沿黃淮稻麥輪作區(qū)農(nóng)田土壤磷庫現(xiàn)狀及減量施磷農(nóng)學(xué)效應(yīng)初探

張陽陽，張淑利，謝迎新，康國章，陳 波，馬冬云，王晨陽，郭天財

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 國家小麥工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，河南 鄭州 450002； 3.河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052)

近年來，作物品種改良和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的改進，尤其是化肥的施用，對作物產(chǎn)量的提高起到了較大的作用[1]。20世紀(jì)80年代全國第二次土壤普查，中國耕地土壤普遍缺磷以及供磷力極低[2]，此后，為了滿足日益增長的人口對糧食的需求，國家開始大力發(fā)展磷肥工業(yè)，增加農(nóng)田磷肥施用量，以實現(xiàn)土壤有效磷庫的提升進而提高土壤供磷能力[3]。盡管多年來土壤磷肥的持續(xù)投入在一定程度上可確保糧食安全，但也使得部分農(nóng)業(yè)高產(chǎn)地區(qū)土壤磷庫出現(xiàn)盈余，并造成了作物經(jīng)濟效益的降低和磷礦資源的浪費，同時增加了土壤磷素向水體流失的風(fēng)險[4-7]。據(jù)報道，中國磷肥消費量已經(jīng)從1978年的100萬t增加到2017年的500萬t，農(nóng)田總磷利用率已從2004年的68%下降到2014年的20%，并導(dǎo)致每年土壤磷素累積超過90 kg/hm2P2O5[8]。當(dāng)前，中國作為世界化肥生產(chǎn)和消費第一大國，雖然從“十三五”開始在國家層面大力開展農(nóng)藥化肥減量增效行動,但化肥施用量仍居世界前列[9-10]。河南作為我國第一農(nóng)業(yè)大省，也是化學(xué)磷肥投入較高的地區(qū)，經(jīng)《2019中國統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)計算[11]，2018年河南省耕地磷肥(P2O5)施用量96.3萬t，平均施用量達182.1 kg/hm2，遠高于全國平均水平(125.1 kg/hm2)。

磷作為地球上重要的不可再生資源，是作物必不可缺少的營養(yǎng)元素，但過量磷肥施用不僅浪費磷素資源，降低作物磷肥利用效率，還可導(dǎo)致磷素向水體遷移造成水體環(huán)境污染[12-14]。河南省沿黃淮稻作區(qū)為典型的水稻-小麥水旱輪作區(qū)，常年稻麥輪作種植面積在40萬hm2左右，長期存在施肥不合理，尤其磷肥運籌的粗放型、盲目性等問題,嚴重制約了該地區(qū)作物產(chǎn)量的進一步提高[15]，并且在該區(qū)域科學(xué)施磷方面的研究也鮮有報道。因此，開展河南省沿黃淮稻麥輪作區(qū)土壤磷庫豐缺狀況、磷肥施用情況調(diào)查以及科學(xué)施磷技術(shù)的研究，對于節(jié)約磷素資源、保護水體環(huán)境以及建立區(qū)域合理的科學(xué)施磷技術(shù)具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

連續(xù)2個年度(2012—2013年和2013—2014年)分別在河南省原陽縣祝樓鄉(xiāng)西圈村(35°02′N，113°42′E)、封丘縣陳橋鎮(zhèn)西張八寨(34°57′N，114°27′E)和信陽市平橋區(qū)五里店鎮(zhèn)(32°08′N，114°17′E)同時進行田間定位試驗。試驗設(shè)NP(稻麥季均不施磷)、RP(稻季施磷)、WP(麥季施磷)和RWP(當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)，稻麥季均施磷)4個磷肥處理。試驗采取隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，各處理小區(qū)面積均為36 m2(6 m×6 m)。除不施用磷肥處理外，3個試驗點稻麥季各處理施肥均為N 240 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2和K2O 60 kg/hm2。信陽試驗點種植水稻品種為揚兩優(yōu)6號，小麥品種為揚麥15；封丘試驗點種植水稻品種為新粳優(yōu)1號，小麥品種為百農(nóng)矮抗58；原陽試驗點種植水稻品種為蘇秀10號，小麥品種為百農(nóng)矮抗58。3個試驗點試驗開始前0～20 cm土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)一致。

表1 試驗點0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties at 0—20 cm topsoil in three experiment sites

1.2 調(diào)查與測定方法

1.2.1 農(nóng)田土壤調(diào)查取樣 各小區(qū)分別于水稻和小麥?zhǔn)斋@后按5點取樣法進行0～20 cm耕層土壤樣品采集，去除植物殘體、根系等雜物后混合均勻帶回實驗室，以備土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)測定所用。

1.2.2 土壤有效磷含量測定 采用NaHCO3提取、鉬梯抗比色法對土壤有效磷含量進行測定(即Oslen法)[16]。

1.2.3 作物產(chǎn)量測定 水稻、小麥?zhǔn)斋@時，每小區(qū)分別實收4 m2，在籽粒風(fēng)干后稱質(zhì)量并通過計算含水量(80 ℃下烘干48 h)計算籽粒產(chǎn)量，并折算為單位面積產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016和SPSS 18.0進行處理，采用 Duncan’s 新復(fù)極差法進行多重比較，圖表中不同小寫字母代表處理間差異達顯著水平(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省土壤磷素含量變化

由圖1可以看出，2005—2009年國家測土配方調(diào)查認為，河南省全省土壤有效磷平均含量達17.37 mg/kg，是1982年全國第二次土壤普查(5.90 mg/kg)的2.94倍。另外，從圖1還可看出，通過對河南全省829份水稻土有效磷含量自測，平均為15.10 mg/kg，較1982年第二次土壤普查數(shù)據(jù)(5.70 mg/kg)和2005—2009年國家測土配方調(diào)查數(shù)據(jù)(12.73 mg/kg)分別高出9.40 mg/kg和2.37 mg/kg，增幅分別達165.0%和18.6%。若以沈善敏[2]報道的土壤有效磷含量<3、3～5、5～10、>10 mg/kg分別作為土壤嚴重缺磷、缺磷、輕度缺磷和基本不缺磷的標(biāo)準(zhǔn)判斷，河南土壤已達到基本不缺磷標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)果表明，河南省土壤磷素含量基本可滿足作物當(dāng)季對磷素營養(yǎng)的需求，這也為在河南沿黃淮稻麥輪作區(qū)開展科學(xué)施用磷肥技術(shù)提供了可能。

此外，由圖2看出，通過對試驗地區(qū)稻田耕層土壤有效磷含量比較發(fā)現(xiàn)，不同試驗地區(qū)存在明顯差別，封丘地區(qū)土壤有效磷含量平均為17.17 mg/kg，明顯較原陽地區(qū)(14.79 mg/kg)和信陽地區(qū)(10.47 mg/kg)土壤有效磷含量高。該調(diào)查結(jié)果表明，在田間磷肥施用過程中需要考慮不同地區(qū)土壤磷素供應(yīng)狀況，有針對性地進行科學(xué)施磷指導(dǎo)。

2.2 磷肥施用對耕層土壤有效磷含量的影響

由表2可知，2個試驗?zāi)甓?，各磷肥施用處?RP、WP和RWP)耕層土壤有效磷平均含量均顯著高于NP處理，其中，在定位試驗的第2年度(2013—2014)水稻季收獲期RP、WP和RWP 3個磷肥處理間耕層土壤有效磷含量無明顯差異，表明在水稻季施磷與否對土壤有效磷含量無明顯影響。由表2還可看出，第1年度小麥?zhǔn)斋@期WP處理耕層土壤有效磷含量低于RWP處理，且在第2年度小麥?zhǔn)斋@期達到顯著水平，但在第2年水稻收獲期未達到顯著水平，該試驗結(jié)果進一步表明，水稻季無需施用磷肥以及小麥季需要補施磷肥的必要性和科學(xué)性。

圖2 試驗地區(qū)稻田土壤有效磷含量狀況(自測)Fig.2 The AP content in main paddy soils in experiment area (Self-test)

此外，通過對兩季水稻與兩季小麥?zhǔn)斋@期耕層土壤有效磷含量結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，水稻季收獲期耕層土壤有效磷含量明顯高于小麥季收獲期，并且3個試驗地點耕層土壤有效磷平均含量存在明顯差別，具體表現(xiàn)為原陽最高，封丘次之，信陽最低。該研究表明，在進行農(nóng)田磷肥科學(xué)施用指導(dǎo)時需考慮不同地點土壤磷素含量狀況，做到分類指導(dǎo)、科學(xué)施肥。

表2 試驗點稻麥?zhǔn)斋@期耕層土壤有效磷含量Tab.2 The AP content in surface soil at harvest stage of rice and wheat in experiment sites mg/kg

2.3 磷肥施用對稻麥籽粒產(chǎn)量的影響

由表3可知，在連續(xù)2個試驗?zāi)甓?，RP、RWP和WP 3個施用磷肥處理稻麥周年籽粒產(chǎn)量(2012—2013年度封丘試驗點除外)均較NP處理顯著增產(chǎn)，但各施磷處理間周年產(chǎn)量差異均未達到顯著水平，特別是RWP與WP處理間無論是單季還是稻麥兩季周年籽粒產(chǎn)量均差異不顯著。該試驗結(jié)果進一步表明，在當(dāng)前河南沿黃淮稻麥輪作區(qū)僅在小麥季施用磷肥即可滿足1個稻麥輪作周期作物對磷素營養(yǎng)的需求。

另外，從表3還可看出，磷肥處理對不同試驗點稻麥籽粒產(chǎn)量的影響存在明顯差異。在連續(xù)2個試驗?zāi)甓?，各處理平均水稻產(chǎn)量均表現(xiàn)為封丘試驗點最高，原陽試驗點次之，信陽試驗點最低。其中，在土壤有效磷含量較低的信陽試驗點水稻、小麥和周年產(chǎn)量均在3個試驗點最低。

表3 試驗點稻麥籽粒產(chǎn)量Tab.3 Grain yield of rice and wheat in experiment sites kg/hm2

3 結(jié)論與討論

磷是作物生長發(fā)育過程中不可缺少的元素之一，在作物的生理生化過程中發(fā)揮著重要的作用，也對作物產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生重大影響[17-18]。但在稻麥輪作高產(chǎn)區(qū)，長期磷肥過多持續(xù)投入勢必造成土壤磷素高度累積，磷肥利用率下降，既浪費不可再生的磷礦資源，又污染水體環(huán)境[17-19]。王慎強等[19]通過對太湖流域典型水稻土磷庫現(xiàn)狀的調(diào)查表明，太湖流域土壤磷庫大部分已不缺磷，土壤磷已經(jīng)超過作物的營養(yǎng)需求。陳浩等[20]通過對太湖稻麥輪作區(qū)磷肥效應(yīng)田間試驗研究表明，麥季施磷稻季不施磷能維持作物生長需要的土壤有效磷含量，保證土壤供磷能力。黃紹敏等[21]在華北潮土區(qū)通過14 a 28季長期磷肥試驗研究表明，磷素施入越多，殘留在土壤中越多，磷素利用率越低，并且認為至少有40%～62%的外源磷素被浪費。ZHANG等[8]認為，降低磷肥施用量、提高利用效率以及減少因磷素損失引起的環(huán)境風(fēng)險的措施之一，就是通過降低磷肥施用、減少磷肥固定以提高當(dāng)季磷肥利用效率。本研究發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)80年代以來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)投入以及國家測土配方施肥技術(shù)的宣傳推廣，河南土壤有效磷含量已達到基本不缺磷水平[2]，且已基本可滿足作物對磷素營養(yǎng)的需求，但在河南沿黃淮稻麥輪作區(qū)不同地點之間耕層土壤磷素含量存在差別，在磷肥施用過程中需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H做出相應(yīng)調(diào)整。同時，本研究也發(fā)現(xiàn)，水稻收獲期耕層土壤有效磷平均含量明顯高于小麥?zhǔn)斋@期，可能是由于水稻和小麥2種作物種植時所面臨的土壤環(huán)境(水稻季淹水條件，而小麥季旱作條件)以及2種作物對磷素的吸收能力存在差異所致[3]。眾所周知，磷在水田中的轉(zhuǎn)化及有效性完全不同于旱地，水稻季長期淹水過程使得土壤磷和肥料磷的有效性提高。因此，稻季不施磷麥季施磷在河南沿黃淮稻麥輪作區(qū)也具有實際可行性。

雖然選用高產(chǎn)作物品種與無機肥廣泛使用對作物產(chǎn)量的提高起到重要作用，在糧食安全方面效益明顯，但也導(dǎo)致向環(huán)境中輸入較多活性氮和磷酸鹽[7]，致使全球氮磷循環(huán)遠超出估計的安全運行空間，并對生物多樣性、人類健康和大氣造成相當(dāng)大的負面影響[22]。眾多研究表明，施用磷肥對提高作物產(chǎn)量起著積極的作用。已有研究表明，水稻產(chǎn)量隨施磷量增加而增加，但施磷量增加到一定程度時，產(chǎn)量不增反降[23-24]。易玉林[25]研究表明，小麥在施磷量為107 kg/hm2時籽粒產(chǎn)量最高，而在施磷量為96 kg/hm2時經(jīng)濟產(chǎn)量最高。馬清霞等[26]研究認為，小麥播種前土壤有效磷含量為12.0 mg/kg時施磷94 kg/hm2可獲得最高籽粒產(chǎn)量，但不同區(qū)域、不同年份間存在一定的差異。馬保國等[24]研究表明，在稻麥輪作體系高肥力土壤農(nóng)田，水稻季施用磷肥45 kg/hm2時可維持土壤有效磷平衡?；谇叭说难芯空J為，作物產(chǎn)量與磷肥施用之間存在密切的關(guān)系，且與當(dāng)?shù)赝寥烙行Я缀棵芮杏嘘P(guān)，不能盲目施肥。本研究認為，就稻麥兩季兩年度平均產(chǎn)量來看，稻麥單季施磷肥與稻麥兩季均施磷處理間差異不顯著。因此，僅小麥季施用磷肥即可滿足該區(qū)稻麥兩季作物對磷肥營養(yǎng)的需求，還可節(jié)約磷肥資源，并對環(huán)境也起到一定的保護作用。

綜上所述，當(dāng)前河南沿黃淮稻麥輪作區(qū)土壤有效磷含量已達到基本不缺磷水平，僅在小麥季施用磷肥即可滿足稻麥兩季作物產(chǎn)量對磷素營養(yǎng)的需求。隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)集約化程度的持續(xù)提高，旱作條件下麥季施磷稻季不施磷不失為一種簡約化農(nóng)田施肥技術(shù)方式，該施肥方式不僅具有省工省時、有效緩解勞動力短缺的效果，又可起到節(jié)約磷肥資源和保護水體環(huán)境的目的，在生產(chǎn)中具有較大的推廣應(yīng)用前景。