施磷對滴灌苜蓿干草產量及磷素含量的影響

孫艷梅，劉選帥，張前兵*，吳昊，張新田，苗曉茸，劉俊英，于磊，馬春暉*

(1.石河子大學動物科技學院，新疆 石河子 832003；2.新疆生產建設兵團畜牧獸醫工作總站，新疆 烏魯木齊 830001)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生優質豆科牧草，具有產草量高、營養品質好、適應性廣等特點，被譽“牧草之王”，且種植苜蓿具有提高土壤肥力、改善土壤鹽漬化的效果[1-3]，然而苜蓿產量和營養品質受磷含量的影響[4]，磷是植物體內部不可或缺的營養元素，構成植物生物膜并參與一些生物化學活動[5]，故施磷對提高苜蓿產量和改善營養品質具有極其重要的意義。

有研究報道，新疆的灰漠土是典型的缺磷土壤，有效磷含量很低，其含量不到全磷含量的1%[6]。且全磷含量從1980-2014年呈下降趨勢[7]，研究表明，適當施磷肥能夠提高苜蓿干草產量[8]，但磷肥施入土壤后，容易被金屬離子固定[9]，降低其移動性。同時，在實際生產中施入土壤的磷肥大部分在當季不能全部被利用，苜蓿的磷素利用效率僅為5%～25%[10-11]，剩下的磷則以難溶性磷的形式殘留在土壤中，使土壤中磷富集，在限制苜蓿生長發育的同時，造成土壤的磷污染。土壤中能被苜蓿所利用的磷主要為土壤有效磷，土壤有效磷含量與磷素利用效率密切相關，而肥料利用率的高低是衡量施肥是否合理的一項重要指標，如何提高苜蓿磷素利用效率成為人們研究的熱點問題。研究表明，在大田施肥，可以有效提高土壤全磷、速效磷的含量，改善土壤肥力[12]。同時，施磷可以提高苜蓿的產草量[13]，且在一定范圍內施磷能夠增加苜蓿葉中磷含量[14]，但隨著施磷量的增加，磷素的利用率降低[15-16]。一次性施肥與土壤磷素接觸時間長，易于吸附成難溶性磷酸鹽，降低了磷素利用率，造成資源的浪費，而分次施肥能夠提高磷素利用率[15]。目前的研究主要集中在傳統灌溉模式下施磷對苜蓿產量、營養品質、磷素利用效率的影響等方面，而在滴灌條件下分次施磷對苜蓿植株吸磷量、磷素不同土層深度特征的影響鮮見報道，尤其是滴灌苜蓿不同茬次間的分次最優施磷模式未見報道，滴灌條件下苜蓿植株的磷素含量、吸磷量、磷素利用效率、干草產量之間的關系尚不明確。

因此，本試驗以滴灌苜蓿為研究對象，開展分次施磷對滴灌苜蓿吸磷量、磷素不同土層深度特征的影響研究，明確滴灌苜蓿磷素含量、吸磷量、磷素利用效率、干草產量之間的關系，探討滴灌條件下苜蓿不同刈割茬次間的最優施磷模式，以期為制定最優施磷模式進而提高苜蓿干草產量及營養品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在石河子農業示范園區試驗田(44°26′ N，85°95′ E)進行。土壤類型為灰漠土，土壤容重為1.48 g·cm-3，田間持水量為24.6%，土壤飽和體積含水量為29.2%，0～20 cm耕層土壤含有機質25.3 g·kg-1，堿解氮72.6 mg·kg-1，全氮1.61 g·kg-1，速效磷16.3 mg·kg-1，全磷0.21 g·kg-1，速效鉀139.6 mg·kg-1，pH為7.75。前茬作物為棉花(Gossypiumspp.)。

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計，設4種施磷梯度，分別為施P2O50 kg·hm-2(CK)、50 kg·hm-2(P1)、100 kg·hm-2(P2)、150 kg·hm-2(P3)，3次重復，一共12個小區，每種施磷梯度平均分4次分別在返青后的分枝期、第1茬、第2茬、第3茬刈割后3～5 d施入，刈割共4茬，刈割具體時間2017年5月22日，6月26日，7月30日和9月23日。具體施肥時間分別為2017年4月29日，5月25日，6月28日和8月4日。所用磷肥為水溶性較好的磷酸一銨(含P2O552%，新疆天業集團有限公司生產)，采用“肥隨水走”的水肥一體化施肥方式，為整個生育期灌溉量為6750 m3·hm-2(滿足當地滴灌苜蓿高產的實際灌水量)，分8次進行灌溉，每茬刈割前8～10 d及刈割后3～5 d進行灌溉。具體灌溉時間分別為2017年4月29日，5月25日，6月18日，6月28日，7月20，8月4日，9月15日和9月26日。

試驗田于2015年4月19日播種，供試紫花苜蓿品種為巨能551(Magnum，來自北京克勞沃草業技術開發中心)，播種方式為人工條播，每個小區面積為8 m(長)×5 m(寬)=40 m2，苜蓿行間距為20 cm，播種量為18 kg·hm-2，播種深度為2.0 cm。滴灌帶淺埋于地表8～10 cm，滴灌帶間距60 cm，所用滴灌帶為內鑲式滴灌帶(北京綠源有限公司生產)，滴頭間距為20 cm。

1.3 測定指標及方法

1.3.1苜蓿干草產量 采用樣方法測定，在每茬苜蓿初花期(開花5%左右)隨機選取長勢均勻一致且能夠代表該小區長勢的苜蓿植株，以1 m×1 m為一個樣方，用剪刀剪取樣方內的苜蓿植株(留茬高度5 cm)，稱重，記錄苜蓿植株鮮草產量，3次重復；另取3份300 g左右鮮草樣品帶回實驗室，在烘箱中于105 ℃殺青30 min后，于65 ℃烘干至恒重，測定其含水率并折算出苜蓿干草產量(kg·hm-2)。具體計算公式如下：

干草產量=鮮草產量×(1-含水率)

(1)

1.3.2苜蓿植株磷素含量及吸磷量 在苜蓿干草產量測定的過程中，將取回的3份300 g左右鮮草樣品烘干后，進行莖葉分離后將其粉碎，用鉬銻抗比色法[17-18]測苜蓿植株葉片和莖稈磷含量。苜蓿植株吸磷量(kg·hm-2)計算公式如下：

吸磷量=植株磷含量×干草產量

(2)

1.3.3土壤磷素含量 在苜蓿干草產量測定的同時，采用“S”形取樣法，在每個小區用土鉆器采取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤樣品，其中不同土層深度均在一個地點采樣，5次重復，剔除苜蓿根段和石塊等雜質后帶回實驗室，于陰涼通風處陰干備用。土壤全磷(total phosphorus，TP)采用硫酸-高氯酸消煮法測定，有效磷(available phosphorus，AP)采用NaHCO3浸提鉬銻抗法測定[18]。

1.3.4磷素利用效率

磷素利用效率=(施肥區磷素吸收量-未施肥區磷素吸收量)/總施磷量×100%

(3)

1.4 數據處理分析

利用 Microsoft Excel 2007和DPS 7.05進行數據處理分析，采用新復極差法(Duncan)對數據進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 苜蓿植株葉片、莖稈磷含量

苜蓿植株葉片、莖稈磷含量如表1所示，苜蓿葉片磷含量隨施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，在P2處理達到最大值外，不同施磷處理其最大磷含量在0.224%～0.292%波動。各茬次均為施磷(P1、P2、P3)處理顯著大于不施磷(CK)處理(P<0.05)，P1、P3處理在第1茬、第3茬、第4茬差異均不顯著(P>0.05)。不同茬次間，隨刈割茬次的遞進，苜蓿葉片磷含量呈先增加后降低的趨勢，均在第3茬達到最大值。相同施磷處理及刈割茬次間，苜蓿植株葉片磷含量大于莖稈中磷含量。

苜蓿植株莖稈中磷含量均為隨著施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，其中4茬均在P2處理達到最大值，不同施磷處理其最大磷含量在0.151%～0.223%波動。除第3茬施磷(P1、P2、P3)與不施磷(CK)差異不顯著外，其他茬次施磷(P1、P2、P3)處理苜蓿植株莖稈磷含量均顯著大于不施磷(CK)處理(P<0.05)。隨著茬次的遞進苜蓿莖稈磷含量呈先增后減的趨勢。不施磷(CK)在第3茬取得最大值，數值為0.151%，施磷處理P1、P2苜蓿莖稈磷含量在第2茬取得最大值，數值分別為0.187%、0.223%，P3處理在第3茬達到最大值為0.184%。

表1 不同施磷條件下滴灌苜蓿葉片和莖稈磷含量 Table 1 Phosphorus concentration in leaf and stem of drip irrigation alfalfa under different phosphorus fertilizer treatment (%)

注：同列不同大寫字母表示在0.05水平上差異顯著，同行不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下同。

Note：Different capital letters within the same column mean significant difference at the 0.05 level, different small letters within the same row mean significant difference at 0.05 level. The same below.

2.2 苜蓿植株干草產量和吸磷量

不同施磷條件下滴灌苜蓿干草產量如表2所示，隨施磷量的增加，滴灌苜蓿干草產量各茬次間呈先增后減的趨勢，均在P2處理時達到最大，第1茬干草產量在P2與P3處理顯著大于P1、CK處理(P<0.05)，但P2與P3處理差異不顯著(P>0.05)。施磷(P1、P2、P3)處理苜蓿干草產量均顯著大于不施磷(CK)處理(P<0.05)。滴灌苜蓿總干草產量為P2處理最大，達到21.24 t·hm-2。不同茬次間，相同施磷條件下，隨著刈割茬次的遞進，不同施磷處理的苜蓿干草產量均呈逐漸降低的趨勢，CK、P1、P3苜蓿干草產量隨著茬次的增加均差異顯著(P<0.05)。

不同施磷條件下苜蓿植株的吸磷量如表2所示，與不施磷處理(CK)相比，施磷(P1、P2、P3)處理條件下苜蓿植株的吸磷量均顯著大于不施磷(CK)處理(P<0.05)，且各茬次苜蓿植株的吸磷量均為隨施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，且在P2處理達到最大值，第1茬至第4茬苜蓿植株的吸磷量最大值分別為13.78、14.31、13.22和6.76 kg·hm-2，且前3茬苜蓿植株的吸磷量顯著大于第4茬(P<0.05)。總吸磷量施磷(P1、P2、P3)處理苜蓿植株莖稈磷含量均顯著大于不施磷(CK)處理(P<0.05)。

2.3 苜蓿磷素利用效率

CK處理為不施磷處理，故不計算苜蓿磷素利用效率。施磷條件下，隨施磷量的增加，滴灌苜蓿磷素利用效率呈逐漸降低的趨勢(表3)，除第4茬外，其他各茬次P1與P2處理的苜蓿磷素利用效率差異均不顯著(P>0.05)，且P1、P2處理顯著大于P3處理(P<0.05)。在各茬次間，P1與P2處理苜蓿植株的磷素利用效率為16.05%～28.37%，P3處理苜蓿植株的磷素利用效率均不到15%，至第4茬苜蓿植株的磷素利用效率僅為4.43%。不同茬次間，P1、P2處理苜蓿的磷素利用效率均為第1茬最大，隨著茬次的遞增呈現逐漸減小的趨勢。P3處理隨著茬次的遞增呈先增加后降低的趨勢。總的磷素利用效率P1、P2顯著大于P3處理(P<0.05)，且數值均小于第1茬。

2.4 土壤全磷、速效磷含量

與不施磷處理(CK)相比，同一深度土層下，隨施磷量的增加，滴灌苜蓿田土壤全磷、速效磷含量均呈逐漸增加的趨勢，至P3處理達到最大(表4)；0～60 cm土層土壤全磷含量均為P2、P3處理顯著大于P1、CK處理(P<0.05)。相同土壤深度及施磷處理下，不同茬次間，0～20 cm土層土壤全磷含量為第1茬>第4茬>第3茬>第2茬，除CK處理第2茬與第3茬差異不顯著外(P>0.05)，其他處理各茬次均差異顯著(P<0.05)；20～60 cm土層土壤全磷含量均為隨刈割茬次的增加呈逐漸增大的趨勢，且第4茬顯著大于第1茬(P<0.05)。0～60 cm土層土壤速效磷含量為P3處理顯著大于P2、P1及CK處理(P<0.05)，相同土壤深度及施磷處理下，不同茬次間，0～20 cm土層土壤速效磷含量為第1茬>第3茬>第2茬>第4茬，且各茬次間均差異顯著(P<0.05)，20～60 cm土層土壤速效磷含量均隨刈割茬次的增加呈逐漸降低的趨勢，且各茬次間均差異顯著(P<0.05)。相同施磷處理及刈割茬次下，土壤全磷、速效磷含量均為0～20 cm土層含量最高，隨土壤深度的增加，其含量逐漸降低，至地下60 cm深度時其含量降至最低，且0～20 cm土層土壤全磷、速效磷含量顯著大于20～40 cm及40～60 cm土層(P<0.05)。

2.5 不同施磷條件下各指標相關性分析

皮爾遜相關系數是一種度量兩個變量間相關程度的方法。它是一個介于1和-1之間的數值，其中，1表示變量完全正相關，0表示不相關，-1表示完全負相關。通過皮爾遜相關性分析表明(表5)，不同施磷肥條件下，莖稈磷含量與葉片磷含量顯著正相關(P<0.05)，干草產量與莖稈磷含量極顯著正相關(P<0.01)，苜蓿植株吸磷量與葉片磷含量顯著正相關(P<0.05)，與莖稈磷含量、干草產量與莖稈磷含量極顯著正相關(P<0.01)；速效磷與全磷極顯著正相關(P<0.01)；全磷、速效磷與葉片磷含量負相關。全磷與莖稈磷含量以及磷素利用效率、速率磷與磷素利用率負相關，其他各指標之間均為正相關。

表5 不同施磷處理下各指標相關性分析 Table 5 The correlation analysis of each index under different phosphorus fertilizer treatment

注：* 表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關，** 表示在 0.01 水平(雙側)上顯著相關。

Note：*，significant correlation was found at the 0.05 level (bilateral); **,significant correlation was found at the 0.01 level (bilateral).

2.6 最優施磷模式的模糊相似優先比評價

模糊相似優先比法是以眾多樣品與一個固定最優樣品做比較，篩選出目標樣本與固定樣本最相似的一個或幾個樣品，其結果為相似度越低評價效果越好。通過模糊相似優先比評價結果(表6)表明：綜合滴灌苜蓿干草產量、磷素利用效率、土壤全磷及速效磷含量指標，按照不同茬次間的施磷量進行最優組合相似度排序，各茬次中各處理最優排序均為P2>P1>P3，且各茬次最優組合相似度最小值均為P2處理。說明不同茬次間施磷模式為：施P2O5為100 kg·hm-2(P2)時，有利于促進滴灌苜蓿對土壤速效磷的吸收，提高磷素利用效率，進而提高滴灌苜蓿干草產量。

表6 最佳施磷模式的模糊相似優先比評價 Table 6 Compared with the best phosphorus fertilizer treatments and cutting on fuzzy similarity priority ratio

3 討論

3.1 施磷對苜蓿葉莖磷含量、干草產量、吸磷量以及磷素利用效率的影響

施磷對苜蓿植株的葉片和莖稈磷含量具有顯著影響，本研究表明，隨著施磷量的增加，紫花苜蓿葉片和莖稈的磷含量呈先增加后降低的趨勢，在P2處理條件下達到最大值(表1)，苜蓿植株含磷量受施入土壤中磷素含量多少的影響，土壤磷含量過高，反而不利于植物的生長(表4)。本研究中，苜蓿植株葉片、莖稈中的磷含量隨著刈割茬次的遞進，呈現出先增加后降低的趨勢，其中CK、P1、P2苜蓿植株葉片和莖稈中的磷含量在第2茬或第3茬中達到最大值(表1)。試驗表明，苜蓿植株在經過多次刈割后，超補償性生長現象更加明顯，表現出隨著刈割茬次的增加，地上部分的生物量逐漸積累[19]。多次刈割能使苜蓿在生長發育過程中強化了從土壤中吸收磷的功能[20]，進而導致苜蓿植株中葉、莖磷含量上升，而最后一茬苜蓿植株磷含量下降，可能是因為多次刈割后導致根系活力下降[21-22]，抑制根系生長，同時也抑制了苜蓿根系對磷的吸收，使植株含磷量降低。

通過在新疆滴灌條件下對紫花苜蓿巨能品種進行施磷處理發現，施磷與未施磷處理苜蓿干草產量與苜蓿吸磷量差異顯著，且隨著施磷量的增加，苜蓿干草產量與苜蓿吸磷量呈先增加后降低的趨勢(表2)，苜蓿吸磷量是由干草產量和植株磷含量兩部分因素構成，研究表明，施磷肥能夠顯著增加紫花苜蓿葉片中的葉綠素含量，提高苜蓿光合作用速率[4,23]，促進苜蓿植株生長，進而提高紫花苜蓿干草產量，且在一定的施磷量范圍內，施磷能夠促進苜蓿吸磷量的累積以及提高苜蓿產量[24]。劉煥鮮等[25]研究表明苜蓿干草含量隨著施磷量的增加而增加，施磷量對苜蓿干物質的累積有一定的促進作用，但施磷量過多反而造成干物質量的降低，是由于苜蓿植株吸收磷一定的閾值[26]，當達到一定閾值時能夠促進其生長發育[24]，當吸收過飽或超過了苜蓿吸收磷的最大值時，苜蓿植株磷含量反而降低。本研究中，第1茬和第2茬苜蓿的干草產量為P3優于P1處理，第3茬和第4茬為P1優于P3處理(表2)，說明在苜蓿生長初期，需要施較多的磷以滿足苜蓿正常生長發育，而在生長后期，由于施入土壤中的磷被土壤中的金屬離子固定[9]，導致土壤中的磷不斷累積，進而抑制了苜蓿根系對磷的吸收，使苜蓿產量逐漸下降。苜蓿干草產量與吸磷量極顯著正相關，兩者隨著刈割茬次的遞進，呈逐漸降低的趨勢(表5)，可能是由于入秋后氣溫降低，苜蓿植株生命力及光合作用減弱，干物質產量減少，吸磷量也隨之降低。

施磷對磷素利用效率具有重要影響，本研究表明：各施磷處理苜蓿的磷素利用效率均為第1茬最大，其中各施磷處理隨著刈割茬次的遞進，苜蓿磷素利用效率呈逐漸降低的趨勢(表3)。在植物生長發育時期植物生長需要大量的營養物質。隨著茬次的遞進促進土壤對磷的吸附作用使得土壤當中的磷被固定不能被植物吸收利用，未被利用的部分留于土壤之中并不斷累積，進而使磷素利用效率降低。國內外研究表明，磷肥具有后效作用，當年施入的磷肥未能被利用，會在以后的年份緩慢地釋放出來被植物吸收利用[27]。植物對施入土壤中的磷肥的利用率在5%～25%[28]。本研究中，滴灌苜蓿不同茬次間的磷素利用效率在4.43%～28.37%(表3)，總的磷素利用效率在9.60%～25.84%，說明滴灌條件下分次施磷肥能使苜蓿植株的磷素利用效率提高，當時提高的效率并不是很理想，利用滴灌技術生產苜蓿改善磷素利用效率仍有很大的提升空間。

3.2 施磷對土壤全磷和速效磷含量的影響

施磷對不同土層深度土壤全磷和速效磷含量變化具有重要影響。本研究表明，滴灌苜蓿田土壤全磷、速效磷含量隨著土層深度的增加而減小，0～20 cm土層顯著大于20～60 cm(表4)。研究表明[29]，土壤當中的全磷和速效磷在0～20 cm為累積層，而20～60 cm土層為微增虧損層，將磷肥施入土壤中會加速土壤中有機物的循環使用，可以降低0～20 cm土層土壤對磷的吸附作用，促進土壤中磷的解離，進而改善土壤的磷素肥力，提高0～20 cm土壤全磷和速效磷的含量[30]。磷肥隨水進入土壤，易于在表面聚集；前茬作物腐化后將養分釋放在表層[31]，也是0～20 cm土壤全磷和速效磷的含量高的原因。本研究中與不施磷處理(CK)相比，同一深度土層下，隨施磷量的增加，滴灌苜蓿田土壤全磷、速效磷含量均呈逐漸增加的趨勢，20～60 cm土層土壤全磷含量均為隨刈割茬次的增加基本呈逐漸增大的趨勢(表4)，上文提到植株磷含量和吸磷量呈先增后減的趨勢，致使施的磷肥不能被植物吸收利用導致土壤全磷和速效磷含量累積，表層土壤磷含量越多，磷肥隨著水施入土壤當中，由于養分具有遷移性，使得磷素往下遷移[29]，導致20～60 cm土層土壤全磷含量和速效磷增加，這在一定程度上可以印證土壤全磷在土壤當中是一個逐漸累積的過程。

通過相關性分析發現，土壤速效磷與全磷含量雖然有正相關關系，但不顯著，0～20 cm土層土壤速效磷含量隨著茬次的遞進呈先降后增的趨勢，且各茬次施磷處理(P1、P2、P3)與未施磷處理(CK)間均差異顯著(表4)，說明隨著苜蓿植株的生長發育及刈割茬次的遞進，苜蓿植株對速效磷的吸收在逐漸增加。研究表明，當植物吸收的磷達到飽和狀態時，施入的多出來可溶性磷肥易與土壤中某些離子結合，使得速效磷的含量隨著茬次的遞進反而不斷減小[32]。本研究中，第3茬土壤速效磷含量大于第2茬，苜蓿第3茬生長階段正處于夏季高溫階段，某些解磷微生物通過釋放磷酸酶溶解土壤難溶性磷酸鹽[33]，夏季溫度增高使磷酸酶活性增強，提高了微生物解磷能力，致使第3茬的土壤速效磷含量有所增加。

3.3 模糊相似優先比評價不同茬次的最優施磷模式

通過一個指標來評價最優施磷模式并不能全面的說明施磷在各茬次的優劣，而采用模糊相似優先比的方法能夠綜合多項指標來進行最優施磷模式的評價[34]。本研究發現，按照不同茬次間的施磷量進行最優組合相似度排序，滴灌苜蓿各茬次最優組合相似度的最小值均為P2處理(表6)，說明當施P2O5為100 kg·hm-2(P2處理)時，能夠有效提高滴灌苜蓿干草產量，促進苜蓿植株對速效磷的吸收，并提高磷素利用效率。第1茬P3處理的苜蓿干草產量(6.47 t·hm-2)與P2處理的干草產量(6.54 t·hm-2)差異不顯著(表4)，說明施磷只能在一定范圍內影響苜蓿干草產量。從總體經濟效益來看，過多的施磷在增加種植成本的同時，造成土壤環境污染及肥料資源的極大浪費。

4 結論

1)苜蓿的磷素利用效率隨著施磷量的增加而減小，隨刈割茬次的遞進而減小。

2)滴灌苜蓿植株吸磷量與干草產量極顯著正相關，通過模糊相似優先比評價得出，當施P2O5為100 kg·hm-2時，滴灌苜蓿植株葉片、莖稈磷含量顯著高于其他處理，苜蓿干草產量達到最大，為21.24 t·hm-2。

3)滴灌苜蓿田土壤全磷和速效磷含量在0～20 cm土層含量最高，隨土層深度的增加，其含量逐漸降低;相同深度土層，隨著施磷量的增加，苜蓿田土壤全磷和速效磷含量逐漸增加。