黔中地区玉米-小麦轮作体系磷肥利用率及环境风险研究

文 雄， 胡 岗， 范成五， 秦 松

(1.贵州大学农学院， 贵阳 550025； 2.贵州省农业科学院土壤肥料研究所， 贵阳 550006)

玉米-小麦轮作是西南地区粮食作物的主要种植模式之一[1]，玉米、小麦也是贵州主要粮食作物。近年来，磷肥投入量持续提升，统计数据表明，1980年磷肥施用总量约为273.3万t，而2019年磷肥施用总量却达到830.3万t，增长约3.0倍，年均增长率为16.8%，同时，土壤磷素供应又相对不足。在玉米-小麦轮作体系中合理统筹配置磷肥施用，协调产量和磷肥利用率之间的矛盾，在维持磷肥投入与作物吸收相对平衡的前提下，还要考虑产量和土壤肥力及环境效应的变化。国内学者在磷肥的施用量方面展开了许多研究，如刘凯等[2]、唐文雪等[3]的研究发现随施磷量增加，夏玉米产量呈先升高后降低的趋势，磷肥偏生产力、磷肥农学利用效率呈下降趋势。陈远学等[4]研究发现，玉米籽粒产量和体系总产量均随磷肥施用量的增加先增大后减少。黄明等[5]认为，小麦的成穗数与磷肥的施用量呈显著的正相关，相反小麦的穗粒数以及籽粒产量则呈先升高后降低的趋势，从而逐渐降低磷肥的农学效率。冯媛媛等[6]研究发现，磷肥施用对小麦籽粒产量的提高幅度为：黑垆土>褐土>黄棕壤>棕壤，且应充分考虑土壤有效率含量。李娜等[7]通过长期定位发现磷肥投入是影响棕壤全磷和有效磷的关键因素，且施磷处理有效磷与土壤磷素盈亏均呈现极显著相关。杨军等[8]研究发现，长期施用磷肥或有机肥，土壤有效磷、全磷增加量与土壤磷素盈亏呈显性直线正相关。

目前针对黔中玉米-小麦轮作进行土壤磷环境风险研究鲜有报道，在轮作体系下磷肥施用量与作物产量效应及磷素投入对环境风险影响的研究较少。因此，本研究拟在氮钾施用量相同的基础上，探究玉米-小麦轮作体系下不同磷肥施用量对其产量以及磷肥利用率的影响，通过研究玉米-小麦轮作体系下磷肥的最佳投入阈值以及玉米-小麦对磷素的吸收变化规律，实现科学施肥下的最大经济效益和环境效益，为黔中地区玉米-小麦轮作体系提供最佳磷肥施用水平。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验开展时间于2016年5月—2018年8月，连续3年定位试验，地点位于贵州省贵阳市花溪区湖潮乡(106°31′E，26°26′N)。土壤类型属于第四纪红色粘土母质发育的铁铝土亚纲黄壤。试验前采集0～20 cm耕层土壤测定其基本理化性状：pH值为8.1，全氮含量0.66 g·kg-1，总磷0.68 g·kg-1，有效磷13.32mg·kg-1，速效钾82.3 mg·kg-1，有机质18.21 g·kg-1。玉米、小麦品种：黔单22、黔麦18。

1.2 试验设计

本试验共设计4个处理，每个处理设3个重复，分玉米季和小麦季，见表1。在田间采取随机区组设计，各小区面积为30 m2。施用的肥料氮肥为尿素(N含量46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5含量16%)，钾肥为氯化钾(K2O含量60%)。

表1 不同处理磷肥施用量

1.3 指标测定

在开展试验之前采集试验地0～20 cm的耕作层土样，测定试验地土壤的pH值，TN、TP、速效磷、有效钾以及有机质含量。待玉米和小麦成熟后按小区分别进行测产，在每个小区采集有代表性的10株玉米、50 cm长条带小麦植株样品，测定籽粒以及秸秆中的氮、磷、钾含量。

1.4 数据处理与分析

数据采用Microsoft Excel 2010软件和SPSS 2019软件进行统计分析，采用Origin 2017软件进行制图。

1.5 计算方法[9-11]

籽粒氮、磷累积量(kg·hm-2)=籽粒产量×籽粒氮、磷含量；

秸秆氮、磷累积量(kg·hm-2)=秸秆产量×秸秆氮、磷含量；

植株氮、磷累积量(kg·hm-2)=籽粒氮、磷累积量+秸秆氮、磷累积量；

磷肥表观利用率(%)=[(施肥区作物吸磷量-不施肥区作物吸磷量)/施磷量]×100%；

磷肥偏生产力(kg·kg-1)=施磷处理作物产量/施磷量；

磷肥农学效率(kg·kg-1)=(施肥区籽粒产量-不施肥区籽粒产量)/施磷量；

磷肥利用率(kg·kg-1)=(施肥区籽粒产量-不施肥区籽粒产量)/(施肥区地上部磷累积量-不施肥区地上部磷累积量)。

土壤年表观磷盈亏(kg·hm-2)=每年施入土壤磷素总量(kg·hm-2)-每年作物(籽粒+秸秆)吸磷量(kg·hm-2)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米-小麦产量的影响

由图1可知，两种作物不同施磷量处理籽粒产量均较不施磷(P 0)处理显著提高，增产分别为8.3%～27.4%、44.0%～120.9%，且P 1>P 2>P 3，表明磷肥能显著提高产量，且小麦增产幅度大于玉米，说明施氮钾相同情况下，施磷对小麦产量更敏感。其中玉米、小麦最高产量分别为7 038 kg·hm-2和3 052 kg·hm-2，且较P 0处理分别增产27.4%和120.9%，仅P 1与P 2处理间的玉米产量差异表现为不显著，而小麦各处理间的产量差异达到显著水平(p<0.05)。玉米-小麦轮作体系下施磷量与籽粒产量的拟合方程(玉米y=-0.021 1x2+10.508x+5 748.3，R2=0.485 7；小麦y=-0.059 2x2+19.086x+1 597.9，R2=0.474 3)可知，玉米、小麦的拟合籽粒产量分别为7 056.39 kg·hm-2、3 135.93 kg·hm-2，对应的施磷量分别为149.0 kg·hm-2、101.2 kg·hm-2。拟合的施磷量与P 1处理(玉米施磷量，小麦施磷量)差距不大，最高产量相差也不大，可以认为拟合效果较好。

注：差异显著性检验采用Duncan新复极差法，不同字母表示各处理间差异性达到显著水平(p<0.05)。下同。图1 不同处理对玉米、小麦籽粒和秸秆产量的影响

2.2 不同处理对玉米-小麦氮、磷含量及累积量的影响

2.2.1不同处理对玉米-小麦磷含量的影响

从图2可知，施磷均显著提升玉米、小麦的磷含量，但随着施磷量的增加玉米和小麦中磷的含量并没有表现出一直增加的显著趋势。从玉米季来看，在施磷量超过P 1处理后(施磷量120 kg·hm-2)，玉米籽粒和秸秆中磷含量所占比重均呈下降趋势；从小麦季可知，在施磷量超过P 2处理(施磷量150 kg·hm-2)，小麦籽粒中磷含量所占比重呈下降趋势。

2.2.2不同施磷处理对玉米-小麦氮含量的影响

从图2可知，施用磷肥在一定程度上可以提升玉米和小麦中氮含量。从玉米季来看，施用磷肥后玉米籽粒中氮的含量较P 0处理提高了1.86～2.91 g·kg-1，秸秆中氮含量较P 0处理提高了1.96～5.2 g·kg-1，差异均达到显著水平。表明施用磷肥对玉米吸收氮影响明显。从小麦季可知，施用磷肥可显著提升小麦中氮含量，较P 0处理小麦籽粒、秸秆中氮含量分别提高了3.11～3.38 g·kg-1、1.99～3.66 g·kg-1，差异均达到显著水平。由上述可知，不同施磷水平条件下小麦季氮含量较玉米季高，说明磷素对小麦氮含量影响更明显。

图2 不同处理对玉米、小麦氮、磷含量的影响

2.2.3不同处理对玉米-小麦氮、磷累积量的影响

从图3可知，低浓度的施磷量对玉米和小麦中氮、磷的积累效果整体比高浓度的施磷量要好。其中，玉米籽粒和秸秆中氮累积量以P 2处理最高，分别为84.13 kg·hm-2和76.14 kg·hm-2，各施肥处理较P 0处理分别提升了14.5～21.85 kg·hm-2和32.26～48.22 kg·hm-2；而玉米籽粒和秸秆中磷累积量以P 1处理最高，分别为21.88 kg·hm-2和9.28 kg·hm-2，各施肥处理较P 0处理分别提升了4.59～9.35 kg·hm-2和1.3～2.46 kg·hm-2；小麦籽粒中氮累积量以P 1处理最高，而磷累积量以P 2处理最高，各施肥处理较P 0处理分别提升了19.2～40.99 kg·hm-2、2.12～4.24 kg·hm-2。这可能是由于玉米秸秆生物量较大导致氮、磷素累积较大所致，也有可能是因为大量的磷肥施用进入土壤，影响了土壤中养分的配比失衡，从而导致了植株对其他必须营养元素的吸收不均衡，影响其正常的生长代谢。

图3 不同处理对玉米、小麦的氮、磷累积量的影响

2.3 不同处理对玉米-小麦磷养分利用效率的影响

由图4可知，随着施磷量的增加，玉米和小麦的磷肥表观利用率以及偏生产力的变化趋势都随着施磷量的升高而逐渐降低，差异均达到显著水平，其中玉米、小麦均以P 1处理最高，分别为26.2%、53.6 kg·kg-1、21.3%、45.8 kg·kg-1；玉米磷肥利用率随着施磷量的升高显现先升高后降低、小麦肥料生理利用率和肥料农学效率均随着施磷量的升高而降低，两者的表现趋势一致，肥料生理利用率玉米P 1处理与P 2处理差异不显著，小麦P 2处理与P 3处理差异不显著，而肥料农学效率各处理差异显著，其中，仅玉米磷肥利用率以P 2处理最高，为54.2 kg·kg-1，其余均以P 1处理最高，小麦磷肥利用率为65.3 kg·kg-1。玉米、小麦肥料农学效率均以P 1处理最高，分别为17.2kg·kg-1、21.3 kg·kg-1。当施磷量超过120 kg·hm-2、75 kg·hm-2时，磷肥利用率、磷肥农学利用率和磷肥偏生产力均显著降低。

图4 不同处理对玉米-小麦轮作磷素利用率的影响

2.4 不同处理对土壤速率磷及土壤磷素盈亏的影响

由图5可知，无论玉米、小麦土壤速率磷含量均随施磷量的增加而增加。当玉米季施磷量超过120 kg·hm-2时，土壤速率磷含量增速差异不显著，说明土壤中磷素达到饱和点，可能存在大量磷素流失的风险。其中玉米季P 1、P 2和P 3处理土壤速率磷含量较P 0处理分别增加142.6%、314.1%、338.2%。当小麦季施磷量超过150 kg·hm-2时，土壤速率磷含量表现为快速增加且差异达到显著水平，较P 0处理小麦季土壤速率磷含量分别增加28.5%、28.4%、47.5%。从玉米和小麦土壤速率磷含量周年来看，高施磷量处理能显著提高土壤速率磷含量，但也存在土壤磷素流失风险。

图5 不同施磷水平对土壤速效磷含量的影响

玉米、小麦收获后土壤磷素收支平衡结果可知(图3)，施磷处理磷累积量显著高于不施磷肥处理，且较P 0处理累积幅度分别提高为27.7%～74.0%、15.3～55.5%。当玉米、小麦在施磷量分别在30～75 kg·hm-2、60～120 kg·hm-2范围内磷素累积量显著增加，当施磷量超过75 kg·hm-2、120 kg·hm-2时，小麦、玉米磷素累积量呈下降趋势。从土壤磷素盈亏量来看，玉米、小麦P 0处理2季平均亏缺量为15.7 kg·hm-2、8.58 kg·hm-2，其它处理土壤磷素均处于盈余状态，且随着施磷量增加土壤磷素盈余量快速增加，其中，P 3处理磷盈余量最高，分别为120.3 kg·hm-2、109.1 kg·hm-2。通过建立磷肥用量(x，kg·hm-2)与土壤表观盈亏量(y，kg·hm-2)线性回归方程y=bx+a进行分析(图6)，玉米方程式为y=0.265 1x-20.241 1(R2=0.987 1**)，小麦方程式为y=0.434 8x-12.239 7(R2=0.993 2**)，通过拟合计算，与土壤磷素持平的2季玉米平均施磷量为76.4 kg·hm-2，而小麦平均施磷量为28.2 kg·hm-2。

图6 不同处理对土壤磷素盈亏的影响

3 讨 论

3.1 施磷量对玉米-小麦的增产效应

本研究结果表明，磷肥施用量影响玉米-小麦轮作籽粒产量，周年作物产量均以P 1处理最高。玉米产量在玉米季施肥量为120 kg·hm-2时达到最高，为7 038 kg·hm-2；小麦产量在小麦季施肥量为75 kg·hm-2时达到最高，为3 152 kg·hm-2，且施磷量过多或不施磷均不利于单季作物产量的增加。这与施磷量对单季作物产量影响与前人的研究结果基本一致[12-13]，且本研究进一步发现，在相同施磷量水平上，玉米季土壤中磷肥残留的总量显著低于小麦季，施入玉米季土壤中的磷肥损失相比于小麦季要更严重，这与陆梅等[14]研究结论相似。周年籽粒平均产量以施磷量P 1处理(即磷肥平均分配在玉米、小麦两季时)产量最高[15]，周年总施磷量与王海标等[16]研究结果相似，在低磷水平下磷肥重施在玉米上(玉米60%)，在高磷水平下磷肥重施在小麦上(小麦60%)，有利于周年作物产量的提高。侯云鹏等[17]、郭鑫年等[18]研究结果表明，在氮钾量控制的条件下，玉米、小麦季施磷能获得轮作的最大产量，这与本研究结果相似。

3.2 施磷量对玉米-小麦氮磷素吸收及利用效率的影响

该研究结果显示，玉米和小麦中氮、磷累积量的增加或降低随着施磷量的变化整体一致，具体表现为低浓度的施磷量对玉米和小麦籽粒以及秸秆中氮、磷累积量效果大于高浓度的施磷量。当磷肥施用不合理，过量施用或者施入量不足均影响土壤中氮磷的分配，最后导致玉米和小麦对土壤中氮、磷养分的吸收不均衡，影响其产量和品质。因此，在玉麦轮作体系下科学施用磷肥才能促进各时期养分转运，使植株养分得到充分保障，进而提升作物产量。磷素利用效率均随着施磷量增加呈降低趋势，其中，在施磷量为P 1处理下，玉米和小麦的磷素利用率均达到最大值。该研究结果表明，合理的施用磷肥才能最大化植株对土壤中磷素的吸收利用，盲目地大量施用磷肥效果反而不佳，不仅浪费肥料资源而且会造成一系列环境问题，这与郭鑫年等[18]、张立花等[19]研究基本一致。邢丹等[20]研究发现，施磷肥能够显著增加小麦的产量，而且增施磷肥对产量的增加效果显著高于玉米，而且磷肥的吸收利用率在玉米季和小麦季存在明显的差异，其中玉米季吸收的磷素40.82%来自磷肥，而小麦季21.76%来自磷肥，说明玉米对磷肥的吸收利用效果要优于小麦。吕丽华等[21]研究发现，玉米-小麦轮作体系下玉米对磷肥的吸收相比于小麦要更强烈，磷肥的供应无论是对玉米产量还是品质的影响都至关重要，而小麦对土壤中磷素的吸收响应不是很大。因此，在轮作体系下磷肥施用配比上主要以玉米季为主，在小麦季时磷肥的施用量可适当减少，对其产量和品质无影响。造成这种现象的原因可能是玉米和小麦的植物根系对磷素吸收比例存在差异，且玉米和小麦在营养生长和生殖生长时对磷素的需求不同[22]。

3.3 施磷量对玉米-小麦土壤速率磷及磷素盈亏的影响

本研究发现，无论是玉米还是小麦，在各磷素水平土壤上，速率磷含量均随着施磷量的增加而显著提高(图5)。杨振兴等[23]研究发现，增施磷肥可增加土壤速率磷含量，且磷肥配施有机肥提升棕壤速率磷的速率高于单施磷肥；同时土壤磷素盈亏研究发现，磷盈余量差别较大的原因在于不同处理磷素的投入和作物吸磷量不同。如李渝等[24]通过长期施肥对黄壤土壤磷素盈亏发现，西南黄壤旱地速率磷含量主要与施磷水平有关,当年施磷量为45.9 kg·hm-2时可获得最佳的作物产量，磷肥利用率高；当年施磷量高于45.9 kg·hm-2时，作物产量对磷肥用量无响应，大量磷素累积在土壤中，增加了磷素的环境流失风险。

4 结 论

玉米-小麦轮作体系下合理施用磷肥能够增加玉米、小麦的产量，增施磷肥对小麦产量的增加效果显著高于玉米，而且磷肥的吸收利用率在玉米季和小麦季存在明显的差异。在玉米-小麦轮作体系下磷肥施用配比上主要以玉米季为主，在小麦季时磷肥的施用量可适当减少，对其产量和品质无影响。在综合考虑经济效益和环境效益的前提下，结合轮作体系产量、磷肥利用效率及环境效应等各因子的影响，为保证玉米-小麦轮作条件下达到周年稳产、高产的目的以及减轻对环境的污染，玉米季施磷量以149.0 kg·hm-2、小麦季施磷量101.2 kg·hm-2较为适宜，玉米-小麦氮、磷累积量和养分利用效率均处于较高或最高水平。