長期施肥對黑壚土冬小麥、玉米產量和磷素利用效率的影響

裴瑞娜

（甘肅省天水市麥積區農業技術推廣中心，甘肅 天水 741020）

聯合國糧食及農業組織的資料顯示，1980— 2002年我國的化肥用量增長了61%，而糧食產量只增加了31%［1］。施肥是提高糧食產量和土壤培肥的主要方式，然而由于磷在土壤中難移動、易固定，導致磷肥回收率低［2-4］。因此，闡明長期施肥下土壤磷庫的演變特征，提高磷肥的利用效率是我國農業科學研究重要的問題，對于生態環境保護和農業可持續發展有重要的理論意義和實踐價值［5］。有關小麥、玉米的產量和磷肥效率的研究已有很多報道，但不同地區、不同施肥條件下小麥和玉米的產量、磷素的吸收、利用有所差異。魯如坤認為全國旱田磷肥的當季利用率在15%～25%［6］。黃紹敏對河南潮土的研究發現，在施磷量相同（165 kg/hm2）情況下，施用氮磷鉀化肥和氮磷化肥小麥磷肥回收率最高，分別為68.4%和46.0%，是最佳施肥配合［7］。張少民等在黃土高原地區的研究表明，施用氮磷化肥或氮磷鉀肥料配施是提高小麥產量和磷肥回收率的有效措施［8］。黃蓋粘黑壚土上有機肥和磷肥配施的小麥磷肥回收率為13.1%［9］。綜上所述，前人的研究多集中于對不同氮磷鉀化肥及有機肥的配施處理間磷肥回收率進行對比，對相同地區不同作物之間的磷肥回收率時間變化趨勢及其參數研究較少。鑒于上述情況，筆者在長期定位試驗的基礎上研究了不同施肥對冬小麥、玉米的產量和土壤肥力影響，比較了冬小麥、玉米對養分吸收利用的差異性，以期為黃土區旱地合理施肥、提高磷肥效率和作物增產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在典型黑壚土區甘肅省平涼市高平試驗農場（北緯35°16′，東經107°30′，海拔1 254 m），屬于典型的黃土高原半濕潤偏旱區。當地年平均降水量540 mm，其中60%集中在7、8、9月，年均氣溫8℃，年均蒸發量1 384 mm，干燥度 0.39，無霜期 172 d；年日照輻射量約 550 kJ/cm2，≥10℃積溫2 800℃。試驗始于1978年，當時耕層（0~20 cm）土壤含有機質10.75 g/kg、全氮0.95 g/kg、全磷0.57 g/kg、堿解氮65.90 mg/kg、有效磷 6.77 mg/kg、速效鉀 163.20 mg/kg。1979—1993年試驗按2 a春玉米與4 a冬小麥的一年一熟輪作周期進行，1993—1998年為冬小麥連作，1999年種植高粱，2000年種植大豆，2001—2004為冬小麥連作，2005—2006為玉米連作，2007年種植冬小麥。

1.2 供試材料

供試氮肥為尿素（含N46%），磷肥為普通過磷酸鈣（含P2O512%），農家肥為牛馬廄肥。供試作物秸稈為上季作物秸稈。

1.3 試驗方法

試驗為長期定位試驗，共設6個處理，即不施肥處理（CK）、N處理（單施N 90 kg/hm2）、NP處理（氮磷肥配合施用，N 90 kg/hm2+P 30 kg/hm2）、SNP處理（氮磷肥和秸稈配合施用，秸稈3 750 kg/hm2+N 90 kg/hm2+P 30 kg/hm2）、M處理（單施有機肥75 000 kg/hm2）、MNP處理（氮磷肥和有機肥配合施用，有機肥75 000 kg/hm2+N 90 kg/hm2+P 30 kg/hm2）。試驗采用多次重復法排列，重復3次，共18個小區，小區面積220 m2。在上季作物收獲后及時將作物秸稈粉碎并深翻施入，氮肥、磷肥和農家肥在播前作基肥一次性施入。每年作物成熟時，玉米和冬小麥每小區分別收獲40 m2和20 m2，單收測產。每季作物收獲后每小區分3個點取0～15 cm耕層土樣，混合后風干、過篩，用于土壤全氮、全磷、有效磷、有效鉀和有機質分析。土壤全磷用H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定，土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，植物樣品全磷用H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法測定［10］。

1.4 計算公式和統計分析

作物吸磷量（kg/hm2）=籽粒產量（kg/hm2）×籽粒含磷量（%）+秸稈產量（kg/hm2）×秸稈含磷量（%）

磷肥農學利用效率（kg/kg）=（施磷肥區作物產量-不施磷肥區作物產量）/施磷量

磷肥回收率（%）=（施磷肥區作物吸磷量-不施磷肥區作物吸磷量）/施磷量

式中的施磷量為施用的總P量，包括無機化肥、有機肥和秸稈中的P量。

采用Excel和SPSS軟件進行冬小麥和玉米產量、冬小麥和玉米的吸磷量、冬小麥和玉米磷肥累積利用率的時間變化趨勢線模擬及顯著性檢驗（P<0.05）［11-12］。

2 結果與分析

2.1 長期施肥對冬小麥、玉米產量的影響

長期施肥條件下，施用磷肥處理（NP、SNP、M、MNP）的冬小麥和玉米的平均產量均顯著高于不施磷肥處理（CK、N），而各試驗點施用磷肥處理之間的冬小麥平均產量無顯著差別（圖1）。說明在黑壚土上，施用磷肥對提高作物的產量有重要作用。不施磷肥條件下（CK、N），冬小麥產量為1 603～2 270 kg/hm2，玉米的產量為3 010～3 289 kg/hm2。施用磷肥條件下（NP、SNP、M、MNP），冬小麥產量為 3 519～4 621 kg/hm2，玉米產量為5 303～6 332 kg/hm2。可見施用磷肥在玉米上的增產作用大于冬小麥，說明玉米對磷肥的依賴性比冬小麥強，施肥效果明顯。

圖1 長期施肥不同處理下冬小麥和玉米的平均產量

圖2 長期不同施肥處理下冬小麥和玉米的吸磷量的變化

2.2 長期施肥對冬小麥、玉米吸收磷素的影響

冬小麥和玉米植株體內的磷素主要分布在籽粒上，秸稈的含磷量相對較低。長期施用磷肥和有機肥處理（NP、SNP、M、MNP）的冬小麥和玉米吸磷量均高于不施磷的處理（CK、N）（圖2）。長期不施肥（CK）和施N條件下，黑壚土冬小麥吸磷量從開始的3.9、3.2 kg/hm2，分別上升至26 a后的4.4、6.6 kg/hm2，玉米從9.5、7.8 kg/hm2上升至28 a后的12.7、10.1 kg/hm2；而NP、SNP、M、MNP處理的冬小麥和玉米的吸磷量隨時間的延長而顯著升高，NP、SNP、M、MNP處理的冬小麥的吸磷量由開始年份的4.2、5.7、5.5、6.9 kg/hm2，分別上升至26 a后的10.0、12.9、10.3、14.4 kg/hm2，而玉米NP、SNP、M、MNP處理的吸磷量由開始年份的20.2、15.9、17.5、23.1 kg/hm2，分別上升至 28 a后的 26.9、31.1、32.7、39.7 kg/hm2。經方差分析，冬小麥和玉米的吸磷量在施磷和不施磷處理間的差異顯著（圖3），說明黑壚土玉米的吸磷能力高于冬小麥。施入土壤中的磷肥，除被作物吸收利用外，其余被土壤固定，部分轉化為難溶性的磷酸鹽。由于長期施用磷肥，土壤磷的形態發生明顯變化，作物吸收磷的數量亦有很大差別。以冬小麥為例，經過26 a的種植，不施肥冬小麥的地上部分（籽粒+秸稈）平均每年從土壤中帶走P 4.9 kg/hm2，N處理的冬小麥平均每年從土壤中帶走P 5.5 kg/hm2；NP處理和施M處理中等，為11.0 kg/hm2和10.8 kg/hm2；而SNP處理和MNP處理最高，分別為11.4 kg/hm2和14.6 kg/hm2（圖2）。

圖3 冬小麥和玉米的平均吸磷量

圖4 長期施肥下冬小麥、玉米的磷肥農學利用效率和磷肥回收率

2.3 長期施肥對冬小麥、玉米磷肥農學利用效率的影響

對冬小麥、玉米長期施肥條件下的磷肥農學利用效率隨時間的變化趨勢進行線性模擬，結果表明，所有施磷處理（NP、SNP、M、MNP） 隨時間變化不大。在試驗期內，冬小麥、玉米的磷肥農學利用效率變異較大，上下波動而沒有明顯的變化趨勢（圖4、表1）。經過一定時間（28 a）的施肥以后，所有施磷處理玉米的農學利用效率為12.42～77.10 kg/kg，冬小麥的農學利用效率為9.13～73.41 kg/kg。其中以NP處理的農學利用效率最高，而M處理的農學利用效率最低，這與M處理中大量投入的磷素有關。在NP處理條件下，每投入1 kg磷肥，冬小麥產量增加73.41 kg，玉米產量增加77.10 kg；而SNP處理條件下，每投入1 kg磷肥，冬小麥產量增加12.89 kg，玉米增加14.78 kg；M處理條件下，每投入1 kg磷肥，冬小麥產量增加9.13 kg，玉米增加12.42 kg；MNP處理條件下，每投入1 kg磷肥，冬小麥產量增加12.51 kg，玉米產量增加15.21 kg。玉米所有施磷處理的農學利用效率均高于冬小麥。對各處理冬小麥、玉米的磷肥農學利用效率的年平均變化量進行比較（表1），結果表明，不同處理間的差異不顯著。所有施磷處理玉米的農學利用效率均高于冬小麥，說明在黑壚土上，每投入1 kg磷肥增加的玉米籽粒產量高于冬小麥籽粒產量。

表1 長期不同施肥下冬小麥、玉米的磷肥農學利用效率和磷肥回收率變化

2.4 長期施肥對冬小麥、玉米的磷肥回收率的影響

冬小麥和玉米的磷肥回收率上下波動而變化趨勢不明顯（圖4、表1）。經過一定時間（28 a）的施肥以后，所有施磷處理玉米季的磷肥回收率平均為5.18%～30.15%，冬小麥季為2.93%～20.07%。其中NP處理的磷肥回收率最高，而M處理的最低，這與M處理中大量投入的磷素遠高于化學磷肥有關。NP處理下，冬小麥和玉米季的磷肥回收率平均分別為20.07%和30.15%；SNP處理下，冬小麥和玉米季的磷肥回收平均分別為3.47%和5.31%；M處理下，冬小麥和玉米季的磷肥回收平均分別為2.93%和5.18%；MNP處理下，冬小麥和玉米季的磷肥回收平均分別為4.15%和6.79%。所有施磷處理下，玉米的磷肥回收率均高于冬小麥，且玉米的磷肥回收率平均較冬小麥高50.2%～76.6%。

3 小結與討論

1） 以甘肅省平涼市1979—2007年的長期定位肥料試驗為基礎，研究了黑壚土長期不同施肥方式和施肥量對冬小麥和玉米的產量、磷素吸收利用的影響。結果表明，長期施磷［氮磷肥配合施用（NP）、氮磷肥和秸稈配合施用（SNP）、單施有機肥（M）、氮磷肥和有機肥配合施用（MNP）］處理的冬小麥產量為 3 519～4 621 kg/hm2，玉米為5 303～6 332 kg/hm2，二者均較不施磷肥處理［不施肥（CK）、單施氮肥（N）］提高了2～4倍，且施磷處理之間無顯著差異。冬小麥和玉米長期施用磷肥處理（NP、SNP、M、MNP）的吸磷量均高于不施磷處理（CK、N），所有施磷處理的玉米吸磷量均高于冬小麥。經過28 a的施磷處理，玉米的農學利用效率平均為12.42～77.10 kg/kg，冬小麥的農學利用效率平均為9.13～73.41 kg/kg，每投入1 kg磷肥增加的玉米籽粒產量高于冬小麥籽粒產量。所以在黑壚土上施磷時應冬小麥重施，玉米輕施。所有施磷處理玉米季的磷肥回收率平均為5.18%～30.15%，冬小麥季平均為2.93%～20.07%。其中NP的磷肥回收率最高，均高于其他施磷處理。所有施磷處理下，玉米的年均磷肥回收率均高于冬小麥，且玉米的磷肥回收率較冬小麥高50.2%～76.6%。

2）我國目前冬小麥生產中，肥料的當季利用率不高，提高肥料利用率對農業發展具有重要意義。本研究分析了長期不同施肥下冬小麥和玉米的產量、磷素吸收、農學利用效率、磷肥回收率的差異及其時間變化特征，結果表明，冬小麥的平均產量在氮磷肥和有機肥配合施用時效果最好，增產率達244.28%；其次是氮磷肥和秸稈配合施用、氮磷肥配合施用、單施有機肥，增產率依次是217.35%、188.11%和156.10%；單施氮肥較不施肥處理增產41.66%。玉米的平均產量也以氮磷肥和有機肥配合施用效果最好，增產率為146.76%；其次是氮磷肥和秸稈配合施用、氮磷肥配合施用、單施有機肥，增產率依次是122.27%、106.88%和103.00%。單施氮肥較對照不施肥處理增產9.25%。冬小麥和玉米的增產順序由大到小均為氮磷肥和有機肥配合施用（MNP）、氮磷肥和秸稈配合施用（SNP）、氮磷肥配合施用（NP）、單施有機肥（M）、單施氮肥（N）、不施肥（CK）。可見化肥和有機肥只有合理配合施用，才能獲得高產［13-15］。

3） 黑壚土長期施磷處理下，冬小麥和玉米的農學利用效率和磷肥回收率的變化率變化不大，施用磷肥可以持續保持冬小麥、玉米的磷肥農學利用效率和磷肥回收率，但玉米季的農學利用效率和回收率均高于冬小麥。對冬小麥、玉米的農學利用效率和磷肥回收率的分析表明，經過28 a的施磷處理，玉米季農學利用效率平均為12.42～77.10 kg/kg，冬小麥農學利用效率平均為9.13～73.41 kg/kg，冬小麥季農學利用效率由高到低的順序為：氮磷肥配合施用（NP）、氮磷肥和有機肥配合施用（MNP）、氮磷肥和秸稈配合施用（SNP）、單施有機肥（M）。其中氮磷肥配合施用（NP）處理的農學利用效率最高，而單施有機肥（M）處理的農學利用效率最低，這與有機肥處理大量投入的磷素有關。玉米季磷肥回收率的平均值為5.18%～30.15%，冬小麥季磷肥回收率的平均值為2.93%～20.07%。本研究中磷肥的當季回收率都較前人的研究結果低。如黃紹敏對河南潮土的研究發現，在施磷量相同（165 kg/hm2）情況下，施用化肥NPK和NP冬小麥磷肥回收率最高，分別為68.4%和46.0%，是最佳施肥配合［7］。前人在稻田、旱地、酸性土、堿性土上的研究均認為磷肥都具有明顯的殘效，而且施磷量越低的土壤磷肥的效率越高［16-17］，這與本研究的結果一致。本研究表明，NP處理的磷肥回收率較其余施磷（SNP、M、MNP）處理高，這可能與有機肥投入的大量磷素以有機磷為形態儲存于土壤［18］，降低了磷肥的利用效率有關。

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