磷矿粉在石灰性土壤中对紫花苜蓿的施用效果

李亚娟，姜智英，胡蕊梅，魏 洁，刘艳君

（甘肃农业大学草业学院 / 草业生态系统教育部重点实验室 / 中美草地畜牧业可持续发展，甘肃 兰州 730070）

紫花苜蓿(Medicago sativa)为豆科苜蓿属草本植物，因其地上部分产量高、蛋白含量高、适口性好，有“牧草之王”的美名[1]，是草食动物的优质蛋白饲草。施肥尤其是磷肥施用是紫花苜蓿获得高产的重要基础[2]。磷矿粉是一种难溶性磷源，是生产磷肥的主要原料，为不可再生资源，根据磷矿的品级划分，我国磷矿约90%的磷矿为中低品位磷矿[3]，不适于酸法制造水溶性磷肥，为磷肥工业带来了挑战，如何直接利用中低品位磷矿粉，发挥其作为植物磷素资源的作用是人们一直努力的方向[4-5]。

在酸性土壤上，磷矿粉作为磷肥或者钝化剂直接施用可明显提高作物对磷素的吸收，显著增加产量[6-8]，特别是磷矿粉在砖红壤上直接施用于苜蓿，能促进苜蓿株高以及生物量，且效果高于过磷酸钙[9]，这一研究结果也为碱性土壤对苜蓿施用磷矿粉的研究提供了支撑。近年来，人们通过使用活性物质对磷矿粉进行混合活化处理后也表现出较高的肥效[10]，用草酸、柠檬酸等将磷矿粉进行酸化，施用于重金属污染土壤上能不同程度提高作物的株高、叶绿素等指标，还能降低重金属含量，改善土壤质量[11-12]。研究表明磷矿粉直接施用的效果还与作物种类密切相关，在豆科作物上相对肥效在70%～80%[13]，而在石灰性土壤上由于高pH 和钙含量，一般认为对禾本科作物不适合直接磷矿粉施用[14]。但卫尤明等[15]在北方碱性盐土上施用经活化处理后制得的活化磷矿粉，具有明显的肥效，将磷矿粉和天然沸石混合，在石灰性土壤施用后，也能提高土壤速效磷含量和大豆(Glycine max)产量[16]。苜蓿为豆科双子叶植物，地下根系发达，且能通过分泌酸类物质，活化土壤中难溶性的磷素，提高土壤速效磷的含量[17-18]，由此看出，紫花苜蓿具有利用磷矿粉的潜力，但由于长期以来人们重视水溶性磷肥的施用，石灰性土壤中磷矿粉直接施于苜蓿的研究还没有报道。

本研究以3 种品位磷矿粉为磷肥源，对3 个紫花苜蓿品种进行盆栽施肥试验，通过对不同磷矿粉处理下紫花苜蓿生长、营养品质和磷素吸收利用的系统研究，以明确石灰性土壤磷矿粉直接施用对紫花苜蓿的生物有效性，为我国磷矿资源的合理利用以及紫花苜蓿栽培中磷肥的管理提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据磷矿粉中全磷含量，选择低、中、高品位的3 种磷矿粉PRⅠ、PRⅡ和PRⅢ作为本研究的磷肥源，磷矿粉品位的划分参考李庆逵等[19]进行，供试磷矿粉均来自山东济南金顺化工有限公司，基本特性如表1 所列。

表1 供试磷矿粉基本特性Table 1 General properties of phosphate rock powders used in this study

供试紫花苜蓿品种‘阿尔冈金’(‘Algonquin’)、‘陇东苜蓿’(‘Longdong’)、‘金皇后’(‘Goldempress’)均购自兰州兴陇草业技术服务有限公司。

1.2 试验设计

采用盆栽土培试验方法，设3 个磷矿粉处理，分别为PRⅠ、PRⅡ、PRⅢ； 3 个紫花苜蓿品种处理，分别为养分吸收能力和适应性较强的‘阿尔冈金’(M1)、‘陇东苜蓿’(M2)和‘金皇后’(M3)，以水溶性磷肥过磷酸钙为对照(CK)，共12 个处理，每个处理3 次重复，共36 盆(表2)。

表2 试验处理Table 2 Experimental treatments

各处理均施等量氮钾肥作基肥，施N 量为0.05 g·kg-1土，施K2O 量为0.15 g·kg-1土，过磷酸钙处理施P2O5量为0.75 g·kg-1土，氮肥为尿素(46% N)，钾肥为硫酸钾(52% K2O )，磷矿粉的施用量按过磷酸钙的实物量施入，所有肥料于苜蓿播种前均匀施入供试土壤中，每盆装土5 kg。土壤装入花盆后浇水湿透，自然条件放置24 h 后于土壤表面播种不同紫花苜蓿，每盆均匀播种50 粒种子，后覆1.5 cm风干土。4 月27 日播种，按照常规盆栽管理，7 月16 日和9 月14 日苜蓿初花期分别进行两次刈割，刈割留茬1 cm。供试土壤采自甘肃农业大学草业学院校园实训基地，有机质含量22.68 g·kg-1，全磷含量0.68 g·kg-1，全氮含量2.21 g·kg-1，有效磷含量10.98 mg·kg-1，碱解氮含量31.10 mg·kg-1，pH 8.37。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 苜 蓿的生长特征

株高：每盆随机取10 株苜蓿植株，用卷尺齐地面测量其自然高度，后计算平均值作为每个处理的株高。

生物量：紫花苜蓿刈割后放入烘箱在105 ℃下杀青30 min，后调温至75 ℃烘干至恒重，以平均干重为生物量，后苜蓿样品粉碎，过0.5 mm 筛备用。

1.3.2 苜 蓿的营养品质

粗蛋白(crude protein，CP)含量采用浓硫酸加催化剂消煮，凯氏定氮法测定；粗脂肪(ether extract，EE)含量采用乙醚浸提法测定；磷含量(phosphorus，P)采用硫酸-硝酸和硝酸-高氯酸双混酸消煮，钼锑抗比色法测定；钙含量(calcium，Ca)采用硫酸-硝酸和硝酸-高氯酸双混酸消煮，EDTA 络合滴定法测定[20]。

1.3.3 苜蓿磷素吸收和利用效率

苜蓿磷素吸收和利用效率采用以下公式计算得到。

磷吸收效率 = 植株磷含量 × 生物量干重；

磷利用效率 = 生物量干重/磷吸收量[21]。

1.3.4 磷 矿粉磷含量

供试磷矿粉中全磷含量采用硝酸消煮-钒钼黄比色法测定，有效磷含量采用2%柠檬酸提取-钒钼黄比色法测定，枸溶率为有效磷含量占全磷含量的百分数[22]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010 进行数据整理汇总、图表制作，采用SPSS 22.0 软件对不同磷矿粉处理下各品种苜蓿各项指标进行ANOVA单因素方差分析，差异显著性(P= 0.05)用Duncan 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同磷矿粉处理对紫花苜蓿生长的影响

2.1.1 株高

M1 品种第1 茬前期在3 个磷矿粉处理下的株高均高于CK，而在刈割时，株高表现为CK ＞ PRⅡ ＞PRⅢ ＞ PRⅠ(图1A)，CK 与磷矿粉处理差异显著(P＜0.05)；第2 茬刈割时株高表现为PRⅠ ＞ CK ＞ PRⅡ ＞PRⅢ(图1B)，但4 个处理间差异不显著(P＞ 0.05)。

图1 不同磷矿粉处理紫花苜蓿的株高Figure 1 Plant height of different alfalfa varieties under different phosphate rock treatments

M2 品种在第1 茬和第2 茬前期3 个磷矿粉处理下的株高均高于CK，第1 茬刈割时表现为PRⅡ ＞PRⅠ ＞ PRⅢ ＞ CK (图1C)，与CK 差异显著(P＜ 0.05)，而第2 茬刈割时表现为PRⅠ ＞ PRⅢ ＞ CK ＞ PRⅡ(图1D)，但4 个磷肥处理间差异不显著(P＞ 0.05)。

M3 品种第1 茬刈割时CK 处理高于3 个磷矿粉处理，第1 茬表现为CK ＞ PRⅢ ＞ PRⅡ ＞ PRⅠ(图1E)，第2 茬表现为PRⅠ ＞ CK ＞ PRⅢ ＞ PRⅡ(图1F)。因此，磷矿粉对3 个紫花苜蓿品种的株高表现出较好的促进作用，能超过或达到与磷矿粉处理相当的株高水平，总体上M2 品种在磷矿粉处理下表现出较好的株高优势。

2.1.2 生 物量

两茬苜蓿干重M1 均表现出PRⅠ磷矿粉处理最高(表3)，总生物量干重达到8.61 g，与CK 处理差异显著(P ＜0.05)，比CK 高46.9%，PRⅡ和PRⅢ总生物量与CK 差异不显著(P＞ 0.05)。3 种磷矿粉处理下M2 的第1、第2 茬和总生物量干重均高于CK处理，PRⅠ处理的总生物量最高，为6.22 g，比CK高45.7%。PRⅠ和PRⅢ处理下的M3 第2 茬和总生物量干重均低于CK 处理，PRⅡ处理的总生物量干重与CK 处理差异不显著(P＞ 0.05)。因此，3 种磷矿粉处理均不同程度提高了苜蓿的生物量，PRⅠ磷矿粉处理的生物量显著高于CK，M1 品种的生物量显著高于其他品种。

表3 不同磷矿粉处理苜蓿的生物量干重Table 3 Dry weight of different alfalfa varieties under different phosphate rock treatments

2.2 不同磷矿粉对紫花苜蓿营养品质的影响

2.2.1 粗 蛋白含量

3 种磷矿粉处理下M1 两茬的粗蛋白含量均高于CK，第1 茬PRⅢ处理下M1 的苜蓿粗蛋白含量最高，为13.29%，高于CK 21.21% (图2A)，第2 茬中PRⅠ处理下最高，为21.28%，高于CK 21.95% (图2B)。M2 第1 茬磷矿粉处理下以及M3 两茬的粗蛋白含量均低于CK，PRⅢ处理下粗蛋白最高可达到CK的84.2%，但M2 第2 茬PRⅡ处理的粗蛋白含量高于CK。因此，PRⅠ和PRⅢ处理显著提高了第2 茬M1 的粗蛋白含量。3 种紫花苜蓿植株的整体粗蛋白含量表现为M1 ＞ M2 ＞ M3，并且第2 茬的粗蛋白含量较第1 茬增加了两倍左右(图2B)。综合两茬粗蛋白含量可以看出，磷矿粉对M1 品种表现出较好的效果，PRⅡ、PRⅢ磷矿粉施用下苜蓿粗蛋白含量都有提高，最高能达到CK 的97.20%，表明磷矿粉对苜蓿粗蛋白的积累有明显的促进作用。PRⅠ M1处理下第2 茬植株粗蛋白含量最高，是第1 茬的1.95 倍，也显示出了磷矿粉较好的后效。

图2 不同磷矿粉处理紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的粗蛋白含量Figure 2 Crude protein contents of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

2.2.2 粗 脂肪含量

在不同磷矿粉处理下，3 个紫花苜蓿植株的粗脂肪含量存在显著差异(P＜ 0.05) (图3)。第1 茬，PRⅢ处理下M1 和M2 的粗脂肪含量均显著高于CK (图3A)，比CK 分别提高了20.89%和90.61%，PRⅢ处理下M3 的粗脂肪含量也达到了CK 的91.30%，而其他磷矿粉处理对苜蓿粗脂肪含量没有明显的提高作用。第2 茬，PRⅠ和PRⅢ处理下M1 的粗脂肪含量与CK 无显著差异(P＞ 0.05)，PRⅢ处理下M1 的粗脂肪最高，为4.15%，其次为PRⅠM1 处理，达到CK 的98.55%，PRⅡ和PRⅢ处理对M2 的粗脂肪含量也有显著的提升作用(图3B)。综合两茬植株粗脂肪含量，PRⅢ能普遍提高两茬紫花苜蓿的粗脂肪含量，对M1 和M2 的效果优于M3。

图3 不同磷矿粉处理紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的粗脂肪含量Figure 3 Ether extract contents of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

2.2.3 钙 含量

磷矿粉处理中PRⅡM3 处理下第1 茬的钙含量表现出最高值，为2.18%，高于CK 2.92%，其余品种及处理都不同程度低于CK，在PRⅢ M1 处理下，苜蓿钙含量出现最低值，为1.74%，低于CK 17.05%。因此，磷矿粉对第1 茬紫花苜蓿的钙含量没有明显的提升作用。3 种苜蓿植株的钙含量整体表现为M2 ＞ M3 ＞ M1 (图4A)。

图4 不同磷矿粉处理下紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的钙含量Figure 4 Plant calcium contents of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

第2 茬，3 个紫花苜蓿植株的整体钙含量比第1 茬降低，在PRⅠM1 和PRⅢM2 处理的苜蓿钙含量最高，均为1.56%，与CK 差异显著(P＜ 0.05)，高于CK 26.46%；CK M2 处理的苜蓿钙含量最低，仅为0.88%，除PRⅠM3 外，其余处理均不同程度高于CK (图4B)，说明磷矿粉处理能明显提高第2 茬紫花苜蓿的钙含量。

2.3 不同磷矿粉处理下紫花苜蓿的磷效率

2.3.1 磷 吸收效率

苜蓿的磷吸收效率是苜蓿植株在所栽种的土壤中吸收的总磷量，其反映了苜蓿植株对供试土壤及肥料中磷的吸收能力[23]。可以看出，第1 茬M1 和M2 苜蓿在磷矿粉处理下磷吸收效率均高于CK，表明磷矿粉处理可显著提高了M1 和M2 苜蓿的磷吸收效率，在M1 品种的PRⅡ和PRⅢ处理下，苜蓿植株磷吸收效率显著高于其他处理，与CK 差异显著(P＜ 0.05)，高于CK 15.21% (图5A)。第2 茬，PRⅠ和PRⅢ处理下M1 和M2 的磷吸收效率明显高于CK，其中，M1 品种的PRⅠ处理最高，为2.56 mg·pot-1，高于CK 66.32%。所有磷矿粉处理下M3品种的两茬磷吸收效率均低于CK，但第1 茬PRⅢ，第2 茬PRⅡ处理与CK 差异不显著(图5B)，表明PRⅡ和PRⅢ处理也能明显提高M3 的磷吸收效率。第2 茬紫花苜蓿的磷吸收效率均高于第1 茬，两茬苜蓿植株磷吸收效率，M1 品种磷吸收效率高于M2、M3。

图5 不同磷矿粉处理紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的磷吸收效率Figure 5 Phosphorus uptake efficiencies of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

2.3.2 磷 利用效率

苜蓿植株在生长发育过程中吸收单位数量磷所累积的生物量，为苜蓿植株磷利用效率，其对植株生物量累积有重要作用[23]。可以看出，第1 茬，PRⅠ处理下M1 和M2、PRⅡ处理下M3 的磷利用效率均显著高于CK，其中，在PRⅠ处理下的M2 品种，磷吸收效率最高，为4.76 g·mg-1，高于CK 29.22%(图6A)；第2 茬，PRⅡ处理下3 个紫花苜蓿植株的磷利用效率均显著高于CK (P＜ 0.05)，PRⅢ处理下M3 的磷利用效率最高，显著高于CK 26.71% (图6B)，为3.76 g·mg-1。说明PRⅠ和PRⅡ能普遍显著提高紫花苜蓿的磷利用效率，第2 茬磷利用效率低于第1 茬，第2 茬M3 品种表现出较强的磷利用效率。

图6 不同磷矿粉处理紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的磷利用效率Figure 6 Phosphorus utilization efficiencies of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

2.4 不同磷矿粉处理下紫花苜蓿土壤的磷素特征

除PRⅡ M1 处理外，两茬苜蓿收获后，3 个紫花苜蓿品种均表现出施用磷矿粉后土壤全磷含量显著高于CK (P＜ 0.05)，表明施用磷矿粉能提高土壤的磷素储备，而且PRⅠ和PRⅢ处理的全磷含量高于PRⅡ处理 (图7)。所有磷矿粉处理的土壤有效磷含量均显著低于CK (P＜ 0.05)，但所有磷矿粉处理的土壤有效磷含量均高于施肥前水平，最高的PRⅡM2、最低的PRⅡM3 处理土壤有效磷含量分别比施肥前升高87.3%和9.7%。3 个磷矿粉在M3 的土壤有效磷含量低于M1 和M2。

图7 不同磷矿粉处理紫花苜蓿第2 茬刈割后土壤全磷(A)和有效磷(B)含量Figure 7 Soil total (A) and available (B) P content under different phosphate rock treatment sand different alfalfa varieties after the second cut

3 讨论

3.1 不同品位磷矿粉对紫花苜蓿生长的影响

苜蓿的株高、生物量等生长指标能直接反映栽培苜蓿的生产能力和土壤肥力水平状况[24]。本研究条件下，第1 茬，供试磷矿粉对M1 和M2 苜蓿的株高表现出较好的促进作用，M3 品种的株高虽然一直低于CK，但最高在PRⅢ处理下株高也可达到CK 的91.31%。由于磷矿粉是难溶性磷肥，一般认为磷矿粉直接施用的效果能达到水溶性磷肥的80%以上就有较大的意义[25]。在第2 茬，PRⅠ对3 个品种紫花苜蓿的株高和以及M1 和M2 的生物量均具有促进作用，而PRⅠ是3 种供试磷矿粉中品位最低的，说明低品位磷矿粉对苜蓿生长的促进作用优于高品位磷矿粉，这与杜玉凤等[26]研究磷矿粉对玉米(Zea mays)生长的影响结果相似，这可能与磷矿粉的内部结构和成分有关，根据李亚娟等[27]前期的研究，有些磷矿粉虽然含磷量低，但是内部结构松散，在土壤中容易溶解转化为有效态，从而表现出较好的肥效，有关不同磷矿粉对紫花苜蓿肥效的差异性及其机理还需进一步研究。也有在碱性土壤上，直接施用超微细磷矿粉以及磷矿粉添加溶磷菌剂显著提高了作物的生长和生物量[28-29]，微晶化和普通磷矿粉均能明显提高杨树(Populus przewalskii)苗根系分泌物中有机酸总量，显著提高根际土壤中速效磷含量，提高土壤的供磷能力，从而提高其生物有效性[30]。

3.2 不同品位磷矿粉对紫花苜蓿营养品质的影响

牧草对磷素的吸收有特殊性和复杂性，不同种类和品种牧草对磷的吸收利用能力有较大差异[31-32]。本研究表明，磷矿粉对第1 茬苜蓿的粗蛋白含量没有明显的提升作用，但PRⅠ和PRⅢ处理显著提高了M1 第2 茬的粗蛋白含量，而且PRⅠ的效果最好，低品位磷矿粉对植株粗蛋白增加的促进作用高于其他磷矿粉和过磷酸钙处理，也说明磷矿粉在苜蓿蛋白含量的效应表现出较好的后效，这与赵夫涛[33]施用超细磷矿粉对蕹菜(Ipomoea aquatica)的影响结果一致。于铁峰等[34]的研究表明，中等水平的磷肥施用可显著提升紫花苜蓿的粗脂肪，孟宣辰[35]的研究也表明，较高磷梯度的磷肥施用苜蓿粗脂肪含量最高，本研究中，PRⅢ能普遍提高两茬苜蓿的粗脂肪含量，PRⅢ是供试3 个磷矿粉中有效磷含量最高的，说明磷矿粉中有效磷含量越高越有利于苜蓿的粗脂肪含量的提升。王潇[36]将活化磷矿粉施用西葫芦(Cucurbita pepo)，也能显著提升其粗脂肪含量，而且也有研究表明磷矿粉与有机肥配施能明显改善苹果(Malus pumila)糖度和酸度等品质指标[37]。本研究中，高品位磷矿粉对紫花苜蓿粗脂肪的促进作用高于过磷酸钙和其他磷矿粉，磷矿粉处理显著提高了第2 茬紫花苜蓿的钙含量。因此，PRⅠ和PRⅢ磷矿粉能改善紫花苜蓿的品质。

3.3 不同品位磷矿粉对紫花苜蓿磷素吸收利用和土壤磷素特征的影响

在不同磷营养环境下，植株对磷素的吸收和利用主要通过生物量的积累体现[38]。本研究中，PRⅠ和PRⅢ处理普遍能较大幅度提高M1 和M2 第2 茬紫花苜蓿的磷吸收效率，而PRⅡ处理能提高3 个紫花苜蓿品种第2 茬的磷利用效率。在缺磷或少磷环境中，根系活力增强、酸性磷酸酶活性增高，可促进对磷的吸收[39]，具有较高的磷利用效率的品种能较好适应于磷素营养环境差的条件生长[40]。本研究中M1 和M2 对磷矿粉有较高的吸收能力，M3 品种对磷矿粉的吸收较差，但磷矿粉处理能提高其对磷的利用效率，综合两茬来看，PRⅠ对M1 和M2 表现出较高的吸收和利用效率。植物对磷的利用效率固然重要，但吸收仍然是关键[41]，因此，M1 和M2 在磷矿粉中的磷吸收上具有优势的紫花苜蓿品种。

磷矿粉进入土壤后为土壤贡献了磷素，导致土壤全磷含量显著升高，但由于其溶解性差，土壤有效磷含量低于水溶性磷肥。土壤有效磷主要是当季植物可吸收利用的磷素量，本研究中施用磷矿粉处理比施肥前土壤的有效磷水平还是提高了，说明磷矿粉对土壤磷素供应水平具有一定的改善。此外，磷矿粉是一种具有后效的磷肥[42]，随着施肥后时间的延长，对于苜蓿等多年生植物是否会会表现出更好的效果也值得更进一步的田间试验研究。

4 结论

石灰性土壤磷矿粉直接施用于紫花苜蓿表现出较好的肥效，但其效果因磷矿粉品位和苜蓿品种而有差异。来自广东的PRⅠ和四川的PRⅢ磷矿粉对紫花苜蓿生长的促进作用高于湖北的PRⅡ磷矿粉和过磷酸钙，PRⅠ磷矿粉处理下紫花苜蓿‘阿尔冈金’的生物量最高。PRⅠ和PRⅢ磷矿粉能明显提高紫花苜蓿的粗蛋白、钙和磷含量。‘阿尔冈金’和‘陇东苜蓿’是在磷矿粉磷素吸收上具有优势的两个品种，但磷矿粉处理下‘陇东苜蓿’的产量较低，营养品质较差。磷矿粉处理均显著提高了土壤全磷含量，且PRⅠ和PRⅢ的效果优于PRⅡ，相比施肥前，磷矿粉处理均显著提高了土壤有效磷含量，M3 土壤有效磷含量低于M1 和M2。由于磷矿粉成分复杂，有关磷矿粉在石灰性土壤的施用效果还有待于在更多作物及品种上开展，其机理还有待更进一步研究。