基于產量和養分含量的旱地小麥施磷量和土壤有效磷優化

馬清霞，王朝輝,2，惠曉麗，張翔，張悅悅，侯賽賓，黃寧，羅來超，張世君，黨海燕

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基于產量和養分含量的旱地小麥施磷量和土壤有效磷優化

馬清霞1，王朝輝1,2，惠曉麗1，張翔1，張悅悅1，侯賽賓1，黃寧1，羅來超1，張世君1，黨海燕1

（1西北農林科技大學資源環境學院/農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2西北農林科技大學/旱區作物逆境生物學 國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

【目的】探討長期定位施磷條件下小麥產量、土壤有效磷水平及籽粒養分含量變化，為旱地小麥合理施用磷肥，提高產量、改善品質提供理論依據。【方法】基于2004年在黃土高原開始的長期定位試驗，于2014—2015、2015—2016和2016—2017連續3年取樣，研究不同施磷量對小麥產量，生物量，產量構成，籽粒氮、磷、鉀含量，土壤有效磷含量及磷吸收利用的影響。【結果】與不施磷相比，長期施磷使小麥產量平均提高67%，生物量提高58%，穗數和穗粒數分別增加64%和8%，而千粒重降低7%。施磷量與小麥產量、生物量呈拋物線關系，獲得最高產量6 465 kg·hm-2的施磷量為144 kg P2O5·hm-2。籽粒氮含量隨施磷量增加而降低，磷和鉀含量隨施磷量增加而提高。土壤有效磷含量與施磷量呈顯著正相關，小麥獲得最高產量時播前和成熟期有效磷含量分別為16.9和20.4mg·kg-1。磷吸收利用效率隨施磷量增加而降低，施磷量提高50 kg P2O5·hm-2，需磷量增加0.4 g·kg-1，磷收獲指數降低1.3%，生理效率降低45.1 kg·kg-1。【結論】綜合考慮小麥的籽粒產量和關鍵養分含量，研究區域旱地小麥應以95%的最高產量為實際生產目標，施磷量為94 kg P2O5·hm-2，播前土壤有效磷為12.0 mg·kg-1，成熟期為13.8 mg·kg-1。

旱地；冬小麥；施磷量；有效磷；產量構成；養分含量；黃土高原

0 引言

【研究意義】小麥是我國主要糧食作物，種植面積占糧食種植面積的22%，其中70%為旱地小麥，產量占小麥總產20%以上。近幾十年來，為了保證糧食高產增產，我國磷肥用量由1980年的273萬噸增加至2015年的843萬噸，增加了3倍，在作物增產中也發揮了重要作用[1]。山西聞喜4年的田間試驗表明，旱地小麥施磷增產率可達20.1%[2]。陜西楊凌12年田間試驗表明，單施磷肥較不施肥小麥產量平均提高15%，氮磷配施增產率達46%[3]。新疆、北京、河南、陜西和湖南5個省份不同土壤類型和氣候條件下15年施肥試驗的分析表明，增施磷肥較單施氮鉀肥小麥和玉米分別增產206%和85%[4]。但磷肥的當季利用率并不高，僅為10%—20%，大部分被吸附、固持，殘留在土壤中[5]，直接導致土壤磷盈余[6-7]。如果土壤長期處于磷盈余狀態，會增加土壤磷素向水體流失的風險，威脅環境[8-9]。目前我國過量施磷現象普遍存在，連續5年的調研表明，渭北旱地1 261個調研農戶中70.9%—99.3%的施磷過量[10]。可見，磷肥對農業增產和可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】土壤中速效磷含量與小麥產量密切相關。25年的定位試驗表明，潮土區小麥玉米輪作系統，小麥收獲后土壤有效磷為13.1 mg·kg-1時，小麥獲得最高產量的95%[11]。22年定位試驗也發現，北京昌平小麥玉米輪作系統土壤有效磷為12.5 mg·kg-1時，小麥玉米均達到高產；但土壤有效磷超過30.6 mg·kg-1時，易發生磷淋失污染環境[8]。33年的定位試驗表明，太湖流域小麥水稻輪作系統中，土壤有效磷為4.08 mg·kg-1時，水稻小麥達到高產[12]。不同土壤的冬小麥-夏玉米一個輪作周期的盆栽試驗表明，小麥達到高產時有效磷為13.1—26.2 mg·kg-1，土壤磷素淋失安全值為39.3 mg·kg-1。不同地區研究資料的總結分析認為，潮土、灰漠土、灌淤土等易發生磷素淋溶的堿性土壤，達到高產時土壤有效磷應控制在12—20 mg·kg-1；紅壤等酸性土壤，應控制在20—40 mg·kg-1；土等石灰性土壤，應控制在20—40 mg·kg-1[13]。【本研究切入點】可見，目前的研究主要集中在磷肥的增產效應和環境效應、土壤有效磷與產量的關系，以及磷的環境安全閾值，缺乏從作物高產優質和土壤環境安全的角度出發，對施用磷肥與土壤養分及作物產量和營養品質關系的研究。【擬解決的關鍵問題】本研究通過磷用量長期定位試驗，研究渭北旱塬不同磷肥用量條件下旱地冬小麥產量和土壤速效磷變化，意在明確長期不同施磷量條件下：（1）土壤有效磷含量變化及其與小麥產量和氮、磷、鉀等養分含量的關系；（2）冬小麥養分吸收利用的變化；（3）冬小麥達到高產優質的土壤速效磷水平，與之對應的施磷量。（4）為渭北旱地小麥合理施肥和豐產優質綠色生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗位于黃土高原南部陜西楊凌西北農林科技大學農作一站（34°16′ N, 108°04′ E）。該站地處渭河三級階地，海拔為525 m，多年平均氣溫12.9℃，年平降水量約562 mm，40.1%降水分布在冬小麥收獲后7—9月的夏季休期（圖1），多年平均蒸發量為1 400 mm，農作物生產主要依賴自然降水，屬典型的旱作雨養農業地區。試驗區地勢平坦，供試土壤為土墊旱耕人為土，耕層（0—20 cm）土壤的基本理化性狀如表1。試驗始于2004年10月，到2017年已經持續13年，由不同施磷量導致的土壤養分變化已達到相對穩定，因此本研究基于該長期定位試驗，選取2014—2017年3個小麥生長季進行取樣，以分析研究長期施用不同數量的磷肥引起的土壤有效磷、小麥產量和養分含量變化。

1.2 試驗設計

本試驗采用單因素完全隨機區組試驗設計，在施 氮量160 kg N·hm-2的基礎上，設置5個磷水平：0、50、100、150和200 kg P2O5·hm-2（用P0、P50、P100、P150、P200表示），重復4次，以尿素（N含量46%）為氮源，重過磷酸鈣（P2O5含量46%）為磷源，無其他肥料施入，所有肥料均于小麥播前一次性撒施、旋耕與根層土壤混勻。供試冬小麥品種為小偃22，2014—2015、2015—2016、2016—2017年3個小麥生長年份的播量分別為135、135和125 kg·hm-2，行距15 cm，播深5 cm。耕作制度為冬小麥-夏休閑，2014年10月9日、2015年10月9日、2016年10月18日播種，2015年6月6日、2016年6月4日、2017年6月1日收獲。小麥生育期內無灌溉，田間管理與當地農戶一致。

圖1 2014—2017年休閑期（7—9月）和冬小麥生長季（10—6月）降水量

表1 長期磷用量試驗2004年開始和2016年小麥播前0—20 cm土層的基本化學性狀

2004年指試驗開始前土壤基本化學性狀，其他數據為2016年播前土壤的相關數據，“CK”指無任何肥料投入的處理。下同

2004 refers to the basic chemical properties in October 2004 when the long-term phosphorus experiment was initiated, and others are that measured in October 2016. Treatments were defined with the letter of P+numbers, which means P2O5plus its application rate (kg·hm-2) with 160 kg N·hm-2, and “CK” means the treatment with no fertilizer input. The same as below

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品采集與測定 小麥播前、拔節、開花、成熟期，分別以0—20 cm為一層，每小區5點，采集0—40 cm土層的土壤，同層樣品剔除根系等雜物后混勻取500 g，作為一個分析樣品，剩余土壤按層次回填各取樣點，并壓實。

采回的新鮮土樣捏碎、混勻，采用烘干法測定含水量[14]。稱取5.00g鮮土，加入1 mol·L-1KCl溶液50 mL，180 r/min下振蕩1 h，過濾后用連續流動分析儀（AA3，德國）測定硝態氮和銨態氮。剩余土樣風干，過1 mm篩保存后取部分過0.15 mm篩。播前土樣有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；pH用水土比2.5﹕1浸提，pH計測定；全氮采用濃硫酸消煮，連續流動分析儀測定；各生長期土樣的速效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，連續流動分析儀測定，速效鉀用1 mol·L-1中性NH4OAc溶液浸提，火焰光度計法測定[15]。

1.3.2 植物樣品的采集與測定 小麥成熟時，在每個小區避開邊界隨機均勻選擇4個1 m2（1 m×1 m）的樣方，收割地上部，裝入網袋，自然風干，機械脫粒，稱取籽粒風干重，并取樣在65℃下烘至恒重，測定含水量，計算籽粒產量（以干重表示）。樣方收獲的同時，采用盲抽法在每個小區的采樣區隨機抽取100穗的小麥植株，連根拔起，用剪刀剪去根系，地上部分為穗和莖葉，分別裝入網袋，作為分析樣品[16]。

植株樣帶回后自然風干，人工脫粒，將穗分為籽粒和穎殼，取部分莖葉、穎殼、籽粒用自來水清洗3次，去離子水洗3次后，90℃烘30 min后降至65℃烘至恒重，測定風干樣品的含水量。烘干樣品用碳化鎢球磨儀（Retsch MM400，德國）粉碎，密封保存，用于測定養分含量。植物營養品全氮磷鉀用H2SO4-H2O2消解，全氮全磷用連續流動分析儀測定，全鉀用火焰光度計測定。

1.4 數據處理

地上部養分吸收量=籽粒養分含量×籽粒產量+莖葉養分含量×莖葉生物量+穎殼養分含量×穎殼生物量/1000[17]；

肥料偏生產力=施肥小區作物產量/施肥量；

養分收獲指數（%）=籽粒養分吸收量/地上部養

分吸收量×100[18]；

籽粒產量形成的磷生理效率=產量/地上部吸磷量[17]；

需磷量=地上部吸磷量/產量×1000。

以上公式中養分含量單位為g·kg-1；養分吸收量單位為kg·hm-2；肥料偏生產力單位為kg·kg-1；生理效率單位為kg·kg-1；養分需求量單位為g·kg-1；生物量、產量單位為kg·hm-2。

試驗數據處理和圖表制作采用Microsoft Excel 2007，統計分析采用SPSS Statistics 22.0，多重比較采用LSD（Least Significant Difference）法，差異顯著水平為0.05（＜0.05）。

2 結果

2.1 長期施磷對旱地小麥產量、生物量、收獲指數的影響

長期不同施磷量對旱地小麥產量有顯著影響（圖2-a）。與不施磷相比，施磷顯著提高了小麥產量，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2平均分別增產55.9%、70.6%、68.8%和71.9%；施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，各施磷處理間差異不顯著。回歸分析表明，3年的平均產量隨施磷量增加呈拋物線變化，施磷144 kg P2O5·hm-2時，與不施磷相比增產78%，達最高產量6 465 kg·hm-2。施磷150和200 P2O5·hm-2時，與144 kg P2O5·hm-2相比，產量下降3%—5%。不同年份間產量存在顯著差異，2015年產量顯著高于2016和2017年，不施磷時2015年的產量較其他兩年平均高出68.3%，施磷時較平均高出20.9%。

圖中2015、2016、2017年分別表示2014—2015、2015—2016、2016—2017年3個小麥生長年份；小寫字母表示各處理3年平均值有顯著差異（P＜0.05）；大寫字母表示年際平均值間有顯著差異（P＜0.05）。豎線表示LSD0.05, 即同一施磷量兩點間距離大于豎線長度表示同一處理年際間達到95%的顯著水平。下同

冬小麥生物量對長期不同施磷量的響應與產量相似（圖-b），施磷顯著增加了小麥生物量，較不施磷平均增加57.7%；施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，生物量不再顯著增加。相關分析表明，隨施磷量增加，平均生物量也呈現拋物線變化，施磷147 kg P2O5·hm-2時，生物量最大，為14 653 kg·hm-2。2015年生物量也顯著高于2016和2017年，年際間差異顯著。

施磷顯著提高了小麥的收獲指數（圖2-c），不施磷時收獲指數平均為42.2%，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2，3年平均分別為44.3%、44.6%、44.6%和44.1%，平均增加5.2%，各施磷量間收獲指數差異不顯著。施磷量與收獲指數間無顯著相關關系。2016年收獲指數顯著高于2015年和2017年，平均分別為49.0%、41.5%和41.4%。

可見，施磷顯著增加了小麥產量和生物量，但施磷量超過100 kg P2O5·hm-2時，產量和生物量增加不再顯著。施磷提高了小麥收獲指數，但施磷量超過50 kg P2O5·hm-2時，收獲指數增加不再顯著。年際間產量、生物量、收獲指數存在顯著差異。

2.2 長期施磷對旱地小麥穗數、穗粒數和千粒重的影響

長期不同施磷量對小麥穗數的影響顯著。試驗結果表明（表2），施磷顯著增加小麥的穗數，與不施磷比較，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2分別增加43%、64%、74%和76%；施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，各施磷處理間差異不顯著。回歸分析表明，施磷177 kg P2O5·hm-2時，穗數最大為568萬穗/hm2（=317.667+2.832-0.0082，2=0.450）。年際間差異顯著，2015年穗數顯著高于2016和2017年，平均分別高出144和230萬穗/ hm2。

施磷提高了小麥穗粒數（表2）。不施磷小麥穗粒數3年平均為31粒/穗，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2時，穗粒數分別為34、34、33和33粒/穗，施磷量間無顯著差異。相關分析表明，小麥穗粒數與施磷量無顯著相關關系。年際間差異不顯著。

小麥千粒重隨施磷量的增加而降低（表2），施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2較不施磷降低1.3%、5.7%、9.4%和9.6%。各施磷量間無顯著差異，施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，與不施磷相比顯著降低。相關分析表明，施磷量與小麥千粒重無顯著相關性。2016年千粒重顯著高于2015和2017年，平均為14.8%和13.3%，前兩者間差異不顯著。

總之，施磷增加了小麥穗數和穗粒數，降低了小麥千粒重。施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，穗數不再顯著增加，各施磷量間穗粒數無顯著差異。施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，千粒重顯著降低。年際間穗數、穗粒數、千粒重存在差異。

2.3 長期施磷對旱地小麥籽粒氮、磷、鉀養分含量的影響

長期施磷顯著降低了小麥籽粒氮含量（圖3-a）。不施磷籽粒3年平均氮含量為23.4 g·kg-1，施磷時為21. 9 g·kg-1，降低7.1%，施磷量間無顯著差異。回歸分析表明，施磷150 kg P2O5·hm-2時，籽粒氮含量達到最小值21.7 g·kg-1，年際間無顯著差異。

小麥籽粒磷含量隨施磷量的變化與氮不同（圖3-b），不施磷時平均為1.9 g·kg-1，施磷后含量顯著增加，施磷50—200 kg·hm-2，平均增加0.3—1.0 g·kg-1，增幅為13.6%—50.3%。回歸分析表明，施磷200 kg P2O5·hm-2時磷含量最高為2.9 g·kg-1。年際間差異顯著，2017年籽粒磷含量顯著高于2015和2016年，分別為1.1和1.3倍。

籽粒鉀含量隨施磷量增加而增加（圖3-c）。不施磷3年平均含量為3.1 g·kg-1，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2時為3.1、3.5、3. 5和3.5 g·kg-1，平均增加8.4%；施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，差異不顯著。相關分析表明，籽粒鉀含量與施磷量間無顯著相關。年際間有顯著差異，2015年籽粒鉀含量顯著高于2016和2017年，施磷平均高出1.0和0.6 g·kg-1，不施磷高出0. 7和0.5 g·kg-1。

施磷促進了小麥籽粒磷、鉀含量的增加，降低了籽粒氮含量，籽粒氮、磷含量與施磷量間極顯著相關，但施磷超過100 kg P2O5·hm-2，磷含量和鉀含量無顯著增加；年際間磷、鉀含量差異顯著，氮含量無顯著差異。

表2 施磷量對小麥穗數、穗粒數和千粒重的影響

表中2015、2016、2017年分別表示2014—2015、2015—2016、2016—2017年3個小麥生長年份；同一列的小寫字母表示同一年份不同處理間或不同年份處理平均值間差異顯著（＜0.05）；同一列的大寫字母表示年際間平均值差異達到5%顯著水平；*與**分別表示在＜0.05和＜0.01時差異顯著。下同

2015, 2016 and 2017 in table represent the year of wheat growth in 2014-2015, 2015-2016 and 2016-2017, respectively. Different lowercase letters in the same column show significant differences among treatment averages in a year or those over the 3 experimental years at＜0.05; Different uppercase letters in the same column show significant differences among averages over treatments in a year at＜0.05. “*” indicates statistical significance of variance at＜0.05 and “**” indicates significance at＜0.01. the same as below

2.4 長期施磷對旱地小麥磷素吸收利用的影響

長期定位試驗（表3）表明，吸磷量隨施磷量增加不斷提高，不施磷時3年平均吸磷量為8.0 kg·hm-2，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2，為14.0、19.8、20.2和22.0 kg·hm-2，增幅達75%—175%；施磷量間差異顯著，且吸磷量與施磷量呈極顯著正相關（=0.738，＜0.01）。回歸分析表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，吸磷量增加3.4 kg·hm-2（=0.068+9.948）。年際間吸磷量存在差異，2015年顯著高于2016和2017年，平均分別為21.1、12.9和16.4 kg·hm-2。

磷收獲指數（表3）隨施磷量增加而降低，年際間平均結果表明，施磷50 kg P2O5·hm-2時，與不施磷相比差異不顯著；施磷100、150和200 kg·hm-2時，分別顯著降低2.8%、4.3%和6.1%。磷收獲指數與施磷量間呈顯著負相關（=-0.344，=0.07）。回歸分析（=- 0.026+88.44）表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，磷收獲指數減少1.3%。磷收獲指數年際間差異顯著，為2016年處理＞2017年處理＞2015年處理，平均分別為90.8%、86.0%和80.7%。

圖3 施磷量與小麥籽粒N、P、K養分含量的關系

Fig. 3 Effects of P rates on winter wheat grain N, P, and K concentrations

磷生理效率隨施磷量的增加而顯著降低（表3），不施磷時生理效應3年平均為464.1 kg·kg-1，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2，分別為417.3、323.5、310.6和291.0 kg·kg-1，比不施肥顯著降低10.1%、30.3%、33.1%和37.1%。磷生理效率與施磷量顯著負相關（=-0.770，＜0.01）。回歸分析表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，生理效率降低45.1 kg·kg-1（=-0.902+ 451.7）。磷生理效率年際間存在差異。

與收獲指數和生理效率不同，需磷量與施磷量呈極顯著正相關（=-0.746，＜0.01），不施磷時3年平均需磷量為2.2 kg·hm-2，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2時，需磷量分別為2.4、3.2、3.3和3.6 g·kg-1，比不施肥顯著增加9.1%、45.5%、50.0%和59.1%。回歸分析表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，需磷量增加0.4 g·kg-1（=0.007+2.208）。2015、2017年比2016年需磷量高出28.3%和29.7%，差異顯著。

試驗結果表明，磷肥偏生產力隨施磷量的增加顯著降低。施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2時，3年平均為113.4、62.0、40.9和31.3 kg·kg-1。回歸分析（=0.0042-1.576+180.8）表明，施磷197 kg P2O5·hm-2時，磷肥偏生產力最小，為51.1 kg·kg-1。年際間存在差異。

綜上可見，小麥吸磷量和需磷量隨施磷量差異顯著，2015年顯著高于2016和2017年，平均高出14.4和15.0 kg·kg-1，后兩年間無顯著差顯著增加，磷收獲指數、生理效率和偏生產力均與施磷量呈顯著負相關，施磷量間差異顯著。年際間均存在差異。

2.5 長期施磷對0—20 cm土層有效磷含量的影響

土壤有效磷含量隨小麥生育時期變化。試驗（圖4）表明，播前、拔節期、開花期和成熟期3年平均值為12.6、21.2、19.4和14.5 mg·kg-1，與拔節期相比，開花期、成熟期平均分別降低8.5%和31.6%，成熟期有效磷含量與播前相近。有效磷與施磷量呈極顯著正相關。播前和開花期土壤有效磷含量的平均值施磷量間的差異顯著，拔節期和成熟期施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，施磷量間無顯著差異。回歸分析表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，播前土壤有效磷增加5.0 mg·kg-1。拔節期增加10.7 mg·kg-1、開花期增加7.8 mg·kg-1、成熟期增加6.8 mg·kg-1。開花期土壤有效磷年際間差異較小，其他時期差異較大，特別是當施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，年際間變異更大，播前、拔節期和成熟期最大差值分別為11.3、23.1和16.3 mg·kg-1，比開花期高出41%、202%和113%。

可見，小麥不同生育期有效磷含量有差異，拔節期后，土壤有效磷逐漸降低。有效磷隨施磷量顯著增加，播前、開花期施磷量間差異均顯著；拔節期、成熟期施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，無顯著差異。除開花期外，其他時期年際間存在差異，施磷超過100 kg P2O5·hm-2時，差異更大。

2.6 施磷量與冬小麥產量、土壤有效磷的關系

綜合分析施磷量、土壤有效磷含量與小麥產量（圖5）表明，在施磷量為144 kg P2O5·hm-2時，有最高產量6 465 kg·hm-2，達到最大產量時，播前和成熟期的土壤有效磷分別為16.9和20.4 mg·kg-1。如果產量降低5%，施磷量將降低65%，僅為94 kg P2O5·hm-2，播前和成熟期的土壤有效磷分別為12.0 和13.8 mg·kg-1。可見，以最高產量的95%為實際生產目標優化磷肥用量和維持土壤有效磷水平更為合適。

表3 施磷量對小麥磷吸收利用的影響

圖4 施磷量與不同時期土壤速效磷含量的關系

圖5 施磷量、產量及土壤有效磷含量之間的關系

3 討論

3.1 施磷量與小麥產量的關系

研究表明，旱地條件下，小麥產量與施磷量呈拋物線型關系，最大產量施磷量為144 kg P2O5·hm-2。陜西30個縣的大量數據分析表明，小麥最高產量施磷量為168 kg P2O5·hm-2[19]；山西聞喜旱地試驗表明，施磷量超過150 kg P2O5·hm-2，小麥產量有下降趨勢[2]；在巴基斯坦旱地的研究表明，施磷顯著提高冬小麥產量，但超過81 kg P2O5·hm-2時，產量不再持續增加[20]。可見，小麥最高產量的施磷量因地區而異。這主要與小麥產量和土壤有效磷水平有關。在本試驗中，最高產量6 465 kg·hm-2對應的播前土壤有效磷為16.9 mg·kg-1，陜西全省小麥產量平均最高為6 455 kg·hm-2、土壤有效磷為18.5 mg·kg-1[19]，山西聞喜分別4 694 kg·hm-2和12.3 mg·kg-1[2]，巴基斯坦旱地最高產量為3 940 kg·hm-2、土壤有效磷為8.0 mg·kg-1[20]。由此可知，小麥最適施磷量受土壤有效磷和產量水平影響，有效磷含量高、產量水平高的情況下，最適施磷量也相對較高。

從干物質累積與轉移及產量構成來看，施磷顯著增加了小麥生物量和收獲指數，過量施磷收獲指數雖無顯著變化，生物量卻降低；適量施磷提高了小麥穗數和穗粒數，降低了千粒重；過量施磷時，穗數雖無顯著變化，穗粒數和千粒重卻下降，因此，干物質累積及其向籽粒的轉運增加、穗數和穗粒數提高是合理施磷小麥增產的主要原因，干物質累積降低、穗粒數和千粒重下降是過量施磷導致小麥減產的主要原因。過量施磷會增加小麥生長后期地上部干物質損失[21]，是過量施磷情況下小麥生物量降低的重要原因。黃土高原的另一長期定位試驗也表明，施磷180 kg P2O5·hm-2時，小麥穗數、穗粒數和千粒重分別提高34%、3%和3%，小麥增產44%[22]。山東泰安的研究表明，增施磷肥使小麥穗數、穗粒數和千粒重分別提高21%、17%和0.2%，增產45%[23]。豫北高產麥區的研究表明，施磷180 kg P2O5·hm-2，穗數和千粒重分別提高9%和5%，穗粒數無明顯變化，小麥因此增產7%[24]。可見，合理施磷對小麥產量構成的影響因地區而異，但多數情況下是穗數和穗粒數起主要作用。

本試驗中，2015年產量顯著高于2016和2017年。這可能與年際間降水差異有關，2015年的降水量比2016和2017年高出35%和6%，小麥穗數分別提高63%和32%，地上部生物量提高52%和31%。可見降水量增加有利于穗數增加和地上部干物質累積，從而提高產量。山西臨汾28年降水量與產量關系的也研究表明，降水量與小麥株高和有效穗數顯著正相關[25]。可見，旱地條件下，降水多少是制約產量的關鍵因素，降水增加有利于作物產量提高[26-27]。

3.2 施磷量與小麥養分吸收利用的關系

研究表明，籽粒氮含量隨施磷量增加而降低，施磷150 kg P2O5·hm-2時達最低，為21.7 g·kg-1；磷含量與施磷量呈拋物線關系，施磷200 kg P2O5·hm-2時最高，為2.9 g·kg-1，鉀含量與施磷量無顯著相關。通常認為，產量增加引起的養分稀釋效應是導致小麥籽粒氮含量降低的原因[28]。本研究中，施磷使小麥平均增產67%，而吸氮量增加56%，吸磷量提高126%，吸鉀量提高78%，因此產量對籽粒氮的稀釋效應使其含量降低，對磷的濃縮效應使含磷量提高，而對鉀沒有影響。河南潮土的長期定位試驗表明，小麥籽粒含磷量隨施磷量大幅增加[11]；沈陽潮棕壤的定位試驗表明，施磷促進玉米磷素吸收，籽粒含磷量與施磷量極顯著正相關，含鉀量無顯著變化[29]。與本研究結果一致。

本研究還表明，與不施磷相比，施磷量提高50 kg P2O5·hm-2，需磷量增加0.4 g·kg-1，磷肥偏生產力、收獲指數、生理效率分別降低51.4 kg·kg-1、1.3%和45.1 kg·kg-1。浙江的田間試驗表明，水稻的需磷量也隨施磷量增加而提高，每增加18 kg P2O5·hm-2，需磷量平均提高1.3 g·kg-1，磷收獲指數下降1.5%[30]。遼河平原灰色草甸土的春玉米試驗表明，隨施磷量增加，磷肥偏生產力顯著降低，施磷150、200 kg P2O5·hm-2與100 kg P2O5·hm-2相比，分別降低41.5和62.5 kg·kg-1[31]。河北保定的試驗也表明，小麥的磷肥偏生產力和生理效率均與施磷量呈負相關，施磷量提高120 kg P2O5·hm-2，磷肥偏生產力和生理效率分別下降31.6 kg·kg-1和7.8 kg·kg-1[32]。豫西丘陵旱區研究表明，施磷量提高50 kg P2O5·hm-2，小麥需磷量增加0.2 g·kg-1，磷收獲指數、偏生產力和利用效率分別下降1.3%、32.8 kg·kg-1和16.2 kg·kg-1[33]。可見，隨施磷量增加，小麥的需磷量增加，磷肥偏生產力、收獲指數和生理效率降低。

3.3 施磷量、土壤有效磷與小麥產量及品質的關系

研究表明，土壤有效磷含量隨生育期變化，播前最低，拔節期之后逐漸降低，成熟期含量與播前接近，4四個時期的有效磷含量均與施磷量極顯著正相關。北京昌平的長期定位試驗也表明，小麥拔節期后土壤有效磷降低，拔節期和抽穗期有效磷含量均隨施磷量顯著增加[34]，埃塞俄比亞旱地小麥施肥研究也表明，土壤有效磷含量均隨施磷量增加，超過69 kg P2O5·hm-2時，不再增加[35]。可見，施磷提高小麥產量的同時，也提高了土壤有效磷。在本研究中，維持小麥高產的播前、拔節期、開花期和成熟期土壤有效磷含量分別為16.9、23.9、26.2和20.4 mg·kg-1。北京昌平、河南鄭州和陜西楊凌15年長期施磷試驗表明，玉米-小麥輪作系統中小麥分別達到高產2 914、5 984和5 184 kg·hm-2時，播前土壤有效磷分別為19.0、12.5、和17.3 mg·kg-1[4,36]。黑龍江哈爾濱、湖南祁陽、陜西楊凌和四川重慶各地區研究表明，除哈爾濱地區小麥產量與有效磷無顯著相關性外，祁陽、楊凌和重慶小麥分別達到平均高產1 807、5 808和3 430 kg·hm-2時，收獲期土壤有效磷分別為12.7、16.1和11.1 mg·kg-1[9]。法國布魯茲研究表明，土壤有效磷臨界含量隨作物高產水平而異，小麥達到高產5 364 kg·hm-2時，播前土壤有效磷平均為7.8 mg·kg-1[37]。可見，小麥高產的土壤有效磷水平因土壤、氣候、產量水平等因素而異。從本研究結果來看，實現小麥最高產量6 465 kg·hm-2的播前土壤有效磷為16.9 mg·kg-1，收獲期為20.4 mg·kg-1，施磷量應為144 kg P2O5·hm-2，此時籽粒氮含量為21.0 g·kg-1、磷含量2.6 g·kg-1、鉀含量3.3 g·kg-1，處于較高水平。我們之前的研究表明，小麥籽粒關鍵微量營養元素鋅含量與施磷量呈極顯著負相關，施磷量每增加100 kg P2O5·hm-2，籽粒鋅下降9.2 mg·kg-1[38]。由此推斷，如果生產中的目標產量為最高產量的95%，即6 141 kg·hm-2時，小麥籽粒鋅含量可提高16.9%，由27.1 mg·kg-1提高為31.7 mg·kg-1；同時由于磷含量降低到1.2 g·kg-1，籽粒磷/鋅比也隨之降低60.5%，鋅的生物有效性顯著提高；而籽粒氮含量仍可維持在21.9 g·kg-1，鉀含量為2.9 g·kg-1。

4 結論

適量施磷在提高旱地小麥生物量和籽粒產量的同時，也提高了土壤有效磷含量；長期過量施磷會引起生物量和產量下降，導致籽粒氮含量和品質降低，影響磷素吸收和利用效率降低。在黃土高原旱地，為使小麥生產的目標產量達到6 141 kg·hm-2的高產水平，同時維持籽粒鋅含量在31.7 mg·kg-1、氮含量21.9 g·kg-1、磷含量1.2 g·kg-1、鉀含量2.9 g·kg-1的較高水平，播前土壤有效磷應為12.0 mg·kg-1、成熟期為13.8 mg·kg-1，施磷量為94 kg P2O5·hm-2。

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Optimization of Phosphorus Rate and Soil Available Phosphorus Based on Grain Yield and Nutrient Contents in Dryland Wheat Production

MA QingXia1, WANG ZhaoHui1, 2, HUI XiaoLi1, ZHANG Xiang1, ZHANG YueYue1, HOU SaiBin1, HUANG Ning1, LUO LaiChao1, ZHANG ShiJun1, DANG HaiYan1

(1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi;2Northwest A&F University/ State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】It is of great importance to explore the wheat grain yield, soil available phosphorus (P) and grain nutrient contents under a long term P application at different rates, for the purpose of appropriate P application, wheat yield increase and improvement of nutritional quality in drylands.【Method】Field experiments were conducted to investigate the effects of different phosphorus (P) rates on wheat yield, biomass, yield components, grain nitrogen (N)-, P- and potassium (K)-contents, soil available P content, and P absorption and utilization, based on the long-term fixed field experiment which was initiated in 2004 in the Loess Plateau. Soil and plant samples were collected in the consecutive experimental years of 2014-2015, 2015-2016 and 2016-2017. 【Result】The three-year averaged results showed that long-term application of P increased wheat yield, biomass, spike number and grains per spike by 67%, 58%, 64% and 8%, respectively, while 1000-grain weight was decreased by 7% compared with no P application. The wheat yield and biomass were quadratically correlated with the P rate, and the maximum wheat yield was 6 465 kg·hm-2at P rate of 144 kg P2O5·hm-2. The P and K content of grain increased with the P rate increasing, while the N content showed an opposite trend. There was a significant positive correlation between the soil available P content and the P rate. The soil available P was 16.9 mg·kg-1at sowing and 20.4 mg·kg-1at harvest when the maximum yield was occurred. The P absorption and utilization efficiency decreased with the increased of P rate. For each 50 kg P2O5·hm-2increment, the P requirement increased by 0.4 g·kg-1for the grain yield formation, while the P harvest index and the P physiological efficiency decreased by 1.3% and 45.1 kg·kg-1, respectively. 【Conclusion】By balancing the wheat grain yield and key nutrient contents, the target grain yield should be 95% of the maximum yield in drylands of the experimental area, and the corresponding P application rate should be kept at 94 kg P2O5·hm-2, the available P at 12.0 and 13.8 mg·kg-1at sowing and harvest, respectively.

dryland; winter wheat; phosphorus application; available phosphorus; yield components; nutrient concentration; Loess Plateau

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.01.008

2018-05-21；

2018-08-15

國家現代農業產業技術體系建設專項（CARS-3）、國家公益性行業（農業）科研專項（201303104）

馬清霞，E-mail：1821137433@qq.com。通信作者王朝輝，E-mail：w-zhaohui@263.net

（責任編輯 李云霞）