增效過磷酸鈣肥料對小麥產(chǎn)量和磷素利用效率的影響

張運(yùn)紅， 毛家偉*， 劉小奇， 錢凱

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)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；2.鄭州阿波羅肥業(yè)有限公司，河南 滎陽 450100)

磷素是作物生長發(fā)育必需營養(yǎng)元素，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[1-2]。由于磷的移動性差，向根系擴(kuò)散的能力偏低，易被土壤固持，磷肥利用率偏低，其當(dāng)季利用率僅為7.3%～20%[3]。磷肥利用率低不但導(dǎo)致磷肥資源的浪費(fèi)，磷素在土壤中累積，還易對農(nóng)田、水體等環(huán)境帶來負(fù)面影響[4-6]。因此，提高磷肥利用率對減少土壤磷素累積和降低環(huán)境壓力，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。過磷酸鈣(SSP)曾是我國重要的磷肥品種，在提高土壤肥力和糧食產(chǎn)量方面發(fā)揮了巨大作用，尤其是在石灰性和鹽堿地土壤上施用優(yōu)勢明顯[7-9]。然而，長期施用SSP產(chǎn)品易引起土壤板結(jié)、透氣性降低，致使其在市場上呈萎縮趨勢[10]；因此，調(diào)整SSP產(chǎn)品的原料組成、改進(jìn)加工工藝勢在必行。在磷肥中添加微量有機(jī)生物活性增效載體生產(chǎn)增值磷肥是磷肥增效的途徑之一。一些天然生物刺激素物質(zhì)如海藻酸類、腐殖酸(HA)和氨基酸(AA)類，被報道能夠提高肥料利用率，且環(huán)保安全，可作為新型肥料增效劑使用[11-12]。李志堅等[13]研究發(fā)現(xiàn)，磷酸一銨(MAP)添加HA、海藻酸和谷氨酸可分別降低磷固定率7.32%、7.13%和11.99%。吳艷飛等[14]研究顯示，磷礦漿中添加HA可改善產(chǎn)品物性，縮短熟化期，降低產(chǎn)品游離酸和水分含量，提高磷轉(zhuǎn)化率。然而我們最近的研究顯示，聚磷酸銨添加該類物質(zhì)雖可促進(jìn)小麥增產(chǎn)，但對磷吸收及其向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)有不利影響[15]。由此可見，生物刺激素作為磷肥增效劑的施用效果受磷肥組成及形態(tài)影響。不同生物刺激素的作用機(jī)制和施用效果也存在差異[16]。薛遠(yuǎn)賽等[17]研究表明，SSP與海藻有機(jī)肥混施可提高小麥葉綠素含量、葉面積指數(shù)及光合特性，提高小麥產(chǎn)量。在此基礎(chǔ)上，本文利用HA、AA、海藻酸鈉寡糖(AOS)作為增效劑，分別添加到SSP中，制備成增效磷肥試驗產(chǎn)品，采用盆栽試驗，對比研究幾種增效SSP肥料對小麥產(chǎn)量和磷肥利用效率的影響，綜合評估幾種生物刺激素作為磷肥增效劑的應(yīng)用效果，為高效SSP產(chǎn)品創(chuàng)制及其產(chǎn)業(yè)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

將供試的3種增效劑(HA、AA、AOS)分別按3‰添加到SSP(P2O516%，由貴州省福泉磷肥廠有限公司提供)中，制成3種不同的增效SSP肥料。

1.2 處理設(shè)計

盆栽試驗于2017年11月—2018年5月在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研園區(qū)(113.67°E、37.79ON)進(jìn)行。供試土壤采自鄭州市郊區(qū)，土壤類型為潮土，速效氮含量為35.6 mg·kg-1，有效磷含量為2.7 mg·kg-1，速效鉀含量為102.6 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為3.5 g·kg-1，pH 7.79。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：處理1，對照(CK，不施磷處理)；處理2，SSP；處理3，腐殖酸增效SSP(SSP+HA)；處理4，氨基酸增效SSP(SSP+AA)；處理5，海藻酸增效SSP(SSP+AOS)。每個處理4次重復(fù)，共20盆。氮肥施用量為0.25 g·kg-1，50%基施，50%于拔節(jié)期追施；磷肥施用量為P2O50.12 g·kg-1，K2O 0.12 g·kg-1，二者均全部基施。每盆5穴，每穴10粒，30 d后間苗至每穴5株，小麥生長期間通過稱重法維持桶中土壤水分含量在田間持水量的70%左右。

1.3 指標(biāo)測定及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀

分別于小麥不同生育期選取各處理代表性植株10株，測定小麥株高、功能葉片葉綠素相對含量(SPAD)值(開花期為旗葉，其他時期為倒二葉)和葉面積(葉面積=長×寬×0.75)，其中株高、葉長、葉寬采用直尺測定，SPAD值采用SPAD-502葉綠素儀。并于成熟期調(diào)查小麥可見葉片數(shù)。

1.3.2 分蘗動態(tài)

在小麥出苗后，分別在苗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、開花期和成熟期測定小麥的莖蘗數(shù)，并計算成穗率(成穗率=穗數(shù)/最高總莖數(shù))。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因子

盆栽試驗收獲前，調(diào)查每盆小麥有效穗數(shù)(每穗實粒數(shù)多于5粒者為有效穗)，選取代表性植株5株，換算出穗粒數(shù)；收割全部植株，脫粒后以風(fēng)干質(zhì)量換算出籽粒產(chǎn)量；每個處理在各處理風(fēng)干測產(chǎn)的籽粒樣本中計算千粒重。

1.3.4 磷含量及磷效率

開花期和成熟期采集植株樣品，并將成熟期樣品分為籽粒和莖葉兩部分，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒重，測定其干重，取烘干樣，粉粹后，采用H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色測定各器官磷含量，磷相關(guān)指標(biāo)的計算參照周玲等[18]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行處理，利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，并采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同增效SSP肥料對小麥農(nóng)藝指標(biāo)的影響

圖1顯示，所有施磷處理的小麥株高在苗期、返青期、拔節(jié)期、開花期和成熟期均顯著高于對照，增幅分別為5.4%～17.4%、12.7%～24.0%、21.2%～27.0%、6.3%～13.5%和6.0%～11.9%，且均以SSP+HA處理最高，較SSP處理分別顯著增加11.4%、10.0%、3.7%、5.3%和3.8%。SSP+HA處理組功能葉片的SPAD值在苗期、拔節(jié)期和成熟期顯著高于對照和SSP處理，增幅分別為29.2%、12.1%、7.6%和3.8%、10.8%、1.9%；SSP+AA和SSP+AOS處理功能葉片的SPAD值在返青期顯著高于對照和SSP處理，增幅分別為8.7%、9.1%和7.2%、7.6%。SSP+HA處理功能葉片的葉面積在返青期分別較對照和SSP處理顯著增加50.7%、10.8%；SSP+AA處理功能葉片的葉面積在拔節(jié)期分別較之顯著增加17.2%和17.4%；SSP+AA和SSP+AOS處理功能葉片的葉面積在開花期均顯著高于對照和SSP處理，增幅分別為28.5%、46.7%和25.9%、43.7%。各施磷處理的可見葉片數(shù)均顯著高于對照，增幅分別為5.6%～9.4%，以SSP+HA處理最高，但和SSP處理無顯著差異。這些結(jié)果說明，和普通SSP相比，施用增效SSP肥料可不同程度促進(jìn)小麥生長發(fā)育，以SSP+HA處理最優(yōu)。

同一時期處理間無相同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同。

2.2 不同增效SSP肥料對小麥分蘗動態(tài)的影響

苗期、越冬期和返青期，以SSP處理的小麥分蘗數(shù)最高，增效SSP處理分別較SSP處理降低4.0%～19.0%、6.6%～21.1%和6.9%～14.2%，以SSP+AOS處理降幅最大(表1)。拔節(jié)期和開花期則以SSP+HA處理的分蘗數(shù)最高，分別較對照增加7.3%和23.2%，較SSP處理增加7.8%和5.7%，均達(dá)到顯著性差異。SSP+AOS和SSP+HA處理成穗率最高，分別較對照高3.12和2.39百分點，較SSP處理高6.48和5.72百分點，SSP+AA處理也顯著高于SSP處理。這些結(jié)果說明，和普通SSP相比，施用增效SSP肥料可提高小麥的成穗率，以SSP+HA處理促進(jìn)小麥分蘗效果最好。

表1 不同增效SSP肥料對小麥分蘗的影響

2.3 不同增效SSP肥料對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

所有施磷處理均可顯著提高小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成因子，其中有效穗數(shù)增加15.3%～23.2%，以SSP+HA處理最高，較SSP處理也顯著增加5.7%(表2)。增效SSP肥料處理的小麥穗長、穗質(zhì)量和穗粒數(shù)顯著高于對照和SSP處理，增幅分別為13.6%～16.7%、47.8%～53.0%、34.1%～42.0%和8.2%～11.2%、27.1%～31.6%和11.9%～18.4%，但不同增效SSP肥料間無顯著差異。增效SSP肥料處理的小麥千粒重也顯著高于對照和SSP處理，增幅分別為11.1%～17.4%和7.7%～13.8%，以SSP+AOS處理最高。增效SSP肥料處理的小麥產(chǎn)量分別較對照和SSP處理顯著增加22.4%～53.9%和9.2%～37.2%，以SSP+HA處理最高。這些結(jié)果說明，和普通SSP相比，施用增效SSP可進(jìn)一步促進(jìn)小麥增產(chǎn)，以SSP+HA處理增產(chǎn)效果最優(yōu)。

表2 不同增效SSP肥料對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

2.4 不同增效SSP肥料對小麥磷素吸收和轉(zhuǎn)移的影響

表3顯示，增效SSP肥料處理可提高開花期小麥秸稈磷含量和磷積累量，較對照分別增加0.13～0.41百分點和0.15～1.29 mg，磷含量較SSP處理也顯著增加0.10～0.38百分點，以SSP+AOS處理最高；SSP+AOS和SSP+AA處理的磷積累量也顯著高于SSP處理，增幅分別為83.6%和26.7%。SSP+AA和SSP+AOS處理的成熟期小麥秸稈磷含量和磷積累量均顯著高于對照和SSP處理，分別較對照顯著增加0.39百分點、0.35百分點和0.41 mg、0.30 mg，較SSP處理顯著增加0.21百分點、0.17百分點和0.22 mg、0.11 mg。增效SSP肥料處理的成熟期籽粒磷含量較SSP處理顯著降低0.25～0.55百分點，以SSP+AOS處理降幅最大；成熟期籽粒磷積累量則顯著高于對照和SSP處理，分別較之增加42.0%～57.1%和13.6%～25.6%，以SSP+AA處理最高。增效SSP肥料處理的小麥成熟期總磷積累量較對照顯著增加43.6%～59.4%，較SSP處理也有所提高，其中SSP+AA處理達(dá)到顯著性差異。磷利用效率以SSP+AOS和SSP+HA處理最高，分別較SSP處理顯著增加11.6%和11.0%；磷干物質(zhì)生產(chǎn)效率，除SSP+HA處理外，其余處理顯著低于對照，降幅為5.8%～10.7%，但增效SSP肥料和SSP處理無顯著差異。這些結(jié)果表明，和普通SSP相比，增效SSP肥料可不同程度促進(jìn)小麥磷的吸收，以SSP+AA處理的磷積累量最高，SSP+AOS和SSP+HA處理的磷利用效率最高。

表3 不同增效SSP肥料對小麥磷素吸收的影響

表4顯示，以SSP+HA處理的小麥磷收獲指數(shù)最高，分別較對照和SSP處理顯著提高1.28和2.13百分點，SSP+AA處理顯著低于對照1.42百分點，但和SSP處理無顯著差異。SSP+AOS處理的地上部營養(yǎng)體磷素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)移率及其對籽粒的貢獻(xiàn)率均顯著高于對照和SSP處理，分別較對照增加102.1%、3.35百分點、6.58百分點，較SSP處理增加130.6%、14.91百分點、11.22百分點。SSP+AA處理的花后磷素吸收量最高，分別較對照和SSP處理增加66.3%和26.3%，達(dá)到顯著性差異；SSP+HA和SSP+AOS處理較對照顯著增加，增幅分別為54.2%和30.7%，但和SSP處理無顯著差異。SSP+HA、SSP和SSP+AA處理的花后磷吸收量對籽粒的貢獻(xiàn)率最高，SSP+AOS處理最低，分別較對照和SSP處理顯著降低7.13和10.61百分點。這些結(jié)果說明，和普通SSP相比，SSP+HA處理可促進(jìn)小麥吸收的磷素向籽粒中轉(zhuǎn)移，SSP+AOS處理可提高小麥地上部營養(yǎng)體磷素的轉(zhuǎn)移能力及其對籽粒的貢獻(xiàn)，花后磷素吸收能力則以SSP+AA處理最高。

表4 不同增效SSP肥料對小麥磷素轉(zhuǎn)移的影響

2.5 不同增效SSP肥料對小麥磷肥利用效率的影響

表5顯示，和SSP處理相比，增效SSP肥料處理可顯著提高小麥的磷素吸收效率、磷素表觀回收率、磷素農(nóng)學(xué)利用效率和磷肥生產(chǎn)效率，其中磷素吸收效率增幅為17.3%～21.9%，但不同增效SSP肥料間無顯著差異；磷素表觀回收率顯著增加54.3%～68.6%，以SSP+HA處理最高；磷素農(nóng)學(xué)利用效率顯著增加0.85～3.45倍，以SSP+HA處理最高；磷肥生理利用率和磷肥生產(chǎn)效率均以SSP+HA處理最高，增幅分別為164.5%和37.3%。這些結(jié)果說明，和普通SSP相比，施用增效SSP肥料可一定程度提高小麥的磷素吸收和利用效率，整體而言，以SSP+HA處理磷素利用各項指標(biāo)較高。

表5 不同增效SSP肥料對小麥磷肥利用效率的影響 單位：kg·kg-1

2.6 不同增效SSP肥料對小麥?zhǔn)斋@后土壤殘留磷素的影響

圖2顯示，所有施磷處理均可顯著提高小麥?zhǔn)斋@后土壤中全磷和速效磷含量，增幅分別為26.8%～49.3%和66.0%～161.8%，且均以SSP處理最高，增效SSP肥料處理的土壤全磷含量和速效磷含量較SSP處理顯著降低，降幅分別為13.6%～15.1%和31.0%～36.6%，但不同增效SSP肥料間無顯著差異。

圖2 不同增效SSP肥料對小麥?zhǔn)斋@后土壤全磷和速效磷含量的影響

3 討論

生物刺激素因來源無毒害而需求量不斷增長，當(dāng)前全球相關(guān)產(chǎn)品市值已不少于13億美元，中國市值也在2億美元以上，這也帶動了復(fù)合型和功能型新型肥料的研發(fā)[11-12]。本試驗結(jié)果表明，和普通SSP相比，利用3種生物源增效劑制成的增效SSP肥料均能不同程度促進(jìn)小麥增產(chǎn)，以SSP+HA處理增產(chǎn)效果最好。研究顯示，HA促進(jìn)植物生長發(fā)育的原因主要有3個方面，一是HA含有多種活性官能團(tuán)，可刺激植物生理代謝，促進(jìn)其生長發(fā)育，如HA中具有酚酮結(jié)構(gòu)，可通過酚羥基與酮基的互相轉(zhuǎn)化維持作物呼吸作用，含有的羧基等官能團(tuán)可作為生長素和細(xì)胞分裂素物質(zhì)的關(guān)鍵受體，維持生物活性[19-20]；二是HA可活化土壤養(yǎng)分，增加生物有效性，HA可促進(jìn)植物對氮的吸收，降低磷固定，減少鉀淋溶，還可絡(luò)合土壤中銅、鐵、錳等難溶性金屬離子，促進(jìn)其被根系吸收[18,21-22]；三是改良土壤結(jié)構(gòu)，HA含有的羧基和羥基等官能團(tuán)可通過螯合Ca2+形成團(tuán)聚體，增大土壤空隙并增加土壤滲透性[23]。本試驗中，施用SSP+HA可提高小麥的磷素吸收和利用效率，增加磷收獲指數(shù)，這可能是其促進(jìn)小麥生長的主要原因之一。有報道，HA可與磷酸鹽反應(yīng)形成不易被固定的HA-M-P絡(luò)合物，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(tuán)可與磷酸根離子競爭土壤膠體的吸附位點，從而減少磷酸根離子與鈣、鐵、鋁離子絡(luò)合，減少其對磷素的固定[24-26]。李偉等[27]的研究顯示，HA中氧烷基碳、羧基/酰胺基碳、烷基碳結(jié)構(gòu)與小麥磷素吸收具有正相關(guān)性。本試驗中，SSP+HA處理提高小麥磷素吸收利用效率，可能是上述原因所致。此外，有研究顯示，MAP中添加海藻酸和谷氨酸也可提高土壤速效磷含量和土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量，減緩Al-P向Fe-P的轉(zhuǎn)化[13]，但二者對土壤磷活化機(jī)制有所不同。海藻多糖能螯合土壤中的鈣、鎂、鐵等金屬離子，從而減少土壤中磷的固定，提高作物產(chǎn)量和磷肥利用效率[12,28]；AA富含氨基和羧基，與磷銨混合可增強(qiáng)磷的有效性[29]。本試驗中，施用SSP+AA和SSP+AOS可不同程度提高小麥產(chǎn)量、植株磷吸收量和磷素吸收利用效率，降低小麥?zhǔn)斋@后土壤殘留磷素，與上述研究結(jié)果基本相符。綜上，本研究初步表明，3種增效劑可用于傳統(tǒng)SSP產(chǎn)品的提質(zhì)增效。然而，生物刺激素種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能和施用效果也存在差異[30-31]。例如，梁志雄等[30]對比研究了谷氨酸、丙氨酸和天冬氨酸與肥料配施對油麥菜生長、品質(zhì)和養(yǎng)分積累的影響，證實丙氨酸配施處理增產(chǎn)效果最優(yōu)。馬明坤等[31]報道，磺化腐殖酸磷肥比普通腐殖酸磷肥可更有效地提高土壤中磷肥的有效性，且以磺甲基化處理的腐殖酸磷肥效果最優(yōu)。因此，后續(xù)工作可對不同種類HA和AA作進(jìn)一步篩選，以選出最優(yōu)的生物刺激素種類用于增值磷肥的研發(fā)，并對其與磷素形態(tài)的互作機(jī)理進(jìn)行研究。此外，我們在小麥-花生輪作體系中研究顯示，和普通磷酸二銨(DAP)相比，DAP+AOS處理可提高前季作物小麥的產(chǎn)量和磷肥利用效率，但后季作物花生的產(chǎn)量、磷累積量、磷素平均農(nóng)學(xué)效率和累積利用效率有所降低[32]。因此，以生物刺激素為增效劑的增值磷肥的研發(fā)，還需布置定位試驗考察不同種植體系下的長期肥效及其對土壤環(huán)境的影響。