不同小麦品种及秸秆处置方式对农田磷素平衡的影响

盛 婧，孙国峰，吴纪中，刘红江，王 鑫

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京 210014)



不同小麦品种及秸秆处置方式对农田磷素平衡的影响

盛 婧，孙国峰，吴纪中，刘红江，王 鑫

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京 210014)

为掌握不同小麦品种秸秆还田对农田磷素平衡的影响，优化麦田养分资源管理，以当前江苏省农业生产上主导品种和有苗头的小麦新品种(系)为供试材料，研究不同小麦品种成熟期植株磷素含量与分布，分析其秸秆还田与不还田条件下土壤磷素盈亏的差异。结果表明，磷高效吸收型小麦品种的籽粒磷含量较高，其磷素携出量和回田量较高；在常规磷肥施用量49 kg P·hm-2条件下，若秸秆不还田，磷高效吸收型品种种植土壤中磷呈现少量亏损状态；而磷低效吸收型品种的籽粒磷含量较低，其磷素携出量和回田量较低，无论秸秆还田与否，土壤磷均有盈余。与秸秆不还田相比，秸秆直接还田显著增加了小麦磷素回田量，减少了小麦磷素携出量。秸秆不还田时，麦田土壤磷盈亏量为 -4.7～25.2 kg·hm-2；秸秆直接还田时，所有小麦品种种植土壤中磷素均呈盈余状态，土壤磷盈亏量为4.0～30.3 kg·hm-2。在供试的32个小麦品种中，秸秆不还田方式下农田磷素大量盈余的品种有9个，秸秆还田方式下农田磷素大量盈余的品种有28个。在当前秸秆还田的大趋势下，要维持农田磷素平衡，对大部分小麦品种均应适当减少磷肥施用量。

小麦; 品种; 秸秆还田; 磷;养分平衡

磷是植物正常生长发育必需的营养元素，但磷素大量进入水体会导致水体污染，水体中磷含量高低与其污染程度密切相关。为了减少农田磷素面源污染和资源浪费，有必要关注土壤中磷素的累积状况。一般认为，我国农田磷肥的当季利用率仅为7.3% ～20.1%[1]。Sabrawat等[2]和Bolland[3]研究表明，磷素积累在土壤中的后效很高。因此，从长期考虑，研究农田磷素的表观平衡具有重要意义。

秸秆还田是当前农业生产中秸秆处理的主要方式[4]。秸秆中含有氮、磷、钾及微量元素，秸秆还田后土壤养分会得到补充。李秋梅等[5]研究表明，冬小麦-夏玉米轮作体系中，磷肥施用量为79 kg P·hm-2条件下，秸秆还田土壤中磷素盈余量为46～47 kg·hm-2，而秸秆不还田为36～37 kg·hm-2。如果此时农田施肥量仍保持与秸秆不还田时相同，势必会造成肥料浪费和环境污染[6-8]。秸秆还田对土壤磷素的影响大小与还田作物品种存在密切关系。不同作物品种由于植株养分吸收能力有差异，其秸秆还田土壤磷素状况必然也会有所差异。袁维翰等[9]研究表明，当化肥投入量为N 315 kg·hm-2、P 78.6 kg·hm-2、K 173.6 kg·hm-2时，花生-春玉米轮作农田土壤氮、磷、钾的收支表观平衡均为盈余；若养分投入量减半，基本维持土壤氮、磷、钾收支表观平衡。夏小江等[10]研究表明，太湖地区稻麦、稻油两种种植模式的周年磷盈余率较低，分别为9.0%和-7.4%。戴志刚等[8]研究表明，稻-稻-油种植模式秸秆还田条件下，农田生态系统磷素有一定的剩余，而秸秆未还田田块磷略有亏损。叶 灵等[11]研究表明，在小麦-玉米轮作体系中，高产田和常规农田的磷素都有盈余，分别盈余122和162 kg·hm-2。庄恒扬等[12]研究表明，稻麦高产田的磷素皆有盈余，盈余量为19.15～32.78 kg·hm-2；中高产水平稻麦田的磷盈余量3.07～16.70 kg·hm-2。

以上关于土壤磷素平衡的研究主要集中在对作物类型的研究上，而针对同一作物类型不同品种对土壤磷素平衡的影响尚未见报道。本研究以当前江苏省农业生产上主导品种和有苗头的小麦新品种(系)作为供试材料，探析不同小麦品种成熟期植株磷素含量与分布，分析秸秆还田与不还田条件下农田磷素盈亏的差异，以期了解不同小麦品种和秸秆处置方式对农田生态系统磷素平衡的影响，为麦田养分资源的优化管理以及环境政策的制定提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验设计

试验于2012-2013年在江苏省农业科学院试验基地(32°02′N，118°52′E)进行。试验地土壤类型为棕壤土，0～20 cm耕层土壤地力为有机质13.8 g·kg-1、全氮1.85 g·kg-1、全磷 0.58 g·kg-1、速效磷16.8 mg·kg-1、速效钾88.7 mg·kg-1。参试小麦品种32个，为江苏省当前农业生产上主导和待推广的新品种(系)(表1)。采用条播，播种量160万株·hm-2，行距25 cm。每品种种植小区面积1 m2，重复3次。磷肥施用量112.5 kg P2O5·hm-2，为当地高产小麦田的推荐施用量，折合49 kg P·hm-2，一次性基施。其他水肥管理措施同常规大田生产。成熟期收获籽粒称重，烘干后计算产量。

1.2测定方法

成熟期每小区随机选取三点进行整株拔除，每点取5株；将植株去除根系，按照籽粒、颖壳、上部茎秆(穗下节茎叶)、中部茎秆(倒二节、倒三节茎叶)、下部茎秆(基部一、二节茎叶)分开；105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重。烘干样品经植物粉碎机粉碎后，用H2SO4-H2O2消解至溶液澄清，加水定容，样品磷含量采用流动分析仪测定。

1.3植株磷回田量和土壤磷盈亏量计算

在秸秆不还田的条件下，小麦颖壳和基部5 cm茎秆由于机械化收获被留在农田中；而秸秆还田方式下，留在农田的部分为小麦颖壳和秸秆。因此，两种方式磷回田量的计算公式为：

秸秆不还田条件下P回田量=颖壳P含量+下部秸秆P含量

(1)

表1　供试小麦品种特点及审定时间Table 1　Wheat varieties and their characteristices

秸秆不还田条件下P回田率=秸秆不还田条件下P回田量/植物总P量×100%

(2)

秸秆还田条件下P回田量=颖壳P含量+上部秸秆P含量+中部秸秆P含量+下部秸秆P含量

(3)

秸秆还田条件下P回田率=秸秆还田条件下P回田量/植物总P量×100%

(4)

本研究中小麦生长期土壤P素的变化忽略不计，土壤表观P平衡的计算公式为：

土壤P盈亏量=P投入量- P携出量

(5)

式中，P投入量为小麦整个生育期投入的P肥量；P携出量为籽粒携出的P含量，若秸秆不还田，还包括上、中部秸秆收获时携出的P含量。

1.4统计分析方法

采用Excel和SPSS 19.0分析软件进行数据统计分析，并对供试小麦品种(系)的植株磷吸收量进行聚类分析。

2　结果与分析

2.1不同小麦品种成熟期植株磷含量及分布

由32个小麦品种成熟期植株磷含量(表2)可知，植株磷含量为28.1～62.4 kg·hm-2。以不同小麦品种植株磷含量作为指标进行聚类分析，可将32个小麦品种分为磷高效吸收型(Ⅰ型)、磷中等吸收型(Ⅱ型)、磷低效吸收型(Ⅲ型)3个类型(图1)，其中磷高效吸收型的小麦品种有4个，分别为淮麦28、扬09G143、农麦1号和镇麦12号；磷低效吸收型的小麦品种有9个，分别为华瑞1101、2012-2-2、淮麦1109、扬麦19、华瑞0049、淮麦31、黄淮H09-2、淮麦26、扬麦16；其余19个品种均属于磷中等吸收型的小麦品种。

不同类型间小麦植株磷含量差异显著(表3)。Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型小麦品种的植株磷含量平均值分别为57.7、42.4和31.1 kg·hm-2。从不同部位分布来看，籽粒、颖壳磷含量表现为Ⅰ型>Ⅱ型>Ⅲ型，3者差异显著。其中Ⅰ型小麦品种籽粒、颖壳磷平均含量分别为40.5和5.0 kg·hm-2，Ⅱ型小麦品种分别为29.0和4.0 kg·hm-2，Ⅲ型小麦品种仅为20.8和3.2 kg·hm-2。上节、中节磷含量及籽粒磷占植株总磷量的比例均表现为Ⅰ型和Ⅱ型显著高于Ⅲ型。由于成熟期小麦植株吸收的磷素主要集中在籽粒中(占60%以上)，秸秆磷素含量仅占籽粒磷含量的1/3左右，因此植株磷含量高低主要取决于籽粒对磷的吸收能力。

2.2不同类型小麦收获后磷素的回田量

小麦收获时秸秆的处置方式显著影响磷素的回田量。由图2可以看出，当秸秆不还田时，小麦植株返还到土壤中的磷素量为4.1～8.6 kg·hm-2，占植株磷素吸收量的11.6%～19.6%。 不同类型小麦品种磷素的回田量差异显著(表4)。Ⅰ型小麦品种具有较高的磷返还量和较低的返还比例，其返还量为7.6 kg·hm-2，占植株总量的13.2%；Ⅲ型小麦具有较低的磷返还量和较高的返还比例，其返还量为4.6 kg·hm-2，占植株总量的15.6%。

在秸秆还田方式下，小麦植株返还到土壤中的磷素为9.4～18.1 kg·hm-2，占植株磷素吸收量的27.8～35.8%。与秸秆不还田方式相比，秸秆还田方式向农田返还的磷素量增加，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型小麦品种磷素的回田量分别增加9.5、7.1、5.4 kg·hm-2，占植株磷吸收量的比例分别为29.8%、31.5%和33.3%。

2.3不同类型小麦收获后农田磷素的盈亏量

土壤表观养分平衡是评价农田土壤养分亏缺状况和土壤生产力的重要方法。对小麦籽粒收获后土壤的表观磷平衡分析结果(图3，表5)表明，在秸秆不还田方式下，小麦收获从土壤中携出的磷素为23.8～53.7 kg·hm-2，土壤盈亏量为-4.7～25.2 kg·hm-2。不同类型小麦品种表现为植株磷吸收量越高的品种，磷携出量越高，土壤盈余量越少。Ⅰ型小麦品种磷携出量高达50 kg·hm-2，其种植土壤磷呈现少量亏损状态，主要表现在2012-D16和淮麦28两个品种上；Ⅲ型小麦品种磷携出量较低，仅26.0 kg·hm-2，土壤中磷大量盈余，其盈余量占施肥量的比例为46.9%。

在秸秆还田方式下，小麦收获从土壤中携出的磷量为18.7～45.0 kg·hm-2；土壤盈亏量为4.0～30.3 kg·hm-2。表明采取秸秆直接就地还田方式，在当前磷肥施用量49 kg P·hm-2条件下，所有小麦品种种植土壤磷素均呈盈余状态。其中Ⅰ型小麦品种种植土壤磷盈余量较少，而Ⅱ、Ⅲ型小麦品种均表现土壤磷素大量盈余，其盈余量占施肥量的比例分别为41.1%和58.1%。秸秆直接就地还田方式下，不同类型小麦品种间土壤磷盈余量差异小于秸秆不还田方式。

图1　不同小麦品种植株磷含量的聚类分析

项目Item植株总磷量PlantPcontent/(kg·hm-2)磷含量 Pcontent/(kg·hm-2)籽粒Grain颖壳Husk上节Upperstalk中节Middlestalk下节Lowerstalk比例 Ratiotoplant/%籽粒Grain颖壳Husk上节Upperstalk中节Middlestalk下节Lowerstalk最大值Maximum62.445.05.75.16.23.672.213.69.412.56.6最小值Minimum28.118.72.41.82.51.264.26.94.87.82.6变异系数CV40.928.03.92.94.12.168.29.67.010.15.1平均值Average21.423.321.727.020.426.63.016.616.511.518.9

表3　不同类型小麦品种植株的磷含量及分布Table 3　Content and distribution of P in different organs of different types of wheat variety at mature stage

Ⅰ：磷高效吸收型；Ⅱ：磷中等吸收型；Ⅲ：磷低效吸收型；同列数据后不同小写字母表示类型间差异达显著水平(P<0.05)；表4同。

Ⅰ：The type of high P absorption efficiency；Ⅱ：The type of medium P absorption efficiency；Ⅲ：The type of low P absorption efficiency；Different small letters following data in the same column mean significant difference among types at 0.05 level；The same as table 4.

图2　两种秸秆处置方式下小麦品种的磷回田量(A)及回田率(B)

类型Type秸秆不还田Nostrawreturn磷回田量 Preturnamount/(kg·hm-2)磷回田率Preturnratio/%秸秆还田Strawreturn磷回田量 Preturnamount/(kg·hm-2)磷回田率Preturnratio/%Ⅰ7.6a13.217.1a29.8aⅡ6.2a14.613.3b31.5aⅢ4.8b15.610.2c33.3b

图3　两种秸秆处理方式下小麦品种磷携出量(A)及盈亏量(B)

类型Type秸秆不还田 Nostrawreturn磷携出量Puptake/(kg·hm-2)磷盈亏量Pbudget/(kg·hm-2)磷盈亏量占施肥量的比例PercentageofPbudgettofertiliaztion/%秸秆还田 Strawreturn磷携出量Puptake/(kg·hm-2)磷盈亏量Pbudget/(kg·hm-2)磷盈亏量占施肥量的比例PercentageofPbudgettofertiliaztion/%Ⅰ50.0A-1.0A-2.1A40.5A8.5A17.3AⅡ36.0B13.0B26.5B28.9B20.1B41.1BⅢ26.0C23.0C46.9C20.5C28.5C58.1C

同列不同大写字母表示类型间差异达极显著水平(P<0.01)。

Different capital letters in the same column mean significant difference among types at 0.01 level.

3　讨 论

随着育种技术和信息化的迅速发展，品种多样化成为现代农业的又一大特征。品种多样化给农业生产带来了品质和产量的巨大提高，但同时也改变了作物的养分需求。研究新育成品种的养分需求和管理，对于品种推广、尤其是农业面源污染控制意义重大。磷是造成水体污染的主要养分因子，是否继续大量施用磷肥是近来生产中一直争论的问题。已有报道表明，土壤表观养分平衡可以较好评价农田养分亏缺状况以及土壤生产力[6]。本研究分析了不同小麦品种秸秆还田对土壤磷素平衡的影响，以期为麦田养分优化管理以及面源污染控制提供理论依据。本研究中，成熟期小麦品种植株磷含量为28.1～62.4 kg·hm-2；不同小麦品种存在显著的磷吸收能力差异，其结果与郭程瑾[13]、王树亮等[14]的研究结果基本一致。本研究依据植株磷含量进行聚类分析，将32个小麦品种分为磷高效吸收型、中等吸收型、低效吸收型3种类型，磷高效吸收型小麦品种的籽粒磷含量较高，其磷素携出量和回田量较高。在当前磷肥施用量49 kg P·hm-2条件下，若秸秆不还田，磷高效吸收型品种种植土壤磷呈现少量亏损状态；而磷低效吸收型品种则具有较低的籽粒磷含量，其磷素携出量和回田量较低，无论秸秆是否还田，土壤磷均大量盈余。与秸秆不还田相比，秸秆还田显著地增加了小麦磷素回田量、减少了小麦磷素携出量。小麦秸秆不还田时，麦田土壤磷盈亏量为-4.7～25.2 kg·hm-2，而采取秸秆还田方式，所有小麦品种种植土壤磷素均呈盈余状态，土壤磷盈亏量为4.0～30.3 kg·hm-2。

尽管土壤磷平衡计算反映的是当季土壤磷素盈余或亏缺，但是由于一个区域的种植制度、施肥方式与习惯往往是长期的固定行为，很难有大的改变，多年累积就会造成土壤磷素含量的升高或降低[15]。国内外研究表明，磷平衡和土壤有效磷具有线性定量关系，每盈余100 kg P ·hm-2，可增加土壤Olsen-P 2～6 mg ·kg-1[16-17]。当农田中磷素过量时，其易被土壤吸附固定，盈余的磷素能够累积到土壤中增加土壤供磷能力，然而当磷素累积超过一定水平时，即可能对环境产生潜在的威胁，发生被淋洗、流失的风险[8]。曹 宁等[18]认为，从农业需求和环境保护角度，土壤有效磷的最适范围应在30～50 mg·kg-1之间。马保国等[19]认为，土壤施用磷肥 45～90 kg P2O5·hm-2，就可以维持土壤-作物体系中磷素的收支平衡。本研究中施用的磷肥量为当地推荐施肥量112.5 kg P2O5·hm-2，即49 kg P·hm-2，在供试的32个小麦品种中，秸秆不还田方式下农田磷素大量盈余的品种有9个，秸秆还田方式下农田磷素大量盈余的品种有28个。由此推断，在大多数小麦品种生产中，长期施用该磷肥用量会造成较大的面源污染风险。一般认为，作物生长过程中土壤磷素损失量约为20%[20]。在当前我国农田磷素基本盈余[15]的状况下，将秸秆进行全量还田，大部分小麦品种均应减少农田磷肥施用量，以维持农田生态系统磷素的平衡，从而减少面源污染和资源浪费。

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Effect of Wheat Varieties and Straw Management on Soil Phosphorus Balance

SHENG Jing, SUN Guofeng, WU Jizhong, LIU Hongjiang, WANG Xin

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing, Jiangsu 210014, China)

In order to verify the effect of wheat varieties on soil phosphorus(P) balance in straw return fields, a total of 32 currently widely-planted or testing wheat varieties(or lines) in Jiangsu province were selected. The objectives of this study aimed to identify the variation of P concentration and distribution in plant induced by wheat varieties at mature stage, and to quantify the effect of straw disposal(straw return and no straw return) on soil P balance.The results showed that the wheat varieties with high P absorption ability performed high phosphorus concentration in grain, and thus relative high phosphorus rate returned to soil with plant residue return and removed rate from soil with grain harvest. However, the wheat varieties with low P absorption ability had a contrasting performance. At the currently widely-used P fertilizer application rate(49 kg P·hm-2), the grain harvest without straw return resulted in a small P deficit in soil for the wheat varieties with high P absorption ability. While for the wheat varieties with low P absorption ability, a relative large P surplus in soil was observed in both straw return and no straw return fields. Soil P surplus/deficit rate was determined by both straw disposal and variety selection. In no straw return fields, the soil P surplus/deficit rates ranged from -4.7 to 25.2 kg·hm-2, while it ranged from 4.0 to 30.3 kg·hm-2in straw return fields. It was suggested that the application rate of P fertilizer should be appropriately reduced to maintain the balance of soil P under the increasing trend of the application of straw return management in wheat fields.

Wheat; Variety; Straw return; Phosphorus; Nutrient balance

2016-02-23

2016-04-10

国家科技支撑计划项目(2012BAD14B12)

E-mail：nkysj@hotmail.com

S512.1；S312

A

1009-1041(2016)09-1191-08

网络出版时间：2016-08-31

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160831.1649.018.html