中国小麦生产的磷肥用量优化潜力及其对产量、籽粒营养和环境效应的影响
2021-08-26李顺晋安雨丽崔玉涛李浩然陈新平
李顺晋，安雨丽，崔玉涛，李浩然，陈新平，张 伟
(西南大学 资源环境学院，农业科学研究院，重庆 400715)
我国是世界上小麦集约化种植最典型的国家之一，依据气候条件，我国小麦生产区可划分为4个大区：华北麦区、西北麦区、长江中下游麦区和西南麦区，不同大区的小麦产量有明显差异。2019年，我国4大麦区小麦播种面积共计2 400万hm2，总产量为1.3亿t，分别占全国总量的97%和98%[1]。统计数据表明：2016—2019年，我国小麦播种面积连续下降，2019年的播种面积比2016年减少96万hm2[2]。在此背景下，提高小麦单位面积产量对保障我国粮食安全具有特别的意义。
农业生产中，磷肥施用是保证小麦产量的重要措施之一。作为大量元素之一，磷素在植物生理代谢过程中发挥着突出作用。研究表明，小麦对土壤磷素供应比较敏感[3-4]。施用磷肥能促进小麦叶绿素合成，增加叶面积指数，提高叶片净光合速率，进而增加小麦生物量累积；此外，磷肥施用还能促进小麦根系发育，增加分蘖，提高成穗率，从而保证小麦产量[5-7]。然而，目前我国小麦生产上磷肥不合理施用(缺乏或过量施用)的现象仍然存在。由于磷素易被土壤吸附固定，因此过量的磷素投入会增加土壤的磷素残留。当前，我国作物磷肥利用率平均仅为11.6%[8]，是全球土壤磷素失衡最严重的国家之一[9]。不合理的磷肥施用既会影响粮食安全，又会造成环境风险等多方面的问题[10]。因此，量化我国小麦生产的磷肥临界用量具有现实意义。
邓燕[11]的研究表明，适宜的磷素供应能在保证小麦高产的前提下协调作物的生物学潜力，但是过量的磷素投入不仅不会进一步增加小麦产量[12-14]，反而会影响小麦的生物学潜力发挥，降低肥料利用率。马清霞等[15]指出，在陕西杨凌黄土高原上，当施磷量(以P2O5计，下同)超过100 kg·hm-2时，小麦的产量和生物量不再显著增加。郑网宇等[16]在江苏丹阳的试验显示，小麦的最佳施磷量平均为65.7 kg·hm-2。虽然前人已就磷肥施用对小麦产量的影响在全国各地开展了大量的田间研究[17-21]，但这些研究大多聚焦于单个地区、单个田间尺度，在国家和区域尺度上量化小麦最佳磷肥施用量的研究仍相对欠缺。
植物对锌等微量元素的吸收会受高磷供应的抑制，过量的磷肥施用将导致小麦籽粒锌含量下降。另外，磷素的过量供应还会提高作物籽粒中的植酸含量，而植酸特殊的化学结构决定了其对微量元素具有较强的螯合作用，会进一步降低小麦籽粒锌的生物有效性[13，22-24]。因此，综合评价基于产量的优化施磷量对小麦籽粒中锌含量的影响，对于保证小麦营养质量来说也颇有积极意义。
本研究以我国4大麦区为研究区域，通过大数据分析量化磷肥施用对小麦的增产效应，明确不同麦区的适宜施磷量，通过整合分析(meta-analysis)的方法揭示不同环境条件下磷素供应对小麦产量的影响，并通过适宜施磷量评估各麦区的节肥潜力，明确磷肥减施的经济、环境效益，及其对人体健康的可能影响。
1 材料与方法
1.1 研究区域
本文在全国小麦施肥分区的基础上[25]，将全国麦区划分为4块：华北麦区(包括河北、山东、天津、河南)、西北麦区(包括山西、陕西、内蒙古、新疆、青海、甘肃)、长江中下游麦区(包括安徽、江苏、湖北、湖南、浙江、江西)、西南麦区(包括贵州、重庆、四川、云南)。
1.2 数据收集
为全面评估磷肥施用对小麦产量的影响，通过中国知网、Web of Science数据库，以磷(phosphorus)和小麦(wheat)作为关键词，检索、筛选有记录以来公开发表的研究文章。筛选条件如下：(1)在我国进行的田间试验；(2)试验必须含有不施磷处理作为对照，除磷肥外，其他肥料条件保持一致；(3)试验处理需设置重复，文章需列出肥料施用量、作物产量(含平均值和标准差)。基于以上标准，共筛选到413篇研究论文，获取数据3 698组，汇总试验地点、收获年份、土壤类型、肥料用量、产量，以及土壤pH值、有机质含量、全氮含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量等相关数据。
1.3 整合分析
以单个田间试验中各处理产量相对于最高产量的比值作为相对产量。
采用响应比(R)的自然对数值(lnR)作为效应值，表征磷肥施用对小麦籽粒产量的影响[26]，计算公式如下：
lnR=ln(Xe/Xc)。
(1)
式(1)中：Xe和Xc分别代表各独立研究中施磷处理和不施磷对照的小麦籽粒平均产量。将各独立研究中施磷处理的样本量(Ne)、不施磷对照的样本量(Nc)、施磷处理的小麦籽粒产量标准差(Se)、不施磷对照的小麦籽粒产量标准差(Sc)，以及Xe和Xc输入Meta Win 2.1软件，整合分析处理效应值，并通过随机效应模型重复抽样4 999次，计算出95%置信区间(记为95% CI，相应数据给在正文中效应值后的括号中)。若独立研究文献中缺乏Sc，用数据库中所有不施磷对照标准差的平均值代替[27]。
1.4 环境成本估算
借助能值分析理论，将磷肥施用造成的环境污染通过太阳能值转化为综合环境成本。通过剂量影响法估算各地区磷肥施用造成水体富营养化的污染物剂量(D，单位为t)，进而采用伤残调整生命年分析法确定水体富营养化对人体健康的影响，并根据单位劳动力能量消费量(Cm，单位为J·a-1)计算磷肥造成环境污染的能值成本(U，单位为J)，再通过能值/货币比率(Cg，单位为J·元-1)计算磷肥施用对环境造成的宏观经济价值成本，即综合环境成本(E，单位为元)[28-29]。具体计算公式如下：
D=M×Cei×(Wc/Wf)。
(2)
式(2)中：M为施磷量，单位为t；Cei为磷素进入水体的流转系数，综合前人研究结果，本文取值8.5%[30]；Wc为造成水体污染的磷酸盐的分子量；Wf为P2O5的分子量。
DY=Cdi×D×1 000。
(3)
式(3)中：DY表示造成富营养化污染的磷酸盐伤残调整生命年数，单位为a；Cdi为单位污染物剂量导致生命损害的年数，单位为a·kg-1。
U=DY×Cm。
(4)
本文引入2016年我国Cm值作为参数。根据马文静等[31]的研究，2016年我国总能值投入为6.32×1025J·a-1，当年我国总劳动力数量为8.07×108，计算可知，2016年的Cm值为7.83×1016J·a-1。
E=U/Cg。
(5)
根据《中国统计年鉴2017》，2016年我国GDP为7.44×1013元，结合当年的总能值投入，可计算得出2016年能值与货币的比率，即Cg值为8.50×1011J·元-1。
1.5 直接经济成本
根据国家统计局数据，2018年我国磷肥出厂价格为2 379元·t-1，磷复肥的主营业务利润率为4.1%，估算磷肥生产成本为2 285元·t-1。
1.6 锌生物有效性计算
本研究假定每个成年人每日消耗300 g小麦籽粒作为饮食中锌的唯一来源，通过三变量锌吸收模型计算小麦籽粒锌生物有效性(Z，单位为mg·d-1)[23]。
(6)
式(6)中：Amax表示最大锌吸收系数，取值0.091；KR为锌受体结合反应平衡常数，取值0.68；Kp为锌-植酸受体结合反应平衡解离常数，取值0.033；IZn为成人每日锌摄入量，单位为mmol·d-1；Ip表示成人每日植酸摄入量，单位为mmol·d-1。买文选等[32]研究表明，小麦籽粒中植酸与Zn2+的物质的量之比随施磷量在8～12变化，据此，本研究设置二者之比为10作为参数。
王义霞等[33]研究表明，小麦籽粒锌质量分数与磷肥投入呈显著负相关，施磷量每增加10 kg·hm-2，小麦籽粒锌质量分数下降0.1 mg·kg-1，根据该比例，明确施磷量对小麦籽粒锌生物有效性的影响。
1.7 数据处理
采用Excel 2019软件建立Meta分析数据库；通过SPSS 20.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，对有显著差异的，采用新复极差法(Duncan)进行多重比较；利用Sigmaplot 14、Excel 2019软件制图。
2 结果与分析
2.1 施磷量对小麦产量的影响
磷肥施用对小麦产量有显著的正效应(图1)。在不施用磷肥的条件下，小麦产量的中位数为4.90 t·hm-2；而施用磷肥条件下，小麦产量的中位数为5.93 t·hm-2。与不施用磷肥相比，施用磷肥条件下小麦产量增加21%。
箱形框中间的实线代表中位数，空心点代表平均值，上下边缘分别代表全部数据的第75个和第25个百分位数，箱形框上下两条线的边缘分别代表全部数据的第95个和第5个百分位数，上实心点为异常值。括号里的数字表示样本量。箱形框上方无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。The dash line represents the median value， and the hollow point represents the average value. The upper and lower edge of the box represent 75% and 25% of the total data， respectively. The upper and lower lines represent 95% and 5% of the total data， respectively. The upper of the solid points represents the vertical outliers. The values in brackets represent the number of samples.Box marked without the same letter indicates significant (P<0.05) difference between treatments.图1 施用与不施用磷肥的小麦产量Fig.1 Wheat yields with and without P fertilization
施用磷肥对小麦的增产效应存在阈值，二者呈现“线性-平台”关系(图2)。当施磷量小于58.9 kg·hm-2时，施磷量(x)与小麦的相对产量在不同麦区，施用磷肥的增产效应存在差异，且其阈值也有所不同(图3)：华北麦区施磷量达到71.6 kg·hm-2时，小麦相对产量将维持在96.3%的水平；西北麦区施磷量达到58.1 kg·hm-2时，小麦相对产量将维持在94.5%的水平；长江中下游麦区施磷量达到47.8 kg·hm-2时，小麦相对产量将维持在95.3%的水平；西南麦区施磷量达到60.0 kg·hm-2时，小麦相对产量将维持在95.4%的水平。
图2 全国尺度下小麦相对产量对施磷量的响应Fig.2 Response of relative yield of wheat to P input at national scale
(y)表现为极显著(P<0.01)的线性关系，拟合的线性回归方程为y=0.25x+80.85，当施磷量达到58.9 kg·hm-2，小麦的相对产量达到“平台”，不随施磷量的增加而显著改变，维持95.4%的相对产量水平。
2.2 不同环境因素对磷肥增产效应的影响
Meta分析结果表明，施用磷肥对小麦增产效应的影响与土壤理化性质密切相关(图4)。不同土壤有机质(SOM)条件下，磷肥施用对小麦产量均具有显著的正效应，但随着土壤有机质含量的增加，施用磷肥对小麦的增产效应逐渐减小。当SOM<15 g·kg-1时，小麦产量对施磷量的效应值为0.22(0.19～0.24)；当15g·kg-1≤SOM<20 g·kg-1时，效应值为0.15(0.14～0.17)；当SOM≥20 g·kg-1时，效应值为0.13(0.11～0.15)。不同土壤pH条件下，磷肥施用对小麦产量的影响与有机质相同，也是正效应：中性条件(6.5 a，华北；b，西北；c，长江中下游；d，西南。a，North China; b，Northwest China; c， The middle and lower reaches of Yangtze River; d， Southwest China.图3 各麦区小麦相对产量对施磷量的响应Fig.3 Response of relative yield of wheat to P input in different regions 括号中的数字为样本量。圆圈上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。Data in the brackets show the sample volume. Circles marked without the same letter indicates significant difference at P<0.05. SOM， Soil organic matter; AP， Available phosphorus.图4 不同土壤条件下施磷量对小麦增产的效应值Fig.4 Effect size of P input on wheat yield under different soil conditions 华北麦区的播种面积与产量在4大麦区中均居第一，2018年播种面积达12 155.7×103hm2，占4大麦区总播种面积的52%，平均产量为5.9 t·hm-2，平均施磷量为97.8 kg·hm-2，按小麦生产施磷量阈值71.6 kg·hm-2计，每年可减少磷素投入(以P2O5计，下同)31.92万t，节省直接经济成本7.29亿元，减少综合环境成本14 000万元，增加小麦籽粒锌质量分数2.63 mg·kg-1，增加小麦籽粒锌生物有效性2.18 mg·d-1(表1)。 表1 各麦区优化磷肥投入的潜力及其综合效应Table 1 Potential and comprehensive effects of P input optimization on wheat production 对于长江中下游麦区而言，其平均产量为5.06 t·hm-2，相较于目前该麦区的平均施磷量95.9 kg·hm-2，当施磷量达到阈值47.8 kg·hm-2时，每年可减少磷素投入30.71万t，节省直接经济成本7.02亿元，同时可减少综合环境成本1 300万元，增加小麦籽粒锌质量分数4.81 mg·kg-1，增加小麦籽粒锌生物有效性2.44 mg·d-1。 西北麦区的平均施磷量在4大麦区中居首位，达到109.6 kg·hm-2，但其阈值仅为58.1 kg·hm-2，据此估算，西北麦区每年可减少磷素投入20.93万t，节省直接经济成本4.78亿元，减少综合环境成本900万元，增加小麦籽粒锌质量分数5.15 mg·kg-1，增加小麦籽粒锌生物有效性2.47 mg·d-1。 西南麦区的小麦产量要达到“平台”，施磷量应达到60.0 kg·hm-2，然而目前西南麦区的施磷量为44.7 kg·hm-2，每年还可增加磷素投入1.5万t，耗费3 400万元，同时会增加综合环境成本100万元，降低小麦籽粒锌质量分数1.54 mg·kg-1，降低小麦籽粒锌生物有效性1.87 mg·d-1。 将4大麦区的数据合计以粗略表征全国的情况，我国小麦生产中每年可减少磷素投入82.07万t，可节省直接经济成本18.75亿元，节省综合环境成本3 600万元，并且可增加小麦籽粒锌质量分数3.83 mg·kg-1，增加小麦籽粒锌生物有效性2.87 mg·d-1。 与前人研究一致，小麦籽粒产量随磷肥施用呈现先迅速增加而后保持不变的趋势[12-14]，磷肥施用对小麦生产具有显著的增产效应，且该效应存在明显的阈值。陆梅等[34]在山西渭北旱地麦区的研究显示，当施磷量小于100 kg·hm-2时，小麦产量随施磷量增加显著提高，当施磷量高于100 kg·hm-2时，产量提高不显著；张翼等[35]在豫西旱作麦区的研究也指出，100 kg·hm-2是该地区小麦磷肥的最佳施用量，继续提高施磷量，小麦生物量、产量、收获指数均不再增加；胡雨彤等[36]分析了陕西长武30 a的定位试验数据，当施磷量超过90 kg·hm-2时，小麦增产幅度减小；王飞[37]在高土壤养分情况下发现，江苏高邮小麦生产上的最佳施磷量为54 kg·hm-2。本研究在全国尺度上定量了小麦增产的施磷量阈值为58.9 kg·hm-2，与前人的发现有所出入，原因在于前述研究大都基于单一区域、单一地块，而我国各区域土壤条件、气候条件迥异，势必造成小麦对磷肥投入的响应差异。本研究基于大量研究在全国水平上明确，磷肥施用能增加小麦产量21%，且小麦增产的施磷量阈值为58.9 kg·hm-2。 在不同区域施用磷肥对小麦的增产效应也有所差异：华北麦区的施磷量阈值(71.6 kg·hm-2)在4大麦区居首，远高于长江中下游麦区(47.8 kg·hm-2)；西北麦区、西南麦区的施磷量阈值介于长江中下游麦区和华北麦区之间，分别为58.1、60.0 kg·hm-2。本研究认为，造成不同麦区小麦磷肥增产效益差异的原因主要在于不同生态区土壤条件、气候条件的差异[3，38]。中性条件(6.5 本研究表明，磷肥施用对小麦的增产效应存在阈值。从产量角度出发，优化施磷量能够满足小麦高产的需要，过量的磷肥施用不仅不会增加小麦产量，反而易造成土壤磷素累积，增加磷素流失风险，导致水体富营养化等环境问题。而且，磷素投入过度也会进一步降低小麦籽粒中锌等微量元素的含量及其生物有效性。将我国小麦生产中的施磷量适当调整至阈值时，既能满足小麦高产稳产的需求，也有助于节省成本。我国是全球磷肥的第一大生产国，但磷储量仅占全球的4.57%[41]，仅足以支撑我国生产利用23年[12]。按照本文测算的阈值适当调整小麦生产的施磷量，每年可减少磷素投入82万t，这有助于维护国家资源安全，保证农业可持续发展，并可直接节约磷肥生产成本18.75亿元。同时，全国范围内的磷素投入下降，有助于减少农田面源污染，进而降低由环境污染造成的宏观经济成本，由能值分析核算可知，每年减可节约综合环境成本3 600万元。此外，全球约有11亿人有缺锌的风险，小麦的摄入提供了人体20%的锌[20，22]，小麦的锌生物强化已被证实有助于缓解这一“隐形饥饿”。研究表明，小麦籽粒锌含量与施磷量呈显著负相关，按照本文测算的阈值适当调整小麦生产中的施磷量，能直接增加小麦籽粒锌质量分数3.83 mg·kg-1，增加小麦籽粒的锌生物有效性2.87 mg·d-1。 综上，本研究在全国尺度上定量出小麦生产体系施磷量阈值。基于此阈值的宏观磷肥调控，不仅有助于保证国家粮食安全，还有助于维护国家磷资源安全，节省经济成本。同时，本研究在宏观尺度上揭示，优化施磷量有助于减少环境污染，缩减环境成本，提高籽粒锌营养，从而更好地保证人体健康。
2.3 基于阈值理论的磷肥减施效应分析
3 讨论
