磷肥用量对柴达木枸杞磷累积量及土壤有效磷含量的影响

卢九斤，华明秀，盛海彦，2，许米聪，聂易丰，王永亮，索南加，于嘉文

(1.青海大学 农牧学院，西宁 810016；2. 省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁 810016；3.青海诺木洪农场，青海都兰 816100)

磷是植物生长发育的必需营养元素，也是农业生产过程中最重要的养分限制因子[1-2]。枸杞(LyciumbarbarumL.)为茄科枸杞属多年生落叶灌木，是中国重要的“药食两用”植物资源[3]，是改良盐碱地的先锋树种[4]。柴达木地区枸杞种植规模已由2007年的2181.09hm2增至2018年的33456.72hm2，为当地种植户带来了巨大的经济效益[5]。但枸杞种植户为追求高产投入过量磷肥，使得土壤长期处于磷盈余的状态。截至2020年，青海省磷肥投入高达1.8×104t(复合肥按1/3算)[6]。由于磷肥当季利用率较低，极易被土壤固定等特点[7-10]，磷素容易在土壤中大量累积，带来农田土壤环境污染风险[11-13]。因此，合理施用磷肥与作物产量、磷肥残留量密切相关。前人在磷肥用量对植物产量、磷素累积的响应做了大量的研究工作。李钰等[14]研究表明宁夏枸杞产量随施磷量的增加呈先增后降的趋势，当施磷(P2O5)量为349.2kg/hm2时产量最高，过量施磷产量下降。丰艳广[15]研究发现施磷量(P2O5)为200kg/hm2时平邑甜茶总生物量最高，施磷量(P2O5)为800kg/hm2时最小。杨振兴等[16]研究发现当P2O5每年投入量为37.5～65kg/hm2时，磷肥当季利用率较高，磷素在土壤中累积量较少；当P2O5每年投入量达到112kg/hm2后，会造成磷素在土壤中大量累积，进而对农田环境产生危害。于艳梅[17]研究发现当磷肥(P2O5)用量为90kg/hm2时可提高作物地上部生物量；磷肥用量过高时，作物产量对磷肥用量无响应；当磷肥(P2O5)用量为60kg/hm2时土壤表观磷盈亏达平衡状态。目前磷肥用量对作物产量及土壤磷盈亏影响的相关研究主要侧重于小麦、玉米、水稻[18-20]等，针对柴达木枸杞鲜有报道。因此，迫切需要探讨科学施磷与提高柴达木枸杞产业的经济效益及降低环境污染风险的响应关系。本试验通过研究不同施磷量对枸杞园土壤磷素盈亏的影响，为柴达木地区枸杞合理施用磷肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019─ 2020年在青海诺木洪农场(96°20′E，36°25′N)进行。该地区属高原大陆性气候，海拔2 760 m，蒸发量约3 000 mm。土壤类型为灰棕漠土，0～20 cm土壤基本理化性质为：pH 8.21，有机质含量14.58 g/kg，全氮1.20 g/kg，全磷2.17 g/kg，全钾23.74 g/kg，碱解氮 45.65 mg/kg，有效磷36.69 mg/kg，速效钾 153.17 mg/kg。年均温为-4 ℃，年均降雨量约56 mm。试验期间的降雨量与气温见图1。

图1 试验期间降雨量与气温

1.2 试验材料

供试植物为树龄 8 a 的‘宁杞 7 号’；磷肥为重过磷酸钙(P2O546%，云天化集团)，氮肥为尿素(N 46.4%，云天化集团)，商品有机肥(有机 质≥45%，N+P2O5+K2O≥5%，青海恩泽农业技术有限公司)。

1.3 试验设计

试验共设6个处理，化学磷肥用量(P2O5)分别为0 kg/hm2(P0)、133 kg/hm2(P133)、267 kg/hm2(P267)、400 kg/hm2(P400)、534 kg/hm2(P534)和农民习惯施磷量(P2O5)667 kg/hm2(P667)，每个处理重复3次。所有处理均施用商品有机肥 1 667 kg/hm2，纯氮 400 kg/hm2。采用随机区组设计，枸杞种植株行距为1.5 m× 2 m，每个小区面积70 m2，每小区24株。磷肥及有机肥分别于2019-05-20、2020-05-14在每株枸杞树的树冠下株间距根30 cm处，挖20 cm深的2个施肥坑(单施肥坑面积约300 cm2)作基肥一次施入；尿素分基肥与追肥(基肥与追肥的比例为1∶1)分别于2019-05-20、2019-06-30及2020-05-14、2020-07-04均匀撒施入施肥坑。其余管理措施与当地农民习惯一致。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 枸杞产量及植株磷素累积量 分别于2019-07-30、2019-08-20、2019-09-14及2020-08-05、2020-08-27、2020-09-19在各试验小区随机选取3株长势良好的枸杞树，采摘全部果实，鲜果晾干后测定干果质量。2019年与2020年枸杞收获后对果树进行破坏性取样，收集距主干半径100 cm、深0～100 cm范围内所有的根。果树整株解析为根、主茎干、1 a生枝条、多年生枝条、叶片等。收集后称量各器官鲜质量，在100～105 ℃下杀青30 min，再在65 ℃烘干至恒量，称量各器官的干物质量[21]。用电锯及粉碎机将植株各器官粉碎后过0.25 mm筛，测定植株各器官的全磷含量，全磷含量的测定采用GB 7852 - 87方法[22]。

1.4.2 土壤有效磷 2019-09-15第3次枸杞收获后(下文简称H0期)、2020-05-14基肥施用前(F1期)、2020-08-26第2次枸杞收获后(H2期)、2020-09-19第3次枸杞收获后(H3期)在各处理小区选取3株枸杞树，在其树冠下距离树干30 cm未施肥点(以树体为中心对角线处选取两点)，用土钻采集0～100 cm土壤样品(每20 cm为一层)，分层混合并剔除石砾和植物残根，风干后过1 mm筛用于测定土壤有效磷。土壤有效磷含量的测定采用GB 12297-90方法[23]；土壤体积质量测定采用环刀法，环刀体积100 cm3，高约5.2 cm，每个土层取3次体积质量平均值。0～20、 20～40、40～60、60～80、80～100 cm各土层土壤体积质量分别为1.48、1.44、1.52、1.43、1.42 g/cm3。

1.5 数据处理

数据采用Excel 2010进行初步汇总与整理，采用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析(One - way analysis of variance)(P<0.05)，采用Origin 8.0制作图表。计算公式参考文献[16,19-21]。

增产率=(施化学磷肥处理枸杞产量―不施化学磷肥处理枸杞产量)/ 不施化学磷肥处理枸杞产量× 100%

净收益=枸杞产量× 枸杞单价-(尿素单 价×施用量+重过磷酸钙单价×施用量+商品有机肥单价×施用量)-田间操作费

枸杞植株磷素累积量=∑(枸杞树体各器官干质量×各器官含磷量)

当季土壤表观磷盈=每年施化学磷肥量- 每年枸杞植株磷素累积量(正值为盈余，负值为亏缺，0为表观平衡)

土壤有效磷累积量=土层厚度× 土壤体积质量×土壤有效磷含量

2 结果与分析

2.1 施磷量对枸杞产量及净收益的影响

施入磷肥显著提高枸杞产量及净收益(表1)。枸杞产量随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，P534处理的产量最高。2019年P534、P667处理的枸杞产量分别为8 320 kg/hm2、7 937 kg/hm2，较P0处理分别增加34.7%、28.5%。2020年P133、P267、P400、P534、P667处理较P0处理分别增加9.7%、 11.4%、14.9%、38.2%和 36.2%，P534处理与P667处理的枸杞产量无显著差异。不同处理的增产率随施磷量增加呈先增后降的趋势，2019年、2020年平均增产率分别为 17.3%、22.1%。两年P534与P667处理较P0处理净收益分别增加83 171 元/hm2、67 213 元/hm2及94 771 元/hm2、89 173 元/hm2，两年P534处理的净收益最高，分别为143 315元/hm2、162 795元/hm2较P667处理增加12.5%、3.6%。

表1 不同施磷量下枸杞产量及净收益

2.2 施磷量对植株磷素累积量的影响

2019年与2020年，与P0处理相比，其他处理的植株磷素累积量显著增加。2019年，P534处理植株磷素累积量最高，为98.1 kg/hm2，较P0、P667处理分别增加18.3%、2.7%(图2)。P133、P267、P400处理植株磷素累积量较P0处理分别增加4.8%、3.9%、4.3%。2020年，P534处理的枸杞植株磷素累积量为146.1 kg/hm2，较P0、P667处理分别增加69.7%、7.0%。P133、P267、P400处理的植株磷素累积量较P0处理分别增加 24.2%、17.7%、26.5%。2020年植株磷素累积量均高于2019年，增加3.9%～49.0%。

不同字母表示同一年份不同处理植株磷素累积量差异显著(P<0.05)

2.3 施磷量对土壤有效磷含量的影响

土壤有效磷含量的变化主要集中于0～60 cm土层(图3)。在H0期、F1期以及H2期，不同施磷处理的土壤有效磷含量随着土层深度的增加而降低。H0期，P534处理0～100 cm土壤有效磷平均含量为28.9 mg/kg，较P667处理增加 5.63%。H3期，P534、P667处理土壤有效磷含量随土层深度的增加呈现先降后升的趋势，P534处理60～100 cm土层土壤有效磷含量较P667处理降低13.6%。与H0期相比，H3期P400～ P667处理40～100 cm土层土壤有效磷含量增加381.4%～492.4%。

图3 不同施磷处理0 ～100 cm 土层土壤有效磷含量

各处理0～100 cm土层土壤有效磷累积量随枸杞生育期的推进呈先增后降的趋势(表2)。H0期，随施磷量的增加，土壤有效磷累积量先增后降，P400处理土壤有效磷累积量最高，为550.6 kg/hm2。F1期及H2期，P667处理的土壤有效磷累积量最高，其次为P534处理，二者无显著差异；F1期P534、P667处理土壤有效磷累积量较P0处理分别增加48.0%、50.1%。H2期，P133、P267、P400、P534和P667处理土壤有效磷累积量较P0处理增加14.3%、23.1%、20.8%、30.1%和33.2%。H3期，各处理的土壤有效磷累积量较H2期均有所下降，P667处理土壤有效磷累积量最高，为 1 043.5 kg/hm2，较P400、P534处理分别增加 9.8%、5.7%。H3期土壤有效磷累积量较H0期均升高，P400、P534、P667处理土壤有效磷累积量较H0期提高72.6%、115.4%、159.3%。

表2 不同施磷处理土壤有效磷累积量

2.4 不同施磷处理的当季土壤表观磷盈亏

随磷肥用量的增加，土壤磷素由亏缺转为盈余(图4)。2019及2020年施磷133 kg/hm2土壤磷素为亏缺状态，施磷267～667 kg/hm2土壤磷素均为盈余状态。P534处理两年的土壤表观磷年盈余分别为135.1 kg/hm2、87.0 kg/hm2，较P400处理分别增加53.3%、32.2%，较P667处理分别降低31.0%、43.8%。P0、P133、P267、P400、P534和P667处理的年均土壤表观磷盈亏量分别为-84.5 kg/hm2、-38.8 kg/hm2、22.9 kg/hm2、76.9 kg/hm2、111.1 kg/hm2、175.3 kg/hm2，P534处理的土壤表观磷年盈余较P667处理降低36.6%。由回归分析结果可知，施磷量与当季土壤表观磷盈亏呈极显著正相关(P<0.01)。施磷量每增加100 kg/hm2，当季土壤表观磷盈亏分别提高41.6 kg/hm2、35.6 kg/hm2。2 a间施磷量分别为198.3 kg/hm2、245.7 kg/hm2时，土壤磷素达到平衡状态(图5)。

图4 2019-2020年不同施磷处理当季土壤表观磷盈亏

图5 施磷量与当季土壤表观磷盈亏的关系

3 讨 论

3.1 减施磷肥对枸杞产量和植株磷素累积量的影响

磷参与植物的光合作用，土壤磷素含量的提高对同化力的形成与运输起到积极作用，进而利于植株有机物的合成，提高产量[24]。前人研究表明磷素过多时，光合速率受到抑制，且过量施磷可能导致土壤的锌、硅等与磷作用，产生沉淀[25]。本研究结果显示施用磷肥较不施磷处理显著提高枸杞产量，且随着施磷量的增加枸杞产量与植株磷素累积量呈先增后降的趋势，这说明适量施磷有利于枸杞产量的形成。与农民习惯施磷量(667 kg/hm2)相比，减少20%的磷肥用量对枸杞产量及植株磷素累积量无显著影响。其可能原因为：本试验土壤的有效磷背景值为36.69 mg/kg，为较高水平[26]，且枸杞园前期磷肥投入过量，枸杞未完全利用及磷肥当季利用率低等原因，导致土壤磷素长期处于盈余状态。同时前人研究表明过量的无机磷对磷酸酶活性存在抑制作用[27]，因此农民习惯施磷处理较减施20%磷肥处理降低枸杞植株磷素累积量，柴达木中高肥力枸杞园减磷潜力较大。试验结果显示2020年植株磷素累积量高于2019年，可能的原因为本试验的磷肥用量属较高水平，造成的高磷环境提高了枸杞根系活力，进而增强了2020年植株吸磷能力，使得各处理的枸杞植株磷素累积量均高于2019年。王艳丽等[28]的研究发现高磷环境可提高单位根质量的表面积，促进细根的发育，提高根系吸收活力。李月梅等[26]通过研究柴达木枸杞干物质积累及养分吸收规律发现，每生产100 kg枸杞干果需投入2.2 kg P2O5，本试验枸杞最高产量为 8 807 kg/hm2，理论所需P2O5为194 kg，农民习惯施磷高达667 kg/hm2，由此可得柴达木地区枸杞磷肥投入远高于枸杞实际需求。据统计，1980-2018年中国磷肥用量增加167%，同期粮食产量仅增加105%[29]。若按中国磷矿可采储量37亿t计，仅可开采20 a[30]。过量施磷导致磷矿资源大量浪费的同时，在磷肥的生产过程中产生大量的废气、废水以及废渣，导致土壤酸化、水体富营养化等环境问题[31]。因此柴达木地区枸杞生产磷肥投入过量，不仅造成农业资源的浪费、肥料成本显著增加且不利于枸杞产量及植株磷素累积量的增加。枸杞栽培中减施20%磷肥用量有利于提高产量、保护环境与实现磷素高效可持续利用。

3.2 减施磷肥对土壤有效磷含量及当季土壤表观磷盈亏的影响

土壤有效磷是土壤磷素供应水平高低的重要指标。土壤有效磷含量较低造成作物明显减产，但当土壤有效磷含量超过阈值时，增施磷肥对作物无显著增产效果[32]，甚至可能由于磷素迁移造成地下水污染。本试验结果显示过量的磷肥在土壤中富集且主要集中于0～60 cm土层，均随土层深度的增加呈降低趋势，可能与本试验的施肥深度为20 cm，枸杞根系活动范围为0～60 cm有关[33]；同时表层土壤的通气性高、微生物活性强，进而促进微生物对磷素的转化[34]，使表层土壤的有效磷含量处于较高水平。研究发现在灰漠土中，磷的吸附量随外源磷量的增大而增大，施磷量过高可能导致磷的吸附量增加，进而降低土壤有效磷累积量[35-36]。H2期即枸杞盛果期，各处理土壤有效磷累积量高，可能是由于6-8月温度降水适宜，枸杞处于旺盛生长季，根系分泌物较多，有利于溶磷微生物在土壤中将磷素转化为植物可利用的形态，促使土壤有效磷含量的增加[19]。邓丽等[37]研究结果表明100 cm以上土壤剖面，磷迁移随年限有较大变幅，磷的有效吸收深度通常在100 cm以内土层。本研究结果表明，2020年枸杞收获后(H3期)土壤有效磷累积量均高于2019年枸杞收获后(H0期)，且当施磷量为400～667 kg/hm2时在40～100 cm土层土壤有效磷含量增幅较大，表明过量施磷存在磷素向下迁移的风险。H3期施磷量高于400 kg/hm2时土壤有效磷含量在80～100 cm土层明显增加，可能的原因为磷肥当季利用率低，试验前期过量投入的磷肥残留于土壤并不断积累，本试验采用大水漫灌的方式进行灌溉，表层磷素向下迁移所致[38]。H3期施磷量为667 kg/hm2时，80～100 cm土层的土壤有效磷含量最高，环境污染风险最大。因此农民习惯施磷量过高，适当减施磷肥对降低环境污染风险意义较大。

前人研究表明土壤磷盈亏既与土壤磷投入量有关，也与植物吸收携出土壤磷素有关，通常表现为土壤投入磷素越多，土壤磷盈余量越高[39]。不施磷肥处理的枸杞树不断地从土壤中携出磷素，而灌溉、降雨带来的外源磷素极少[40]，因此土壤磷素始终处于亏缺状态。当施磷量远高于植物需磷量时，土壤中磷素则处于盈余状态，极易造成环境污染[41-42]。试验结果显示2019年的土壤表观磷盈余量高于2020年，可能是由于高磷环境提高根系活力，促进2020年枸杞植株的磷素吸收和累积，进而降低2020年土壤表观磷盈余。由当季土壤表观磷盈亏的回归结果可得磷素平衡阈值为施磷量198.3 kg/hm2、245.7 kg/hm2，农民习惯施磷量远高于土壤表观磷平衡的阈值且土壤磷盈余最高，减施磷肥刻不容缓。减施磷肥可以显著降低成本，节约资源。施入磷肥(P2O5)为534 kg/hm2时，土壤磷素处于盈余状态，但枸杞产量、收益、植株磷素积累量均表现为最佳，为推荐施磷量。

4 结 论

随着施磷量的增加枸杞产量与植株磷素累积量均呈先增后降的趋势。过量的磷肥在土壤中富集且主要集中于0～60 cm土层，随土层深度的增加呈降低趋势。施磷量与土壤表观磷盈亏量呈极显著正相关。与农民习惯施磷量相比，减少20%磷肥用量可显著增加枸杞产量和植株磷素累积量，提高枸杞盛果期的土壤有效磷含量，且显著降低当季土壤表观磷盈余。综上，磷肥用量为(P2O5) 534 kg/hm2为柴达木地区中高肥力枸杞园推荐施磷量。