砂质潮土长期施磷的农学效应及有效性演变

2022-03-16徐孟泽卢艳丽白由路王玉红聂彩娥宋桂霈

植物营养与肥料学报 2022年2期

徐孟泽，王磊，卢艳丽，白由路，王玉红，陈杨，聂彩娥，宋桂霈

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081）

冬小麦–夏玉米轮作是华北平原粮食生产的主要种植制度，研究冬小麦–夏玉米轮作一体化肥料管理对于科学施肥、节约肥料资源、保障粮食稳产增产起到重要作用。磷素在作物体内代谢、产量形成、增强抗逆性等方面起着关键作用，是作物高产稳产的限制因子[1–3]。作物生长发育所需磷素源于土壤，但土壤自然的供磷能力不能满足作物吸收[4–5]，因此在农业生产中施用磷肥以扩大土壤有效磷库，提高土壤对作物的供磷能力[6–7]。施入土壤的磷肥在土壤固定磷作用下，大部分以难利用态积累在土壤中，导致磷肥利用率降低，大多数作物的磷肥当季利用率仅为10%～25%[8–9]，短期内对作物产生的肥效并不理想，因此在生产实践中磷肥投入量都远高于作物需要量[10]。

有学者通过分析1990—2012全国59956个土壤样品发现，农田生态系统中有效磷含量呈上升的趋势[11]。已有研究[12–15]表明，土壤有效磷的变化量与土壤磷盈亏有显著的正相关关系。Cao等[16]通过分析总结我国8个不同试验点发现，土壤中的累积磷能够转变成有效磷，但二者响应关系有所差异，不同地区的土壤类型、种植体系、气候等因素导致两者间响应关系强弱不同。研究发现，作物产量对土壤有效磷的响应关系存在临界值(作物的农学阈值)，当土壤有效磷超出临界值，磷肥的增产效应会降低[17]，有效磷含量并不是越高越好。黄绍敏等[18]研究了长期施肥对潮土磷平衡的影响，发现玉米耐磷素贫瘠的能力高于小麦，磷肥后效在玉米上较明显。农田管理中可以通过改变磷肥投入来调整和控制土壤有效磷水平，使其接近作物对应的有效磷农学阈值。

前人的研究多集中于土壤各形态磷库变化方面及单季作物的磷肥效应[19–24]，但在冬小麦–夏玉米轮作体系关于磷肥在冬小麦季一次施用，夏玉米季不施磷肥情况下的年际间作物产量变化、磷素累积效应和适宜施磷量的研究较少，特别是华北平原北部中低产田砂质潮土长期在该模式管理下的磷肥效应研究更为鲜见。本试验以冬小麦–夏玉米轮作磷肥一体化管理模式的定位试验为基础，将前后茬作物磷素一体化综合分析，确定长期施磷下冬小麦–夏玉米轮作作物有效磷农学阈值、土壤有效磷变化的驱动因素和适宜的磷肥用量，以期为华北平原北部中低产田冬小麦–夏玉米轮作一体化种植体系中合理施磷和作物增产增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点设在河北省廊坊市广阳区万庄镇中国农业科学院国际农业高新技术产业园内(116°35'16''E，39°47'35''N)。试验地处于中纬度地带，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温为11.9℃，年平均无霜期为183天左右，年平均降水量为554.9 mm，年平均日照时数在2660 h左右。供试土壤为砂质潮土，属低产土壤，2008年定位试验开展前0—20 cm土层的理化性质为有机质11.7 g/kg、碱解氮56.74 mg/kg、有效磷 11.9 mg/kg、速效钾 43.1 mg/kg、pH 8.1。种植制度为冬小麦–夏玉米轮作，一年两熟。冬小麦试验从2008年10月开始，夏玉米试验从第一季冬小麦收获后2009年6月开始，至今仍在进行。冬小麦于每年10月播种，次年6月收获；冬小麦收获后播种夏玉米，当年10月收获。供试冬小麦品种2008年为‘宝丰104’，2009年以后为‘京冬17’，夏玉米品种为‘郑单958’。

1.2 试验设计

试验设置6个磷(P2O5)水平：0、45、90、135、180、225 kg/hm2，分别表示为 P0、P45、P90、P135、P180、P225。除各处理设置的磷肥用量外，所有处理冬小麦季施 N 180 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。磷、钾肥作基肥一次施入，氮肥基施90 kg/hm2，返青期追施 60 kg/hm2，拔节期追施 30 kg/hm2。夏玉米季不施磷钾肥，施 N 180 kg/hm2，氮肥按苗肥40%和大喇叭口期60%的比例追施。小麦、玉米成熟期秸秆全部粉碎还田。供试肥料为尿素(N 46%)、磷酸二铵 (N 18%、P2O546%)、过磷酸钙 (P2O512%)、硫酸钾 (K2O 50%)。各处理按照施肥量等间距顺序进行排列，小区面积为 100 m2(8 m×12.5 m)，不设重复。

1.3 样品采集与分析

采用机械收获，实收测产。

在收获前，每个小区选取3个代表性样点，冬小麦采集1 m 两行植株，夏玉米采集两株，同时采集0—20 cm耕层土壤样品。土壤风干过2 mm筛，植株烘干粉碎后用于养分测定。

植株养分测定采用浓H2SO4–H2O2消煮，流动注射分析仪 (Seal AA3)测定植株全磷[25–27]。

土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法测定，速效钾采用醋酸铵浸提—原子发射光谱法测定。

1.4 相关指标计算公式与数据处理

2 结果与分析

2.1 长期不同施磷水平对周年产量及产量演变特征的影响

2.1.1 长期不同施磷水平下产量演变特征图1表明，施磷显著影响冬小麦和夏玉米周年产量。与监测初期相比，随轮作周期延长，不施磷处理(P0)产量显著降低58.48%，第5个轮作周期(2013年)由于冬小麦季没打除草剂，导致该轮作周期产量大幅下降，至2020年(第12个轮作周期)产量下降为4540 kg/hm2；P45处理产量从第6个轮作周期(2014年)开始显著低于P90～P225的产量，2020年产量为11340 kg/hm2，P0、P45处理产量分别较第1个轮作周期(2009年)下降了58.48%、4.00%。P90～P225周年产量呈增加趋势，至2020年产量分别达到 14209、15064、13559、13244 kg/hm2，分别较第1个轮作周期升高了12.68%、28.61%、20.87%、16.51%。施磷条件下，周年产量均显著高于不施磷肥处理，产量随施肥量增加呈现先升高后逐渐稳定的趋势，不施磷处理产量均值为6499 kg/hm2，P45～P225周年产量均值分别为11555、13943、14026、13619、13448 kg/hm2，其中 P90～P225 产量均显著高于P45处理，施磷量超过90 kg/hm2对冬小麦-夏玉米周年产量增产效果不显著。

图1 长期施磷冬小麦–夏玉米周年产量演变特征Fig. 1 Evolution characteristics of the annual yield of winter wheat-summer maize under long-term P fertilizer application

2.1.2 磷肥产量效应及模型通过回归分析(图2)，发现12个周期的冬小麦–夏玉米产量均值与施磷量呈抛物线变化(R2=0.6583，P<0.01)。由模拟方程可知周年施磷量为152 kg/hm2时，达最高产量14627 kg/hm2。当施磷量为90 kg/hm2时，产量已达到最高产量的90%，与不施磷相比增产106%。

图2 长期施磷产量效应模型Fig. 2 Yield effect model of long-term P fertilizer application

2.2 长期不同施磷水平对磷肥利用率的影响

如图3所示，随施磷量增加，磷肥利用率下降。12年平均磷肥表观利用率和累积利用率变幅分别为36.98%～98.10%和26.26%～71.85%。冬小麦–夏玉米轮作条件下，随轮作周期的延长磷肥表观利用率升高，第12个轮作周期较第1个轮作周期磷肥表观利用率提高了44.2～96.6个百分点。从均值看，P45处理的表观利用率最高，P90处理次之，P45、P90磷肥表观利用率均值分别为98.10%、83.61%，P135～P225磷肥表观利用率为36.98%～56.83%，较P90显著降低(P < 0.05)。通过计算磷肥累积利用率发现，随轮作周期延长，P45～P225处理磷肥累积利用率呈现上升趋势，通过线性拟合，每年分别增加7.44、5.25、3.71、3.21、2.65个百分点。P45、P90磷肥累积利用率较其他处理增幅较大，与 P135～P225 差异显著 (P < 0.05)。

图3 长期施磷处理磷肥表观利用率和累积利用率Fig. 3 Annual apparent use efficiency and cumulative use efficiency of P fertilizer under long-term P application

2.3 长期不同施磷水平对土壤有效磷含量的影响

在冬小麦–夏玉米轮作长期定位试验12年时间范围内，土壤有效磷含量范围为0.41～37.11 mg/kg(图4)。冬小麦各施磷处理均高于不施磷，且随施磷量增加而增加，P0～P225处理土壤有效磷含量12年均值分别为1.89、3.80、8.71、10.65、18.00、24.03 mg/kg，施磷较不施磷有效磷含量提高101%～1170%，P45与P0差异不显著。夏玉米季P0～P225处理土壤有效磷含量12年均值分别为2.40、5.31、8.98、9.49、18.18、24.92 mg/kg，整体表现为 P0

图4 不同施磷处理冬小麦和夏玉米收获期土壤有效磷含量Fig. 4 Soil Olsen-P content at harvest of winter wheat and summer maize under different P application rates

2.4 长期不同施磷水平冬小麦、夏玉米有效磷的农学阈值

磷农学阈值是指当土壤中的有效磷含量达到某个值后，作物产量不随磷肥的继续投入而增加。本研究基于12年不同施磷量处理(P45～P225)土壤有效磷水平与作物产量数据，通过分析作物相对产量和土壤有效磷的变化趋势，发现二者相关性均达到极显著水平(P<0.01，图5)，模型预测的冬小麦、夏玉米最大相对产量可以通过充足的土壤磷供应达到97.48%、93.03%，采用模拟获得的最大相对产量的90%来计算获得其农学阈值，根据方程计算可得，冬小麦、夏玉米有效磷农学阈值分别为10.20、5.93 mg/kg，砂质潮土冬小麦有效磷农学阈值高于夏玉米。

图5 冬小麦和夏玉米产量对土壤有效磷的响应Fig. 5 Response of winter wheat and summer maize yield to soil Olsen-P content

2.5 长期不同施磷水平下土壤有效磷对磷盈亏的响应特征

2.5.1 地上部作物周年吸磷量土壤表观磷盈亏的变化主要是由于磷肥的投入量和作物吸磷量引起的。由不同施磷水平的冬小麦、夏玉米周年吸磷量的变化特征(图6)可以看出，长期不施磷肥，随轮作年限延长作物吸磷量总体呈下降趋势，至2020年降低为7.06 kg/hm2。随轮作周期延长，P90～P225处理在前6个轮作周期作物吸磷量上升，后期没有较大波动，至2020年作物吸磷量分别为52.39、55.68、51.95、56.60 kg/hm2。

图6 长期施磷对冬小麦–夏玉米周年吸磷量的影响Fig. 6 Effects of long-term P fertilizer application on annual P uptake of winter wheat-summer maize

施磷显著增加了作物周年吸磷量 (P<0.05)。P90～P225处理作物吸磷量显著高于P45，均值分别为 49.09、49.73、53.73、52.56 kg/hm2，处理间差异不显著，即施磷量高于90 kg/hm2时各处理周年吸磷量差异不显著。

2.5.2 土壤表观磷盈余分析本试验以冬小麦–夏玉米为研究对象研究磷肥后效，所以用周年土壤磷素变化对不同磷处理的响应表达更准确。P0、P45处理的周年表观磷盈余平均值分别为–11.30、–7.38 kg/hm2(图7)。P90处理随着施肥时间的延长，磷素投入量与作物吸磷量接近平衡，土壤磷素整体表现为盈余状态。P90～P225磷盈余平均值分别为0.94、20.05、37.21、57.68 kg/hm2，随施磷量的增加而增加。

图7 长期不同施磷水平下土壤磷素的盈亏状况Fig. 7 Soil P budget under different long-term P application rates

不施磷肥处理因没有磷素投入，每年作物的收获会带走一部分磷，而P45处理由于每年磷素养分(包括秸秆还田)投入小于作物吸磷量，因此累积亏缺值随种植时间延长而增加，到2020年P0、P45处理土壤磷累计亏缺–144.92、–88.57 kg/hm2。施磷量为90 kg/hm2时，土壤磷接近收支平衡，施磷量高于90 kg/hm2时 (P90～P225)，每年磷素投入高于作物吸磷量，随着轮作周期的延长，土壤累积磷盈余增加(图7)，至2020年P90～P225处理分别达到11.33、240.56、446.48、692.15 kg/hm2。

2.5.3 土壤有效磷变化对土壤磷盈亏的响应在每个轮作周期结束后，对砂质潮土土壤有效磷变化量与耕层土壤累积磷盈亏进行相关性分析(图8)，发现土壤累积磷盈亏与土壤有效磷变化呈极显著线性相关关系(R2=0.7258，P＜0.01)，且土壤有效磷变化明显分两个阶段，转折点为累积磷盈亏218.81 kg/hm2。当土壤累积磷盈亏小于218.81 kg/hm2时，土壤磷素每盈余 (亏缺) 100 kg/hm2，有效磷含量上升 (下降)0.48 mg/kg；当土壤累积磷盈亏大于 218.81 kg/hm2时，土壤磷素每盈余100 kg/hm2，有效磷含量上升3.37 mg/kg。

图8 砂质潮土土壤有效磷变化对磷盈亏的响应Fig. 8 Response of soil available P to P budget in sandy fluvo-aquic soil

3 讨论

3.1 长期施用磷肥下冬小麦–夏玉米的周年产量效应和磷肥利用率

磷素为植物生长发育必需的三大营养元素之一，施磷具有显著的增产作用[4]。本研究中磷肥在冬小麦季一次性基施，积累的土壤磷素在夏玉米季表现出明显的增产效应，周年产量显著提高，这与前人的冬小麦–夏玉米轮作长期定位试验对磷肥后效的研究结果[30]吻合。本试验发现随轮作周期延长，长期不施磷处理产量降低了58.48%，这与前人[3,30]研究结果一致。除P45处理外，其他施磷处理产量总体呈增长趋势，P45处理的产量趋势与磷素亏缺有关。本试验冬小麦–夏玉米周年产量随施磷量的增加显著升高，二者呈抛物线关系，最高产量的施磷量为152 kg/hm2，产量达到14627 kg/hm2；以最高产量的95%为实际生产目标来优化施磷量，适宜施磷量为90 kg/hm2。有学者发现，陕西杨凌地区施磷超过 1 0 0 kg/hm2时，各施磷处理间产量差异不显著，施磷量为144 kg/hm2时达到小麦最高产量[31]；辽宁西部半干旱地区玉米最高产量施磷量为74.10 kg/hm2，超过此水平，产量随施磷量增加而降低[32]；而黄土高原地区在施磷水平增加到90～135 kg/hm2时产量开始下降，小麦、玉米产量与施磷量呈抛物线关系[33]。不同地区的最适施磷量与最高产量施磷量可能受土壤有效磷含量和产量水平的影响。

磷肥表观利用率和磷肥累积利用率分别是表征作物磷肥吸收利用效率和磷肥后效的常用指标，且轮作系统随轮作周期的延长趋于稳定，更能说明磷肥利用的真实情况[3]。本试验结果表明，磷肥表观利用率在土壤磷盈余时小于100%，在土壤磷亏缺时大于100%。过量的磷肥投入导致磷肥利用率下降，各施磷处理的磷肥利用率表现为P45>P90>P135>P180>P225，当施磷量高于90 kg/hm2，磷肥利用率显著降低。随轮作周期的延长磷肥表观利用率和磷肥累积利用率都呈现上升趋势，第12个轮作周期磷肥累积利用率与磷肥表观利用率分别为36.98%～98.11%、50.42%～115.32%，较第1个轮作周期分别增加了30.8～87.3、44.2～96.6个百分点，这与目前农田磷肥表观利用率(10%～30%)相比偏高，究其原因：1)本试验在冬小麦季将磷肥一次施入，夏玉米充分利用磷肥后效，提高了整个轮作周期的养分利用效率；2)长期定位试验中不施磷土壤存在磷素耗竭作用，作物吸磷量持续降低，用差减法得出的磷肥表观利用率偏高。

3.2 长期施用磷肥冬小麦和夏玉米的有效磷农学阈值

作物产量对土壤肥力的响应有相应的农学阈值，其中产量对土壤有效磷含量响应的阈值更为明显[34]。为了确定土壤有效磷的农学阈值，本研究采用Mitscherlich 模型[29]对土壤有效磷与产量间的关系进行模拟，通过设定模拟最大相对产量的90%来确定农学阈值，发现华北平原北部砂质潮土冬小麦–夏玉米轮作体系下冬小麦、夏玉米的有效磷农学阈值分别为10.20、5.93 mg/kg。沈浦[17]就全国多个定位试验点研究发现，冬小麦和夏玉米有效磷农学阈值主要是受土壤类型、气候类型等因素影响，哈尔滨小麦玉米的土壤有效磷农学阈值分别为21.6、7.4 mg/kg，乌鲁木齐的分别为14.8、5.5 mg/kg，昌平的分别为23.5、14.8 mg/kg，杨凌的分别为19.2、14.2 mg/kg，徐州的分别为20.7、14.8 mg/kg；郑州的分别为12.0、8.7 mg/kg。小麦有效磷农学阈值高于玉米，与本试验研究结果吻合，这可能是与物种本身的差异有关，另外，玉米生长季节平均温度高于小麦，这可能也是二者差异的原因之一。土壤有效磷含量与施磷量呈显著正相关，结合本试验条件下计算得到的冬小麦夏玉米有效磷农学阈值，发现P45处理下的冬小麦夏玉米土壤有效磷分别为3.80、5.31 mg/kg，低于二者的有效磷农学阈值，有很大的磷肥增产空间；相反，P135～P225处理下的冬小麦夏玉米土壤有效磷含量均超出了各自的农学阈值，分别为 10.65～24.03、9.49～24.92 mg/kg，磷肥增产效应不明显；但P90处理下的冬小麦、夏玉米季土壤有效磷含量分别为8.71、8.98 mg/kg，接近于其最大相对产量90%的农学阈值，在此有效磷含量的土壤上，在小麦季施磷肥可提高作物产量。在土壤有效磷含量达到夏玉米农学阈值的田块上，不增施磷肥也可满足其生长发育的需要；相反，施磷肥会增加投入成本和环境污染风险。因此，华北平原北部砂质潮土区冬小麦–夏玉米轮作体系在秸秆全量还田的基础上，在冬小麦季一次施用磷肥90 kg/hm2可以在保证产量的前提下实现土壤磷素平衡和磷肥的高效利用。

3.3 土壤有效磷变化对土壤累积磷盈亏的响应

土壤有效磷作为植物磷营养的主要来源，其含量受土壤磷盈亏(表观平衡)状况的影响[35]。每年总施磷量与作物携出磷量决定了土壤磷盈亏，反映了土壤磷库的消耗或积累的状态[36]。本研究发现冬小麦–夏玉米轮作体系下12年不施磷肥，吸磷量与轮作周期呈显著负相关，作物吸磷量逐年下降，显著低于施磷处理，这与已有研究[37]结果一致。这是因为不施磷的土壤其有效磷处于耗竭状态，由于没有磷肥投入，所以土壤磷素一直处于亏缺状态，不能满足作物生长发育过程中的磷素吸收，随着种植年限的延长，作物吸磷量降低。作物磷积累量随施磷量的增加先升高达到峰值后开始降低[38–39]，本研究中随着施磷量的增加冬小麦–夏玉米轮作下周年吸磷量呈先升高后平缓的趋势，当施磷量高于90 kg/hm2时，各处理作物吸磷量差异不显著。P90、P135、P180、P225处理磷肥投入量不同，但其作物吸磷量差异不显著是造成土壤表观磷盈亏不同的原因，导致不同处理土壤累积磷盈亏随施肥年限的延长差距越来越大。本研究发现砂质潮土施磷量低于90 kg/hm2，土壤磷呈亏缺状态；当施磷量为90 kg/hm2时，土壤磷呈平衡状态；施磷量高于90 kg/hm2，磷素投入大于磷素输出，土壤磷呈盈余状态。前人通过土壤磷盈亏与土壤有效磷关系的研究发现二者呈显著正相关关系[37–42]。杨振兴等[42]发现，褐土在不施肥处理下土壤磷素每亏缺 100 kg/hm2，有效磷降低 0.5 mg/kg；在施用无机肥处理下土壤磷素每盈余100 kg/hm2，有效磷增加4.3 mg/kg。张丽等[43]发现黑土磷素每盈余100 kg/hm2，有效磷增加 5.28 mg/kg。Cao等[16]发现，施用磷肥条件下土壤磷素每盈余100 kg/hm2，土壤有效磷增加1.6～5.7 mg/kg。受许多因素影响，土壤有效磷与磷盈亏之间的相关关系是独特的。本试验条件下，累积磷盈亏与土壤有效磷变化呈极显著线性相关关系(R2=0.7258，P<0.01)，其关系分两个阶段，土壤有效磷增减快慢的转折点出现在土壤累积磷盈亏为218.81 kg/hm2时，土壤累积磷盈亏的拐点为土壤固定磷的“存储阈值”[44]，当土壤累积磷盈亏低于“存储阈值”时，土壤磷素每盈余(亏缺) 100 kg/hm2，有效磷含量上升 (下降) 0.48 mg/kg；当累积磷盈亏高于此值时，土壤磷素每盈余100 kg/hm2，有效磷含量上升3.37 mg/kg，土壤有效磷迅速增加。进一步证明累积磷盈亏是砂质潮土有效磷变化的驱动因素。这与前人就有效磷与磷盈亏研究的响应关系一致；但有效磷变化量有差异，这可能是由于砂质潮土保水保肥性较差，施入土壤的磷肥易通过淋溶进入下层土壤造成的。本试验经过12年冬小麦-夏玉米轮作，施磷量为90 kg/hm2时土壤磷累积量为11.33 kg/hm2，有效磷含量增幅较小；施磷量为135 kg/hm2时在第11个轮作周期磷累积已达到222.84 kg/hm2，超过了砂质潮土固定磷的“存储阈值”，此时有效磷含量已超过土壤有效磷农学阈值，造成磷肥资源浪费，增加环境污染风险。在华北平原北部砂质潮土冬小麦–夏玉米轮作生产中，为使土壤磷素收支处于平衡，需要根据土壤有效磷和土壤累积磷盈亏的关系，当土壤累积磷盈亏低于218.81 kg/hm2时，土壤有效磷变化缓慢，当土壤累积磷盈亏高于218.81 kg/hm2时，土壤有效磷快速增加，应根据磷素输入与输出的情况，对土壤磷肥力变化的趋势进行预测，进行科学的施磷管理，以维持或降低土壤有效磷水平，减少环境污染风险。

4 结论

砂质潮土冬小麦和夏玉米土壤有效磷的农学阈值分别为10.20和5.93 mg/kg，当土壤有效磷接近该值时，可以满足作物对磷素的需求，实现磷素平衡。华北平原砂质潮土中低产田冬小麦–夏玉米轮作体系长期施磷，在周年施氮量、施钾量分别为360、60 kg/hm2的条件下，周年施磷量为 90 kg/hm2，可维持较高的产量和磷肥利用率。

长期施磷水平显著影响着土壤磷有效性的演变。在砂质潮土上，土壤磷的“存储阈值”为218.81 kg/hm2，当土壤累积磷盈余量低于此值，施用磷肥对土壤磷的有效性影响较小，而高于此值时，施磷可以大幅提高土壤磷的有效性。