局部供磷对不同甘蓝型油菜品种磷吸收利用和产量的影响

杨鑫宇，李亚林，刘海疆，张兵兵，王静驰，韩 贝，袁 盼，石 磊*

（1 华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室，湖北武汉 430070；2 农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室 / 华中农业大学微量元素研究中心，湖北武汉 430070；3 佛山科学技术学院国际膜生物学与环境研究中心，广东佛山 528000）

磷是植物生长发育所必需的大量营养元素[1]，磷肥的投入是提升农作物产量的有效措施[2]。由于磷矿资源储量有限[3]，过量施用磷肥不仅会增加生产成本，还浪费磷矿资源，增加环境风险[4-6]。我国长江流域稻-油轮作区土壤周年磷盈余量较高[7-8]，土壤磷含量呈逐年上升趋势[9]，迫切需要减肥增效，实现农业的可持续发展。

磷肥施入土壤后，土壤中的Fe3+、Al3+和Ca2+等金属阳离子会与磷肥中的可溶性磷结合，形成难溶的闭蓄态磷[10]，降低磷肥的当季利用率。采用适当的方式施用磷肥是提高磷肥利用效率的重要途径之一[11-12]。局部施磷(穴施、条施或侧施等)能够减少磷肥与Fe3+、Al3+和Ca2+等金属阳离子的接触，减少土壤对磷肥的固定[13]，还有利于供磷一侧作物根系吸收到更多的磷[14]，提高磷肥的回收效率。

作物根系形态对局部供磷的响应不同，局部供磷会诱导拟南芥(ArabidopsisthalianaL.)、水稻(OryzasativaL.)、玉米(ZeamaysL.)、小麦(Triticum aestivumL.)、大麦(HordeumvulgareL.)、野大豆(GlycinesojaSieb.et Zucc.)、白羽扇豆(LupinusalbusL.)、棉花(GossypiumhirsutumL.)、苹果(Malus pumila)、杉木(Cunninghamialanceolata)和野蔷薇(RosamultifloraThunb.ex Murr)等供磷一侧根系增加，显著提高磷的吸收[15-28]，而蚕豆(ViciafabaL.)供磷一侧的根构型对局部供磷没有显著响应[18,29]。作物地上部生物量对局部供磷的响应也具有物种特异性，局部供磷会显著降低拟南芥地上部鲜重[15]，显著增加野大豆、棉花、苹果和杉木的整株干重[24-27]，但对水稻、玉米、小麦和蚕豆的地上部干重没有显著影响[17,21,29-31]。同一作物对局部供磷的响应也存在基因型差异，玉米、小麦、棉花、小白菜(Brassica chinensis)局部供磷一侧磷高效基因型的根系增加较磷低效基因型更多，分泌的酸性磷酸酶更多，获取磷的能力更强[21,25,31-32]。

油菜是我国第一大油料作物，主要在长江流域种植[33]，所产菜籽油占国产油料作物产油量的47%[34]，甘蓝型油菜(BrassicanapusL.)在我国油菜生产中占主导地位[35]。本实验室前期研究发现，局部供磷可以促进甘蓝型油菜的根系向供磷区域增加，同时不降低地上部鲜重[36]，但局部供磷对甘蓝型油菜成熟期产量和产量相关性状的影响还鲜有报道。本研究以甘蓝型油菜品种中双11 号和圣光168 为研究材料，采用根箱试验和田间试验，探究局部供磷对甘蓝型油菜成熟期生物量、产量和产量相关性状以及磷的吸收利用的影响，为甘蓝型油菜磷肥的合理施用以及减磷增效提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试甘蓝型油菜品种为中双11 号(ZS11)和圣光168 (SG168)，二者均为半冬性油菜。ZS11 是2008年登记的长江中下游推广品种，由中国农业科学院油料作物研究所培育和提供；SG168 是2019 年登记的丰产、稳产且适应性广的杂交品种，由华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室油菜研究室培育和提供。课题组前期研究结果表明，SG168 相对于ZS11 是磷高效品种[37-39]。

1.2 试验地概况

根箱试验于2019 年9 月—2020 年5 月在华中农业大学微量元素研究中心盆栽场(30°28′N，114°22′E)进行，供试土壤为酸紫砂土，采自湖北当阳的丘陵地区，取土深度为40 cm，土壤基本理化性质见表1。田间试验于2019 年10 月—2020 年5 月在湖北省黄冈市武穴市梅川镇(30°06′N，115°35′E) 进行，该地属亚热带季风性湿润气候，当季平均气温13.5℃，当季总降水量920.3 mm。试验选择了两个土壤速效磷含量差异较大的田块，其中土壤速效磷含量较低的田块命名为低磷田块(low P fertility field，LP field)，土壤速效磷含量较高的田块命名为高磷田块(high P fertility field，HP field)，两个田块的前茬作物均为水稻，土壤均为砂壤土，基本理化性质见表1。

表1 根箱和田间试验供试土壤基本性状Table 1 Physiochemical properties of soils used in the rhizotron and field experiments

1.3 试验设计

1.3.1 根箱试验 采用定制根箱[40]进行油菜全生育期培养。根箱内有定制隔板。试验设置3 个处理，分别为：1) 不施磷，隔板两侧的根层土壤均不施磷，记作0P/0P；2) 局部供磷，隔板一侧的根层土壤施磷，另一侧不施磷，记作1P/0P；3)均匀供磷，隔板两侧的根层土壤均施磷，记作1P/1P。每个处理设置3 个重复，采用完全随机设计。使用(NH4)2SO4、KH2PO4、KCl、MgSO4·7H2O、EDTAFe、1000×Arnon 微量元素营养液作为肥源，其中1000×Arnon 微量元素营养液含有2.85 g/L H3BO3、1.81 g/L MnCl2·4H2O、0.22 g/L ZnSO4·7H2O、0.08 g/L CuSO4·5H2O 和0.09 g/L Na2MoO4·2H2O。试验前，首先在根箱底部装填120 kg 未施肥的土壤，再在隔板两侧分别装填15 kg 施磷或不施磷的根层土壤。1P处理的根层土壤施N 0.2 g/kg、P2O50.15 g/kg、K2O 0.15 g/kg、MgSO4·7H2O 0.25 g/kg、1000×Arnon 1 mL/kg微量元素营养液以及0.05 mmol/L EDTA-Fe 1 mL/kg。0P 处理的土壤除未施用磷肥外，其余肥料的用量均与1P 处理一致。根箱试验采用先育苗，再分根移栽的方式。首先选取大小一致的饱满油菜种子，使用1% NaClO 消毒后，置于超纯水表面的纱网上育苗，5 天后剪去主根根尖，7 天后选取两条侧根长度相同且长势一致的幼苗转移至分根塑料盒中，使用霍格兰(Hoagland)营养液培养12 天，然后将油菜幼苗的两条侧根分别移栽至根箱隔板左右两侧土壤中培养。

1.3.2 田间试验 田间试验采用随机区组设计，共设置3 个处理，分别为：1)不施磷，每行油菜的两侧均不施磷肥，记作0P/0P；2)局部供磷，每行油菜的一侧条施磷肥，另一侧不施磷肥，记作1P/0P；3) 均匀供磷，每行油菜的两侧均条施磷肥，记作1P/1P。2019 年10 月采用穴播的方式播种。每个处理设置3 个重复，每个重复种植6 行，行距30 cm，每行5 株，株距20 cm，行与行之间开沟，磷肥在沟中条施后覆土，施肥深度10 cm，其他肥料按照农民习惯撒施。使用尿素(含氮46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、氯化钾(含K2O 60%)和硼砂(含B 11%)作为肥源，用量分别为N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2和B 15 kg/hm2，其中氮肥按照3∶1∶1 的比例施用，即基肥施用108 kg/hm2，在幼苗期和蕾薹期各追施36 kg/hm2。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 产量相关性状 成熟期取各处理有代表性的3 株油菜，统计株高(油菜基部到主茎尖的高度)、分枝数(主茎分生且生长角果的分枝的数量)、角果数(主茎和分枝上含籽粒的角果的数量)、千粒重(使用500 粒板称量2 次得到的1000 粒油菜种子重量)，均取平均值，记为1 个生物学重复，共3 个生物学重复。

1.4.2 地上部生物量 成熟期取各处理有代表性的油菜3 株，清洗后装入网袋悬挂风干。统计籽粒、秸秆、角果壳和根系的重量，取平均值，记为1 个生物学重复，共3 个生物学重复。

1.4.3 总磷测定 油菜各部位样品于80℃烘箱中烘至恒重，而后使用植物粉碎机将角果壳、秸秆和根系磨细，过0.45 mm 筛，称取0.05 g 磨好的样品转入消煮管，使用H2SO4-H2O2法消煮，将消煮液用钼锑抗试剂显色后通过酶标仪测定700 nm 波长下的吸光值，计算油菜各部位的磷浓度。

1.5 数据分析

磷肥偏生产力(kg/kg)=施磷处理油菜籽粒产量/施磷量；磷肥农学效率(kg/kg)=(施磷处理油菜籽粒产量-不施磷处理油菜籽粒产量)/施磷量；地力贡献率(%)=不施磷处理油菜籽粒产量/施磷处理油菜籽粒产量×100。使用Microsoft Excel 2016 处理数据，IBM SPSS statistics 18.0 进行统计分析，用邓肯(Duncan)法检验不同磷肥处理测定指标在0.05 水平的差异显著性，采用Graphpad Prism 8.3 软件作图。

2 结果与分析

2.1 局部供磷对不同甘蓝型油菜品种产量相关性状的影响

根箱试验同一处理，SG168 的株高和角果数均高于ZS11 (表2)。ZS11 的1P/1P 处理的株高和角果数均显著高于1P/0P 处理，而SG168 的1P/1P 和1P/0P 处理之间株高、分枝数和角果数均无显著差异(表2)，表明根箱体系中，局部供磷对SG168 的产量相关性状无显著影响。不同处理间株高和角果数存在显著差异，不同品种间株高、分枝数、角果数和千粒重均存在显著差异，但上述4 个产量相关性状不受品种与处理交互作用的影响 (表2)。

表2 根箱试验不同供磷处理两个甘蓝型油菜品种的产量相关性状Table 2 Yield related traits of two Brassica napus cultivars under different phosphorus treatments in rhizotron experiment

田间试验中株高和分枝数同时受到田块、品种和处理3 个因素以及田块与处理交互作用的显著影响(表3)。低磷田块，ZS11 的1P/1P 和1P/0P 处理的株高和角果数均无显著差异，SG168 的1P/1P 和1P/0P处理之间的株高、分枝数均存在显著差异 (表3)。高磷田块，ZS11 的1P/1P 和1P/0P 处理之间的株高、分枝数、角果数均存在显著差异，SG168 的1P/1P和1P/0P 处理之间的株高、分枝数、角果数和千粒重均无显著差异 (表3)。角果数在不同田块和不同处理间存在显著差异，并受到田块与处理交互作用的影响。不同田块、不同品种和不同处理间千粒重均具有显著差异(表3)。

表3 田间试验不同供磷处理两个甘蓝型油菜品种的产量相关性状Table 3 Yield related traits of two Brassica napus cultivars under different phosphorus treatments in field experiment

2.2 局部供磷对不同甘蓝型油菜品种产量和成熟期干物质积累的影响

根箱试验同一处理，SG168 的平均单株籽粒重量高出ZS11 达42%～127%，其中1P/0P 处理SG-168 的平均单株籽粒重比ZS11 高67.6% (表4)。与1P/1P 处理比较，ZS11 的1P/0P 处理的单株籽粒重、单株角果壳干重、单株秸秆干重和单株根干重均显著降低，而SG168 的1P/0P 处理的单株籽粒重、单株秸秆干重和单株根干重均无显著差异 (表4)，表明局部供磷并未对SG168 的干物质积累产生显著影响。单株秸秆干重和单株根干重均存在显著的品种与处理间的交互作用 (表4)。

表4 根箱试验不同供磷处理两个甘蓝型油菜品种的干物质积累 (g/plant)Table 4 Dry matter accumulation of two Brassica napus cultivars under different phosphorus treatments in rhizotron experiment

田间试验同一田块的同一处理，SG168 的籽粒产量均高于ZS11，平均籽粒产量比ZS11 高18.0%～86.7% (图1)。高磷和低磷田块，ZS11 的籽粒产量均表现出1P/1P＞1P/0P＞0P/0P 的趋势，不同处理SG168的籽粒产量在低磷田块的趋势与ZS11 一致(图1A)，但在高磷田块SG168 的1P/0P 与1P/1P 处理的籽粒产量无显著差异 (图1B)，这与根箱试验单株籽粒重的结果一致 (表4)。田间试验低磷和高磷田块中SG168 的平均籽粒产量比ZS11 分别高22.5% 和37.9% (图1)。不同磷处理，两个品种各部位的干物质积累量均以1P/1P 处理最高，其中，ZS11 在低磷和高磷田块均表现出1P/1P＞1P/0P＞0P/0P 的趋势，而SG168 在高磷田块1P/0P 与1P/1P 处理的单株籽粒重和单株角果壳干重无显著差异 (表5)。单株秸秆重受到田块与品种、田块与处理、品种与处理以及田块、品种和处理间交互作用等的显著影响 (表5)。

图1 田间试验不同供磷处理两个甘蓝型油菜品种的籽粒产量Fig.1 Seed yield of two Brassica napus cultivars under different phosphorus treatments in field experiment

表5 田间试验不同供磷处理两个甘蓝型油菜品种的干物质积累 (g/plant)Table 5 Dry matter accumulation of two Brassica napus cultivars under different phosphorus treatments in field experiment

2.3 局部供磷对不同甘蓝型油菜品种成熟期各部位磷积累量的影响

根箱试验同一处理，SG168 籽粒的磷积累量均显著高于ZS11。SG168 的0P/0P、1P/0P 和1P/1P 处理地上部的磷积累量分别比ZS11 提高了131%、70%和35%。与1P/1P 处理比较，1P/0P 处理对ZS11 和SG168 的籽粒磷积累量无显著影响，但显著降低了两个品种角果壳、秸秆和根中的磷积累量 (表6)，表明局部供磷能够将吸收的磷优先分配给籽粒。

表6 根箱试验不同供磷处理两个甘蓝型油菜品种的磷积累量 (mg/plant)Table 6 Phosphorus accumulation of two Brassica napus cultivars under different phosphorus treatments in rhizotron experiment

田间试验同一田块的0P/0P 和1P/1P 处理，SG168的平均籽粒磷积累量和平均地上部磷积累量均高于ZS11。籽粒和地上部磷积累量均受到田块、品种和处理间交互作用的影响 (表7)。与根箱试验结果类似，田间试验的低磷田块，ZS11 的1P/0P 处理各部位磷积累量与1P/1P 处理无显著差异，高磷田块SG168的1P/0P 处理各部位磷积累量与1P/1P 处理无显著差异，表明局部供磷对各部位磷积累量的影响与土壤本底磷含量和油菜品种有关 (表7)。

表7 田间试验不同供磷处理两个甘蓝型油菜品种的磷积累量 (mg/plant)Table 7 Phosphorus accumulation of two Brassica napus cultivars under different phosphorus treatments in field experiment

2.4 局部供磷对不同甘蓝型油菜品种磷利用效率的影响

根箱试验同一处理，SG168 的磷肥偏生产力和地力贡献率均高于ZS11 (表8)。SG168 的 1P/0P 处理的磷肥偏生产力相较于1P/1P 处理提高87%，地力贡献率提高6%。ZS11 的1P/0P 处理的磷肥偏生产力相较于1P/1P 处理提高58%，地力贡献率提高26%。与1P/1P 处理比较，1P/0P 处理并不影响两个品种的磷肥农学效率。磷肥偏生产力受到品种与处理交互作用的影响，磷肥偏生产力和地力贡献率对局部供磷的响应存在品种之间的差异 (表8)。

表8 根箱试验不同供磷处理两个甘蓝型油菜品种的磷肥利用效率Table 8 Phosphorus fertilizer use efficiency of two Brassica napus cultivars under different phosphorus treatments in rhizotron experiment

田间试验的低磷和高磷田块中，局部供磷时SG168 磷肥偏生产力分别高出ZS11 22.5%和37.9%，表明磷肥偏生产力对局部供磷的响应存在品种之间的差异(表9)。与1P/1P 处理比较，1P/0P 处理并不影响两个品种的磷肥农学效率，这与根箱试验结果一致。低磷田块局部供磷并不影响两个品种的磷肥偏生产力，而高磷田块两个品种1P/0P 处理的磷肥偏生产力均显著高于1P/1P 处理，表明磷肥偏生产力对局部供磷的响应受到土壤磷水平的影响 (表9)。

表9 田间试验不同供磷处理两个甘蓝型油菜品种的磷肥利用效率Table 9 Phosphorus fertilizer use efficiency of two Brassica napus cultivars under different phosphorus treatments in field experiment

3 讨论

3.1 局部供磷对油菜产量的影响

根箱试验0P/0P 处理的甘蓝型油菜单株籽粒重(表4) 均远高于田间试验的1P/1P 处理 (表5)，这与Yuan 等[40]的研究结果相似，这可能与甘蓝型油菜的栽培模式、根箱的填土量和酸紫砂土的自身特性有关。根箱试验的栽培模式是甘蓝型油菜幼苗经营养液培养后分根，然后移栽到土壤中，而田间试验的栽培模式是直播，有研究指出，移栽油菜的产量显著高于直播油菜[41]。每个根箱的填土量为150 kg，尽管酸紫砂土本身的磷含量很低，但较大的填土量提高了整个根箱的磷总量，因此单株油菜土壤磷的容量因素大。此外，酸紫砂土固定磷的能力较弱[42]，并且有利于油菜根系的深扎和养分的吸收，因此根箱试验各项指标与田间试验高磷田块的趋势相似。

田间试验中，与高磷田块0P/0P 处理比较，低磷田块0P/0P 处理的油菜植株矮小、分枝数和角果数少、生物量低(表3、表5)，说明在没有磷肥投入的情况下，低磷田块土壤本身可供油菜利用的磷极少。Li 等[36]研究结果表明，甘蓝型油菜局部供磷能够诱导供磷充足区域侧根的增加，并能增加磷缺乏区域根中磷的浓度。在低磷田块中，与1P/0P 处理比较，1P/1P 处理ZS11 和SG168 的籽粒产量显著增加(图1A)，且两个甘蓝型油菜品种在1P/0P 处理的地力贡献率均显著高于1P/1P 处理 (表9)，说明1P/0P处理提高了甘蓝型油菜对土壤中磷的吸收利用能力。低磷田块土壤中磷含量过低，1P/0P 处理诱导根系从土壤中活化吸收的磷不足以在减施磷肥时满足油菜生长，且甘蓝型油菜对缺磷敏感[43]，因此低磷田块需要施用足量的磷肥才能不减产。在根箱试验和田间试验高磷田块中，土壤环境中供磷相对充足，与1P/1P 处理相比，1P/0P 处理SG168 的单株籽粒重和籽粒产量没有显著降低 (表4、图1B)，这与前人[44-45]的研究结果类似，徐霞等[46]研究表明施磷能够提高作物产量，但产量和磷肥利用效率均会受土壤肥力水平的影响，本研究表明土壤本底速效磷含量会影响局部供磷的效果。

在根箱试验和田间试验高磷田块中，与SG168比较，ZS11 的单株籽粒重和籽粒产量显著降低(表4、图1B)，这表明除了土壤本身的磷含量外，油菜品种也会影响局部供磷的效果。不同试验同一处理，SG168 株高、分枝数和单株籽粒重均大于ZS11(表2、表3、表4、表5)，表明SG168 具有较高的产量潜力。根箱试验相同处理SG168 的平均单株籽粒重比ZS11 高42%～127% (表4)，田间试验相同处理SG168 的平均籽粒产量比ZS11 高18.0%～86.7% (图1)，这与前人的研究结果[38-39]类似，可能因为SG168 是甘蓝型半冬性杂交油菜品种，而ZS11 为甘蓝型半冬性常规油菜品种，SG168 相比ZS11 具有杂种优势。1P/0P 处理，根箱试验SG168的平均单株籽粒重比ZS11 高67.6% (表4)，田间试验低磷和高磷田块中SG168 的平均籽粒产量比ZS11 分别高22.5% 和37.9% (图1)，且根箱和高磷田块的1P/0P 处理SG168 的籽粒、秸秆和根系的平均磷积累量均高于ZS11 (表6、表7)，这表明SG168 相较于ZS11 更适应局部供磷的环境，原因可能为SG168 吸收利用磷的能力更强。前人研究表明，不同基因型油菜对低磷的响应存在差异，与磷低效甘蓝型油菜品种相比，磷高效甘蓝型油菜品种的根系能够分泌更多的酸性磷酸酶[47]，提高活化和吸收土壤中Ca-P 和Al-P 的能力[48]，从而获得更多产量。在局部供磷条件下，相较于磷低效基因型，磷高效基因型的玉米、棉花、小白菜也能在供磷一侧增加更多根，分泌更多的酸性磷酸酶，以适应局部供磷的环境[25,31-32]。此外，本研究根箱试验和田间试验的低磷田块，SG168 的磷肥偏生产力和地力贡献率高于ZS11 (表8、表9)，表明SG168 磷利用效率也高于ZS11，具体机制还需进一步研究。

3.2 局部供磷实现油菜减磷增效

由于磷肥极易被土壤固定，一般情况下磷肥的当季利用率只有10%～20%[49]。连续过多的磷肥投入导致土壤磷库增加[50-52]，并增加环境风险[4-6]。长江流域是我国最大的冬油菜种植区[33]，目前长江中游的水旱轮作区土壤磷素盈余量已经达到施磷量的22%[8]。朱芸等[7]通过分析长江流域多年多点的农田养分数据，发现稻油轮作模式中土壤的周年磷盈余量维持在较高水平，其中土壤速效磷的均值达到16.1 mg/kg，这一数值接近本试验中高磷田块的17.63 mg/kg (表1)。减施磷肥是降低磷在农田土壤中过量积累的重要途径。油菜减磷增效需要在合理施用氮钾肥的基础上，综合考虑土壤肥力、施肥方式、作物品种、生长规律和各时期的需肥特性。前人研究表明，减施氮肥的同时减施20%的磷肥不会显著降低油菜的产量[44-45]，在番茄[53-54]、玉米[55]、水稻和小麦[56]中也有减施磷肥但不减产的报道。局部供磷可以减少土壤中磷的固定[57-58]，诱导油菜供磷一侧根系的生长[36]，相较于均匀表施可使油菜增产2%～9%[59-60]。与ZS11 比较，SG168 具有高产稳产性，在高磷田块中，SG168 的1P/0P 处理的平均籽粒产量相较于1P/1P 处理没有显著降低，甚至高出ZS11 的1P/1P处理的平均籽粒产量8.2% (图1B)。因此在长江流域速效磷含量较高的农田中，通过局部条施的供磷方式种植SG168，可以实现不影响油菜产量的同时，回收利用水稻季结束后盈余的磷，充分利用磷肥的后效，从而减少磷肥投入，降低耕作成本和环境污染，促进农业可持续发展。

4 结论

局部供磷能够增强油菜对土壤中磷的吸收利用，提高地力贡献率和磷肥偏生产力。局部供磷对油菜磷素吸收利用和产量的影响与土壤本底磷水平和油菜品种相关。与均匀供磷相比，在低磷肥力田块，局部供磷会降低油菜籽粒产量，并减少籽粒磷积累量。而在高磷肥力田块，局部供磷会降低ZS11的产量和籽粒磷积累量，但对SG168 的产量和籽粒磷积累量无显著影响。与ZS11 比较，SG168 吸收利用磷的能力更强，相同处理下SG168 的株高、分枝数、产量和磷肥偏生产力均高于ZS11。在本研究高磷肥力土壤中，通过局部施磷的方式种植SG168，可以实现不减产的同时减少一半磷肥的施用。