關(guān)中小麥-玉米輪作農(nóng)田磷肥減施增效研究

柴澤宇，于艷梅，張 池，孫本華，高明霞，李改民，邵發(fā)琦，楊學云，呂家瓏，陳恒宇

(1.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；3.夏邑縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南商丘 476000)

磷是植物生長發(fā)育必需的三大營養(yǎng)元素之一，是植物體生長代謝過程不可缺少的[1-2]。近年來，中國化肥用量增加近幾倍，但糧食產(chǎn)量卻增加不多，肥料施用與糧食產(chǎn)出反差嚴重?；实拇罅渴┯檬沟没世寐式档停@不僅造成資源浪費，還可能導致環(huán)境污染嚴重[3]。已有試驗結(jié)果表明，過量施用磷肥導致土壤磷素供給超過作物的營養(yǎng)需求，使得土壤累積大量磷素，這不僅不能提高作物產(chǎn)量，反而導致磷肥利用率下降[4]，并且增加土壤磷淋溶風險[5-6]。針對上述問題全面開展磷肥減施增效提質(zhì)工作，對于保證中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

大量研究表明，適當減施磷肥并不會顯著降低作物產(chǎn)量，反而可以提高磷的利用率和農(nóng)學效率[7]。楊學云等[8]認為長期不平衡施肥或大量施磷，導致磷素利用率降低；趙偉等[9]發(fā)現(xiàn)，磷肥減施不僅不會影響番茄植株生長，還能夠提高番茄的品質(zhì)；郭智等[10]發(fā)現(xiàn)適量減少氮磷施用，不會對水稻的葉片光合特性、產(chǎn)量以及肥料利用率有影響。此外，通過結(jié)合適當?shù)恼{(diào)控措施(如生物炭、秸稈還田等)，減施磷肥同樣可以獲得較高產(chǎn)量。韓瑛祚等[11]的研究表明，磷肥減量20%配合生物炭還田可提高玉米的磷素回收率；王秀娟等[12]發(fā)現(xiàn)磷肥減20%結(jié)合秸稈還田可以提高土壤磷素利用率和產(chǎn)量。

大量磷肥施用導致關(guān)中平原土壤磷素大量累積，磷肥偏生產(chǎn)力低，生產(chǎn)成本增加和經(jīng)濟效益下降。小麥和玉米土壤有效磷的農(nóng)學閾值分別為7.5～23.5mg/kg和5.7～15.2mg/kg[13-16]，付瑩瑩等[17]發(fā)現(xiàn)，關(guān)中平原速效磷質(zhì)量分數(shù)的平均值達到28.09mg/kg，土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)遠遠超過作物的磷臨界值。關(guān)中平原冬小麥推薦P2O5投入量為100～140kg/hm2，常艷麗等[18]發(fā)現(xiàn)，在關(guān)中平原農(nóng)戶冬小麥磷肥(P2O5)用量的平均值已經(jīng)達到183kg/hm2，超磷肥(P2O5)用量的用戶已經(jīng)超過58.1%。

針對關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤磷素狀況和施磷現(xiàn)狀，通過田間試驗探究小麥-玉米輪作體系下磷肥減施和調(diào)控措施對作物產(chǎn)量和農(nóng)田土壤磷庫的影響，比較不同磷肥減施和調(diào)控措施的效果，以達到和實現(xiàn)降低土壤磷素累積、穩(wěn)定和提高作物產(chǎn)量以及提高磷肥效率的目的，最終為區(qū)域作物的合理施肥和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗地點位于陜西省咸陽市武功縣武功鎮(zhèn)，屬溫暖帶半濕潤性氣候區(qū)。全年無霜期315 d，年降水量633.7 mm，最小降水量327.1 mm，最大降水量979.7 mm，降雨主要集中在 6-8月，年均蒸發(fā)量在1 068.3 mm左右。土壤基本性質(zhì)見表1。

表1 試驗土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of test soil

試驗于2017年6月開始，共設(shè)置7個處理：對照(CK，不施磷肥)；常規(guī)施肥(CF，均勻撒施)；推薦施肥(RF，均勻撒施)；減磷15%(JF，推薦施磷量基礎(chǔ)上降低施磷量15%，撒施改為條施)；減磷15% +調(diào)控1(JFT1，“秸稈包裹肥料”，條施)，“秸稈包裹肥料”即條施開溝，在溝內(nèi)先鋪1 層秸稈，將氮肥和磷肥均勻散在秸稈上，然后再覆蓋1 層秸稈，最后用土覆蓋；減磷15% +調(diào)控 2(JFT2，“硫銨代替尿素”，條施)；減磷30% +綜合調(diào)控(JFT3，推薦施磷量基礎(chǔ)上降低施磷量30%，采用“秸稈包裹+硫銨代替尿素”的綜合調(diào)控措施，條施)。每個處理重復3 次，共21 個小區(qū)，小區(qū)面積31.5 m2，隨機區(qū)組設(shè)計。采用小麥-玉米輪作種植模式，水分等田間管理措施遵照當?shù)剞r(nóng)民種植習慣。試驗所需肥料為尿素[w(N)=46%]、過磷酸鈣[w(P2O5)=16%]和硫酸銨[w(N)=20%]，氮肥和磷肥均作為基肥一次性施入，具體施肥量和施用方式見表2。

表2 各處理氮磷養(yǎng)分施用量和施用方式Table 2 Nitrogen and phosphorus nutrient application rates and application methods kg/hm2

1.2 樣品采集與分析

小麥/玉米收獲時各小區(qū)單打單收，分為秸稈和籽粒計產(chǎn)。小麥收獲時采集土壤樣品(0～20 cm)，經(jīng)處理后用于土壤速效磷和微生物量磷的測定。土壤速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液浸提(液土體積比10∶1)，鉬藍比色測定[19]。土壤微生物磷采用鮮土，熏蒸后用0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液浸提(液土體積比20∶1)，比色測定[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

地上部磷吸收量(kg/hm2)=籽粒磷質(zhì)量分數(shù)×籽粒產(chǎn)量+秸稈磷質(zhì)量分數(shù)×秸稈產(chǎn)量；磷回收率(%) = (施磷處理吸磷量-對照處理吸磷量)/施磷量×100；磷素盈虧(kg/hm2)=磷肥施用量-地上部吸磷量；磷農(nóng)學效率(kg/kg)=(施磷處理籽粒產(chǎn)量-對照處理籽粒產(chǎn)量)/施磷量；磷偏生產(chǎn)力 (kg/kg) =施磷處理籽粒產(chǎn)量/施磷量。數(shù)據(jù)采用PASW Statistics 18 軟件進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 減磷調(diào)控對作物產(chǎn)量的影響

小麥與玉米的籽粒產(chǎn)量大致呈現(xiàn)出1∶1的比例(圖1)。玉米季，相對于不施磷的對照(CK)，施磷處理均顯著提高籽粒產(chǎn)量 (P<0.05)，但不同施磷處理間沒有顯著差異。小麥季，JFT2和JFT3處理的產(chǎn)量顯著高于JF (P<0.05)，其余處理間差異不顯著。年度作物總產(chǎn)量， JFT1、JFT2和JFT3顯著高于CK(P<0.05)，不同施磷處理間差異不顯著。

2.2 減磷調(diào)控對作物磷效率的影響

夏玉米-冬小麥輪作體系中，JFT1和JFT3處理的地上部吸磷量顯著高于CK(P<0.05)，其余處理間差異不顯著(表3)。除CF和RF處理，其余處理的磷素均處于虧缺狀態(tài)，隨著減磷量的增加，磷素虧缺逐漸增加，JFT3處理的磷素虧缺量最大。

柱內(nèi)不同字母表示不同處理之間小麥或玉米產(chǎn)量差異顯著(P<0.05)，柱上的不同字母表示輪作系統(tǒng)總產(chǎn)量之間差異顯著(P<0.05)；誤差線為總產(chǎn)量的標準誤差 Different letters in the bars represent significant difference for yield of maize or wheat among the treatments(P<0.05); letters above the bars represent the rotation system yields are significantly different among the treatments(P<0.05)； the error bars are the standard for total yield

圖1 小麥-玉米輪作體系不同施肥處理作物產(chǎn)量
Fig.1 Crop yield of different fertilization
treatments in wheat-maize rotation system

各施磷處理的磷肥回收率為7.3%～ 24.9%，其中JFT3處理最高達24.9%；除JF外，減磷的JFT1、JFT2和JFT3處理磷肥回收率均顯著高于CF(P<0.05)，表明減施磷肥結(jié)合調(diào)控措施可以提高磷肥回收率。

磷肥農(nóng)學效率為17.3～49 kg/kg，JFT3處理的磷肥農(nóng)學效率最高，顯著高于RF處理。磷肥偏生產(chǎn)力為228.5～389.1 kg/kg；與CF處理相比，減磷處理(JF、JFT1、JFT2和JFT3)的偏生產(chǎn)力顯著提高(P<0.05)。

表3 不同施磷處理的作物磷效率Table 3 Phosphorus efficiency of different phosphorus treatment

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters represent significant differences among treatments (P<0.05).

2.3 減磷調(diào)控對土壤磷庫的影響

經(jīng)過1個輪作年，各處理的土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)差異不顯著(P>0.05)。盡管各處理差異不顯著，但直接減磷15% 處理(JF)的土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)相對于CF和RF處理有下降趨勢，而減磷結(jié)合調(diào)控措施處理(JFT1、JFT2和JFT3)相對于JF均略有提高(圖2-A)。

CF、RF和JF處理的土壤微生物量磷(MBP)的質(zhì)量分數(shù)與CK均差異不顯著，其中RF顯著高于CF(P<0.05)。減磷15% 結(jié)合調(diào)控措施處理(JFT1和JFT2)相對于JF均有顯著提高(P<0.05)；減磷30% 結(jié)合綜合調(diào)控措施處理(JFT3)相對于JF有增加趨勢，但差異不顯著(圖2-B)。

不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Different letters indicate significant differences among treatments (P<0.05)

圖2 不同處理土壤速效磷(A)和微生物量磷(B)的質(zhì)量分數(shù)
Fig.2 Mass fractions of soil available phosphorus (A) and microbial biomass phosphorus (B) of different treatments

3 討 論

冬小麥/夏玉米是陜西省關(guān)中平原農(nóng)業(yè)重要的種植制度，調(diào)查結(jié)果表明冬小麥-夏玉米輪作體系存在過量施磷的問題[18]，降低了施磷效應(yīng)。有研究表明，土壤磷水平相對較高條件下，施磷對于作物產(chǎn)量沒有顯著效果[21]，適當減施磷肥并不會影響作物產(chǎn)量[22]。本研究結(jié)果表明，常規(guī)施肥(CF，磷肥用量180 P2O5kg/hm2)和推薦施肥(RF，磷肥用量157.5 P2O5kg/hm2)玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于不施磷CK處理，但小麥和年度作物籽粒產(chǎn)量均沒有顯著差異(圖1)。磷效率方面，RF處理的回收率和偏生產(chǎn)力較CF處理均有所提高(P>0.05)。土壤磷庫方面，RF處理速效磷的質(zhì)量分數(shù)與CF處理沒有顯著差異(P> 0.05)，但微生物量磷顯著高于CF處理(P< 0.05)。相對于常規(guī)施肥CF的施磷量，推薦施肥RF減少12.5%的磷肥用量，作物產(chǎn)量和土壤速效磷均沒有下降，且提高磷效率。推薦施肥RF的磷回收率高于CF處理，且RF處理的磷素并未虧缺，說明在推薦施肥量下，可以維持土壤磷的相對穩(wěn)定，是一種相對優(yōu)化的施磷量。

肥料撒施是關(guān)中地區(qū)冬小麥-夏玉米體系常用的施肥方式，而條施作為一種局部施肥方式對于提高磷肥有效性具有一定作用[23-24]。本研究結(jié)果表明，在推薦施肥RF的基礎(chǔ)上減磷15%(JF)，將撒施改為條施，其作物產(chǎn)量與常規(guī)施肥和推薦施肥沒有顯著差異(圖1)。磷效率方面，JF處理的磷肥利用率和農(nóng)學效率均較推薦施肥RF和常規(guī)施肥CF有所提高(P>0.05)，但偏生產(chǎn)力和回收率則顯著高于常規(guī)施肥(P<0.05)。土壤磷庫方面，JF處理土壤速效磷的質(zhì)量分數(shù)與推薦施肥RF和常規(guī)施肥CF均差異不顯著，這可能主要是施肥方式改變引起的，條施較撒施能減少磷肥與土壤接觸面，從而減輕對磷肥固定提高磷素有效性[23-24]。

JF基礎(chǔ)上增加其他調(diào)控措施，其一采用秸稈包裹肥料(JFT1，條施)，一方面秸稈可以起到阻隔作用防治磷肥的快速固定，另一方面能提供碳源，有利于激活土壤微生物活性，提高土壤微生物對磷的固持作用[25-26]；其二采用生理酸性肥調(diào)控(銨態(tài)氮肥硫銨代替尿素，JFT2)。許多研究表明，石灰性土壤上，磷肥與銨態(tài)氮肥配合集中施用可以顯著增加根系增殖、降低根際pH、提高產(chǎn)量和磷素吸收，并且可以改善花后生長、干物質(zhì)分配和養(yǎng)分積累[27-28]。本研究結(jié)果表明，JFT1和JFT2處理的作物產(chǎn)量與常規(guī)施肥CF和推薦施肥RF沒有顯著差異，且JFT2的小麥籽粒產(chǎn)量顯著高于JF(P< 0.05)，磷效率方面，增加調(diào)控措施后，回收率、偏生產(chǎn)力較JF處理有所提高，差異不顯著(P>0.05)，而磷農(nóng)學效率則顯著高于JF(P<0.05)。土壤磷庫方面，JFT1和JFT2處理的土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)與JF處理相比略有提高但不顯著(P>0.05)，而土壤微生物量磷的質(zhì)量分數(shù)則顯著提高(P<0.05)。推薦施肥基礎(chǔ)上減磷30%結(jié)合綜合調(diào)控措施(秸稈包裹+生理酸性肥調(diào)控，JFT3)的作物產(chǎn)量與JFT1和JFT2類似。磷效率方面，回收率、農(nóng)學效率和偏生產(chǎn)力均較JF顯著提高(P<0.05，表3)。土壤速效磷的質(zhì)量分數(shù)與JFT1和JFT2沒有顯著差異(P> 0.05)，而土壤MBP的質(zhì)量分數(shù)相對JF處理有增加趨勢，差異不顯著(P>0.05)。

本研究結(jié)果表明，當前土壤磷水平下(土壤速效磷在30 mg/kg左右)，從作物產(chǎn)量和磷效率方面來看，推薦施肥基礎(chǔ)上減施15%甚至30%磷肥是完全可行的，利用兩種調(diào)控措施可以進一步提高玉米-小麥輪作體系的磷效率。需要注意的是，減施15%磷肥(JF、JFT1和JFT2)處理的磷回收率在16.7%左右，而減施30%磷肥(JFT3)處理則高達24.9%，表明所有減施磷肥處理均會提高磷肥的回收率，但隨著減磷量的增加，磷素虧缺程度逐漸增加。

從作物產(chǎn)量、磷效率以及土壤磷水平等方面綜合來看，目前減磷15%結(jié)合秸稈包裹或生理酸性氮肥(硫銨)調(diào)控是最值得推介的磷肥減施增效措施，考慮到對土壤磷有所消耗，其長期可行性還需進一步田間驗證。

4 結(jié) 論

陜西關(guān)中冬小麥-夏玉米輪作體系下，相對農(nóng)民習慣的常規(guī)施肥，推薦施肥的施磷量(每年P(guān)2O5157.5 kg/hm2)在減少磷肥用量前提下，可以獲得高產(chǎn)、提高磷肥利用率并基本維持土壤磷水平穩(wěn)定，是相對比較優(yōu)化的施磷量。考慮到目前土壤磷水平相對較高，推薦施肥基礎(chǔ)上減磷15%結(jié)合秸稈包裹或生理酸性氮肥(硫銨)調(diào)控是最值得推介的磷肥減施增效調(diào)控措施，不過隨著磷肥減施的持續(xù)進行和土壤磷水平的變化，其長期可行性有待于進一步驗證。