太湖稻麦轮作农田减施磷肥盆栽试验研究

卢亚男，汪　玉，王慎强*，朱文彬，3，赵　旭，程　谊，李国华

（1.南京农业大学理学院，南京210095；2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，土壤环境与污染修复重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京210008；3.安徽农业大学资源与环境学院，合肥230036）



太湖稻麦轮作农田减施磷肥盆栽试验研究

卢亚男1，2，汪玉2，王慎强2*，朱文彬2，3，赵旭2，程谊2，李国华1*

（1.南京农业大学理学院，南京210095；2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，土壤环境与污染修复重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京210008；3.安徽农业大学资源与环境学院，合肥230036）

摘要：选择江苏常熟富磷、中磷、缺磷三个磷水平水稻土，通过盆栽试验研究稻麦轮作农田稻季不施磷的减磷措施的可行性。实验分四个不同处理：麦季施磷稻季不施磷（PW）、稻季施磷麦季不施磷（PR）、稻麦季均施磷（PR+W，目前农民施肥方式）以及稻麦季均不施磷（Pzero）。四年八季试验结果表明：与PR+W处理相比，无论是富磷、中磷以及缺磷土壤中，PW处理下的作物产量均无显著性差异，却显著提高四年稻麦轮作周期内的磷肥表观利用率（富磷、中磷以及缺磷三种土壤上分别高出4.21%、17.3%、18.5%），同时土壤速效磷含量累积下降20%～60%。然而，与PR+W处理相比，PR处理在缺磷土壤上作物产量下降了75%（P＜0.05）。四年盆栽试验结果表明，稻麦轮作农田在土壤磷素供应水平中等及以上条件下，通过稻季不施磷的措施来达到稻麦轮作农田减磷的效果在理论上具有可行性，可以保证作物较高产量水平和土壤磷素的环境安全。

关键词：水旱轮作；稻季不施磷；产量；磷肥利用率；速效磷

卢亚男，汪玉，王慎强,等.太湖稻麦轮作农田减施磷肥盆栽试验研究[J].农业环境科学学报, 2016, 35（3）：507-513.

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磷是生命必需元素之一，能够保证作物产量的关键营养。充足的磷营养供应能够显著促进小麦、水稻等作物的分蘖和根系的生长，增加植株的干物质质量，同时也能影响光合作用和光合产物的分配，保障高产[1]。然而，长期、过量施用磷肥将导致土壤磷库出现盈余，使磷肥利用效率下降，造成资源浪费的同时也加大了环境风险[2]。太湖流域人口密度大，农业高度集约化，化肥的高投入致使土壤磷的输入量远大于输出量[3]。近20年来太湖流域农田土壤中磷素含量不断升高并出现盈余，而农民仍普遍过量施用磷肥（主要是因施用高浓度复合肥而被动施入），对磷资源和太湖流域水环境造成了双重压力[4-7]。

本文主要通过麦季施磷稻季不施磷的方式探讨稻麦轮作农田减磷的有效方案。稻季不施磷的依据是目前稻麦农田土壤磷素累积已达相当水平，而在淹水状态还原条件下，土壤难溶性磷会向水溶性以及其他易被作物吸收利用的形态转化，使磷素有效性提高[8]。

1　材料与方法

1.1供试土壤

供试土壤为江苏常熟水稻土，包括乌沙土（C-H）、乌黄泥土（C-M）、乌栅土（C-L），其基本理化性质见表1。若以土壤速效磷＞20、10～20、＜10 mg·kg-1分别作为富磷、中磷、缺磷的标准，则C-H（速效磷含量43.9 mg·kg-1）为富磷土壤、C-M（速效磷含量16.3 mg·kg-1）为中磷土壤、C-L（速效磷含量6.16 mg·kg-1）为缺磷土壤。

1.2盆栽试验

选取上述三种磷含量水平水稻土进行稻麦轮作温室盆栽试验。试验始于2009年稻季，终于2013年麦季，共计四年八季。每种水稻土设4个处理，包括麦季施磷稻季不施磷（PW，简称麦季施磷）、稻季施磷麦季不施磷（PR，简称稻季施磷）、稻季麦季均施磷（PR+ W，目前农民施磷习惯，作为对照）以及稻季麦季均不施磷（Pzero，空白），每个处理均3个平行。采用直径20 cm、高24 cm的聚氯乙烯（PVC）盆，供试土壤每盆6 kg。施磷处理中磷肥（KH2PO4）每季按每6 kg土壤1 g P2O5施用；氮肥（尿素）每季按每6 kg土壤1.1 g N施用，40 %施作基肥，30 %在分蘖期追施，余下30%在抽穗期追施；钾肥（氯化钾）每季按每6 kg土壤1 g K2O施用。施用磷肥的处理中磷肥、钾肥以及40%氮肥均在作物种植之前作为基肥施入土壤；不施磷肥的处理中钾肥以及40%氮肥均在作物种植之前作为基肥施入土壤。在水稻生长季，除了季节中期的落干（持续一周时间，用来提高水稻根增长和在分蘖期有效分蘖），其余时间保持土壤淹水状态（水深5 cm）。小麦生长季土壤的持水量在60%～70%之间，采用人工灌溉方式。

1.3样品分析

每季作物收获后，选取地表以上作物植株，秸秆和籽粒分离烘干，分别称重，粉碎后测全磷。采用X形线段布置采样点，取0～20 cm表层土壤样品50 g，进行土壤混合，风干磨碎过筛（20目），室温下保存供分析测试[9-11]。植株样品全磷含量采用H2SO4-H2O2熔融提取，钼蓝比色，紫外分光光度计（UV mini-1240）法测定。土壤pH采用1：2.5（W/V）土水比、Thermo ORION STAR A211型pH计测定；土壤有机碳采用Leco CN-2000分析仪测定；土壤全氮采用凯式定氮法测量；土壤速效磷采用NaHCO3（pH8.5）浸提、钼蓝比色法测定；CEC采用乙酸铵交换法测定；土壤全钾采用火焰原子吸收法测定。

1.4数据分析

实验数据采用Origin 8.0作图分析用SPSS 16.0进行单一因素分析（P＜0.05）以及双因素分析（P＜0.001）。

表1　供试土样基本理化性质Table 1 Properties of tested soils

2　结果与讨论

2.1作物产量响应

不同施磷处理作物产量具有显著性差异（P＜0.05），如图1、图2所示。不同磷含量水平以及磷处理在四年稻麦轮作周期内对作物产量有极显著相关性（P＜0.001，表2）。四年盆栽试验结果表明，无论富磷、中磷还是缺磷土壤，PW处理的作物秸秆及籽粒产量与传统施肥方式PR+W处理比较无显著性差异（表3）。富磷、中磷以及缺磷土壤中，PW处理四年八季作物秸秆及籽粒的累积产量分别为809、681、676 g·盆-1，而PR+W处理的产量分别为808、602、702 g·盆-1。

图1　不同磷水平土壤中施磷处理中植株产量Figure 1 Crop yields under different P fertilization treatments and soil P levels

图2　不同磷水平土壤中施磷处理作物籽粒和秸秆八季累积产量Figure 2 Cumulative grain yields and aboveground biomass of crops from 2009 to 2013

表2　不同磷水平、磷处理以及时间与作物产量、总磷以及速效磷的交互作用Table 2 Interaction between P-level，P-treatment，and growing time and crop yield，total P and Olsen-P

与PR+W处理相比，不同磷水平土壤PR处理在四年稻麦轮作周期内具有显著性差异（P＜0.001）。PR处理在富磷及中磷含量水平的土壤上，其作物产量无显著性差异。但对缺磷土壤来说，作物产量显著降低（P＜0.05），秸秆与籽粒产量分别下降了75%和76%左右。而Pzero处理中，在三种磷水平土壤上作物产量均呈显著下降趋势（P＜0.05），且中磷和缺磷土壤的植株无籽粒产量，表明稻麦均不施磷导致了土壤磷素亏损，供磷不足，严重影响产量。

不同磷含量水平的土壤中不同磷处理在四年稻麦轮作周期内与作物产量有极显著相关性（P＜0.001，表2）。从四年产量结果看出，在三个不同磷含量水平土壤上，麦季施磷稻季不施磷对水稻和小麦产量均无显著影响。究其原因，水稻土是在人为水肥管理条件下形成的耕作土壤，其物理和化学性质具有特殊性，淹水条件下土壤磷素形态会发生转化，促进Fe-P等形态的溶解，提高土壤磷素有效性[12]。这也是作为对照试验的Pzero处理中，中磷以及缺磷土壤中水稻仍有产量，而小麦在后期出现无籽粒产量的原因。Singh 等[13]研究表明，相对于小麦，水稻施磷过量一方面会导致更多的磷被土壤吸附固定，另一方面也会导致磷肥在土壤中的径流，降低磷肥利用率和经济效应。鉴于此，本文采取稻季不施磷的减磷措施，能充分利用稻季淹水状态下土壤中释放的磷，达到稳产的目的。

表3　不同磷处理在不同磷水平以及轮作时间内与籽粒产量的交互作用Table 3 Interaction between grain yields in different P-treatments

图3　不同磷肥处理下的三种土壤四年稻麦轮作的植株籽粒和秸秆全磷含量Figure 3 Variations in total phosphorus concentrations in grains and straws of crops in three paddy soils with different phosphorus fertilization over 4 years of rice/wheat rotation

2.2植物对土壤磷肥利用的响应

植物体全磷是衡量作物对土壤磷素吸收效率的指标。由图3可以看出，各处理间作物籽粒及秸秆中的全磷含量在富磷土壤中没有显著差异，但在中磷以及缺磷土壤中，施磷显著增加了作物籽粒及秸秆中的全磷含量（P＜0.05）。不同磷含量水平以及磷处理与作物全磷吸收有极显著相关性（P＜0.001，表2）。在中磷和缺磷土壤中，PW处理下，植株全磷无论是籽粒还是秸秆均高于其余三种处理，四年稻季全磷含量高于麦季，说明淹水状态下土壤中的磷能够被有效利用。另外，对于植物对磷的吸收量而言，植株吸收的土壤磷素大部分分布于籽粒中，一般占到植物吸收量的65%～90%，说明植株对磷的吸收首先用于籽粒，而且土壤的含磷量越高植株总的含磷量越高。王伟妮等[14]也得出类似结论，即水稻植株吸收的磷有72%～75%存在于籽粒中，只有25%～28%存在于茎秆中。

根据植株全磷可以计算得出四年稻麦轮作周期的作物磷肥表观利用率（图3、图4）。

图4　不同磷肥处理下的三种土壤植株磷肥利用率Figure 4 Utilization efficiencies of phosphorus fertilizer in crops under different phosphorus fertilization over 4 years of rice/wheat rotation

磷肥表现利用率（%）=（W-Wzero）/W投入×100

式中：W表示四年稻麦轮作周期内施磷处理中作物吸收的全磷总量，mg·g-1；Wzero表示四年稻麦轮作周期内不施磷处理中作物吸收的全磷总量，mg·g-1；W投入表示四年稻麦轮作周期内投入土壤的磷肥总量，mg·g-1。

对于这三个不同含磷水平土壤，土壤磷含量越高，作物对磷的利用率越低。PR+W处理下四个稻麦轮作周期磷肥利用率在中磷土壤和缺磷土壤上分别为19.8%、31.3%，而在富磷土壤上仅为8.65%（图4）。张爱君等[15]研究了淮北黄潮土长期玉米小麦轮作的磷肥肥效，11年（1985—1995年）试验结果表明：小麦的磷肥肥效与土壤速效磷的含量具有极显著相关性。在速效磷＜15 mg·kg-1时，磷肥肥效明显，当速效磷≥25.3 mg·kg-1时，施磷无效。傅明华等[16]在水旱轮作系统上的研究也证实了这一点。章明清等[17]和程明芳等[18]研究时也发现类似结果。

PW处理下，植株对土壤的四年稻麦轮作周期磷肥利用率相对于传统的PR+W处理，在富磷、中磷以及缺磷三种土壤上分别高出4.21%、17.3%、18.5%。以第一年稻麦轮作为例，PW处理中植物磷肥表观利用率在富磷土壤、中磷土壤以及缺磷土壤中分别为4.75%、3.24%以及9.89%；PR+W处理中磷肥表观利用率则分别为2.64%、7.12%以及9.27%；然而进行至第四年稻麦轮作周期时，PW处理中植物磷肥表观利用率在富磷土壤、中磷土壤以及缺磷土壤中分别上升至22.4%、74.9%以及78.8%；PR+W处理中磷肥表观利用率则分别为9.43%、30.2%以及43.5%。稻季不施磷较目前的季季施磷方式可显著提高磷肥利用率，而在单季施磷处理中，三种不同含磷土壤的PW处理的磷肥利用率均高于PR处理。

2.3土壤速效磷含量变化

土壤速效磷是土壤中最易被植物吸收的磷。当磷肥施入土壤中，大部分被土壤固定，磷的当季利用率很低，大多仅在10%～25%之间[12]，土壤本身的供磷能力显著影响作物的磷素吸收，土壤速效磷的含量最能反映土壤施肥后对植物的作用以及施肥合理性[19-21]。另外，水旱轮作体系的干湿交替过程有利于土壤有效磷含量的提高[13,22]。

如图5所示，在不同施磷处理下，土壤速效磷累积具有显著性差异（P＜0.05）。不同磷含量水平的土壤中，不同磷处理在四年稻麦轮作周期内与土壤速效磷含量有极显著相关性（P＜0.001，表2）。无论富磷、中磷还是缺磷土壤，PR+W处理下，土壤速效磷累积含量均为最高。相反，若稻季麦季均不施磷，土壤速效磷则呈明显的下降趋势，以富磷土壤为例，四年速效磷含量由开始的43.9 mg·kg-1下降至8.28 mg·kg-1。在减磷处理措施下，无论是PR还是PW处理，试验周期内土壤速效磷含量累积变化不大，富磷土壤速效磷含量在初始含量50 mg·kg-1上下波动；对中磷、缺磷土壤，速效磷稳定在20 mg·kg-1左右，但和PR+W处理相比较，减磷处理的土壤速效磷累积量明显降低。一般情况下，当土壤速效磷含量较低时，土壤磷素随径流流失的量受速效磷含量影响微乎其微，但超过某一临界值时便迅速增加，这个临界值被称为磷素的环境警戒值[24]。根据曹志洪等[24]的研究结果，太湖地区水稻土的磷素环境阈值为25～30 mg·kg-1，表明无论富磷土壤、中磷土壤还是缺磷土壤，持续的稻麦轮作连续施用磷肥均有可能导致磷的积累而超出环境阈值。目前该地区土壤磷速效含量与第二次土壤普查结果相比增加显著，不同类型的水稻土增幅在15%～579%之间[25]，土壤磷累积已达相当水平。目前的施磷量和施磷方式既浪费资源也有环境压力，因此寻求减磷措施是必要的。综合分析作物的产量表现以及土壤速效磷累积可以看出，与目前农民稻麦季都施磷的农田施肥措施相比较，麦季施磷稻季不施磷既可满足两季作物生长的需求，保证产量，同时也可减少土壤速效磷的累积风险。

图5　不同施磷肥处理的土壤速效磷累积变化Figure 5 Soil Olsen-P accumulation in different phosphorus fertilization

3　结论

四年稻麦轮作中，麦季施磷稻季不施磷与稻麦均施磷相比较，作物秸秆及籽粒产量在高、中、低磷水平土壤中均无显著性差异，但前者却提高了磷肥利用率，并且明显降低了土壤速效磷的累积，减轻了土壤磷流失的环境风险。亦即，稻麦轮作农田在土壤磷素供应水平中等条件下，通过麦季施磷稻季不施磷的措施来达到稻麦轮作农田减磷的效果在理论上具有可行性，可以保证作物较高产量水平和土壤磷素的环境安全。

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Reduced P fertilization for rice/wheat rotation in Taihu Lake region

LU Ya-nan1,2, WANG Yu2, WANG Shen-qiang2*, ZHU Wen-bin1,3, ZHAO Xu2, CHENG Yi2, LI Guo-hua1*
（1.Nanjing Agricultural University College of Science, Nanjing 210095, China; 2.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Nanjing 210008, China; 3.Anhui Agricultural University School of Resources and Environment, Hefei 230036, China）

Abstract：High inputs of P fertilizers to soils have caused P pollution in waters, especially in intensive farming areas. A pot experiment was carried out to explore the feasibility of omitting or reducing phosphorus（P）fertilizers for rice in rice/wheat rotation using paddy soils with three different Olsen-P levels（P-rich, P-medium, and P-deficient）soils from Taihu Lake region. Four P treatments, including P fertilization for wheat only（PW）, P fertilization for rice only（PR）, P fertilization for both rice and wheat（PR+W）, and no P for rice or wheat（Pzero）, were used. Compared with PR+W treatment, crop yields in PW had no significant difference in P-rich, P-medium and P-deficient soils, while P utilization efficiency was increased by 4.21%, 17.3% and 18.5%, respectively, but the concentration of Olsen-P in soils decreased by 20%～60%. However, PR treatment significantly reduced crop yields in P-deficient soil（P＜0.05）. Hence, P fertilization for wheat only（PW）in rice/wheat rotation is feasible while maintaining rice yield.

Keywords：rice-wheat rotation; P fertilization for wheat only; crop yield; P utilization efficiency; Olsen-P

*通信作者：王慎强E-mail：sqwang@issas.ac.cn；李国华E-mail：liguohua@njau.edu.cn

作者简介：卢亚男（1992—），女，硕士研究生，主要从事农田磷循环和面源污染控制研究。E-mail：zoe_yanan@126.com

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）（2015CB150403）；中科院战略性先导科技专项B（XDB15020402）；国家科技支撑计划课题（2012BAD15B03）；国家重大水专项课题（2012ZX07101-004）；江苏省农业科技自主创新资金项目[CX（15）1004]；国家自然科学基金面上项目（41571294）

收稿日期：2015-09-18

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）03-0507-07

doi:10.11654/jaes.2016.03.014