冬小麥-夏玉米輪作區土壤磷與磷肥產量效應變化

劉建玲，吳 晶，賈 可，廖文華，呂英華，馬俊永

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院，河北 保定 071001；2.河北省農業農村廳，河北 石家莊 050021；3.河北省農林科學院 旱作農業研究所，河北 衡水 131102)

省域尺度上，地貌、母質、施肥是影響土壤磷容量和強度的重要因素[1-3]。成土母質主要影響土壤無機磷組成，土壤無機磷組成及有效磷含量影響土壤中磷素轉化和磷肥的產量效應[4-9]，土壤有效磷與作物產量的關系符合報酬遞減律[10]，農田尺度上土壤有效磷是影響土壤供磷能力和磷肥產量效應的主要因素[11-13]。目標產量法、肥料效應函數是計算磷肥推薦用量重要方法[14-15]。

20世紀70年代末，河北省土壤有效磷平均含量7.8 mg/kg[1-2]，土壤普遍缺磷，提高土壤有效磷成為提高作物產量的重要措施，80年代初期我國長期肥料定位試驗為科學施用磷肥提供了重要依據[16-18]。研究資料多為不同類型土壤中磷肥的轉化特點、降低土壤固磷率和提高磷肥有效性的理論與技術等[5-10]。

2005年以來的測土配方施肥工作進行了大面積土壤養分的測定，結果表明：近幾十年來，我國土壤磷素逐漸積累，土壤有效磷普遍增加[4]，磷肥的增產效應和利用效率一并降低[19-20]。因此，土壤有效磷逐漸增加現狀下，降低磷肥用量是提高磷肥利用效率的主要措施。但已有資料關于系統研究地貌、母質和施肥因素等對土壤有效磷變化的影響、不同時期土壤和肥料磷產量效應特點的資料尚少。因此，作物持續高產和維持土壤磷較高生產力前提下科學高效施用磷肥理論與技術的研究成為亟待解決的問題。

綜上問題，本研究通過分析不同區域、不同時段、主要類型土壤上磷肥在冬小麥-夏玉米輪作區的產量效應、土壤磷收支表觀平衡及其對有效磷的影響，結合河北省太行山山麓平原區、沖積平原區土壤有效磷變化的大數據分析、大面積多點磷肥產量效應追蹤試驗等，旨在為作物持續高產下科學高效施用磷肥提供依據。

1 材料和方法

1.1 冬小麥-夏玉米輪作區土壤有效磷變化

選擇河北省冬小麥-夏玉米輪作區代表性土壤，選點的原則是冬小麥-夏玉米輪作田。其中，太行山山麓平原區：保定市的清苑、滿城、高碑店等市縣100個點；石家莊市的藁城、正定等市縣166點。沖積平原區為保定市的雄縣；衡水市的武強、景縣等市縣100點[12]。

1978年土壤有效磷的數據來自河北省第二次土壤普查數據集[1-2]；1993年數據來自河北省土壤耕層養分變化與調控的數據[3]；90年代中后期土壤有效磷的數據來自冬小麥-夏玉米輪作持續高產土壤養分管理技術[11]，沖積平原區數據來自原始數據，2015年前后土壤有效磷數據部分來自統計分析測土配方施肥土壤有效磷測定結果[4]、部分代表性土壤定位監測等。

1.2 冬小麥-夏玉米輪作區磷肥定位試驗

1996—1999年田間磷肥定位試驗[11]：試驗地點：太行山山麓平原為藁城、沖積平原為景縣。土壤基本理化性狀如表1所示。試驗處理：-P、1/2P、P共3個處理，3次重復，隨機排列，小區面積33.35 m2。P處理P2O5用量為180 kg/hm2，磷肥施在冬小麥茬，夏玉米利用磷肥后效。N用量：冬小麥210 kg/hm2、夏玉米330 kg/hm2，K2O用量：180 kg/hm2。

2010—2012年田間磷肥定位試驗[13]：試驗地點：太行山山麓平原區石家莊市藁城區石井村，土壤基本理化性狀如表1。試驗處理：-P、1/2P、P共3個處理，重復3次，隨機區組排列，小區面積99 m2。P2O5用量：冬小麥108 kg/hm2，夏玉米60 kg/hm2。N、K2O用量分別為：冬小麥270，36 kg/hm2，夏玉米為300，66 kg/hm2。

表1 供試土壤基本理化性狀Tab.1 Physical and chemical properties of the experimental soils

1.3 不同時段多點大面積磷肥產量效應

黃淮海冬小麥-夏玉米輪作區主要分布在河北、河南、山東省。冬小麥試驗地點2002—2006年20個，2012—2016年21個。夏玉米試驗地點2002—2006 年11個，2012—2016 年10個。

試驗設計：采用裂區設計，主處理為不同氮鉀用量，副處理為磷用量，其中氮鉀用量分別為：低、中、高 3個水平，磷肥用量4～6個水平，每個試驗處理3 次重復，小區面積為 40～60 m2。2個時間段的試驗相對獨立，磷肥全部作為基肥施用[21-22]。

1.4 土壤積累磷的產量效應

試驗處理：-P、+P 2個處理，3次重復，P2O5用量540 kg/hm2，1次性施在小麥茬后連續種植3 a 6茬。田間微區筒試驗，微區筒直徑和高均為50 cm，土壤理化性狀如表1[23]。

1.5 數據分析

土壤供磷能力=不施磷處理作物產量/施磷肥處理作物產量×100%；

土壤磷表觀平衡=(輸入土壤磷-作物輸出磷)/作物輸出磷×100%；

土壤磷實際盈虧=(輸入土壤磷+土壤供應磷-作物輸出磷)/作物輸出磷×100%；

磷肥農學效率(kg/kg)=(施磷肥處理作物產量-不施磷處理作物產量)/磷肥用量。

2 結果與分析

2.1 土壤有效磷變化及影響因素

不同區域土壤有效磷的狀況如表2所示。結果表明：2015年河北省太行山山麓平原、沖積平原區土壤有效磷平均含量為24.77，20.09 mg/kg，平均22.43 mg/kg。土壤有效磷含量及年均增加量均表現為山麓平原區明顯高于沖積平原區。與1978，1993年土壤有效磷比較，2015年土壤有效磷分別增加2.7，1.2倍，沖積平原區增加為2.7，0.5倍。

表2 不同區域土壤有效磷變化Tab.2 Changes of soil available phosphorus in different regions mg/kg

2.2 不同時期磷肥產量效應及土壤供磷能力

不同時期磷肥在冬小麥-夏玉米輪作中的產量效應及土壤供磷能力如表3，4所示。其中1996—1999年不同區域土壤供磷能力如表3所示。太行山山麓平原區、沖積平原區供試土壤有效磷分別為15.09，11.90 mg/kg。P處理為冬小麥施用P2O5180 kg/hm2，夏玉米利用磷后效，太行山山麓平原區、沖積平原區土壤供磷能力：冬小麥分別為79.3%～91.7%，70.5%～79.5%，平均為83.9%，75.8%。夏玉米分別為76.3%～93.5%，83.3%～93.7%，平均為83.3%，89.7%。磷用量減半(1/2P)與P處理比較，土壤供磷能力：冬小麥分別為92.2%～96.9%，86.5%～94.7%，平均 95.0%，90.2%。夏玉米分別為90.5%～96.6%，93.8%～99.7%，平均為93.7%，96.3%。隨著種植年份增加，土壤供磷能力表現出逐漸降低的趨勢。其中，太行山山麓平原區、沖積平原區冬小麥茬土壤供磷能力年均分別降低4.1，3.0百分點，夏玉米茬分別年均降低5.7，3.5百分點。

表3 磷肥在冬小麥和夏玉米上的產量效應(1996—1999年平均產量)Tab.3 Yield responses of winter wheat and summer maize to phosphate fertilizer(Average yield in 1996—1999)

表4 磷肥在冬小麥、夏玉米上的產量效應(2010—2012年平均值)Tab.4 The yield responses of winter wheat and summer maize(Average over 2010—2012 year)

太行山山麓平原區、沖積平原區磷肥的農學效率：小麥分別為6.7，8.6 kg/kg，玉米分別為8.5，3.7 kg/kg。磷肥用量減半農學效率：冬小麥分別為9.2，10.2 kg/kg，夏玉米為10.5，4.7 kg/kg。

與不施磷處理比較：施用磷肥冬小麥分別增產19.2%，31.9%，夏玉米分別增產20.3%，11.8%。磷用量減半：冬小麥分別增產13.2%，18.8%，夏玉米分別增產12.6%，7.5%。

2010—2012年太行山山麓平原區磷肥在冬小麥、夏玉米產量效應如表4所示。結果表明：-P，1/2P處理土壤供磷能力冬小麥分別為84.6%，98.1%，夏玉米分別為90.1%，94.0%。與表3結果比較，玉米茬口的土壤供磷能力明顯增加。

與不施磷處理比較，冬小麥P2O5用量108，54 kg/hm2均顯著增加冬小麥產量，2個磷用量間產量差異不顯著。夏玉米P2O5用量60，30 kg/hm2，各處理間夏玉米產量差異不顯著。

P處理磷肥的農學效率：冬小麥、夏玉米分別為11.1，16.5 kg/kg，1/2P處理分別為19.4，13.1 kg/kg。施用磷肥冬小麥、夏玉米分別增產18.2%，11.0%，1/2P處理分別增產15.9%，4.3%。

2.3 冬小麥-夏玉米輪作中土壤磷收支平衡狀況

不同時期冬小麥-夏玉米輪作中土壤磷收支平衡狀況如表5，6 所示。基于1996—1999年肥料定位試驗中3 a 6茬冬小麥和夏玉米的平均產量計算土壤磷收支平衡(表5)，結果表明：P處理為冬小麥上P2O5用量180 kg/hm2、夏玉米利用后效。小麥秸稈還田時，太行山山麓平原、沖積平原區土壤磷收支表觀平衡分別為盈余52.8%，55.4%，土壤磷(P2O5，下同)積累71.49，72.59 kg/hm2，平均為72.04 kg/hm2，土壤積累磷相當于磷用量的40.0%。考慮土壤供磷114.59，79.69 kg/hm2，土壤磷實際積累163.39，164.49 kg/hm2。土壤有效磷分別增加4.87，5.01 mg/kg，年均分別增加1.62，1.67 mg/kg。1/2P處理土壤磷收支表觀平衡為略虧，土壤有效磷呈降低趨勢。-P處理土壤磷平均虧缺91.90，72.20 kg/hm2，與種植前基礎土壤比較，土壤有效磷分別降低6.46，3.19 mg/kg，年均降低2.15，1.06 mg/kg。

表5 冬小麥-夏玉米輪作中土壤磷平衡狀況(1996—1999年)Tab.5 Soil phosphorus balance in winter wheat-summer maize rotation(1996—1999)

表6 冬小麥-夏玉米輪作中土壤磷平衡狀況(2010—2012年)Tab.6 Soil phosphorus balance in winter wheat-summer maize rotation(2010—2012)

小麥秸稈不還田時，P處理土壤磷分別盈余32.9%，37.4%，土壤磷(P2O5)積累量為44.59，48.99 kg/hm2，平均46.79 kg/hm2。1/2P處理土壤磷分別虧缺38.19，24.59 kg/hm2。

基于2010—2012年太行山山麓平原區磷肥定位試驗分別計算冬小麥、夏玉米土壤磷收支平衡狀況(表6)。結果表明：冬小麥P2O5用量108 kg/hm2，小麥秸稈不還田，土壤磷收支表觀平衡為盈余6.7%；考慮土壤供磷82.79 kg/hm2后，土壤磷實際積累89.50 kg/hm2。1/2P處理土壤磷收支表觀平衡為虧缺44.2%，考慮土壤供磷后實際積累39.98 kg/hm2。

夏玉米土壤磷素收支平衡：P2O5用量60 kg/hm2時，夏玉米輸出磷(P2O5)113.47 kg/hm2，土壤磷收支表觀平衡為虧缺47.1%。考慮土壤供磷后實際積累47.53 kg/hm2。磷用量減半，土壤磷收支表觀平衡虧缺72.4%，考慮土壤供磷后實際盈余22.36 kg/hm2。

P處理冬小麥吸收磷在秸稈和籽粒中的分配為：籽粒吸收磷占作物吸收總磷58.0%，夏玉米為60.3%，因此，夏玉米秸稈還田，相當于在冬小麥施用P2O545.02 kg/hm2，冬小麥秸稈還田時相當于在夏玉米施用P2O542.53 kg/hm2。

基于2002—2006年，2012—2016年大面積多點冬小麥、夏玉米上磷肥效應函數計算出冬小麥、夏玉米最高產量P2O5用量(表7)。結果表明：2002—2006年，2012—2016年冬小麥最高產量P2O5用量分別平均為107.3，125.1 kg/hm2，夏玉米分別平均為52.0，58.9 kg/hm2。由于2012—2016年間的作物產量水平明顯高于2002—2006年，因此，其最高產量P2O5用量明顯增加。

表7 不同氮鉀用量下磷肥在冬小麥、夏玉米上的產量效應Tab.7 Yield responses to phosphate fertilizer in winter wheat，summer maize under different nitrogen and potassium dosage

2.4 土壤積累磷的產量效應

土壤積累磷的產量效應如表8所示。結果表明：一次施用P2O5540 kg/hm2，磷用量相當于常規用量的3倍，連續種植3 a 6茬土壤積累磷仍表現出顯著的增產效應。3種土壤3 a磷肥的積累利用率為60.5%。隨著種植時間延長，土壤有效磷逐漸降低。

表8 土壤積累磷的產量效應(3種土壤平均值)Tab.8 The yield responses to soil phosphorus accumulation(Average value of three types of soil)

3 討論與結論

3.1 不同區域土壤磷素狀況及其產量效應

冬小麥-夏玉米輪作是黃淮海區的主要種植方式，尤其是河北省太行山山麓平原、沖積平原區的主栽作物，該區域土壤有效磷平均22.43 mg/kg，太行山山麓平原﹥沖積平原，土壤有效磷含量和年均增加量、土壤供磷能力均呈相同規律。

省域尺度上地貌、母質是影響土壤質地、無機磷組成進而影響土壤中磷肥轉化和磷肥產量效應的重要因素[1-4]。太行山山麓平原區土壤質地多為輕壤和中壤，耕地地力高、作物產量水平較高，是河北省高標準農田區。沖積平原區(低平原)土壤質地多中壤或中壤偏上，地下水礦化度相對較高，作物產量水平較低，是河北省的中低產區[1]。

土壤質地和土壤磷組成是影響土壤磷轉化進而影響磷肥有效性的主要因素。母質因素影響土壤磷素組成，進而影響土壤磷的化學轉化，即影響土壤水溶態磷與鈣鐵離子結合呈緩效或無效態化合物；質地主要影響土壤磷的物理化學轉化，即水溶態磷成為土壤吸附態磷，進而降低其有效性。隨著磷素大量積累，土壤有效磷逐漸增加，土壤固磷率隨著土壤有效磷的增加逐漸降低[24]。也就是說，在土壤有效磷較高的土壤上，磷肥的有效性較高。大量研究結果表明：土壤有效磷水平與土壤供磷能力呈正相關[12]，有效磷與作物產量間的相關關系符合報酬遞減律[10]。相對于山麓平原區，沖積平原區土壤質地較細，土壤固磷率較高，土壤有效磷水平和年均增加量低于山麓平原區。該區域磷肥增產效應較高，但由于產量水平較低，磷肥農學效率較低。

不同時期、不同作物土壤供磷能力表現不同，20世紀90年代土壤有效磷較低時，磷肥在冬小麥上增產效應高于夏玉米，即土壤供磷能力冬小麥茬低于夏玉米。2010—2013年磷肥定位結果及2012—2016年大面積磷肥效應結果表明，隨著土壤有效磷的逐漸增加，土壤供磷能力一并增加，尤其夏玉米土壤供磷能力增加量高于冬小麥；夏玉米產量較高，其農學效率高于小麥。

3.2 冬小麥-夏玉米輪作區磷肥推薦用量芻議

平衡施肥是確定磷肥用量理論依據，田間尺度上推薦磷肥用量需綜合考慮目標產量需肥量、磷肥效應計算的最高產量磷用量、經濟合理磷用量、磷肥的農學效率等[14-15]。不同區域農田推薦磷肥用量除上述因素外，需同時考慮地貌、質地、土壤磷組分、有效磷含量及磷肥增產效應等。

地貌、母質是影響土壤質地、土壤磷庫的重要因素，尤其影響土壤無機磷的組成，進而影響土壤中磷肥轉化和磷的生物有效性。因此，不同區域相同土壤有效磷水平下，土壤和肥料磷的產量效應存在差異。因此，推薦磷肥用量時不僅考慮土壤有效磷含量同時需考慮地貌、耕地地力及土壤質地等因素。

相對于氮養分而言，作物生長對磷反應“遲鈍”。已有結果表明：土壤有效磷較高或磷肥用量較大時，作物奢侈吸收磷，磷產量效應曲線曲率變小，磷肥效應函數的二次項系數變大，由此計算出的最高產量磷用量和經濟合理施肥量偏高[25]。因此，在目前土壤有效磷較高現狀下，不同區域磷肥推薦用量需考慮地貌、質地、有效磷、作物需磷特點、作物目標產量、土壤供磷能力和供磷量等因素[12]，從而確定不同區域作物持續高產時需維持相對恒定土壤有效磷水平[26]。從本研究結果分析：不同時段、不同土壤有效磷時磷肥產量效應特點：1996—1999年，土壤有效磷15.09，11.90 mg/kg(相對較低)，冬小麥-夏玉米輪作中冬小麥上施用P2O5180 kg/hm2，小麥秸稈還田時太行山山麓平原、沖積平原區土壤收支表觀平衡分別盈余52.8%，55.4%；磷用量減半基本可維持土壤磷收支表觀平衡。2010—2012年，土壤有效磷提高到27.22 mg/kg，冬小麥P2O5用量108 kg/hm2時，土壤磷收支表觀平衡為盈余6.7%，基本維持平衡；夏玉米P2O5用量60 kg/hm2時，土壤磷收支表觀平衡為虧缺47.1%。可見，由于夏玉米產量高，從土壤輸出磷顯著高于小麥，因此，夏玉米茬需重視磷肥的補給。基于2002—2006年，2012—2016年磷肥在冬小麥和夏玉米上效應函數計算出最高產量P2O5用量：冬小麥分別平均為107.3，125.1 kg/hm2，夏玉米分別為52.0，58.9 kg/hm2。出現這一結果主要原因是由于土壤有效磷的增加致使磷肥增產效應走低。

關于秸稈還田與否對推薦磷肥用量的影響掌控原則：從研究結果可知，目標產量法計算磷用量(目標產量需磷與土壤供磷量之差)，如果秸稈還田計算磷用量需扣除秸稈輸入磷(小麥秸稈歸還于玉米茬，玉米秸稈還給小麥茬)。

長期過量施用磷肥或土壤有效磷較高條件下磷肥減量施用持續時間的問題，需進一步研究不同區域不同類型土壤不同磷用量時土壤有效磷變化量，進而確定目標產量下相對穩定的土壤有效磷水平。本研究結果：與常規施肥量比較，3倍磷用量連續種植3 a 6茬，土壤積累磷仍表現出顯著增產效果。由于盆栽試驗磷肥利用率一般高于大田試驗結果，對于不同區域、不同有效磷水平上土壤磷積累利用率問題尚需進一步進行田間試驗。

綜上分析，基于目前冬小麥、夏玉米產量水平、土壤有效磷含量、土壤供磷能力等，提出河北省區域農田土壤推薦P2O5用量：山麓平原區玉米秸稈不還田、還田時，冬小麥P2O5用量分別為：100～120 kg/hm2，90～100 kg/hm2。小麥秸稈不還田、還田時，夏玉米P2O5用量分別為45，30 kg/hm2。山麓平原區由于作物產量較高，磷肥用量建議取高量值，土壤質地偏重或超高產區域磷肥用量適量調高。

關于不同區域維持作物高產的土壤有效磷水平、環境安全下磷肥用量、磷肥經濟合理用量與農學效率較高時的磷用量間的關系等問題尚需進一步研究探討。