中國小麥生產(chǎn)的磷肥用量優(yōu)化潛力及其對產(chǎn)量、籽粒營養(yǎng)和環(huán)境效應的影響

李順晉，安雨麗，崔玉濤，李浩然，陳新平，張 偉

(西南大學 資源環(huán)境學院，農(nóng)業(yè)科學研究院，重慶 400715)

我國是世界上小麥集約化種植最典型的國家之一，依據(jù)氣候條件，我國小麥生產(chǎn)區(qū)可劃分為4個大區(qū)：華北麥區(qū)、西北麥區(qū)、長江中下游麥區(qū)和西南麥區(qū)，不同大區(qū)的小麥產(chǎn)量有明顯差異。2019年，我國4大麥區(qū)小麥播種面積共計2 400萬hm2，總產(chǎn)量為1.3億t，分別占全國總量的97%和98%[1]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：2016—2019年，我國小麥播種面積連續(xù)下降，2019年的播種面積比2016年減少96萬hm2[2]。在此背景下，提高小麥單位面積產(chǎn)量對保障我國糧食安全具有特別的意義。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，磷肥施用是保證小麥產(chǎn)量的重要措施之一。作為大量元素之一，磷素在植物生理代謝過程中發(fā)揮著突出作用。研究表明，小麥對土壤磷素供應比較敏感[3-4]。施用磷肥能促進小麥葉綠素合成，增加葉面積指數(shù)，提高葉片凈光合速率，進而增加小麥生物量累積；此外，磷肥施用還能促進小麥根系發(fā)育，增加分蘗，提高成穗率，從而保證小麥產(chǎn)量[5-7]。然而，目前我國小麥生產(chǎn)上磷肥不合理施用(缺乏或過量施用)的現(xiàn)象仍然存在。由于磷素易被土壤吸附固定，因此過量的磷素投入會增加土壤的磷素殘留。當前，我國作物磷肥利用率平均僅為11.6%[8]，是全球土壤磷素失衡最嚴重的國家之一[9]。不合理的磷肥施用既會影響糧食安全，又會造成環(huán)境風險等多方面的問題[10]。因此，量化我國小麥生產(chǎn)的磷肥臨界用量具有現(xiàn)實意義。

鄧燕[11]的研究表明，適宜的磷素供應能在保證小麥高產(chǎn)的前提下協(xié)調作物的生物學潛力，但是過量的磷素投入不僅不會進一步增加小麥產(chǎn)量[12-14]，反而會影響小麥的生物學潛力發(fā)揮，降低肥料利用率。馬清霞等[15]指出，在陜西楊凌黃土高原上，當施磷量(以P2O5計，下同)超過100 kg·hm-2時，小麥的產(chǎn)量和生物量不再顯著增加。鄭網(wǎng)宇等[16]在江蘇丹陽的試驗顯示，小麥的最佳施磷量平均為65.7 kg·hm-2。雖然前人已就磷肥施用對小麥產(chǎn)量的影響在全國各地開展了大量的田間研究[17-21]，但這些研究大多聚焦于單個地區(qū)、單個田間尺度，在國家和區(qū)域尺度上量化小麥最佳磷肥施用量的研究仍相對欠缺。

植物對鋅等微量元素的吸收會受高磷供應的抑制，過量的磷肥施用將導致小麥籽粒鋅含量下降。另外，磷素的過量供應還會提高作物籽粒中的植酸含量，而植酸特殊的化學結構決定了其對微量元素具有較強的螯合作用，會進一步降低小麥籽粒鋅的生物有效性[13，22-24]。因此，綜合評價基于產(chǎn)量的優(yōu)化施磷量對小麥籽粒中鋅含量的影響，對于保證小麥營養(yǎng)質量來說也頗有積極意義。

本研究以我國4大麥區(qū)為研究區(qū)域，通過大數(shù)據(jù)分析量化磷肥施用對小麥的增產(chǎn)效應，明確不同麥區(qū)的適宜施磷量，通過整合分析(meta-analysis)的方法揭示不同環(huán)境條件下磷素供應對小麥產(chǎn)量的影響，并通過適宜施磷量評估各麥區(qū)的節(jié)肥潛力，明確磷肥減施的經(jīng)濟、環(huán)境效益，及其對人體健康的可能影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本文在全國小麥施肥分區(qū)的基礎上[25]，將全國麥區(qū)劃分為4塊：華北麥區(qū)(包括河北、山東、天津、河南)、西北麥區(qū)(包括山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆、青海、甘肅)、長江中下游麥區(qū)(包括安徽、江蘇、湖北、湖南、浙江、江西)、西南麥區(qū)(包括貴州、重慶、四川、云南)。

1.2 數(shù)據(jù)收集

為全面評估磷肥施用對小麥產(chǎn)量的影響，通過中國知網(wǎng)、Web of Science數(shù)據(jù)庫，以磷(phosphorus)和小麥(wheat)作為關鍵詞，檢索、篩選有記錄以來公開發(fā)表的研究文章。篩選條件如下：(1)在我國進行的田間試驗；(2)試驗必須含有不施磷處理作為對照，除磷肥外，其他肥料條件保持一致；(3)試驗處理需設置重復，文章需列出肥料施用量、作物產(chǎn)量(含平均值和標準差)?；谝陨蠘藴剩埠Y選到413篇研究論文，獲取數(shù)據(jù)3 698組，匯總試驗地點、收獲年份、土壤類型、肥料用量、產(chǎn)量，以及土壤pH值、有機質含量、全氮含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量等相關數(shù)據(jù)。

1.3 整合分析

以單個田間試驗中各處理產(chǎn)量相對于最高產(chǎn)量的比值作為相對產(chǎn)量。

采用響應比(R)的自然對數(shù)值(lnR)作為效應值，表征磷肥施用對小麥籽粒產(chǎn)量的影響[26]，計算公式如下：

lnR=ln(Xe/Xc)。

(1)

式(1)中：Xe和Xc分別代表各獨立研究中施磷處理和不施磷對照的小麥籽粒平均產(chǎn)量。將各獨立研究中施磷處理的樣本量(Ne)、不施磷對照的樣本量(Nc)、施磷處理的小麥籽粒產(chǎn)量標準差(Se)、不施磷對照的小麥籽粒產(chǎn)量標準差(Sc)，以及Xe和Xc輸入Meta Win 2.1軟件，整合分析處理效應值，并通過隨機效應模型重復抽樣4 999次，計算出95%置信區(qū)間(記為95% CI，相應數(shù)據(jù)給在正文中效應值后的括號中)。若獨立研究文獻中缺乏Sc，用數(shù)據(jù)庫中所有不施磷對照標準差的平均值代替[27]。

1.4 環(huán)境成本估算

借助能值分析理論，將磷肥施用造成的環(huán)境污染通過太陽能值轉化為綜合環(huán)境成本。通過劑量影響法估算各地區(qū)磷肥施用造成水體富營養(yǎng)化的污染物劑量(D，單位為t)，進而采用傷殘調整生命年分析法確定水體富營養(yǎng)化對人體健康的影響，并根據(jù)單位勞動力能量消費量(Cm，單位為J·a-1)計算磷肥造成環(huán)境污染的能值成本(U，單位為J)，再通過能值/貨幣比率(Cg，單位為J·元-1)計算磷肥施用對環(huán)境造成的宏觀經(jīng)濟價值成本，即綜合環(huán)境成本(E，單位為元)[28-29]。具體計算公式如下：

D=M×Cei×(Wc/Wf)。

(2)

式(2)中：M為施磷量，單位為t；Cei為磷素進入水體的流轉系數(shù)，綜合前人研究結果，本文取值8.5%[30]；Wc為造成水體污染的磷酸鹽的分子量；Wf為P2O5的分子量。

DY=Cdi×D×1 000。

(3)

式(3)中：DY表示造成富營養(yǎng)化污染的磷酸鹽傷殘調整生命年數(shù)，單位為a；Cdi為單位污染物劑量導致生命損害的年數(shù)，單位為a·kg-1。

U=DY×Cm。

(4)

本文引入2016年我國Cm值作為參數(shù)。根據(jù)馬文靜等[31]的研究，2016年我國總能值投入為6.32×1025J·a-1，當年我國總勞動力數(shù)量為8.07×108，計算可知，2016年的Cm值為7.83×1016J·a-1。

E=U/Cg。

(5)

根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2017》，2016年我國GDP為7.44×1013元，結合當年的總能值投入，可計算得出2016年能值與貨幣的比率，即Cg值為8.50×1011J·元-1。

1.5 直接經(jīng)濟成本

根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2018年我國磷肥出廠價格為2 379元·t-1，磷復肥的主營業(yè)務利潤率為4.1%，估算磷肥生產(chǎn)成本為2 285元·t-1。

1.6 鋅生物有效性計算

本研究假定每個成年人每日消耗300 g小麥籽粒作為飲食中鋅的唯一來源，通過三變量鋅吸收模型計算小麥籽粒鋅生物有效性(Z，單位為mg·d-1)[23]。

(6)

式(6)中：Amax表示最大鋅吸收系數(shù)，取值0.091；KR為鋅受體結合反應平衡常數(shù)，取值0.68；Kp為鋅-植酸受體結合反應平衡解離常數(shù)，取值0.033；IZn為成人每日鋅攝入量，單位為mmol·d-1；Ip表示成人每日植酸攝入量，單位為mmol·d-1。買文選等[32]研究表明，小麥籽粒中植酸與Zn2+的物質的量之比隨施磷量在8～12變化，據(jù)此，本研究設置二者之比為10作為參數(shù)。

王義霞等[33]研究表明，小麥籽粒鋅質量分數(shù)與磷肥投入呈顯著負相關，施磷量每增加10 kg·hm-2，小麥籽粒鋅質量分數(shù)下降0.1 mg·kg-1，根據(jù)該比例，明確施磷量對小麥籽粒鋅生物有效性的影響。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019軟件建立Meta分析數(shù)據(jù)庫；通過SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，對有顯著差異的，采用新復極差法(Duncan)進行多重比較；利用Sigmaplot 14、Excel 2019軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 施磷量對小麥產(chǎn)量的影響

磷肥施用對小麥產(chǎn)量有顯著的正效應(圖1)。在不施用磷肥的條件下，小麥產(chǎn)量的中位數(shù)為4.90 t·hm-2；而施用磷肥條件下，小麥產(chǎn)量的中位數(shù)為5.93 t·hm-2。與不施用磷肥相比，施用磷肥條件下小麥產(chǎn)量增加21%。

箱形框中間的實線代表中位數(shù)，空心點代表平均值，上下邊緣分別代表全部數(shù)據(jù)的第75個和第25個百分位數(shù)，箱形框上下兩條線的邊緣分別代表全部數(shù)據(jù)的第95個和第5個百分位數(shù)，上實心點為異常值。括號里的數(shù)字表示樣本量。箱形框上方無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。The dash line represents the median value， and the hollow point represents the average value. The upper and lower edge of the box represent 75% and 25% of the total data， respectively. The upper and lower lines represent 95% and 5% of the total data， respectively. The upper of the solid points represents the vertical outliers. The values in brackets represent the number of samples.Box marked without the same letter indicates significant (P<0.05) difference between treatments.圖1 施用與不施用磷肥的小麥產(chǎn)量Fig.1 Wheat yields with and without P fertilization

施用磷肥對小麥的增產(chǎn)效應存在閾值，二者呈現(xiàn)“線性-平臺”關系(圖2)。當施磷量小于58.9 kg·hm-2時，施磷量(x)與小麥的相對產(chǎn)量在不同麥區(qū)，施用磷肥的增產(chǎn)效應存在差異，且其閾值也有所不同(圖3)：華北麥區(qū)施磷量達到71.6 kg·hm-2時，小麥相對產(chǎn)量將維持在96.3%的水平；西北麥區(qū)施磷量達到58.1 kg·hm-2時，小麥相對產(chǎn)量將維持在94.5%的水平；長江中下游麥區(qū)施磷量達到47.8 kg·hm-2時，小麥相對產(chǎn)量將維持在95.3%的水平；西南麥區(qū)施磷量達到60.0 kg·hm-2時，小麥相對產(chǎn)量將維持在95.4%的水平。

圖2 全國尺度下小麥相對產(chǎn)量對施磷量的響應Fig.2 Response of relative yield of wheat to P input at national scale

(y)表現(xiàn)為極顯著(P<0.01)的線性關系，擬合的線性回歸方程為y=0.25x+80.85，當施磷量達到58.9 kg·hm-2，小麥的相對產(chǎn)量達到“平臺”，不隨施磷量的增加而顯著改變，維持95.4%的相對產(chǎn)量水平。

2.2 不同環(huán)境因素對磷肥增產(chǎn)效應的影響

Meta分析結果表明，施用磷肥對小麥增產(chǎn)效應的影響與土壤理化性質密切相關(圖4)。不同土壤有機質(SOM)條件下，磷肥施用對小麥產(chǎn)量均具有顯著的正效應，但隨著土壤有機質含量的增加，施用磷肥對小麥的增產(chǎn)效應逐漸減小。當SOM<15 g·kg-1時，小麥產(chǎn)量對施磷量的效應值為0.22(0.19～0.24)；當15g·kg-1≤SOM<20 g·kg-1時，效應值為0.15(0.14～0.17)；當SOM≥20 g·kg-1時，效應值為0.13(0.11～0.15)。不同土壤pH條件下，磷肥施用對小麥產(chǎn)量的影響與有機質相同，也是正效應：中性條件(6.5

a，華北；b，西北；c，長江中下游；d，西南。a，North China; b，Northwest China; c， The middle and lower reaches of Yangtze River; d， Southwest China.圖3 各麥區(qū)小麥相對產(chǎn)量對施磷量的響應Fig.3 Response of relative yield of wheat to P input in different regions

括號中的數(shù)字為樣本量。圓圈上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。Data in the brackets show the sample volume. Circles marked without the same letter indicates significant difference at P<0.05. SOM， Soil organic matter; AP， Available phosphorus.圖4 不同土壤條件下施磷量對小麥增產(chǎn)的效應值Fig.4 Effect size of P input on wheat yield under different soil conditions

2.3 基于閾值理論的磷肥減施效應分析

華北麥區(qū)的播種面積與產(chǎn)量在4大麥區(qū)中均居第一，2018年播種面積達12 155.7×103hm2，占4大麥區(qū)總播種面積的52%，平均產(chǎn)量為5.9 t·hm-2，平均施磷量為97.8 kg·hm-2，按小麥生產(chǎn)施磷量閾值71.6 kg·hm-2計，每年可減少磷素投入(以P2O5計，下同)31.92萬t，節(jié)省直接經(jīng)濟成本7.29億元，減少綜合環(huán)境成本14 000萬元，增加小麥籽粒鋅質量分數(shù)2.63 mg·kg-1，增加小麥籽粒鋅生物有效性2.18 mg·d-1(表1)。

表1 各麥區(qū)優(yōu)化磷肥投入的潛力及其綜合效應Table 1 Potential and comprehensive effects of P input optimization on wheat production

對于長江中下游麥區(qū)而言，其平均產(chǎn)量為5.06 t·hm-2，相較于目前該麥區(qū)的平均施磷量95.9 kg·hm-2，當施磷量達到閾值47.8 kg·hm-2時，每年可減少磷素投入30.71萬t，節(jié)省直接經(jīng)濟成本7.02億元，同時可減少綜合環(huán)境成本1 300萬元，增加小麥籽粒鋅質量分數(shù)4.81 mg·kg-1，增加小麥籽粒鋅生物有效性2.44 mg·d-1。

西北麥區(qū)的平均施磷量在4大麥區(qū)中居首位，達到109.6 kg·hm-2，但其閾值僅為58.1 kg·hm-2，據(jù)此估算，西北麥區(qū)每年可減少磷素投入20.93萬t，節(jié)省直接經(jīng)濟成本4.78億元，減少綜合環(huán)境成本900萬元，增加小麥籽粒鋅質量分數(shù)5.15 mg·kg-1，增加小麥籽粒鋅生物有效性2.47 mg·d-1。

西南麥區(qū)的小麥產(chǎn)量要達到“平臺”，施磷量應達到60.0 kg·hm-2，然而目前西南麥區(qū)的施磷量為44.7 kg·hm-2，每年還可增加磷素投入1.5萬t，耗費3 400萬元，同時會增加綜合環(huán)境成本100萬元，降低小麥籽粒鋅質量分數(shù)1.54 mg·kg-1，降低小麥籽粒鋅生物有效性1.87 mg·d-1。

將4大麥區(qū)的數(shù)據(jù)合計以粗略表征全國的情況，我國小麥生產(chǎn)中每年可減少磷素投入82.07萬t，可節(jié)省直接經(jīng)濟成本18.75億元，節(jié)省綜合環(huán)境成本3 600萬元，并且可增加小麥籽粒鋅質量分數(shù)3.83 mg·kg-1，增加小麥籽粒鋅生物有效性2.87 mg·d-1。

3 討論

與前人研究一致，小麥籽粒產(chǎn)量隨磷肥施用呈現(xiàn)先迅速增加而后保持不變的趨勢[12-14]，磷肥施用對小麥生產(chǎn)具有顯著的增產(chǎn)效應，且該效應存在明顯的閾值。陸梅等[34]在山西渭北旱地麥區(qū)的研究顯示，當施磷量小于100 kg·hm-2時，小麥產(chǎn)量隨施磷量增加顯著提高，當施磷量高于100 kg·hm-2時，產(chǎn)量提高不顯著；張翼等[35]在豫西旱作麥區(qū)的研究也指出，100 kg·hm-2是該地區(qū)小麥磷肥的最佳施用量，繼續(xù)提高施磷量，小麥生物量、產(chǎn)量、收獲指數(shù)均不再增加；胡雨彤等[36]分析了陜西長武30 a的定位試驗數(shù)據(jù)，當施磷量超過90 kg·hm-2時，小麥增產(chǎn)幅度減小；王飛[37]在高土壤養(yǎng)分情況下發(fā)現(xiàn)，江蘇高郵小麥生產(chǎn)上的最佳施磷量為54 kg·hm-2。本研究在全國尺度上定量了小麥增產(chǎn)的施磷量閾值為58.9 kg·hm-2，與前人的發(fā)現(xiàn)有所出入，原因在于前述研究大都基于單一區(qū)域、單一地塊，而我國各區(qū)域土壤條件、氣候條件迥異，勢必造成小麥對磷肥投入的響應差異。本研究基于大量研究在全國水平上明確，磷肥施用能增加小麥產(chǎn)量21%，且小麥增產(chǎn)的施磷量閾值為58.9 kg·hm-2。

在不同區(qū)域施用磷肥對小麥的增產(chǎn)效應也有所差異：華北麥區(qū)的施磷量閾值(71.6 kg·hm-2)在4大麥區(qū)居首，遠高于長江中下游麥區(qū)(47.8 kg·hm-2)；西北麥區(qū)、西南麥區(qū)的施磷量閾值介于長江中下游麥區(qū)和華北麥區(qū)之間，分別為58.1、60.0 kg·hm-2。本研究認為，造成不同麥區(qū)小麥磷肥增產(chǎn)效益差異的原因主要在于不同生態(tài)區(qū)土壤條件、氣候條件的差異[3，38]。中性條件(6.57.5)條件下，磷肥施用對小麥的增產(chǎn)效果要顯著高于酸性(pH≤6.5)條件下。華北麥區(qū)土壤多呈堿性，其磷素增產(chǎn)效應應當優(yōu)于土壤多為酸性的長江中下游麥區(qū)；但是，由于華北麥區(qū)長期以來都是我國小麥的主要種植區(qū)，常年集約化種植，化學肥料大量施用，而有機肥投入被忽視，使得華北麥區(qū)的土壤有機質含量較低。作為土壤肥力的重要指標，土壤有機質與有效磷含量具有相似的作用，其與磷肥增產(chǎn)效應值呈顯著的負相關關系。這是因為，在高土壤有效磷或高土壤有機質條件下，土壤磷素足以滿足小麥生長所需，外施磷肥導致土壤磷素對植株供過于求，磷素增產(chǎn)效應下降[39-40]。此外，北方麥區(qū)的整體年有效積溫、年降水量等氣候條件均不及南方麥區(qū)，植株在生長條件受限的情況下，將調節(jié)體內(nèi)養(yǎng)分的“源-庫”關系[3]，使得小麥可將更多的磷素供給小麥籽粒；因此，在土壤因素、環(huán)境因素的制約下，華北麥區(qū)小麥增產(chǎn)效應的臨界磷素投入高于長江中下游麥區(qū)。

本研究表明，磷肥施用對小麥的增產(chǎn)效應存在閾值。從產(chǎn)量角度出發(fā)，優(yōu)化施磷量能夠滿足小麥高產(chǎn)的需要，過量的磷肥施用不僅不會增加小麥產(chǎn)量，反而易造成土壤磷素累積，增加磷素流失風險，導致水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。而且，磷素投入過度也會進一步降低小麥籽粒中鋅等微量元素的含量及其生物有效性。將我國小麥生產(chǎn)中的施磷量適當調整至閾值時，既能滿足小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的需求，也有助于節(jié)省成本。我國是全球磷肥的第一大生產(chǎn)國，但磷儲量僅占全球的4.57%[41]，僅足以支撐我國生產(chǎn)利用23年[12]。按照本文測算的閾值適當調整小麥生產(chǎn)的施磷量，每年可減少磷素投入82萬t，這有助于維護國家資源安全，保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，并可直接節(jié)約磷肥生產(chǎn)成本18.75億元。同時，全國范圍內(nèi)的磷素投入下降，有助于減少農(nóng)田面源污染，進而降低由環(huán)境污染造成的宏觀經(jīng)濟成本，由能值分析核算可知，每年減可節(jié)約綜合環(huán)境成本3 600萬元。此外，全球約有11億人有缺鋅的風險，小麥的攝入提供了人體20%的鋅[20，22]，小麥的鋅生物強化已被證實有助于緩解這一“隱形饑餓”。研究表明，小麥籽粒鋅含量與施磷量呈顯著負相關，按照本文測算的閾值適當調整小麥生產(chǎn)中的施磷量，能直接增加小麥籽粒鋅質量分數(shù)3.83 mg·kg-1，增加小麥籽粒的鋅生物有效性2.87 mg·d-1。

綜上，本研究在全國尺度上定量出小麥生產(chǎn)體系施磷量閾值?；诖碎撝档暮暧^磷肥調控，不僅有助于保證國家糧食安全，還有助于維護國家磷資源安全，節(jié)省經(jīng)濟成本。同時，本研究在宏觀尺度上揭示，優(yōu)化施磷量有助于減少環(huán)境污染，縮減環(huán)境成本，提高籽粒鋅營養(yǎng)，從而更好地保證人體健康。