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，葉優良

(河南農業大學資源與環境學院，河南鄭州 450002)

磷是植物體內代謝的調節者，參與作物體內碳水化合物、蛋白質和脂肪的代謝，缺磷會影響小麥的生長發育和產量形成。施用磷肥能顯著提高作物產量，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增加，過量施磷普遍存在，且導致一些環境問題產生。因此，合理施用磷肥對于實現我國農業綠色發展有重要 意義。

關于小麥施用磷肥效應的研究很多，但在不同的土壤上，磷肥施用量對小麥籽粒產量的影響不盡相同。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量，但施磷不足50 kg·hm或高于150 kg·hm時，小麥生長與產量形成均會受到抑制。蔣宗慶發現，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，葉面積指數等物質生產指標呈下降趨勢。而在豫北潮土區速效磷含量為9.0 mg·kg的土壤上，在氮鉀配施下小麥產量以施磷225 kg·hm最高。還有研究表明，在京郊速效磷含量30 mg·kg的中高產田，施磷150 kg·hm時小麥產量最高。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有很大的影響。

近年來，由于糧食生產中磷肥以及復合肥的大量施用，我國農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提高到了現在的20 mg·kg，且仍在進一步提高，尤其是在一些典型高產區，土壤肥力和土壤有效磷含量較高。而與此同時，我國農業生產中磷肥投入量較高，且仍在持續增加。在華北典型高產區，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，施磷的增產效果較差，磷肥利用率也會降低，農戶為提高產量進一步增加肥料投入，形成惡性循環。

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為試驗點，探討在高磷土壤上施磷水平對小麥產量、干物質積累、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。

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大商村進行，位于北緯34°72′，東經112°63′，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，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 試驗設計

試驗設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，共15個小區，隨機區組排列，小區面積為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地高產田保持一致，秸稈全部還田。

試驗從2018年10月開始，2020年6月結束，連續進行2年。供試小麥品種為豫麥49-198。播種前先劃小區，周圍要留3 m的保護行。小區劃好后，每個小區均勻撒施肥料，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 產量測定

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

1.3.2 干物質量測定

每個小區選擇取樣區，分別在越冬、返青、拔節、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 數據處理

(1)干物質轉運量=開花期營養器官干物質積累總量-成熟期營養器官干物質積累量

(2)干物質轉運效率=干物質轉運量/開花期營養器官干物質累積總量×100%

(3)磷轉運量=花前營養器官磷積累量-成熟期營養器官磷積累量

(4)磷轉運效率=磷轉運量/花前營養器官磷積累量×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)磷肥農學效率=(施磷處理籽粒產量-不施磷處理籽粒產量)/施磷量

(7)磷肥偏生產力=施磷處理籽粒產量/施磷量

(8)磷肥生理效率=(施磷處理籽粒產量-不施磷處理籽粒產量)/(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)

試驗數據采用Microsoft Excel 2016進行數據計算與繪圖，用SPSS 20.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 施磷量對小麥產量及其構成的影響

小麥產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-4.9%～9.3%和 3.3%～14.1%。從產量構成來看，第一年90 kg·hm施磷處理的穗數顯著高于其他處理，穗粒數則低于其他處理，而千粒重在不同處理間無顯著差異；第二年，在不同處理間穗數和穗粒數差異不顯著，千粒重則以90 kg·hm施磷處理最高。

表1 施磷量對小麥產量和產量構成的影響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，葉片干物質積累量在施磷90 kg·hm時達到最高，而莖、鞘、穗干物質積累量在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積累量顯著高于其他兩個處理(圖1)。從總干物質量來看，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 施磷量對小麥營養器官花前貯存干物質轉運的影響

由表2可見，第一年，小麥葉片干物質轉運量在90 kg·hm施磷處理下最高，轉運效率達12.3%；施磷處理的莖干物質轉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轉運效率分別為19.5%和19.1%，且顯著低于其他處理；葉鞘干物質轉運量和轉運效率以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+穎殼干物質轉運量在180 kg·hm施磷處理下顯著低于其他處理；總干物質轉運量和轉運效率在90 kg·hm施磷處理下最高。第二年，葉片和莖的干物質轉運量和轉運效率在90 kg·hm施磷處理下最高，鞘和穗軸+穎殼、總干物質轉運量均在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轉運的影響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 施磷量對小麥營養器官花前吸收磷素轉運的影響

由表3可見，第一年， 90和135 kg·hm施磷處理的葉片磷素轉運量顯著高于其他處理； 180 kg·hm施磷處理的莖鞘磷素轉運量顯著低于其他處理，90和135 kg·hm施磷處理的轉運效率顯著高于其他處理；穗軸和穎殼轉運量以180 kg·hm施磷處理最高，不施磷時轉運效率最低；整個器官磷轉運量和轉運效率以90 kg·hm施磷處理最高。第二年，葉片磷轉運量和轉運效率以90 kg·hm施磷處理最高；莖鞘轉運量以90 kg·hm施磷處理最高， 0和180 kg·hm施磷處理的轉運效率顯著低于其他處理；不施磷時穗軸和穎殼轉運量顯著低于施磷處理，其他處理間差異不顯著，90 kg·hm施磷處理的轉運效率顯著低于其他處理；整個器官磷轉運量以90 kg·hm施磷處理最高，而轉運效率以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,小麥磷肥農學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，磷肥農學效率以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；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，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 高磷土壤上小麥產量對施磷量的響應

本試驗條件下，施磷可增加小麥產量，但磷肥施用量兩年分別超過90和135 kg·hm后，產量并沒有持續增加，而磷肥利用率呈持續下降趨勢。這和黃明等的研究結果一致，在低磷灌區小麥籽粒產量隨著施磷量增加呈先增加后降低趨勢，磷肥農學效率逐漸下降。也有研究表明，在豫北潮土區速效磷含量為9.0 mg·kg的土壤上，適當增施磷肥有利于提高小麥的籽粒產量，但磷肥增加到一定程度后小麥產量又呈下降趨勢，在氮鉀配施下小麥產量以施磷225 kg·hm最高。這些差異可能與土壤肥力和小麥產量水平等有關系。張銘等研究發現，不同肥力土壤上，小麥對施磷量的響應存在差異，低地力田中隨施磷量的增加，小麥產量增加，而中高肥力田產量與施磷量呈二次曲線關系，低地力田最高產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效應，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量；從施磷量對小麥產量的影響趨勢來看，第一年施磷180 kg·hm時產量顯著降低，而第二年則沒有顯著減產，可能是因為氣候原因，第二年小麥產量相對較高，對磷素的需求也較多，因此施磷過多，沒有出現減產。

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，提高光合產物的積累以及向籽粒中轉運，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生副作用，比如抑制根系生長發育，降低磷在植株體內的轉運效率，影響鋅等其他元素的吸收，導致磷肥利用效率 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險，導致磷的面源污染。因此，合理的磷肥施用量應根據作物產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境風險。本研究在高磷土壤上，實現小麥最高產量的施磷量與一些低磷土壤上的推薦量比較接近，但與低磷土壤側重于提高磷素肥力不同，在管理上應注意控制污染風險。根據磷素衡量監控原理，在不同土壤供磷能力下，磷素管理分別采取相應的控制、維持、提高策略，在具體田塊上應根據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，磷素管理應采取維持或控制的策略，因此磷肥投入量應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 論

本研究條件下，高磷土壤上小麥產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量。施磷90 kg·hm時提高了開花期和收獲期干物質積累量，施磷量進一步增加后干物質累積無顯著提高，各器官均表現出相似趨勢。施磷90～135 kg·hm可提高小麥花前貯存干物質轉運量和轉運效率，促進花前積累物質在花后向籽粒轉運。拔節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運量和轉運效率也相對較高。施磷量在90 kg·hm可以維持較高的磷肥偏生產力、農學效率、表觀回收率，保持土壤磷素平衡，高施磷量則導致土壤磷素盈余過多。