長期隔年施磷對隴東旱塬作物產量和土壤肥力的影響

丁寧平，王 婷，李利利，周海燕，尚來貴

(1.平涼市農業科學院，甘肅平涼 744000； 2.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅蘭州 730070； 3.甘肅農業大學農學院，甘肅蘭州 730000)

磷是植物生長的必需營養元素之一，然而化學磷肥施入土壤后，極易被土壤離子固定[1-2]。有報道指出，施入土壤中的磷肥至少有70%～90%以不同形態的磷積累于土壤，難以被植物吸收和利用[3]。中國現代農業生產中農戶常施用大量的磷肥[4]，但磷肥的當季利用率通常只有10%～20%[5]，過量使用磷肥既浪費資源也會導致水體污染，因此，合理施用磷肥對提高土壤可利用磷水平、保障作物產量和生態環境安全均有重要意義。已有研究表明，合理施用磷肥能提高作物產量、改善作物品質[6-10]，有效提升土壤肥力水平[4,6,11]。王淑英等[11]和沈強云等[12]研究顯示，長期施磷能提高土壤全磷和有效磷含量，補充土壤磷庫，保證作物產量。俄勝哲等[4]、高 靜[13]、魏 猛等[14]研究顯示，當土壤中有效磷含量達到一定閾值時，作物產量將不再隨磷含量的增加而增加。展曉瑩等[15]也指出，長期大量施磷，雖然能大幅度增加土壤的有效磷含量，但磷素流失的風險也隨之增加，對農田生態環境造成威脅。

隴東旱塬是黃土高原的重要組成部分，目前該地區主要的施肥方式有單施氮肥、氮磷配施、氮磷與秸稈配施等[16]。已有大量學者圍繞黃土高原長期施肥條件下作物產量演變[17-19]、氮磷化學肥料合理配施以及土壤肥力演變規律[20-21]等進行了大量研究，關于磷肥效應也有涉及。陳遠學等[22]研究了磷肥在小麥-玉米-大豆輪作體系中的后效作用，認為可充分利用小麥季投入的磷肥，大豆季不施或少施磷，實現提高磷肥利用率的目的。李雙來等[23]研究表明，油-稻-稻種植制度下，油菜和早稻生育期內施用磷肥對后季作物均有一定的后效作用。卜容燕等[24]研究證明，磷后效與施用磷肥量呈顯著正相關，油菜生長發育過程中可以吸收和利用水稻季殘留在土壤中的磷肥。而針對黃土高原旱作區冬小麥-春玉米輪作體系下，上季作物投入的磷肥對下季作物是否有磷肥后效作用，利用上季作物磷后效能否實現化肥減施和節本增效的研究鮮有報道。因此，本研究基于 1979-2019年在甘肅省隴東旱塬黑壚土進行的肥料長期定位試驗，探討長期隔年施磷對作物產量和土壤肥力的影響，旨在為指導該區科學施用磷肥和提高磷肥利用效率提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

隴東旱塬黑壚土肥料長期定位試驗始于1979年。試驗點位于甘肅省平涼市涇川縣高平鎮(107°30′E，35°16′N)，海拔1 340 m，年平均氣溫8.6 ℃，≥10 ℃積溫 2 800 ℃，持續期180 d，年均降雨量526 mm，60%的降水集中在7-9月，屬黃土高原半濕潤偏旱區。試驗地土壤為黑壚土，黃土母質，土體深厚疏松，利于植物根系伸展下扎，富含碳酸鈣。試驗開始前耕層(0～20 cm)土壤有機質10.5 g·kg-1，全氮1.0 g·kg-1，全鉀20.5 g·kg-1，速效氮 114 mg·kg-1，速效磷4.8 mg·kg-1，pH 8.2。

1.2 試驗設計

設不施肥料(CK)、單施氮肥(N)、氮磷肥配施(NP)、秸稈+氮磷配施(SNP/SN)4個處理。其中，秸稈+氮磷配施(SNP/SN)處理的磷肥為隔年施用，自1979年試驗開始第1年施用磷肥，之后每2年施用一次磷肥，施磷年份該處理記作SNP，不施磷年份記作SN；NP處理為逐年施氮、磷肥。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，氮、磷用量(折純量)和秸稈用量分別為90 kg·hm-2、75 kg·hm-2和3 750 kg·hm-2，所用肥料均于播前一次性基施。試驗為大區設計，未設重復，每處理的小區面積為666.7 m2。經多年取樣實測，玉米秸稈的氮、磷和鉀含量均值分別為8.0、0.4和9.9 g·kg-1，而小麥秸稈的氮、磷、鉀含量則分別為5.2、0.3和10.6 g·kg-1。

1979-1996年按2年春玉米、4年冬小麥輪作種植，種植春玉米的年份分別為：1979、1980、1985、1986、1991、1992、2005、2006、2011、2012、2017、2018年，種植冬小麥的年份分別為：1981、1982、1983、1984、1989、1990、1993、1994、1995、1996、1997、1998、2001、2002、2003、2004、2007、2008、2009、2010、2013、2014、2015、2016年。1997-1998年冬小麥連作，1999年和2000年分別種植高粱和大豆，2001-2018年仍按2年春玉米、4年冬小麥輪作種植。玉米露地穴播，密度 5.25萬株·hm-2，小麥機械條播，播量187.5 kg·hm-2。冬小麥生育年的生育期為10月至翌年6月。春玉米生育年的生育期為4-9月。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量測定

每季作物成熟期全區收獲實測產量。

1.3.2 土壤養分含量測定

分別采集1979年、1988年、1996年、2007年、2012年和2017年作物播前和收獲后土壤樣品。每小區按“S”型路線取7個點，采集0～20 cm土樣，混合均勻后風干研磨，用于測定土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀等指標。

土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定[25]；土壤全磷和速效磷分別用NaHCO3熔融、0.5 mol·L-1NaHCO3浸提后，采用鉬銻抗比色法測定[26]；土壤堿解氮用堿解擴散法測定[27]；土壤速效鉀用1 mol·L-1醋酸氨浸提，采用火焰光度計測定[27]。

1.3.3 產量穩定性和可持續性的計算

產量穩定性以統計學上的變異系數(coefficient of variation，CV)表示，可衡量年際間產量的變異程度，CV越大則說明產量穩定性越低。計算公式[28]：CV=σ/Y×100%

產量可持續性采用可持續產量指數(sustainable yield index，SYI)來表征，SYI值越高說明該系統的可持續越好。計算公式[29]：

1.3.4 土壤綜合肥力指數的計算

土壤單一指標養分肥力系數用IFIi表示。計算公式[30-31]：

式中，x表示1979年、1988年、1996年、2007年、2012年和2017年監測的土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀6項養分指標的測定值，xa、xb、xc表示依據全國第二次土壤普查土壤養分指標分級標準劃分的一、二和三級閾值范圍[32]。

采用內梅羅指數法計算土壤綜合肥力指數(IFI)，以此來評估多年連續施肥條件下土壤的綜合肥力狀況，計算公式[33]為：

式中，Ave IFIi表示同一年度該處理下所有養分指標分肥力系數的平均值，Min IFIi表示同一年度該處理下所有養分指標分肥力系數的最小值，n表示土壤養分指標個數，本研究中n為6。

1.4 數據統計分析

采用 Microsoft Excel 2010 軟件計算和處理數據，采用SigmaPlot 14.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 長期隔年施磷對春玉米產量的影響

在1979-2018年的冬小麥-春玉米輪作周期中，有12年種植春玉米，其中秸稈+氮磷處理施磷(SNP)和不施磷(SN)各為6年。SNP和SN處理春玉米平均產量均高于CK、N和NP處理，SN處理春玉米平均產量最高，為7 869.5 kg·hm-2，較SNP處理高8.6%(表1)。與CK、N和NP處理相比，SNP處理春玉米平均產量分別增加83.4%、71.2%和3.3%，SN處理分別增加151.4%、92.3%和7.2%，說明在秸稈還田配施氮肥和隔年施用磷肥的情況下，仍然可以保證較高的產量水平。

由表1可知，各處理春玉米的產量變異系數(CV)表現為CK>SN>SNP>N>NP，變異范圍為 27.0%～36.3%，呈中等強度變異，說明是否施磷對玉米產量穩定性的影響較小，提示在實際生產中可能應更多的考慮氣候等其他因素的影響。分析產量可持續性指數(SYI)發現，CK處理的SYI值最低，NP處理的SYI值最高，SNP(或SN)處理和N處理的SYI值居于CK和NP處理之間 (表1)，說明秸稈還田條件下隔年施磷可保證春玉米產量的可持續性。

表1 長期不同施肥處理的春玉米平均產量、產量變異系數及可持續產量指數Table 1 Spring maize yield and its stability,sustainable yield index under the different long-term fertilizer application treatments

2.2 長期隔年施磷對冬小麥產量的影響

在1979-2019年的冬小麥-春玉米輪作周期中有26年種植冬小麥，其中秸稈+氮磷處理施磷(SNP)和不施磷(SN)各為13年。由表2可知，與春玉米產量的變化趨勢一致，SNP和SN處理冬小麥的平均產量分別較CK、N、NP處理高171.5%、101.2%、8.0%和159.2%、100.3%、 5.5%，且SN處理冬小麥的平均產量(4 016.9 kg·hm-2)較 SNP處理(3 756.5 kg·hm-2)高 6.9%，說明秸稈+隔年施磷有利于冬小麥增產。

與春玉米表現不同的是，SNP和SN處理的產量變異系數均最小，分別為 27.5% 和 27.8%。SNP處理的產量變異系數分別較CK和N 處理低94.9%和159.6%，SN處理的產量變異系數分別較CK和N處理低40.3%和118.7%。SNP和SN處理的產量可持續性指數最大，分別為 47.1%和48.4%，分別較CK、N和NP處理高18.2%～306.0%和49.8%～161.1%，說明秸稈還田+隔年施磷技術能夠提高冬小麥的產量穩定性和可持續性。

表2 長期不同施肥處理的冬小麥平均產量、產量變異系數及可持續產量指數Table 2 Winter wheat yield and its stability,sustainable yield index under the different long-term fertilizer application treatments

2.3 長期隔年施磷對土壤綜合肥力指數的影響

40年長期施肥冬小麥-玉米輪作土壤綜合肥力指數(IFI)計算結果(圖1)表明，CK、 N、 NP和SNP(或SN)處理的IFI值分別為0.93～1.12、 1.02～1.14、1.06～1.53和1.02～1.48。 SNP(或SN)處理的IFI平均值最高，分別較CK、N和NP處理高25.49%、21.34%和6.10%，說明長期秸稈還田+隔年施磷技術能顯著提高土壤綜合肥力。由圖1中還可看出，SNP(或SN)處理和NP處理的IFI值在年際間的變異高于CK處理和N處理，變異系數分別為12.27%和13.37%，說明長期連續氮磷配施或秸稈氮磷隔年配施對土壤肥力的影響并不穩定，仍需優化施肥結構，促進土壤肥力的持續穩定提升。

圖1 長期不同施肥處理的土壤綜合肥力指數Fig.1 Soil integrated fertility index under the different long-term fertilizer application treatments

3 討 論

3.1 長期隔年施磷與作物產量、產量穩定性和可持續性的關系

已有研究表明，在隴東旱塬黑壚土長期施肥定位試驗中，秸稈+氮磷肥、氮磷配施能顯著增加作物產量及其穩定性[34]。本研究進一步證實，長期隔年施磷下春玉米和冬小麥產量均最高，且隔年施磷處理對冬小麥的增產效果較春玉米更為明顯。主要原因在于上季作物施磷對下季作物具有后效作用，使磷肥回收率和磷肥利用率得以提高[23]。此外，每年秸稈還田能補充一定的土壤磷素，以維持作物正常的磷素需求[11]。因此，在隴東旱塬黑壚土農田春玉米、小麥生產中采用隔年施磷技術，在減少磷投入50%的基礎上仍能保證作物高產穩產。在生產實踐中，應進一步優化春玉米磷肥投入結構，在當地傳統P2O5投入100～150 kg·hm-2的基礎上減施50%化學磷肥，增加有機物料(秸稈、農家肥等)投入，以達到作物穩產高產的目的。

門明新等[35]在華北平原潮土開展的長期施肥試驗顯示，產量穩定性與施肥量無明顯關系，但與氮、磷、鉀肥配比關系密切。這與本研究的結果相似，盡管秸稈還田與氮磷配施+隔年施磷技術保證了作物高產，但春玉米產量穩定性和可持續性較差，而冬小麥的產量穩定性和可持續性優于單施氮肥或氮磷配施處理。由此來看，根據不同降水年型，探尋適宜的春玉米磷肥投入量和投入比例等措施，以提高次年磷肥利用率，促進春玉米穩定高產將是下一步的研究方向。

3.2 長期隔年施磷與土壤綜合肥力變化的關系

在隴東旱塬黑壚土設置的長期定位試驗研究發現，秸稈還田+氮磷配施能顯著增加土壤有機質和全氮含量[20,34]，試驗進行36年時，SNP處理耕層土壤堿解氮較CK、N和NP處理提高了 19.8%～28.5%，耕層土壤微生物氮比CK提高了217.0%[36]。這些研究結論與本研究結果一致，提示多年長期秸稈+氮磷肥隔年施磷后耕層土壤綜合肥力較試驗初期顯著增加，連續多年SNP+隔年施磷技術，在減少磷肥50%的同時，能夠有效促進耕層土壤綜合肥力的提高。本研究表明，氮磷肥和秸稈+氮磷肥隔年施磷處理的耕層土壤IFI值在年際間變異強度較大，不施肥或單施化肥處理耕層土壤 IFI 值年際間變異強度較弱。主要原因在于土壤綜合肥力指數與土壤單個養分指標密切相關，而降水、作物根系吸收水平、土壤微生物活動等因素等均是影響耕層土壤養分指標不穩定的因素。黃興成等[31]在黃壤土設置的長期定位試驗顯示，土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH均與IFI值成極顯著正相關關系。陳軒敬等[30]在紫色土設置的長期肥料定位試驗中也得到了相同的結果。王淑英等[11]研究表明，隨著定位試驗開展時間的延長，SNP處理耕層土壤全磷逐漸下降，逐年下降速率為2.6 mg·kg-1。本研究也發現，SNP和NP處理土壤綜合肥力指數在試驗進行到第33年時達到最大值，隨后的6年開始呈現略微下降的趨勢。因此，氮磷肥和秸稈+氮磷肥隔年施磷處理的耕層土壤IFI值受土壤養分時空變異影響較大，而不施肥或單施氮肥土壤均衡肥力較低，土壤養分時空變異較小，對IFI值的影響較小。由于不同區域、氣候、種植制度等的肥效和肥力響應差異較大，應考慮采取更為全面、系統的方法對長期定位試驗下的土壤肥力進行綜合評價。