长期施磷对旱地冬小麦产量及土壤无机磷形态的影响

田 怡，刘 静，张婷婷，王润泽，惠晓丽，李 超，马清霞，王朝辉,2*

（1 西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2 西北农林科技大学/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100）

小麦是我国主粮作物，种植面积占粮食作物的20.4%[1]。磷是植物必需营养元素[2]，对植物生长发育、抗旱抗寒有重要作用，是稳产和增产的主要限制因子[3-4]。施入土壤的磷素易被固定导致有效性降低，磷肥当季利用率仅有10%～25%[5]。过量施磷不仅造成肥料资源浪费和农户的经济损失[6-7]，还引起土壤磷残留累积、水体污染和富营养化等问题。认识土壤磷形态、组成及转化，对确定合理的磷肥用量，促进农业可持续发展具有重要意义。

土壤中的磷包括无机、有机和生物态磷。无机磷占磷总量的60%～80%[8-9]，是植物磷素吸收的主要来源。研究表明，石灰性土壤中的无机磷以磷酸钙(Ca-P)为主，占无机磷总量的80%以上，其中磷酸二钙(Ca2-P)有效性最高且持续供磷能力强，磷酸八钙(Ca8-P)次之，磷酸铝(Al-P)和磷酸铁(Fe-P)也为有效磷源，闭蓄态磷酸盐(O-P)和磷灰石(Ca10-P)为潜在有效磷源[10-11]。前人研究表明，施磷能增加土壤有效磷及有效性高的无机态磷含量[12-13]。在印度变性土壤上的试验表明[14]，土壤有效磷含量随施磷时间延长显著提高，不施磷则显著下降。在石灰性潮土上的长期施肥试验表明[15]，单施化学磷肥，16年后积累的无机磷大部分转化成Ca-P，占无机磷总量的73.9%，Al-P和Fe-P及O-P分别仅占无机磷总量的2.3%、5.3%和18.5%。对土研究表明，长期施肥会使有效性低的O-P、Ca10-P比例减少，有效性较高的Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P比例增加[16]。黑土上的长期施肥试验也表明，与不施肥相比，仅施用磷肥使表层土壤各形态无机磷含量提升了1.2～10.1倍[17]。

前人研究主要集中于施用磷肥引起土壤磷形态的数量变化，少有研究根据磷形态变化建立模型来分析长期施磷引起的土壤磷形态间的相互转化，特别是在黄土高原旱地石灰性土壤的研究尚未见报道。本研究采用蒋柏藩-顾益初的土壤无机磷分级方法[18]，基于黄土高原南部典型雨养旱作农业区的长期定位试验，测定分析了长期施磷条件下小麦产量与磷吸收量、土壤有效磷含量、各形态磷含量的变化，以期明确长期施用磷肥对旱地麦田土壤磷形态的影响，建立相互关系模型直观地反映各形态磷间相互转化的关系，了解各形态磷对土壤磷有效性的直接贡献大小，提出合理施磷水平，为农业生产中优化施磷与土壤磷管理措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

长期定位试验始于2004年10月，位于陕西杨凌西北农林科技大学农业试验一站 (34°16′N,108°04′E)。该站地处渭河三级阶地，海拔525 m，年均气温12.9℃，年均降水562 mm，试验年份降水分布如图1，年平均蒸发量1400 mm，属于典型旱作雨养农业区，主要作物为冬小麦。供试土壤为石灰性土垫旱耕人为土，2004年试验开始前0—20 cm土壤基本理化性状为：pH 8.25、有机质13.8 g/kg、全氮1.1 g/kg、硝态氮5.4 mg/kg、铵态氮2.4 mg/kg、全磷0.7 g/kg、有效磷15.0 mg/kg、速效钾182 mg/kg。

图1 试验地点 2008—2009、2012—2013 和2016—2017年降水量Fig. 1 Precipitation during 2008-2009,2012-2013 and 2016-2017 at the experimental site

1.2 试验设计

采用单因素完全随机区组设计，在施N 160 kg/hm2的基础上，设置4个P2O5水平：0、50、100和150 kg/hm2。以尿素(N 46%)为氮源，重过磷酸钙(P2O546%)为磷源，无其他肥料施入。小区面积40 m2(10 m×4 m)，4次重复。肥料于小麦播前一次性撒施、旋耕混匀。冬小麦品种为小偃22，采用机械播种，播种量为180 kg/hm2，行距15 cm，播深5 cm，于每年 10 月上旬播种，次年5月末至6月初收获。耕作模式为冬小麦-夏休闲，小麦生育期内无灌溉，田间管理与当地农户一致，使用除草剂和杀虫剂来防控杂草和害虫。

1.3 样品采集与测定

于2009、2013、2017年小麦收获期采用“五点法”采集0—20 cm土壤样品；用“样方计产法”在每个小区随机均匀选取4个1 m2(1 m×1 m)的样方，测定小麦产量；采用“盲抽法”随机选取100穗小麦植株样品，用于化学分析[19]。植物样品烘干后用球磨仪(Retsch MM400，德国，碳化钨球磨罐)粉碎，密封保存。植株各部位磷含量用 H2SO4-H2O2法消解[20]，连续流动分析仪测定(AA3，德国)。小麦产量、地上部生物量均以干重表示。

土壤无机磷分级采用“顾益初-蒋柏藩法”[18]，分为Ca2-P (0.25 mol/L NaHCO3浸提)、Ca8-P (0.5 mol/L NH4OAc浸提)、A1-P (0.5 mol/L NH4F 浸提)、Fe-P (0.1 mol/L NaOH-0.1 mol/L Na2CO3浸提)、O-P(0.3 mol/L柠檬酸钠-0.5 mol/L NaOH浸提，H2SO4-HClO4-HNO3消煮)、Ca10-P (0.5 mol/L H2SO4浸提)，采用钼锑抗法比色法测定。土壤有效磷(Olsen-P)采用0.5 mol/L NaHCO3浸提[20]，连续流动分析仪测定(AA3，德国)。

1.4 数据计算与统计分析

籽粒吸磷量 =(籽粒含磷量×籽粒产量)/1000；

地上部吸磷量=(籽粒含磷量×籽粒产量+茎叶含磷量×茎叶生物量+颖壳含磷量×颖壳生物量)/1000。

以上公式中生物量、籽粒产量、籽粒吸磷量、地上部吸磷量单位为 kg/hm2，籽粒含磷量、地上部含磷量单位为g/kg，其中的磷均指纯磷(P)。

试验数据用 Microsoft Excel 2016进行处理，采用 SPSS Statistics 22.0进行统计分析，回归分析采用多项式回归法，多重比较采用邓肯(Duncan)新复极差法，差异显著水平为0.05。相互关系模型是根据现有数据及磷形态相关研究[11,18,21-35]构建包含所有可能路径的初始模型，运用SPSS Statistics 22.0计算相关系数及逐步回归方程，得到标准回归系数(通径系数)以描述元素的直接作用，间接通径系数=相关系数(rij)×通径系数(Pjy)，用以描述元素间的间接作用，结合相关系数、通径系数、间接通径系数剔除不显著的路径。

2 结果与分析

2.1 磷肥用量对小麦产量、生物量及吸磷量的影响

磷肥用量对小麦生长和产量有显著影响(图2)。施 P2O550、100、150 kg/hm2处理 2009、2013、2017年的平均产量比不施磷(3049 kg/hm2)分别显著增加了46.4%、67.8%和64.9%，平均生物量比不施磷(7382 kg/hm2)分别显著增加了39%、62.3%和55.3%。回归分析表明，两者随施磷量增加均呈抛物线变化，施P2O5116 kg/hm2，生物量达到最大值11908 kg/hm2；施P2O5118 kg/hm2，产量达最高5174 kg/hm2，比不施磷增产69.7%。

图2 磷肥用量对小麦籽粒产量、地上部生物量、籽粒吸磷量及地上部吸磷量的影响Fig. 2 Effects of phosphorus application rates on wheat grain yield,aboveground biomass,phosphorus uptake in grain and aboveground

施磷显著提高小麦籽粒及地上部吸磷量(图2)。施 P2O550、100、150 kg/hm2处理 2009、2013、2017年的籽粒平均吸磷量比不施磷(6.7 kg/hm2)显著增加47.9%、111.9%、109.5%，地上部平均吸磷量比不施磷(7.6 kg/hm2)显著增加48.7%、114.7%、116.1%。回归分析表明，吸磷量随施磷量呈抛物线变化，施P2O5147 kg/hm2，地上部吸磷量达到最大值15.9 kg/hm2；施P2O5150 kg/hm2，籽粒吸磷量达最大值15.2 kg/hm2；产量最高时对应的籽粒吸磷量为14.5 kg/hm2。

2.2 磷肥用量对土壤有效磷含量的影响

长期施磷显著提高土壤有效磷含量(图3)。2009、2013和2017年不施磷的土壤有效磷含量分别为8.3、7.0 和6.1 mg/kg。与不施磷相比，施P2O550、100、150 kg/hm2处理的土壤有效磷含量2009年分别增加了13.5%、44.8%、62.2%，2013年分别增加了30.4%、89.6%、112.0%，2017年分别增加了41.6%、130.3%、194.8%。不施磷及施P2O550 kg/hm2处理的土壤有效磷含量随施磷年限延长趋于降低，2013和2017年不施磷土壤有效磷含量较2009年分别下降15.6%和25.5%。P2O5施用量超过100 kg/hm2，土壤有效磷含量随施肥年限增加而显著增长。施P2O5100 kg/hm2处理2017年土壤有效磷含量较2009年增长2.7 mg/kg (18.5%)，施P2O5150 kg/hm2处理增长了7.7 mg/kg (35.4%)。回归分析表明，连续9年施磷土壤有效磷含量随施磷量线性增加，每年施P2O5100 kg/hm2，土壤有效磷年平均增加0.73 mg/kg。

图3 磷肥用量对石灰性土壤有效磷含量的影响Fig. 3 Effects of phosphorus application rate on available phosphorus contents in calcareous soil

2.3 磷肥用量对土壤不同形态无机磷含量的影响

Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、无机磷总量随施磷量和施肥年限的变化见图4。施P2O550、100、150 kg/hm2处理的Ca2-P较不施磷(6.5 mg/kg)分别平均增长23.3%、139.0%、261.2%，Ca8-P较不施磷(37.9 mg/kg)分别平均增长了18.1%、69.2%、81.5%，Al-P较不施磷(69.1 mg/kg)分别平均增长了23.1%、69.9%、93.8%，Fe-P较不施磷(44.5 mg/kg)分别平均增长了12.3%、21.3%、40.9%，O-P较不施磷(7.7 mg/kg)分别平均增长了8.6%、10.0%、24.0%，无机磷总量较不施磷(501.8 mg/kg)分别平均增长了8.9%、18.7%、22.8%。Ca10-P随施磷量的变化不同于其他磷形态，施P2O550 kg/hm2的Ca10-P显著高于不施磷处理，而继续增加施磷量，Ca10-P的含量开始下降，施P2O5150 kg/hm2的Ca10-P含量较不施磷(327.2 mg/kg)显著降低了6.6%。

图4 施磷量与石灰性土壤中各形态无机磷及无机磷总量的关系Fig. 4 Relationships between the phosphorus application rates and various forms of inorganic phosphorus and the total inorganic phosphorus in calcareous soil

施P2O5量超过100 kg/hm2时，Ca2-P、Al-P随施磷年限增加有显著增加，Fe-P、O-P、Ca10-P、无机磷总量无显著变化。施P2O5100 kg/hm2处理2013、2017年Ca2-P含量较2009年(9.3 mg/kg)分别增加了8.2、10.1 mg/kg，施P2O5150 kg/hm2处理2013、2017年Ca2-P含量较2009年(13.9 mg/kg)分别增加了6.0、21.4 mg/kg，说明磷肥投入量越高，Ca2-P随施肥年限增长的幅度越大。不施磷处理土壤的Ca2-P、Ca10-P含量随施肥年限增加而增加，Ca8-P、Al-P、O-P、无机磷总量呈降低趋势，其中Ca8-P降低幅度最大，2013、2017年较2009年(43.1 mg/kg)分别降低16.4%、19.4%，Al-P次之，2013、2017年分别较2009年(77.2 mg/kg)降低13.0%、18.4%，可见不施磷时，土壤中Ca8-P和Al-P消耗较多。

2.4 磷肥用量对土壤无机磷形态构成的影响

由图5可得，Ca10-P占无机磷总量的比例最大，介于49.6%～65.2%，平均59.4%。其次是Al-P，介于13.8%～21.7%，平均17.8%。Fe-P和Ca8-P所占比例接近且不同施磷水平间差异不大，分别介于8.9%～10.2%和7.6%～11.2%，平均分别为9.4%和9.5%。Ca2-P所占比例较小，介于1.3%～3.78%，平均2.4%。O-P所占比例最小，介于1.4%～1.5 %，平均为1.5%。

图5 施磷量对石灰性土壤各形态无机磷相对含量的影响Fig. 5 Effects of phosphorus application rate on relative contents of inorganic phosphorus of each form in calcareous soil

施用磷肥土壤中Ca2-P、Al-P和Ca8-P占无机磷总量的比例显著提高，O-P占比基本保持不变，Ca10-P占比显著降低，施肥年限对各形态无机磷的占比无明显影响。与不施磷相比，施P2O550、100、150 kg/hm2处理的Ca2-P的占比平均分别增加了0.1 %、1.3 %、2.4 %，Ca8-P平均分别增加了0.6%、3.2%、3.6%，Al-P平均分别增加了1.8%、6.0%、8.0%，Fe-P平均分别增加了0.3%、0.2%、1.3%，Ca10-P则平均分别降低了1.5%、7.9%、15.6%。说明随着磷肥用量的增加，土壤盈余磷素主要以Ca2-P、Al-P和Ca8-P形态在土壤中积累。

2.5 土壤有效磷含量与不同形态无机磷、作物产量及磷吸收的相关性

由图6可知，Ca2-P、Al-P、Ca10-P对土壤有效磷的直接贡献为正效应(1.089、0.185、0.153)，Ca8-P、Fe-P、O-P对土壤有效磷的直接贡献为负效应(−0.064、−0.111、−0.096)，其中 Ca2-P 的直接贡献最大，说明Ca2-P为有效磷的最重要来源。Ca8-P、Al-P、Fe-P与Ca2-P极显著正相关，因此通过提高Ca2-P来增加土壤有效磷含量，有效性也较高。O-P与Ca2-P、Al-P显著正相关，与有效磷无显著相关关系，虽然O-P可通过Ca2-P、Al-P间接影响有效磷，但影响程度极小。Ca10-P与Ca2-P显著负相关，说明Ca10-P降低时，Ca2-P升高，从而增加土壤有效磷含量。不同形态无机磷的有效性表现为Ca2-P>Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca10-P。

图6 石灰性土壤上各形态无机磷、有效磷与小麦各农学指标间相互关系模型Fig. 6 Relationships between various inorganic phosphorus,available phosphorus and agricultural indicators of wheat in calcareous soil

土壤有效磷与小麦产量、地上部生物量、籽粒吸磷量以及地上部吸磷量极显著正相关(0.667、0.660、0.846、0.864)，籽粒及地上部吸磷量对产量、地上部生物量的直接贡献为正效应(0.292、0.344)，各形态无机磷主要通过增加土壤有效磷而间接提高小麦籽粒及地上部吸磷量，从而实现增产。

3 讨论

3.1 土壤无机磷对小麦的生物有效性

小麦产量是麦田管理与土壤肥力的综合反映[21]。本研究表明，施P2O5100～118 kg/hm2可显著提高旱地冬小麦产量67.8%～69.7%，过量施磷无助于产量提高。对晋南旱作小麦研究发现，施P2O5100～120 kg/hm2显著提高小麦产量，施磷过高会轻度减产[22]。对新疆冬小麦研究也表明，施P2O5120 kg/hm2可达最高产量，施磷P2O5180 kg/hm2产量降低[23]；整合近20年大田试验数据显示[24]，施P2O590～120 kg/hm2对产量的提升幅度最高，与本试验结果一致。在低磷土壤上的试验显示，小麦最高产量的P2O5施用量为108 kg/hm2，低于小麦最高吸磷量时的施磷量180 kg/hm2[25]。本研究显示，旱地麦田施P2O5118 kg/hm2时，小麦达到最高产量5174 kg/hm2，此时的籽粒吸磷量为14.5 kg/hm2，而施P2O5150 kg/hm2时，籽粒吸磷量达最大值15.2 kg/hm2，说明过量施磷不增加小麦产量，但小麦籽粒吸磷量仍会增加。

有效磷含量是反映土壤供磷能力的重要指标[26]，施磷量和施磷年限均影响着土壤有效磷的积累。在本试验中，施P2O5100、150 kg/hm2时，土壤有效磷含量较不施磷显著提高18.5%、35.4%，在施肥第8年的增幅分别为28.9%、35.4%，说明施P2O5量超过100 kg/hm2时，土壤有效磷会显著增加并逐年累积。从2009、2013、2017年测定结果的平均值来看，连续9年，每年施P2O5100 kg/hm2，有效磷的年平均增加量为0.73 mg/kg。最高产量施磷量与该地区土壤有效磷水平和小麦产量有关，小麦产量水平高时，对土壤有效磷含量要求高，最高产量的施磷量相应提高。在山西闻喜试验中小麦最高产量为4694 kg/hm2，土壤有效磷为12.3 mg/kg[27]。山西、陕西、甘肃旱地180个农户调查结果表明，平均施P2O5121 kg/hm2，小麦产量为4137～4967 kg/hm2，对应的土壤有效磷含量为13.4 mg/kg；平均施P2O5168 kg/hm2，小麦产量范围为5018～8419 kg/hm2，对应的土壤有效磷含量为23.3 mg/kg[28]。在本试验条件下，小麦要达到最大产量5174 kg/hm2，土壤有效磷需达到14.5 mg/kg，此时最佳施磷量为118 kg P2O5/hm2，土壤中Ca2-P最优含量为16.8 mg/kg、Ca8-P为64.9 mg/kg、Al-P为120.9 mg/kg、Fe-P为57.1 mg/kg、O-P为8.9 mg/kg、Ca10-P 为 331.7 mg/kg。

土壤中各形态无机磷的生物有效性不同[29]。效应分析表明，Ca2-P直接影响有效磷含量，Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P通过影响Ca2-P间接影响有效磷含量。各形态无机磷对土壤有效磷的贡献顺序为：Ca2-P>Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca10-P。说明Ca2-P是土壤有效磷的直接磷源，这是由于Ca2+是石灰性土壤中与磷酸根离子发生化学沉淀反应的主要离子，Ca10-P和O-P为潜在磷源，难以直接被植物吸收利用[30]。黑钙土上的研究也表明，Ca2-P对有效磷为直接影响，而Ca8-P、Al-P、Fe-P对有效磷为间接影响[31]，这与本研究结果一致。有效磷与小麦产量、地上部生物量、磷吸收量呈极显著正相关关系，说明提高土壤有效磷含量可以促进小麦对磷的吸收从而提高产量。Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P通过提高有效磷含量间接作用于小麦产量、地上部生物量、磷吸收量。因此，随着施磷量增加和施磷年限增加，土壤磷素主要通过Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P的累积和形态转化提高土壤有效磷含量，进而提高地上部生物量、小麦产量与磷吸收量。

3.2 土壤无机磷的数量和组成变化

施磷量和施肥年限均影响着土壤中各形态无机磷含量的变化。潮土上的长期定位试验结果显示，Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P含量会随施磷量增加而显著升高[30]。在本试验中，长期不施磷肥Ca2-P随施肥年限增加而升高，Ca8-P降低同时Al-P也降低，由相关关系可知，Ca8-P与Al-P极显著正相关(0.943)，Ca8-P、Al-P均与Ca2-P极显著正相关(0.847、0.868)，且Ca8-P、Al-P对有效磷的直接贡献小(-0.064、0.185)，进一步说明当土壤连续不施磷肥时，磷素处于亏缺状态(磷投入与磷携出的差值小于0)，Ca8-P、Al-P可以转化为有效性更高的Ca2-P被作物吸收利用。另有研究表明，连续不施磷肥土壤 Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量均在年际间呈降低趋势[30，35-36]，与本试验结果不一致的原因可能是长年轮作或连作加强了对土壤磷的消耗，Ca2-P吸收量大于本研究的冬小麦-夏休闲模式，其他形态向Ca2-P转化的量又不足以补充消耗量，导致Ca2-P逐年降低。施P2O5超过100 kg/hm2时，土壤磷素处于盈余状态(磷投入与磷携出的差值大于0)，无机磷总量随施磷量的增加而显著提高，Ca2-P和Al-P含量随施磷年限增加显著升高(图4)，Fe-P和O-P含量主要随施磷量的增加而显著增加，与施肥年限无显著关系，而Ca8-P平均含量虽然高于施P2O550 kg/hm2和对照，但随施肥年限延长有降低趋势(图4)；Ca10-P含量则在施P2O5150 kg/hm2时显著低于其他施磷处理(图4)。Ca8-P逐年降低是由于施磷会引起本试验的土壤pH降低[32]，加速了Ca8-P向Ca2-P的转化[33-34]，且施磷可促进作物根系的生长，提高对土壤磷的活化吸收能力，这也有助于Ca8-P的转化。Ca10-P在施P2O550、100 kg/hm2时含量最高，是因为磷肥投入土壤后，一部分被固定为有效性极低的Ca10-P，导致Ca10-P含量增高，而施P2O5150 kg/hm2时土壤pH低于其他处理[32]，活化程度高，此时Ca10-P含量最低。说明当土壤磷素盈余时，磷肥施入土壤可以补充Ca10-P、Al-P、Ca2-P、O-P的含量，适当施磷可以促进潜在磷源向有效磷源转化。

充足的磷肥投入可以显著提高石灰性土壤的Ca2-P、Al-P、Ca8-P相对含量，Fe-P、O-P无显著变化，Ca10-P显著降低。灰漠土长期定位试验结果亦显示，长期施磷使Ca2-P、Ca8-P、Al-P相对含量极显著提高，Ca10-P极显著降低，Fe-P、O-P无显著影响[37]。这可能与施磷量偏高时引起了土壤pH降低[32]，从而促进了Ca10-P向其他形态磷的转化有关，也可能是Ca2-P、Al-P、Ca8-P相对含量升高，从而使Ca10-P所占比例相对降低。相同磷肥用量下，不同形态无机磷含量的年均增幅表现为Ca2-P>Al-P>Ca8-P>Fe-P，说明随着磷肥用量和施肥年限的增加，土壤中盈余磷素主要增加了Ca2-P、Al-P和Ca8-P的累积量。

4 结论

1)石灰性土壤上，最高籽粒吸磷量15.2 kg/hm2大于最高产量对应的籽粒吸磷量14.5 kg/hm2，说明小麦对磷有奢侈吸收。本试验条件下，小麦达最高产量5174 kg/hm2，土壤有效磷达到了14.5 mg/kg，最佳施磷量为P2O5118 kg /hm2。

2)施磷可显著增加石灰性土壤中无机磷总量和Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P的含量。Ca2-P和Al-P含量随施肥年限增加而升高，施肥年限对Fe-P和O-P含量无显著影响。年施P2O5100 kg/hm2，Ca8-P含量随施肥年限增加而有降低趋势，长期年施P2O5150 kg/hm2会显著降低Ca10-P的含量。

3)旱地石灰性土壤磷素亏缺时，Ca8-P、Al-P转化为Ca2-P被小麦吸收利用；磷素盈余时，Ca2-P、Al-P和Ca8-P在土壤中积累，Ca10-P向有效性更高的磷形态转变。

4)在旱地石灰性土壤上，无机磷的有效性大小为Ca2-P>Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca10-P。