磷酸二銨添加增效劑對小麥-花生輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)量和磷肥吸收利用的影響

張運紅，黃紹敏，和愛玲，楊占平，杜 君，劉高遠，郭斗斗，薛廣元

(河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所/河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，河南鄭州 450002)

磷素是植物生長必需的營養(yǎng)元素之一，在光合作用、呼吸作用、生物膜合成等生理代謝過程中發(fā)揮重要作用，施用磷肥是保證作物獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的一項重要農(nóng)藝措施[1-4]。然而，磷在土壤中的移動性差，向根系擴散的能力低，易被土壤固定，當季利用率僅為10%～25%，大部分積累在土壤中，這與土壤中鈣、鐵、鋁及土壤粘粒的吸附固定作用以及微生物吸收轉(zhuǎn)化有關(guān)[5-7]。據(jù)研究，我國一般耕地中全磷含量是有效磷的200～500倍以上，在土壤磷組成中，無機磷的2/3和有機磷的1/3為無效態(tài)[8]。如何減少磷的固定、提高磷肥利用率和肥效是化肥界和農(nóng)學界研究的熱點。研究和發(fā)展增值磷肥是提高磷肥利用率的重要措施之一。海藻酸類、腐殖酸類和氨基酸類等天然物質(zhì)，可提高肥料利用率，且環(huán)保安全，作為新型肥料增效劑使用，優(yōu)勢明顯[9-11]。李志堅等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)，與普通磷酸二銨相比，添加腐殖酸、海藻酸和谷氨酸的增值磷肥處理可降低磷固定率7.32%、7.13%和11.99%；低磷條件下，小麥產(chǎn)量和磷肥表觀利用率分別提高9.74%～ 33.54%和8.71%～26.21%。秦國新等[12]研究表明，施用腐殖酸類肥料能抑制土壤對水溶性磷的固定，活化土壤固定態(tài)磷，減緩有效磷向無效態(tài)磷的轉(zhuǎn)化。劉 博等[13]報道，磷酸二銨添加氨基酸后可提高土壤中速效磷含量，降低pH值，促進Ca-P向Al-P、Fe-P轉(zhuǎn)化，從而減少土壤中磷的固定；還可提高土壤中磷酸二酯酶和堿性磷酸單酯酶活性，促進有機磷向無機磷轉(zhuǎn)化。這些研究為增值磷肥的研發(fā)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，然而結(jié)果多來自短期試驗，對增值磷肥的效應(yīng)缺乏長期定位試驗的驗證。

不同作物利用難溶性磷酸鹽的能力存在差異，造成種植后土壤殘留無機磷組成也有所不同[8,14]。有研究顯示，禾本科與豆科作物間套輪作能提高作物產(chǎn)量和土壤肥力[15-16]。小麥和花生是我國重要的糧食作物和油料作物，隨著耕地面積的不斷下降，糧油爭地矛盾日益突出，麥油兩熟制是未來黃淮花生生產(chǎn)區(qū)的發(fā)展方向。其中麥套花生具有延長花生的生長期、彌補熱量資源不足、促進莢果充分發(fā)育和改善籽仁品質(zhì)等優(yōu)點[17]，成為黃淮海地區(qū)麥油兩熟制的主要種植模式，然而，對該種植模式下增值磷肥的磷素轉(zhuǎn)化特征及其施用效果目前研究還較少。磷酸二銨是當前市場上主要的高濃度、速溶性磷肥，易與土壤中陽離子發(fā)生反應(yīng)形成沉淀，導(dǎo)致磷肥有效性降低，研發(fā)綠色增效磷肥具有重要意義。鑒于此，本研究擬采用2年盆栽試驗，研究磷酸二銨添加不同增效劑(腐殖酸、氨基酸、海藻寡糖)對小麥-花生輪作系統(tǒng)中作物產(chǎn)量及磷素利用狀況的影響，旨在明確增值磷肥在小麥-花生輪作體系中的效應(yīng)，為其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2017年10月-2019年9月在河南省農(nóng)業(yè)科學院科研園區(qū)(113.67°E，34.79°N)進行。供試土壤為潮土，采自鄭州市郊區(qū)，土壤基本理化性質(zhì)為有機質(zhì)3.5 g·kg-1，速效氮35.6 mg·kg-1，有效磷(olsen-P)2.7 mg·kg-1，速效鉀102.6 mg·kg-1，pH 7.79。

供試小麥品種為鄭麥7698，為多穗、強筋、半冬性、中晚熟品種；供試花生品種為豫花9326，為高產(chǎn)、高油、大果品種，分別由河南省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所和經(jīng)濟作物研究所選育并提供。

供試磷酸二銨(N 18%，P2O546%)，由云南三環(huán)美盛化肥有限公司提高。供試腐殖酸(HA)由褐煤提取，水不溶物<5%，由上海通微生物技術(shù)有限公司提供。供試海藻寡糖(AOS)中，β-D-甘露糖醛酸(M)：α-L-古羅糖醛酸(G)=7：3，糖醛酸含量>90%，聚合度2～10，由中國科學院大連化學物理研究所提供。供試氨基酸(aa)為復(fù)合氨基酸，其總氨基酸含量為81.24%，主要由亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸等組成，由鄭州福潤德生物工程有限公司提供。其余試劑均購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

采用土培盆栽試驗，選用聚乙烯塑料盆(直徑30 cm，高20 cm)。每盆裝過2 mm篩的土10 kg。試驗設(shè)置5個處理，分別為不施磷對照(CK)；單施磷酸二銨(DAP)；施磷酸二銨+腐殖酸(DAP+HA)；施磷酸二銨+氨基酸(DAP+aa)；施磷酸二銨+海藻寡糖(DAP+AOS)。每個處理4次重復(fù)，共20盆。

小麥季氮肥施用量為0.25 g·kg-1土壤，50%基施，50%于拔節(jié)期追施，磷肥施用量為P2O50.12 g·kg-1土壤，鉀肥施用量為K2O 0.12 g·kg-1土壤，磷鉀肥全部基施；花生季氮肥施用量為0.18 g·kg-1土壤，磷肥施用量為P2O50.12 g·kg-1土壤，鉀肥施用量為K2O 0.15 g·kg-1土壤，定苗后條施。氮肥選用尿素(N 46%)，磷肥選用磷酸二銨，鉀肥選用氯化鉀(K2O 60%)，增效劑在磷肥中的含量為0.3%。小麥播種日期分別為2017年10月12日和2018年10月14日，每盆播4行，行間距6 cm，每行15粒，30 d后間苗至每行9株?；ㄉシN日期分別為2018年5月10日和2019年5月13日(小麥灌漿期)，播種于小麥行間，每盆3穴，呈三角形排列，每穴2粒，待小麥收獲后間苗至每盆3株。2018年花生收獲后分別將盆中土倒出，按小麥需肥量施入肥料，混勻后重新裝盆，準備下季小麥種植，第2年度按第1年度的對應(yīng)處理重復(fù)進行。作物生長期間通過稱重法維持盆中土壤水分含量在田間持水量的70%左右，并及時防治病蟲害，保證作物正常生長發(fā)育。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤有效磷含量測定

每季作物收獲后采集0～20 cm耕層土壤，風干研磨過篩后參照鮑士旦[18]的方法，采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量。

1.3.2 植株中磷相關(guān)指標測定

于作物成熟期收獲各處理的全部植株，于網(wǎng)袋中風干后將收獲目標與莖葉分開并計產(chǎn)。將各部分于70 ℃烘至恒重，測定干物質(zhì)重。采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，鉬銻抗比色法測定植株全磷含量。磷相關(guān)指標參照王昆昆等[19]的方法按以下公式計算：各器官磷素積累量=各器官磷含量×各器官干物質(zhì)重；磷素平均農(nóng)學效率=(施磷處理2季作物產(chǎn)量-不施磷處理2季作物產(chǎn)量)/2季作物施磷量；磷素累積利用率=(施磷處理2季作物磷累積量-不施磷處理2季作物磷積累量)/2季作物施磷量×100%；土壤磷盈虧量=施磷量-作物磷積累量；土壤有效磷變化量=輪作后土壤有效磷含量-基礎(chǔ)土壤有效磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007處理，用SPSS 17.0進行方差分析，用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷酸二銨添加增效劑對小麥-花生輪作體系作物產(chǎn)量的影響

表1顯示，與對照(CK)相比，2017-2018年度，施磷處理小麥產(chǎn)量增加17.34%～61.84%，DAP添加增效劑處理較DAP單施處理產(chǎn)量均顯著增加(16.99%～37.92%)，以DAP+AOS處理增幅最大。2018-2019年度，施磷處理小麥產(chǎn)量增加95.21%～107.62%，且DAP+HA處理較DAP單施處理產(chǎn)量顯著增加(6.28%)。2年平均小麥產(chǎn)量，施磷處理均顯著高于對照，增幅為51.27%～76.33%，且DAP添加增效劑較DAP單施處理均顯著增加(8.22%～16.57%)，以DAP+AOS處理增幅最大。2018年，施磷處理花生產(chǎn)量增加9.63%～47.49%，但DAP添加增效劑處理較DAP單施處理產(chǎn)量均顯著降低(13.87%～ 25.67%)，以DAP+AOS處理降幅最大；2019年，施磷處理較對照花生產(chǎn)量增加 60.15%～88.57%，差異顯著且DAP+aa和DAP+HA處理較DAP單施處理產(chǎn)量也顯著增加(16.21%和14.29%)。2年平均花生產(chǎn)量，施磷處理均顯著高于對照，增幅為30.93%～ 53.72%，但DAP+AOS處理較DAP單施處理顯著降低(14.82%)。該結(jié)果說明，施用DAP可促進小麥和花生增產(chǎn)，但兩種作物對DAP添加增效劑的響應(yīng)有所不同，尤其是第一年度，DAP添加增效劑使小麥顯著增產(chǎn)，但造成花生明顯減產(chǎn)，特別是DAP+AOS處理；第二年度影響相對較小。

表1 2017-2019年不同施磷處理小麥-花生輪作體系作物產(chǎn)量

2.2 磷酸二銨添加增效劑對小麥-花生輪作體系作物磷吸收及分配的影響

由表2可知，2017-2018年度，施磷處理的小麥籽粒、莖葉和整株磷累積量均顯著高于對照，增幅分別為55.16%～86.51%、41.18%～ 141.18%和58.36%～89.96%，且均以DAP+aa處理最高；DAP+aa的上述指標較DAP單施處理也顯著增加，增幅依次為20.20%、17.14%和19.95%。2018-2019年度，施磷處理的小麥籽粒、莖葉和整株磷累積量也顯著高于對照，增幅分別為 134.07%～160.44%、64.00%～120.00%和118.97%～151.72%，其中莖葉和整株磷累積量以DAP+AOS處理最高，其較DAP單施處理也顯著增加(34.15%和14.96%)。2年小麥平均籽粒、莖葉和整株磷累積量，施磷處理分別高于對照76.61%～102.34%、57.14%～119.05%和 77.08%～102.08%，差異顯著；其中整株磷累積量以DAP+aa和DAP+AOS處理最高，其較DAP單施處理也顯著增加(14.12%和 10.59%)。

表2 2018-2019年不同施磷處理下小麥-花生輪作體系作物磷積累量

2017-2018年度，施磷處理的花生莖葉、花生仁和整株磷累積量均顯著高于對照，增幅分別為56.35%～100.00%、20.90%～57.63%和 53.69%～60.23%；DAP添加增效劑處理的莖葉和根系磷累積量較DAP單施處理也顯著增加(14.21%～27.92%和40.00%～80.00%)，但花生仁磷累積量卻較之顯著下降(7.53%～ 23.30%)，各施磷處理間整株磷累積量無顯著差異。2018-2019年度，施磷處理的花生莖葉、根系、花生仁和整株磷累積量均顯著高于對照，增幅分別為24.17%～ 90.00%、33.33%～77.78%、117.00%～ 159.00%和57.89%～99.25%；DAP+AOS處理的莖葉和整株磷累積量較DAP處理顯著降低(34.65%和18.92%)。2年花生平均莖葉、花生殼、根系、花生仁和整株磷累積量，施磷處理均顯著高于對照，增幅分別為61.78%～ 76.42%、36.11%～88.89%、18.18%～45.45%、54.68%～85.61%和55.66%～74.11%；DAP+AOS處理的花生殼、花生仁和整株磷累積量較DAP單施處理顯著下降(23.08%、13.31%和10.59%)。該結(jié)果說明，DAP添加增效劑aa和AOS后可促進小麥對磷的吸收，但后者對花生的磷吸收則有不利影響，以花生殼和花生仁中磷累積量下降最為明顯。

2.3 磷素二銨添加增效劑對小麥-花生輪作體系作物磷素利用效率的影響

圖1A顯示，DAP添加增效劑處理的小麥磷素平均農(nóng)學效率均顯著高于DAP單施處理，增幅為24.26%～48.88%，以DAP+AOS處理增幅最大，但該處理的花生磷素平均農(nóng)學效率顯著低于DAP處理(42.45%)。DAP添加增效劑處理的小麥磷素累積利用率較DAP單施處理增加1.49～4.04個百分點，其中DAP+aa處理差異達顯著；DAP+AOS處理的花生磷素累積利用率較DAP單施處理降低4.91個百分點，差異顯著；周年磷素累積利用率，DAP+aa處理較DAP單施處理有增加趨勢，DAP+AOS處理有下降趨勢，但差異均不顯著(圖1B)。該結(jié)果說明，DAP添加增效劑可促進小麥對磷素的吸收利用，但DAP+AOS處理的花生磷素利用效率明顯降低。

圖柱上不同小寫字母表示處理間差異在0.05水平顯著。下同

2.4 磷酸二銨添加增效劑對小麥-花生輪作體系土壤磷盈虧量的影響

圖2顯示，2年小麥-花生輪作體系中，對照的土壤磷均為消耗狀態(tài)，2018和2019年土壤磷盈虧量分別為-0.61 g·pot-1和-0.38 g·pot-1；施磷處理的土壤磷則均為盈余狀態(tài)，且2019年度土壤磷盈余量高于2018，增幅為 12.95%～22.33%，以DAP+aa處理增幅最大。2018年，DAP+aa處理土壤磷盈余量低于其他施磷處理；2019年，以DAP+AOS處理土壤磷盈余量最大。年均磷盈余量，不同施磷處理間差異不顯著。結(jié)果說明，施磷可使土壤磷由虧缺轉(zhuǎn)為盈余，且隨耕作年限延長，磷盈余量逐漸增加；DAP添加增效劑與否對土壤磷盈虧量影響不大。

圖2 2018-2019年不同施磷處理下小麥-花生輪作體系周年土壤磷平衡

2.5 磷酸二銨添加增效劑對小麥-花生輪作體系土壤有效磷含量的影響

圖3顯示，對照的土壤有效磷含量在各種植季均最低，且隨耕作年限推移呈逐漸降低趨勢。2018和2019年，施磷處理的土壤有效磷含量小麥季分別較對照增加34.53%～204.26%和 318.44%～651.04%，差異顯著；DAP+aa較DAP單施處理土壤有效磷含量也顯著增加(14.43%和5.65%)，DAP+HA處理則較DAP單施處理顯著降低(47.90%和41.14%)，DAP+AOS處理在2018年顯著高于DAP單施處理(17.83%)。2年度花生季施磷處理的土壤有效磷含量分別較對照增加53.36%～100.86%和 65.38%～105.59%；DAP+aa和DAP+AOS處理在2018年較DAP單施處理顯著增加(24.89%和30.95%)，2019年度較之顯著降低(14.34%和11.82%)。該結(jié)果說明，本試驗條件下，施用DAP可提高土壤有效磷含量，DAP+aa和DAP+AOS處理的土壤有效磷含量較DAP單施處理在種植前期增加，但隨種植年限延長有降低趨勢；DAP+HA處理在小麥種植季顯著低于DAP單施處理。

同年相同作物不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。

2.6 小麥-花生輪作體系土壤有效磷對磷盈虧的響應(yīng)

對小麥-花生輪作體系中土壤有效磷變化量與土壤磷盈虧量進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷含量與土壤磷盈虧量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為：y=0.328 7x-0.787 6(R2=0.837 2*)。隨耕作年限的延長，對照土壤中的磷呈虧缺狀態(tài)，有效磷含量逐漸降低。施磷可提高土壤磷累積量，有效磷含量也逐步提高，每1 g·pot-1的磷盈余使土壤有效磷含量提高0.328 7 mg·kg-1。

3 討 論

前人研究顯示，當土壤中有效磷含量不足以滿足作物生長需要時，合理施磷可增加土壤中的有效態(tài)磷，促進作物根系生長發(fā)育，調(diào)節(jié)光合特性，促進干物質(zhì)積累及其向籽粒中轉(zhuǎn)運，從而提高作物產(chǎn)量和磷肥利用效率[1-2,20-22]。長期定位試驗結(jié)果表明，在速效磷含量為4.2～9.1 mg·kg-1的塿土、潮土和褐潮土上，施磷小麥產(chǎn)量較不施磷提高2～4倍[23]。土壤全磷含量為 0.5～1.0 g·kg-1，有效磷含量為10～30 mg·kg-1，適宜花生種植[24]。本試驗中，土壤速效磷為2.7 mg·kg-1，對小麥和花生來說均屬于低磷土壤，施磷處理2年作物平均產(chǎn)量和磷累積量均顯著增加，證實了上述結(jié)論。土壤中磷的生物有效性與磷形態(tài)有關(guān)。對于石灰性土壤而言，Ca2-P為速效性磷源，Ca8-P、Al-P和Fe-P為緩效性磷源，可隨著作物對磷的吸收和土壤有效磷含量的降低而逐漸釋放，而Ca10-P和O-P為無效態(tài)的潛在性磷源，短時期內(nèi)很難轉(zhuǎn)化釋放[11]。施磷可改變土壤中活性磷組分和中等穩(wěn)定性磷組分含量，提高土壤中Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量及其占總無機磷比例[25-27]，本試驗結(jié)果證實，小麥-花生輪作體系中，施磷可提高各種植季土壤有效磷含量，這可能是其促進作物增產(chǎn)的主要原因，但對磷形態(tài)未作解析，該工作開展有助于揭示輪作體系下施磷增產(chǎn)的作用機制。

本試驗結(jié)果表明，小麥-花生輪作體系中，小麥和花生對DAP添加增加劑后的響應(yīng)存在明顯差異，就小麥2年平均產(chǎn)量、磷素平均農(nóng)學效率和累積利用效率而言，DAP添加增效劑處理較DAP單施處理均有不同程度提高，其中，DAP+aa和DAP+AOS處理的植株磷累積量也顯著增加；而對花生，DAP+AOS處理的產(chǎn)量、磷累積量、磷素平均農(nóng)學效率和累積利用效率均較DAP單施顯著下降。出現(xiàn)該結(jié)果可能主要有以下原因：首先，不同作物磷素利用方式不同。小麥可吸收利用土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P，且前兩者的有效性相對較高[25]；種植小麥后潮土中無機磷含量大小排序為Ca10-P>Ca8-P>Al-P>Ca2-P>Fe-P，有機磷按含量大小排序為中等活性有機磷>高穩(wěn)性有機磷>中穩(wěn)性有機磷>活性有機磷[14]?；ㄉ谌绷讞l件下能夠吸收利用Ca8-P和Fe-P，但前者有效性高；種植花生后土壤中Ca8-P比例顯著降低，而Fe-P和Al-P增加[8]。這表明不同作物磷需求有差異，DAP添加增效劑后引發(fā)土壤磷組分的改變可能與作物需求不一致。其次，不同增效劑對土壤磷活化機制不同。腐殖酸可與磷酸鹽反應(yīng)形成不易被固定的有機-無機復(fù)合物從而降低磷的固定；其結(jié)構(gòu)中的苯酚結(jié)構(gòu)可活化難溶性磷，羧基、酚羥基等酸性官能團可與磷酸根離子競爭土壤膠體的吸附位點從而減少磷的吸附[11-12,28-30]。海藻多糖是一種天然的螯合劑，能螯合土壤中的鈣、鎂、鐵等金屬離子，從而減少土壤中磷的固定；施用后土壤Ca2-P、Al-P和有效磷總量均有所提高[11,31]。氨基酸富含氨基和羧基，與磷銨混合可增強磷的有效性[13]。李志堅等[11]利用改性腐殖酸、發(fā)酵海藻液和聚合谷氨酸制備增值磷酸銨，研究證實3種增值磷肥均能降低土壤pH，提高土壤速效磷含量以及Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量，但谷氨酸增值磷肥Ca2-P、Al-P轉(zhuǎn)化幅度高于其他兩種增值磷肥，海藻酸增值磷肥提高Ca8-P的幅度最大。這證實添加不同增效劑對土壤磷組分的改變有所不同，其對作物生長及磷吸收的影響可能因此而異。最后，磷素在不同茬口間的分配有所不同。有研究顯示，在禾本科與豆科作物間作中豆科作物處于磷競爭劣勢地位，土壤磷素供應(yīng)時常成為其增長的制約因素[8,32-33]。有關(guān)小麥-花生間套輪作體系下土壤有效磷周年供給規(guī)律的研究還較為少見。本試驗中，2年小麥收獲季土壤有效磷含量均高于花生收獲季，宋志偉等[15]的研究也得出相似結(jié)論。土壤有效磷含量呈現(xiàn)“冬低夏高”除與作物吸收有關(guān)外，也與土壤溫度和濕度條件有關(guān)[34]。然而，本試驗對小麥花生輪作體系下磷肥添加增效劑后的土壤磷組分演變規(guī)律及有效磷供給與作物需求的關(guān)系未作解析，該工作開展可深入揭示增值磷肥的作用機理，有助于磷肥高效利用，有待進一步研究。此外，本試驗中，DAP+aa和DAP+AOS處理的土壤有效磷含量第一年度較DAP單施處理有所增加，后隨種植年限延長逐漸降低，前期可能是增效劑對土壤磷的活化效應(yīng)所致，后期則與植株的吸收消耗有關(guān)。綜合而言，從本試驗結(jié)果看，在小麥-花生輪作體系中，兩種作物對DAP添加增加劑后的響應(yīng)存在明顯差異，增值磷肥長期連續(xù)施用不一定取得良好的增產(chǎn)效果；在生產(chǎn)實踐中應(yīng)根據(jù)作物需肥規(guī)律、增效肥料特性以及土壤養(yǎng)分消耗等因素及時調(diào)整施肥方案，方能取得可觀的收益。本試驗結(jié)果還顯示，土壤有效磷變化量與土壤磷盈虧量呈直線正相關(guān)關(guān)系，不施磷對照隨耕作年限的延長土壤磷呈虧缺狀態(tài)，有效磷含量逐漸降低；施磷可提高土壤磷盈余量，有效磷含量也逐步提高，每1 g·pot-1的磷盈余使土壤有效磷含量提高0.328 7 mg·kg-1。相似的結(jié)果袁天佑等[35]也有報道。表明合理的施用磷肥，對維持適宜的土壤有效磷含量，促進作物增產(chǎn)增收至關(guān)重要。