玉米秸秆还田后磷肥减量对冬小麦磷素积累量和产量的影响

单旭东 石琳 田帅 王擎运 郜红建

摘要： 旨在探究玉米秸稈还田后秸秆磷肥替代化学磷肥的适宜比例，为秸秆还田后磷肥的合理施用提供理论依据。通过2年的田间试验，研究玉米秸秆粉碎还田条件下配方施肥及磷肥减量10%、20%、30%处理对小麦磷吸收累积量、产量及养分利用效率的影响。结果表明，在2019、2020年，土壤中速效磷含量随着小麦生育期的推进呈现先减少后增加的趋势，土壤中磷净投入量随着磷肥投入量的递减而递减。2019、2020年，在玉米秸秆还田条件下，与配方施肥磷肥处理（P100）相比，磷肥减量20%处理（P80）分别使小麦成熟期磷素的总累积量提高了43.11%、22.42%，分别使小麦增产7.68%、4.90%;与配方施肥磷肥处理（P100）相比，磷肥减量10%处理（P90）分别使小麦成熟期磷素的总累积量提高5.55%、6.75%，分别使小麦产量增加1.60%、1.65%;与配方施肥磷肥处理（P100）相比，磷肥减量30%处理（P70）分别使小麦成熟期磷素总累积量降低8.11%、9.07%，分别使小麦产量降低5.44%、10.89%。2019、2020年，在玉米秸秆还田条件下，与配方施肥磷肥处理（P100）相比，磷肥减量20%处理（P80）能够显著提高磷肥的农学效率（5.73%～39.87%）、偏生产力（20.07%～20.85%）和磷素吸收利用率（32.78%～42.11%）（P<0.05）。可见，玉米秸秆还田后磷肥减量20%以内对后茬小麦产量不会产生明显影响，并且能够提高磷肥的吸收利用效率，实现减肥增效。

关键词： 玉米秸秆还田;磷肥减量;小麦产量;磷肥利用效率

中图分类号： S141.4   文献标识码： A   文章编号： 1000-4440（2021）04-0884-09

Effects of phosphate fertilizer reduction on phosphorus accumulation and yield of winter wheat after maize straw returning

SHAN Xu-dong， SHI Lin， TIAN Shuai， WANG Qing-yun， GAO Hong-jian

（Anhui Provincial Key Laboratory of Farmland Conservation and Pollution Prevention， Research Centre of Phosphorous Efficient Utilization and Water Environment Protection Along the Yangtze River Economic Belt， School of Resources and Environment， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China）

Abstract： The research aimed to explore the rational proportion of phosphorus in straw to replace chemical phosphorus after the maize straw returned to the field， so as to provide theoretical foundation for rational use of phosphate fertilizer after the maize straw incorporation. The effects of recommended fertilization and phosphorus reduced by 10%， 20% and 30% on phosphorus absorption and accumulation， grain yield and nutrient utilization efficiency of winter wheat under maize straw incorporation condition were investigated through a two-year field experiment. The results showed that， in 2019 and 2020， the content of available phosphorus in soil decreased first and then increased with the extension of the wheat growth period， and the net input of phosphorus in soil declined with the decrease of phosphorus fertilizer addition. In 2019 and 2020， compared with the recommended phosphate fertilizer treatment （P100）， the treatment of reducing phosphate fertilizer by 20% （P80） increased the total phosphorus accumulation in wheat plants of mature period by 43.11% and 22.42%， increased the wheat yield by 7.68% and 4.90% under the condition of returning maize straw to field. Compared with those in the recommended phosphate fertilizer treatment （P100）， the total accumulation of phosphorus in mature wheat plant increased by 5.55% and 6.75%， and the wheat yield increased by 1.60% and 1.65% in the treatment of reducing the phosphorus fertilizer by 10% （P90） in 2019 and 2020， respectively. Compared with those in the recommended phosphate fertilizer treatment （P100）， the total accumulation of phosphorus in mature wheat plant reduced by 8.11% and 9.07%， the wheat yield reduced by 5.44% and 10.89% in the treatment of reducing the phosphorus fertilizer by 30% （P70） in 2019 and 2020， respectively. Compared with those in the recommended phosphate fertilizer treatment （P100）， the agronomic efficiency of phosphorus fertilizer significantly increased by 5.73%-39.87%， the partial productivity significantly increased by 20.07%-20.85%， and the phosphorus absorption and utilization rate significantly increased by 32.78%-42.11% （P<0.05） in the treatment of reducing the phosphate fertilizer by 20% （P80） under the condition of returning maize straw to field in 2019 and 2020， respectively. It can be seen that the reduction of phosphate fertilizer within 20% after maize straw returning will not have obvious impact on the yield of later wheat， and can improve the absorption and utilization efficiency of phosphate fertilizer to realize phosphate fertilizer reduction and utilization efficiency increase.

Key words： maize straw returning;phosphate fertilizer reduction;wheat yield;utilization efficiency of phosphate fertilizer

磷素是小麦生长发育和产量形成过程中必不可少的营养元素[1-3]，土壤中的磷60%～80%以无机态的形式存在[4]，包括矿物态磷、吸附态磷和土壤溶液中的可溶性磷。土壤中的有机磷需要分解为无机磷（H2PO-4和HPO2-4）后方能被植物利用[5]。王永壮等[6]研究发现，中国土壤中平均总磷、速效磷含量分别为0.68 g/kg、12.89 mg/kg。磷肥在土壤中通过物理化学反应转化为易被土壤矿物质吸附或被微生物固持的磷酸盐，而使有效态磷含量降低[7-8]。研究发现，中国磷肥的当季利用率只有10%～25%[9]。土壤缺磷会导致作物养分不平衡，从而引起减产;而磷肥施用量过高，易造成淋失风险[10-12]。中国《第二次全国污染源普查公报》显示，在农业面源污染的排放总量中，总磷排放量占8.67%[13]。

中国磷矿资源储量丰富，但区域分布极不均衡，且面临着难采难选矿多、贫矿多、富矿少的难题[14-16]。提高磷肥利用效率和挖掘替代磷矿资源的潜力，是实现磷资源可持续利用的重要途径。中国秸秆综合利用潜力总量为8.76×108 t，秸秆中的磷素储量折合纯磷（P2O5）约为0.419×1011 t，是一种很好的化学磷肥替代资源[17]。秸秆还田能够改善土壤肥力、提高土壤微生物活性、增加土壤有效磷含量，进而增加作物产量[18-20]。Kashif等[21]通过研究指出，秸秆还田后土壤的速效磷含量比秸秆还田前增加了69.80%～82.80%;王秀娟等[22]研究发现，在秸秆还田条件下，磷肥减量20%时，磷素利用率提高了5.73%;段转宁等[23]研究发现，在油菜秸秆全量还田条件下，磷肥减量50%时，水稻可以吸收充足的磷素来满足其生长发育的需要。

前人的研究多侧重于秸秆还田对土壤养分变化规律和作物产量的影响，但是关于秸秆还田后不同磷肥减量比例对作物产量和磷素吸收利用效率影响的研究较少。本研究在田间试验的基础上，探讨秸秆还田及磷肥减量10%、20%、30%后小麦植株磷素含量和累积量以及土壤中速效磷含量的变化规律，分析不同磷肥减量比率对小麦产量及磷肥利用率的影响，以期为玉米秸秆还田后科学施用磷肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

田间定位试验于2019-2020年在安徽省宿州市埇桥区灰古镇安徽农业大学皖北综合试验站（地理位置为117°08′E、33°68′N）开展，该地区属暖温带半湿润气候，日照雨水充裕，排灌便利，有利于小麦种植。试验田农业生产以小麦-玉米轮作制为主，土壤类型为砂姜黑土，土壤有机质含量为18.06 g/kg，全氮含量为1.09 g/kg，碱解氮含量为149.45 mg/kg，速效磷含量为6.04 mg/kg，速效钾含量为133.50 mg/kg，pH值为8.09。

1.2 试验设计

用于试验的小麦品种为烟农19，施用的肥料含有尿素（含46% N）、过磷酸钙（含12% P2O5）和氯化钾（含60% K2O）。试验设不施磷肥（N∶P2O5∶K2O=225 kg/hm2∶0 kg/hm2∶90 kg/hm2）（CK）、配方施肥（N∶P2O5∶K2O=225 kg/hm2∶120 kg/hm2∶90 kg/hm2）（P100）、磷肥减量10%（N∶P2O5∶K2O=225 kg/hm2∶108 kg/hm2∶90 kg/hm2）（P90）、磷肥减量20%（N∶P2O5∶K2O=225 kg/hm2∶96 kg/hm2∶90 kg/hm2）（P80）和磷肥减量30%（N∶P2O5∶K2O=225 kg/hm2∶84 kg/hm2∶90 kg/hm2） （P70）共5个处理，每个处理设3次重复。小区采用随机区组排列方法，单个小区面积为6.4 m×35.0 m，小区与小区之间均作60 cm的田埂。所有处理的磷钾肥一次性基施，氮肥按6∶4的比例用于基肥和追肥。小麦于10月24日播种，次年2月17-18日进行追肥，6月上旬收获，成熟期每个小区取4 m2的小麦植株进行测产。除施肥量参照每个处理的要求外，每個小区采用相同的管理方法，病虫草害管理方法同大田。

1.3 供试条件

试验地的耕作制度为小麦-玉米轮作，玉米品种为郑单958，玉米季配方施肥处理的磷肥用量为90 kg/hm2，磷肥减量处理的减量比例分别为10%、20%、30%，磷肥施用量分别为81 kg/hm2、72 kg/hm2、63 kg/hm2。所有处理中的秸秆全部粉碎后旋耕还田，根据本试验中小麦、玉米的产量及谷草比，可以估算出秸秆还田量。

1.4 测定项目与方法

植株样品的采集时间与土壤样品的采集时间一致。在小麦生长的苗期、拔节期、抽穗期、成熟期分别从每个小区随机取代表性植株样品，冲洗干净并用蒸馏水润洗后，将茎、叶、穗分别装入信封中，先于105 ℃杀青，再于75 ℃烘干至恒质量，随即称质量，由于成熟期的叶片易脱落，因此将该时期的叶与茎混合烘干。土壤样品采自耕层（0～20 cm），每个处理设3个重复，每个重复随机用土钻取5个点的土体并混合为1个土壤样品，风干、混匀后按四分法取部分样品，研磨过2 mm网筛后测定土壤中的速效磷含量。

将烘干的植株粉碎充分后用浓硫酸、过氧化氢消煮，再用钒钼黄比色法测定植株的全磷含量，用半微量凯氏定氮法测定植株的全氮含量，土壤速效磷含量用碳酸氢钠浸提法测定，植株磷素累积量及磷肥利用效率等的计算方法如下：

磷素总累积量（g，1株）=茎磷素累积量+叶磷素累积量+穗磷素累积量;磷肥偏生产力（kg/kg）=施磷肥区小麦产量/施磷量;磷肥吸收利用率=（施磷肥区作物磷素总累积量-不施磷肥区作物磷素总累积量）/施磷量×100%;磷肥贡献率= （施磷肥区作物产量-不施磷肥区作物产量）/施磷肥区作物产量×100%;磷肥农学效率（kg/kg）=（施磷肥区作物产量-不施磷肥区作物产量）/施磷量;土壤中磷净投入量=磷素投入总量-籽粒磷积累量;磷素投入总量=化肥磷投入量+秸秆磷投入量;籽粒磷积累量=籽粒磷含量×产量。

1.5 统计分析

用Excel 2007进行数据处理和作图，用SPSS 20.0、Duncans法进行统计和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 小麦不同生育期土壤速效磷含量的变化规律

由图1可以看出，在2019、2020年，随着生育期的推进，不同处理的土壤速效磷含量整体呈先减少后增加的趋势，且2020年小麦不同生育期的土壤速效磷含量比2019年的高;在2019、2020年小麦的不同生育期，土壤速效磷含量均为CK处理最低，P100处理较高;在2019年小麦苗期，不同磷肥减量处理的土壤速效磷含量以P70处理最低，并与P100处理间的差异达到显著水平（P<0.05）;在2020年小麦苗期与成熟期，不同磷肥减量处理的土壤速效磷含量随着施磷量的减少而逐渐减少，并且呈现P100>P90>P80>P70的规律;在2019年小麦拔节期，以P70处理的土壤速效磷含量最低，P100处理最高，两者之间的差异达显著水平（P<0.05）;在2020年小麦拔节期，不同磷肥减量处理的土壤速效磷含量呈P100>P80>P90>P70的规律，但后三者之间的差异均未达到显著水平;在2019年小麦成熟期，不同磷肥减量处理的土壤速效磷含量呈P100>P90≈P80>P70的规律，P90、P80、P70处理之间差异不显著;在2019、2020年，各磷肥减量处理的土壤速效磷含量均显著高于不施磷肥（CK）处理（P<0.05），但多数磷肥减量处理之间的差异不显著。

2.2 小麦不同生育期植株磷素、氮素含量

由表1可以看出，2019、2020年，小麦抽穗期、成熟期茎、叶、穗中的磷含量以P80处理最高，以不施用磷肥的CK处理最低;磷含量整体上以穗中最高，小麦植株不同部位的磷含量随着磷肥施用量的减少而呈现先增后减的规律;在2019年小麦苗期，小麦植株磷含量呈P100>P90>P80>P70>CK的规律，且P100处理与P80、P70、CK处理间的差异达到显著水平（P<0.05）;在2020年小麦苗期，小麦植株磷含量呈P100>P80>P90>P70>CK的规律，且P100处理与其他处理之间的差异达到显著水平（P<0.05）;在2019、2020年小麦拔节期，小麦植株磷含量均以P80处理最高，CK处理最低;在2019年小麦成熟期，小麦植株茎+叶、穗中总磷含量以P80处理最高，与除P90处理外的其他处理间的差异达到显著水平（P<0.05）;2020年小麦成熟期穗中磷含量呈现P80>P90>P100>P70>CK的规律;2019年小麦成熟期P80处理小麦穗中磷含量分别比P100、P90、P70、CK处理高20.06%、3.11%、20.73%、29.43%，其中P80、P90处理与P100、P70、CK处理之间有显著差异（P<0.05）。

由表2可以看出，2019、2020年，小麦不同生育期、不同部位的氮含量整体上以P80处理最高，CK处理最低。在2019年小麦苗期，植株中的氮含量呈P80>P90>P100>P70>CK的规律，CK处理与除P70处理外的其他处理之间的差异达到显著水平（P<0.05）;在2020年小麦苗期，植株中的氮含量以P80处理最高，且P80处理与除P90处理外的其他处理之间差异显著（P<0.05）。在2019、2020年小麦拔节期，大部分处理植株中的氮含量较上一时期有所升高，且均以P80处理最高，CK处理最低，两者之间的差异达显著水平（P<0.05）。在2019、2020年小麦成熟期，小麦植株茎+叶中的氮含量呈P80>P90>P100>P70>CK的规律。

由表3可以看出，2019、2020年不同處理植株中的平均氮磷比排序为P80（7.84）>P100（7.19）>P70（6.40）>P90（6.28）>CK（5.96）。

2.3 小麦不同生育期的磷累积量

由图2可以看出，磷累积量随小麦生育期的推进而逐渐增加，在2019年小麦拔节期到抽穗期，小麦植株磷累积速度放缓，在成熟期达到最高值（1株4.56～10.30 mg）。在不同生育期，磷累积量均以CK处理最低，且随着磷肥减量比例的提高而呈现先增加后降低的趋势。在2019年小麦苗期，磷累积量以P90处理最高，但与其他处理间无显著差异;而在2020年小麦苗期，磷累积量以P100处理最高，与CK处理间差异显著（P<0.05）。

由图2还可以看出，在2019、2020年小麦拔节期，小麦植株磷累积量均以P80处理最高，且与CK处理间差异显著（P<0.05），可能由于当磷肥减量20%时，小麦从土壤中吸收的磷较多，导致在植株体内累积了较多磷。在2019、2020年成熟期，小麦植株磷累积量均以P80处理最高，2019年P80处理的磷累积量分别比P100、P90、P70处理高43.05%、35.53%、54.65%，2020年P80处理的磷累积量分别比P100、P90、P70处理高30.81%、22.42%、42.71%。

2.4 小麦产量与磷利用效率

由表4可以看出，除P70处理外，2020年其他处理的小麦产量均高于2019年。2019、2020年不同处理的小麦产量呈P80>P90>P100>P70>CK的规律，以P80处理的产量最高，CK处理的产量最低，两者之间有显著差异（P<0.05）。2019年，在不同磷肥减量处理下，磷肥的贡献率、磷肥的农学效率和磷肥的吸收利用率呈P80>P90>P100>P70>CK的规律，P80处理的磷肥偏生产力、磷肥贡献率、磷肥农学效率、磷肥吸收利用率分别较P100处理高20.85%、14.48%、39.87%、42.11%。在2020年，不同磷肥减量处理的磷肥贡献率、磷肥农学效率和磷肥吸收利用率呈P80>P100>P90>P70的规律，其中P80处理的磷肥偏生产力、磷肥贡献率、磷肥农学效率、磷肥吸收利用率分别较P100处理高20.08%、13.14%、5.73%、32.78%。2020年P80处理的产量与P100处理间没有显著差异，与CK处理间差异显著（P<0.05）。

2.5 小麦-玉米轮作秸秆还田、磷肥减量条件下土壤中磷的平衡分析

由表5可以看出，除CK处理外，2019、2020年所有处理土壤中的磷均呈盈余状态。由表6可以看出，CK处理的小麦籽粒磷总吸收量大于秸秆还田处理的磷投入总量，可能是降雨和灌溉水中的磷进入土壤所致[24]。土壤中磷的净投入量随着磷肥投入量的减少而递减，2020年不同减磷处理的小麦籽粒磷总吸收量、土壤中磷的净投入量整体上较2019年有所提高，这与本研究得出的土壤速效磷含量、植株磷含量的变化规律较相似（图1、图2）。土壤中磷库因投入磷肥的种类和数量不同而存在差异[25]，Shen等[26]认为，土壤中磷的盈亏与速效磷含量变化的关系密切，施用磷肥提高了土壤中的磷盈余，而不施用磷肥导致土壤中的磷亏缺。秸秆还田在不造成土壤中磷大量盈余的情况下进一步提高了土壤中的速效磷含量，促进作物对土壤中磷的吸收利用，这可能与秸秆碳活化了土壤磷库，促进土壤中的磷有效转化有关[27]。笔者研究发现，随着磷肥施用量的减少，土壤中磷的净投入量呈先增加后减少的趋势，这与赵亚南等[28]的研究结果一致。

3 讨论

3.1 玉米秸秆还田条件下磷肥减量对土壤速效磷含量和小麦磷累积量的影响

本研究发现，在秸秆还田条件下，土壤中的速效磷含量随着小麦生育期的推移呈先減少后增加的趋势，小麦中的磷积累量则随着生育期的推移而逐渐增加，在分蘖期、拔节期，配方施肥的小麦植株含磷量与其他磷肥减量处理间无显著差异，而到成熟期，配方施肥处理小麦植株含磷量与磷肥减量20%处理间差异显著。姜宗庆等[29]研究发现，小麦一生中磷积累总量的70%～75%是在拔节后吸收的，尤以孕穗至开花期的积累量最多。秸秆还田后，随着秸秆腐解时间的延长，秸秆中磷的释放率逐渐提高，腐解至150 d时，秸秆中磷的释放率达到52.0%～68.9%[30]。同时，秸秆腐解过程中产生大量氨基酸、有机酸等小分子物质，促进了土壤中难溶性磷的转化和释放，提高了土壤供磷能力和磷的有效性，有利于小麦对磷的吸收累积[27，31]。赵亚南等[28]研究发现，适当减量施肥可以促进小麦中的干物质转运及其对籽粒灌浆的贡献，这与本研究结果一致。

3.2 玉米秸秆还田条件下磷肥减量对小麦产量的影响

本研究结果显示，当玉米秸秆还田后磷肥减量10%～20%时，小麦产量与P100处理间的差异不明显;当磷肥减量达到30%时，小麦产量显著低于P100处理（P<0.05）。陈远学等[32]认为，作物籽粒产量随着磷肥施用量的增加先增大后减少，适量施用磷肥可以促进作物生长，以施磷量75.0～112.50 kg/hm2为宜。张少民等[33]研究发现，施磷能够显著增加小麦的干物质累积量，进而增加小麦产量，但施磷量超过这一范围后，增施磷肥会造成小麦产量下降。邢丹等[34]研究发现，磷肥用量在一定范围内具有增产作用，合理的施磷量因土壤中的磷素状况而异，施磷提高了小麦产量，但千粒质量降低，因此磷肥用量存在一个合理阈值，这与本研究结果相似。在玉米秸秆还田条件下，磷肥减量达到30%时，玉米秸秆释放的磷不能完全替代减量的化学磷肥，造成小麦产量下降。前人研究发现，外源磷的增加会降低植株氮磷比，且随着土壤氮磷比的提高，作物生物量呈先增加后降低的趋势[35-36]。张婷[37]研究发现，小麦品种烟农19优质高产，抗旱节水性较强，具有较高的肥料利用率，其达到高产小麦植株标准的氮磷比约为8.20。本研究结果表明，2019、2020年在不同磷肥减量处理下，小麦的氮磷比呈现 P80（7.84）>P100（7.19）>P70（6.40）>P90（6.28）>CK（5.96）的规律。由于在磷肥减量20%（P80）处理下，小麦的氮磷比（7.84）最接近供试小麦品种（烟农19）的最佳氮磷比（8.20），由此可见，在玉米秸秆还田条件下，磷肥减量20%处理（P80）的小麦产量较高。

4 结论

在玉米秸秆还田条件下，小麦植株磷含量、磷累积量随着磷肥用量的减少整体上呈先增后减的变化规律，基本上以磷肥减量20%（P80）处理的小麦磷含量和磷累积量最高。在玉米秸秆还田条件下，当磷肥减量20%时，小麦穗中磷含量最高。在玉米秸秆还田条件下，磷肥减量20%（P80）处理的小麦产量与配方磷肥处理（P100）相当，磷肥的偏生产力、磷肥的吸收利用率和磷肥的农学效率最高。从产量、磷肥利用效率等方面综合考虑，在玉米秸秆还田条件下，在配方磷肥施用基础上减量20%可实现减肥不减产。

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（责任编辑：徐 艳）

收稿日期：2020-12-14

基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFD0800301）;国家自然科学基金项目（41877099）;安徽省重大科技专项（1803071188）

作者简介：单旭东（1995-），男，安徽蚌埠人，硕士研究生，主要从事养分高效利用研究。（E-mail）1612146732@qq.com

通讯作者：郜红建，（E-mail）gaohongjian2@163.com