黔中地區(qū)玉米-小麥輪作體系磷肥利用率及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究

文 雄， 胡 崗， 范成五， 秦 松

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所， 貴陽(yáng) 550006)

玉米-小麥輪作是西南地區(qū)糧食作物的主要種植模式之一[1]，玉米、小麥也是貴州主要糧食作物。近年來，磷肥投入量持續(xù)提升，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，1980年磷肥施用總量約為273.3萬t，而2019年磷肥施用總量卻達(dá)到830.3萬t，增長(zhǎng)約3.0倍，年均增長(zhǎng)率為16.8%，同時(shí)，土壤磷素供應(yīng)又相對(duì)不足。在玉米-小麥輪作體系中合理統(tǒng)籌配置磷肥施用，協(xié)調(diào)產(chǎn)量和磷肥利用率之間的矛盾，在維持磷肥投入與作物吸收相對(duì)平衡的前提下，還要考慮產(chǎn)量和土壤肥力及環(huán)境效應(yīng)的變化。國(guó)內(nèi)學(xué)者在磷肥的施用量方面展開了許多研究，如劉凱等[2]、唐文雪等[3]的研究發(fā)現(xiàn)隨施磷量增加，夏玉米產(chǎn)量呈先升高后降低的趨勢(shì)，磷肥偏生產(chǎn)力、磷肥農(nóng)學(xué)利用效率呈下降趨勢(shì)。陳遠(yuǎn)學(xué)等[4]研究發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒產(chǎn)量和體系總產(chǎn)量均隨磷肥施用量的增加先增大后減少。黃明等[5]認(rèn)為，小麥的成穗數(shù)與磷肥的施用量呈顯著的正相關(guān)，相反小麥的穗粒數(shù)以及籽粒產(chǎn)量則呈先升高后降低的趨勢(shì)，從而逐漸降低磷肥的農(nóng)學(xué)效率。馮媛媛等[6]研究發(fā)現(xiàn)，磷肥施用對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的提高幅度為：黑壚土>褐土>黃棕壤>棕壤，且應(yīng)充分考慮土壤有效率含量。李娜等[7]通過長(zhǎng)期定位發(fā)現(xiàn)磷肥投入是影響棕壤全磷和有效磷的關(guān)鍵因素，且施磷處理有效磷與土壤磷素盈虧均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)。楊軍等[8]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用磷肥或有機(jī)肥，土壤有效磷、全磷增加量與土壤磷素盈虧呈顯性直線正相關(guān)。

目前針對(duì)黔中玉米-小麥輪作進(jìn)行土壤磷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究鮮有報(bào)道，在輪作體系下磷肥施用量與作物產(chǎn)量效應(yīng)及磷素投入對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響的研究較少。因此，本研究擬在氮鉀施用量相同的基礎(chǔ)上，探究玉米-小麥輪作體系下不同磷肥施用量對(duì)其產(chǎn)量以及磷肥利用率的影響，通過研究玉米-小麥輪作體系下磷肥的最佳投入閾值以及玉米-小麥對(duì)磷素的吸收變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)科學(xué)施肥下的最大經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，為黔中地區(qū)玉米-小麥輪作體系提供最佳磷肥施用水平。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)開展時(shí)間于2016年5月—2018年8月，連續(xù)3年定位試驗(yàn)，地點(diǎn)位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)湖潮鄉(xiāng)(106°31′E，26°26′N)。土壤類型屬于第四紀(jì)紅色粘土母質(zhì)發(fā)育的鐵鋁土亞綱黃壤。試驗(yàn)前采集0～20 cm耕層土壤測(cè)定其基本理化性狀：pH值為8.1，全氮含量0.66 g·kg-1，總磷0.68 g·kg-1，有效磷13.32mg·kg-1，速效鉀82.3 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)18.21 g·kg-1。玉米、小麥品種：黔單22、黔麥18。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，分玉米季和小麥季，見表1。在田間采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各小區(qū)面積為30 m2。施用的肥料氮肥為尿素(N含量46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5含量16%)，鉀肥為氯化鉀(K2O含量60%)。

表1 不同處理磷肥施用量

1.3 指標(biāo)測(cè)定

在開展試驗(yàn)之前采集試驗(yàn)地0～20 cm的耕作層土樣，測(cè)定試驗(yàn)地土壤的pH值，TN、TP、速效磷、有效鉀以及有機(jī)質(zhì)含量。待玉米和小麥成熟后按小區(qū)分別進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，在每個(gè)小區(qū)采集有代表性的10株玉米、50 cm長(zhǎng)條帶小麥植株樣品，測(cè)定籽粒以及秸稈中的氮、磷、鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件和SPSS 2019軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 2017軟件進(jìn)行制圖。

1.5 計(jì)算方法[9-11]

籽粒氮、磷累積量(kg·hm-2)=籽粒產(chǎn)量×籽粒氮、磷含量；

秸稈氮、磷累積量(kg·hm-2)=秸稈產(chǎn)量×秸稈氮、磷含量；

植株氮、磷累積量(kg·hm-2)=籽粒氮、磷累積量+秸稈氮、磷累積量；

磷肥表觀利用率(%)=[(施肥區(qū)作物吸磷量-不施肥區(qū)作物吸磷量)/施磷量]×100%；

磷肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=施磷處理作物產(chǎn)量/施磷量；

磷肥農(nóng)學(xué)效率(kg·kg-1)=(施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施磷量；

磷肥利用率(kg·kg-1)=(施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施肥區(qū)籽粒產(chǎn)量)/(施肥區(qū)地上部磷累積量-不施肥區(qū)地上部磷累積量)。

土壤年表觀磷盈虧(kg·hm-2)=每年施入土壤磷素總量(kg·hm-2)-每年作物(籽粒+秸稈)吸磷量(kg·hm-2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)玉米-小麥產(chǎn)量的影響

由圖1可知，兩種作物不同施磷量處理籽粒產(chǎn)量均較不施磷(P 0)處理顯著提高，增產(chǎn)分別為8.3%～27.4%、44.0%～120.9%，且P 1>P 2>P 3，表明磷肥能顯著提高產(chǎn)量，且小麥增產(chǎn)幅度大于玉米，說明施氮鉀相同情況下，施磷對(duì)小麥產(chǎn)量更敏感。其中玉米、小麥最高產(chǎn)量分別為7 038 kg·hm-2和3 052 kg·hm-2，且較P 0處理分別增產(chǎn)27.4%和120.9%，僅P 1與P 2處理間的玉米產(chǎn)量差異表現(xiàn)為不顯著，而小麥各處理間的產(chǎn)量差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。玉米-小麥輪作體系下施磷量與籽粒產(chǎn)量的擬合方程(玉米y=-0.021 1x2+10.508x+5 748.3，R2=0.485 7；小麥y(cè)=-0.059 2x2+19.086x+1 597.9，R2=0.474 3)可知，玉米、小麥的擬合籽粒產(chǎn)量分別為7 056.39 kg·hm-2、3 135.93 kg·hm-2，對(duì)應(yīng)的施磷量分別為149.0 kg·hm-2、101.2 kg·hm-2。擬合的施磷量與P 1處理(玉米施磷量，小麥?zhǔn)┝琢?差距不大，最高產(chǎn)量相差也不大，可以認(rèn)為擬合效果較好。

注：差異顯著性檢驗(yàn)采用Duncan新復(fù)極差法，不同字母表示各處理間差異性達(dá)到顯著水平(p<0.05)。下同。圖1 不同處理對(duì)玉米、小麥籽粒和秸稈產(chǎn)量的影響

2.2 不同處理對(duì)玉米-小麥氮、磷含量及累積量的影響

2.2.1不同處理對(duì)玉米-小麥磷含量的影響

從圖2可知，施磷均顯著提升玉米、小麥的磷含量，但隨著施磷量的增加玉米和小麥中磷的含量并沒有表現(xiàn)出一直增加的顯著趨勢(shì)。從玉米季來看，在施磷量超過P 1處理后(施磷量120 kg·hm-2)，玉米籽粒和秸稈中磷含量所占比重均呈下降趨勢(shì)；從小麥季可知，在施磷量超過P 2處理(施磷量150 kg·hm-2)，小麥籽粒中磷含量所占比重呈下降趨勢(shì)。

2.2.2不同施磷處理對(duì)玉米-小麥氮含量的影響

從圖2可知，施用磷肥在一定程度上可以提升玉米和小麥中氮含量。從玉米季來看，施用磷肥后玉米籽粒中氮的含量較P 0處理提高了1.86～2.91 g·kg-1，秸稈中氮含量較P 0處理提高了1.96～5.2 g·kg-1，差異均達(dá)到顯著水平。表明施用磷肥對(duì)玉米吸收氮影響明顯。從小麥季可知，施用磷肥可顯著提升小麥中氮含量，較P 0處理小麥籽粒、秸稈中氮含量分別提高了3.11～3.38 g·kg-1、1.99～3.66 g·kg-1，差異均達(dá)到顯著水平。由上述可知，不同施磷水平條件下小麥季氮含量較玉米季高，說明磷素對(duì)小麥氮含量影響更明顯。

圖2 不同處理對(duì)玉米、小麥氮、磷含量的影響

2.2.3不同處理對(duì)玉米-小麥氮、磷累積量的影響

從圖3可知，低濃度的施磷量對(duì)玉米和小麥中氮、磷的積累效果整體比高濃度的施磷量要好。其中，玉米籽粒和秸稈中氮累積量以P 2處理最高，分別為84.13 kg·hm-2和76.14 kg·hm-2，各施肥處理較P 0處理分別提升了14.5～21.85 kg·hm-2和32.26～48.22 kg·hm-2；而玉米籽粒和秸稈中磷累積量以P 1處理最高，分別為21.88 kg·hm-2和9.28 kg·hm-2，各施肥處理較P 0處理分別提升了4.59～9.35 kg·hm-2和1.3～2.46 kg·hm-2；小麥籽粒中氮累積量以P 1處理最高，而磷累積量以P 2處理最高，各施肥處理較P 0處理分別提升了19.2～40.99 kg·hm-2、2.12～4.24 kg·hm-2。這可能是由于玉米秸稈生物量較大導(dǎo)致氮、磷素累積較大所致，也有可能是因?yàn)榇罅康牧追适┯眠M(jìn)入土壤，影響了土壤中養(yǎng)分的配比失衡，從而導(dǎo)致了植株對(duì)其他必須營(yíng)養(yǎng)元素的吸收不均衡，影響其正常的生長(zhǎng)代謝。

圖3 不同處理對(duì)玉米、小麥的氮、磷累積量的影響

2.3 不同處理對(duì)玉米-小麥磷養(yǎng)分利用效率的影響

由圖4可知，隨著施磷量的增加，玉米和小麥的磷肥表觀利用率以及偏生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)都隨著施磷量的升高而逐漸降低，差異均達(dá)到顯著水平，其中玉米、小麥均以P 1處理最高，分別為26.2%、53.6 kg·kg-1、21.3%、45.8 kg·kg-1；玉米磷肥利用率隨著施磷量的升高顯現(xiàn)先升高后降低、小麥肥料生理利用率和肥料農(nóng)學(xué)效率均隨著施磷量的升高而降低，兩者的表現(xiàn)趨勢(shì)一致，肥料生理利用率玉米P 1處理與P 2處理差異不顯著，小麥P 2處理與P 3處理差異不顯著，而肥料農(nóng)學(xué)效率各處理差異顯著，其中，僅玉米磷肥利用率以P 2處理最高，為54.2 kg·kg-1，其余均以P 1處理最高，小麥磷肥利用率為65.3 kg·kg-1。玉米、小麥肥料農(nóng)學(xué)效率均以P 1處理最高，分別為17.2kg·kg-1、21.3 kg·kg-1。當(dāng)施磷量超過120 kg·hm-2、75 kg·hm-2時(shí)，磷肥利用率、磷肥農(nóng)學(xué)利用率和磷肥偏生產(chǎn)力均顯著降低。

圖4 不同處理對(duì)玉米-小麥輪作磷素利用率的影響

2.4 不同處理對(duì)土壤速率磷及土壤磷素盈虧的影響

由圖5可知，無論玉米、小麥土壤速率磷含量均隨施磷量的增加而增加。當(dāng)玉米季施磷量超過120 kg·hm-2時(shí)，土壤速率磷含量增速差異不顯著，說明土壤中磷素達(dá)到飽和點(diǎn)，可能存在大量磷素流失的風(fēng)險(xiǎn)。其中玉米季P 1、P 2和P 3處理土壤速率磷含量較P 0處理分別增加142.6%、314.1%、338.2%。當(dāng)小麥季施磷量超過150 kg·hm-2時(shí)，土壤速率磷含量表現(xiàn)為快速增加且差異達(dá)到顯著水平，較P 0處理小麥季土壤速率磷含量分別增加28.5%、28.4%、47.5%。從玉米和小麥土壤速率磷含量周年來看，高施磷量處理能顯著提高土壤速率磷含量，但也存在土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 不同施磷水平對(duì)土壤速效磷含量的影響

玉米、小麥?zhǔn)斋@后土壤磷素收支平衡結(jié)果可知(圖3)，施磷處理磷累積量顯著高于不施磷肥處理，且較P 0處理累積幅度分別提高為27.7%～74.0%、15.3～55.5%。當(dāng)玉米、小麥在施磷量分別在30～75 kg·hm-2、60～120 kg·hm-2范圍內(nèi)磷素累積量顯著增加，當(dāng)施磷量超過75 kg·hm-2、120 kg·hm-2時(shí)，小麥、玉米磷素累積量呈下降趨勢(shì)。從土壤磷素盈虧量來看，玉米、小麥P 0處理2季平均虧缺量為15.7 kg·hm-2、8.58 kg·hm-2，其它處理土壤磷素均處于盈余狀態(tài)，且隨著施磷量增加土壤磷素盈余量快速增加，其中，P 3處理磷盈余量最高，分別為120.3 kg·hm-2、109.1 kg·hm-2。通過建立磷肥用量(x，kg·hm-2)與土壤表觀盈虧量(y，kg·hm-2)線性回歸方程y=bx+a進(jìn)行分析(圖6)，玉米方程式為y=0.265 1x-20.241 1(R2=0.987 1**)，小麥方程式為y=0.434 8x-12.239 7(R2=0.993 2**)，通過擬合計(jì)算，與土壤磷素持平的2季玉米平均施磷量為76.4 kg·hm-2，而小麥平均施磷量為28.2 kg·hm-2。

圖6 不同處理對(duì)土壤磷素盈虧的影響

3 討 論

3.1 施磷量對(duì)玉米-小麥的增產(chǎn)效應(yīng)

本研究結(jié)果表明，磷肥施用量影響玉米-小麥輪作籽粒產(chǎn)量，周年作物產(chǎn)量均以P 1處理最高。玉米產(chǎn)量在玉米季施肥量為120 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最高，為7 038 kg·hm-2；小麥產(chǎn)量在小麥季施肥量為75 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最高，為3 152 kg·hm-2，且施磷量過多或不施磷均不利于單季作物產(chǎn)量的增加。這與施磷量對(duì)單季作物產(chǎn)量影響與前人的研究結(jié)果基本一致[12-13]，且本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在相同施磷量水平上，玉米季土壤中磷肥殘留的總量顯著低于小麥季，施入玉米季土壤中的磷肥損失相比于小麥季要更嚴(yán)重，這與陸梅等[14]研究結(jié)論相似。周年籽粒平均產(chǎn)量以施磷量P 1處理(即磷肥平均分配在玉米、小麥兩季時(shí))產(chǎn)量最高[15]，周年總施磷量與王海標(biāo)等[16]研究結(jié)果相似，在低磷水平下磷肥重施在玉米上(玉米60%)，在高磷水平下磷肥重施在小麥上(小麥60%)，有利于周年作物產(chǎn)量的提高。侯云鵬等[17]、郭鑫年等[18]研究結(jié)果表明，在氮鉀量控制的條件下，玉米、小麥季施磷能獲得輪作的最大產(chǎn)量，這與本研究結(jié)果相似。

3.2 施磷量對(duì)玉米-小麥氮磷素吸收及利用效率的影響

該研究結(jié)果顯示，玉米和小麥中氮、磷累積量的增加或降低隨著施磷量的變化整體一致，具體表現(xiàn)為低濃度的施磷量對(duì)玉米和小麥籽粒以及秸稈中氮、磷累積量效果大于高濃度的施磷量。當(dāng)磷肥施用不合理，過量施用或者施入量不足均影響土壤中氮磷的分配，最后導(dǎo)致玉米和小麥對(duì)土壤中氮、磷養(yǎng)分的吸收不均衡，影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，在玉麥輪作體系下科學(xué)施用磷肥才能促進(jìn)各時(shí)期養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)，使植株養(yǎng)分得到充分保障，進(jìn)而提升作物產(chǎn)量。磷素利用效率均隨著施磷量增加呈降低趨勢(shì)，其中，在施磷量為P 1處理下，玉米和小麥的磷素利用率均達(dá)到最大值。該研究結(jié)果表明，合理的施用磷肥才能最大化植株對(duì)土壤中磷素的吸收利用，盲目地大量施用磷肥效果反而不佳，不僅浪費(fèi)肥料資源而且會(huì)造成一系列環(huán)境問題，這與郭鑫年等[18]、張立花等[19]研究基本一致。邢丹等[20]研究發(fā)現(xiàn)，施磷肥能夠顯著增加小麥的產(chǎn)量，而且增施磷肥對(duì)產(chǎn)量的增加效果顯著高于玉米，而且磷肥的吸收利用率在玉米季和小麥季存在明顯的差異，其中玉米季吸收的磷素40.82%來自磷肥，而小麥季21.76%來自磷肥，說明玉米對(duì)磷肥的吸收利用效果要優(yōu)于小麥。呂麗華等[21]研究發(fā)現(xiàn)，玉米-小麥輪作體系下玉米對(duì)磷肥的吸收相比于小麥要更強(qiáng)烈，磷肥的供應(yīng)無論是對(duì)玉米產(chǎn)量還是品質(zhì)的影響都至關(guān)重要，而小麥對(duì)土壤中磷素的吸收響應(yīng)不是很大。因此，在輪作體系下磷肥施用配比上主要以玉米季為主，在小麥季時(shí)磷肥的施用量可適當(dāng)減少，對(duì)其產(chǎn)量和品質(zhì)無影響。造成這種現(xiàn)象的原因可能是玉米和小麥的植物根系對(duì)磷素吸收比例存在差異，且玉米和小麥在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)時(shí)對(duì)磷素的需求不同[22]。

3.3 施磷量對(duì)玉米-小麥土壤速率磷及磷素盈虧的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，無論是玉米還是小麥，在各磷素水平土壤上，速率磷含量均隨著施磷量的增加而顯著提高(圖5)。楊振興等[23]研究發(fā)現(xiàn)，增施磷肥可增加土壤速率磷含量，且磷肥配施有機(jī)肥提升棕壤速率磷的速率高于單施磷肥；同時(shí)土壤磷素盈虧研究發(fā)現(xiàn)，磷盈余量差別較大的原因在于不同處理磷素的投入和作物吸磷量不同。如李渝等[24]通過長(zhǎng)期施肥對(duì)黃壤土壤磷素盈虧發(fā)現(xiàn)，西南黃壤旱地速率磷含量主要與施磷水平有關(guān),當(dāng)年施磷量為45.9 kg·hm-2時(shí)可獲得最佳的作物產(chǎn)量，磷肥利用率高；當(dāng)年施磷量高于45.9 kg·hm-2時(shí)，作物產(chǎn)量對(duì)磷肥用量無響應(yīng)，大量磷素累積在土壤中，增加了磷素的環(huán)境流失風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

玉米-小麥輪作體系下合理施用磷肥能夠增加玉米、小麥的產(chǎn)量，增施磷肥對(duì)小麥產(chǎn)量的增加效果顯著高于玉米，而且磷肥的吸收利用率在玉米季和小麥季存在明顯的差異。在玉米-小麥輪作體系下磷肥施用配比上主要以玉米季為主，在小麥季時(shí)磷肥的施用量可適當(dāng)減少，對(duì)其產(chǎn)量和品質(zhì)無影響。在綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的前提下，結(jié)合輪作體系產(chǎn)量、磷肥利用效率及環(huán)境效應(yīng)等各因子的影響，為保證玉米-小麥輪作條件下達(dá)到周年穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的目的以及減輕對(duì)環(huán)境的污染，玉米季施磷量以149.0 kg·hm-2、小麥季施磷量101.2 kg·hm-2較為適宜，玉米-小麥氮、磷累積量和養(yǎng)分利用效率均處于較高或最高水平。