晉南地區(qū)小麥–玉米輪作體系維持作物高產(chǎn)和土壤磷素水平的適宜施磷量研究

楊夢棣，趙萍萍，于志勇，李林燕，王宏庭*，崔寶玉，賈俊芳

（1 山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原 030006；2 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所），山西太原 030031；3 襄汾縣農(nóng)作物原種場，山西襄汾 041500）

保障糧食安全、生態(tài)安全及土壤肥力的可持續(xù)發(fā)展是人類社會面臨的重大科技問題[1–2]，化肥施用是實現(xiàn)糧食高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和維持土壤肥力可持續(xù)發(fā)展的重要措施[3]，我國糧食總產(chǎn)中約有1/3歸功于化肥的貢獻(xiàn)[4]。磷作為植物必需的三大營養(yǎng)元素之一，在植物的生命周期中起著不可替代的作用[5]。磷肥施用在保障糧食增產(chǎn)和土壤磷素肥力可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在不同氣候條件[6–11]、土壤條件[7–11]、不同作物類型[6–11]和不同生產(chǎn)系統(tǒng)[11–14]下開展了大量的研究，磷肥的適宜施用量[6–7,11–12]及磷肥利用效率的提高[15]一直是研究關(guān)注的重點，因為磷肥施用不足，雖然有較高的磷肥利用效率，但會造成作物減產(chǎn)和收益降低[7,16]，而磷肥施用過量，往往會造成土壤磷素過量累積，導(dǎo)致磷肥利用效率低下，容易引發(fā)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險[17–18]。據(jù)報道，磷肥施用對我國三大糧食作物水稻、小麥、玉米的增產(chǎn)率分別為9.2%、14.3%和12.2%[19]，而磷肥的當(dāng)季利用率一般只有10%～25%[20]。就冬小麥–夏玉米輪作生產(chǎn)系統(tǒng)而言，適宜施磷量的研究多關(guān)注單季作物(冬小麥或夏玉米)的當(dāng)季效應(yīng)，而關(guān)注冬小麥–夏玉米輪作整體作物效應(yīng)的中長期的適宜施磷量研究相對較少。在當(dāng)前生產(chǎn)條件下，如何提出既能保障冬小麥–夏玉米輪作系統(tǒng)持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，又能維持土壤磷素肥力不降低的適宜施磷量是一個值得研究的課題。本研究于2016年10月在晉南石灰性褐土上冬小麥–夏玉米輪作主產(chǎn)區(qū)建立了磷肥用量田間定位試驗，連續(xù)3年定位監(jiān)測冬小麥–夏玉米輪作體系周年土壤有效磷變化特征和作物施磷效應(yīng)，應(yīng)用直線平臺模型求得當(dāng)前生產(chǎn)條件下，既保持冬小麥–夏玉米輪作體系高產(chǎn)又維持土壤磷素肥力可持續(xù)發(fā)展的適宜施磷量，以期為晉南地區(qū)冬小麥–夏玉米輪作體系的磷肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

臨汾市是山西省南部冬小麥–夏玉米輪作的主產(chǎn)區(qū)，種植制度為一年兩熟制。據(jù)報道，2018年臨汾市小麥播種面積為19.9萬hm2，占山西省小麥播種面積的35.5%，小麥玉米總產(chǎn)為244.5萬t[21]。臨汾市屬半干旱溫帶大陸性氣候，年均氣溫在11.5℃左右，年均降水量約550 mm，無霜期185天左右。田間試驗于2016年10月冬小麥季開始建立，試驗地位于臨汾市襄汾縣西賈鄉(xiāng)義順村(111°18′21″E，35°49′24″N)，氣壓 956.5 hPa，海拔 412 m，供試的土壤類型為石灰性褐土，質(zhì)地為中壤。試驗前耕層(0—20 cm)土壤基本理化性質(zhì)如下：pH 8.3，有機質(zhì) 17.5 g/kg，全氮 0.96 g/kg，全磷 0.97 g/kg，硝態(tài)氮 14.8 mg/kg，銨態(tài)氮 1.3 mg/kg，有效磷 18.5 mg/kg，速效鉀 180.3 mg/kg，有效鈣 1867.6 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗為隨機區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次，小區(qū)面積為 11.0 m (長)×4.55 m (寬)≈50 m2，東西向種植。試驗在冬小麥/夏玉米輪作周期施氮 (N) 400 kg/hm2、施鉀 (K2O) 180 kg/hm2的基礎(chǔ)上設(shè)置了 6個磷(P2O5)水平，分別為0、120、180、240、300、360 kg/hm2，分別以 P0、P120、P180、P240、P300、P360表示。每個冬小麥/夏玉米輪作氮、磷、鉀肥總用量的50%依處理在冬小麥季、夏玉米季分別施用，其中每季作物45%氮肥與100%的磷、鉀肥在播種前混勻后一起底施，每季作物55%氮肥用作追肥，分別在冬小麥拔節(jié)期和夏玉米10葉期追施。供試肥料品種包括尿素(N 46%)、粒狀過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)。供試冬小麥品種為濟麥22，夏玉米品種為先玉335。冬小麥播種時間分別為2016年10月16日、2017年10月22日、2018年10月18日，播種量為300 kg/hm2，收獲時間分別為2017年6月12日、2018年6月11日、2019年6月13日；夏玉米播種時間分別為2017年6月16日、2018年6月17日、2019年6月15日，播種量為 22.5 kg/hm2，種植密度為 60000 株/hm2，收獲時間分別為2017年10月21日、2018年10月11日、2019年10月19日。每個小麥季和玉米季收獲后的秸稈全部還田。小麥生育期間通常澆水4次(越冬前、返青期、抽穗期、灌漿期各1次)，玉米生育期間通常澆水2次(拔節(jié)期、大喇叭口期各1次)，其它管理措施按當(dāng)?shù)亓?xí)慣。

1.3 樣品采集與測定

植株樣品的采集和全磷含量測定：冬小麥成熟期，分別在每個小區(qū)的中心區(qū)域，離地1～2 cm用鐮刀人工收割3行行長為1 m的小麥植株，打捆后用精度為1 g的電子秤稱重，記錄收割時的生物量重，之后單獨脫粒計小麥籽粒重和秸稈重，在105℃下殺青30 min，然后在70℃下烘干至恒重，分別計算小麥籽粒和秸稈的水分含量，之后用植株粉碎機粉碎成粉末后制成小麥籽粒和秸稈樣品供實驗室分析；夏玉米成熟期，分別在每個小區(qū)的中心區(qū)域，選擇具有代表性的植株樣品3株，離地1～2 cm用鐮刀人工收割玉米地上部植株，同樣用電子秤分別稱穗重和秸稈重，之后玉米穗單獨脫粒計玉米籽粒重和穗芯重，在105℃下殺青30 min，然后在70℃下烘干至恒重，分別計算玉米籽粒和植株的水分含量，之后用植株粉碎機粉碎成粉末后，制成玉米籽粒和秸稈樣品供實驗室分析。小麥、玉米籽粒和秸稈樣品均采用H2SO4–H2O2消煮，鉬銻抗比色法測定全磷含量。

作物產(chǎn)量、生物量的測定：冬小麥成熟期，分別在每個小區(qū)的中心區(qū)域，離地1～2 cm人工收割小麥地上部3 m2，用精度為1 g的電子秤稱重后記錄收割時的生物量重，折成小區(qū)50 m2生物量重，之后根據(jù)小麥籽粒和秸稈樣品的水分含量折算籽粒和秸稈干物重，小麥籽粒產(chǎn)量按水分含量13.5%折算；夏玉米成熟期，在每個小區(qū)離地1～2 cm人工收割玉米地上部中間4行植株，記錄玉米植株數(shù)后，同樣用電子秤分別稱穗重和秸稈重，之后折成小區(qū)50 m2的穗重和秸稈重。根據(jù)玉米籽粒和秸稈樣品的水分含量折算籽粒和秸稈干物重，玉米籽粒產(chǎn)量按水分含量15.5%折算。

土壤樣品的采集與測定：每季作物收獲后，每個小區(qū)采用5點法用土鉆采集土壤表層(0—20 cm)混合樣品，風(fēng)干、碾磨過1 mm網(wǎng)篩制成土壤樣品供實驗室分析。采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定土壤有效磷(Olsen-P)含量。

1.4 主要計算公式

磷肥農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=(施磷處理籽粒產(chǎn)量–不施磷處理籽粒產(chǎn)量)/磷肥 (P2O5)施入量 (1)

磷肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施磷處理籽粒產(chǎn)量/磷肥(P2O5)施入量 (2)

磷肥利用率(%)=(施磷處理吸磷量–不施磷處理吸磷量)/磷肥(P2O5)施入量×100 (3)

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理使用Excel 2016，方差統(tǒng)計分析采用SAS 9.4，數(shù)據(jù)差異顯著性分析采用Duncan法(P<0.05為差異顯著)，直線平臺模型采用SAS 9.4，y=kx+b(x

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷對冬小麥–夏玉米輪作體系磷素吸收量、產(chǎn)量及凈收益的影響

冬小麥–夏玉米輪作是晉南地區(qū)主要的輪作方式，施用磷肥往往是提高冬小麥–夏玉米輪作體系土壤供磷能力、促進(jìn)作物的磷素吸收、產(chǎn)量增加和收益提高的重要措施，但不同磷肥用量對冬小麥–夏玉米輪作體系磷素吸收、產(chǎn)量和凈收益的影響均存在差異，且不同年份的表現(xiàn)也存在差異(表1)。從兩因素方差統(tǒng)計結(jié)果看，施磷量、年份及施磷量與年份的交互效應(yīng)均顯著影響冬小麥–夏玉米輪作體系的吸磷量、產(chǎn)量和凈收益。

表1 不同施磷量下冬小麥–夏玉米輪作體系磷素吸收量、產(chǎn)量和凈收益Table 1P uptake, yield, andprofit of the winter wheat andsummer maize rotation system under different phosphorus applicationrates

表1結(jié)果顯示，就同一處理的不同年份而言，不施磷處理(P0)的吸磷量、產(chǎn)量、凈收益隨著種植年份的延長呈下降的趨勢，且各參數(shù)年度間的變異系數(shù)在所有處理中均表現(xiàn)為最大，這主要與連續(xù)不施磷造成土壤磷素肥力耗竭有關(guān)。隨著施磷量的增加，土壤磷素供應(yīng)能力逐漸提高，各參數(shù)年度間的變異系數(shù)逐漸變小，當(dāng)施磷量達(dá)到或超過180 kg/hm2時，各參數(shù)的變異系數(shù)變幅相對較小(小于10%)，這說明較高的施磷量有助于維持體系各參數(shù)的穩(wěn)定性。2017年的平均吸磷量、產(chǎn)量、凈收益均高于2018、2019年，且變異系數(shù)較小，隨著試驗?zāi)攴莸难娱L，平均吸磷量、產(chǎn)量、凈收益均呈下降趨勢，而變異系數(shù)呈增加趨勢，這主要與不施磷、低量施磷處理造成土壤磷素肥力耗竭有關(guān)。

冬小麥–夏玉米輪作體系的吸磷量、產(chǎn)量和凈收益均以P0處理最低，之后隨施磷量的增加均呈現(xiàn)先顯著增加后平穩(wěn)的趨勢。這表明在一定范圍內(nèi)施磷，體系的磷素吸收量、產(chǎn)量、凈收益隨施磷量的增加而增加，當(dāng)超過某一施磷量后，體系的磷素吸收量、產(chǎn)量、凈收益呈現(xiàn)相對平穩(wěn)狀態(tài)，基本不隨施磷量的變化而變化，達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)的施磷量基本穩(wěn)定在180～240 kg/hm2范圍內(nèi)。

2.2 冬小麥–夏玉米輪作體系吸磷量、產(chǎn)量、凈收益與施磷量的擬合關(guān)系

為探求獲得磷素吸收量、產(chǎn)量、凈收益最高值的施磷量，根據(jù)田間試驗設(shè)計的肥力均一性原則，同時也考慮不同磷肥用量連續(xù)施用的平穩(wěn)性，用直線平臺模型分別對冬小麥–夏玉米輪作體系3年平均的磷素吸收量、產(chǎn)量、凈收益與施磷量的關(guān)系進(jìn)行了擬合(圖1)，由此求得達(dá)到3年平均最高磷素吸收量的施磷量、最高產(chǎn)量施磷量和最高凈收益施磷量分別為239、210和193 kg/hm2，可見，獲得各參數(shù)最高值的施磷量存在差異，獲得最高吸磷量的施磷量高于獲得最高產(chǎn)量的施磷量，這表明試驗的磷素吸收存在奢侈吸收的現(xiàn)象。

圖1 2017—2019年冬小麥–夏玉米輪作體系平均吸磷量、產(chǎn)量、凈收益與施磷量之間的直線平臺擬合關(guān)系Fig. 1 The relationship fitted by linear plateau model between P uptake, yield or profit and the average rate of phosphorus application from 2017 to 2019 in the winter wheat and summer maize rotation system

2.3 施磷對冬小麥–夏玉米輪作體系增產(chǎn)及增收的影響

從磷肥施用的增產(chǎn)增收情況(表2)看，冬小麥–夏玉米輪作體系各年份的施磷處理均較不施磷處理具有增產(chǎn)增收作用，增產(chǎn)率和增收率均隨施磷量的增加呈現(xiàn)先增加后略有降低的趨勢。2017、2018、2019年輪作體系施磷處理比不施磷處理的增產(chǎn)率變幅分別為10.2%～17.0%、10.7%～21.5%、23.8%～53.1%；增收率變幅分別為8.1%～13.3%、8.8%～16.5%、24.2%～52.9%，施磷處理的增產(chǎn)率和增收率隨著年份的增加而增加，這主要是不施磷處理土壤磷素肥力持續(xù)耗竭造成的。從3年增產(chǎn)的平均效應(yīng)看，P240和P300處理增產(chǎn)率最高，為28.0%，與P360處理無明顯差異，顯著高于P120和P180處理，施磷處理比不施磷處理3年平均增產(chǎn)23.9%；從3年增收情況平均效應(yīng)看，P240處理增收率最高，為24.7%，與P180和P300處理無明顯差異，顯著高于P120和P360處理，施磷處理比不施磷處理3年平均增收20.4%?？梢?，不同年份P240處理均有較高的增產(chǎn)增收效應(yīng)。

表2 不同施磷量下冬小麥–夏玉米輪作增產(chǎn)率和增收率Table 2 The yield and profit increase rate of the rotation system of winter wheat and summer maize under different phosphorus application rates

2.4 施磷對冬小麥–夏玉米輪作體系周年土壤有效磷含量變化的影響

圖2表明，不施磷處理(P0)下，土壤有效磷含量隨著種植年份的增加呈持續(xù)下降趨勢，從試驗開始前(2016年10月)的18.5 mg/kg下降到2019年的4.0 mg/kg，年均下降 4.8 mg/kg。P120 和 P180 處理的土壤有效磷含量從試驗前的18.5 mg/kg分別下降至2019年的9.5和14.6 mg/kg，分別下降48.6%和21.1%，年均下降分別為3.0和1.3 mg/kg。而P240、P300和P360處理的土壤有效磷含量則分別上升至2019年的22.9、30.6和31.2 mg/kg，較試驗前有效磷的基礎(chǔ)含量分別上升23.8%、65.4%和68.6%，年均上升分別為1.5、4.0和4.2 mg/kg，P300和P360處理的土壤有效磷含量之間沒有顯著差異，但均顯著高于P240處理?？梢?，施磷量偏低會造成土壤供磷能力下降，提高施磷量可以快速提高土壤的有效磷含量，但是施磷量過高(P360)也不會繼續(xù)有效提高土壤有效磷含量。

圖2 2017—2019年施磷量對土壤有效磷含量的影響Fig. 2 The response of available phosphorus content in soil to P2O5 application rate from 2017 to 2019

為進(jìn)一步明確各年份保持初始土壤有效磷含量的施磷量，對各年份施磷量與土壤有效磷含量的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行了直線模型擬合(圖3)，2017、2018和2019年的直線擬合方程分別為：y=0.0515x+8.6018(R2=0.9084)、y=0.0618x+6.5075 (R2=0.9307)和y=0.0842x+1.8723 (R2=9527)。由土壤基礎(chǔ)有效磷水平與3個方程的交點可以分別求得，當(dāng)土壤有效磷含量達(dá)到基礎(chǔ)土壤有效磷水平(18.5 mg/kg)時，2017年所需的施磷量為 192 kg/hm2，2018 年為 194 kg/hm2，2019年為197 kg/hm2，這與3年平均凈收益與施磷量的關(guān)系用直線平臺模型擬合求得的年平均適宜施磷量193 kg/hm2相近，這表明年施磷量193 kg/hm2是同時實現(xiàn)作物高產(chǎn)、高經(jīng)濟效益、保持土壤初始有效磷水平的適宜施磷量。

圖3 2017—2019年施磷量與土壤有效磷含量的擬合關(guān)系Fig. 3 The relationship between P2O5 rate and available phosphorus content in soil from 2017 to 2019

2.5 施磷對冬小麥–夏玉米輪作體系磷肥效率的影響

磷肥施用的偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率和肥料利用率均是評價磷肥效率的重要指標(biāo)，可以從不同角度反映磷肥施用的效率，磷肥的偏生產(chǎn)力反映土壤養(yǎng)分水平和磷肥施用量的綜合效應(yīng)[7]，磷肥的農(nóng)學(xué)效率表征了每增施1 kg磷肥(P2O5)作物產(chǎn)量增加的量，是反映肥效的重要指標(biāo)，而肥料利用率則表征作物吸收肥料養(yǎng)分占施肥量的比例，是反映肥料吸收利用的重要指標(biāo)。表3結(jié)果顯示，磷肥的偏生產(chǎn)力在各年份及3年平均均表現(xiàn)為隨施磷量的增加呈現(xiàn)顯著降低的趨勢。2017、2018、2019年的磷肥偏生產(chǎn)力隨施磷量的增加，變幅分別為189.3～65.4、163.3～58.3、147.9～58.9 kg/kg，3 年平均的變幅為 166.8～60.9 kg/kg。磷肥的農(nóng)學(xué)效率在2017年表現(xiàn)為隨施磷量的增加而降低的趨勢，變幅范圍在17.6～8.1 kg/kg；在2018、2019年及3年平均隨著施磷量的增加大致呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，2018、2019年的變幅分別為16.7～9.2和35.1～19.4 kg/kg，3年平均變幅為23.0～12.2 kg/kg。磷肥利用率在各年份及3年平均也均隨施磷量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且各施磷處理隨年份的增加有逐漸增加的趨勢。2017、2018、2019年的磷肥利用率的變幅分別為7.5%～19.8%、12.6%～22.2%、24.1%～35.9%，3年平均的磷肥利用率變幅為14.7%～25.8%，以P240處理表現(xiàn)最高，磷肥利用率為25.8%，其次為P180處理，磷肥利用率為25.1%，這兩個處理的磷肥利用率差異未達(dá)顯著水平，但二者均高于其他處理，可見，施磷量在180～240 kg/hm2時磷肥利用率較高。

表3 不同施磷量下冬小麥–夏玉米輪作體系磷肥的利用效率Table 3 Phosphorus use efficiency in the rotation of winter wheat and summer maize under different phosphorus application rates

2.6 適宜施磷量下冬小麥–夏玉米輪作體系的磷肥利用效率

為進(jìn)一步明確適宜施磷量的磷肥效率，對2017—2019年輪作周期的磷肥利用效率與施磷量(P2O5)之間的關(guān)系進(jìn)行了一元二次函數(shù)擬合(圖4)，冬小麥/夏玉米輪作體系的磷肥偏生產(chǎn)力、磷肥農(nóng)學(xué)效率、磷肥利用率和施磷量之間的二次方程分別為y=0.00147x2–1.1363x+280.4 (R2=0.9925)、y=–0.00026x2+0.0866x+14.823 (R2=0.9089)和y=–0.00047x2+0.1912x+5.7091 (R2=0.8411)，求得冬小麥/夏玉米輪作體系的適宜施磷量(193 kg/hm2)下，磷肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率、利用率分別為115.9 kg/kg、21.9 kg/kg和 25.1%。

圖4 磷肥利用效率與施磷量之間的關(guān)系Fig. 4 The relationship between P use efficiency and rate of P2O5 application

3 討論

3.1 磷肥施用效應(yīng)評價

肥料效應(yīng)是指各種參數(shù)(觀察值)對施肥的反應(yīng)，如養(yǎng)分含量或吸收量反應(yīng)、產(chǎn)量反應(yīng)、收益反應(yīng)、土壤養(yǎng)分全量或有效含量的反應(yīng)，等等，各種參數(shù)反應(yīng)的大小是評價肥料效果的重要指標(biāo)，它既受土壤本身的肥力水平[11,22]、氣候條件(降雨量、氣溫)、耕作措施、作物類型及品種等因素的影響，也與施肥量、施肥方法、施肥時間、施肥位置有關(guān)[3]。本研究經(jīng)過3年的田間定位試驗，就不同施磷量對冬小麥–夏玉米輪作體系作物吸磷量、產(chǎn)量、凈收益、磷肥利用效率、土壤有效磷含量等參數(shù)的影響開展了研究，結(jié)果顯示施磷處理的上述各參數(shù)均顯著高于不施磷處理，但不同施磷量的表現(xiàn)存在差異，且獲得各最高反應(yīng)參數(shù)的施磷量也存在差異。就增產(chǎn)率和增收率而言，冬小麥–夏玉米輪作體系施磷處理較不施磷處理3年平均增產(chǎn)14.3%～28.0%，增產(chǎn)率和增收率均以施磷量240 kg/hm2表現(xiàn)最高，但當(dāng)施磷量達(dá)到或超過180 kg/hm2時，產(chǎn)量和凈收益沒有顯著性差異，并達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。侯云鵬等[6]研究結(jié)果表明施磷比不施磷的玉米產(chǎn)量3年平均增產(chǎn)9.2%～23.9%，施磷量為100 kg/hm2增產(chǎn)最高。邢丹等[13]在河北保定研究的冬小麥/夏玉米輪作體系在施磷量120 kg/hm2時產(chǎn)量最高且較為穩(wěn)定，李廷亮等[10]在晉南旱地小麥的研究中得出單季小麥的施磷量達(dá)到120 kg/hm2時產(chǎn)量最高也最穩(wěn)定。就磷肥利用效率(偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率、利用率)而言，則總體上隨施磷量的增加呈下降趨勢[10,13]。就土壤有效磷含量而言，不施磷處理的有效磷含量隨著種植年份的延長呈持續(xù)下降的趨勢，施磷能顯著增加土壤有效磷含量，與前人[23–25]研究結(jié)果一致，但過量施用磷肥會造成土壤有效磷含量過多累積，增加環(huán)境風(fēng)險[17–18]，因此，從糧食安全和環(huán)境安全角度看，需要盡可能減少磷肥用量，并減少磷素在土壤中累積。本研究求得晉南冬小麥–夏玉米輪作體系維持土壤基礎(chǔ)有效磷含量(18.5 mg/kg)的施磷量在192～197 kg/hm2；吳啟華等[7]通過在吉林連續(xù)3年的玉米試驗得出，施磷量為60 kg/hm2能基本維持土壤基礎(chǔ)有效磷(30.2 mg/kg)含量；Fixen等[11]在不同磷素肥力水平上連續(xù)3年種植苜蓿的試驗中，求得中低磷素肥力(基礎(chǔ)有效磷14 mg/kg)和高磷素肥力(基礎(chǔ)有效磷26 mg/kg)維持各自土壤有效磷含量的施磷量分別為每年137和98 kg/hm2，可見各地區(qū)基礎(chǔ)有效磷含量不同、磷肥施用效應(yīng)存在差異，維持作物高產(chǎn)及土壤有效磷含量的施磷量也存在差異，因此，評價磷肥施用效果采用單一指標(biāo)往往是片面的，需要根據(jù)當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多目標(biāo)要求(高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、可持續(xù)、環(huán)境友好)，協(xié)調(diào)各參數(shù)綜合反應(yīng)來評價磷肥的施用效果，而獲取適宜施磷量是評價磷肥效果最關(guān)鍵的參數(shù)。

3.2 磷肥適宜用量的確定

通過田間試驗建立肥料效應(yīng)函數(shù)是獲取適宜施肥量的常規(guī)方法，目前應(yīng)用的函數(shù)模型包括一元二次模型、線性平臺模型、指數(shù)模型和平方根模型等[26]，求取的肥料適宜用量具有準(zhǔn)確性高的優(yōu)點，可以計算出經(jīng)濟施肥量、施肥上限和下限。通過單季作物[8,12]田間試驗獲得的肥料適宜用量往往受氣候條件影響較大，而通過多年田間試驗獲取的適宜肥料用量克服了氣候變化等因素的影響，可靠性更高，實用性更強，更具統(tǒng)計學(xué)意義。對于磷肥施用而言，通過多年定位試驗來求取磷肥的適宜用量尤為重要。在本研究冬小麥–夏玉米輪作體系中，根據(jù)直線平臺模型的擬合求得的3年平均最高吸磷量、最高產(chǎn)量、最高凈收益的施磷量分別為239、210、193 kg/hm2，根據(jù)土壤有效磷含量和施磷量之間的線性關(guān)系求得維持土壤基礎(chǔ)有效磷含量(18.5 mg/kg)的施磷量在192～197 kg/hm2?？梢?，不同目標(biāo)求取的磷肥用量存在差異，最高吸磷量的施磷量高于最高產(chǎn)量施磷量，這表明磷肥施用存在磷素奢侈吸收的現(xiàn)象[7,11]，不符合資源利用的最小化需求，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟角度看，最高凈收益(經(jīng)濟)施磷量是適宜的，這與減少土壤磷素累積、維持土壤基礎(chǔ)有效磷含量(18.5 mg/kg)的施磷量相近，因此，綜合考慮高產(chǎn)、低耗、可持續(xù)和環(huán)境友好的目標(biāo)，最終確定193 kg/hm2是晉南地區(qū)冬小麥–夏玉米輪作體系的適宜施磷量。該施磷量高于邢丹等[13]在河北保定研究的冬小麥–夏玉米輪作體系120 kg/hm2的適宜施磷量，這與兩地產(chǎn)量水平及土壤有效磷含量存在差異有關(guān)。侯云鵬等[6]通過吉林乾安連續(xù)3年的玉米試驗得出，適宜施磷量為88～97 kg/hm2；吳啟華等[7]通過吉林公主嶺連續(xù)3年的玉米試驗得出，推薦施磷量為60 kg/hm2?？梢娀诓煌纳a(chǎn)條件、作物類型、土壤基礎(chǔ)有效磷含量，得出的適宜施磷量也存在明顯的差異。

多年磷肥試驗所得的磷肥適宜用量，一方面與連續(xù)不施磷處理供磷能力持續(xù)下降和各施磷處理連續(xù)施用的效應(yīng)及其效率有關(guān)，另一方面，磷肥的適宜用量與作物的吸收和磷素在土壤中的固定和釋放有關(guān)。土壤中各種形態(tài)的磷轉(zhuǎn)化為有效磷的速度慢于作物吸收帶走的磷素，隨著種植年限的增長需要投入更多的磷肥，以保持土壤磷素肥力并促進(jìn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，同時也不可避免地造成了土壤磷的累積[27]。經(jīng)過長期磷肥投入和土壤緩效態(tài)磷的不斷釋放，土壤磷的固定和釋放會逐漸平衡[28]，本研究磷肥的適宜用量將會逐漸達(dá)到一個相對穩(wěn)定的水平，這一點將隨著試驗進(jìn)行得到驗證。

3.3 磷肥適宜用量下的磷肥利用效率評價

提高磷肥利用效率一直受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[6–10, 15]，本研究的結(jié)果表明磷肥的利用效率與施磷量有關(guān)，磷肥施用量少，磷肥的偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率及磷肥利用率往往較高，但不能保障國家糧食安全的需要，因此，不應(yīng)該片面強調(diào)磷肥利用效率，而更應(yīng)該關(guān)注作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)條件下的磷肥利用效率。本研究在保障作物高產(chǎn)和保持土壤磷素肥力不降低的前提條件下，求得冬小麥–夏玉米輪作整體的適宜施磷量為193 kg/hm2。利用磷肥利用效率與施磷量之間的函數(shù)關(guān)系(圖4)求得適宜磷肥用量下磷肥偏生產(chǎn)力為115.9 kg/kg，磷肥農(nóng)學(xué)效率為 21.9 kg/kg，磷肥利用率為25.1%。本研究適宜施磷量下獲得的磷肥偏生產(chǎn)力低于侯云鵬等[6]在吉林省連續(xù)3年種植玉米的磷肥偏生產(chǎn)力，這與兩地基礎(chǔ)肥力水平不同有關(guān)，而磷肥農(nóng)學(xué)效率和磷肥利用率與其相近。磷肥農(nóng)學(xué)效率處于Dobermann等[22]報道的適宜條件下谷物20～50 kg/kg的范圍，也與王寅等[29]得出的吉林省玉米的平均磷肥農(nóng)學(xué)效率相近，低于邢丹等[13]在河北保定研究得出的冬小麥–夏玉米輪作體系的磷肥農(nóng)學(xué)效率。磷肥利用率處于Dobermann等[22]報道的適宜條件下20%～30%的范圍，高于張福鎖等[30]統(tǒng)計的全國小麥和玉米平均磷肥利用率。適宜施磷量下的磷肥效率基本處于世界平均范圍內(nèi)，磷肥效率不同與氣候條件、土壤磷素肥力水平及產(chǎn)量水平不同等原因有關(guān)。

4 結(jié)論

在本試驗條件下，不施磷肥或年施用P2O5少于180 kg/hm2土壤有效磷處于耗竭狀態(tài)，年施P2O5大于240 kg/hm2土壤有效磷含量呈增加趨勢，維持基礎(chǔ)土壤有效磷含量(Olsen-P 18.5 mg/kg)的施磷量在192～197 kg/hm2。

冬小麥–夏玉米輪作體系的磷素吸收量、產(chǎn)量和凈收益隨吸磷量的增加而增加，到一定程度時達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，但達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)需要的施磷量存在差異。經(jīng)直線加平臺模擬計算，保持冬小麥–夏玉米輪作體系高產(chǎn)高效和較高磷肥利用率的磷肥用量為P2O5193 kg/hm2，且該用量也可以維持土壤的有效磷水平。