长期施肥对黑垆土冬小麦、玉米产量和磷素利用效率的影响

裴瑞娜

（甘肃省天水市麦积区农业技术推广中心，甘肃 天水 741020）

联合国粮食及农业组织的资料显示，1980— 2002年我国的化肥用量增长了61%，而粮食产量只增加了31%［1］。施肥是提高粮食产量和土壤培肥的主要方式，然而由于磷在土壤中难移动、易固定，导致磷肥回收率低［2-4］。因此，阐明长期施肥下土壤磷库的演变特征，提高磷肥的利用效率是我国农业科学研究重要的问题，对于生态环境保护和农业可持续发展有重要的理论意义和实践价值［5］。有关小麦、玉米的产量和磷肥效率的研究已有很多报道，但不同地区、不同施肥条件下小麦和玉米的产量、磷素的吸收、利用有所差异。鲁如坤认为全国旱田磷肥的当季利用率在15%～25%［6］。黄绍敏对河南潮土的研究发现，在施磷量相同（165 kg/hm2）情况下，施用氮磷钾化肥和氮磷化肥小麦磷肥回收率最高，分别为68.4%和46.0%，是最佳施肥配合［7］。张少民等在黄土高原地区的研究表明，施用氮磷化肥或氮磷钾肥料配施是提高小麦产量和磷肥回收率的有效措施［8］。黄盖粘黑垆土上有机肥和磷肥配施的小麦磷肥回收率为13.1%［9］。综上所述，前人的研究多集中于对不同氮磷钾化肥及有机肥的配施处理间磷肥回收率进行对比，对相同地区不同作物之间的磷肥回收率时间变化趋势及其参数研究较少。鉴于上述情况，笔者在长期定位试验的基础上研究了不同施肥对冬小麦、玉米的产量和土壤肥力影响，比较了冬小麦、玉米对养分吸收利用的差异性，以期为黄土区旱地合理施肥、提高磷肥效率和作物增产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在典型黑垆土区甘肃省平凉市高平试验农场（北纬35°16′，东经107°30′，海拔1 254 m），属于典型的黄土高原半湿润偏旱区。当地年平均降水量540 mm，其中60%集中在7、8、9月，年均气温8℃，年均蒸发量1 384 mm，干燥度 0.39，无霜期 172 d；年日照辐射量约 550 kJ/cm2，≥10℃积温2 800℃。试验始于1978年，当时耕层（0~20 cm）土壤含有机质10.75 g/kg、全氮0.95 g/kg、全磷0.57 g/kg、碱解氮65.90 mg/kg、有效磷 6.77 mg/kg、速效钾 163.20 mg/kg。1979—1993年试验按2 a春玉米与4 a冬小麦的一年一熟轮作周期进行，1993—1998年为冬小麦连作，1999年种植高粱，2000年种植大豆，2001—2004为冬小麦连作，2005—2006为玉米连作，2007年种植冬小麦。

1.2 供试材料

供试氮肥为尿素（含N46%），磷肥为普通过磷酸钙（含P2O512%），农家肥为牛马厩肥。供试作物秸秆为上季作物秸秆。

1.3 试验方法

试验为长期定位试验，共设6个处理，即不施肥处理（CK）、N处理（单施N 90 kg/hm2）、NP处理（氮磷肥配合施用，N 90 kg/hm2+P 30 kg/hm2）、SNP处理（氮磷肥和秸秆配合施用，秸秆3 750 kg/hm2+N 90 kg/hm2+P 30 kg/hm2）、M处理（单施有机肥75 000 kg/hm2）、MNP处理（氮磷肥和有机肥配合施用，有机肥75 000 kg/hm2+N 90 kg/hm2+P 30 kg/hm2）。试验采用多次重复法排列，重复3次，共18个小区，小区面积220 m2。在上季作物收获后及时将作物秸秆粉碎并深翻施入，氮肥、磷肥和农家肥在播前作基肥一次性施入。每年作物成熟时，玉米和冬小麦每小区分别收获40 m2和20 m2，单收测产。每季作物收获后每小区分3个点取0～15 cm耕层土样，混合后风干、过筛，用于土壤全氮、全磷、有效磷、有效钾和有机质分析。土壤全磷用H2SO4-HClO4消煮-钼锑抗比色法测定，土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，植物样品全磷用H2SO4-H2O2消煮-钼锑抗比色法测定［10］。

1.4 计算公式和统计分析

作物吸磷量（kg/hm2）=籽粒产量（kg/hm2）×籽粒含磷量（%）+秸秆产量（kg/hm2）×秸秆含磷量（%）

磷肥农学利用效率（kg/kg）=（施磷肥区作物产量-不施磷肥区作物产量）/施磷量

磷肥回收率（%）=（施磷肥区作物吸磷量-不施磷肥区作物吸磷量）/施磷量

式中的施磷量为施用的总P量，包括无机化肥、有机肥和秸秆中的P量。

采用Excel和SPSS软件进行冬小麦和玉米产量、冬小麦和玉米的吸磷量、冬小麦和玉米磷肥累积利用率的时间变化趋势线模拟及显著性检验（P<0.05）［11-12］。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对冬小麦、玉米产量的影响

长期施肥条件下，施用磷肥处理（NP、SNP、M、MNP）的冬小麦和玉米的平均产量均显著高于不施磷肥处理（CK、N），而各试验点施用磷肥处理之间的冬小麦平均产量无显著差别（图1）。说明在黑垆土上，施用磷肥对提高作物的产量有重要作用。不施磷肥条件下（CK、N），冬小麦产量为1 603～2 270 kg/hm2，玉米的产量为3 010～3 289 kg/hm2。施用磷肥条件下（NP、SNP、M、MNP），冬小麦产量为 3 519～4 621 kg/hm2，玉米产量为5 303～6 332 kg/hm2。可见施用磷肥在玉米上的增产作用大于冬小麦，说明玉米对磷肥的依赖性比冬小麦强，施肥效果明显。

图1 长期施肥不同处理下冬小麦和玉米的平均产量

图2 长期不同施肥处理下冬小麦和玉米的吸磷量的变化

2.2 长期施肥对冬小麦、玉米吸收磷素的影响

冬小麦和玉米植株体内的磷素主要分布在籽粒上，秸秆的含磷量相对较低。长期施用磷肥和有机肥处理（NP、SNP、M、MNP）的冬小麦和玉米吸磷量均高于不施磷的处理（CK、N）（图2）。长期不施肥（CK）和施N条件下，黑垆土冬小麦吸磷量从开始的3.9、3.2 kg/hm2，分别上升至26 a后的4.4、6.6 kg/hm2，玉米从9.5、7.8 kg/hm2上升至28 a后的12.7、10.1 kg/hm2；而NP、SNP、M、MNP处理的冬小麦和玉米的吸磷量随时间的延长而显著升高，NP、SNP、M、MNP处理的冬小麦的吸磷量由开始年份的4.2、5.7、5.5、6.9 kg/hm2，分别上升至26 a后的10.0、12.9、10.3、14.4 kg/hm2，而玉米NP、SNP、M、MNP处理的吸磷量由开始年份的20.2、15.9、17.5、23.1 kg/hm2，分别上升至 28 a后的 26.9、31.1、32.7、39.7 kg/hm2。经方差分析，冬小麦和玉米的吸磷量在施磷和不施磷处理间的差异显著（图3），说明黑垆土玉米的吸磷能力高于冬小麦。施入土壤中的磷肥，除被作物吸收利用外，其余被土壤固定，部分转化为难溶性的磷酸盐。由于长期施用磷肥，土壤磷的形态发生明显变化，作物吸收磷的数量亦有很大差别。以冬小麦为例，经过26 a的种植，不施肥冬小麦的地上部分（籽粒+秸秆）平均每年从土壤中带走P 4.9 kg/hm2，N处理的冬小麦平均每年从土壤中带走P 5.5 kg/hm2；NP处理和施M处理中等，为11.0 kg/hm2和10.8 kg/hm2；而SNP处理和MNP处理最高，分别为11.4 kg/hm2和14.6 kg/hm2（图2）。

图3 冬小麦和玉米的平均吸磷量

图4 长期施肥下冬小麦、玉米的磷肥农学利用效率和磷肥回收率

2.3 长期施肥对冬小麦、玉米磷肥农学利用效率的影响

对冬小麦、玉米长期施肥条件下的磷肥农学利用效率随时间的变化趋势进行线性模拟，结果表明，所有施磷处理（NP、SNP、M、MNP） 随时间变化不大。在试验期内，冬小麦、玉米的磷肥农学利用效率变异较大，上下波动而没有明显的变化趋势（图4、表1）。经过一定时间（28 a）的施肥以后，所有施磷处理玉米的农学利用效率为12.42～77.10 kg/kg，冬小麦的农学利用效率为9.13～73.41 kg/kg。其中以NP处理的农学利用效率最高，而M处理的农学利用效率最低，这与M处理中大量投入的磷素有关。在NP处理条件下，每投入1 kg磷肥，冬小麦产量增加73.41 kg，玉米产量增加77.10 kg；而SNP处理条件下，每投入1 kg磷肥，冬小麦产量增加12.89 kg，玉米增加14.78 kg；M处理条件下，每投入1 kg磷肥，冬小麦产量增加9.13 kg，玉米增加12.42 kg；MNP处理条件下，每投入1 kg磷肥，冬小麦产量增加12.51 kg，玉米产量增加15.21 kg。玉米所有施磷处理的农学利用效率均高于冬小麦。对各处理冬小麦、玉米的磷肥农学利用效率的年平均变化量进行比较（表1），结果表明，不同处理间的差异不显著。所有施磷处理玉米的农学利用效率均高于冬小麦，说明在黑垆土上，每投入1 kg磷肥增加的玉米籽粒产量高于冬小麦籽粒产量。

表1 长期不同施肥下冬小麦、玉米的磷肥农学利用效率和磷肥回收率变化

2.4 长期施肥对冬小麦、玉米的磷肥回收率的影响

冬小麦和玉米的磷肥回收率上下波动而变化趋势不明显（图4、表1）。经过一定时间（28 a）的施肥以后，所有施磷处理玉米季的磷肥回收率平均为5.18%～30.15%，冬小麦季为2.93%～20.07%。其中NP处理的磷肥回收率最高，而M处理的最低，这与M处理中大量投入的磷素远高于化学磷肥有关。NP处理下，冬小麦和玉米季的磷肥回收率平均分别为20.07%和30.15%；SNP处理下，冬小麦和玉米季的磷肥回收平均分别为3.47%和5.31%；M处理下，冬小麦和玉米季的磷肥回收平均分别为2.93%和5.18%；MNP处理下，冬小麦和玉米季的磷肥回收平均分别为4.15%和6.79%。所有施磷处理下，玉米的磷肥回收率均高于冬小麦，且玉米的磷肥回收率平均较冬小麦高50.2%～76.6%。

3 小结与讨论

1） 以甘肃省平凉市1979—2007年的长期定位肥料试验为基础，研究了黑垆土长期不同施肥方式和施肥量对冬小麦和玉米的产量、磷素吸收利用的影响。结果表明，长期施磷［氮磷肥配合施用（NP）、氮磷肥和秸秆配合施用（SNP）、单施有机肥（M）、氮磷肥和有机肥配合施用（MNP）］处理的冬小麦产量为 3 519～4 621 kg/hm2，玉米为5 303～6 332 kg/hm2，二者均较不施磷肥处理［不施肥（CK）、单施氮肥（N）］提高了2～4倍，且施磷处理之间无显著差异。冬小麦和玉米长期施用磷肥处理（NP、SNP、M、MNP）的吸磷量均高于不施磷处理（CK、N），所有施磷处理的玉米吸磷量均高于冬小麦。经过28 a的施磷处理，玉米的农学利用效率平均为12.42～77.10 kg/kg，冬小麦的农学利用效率平均为9.13～73.41 kg/kg，每投入1 kg磷肥增加的玉米籽粒产量高于冬小麦籽粒产量。所以在黑垆土上施磷时应冬小麦重施，玉米轻施。所有施磷处理玉米季的磷肥回收率平均为5.18%～30.15%，冬小麦季平均为2.93%～20.07%。其中NP的磷肥回收率最高，均高于其他施磷处理。所有施磷处理下，玉米的年均磷肥回收率均高于冬小麦，且玉米的磷肥回收率较冬小麦高50.2%～76.6%。

2）我国目前冬小麦生产中，肥料的当季利用率不高，提高肥料利用率对农业发展具有重要意义。本研究分析了长期不同施肥下冬小麦和玉米的产量、磷素吸收、农学利用效率、磷肥回收率的差异及其时间变化特征，结果表明，冬小麦的平均产量在氮磷肥和有机肥配合施用时效果最好，增产率达244.28%；其次是氮磷肥和秸秆配合施用、氮磷肥配合施用、单施有机肥，增产率依次是217.35%、188.11%和156.10%；单施氮肥较不施肥处理增产41.66%。玉米的平均产量也以氮磷肥和有机肥配合施用效果最好，增产率为146.76%；其次是氮磷肥和秸秆配合施用、氮磷肥配合施用、单施有机肥，增产率依次是122.27%、106.88%和103.00%。单施氮肥较对照不施肥处理增产9.25%。冬小麦和玉米的增产顺序由大到小均为氮磷肥和有机肥配合施用（MNP）、氮磷肥和秸秆配合施用（SNP）、氮磷肥配合施用（NP）、单施有机肥（M）、单施氮肥（N）、不施肥（CK）。可见化肥和有机肥只有合理配合施用，才能获得高产［13-15］。

3） 黑垆土长期施磷处理下，冬小麦和玉米的农学利用效率和磷肥回收率的变化率变化不大，施用磷肥可以持续保持冬小麦、玉米的磷肥农学利用效率和磷肥回收率，但玉米季的农学利用效率和回收率均高于冬小麦。对冬小麦、玉米的农学利用效率和磷肥回收率的分析表明，经过28 a的施磷处理，玉米季农学利用效率平均为12.42～77.10 kg/kg，冬小麦农学利用效率平均为9.13～73.41 kg/kg，冬小麦季农学利用效率由高到低的顺序为：氮磷肥配合施用（NP）、氮磷肥和有机肥配合施用（MNP）、氮磷肥和秸秆配合施用（SNP）、单施有机肥（M）。其中氮磷肥配合施用（NP）处理的农学利用效率最高，而单施有机肥（M）处理的农学利用效率最低，这与有机肥处理大量投入的磷素有关。玉米季磷肥回收率的平均值为5.18%～30.15%，冬小麦季磷肥回收率的平均值为2.93%～20.07%。本研究中磷肥的当季回收率都较前人的研究结果低。如黄绍敏对河南潮土的研究发现，在施磷量相同（165 kg/hm2）情况下，施用化肥NPK和NP冬小麦磷肥回收率最高，分别为68.4%和46.0%，是最佳施肥配合［7］。前人在稻田、旱地、酸性土、碱性土上的研究均认为磷肥都具有明显的残效，而且施磷量越低的土壤磷肥的效率越高［16-17］，这与本研究的结果一致。本研究表明，NP处理的磷肥回收率较其余施磷（SNP、M、MNP）处理高，这可能与有机肥投入的大量磷素以有机磷为形态储存于土壤［18］，降低了磷肥的利用效率有关。

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