施磷对宁夏引黄灌区水稻产量、氮磷吸收利用及氮素残留的影响

郭鑫年, 孙 娇, 梁锦秀, 周 涛, 李永祥, 薛彩霞, 田旭东

(1.宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所, 银川 750002;2.青铜峡市良种繁殖场, 宁夏 青铜峡 751600; 3.青铜峡市农业综合开发办公室, 宁夏 青铜峡 751600)

宁夏引黄灌区位于我国西北内陆，由青铜峡灌区和卫宁灌区组成，总灌溉面积为9 697 hm2，水稻是该地区主要的粮食作物[1]。磷素作为水稻生长发育所必须的大量营养元素之一，直接影响着植株生化代谢、养分的吸收利用及其产量[2]，磷肥的合理施用是保证水稻分蘖正常、生育良好、早熟高产的基础，而过量施用在增加了投入成本的同时养分利用率下降，土壤残留磷素随径流流失造成水体富营养化等问题[3]。据统计，宁夏引黄灌区稻田平均施磷肥量已高于240 kg/hm2[4]，田间试验发现水稻磷肥利用率仅为4.2%[5]，因此，磷肥的合理施用成为该地区水稻高产，养分高效的关键。根据土壤养分含量和水稻生长发育对养分的要求，科学施用磷肥是提高水稻产量和肥料利用率的重要措施。已有研究表明，水稻植株内磷化合物的含量与磷肥施用量直接相关，合理施用磷肥可以提高水稻的产量和磷肥利用效率[6]。另外，氮肥与磷肥的交互作用较大，N，P肥配施提高了水稻秸秆和籽粒产量，同时促进了地上部N和P的吸收累积量，当氮肥投入量较低时，增施磷肥可提高作物产量[7]，且施用磷肥有效降低了耕层土壤硝态氮累积量，促进水稻对土壤氮素的吸收[8]。单施氮肥土壤硝态氮累积高达1 000 kg/hm2，而氮磷配合施肥土壤硝态氮累积量仅为220 kg/hm2[9]。为提高作物对氮磷养分的吸收量，提高肥料利用效率，减少养分在土壤中的残留以降低土壤氮磷养分的流失方面前人做了大量研究，许多研究报道了磷肥施用对水稻的产量、吸磷量、生理形状的影响以及残留磷素对土壤环境的影响[7,9-10,11]，同时在兼顾产量效益条件下从种植业结构进行了优化角度，提出了相应栽培模式，有效降低土壤氮磷流失量[12]。目前，许多学者针对氮肥或者氮磷配合施用对水稻产量或氮、磷肥利用效率的影响方面进行了研究[12]，而在宁夏引黄灌区施磷对水稻植株氮素、磷素吸收利用效率的影响方面的研究相对较少，在不同施磷量影响作物磷肥效率、吸氮特性及土壤硝态氮累积规律方面也只集中在春小麦上[9]，但在不同磷肥用量对水稻N、P生育期吸收比例、元素利用率以及土壤剖面矿质态氮变化规律及残留累积量方面的系统报道相对较少。本文通过对宁夏引黄灌区不同施磷水平下水稻产量、各生育期水稻氮和磷吸收与利用效率以及土壤矿质氮累积量等进行研究，旨在为宁夏引黄灌区水稻磷肥合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于宁夏青铜峡市良种繁殖场(106°16′E，38°8′N)，海拔1 697～2 633 m，属于中温带干旱气候区。年均降水量为180～220 mm，年均蒸发量1 500 mm左右，年总辐射量512.20 kJ/cm2，日照时数2 322.3 h，平均气温8.3℃，无霜期145 d。地貌类型为典型丘陵沟壑区，供试土壤为灌淤土，土壤pH值8.45，全盐含量1.14 g/kg，有机质含量14.20 g/kg，全氮含量0.85 g/kg，碱解氮含量58.70 mg/kg，速效磷含量14.70 mg/kg，速效钾含量121.50 mg/kg。

1.2 试验设计

试验以“节3号”为研究材料，采用小区试验设计，在施氮(尿素，含N46%)、钾肥(氯化钾，含K2O 60%)的基础上设置4个施磷(P2O5)水平，分别为：0，75，150，225 kg/hm2共4个浓度梯度，用P0，P75，P150，P225表示。每个处理重复3次，共计12个小区，各小区面积为40 m2(10 m×4 m)，采取随机区组排列。小区间用33 cm高的铝塑板隔开，并设独立的排灌口，铝塑板高出田面13 cm，以防小区间跑水、蹿水、串肥，铝塑板交接口用塑料薄膜密封。水稻于2014年4月20日播种，9月30日收获，生育期163 d。每个小区均施钾肥60 kg/hm2，氮肥270 kg/hm2，其中，钾肥、磷肥和55%的氮肥基施，28%和17%的氮肥分别在水稻的分蘖期和孕穗期施入。基肥于水稻移栽前一天撒施后用木耙混入5 cm的表土中，分蘖肥和穗肥采用撒施的方式。水稻的种植方式采取人工插秧，插秧行距30 cm，株距10 cm，各处理田间管理均按照常规栽培技术要求进行。

1.3 样品采集

分别于2014年6月10日水稻分蘖期、7月9日拔节期、8月26日抽穗期、9月30日收获期进行地上部植物采样，每个小区设5个重复。在水稻收获期，按每个小区60穴水稻计算单位面积有效穗数，根据平均穗数取样法在每个小区取5穴，考查穗粒数、结实率、千粒重等产量构成因素及籽粒充实情况，最后分小区单打实收测产；同时，以20 cm土层为一层，采集0—100 cm土层土壤剖面的样品，每小区设3个重复。

1.4 测定方法和计算

将植物样品分为籽粒样品与茎叶样品，105℃杀青0.5 h之后在80℃下烘干，测定干物质量；粉碎植物样品过60目筛，H2SO4—H2O2消煮后，用凯氏定氮法测定植物全氮含量，NaOH碱熔—钼锑抗比色法测定全磷含量[13]。将土壤样品置于阴凉通风处风干后过100目筛，利用流动分析仪对土壤中硝态氮、铵态氮含量进行测定[14]。

测定养分利用率的相关公式[15]如下：

磷吸收总量=成熟期干物质总量×植株磷含量/1000

元素生产效率=籽粒产量/植株元素吸收量

元素吸收效率=植株元素吸收量/施入元素量

元素收获指数=籽粒元素吸收量/植株元素吸收量×100%

磷肥偏生产力=施磷籽粒产量/施入磷肥量

磷肥利用率=(施磷处理植株总吸磷量-不施磷对照植株总吸磷量)/施入磷肥量×100%

磷肥农学利用率=(施磷处理经济产量-不施磷对照经济产量)/施入磷肥量

1.5 数据处理

利用Excel 2003和SPSS 19.0对试验数据进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验；通过相关性分析和回归系数来描述各测量指标的相关程度。图表的制作采用Origin 9.0和Excel 2003软件处理。

2 结果与分析

2.1 不同磷肥水平对水稻产量及磷肥利用率的影响

由表1可见，在施磷条件下水稻植株和籽粒产量均显著增加，增产范围分别为5 278.0～8 362.0，1 659.0～2 742.0 kg/hm2。与P0处理相比，在P75，P150，P225处理下水稻籽粒的增产率分别为25.5%，36.1%，27.7%。从产量构成上来看，P75，P150，P225处理下水稻穗数、每穗粒数、千粒重、结实率均显著大于P0处理。且各施磷处理相比，水稻穗数、每穗粒数、千粒重、结实率的最大值均出现在P150处理，最小值均出现在P75处理。各施磷处理相比，磷肥偏生产力和磷肥利用率的变化随施磷量增加呈显著降低的趋势，最大值出现在P75处理，分别为82.4 kg/kg，14.0%；磷肥农学利用率的最大值出现在P150处理，为18.3 kg/kg，磷肥农学利用率的最小值出现在P225处理。

表1 不同施磷水平对水稻产量及磷肥利用效率的影响

注：同列不同字母表示处理间差异显著(p<0.05)。

2.2 不同磷肥水平对水稻氮、磷吸收与利用率的影响

不同施磷水平下水稻在各生育期地上部分的氮素吸收量及其利用率见表2。不同施磷水平下水稻地上部分氮素吸收量变化随着生育期的延长多呈增加的趋势，最大值均出现在抽穗至成熟期间，水稻地上部分氮素吸收比率可从出苗至分蘖期的0.63%增长到抽穗至成熟期的72.35%。与不施磷处理相比(P0)，施磷处理P75，P150，P225下水稻在出苗至成熟期氮素吸收比率分别增加了22.13%，28.58%，26.73%。水稻除了在拔节至抽穗期施磷处理下氮素吸收量显著低于未施磷处理，随着施磷量的增加，其各生育期地上部分氮素吸收量变化多呈先增加后降低的趋势，最大值出现在P150处理。不同施磷水平下水稻植株氮素吸收利用效率可用氮素生产效率、氮素吸收效率、氮素收获指数表示[15]。水稻氮素生产效率在各施磷处理之间无显著差异，氮素吸收效率和氮素收获指数的变化从大到小顺序为P150>P75>P225>P0。

如表3所示，不同施磷水平水稻地上部分磷素吸收量变化随着生育期的延长多呈增加的趋势，最大值均出现在抽穗至成熟期间，水稻地上部分磷素吸收比率可从出苗至分蘖期的0.32%增长到抽穗至成熟期的73.61%。与不施磷处理相比，P75，P150，P225处理下水稻在抽穗至成熟期磷素吸收比率分别增加了2.57%，3.11%，3.97%。在出苗至分蘖期，水稻磷素吸收量变化随着施磷量的增加呈显著增加的趋势，最大值出现在P225处理；从分蘖至成熟期，随着施磷量的增加水稻磷素吸收量呈先增加后降低的趋势，最大值出现在P150处理，最小值出现在P0处理。随着施磷量的增加水稻磷素生产效率和磷素吸收效率呈显著降低的趋势，而磷素收获指数随着施磷量的变化从大到小顺序为P150>P75>P225>P0。

表2 不同施磷水平对水稻氮素吸收与利用效率的影响

表3 不同施磷水平对水稻磷素吸收与利用效率的影响

2.3 不同磷肥水平对土壤剖面矿质氮累积的影响

图1为不同施磷水平下水稻在0—100 cm土层中土壤硝态氮含量和铵态氮含量。不同施磷水平下土壤硝态氮含量和铵态氮含量的变化范围分别为2.97～15.43，0.36～2.02 mg/kg，除了水稻土壤硝态氮含量在P225处理下40—60 cm土层显著高于20—40 cm土层、土壤铵态氮含量在P75处理下40—60 cm土层显著高于20—40 cm土层，土壤硝态氮含量和铵态氮含量的变化多表现为随着土层深度增加而显著降低的趋势。在0—40 cm土层中，土壤硝态氮含量随着施磷量的增加而降低，最大值出现在P0处理；在40—100 cm土层中，土壤硝态氮含量的最大值多出现在P0处理，最小值多出现在P150处理。土壤铵态氮含量的变化在0—40 cm土层中从大到小的顺序为P0>P225>P75>P150；而在40—100 cm土层中，土壤铵态氮含量的最大值多出现在P225处理，最小值多出现在P150处理。

注：不同小写字母表示同处理不同土层在p<0.05水平上差异显著,不同大写字母表示不同处理同土层在p<0.05水平上差异显著。

图1不同施磷水平对水稻土壤矿质氮含量的影响

从图2可以看出，不同施磷水平土壤硝态氮累积量、铵态氮累积量的变化范围分别为92.14～120.46，8.02～14.39 kg/hm2。

在0—100 cm土层中，土壤硝态氮累积量变化随着施磷量的增加而降低，最大值出现在P0处理，土壤铵态氮含量变化从大到小的顺序表现为P0>P225>P75>P150。随着土层深度的增加，土壤硝态氮累积量和铵态氮累积量的变化多表现为降低的趋势，除了P225处理下土壤铵态氮累积量的最大值出现在60—80 cm土层中。

图2 不同施磷水平对水稻土壤矿质氮累积量的影响

3 讨 论

本研究中，增施磷肥显著提高了水稻穗数、每穗粒数和结实率，进而提高了水稻籽粒产量。施磷可显著提高当季水稻籽粒的产量[16]，施磷150 kg/hm2处理(P150)下水稻籽粒产量最高，过高的磷肥水平(P225)降低了水稻籽粒产量。本研究中，增施磷肥提高了水稻的农学利用率，施磷肥可显著提高水稻经济产量，尤其以施磷150 kg/hm2处理下水稻经济产量最高。但磷肥偏生产力和磷肥利用率随着施磷量的增加呈降低趋势。这与样地土壤速效磷含量(14.70 mg/kg)较高有关[17]。本研究中，施磷肥可显著提高水稻各生育期植株氮素吸收量，施磷150 kg/hm2处理下水稻氮素吸收量最高。适当的增施磷肥可以促进作物对土壤氮素吸收，但过高施磷水平下作物氮素吸收水平下降[7,18]。施磷量150 kg/hm2处理可显著提高作物从出苗到拔节时期氮素吸收比率，从而显著提高各生育期氮素累积量[19]。另外，作物氮素吸收的高峰期主要集中在中前期[20]，不施磷处理下作物氮素吸收的高峰出现在拔节期，施磷肥下作物氮素累积高峰有所后移，出现在抽穗期[9]，从而出现了施磷肥处理下水稻拔节到抽穗期氮素吸收量显著降低的现象。本研究中，随着施磷量的增加，水稻氮素生产效率在各施磷处理之间无显著差异，而氮素吸收效率和氮素收获指数的变化呈先升高后降低的趋势。施磷肥提高了水稻籽粒氮素累积量、植株氮素累积量[19]，但籽粒氮素累积量的增加幅度低于植株氮素累积量增加的幅度，导致了水稻氮素生产效率的降低。增加施磷量，可促进植株体内氮素的吸收运转，进而提高了植株氮素吸收效率和氮素收获指数[20]，且在施磷150 kg/hm2处理下可获得较高的氮素吸收效率和氮素收获指数[21]。

合理增施磷肥能促进作物对土壤磷素的吸收和累积[22]。本研究中，水稻磷素吸收量随生育期延长呈增加的趋势。水稻磷素吸收量变化表现为生育后期>中期>前期，且在水稻播种30 d以后磷素吸收量开始增大[23]。作物磷素吸收量随生育期的推进呈增加趋势，在生育前期主要在叶子中分配，生育后期主要在果实中分配[24]。但也有研究认为在水稻生育期内会出现拔节期和成熟期两个磷素吸收高峰[25]。这可能与水稻基因型、种植模式和生长环境等因素不同有关[24]。施磷肥尤其是施磷150 kg/hm2处理下可显著提高水稻各生育期植株磷素吸收量。说明水稻磷素吸收量受供磷水平的调控[26]。增施磷肥可增加土壤有效磷的浓度，进而加快土壤中磷扩散速度、增加水稻的不定根数目，水稻吸收磷素能力增强[27]。但高量施磷导致土壤有效磷浓度过高，抑制水稻磷素的吸收能力[5,23-24]。本研究中，随着施磷量的增加，水稻磷素生产效率和磷素吸收效率的变化呈降低的趋势。说明施用磷肥对水稻植株磷素吸收作用的影响大于生产作用的影响。增施磷肥可显著提高水稻磷素收获指数，但过高磷肥水平下水稻磷素收获指数会显著降低。磷肥投入水平显著影响土壤矿质氮(铵态氮和硝态氮)累积量[12]，而土壤铵态氮和硝态氮是植物吸收氮素的主要形态[28]。在通气良好、pH值较高的土壤条件下，土壤铵态氮通过硝化作用快速转变为硝态氮[29]，因而水稻土壤硝态氮含量较高，变化范围为2.97～15.43 mg/kg，土壤铵态氮含量的变化范围仅为0.36～2.02 mg/kg，土壤硝态氮成为水稻吸收的主导矿质氮源。本研究中，水稻0—100 cm土层中土壤硝态氮累积量随着施磷量增加呈显著降低的趋势。磷肥可能通过增加作物根系吸收范围从而降低土壤中硝态氮的累积[8]，因此，增施磷肥可减小向下淋溶土壤硝态氮的累积量[30]，尤其在40 cm以下土层土壤中硝态氮累积量显著降低[31]。适当施用磷肥刺激了土壤硝化细菌生长，但磷肥施用过量会抑制土壤硝化细菌的数量，进而造成铵态氮累积[14]。因此，水稻土壤0—100 cm土层中铵态氮累积量随着施磷量增加呈先降低后增加的趋势，施磷150 kg/hm2处理下水稻土壤铵态氮累积量最小。

4 结 论

与不施磷肥相比，施磷肥显著提高了水稻穗数、每穗粒数和结实率，进而提高了水稻籽粒产量，且以施磷150 kg/hm2处理(P150)下水稻籽粒产量最高，最高值为7 593.11 kg/hm2(增产率为36.12%)。除了在施磷肥处理下拔节到抽穗期水稻氮素吸收量显著降低外，施磷肥尤其是施磷150 kg/hm2处理下可显著提高水稻各生育期植株氮素和磷素的吸收量。随着施磷量的增加，水稻氮素生产效率无明显变化，氮素吸收效率和氮素收获指数的变化呈先升高后降低的趋势；水稻磷素生产效率和磷素吸收效率的变化随着施磷量增加显著降低，而磷素收获指数的最大值出现在施磷150 kg/hm2处理。水稻0—100 cm土层中土壤硝态氮累积量随着施磷量增加而显著降低，土壤铵态氮累积量随着施磷量增加呈先降低后增加的趋势，施磷150 kg/hm2处理下水稻土壤铵态氮累积量最小。