增效磷肥对冬小麦产量和磷素利用率的影响

李志坚，林治安，赵秉强，袁亮，李燕婷，温延臣

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京100081)

磷是植物生长发育过程中不可缺少的必需营养元素，也是作物增产的主要限制因子之一。目前，我国磷肥的当季利用率普遍很低，通常情况下当季利用率只有 5% 20%［1－2］，造成磷矿资源的严重浪费;我国北方黄淮海平原分布着大面积的石灰性土壤，由于其特有的理化性状及其磷酸盐在土壤中独特的化学行为，致使石灰性土壤上作物对磷肥的利用率过低［3］，远远低于全国平均水平。近年来，我国磷肥产业迅速发展，造成磷矿资源大量消耗，据许秀成［4］推算，若按我国磷矿可采储量37亿吨计，仅可开采20年。因此，如何减少磷在石灰性土壤中的固定、提高石灰性土壤磷肥利用率和肥效，一直是当今国内外化肥界和农学界研究的热点和难点问题。

在提高化肥利用率方面，有关腐植酸、海藻提取物(海藻酸)、氨基酸等作为肥料的新型增效剂已有大量研究，并取得了肯定的结论［5－14］。秦国新［15］等的研究结果表明，改性腐植酸能作为提高磷肥利用率的一种物质使用。增施腐植酸类肥料后，能抑制土壤对水溶性磷的固定，活化土壤固定态磷，减缓有效磷向无效态磷的转化，提高作物产量和磷肥利用率;海藻提取物富含蛋白质、氨基酸、多酚及海藻多糖(海藻酸)等多种生理活性物质，能螯合土壤中的钙、镁、铁等金属离子，活化土壤固定态磷，增强磷的有效性［10－11］;氨基酸富含氨基和羧基，与磷铵混合可能会增强磷的有效性，改善作物的磷营养状况和提高作物产量。过往研究大多集中在这些增效剂与尿素、其他氮肥或复合肥结合，制成增效尿素、增效氮肥或增效复合肥，或者是作为叶面肥的螯合剂来研究其增产效果和机理，而有关将这些增效剂按不同比例添加到磷铵中，制备增效磷肥(增效肥料是指通过向肥料中添加肥料增效剂如腐殖酸类、氨基酸、多元素矿质类、高分子聚合物以及无机酸、海藻素、多肽等来促进作物对营养养分的吸收，以提高肥料利用率的肥料［16－18］)，深入研究其增产增效效果及机理的尚不见多。

本文利用改性腐植酸、发酵海藻液、聚合氨基酸作为增效剂，将其添加到磷酸一铵中，制备成增效磷肥试验产品，利用土柱栽培试验，研究增效磷肥对冬小麦产量和磷素吸收利用的影响，以期为改性腐植酸、发酵海藻液和聚合氨基酸作为磷肥增效剂的应用和磷肥高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与小麦品种

试验于2011年10月至2012年6月在中国农业科学院德州实验站禹城试验基地进行。供试土壤采自禹城试验基地连续三年以上未施用任何肥料的匀地试验田，采集0—20 cm土壤，混匀、过筛备用。土壤类型为潮土，质地为轻壤，pH(土∶水=1∶2.5)8.07、有机质含量11.65 g/kg、全氮0.59 g/kg、速效磷(P2O5)10.51 mg/kg、速效钾(K2O)90.7 mg/kg。

供试小麦品种为济麦22号。

1.2 供试肥料

将3种增效剂(改性腐植酸、聚合氨基酸、发酵海藻液)按一定比例添加到磷酸一铵(MAP，P2O5%为61.13、pH 4.08)中，充分混匀、烘干、粉碎，制备成相应的增效磷肥试验产品。增效剂添加量为改性腐植酸(H)按固形物的2‰、5‰、10‰;聚合氨基酸(G)按固形物的2‰、5‰、10‰;发酵海藻液(A)按固形物的0.5‰、2‰、5‰。其中改性腐植酸是用0.3%的NaOH溶液从风化煤中提取，腐植酸含量为10%;聚合氨基酸主要成分为谷氨酸，含量为10%;发酵海藻液主要成分是海藻酸，含量为2.5%。供试肥料性质见表1。

表1 供试肥料的性质和代号Table 1 Properties and codes of the tested fertilizers

1.3 试验设计

试验采用土柱栽培方式，选用内径为25 cm，高100 cm的PVC管，全部埋入土中，上口高出地面3cm，防止降水地表径流流入，下不封口，与自然土壤直接接触，模拟田间栽培状态(方法见文献［19］)，每个土柱装风干土55 kg。增效磷肥和普通磷酸一铵按等全磷投入原则设计不同施磷水平，全部均匀混施于土柱0—30 cm土层中;氮、钾肥按充足供应原则设计，氮肥用尿素，施用量为N 0.2 g/kg，土;钾肥为硫酸钾，施用量为K2O 0.3 g/kg，土。氮、钾肥均作为基肥一次性混施入0—30 cm土壤中。

试验设置P(普通磷酸一铵)、H1－P、H2－P、H3－P、A1－P、A2－P、A3－P、G1－P、G2－P和G3－P 10个肥料处理，每个处理设低磷(P2O50.05 g/kg，土)和高磷(P2O50.10 g/kg，土)2个施磷水平，以不施磷肥为对照(CK，只施氮、钾肥，用量与其他施肥处理相同)，共21个处理，8次重复。试验冬小麦于2011年10月20日播种，精选均匀饱满种子，每柱播种36粒，苗期进行间苗，每柱留苗12株。小麦生长期间按常规栽培措施管理，2012年6月9日小麦成熟收获测产。

1.4 分析方法

土壤基本理化性状按常规分析方法进行。小麦子粒和秸秆全氮、全磷和全钾测定均用硫酸－过氧化氢消煮，全氮用凯氏法蒸馏测定，全磷用钒钼黄比色法测定［20］，全钾用火焰光度法测定。

供试肥料的当季磷肥表观利用率通过下式计算:

当季磷肥表观利用率(%)=(施磷区植株吸收P2O5总量－空白区植株吸收P2O5总量)×100/施用P2O5量

试验数据采用Excel和SAS软件进行统计分析，Duncan新复极差法进行多重比较(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 增效磷肥对小麦产量及产量构成因素的影响

2.1.1 增效磷肥对冬小麦子粒产量和生物产量的影响 由表2看出，与不施磷肥的CK相比，施用普通磷酸一铵和增效磷肥，均有明显的增产效果，其中低磷水平普通磷酸一铵比CK增产145.05%，增效磷肥平均比CK增产201.90%;高磷水平普通磷酸一铵比CK增产141.81%，增效磷肥平均比CK增产185.27%。与普通磷酸一铵比较，增效磷肥具有明显的增产效果，低磷水平下，腐植酸增效磷肥、海藻酸增效磷肥和谷氨酸增效磷肥的小麦子粒平均产量为55.36、58.54和48.11 g/pot，增产率分别为26.28%、33.54%和9.74%，增产幅度以海藻酸增效磷肥最大，腐植酸增效磷肥次之，谷氨酸增效磷肥最小;高磷水平下，腐植酸增效磷肥和海藻酸增效磷肥平均小麦子粒产量分别比磷酸一铵增产26.81%和30.65%，谷氨酸增效磷肥子粒产量平均为41.72 g/pot，比磷酸一铵处理略低。三种增效磷肥对生物量的影响规律与子粒产量基本相同。表2还可以看出，增效磷肥随增效剂添加量的提高，基本表现为增产幅度加大(低磷水平下G3－P处理除外)。

表2 不同增效磷肥冬小麦子粒产量和生物产量(g/pot)Table 2 Winter wheat yield and biomass with different value-added phosphate fertilizers

2.1.2 增效磷肥对冬小麦产量构成因素的影响 由表3看出，与不施磷肥的CK相比，施用普通磷酸一铵和增效磷肥，都能明显增加小麦穗数、穗粒数和千粒重。与磷酸一铵相比，低磷水平下增效磷肥处理能明显增加小麦穗数，腐植酸增效磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)、海藻酸增效磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)和谷氨酸增效磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理的小麦穗数分别增加28.95%、30.11%和13.83%，穗粒数和千粒重差异不明显，表明低磷水平下增效磷肥主要是通过促进小麦分蘖成穗率、增加小麦穗数而提高小麦子粒产量;高磷水平下，腐植酸磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)和海藻酸磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)处理的小麦穗数和千粒重分别比普通磷酸一铵增加1.49%、4.95%和4.61%、3.24%，其穗数和千粒重的提高是腐植酸增效磷肥和海藻酸增效磷肥处理小麦子粒产量增加的主要因素。而谷氨酸增效磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理的小麦穗数和千粒重与普通磷酸一铵基本相近。另外表3还表明，无论是低磷水平还是高磷水平，增效磷肥随增效剂添加量的增加，其处理的小麦穗数基本表现为增加的趋势(低磷水平下G3－P处理除外)。

表3 增效磷肥对冬小麦产量构成因素的影响Table 3 Effects of different Value-added phosphate fertilizers on yield factors of winter wheat

2.2 增效磷肥对小麦磷素吸收利用的影响

2.2.1 增效磷肥对小麦植株磷素含量的影响 由表4看出，无论是低磷水平还是高磷水平，增效磷肥处理的小麦子粒平均含磷量均比普通磷酸一铵略低，这可能是因为施用增效磷肥后作物产量比磷酸一铵有所增加而引起的稀释效应。低磷水平下腐植酸增效磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)、海藻酸增效磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)和谷氨酸增效磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理的小麦子粒磷含量分别为0.40%、0.37%和0.35%，腐植酸增效磷肥处理含磷量略高于磷酸一铵处理，而海藻酸增效磷肥和谷氨酸增效磷肥处理含磷量略低于磷酸一铵处理。腐植酸增效磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)、海藻酸增效磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)和谷氨酸增效磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理小麦秸秆磷含量分别为0.22%、0.21%和0.24%，均高于磷酸一铵处理的0.18%。高磷水平下腐植酸增效磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)、海藻酸增效磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)和谷氨酸增效磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理小麦子粒磷含量分别为0.30%、0.32%和0.32%，与磷酸一铵处理小麦子粒素含量的0.322%基本相近。腐植酸增效磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)、海藻酸增效磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)和谷氨酸增效磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理小麦秸秆磷含量分别为0.25%、0.27%和0.25%，均高于普通磷酸一铵处理的0.24%。

表4 不同处理冬小麦子粒和秸秆磷含量(%)Table 4 P contents of grain and straw of winter wheat

2.2.2 增效磷肥对冬小麦磷素吸收的影响 表5显示，与不施磷肥的CK相比，施用增效磷肥比磷酸一铵小麦子粒和秸秆的吸磷量增加更为明显，低磷水平下磷酸一铵处理小麦子粒和秸秆吸磷总量比CK增加157.14%，增效磷肥平均比CK增加239.15%，高磷水平下磷酸一铵处理的吸磷总量增加161.90%，增效磷肥平均增加206.87%。与普通磷酸一铵比较，低磷水平施用腐植酸增效磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)、海藻酸增效磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)和谷氨酸增效磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理的小麦吸磷总量分别增加42.59%、37.04%和14.81%，以腐植酸增效磷肥增加幅度最大，海藻酸增效磷肥次之，谷氨酸增效磷肥增加效果最小;高磷水平下腐植酸增效磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)和海藻酸增效磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)处理小麦吸磷总量分别比磷酸一铵增加18.18%和32.73%，谷氨酸磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理与磷酸一铵基本相近。从表5亦可看出，在同一增效磷肥处理下，小麦吸磷总量随着增效磷肥中增效剂添加比例的增加呈现增加的趋势。

表5 增效磷肥对冬小麦磷素吸收的影响(P2O5g/pot)Table 5 P uptakes of winter wheat with different value-added phosphate fertilizers

2.2.3 增效磷肥对冬小麦磷肥利用率的影响 不同磷肥处理的小麦磷肥利用率见表6。低磷水平下，磷酸一铵处理磷肥利用率为39.96%，腐植酸增效磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)、海藻酸增效磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)和谷氨酸增效磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理分别为66.17%、63.02%和48.67%，比磷酸一铵处理分别提高了26.21、23.06和8.71个百分点，其中含腐植酸增效磷肥处理提高磷肥利用率最明显。增效磷肥处理之间HA3－P处理磷肥利用率增加最为显著，为磷酸一铵的1.97倍;高磷水平下，磷酸一铵处理的磷肥利用率为20.09%，腐植酸增效磷肥(H1－P、H2－P、H3－P的平均值)和海藻酸增效磷肥(A1－P、A2－P、A3－P的平均值)处理分别为26.22%和30.82%，分别比磷酸一铵处理提高了6.13和10.19个百分点，谷氨酸增效磷肥(G1－P、G2－P、G3－P的平均值)处理的磷肥利用率与磷酸一铵基本相近。同一种增效磷肥中，随肥料中增效剂添加量的增加，磷肥利用率呈现增加的趋势(表6)。

表6 不同增效磷肥的磷肥利用率(%)Table 6 P use efficiency of winter wheat with different value-added phosphate fertilizers

3 讨论

3.1 含腐植酸增效磷肥对冬小麦产量和磷素吸收的影响

从试验结果可以看出，同一施磷水平下，腐植酸增效剂的磷酸一铵各处理小麦产量、植株吸磷总量和磷肥利用率均比普通磷酸一铵有所增加，且均随腐植酸添加量的增加呈增加的趋势。Martine［14］、Sinha［21－22］、Weir［23］等研究认为，有机物特别是腐植酸和富啡酸能溶解难溶性磷，通过络合金属元素形成腐植酸－金属－磷酸盐增加磷的移动性，从而减少磷的固定，提高磷的有效性;李丽［24－25］等研究认为腐植酸与磷酸盐反应形成不易被固定的有机－无机复合物而减少磷的固定;王日鑫［26］等研究认为施用腐植酸类物质风化煤和泥炭能增加土壤中对植物有效性较高的Ca2－P等，而降低了植物难利用的Ca10－P。含腐植酸增效磷肥提高小麦产量和磷肥利用率的作用机理可能在于腐植酸富含有羰基、羧基、醇羟基、酚羟基等多种活性官能团，这些官能团具有较强的络合、螯合和表面吸附能力，能螯(络)合土壤中的铁、铝、钙等阳离子，减少无机磷的固定。另外，腐植酸还能活化土壤中原有固定态的磷，增加土壤速效磷含量，促进作物根系对磷的吸收。本试验还发现，在不同施磷水平下，添加腐植酸的磷酸一铵各处理小麦穗数均比普通磷酸一铵有所增加，这可能与腐植酸具有刺激小麦生长和分蘖的作用有关，增加小麦穗数是提高小麦产量的因素之一。

3.2 含海藻酸增效磷肥对冬小麦产量和磷素吸收的影响

发酵海藻液是通过富含蛋白质、氨基酸、无机盐、维生素、褐藻胶和少量的酶、植物激素、多酚及多糖类等生理活性物质的海藻进行发酵而得，其主要成分是海藻酸。海藻酸是一种天然的螯合剂，能螯合土壤中的钙、镁、铁、铜等阳离子，减少土壤中磷的固定，提高磷的有效性。刘红芳和周红梅［10－11］等研究认为，海藻提取物能提高土壤 Ca2－P和Al-P含量，降低土壤磷的固定，从而提高土壤中磷的有效性。因此，将发酵海藻液添加到磷酸一铵中能减缓磷酸一铵被土壤固定，促进作物对磷的吸收，同时发酵海藻液也可以活化土壤中原有固定态磷，提高土壤的供磷水平。这可能是含海藻酸增效磷肥提高小麦产量、磷素吸收和磷肥利用率的原因。另外，本试验中添加海藻发酵液的磷酸一铵各处理均能增加小麦穗数，且比普通磷酸一铵有所增加，这可能与发酵液中含有一些刺激植物生长的生理活性物质有关，说明通过促进和提高小麦分蘖成穗率是含海藻酸增效磷肥提高小麦产量的原因之一。

3.3 含谷氨增效酸磷肥对冬小麦产量和磷素吸收的影响

前人的研究结果表明，添加氨基酸的肥料具有促进植物分蘖、根系生长、叶色转绿和作物增产［27－28］等效应。聚合氨基酸作为含有羧基功能团的有机酸之一，能结合养分离子，通过络合作用形成有生物活性类的聚合物，可能会增加磷肥的有效性，从而提高磷肥的利用率。从试验中可以看出，与普通磷酸一铵相比，添加聚合氨基酸的磷酸一铵各处理并没有表现出明显的增产效果，其原因有待于进一步研究。

3.4 施磷水平对冬小麦产量和小麦磷含量的影响

研究表明，适量施磷可显著提高冬小麦产量，高量施磷，由于冬小麦生长后期贪青晚熟，磷素向子粒的转移滞后，或者是磷素养分库容量的限制，冬小麦不能将磷素养分充分地分配到子粒中形成经济产量［29－30］，导致冬小麦产量有所降低。另外，本试验土壤速效磷(P2O5)含量达到10.51 mg/kg，土壤本身能够提供部分磷素，进而导致增施高磷的各处理没有表现出增产效果。本试验还发现，无论是低磷水平还是高磷水平，增效磷肥各处理小麦含磷量与磷酸一铵基本相近或者略低，可能是由于增效磷肥增加了小麦子粒产量而引起养分的稀释效应［31］，使得增效磷肥处理小麦含磷量比磷酸一铵略低。

4 结论

1)与磷酸一铵相比，低磷水平下，增效磷肥处理小麦产量提高9.74% 33.54%，其中以含海藻酸增效磷肥增产幅度最大，腐植酸增效磷肥次之，谷氨酸增效磷肥增效效果最小;高磷水平含腐植酸增效磷肥和海藻酸增效磷肥处理的小麦产量分别比磷酸一铵增加26.81%和30.65%。低磷和高磷水平下，不同增效磷肥处理小麦子粒产量均随增效剂添加量的增加而提高。

2)低磷和高磷水平下，增效磷肥处理小麦子粒含磷量与磷肥处理差异不显著。与普通磷酸一铵比较，低磷水平下，增效磷肥处理小麦吸磷总量增加14.81% 42.59%，以腐植酸增效磷肥增加幅度最大，海藻酸增效磷肥次之，谷氨酸增效磷肥增加效果最小;高磷水平腐植酸增效磷肥和海藻酸增效磷肥处理的小麦吸磷总量分别比磷酸一铵增加18.18%和32.73%。

3)增效剂与磷酸一铵复混，可优化小麦对磷酸一铵中的磷素吸收，提高磷肥利用率。

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