施磷量對高磷土壤小麥磷素吸收和土壤磷平衡的影響

黃玉芳，張 輝，張立花，張紅燕，張雯雯，趙亞南，葉優(yōu)良

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002)

磷是植物體內(nèi)代謝的調(diào)節(jié)者，參與作物體內(nèi)碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的代謝，缺磷會影響小麥的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。施用磷肥能顯著提高作物產(chǎn)量，但我國磷肥利用率普遍較低，施入到土壤中的磷肥僅有10%～15%被植物吸收利用。隨著我國磷肥用量持續(xù)增加，過量施磷普遍存在，且導(dǎo)致一些環(huán)境問題產(chǎn)生。因此，合理施用磷肥對于實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展有重要 意義。

關(guān)于小麥?zhǔn)┯昧追市?yīng)的研究很多，但在不同的土壤上，磷肥施用量對小麥籽粒產(chǎn)量的影響不盡相同。在陜西旱地土壤(速效磷含量15 mg·kg)上，施磷100 kg·hm可顯著提高冬小麥產(chǎn)量，但施磷不足50 kg·hm或高于150 kg·hm時，小麥生長與產(chǎn)量形成均會受到抑制。蔣宗慶發(fā)現(xiàn)，在江蘇低磷土壤(速效磷含量4.95 mg·kg)上，施磷量超過108 kg·hm時，葉面積指數(shù)等物質(zhì)生產(chǎn)指標(biāo)呈下降趨勢。而在豫北潮土區(qū)速效磷含量為9.0 mg·kg的土壤上，在氮鉀配施下小麥產(chǎn)量以施磷225 kg·hm最高。還有研究表明，在京郊速效磷含量30 mg·kg的中高產(chǎn)田，施磷150 kg·hm時小麥產(chǎn)量最高。可見，不同條件下適宜施磷量差異很大，而土壤肥力和氣候因素對施磷效應(yīng)有很大的影響。

近年來，由于糧食生產(chǎn)中磷肥以及復(fù)合肥的大量施用，我國農(nóng)田土壤磷含量明顯增加，我國土壤速效磷從第二次土壤普查時的8 mg·kg提高到了現(xiàn)在的20 mg·kg，且仍在進一步提高，尤其是在一些典型高產(chǎn)區(qū)，土壤肥力和土壤有效磷含量較高。而與此同時，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥投入量較高，且仍在持續(xù)增加。在華北典型高產(chǎn)區(qū)，小麥的磷肥施用量變化為84～273.8 kg·hm，平均施用量183.1 kg·hm；磷肥偏生產(chǎn)力為36.43～ 109.29 kg·hm，平均50.68 kg·hm。在土壤供磷能力較強的土壤上，施磷的增產(chǎn)效果較差，磷肥利用率也會降低，農(nóng)戶為提高產(chǎn)量進一步增加肥料投入，形成惡性循環(huán)。

目前，在我國土壤肥力不斷提升的背景下，針對高磷土壤如何進行磷素管理尚缺乏研究。本研究以溫縣典型小麥種植區(qū)為試驗點，探討在高磷土壤上施磷水平對小麥產(chǎn)量、干物質(zhì)積累、磷素吸收利用以及土壤磷平衡的影響，以期為我國高磷土壤上小麥磷素管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2018-2020年在河南省溫縣祥云鎮(zhèn)大商村進行，位于北緯34°72′，東經(jīng)112°63′，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.3 ℃，年降水量552.4 mm，無霜期為210 d。土壤類型為潮土，質(zhì)地為黏土，播前0～20 cm土層的土壤全氮含量為1.21 g·kg，有機質(zhì)含量為16.0 g·kg，速效磷含量為49.1 mg·kg，速效鉀含量為152.9 mg·kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)0、45、90、135、180 kg PO·hm5個磷肥施用水平，分別用P、P、P、P、P表示，每個處理3次重復(fù)，共15個小區(qū)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為20 m。磷肥為過磷酸鈣(含PO為16%)，在小麥播種前全部底施。氮肥為尿素(N 46%)，施用量為240 kg·hm，播前基施一半，剩余部分在小麥拔節(jié)期追施；鉀肥為氯化鉀(KO 60%)，施用量為90 kg KO·hm，在小麥播種前全部底施。種植方式為小麥、玉米輪作，除施肥外管理措施與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田保持一致，秸稈全部還田。

試驗從2018年10月開始，2020年6月結(jié)束，連續(xù)進行2年。供試小麥品種為豫麥49-198。播種前先劃小區(qū)，周圍要留3 m的保護行。小區(qū)劃好后，每個小區(qū)均勻撒施肥料，深翻入土，用機播耬播種。小麥于2018年10月15日播種，播種量為225 kg·hm，10月23日出苗，2019年6月1日收獲；2019年10月17日播種，播種量為112.5 kg·hm，10月25日出苗，2020年6月1日收獲。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 產(chǎn)量測定

在每個小區(qū)選擇長勢均勻地塊6 m，人工收獲，曬干后脫粒，按13%的含水量折算計產(chǎn)。同時在1 m雙行中取30 cm長雙行，調(diào)查穗數(shù)，并選擇代表性20株按常規(guī)法進行室內(nèi)單株考種，測定穗粒數(shù)和千粒重。

1.3.2 干物質(zhì)量測定

每個小區(qū)選擇取樣區(qū)，分別在越冬、返青、拔節(jié)、開花和收獲期采集地上部30 cm樣段，在 105 ℃下殺青30 min，于80 ℃烘干至恒重，稱其干重。

開花期在每個小區(qū)選取長勢均勻20個單莖，分為葉片、莖鞘和穗3部分；成熟期選取20個單莖，分為葉片、莖鞘、穗軸和穎殼、籽粒。樣品分別在105 ℃下殺青30 min，于80 ℃烘干至恒重，稱其干重。

1.3.3 植株磷含量的測定

將小麥各生育時期的植株樣本烘干后磨碎、過篩，用HSO-HO消煮釩鉬黃比色法測定磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

(1)干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量=開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累總量-成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量

(2)干物質(zhì)轉(zhuǎn)運效率=干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)累積總量×100%

(3)磷轉(zhuǎn)運量=花前營養(yǎng)器官磷積累量-成熟期營養(yǎng)器官磷積累量

(4)磷轉(zhuǎn)運效率=磷轉(zhuǎn)運量/花前營養(yǎng)器官磷積累量×100%

(5)磷肥回收率=(施磷處理植物地上部吸磷量-不施磷處理植物地上部吸磷量)/施磷量×100%

(6)磷肥農(nóng)學(xué)效率=(施磷處理籽粒產(chǎn)量-不施磷處理籽粒產(chǎn)量)/施磷量

(7)磷肥偏生產(chǎn)力=施磷處理籽粒產(chǎn)量/施磷量

(8)磷肥生理效率=(施磷處理籽粒產(chǎn)量-不施磷處理籽粒產(chǎn)量)/(施磷處理植物地上部吸磷量-不施磷處理植物地上部吸磷量)

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)計算與繪圖，用SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷量對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

小麥產(chǎn)量隨著施磷量增加呈先增后降趨勢，第一年和第二年小麥產(chǎn)量分別在90和135 kg·hm施磷水平下達到最高，超過此施磷量后施磷的邊際效應(yīng)不同程度下降(表1)。與不施磷處理相比，施磷后小麥兩年分別增產(chǎn)-4.9%～9.3%和 3.3%～14.1%。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，第一年90 kg·hm施磷處理的穗數(shù)顯著高于其他處理，穗粒數(shù)則低于其他處理，而千粒重在不同處理間無顯著差異；第二年，在不同處理間穗數(shù)和穗粒數(shù)差異不顯著，千粒重則以90 kg·hm施磷處理最高。

表1 施磷量對小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響Table 1 Effects of P fertilizer rates on wheat yield and yield components

2.2 施磷量對小麥干物質(zhì)積累的影響

隨著施磷量的增加，在開花期和成熟期，小麥各器官干物質(zhì)積累量均呈先增后降的趨勢。第一年兩個時期葉、莖、鞘、穗的干物質(zhì)量均在90 kg·hm施磷量下達到最高。而第二年開花期，葉片干物質(zhì)積累量在施磷90 kg·hm時達到最高，而莖、鞘、穗干物質(zhì)積累量在135 kg·hm施磷量下最高；在成熟期，施磷高于90 kg·hm的三個處理下葉片干物質(zhì)積累量顯著高于其他兩個處理(圖1)。從總干物質(zhì)量來看，第一年開花期和成熟期均以施磷90 kg·hm處理最高；第二年，開花期以135 kg·hm施磷處理最高， 180 kg·hm施磷處理顯著降低，而成熟期90、135、180 kg·hm施磷處理間無顯著差異，均顯著高于其他兩個處理。

圖1 施磷量對小麥不同器官干物質(zhì)積累量的影響Fig.1 Effects of P fertilizer rates on dry matter accumulation of wheat different organs

2.3 施磷量對小麥營養(yǎng)器官花前貯存干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響

由表2可見，第一年，小麥葉片干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量在90 kg·hm施磷處理下最高，轉(zhuǎn)運效率達12.3%；施磷處理的莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量顯著高于不施磷處理，0和90 kg·hm施磷處理的莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)運效率分別為19.5%和19.1%，且顯著低于其他處理；葉鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率以90 kg·hm施磷處理最高，其次為180 kg·hm施磷處理，其他處理為負值；穗軸+穎殼干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量在180 kg·hm施磷處理下顯著低于其他處理；總干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率在90 kg·hm施磷處理下最高。第二年，葉片和莖的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率在90 kg·hm施磷處理下最高，鞘和穗軸+穎殼、總干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量均在135 kg·hm施磷處理下最高。

表2 施磷量對小麥不同器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響Table 2 Effects of P fertilizer rates on dry matter translation of different wheat organs

2.4 施磷量對小麥磷素吸收的影響

施磷可促進小麥磷素吸收，但不同生育階段表現(xiàn)不一樣(圖2)。第一年，開花期和收獲期都以90 kg·hm施磷處理最高，與不施磷處理相比，收獲期施磷處理的吸磷量增加14.5%～ 44.6%。第二年，小麥開花期磷素吸收以90 kg·hm施磷處理最高，顯著高于其他處理；收獲期吸磷量以135 kg·hm施磷處理最高，與90 kg·hm施磷處理差異不顯著，顯著高于其他處理。

圖上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Different letters on the columns indicate the significant differences among the treatments at 0.05 level.圖2 施磷量對小麥磷素吸收的影響Fig.2 Effects of P fertilizer rates on phosphorus uptake under different wheat growing stages

2.5 施磷量對小麥營養(yǎng)器官花前吸收磷素轉(zhuǎn)運的影響

由表3可見，第一年， 90和135 kg·hm施磷處理的葉片磷素轉(zhuǎn)運量顯著高于其他處理； 180 kg·hm施磷處理的莖鞘磷素轉(zhuǎn)運量顯著低于其他處理，90和135 kg·hm施磷處理的轉(zhuǎn)運效率顯著高于其他處理；穗軸和穎殼轉(zhuǎn)運量以180 kg·hm施磷處理最高，不施磷時轉(zhuǎn)運效率最低；整個器官磷轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率以90 kg·hm施磷處理最高。第二年，葉片磷轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率以90 kg·hm施磷處理最高；莖鞘轉(zhuǎn)運量以90 kg·hm施磷處理最高， 0和180 kg·hm施磷處理的轉(zhuǎn)運效率顯著低于其他處理；不施磷時穗軸和穎殼轉(zhuǎn)運量顯著低于施磷處理，其他處理間差異不顯著，90 kg·hm施磷處理的轉(zhuǎn)運效率顯著低于其他處理；整個器官磷轉(zhuǎn)運量以90 kg·hm施磷處理最高，而轉(zhuǎn)運效率以135 kg·hm施磷處理最高。

表3 施磷量對小麥花后磷素轉(zhuǎn)運的影響Table 3 Effects of P fertilizer rates on P translation of wheat different organs

2.6 施磷量對小麥磷肥利用效率的影響

第一年,小麥磷肥農(nóng)學(xué)效率和生理效率均以90 kg·hm施磷處理最高，分別為10.5 kg·kg和28.1 kg·kg；磷肥回收率和偏生產(chǎn)力均以45 kg·hm施磷處理最高，分別為29.1%和153.7 kg·kg，其中45和90 kg·hm施磷處理間表觀回收率差異不顯著(表4)。

第二年，磷肥農(nóng)學(xué)效率以90 kg·hm施磷處理最高；45、90、135 kg·hm施磷處理間磷肥回收率差異不顯著，180 kg·hm施磷處理顯著低于其他處理；磷肥偏生產(chǎn)力隨磷肥用量增加而下降； 90 kg·hm施磷處理的磷肥生理效率顯著高于其他處理(表4)。

表4 施磷量對小麥磷肥利用效率的影響Table 4 Effects of P fertilizer rates on wheat P use efficiency

2.7 施磷量對土壤磷平衡的影響

從土壤磷素表觀平衡(表5)可見，在磷肥施用量為45 kg·hm時，小麥帶走的磷素高于施磷量，土壤磷素平衡處于虧缺狀態(tài)；在施磷90 kg·hm時土壤磷盈余0.1～17.3 kg·hm；磷肥施用量高于90 kg·hm后，土壤磷素呈盈余狀態(tài)，在施磷180 kg·hm時土壤磷素盈余高達101.5～115.3 kg·hm。

表5 施磷量對麥田土壤磷素表觀平衡的影響Table 5 Effects of P fertilizer rates on soil P balance

3 討 論

3.1 高磷土壤上小麥產(chǎn)量對施磷量的響應(yīng)

本試驗條件下，施磷可增加小麥產(chǎn)量，但磷肥施用量兩年分別超過90和135 kg·hm后，產(chǎn)量并沒有持續(xù)增加，而磷肥利用率呈持續(xù)下降趨勢。這和黃明等的研究結(jié)果一致，在低磷灌區(qū)小麥籽粒產(chǎn)量隨著施磷量增加呈先增加后降低趨勢，磷肥農(nóng)學(xué)效率逐漸下降。也有研究表明，在豫北潮土區(qū)速效磷含量為9.0 mg·kg的土壤上，適當(dāng)增施磷肥有利于提高小麥的籽粒產(chǎn)量，但磷肥增加到一定程度后小麥產(chǎn)量又呈下降趨勢，在氮鉀配施下小麥產(chǎn)量以施磷225 kg·hm最高。這些差異可能與土壤肥力和小麥產(chǎn)量水平等有關(guān)系。張銘等研究發(fā)現(xiàn)，不同肥力土壤上，小麥對施磷量的響應(yīng)存在差異，低地力田中隨施磷量的增加，小麥產(chǎn)量增加，而中高肥力田產(chǎn)量與施磷量呈二次曲線關(guān)系，低地力田最高產(chǎn)量的施磷量高于中高地力田。孫慧敏等研究表明，施磷提高了中磷水平 (15.94 mg·kg)土壤的籽粒產(chǎn)量，對高磷水平 (30.44 mg·kg)土壤無顯著影響。本研究中，施磷對小麥有一定增產(chǎn)效應(yīng)，但土壤有效磷含量達到49.2 mg·kg，供磷能力較強，因此施磷超過一定水平不能進一步增加小麥產(chǎn)量；從施磷量對小麥產(chǎn)量的影響趨勢來看，第一年施磷180 kg·hm時產(chǎn)量顯著降低，而第二年則沒有顯著減產(chǎn)，可能是因為氣候原因，第二年小麥產(chǎn)量相對較高，對磷素的需求也較多，因此施磷過多，沒有出現(xiàn)減產(chǎn)。

3.2 施磷量對小麥磷素吸收利用的影響

本研究表明，隨著施磷量增加，小麥干物質(zhì)累積和磷素吸收量提高，但施磷量進一步增加時，小麥干物質(zhì)量和磷素吸收量增加不顯著甚至顯著下降。適量施磷則能促進小麥分蘗成為有效穗，提高光合產(chǎn)物的積累以及向籽粒中轉(zhuǎn)運，進而提高磷肥的利用效率。而在高磷土壤上，土壤磷素供應(yīng)能力較強，尤其小麥生育后期土壤磷活性較高，因此過多施磷反而可能會產(chǎn)生副作用，比如抑制根系生長發(fā)育，降低磷在植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運效率，影響鋅等其他元素的吸收，導(dǎo)致磷肥利用效率 不高。

3.3 高磷土壤上小麥磷肥管理

磷在土壤中較為穩(wěn)定，移動性較弱，磷肥施入到土壤中大部分被固定，可以提高土壤磷素肥力。但長期過量施用會增加土壤磷損失風(fēng)險，導(dǎo)致磷的面源污染。因此，合理的磷肥施用量應(yīng)根據(jù)作物產(chǎn)量與土壤肥力或供磷能力進行選擇，同時還要考慮施磷帶來的環(huán)境風(fēng)險。本研究在高磷土壤上，實現(xiàn)小麥最高產(chǎn)量的施磷量與一些低磷土壤上的推薦量比較接近，但與低磷土壤側(cè)重于提高磷素肥力不同，在管理上應(yīng)注意控制污染風(fēng)險。根據(jù)磷素衡量監(jiān)控原理，在不同土壤供磷能力下，磷素管理分別采取相應(yīng)的控制、維持、提高策略，在具體田塊上應(yīng)根據(jù)土壤供磷水平和磷平衡狀況確定磷肥施用量。本試驗條件下，土壤速效磷含量為49.1 mg·kg，供磷能力較強，磷素管理應(yīng)采取維持或控制的策略，因此磷肥投入量應(yīng)該低于作物收獲帶走量，從磷素平衡的角度來看，磷肥用量不宜大于90 kg·hm。

4 結(jié) 論

本研究條件下，高磷土壤上小麥產(chǎn)量隨磷肥施用量增加呈先增后降趨勢，施磷量兩年分別達到90和135 kg·hm后增加磷肥投入沒有進一步顯著提高產(chǎn)量。施磷90 kg·hm時提高了開花期和收獲期干物質(zhì)積累量，施磷量進一步增加后干物質(zhì)累積無顯著提高，各器官均表現(xiàn)出相似趨勢。施磷90～135 kg·hm可提高小麥花前貯存干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率，促進花前積累物質(zhì)在花后向籽粒轉(zhuǎn)運。拔節(jié)期以前吸磷量隨施磷增加呈增加趨勢，開花期和收獲期均以90 kg·hm施磷量最高，花后各器官及植株總磷轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率也相對較高。施磷量在90 kg·hm可以維持較高的磷肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率、表觀回收率，保持土壤磷素平衡，高施磷量則導(dǎo)致土壤磷素盈余過多。