盛 婧，孫國峰，吳紀(jì)中，劉紅江，王 鑫

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇南京 210014)

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不同小麥品種及秸稈處置方式對農(nóng)田磷素平衡的影響

盛 婧，孫國峰，吳紀(jì)中，劉紅江，王 鑫

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇南京 210014)

為掌握不同小麥品種秸稈還田對農(nóng)田磷素平衡的影響，優(yōu)化麥田養(yǎng)分資源管理，以當(dāng)前江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主導(dǎo)品種和有苗頭的小麥新品種(系)為供試材料，研究不同小麥品種成熟期植株磷素含量與分布，分析其秸稈還田與不還田條件下土壤磷素盈虧的差異。結(jié)果表明，磷高效吸收型小麥品種的籽粒磷含量較高，其磷素攜出量和回田量較高；在常規(guī)磷肥施用量49 kg P·hm-2條件下，若秸稈不還田，磷高效吸收型品種種植土壤中磷呈現(xiàn)少量虧損狀態(tài)；而磷低效吸收型品種的籽粒磷含量較低，其磷素攜出量和回田量較低，無論秸稈還田與否，土壤磷均有盈余。與秸稈不還田相比，秸稈直接還田顯著增加了小麥磷素回田量，減少了小麥磷素攜出量。秸稈不還田時，麥田土壤磷盈虧量為 -4.7～25.2 kg·hm-2；秸稈直接還田時，所有小麥品種種植土壤中磷素均呈盈余狀態(tài)，土壤磷盈虧量為4.0～30.3 kg·hm-2。在供試的32個小麥品種中，秸稈不還田方式下農(nóng)田磷素大量盈余的品種有9個，秸稈還田方式下農(nóng)田磷素大量盈余的品種有28個。在當(dāng)前秸稈還田的大趨勢下，要維持農(nóng)田磷素平衡，對大部分小麥品種均應(yīng)適當(dāng)減少磷肥施用量。

小麥; 品種; 秸稈還田; 磷;養(yǎng)分平衡

磷是植物正常生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，但磷素大量進入水體會導(dǎo)致水體污染，水體中磷含量高低與其污染程度密切相關(guān)。為了減少農(nóng)田磷素面源污染和資源浪費，有必要關(guān)注土壤中磷素的累積狀況。一般認為，我國農(nóng)田磷肥的當(dāng)季利用率僅為7.3% ～20.1%[1]。Sabrawat等[2]和Bolland[3]研究表明，磷素積累在土壤中的后效很高。因此，從長期考慮，研究農(nóng)田磷素的表觀平衡具有重要意義。

秸稈還田是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈處理的主要方式[4]。秸稈中含有氮、磷、鉀及微量元素，秸稈還田后土壤養(yǎng)分會得到補充。李秋梅等[5]研究表明，冬小麥-夏玉米輪作體系中，磷肥施用量為79 kg P·hm-2條件下，秸稈還田土壤中磷素盈余量為46～47 kg·hm-2，而秸稈不還田為36～37 kg·hm-2。如果此時農(nóng)田施肥量仍保持與秸稈不還田時相同，勢必會造成肥料浪費和環(huán)境污染[6-8]。秸稈還田對土壤磷素的影響大小與還田作物品種存在密切關(guān)系。不同作物品種由于植株養(yǎng)分吸收能力有差異，其秸稈還田土壤磷素狀況必然也會有所差異。袁維翰等[9]研究表明，當(dāng)化肥投入量為N 315 kg·hm-2、P 78.6 kg·hm-2、K 173.6 kg·hm-2時，花生-春玉米輪作農(nóng)田土壤氮、磷、鉀的收支表觀平衡均為盈余；若養(yǎng)分投入量減半，基本維持土壤氮、磷、鉀收支表觀平衡。夏小江等[10]研究表明，太湖地區(qū)稻麥、稻油兩種種植模式的周年磷盈余率較低，分別為9.0%和-7.4%。戴志剛等[8]研究表明，稻-稻-油種植模式秸稈還田條件下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)磷素有一定的剩余，而秸稈未還田田塊磷略有虧損。葉 靈等[11]研究表明，在小麥-玉米輪作體系中，高產(chǎn)田和常規(guī)農(nóng)田的磷素都有盈余，分別盈余122和162 kg·hm-2。莊恒揚等[12]研究表明，稻麥高產(chǎn)田的磷素皆有盈余，盈余量為19.15～32.78 kg·hm-2；中高產(chǎn)水平稻麥田的磷盈余量3.07～16.70 kg·hm-2。

以上關(guān)于土壤磷素平衡的研究主要集中在對作物類型的研究上，而針對同一作物類型不同品種對土壤磷素平衡的影響尚未見報道。本研究以當(dāng)前江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主導(dǎo)品種和有苗頭的小麥新品種(系)作為供試材料，探析不同小麥品種成熟期植株磷素含量與分布，分析秸稈還田與不還田條件下農(nóng)田磷素盈虧的差異，以期了解不同小麥品種和秸稈處置方式對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)磷素平衡的影響，為麥田養(yǎng)分資源的優(yōu)化管理以及環(huán)境政策的制定提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗設(shè)計

試驗于2012-2013年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地(32°02′N，118°52′E)進行。試驗地土壤類型為棕壤土，0～20 cm耕層土壤地力為有機質(zhì)13.8 g·kg-1、全氮1.85 g·kg-1、全磷 0.58 g·kg-1、速效磷16.8 mg·kg-1、速效鉀88.7 mg·kg-1。參試小麥品種32個，為江蘇省當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主導(dǎo)和待推廣的新品種(系)(表1)。采用條播，播種量160萬株·hm-2，行距25 cm。每品種種植小區(qū)面積1 m2，重復(fù)3次。磷肥施用量112.5 kg P2O5·hm-2，為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)小麥田的推薦施用量，折合49 kg P·hm-2，一次性基施。其他水肥管理措施同常規(guī)大田生產(chǎn)。成熟期收獲籽粒稱重，烘干后計算產(chǎn)量。

1.2測定方法

成熟期每小區(qū)隨機選取三點進行整株拔除，每點取5株；將植株去除根系，按照籽粒、穎殼、上部莖稈(穗下節(jié)莖葉)、中部莖稈(倒二節(jié)、倒三節(jié)莖葉)、下部莖稈(基部一、二節(jié)莖葉)分開；105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重。烘干樣品經(jīng)植物粉碎機粉碎后，用H2SO4-H2O2消解至溶液澄清，加水定容，樣品磷含量采用流動分析儀測定。

1.3植株磷回田量和土壤磷盈虧量計算

在秸稈不還田的條件下，小麥穎殼和基部5 cm莖稈由于機械化收獲被留在農(nóng)田中；而秸稈還田方式下，留在農(nóng)田的部分為小麥穎殼和秸稈。因此，兩種方式磷回田量的計算公式為：

秸稈不還田條件下P回田量=穎殼P含量+下部秸稈P含量

(1)

表1　供試小麥品種特點及審定時間Table 1　Wheat varieties and their characteristices

秸稈不還田條件下P回田率=秸稈不還田條件下P回田量/植物總P量×100%

(2)

秸稈還田條件下P回田量=穎殼P含量+上部秸稈P含量+中部秸稈P含量+下部秸稈P含量

(3)

秸稈還田條件下P回田率=秸稈還田條件下P回田量/植物總P量×100%

(4)

本研究中小麥生長期土壤P素的變化忽略不計，土壤表觀P平衡的計算公式為：

土壤P盈虧量=P投入量- P攜出量

(5)

式中，P投入量為小麥整個生育期投入的P肥量；P攜出量為籽粒攜出的P含量，若秸稈不還田，還包括上、中部秸稈收獲時攜出的P含量。

1.4統(tǒng)計分析方法

采用Excel和SPSS 19.0分析軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并對供試小麥品種(系)的植株磷吸收量進行聚類分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同小麥品種成熟期植株磷含量及分布

由32個小麥品種成熟期植株磷含量(表2)可知，植株磷含量為28.1～62.4 kg·hm-2。以不同小麥品種植株磷含量作為指標(biāo)進行聚類分析，可將32個小麥品種分為磷高效吸收型(Ⅰ型)、磷中等吸收型(Ⅱ型)、磷低效吸收型(Ⅲ型)3個類型(圖1)，其中磷高效吸收型的小麥品種有4個，分別為淮麥28、揚09G143、農(nóng)麥1號和鎮(zhèn)麥12號；磷低效吸收型的小麥品種有9個，分別為華瑞1101、2012-2-2、淮麥1109、揚麥19、華瑞0049、淮麥31、黃淮H09-2、淮麥26、揚麥16；其余19個品種均屬于磷中等吸收型的小麥品種。

不同類型間小麥植株磷含量差異顯著(表3)。Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型小麥品種的植株磷含量平均值分別為57.7、42.4和31.1 kg·hm-2。從不同部位分布來看，籽粒、穎殼磷含量表現(xiàn)為Ⅰ型>Ⅱ型>Ⅲ型，3者差異顯著。其中Ⅰ型小麥品種籽粒、穎殼磷平均含量分別為40.5和5.0 kg·hm-2，Ⅱ型小麥品種分別為29.0和4.0 kg·hm-2，Ⅲ型小麥品種僅為20.8和3.2 kg·hm-2。上節(jié)、中節(jié)磷含量及籽粒磷占植株總磷量的比例均表現(xiàn)為Ⅰ型和Ⅱ型顯著高于Ⅲ型。由于成熟期小麥植株吸收的磷素主要集中在籽粒中(占60%以上)，秸稈磷素含量僅占籽粒磷含量的1/3左右，因此植株磷含量高低主要取決于籽粒對磷的吸收能力。

2.2不同類型小麥?zhǔn)斋@后磷素的回田量

小麥?zhǔn)斋@時秸稈的處置方式顯著影響磷素的回田量。由圖2可以看出，當(dāng)秸稈不還田時，小麥植株返還到土壤中的磷素量為4.1～8.6 kg·hm-2，占植株磷素吸收量的11.6%～19.6%。 不同類型小麥品種磷素的回田量差異顯著(表4)。Ⅰ型小麥品種具有較高的磷返還量和較低的返還比例，其返還量為7.6 kg·hm-2，占植株總量的13.2%；Ⅲ型小麥具有較低的磷返還量和較高的返還比例，其返還量為4.6 kg·hm-2，占植株總量的15.6%。

在秸稈還田方式下，小麥植株返還到土壤中的磷素為9.4～18.1 kg·hm-2，占植株磷素吸收量的27.8～35.8%。與秸稈不還田方式相比，秸稈還田方式向農(nóng)田返還的磷素量增加，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型小麥品種磷素的回田量分別增加9.5、7.1、5.4 kg·hm-2，占植株磷吸收量的比例分別為29.8%、31.5%和33.3%。

2.3不同類型小麥?zhǔn)斋@后農(nóng)田磷素的盈虧量

土壤表觀養(yǎng)分平衡是評價農(nóng)田土壤養(yǎng)分虧缺狀況和土壤生產(chǎn)力的重要方法。對小麥籽粒收獲后土壤的表觀磷平衡分析結(jié)果(圖3，表5)表明，在秸稈不還田方式下，小麥?zhǔn)斋@從土壤中攜出的磷素為23.8～53.7 kg·hm-2，土壤盈虧量為-4.7～25.2 kg·hm-2。不同類型小麥品種表現(xiàn)為植株磷吸收量越高的品種，磷攜出量越高，土壤盈余量越少。Ⅰ型小麥品種磷攜出量高達50 kg·hm-2，其種植土壤磷呈現(xiàn)少量虧損狀態(tài)，主要表現(xiàn)在2012-D16和淮麥28兩個品種上；Ⅲ型小麥品種磷攜出量較低，僅26.0 kg·hm-2，土壤中磷大量盈余，其盈余量占施肥量的比例為46.9%。

在秸稈還田方式下，小麥?zhǔn)斋@從土壤中攜出的磷量為18.7～45.0 kg·hm-2；土壤盈虧量為4.0～30.3 kg·hm-2。表明采取秸稈直接就地還田方式，在當(dāng)前磷肥施用量49 kg P·hm-2條件下，所有小麥品種種植土壤磷素均呈盈余狀態(tài)。其中Ⅰ型小麥品種種植土壤磷盈余量較少，而Ⅱ、Ⅲ型小麥品種均表現(xiàn)土壤磷素大量盈余，其盈余量占施肥量的比例分別為41.1%和58.1%。秸稈直接就地還田方式下，不同類型小麥品種間土壤磷盈余量差異小于秸稈不還田方式。

圖1　不同小麥品種植株磷含量的聚類分析

項目Item植株總磷量PlantPcontent/(kg·hm-2)磷含量 Pcontent/(kg·hm-2)籽粒Grain穎殼Husk上節(jié)Upperstalk中節(jié)Middlestalk下節(jié)Lowerstalk比例 Ratiotoplant/%籽粒Grain穎殼Husk上節(jié)Upperstalk中節(jié)Middlestalk下節(jié)Lowerstalk最大值Maximum62.445.05.75.16.23.672.213.69.412.56.6最小值Minimum28.118.72.41.82.51.264.26.94.87.82.6變異系數(shù)CV40.928.03.92.94.12.168.29.67.010.15.1平均值A(chǔ)verage21.423.321.727.020.426.63.016.616.511.518.9

表3　不同類型小麥品種植株的磷含量及分布Table 3　Content and distribution of P in different organs of different types of wheat variety at mature stage

Ⅰ：磷高效吸收型；Ⅱ：磷中等吸收型；Ⅲ：磷低效吸收型；同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示類型間差異達顯著水平(P<0.05)；表4同。

Ⅰ：The type of high P absorption efficiency；Ⅱ：The type of medium P absorption efficiency；Ⅲ：The type of low P absorption efficiency；Different small letters following data in the same column mean significant difference among types at 0.05 level；The same as table 4.

圖2　兩種秸稈處置方式下小麥品種的磷回田量(A)及回田率(B)

類型Type秸稈不還田Nostrawreturn磷回田量 Preturnamount/(kg·hm-2)磷回田率Preturnratio/%秸稈還田Strawreturn磷回田量 Preturnamount/(kg·hm-2)磷回田率Preturnratio/%Ⅰ7.6a13.217.1a29.8aⅡ6.2a14.613.3b31.5aⅢ4.8b15.610.2c33.3b

圖3　兩種秸稈處理方式下小麥品種磷攜出量(A)及盈虧量(B)

類型Type秸稈不還田 Nostrawreturn磷攜出量Puptake/(kg·hm-2)磷盈虧量Pbudget/(kg·hm-2)磷盈虧量占施肥量的比例PercentageofPbudgettofertiliaztion/%秸稈還田 Strawreturn磷攜出量Puptake/(kg·hm-2)磷盈虧量Pbudget/(kg·hm-2)磷盈虧量占施肥量的比例PercentageofPbudgettofertiliaztion/%Ⅰ50.0A-1.0A-2.1A40.5A8.5A17.3AⅡ36.0B13.0B26.5B28.9B20.1B41.1BⅢ26.0C23.0C46.9C20.5C28.5C58.1C

同列不同大寫字母表示類型間差異達極顯著水平(P<0.01)。

Different capital letters in the same column mean significant difference among types at 0.01 level.

3　討 論

隨著育種技術(shù)和信息化的迅速發(fā)展，品種多樣化成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的又一大特征。品種多樣化給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了品質(zhì)和產(chǎn)量的巨大提高，但同時也改變了作物的養(yǎng)分需求。研究新育成品種的養(yǎng)分需求和管理，對于品種推廣、尤其是農(nóng)業(yè)面源污染控制意義重大。磷是造成水體污染的主要養(yǎng)分因子，是否繼續(xù)大量施用磷肥是近來生產(chǎn)中一直爭論的問題。已有報道表明，土壤表觀養(yǎng)分平衡可以較好評價農(nóng)田養(yǎng)分虧缺狀況以及土壤生產(chǎn)力[6]。本研究分析了不同小麥品種秸稈還田對土壤磷素平衡的影響，以期為麥田養(yǎng)分優(yōu)化管理以及面源污染控制提供理論依據(jù)。本研究中，成熟期小麥品種植株磷含量為28.1～62.4 kg·hm-2；不同小麥品種存在顯著的磷吸收能力差異，其結(jié)果與郭程瑾[13]、王樹亮等[14]的研究結(jié)果基本一致。本研究依據(jù)植株磷含量進行聚類分析，將32個小麥品種分為磷高效吸收型、中等吸收型、低效吸收型3種類型，磷高效吸收型小麥品種的籽粒磷含量較高，其磷素攜出量和回田量較高。在當(dāng)前磷肥施用量49 kg P·hm-2條件下，若秸稈不還田，磷高效吸收型品種種植土壤磷呈現(xiàn)少量虧損狀態(tài)；而磷低效吸收型品種則具有較低的籽粒磷含量，其磷素攜出量和回田量較低，無論秸稈是否還田，土壤磷均大量盈余。與秸稈不還田相比，秸稈還田顯著地增加了小麥磷素回田量、減少了小麥磷素攜出量。小麥秸稈不還田時，麥田土壤磷盈虧量為-4.7～25.2 kg·hm-2，而采取秸稈還田方式，所有小麥品種種植土壤磷素均呈盈余狀態(tài)，土壤磷盈虧量為4.0～30.3 kg·hm-2。

盡管土壤磷平衡計算反映的是當(dāng)季土壤磷素盈余或虧缺，但是由于一個區(qū)域的種植制度、施肥方式與習(xí)慣往往是長期的固定行為，很難有大的改變，多年累積就會造成土壤磷素含量的升高或降低[15]。國內(nèi)外研究表明，磷平衡和土壤有效磷具有線性定量關(guān)系，每盈余100 kg P ·hm-2，可增加土壤Olsen-P 2～6 mg ·kg-1[16-17]。當(dāng)農(nóng)田中磷素過量時，其易被土壤吸附固定，盈余的磷素能夠累積到土壤中增加土壤供磷能力，然而當(dāng)磷素累積超過一定水平時，即可能對環(huán)境產(chǎn)生潛在的威脅，發(fā)生被淋洗、流失的風(fēng)險[8]。曹 寧等[18]認為，從農(nóng)業(yè)需求和環(huán)境保護角度，土壤有效磷的最適范圍應(yīng)在30～50 mg·kg-1之間。馬保國等[19]認為，土壤施用磷肥 45～90 kg P2O5·hm-2，就可以維持土壤-作物體系中磷素的收支平衡。本研究中施用的磷肥量為當(dāng)?shù)赝扑]施肥量112.5 kg P2O5·hm-2，即49 kg P·hm-2，在供試的32個小麥品種中，秸稈不還田方式下農(nóng)田磷素大量盈余的品種有9個，秸稈還田方式下農(nóng)田磷素大量盈余的品種有28個。由此推斷，在大多數(shù)小麥品種生產(chǎn)中，長期施用該磷肥用量會造成較大的面源污染風(fēng)險。一般認為，作物生長過程中土壤磷素損失量約為20%[20]。在當(dāng)前我國農(nóng)田磷素基本盈余[15]的狀況下，將秸稈進行全量還田，大部分小麥品種均應(yīng)減少農(nóng)田磷肥施用量，以維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)磷素的平衡，從而減少面源污染和資源浪費。

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Effect of Wheat Varieties and Straw Management on Soil Phosphorus Balance

SHENG Jing, SUN Guofeng, WU Jizhong, LIU Hongjiang, WANG Xin

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing, Jiangsu 210014, China)

In order to verify the effect of wheat varieties on soil phosphorus(P) balance in straw return fields, a total of 32 currently widely-planted or testing wheat varieties(or lines) in Jiangsu province were selected. The objectives of this study aimed to identify the variation of P concentration and distribution in plant induced by wheat varieties at mature stage, and to quantify the effect of straw disposal(straw return and no straw return) on soil P balance.The results showed that the wheat varieties with high P absorption ability performed high phosphorus concentration in grain, and thus relative high phosphorus rate returned to soil with plant residue return and removed rate from soil with grain harvest. However, the wheat varieties with low P absorption ability had a contrasting performance. At the currently widely-used P fertilizer application rate(49 kg P·hm-2), the grain harvest without straw return resulted in a small P deficit in soil for the wheat varieties with high P absorption ability. While for the wheat varieties with low P absorption ability, a relative large P surplus in soil was observed in both straw return and no straw return fields. Soil P surplus/deficit rate was determined by both straw disposal and variety selection. In no straw return fields, the soil P surplus/deficit rates ranged from -4.7 to 25.2 kg·hm-2, while it ranged from 4.0 to 30.3 kg·hm-2in straw return fields. It was suggested that the application rate of P fertilizer should be appropriately reduced to maintain the balance of soil P under the increasing trend of the application of straw return management in wheat fields.

Wheat; Variety; Straw return; Phosphorus; Nutrient balance

2016-02-23

2016-04-10

國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B12)

E-mail：nkysj@hotmail.com

S512.1；S312

A

1009-1041(2016)09-1191-08

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-08-31

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160831.1649.018.html