聚磷酸铵添加生物源增效剂对小麦产量及磷素利用效率的影响

张运红，杨占平，黄绍敏，郭斗斗，杜 君，和爱玲，杨焕焕

(河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所/河南省农业生态与环境重点实验室，河南 郑州 450002)

磷是植物生长发育的必需营养元素，是核酸、核蛋白、磷脂等生命大分子的重要组成成分，以多种方式参与植物体内的代谢过程[1]。施用磷肥是保证小麦获得高产、优质、高效的一项重要农艺措施[2-3]。目前，常用磷肥主要有磷酸一铵(Monoammonium phosphate, MAP)、磷酸二铵(Diammonium phosphate, DAP)、重过磷酸钙(Triple superphosphate, TSP)等正磷酸磷肥。正磷酸盐在土壤中不易移动且易被土壤中的铁铝钙氧化物及黏土矿物等固定，导致作物对磷素的当季利用率仅为7.6%～15.0%[4-5]。磷肥利用率低不但造成磷肥资源的浪费，磷素在土壤中累积，还易对农田、水体等环境带来负面影响[6]。因此，通过代替性磷源减少磷在土壤中的固定，是提高磷肥有效性、实现磷素高效利用的有效途径。近年来，聚磷酸铵(Ammonium polyphosphate，APP)作为一种新型高效磷肥备受关注，APP含有正磷酸盐、焦磷酸盐、三聚磷酸盐和四聚磷酸盐等组分，水解后可提供正磷酸态磷素和铵态氮素，能降低土壤对磷的固定，从而提高磷肥利用效率和作物产量[7-9]。研究发现，APP可使黄麻皮哈密瓜增产3.0%～8.4%、大麦增产18%、油菜增产19%、番茄增产21.7%、草莓增产18%[10]。SHARMA等[11]研究发现，APP处理的小麦产量较磷矿石、硝酸磷肥和DAP处理分别提高34%、7.2%和9.2%。HOLLOWAY等[12]研究发现，APP处理的小麦产量在第1年和第2年分别比MAP处理提高14%和15%。此外，APP还可活化土壤中的铁、锌等微量元素，促进作物对微量元素的吸收[13-14]。APP具备优良的溶解性、缓释性和螯合性，是肥料生产中很好的磷源，已在发达国家得到广泛应用，但目前在我国农业上的应用还处于起步阶段，其高效施用技术及以APP为原料的增值肥料均有待研发。研究发现，一些天然物质如海藻酸类、腐植酸(Humic acid，HA)类和氨基酸(Amino acid，AA)类，可提高肥料利用率，且环保安全，可作为新型肥料增效剂使用[15-19]。李志坚等[17-18]研究发现，与普通MAP相比，HA、海藻酸和谷氨酸增值MAP处理分别可降低磷固定率7.32%、7.13%和11.99%；低磷条件下，小麦产量、磷肥表观利用率分别提高9.74%～33.54%、8.71～26.21个百分点。刘博等[19]研究发现，DAP添加AA后可提高土壤中速效磷含量，降低pH值，促进Ca-P向Al-P、Fe-P转化，从而减少土壤中磷的固定。然而目前该类物质在APP上的应用效果还未见报道。另外，不同天然物质活性基团、作用机制及施用效果存在明显差异[17,20]。小麦是我国重要的商品粮和战略性粮食储备品种，对保障我国粮食安全和小麦产区农业增效、农民增收起着重要作用[21]。鉴于此，以小麦为材料，研究APP添加不同生物源增效剂(HA、AA、海藻酸)对小麦产量及磷肥利用效率的影响，以期明确增效剂在APP上的应用效果，为以APP为原料的功能肥料研发提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2017年10月—2018年5月在河南省农业科学院科研园区(113.67°E、37.79°N)进行。供试土壤采自郑州市郊区，土壤类型为潮土。土壤含有机质3.5 g/kg、速效氮35.6 mg/kg、有效磷(Olsen-P)2.7 mg/kg、速效钾102.6 mg/kg，pH值 7.79。

供试小麦品种为郑麦7698，为多穗强筋、半冬性中晚熟品种，由河南省农业科学院小麦研究所许为钢研究员选育并提供。

供试APP(含N 18%、P2O558%)由郑州冠达化工产品有限公司提供；供试HA由褐煤提取，水不溶物含量<5%，由上海通微生物技术有限公司提供；供试海藻酸采用海藻酸钠寡糖(Alginate oligosaccharides,AOS)，β-D-甘露糖醛酸(M)∶α-L-古罗糖醛酸(G)=7∶3，糖醛酸含量>90%，聚合度2～10，由中国科学院大连化学物理研究所提供；供试AA为复合AA，其总AA含量为81.24%，主要由亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苏氨酸和天冬氨酸等组成，由郑州福润德生物工程有限公司提供；供试氮肥为尿素(含N 46%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。其余试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验设计

采用土培盆栽试验，选用聚乙烯塑料盆(直径30 cm、高20 cm)。每盆装过2 mm筛的土10 kg。试验设置5个处理，分别为处理1：对照[CK(-P)，不施磷处理]；处理2：APP处理；处理3：APP+HA处理；处理4：APP+AA处理；处理5：APP+AOS处理。每个处理4次重复，共20盆。N施用量为0.25 g/kg，50%基施，50%于拔节期追施；P2O5施用量为0.12 g/kg，K2O施用量为 0.12 g/kg，二者均全部基施。生物源增效剂在磷肥中的含量为0.3%。每盆播4行，每行10粒，30 d后间苗至每盆25株，小麦生长期间通过称质量法维持盆中土壤水分含量在田间持水量的70%左右。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 农艺性状 于苗期、返青期、拔节期、开花期和成熟期测定小麦株高；于苗期、返青期、拔节期和开花期测定功能叶片(开花期为旗叶，其他时期为倒二叶)叶面积(叶面积=长×宽×0.75)[22]；于苗期、越冬期、返青期、拔节期和开花期测定功能叶片SPAD值。其中，株高、叶长、叶宽采用直尺测定，SPAD值采用日本柯尼卡美能达叶绿素含量测定仪测定。并于成熟期调查小麦可见叶片数。

1.3.2 分蘖动态 分别于苗期、越冬期、返青期、拔节期和开花期调查每盆小麦总茎蘖数，并计算成穗率。

1.3.3 光合特性 于开花期(播种后162 d)采用Li-6200 便携式光合作用测定仪(LI-COR Inc.,USA)测定小麦旗叶的净光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、气孔导度(Stomatal conductance,GS)、蒸腾速率(Transpiration rate,Tr)和胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration,Ci)，测定时间选在晴天的9:30—10:30，测定时光照强度为800～1 200 μmol/(m2·s)，采用开放气路，设定空气流速为500 μmol/s，叶室(2 cm×3 cm)内温度为25 ℃。计算气孔限制值(Stomatal limiting values，Ls)和水分利用效率(Water use efficiency，WUE)，Ls=1-Ci/C0(C0代表气孔中CO2浓度为420 μmol/mol)。

1.3.4 产量及其构成因子 收获前，调查每盆小麦有效穗数(每穗实粒数多于5粒者为有效穗)；每个处理选取代表性植株5株，采用直尺测量穗长，然后调查穗粒数。收割每盆全部植株，脱粒后风干，采用百分之一电子天平称质量，计算籽粒产量、千粒质量。

1.3.5 植株磷含量和磷素利用效率 分别于开花期和成熟期采集地上部植株样品，并将成熟期样品分为籽粒和秸秆两部分，105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒质量，测定其干质量。采用H2SO4-H2O2消煮—钼锑抗比色测定各磷含量。其他磷相关指标按以下公式计算[23]：磷积累量=磷含量×干质量；磷素转运量=开花期营养器官磷积累量-成熟期营养器官磷积累量；营养器官磷素转运率=营养器官磷素转运量/开花期营养器官磷积累量×100%；营养器官磷素转运量对籽粒磷素的贡献率=营养器官磷素转运量/成熟期籽粒磷积累量×100%；花后磷素吸收量=成熟期地上部磷积累量-开花期地上部磷积累量；花后磷素吸收量对籽粒磷素的贡献率=花后磷素吸收量/成熟期籽粒磷积累量×100%；磷素收获指数=籽粒磷积累量/植株地上部磷积累量×100%；磷素吸收效率=植株地上部磷积累量/施磷量；磷素干物质生产效率=成熟期干物质质量/植株总磷积累量；磷素利用效率=籽粒产量/植株地上部磷积累量；磷素表观回收率=(施磷区地上部磷积累量-不施磷区地上部磷积累量)/施磷量；磷素农学利用效率 =(施磷区作物产量-不施磷区作物产量)/施磷量；磷肥生理利用率=(施磷区作物产量-不施磷区作物产量)/(施磷区地上部磷积累量-不施磷区地上部磷积累量)；磷肥生产效率=籽粒产量/施磷量。

1.3.6 土壤全磷和速效磷含量 小麦收获后，采集土壤样品，风干过筛，采用酸溶-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量，采用碳酸氢钠法(Olsen法)测定土壤速效磷含量[24]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2007进行处理，利用SPSS 17.0软件进行方差分析，并采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 APP添加生物源增效剂对小麦生长发育的影响

图1显示，施用磷肥可在一定程度上促进小麦的生长，苗期、返青期、拔节期、开花期和成熟期株高增幅分别为28.8%～43.1%、35.1%～51.5%、32.1%～37.6%、14.7%～19.8%和12.5%～20.9%；此外，在苗期和返青期APP添加生物源增效剂处理也高于APP处理，增幅分别为1.6%～11.1%和6.0%～12.2%，但不同增效剂处理间无显著差异；在开花期和成熟期APP+AA和APP+HA处理较APP处理也有提高，但二者间差异不显著。对于功能叶片SPAD值，各施磷处理不同生育时期较对照均有不同程度提高，增幅分别为28.1%～34.5%、10.5%～19.3%、7.7%～13.6%、2.4%～6.7%和5.7%～8.1%，除开花期外，其余时期均达到显著水平，但所有APP添加生物源增效剂处理均较APP处理无显著性增加。开花期仅APP+HA处理叶片SPAD值显著高于对照，较APP处理增加3.1%，但未达到显著水平。对于功能叶片叶面积，苗期和返青期，APP添加生物源增效剂处理显著高于对照，分别较对照增加59.8%～69.1%和83.6%～115.5%；且苗期较APP处理也增加5.5%～11.7%，但未达到显著水平；返青期APP+AOS处理显著高于APP处理，增幅为19.7%。拔节期，除APP处理显著高于对照外，其他处理和对照、APP处理均无显著差异。开花期，APP、APP+HA、APP+AA处理均较对照有一定程度增加，但未达到显著水平，且三者间差异也不显著；APP+AOS处理较APP处理显著降低，降幅为21.5%。对于可见叶片数，以APP+AA处理最高，较对照显著增加13.2%，较APP处理提高3.6%，但差异不显著，其余处理较对照也均有增加趋势，但差异均不显著。该结果说明，施磷可促进小麦生长发育，不同施磷处理间比较，以APP+AA处理效果最好。

不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)

2.2 APP添加生物源增效剂对小麦分蘖动态的影响

表1显示，苗期、越冬期、返青期和开花期，所有施磷处理的小麦分蘖数均显著高于对照，增幅分别为56.8%～82.9%、28.5%～38.5%、39.8%～55.7%和16.5%～31.4%，且APP添加生物源增效剂处理均高于APP处理。其中，苗期以APP+AA处理最高，较APP处理显著增加16.7%；越冬期，以APP+AOS处理最高；返青期，以APP+AOS处理最高，APP+HA处理次之，较APP处理分别显著增加11.4%和6.5%；开花期，则以APP+HA处理最高，较APP处理显著增加31.4%。拔节期，APP+HA和APP+AA处理均较对照显著增加，增幅分别为4.5%和3.3%，但与APP处理无显著差异；APP+AOS处理显著低于对照和APP处理，降幅分别为2.0%和4.7%。成穗率，所有施磷处理均显著低于对照，其中以APP+AOS和APP处理较低，APP+HA和APP+AA处理较APP处理分别显著增加5.9%和7.6%。该结果说明，施用APP可促进小麦分蘖，但会降低成穗率，在此基础上添加生物源增效剂HA和AA较单施APP处理可提高小麦成穗率。

表1 APP添加生物源增效剂对小麦分蘖动态的影响

2.3 APP添加生物源增效剂对小麦光合特性的影响

由表2可知，除APP+AA处理外，其余施磷处理的小麦旗叶Pn均显著高于对照，增幅为16.0%～30.2%，以APP+HA处理最高，较APP处理显著增加10.3%。对于Tr和Gs，均以APP处理最高，APP+HA处理次之，两者差异不显著,分别较对照显著增加10.7%、6.4%和44.9%、36.8%，APP+AA处理显著低于对照和APP处理。除APP+AOS处理外，其余施磷处理的小麦旗叶Ci较对照显著增加22.8%～47.8%，以APP+HA处理最高，较APP处理显著增加20.3%。APP+HA、APP+AA、APP+AOS处理的WUE分别较对照和APP处理显著增加22.4%、83.4%、14.6%和14.7%、71.9%、7.4%。APP、APP+HA和APP+AA处理的Ls分别较对照显著下降7.6%、16.0%和8.8%，其中，APP+HA处理较APP处理显著降低9.0%。该结果说明，施用APP可通过调节气孔开合、增加Ci，提高小麦Pn；在此基础上添加生物源增效剂HA可进一步增加Ci、Pn和WUE，降低Ls，促进小麦光合作用的进行。

表2 APP添加生物源增效剂对小麦光合特性的影响

2.4 APP添加生物源增效剂对小麦产量及其构成因子的影响

表3显示，与对照相比，施磷处理可显著提高小麦的产量及其构成因子，其中有效穗数增加16.5%～31.4%，且APP添加生物源增效剂处理显著高于APP处理，以APP+HA处理最高；穗长增加16.7%～20.0%，以APP+AOS处理最高，较APP处理显著增加2.8%；穗质量增加31.2%～56.6%，穗粒数增加39.9%～12.20%，二者均以APP、APP+AA和APP+AOS处理较高；千粒质量，除APP+HA处理外，其余处理均显著高于对照，增幅为4.9%～12.2%，以APP+AOS处理最高，较APP处理显著增加6.3%；施磷处理小麦增产43.2%～62.5%，且添加生物源增效剂处理较APP处理显著增加6.2%～13.5%，以APP+AA处理最高。该结果说明，施用APP可促进小麦增产，在此基础上添加生物源增效剂后，小麦产量进一步增加，以APP+AA处理增产效果最好。

表3 APP添加生物源增效剂对小麦产量及其构成因子的影响

2.5 APP添加生物源增效剂对小麦磷素吸收和转移的影响

表4显示，施磷处理可显著提高开花期小麦植株磷含量和积累量，其中磷含量增幅为24.0%～53.1%，以APP+HA处理最高，较APP处理显著增加14.8%，磷积累量增幅为59.0%～115.8%，以APP+AOS处理最高，较APP处理显著增加11.9%。成熟期，秸秆磷含量和积累量分别较对照显著增加35.9%～71.9%和73.8%～131.0%，其中磷含量以APP+HA处理最高，磷积累量以APP+AA和APP+HA处理较高。成熟期，籽粒磷含量、磷积累量、植株总磷积累量，均以APP处理最高，分别较对照显著增加39.1%、117.8%、115.3%，APP添加生物源增效剂处理较APP处理分别显著降低18.9%～24.3%、22.4%～32.1%、21.5%～29.2%。对于磷素利用效率，APP处理较对照显著降低27.3%，APP添加生物源增效剂处理较APP处理显著增加18.3%～29.1%。APP处理的磷素干物质生产效率最低，较对照显著降低30.8%；APP添加生物源增效剂处理较APP处理显著增加23.6%～33.4%。该结果表明，施用APP可促进小麦磷的吸收和累积，在此基础上添加生物源增效剂总磷吸收量较APP处理有所下降，但小麦磷素利用效率和磷素干物质生产效率提高。

表4 APP添加生物源增效剂对小麦磷素吸收的影响

表5显示，APP处理的小麦磷素收获指数较对照显著增加0.99个百分点，APP添加生物源增效剂处理较APP处理显著降低1.07～3.83个百分点，其中APP+HA、APP+AA 处理较对照显著降低2.84、2.50个百分点。所有施磷处理的营养器官磷素转运量均显著高于对照，增幅为27.8%～134.0%，以APP+AOS处理最高，较APP处理显著增加18.8%，APP+AA处理较APP处理显著降低35.1%。APP+AA处理的营养器官磷素转运率最低，分别较对照、APP处理显著下降13.67、15.16个百分点。APP+HA、APP+AOS处理的营养器官磷素转运量对籽粒的贡献率较高，分别较对照和APP处理显著增加4.18、6.00个百分点和5.67、7.49个百分点。施磷处理的花后磷素吸收量较对照显著增加40.3%～121.2%，以APP处理最高，APP添加生物源增效剂处理较APP处理显著下降25.1%～36.6%。APP+AA处理的花后磷素吸收量对籽粒的贡献率最高，较对照显著增加3.13个百分点，APP+HA、APP+AOS处理分别较对照和APP处理显著降低4.18、6.00个百分点和5.67、7.49个百分点。该结果说明，APP+AOS处理可显著提高小麦地上部营养器官磷素的转移能力及其对籽粒的贡献，花后磷素吸收能力则以APP处理最高。

表5 APP添加生物源增效剂对小麦磷素转移的影响

2.6 APP添加生物源增效剂对小麦磷肥利用效率的影响

表6显示，和APP处理相比，APP添加生物源增效剂处理的磷素吸收效率和磷素表观回收率显著降低14.9%～20.2%和24.6%～33.4%，且不同增效剂间无显著差异；但磷素农学利用效率、磷肥生理利用率和磷肥生产效率分别较APP处理显著增加20.5%～44.9%、60.1%～102.8%和6.2%～13.5%，且均以APP+AA处理最高。

表6 APP添加生物源增效剂对小麦磷肥利用效率的影响

2.7 APP添加生物源增效剂对小麦收获后土壤磷含量的影响

图2显示，施磷处理的土壤全磷和速效磷含量均显著高于对照，分别提高19.4%～29.7%和2.10～2.37倍，且不同施磷处理间无显著差异。该结果说明，施用APP可提高土壤磷含量，在此基础上添加生物源增效剂对土壤磷含量无显著影响。

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)

3 结论与讨论

创制安全、高效、环保的绿色肥料，构建绿色肥料产品体系，是推动我国农业绿色发展的重要体系。APP在多种作物上表现出良好的肥效。本试验也证实，施用APP可促进小麦生长发育，通过提高Ci和Pn，降低Ls，促进光合作用的进行，进而提高小麦产量，其中有效穗数、穗粒数和千粒质量均显著增加；施用APP处理植株磷素吸收量、磷素收获指数及土壤磷含量也有所提高。APP在农业上施用效果受其物质组成、作物种类、土壤特性等因素的影响[25-28]。APP只有水解成正磷酸盐后才能被植物吸收利用，因此水解反应直接影响植物对磷的吸收[9]。然而，APP不同组分水解速率有差异，四聚磷酸盐水解为三聚磷酸盐约需要1 d，三聚磷酸盐水解为焦磷酸盐和正磷酸盐约需要7 d，而焦磷酸盐水解为正磷酸盐则需4～100 d[25]。不同作物根系水解能力也有所不同，玉米根系水解焦磷酸钾的能力是大豆根系的3倍，且玉米根系对三聚磷酸钠的水解能力更快[26]。有报道，在玉米上，APP作为种肥施用时，以聚合度组成分布均匀的APP效果最佳，其在土壤中缓慢水解可降低土壤对磷的固定，提高磷素利用效率[27]。在小麦上，高聚合度的固体APP在小麦上的施用效果好于低聚合度的液体APP，小麦生物量及磷、钙、镁的吸收量均较高[28]。本试验中供试APP为固体，由41%的正磷酸盐、54%的焦磷酸盐、4%的三聚磷酸盐与1%的四聚及四聚以上的多聚磷酸盐组成，在小麦上的施用效果总体较好，与前人[12,28]研究结果一致。然而，本试验对小麦根系水解APP不同组分的能力未作解析，该工作有助于揭示APP在小麦上的增产机制。也有研究表明，与正磷酸盐相比，APP在石灰性土壤上施用更有利于作物增产及养分吸收，主要原因是聚合态磷与土壤中Ca2+或Mg2+高度结合并释放出固定在土壤中的正磷酸盐，从而增加Resin-P(树脂磷)、NaHCO3-P(高活性磷)和NaOH-P(中活性磷)含量，有利于作物吸收[8-9,29]。本试验中，供试土壤为潮土，属于石灰性土壤，APP促进小麦增产可能也与其土壤磷活化有关。

本试验中，APP添加生物源增效剂处理较APP处理可进一步促进小麦分蘖，增加有效穗数，提高产量6.2%～13.5%。李志坚等[17]研究发现，HA具有刺激小麦生长和分蘖的作用，MAP中添加HA可增加小麦穗数。刘伟等[30]报道，水分胁迫下，施用HA水溶肥料可改善小麦光合特性，叶绿素含量增加5.62%～84.32%，光合速率增加0.87%～75.38%，增产效果显著。本试验中，APP+HA处理可通过提高小麦旗叶Ci和Pn，降低Ls，促进光合作用的进行，提高产量，与上述结论相符。前人研究显示，添加AA的肥料具有促进植物分蘖、根系生长、叶色转绿和作物增产的效应[17,31]。AOS灌根处理可提高小麦叶片叶绿素含量和Pn，促进同化物积累和产量增加，且主要归因于穗数和千粒质量的增加[32]；将其添加到复混肥中施用，可提高小麦粒质量和穗数，增产15.33%[33]。本试验中，APP+AA和APP+AOS处理在小麦上均有良好的增产效果，前者主要归因于有效穗数的增加；后者千粒质量和有效穗数均显著提高，与上述结论相符。前人研究表明，MAP和DAP中添加1%～20%HA增效剂可提高作物产量、磷吸收量及磷肥利用效率，并可增加土壤中速效磷含量[34-35]，其原因是HA含有羟基、酚基等活性官能团，可与磷酸根离子竞争土壤胶体的吸附位点，从而减少磷的固定，还可与钙、铁、铝离子发生络合和溶解反应，促进土壤难溶性磷的释放；同时HA可通过金属桥与磷酸盐形成磷酸盐-金属-HA复合体，从而减缓有效磷向难溶性磷的转化，提高磷的利用效率[36-38]。MAP中添加海藻酸和谷氨酸也可提高土壤速效磷含量和土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量，减缓Al-P向Fe-P的转化[18]。本试验中，APP添加不同生物源增效剂处理的小麦磷素吸收效率、磷素吸收量及磷素收获指数均较APP处理显著降低，说明APP添加生物源增效剂对小麦磷素的吸收及其向籽粒中的转运有不利影响，其原因尚不清楚，可能与APP中磷的赋存形态有关。然而，目前关于生物增效剂对聚合态磷在土壤中的形态转化及其在植物体的吸收转运的影响还鲜见报道。APP在农业生产中具有良好的应用前景，但其土壤环境行为及其增效技术还需要继续研究。