施磷量对高磷土壤小麦磷素吸收和土壤磷平衡的影响

黄玉芳，张 辉，张立花，张红燕，张雯雯，赵亚南，叶优良

(河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002)

磷是植物体内代谢的调节者，参与作物体内碳水化合物、蛋白质和脂肪的代谢，缺磷会影响小麦的生长发育和产量形成。施用磷肥能显著提高作物产量，但我国磷肥利用率普遍较低，施入到土壤中的磷肥仅有10%～15%被植物吸收利用。随着我国磷肥用量持续增加，过量施磷普遍存在，且导致一些环境问题产生。因此，合理施用磷肥对于实现我国农业绿色发展有重要 意义。

关于小麦施用磷肥效应的研究很多，但在不同的土壤上，磷肥施用量对小麦籽粒产量的影响不尽相同。在陕西旱地土壤(速效磷含量15 mg·kg)上，施磷100 kg·hm可显著提高冬小麦产量，但施磷不足50 kg·hm或高于150 kg·hm时，小麦生长与产量形成均会受到抑制。蒋宗庆发现，在江苏低磷土壤(速效磷含量4.95 mg·kg)上，施磷量超过108 kg·hm时，叶面积指数等物质生产指标呈下降趋势。而在豫北潮土区速效磷含量为9.0 mg·kg的土壤上，在氮钾配施下小麦产量以施磷225 kg·hm最高。还有研究表明，在京郊速效磷含量30 mg·kg的中高产田，施磷150 kg·hm时小麦产量最高。可见，不同条件下适宜施磷量差异很大，而土壤肥力和气候因素对施磷效应有很大的影响。

近年来，由于粮食生产中磷肥以及复合肥的大量施用，我国农田土壤磷含量明显增加，我国土壤速效磷从第二次土壤普查时的8 mg·kg提高到了现在的20 mg·kg，且仍在进一步提高，尤其是在一些典型高产区，土壤肥力和土壤有效磷含量较高。而与此同时，我国农业生产中磷肥投入量较高，且仍在持续增加。在华北典型高产区，小麦的磷肥施用量变化为84～273.8 kg·hm，平均施用量183.1 kg·hm；磷肥偏生产力为36.43～ 109.29 kg·hm，平均50.68 kg·hm。在土壤供磷能力较强的土壤上，施磷的增产效果较差，磷肥利用率也会降低，农户为提高产量进一步增加肥料投入，形成恶性循环。

目前，在我国土壤肥力不断提升的背景下，针对高磷土壤如何进行磷素管理尚缺乏研究。本研究以温县典型小麦种植区为试验点，探讨在高磷土壤上施磷水平对小麦产量、干物质积累、磷素吸收利用以及土壤磷平衡的影响，以期为我国高磷土壤上小麦磷素管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2018-2020年在河南省温县祥云镇大商村进行，位于北纬34°72′，东经112°63′，属暖温带半湿润季风气候，年平均气温14.3 ℃，年降水量552.4 mm，无霜期为210 d。土壤类型为潮土，质地为黏土，播前0～20 cm土层的土壤全氮含量为1.21 g·kg，有机质含量为16.0 g·kg，速效磷含量为49.1 mg·kg，速效钾含量为152.9 mg·kg。

1.2 试验设计

试验设0、45、90、135、180 kg PO·hm5个磷肥施用水平，分别用P、P、P、P、P表示，每个处理3次重复，共15个小区，随机区组排列，小区面积为20 m。磷肥为过磷酸钙(含PO为16%)，在小麦播种前全部底施。氮肥为尿素(N 46%)，施用量为240 kg·hm，播前基施一半，剩余部分在小麦拔节期追施；钾肥为氯化钾(KO 60%)，施用量为90 kg KO·hm，在小麦播种前全部底施。种植方式为小麦、玉米轮作，除施肥外管理措施与当地高产田保持一致，秸秆全部还田。

试验从2018年10月开始，2020年6月结束，连续进行2年。供试小麦品种为豫麦49-198。播种前先划小区，周围要留3 m的保护行。小区划好后，每个小区均匀撒施肥料，深翻入土，用机播耧播种。小麦于2018年10月15日播种，播种量为225 kg·hm，10月23日出苗，2019年6月1日收获；2019年10月17日播种，播种量为112.5 kg·hm，10月25日出苗，2020年6月1日收获。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 产量测定

在每个小区选择长势均匀地块6 m，人工收获，晒干后脱粒，按13%的含水量折算计产。同时在1 m双行中取30 cm长双行，调查穗数，并选择代表性20株按常规法进行室内单株考种，测定穗粒数和千粒重。

1.3.2 干物质量测定

每个小区选择取样区，分别在越冬、返青、拔节、开花和收获期采集地上部30 cm样段，在 105 ℃下杀青30 min，于80 ℃烘干至恒重，称其干重。

开花期在每个小区选取长势均匀20个单茎，分为叶片、茎鞘和穗3部分；成熟期选取20个单茎，分为叶片、茎鞘、穗轴和颖壳、籽粒。样品分别在105 ℃下杀青30 min，于80 ℃烘干至恒重，称其干重。

1.3.3 植株磷含量的测定

将小麦各生育时期的植株样本烘干后磨碎、过筛，用HSO-HO消煮钒钼黄比色法测定磷含量。

1.4 数据处理

(1)干物质转运量=开花期营养器官干物质积累总量-成熟期营养器官干物质积累量

(2)干物质转运效率=干物质转运量/开花期营养器官干物质累积总量×100%

(3)磷转运量=花前营养器官磷积累量-成熟期营养器官磷积累量

(4)磷转运效率=磷转运量/花前营养器官磷积累量×100%

(5)磷肥回收率=(施磷处理植物地上部吸磷量-不施磷处理植物地上部吸磷量)/施磷量×100%

(6)磷肥农学效率=(施磷处理籽粒产量-不施磷处理籽粒产量)/施磷量

(7)磷肥偏生产力=施磷处理籽粒产量/施磷量

(8)磷肥生理效率=(施磷处理籽粒产量-不施磷处理籽粒产量)/(施磷处理植物地上部吸磷量-不施磷处理植物地上部吸磷量)

试验数据采用Microsoft Excel 2016进行数据计算与绘图，用SPSS 20.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 施磷量对小麦产量及其构成的影响

小麦产量随着施磷量增加呈先增后降趋势，第一年和第二年小麦产量分别在90和135 kg·hm施磷水平下达到最高，超过此施磷量后施磷的边际效应不同程度下降(表1)。与不施磷处理相比，施磷后小麦两年分别增产-4.9%～9.3%和 3.3%～14.1%。从产量构成来看，第一年90 kg·hm施磷处理的穗数显著高于其他处理，穗粒数则低于其他处理，而千粒重在不同处理间无显著差异；第二年，在不同处理间穗数和穗粒数差异不显著，千粒重则以90 kg·hm施磷处理最高。

表1 施磷量对小麦产量和产量构成的影响Table 1 Effects of P fertilizer rates on wheat yield and yield components

2.2 施磷量对小麦干物质积累的影响

随着施磷量的增加，在开花期和成熟期，小麦各器官干物质积累量均呈先增后降的趋势。第一年两个时期叶、茎、鞘、穗的干物质量均在90 kg·hm施磷量下达到最高。而第二年开花期，叶片干物质积累量在施磷90 kg·hm时达到最高，而茎、鞘、穗干物质积累量在135 kg·hm施磷量下最高；在成熟期，施磷高于90 kg·hm的三个处理下叶片干物质积累量显著高于其他两个处理(图1)。从总干物质量来看，第一年开花期和成熟期均以施磷90 kg·hm处理最高；第二年，开花期以135 kg·hm施磷处理最高， 180 kg·hm施磷处理显著降低，而成熟期90、135、180 kg·hm施磷处理间无显著差异，均显著高于其他两个处理。

图1 施磷量对小麦不同器官干物质积累量的影响Fig.1 Effects of P fertilizer rates on dry matter accumulation of wheat different organs

2.3 施磷量对小麦营养器官花前贮存干物质转运的影响

由表2可见，第一年，小麦叶片干物质转运量在90 kg·hm施磷处理下最高，转运效率达12.3%；施磷处理的茎干物质转运量显著高于不施磷处理，0和90 kg·hm施磷处理的茎干物质转运效率分别为19.5%和19.1%，且显著低于其他处理；叶鞘干物质转运量和转运效率以90 kg·hm施磷处理最高，其次为180 kg·hm施磷处理，其他处理为负值；穗轴+颖壳干物质转运量在180 kg·hm施磷处理下显著低于其他处理；总干物质转运量和转运效率在90 kg·hm施磷处理下最高。第二年，叶片和茎的干物质转运量和转运效率在90 kg·hm施磷处理下最高，鞘和穗轴+颖壳、总干物质转运量均在135 kg·hm施磷处理下最高。

表2 施磷量对小麦不同器官干物质转运的影响Table 2 Effects of P fertilizer rates on dry matter translation of different wheat organs

2.4 施磷量对小麦磷素吸收的影响

施磷可促进小麦磷素吸收，但不同生育阶段表现不一样(图2)。第一年，开花期和收获期都以90 kg·hm施磷处理最高，与不施磷处理相比，收获期施磷处理的吸磷量增加14.5%～ 44.6%。第二年，小麦开花期磷素吸收以90 kg·hm施磷处理最高，显著高于其他处理；收获期吸磷量以135 kg·hm施磷处理最高，与90 kg·hm施磷处理差异不显著，显著高于其他处理。

图上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Different letters on the columns indicate the significant differences among the treatments at 0.05 level.图2 施磷量对小麦磷素吸收的影响Fig.2 Effects of P fertilizer rates on phosphorus uptake under different wheat growing stages

2.5 施磷量对小麦营养器官花前吸收磷素转运的影响

由表3可见，第一年， 90和135 kg·hm施磷处理的叶片磷素转运量显著高于其他处理； 180 kg·hm施磷处理的茎鞘磷素转运量显著低于其他处理，90和135 kg·hm施磷处理的转运效率显著高于其他处理；穗轴和颖壳转运量以180 kg·hm施磷处理最高，不施磷时转运效率最低；整个器官磷转运量和转运效率以90 kg·hm施磷处理最高。第二年，叶片磷转运量和转运效率以90 kg·hm施磷处理最高；茎鞘转运量以90 kg·hm施磷处理最高， 0和180 kg·hm施磷处理的转运效率显著低于其他处理；不施磷时穗轴和颖壳转运量显著低于施磷处理，其他处理间差异不显著，90 kg·hm施磷处理的转运效率显著低于其他处理；整个器官磷转运量以90 kg·hm施磷处理最高，而转运效率以135 kg·hm施磷处理最高。

表3 施磷量对小麦花后磷素转运的影响Table 3 Effects of P fertilizer rates on P translation of wheat different organs

2.6 施磷量对小麦磷肥利用效率的影响

第一年,小麦磷肥农学效率和生理效率均以90 kg·hm施磷处理最高，分别为10.5 kg·kg和28.1 kg·kg；磷肥回收率和偏生产力均以45 kg·hm施磷处理最高，分别为29.1%和153.7 kg·kg，其中45和90 kg·hm施磷处理间表观回收率差异不显著(表4)。

第二年，磷肥农学效率以90 kg·hm施磷处理最高；45、90、135 kg·hm施磷处理间磷肥回收率差异不显著，180 kg·hm施磷处理显著低于其他处理；磷肥偏生产力随磷肥用量增加而下降； 90 kg·hm施磷处理的磷肥生理效率显著高于其他处理(表4)。

表4 施磷量对小麦磷肥利用效率的影响Table 4 Effects of P fertilizer rates on wheat P use efficiency

2.7 施磷量对土壤磷平衡的影响

从土壤磷素表观平衡(表5)可见，在磷肥施用量为45 kg·hm时，小麦带走的磷素高于施磷量，土壤磷素平衡处于亏缺状态；在施磷90 kg·hm时土壤磷盈余0.1～17.3 kg·hm；磷肥施用量高于90 kg·hm后，土壤磷素呈盈余状态，在施磷180 kg·hm时土壤磷素盈余高达101.5～115.3 kg·hm。

表5 施磷量对麦田土壤磷素表观平衡的影响Table 5 Effects of P fertilizer rates on soil P balance

3 讨 论

3.1 高磷土壤上小麦产量对施磷量的响应

本试验条件下，施磷可增加小麦产量，但磷肥施用量两年分别超过90和135 kg·hm后，产量并没有持续增加，而磷肥利用率呈持续下降趋势。这和黄明等的研究结果一致，在低磷灌区小麦籽粒产量随着施磷量增加呈先增加后降低趋势，磷肥农学效率逐渐下降。也有研究表明，在豫北潮土区速效磷含量为9.0 mg·kg的土壤上，适当增施磷肥有利于提高小麦的籽粒产量，但磷肥增加到一定程度后小麦产量又呈下降趋势，在氮钾配施下小麦产量以施磷225 kg·hm最高。这些差异可能与土壤肥力和小麦产量水平等有关系。张铭等研究发现，不同肥力土壤上，小麦对施磷量的响应存在差异，低地力田中随施磷量的增加，小麦产量增加，而中高肥力田产量与施磷量呈二次曲线关系，低地力田最高产量的施磷量高于中高地力田。孙慧敏等研究表明，施磷提高了中磷水平 (15.94 mg·kg)土壤的籽粒产量，对高磷水平 (30.44 mg·kg)土壤无显著影响。本研究中，施磷对小麦有一定增产效应，但土壤有效磷含量达到49.2 mg·kg，供磷能力较强，因此施磷超过一定水平不能进一步增加小麦产量；从施磷量对小麦产量的影响趋势来看，第一年施磷180 kg·hm时产量显著降低，而第二年则没有显著减产，可能是因为气候原因，第二年小麦产量相对较高，对磷素的需求也较多，因此施磷过多，没有出现减产。

3.2 施磷量对小麦磷素吸收利用的影响

本研究表明，随着施磷量增加，小麦干物质累积和磷素吸收量提高，但施磷量进一步增加时，小麦干物质量和磷素吸收量增加不显著甚至显著下降。适量施磷则能促进小麦分蘖成为有效穗，提高光合产物的积累以及向籽粒中转运，进而提高磷肥的利用效率。而在高磷土壤上，土壤磷素供应能力较强，尤其小麦生育后期土壤磷活性较高，因此过多施磷反而可能会产生副作用，比如抑制根系生长发育，降低磷在植株体内的转运效率，影响锌等其他元素的吸收，导致磷肥利用效率 不高。

3.3 高磷土壤上小麦磷肥管理

磷在土壤中较为稳定，移动性较弱，磷肥施入到土壤中大部分被固定，可以提高土壤磷素肥力。但长期过量施用会增加土壤磷损失风险，导致磷的面源污染。因此，合理的磷肥施用量应根据作物产量与土壤肥力或供磷能力进行选择，同时还要考虑施磷带来的环境风险。本研究在高磷土壤上，实现小麦最高产量的施磷量与一些低磷土壤上的推荐量比较接近，但与低磷土壤侧重于提高磷素肥力不同，在管理上应注意控制污染风险。根据磷素衡量监控原理，在不同土壤供磷能力下，磷素管理分别采取相应的控制、维持、提高策略，在具体田块上应根据土壤供磷水平和磷平衡状况确定磷肥施用量。本试验条件下，土壤速效磷含量为49.1 mg·kg，供磷能力较强，磷素管理应采取维持或控制的策略，因此磷肥投入量应该低于作物收获带走量，从磷素平衡的角度来看，磷肥用量不宜大于90 kg·hm。

4 结 论

本研究条件下，高磷土壤上小麦产量随磷肥施用量增加呈先增后降趋势，施磷量两年分别达到90和135 kg·hm后增加磷肥投入没有进一步显著提高产量。施磷90 kg·hm时提高了开花期和收获期干物质积累量，施磷量进一步增加后干物质累积无显著提高，各器官均表现出相似趋势。施磷90～135 kg·hm可提高小麦花前贮存干物质转运量和转运效率，促进花前积累物质在花后向籽粒转运。拔节期以前吸磷量随施磷增加呈增加趋势，开花期和收获期均以90 kg·hm施磷量最高，花后各器官及植株总磷转运量和转运效率也相对较高。施磷量在90 kg·hm可以维持较高的磷肥偏生产力、农学效率、表观回收率，保持土壤磷素平衡，高施磷量则导致土壤磷素盈余过多。