施磷對(duì)寧夏引黃灌區(qū)水稻產(chǎn)量、氮磷吸收利用及氮素殘留的影響

郭鑫年, 孫 嬌, 梁錦秀, 周 濤, 李永祥, 薛彩霞, 田旭東

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 銀川 750002;2.青銅峽市良種繁殖場(chǎng), 寧夏 青銅峽 751600; 3.青銅峽市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室, 寧夏 青銅峽 751600)

寧夏引黃灌區(qū)位于我國(guó)西北內(nèi)陸，由青銅峽灌區(qū)和衛(wèi)寧灌區(qū)組成，總灌溉面積為9 697 hm2，水稻是該地區(qū)主要的糧食作物[1]。磷素作為水稻生長(zhǎng)發(fā)育所必須的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，直接影響著植株生化代謝、養(yǎng)分的吸收利用及其產(chǎn)量[2]，磷肥的合理施用是保證水稻分蘗正常、生育良好、早熟高產(chǎn)的基礎(chǔ)，而過(guò)量施用在增加了投入成本的同時(shí)養(yǎng)分利用率下降，土壤殘留磷素隨徑流流失造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，寧夏引黃灌區(qū)稻田平均施磷肥量已高于240 kg/hm2[4]，田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水稻磷肥利用率僅為4.2%[5]，因此，磷肥的合理施用成為該地區(qū)水稻高產(chǎn)，養(yǎng)分高效的關(guān)鍵。根據(jù)土壤養(yǎng)分含量和水稻生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分的要求，科學(xué)施用磷肥是提高水稻產(chǎn)量和肥料利用率的重要措施。已有研究表明，水稻植株內(nèi)磷化合物的含量與磷肥施用量直接相關(guān)，合理施用磷肥可以提高水稻的產(chǎn)量和磷肥利用效率[6]。另外，氮肥與磷肥的交互作用較大，N，P肥配施提高了水稻秸稈和籽粒產(chǎn)量，同時(shí)促進(jìn)了地上部N和P的吸收累積量，當(dāng)?shù)释度肓枯^低時(shí)，增施磷肥可提高作物產(chǎn)量[7]，且施用磷肥有效降低了耕層土壤硝態(tài)氮累積量，促進(jìn)水稻對(duì)土壤氮素的吸收[8]。單施氮肥土壤硝態(tài)氮累積高達(dá)1 000 kg/hm2，而氮磷配合施肥土壤硝態(tài)氮累積量?jī)H為220 kg/hm2[9]。為提高作物對(duì)氮磷養(yǎng)分的吸收量，提高肥料利用效率，減少養(yǎng)分在土壤中的殘留以降低土壤氮磷養(yǎng)分的流失方面前人做了大量研究，許多研究報(bào)道了磷肥施用對(duì)水稻的產(chǎn)量、吸磷量、生理形狀的影響以及殘留磷素對(duì)土壤環(huán)境的影響[7,9-10,11]，同時(shí)在兼顧產(chǎn)量效益條件下從種植業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化角度，提出了相應(yīng)栽培模式，有效降低土壤氮磷流失量[12]。目前，許多學(xué)者針對(duì)氮肥或者氮磷配合施用對(duì)水稻產(chǎn)量或氮、磷肥利用效率的影響方面進(jìn)行了研究[12]，而在寧夏引黃灌區(qū)施磷對(duì)水稻植株氮素、磷素吸收利用效率的影響方面的研究相對(duì)較少，在不同施磷量影響作物磷肥效率、吸氮特性及土壤硝態(tài)氮累積規(guī)律方面也只集中在春小麥上[9]，但在不同磷肥用量對(duì)水稻N、P生育期吸收比例、元素利用率以及土壤剖面礦質(zhì)態(tài)氮變化規(guī)律及殘留累積量方面的系統(tǒng)報(bào)道相對(duì)較少。本文通過(guò)對(duì)寧夏引黃灌區(qū)不同施磷水平下水稻產(chǎn)量、各生育期水稻氮和磷吸收與利用效率以及土壤礦質(zhì)氮累積量等進(jìn)行研究，旨在為寧夏引黃灌區(qū)水稻磷肥合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于寧夏青銅峽市良種繁殖場(chǎng)(106°16′E，38°8′N)，海拔1 697～2 633 m，屬于中溫帶干旱氣候區(qū)。年均降水量為180～220 mm，年均蒸發(fā)量1 500 mm左右，年總輻射量512.20 kJ/cm2，日照時(shí)數(shù)2 322.3 h，平均氣溫8.3℃，無(wú)霜期145 d。地貌類型為典型丘陵溝壑區(qū)，供試土壤為灌淤土，土壤pH值8.45，全鹽含量1.14 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量14.20 g/kg，全氮含量0.85 g/kg，堿解氮含量58.70 mg/kg，速效磷含量14.70 mg/kg，速效鉀含量121.50 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以“節(jié)3號(hào)”為研究材料，采用小區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在施氮(尿素，含N46%)、鉀肥(氯化鉀，含K2O 60%)的基礎(chǔ)上設(shè)置4個(gè)施磷(P2O5)水平，分別為：0，75，150，225 kg/hm2共4個(gè)濃度梯度，用P0，P75，P150，P225表示。每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為40 m2(10 m×4 m)，采取隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)間用33 cm高的鋁塑板隔開，并設(shè)獨(dú)立的排灌口，鋁塑板高出田面13 cm，以防小區(qū)間跑水、躥水、串肥，鋁塑板交接口用塑料薄膜密封。水稻于2014年4月20日播種，9月30日收獲，生育期163 d。每個(gè)小區(qū)均施鉀肥60 kg/hm2，氮肥270 kg/hm2，其中，鉀肥、磷肥和55%的氮肥基施，28%和17%的氮肥分別在水稻的分蘗期和孕穗期施入。基肥于水稻移栽前一天撒施后用木耙混入5 cm的表土中，分蘗肥和穗肥采用撒施的方式。水稻的種植方式采取人工插秧，插秧行距30 cm，株距10 cm，各處理田間管理均按照常規(guī)栽培技術(shù)要求進(jìn)行。

1.3 樣品采集

分別于2014年6月10日水稻分蘗期、7月9日拔節(jié)期、8月26日抽穗期、9月30日收獲期進(jìn)行地上部植物采樣，每個(gè)小區(qū)設(shè)5個(gè)重復(fù)。在水稻收獲期，按每個(gè)小區(qū)60穴水稻計(jì)算單位面積有效穗數(shù)，根據(jù)平均穗數(shù)取樣法在每個(gè)小區(qū)取5穴，考查穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素及籽粒充實(shí)情況，最后分小區(qū)單打?qū)嵤諟y(cè)產(chǎn)；同時(shí)，以20 cm土層為一層，采集0—100 cm土層土壤剖面的樣品，每小區(qū)設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.4 測(cè)定方法和計(jì)算

將植物樣品分為籽粒樣品與莖葉樣品，105℃殺青0.5 h之后在80℃下烘干，測(cè)定干物質(zhì)量；粉碎植物樣品過(guò)60目篩，H2SO4—H2O2消煮后，用凱氏定氮法測(cè)定植物全氮含量，NaOH堿熔—鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量[13]。將土壤樣品置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干后過(guò)100目篩，利用流動(dòng)分析儀對(duì)土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量進(jìn)行測(cè)定[14]。

測(cè)定養(yǎng)分利用率的相關(guān)公式[15]如下：

磷吸收總量=成熟期干物質(zhì)總量×植株磷含量/1000

元素生產(chǎn)效率=籽粒產(chǎn)量/植株元素吸收量

元素吸收效率=植株元素吸收量/施入元素量

元素收獲指數(shù)=籽粒元素吸收量/植株元素吸收量×100%

磷肥偏生產(chǎn)力=施磷籽粒產(chǎn)量/施入磷肥量

磷肥利用率=(施磷處理植株總吸磷量-不施磷對(duì)照植株總吸磷量)/施入磷肥量×100%

磷肥農(nóng)學(xué)利用率=(施磷處理經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量-不施磷對(duì)照經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量)/施入磷肥量

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2003和SPSS 19.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；通過(guò)相關(guān)性分析和回歸系數(shù)來(lái)描述各測(cè)量指標(biāo)的相關(guān)程度。圖表的制作采用Origin 9.0和Excel 2003軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷肥水平對(duì)水稻產(chǎn)量及磷肥利用率的影響

由表1可見，在施磷條件下水稻植株和籽粒產(chǎn)量均顯著增加，增產(chǎn)范圍分別為5 278.0～8 362.0，1 659.0～2 742.0 kg/hm2。與P0處理相比，在P75，P150，P225處理下水稻籽粒的增產(chǎn)率分別為25.5%，36.1%，27.7%。從產(chǎn)量構(gòu)成上來(lái)看，P75，P150，P225處理下水稻穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率均顯著大于P0處理。且各施磷處理相比，水稻穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率的最大值均出現(xiàn)在P150處理，最小值均出現(xiàn)在P75處理。各施磷處理相比，磷肥偏生產(chǎn)力和磷肥利用率的變化隨施磷量增加呈顯著降低的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在P75處理，分別為82.4 kg/kg，14.0%；磷肥農(nóng)學(xué)利用率的最大值出現(xiàn)在P150處理，為18.3 kg/kg，磷肥農(nóng)學(xué)利用率的最小值出現(xiàn)在P225處理。

表1 不同施磷水平對(duì)水稻產(chǎn)量及磷肥利用效率的影響

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同磷肥水平對(duì)水稻氮、磷吸收與利用率的影響

不同施磷水平下水稻在各生育期地上部分的氮素吸收量及其利用率見表2。不同施磷水平下水稻地上部分氮素吸收量變化隨著生育期的延長(zhǎng)多呈增加的趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在抽穗至成熟期間，水稻地上部分氮素吸收比率可從出苗至分蘗期的0.63%增長(zhǎng)到抽穗至成熟期的72.35%。與不施磷處理相比(P0)，施磷處理P75，P150，P225下水稻在出苗至成熟期氮素吸收比率分別增加了22.13%，28.58%，26.73%。水稻除了在拔節(jié)至抽穗期施磷處理下氮素吸收量顯著低于未施磷處理，隨著施磷量的增加，其各生育期地上部分氮素吸收量變化多呈先增加后降低的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在P150處理。不同施磷水平下水稻植株氮素吸收利用效率可用氮素生產(chǎn)效率、氮素吸收效率、氮素收獲指數(shù)表示[15]。水稻氮素生產(chǎn)效率在各施磷處理之間無(wú)顯著差異，氮素吸收效率和氮素收獲指數(shù)的變化從大到小順序?yàn)镻150>P75>P225>P0。

如表3所示，不同施磷水平水稻地上部分磷素吸收量變化隨著生育期的延長(zhǎng)多呈增加的趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在抽穗至成熟期間，水稻地上部分磷素吸收比率可從出苗至分蘗期的0.32%增長(zhǎng)到抽穗至成熟期的73.61%。與不施磷處理相比，P75，P150，P225處理下水稻在抽穗至成熟期磷素吸收比率分別增加了2.57%，3.11%，3.97%。在出苗至分蘗期，水稻磷素吸收量變化隨著施磷量的增加呈顯著增加的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在P225處理；從分蘗至成熟期，隨著施磷量的增加水稻磷素吸收量呈先增加后降低的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在P150處理，最小值出現(xiàn)在P0處理。隨著施磷量的增加水稻磷素生產(chǎn)效率和磷素吸收效率呈顯著降低的趨勢(shì)，而磷素收獲指數(shù)隨著施磷量的變化從大到小順序?yàn)镻150>P75>P225>P0。

表2 不同施磷水平對(duì)水稻氮素吸收與利用效率的影響

表3 不同施磷水平對(duì)水稻磷素吸收與利用效率的影響

2.3 不同磷肥水平對(duì)土壤剖面礦質(zhì)氮累積的影響

圖1為不同施磷水平下水稻在0—100 cm土層中土壤硝態(tài)氮含量和銨態(tài)氮含量。不同施磷水平下土壤硝態(tài)氮含量和銨態(tài)氮含量的變化范圍分別為2.97～15.43，0.36～2.02 mg/kg，除了水稻土壤硝態(tài)氮含量在P225處理下40—60 cm土層顯著高于20—40 cm土層、土壤銨態(tài)氮含量在P75處理下40—60 cm土層顯著高于20—40 cm土層，土壤硝態(tài)氮含量和銨態(tài)氮含量的變化多表現(xiàn)為隨著土層深度增加而顯著降低的趨勢(shì)。在0—40 cm土層中，土壤硝態(tài)氮含量隨著施磷量的增加而降低，最大值出現(xiàn)在P0處理；在40—100 cm土層中，土壤硝態(tài)氮含量的最大值多出現(xiàn)在P0處理，最小值多出現(xiàn)在P150處理。土壤銨態(tài)氮含量的變化在0—40 cm土層中從大到小的順序?yàn)镻0>P225>P75>P150；而在40—100 cm土層中，土壤銨態(tài)氮含量的最大值多出現(xiàn)在P225處理，最小值多出現(xiàn)在P150處理。

注：不同小寫字母表示同處理不同土層在p<0.05水平上差異顯著,不同大寫字母表示不同處理同土層在p<0.05水平上差異顯著。

圖1不同施磷水平對(duì)水稻土壤礦質(zhì)氮含量的影響

從圖2可以看出，不同施磷水平土壤硝態(tài)氮累積量、銨態(tài)氮累積量的變化范圍分別為92.14～120.46，8.02～14.39 kg/hm2。

在0—100 cm土層中，土壤硝態(tài)氮累積量變化隨著施磷量的增加而降低，最大值出現(xiàn)在P0處理，土壤銨態(tài)氮含量變化從大到小的順序表現(xiàn)為P0>P225>P75>P150。隨著土層深度的增加，土壤硝態(tài)氮累積量和銨態(tài)氮累積量的變化多表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)，除了P225處理下土壤銨態(tài)氮累積量的最大值出現(xiàn)在60—80 cm土層中。

圖2 不同施磷水平對(duì)水稻土壤礦質(zhì)氮累積量的影響

3 討 論

本研究中，增施磷肥顯著提高了水稻穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，進(jìn)而提高了水稻籽粒產(chǎn)量。施磷可顯著提高當(dāng)季水稻籽粒的產(chǎn)量[16]，施磷150 kg/hm2處理(P150)下水稻籽粒產(chǎn)量最高，過(guò)高的磷肥水平(P225)降低了水稻籽粒產(chǎn)量。本研究中，增施磷肥提高了水稻的農(nóng)學(xué)利用率，施磷肥可顯著提高水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，尤其以施磷150 kg/hm2處理下水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高。但磷肥偏生產(chǎn)力和磷肥利用率隨著施磷量的增加呈降低趨勢(shì)。這與樣地土壤速效磷含量(14.70 mg/kg)較高有關(guān)[17]。本研究中，施磷肥可顯著提高水稻各生育期植株氮素吸收量，施磷150 kg/hm2處理下水稻氮素吸收量最高。適當(dāng)?shù)脑鍪┝追士梢源龠M(jìn)作物對(duì)土壤氮素吸收，但過(guò)高施磷水平下作物氮素吸收水平下降[7,18]。施磷量150 kg/hm2處理可顯著提高作物從出苗到拔節(jié)時(shí)期氮素吸收比率，從而顯著提高各生育期氮素累積量[19]。另外，作物氮素吸收的高峰期主要集中在中前期[20]，不施磷處理下作物氮素吸收的高峰出現(xiàn)在拔節(jié)期，施磷肥下作物氮素累積高峰有所后移，出現(xiàn)在抽穗期[9]，從而出現(xiàn)了施磷肥處理下水稻拔節(jié)到抽穗期氮素吸收量顯著降低的現(xiàn)象。本研究中，隨著施磷量的增加，水稻氮素生產(chǎn)效率在各施磷處理之間無(wú)顯著差異，而氮素吸收效率和氮素收獲指數(shù)的變化呈先升高后降低的趨勢(shì)。施磷肥提高了水稻籽粒氮素累積量、植株氮素累積量[19]，但籽粒氮素累積量的增加幅度低于植株氮素累積量增加的幅度，導(dǎo)致了水稻氮素生產(chǎn)效率的降低。增加施磷量，可促進(jìn)植株體內(nèi)氮素的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而提高了植株氮素吸收效率和氮素收獲指數(shù)[20]，且在施磷150 kg/hm2處理下可獲得較高的氮素吸收效率和氮素收獲指數(shù)[21]。

合理增施磷肥能促進(jìn)作物對(duì)土壤磷素的吸收和累積[22]。本研究中，水稻磷素吸收量隨生育期延長(zhǎng)呈增加的趨勢(shì)。水稻磷素吸收量變化表現(xiàn)為生育后期>中期>前期，且在水稻播種30 d以后磷素吸收量開始增大[23]。作物磷素吸收量隨生育期的推進(jìn)呈增加趨勢(shì)，在生育前期主要在葉子中分配，生育后期主要在果實(shí)中分配[24]。但也有研究認(rèn)為在水稻生育期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)拔節(jié)期和成熟期兩個(gè)磷素吸收高峰[25]。這可能與水稻基因型、種植模式和生長(zhǎng)環(huán)境等因素不同有關(guān)[24]。施磷肥尤其是施磷150 kg/hm2處理下可顯著提高水稻各生育期植株磷素吸收量。說(shuō)明水稻磷素吸收量受供磷水平的調(diào)控[26]。增施磷肥可增加土壤有效磷的濃度，進(jìn)而加快土壤中磷擴(kuò)散速度、增加水稻的不定根數(shù)目，水稻吸收磷素能力增強(qiáng)[27]。但高量施磷導(dǎo)致土壤有效磷濃度過(guò)高，抑制水稻磷素的吸收能力[5,23-24]。本研究中，隨著施磷量的增加，水稻磷素生產(chǎn)效率和磷素吸收效率的變化呈降低的趨勢(shì)。說(shuō)明施用磷肥對(duì)水稻植株磷素吸收作用的影響大于生產(chǎn)作用的影響。增施磷肥可顯著提高水稻磷素收獲指數(shù)，但過(guò)高磷肥水平下水稻磷素收獲指數(shù)會(huì)顯著降低。磷肥投入水平顯著影響土壤礦質(zhì)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)累積量[12]，而土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物吸收氮素的主要形態(tài)[28]。在通氣良好、pH值較高的土壤條件下，土壤銨態(tài)氮通過(guò)硝化作用快速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮[29]，因而水稻土壤硝態(tài)氮含量較高，變化范圍為2.97～15.43 mg/kg，土壤銨態(tài)氮含量的變化范圍僅為0.36～2.02 mg/kg，土壤硝態(tài)氮成為水稻吸收的主導(dǎo)礦質(zhì)氮源。本研究中，水稻0—100 cm土層中土壤硝態(tài)氮累積量隨著施磷量增加呈顯著降低的趨勢(shì)。磷肥可能通過(guò)增加作物根系吸收范圍從而降低土壤中硝態(tài)氮的累積[8]，因此，增施磷肥可減小向下淋溶土壤硝態(tài)氮的累積量[30]，尤其在40 cm以下土層土壤中硝態(tài)氮累積量顯著降低[31]。適當(dāng)施用磷肥刺激了土壤硝化細(xì)菌生長(zhǎng)，但磷肥施用過(guò)量會(huì)抑制土壤硝化細(xì)菌的數(shù)量，進(jìn)而造成銨態(tài)氮累積[14]。因此，水稻土壤0—100 cm土層中銨態(tài)氮累積量隨著施磷量增加呈先降低后增加的趨勢(shì)，施磷150 kg/hm2處理下水稻土壤銨態(tài)氮累積量最小。

4 結(jié) 論

與不施磷肥相比，施磷肥顯著提高了水稻穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，進(jìn)而提高了水稻籽粒產(chǎn)量，且以施磷150 kg/hm2處理(P150)下水稻籽粒產(chǎn)量最高，最高值為7 593.11 kg/hm2(增產(chǎn)率為36.12%)。除了在施磷肥處理下拔節(jié)到抽穗期水稻氮素吸收量顯著降低外，施磷肥尤其是施磷150 kg/hm2處理下可顯著提高水稻各生育期植株氮素和磷素的吸收量。隨著施磷量的增加，水稻氮素生產(chǎn)效率無(wú)明顯變化，氮素吸收效率和氮素收獲指數(shù)的變化呈先升高后降低的趨勢(shì)；水稻磷素生產(chǎn)效率和磷素吸收效率的變化隨著施磷量增加顯著降低，而磷素收獲指數(shù)的最大值出現(xiàn)在施磷150 kg/hm2處理。水稻0—100 cm土層中土壤硝態(tài)氮累積量隨著施磷量增加而顯著降低，土壤銨態(tài)氮累積量隨著施磷量增加呈先降低后增加的趨勢(shì)，施磷150 kg/hm2處理下水稻土壤銨態(tài)氮累積量最小。