冬小麦−夏玉米体系磷效率对土磷素肥力的响应

姚 珊，张东杰，Batbayar Javkhlan，刘 琳，李若楠，周江香，张树兰，杨学云

（西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100）

磷是作物生长发育不可缺少的必需营养元素，也是作物增产的主要限制因子之一。土壤缺磷会导致养分不平衡，从而引起减产。因此在生产实践中必须施用适量的磷肥来提高土壤磷水平。由于磷肥施入土壤后大约有75%～90%被土壤固定而变成作物难以利用的形态[1–2]，因此其当季利用率普遍很低，通常情况下只有10%～25%[3]。较低的当季利用率促使磷肥需求量增长，因而过量施磷现象非常普遍[4]。仅就陕西关中平原地区而言，冬小麦−夏玉米体系中施磷量过高的农户分别占60%和20%[5]。过量施用磷肥反过来又导致磷利用率降低，不仅浪费了有限的磷资源，同时造成土壤磷素累积，过高的磷素累积可能通过地表径流或亚地表径流进入水体，引发水体富营养化等一系列严重的环境问题[6–7]。同时，磷矿是有限的不可再生资源，我国磷矿资源正在被加速耗竭，据许秀成[8]推算，未来我国磷矿仅可开采20年。因此合理施用磷肥，对维持作物产量、减少磷素流失、实现农业可持续发展具有重要意义。

近年来，很多文献报道我国土壤肥力普遍大幅度提升[9–11]，尤其是土壤磷素肥力水平，由第二次土壤普查时的平均速效磷8 mg/kg[12]提高到了现在的20 mg/kg以上[13–17]，且仍在进一步提高[18]。与此同时，我国农田磷肥投入量较高，在2011年已经达到5041.65 kt P，并且还在进一步增加[19]。近30年来陕西关中平原小麦−玉米种植区主要土壤土的土壤肥力也在不断提高，特别是耕层全磷和速效磷水平明显升高[20]。和全国其他主要农区一样，该区磷肥投入量也一直维持在较高水平且逐年增加[5,21]，这使得土壤磷素水平不断升高。由于磷素水平高的土壤供磷能力强，施磷增加了作物对磷肥的吸收，降低了作物对土壤磷的吸收利用[22]。许多学者在速效磷低于20 mg/kg的土壤上研究发现，用差减法计算的磷肥利用效率均随土壤速效磷水平的增加而降低[23–24]。刘艳玲等[25]研究发现，在速效磷4.4～37.9 mg/kg的土壤上，差减法计算的磷肥利用效率有随土壤速效磷增加而降低的趋势。因此，随着磷肥施用量的不断增加、土壤磷素水平的提升、磷矿资源的加速耗竭，如何合理施用磷肥是维持作物高产和提高磷肥利用效率需要解决的关键问题。

与氮肥相类似，传统的磷肥利用效率的计算是基于裂区基础上的，亦即同时做不施磷肥对照和施磷肥处理，用施磷区作物地上部吸磷量减去对照区作物地上部吸磷量来计算的。可以想见的是，由于符合报酬递减率，随着土壤磷素肥力的提高，磷利用效率会相应下降。同时，考虑到磷肥吸附固定和很长的后效，这种计算方法本身就没有太多意义[26]。据此，Syers等[26]提出了平衡法计算磷肥利用率，平衡法磷肥利用率是用作物地上部吸磷量除以磷肥施用量，该法成功地解决了磷肥累积和后效的问题。

纵观国内已有的研究，磷肥利用效率几乎全部都是基于传统方法计算的。因而很难据此把磷肥利用效率和土壤肥力建立有效联系。因此我们假设：随着土壤肥力的提高，磷肥利用效率在一定范围内也随之提高。为此我们利用土长期肥料试验形成的不同肥力 (磷素) 梯度的土壤，用盆栽试验进行验证。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

盆栽试验在“国家黄土肥力与肥料效益监测基地”进行，基地位于黄土高原南部的陕西省关中平原杨凌示范区 (34°17′51″N、108°00′48″E)，海拔 534 m，年平均气温12.9℃，年降水量为550～600 mm，降雨量主要集中在6～9月份。年均蒸发量993 mm，无霜期184～216天。属于暖温带大陆性季风气候。土壤为土，黄土母质。

试验于2016年10月至 2017年10月进行，冬小麦−夏玉米两熟制作物体系。供试土壤采自长期定位试验地耕层 (0—20 cm)，处理分别为：1) 对照不施肥 (CK)；2) 低氮配合磷钾肥 (75%N + PK，N1PK)；3) 高氮配合磷钾肥 (125%N + PK，N2PK)；4) 单施磷钾肥 (PK)；5) 秸秆还田配合化肥氮磷钾(SNPK)；6) 有机肥配合氮磷钾 (MNPK)。长期试验详细信息参见Yang等的文章[28]。将采集的土壤风干至约10%的含水量、混匀过0.8 cm筛备用。盆栽试验设置五个磷素水平土壤 (F1、F2、F3、F4、F5)，其中F1、F3和F4分别用CK、N2PK和SNPK处理耕层土壤配成；F2为N1PK加少许CK处理土壤稀释，F5为PK处理加少量MNPK处理稍稍提高其Olsen-P浓度，从而形成需要的磷素水平梯度。供试盆栽土壤基本性质如表1。

表1 盆栽试验供试土壤的基本化学性质Table 1 Chemical properties of soil used for the pot experiment

1.2 试验设计

试验设土壤磷素水平和施磷量两个因素。每个磷素水平土壤上设置5个施磷量 (P0、P30、P60、P90、P120)，共25个处理，每个处理重复4次，共100盆，随机排列。所有处理均施足量氮肥 (尿素，含氮量46%) 和钾肥 (硫酸钾，含K2O 50%)。肥料均在作物播种前与盆内的土壤混匀，冬小麦和夏玉米的施肥量相同，具体施肥量如表2所示。

表2 盆栽试验肥料用量 (g/pot)Table 2 Rates of fertilizers applied in the pot experiment

本盆栽试验的施肥量是基于大田施磷量计算的，施磷量设置为P2O50、30、60、90、120 kg/hm2。考虑到盆栽作物根系集中、养分仅来自有限的土壤且与土体接触面积远大于大田，而大田作物可以不受阻碍地吸收更深层更广泛的土壤养分[29]，有学者估算20 cm以下土壤大约贡献作物吸收养分的40%，盆栽植物正常生长所需施肥量几乎是大田施肥量的2倍[30]。因此本盆栽试验实际施肥量以大田的2倍计算，以期其结果尽可能接近大田。具体施肥量见表2。盆栽试验每盆装土10 kg，每盆的施肥量按土重比例施用 (耕层土重以2250 t/hm2计算)。将肥料与土壤充分混匀后装盆。所有盆均埋于地表，使盆栽作物的生长条件尽可能接近大田。作物生长期间搭建防护网，防止虫鸟破坏。每盆播20粒小麦种子，出苗后间苗至12株；播3粒玉米种子，出苗后保留1株。供试小麦品种为‘小偃22’，玉米品种为‘郑单958’，均为当地主要品种。试验期间视盆栽土壤水分情况及时浇水。

1.3 测定项目与方法

作物成熟后收获地上部所有植株，晒干、脱粒后测定地上部生物量、籽粒产量，籽粒和秸秆样品粉碎后测定其含磷量。作物收获后均匀采集盆内土样约50 g/盆，风干并混匀后分别过1 mm和0.15 mm筛，测定土壤速效磷和全磷含量。土壤速效磷的测定采用pH 8.5的0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提，钼锑抗比色法；土壤全磷的测定采用H2SO4–HClO4消煮，钼锑抗比色法；植物样品全磷的测定采用H2SO4–H2O2消煮，钼锑抗比色法[31]。

1.4 计算方法

磷肥利用效率 (PUE)：

式 (1) 中：Pup代表施磷肥处理地上部作物吸收磷量(g/盆)；F 代表磷肥的投入量 (g/盆)。

地上部作物磷 (P) 养分吸收量 (g/盆)：

式 (2) 中：Yg代表作物籽粒产量 (g/盆)；Pg代表作物籽粒含磷量 (%)；Ys代表作物秸秆产量 (g/盆)；Ps代表作物秸秆含磷量 (%)。

1.5 数据处理与统计分析

数据采用SPSS 18.0 软件进行分析，采用Excel 2013 软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 作物籽粒产量

土壤Olsen-P水平低于15 mg/kg时，冬小麦籽粒产量对施磷量有明显反应。在F1水平时，小麦籽粒产量随施磷量的增加而显著提高，施磷处理较不施磷处理增产52.2%～119.7%；土壤Olsen-P在15 mg/kg(F2) 及以上时，施磷肥没有显著的增产效果 (表3)。

夏玉米和冬小麦产量趋势大体一致。总体上看，在土壤Olsen-P水平等于或低于15 mg/kg时，玉米籽粒产量对施磷量有明显反应。在F1水平时，玉米籽粒产量随着施磷量的增加而显著提高，所有施磷处理较不施磷处理增产94.7%～212.7%。在F2水平时，施磷量为90～120 kg/hm2时的玉米籽粒产量显著高于不施磷处理，增产可达33.2%～40.3%；但施磷量达到60 kg/hm2后产量不再显著增加。在土壤Olsen-P水平高于15 mg/kg时，玉米产量在不同施肥量间没有显著变化 (表3)。

不论是冬小麦还是夏玉米，在不施磷肥条件下(P0)，当土壤速效磷达到23.6 mg/kg (F3) 后，作物籽粒产量不再随土壤磷水平的增加而显著增加。在施磷量为P30 时，作物籽粒产量随土壤磷水平的增加而增加，土壤速效磷为 35.7 mg/kg (F4) 时达到最高。其余较高施磷处理下，作物籽粒产量基本不因土壤磷水平提升而显著增加 (表3)。由表3也可看出，施磷量、土壤磷素水平以及它们的交互作用均对作物产量有极显著的影响。

表3 各磷素水平土壤不同施磷处理小麦和玉米籽粒产量 (g/pot)Table 3 Grain yields of winter wheat and summer maize in the tested soils receiving different rates of phosphorus

2.2 土壤磷素含量的变化

由图1可以看出，除F2磷水平土壤施磷量60 kg/hm2、120 kg/hm2和F5磷水平土壤施磷量120 kg/hm2几个处理较不施磷处理显著提高了土壤全磷含量外，其他磷水平土壤经过一年两季的施磷种植，土壤全磷含量基本没有显著变化。

在同一磷素水平土壤上，玉米收获后的土壤速效磷含量 (Olsen-P) 均随施磷量的增加而显著增加，随着土壤磷素水平的升高，增施磷肥对速效磷的增加幅度变小，除F2磷水平土壤外，施磷量30 kg/hm2处理的Olsen-P和对照相比差异均不显著。F1、F2、F3、F4和F5磷素水平土壤上，施磷处理较不施磷处理土壤速效磷分别增加–4.08%～434.69%、26.49%～112.77%、6.74%～48.24%、4.07%～43.65%和–4.84%～28.29%。同一施磷量下，土壤速效磷含量均随土壤磷素水平的提升而显著增加 (图1)。

2.3 土壤磷素水平与磷肥利用效率的关系

冬小麦磷肥利用效率随施磷量的增加而显著降低，在施磷量为60 kg/hm2时 (图2)，由30 kg/hm2时的最高值129.84%下降到仅为57.68%。同一施磷量，冬小麦PUE均随土壤磷素水平的提高而显著增加。小麦PUE与土壤Olsen-P含量呈显著的正相关关系 (P ＜ 0.05)，30 kg/hm2、60 kg/hm2、90 kg/hm2和120 kg/hm2线性关系决定系数分别达到0.996、0.899、0.760和0.820，有随施磷量增加而减小的趋势，这意味着磷肥利用效率受土壤磷素水平的影响程度逐渐变小 (图2)。小麦各个施磷量下PUE随土壤磷素水平的增加而线性增加，在施磷量为30 kg/hm2时，Olsen-P每增加10 mg/kg，PUE可增加17.60%。在Olsen-P达33.03 mg/kg时，PUE达到100%，亦即投入多少，可携出多少。Olsen-P进一步升高，PUE超过100%，则土壤磷处于耗竭状态。

图1 各磷素水平土壤不同施磷处理夏玉米收获后土壤全磷、速效磷含量Fig. 1 Soil total phosphorus and available phosphorus in tested soils receiving different rates of phosphorus after harvest of summer maize

与冬小麦PUE不同，夏玉米在低施磷量 (P30)时，PUE随着土壤有效磷增加而呈二次曲线形式增加，由此可计算出在Olsen-P含量12.32 mg/kg时PUE达到100%，在此水平以上处于耗竭状态，直到Olsen-P达到33.63 mg/kg时PUE达到最高值155.24%。施磷量为60、90和120 kg/hm2时，PUE随土壤Olsen-P含量上升而直线增加，在Olsen-P分别达到12.22、16.64和14.39 mg/kg后，PUE不再进一步增加，其关系可用线性–平台模型描述 (图2)。夏玉米磷肥利用效率随施磷量的增加也显著降低；四个施磷量下最高PUE分别为155.24%、69.77%、49.50%和37.08%。

整个冬小麦−夏玉米体系总的磷肥利用率和土壤初始Olsen-P含量作图 (图2)，可以看出，和夏玉米类似，作物体系周年磷肥利用效率均随施磷量的增加而降低。年施磷量为60 kg/hm2时，PUE也呈二次曲线形式增长，据此可算出在Olsen-P达到17.97 mg/kg时PUE达到100%，Olsen-P 40.11 mg/kg时PUE达到最高131.51%，但在此Olsen-P范围内土壤磷素处于消耗状态。年施磷量为120 kg/hm2和240 kg/hm2时，PUE随耕层土壤Olsen-P含量上升而直线增加，在分别达到20.62 mg/kg和12.32 mg/kg后，PUE不再进一步随Olsen-P含量增加而提高，其关系也可用线性加平台模型模拟。而年施磷量为180 kg/hm2时，PUE随土壤Olsen-P的增加而直线增加，但增加速率较小 (图 2)。

3 讨论

3.1 冬小麦和夏玉米的籽粒产量

本研究发现，在土壤速效磷低于15 mg/kg时，增磷肥可显著提高小麦及玉米的籽粒产量 (表3)。这与王立秋[32]、王旭东等[33]在速效磷6.5 mg/kg、10.5 mg/kg土壤上的研究结果一致。这是因为土壤磷素水平较低时，土壤供磷能力弱，不能满足作物需求，作物生长在很大程度上要依赖外源磷肥的施用。而在土壤磷素水平较高条件下 (Olsen-P高于15 mg/kg)，增施磷肥的增产效果不显著 (表3)。不施磷肥处理下，无论小麦还是玉米，当土壤Olsen-P达到23.6 mg/kg后产量不再随土壤Olsen-P的增加而显著增加 (甚至有减少趋势)。张文伟等[34]在速效磷15.0 mg/kg的土壤上，李丹等[35]在速效磷19.4 mg/kg的土壤上的研究也表明，增施磷肥对玉米产量的增加并没有显著效果。Robert和Johnston[36]研究发现，当土壤Olsen-P达到23 mg/kg后施磷不再增加冬小麦的产量。我们的结果与此基本一致。前人利用长期肥料试验结果得出，土地区冬小麦农学阈值为17 mg/kg左右，夏玉米为13 mg/kg左右，超过此阈值，作物对磷肥不再有明显的增产反应[37–38]。本试验结果也与该区域大田试验作物对土壤磷的反应吻合较好。

3.2 夏玉米收获后的土壤磷素变化

本研究发现，除F2施磷量60 kg/hm2、120 kg/hm2和F5施磷量120 kg/hm2较不施肥显著提高了全磷含量外，其它磷水平土壤经过一年施磷种植，基本都没有影响全磷含量 (图1)。其原因可能是本研究供试土壤全磷相对较高且种植时间较短，因而对全磷含量影响较小。许多研究表明，全磷的变化过程较为缓慢，短期耕作一般不会导致土壤全磷的显著改变，长期不施磷肥会导致土壤全磷含量降低，而长期过量施磷肥会导致土壤全磷含量升高[39–41]。本研究发现，在各磷素水平土壤上，速效磷的含量均随着施磷量的增加而显著提高 (图1)。许多学者研究也表明，增施磷肥可增加土壤速效磷含量[42–45]。

图2 磷肥利用效率与土壤有效磷水平的关系Fig. 2 Relationship between phosphorus use efficiency (PUE) and soil Olsen-P contents

3.3 土壤磷素水平与磷肥利用效率的关系

本研究发现，无论是小麦还是玉米，在土壤磷素水平较低时PUE较低，土壤磷素水平较高时PUE较高。随施磷量增加，PUE的升高速率降低 (图2)。卢亚南等[46]也发现，施磷量较大时磷肥利用效率随土壤磷水平的变化幅度较小。Mclaughlin等[47]认为，在低肥力土壤上施用磷肥利用效率较低，主要是因为有效态磷大多转化为无效态磷，减少了作物的吸收利用。这说明在一定范围内，土壤磷素水平高的土壤供磷能力强，施磷增加了作物对磷肥的吸收，但降低了作物对土壤磷的吸收利用[22]；但超过一定范围时，作物对磷肥利用不再增加。本研究也表明，在同样磷素水平土壤上，随着施磷量的增加，冬小麦、夏玉米的PUE均降低 (图2)，表明作物对磷养分的吸收并不与磷投入同步。这与前人研究结果一致[23,36]。

同一施磷量下，冬小麦PUE均随土壤磷素水平的提高而显著增加，PUE与土壤Olsen-P之间呈显著的正相关关系 (P ＜ 0.05)。冬小麦各个施磷量下PUE线性增加的原因，首先可能与冬小麦在拔节期以前一直处于较低温度、作物生长缓慢、土壤磷素有效性较低、吸收磷素能力相对较弱有关，因为只有较高的土壤磷素水平才能很好地满足其磷素需求；其次可能与磷素奢侈吸收有关。但也看到，在施磷量为60 kg/hm2时，土壤Olsen-P每升高10 mg/kg，PUE提高仅为4.9% (图2)，升高幅度很有限。用平衡法计算PUE，在施磷量一定时，PUE的变化也反映了作物吸磷量的变化。王永刚[48]研究发现，在不施肥的条件下，小麦吸磷量随土壤速效磷的增加而显著增加，达到一定程度后小麦吸磷量增加但是生物量却不再增加。我们的研究结果与此大体一致，但具体的变化程度不同，可能是施磷量、土壤磷素水平、土壤类型、气候等因素不同所导致的。

低施磷量 (30 kg/hm2) 时，夏玉米PUE随着土壤有效磷增加呈二次曲线形式增加，Olsen-P达到33.63 mg/kg时，PUE达到最高值。所以当土壤Olsen-P高于此值时，玉米PUE开始下降。张立花等[49]研究发现，玉米土壤速效磷含量与植株吸磷量的关系可用二次曲线拟合，这与我们的研究结果类似。表明玉米地上部吸磷是有限的，当土壤磷素水平达到一定值后，玉米地上部吸磷量不再增加。而在较高施磷量 (60～120 kg/hm2) 时，PUE先随土壤Olsen-P含量的提高呈直线增加，当Olsen-P达到一定水平时PUE不再进一步增加 (图2)。这种现象一方面和夏玉米土壤磷农学阈值较低有关；另一方面也与夏玉米生长季节 (6～9月份) 水热同步有关。在土壤温度较高时，土壤磷有效性相对较高；前茬作物根茬及土壤有机质分解强烈，也为其生长提供了一定磷源。

作物体系周年PUE随土壤Olsen-P的变化与夏玉米类似，年施磷量为60 kg/hm2时，PUE也呈二次曲线形式增长，Olsen-P为17.97 mg/kg时PUE达到100%，Olsen-P在40.11 mg/kg时PUE达到最高 (图2)，但在此Olsen-P范围内土壤磷素处于消耗状态。Olsen-P为17.97 mg/kg与该区冬小麦磷农学阈值接近[37-38,50]。表明即使在较低施磷条件下，该体系磷利用率达到较高的水平依然需要建立在满足作物最低需求的土壤磷条件之上。Medinski等[51]认为，即使在高肥力土壤上，也需通过施肥来保持土壤肥力。前人研究发现，杨凌地区土壤磷的环境阈值为40 mg/kg[37]，这与本试验观察到的体系PUE最大时的Olsen-P一致。表明土小麦玉米种植区，Olsen-P超过40 mg/kg不仅会降低PUE，而且潜在磷损失风险急剧增大。因此，考虑到作物体系，建议将土壤速效磷控制在40 mg/kg内进行管理。年施磷量为120 kg/hm2和240 kg/hm2时，PUE随土壤Olsen-P上升而直线增加，在分别达到20.62 mg/kg和12.32 mg/kg后，PUE不再进一步随增加，表明在低磷土壤上，可以施入较多量的磷肥以满足作物生长需要。而年施磷量为180 kg/hm2时，PUE随土壤速效磷的增加呈线性增加，这可能与小麦的奢侈吸收有关。

综上，以该区作物的农学阈值的有效磷水平作为磷素管理的低限，冬小麦为17 mg/kg、夏玉米为13 mg/kg；以PUE为最大值时所对应的土壤Olsen-P含量为高限，夏玉米为34 mg/kg、整个体系为40 mg/kg；鉴于冬小麦磷农学阈值较高且在低温状态下生长时间较长，冬小麦−夏玉米体系磷素需要综合管理。因此，确定夏玉米的磷素管理范围为13～34 mg/kg，整个作物体系为17～40 mg/kg，冬小麦参考整个体系。由图2可以看出，在此磷素管理范围内，整个作物体系年施磷量为P2O560～120 kg/hm2时，既可以保证作物产量，又可以提高磷肥的利用效率。在施磷盈余条件下，25年土长期试验NPK处理耕层土壤Olsen-P由试验开始的不到10 mg/kg，达到约35 mg/kg。而小麦地上部吸磷量25年平均为P2O553.16 kg/hm2，玉米为50.41 kg/hm2，周年为106.56 kg/hm2(本课题组未发表数据)。与本研究盆栽结果得到的施磷量大体吻合。尽管如此，该结果依然需要通过大田试验进一步验证。

4 结论

同一有效磷水平 (Olsen-P) 土壤上，作物磷素利用效率均随施磷量的增加而降低。同一施磷量下，冬小麦磷素利用效率随土壤Olsen-P的增加而增加；夏玉米磷素利用效率随土壤Olsen-P增加到一定程度后不再增加；冬小麦−夏玉米整个种植体系PUE的变化与夏玉米相似。

土壤Olsen-P对作物磷素利用效率的影响程度随施磷量的增加而降低。小麦季将土壤Olsen-P大约控制在17～40 mg/kg、玉米季大约控制在13～34 mg/kg范围内，整个冬小麦−夏玉米体系将土壤Olsen-P大约控制在17～40 mg/kg范围内，年推荐施磷量为P2O560～120 kg/hm2，在此管理范围内，既可以保证作物的产量，又可以提高磷肥的利用效率。