基于辣椒產量、磷素累積及土壤磷環境風險的磷肥用量研究

張育文，范子晗，李順晉，安雨麗，吳 玥，盧 明， 陳新平，張 偉，3*

（1．西南大學資源環境學院，重慶 400716；2．西南大學農業科學研究院，重慶 400716； 3．西南大學長江經濟帶農業綠色發展研究中心，重慶 400716）

西南地區是我國辣椒主產區，辣椒產值和效益居蔬菜之首[1］。磷是辣椒生長發育必不可少的大量營養元素之一，研究表明，磷肥施用顯著增加了辣椒產量[2-3］。為了長期穩定地獲得高產，蔬菜生產中磷肥大量施用的現象普遍存在。我國露地栽培辣椒的磷肥投入量約為P 164 kg/hm2，然而，在現有的辣椒種植水平上難以實現較高產量[4］，例如在一項西南地區的縣域調研中發現[5］，辣椒種植中磷肥的投入量約為P 125 kg/hm2，而辣椒的平均產量僅為11.7 t/hm2，根據文獻統計每噸鮮辣椒的磷素吸收量為P 0.323 kg[4］，即每公頃辣椒僅可吸收帶走P 3.78 kg，導致土壤中存在大量的磷素盈余，增加了土壤磷素向水環境釋放的風險，造成農業面源污染和水體富營養化等現象。因此，了解辣椒磷素吸收累積規律對磷肥的響應，對實現環境閾值內的優產高產具有重要意義。

辣椒對磷素的吸收、積累轉運特性與其它作物存在一定的區別。研究表明，隨著辣椒生育期的進行，莖、葉等器官的干物質累積量、磷累積量呈逐漸增加的趨勢[6］，且同一時期辣椒不同器官的磷累積量大小關系通常為初花期時莖＞葉＞根[7］，收獲期時果＞莖＞葉＞根[8］。辣椒不同時期的干物質累積速率及養分吸收速率具有較大的變化，從定植到初花期前呈緩慢增加趨勢，初花期后則迅速增加，盛果期累積速率最大，盛果期到收獲期累積速率基本不變[6，8］。在番茄上的研究表明，隨施磷量的增加，膨果期的番茄莖中磷含量呈下降趨勢，葉中磷含量呈增加趨勢；而盛果期的番茄莖中磷含量變化趨勢不明顯，葉中磷含量呈增加趨勢[9］。隨生育期的進行，作物對磷素的再轉運程度在不同的器官中有所差異，如小麥[10］、玉米[11］等作物從灌漿期至完熟期的磷營養轉運主要來自葉片和莖稈，而胡麻[12］盛花期到成熟期的磷營養僅來源于葉片。

目前關于土壤磷素環境風險的評估研究很多，在方法上包括環境學測試方法和農學測試方法，其中環境學測試方法采用去離子水或稀電解質浸提，測定從土壤固相部分進入液相部分的磷，可以把土壤水溶性磷濃度（CaCl2-P）作為土壤磷素對水環境影響的指標之一；農學測試方法采用適用范圍較廣的0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提，可以用來評價土壤磷素的有效性（Olsen-P）。大量研究證明，當土壤Olsen-P超過某一臨界值時，土壤CaCl2-P會迅速增加，直接導致土體中的磷素向水體中流入，增加水體中的磷濃度[13-14］。

研究表明，過量的土壤磷盈余顯著增加了土壤有效磷濃度（Olsen-P）和土壤水溶性磷濃度 （CaCl2-P）[15-16］，并且同一流域內長期高肥投入的菜田土壤有效磷濃度遠高于林地[17］。綜上說明，因追求產量的提高而投入大量的磷肥不僅不能被辣椒有效的吸收利用，而且會造成土壤磷素的不斷累積，顯著增加土壤有效磷濃度和水溶性磷濃度，提高了菜田土壤磷素向周圍環境中輸入的可能，進而造成磷肥的浪費與潛在的環境風險。因此，本研究以西南地區典型土壤紫色土為例，分析不同施磷水平條件下對辣椒產量、植株磷吸收量和土壤水溶性磷濃度的影響，明確基于產量、磷素累積和環境風險的適宜磷素用量，為通過合理施肥提高辣椒磷吸收累積量及產量，降低潛在的水環境污染風險提供理論研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于重慶市北碚區西南大學國家紫色土肥力與肥料效益監測站（106°26′E，30°26′N）。該地海拔266.3 m，試驗過程中月平均氣溫26.4℃，累積降水量661.4 mm。供試土壤為西南地區具有代表性的石灰性紫色土，為侏羅系沙溪廟組紫色沙頁巖母質上發育的灰棕紫泥，質地為重壤。試驗前土壤的基本性質為pH 8.52（土水比1∶2.5），有機質5.56 g/kg，土壤堿解氮31.4 mg/kg，土壤有效磷13.3 mg/kg，速效鉀200.8 mg/kg，土壤水溶性磷（CaCl2-P）0.11 mg/kg。

1.2 試驗設計與材料方法

試驗開展于2018年4月，種植模式為辣椒-大白菜輪作，試驗采取單因素隨機區組設計，設置5個磷肥水平（以純磷計）：0 kg/hm2（P0）、33 kg/hm2（P33）、65 kg/hm2（P65）、131 kg/hm2（P131）、393 kg/hm2（P393），此外，當地辣椒傳統施磷量為P 131 kg/hm2，數據根據課題組2016年對該地區160名農民開展的辣椒調研工作，通過對農民辣椒種植過程中的養分投入-產出的問卷調查結果獲取。每個磷肥水平4次重復，共20個小區，試驗地小區面積為9.8 m2，種植株行距根據西南地區一般種植密度與相關調研結果獲取：株距55 cm，行距40 cm。其它管理方式同一般大田。

本試驗于2019年4月27日移栽幼苗，8月28日全部收獲。供試辣椒品種為當地主栽品種“辛香8號”。供試肥料為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、硫酸鉀（K2O 50%）。施肥方式為氮磷鉀底肥全層混施一次性施入，磷肥不設追肥，氮鉀肥穴施法追肥，氮鉀肥的施用量按照當地農業部門技術人員確立。施肥量為氮肥用60 kg/hm2作為底肥，剩余氮肥用作追肥，每次追施48 kg/hm2，共追氮肥4次，共計施入氮肥（N）252 kg/hm2；鉀肥用60 kg/hm2作為底肥，剩余鉀肥用作追肥，每次追施54 kg/hm2，共追鉀肥4次，共計施入鉀肥（K2O）276 kg/hm2。追肥時期分別為辣椒初花期、初果期、盛果期（2次）共計4次。

1.3 測定項目與方法

辣椒初花期后，視辣椒果實成熟情況進行分批次測產；辣椒初花期每小區選取具有代表性的辣椒4株；收獲期選取4株，齊地剪取地上部，帶回室內分為莖、葉、果3部分，用去離子水清洗，于105℃殺青30 min后，75℃烘干至恒重，稱取干重。植物樣品采用全自動消解儀（S60UP）進行前處理（HNO3-H2O2消煮），用ICP-OES測定植物養分 濃度。

于收獲期用土鉆取0～20 cm土層土壤，風干后測定紫色土壤有效磷含量：用0.5 mol/L NaHCO3浸提，土液比1∶20，鉬銻抗比色法測定；土壤水溶性磷（CaCl2-P）含量：用0.01 mol/L CaCl2浸提，土液比1∶5，鉬銻抗比色法測定。

1.4 數據處理與分析

地上部干重（t/hm2）=莖干重+葉干重+果干重；收獲指數（%）=果干重/（莖干重+葉干重+果干重）×100；

地上部磷累積量（P kg/hm2）=莖干重×莖磷含量+葉干重×葉磷含量+果干重×果磷含量；

花后莖葉磷累積量占比（%）=（收獲期莖葉磷累積量-初花期莖葉磷累積量）/收獲期莖葉磷累積量；

磷素表觀盈余（P kg/hm2）=施磷量-收獲期地上部總的磷吸收量。

數據用WPS Office 2020、SigmaPlot 14.0進行圖表的繪制，用SPSS 17.0、SAS 8.0進行數據統計分析，采用SigmaPlot 14.0的雙線性模型進行分析模擬磷淋溶拐點，擬合方程如下：

2 結果與分析

2.1 不同施磷量對辣椒植株干重的影響

由表1可知，隨施磷量的增加，土壤有效磷濃度呈逐漸上升的趨勢，各處理間差異顯著，且處理P33、P65、P131、P393與不施磷處理P0相比分別增加了17.7%、65.6%、189.6%、324.0%。初花期辣椒莖、葉干重隨施磷量的增加逐漸增加，P65與P131處理之間差異不顯著。不同施磷處理辣椒莖干重是不施磷處理P0的1.5～2.5倍，P33處理辣椒葉干重較不施磷處理P0增長50%，P393處理較P0處理增長175%。

表1 不同施磷量對土壤有效磷及辣椒不同時期器官干重的影響

收獲期辣椒莖、葉、果干重均隨施磷量的增加而增加，辣椒莖干重在P33和P65處理之間差異不顯著，葉干重在P65和P131處理之間差異不顯著，莖、葉干重均于P393處理達最大值，分別為1.51、0.73 t/hm2，果干重在P33、P65、P131處理之間差異不顯著。

辣椒產量隨施磷量的增加呈逐漸增加的趨勢，P0與P33、P65與P131處理之間差異不顯著，不同施磷處理下辣椒產量較不施磷處理P0增幅為15.6%～49.0%。收獲指數除P0處理外各處理間無顯著性差異。

2.2 不同施磷量對辣椒植株磷含量、磷累積量與分配的影響

2.2.1 辣椒不同時期及不同器官磷含量的變化

由表2可知，初花期辣椒各處理間莖、葉、地上部磷含量無顯著差異，莖濃度約為3.2 g/kg，葉含量約為5.2 g/kg，地上部磷含量于P393處理時最高，為4.4 g/kg。收獲期辣椒除處理P393外，各處理莖、葉磷含量無差異顯著性，最大磷含量分別為2.2、6.5 g/kg。各處理間果磷含量無顯著性差異，平均磷含量為7.0 g/kg；各處理間地上部磷含量無顯著性差異，平均含量為5.2 g/kg。

表2 不同施磷量對不同時期辣椒器官磷含量的影響

2.2.2 辣椒不同時期及不同器官磷累積量的變化

由表3可知，初花期辣椒莖、葉、地上部磷累積量隨施磷量的增加呈逐漸增加的趨勢，最大磷累積量分別為P 0.33、0.61、0.94 kg/hm2。隨施磷量的增加，收獲期辣椒莖、葉、果磷累積量及地上部磷累積量均呈逐漸增加的趨勢，且果磷累積量＞葉磷累積量＞莖磷累積量，各施磷處理果磷累積量較不施磷處理P0增幅為15.0%～47.7%，葉磷累積量于處理P393時較不施磷處理P0增幅最大，為194%，莖磷累積量為不施磷處理P0的1.5～ 3.3倍。

表3 不同施磷量對辣椒不同時期器官磷累積量的影響

2.2.3 辣椒不同時期及不同器官磷累積量分配的 變化

由圖1可知，初花期辣椒莖、葉磷累積量占比隨施磷量的增加無明顯變化趨勢，莖磷累積量于P131處理時占比最大，為38.4%，葉磷累積量于P0處理時占比最大，為66.6%。

圖1 不同施磷量對辣椒不同器官磷累積量分配比例的影響

收獲期辣椒莖、葉磷累積量占比隨施磷量的增加呈逐漸上升的趨勢，果磷累積量占比呈逐漸下降的趨勢，不同施磷處理較不施磷P0處理降幅為5.3%～14.0%，于P393處理時占比最低，為66.2%，且果磷累積量占比最大，莖磷累積量占比 最小。

由圖2可知，隨施磷量的增加，不同處理辣椒花前莖葉磷累積量占全生育期莖葉磷累積量的比值趨勢不明顯，不同施磷處理花前莖葉磷占比均值約為12.6%，不施磷處理占比約為13.0%。不同施磷處理辣椒花后莖葉磷累積量占全生育期莖葉磷累積量的比值約為87.4%，不施磷處理占比約為87.0%。

圖2 不同施磷量對辣椒不同時期磷累積量分配比例的影響

2.2.4 收獲期土壤有效磷濃度及施磷量與產量的相關關系

由圖3可知，辣椒產量與土壤有效磷濃度及施磷量均呈顯著線性正相關關系。

圖3 土壤有效磷濃度與產量的相關關系

2.3 不同施磷量對土壤磷素表觀盈余及土壤磷素的影響

2.3.1 不同施磷量對土壤磷素表觀盈余的影響

由圖4可知，辣椒收獲后土壤磷素表觀盈余隨施磷量的增加而顯著增加，土壤中存在大量的磷素盈余。

圖4 不同施磷量對磷素表觀盈余的影響

2.3.2 土壤磷素表觀盈余對土壤磷素的影響

由圖5可知，土壤磷素表觀盈余與土壤有效磷及土壤水溶性磷濃度呈顯著正相關關系，過量磷素盈余可顯著增加土壤有效磷濃度與土壤水溶性磷 濃度。

圖5 磷素表觀盈余與土壤有效磷濃度及土壤水溶性磷濃度的相關關系

由圖6分析可知，土壤有效磷濃度與土壤水溶性磷濃度存在顯著線性相關關系，且土壤有效磷濃度低于22.9 mg/kg時，土壤水溶性磷濃度隨土壤有效磷濃度的增加而平緩增加，當高于22.9 mg/kg時，土壤水溶性磷濃度隨土壤有效磷濃度的增加而迅速增加。土壤有效磷濃度與施磷量之間的關系可以根據方程y = -0.0002x2+ 0.1688x + 7.675（R2=0.95，P＜0.001）進行擬合，當土壤有效磷濃度為22.9 mg/kg時，對應的磷肥施用量為P 102.7 kg/hm2。

圖6 土壤有效磷濃度與土壤水溶性磷濃度的相關關系

3 討論

3.1 不同施磷水平對辣椒干重、產量及收獲指數的影響

本試驗中，隨施磷量的增加，初花期辣椒莖、葉干重及收獲期辣椒莖、葉、果干重均呈逐漸增加的趨勢，最高施磷量并未對其干重產生顯著的抑制作用，這與一些研究不同[3，18］，原因可能是目前試驗地土壤有效磷含量仍比較低，沒有達到實現辣椒產量的臨界值。研究表明[19-20］，當土壤有效磷濃度為69.5～96.9 mg/kg時，辣椒莖、葉干重達臨界水平，當土壤有效磷濃度為41.2 mg/kg時，對應的辣椒產量為24.5 t/hm2，并且當土壤有效磷濃度從41.2 mg/kg增加到166.7 mg/kg的過程中，辣椒產量仍不斷增加，本試驗最大施磷量的土壤有效磷為40.7 mg/kg，并未達到抑制水平。初花期辣椒莖、葉干重比約為1∶1，隨著生育期的增加，莖干重逐漸大于葉干重，果實干重從初花期后不斷增加，這與前人研究結果基本相同[8，21-22］。此外，辣椒產量隨施磷量的增加呈遞增趨勢，且于最高施磷量時產量最高。因此，仍需在此基礎上監測土壤有效磷濃度與產量的匹配關系，量化臨界產量的土壤有效磷濃度。

本試驗中，不施磷處理的辣椒收獲指數最大，各施磷處理間的收獲指數差異不顯著，在小麥、玉米上的研究表明施磷可顯著提高其收獲指數，但各施磷量間收獲指數差異不顯著[22-23］，與上述研究結果不同，其原因可能是，試驗地土壤磷庫虧缺，一部分磷肥被土壤固化，導致不同施磷處理相較不施磷處理并沒有顯著增加土壤有效磷濃度，另一部分磷肥被當季辣椒吸收利用，作為辣椒地上部共同的營養基礎，吸收累積的磷素在促進辣椒果實形成的同時，更大程度上促進了辣椒莖、葉的生長，綜合導致施磷處理較低的收獲指數。

3.2 不同施磷水平對辣椒磷含量及磷累積分配的影響

本試驗中，隨施磷量的增加，初花期各處理辣椒莖、葉、地上部磷含量差異不顯著，這可能與初 花期辣椒需磷量小，短期內磷素積累速率較低有關[6］。 收獲期辣椒莖磷含量呈顯著上升的趨勢，與前人的研究結果一致[20］，各處理果磷含量無顯著性差異，原因可能是，辣椒測產不是一次性摘除所有辣椒果實，而是在辣椒生長發育過程中選擇成熟果實多次采收測取，同時本研究中辣椒產量與施磷量呈顯著正相關關系，導致辣椒果實的磷含量因養分稀釋效應呈一定的下降趨勢，相關研究中也有同樣的 論述[2］。

施磷量增加可顯著提高作物不同生育期的養分累積量，施磷量及生育期的增加與磷累積量呈顯著正相關關系，本試驗結果與前人研究結果一 致[12，24］。相關研究表明磷在植物體內移動性較強，磷在各器官的積累和分配占比反映了植物的生長中心[25-26］，本研究結果中初花期辣椒葉磷累積量約為莖磷累積量的2倍，說明初花期辣椒主要的磷素分配過程是對根系吸收的磷素經莖的積累以促進葉片磷的吸收，這與前人的研究結果一致[7，21］。試驗結果表明，過量施磷導致辣椒莖、葉磷累積量占比增加，果實磷累積量占比降低，適量施磷可以增加磷素在果實中的分配，優化磷素分配。

試驗結果表明，初花期前辣椒對磷的需求量較低，當辣椒進入開花坐果期后，因果實的形成對磷的需求量急劇增加，就要求辣椒于初花期建立良好的根系吸收系統。相關研究表明，過高的土壤磷素會抑制初花期辣椒根系的發育，降低辣椒根系的總根長，降低辣椒根系的菌根侵染水平[19］，同時又可能會降低收獲期辣椒果磷的累積分配，因此在生產中要適當調整施肥策略，既要滿足初花期辣椒的磷素需求，又要確保辣椒根系的良好生長，為初花期后辣椒果實的生長提供足夠的物質養分基礎，保證一定的辣椒產量。

3.3 過量的土壤磷素表觀盈余潛在的環境影響

研究表明，土壤磷盈余與土壤有效磷濃度呈顯著正相關關系，且土壤平均每積累P 100 kg/hm2，土壤有效磷濃度會增加1.13 mg/kg，但不同土壤條件下土壤有效磷濃度增值不同，本試驗中，土壤有效磷濃度增值為20.5 mg/kg，與前人研究相比此數值偏高[15，27-29］，原因可能是試驗地土壤磷庫處于虧缺狀態，施用的磷肥一部分被當季辣椒生長吸收利用，另一部分未被土壤固化仍以有效態磷存在于土壤中，因而導致較高的土壤有效磷濃度。研究認為，土壤水溶性磷濃度是土壤中最有效的磷素組分，可供作物直接吸收利用，通常土壤CaCl2-P含量為0.07～2.68 mg/kg[16，30］，本試驗中，土壤CaCl2-P濃度范圍為0.3～1.1 mg/kg，在上述閾值范圍內。

本試驗中，土壤磷淋溶臨界值為22.9 mg/kg，相關研究認為，施肥量較多的農耕地、果園地遠大于林地草地的磷素淋失風險，原因可能與土壤磷素盈余有關[31-33］。此外，土壤水分會影響磷素在土壤中的運移，例如在水分供應不同的種植系統中，供水較少的雨養種植系統磷淋溶臨界值為57 mg/kg，而水分較多的灌溉種植系統磷淋溶臨界值為37 mg/kg，其原因可能是水分缺乏導致土壤磷素的運移速度減慢，而水分充足既可使作物根系得到較好的發育，其根系分泌物，如有機酸、酸性磷酸酶等，又可提高磷的溶解性，使土壤磷的有效性顯著提升，進而降低了磷淋溶臨界值[34-35］。研究表明，質地越粘重，土壤pH值越小或越大，其磷淋溶臨界值會越高[32，36-37］。經結果分析，磷淋溶臨界值（22.9 mg/kg）對應的辣椒產量為18.6 t/hm2，可達目前最高產量的84.9%，因此仍需繼續開展長期試驗探究磷淋溶臨界值與產量臨界值的關系，通過改良土壤或優化肥料類型等手段實現磷淋溶臨界值內的產量最大化。

本試驗中，隨施磷量的增加，辣椒各器官干重、磷累積量及產量均呈逐漸上升的趨勢，并未達到產量臨界水平，主要原因是土壤基礎肥力水平偏低，土壤磷素虧缺，施入土壤的磷肥未能全部用于辣椒的生長吸收，因此不能單一的為追求最高產量而選擇最高的磷肥施用量，過分關注農學效益而忽略環境影響，同時，對磷淋溶臨界值的分析表明，值的大小在一定程度上取決于土壤本身的理化性質，如土壤pH值、土壤質地等。

綜上，從磷素環境風險的角度來看，當土壤有效磷濃度高于土壤磷淋溶臨界值22.9 mg/kg時，淋失加劇，此時對應的磷肥施用量為P 102.7 kg/hm2，但從產量對施磷量的響應來看，施磷量P 65和131 kg/hm2的產量差異不顯著，故經過綜合考量，選擇施磷量P 65 kg/hm2可以確保磷環境風險內的產量最大化。因此，在長期生產實踐中，要根據不同土壤類型、土壤基礎養分狀況進行合理施肥，既能夠在磷淋溶臨界值內進行環境友好生產，又能夠挖掘較高的農學生產潛力，最終實現節肥、增產、綠色環保的農業生產。

4 結論

隨施磷量的增加，土壤有效磷濃度顯著增加，初花期辣椒莖、葉磷累積量之比約為1∶2。初花期前和初花期后辣椒莖葉磷累積量占比分別為12.6%和87.4%，辣椒的莖、葉磷累積量是保證辣椒果實吸收磷素與形成的物質營養基礎。

施磷可顯著增加辣椒產量，但隨施磷量的增加會降低磷素在果實中的占比，不同施磷處理較不施磷處理P0降幅為5.30%～14.0%。

過量施磷使土壤磷素大量盈余，顯著增加土壤有效磷濃度及土壤水溶性磷濃度，增加菜田磷素向環境中輸入的風險，土壤磷淋溶臨界值為22.9 mg/kg。

綜合考慮辣椒產量、磷素吸收和環境風險，本研究中適宜的施磷量為P 65 kg/hm2。

因此，在辣椒生產中要根據不同土壤的基本理化性質合理施肥，以保證作物有良好的生長情況與磷素吸收分配，來實現磷淋溶臨界值內的高產高效。