婁夢玉,薛華龍,郭彬彬,汪江濤,昝志曼,馬 超,郭大勇,焦念元,付國占
(河南科技大學農學院/河南省旱地農業工程技術研究中心,河南洛陽 471023)
小麥在糧食生產中占有極其重要的作用,在我國作物種植面積和總產中處于第二位[1],其高產和穩產對我國糧食安全具有重要作用。小麥獲得高產需要適宜的土壤肥力,磷素作為小麥養分供給中僅次于氮素的第二大元素[2],對小麥生長發育和產量形成起著重要作用[3–4],尤其對冬小麥產量構成三要素之一單位面積穗數具有明顯的調控效應。相關研究表明[5–9],增施適量磷肥,能促進小麥的分蘗發生,提高單位面積穗數,進而提高小麥產量,這說明磷肥在小麥高產中發揮重要作用。然而,磷在土壤中移動性較弱,極易被固定,導致磷肥的當季利用率較低[10],土壤中大量積累的磷會導致磷礦資源的浪費和水體富營養化等一系列環境問題[11],不利于農業可持續發展[12]。目前,我國還普遍存在磷肥過量施用現象,而河南省作為農業大省,在農業快速發展的同時,農業資源投入量大幅度增加,氮肥、磷肥施用量均位列全國第一,導致河南省農田面源污染形勢嚴峻[13]。可見,明確最佳施磷量對農業增產和可持續發展具有至關重要的作用。
關于最佳施磷量與土壤中有效磷含量和產量的關系前人已做了一定的研究,馬清霞等[14]在黃土高原17年長期施磷試驗表明,小麥獲得最高產量6465 kg/hm2的施磷量為144 kg/hm2,冬前土壤有效磷含量為21.2 mg/kg。馬悅等[15]對北方麥區49個地點的試驗表明,維持土壤有效磷含量在20~30 mg/kg時,減施或不施磷肥依然可以實現小麥高產,當土壤有效磷含量過高時,冬小麥單位面積穗數、粒重降低導致小麥產量降低。孫慧敏[16]在山東龍口麥區的試驗表明,在有效磷含量為 30.44 mg/kg 的土壤上施磷對小麥籽粒產量沒有顯著影響,而馮媛媛等[17]通過在有效磷含量不同的土壤上進行施磷試驗,結果顯示在有效磷含量<10 mg/kg的土壤上,小麥增產效果最強的施磷量為150 kg/hm2;在有效磷含量為10~20 mg/kg的土壤上,小麥增產效果最強的施磷量為90~120 kg/hm2;在有效磷含量>20 mg/kg的土壤上,小麥產量隨施磷量的增加呈先增加后達到平衡的趨勢,還受土壤質地和氣候條件的影響。這說明小麥最適施磷量不僅受土壤有效磷和產量影響,還與生態條件有關。目前,關于施磷水平對冬小麥分蘗成穗、產量和磷素吸收利用的影響及其與土壤有效磷含量的關系等方面的系統研究還相對較少。為此,本試驗研究了施磷水平對冬小麥分蘗成穗、干物質積累分配與轉運、產量、磷素吸收利用的影響,并分析了施磷水平與土壤有效磷含量和冬小麥產量的關系,明確達到冬小麥高產時的土壤有效磷含量及其最佳施磷量,為河南省冬小麥磷肥管理提供理論指導。
本試驗在河南科技大學實驗農場進行,地理位置為 112°24′53′′E,34°35′58′′N。試驗田地處平原,地勢平坦,土壤類型為黃潮土,質地為中壤。試驗開始時耕層土壤容重為1.35 g/cm3,0—20 cm耕層堿解氮含量為33.9 mg/kg,速效鉀含量為223.8 mg/kg,有效磷含量為6.84 mg/kg,有機質含量為10.7 g/kg,土壤pH為7.56。前茬為玉米和花生間作,作物收獲后秸稈全部還田。
于2018—2021年采用田間定位小區試驗,供試小麥品種為‘洛麥26’。試驗設年施磷(P2O5)量為0、90、180和 270 kg/hm24個水平,依次記為P0、P90、P180和P270。每個處理設3次重復,每個小區面積60 m2(10 m×6 m)。冬小麥為機械精播,播種量150 kg/hm2,行距20 cm。供試磷肥為磷酸二銨 (P2O546%,含N 18%),于小麥播種前作為基肥一次性施入。供試氮肥為尿素 (N 46%),各處理均施氮 180 kg/hm2,按基肥和追肥2∶1分兩次施用,追肥于小麥拔節期撒施,施后灌水。其它管理同大田生產。分別于2018年10月16日、2019年10月18日和2020年10月29日播種,2019年6月1日、2020年5月31日和2021年6月5日收獲。
1.3.1 分蘗 于冬小麥拔節期,在各小區取代表性30 cm長單行小麥,調查莖稈數用于計算單位面積最大分蘗數;在冬小麥成熟期,于各小區取代表性30 cm單行,調查穗數計算單位面積有效分蘗數。
1.3.2 干物質積累 分別在冬小麥拔節期、揚花期、灌漿期和成熟期于各小區取代表性30 cm單行植株,分成莖、葉、穗三部分,105℃殺青30 min,75℃烘干至恒重。
1.3.3 產量及產量構成 成熟期每個處理隨機選取1 m雙行小麥測產,每個處理重復3次,風干前測定小麥穗數和穗粒數,風干后測定小麥籽粒產量和千粒重。
1.3.4 植株各器官磷含量 分別于拔節期、揚花期、灌漿期、成熟期采集小麥地上部植株樣,分為莖、葉、籽粒和穎殼及穗軸,105℃殺青30 min,75℃烘干至恒重將其粉碎。樣品經濃H2SO4–H2O2消煮后,采用電感耦合等離子體光譜儀(Agilent 5110)測定磷含量。
1.3.5 土壤有效磷含量 在小麥冬前于各小區取0—20 cm土壤,采用Olsen法浸提,鉬藍比色法測定土壤有效磷含量。
1.3.6 相關指標計算公式 成穗率(%)=有效分蘗數/最大分蘗數×100
總干物質量=莖重+葉重+穗重
干物質分配比率(%)=各部位干物質量/總干物質量×100
花前營養器官同化物轉移量=揚花期整株干重–成熟期秸稈干重
花前營養器官同化物轉移率(%)=(揚花期整株干重–成熟期秸稈干重)/揚花期整株干重×100=花前營養器官同化物轉移量/揚花期整株干重×100
花前干物質對籽粒產量的貢獻率(%)=花前營養器官同化物轉移量/成熟期籽粒干重×100
植株各器官磷積累量=植株各器官干重×含磷量
植株各器官磷分配比例(%)=植株各器官磷積累量/植株總磷積累量×100
磷肥偏生產力(kg/kg)=施磷處理籽粒產量/施磷量
磷肥農學效率(kg/kg)=(施磷處理籽粒產量–不施磷處理籽粒產量)/施磷量
磷收獲指數=籽粒磷積累總量/植株磷積累總量
數據處理和作圖均采用Microsoft Excel 2007,差異顯著性分析采用SPSS 22。多重比較采用LSD法,P<0.05為差異顯著。
由表1可以看出,3個生長季冬小麥隨著施磷水平的提高,最大分蘗數和有效分蘗數均呈逐漸增加的趨勢。與P0相比,P90、P180、P270的最大分蘗數分別提高了205.8%~261.3%、271.7%~307.4%、297.3%~354.4%;有效分蘗數分別提高了78.6%~113.0%、148.6%~149.2%、153.7%~173.2%,均達到顯著水平(P<0.05)。P0分蘗成穗率最高,與P90相比,P180、P270的分蘗成穗率分別提高了8.7%~14.3%、3.4%~14.6%,均達到顯著水平(P<0.05),P180和P270之間2018—2020年分蘗成穗率差異不顯著。由此可得,提高施磷水平能增加冬小麥單位面積最大分蘗數和有效分蘗數。

表1 不同施磷水平下冬小麥分蘗數及成穗率Table 1 Tillering number and effective tiller percentage of winter wheat under different P application rates
由圖1可以看出,不施磷處理(P0)冬小麥干物質積累量隨著生育期的推進先增加后降低,在灌漿期達到最大值,而P90、P180和P270處理隨著生育期的推進小麥干物質積累量不斷增加,以成熟期最大。各生育期冬小麥干物質積累量均表現為P270>P180>P90>P0,P0、P90、P180處理之間冬小麥干物質積累增加顯著,而P270相較于P180的增幅有時不顯著,表明施磷超過P180不一定能繼續促進冬小麥的干物質積累。

圖1 不同施磷水平下冬小麥不同生育期干物質積量Fig.1 Dry matter accumulation of winter wheat at different growing stages under different P application rates
由表2可以看出,冬小麥莖、葉和穎殼及穗軸的干物質分配量均隨著施磷水平的提高呈增加的趨勢,與P0相比,P90、P180、P270處理下莖的干物質分配量分別增加了189.4%~233.0%、223.8%~309.1%和252.4%~346.9%,葉的干物質分配量分別增加了238.8%~310.5%、346.6%~400.7%和397.3%~452.5%,穎殼及穗軸的干物質分配量分別增加了124.5%~275.3%、166.7%~234.6%和201.3%~325.0%,均達到顯著水平(P<0.05)。籽粒的干物質分配量隨著施磷水平的提高呈先增加后降低的趨勢,P180處理下達到最大值。隨著施磷水平的提高,葉的干物質分配比率總體呈逐漸增加的趨勢,穎殼及穗軸的干物質分配比率呈先降低后增加的趨勢,P180處理下達到最低值,籽粒的干物質分配比率隨著施磷水平的提高呈先增加后降低的趨勢,P180水平下干物質分配比率達到最高值,2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年分別達到44.3%、42.7%和45.3%。由此說明,增施磷肥能夠影響光合產物在冬小麥各個器官中的分配比率,通過降低穎殼及穗軸的分配比率來提高莖、葉及籽粒的分配比率,進而提高小麥產量。

表2 不同施磷水平下冬小麥干物質的分配Table 2 Dry matter distribution in winter wheat under different P application rates
冬小麥產量的形成來自花前干物質的轉移和花后光合同化干物質的積累兩個方面[18]。花前營養器官貯藏物質向籽粒的轉運是決定小麥籽粒產量的主要因素[19]。由表3可以看出,隨著施磷水平的提高,3個生長季冬小麥莖、葉的干物質轉移量均呈先增加后減少的趨勢,P90水平下達到最高,相較于P0和P180,P90的莖干物質轉移量分別增加了62.8%~174.9%和12.9%~23.5%,葉干物質轉移量分別增加了69.3%~90.8%和6.5%~14.5% (P<0.05),相同施磷水平下莖的干物質轉移量高于葉片。隨施磷水平的提高,冬小麥莖、葉的干物質轉移率均顯著降低(P<0.05)。可見施磷水平越低,莖葉干物質向籽粒的貢獻率越高。相同施磷水平下,莖的干物質轉移率10.7%~29.6%均低于葉片干物質轉移率19.8%~49.1%。隨施磷水平的提高,3個生長季冬小麥干物質轉運對籽粒貢獻率均降低,差異達到顯著水平(P<0.05)。說明低磷水平下,籽粒的干物質積累大量依靠花前莖葉干物質的轉移,隨著施磷水平的提高,會逐漸減弱對花前莖葉干物質的依賴。相同施磷水平下,莖對籽粒的干物質貢獻率11.8%~34.0%均高于葉片對籽粒的干物質貢獻率10.1%~27.6%。上述結果表明,提高施磷水平增加了莖、葉干物質轉移量,降低了干物質轉移率及干物質轉運對籽粒的貢獻率。

表3 施磷水平對冬小麥花前干物質轉移的影響Table 3 Effects of P level on pre-anthesis dry matter transfer in winter wheat
由表4可得,施磷水平的提高顯著增加了冬小麥單位面積穗數、穗粒數、千粒重和產量。與P0相比,P90、P180、P270處理下冬小麥單位面積穗數分別提高了57.7%~149.4%、128.0%~187.9%、147.4%~200.0%,且差異均達到顯著水平 (P<0.05)。冬小麥穗粒數和產量均隨著施磷水平的提高呈先增加后降低的趨勢,均在P180達到最大值,與P0相比,P90、P180、P270處理下冬小麥穗粒數分別增加了12.0%~27.1%、20.9%~44.2%、14.0%~34.2%;產量分別增加了165.2%~234.6%、215.6%~292.3%、200.0%~257.7%。與P90相比P180產量提高17.3%~18.2%,與P270相比P180產量提高4.2%~11.5%。綜合產量及其構成三要素可得,P180水平下冬小麥產量最高。

表4 不同施磷水平下的冬小麥產量及產量構成Table 4 Yield and yield component of winter wheat under different P application rates
由表5可以看出,隨著施磷水平的提高,3個生長季揚花期冬小麥莖、葉磷含量均呈逐漸增加的趨勢,與P0和P90相比,P180處理下冬小麥莖的磷含量分別增加了77.2%~112.5%和14.9%~16.2%,葉的磷含量分別增加了62.3%~170.1%和22.4%~33.2%,均達到顯著水平(P<0.05),與P180相比,2019—2020年P270處理莖的磷含量增加不顯著,2018—2019、2020—2021年增加顯著,而葉的磷含量3個生長季增加均不顯著;穎殼及穗軸磷含量P90較P0處理增加達到顯著水平(P<0.05),而與P180、P270處理間相比2019—2020年無顯著差異。隨著施磷水平的提高,成熟期冬小麥莖、葉、穎殼及穗軸和籽粒的磷含量整體均呈增加的趨勢,P180處理下冬小麥莖磷含量較P0和P90分別增加了17.6%~24.1%和11.0%~20.2%,葉磷含量分別增加了107.1%~356.4%和29.0%~40.7%,穎殼及穗軸磷含量分別增加了29.2%~36.8%和8.5%~9.8%,籽粒磷含量分別增加了19.6%~33.8%和4.7%~5.0%,多數達到顯著水平(P<0.05),而P270處理的莖和籽粒磷含量與P180相比沒有顯著差異。由此可得,在施P2O50~180 kg/hm2范圍內,增加施磷量可以顯著提高各器官含磷量,施P2O5超過180 kg/hm2不能繼續顯著增加植株各器官含磷量。

表5 不同施磷水平下冬小麥揚花期與成熟期各器官含磷量(mg/g)Table 5 P concentration in organs of winter wheat at anthesis and maturity stages under different P application rates
由圖2可以看出,3個生長季4個施磷水平下冬小麥植株磷積累量均隨著生育期的推進呈逐漸增加的趨勢,P0水平下冬小麥植株磷積累量隨著生育期的推進增加較緩慢,成熟期僅達到15.0~15.2 kg/hm2;P90、P180、P270處理下冬小麥植株磷積累量隨生育期推進增加迅速,成熟期分別達到56.8~59.8、78.7~79.3、78.8~80.7 kg/hm2。P0~P180處理下冬小麥植株磷積累量呈增加的趨勢,與P90相比,P180處理下冬小麥植株磷積累量增加了30.5%~67.9%,均達到顯著水平(P<0.05),與P180相比,P270處理成熟期差異不顯著。由此說明P2O50~180 kg/hm2范圍內增加施磷量可以顯著增加冬小麥植株磷積累量,但過量施用磷肥不能顯著增加植株對磷素的積累。

圖2 不同施磷水平下冬小麥植株磷積累量Fig.2 Phosphorus accumulation in winter wheat under different P application rates
由表6可知,成熟期冬小麥各器官的磷素積累量隨著施磷水平的提高呈逐漸增加的趨勢,其中,莖和穎殼及穗軸的磷積累量的增加達到顯著水平(P<0.05);葉的磷積累量的增加在P0~P180達到顯著水平,籽粒的磷積累量呈先增加后降低的趨勢,在P180達到最大值,相比P90,P180籽粒磷積累量提高27.7%~39.0%。隨著施磷水平的提高,莖和穎殼及穗軸的磷素分配比率呈先降低后增加的趨勢,P90和P180的磷素分配比率較低,葉的磷素分配比率呈逐漸增加的趨勢,籽粒的磷素分配比率呈先增加后降低的趨勢,P270時磷素分配比率達到最低,3個生長季各處理籽粒分配比率為66.4%~74.7%。

表6 不同施磷水平下冬小麥各器官磷素積累與分配Table 6 The accumulation and distribution of phosphorus in the organs of winter wheat under different P application rates
由表7可以看出,3個生長季隨著施磷水平的提高,冬小麥磷肥偏生產力和農學效率均呈現降低的趨勢,且均達到顯著水平(P<0.05),與P90相比P180和P270下磷肥偏生產力分別降低了40.0%~41.1%和62.1%~64.7%,磷肥農學效率分別降低了35.3%~36.1%和58.6%~62.8%。由此可得,提高施磷水平會降低冬小麥對磷肥的利用效率。

表7 不同施磷水平下冬小麥磷肥利用效率Table 7 Phosphate fertilizer use efficiency of winter wheat under different P application rates
在一定施磷范圍內,增施磷肥能夠促進小麥產量的提高 (圖3)。3個生長季冬小麥產量(y)與施磷水平(x) 之間的關系可用一元二次方程擬合:y=–0.198x2+ 76.887x+ 2885.2,可得在施磷量194.2 kg/hm2時獲得最高產量為10349.4 kg/hm2(土壤有效磷含量為25.5 mg/kg),施磷量>194.2 kg/hm2時產量降低。土壤有效磷含量(y)與施磷量(x)之間呈線性正相關:y= 0.0886x+ 8.3405。提高施磷水平能夠增加0—20 cm土壤有效磷含量 (圖3)。冬小麥產量(y)與0—20 cm土壤有效磷含量(x)的關系也符合一元二次方程y= –19.253x2+ 995.97x– 3128.5,土壤有效磷含量為25.8 mg/kg時產量最高,為9752.0 kg/hm2,將所得產量最高的土壤有效磷含量代入土壤有效磷含量與施磷水平方程可得,產量最高時的土壤有效磷含量所對應的施磷量為197.4 kg/hm2,與上述所得產量最高時的施磷量194.2 kg/hm2無顯著差異,由此可得冬小麥生長所需最佳土壤有效磷水平且產量最高的施磷水平范圍為194.2~197.4 kg/hm2。

圖3 施磷水平與耕層土壤有效磷含量及小麥產量的關系Fig.3 Relationship among phosphorus application level, topsoil available phosphorus concentration and wheat yield
合理的群體結構對小麥產量至關重要[20]。分蘗成穗是小麥重要的生物學特征,也是決定群體發展的重要因素,對小麥產量及產量形成起著重要的作用[21]。研究表明,增施磷肥可以促進小麥的分蘗,顯著提高單位面積有效穗數來優化群體結構,獲得高產,并且小麥分蘗成穗率與產量呈線性正相關[22–24]。在本試驗中,隨著施磷水平的提高,冬小麥最大分蘗數和有效分蘗數均得到顯著增加,與前人研究結果一致。然而分蘗成穗率與小麥產量的關系與前人研究有所不同,P90水平下冬小麥產量高于P0,但P90水平下分蘗成穗率反而低于P0水平,其原因可能是P0條件下土壤中有效磷含量不能滿足冬小麥產生較多的分蘗,造成單穗單株的情況,從而分蘗成穗率較高,產量較低。
小麥產量主要來源于花前營養器官貯存同化物向籽粒的轉運和花后光合同化物的積累。小麥高產的前提是具有較高的干物質積累[25],冬小麥干物質積累量隨著施磷量的增加表現為遞增的趨勢[26–27]。本試驗研究表明,施磷水平在小于P2O5180 kg/hm2時,冬小麥干物質積累量隨著施磷量的增加而明顯增加,并促進了小麥花后干物質向籽粒的轉運,進而提升小麥產量,但施P2O5270 kg/hm2時,雖然小麥干物質積累量還在增加,但降低了在籽粒中的分配比例,導致小麥產量的降低。
協調冬小麥單位面積穗數、穗粒數和千粒重三者關系是獲得高產的關鍵[28]。研究表明,隨著施磷量的增加冬小麥單位面積穗數增加,而穗粒數和千粒重呈先增加后降低的趨勢[9,29–30]。本試驗結果顯示隨著施磷水平的提高,冬小麥單位面積穗數逐漸增加,但施P2O5270 kg/hm2時,由于穗粒數和千粒重的降低,其產量低于施P2O5180 kg/hm2處理,這主要由于在施P2O5270 kg/hm2時,促進前期分蘗,造成后期群體過大,下落小穗數增多,導致穗粒數和千粒重降低。
合理施用磷肥可以促進小麥對磷素的吸收利用,有利于小麥生長發育,增加生物量及提高產量。施磷量對小麥植株的含磷量影響較大,有研究認為植株中的磷含量隨著施磷量的增加而增加[31–32]。本研究結果表明增施磷肥可以提高冬小麥莖、葉、穎殼及穗軸和籽粒的磷含量,這與前人研究結果基本一致,但本試驗中施磷量到達P2O5180 kg/hm2時植株磷含量成熟期不再隨施磷量增加而顯著增加。
小麥磷素積累量與供磷水平有關,相關研究表明,適量提高施磷量可以顯著提高小麥植株磷積累量和籽粒中的磷含量[9,32]。本試驗結果表明,施P2O5180 kg/hm2時,冬小麥植株磷積累量顯著高于不施磷和施P2O590 kg/hm2的,與前人研究結果一致,但過量施磷不僅不能無限制提高冬小麥植株磷積累,還會降低小麥產量,造成小麥對磷的“奢侈吸收”,如本研究中施P2O5270 kg/hm2時,冬小麥植株磷積累量高于施P2O5180 kg/hm2,但冬小麥籽粒產量低于施P2O5180 kg/hm2。本研究還表明,施磷量還影響了冬小麥植株磷積累量在生育后期的再分配,在成熟期,籽粒磷積累量占地上部總磷積累量的66.4%~74.7%,施P2O5180 kg/hm2時小麥籽粒磷積累量比不施磷小麥顯著增加,這與陳遠學等[33]、史燕捷等[34]的研究結果類似。說明適量增施磷肥,能促進磷營養向籽粒轉運,提高冬小麥磷養分利用效率。
肥料的偏生產力、農學利用效率都是直接反映施肥與小麥產量關系的重要參數。本研究表明,隨著施磷(P2O5)量從90 kg/hm2增加至270 kg/hm2,冬小麥磷偏生產力和磷農學利用效率均顯著降低 (P<0.05)。這與李廷亮等[8]在晉南旱地小麥研究結果一致。可見,增施磷肥對籽粒產量形成的貢獻率隨施磷量的增加而降低。但綜合產量來看,本研究4個施磷水平中,P2O5180 kg/hm2為較佳施磷水平。
土壤有效磷是土壤磷儲庫中對作物最為有效的部分,也是評價土壤供磷水平的重要指標[35],合理的施磷量能維持土壤磷庫的平衡[36]。試驗研究表明,增加施磷量對提高土壤有效磷含量具有重要作用,尤其是耕層土壤中的有效磷[37–40]。本試驗將冬小麥土壤有效磷含量與施磷水平進行擬合,可得土壤有效磷含量隨著施磷量的增加而增加,與前人研究結果一致,可見,增加施磷量在提高小麥產量的同時也提高了土壤有效磷含量。不施磷和低磷(P2O590 kg/hm2)水平時,土壤有效磷含量較低,這可能是植株消耗土壤中的磷素,造成土壤有效磷匱乏的原因。本試驗結果顯示,冬小麥獲得最高產量9752.0~10349.4 kg/hm2的施磷量為194.2~197.4 kg/hm2,土壤有效磷含量為25.5~25.8 mg/kg,馬清霞等[14]在黃土高原17年長期施磷試驗表明,小麥獲得最高產量6465 kg/hm2的施磷量為144 kg/hm2,土壤有效磷含量為21.2 mg/kg。馬悅等[15]對北方麥區49個地點的試驗表明,維持土壤有效磷含量在20~30 mg/kg時,冬小麥產量最高。可見,小麥獲得高產下最佳土壤有效磷含量存在一定差異,這可能是由于產量水平、環境和土壤理化性質的不同所致。由以上可得,根據土壤有效磷含量,確定小麥持續高產下最佳施磷量,是提高小麥產量的最有效手段。
在供試區域,提高冬小麥的施磷水平可顯著增加冬小麥的有效分蘗數和成穗數,提高莖、葉、穎殼及穗軸的干物質和磷素積累量及向籽粒的轉移,增加冬小麥單位面積穗數、穗粒數和千粒重。但是當施磷水平超過適宜范圍后,主要增加了營養器官中干物質和磷的積累與分配,降低向籽粒的轉移,不能進一步提高產量。施磷量與土壤有效磷含量呈線性正相關,而小麥產量與施磷量和土壤有效磷含量的關系可以用成一元二次方程擬合。小麥產量最高的土壤有效磷含量為25.5~25.8 mg/kg,施磷(P2O5)量為 194.2~197.4 kg/hm2。