施磷对滴灌苜蓿干草产量及磷素含量的影响

孙艳梅，刘选帅，张前兵*，吴昊，张新田，苗晓茸，刘俊英，于磊，马春晖*

(1.石河子大学动物科技学院，新疆 石河子 832003；2.新疆生产建设兵团畜牧兽医工作总站，新疆 乌鲁木齐 830001)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生优质豆科牧草，具有产草量高、营养品质好、适应性广等特点，被誉“牧草之王”，且种植苜蓿具有提高土壤肥力、改善土壤盐渍化的效果[1-3]，然而苜蓿产量和营养品质受磷含量的影响[4]，磷是植物体内部不可或缺的营养元素，构成植物生物膜并参与一些生物化学活动[5]，故施磷对提高苜蓿产量和改善营养品质具有极其重要的意义。

有研究报道，新疆的灰漠土是典型的缺磷土壤，有效磷含量很低，其含量不到全磷含量的1%[6]。且全磷含量从1980-2014年呈下降趋势[7]，研究表明，适当施磷肥能够提高苜蓿干草产量[8]，但磷肥施入土壤后，容易被金属离子固定[9]，降低其移动性。同时，在实际生产中施入土壤的磷肥大部分在当季不能全部被利用，苜蓿的磷素利用效率仅为5%～25%[10-11]，剩下的磷则以难溶性磷的形式残留在土壤中，使土壤中磷富集，在限制苜蓿生长发育的同时，造成土壤的磷污染。土壤中能被苜蓿所利用的磷主要为土壤有效磷，土壤有效磷含量与磷素利用效率密切相关，而肥料利用率的高低是衡量施肥是否合理的一项重要指标，如何提高苜蓿磷素利用效率成为人们研究的热点问题。研究表明，在大田施肥，可以有效提高土壤全磷、速效磷的含量，改善土壤肥力[12]。同时，施磷可以提高苜蓿的产草量[13]，且在一定范围内施磷能够增加苜蓿叶中磷含量[14]，但随着施磷量的增加，磷素的利用率降低[15-16]。一次性施肥与土壤磷素接触时间长，易于吸附成难溶性磷酸盐，降低了磷素利用率，造成资源的浪费，而分次施肥能够提高磷素利用率[15]。目前的研究主要集中在传统灌溉模式下施磷对苜蓿产量、营养品质、磷素利用效率的影响等方面，而在滴灌条件下分次施磷对苜蓿植株吸磷量、磷素不同土层深度特征的影响鲜见报道，尤其是滴灌苜蓿不同茬次间的分次最优施磷模式未见报道，滴灌条件下苜蓿植株的磷素含量、吸磷量、磷素利用效率、干草产量之间的关系尚不明确。

因此，本试验以滴灌苜蓿为研究对象，开展分次施磷对滴灌苜蓿吸磷量、磷素不同土层深度特征的影响研究，明确滴灌苜蓿磷素含量、吸磷量、磷素利用效率、干草产量之间的关系，探讨滴灌条件下苜蓿不同刈割茬次间的最优施磷模式，以期为制定最优施磷模式进而提高苜蓿干草产量及营养品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在石河子农业示范园区试验田(44°26′ N，85°95′ E)进行。土壤类型为灰漠土，土壤容重为1.48 g·cm-3，田间持水量为24.6%，土壤饱和体积含水量为29.2%，0～20 cm耕层土壤含有机质25.3 g·kg-1，碱解氮72.6 mg·kg-1，全氮1.61 g·kg-1，速效磷16.3 mg·kg-1，全磷0.21 g·kg-1，速效钾139.6 mg·kg-1，pH为7.75。前茬作物为棉花(Gossypiumspp.)。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，设4种施磷梯度，分别为施P2O50 kg·hm-2(CK)、50 kg·hm-2(P1)、100 kg·hm-2(P2)、150 kg·hm-2(P3)，3次重复，一共12个小区，每种施磷梯度平均分4次分别在返青后的分枝期、第1茬、第2茬、第3茬刈割后3～5 d施入，刈割共4茬，刈割具体时间2017年5月22日，6月26日，7月30日和9月23日。具体施肥时间分别为2017年4月29日，5月25日，6月28日和8月4日。所用磷肥为水溶性较好的磷酸一铵(含P2O552%，新疆天业集团有限公司生产)，采用“肥随水走”的水肥一体化施肥方式，为整个生育期灌溉量为6750 m3·hm-2(满足当地滴灌苜蓿高产的实际灌水量)，分8次进行灌溉，每茬刈割前8～10 d及刈割后3～5 d进行灌溉。具体灌溉时间分别为2017年4月29日，5月25日，6月18日，6月28日，7月20，8月4日，9月15日和9月26日。

试验田于2015年4月19日播种，供试紫花苜蓿品种为巨能551(Magnum，来自北京克劳沃草业技术开发中心)，播种方式为人工条播，每个小区面积为8 m(长)×5 m(宽)=40 m2，苜蓿行间距为20 cm，播种量为18 kg·hm-2，播种深度为2.0 cm。滴灌带浅埋于地表8～10 cm，滴灌带间距60 cm，所用滴灌带为内镶式滴灌带(北京绿源有限公司生产)，滴头间距为20 cm。

1.3 测定指标及方法

1.3.1苜蓿干草产量 采用样方法测定，在每茬苜蓿初花期(开花5%左右)随机选取长势均匀一致且能够代表该小区长势的苜蓿植株，以1 m×1 m为一个样方，用剪刀剪取样方内的苜蓿植株(留茬高度5 cm)，称重，记录苜蓿植株鲜草产量，3次重复；另取3份300 g左右鲜草样品带回实验室，在烘箱中于105 ℃杀青30 min后，于65 ℃烘干至恒重，测定其含水率并折算出苜蓿干草产量(kg·hm-2)。具体计算公式如下：

干草产量=鲜草产量×(1-含水率)

(1)

1.3.2苜蓿植株磷素含量及吸磷量 在苜蓿干草产量测定的过程中，将取回的3份300 g左右鲜草样品烘干后，进行茎叶分离后将其粉碎，用钼锑抗比色法[17-18]测苜蓿植株叶片和茎秆磷含量。苜蓿植株吸磷量(kg·hm-2)计算公式如下：

吸磷量=植株磷含量×干草产量

(2)

1.3.3土壤磷素含量 在苜蓿干草产量测定的同时，采用“S”形取样法，在每个小区用土钻器采取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤样品，其中不同土层深度均在一个地点采样，5次重复，剔除苜蓿根段和石块等杂质后带回实验室，于阴凉通风处阴干备用。土壤全磷(total phosphorus，TP)采用硫酸-高氯酸消煮法测定，有效磷(available phosphorus，AP)采用NaHCO3浸提钼锑抗法测定[18]。

1.3.4磷素利用效率

磷素利用效率=(施肥区磷素吸收量-未施肥区磷素吸收量)/总施磷量×100%

(3)

1.4 数据处理分析

利用 Microsoft Excel 2007和DPS 7.05进行数据处理分析，采用新复极差法(Duncan)对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 苜蓿植株叶片、茎秆磷含量

苜蓿植株叶片、茎秆磷含量如表1所示，苜蓿叶片磷含量随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，在P2处理达到最大值外，不同施磷处理其最大磷含量在0.224%～0.292%波动。各茬次均为施磷(P1、P2、P3)处理显著大于不施磷(CK)处理(P<0.05)，P1、P3处理在第1茬、第3茬、第4茬差异均不显著(P>0.05)。不同茬次间，随刈割茬次的递进，苜蓿叶片磷含量呈先增加后降低的趋势，均在第3茬达到最大值。相同施磷处理及刈割茬次间，苜蓿植株叶片磷含量大于茎秆中磷含量。

苜蓿植株茎秆中磷含量均为随着施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，其中4茬均在P2处理达到最大值，不同施磷处理其最大磷含量在0.151%～0.223%波动。除第3茬施磷(P1、P2、P3)与不施磷(CK)差异不显著外，其他茬次施磷(P1、P2、P3)处理苜蓿植株茎秆磷含量均显著大于不施磷(CK)处理(P<0.05)。随着茬次的递进苜蓿茎秆磷含量呈先增后减的趋势。不施磷(CK)在第3茬取得最大值，数值为0.151%，施磷处理P1、P2苜蓿茎秆磷含量在第2茬取得最大值，数值分别为0.187%、0.223%，P3处理在第3茬达到最大值为0.184%。

表1 不同施磷条件下滴灌苜蓿叶片和茎秆磷含量 Table 1 Phosphorus concentration in leaf and stem of drip irrigation alfalfa under different phosphorus fertilizer treatment (%)

注：同列不同大写字母表示在0.05水平上差异显著，同行不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同。

Note：Different capital letters within the same column mean significant difference at the 0.05 level, different small letters within the same row mean significant difference at 0.05 level. The same below.

2.2 苜蓿植株干草产量和吸磷量

不同施磷条件下滴灌苜蓿干草产量如表2所示，随施磷量的增加，滴灌苜蓿干草产量各茬次间呈先增后减的趋势，均在P2处理时达到最大，第1茬干草产量在P2与P3处理显著大于P1、CK处理(P<0.05)，但P2与P3处理差异不显著(P>0.05)。施磷(P1、P2、P3)处理苜蓿干草产量均显著大于不施磷(CK)处理(P<0.05)。滴灌苜蓿总干草产量为P2处理最大，达到21.24 t·hm-2。不同茬次间，相同施磷条件下，随着刈割茬次的递进，不同施磷处理的苜蓿干草产量均呈逐渐降低的趋势，CK、P1、P3苜蓿干草产量随着茬次的增加均差异显著(P<0.05)。

不同施磷条件下苜蓿植株的吸磷量如表2所示，与不施磷处理(CK)相比，施磷(P1、P2、P3)处理条件下苜蓿植株的吸磷量均显著大于不施磷(CK)处理(P<0.05)，且各茬次苜蓿植株的吸磷量均为随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，且在P2处理达到最大值，第1茬至第4茬苜蓿植株的吸磷量最大值分别为13.78、14.31、13.22和6.76 kg·hm-2，且前3茬苜蓿植株的吸磷量显著大于第4茬(P<0.05)。总吸磷量施磷(P1、P2、P3)处理苜蓿植株茎秆磷含量均显著大于不施磷(CK)处理(P<0.05)。

2.3 苜蓿磷素利用效率

CK处理为不施磷处理，故不计算苜蓿磷素利用效率。施磷条件下，随施磷量的增加，滴灌苜蓿磷素利用效率呈逐渐降低的趋势(表3)，除第4茬外，其他各茬次P1与P2处理的苜蓿磷素利用效率差异均不显著(P>0.05)，且P1、P2处理显著大于P3处理(P<0.05)。在各茬次间，P1与P2处理苜蓿植株的磷素利用效率为16.05%～28.37%，P3处理苜蓿植株的磷素利用效率均不到15%，至第4茬苜蓿植株的磷素利用效率仅为4.43%。不同茬次间，P1、P2处理苜蓿的磷素利用效率均为第1茬最大，随着茬次的递增呈现逐渐减小的趋势。P3处理随着茬次的递增呈先增加后降低的趋势。总的磷素利用效率P1、P2显著大于P3处理(P<0.05)，且数值均小于第1茬。

2.4 土壤全磷、速效磷含量

与不施磷处理(CK)相比，同一深度土层下，随施磷量的增加，滴灌苜蓿田土壤全磷、速效磷含量均呈逐渐增加的趋势，至P3处理达到最大(表4)；0～60 cm土层土壤全磷含量均为P2、P3处理显著大于P1、CK处理(P<0.05)。相同土壤深度及施磷处理下，不同茬次间，0～20 cm土层土壤全磷含量为第1茬>第4茬>第3茬>第2茬，除CK处理第2茬与第3茬差异不显著外(P>0.05)，其他处理各茬次均差异显著(P<0.05)；20～60 cm土层土壤全磷含量均为随刈割茬次的增加呈逐渐增大的趋势，且第4茬显著大于第1茬(P<0.05)。0～60 cm土层土壤速效磷含量为P3处理显著大于P2、P1及CK处理(P<0.05)，相同土壤深度及施磷处理下，不同茬次间，0～20 cm土层土壤速效磷含量为第1茬>第3茬>第2茬>第4茬，且各茬次间均差异显著(P<0.05)，20～60 cm土层土壤速效磷含量均随刈割茬次的增加呈逐渐降低的趋势，且各茬次间均差异显著(P<0.05)。相同施磷处理及刈割茬次下，土壤全磷、速效磷含量均为0～20 cm土层含量最高，随土壤深度的增加，其含量逐渐降低，至地下60 cm深度时其含量降至最低，且0～20 cm土层土壤全磷、速效磷含量显著大于20～40 cm及40～60 cm土层(P<0.05)。

2.5 不同施磷条件下各指标相关性分析

皮尔逊相关系数是一种度量两个变量间相关程度的方法。它是一个介于1和-1之间的数值，其中，1表示变量完全正相关，0表示不相关，-1表示完全负相关。通过皮尔逊相关性分析表明(表5)，不同施磷肥条件下，茎秆磷含量与叶片磷含量显著正相关(P<0.05)，干草产量与茎秆磷含量极显著正相关(P<0.01)，苜蓿植株吸磷量与叶片磷含量显著正相关(P<0.05)，与茎秆磷含量、干草产量与茎秆磷含量极显著正相关(P<0.01)；速效磷与全磷极显著正相关(P<0.01)；全磷、速效磷与叶片磷含量负相关。全磷与茎秆磷含量以及磷素利用效率、速率磷与磷素利用率负相关，其他各指标之间均为正相关。

表5 不同施磷处理下各指标相关性分析 Table 5 The correlation analysis of each index under different phosphorus fertilizer treatment

注：* 表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关，** 表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关。

Note：*，significant correlation was found at the 0.05 level (bilateral); **,significant correlation was found at the 0.01 level (bilateral).

2.6 最优施磷模式的模糊相似优先比评价

模糊相似优先比法是以众多样品与一个固定最优样品做比较，筛选出目标样本与固定样本最相似的一个或几个样品，其结果为相似度越低评价效果越好。通过模糊相似优先比评价结果(表6)表明：综合滴灌苜蓿干草产量、磷素利用效率、土壤全磷及速效磷含量指标，按照不同茬次间的施磷量进行最优组合相似度排序，各茬次中各处理最优排序均为P2>P1>P3，且各茬次最优组合相似度最小值均为P2处理。说明不同茬次间施磷模式为：施P2O5为100 kg·hm-2(P2)时，有利于促进滴灌苜蓿对土壤速效磷的吸收，提高磷素利用效率，进而提高滴灌苜蓿干草产量。

表6 最佳施磷模式的模糊相似优先比评价 Table 6 Compared with the best phosphorus fertilizer treatments and cutting on fuzzy similarity priority ratio

3 讨论

3.1 施磷对苜蓿叶茎磷含量、干草产量、吸磷量以及磷素利用效率的影响

施磷对苜蓿植株的叶片和茎秆磷含量具有显著影响，本研究表明，随着施磷量的增加，紫花苜蓿叶片和茎秆的磷含量呈先增加后降低的趋势，在P2处理条件下达到最大值(表1)，苜蓿植株含磷量受施入土壤中磷素含量多少的影响，土壤磷含量过高，反而不利于植物的生长(表4)。本研究中，苜蓿植株叶片、茎秆中的磷含量随着刈割茬次的递进，呈现出先增加后降低的趋势，其中CK、P1、P2苜蓿植株叶片和茎秆中的磷含量在第2茬或第3茬中达到最大值(表1)。试验表明，苜蓿植株在经过多次刈割后，超补偿性生长现象更加明显，表现出随着刈割茬次的增加，地上部分的生物量逐渐积累[19]。多次刈割能使苜蓿在生长发育过程中强化了从土壤中吸收磷的功能[20]，进而导致苜蓿植株中叶、茎磷含量上升，而最后一茬苜蓿植株磷含量下降，可能是因为多次刈割后导致根系活力下降[21-22]，抑制根系生长，同时也抑制了苜蓿根系对磷的吸收，使植株含磷量降低。

通过在新疆滴灌条件下对紫花苜蓿巨能品种进行施磷处理发现，施磷与未施磷处理苜蓿干草产量与苜蓿吸磷量差异显著，且随着施磷量的增加，苜蓿干草产量与苜蓿吸磷量呈先增加后降低的趋势(表2)，苜蓿吸磷量是由干草产量和植株磷含量两部分因素构成，研究表明，施磷肥能够显著增加紫花苜蓿叶片中的叶绿素含量，提高苜蓿光合作用速率[4,23]，促进苜蓿植株生长，进而提高紫花苜蓿干草产量，且在一定的施磷量范围内，施磷能够促进苜蓿吸磷量的累积以及提高苜蓿产量[24]。刘焕鲜等[25]研究表明苜蓿干草含量随着施磷量的增加而增加，施磷量对苜蓿干物质的累积有一定的促进作用，但施磷量过多反而造成干物质量的降低，是由于苜蓿植株吸收磷一定的阈值[26]，当达到一定阈值时能够促进其生长发育[24]，当吸收过饱或超过了苜蓿吸收磷的最大值时，苜蓿植株磷含量反而降低。本研究中，第1茬和第2茬苜蓿的干草产量为P3优于P1处理，第3茬和第4茬为P1优于P3处理(表2)，说明在苜蓿生长初期，需要施较多的磷以满足苜蓿正常生长发育，而在生长后期，由于施入土壤中的磷被土壤中的金属离子固定[9]，导致土壤中的磷不断累积，进而抑制了苜蓿根系对磷的吸收，使苜蓿产量逐渐下降。苜蓿干草产量与吸磷量极显著正相关，两者随着刈割茬次的递进，呈逐渐降低的趋势(表5)，可能是由于入秋后气温降低，苜蓿植株生命力及光合作用减弱，干物质产量减少，吸磷量也随之降低。

施磷对磷素利用效率具有重要影响，本研究表明：各施磷处理苜蓿的磷素利用效率均为第1茬最大，其中各施磷处理随着刈割茬次的递进，苜蓿磷素利用效率呈逐渐降低的趋势(表3)。在植物生长发育时期植物生长需要大量的营养物质。随着茬次的递进促进土壤对磷的吸附作用使得土壤当中的磷被固定不能被植物吸收利用，未被利用的部分留于土壤之中并不断累积，进而使磷素利用效率降低。国内外研究表明，磷肥具有后效作用，当年施入的磷肥未能被利用，会在以后的年份缓慢地释放出来被植物吸收利用[27]。植物对施入土壤中的磷肥的利用率在5%～25%[28]。本研究中，滴灌苜蓿不同茬次间的磷素利用效率在4.43%～28.37%(表3)，总的磷素利用效率在9.60%～25.84%，说明滴灌条件下分次施磷肥能使苜蓿植株的磷素利用效率提高，当时提高的效率并不是很理想，利用滴灌技术生产苜蓿改善磷素利用效率仍有很大的提升空间。

3.2 施磷对土壤全磷和速效磷含量的影响

施磷对不同土层深度土壤全磷和速效磷含量变化具有重要影响。本研究表明，滴灌苜蓿田土壤全磷、速效磷含量随着土层深度的增加而减小，0～20 cm土层显著大于20～60 cm(表4)。研究表明[29]，土壤当中的全磷和速效磷在0～20 cm为累积层，而20～60 cm土层为微增亏损层，将磷肥施入土壤中会加速土壤中有机物的循环使用，可以降低0～20 cm土层土壤对磷的吸附作用，促进土壤中磷的解离，进而改善土壤的磷素肥力，提高0～20 cm土壤全磷和速效磷的含量[30]。磷肥随水进入土壤，易于在表面聚集；前茬作物腐化后将养分释放在表层[31]，也是0～20 cm土壤全磷和速效磷的含量高的原因。本研究中与不施磷处理(CK)相比，同一深度土层下，随施磷量的增加，滴灌苜蓿田土壤全磷、速效磷含量均呈逐渐增加的趋势，20～60 cm土层土壤全磷含量均为随刈割茬次的增加基本呈逐渐增大的趋势(表4)，上文提到植株磷含量和吸磷量呈先增后减的趋势，致使施的磷肥不能被植物吸收利用导致土壤全磷和速效磷含量累积，表层土壤磷含量越多，磷肥随着水施入土壤当中，由于养分具有迁移性，使得磷素往下迁移[29]，导致20～60 cm土层土壤全磷含量和速效磷增加，这在一定程度上可以印证土壤全磷在土壤当中是一个逐渐累积的过程。

通过相关性分析发现，土壤速效磷与全磷含量虽然有正相关关系，但不显著，0～20 cm土层土壤速效磷含量随着茬次的递进呈先降后增的趋势，且各茬次施磷处理(P1、P2、P3)与未施磷处理(CK)间均差异显著(表4)，说明随着苜蓿植株的生长发育及刈割茬次的递进，苜蓿植株对速效磷的吸收在逐渐增加。研究表明，当植物吸收的磷达到饱和状态时，施入的多出来可溶性磷肥易与土壤中某些离子结合，使得速效磷的含量随着茬次的递进反而不断减小[32]。本研究中，第3茬土壤速效磷含量大于第2茬，苜蓿第3茬生长阶段正处于夏季高温阶段，某些解磷微生物通过释放磷酸酶溶解土壤难溶性磷酸盐[33]，夏季温度增高使磷酸酶活性增强，提高了微生物解磷能力，致使第3茬的土壤速效磷含量有所增加。

3.3 模糊相似优先比评价不同茬次的最优施磷模式

通过一个指标来评价最优施磷模式并不能全面的说明施磷在各茬次的优劣，而采用模糊相似优先比的方法能够综合多项指标来进行最优施磷模式的评价[34]。本研究发现，按照不同茬次间的施磷量进行最优组合相似度排序，滴灌苜蓿各茬次最优组合相似度的最小值均为P2处理(表6)，说明当施P2O5为100 kg·hm-2(P2处理)时，能够有效提高滴灌苜蓿干草产量，促进苜蓿植株对速效磷的吸收，并提高磷素利用效率。第1茬P3处理的苜蓿干草产量(6.47 t·hm-2)与P2处理的干草产量(6.54 t·hm-2)差异不显著(表4)，说明施磷只能在一定范围内影响苜蓿干草产量。从总体经济效益来看，过多的施磷在增加种植成本的同时，造成土壤环境污染及肥料资源的极大浪费。

4 结论

1)苜蓿的磷素利用效率随着施磷量的增加而减小，随刈割茬次的递进而减小。

2)滴灌苜蓿植株吸磷量与干草产量极显著正相关，通过模糊相似优先比评价得出，当施P2O5为100 kg·hm-2时，滴灌苜蓿植株叶片、茎秆磷含量显著高于其他处理，苜蓿干草产量达到最大，为21.24 t·hm-2。

3)滴灌苜蓿田土壤全磷和速效磷含量在0～20 cm土层含量最高，随土层深度的增加，其含量逐渐降低;相同深度土层，随着施磷量的增加，苜蓿田土壤全磷和速效磷含量逐渐增加。