[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2015, (6): 34–40.

[10]Shi L L, Shen M X, Lu C Y,et al. Soil phosphorus dynamic, balance and critical P values in long term fertilization experiment in Taihu Lake region, China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2015,14(12): 2446–2455.

[11]Tang X, Ma Y, Hao X,et al. Determining critical values of soil Olsen-P for maize and winter wheat from long-term experiments in China[J]. Plant and Soil, 2009, 323(1–2): 143–151.

[12]Jordan-Meille L, Rub?k G H, Ehlert P A I,et al. An overview of fertilizer-P recommendations in Europe: soil testing, calibration and fertilizer recommendations[J]. Soil Use and Management, 2012,28(4): 419–435.

[13]魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社,2000.Lu R K. Analytical methods for soil and agricultural chemistry [M].Beijing: China Agriculture Science and Technology Press, 2000.

[14]Colomb B, Debaeke P, Jouany C,et al. Phosphorus management in low input stockless cropping systems: Crop and soil responses to contrasting P regimes in a 36-year experiment in southern France[J].European Journal of Agronomy, 2007, 26(2): 154–165.

[15]Dodd J R, Mallarino A P. Soil-test phosphorus and crop grain yield responses to long-term phosphorus fertilization for corn-soybean rotations[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(4):1118–1128.

[16]Sharpley A N, Jones C A, Gray C,et al. A simplified soil and plant phosphorus model: II. Prediction of labile, organic, and sorbed phosphorus[J]. Soil Science Society of America Journal, 1984, 48(4):805–809.

[17]Jackson G D, Kushnak G D, Carlson G R,et al. Correlation of the Olsen phosphorus soil test: Winter wheat response[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis, 1991, 22(9–10):907–918.

[18]Zhang F, Shen J, Jing J,et al. Rhizosphere processes and management for improving nutrient use efficiency and crop productivity: implications for China[A]. Xu J M, Huang P. Molecular environmental soil science at the interfaces in the Earth’s critical zone[A]. Springer Berlin Heidelberg, 2010: 52–54.

[19]Neumann G, R?mheld V, Waisel Y,et al. Root–induced changes in the availability of nutrients in the rhizosphere[J]. Cheminform, 2003,34 (4): 617–649.

[20]Brancourt–Hulmel M, Doussinault G, Lecomte C,et al. Genetic improvement of agronomic traits of winter wheat cultivars released in France from 1946 to 1992[J]. Crop Science, 2003, 43(1): 37–45.

[21]Mallarino A P, Atia A M. Correlation of a resin membrane soil phosphorus test with corn yield and routine soil tests[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(1): 266–272.

[22]Johnston A E, Lane P W, Mattingly G E G,et al. Effects of soil and fertilizer P on yields of potatoes, sugar beet, barley and winter wheat on a sandy clay loam soil at Saxmundam Suffolk[J]. The Journal of Agricultural Science, 1986, 106(1): 155–167.

[23]Bollons H M, Barraclough P B. Assessing the phosphorus status of winter wheat crops: inorganic orthophosphate in whole shoots[J]. The Journal of Agricultural Science, 1999, 133(3): 285–295.

[24]Barrow N J. Soil phosphate chemistry and the P-sparing effect of previous phosphate applications[J]. Plant and Soil, 2015, 397(1–2):401–409.

[25]Saroa G S, Biswas C R, Vig A C. Phosphate utilization by maize under differential residual P fertility[J]. Journal of Nuclear Agriculture and Biology, 1991, 19(4): 221–226.

[26]Saroa G S, Biswas C R, Vig A C. Residual and applied P availability to wheat[J]. Journal of Nuclear Agriculture and Biology, 1992, 21:221–226.

[27]Singh J, Brar B S, Sekhon B S,et al. Impact of long-term phosphorous fertilization on Olsen-P and grain yields in maize-wheat cropping sequence[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2016,106(2): 157–168.

Threshold values of soil Olsen-P for maize and wheat in fluvo-aquic soil

GUO Dou-dou, HUANG Shao-min*, ZHANG Shui-qing, ZHANG Ke-ke, SONG Xiao
(Institute of Plant Nutrient and Environmental Resources, Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou, Henan 450002, China)

【Objectives】Critical soil P levels are important basis for guiding phosphate fertilizer rate and obtaining the best economic benefits for different crops, however, critical soil P values may vary among different crops because of different areas, farming systems, soil types, pH, temperature and humidity conditions. Critical values of soil Olsen-P between maize and wheat in a wheat-maize rotation system in typical fluvo-aquic soil area were determined and analyzed in this studay.【Methods】This study was based on a 25 year fertilization experiment on “National Long-term Monitoring Station of Fluvo-aquic Soil Fertility and Fertilizer Effects”.Five fertilzation treatments were investigated: NK, NPK, NPK plus farmyard manure (NPKM), 1.5 times ofapplication rates of N, P, K plus farmyard manure (1.5NPKM) and N, P, K plus maize straw (NPKS). The critical values of soil Olsen-P for crop yields were calculated using the Mitscherlich exponential model, and the absorption and utilization characteristics of phosphorus in two crops under different soil phosphorus levels were compared.【Results】Correspond to 95% of the maximum predicted relative yields, the critical value of Olsen-P was 13.1 mg/kg for wheat and 7.5 mg/kg for maize. The critical value of Olsen-P for maize was lower than that for wheat, and the reasons were: 1) When the soil phosphorus level was low, wheat was more sensitive to the phosphorus deficiency, while maize could maintain a relatively strong ability to absorb phosphorus. Total phosphorus absorption for maize was 1.4 times of wheat in no P fertilization treatment for 25 years. 2) When the content of soil Olsen-P reached the critical value for maize and did not reach the critical value for wheat, the requirement of phosphorus for maize grain, maize straw and wheat grain could be ensured, but the P concentration of wheat straw could only reach 68.9% of the relative maximum P concentration, which seriously affected the normal growth and high yield formation of wheat. When the soil Olsen-P content was increased to the wheat critical value, the P concentration of wheat straw increased to 80.5% of the relative maximum P concentration, and the high yield of wheat could be ensured. 3) When there was adequate soil phosphorus nutrient, the amount of phosphorus absorbed by wheat was higher than that of maize, mainly because with the increase of soil Olsen-P content, the wheat straw P concentration and P uptake amount were greatly increased.【Conclusions】The critical values of Olsen-P for wheat and maize were 13.1 and 7.5 mg/kg respectively in the typical fluvo-aquic soil. Wheat was relatively less efficient than maize in the absorption and utilization of soil P. Wheat straw needed higher P concentration to maintain normal growth, and needed stronger soil phosphorus supply accordingly for high yield.

fluvo-aquic soil; wheat; maize; critical value of soil P; difference analysis

2017–02–20 接受日期：2017–06–20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200109-07，2016YFD0300809-3）；2017 年河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主創(chuàng)新專項(xiàng)基金資助。

郭斗斗（1983—），女，河南三門峽人，碩士，助理研究員，主要從事土壤養(yǎng)分演變規(guī)律研究。

E-mail：guodoudou_822@163.com。 * 通信作者 E-mail：hsm503@126.com