增效过磷酸钙肥料对小麦产量和磷素利用效率的影响

张运红， 毛家伟*， 刘小奇， 钱凯

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所 河南省农业生态与环境重点实验室，河南 郑州 450002；2.郑州阿波罗肥业有限公司，河南 荥阳 450100)

磷素是作物生长发育必需营养元素，施用磷肥是保证作物获得高产、优质、高效的一项重要农艺措施[1-2]。由于磷的移动性差，向根系扩散的能力偏低，易被土壤固持，磷肥利用率偏低，其当季利用率仅为7.3%～20%[3]。磷肥利用率低不但导致磷肥资源的浪费，磷素在土壤中累积，还易对农田、水体等环境带来负面影响[4-6]。因此，提高磷肥利用率对减少土壤磷素累积和降低环境压力，实现农业可持续发展具有重要意义。过磷酸钙(SSP)曾是我国重要的磷肥品种，在提高土壤肥力和粮食产量方面发挥了巨大作用，尤其是在石灰性和盐碱地土壤上施用优势明显[7-9]。然而，长期施用SSP产品易引起土壤板结、透气性降低，致使其在市场上呈萎缩趋势[10]；因此，调整SSP产品的原料组成、改进加工工艺势在必行。在磷肥中添加微量有机生物活性增效载体生产增值磷肥是磷肥增效的途径之一。一些天然生物刺激素物质如海藻酸类、腐殖酸(HA)和氨基酸(AA)类，被报道能够提高肥料利用率，且环保安全，可作为新型肥料增效剂使用[11-12]。李志坚等[13]研究发现，磷酸一铵(MAP)添加HA、海藻酸和谷氨酸可分别降低磷固定率7.32%、7.13%和11.99%。吴艳飞等[14]研究显示，磷矿浆中添加HA可改善产品物性，缩短熟化期，降低产品游离酸和水分含量，提高磷转化率。然而我们最近的研究显示，聚磷酸铵添加该类物质虽可促进小麦增产，但对磷吸收及其向籽粒的转运有不利影响[15]。由此可见，生物刺激素作为磷肥增效剂的施用效果受磷肥组成及形态影响。不同生物刺激素的作用机制和施用效果也存在差异[16]。薛远赛等[17]研究表明，SSP与海藻有机肥混施可提高小麦叶绿素含量、叶面积指数及光合特性，提高小麦产量。在此基础上，本文利用HA、AA、海藻酸钠寡糖(AOS)作为增效剂，分别添加到SSP中，制备成增效磷肥试验产品，采用盆栽试验，对比研究几种增效SSP肥料对小麦产量和磷肥利用效率的影响，综合评估几种生物刺激素作为磷肥增效剂的应用效果，为高效SSP产品创制及其产业化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

将供试的3种增效剂(HA、AA、AOS)分别按3‰添加到SSP(P2O516%，由贵州省福泉磷肥厂有限公司提供)中，制成3种不同的增效SSP肥料。

1.2 处理设计

盆栽试验于2017年11月—2018年5月在河南省农业科学院科研园区(113.67°E、37.79ON)进行。供试土壤采自郑州市郊区，土壤类型为潮土，速效氮含量为35.6 mg·kg-1，有效磷含量为2.7 mg·kg-1，速效钾含量为102.6 mg·kg-1，有机质含量为3.5 g·kg-1，pH 7.79。选用聚乙烯塑料盆(直径30 cm，高20 cm)，每盆装过2 mm筛的土10 kg。试验设置5个处理，分别为：处理1，对照(CK，不施磷处理)；处理2，SSP；处理3，腐殖酸增效SSP(SSP+HA)；处理4，氨基酸增效SSP(SSP+AA)；处理5，海藻酸增效SSP(SSP+AOS)。每个处理4次重复，共20盆。氮肥施用量为0.25 g·kg-1，50%基施，50%于拔节期追施；磷肥施用量为P2O50.12 g·kg-1，K2O 0.12 g·kg-1，二者均全部基施。每盆5穴，每穴10粒，30 d后间苗至每穴5株，小麦生长期间通过称重法维持桶中土壤水分含量在田间持水量的70%左右。

1.3 指标测定及方法

1.3.1 农艺性状

分别于小麦不同生育期选取各处理代表性植株10株，测定小麦株高、功能叶片叶绿素相对含量(SPAD)值(开花期为旗叶，其他时期为倒二叶)和叶面积(叶面积=长×宽×0.75)，其中株高、叶长、叶宽采用直尺测定，SPAD值采用SPAD-502叶绿素仪。并于成熟期调查小麦可见叶片数。

1.3.2 分蘖动态

在小麦出苗后，分别在苗期、越冬期、返青期、拔节期、开花期和成熟期测定小麦的茎蘖数，并计算成穗率(成穗率=穗数/最高总茎数)。

1.3.3 产量及其构成因子

盆栽试验收获前，调查每盆小麦有效穗数(每穗实粒数多于5粒者为有效穗)，选取代表性植株5株，换算出穗粒数；收割全部植株，脱粒后以风干质量换算出籽粒产量；每个处理在各处理风干测产的籽粒样本中计算千粒重。

1.3.4 磷含量及磷效率

开花期和成熟期采集植株样品，并将成熟期样品分为籽粒和茎叶两部分，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至恒重，测定其干重，取烘干样，粉粹后，采用H2SO4-H2O2消煮-钼锑抗比色测定各器官磷含量，磷相关指标的计算参照周玲等[18]的方法。

1.4 数据统计与分析

数据采用Excel 2007进行处理，利用SPSS 17.0软件进行方差分析，并采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同增效SSP肥料对小麦农艺指标的影响

图1显示，所有施磷处理的小麦株高在苗期、返青期、拔节期、开花期和成熟期均显著高于对照，增幅分别为5.4%～17.4%、12.7%～24.0%、21.2%～27.0%、6.3%～13.5%和6.0%～11.9%，且均以SSP+HA处理最高，较SSP处理分别显著增加11.4%、10.0%、3.7%、5.3%和3.8%。SSP+HA处理组功能叶片的SPAD值在苗期、拔节期和成熟期显著高于对照和SSP处理，增幅分别为29.2%、12.1%、7.6%和3.8%、10.8%、1.9%；SSP+AA和SSP+AOS处理功能叶片的SPAD值在返青期显著高于对照和SSP处理，增幅分别为8.7%、9.1%和7.2%、7.6%。SSP+HA处理功能叶片的叶面积在返青期分别较对照和SSP处理显著增加50.7%、10.8%；SSP+AA处理功能叶片的叶面积在拔节期分别较之显著增加17.2%和17.4%；SSP+AA和SSP+AOS处理功能叶片的叶面积在开花期均显著高于对照和SSP处理，增幅分别为28.5%、46.7%和25.9%、43.7%。各施磷处理的可见叶片数均显著高于对照，增幅分别为5.6%～9.4%，以SSP+HA处理最高，但和SSP处理无显著差异。这些结果说明，和普通SSP相比，施用增效SSP肥料可不同程度促进小麦生长发育，以SSP+HA处理最优。

同一时期处理间无相同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图2同。

2.2 不同增效SSP肥料对小麦分蘖动态的影响

苗期、越冬期和返青期，以SSP处理的小麦分蘖数最高，增效SSP处理分别较SSP处理降低4.0%～19.0%、6.6%～21.1%和6.9%～14.2%，以SSP+AOS处理降幅最大(表1)。拔节期和开花期则以SSP+HA处理的分蘖数最高，分别较对照增加7.3%和23.2%，较SSP处理增加7.8%和5.7%，均达到显著性差异。SSP+AOS和SSP+HA处理成穗率最高，分别较对照高3.12和2.39百分点，较SSP处理高6.48和5.72百分点，SSP+AA处理也显著高于SSP处理。这些结果说明，和普通SSP相比，施用增效SSP肥料可提高小麦的成穗率，以SSP+HA处理促进小麦分蘖效果最好。

表1 不同增效SSP肥料对小麦分蘖的影响

2.3 不同增效SSP肥料对小麦产量及其构成因子的影响

所有施磷处理均可显著提高小麦的产量及其构成因子，其中有效穗数增加15.3%～23.2%，以SSP+HA处理最高，较SSP处理也显著增加5.7%(表2)。增效SSP肥料处理的小麦穗长、穗质量和穗粒数显著高于对照和SSP处理，增幅分别为13.6%～16.7%、47.8%～53.0%、34.1%～42.0%和8.2%～11.2%、27.1%～31.6%和11.9%～18.4%，但不同增效SSP肥料间无显著差异。增效SSP肥料处理的小麦千粒重也显著高于对照和SSP处理，增幅分别为11.1%～17.4%和7.7%～13.8%，以SSP+AOS处理最高。增效SSP肥料处理的小麦产量分别较对照和SSP处理显著增加22.4%～53.9%和9.2%～37.2%，以SSP+HA处理最高。这些结果说明，和普通SSP相比，施用增效SSP可进一步促进小麦增产，以SSP+HA处理增产效果最优。

表2 不同增效SSP肥料对小麦产量及其构成因子的影响

2.4 不同增效SSP肥料对小麦磷素吸收和转移的影响

表3显示，增效SSP肥料处理可提高开花期小麦秸秆磷含量和磷积累量，较对照分别增加0.13～0.41百分点和0.15～1.29 mg，磷含量较SSP处理也显著增加0.10～0.38百分点，以SSP+AOS处理最高；SSP+AOS和SSP+AA处理的磷积累量也显著高于SSP处理，增幅分别为83.6%和26.7%。SSP+AA和SSP+AOS处理的成熟期小麦秸秆磷含量和磷积累量均显著高于对照和SSP处理，分别较对照显著增加0.39百分点、0.35百分点和0.41 mg、0.30 mg，较SSP处理显著增加0.21百分点、0.17百分点和0.22 mg、0.11 mg。增效SSP肥料处理的成熟期籽粒磷含量较SSP处理显著降低0.25～0.55百分点，以SSP+AOS处理降幅最大；成熟期籽粒磷积累量则显著高于对照和SSP处理，分别较之增加42.0%～57.1%和13.6%～25.6%，以SSP+AA处理最高。增效SSP肥料处理的小麦成熟期总磷积累量较对照显著增加43.6%～59.4%，较SSP处理也有所提高，其中SSP+AA处理达到显著性差异。磷利用效率以SSP+AOS和SSP+HA处理最高，分别较SSP处理显著增加11.6%和11.0%；磷干物质生产效率，除SSP+HA处理外，其余处理显著低于对照，降幅为5.8%～10.7%，但增效SSP肥料和SSP处理无显著差异。这些结果表明，和普通SSP相比，增效SSP肥料可不同程度促进小麦磷的吸收，以SSP+AA处理的磷积累量最高，SSP+AOS和SSP+HA处理的磷利用效率最高。

表3 不同增效SSP肥料对小麦磷素吸收的影响

表4显示，以SSP+HA处理的小麦磷收获指数最高，分别较对照和SSP处理显著提高1.28和2.13百分点，SSP+AA处理显著低于对照1.42百分点，但和SSP处理无显著差异。SSP+AOS处理的地上部营养体磷素转运量、转移率及其对籽粒的贡献率均显著高于对照和SSP处理，分别较对照增加102.1%、3.35百分点、6.58百分点，较SSP处理增加130.6%、14.91百分点、11.22百分点。SSP+AA处理的花后磷素吸收量最高，分别较对照和SSP处理增加66.3%和26.3%，达到显著性差异；SSP+HA和SSP+AOS处理较对照显著增加，增幅分别为54.2%和30.7%，但和SSP处理无显著差异。SSP+HA、SSP和SSP+AA处理的花后磷吸收量对籽粒的贡献率最高，SSP+AOS处理最低，分别较对照和SSP处理显著降低7.13和10.61百分点。这些结果说明，和普通SSP相比，SSP+HA处理可促进小麦吸收的磷素向籽粒中转移，SSP+AOS处理可提高小麦地上部营养体磷素的转移能力及其对籽粒的贡献，花后磷素吸收能力则以SSP+AA处理最高。

表4 不同增效SSP肥料对小麦磷素转移的影响

2.5 不同增效SSP肥料对小麦磷肥利用效率的影响

表5显示，和SSP处理相比，增效SSP肥料处理可显著提高小麦的磷素吸收效率、磷素表观回收率、磷素农学利用效率和磷肥生产效率，其中磷素吸收效率增幅为17.3%～21.9%，但不同增效SSP肥料间无显著差异；磷素表观回收率显著增加54.3%～68.6%，以SSP+HA处理最高；磷素农学利用效率显著增加0.85～3.45倍，以SSP+HA处理最高；磷肥生理利用率和磷肥生产效率均以SSP+HA处理最高，增幅分别为164.5%和37.3%。这些结果说明，和普通SSP相比，施用增效SSP肥料可一定程度提高小麦的磷素吸收和利用效率，整体而言，以SSP+HA处理磷素利用各项指标较高。

表5 不同增效SSP肥料对小麦磷肥利用效率的影响 单位：kg·kg-1

2.6 不同增效SSP肥料对小麦收获后土壤残留磷素的影响

图2显示，所有施磷处理均可显著提高小麦收获后土壤中全磷和速效磷含量，增幅分别为26.8%～49.3%和66.0%～161.8%，且均以SSP处理最高，增效SSP肥料处理的土壤全磷含量和速效磷含量较SSP处理显著降低，降幅分别为13.6%～15.1%和31.0%～36.6%，但不同增效SSP肥料间无显著差异。

图2 不同增效SSP肥料对小麦收获后土壤全磷和速效磷含量的影响

3 讨论

生物刺激素因来源无毒害而需求量不断增长，当前全球相关产品市值已不少于13亿美元，中国市值也在2亿美元以上，这也带动了复合型和功能型新型肥料的研发[11-12]。本试验结果表明，和普通SSP相比，利用3种生物源增效剂制成的增效SSP肥料均能不同程度促进小麦增产，以SSP+HA处理增产效果最好。研究显示，HA促进植物生长发育的原因主要有3个方面，一是HA含有多种活性官能团，可刺激植物生理代谢，促进其生长发育，如HA中具有酚酮结构，可通过酚羟基与酮基的互相转化维持作物呼吸作用，含有的羧基等官能团可作为生长素和细胞分裂素物质的关键受体，维持生物活性[19-20]；二是HA可活化土壤养分，增加生物有效性，HA可促进植物对氮的吸收，降低磷固定，减少钾淋溶，还可络合土壤中铜、铁、锰等难溶性金属离子，促进其被根系吸收[18,21-22]；三是改良土壤结构，HA含有的羧基和羟基等官能团可通过螯合Ca2+形成团聚体，增大土壤空隙并增加土壤渗透性[23]。本试验中，施用SSP+HA可提高小麦的磷素吸收和利用效率，增加磷收获指数，这可能是其促进小麦生长的主要原因之一。有报道，HA可与磷酸盐反应形成不易被固定的HA-M-P络合物，其结构中的苯酚结构可活化难溶性磷，羧基、酚羟基等酸性官能团可与磷酸根离子竞争土壤胶体的吸附位点，从而减少磷酸根离子与钙、铁、铝离子络合，减少其对磷素的固定[24-26]。李伟等[27]的研究显示，HA中氧烷基碳、羧基/酰胺基碳、烷基碳结构与小麦磷素吸收具有正相关性。本试验中，SSP+HA处理提高小麦磷素吸收利用效率，可能是上述原因所致。此外，有研究显示，MAP中添加海藻酸和谷氨酸也可提高土壤速效磷含量和土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量，减缓Al-P向Fe-P的转化[13]，但二者对土壤磷活化机制有所不同。海藻多糖能螯合土壤中的钙、镁、铁等金属离子，从而减少土壤中磷的固定，提高作物产量和磷肥利用效率[12,28]；AA富含氨基和羧基，与磷铵混合可增强磷的有效性[29]。本试验中，施用SSP+AA和SSP+AOS可不同程度提高小麦产量、植株磷吸收量和磷素吸收利用效率，降低小麦收获后土壤残留磷素，与上述研究结果基本相符。综上，本研究初步表明，3种增效剂可用于传统SSP产品的提质增效。然而，生物刺激素种类繁多、结构复杂，功能和施用效果也存在差异[30-31]。例如，梁志雄等[30]对比研究了谷氨酸、丙氨酸和天冬氨酸与肥料配施对油麦菜生长、品质和养分积累的影响，证实丙氨酸配施处理增产效果最优。马明坤等[31]报道，磺化腐殖酸磷肥比普通腐殖酸磷肥可更有效地提高土壤中磷肥的有效性，且以磺甲基化处理的腐殖酸磷肥效果最优。因此，后续工作可对不同种类HA和AA作进一步筛选，以选出最优的生物刺激素种类用于增值磷肥的研发，并对其与磷素形态的互作机理进行研究。此外，我们在小麦-花生轮作体系中研究显示，和普通磷酸二铵(DAP)相比，DAP+AOS处理可提高前季作物小麦的产量和磷肥利用效率，但后季作物花生的产量、磷累积量、磷素平均农学效率和累积利用效率有所降低[32]。因此，以生物刺激素为增效剂的增值磷肥的研发，还需布置定位试验考察不同种植体系下的长期肥效及其对土壤环境的影响。