柴泽宇，于艳梅，张 池，孙本华，高明霞，李改民，邵发琦，杨学云，吕家珑，陈恒宇

(1.西北农林科技大学 资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；3.夏邑县农业农村局，河南商丘 476000)

磷是植物生长发育必需的三大营养元素之一，是植物体生长代谢过程不可缺少的[1-2]。近年来，中国化肥用量增加近几倍，但粮食产量却增加不多，肥料施用与粮食产出反差严重。化肥的大量施用使得化肥利用率降低，这不仅造成资源浪费，还可能导致环境污染严重[3]。已有试验结果表明，过量施用磷肥导致土壤磷素供给超过作物的营养需求，使得土壤累积大量磷素，这不仅不能提高作物产量，反而导致磷肥利用率下降[4]，并且增加土壤磷淋溶风险[5-6]。针对上述问题全面开展磷肥减施增效提质工作，对于保证中国农业可持续发展具有重要意义。

大量研究表明，适当减施磷肥并不会显著降低作物产量，反而可以提高磷的利用率和农学效率[7]。杨学云等[8]认为长期不平衡施肥或大量施磷，导致磷素利用率降低；赵伟等[9]发现，磷肥减施不仅不会影响番茄植株生长，还能够提高番茄的品质；郭智等[10]发现适量减少氮磷施用，不会对水稻的叶片光合特性、产量以及肥料利用率有影响。此外，通过结合适当的调控措施(如生物炭、秸秆还田等)，减施磷肥同样可以获得较高产量。韩瑛祚等[11]的研究表明，磷肥减量20%配合生物炭还田可提高玉米的磷素回收率；王秀娟等[12]发现磷肥减20%结合秸秆还田可以提高土壤磷素利用率和产量。

大量磷肥施用导致关中平原土壤磷素大量累积，磷肥偏生产力低，生产成本增加和经济效益下降。小麦和玉米土壤有效磷的农学阈值分别为7.5～23.5mg/kg和5.7～15.2mg/kg[13-16]，付莹莹等[17]发现，关中平原速效磷质量分数的平均值达到28.09mg/kg，土壤速效磷质量分数远远超过作物的磷临界值。关中平原冬小麦推荐P2O5投入量为100～140kg/hm2，常艳丽等[18]发现，在关中平原农户冬小麦磷肥(P2O5)用量的平均值已经达到183kg/hm2，超磷肥(P2O5)用量的用户已经超过58.1%。

针对关中地区农田土壤磷素状况和施磷现状，通过田间试验探究小麦-玉米轮作体系下磷肥减施和调控措施对作物产量和农田土壤磷库的影响，比较不同磷肥减施和调控措施的效果，以达到和实现降低土壤磷素累积、稳定和提高作物产量以及提高磷肥效率的目的，最终为区域作物的合理施肥和农业可持续发展提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点位于陕西省咸阳市武功县武功镇，属温暖带半湿润性气候区。全年无霜期315 d，年降水量633.7 mm，最小降水量327.1 mm，最大降水量979.7 mm，降雨主要集中在 6-8月，年均蒸发量在1 068.3 mm左右。土壤基本性质见表1。

表1 试验土壤基本性质Table 1 Basic properties of test soil

试验于2017年6月开始，共设置7个处理：对照(CK，不施磷肥)；常规施肥(CF，均匀撒施)；推荐施肥(RF，均匀撒施)；减磷15%(JF，推荐施磷量基础上降低施磷量15%，撒施改为条施)；减磷15% +调控1(JFT1，“秸秆包裹肥料”，条施)，“秸秆包裹肥料”即条施开沟，在沟内先铺1 层秸秆，将氮肥和磷肥均匀散在秸秆上，然后再覆盖1 层秸秆，最后用土覆盖；减磷15% +调控 2(JFT2，“硫铵代替尿素”，条施)；减磷30% +综合调控(JFT3，推荐施磷量基础上降低施磷量30%，采用“秸秆包裹+硫铵代替尿素”的综合调控措施，条施)。每个处理重复3 次，共21 个小区，小区面积31.5 m2，随机区组设计。采用小麦-玉米轮作种植模式，水分等田间管理措施遵照当地农民种植习惯。试验所需肥料为尿素[w(N)=46%]、过磷酸钙[w(P2O5)=16%]和硫酸铵[w(N)=20%]，氮肥和磷肥均作为基肥一次性施入，具体施肥量和施用方式见表2。

表2 各处理氮磷养分施用量和施用方式Table 2 Nitrogen and phosphorus nutrient application rates and application methods kg/hm2

1.2 样品采集与分析

小麦/玉米收获时各小区单打单收，分为秸秆和籽粒计产。小麦收获时采集土壤样品(0～20 cm)，经处理后用于土壤速效磷和微生物量磷的测定。土壤速效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠溶液浸提(液土体积比10∶1)，钼蓝比色测定[19]。土壤微生物磷采用鲜土，熏蒸后用0.5 mol/L碳酸氢钠溶液浸提(液土体积比20∶1)，比色测定[20]。

1.3 数据处理与分析

地上部磷吸收量(kg/hm2)=籽粒磷质量分数×籽粒产量+秸秆磷质量分数×秸秆产量；磷回收率(%) = (施磷处理吸磷量-对照处理吸磷量)/施磷量×100；磷素盈亏(kg/hm2)=磷肥施用量-地上部吸磷量；磷农学效率(kg/kg)=(施磷处理籽粒产量-对照处理籽粒产量)/施磷量；磷偏生产力 (kg/kg) =施磷处理籽粒产量/施磷量。数据采用PASW Statistics 18 软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 减磷调控对作物产量的影响

小麦与玉米的籽粒产量大致呈现出1∶1的比例(图1)。玉米季，相对于不施磷的对照(CK)，施磷处理均显著提高籽粒产量 (P<0.05)，但不同施磷处理间没有显著差异。小麦季，JFT2和JFT3处理的产量显著高于JF (P<0.05)，其余处理间差异不显著。年度作物总产量， JFT1、JFT2和JFT3显著高于CK(P<0.05)，不同施磷处理间差异不显著。

2.2 减磷调控对作物磷效率的影响

夏玉米-冬小麦轮作体系中，JFT1和JFT3处理的地上部吸磷量显著高于CK(P<0.05)，其余处理间差异不显著(表3)。除CF和RF处理，其余处理的磷素均处于亏缺状态，随着减磷量的增加，磷素亏缺逐渐增加，JFT3处理的磷素亏缺量最大。

柱内不同字母表示不同处理之间小麦或玉米产量差异显著(P<0.05)，柱上的不同字母表示轮作系统总产量之间差异显著(P<0.05)；误差线为总产量的标准误差 Different letters in the bars represent significant difference for yield of maize or wheat among the treatments(P<0.05); letters above the bars represent the rotation system yields are significantly different among the treatments(P<0.05)； the error bars are the standard for total yield

图1 小麦-玉米轮作体系不同施肥处理作物产量
Fig.1 Crop yield of different fertilization
treatments in wheat-maize rotation system

各施磷处理的磷肥回收率为7.3%～ 24.9%，其中JFT3处理最高达24.9%；除JF外，减磷的JFT1、JFT2和JFT3处理磷肥回收率均显著高于CF(P<0.05)，表明减施磷肥结合调控措施可以提高磷肥回收率。

磷肥农学效率为17.3～49 kg/kg，JFT3处理的磷肥农学效率最高，显著高于RF处理。磷肥偏生产力为228.5～389.1 kg/kg；与CF处理相比，减磷处理(JF、JFT1、JFT2和JFT3)的偏生产力显著提高(P<0.05)。

表3 不同施磷处理的作物磷效率Table 3 Phosphorus efficiency of different phosphorus treatment

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note: Different letters represent significant differences among treatments (P<0.05).

2.3 减磷调控对土壤磷库的影响

经过1个轮作年，各处理的土壤速效磷质量分数差异不显著(P>0.05)。尽管各处理差异不显著，但直接减磷15% 处理(JF)的土壤速效磷质量分数相对于CF和RF处理有下降趋势，而减磷结合调控措施处理(JFT1、JFT2和JFT3)相对于JF均略有提高(图2-A)。

CF、RF和JF处理的土壤微生物量磷(MBP)的质量分数与CK均差异不显著，其中RF显著高于CF(P<0.05)。减磷15% 结合调控措施处理(JFT1和JFT2)相对于JF均有显著提高(P<0.05)；减磷30% 结合综合调控措施处理(JFT3)相对于JF有增加趋势，但差异不显著(图2-B)。

不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Different letters indicate significant differences among treatments (P<0.05)

图2 不同处理土壤速效磷(A)和微生物量磷(B)的质量分数
Fig.2 Mass fractions of soil available phosphorus (A) and microbial biomass phosphorus (B) of different treatments

3 讨 论

冬小麦/夏玉米是陕西省关中平原农业重要的种植制度，调查结果表明冬小麦-夏玉米轮作体系存在过量施磷的问题[18]，降低了施磷效应。有研究表明，土壤磷水平相对较高条件下，施磷对于作物产量没有显著效果[21]，适当减施磷肥并不会影响作物产量[22]。本研究结果表明，常规施肥(CF，磷肥用量180 P2O5kg/hm2)和推荐施肥(RF，磷肥用量157.5 P2O5kg/hm2)玉米籽粒产量显著高于不施磷CK处理，但小麦和年度作物籽粒产量均没有显著差异(图1)。磷效率方面，RF处理的回收率和偏生产力较CF处理均有所提高(P>0.05)。土壤磷库方面，RF处理速效磷的质量分数与CF处理没有显著差异(P> 0.05)，但微生物量磷显著高于CF处理(P< 0.05)。相对于常规施肥CF的施磷量，推荐施肥RF减少12.5%的磷肥用量，作物产量和土壤速效磷均没有下降，且提高磷效率。推荐施肥RF的磷回收率高于CF处理，且RF处理的磷素并未亏缺，说明在推荐施肥量下，可以维持土壤磷的相对稳定，是一种相对优化的施磷量。

肥料撒施是关中地区冬小麦-夏玉米体系常用的施肥方式，而条施作为一种局部施肥方式对于提高磷肥有效性具有一定作用[23-24]。本研究结果表明，在推荐施肥RF的基础上减磷15%(JF)，将撒施改为条施，其作物产量与常规施肥和推荐施肥没有显著差异(图1)。磷效率方面，JF处理的磷肥利用率和农学效率均较推荐施肥RF和常规施肥CF有所提高(P>0.05)，但偏生产力和回收率则显著高于常规施肥(P<0.05)。土壤磷库方面，JF处理土壤速效磷的质量分数与推荐施肥RF和常规施肥CF均差异不显著，这可能主要是施肥方式改变引起的，条施较撒施能减少磷肥与土壤接触面，从而减轻对磷肥固定提高磷素有效性[23-24]。

JF基础上增加其他调控措施，其一采用秸秆包裹肥料(JFT1，条施)，一方面秸秆可以起到阻隔作用防治磷肥的快速固定，另一方面能提供碳源，有利于激活土壤微生物活性，提高土壤微生物对磷的固持作用[25-26]；其二采用生理酸性肥调控(铵态氮肥硫铵代替尿素，JFT2)。许多研究表明，石灰性土壤上，磷肥与铵态氮肥配合集中施用可以显著增加根系增殖、降低根际pH、提高产量和磷素吸收，并且可以改善花后生长、干物质分配和养分积累[27-28]。本研究结果表明，JFT1和JFT2处理的作物产量与常规施肥CF和推荐施肥RF没有显著差异，且JFT2的小麦籽粒产量显著高于JF(P< 0.05)，磷效率方面，增加调控措施后，回收率、偏生产力较JF处理有所提高，差异不显著(P>0.05)，而磷农学效率则显著高于JF(P<0.05)。土壤磷库方面，JFT1和JFT2处理的土壤速效磷质量分数与JF处理相比略有提高但不显著(P>0.05)，而土壤微生物量磷的质量分数则显著提高(P<0.05)。推荐施肥基础上减磷30%结合综合调控措施(秸秆包裹+生理酸性肥调控，JFT3)的作物产量与JFT1和JFT2类似。磷效率方面，回收率、农学效率和偏生产力均较JF显著提高(P<0.05，表3)。土壤速效磷的质量分数与JFT1和JFT2没有显著差异(P> 0.05)，而土壤MBP的质量分数相对JF处理有增加趋势，差异不显著(P>0.05)。

本研究结果表明，当前土壤磷水平下(土壤速效磷在30 mg/kg左右)，从作物产量和磷效率方面来看，推荐施肥基础上减施15%甚至30%磷肥是完全可行的，利用两种调控措施可以进一步提高玉米-小麦轮作体系的磷效率。需要注意的是，减施15%磷肥(JF、JFT1和JFT2)处理的磷回收率在16.7%左右，而减施30%磷肥(JFT3)处理则高达24.9%，表明所有减施磷肥处理均会提高磷肥的回收率，但随着减磷量的增加，磷素亏缺程度逐渐增加。

从作物产量、磷效率以及土壤磷水平等方面综合来看，目前减磷15%结合秸秆包裹或生理酸性氮肥(硫铵)调控是最值得推介的磷肥减施增效措施，考虑到对土壤磷有所消耗，其长期可行性还需进一步田间验证。

4 结 论

陕西关中冬小麦-夏玉米轮作体系下，相对农民习惯的常规施肥，推荐施肥的施磷量(每年P2O5157.5 kg/hm2)在减少磷肥用量前提下，可以获得高产、提高磷肥利用率并基本维持土壤磷水平稳定，是相对比较优化的施磷量。考虑到目前土壤磷水平相对较高，推荐施肥基础上减磷15%结合秸秆包裹或生理酸性氮肥(硫铵)调控是最值得推介的磷肥减施增效调控措施，不过随着磷肥减施的持续进行和土壤磷水平的变化，其长期可行性有待于进一步验证。