巢湖流域磷肥减量施用对稻麦轮作体系作物产量和品质的影响

2022-10-31张鑫尧张敏朱远芃惠晓丽柴如山郜红建罗来超

中国农业科学 2022年19期

张鑫尧，张敏，朱远芃，惠晓丽，柴如山，郜红建，罗来超

张鑫尧1，张敏1，朱远芃1，惠晓丽2，柴如山1，郜红建1，罗来超1

1安徽农业大学资源与环境学院/农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室/长江经济带磷资源高效利用与水环境保护研究中心，合肥 230036；2西北农林科技大学资源环境学院/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100

【目的】探讨稻麦轮作体系下磷肥减量施用对作物籽粒产量与营养品质的影响，为巢湖流域稻麦轮作体系下磷肥减量增效，作物优质生产提供理论依据。【方法】于2017—2019年在巢湖流域进行磷肥减量施用田间试验，设置5个处理：对照（CK，不施磷）、农户模式（P1，磷用量90 kg P2O5·hm-2）、减磷10%（P2，磷用量81 kg P2O5·hm-2）、减磷20%（P3，磷用量72 kg P2O5·hm-2）、减磷30%（P4，磷用量63 kg P2O5·hm-2）。分析磷肥减量施用对水稻和小麦产量及其构成要素，籽粒蛋白质及组分含量，微量元素及其生物有效性的影响。【结果】与不施磷相比，施磷水稻和小麦的籽粒产量分别显著提高了9.8%—28.3%和56.6%—89.7%。减磷10%和20%处理的水稻和小麦籽粒产量与农户模式无显著差异（＞0.05），但减磷30%处理的水稻产量显著降低14.4%。与农户模式相比，减磷处理显著影响作物蛋白质、醇溶蛋白和谷蛋白含量，对结构蛋白（清蛋白+球蛋白）无显著影响，减磷20%处理水稻籽粒蛋白质和谷蛋白含量降低2.7%和32.3%，减磷30%处理的水稻和小麦籽粒蛋白质和谷蛋白含量分别降低6.8%和21.9%、48.4%和31.6%。与不施磷相比，施磷同样显著影响水稻和小麦籽粒微量元素含量及其生物有效性。减磷处理较农户模式水稻和小麦籽粒Fe、Cu和Zn含量提高21.2%和19.3%、11.9%和15.8%、14.5%和19.9%；P/Fe、P/Cu和P/Zn摩尔比降低21.6%和26.3%、20.6%和27%、17.7%和21.3%。水稻和小麦籽粒Zn含量随施磷量的降低而线性增加，减磷处理间的作物籽粒Fe、Mn和Cu含量无显著差异。水稻籽粒P/Zn摩尔比随施磷量的降低而降低，减磷处理间籽粒P/Fe、P/Mn和P/Cu摩尔比无显著差异；小麦籽粒P/Fe、P/Mn、P/Cu和P/Zn摩尔比均随施磷量的降低而降低，提高了小麦籽粒Fe、Cu和Zn的生物有效性。【结论】在巢湖流域稻麦轮作区，磷肥减量20%，即磷肥用量由90 kg P2O5·hm-2减至72 kg P2O5·hm-2时仍可保证作物稳产。磷肥减量施用虽在一定程度上降低了籽粒蛋白质含量和谷蛋白含量，但显著提高了微量元素Fe、Cu和Zn的含量和生物有效性。综合考虑，推荐磷肥减量20%为巢湖流域稻麦轮作区实现磷肥增效及作物高产优质生产的磷肥优化管理措施。

稻麦轮作；磷肥减量；蛋白质组分；微量元素含量；生物有效性

0 引言

【研究意义】水稻和小麦是世界重要的粮食作物，供养着90%以上的世界人口，也是人体蛋白质和微量矿质营养元素的主要来源[1-2]。据报道，水稻和小麦分别提供我国居民43.0%和20.3%的蛋白质摄入，22.1%和25.6%的铁营养元素摄入，33.8%和20.1%的锌营养摄入，其营养品质的高低对我国居民人体营养健康至关重要[3-4]。施用磷肥可增加作物产量，改善作物品质。但磷肥的不合理施用可导致磷肥利用率低、有限磷资源浪费和水体环境污染等问题发生[5-8]。目前，磷肥减量施用是解决农田磷盈余的有效措施之一，但减量施用后作物籽粒营养品质如何，尚不明确。因此，明确磷肥减量施用对作物产量形成和营养品质的影响，可为稻麦轮作体系磷肥增效、作物高产优质生产提供理论依据。【前人研究进展】施用磷肥对作物产量影响的研究已有大量报道，适量施用磷肥可提高稻麦轮作体系作物籽粒产量[9-12]。而有关磷肥对粮食作物籽粒蛋白质含量影响的研究结果尚不一致，麦玉轮作体系下施磷0—225 kg P2O5·hm-2时，小麦蛋白质含量随施磷量的增加呈抛物线变化，且以施磷150 kg P2O5·hm-2处理下的蛋白质含量最高[13]。稻麦轮作体系下，在施用180 kg P2O5·hm-2的基础上减磷60%（108 kg P2O5·hm-2）的小麦蛋白质含量显著降低8.6%[14]。在有效磷为26.0 mg·kg-1的水稻土上磷肥减量施用可显著提高水稻籽粒蛋白质含量，且每减施 1 kg P2O5·hm-2，蛋白质含量相应增加0.50%—0.82%[15]。但也有试验表明，磷肥减量施用对小麦和水稻籽粒蛋白质含量无显著影响[16-17]。有研究认为，在施磷量0—144 kg P2O5·hm-2区间内，与不施磷相比，施磷提高清蛋白含量3.8%—13.1%，球蛋白含量呈现随施磷量的增加呈现先降低后上升的趋势，醇溶蛋白和谷蛋白含量随施磷量的增加而增加[18]。在四川仁寿开展的田间试验表明，磷肥减量施用可显著提高小麦籽粒清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量，降低谷蛋白含量[19]。对于作物微量矿质营养品质而言，在河南封丘开展的长期定位试验发现，与不施磷相比，施磷使小麦籽粒铁、铜和锌含量分别降低29%、19.6%和66.9%，锰含量无显著差异[20]。而在陕西杨陵，长期施磷下小麦籽粒铁含量无显著变化，籽粒锌和铜含量则随着施磷量的增加呈先降低后增加的趋势[21]。也有盆栽试验结果表明，与不施磷比，中等供磷水平（0.05 g P2O5·kg-1土）可显著提高糙米中的铁、锰、铜和锌含量[22]。【本研究切入点】目前，关于磷肥施用对作物影响的报道多数只关注对产量、生态环境与经济效益的影响，忽略了对作物籽粒品质的影响，且在巢湖流域稻麦轮作体系下开展磷肥减量施用对作物籽粒营养品质的影响鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究于2017—2019年在巢湖流域稻麦轮作体系下开展田间试验，测定水稻和小麦产量及其构成要素、籽粒蛋白质及组分含量、微量元素含量及其生物有效性，明确磷肥减量施用对作物产量和籽粒营养品质的影响，以期为巢湖流域稻麦轮作体系农田磷肥优化管理、作物高产优质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2017—2019年在安徽农业大学皖中综合试验站（117°9′ E，31°25′ N）开展，试验站地处江淮丘陵南部，属亚热带季风气候，年均气温16.2℃，年均降水量1 009.2 mm，年均蒸发量1 648.9 mm，年均日照1 760.1 h，无霜期253 d左右。2017、2018和2019年试验站年降雨量分别为951.9、1 495.6和581.7 mm，年均温分别为17.2、17.1和16.3℃，年光照时数分别为1 675.8、1 800.7和2 047.2 h。该地区种植制度以水稻小麦轮作为主，土壤类型为河湖相沉积物母质发育形成的潴育型水稻土。2017年试验开始时耕层（0—20 cm）土壤的基本理化性质见表1。

表1 2017年试验开始时土壤理化性质

1.2 试验设计

田间试验采用随机区组设计，共设置5个处理：对照（CK、不施磷肥）、农户模式（P1，磷肥用量90 kg P2O5·hm-2）、减磷10%（P2，磷肥用量81 kg P2O5·hm-2）、减磷20%（P3，磷肥用量72 kg P2O5·hm-2）、减磷30%（P4，磷肥用量63 kg P2O5·hm-2）。各处理水稻季氮肥施用量为225 kg N·hm-2，小麦季为210 kg N·hm-2，钾肥用量均为90 kg K2O·hm-2。水稻季氮肥总量的60%和全部磷钾肥作为基肥撒施后耙地匀浆，30%和10%的氮肥分别于分蘖期和抽穗期撒施；小麦季氮肥总量的70%和全部磷钾肥以基肥撒施后旋耕，剩余30%的氮肥于拔节期结合灌水施入。供试氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）。水稻和小麦供试品种分别为华两优688和宁麦13。小区面积为50 m2（12.5 m×4 m），各处理重复3次。所有处理除磷肥施用量差异外，其他农事活动均保持一致，且同当地一般丰产田。

1.3 样品采集与测定

在水稻和小麦成熟期，在各小区避开边行选取5个1 m2的样方，人工高茬收割装入已编号的大网袋中，风干后机械脱粒、称重；从中随机取约150 g籽粒，75℃烘干后称重，计算籽粒水分含量，且以烘干基表示籽粒产量。同时，水稻种植季在每个小区随机选取5穴植株，小麦则随机盲抽100穗的植株，从分蘖节剪除根系，地上部装入网袋中，风干后人工脱粒。称取50 g籽粒样品，先用自来水反复多次清洗，再用去离子水进行两次润洗后装入信封，105℃杀青30 min，75℃烘干至恒重，用组织混合研磨仪（MM200，Retsch，德国）粉碎，备用。

称取0.20 g左右的烘干粉碎后的籽粒样品于消煮管中，用H2SO4-H2O2法进行红外消解，冷却至室温后，加蒸馏水定容至100 ml、摇匀，采用全自动连续流动分析仪（SAN++，Skalar，荷兰）测定消解液中氮和磷的浓度。称取籽粒粉碎样品0.20 g于微波消解管中，采用浓HNO3-H2O2法，高通量微波消解仪（ETHOS UP，Milestone，意大利）消解，超纯水定容，一次性无橡胶活塞注射器联合0.22 μm水系滤膜过滤消解液至10 mL离心管中，电感耦合等离子体质谱仪（ICAP Qc03030704，ThermoFisher Scientific，美国）测定消解液中的铁、锰、铜、锌浓度。

水稻和小麦籽粒蛋白质组分测定采用改进的连续提取的方法[23-24]进行，依次采用超纯水、0.067 mol·L-1HKNaPO4、70%乙醇、0.2%NaOH溶液连续提取清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，双缩脲法显色后于540 nm处测定吸光值，依建立的标准曲线计算籽粒样品蛋白质各组分含量。

水稻和小麦籽粒微量元素的生物有效性采用磷与微量元素的摩尔比表示[25]。

1.4 数据分析

试验数据用Microsoft Excel 2016进行整理计算，采用SPSS 22.0进行方差齐性检验后，运行单因素方差分析（ANOVA）程序，比较各指标之间的差异显著性，用LSD法进行多重比较，显著水平为0.05（＜0.05）。SigmaPlot 12.5作图。

2 结果

2.1 籽粒产量

年份、磷肥处理及其交互效应对水稻产量有显著影响（＜0.05）（图1-a）。与不施磷（CK）相比，农户模式（P1）和减磷10%（P2）、20%（P3）和30%（P4）的水稻籽粒产量分别显著提高了28.3%、17.2%、24.1%和9.8%。与农户模式相比，减磷30%处理的水稻产量显著降低14.4%，减磷10%和20%均未显著降低水稻产量。从不同年份来看，2017年减磷处理与农户模式均无显著影响；2018年减磷10%和20%时与农户模式无显著差异，减磷30%显著降低水稻籽粒产量。

方差分析表明，年份和磷肥处理同样显著影响冬小麦籽粒产量（＜0.05）（图1-b）。总的来看，与不施磷相比，农户模式、减磷10%、减磷20%和减磷30%分别显著提高了68.0%、62.7%、89.7%和56.6%；与农户模式相比，各减磷处理对籽粒产量均无显著影响。两个种植年份各减磷处理与农户模式间亦无显著差异。

条形柱上不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著（P＜0.05）。下同

2.2 产量构成要素

水稻产量构成要素方差分析结果表明（图2-a、2-c和2-e），与不施磷相比，农户模式和减磷处理在一定程度上提高了穗数和千粒重，对穗粒数无显著影响。与农户模式相比，减磷30%显著降低穗数，千粒重显著提高3.6%，减磷10%和20%时无显著差异。分析不同年份结果可知，2017年各减磷处理较农户模式对水稻穗数、穗粒数和千粒重均无显著影响；2018年减磷20%和30%时提高千粒重分别为4.8%和3.8%，穗数和穗粒数无显著影响。

总的来看，与不施磷相比，农户模式和减磷处理均可显著提高穗粒数，但穗数和千粒重无显著影响（图2-b、2-d和2-f）。从两年结果来看，2018年减磷10%和20%较农户模式的小麦穗数、穗粒数和千粒重无显著影响；减磷30%处理的穗粒数降低8.5%；2019年减磷处理与农户模式间的产量构成三要素均无显著影响。

图2 稻麦轮作体系下磷肥减量对作物产量构成要素的影响

2.3 蛋白质及其组分含量

从总体来看，与不施磷相比，农户模式下水稻蛋白质含量、球蛋白和谷蛋白含量显著提高，清蛋白和醇溶蛋白无显著影响（表2）。与农户模式相比，减磷处理显著降低籽粒谷蛋白含量，清蛋白和球蛋白无显著影响。减磷30%处理显著降低蛋白质含量，但提高醇溶蛋白含量。两年各指标变化趋势基本一致，减磷处理较农户模式可显著提高醇溶蛋白含量，蛋白质含量和谷蛋白含量显著降低，结构蛋白（清蛋白和球蛋白）含量无显著影响。

分析小麦蛋白质及其组分含量可知（表3），施磷较不施磷处理蛋白质含量和谷蛋白含量显著提高，清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白无显著影响。与农户模式相比，减磷可显著降低蛋白质和谷蛋白含量；减磷20%显著降低醇溶蛋白含量，清蛋白和球蛋白差异不显著。2018年减磷处理较农户模式显著降低蛋白质、醇溶蛋白和谷蛋白含量，各减磷处理间蛋白质和醇溶蛋白含量差异不显著，谷蛋白含量随施磷量的减少而降低（=-0.084+2.31，＜0.01）；2019年减磷20%和30%时，籽粒谷蛋白含量较农户模式显著降低，清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白无显著影响。

表2 水稻籽粒蛋白质及其组分含量对磷肥减量的响应

同一年份同列不同小写字母表示数值间差异显著（＜0.05）。下同

Different lowercase letters in the same column in the same year indicate significant differences between values (＜0.05). The same as below

表3 小麦籽粒蛋白质及其组分含量对磷肥减量的响应

2.4 籽粒微量元素含量

施磷影响水稻籽粒微量元素含量（表4）。与不施磷相比，农户模式的籽粒铁、铜和锌含量分别显著降低21.9%、20.0%和22.9%；减磷处理对籽粒铁、锰和铜含量无显著影响，但籽粒锌含量显著降低7.2%—16.1%。与农户模式相比，减磷处理籽粒铁、铜和锌含量分别显著提高16.7%—25.1%、7.1%—21.4%和8.7%—20.3%，减磷处理间无显著影响。从不同年份结果来看，2017年减磷处理籽粒铁和锌含量较农户模式分别显著提高24.2%—32.5%和16.3%—29.2%，减磷处理间无显著差异；2018年减磷处理籽粒铁和铜含量分别显著提高10.8%—19.5%和36.4%—54.5%；减磷20%和30%时籽粒锌含量均显著提高11.5%，籽粒锰含量降低30.4%—40.7%。

表4 稻麦轮作体系下磷肥减量对水稻籽粒微量元素含量的影响

施磷同样影响冬小麦籽粒微量元素含量（表5）。与不施磷相比，农户模式籽粒铁、锰、铜和锌含量分别显著降低18.7%、16.5%、24.0%和26.2%。与农户模式相比，减磷处理籽粒铁含量显著提高15.7%—16.1%；减磷30%处理的籽粒锰、铜和锌含量分别显著提高14.6%、28.9%和26.2%，减磷10%和20%处理均无显著提高。2018年，减磷处理籽粒铁含量较农户模式显著提高19.4%—28.2%，减磷30%时的籽粒铜和锌含量分别显著提高69.0%和36.4%。2019年减磷处理籽粒铁含量提高12.2%—18.5%，籽粒锰、铜和锌含量均无显著影响。

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2.5 籽粒微量元素生物有效性

施磷对水稻籽粒微量元素生物有效性影响显著（表6）。与不施磷相比，农户模式下的水稻籽粒磷铁、磷铜和磷锌摩尔比分别显著提高42.8%、48.7%和45.2%。与农户模式相比，籽粒磷锌摩尔比随施磷量的减少而降低，降幅达11.1%—23.2%，而籽粒磷锰摩尔比显著提高23%—34.8%。不同年份结果分析可知，与农户模式相比，2017年减磷处理仅显著降低籽粒磷锌摩尔比14.2%—25.1%，但减磷处理间无显著差异；2018年减磷处理降低磷铁、磷铜和磷锌摩尔比，磷锰摩尔比显著提高33.0%—47.5%，各减磷处理间无显著差异。可见，磷肥减量施用可有效降低水稻籽粒磷铁、磷铜和磷锌摩尔比，可在一定程度上提高其生物有效性。

表5 稻麦轮作体系下磷肥减量对小麦籽粒微量元素含量的影响

表6 稻麦轮作体系下磷肥减量对水稻籽粒微量元素生物有效性的影响

由表7可知，施磷同样影响冬小麦籽粒微量元素生物有效性。与不施磷相比，农户模式小麦籽粒磷铁、磷锰、磷铜和磷锌摩尔比分别显著提高51.1%、45.2%、68.5%和67.9%，且都随着施磷量的减少而降低。与农户模式相比，减磷30%的籽粒磷铁、磷锰、磷铜与磷锌摩尔比分别显著降低29%、24.1%、36.8%、32.5%。不同年份结果来看，2018年籽粒磷铁、磷锰、磷铜与磷锌摩尔比随着施磷量的减少而降低；与农户模式相比，减磷30%的籽粒磷铁、磷锰、磷铜与磷锌摩尔比分别显著降低35.7%、32%、49.7%和40.1%。2019年减磷处理籽粒磷铁、磷锰和磷锌摩尔比较农户模式显著降低，但减磷处理间无显著差异。

表7 稻麦轮作体系下磷肥减量对小麦籽粒微量元素生物有效性的影响

3 讨论

3.1 稻麦轮作体系磷肥减量施用对作物产量的影响

实现农作物高产是集约化农业生产中的主要目标，通过养分优化/减量施用实现养分高效利用的前提必须考虑对作物产量的影响。磷肥是农业生产中重要的养分，施磷对作物生长发育和组织代谢至关重要，更是保障粮食作物产量的重要措施。本研究结果表明，在巢湖流域稻麦轮作体系下，施磷显著提高水稻和小麦产量，其中小麦的增产幅度更大，为69.3%。减磷处理可实现与农户模式P1（90 kg P2O5·hm-2）处理相当的产量。其主要原因是农户磷肥施用量高于当地推荐施磷量（63 kg P2O5·hm-2），即磷肥过量施用。我国冬小麦磷肥平均施用量为112.8 kg P2O5·hm-2，稻麦轮作区有57%的农户过量施磷，其中高产模式下仍有50%的农户磷肥用量偏高，平均有11.6%的减磷潜力[26]。在太湖流域开展的田间试验表明，仅水稻或小麦季施磷（40 kg P2O5·hm-2）时，水稻和小麦籽粒产量均无显著影响，水稻和小麦季均施磷与水稻季不施磷相比亦无显著差异[10]。在有效磷为33.59 mg·kg-1的土壤上开展水稻试验表明，施磷与不施磷水稻籽粒产量无显著差异；与施磷150 kg P2O5·hm-2相比，减磷50%和75%（75.0和37.5 kg P2O5·hm-2）的水稻籽粒产量分别显著提高17.6%和26%[27]。也有研究表明，当土壤有效磷为26.0 mg·kg-1时，与当地习惯施磷量相比，减磷50%（水稻季33.8 kg P2O5·hm-2，小麦季45 kg P2O5·hm-2）时的水稻产量减产12.0%，小麦产量无显著降低[28]。进一步分析产量构成要素发现（图2），施磷主要通过影响穗数和穗粒数来影响籽粒产量。与农户模式相比，减磷10%和20%处理的水稻和小麦的穗数、穗粒数和千粒重均无显著差异，减磷30%时提高水稻千粒重，但显著降低水稻穗数，穗粒数无显著差异。在陕西开展的长期定位试验表明，施磷较不施磷在提高冬小麦穗数43%—76%的基础上增产55.9%—71.9%，当磷肥用量超过100 kg P2O5·hm-2时，其相应的增产效应差异不显著[29]。在湖南开展的水稻试验结果显示，施磷可显著提高早稻和晚稻分蘖数，籽粒产量进而提高11.5%—22.5%；在常规磷肥施用量的基础上减施10%—20%，穗数、千粒重和产量均无显著差异，减磷30%处理的早稻和晚稻产量分别降低6.5%和5.3%[30]。也有研究表明，在施磷0—210 kg P2O5·hm-2范围内，施磷有助于增加水稻分蘖和成穗率，提高籽粒产量；但过量施磷可因穗粒数降低而显著降低产量，且在水稻集约化生产中减磷空间较大（41.7%— 62.5%）[31]。可见，巢湖流域作物产量构成要素中穗数和穗粒数对产量的贡献较大，磷肥合理施用可通过提高群体数，促进籽粒库容充实，从而获得作物高产或稳产。

3.2 稻麦轮作体系磷肥减量施用对作物蛋白质品质的影响

蛋白质是作物籽粒的重要组成成分，各组分含量及其比例与作物品质、加工后商品特性和人体健康需求密切相关[32]。磷可促进作物对氮的吸收、转化和利用，对蛋白质品质的形成亦有着显著影响。因此，通过磷肥调控作物籽粒品质已然成为改善作物品质的重要方式。施磷对作物品质的影响效应不一。有研究表明，施磷可在一定程度上提高作物籽粒蛋白质含量[13,33]。在华北平原开展的长期施磷定位试验发现，小麦籽粒蛋白质含量随施磷量的增加呈现线性加平台趋势变化，在施磷56 kg P2O5·hm-2达平台值[34]。在阿尔及利亚，小麦籽粒蛋白质含量随施磷量的增加呈先升高后降低的趋势，以60 kg P2O5·hm-2处理的蛋白质含量最高，当施磷90 kg P2O5·hm-2时显著降低14%[33]。这可能归因于高量施磷对作物产量的提升快于对蛋白质含量的提升，造成稀释效应[35-37]。本研究结果表明，施磷可在一定程度上提高水稻和小麦蛋白质含量。减磷处理与农户模式相比可显著降低小麦籽粒蛋白质含量达11.7%—21.9%，减磷30%时水稻蛋白质含量降低6.8%，减磷10%和20%均无显著差异。充足的磷肥供应能够促进作物氮代谢，特别是作物灌浆期功能性叶片氮素同化酶（硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶）和蛋白水解酶（内肽酶和羧态酶）活性的高低显著影响作物籽粒蛋白质的合成与积累[38-39]，磷肥减量施用后可能在一定程度上影响作物氮代谢，降低功能性叶片和籽粒中氮代谢关键酶活性，不利于籽粒蛋白质的合成。

在山东泰安开展的试验发现，与施磷210 kg P2O5·hm-2相比，减磷50%在不显著改变小麦籽粒蛋白质含量的基础上提高强筋小麦籽粒球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量，改善加工品质[38]。水稻籽粒的蛋白质及谷蛋白含量随施磷量的增加而增加，在一定磷肥用量范围内增施磷肥可提高蛋白质含量，但磷肥减量施用会降低稻米的加工品质[40]。也有研究表明，过高的施磷量并不利于作物籽粒贮藏蛋白的合成与积累。如在麦玉轮作体系下开展的田间试验表明，在高磷（225 kg P2O5·hm-2）的基础上减量施用可显著提高强筋小麦清蛋白4.1%、醇溶蛋白12.2%和谷蛋白7.9%[39]。也有研究认为，磷肥对作物蛋白质组分的影响与开花期土壤水分条件有关，在水分适宜的条件下小麦籽粒球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量随施磷量的增加而增加，且在开花期轻度亏水条件下，谷蛋白随施磷量增加而增加的幅度更大，达16.9%，但清蛋白和谷蛋白在开花期重度干旱则随施磷量的增加而降低[41]。本研究结果表明，小麦籽粒谷蛋白含量随磷肥用量的减少而降低，磷肥每减量施用1 kg P2O5·hm-2时，其含量相应降低1.8%。对于水稻来说，减磷处理同样显著降低谷蛋白含量，但对清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白无显著影响。究其原因可能是与蛋白质各组分的形成时间不同有关，结构蛋白（清蛋白+球蛋白）主要在灌浆初期形成，而贮藏蛋白（醇溶蛋白+谷蛋白）主要在灌浆中后期形成，适宜的磷肥用量才能够提高籽粒中游离氨基酸的积累及其向蛋白质的转化，低磷或高磷条件下均不利于向蛋白质的转化与贮藏蛋白的合成与积累[19,38-41]。但磷素对蛋白质组分的调控因供磷水平、或地力条件、亦或是环境因素而表现不同，其内在生理机制还有待于更深入的研究。

3.3 稻麦轮作体系磷肥减量施用对作物微量元素含量及其生物有效性的影响

植酸是磷的主要贮藏形式，占总磷的60%—80%，且植酸含量与全磷含量显著正相关[54]。有报道指出，作物籽粒磷与微量元素的摩尔比值是衡量籽粒微量元素生物有效性的指标[55-56]。在华北平原开展的长期定位试验发现，施磷处理的小麦籽粒磷含量提高30.8%，磷锌和磷铜摩尔比随施磷量的增加而增加，施磷量每增加1 kg P2O5hm-2，磷锌和磷铜摩尔比分别提高8.3和11.5[56-57]。FROSSARD等[58]也发现玉米籽粒中铁的生物有效性与籽粒磷含量显著负相关。在印度的研究表明，香米籽粒磷吸收在施磷处理下提高13.4%，且随施磷量的增加而增加，微量元素与磷的摩尔比提高，从而降低其生物有效性[45]。本研究表明，与不施磷相比，农户模式下的磷铁、磷铜和磷锌摩尔比显著提高，生物有效性降低；与农户模式相比，磷肥减量施用可显著降低磷铁、磷铜和磷锌摩尔比，提高微量元素的生物有效性。这与RYAN等[59]的结果相一致。其原因可能是施磷后土壤中的磷与微量元素结合形成磷酸盐沉淀而降低土壤微量元素有效含量；也可能是磷阻碍了根部微量元素向地上部的转运与分配，最终导致水稻地上部铁、锌等的吸收量显著降低[55]。此外，郝兴顺等[60]的研究发现，45个水稻品种糙米铁、锰和锌含量变幅较大，分别为5.0—28.6、18.3—34.3和13.2—21.7 mg·kg-1，且籽粒磷含量也存在较大的差异[61]。可见，基因型差异也可能是导致籽粒微量元素含量及其生物有效性差异的原因之一。

4 结论

在巢湖流域稻麦轮作体系下，由当前农户习惯施磷量90 kg P2O5·hm-2减少至72 kg P2O5·hm-2能保证作物籽粒产量不降低。磷肥减量施用对水稻和小麦籽粒蛋白质及其组分含量影响显著，虽对结构蛋白（清蛋白和球蛋白）无显著差异，但显著降低了蛋白质含量和贮藏蛋白（醇溶蛋白和谷蛋白）含量，不利于水稻和小麦加工品质的提升。此外，磷肥减量施用能够提高水稻和小麦籽粒铁、锰、铜和锌含量，降低磷铁、磷锌、磷铜和磷锌摩尔比，提高其生物有效性。因此，综合考虑作物籽粒产量与营养品质，在保证水稻和小麦产量的基础上，磷肥减量20%（磷肥用量72 kg P2O5·hm-2）施用是实现巢湖流域稻麦轮作区磷肥减量增效、作物优质生产的有效途径之一，可在该区域推广使用。

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Effects of Reduced Phosphorus Application on Crop Yield and Grain Nutritional Quality in the Rice-Wheat Rotation System in Chaohu Lake Basin

1College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University/Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention/Research Center of Phosphorous Efficient Utilization and Water Environment Protection Along the Yangtze River Economic Belt, Hefei 230036;2College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling 712100, Shaanxi

【Objective】The aim of this study was to explore the effects of reduced phosphorus (P) application on crop yield and nutritional quality, so as to provide a theoretical basis for increasing the P use efficiency and producing high grain quality of crops under the rice-wheat crop rotation system in the Chaohu Lake Basin.【Method】A field trial of reduced P application rates was conducted from 2017 to 2019 with five treatments in the Chaohu Lake Basin, which were contrast (CK, No phosphorus), farmers’ application rate (P1, 90 kg P2O5·hm-2), 10% P reduction (P2, 81 kg P2O5·hm-2), 20% P reduction (P3, 72 kg P2O5·hm-2), and 30% P reduction (P4, 63 kg P2O5·hm-2). The effects of reduced P application rates on rice and wheat grain yield and its components, grain protein and fraction content, micronutrients and their bioavailability were analyzed.【Result】Compared with no P application, the P application significantly increased the grain yield of rice and wheat by 9.8% to 28.3% and 56.6% to 89.7%, respectively. The 10% and 20% P reduction treatments for rice and wheat grain yield were not significantly different from the farmers’ P fertilizer application (＞0.05). However, the rice yields under the 30% P reduction treatment were significantly decreased by 14.4%. Compared with the farmers’ P application rate, the P reduction treatments significantly affected the crop protein, gliadin and glutenin content, while which had no significant effect on structural protein (albumin and globulin); the P reduction of 20% reduced rice grain protein and glutenin content by 2.7% and 32.3%, respectively. Compared with farmers’ P application rate, the grain protein and glutenin content of rice and wheat under the 30% phosphorus reduction treatment reduced by 6.8% and 21.9%, 48.4% and 31.6%, respectively. Phosphorus application also significantly affected the micronutrients content and bioavailability in rice and wheat grains. Compared with the farmers’ P application rate, P reduction treatments increased iron (Fe), copper (Cu) and zinc (Zn) concentration in rice and wheat grains by 21.2% and 19.3%, 11.9% and 15.8%, 14.5% and 19.9%, respectively; meanwhile, P/Fe, P/Cu and P/Zn molar ratios also reduced by 21.6% and 26.3%, 20.6% and 27%, 17.7% and 21.3%, respectively. The grain zinc concentration of rice and wheat increased linearly with decreasing P application, while the iron, manganese (Mn) and Cu concentrations were no significant differences among the P reduction treatments. P/Zn molar ratio of rice reduced with lower P application, but the P/Fe, P/Mn and P/Cu molar ratios had no significant differences among P reduction treatments. The P/Fe, P/Mn, P/Cu and P/Zn molar ratios in wheat grains reduced with lower P application, and then increasing the bioavailability of Fe, Cu and Zn in wheat grains.【Conclusion】In the rice-wheat crop rotation area of the Chaohu Lake Basin, reduced P application by 20% (from 90 kg P2O5·hm-2reduction to 72 kg P2O5·hm-2) could still ensure stable crop yields. The reduced application of P fertilizer significantly increased the micronutrients concentration and its bioavailability in rice and wheat grains, although the grain protein and glutenin content lower than the farmers’ P application rate. In conclusion, the P3 (20% reduction in P fertilizer application based on the farmers’ P application rate) was the recommended P fertilizer rate to achieve P use efficiency and double high (yield and quality) of crop production in the rice-wheat rotation areas of the Chaohu Lake Basin.

rice-wheat rotation; phosphate fertilizer reduction; protein components; micronutrient concentration; bioavailability