施磷量與小麥產(chǎn)量的關(guān)系及其對土壤、氣候因素的響應(yīng)

馮媛媛，申 艷，徐明崗*，田應(yīng)兵*，任鳳鈴，段英華

（1 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434000；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

小麥種植面積和產(chǎn)量僅次于水稻，是我國重要的商品糧和主要的糧食儲藏品種[1]。小麥屬于磷敏感作物[2]，小麥所利用的磷主要來源于土壤[3]，但是土壤對磷素具有強(qiáng)烈的固定作用，大部分磷肥以非活性形態(tài)累積在土壤中[4]，土壤中磷素缺乏尤其是土壤中能夠為作物所利用的有效磷缺乏，成為限制小麥產(chǎn)量提高的主要因素[5]。現(xiàn)有研究表明，磷肥施用是小麥增產(chǎn)調(diào)優(yōu)的一項重要措施，可以在很大程度上提高農(nóng)田土壤有效磷含量，改善土壤對作物的供磷能力[6]，但是不同小麥主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田土壤有效磷含量差異較大，在有效磷含量不同的土壤中小麥對磷肥的需求量也不盡相同，當(dāng)施磷量超過作物吸磷量時，剩余的磷素將累積在土壤中，通過地表徑流、侵蝕等途徑進(jìn)入江河和湖泊中，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化[7]。因此，明確在有效磷含量不同的土壤中磷肥施用量與小麥籽粒產(chǎn)量的關(guān)系以及施磷量對小麥籽粒產(chǎn)量的影響規(guī)律，對我國不同區(qū)域農(nóng)田土壤肥力提升、養(yǎng)分有效利用和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。

已有研究表明，施用磷肥有利于提高小麥籽粒產(chǎn)量，適宜的磷濃度對于光合作用極其重要[8]，但施磷量有一個適宜值，過低或過高量施磷對產(chǎn)量的提升效應(yīng)都不明顯。如Medhi等[9]、Michael和Nosberger[10]研究發(fā)現(xiàn)，增施磷肥能促進(jìn)小麥生長發(fā)育，提高小麥產(chǎn)量；孫慧敏等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在有效磷含量為15.94 mg/kg的土壤上施磷能夠提高小麥籽粒產(chǎn)量，但在有效磷含量為30.44 mg/kg的土壤上施磷對小麥籽粒產(chǎn)量則沒有顯著影響。目前，盡管不同有效磷含量的土壤中施磷量對小麥籽粒產(chǎn)量影響的研究已經(jīng)取得了豐碩成果，但由于田間試驗的地理環(huán)境的限制，現(xiàn)有研究中仍然缺乏對二者之間相互關(guān)系的系統(tǒng)全面分析，以及環(huán)境因素對磷肥施用與小麥籽粒產(chǎn)量關(guān)系的影響程度分析。

為系統(tǒng)的認(rèn)識不同土壤有效磷含量條件下施磷量對小麥籽粒產(chǎn)量的影響規(guī)律，建立施磷量與小麥籽粒產(chǎn)量之間的關(guān)系模型，從而指導(dǎo)科學(xué)施肥及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。本研究以國內(nèi)近20年的大田試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用數(shù)據(jù)整合分析的方法，探討有效磷含量不同的土壤中磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量的影響規(guī)律，分析二者之間的相互關(guān)系及其對土壤、氣候等環(huán)境因素的響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究檢索數(shù)據(jù)庫包括中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)、ScienceDirect等，檢索時間為“1990—2017年”，檢索關(guān)鍵詞為“小麥”、“施磷量”、“有效磷”(指通過“Olsen法”測得的試驗開始前土壤初始Olsen-P含量)，并建立數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要包括試驗點(diǎn)地理位置(省、市)、土壤類型、土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)、試驗氮磷鉀肥投入量(分別折算成N、P2O5、K2O kg/hm2)、籽粒產(chǎn)量等參數(shù)。文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)如下：1)國內(nèi)進(jìn)行的大田試驗；2)同一組試驗中須包含處理組和對照組，對照組為不施磷肥但氮、鉀肥正常施用的處理，處理組為施用不同量磷肥且氮、鉀肥施用量與對照組相同的處理；3)同一個處理組中，須同時具備試驗前土壤有效磷含量、小麥籽粒產(chǎn)量和磷肥施用量(統(tǒng)一換算為P2O5量)；4)各試驗須保持獨(dú)立性，同一地點(diǎn)的多年重復(fù)試驗，保留最新一年的測定數(shù)據(jù)。經(jīng)篩選后，符合條件的文獻(xiàn)共44篇，包含411組試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源分布如表1。

1.2 研究方法

本研究中的數(shù)據(jù)均來自于檢索到的文獻(xiàn)。在進(jìn)行文獻(xiàn)數(shù)據(jù)收集時，如果文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)是用圖片形式表示的，則用Getdata Graph Digitizer 2.24 軟件來提取。若文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤(SE)，則標(biāo)準(zhǔn)差(SD)可通過公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[12]：

統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)采用響應(yīng)比(response ratio，RR)表示，并計算其95%置信區(qū)間(95%CI)。其計算公式為：

整合分析對所得數(shù)據(jù)中的各個獨(dú)立研究進(jìn)行響應(yīng)比加權(quán)，得到加權(quán)平均響應(yīng)比(RR++)。另外，權(quán)重系數(shù)(Wij)、平均值變異系數(shù)(V)、RR++、S (RR++的標(biāo)準(zhǔn)差)和95%的置信區(qū)間(95%CI)可通過以下公式計算獲得[13]：

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用小麥籽粒產(chǎn)量和對應(yīng)施磷量數(shù)據(jù)做散點(diǎn)圖，通過分析獲得小麥籽粒產(chǎn)量與施磷量之間的關(guān)系。根據(jù)散點(diǎn)圖擬合線作為其趨勢線，并根據(jù)其曲線走勢來評定小麥籽粒產(chǎn)量隨著施磷量變化的情況[15]。根據(jù)前人研究，把土壤有效磷水平分為 ＜ 10、10～20、＞20 mg/kg 三個等級[16]，把施 P2O5量劃分為 ＜ 60、60～90、90～120、120～150、＞ 150 kg/hm2五個等級[17]。

采用MetaWin 2.1軟件對所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行Meta分析[18]，通過分析獲得施磷量的多少對高、中、低土壤有效磷含量地區(qū)的小麥產(chǎn)量的影響關(guān)系，以及環(huán)境因素對磷肥施用與小麥籽粒產(chǎn)量關(guān)系的影響。Meta分析合并計數(shù)資料的響應(yīng)比得出加權(quán)平均響應(yīng)前，需明確試驗處理之間及各試驗結(jié)果是否存在異質(zhì)性，并通過異質(zhì)性程度來判斷數(shù)據(jù)分析模型。本文采用卡方檢驗(Chi-square test)方法對異質(zhì)性進(jìn)行檢驗，當(dāng)檢驗結(jié)果P ＞ 0.05時，說明不同處理間或不同研究結(jié)果間具有同質(zhì)性，選用固定效應(yīng)模型計算合并統(tǒng)計量，反之則采用隨機(jī)效應(yīng)模型[19]。在分析中，使用每篇有效文獻(xiàn)中觀測值的響應(yīng)值來評估在不同土壤有效磷含量條件下磷肥施用量對小麥的增產(chǎn)作用，響應(yīng)值越大說明作用越明顯[20]。在數(shù)據(jù)分析中不考慮除土壤有效磷與施磷量變化之外的其他外界因素。采用雙因素方差分析來評價不同土壤有效磷含量水平下，不同施磷量對小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)的異質(zhì)性和差異性影響，運(yùn)用SPSS 11.0軟件進(jìn)行(SPSS Inc，Chicago，IL，USA)進(jìn)行檢驗，如 P ＜0.05，則認(rèn)為樣本不同處理或不同研究結(jié)果間有異質(zhì)性，即該土壤有效磷含量條件下施用該區(qū)間量的磷肥對小麥的產(chǎn)量提高作用顯著[21]。異質(zhì)性檢驗結(jié)果表明，各試驗數(shù)據(jù)結(jié)果間存在明顯異質(zhì)性，因此選用隨機(jī)效應(yīng)模型。

表 1 數(shù)據(jù)庫樣本分布Table 1 Sample distribution in the database

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥籽粒產(chǎn)量的整體分布

圖1顯示，收集數(shù)據(jù)中的小麥籽粒產(chǎn)量(因變量)在土壤初始有效磷含量 ＜ 10 mg/kg、10～20 mg/kg和 ＞ 20 mg/kg土壤上，均符合正態(tài)分布(P ＜ 0.05)。在所有收集數(shù)據(jù)中小麥籽粒產(chǎn)量的均值為6780 kg/hm2，55%的數(shù)據(jù)分布在6000～8000 kg/hm2范圍內(nèi)；土壤有效磷含量 ＜ 10 mg/kg時，小麥籽粒產(chǎn)量的均值為6352 kg/hm2，65%的數(shù)據(jù)分布在5500～8000 kg/hm2范圍內(nèi)；土壤有效磷含量在10～20 mg/kg時，小麥籽粒產(chǎn)量的均值為6946 kg/hm2，70%的數(shù)據(jù)分布在6000～9000 kg/hm2范圍內(nèi)；土壤有效磷含量 ＞ 20 mg/kg時，小麥籽粒產(chǎn)量的均值為6881 kg/hm2，76%的數(shù)據(jù)分布在5000～8000 kg/hm2范圍內(nèi)。

2.2 在不同有效磷含量土壤上磷肥用量對小麥產(chǎn)量的影響

圖 1 不同土壤有效磷水平下小麥籽粒產(chǎn)量的高斯分布Fig. 1 Gauss distribution of wheat grain yield in soils with different Olsen-P contents

圖 2 在土壤有效磷含量不同的條件下施磷量對小麥籽粒的增產(chǎn)效果Fig. 2 Yield increase of P2O5 application in soils with different available phosphorus content

整合分析結(jié)果(圖2)顯示，與不施磷的對照試驗組相比，除在有效磷 ＞ 20 mg/kg的土壤上施超過90 kg/hm2磷肥(P2O5)的情況外，在其他條件下，不同施磷量對小麥籽粒產(chǎn)量均具有正影響。與不施磷相比，土壤有效磷含量 ＜ 10 mg/kg，施磷量的升高對小麥籽粒產(chǎn)量的促進(jìn)作用增強(qiáng)，并以施P2O5＞ 150 kg/hm2時的增幅最高，達(dá)36.6%；土壤有效磷含量介于10～20 mg/kg時，隨著施磷量的升高，對小麥籽粒產(chǎn)量的提升幅度先增加后降低，施90～120 kg/hm2的P2O5對小麥籽粒產(chǎn)量的提升幅度最高，達(dá)25.8%；土壤有效磷含量 ＞ 20 mg/kg且施用P2O5＜ 90 kg/hm2時，小麥籽粒產(chǎn)量的最大增幅僅為7.3%，而當(dāng)施P2O5＞ 90 kg/hm2時，磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量增產(chǎn)作用無顯著影響。

2.3 有效磷含量不同的土壤上磷肥用量與小麥籽粒產(chǎn)量的關(guān)系

總體而言，在不考慮土壤有效磷影響的條件下，小麥籽粒產(chǎn)量隨著施磷量的增加而增加的速率先增快后趨于平緩(圖3)。在土壤有效磷含量 ＜ 10 mg/kg的條件下，施用磷肥對小麥籽粒產(chǎn)量的提升呈現(xiàn)斜率為11.1的顯著線性正相關(guān)關(guān)系。在土壤有效磷在10～20 mg/kg之間時，施用磷肥對小麥籽粒產(chǎn)量的提升呈現(xiàn)斜率為8的顯著線性正相關(guān)關(guān)系。在土壤有效磷含量 ＞ 20 mg/kg條件下，施P2O5＜ 60 kg/hm2時，施用磷肥對小麥籽粒產(chǎn)量的提升作用顯著強(qiáng)于施磷量更高的情況(圖3)。

2.4 不同環(huán)境因素對磷肥施用與小麥籽粒產(chǎn)量關(guān)系的影響

圖 3 不同土壤有效磷含量條件下施磷量與小麥籽粒產(chǎn)量之間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between phosphorus application and grain yield of wheat under different soil available P contents

整合分析結(jié)果(圖4)顯示，磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量的影響在不同環(huán)境因素下存在差異。總體而言，相對于不施用磷肥的情況，磷肥的施用顯著提高了小麥籽粒產(chǎn)量，提升幅度為14.1%。對于不同氣候類型來說，亞熱帶季風(fēng)氣候條件下磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量的提高作用較強(qiáng)(19.4%)，溫帶季風(fēng)氣候條件下磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量的提高(為10.7%)作用弱于亞熱帶季風(fēng)氣候。在不同的土壤類型中，磷肥施用對小麥增產(chǎn)的作用程度不同，其中，黑壚土上施用磷肥對小麥的增產(chǎn)作用最強(qiáng)為34.4%，棕壤上施用磷肥對小麥的增產(chǎn)作用最弱為9.2%，褐土和黃棕壤上施磷肥對小麥籽粒產(chǎn)量的提升幅度分別為15.6%和10.3%，介于棕壤和黑壚土之間。在不同的小麥種植區(qū)域內(nèi)，磷肥施用對小麥增產(chǎn)的作用程度也存在較大差異，其中，春小麥區(qū)施用磷肥的增產(chǎn)作用顯著強(qiáng)于冬小麥區(qū)，達(dá)32.9%，北方冬小麥區(qū)施用磷肥的增產(chǎn)作用強(qiáng)于南方冬麥區(qū)，分別為13.9%和10.8%。

3 討論

3.1 施磷量對小麥籽粒產(chǎn)量的影響

本研究表明，除在有效磷 ＞ 20 mg/kg的土壤中施P2O5＞ 90 kg/hm2的磷肥外，磷肥施用對小麥單位面積籽粒產(chǎn)量均具有正向促進(jìn)作用，其原因可能是土壤中磷元素移動性差[22]，磷進(jìn)入土壤中總是向溶解度更小的形態(tài)轉(zhuǎn)化[23]，當(dāng)土壤中原有有效磷的含量不足以滿足小麥的生長需要時，施用磷肥可以顯著增加可被小麥利用的有效態(tài)磷，從而提高小麥單位面積籽粒產(chǎn)量。而在原有有效磷含量較高的土壤中，土壤中原有的有效磷已經(jīng)能夠滿足小麥生長所需磷素，磷肥施用則對小麥籽粒產(chǎn)量影響不明顯。其中，在有效磷含量 ＜ 10 mg/kg的條件下，施P2O5＞150 kg/hm2時對小麥產(chǎn)量的促進(jìn)作用最強(qiáng)(36.6%)，已有的研究成果也證實(shí)了這一結(jié)論，如王旭東等發(fā)現(xiàn)在耕層土壤有效磷含量為10 mg/kg以下時，小麥?zhǔn)┝椎脑霎a(chǎn)率在30%左右；耕層土壤有效磷含量為10～20 mg/kg時，增產(chǎn)20%左右；耕層土壤有效磷含量為20 mg/kg 以上時，增產(chǎn)率顯著下降[1]。

3.2 施磷量與小麥籽粒產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

圖 4 氣候、土壤和種植區(qū)域?qū)α追适┯门c小麥籽粒產(chǎn)量關(guān)系的影響Fig. 4 Effects of climate typesoil type and producing area on wheat yield increase intensity under application of phosphorus fertilizer

本研究表明，施磷量與小麥籽粒產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，隨著土壤有效磷含量的變化，而存在較大差異。線性回歸分析結(jié)果表明，在有效磷含量 ＜ 10 mg/kg的條件下，磷肥施用量與小麥單位面積籽粒產(chǎn)量之間呈斜率為11.1的顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.01)。其原因可能是，土壤有效磷水平較低時，小麥對磷缺乏更為敏感[24]，施用磷肥增加了土壤有效磷含量，小麥籽粒產(chǎn)量也相應(yīng)快速增加；在土壤有效磷含量 ＞10 mg/kg的情況下，施磷量與籽粒產(chǎn)量之間呈斜率為8的顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.01)，這在前人研究中也得到證實(shí)。例如孫慧敏等[11]發(fā)現(xiàn)，在有效磷(Olsen-P)初始含量為15.9 mg/kg的0—20 cm耕層中，施P2O545、75、105和135 kg/hm2時，小麥產(chǎn)量變化不明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能在于，由于小麥磷的農(nóng)學(xué)閾值范圍為4.9～20.0 mg/kg[24-27]，超過小麥磷農(nóng)學(xué)閾值后籽粒產(chǎn)量不再隨著施磷量的提高而提高，施磷量與小麥籽粒產(chǎn)量之間線性正相關(guān)關(guān)系弱于土壤有效磷含量 ＜10 mg/kg的情況。這表明磷肥施用量并不是越多越好，而要根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥烙行Я缀坑嗅槍π缘目茖W(xué)施用。

3.3 氣候、土壤、種植區(qū)域等環(huán)境因素對施磷量與小麥籽粒產(chǎn)量關(guān)系的影響

本研究表明，從目前國內(nèi)磷肥肥效試驗的總體情況來看，與只施用氮鉀肥相比，增施磷肥對小麥籽粒產(chǎn)量的提升比率為14.1%。其原因可能是，土壤中磷素缺乏是限制小麥產(chǎn)量提高的重要因素，磷元素通過直接影響作物對磷的攝取和利用來影響作物的產(chǎn)量[22]，因此施用磷肥可通過改變土壤中磷素環(huán)境來影響小麥籽粒產(chǎn)量。由于收集數(shù)據(jù)中磷肥種類大致均為過磷酸鈣并基本未提及磷肥的施用方式，本文主要討論氣候、土壤和小麥主產(chǎn)區(qū)這三類環(huán)境因素對施磷條件下小麥籽粒產(chǎn)量提高的影響。本研究結(jié)果表明，在不同的氣候、土壤和種植區(qū)域等環(huán)境因素下磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量的提高強(qiáng)度不盡相同。

就氣候條件而言，本研究中亞熱帶季風(fēng)氣候條件下施用磷肥對小麥的增產(chǎn)作用強(qiáng)于溫帶季風(fēng)氣候，分別為19.4%和10.7%。其原因可能是，亞熱帶季風(fēng)氣候冬溫和降水量均高于溫帶季風(fēng)氣候，而小麥根系生長的時間分布規(guī)律為冬前較快越冬不停，同時水分的虧缺會限制小麥根系的生長[28]，因此亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的小麥根系生長情況優(yōu)于溫帶季風(fēng)區(qū)的，這將直接促進(jìn)小麥對肥料的吸收從而提高磷肥肥效；就土壤類型而言，本研究黑壚土中磷肥施用對小麥的增產(chǎn)作用顯著高于黃棕壤、褐土和棕壤，為34.4%。其原因可能是，相對于其它土壤類型，黑壚土發(fā)育于黃土母質(zhì)上具有殘積粘化層，已有研究表明土壤的質(zhì)地越黏重，土壤基礎(chǔ)生產(chǎn)力越高[29]，同時黑壚土中礦質(zhì)養(yǎng)分含量豐富但有效磷含量較低。因此在氮鉀等營養(yǎng)元素充足、有效磷含量缺乏的黑壚土上，磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量的提高作用十分顯著，而高地力土壤對土壤養(yǎng)分的依賴性較高，施肥增產(chǎn)效應(yīng)較小，肥料貢獻(xiàn)率較低[30]；就種植區(qū)域而言，在寧夏和甘肅兩省的春小麥區(qū)，磷肥的增產(chǎn)作用明顯強(qiáng)于長城以南的冬小麥區(qū)，達(dá)32.9%。有研究表明，限制春小麥產(chǎn)量的最低因子是磷素營養(yǎng)[31]，且在低磷條件下小麥植株的光合產(chǎn)物優(yōu)先分配到籽粒中去[32]，而甘肅和寧夏兩省的土壤肥力、降雨量、溫度等作物生長條件均不及長城以南的冬小麥區(qū)，因此春小麥區(qū)磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量的提高顯著，且磷素會優(yōu)先供給小麥籽粒，肥料的貢獻(xiàn)率較高。

4 結(jié)論

1)除在土壤有效磷含量較高的土壤(有效磷 ＞ 20 mg/kg)上施P2O5＞ 90 kg/hm2的高磷肥外，磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量提高具有正向促進(jìn)作用。

2)在土壤有效磷含量 ＜10 mg/kg的情況下，施用 ＞150 kg/hm2的P2O5對小麥產(chǎn)量的促進(jìn)作用最強(qiáng)(36.6%)。

3)在土壤有效磷含量 ＜10 mg/kg的條件下，磷肥施用量與小麥單位面積籽粒產(chǎn)量之間的線性相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)，斜率為11.1。土壤有效磷含量在10～20 mg/kg之間的條件下，磷肥施用量與小麥單位面積籽粒產(chǎn)量之間的線性相關(guān)關(guān)系減弱，斜率變?yōu)?。在土壤有效磷含量 ＞20 mg/kg的條件下，磷肥施用量與小麥單位面積籽粒產(chǎn)量之間的關(guān)系符合米歇里西方程。

4)在亞熱帶季風(fēng)氣候、黑壚土、春小麥區(qū)這三個環(huán)境因素條件下，磷肥施用對小麥的增產(chǎn)作用明顯。