陳 浩 ，汪 玉 ，袁佳慧 ，3，朱文彬 ，王慎強 *

（1.中國科學院南京土壤研究所，土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，南京 210008；2．中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京100049；3．東北農業(yè)大學，哈爾濱 150030）

磷（P）是植物生長發(fā)育必需的三大營養(yǎng)元素之一，也是作物產量的主要限制因子之一[1]。作物吸收的磷主要來源于土壤和外源磷肥，但是磷肥的過量施用與土壤磷的高積累導致了資源浪費和水體污染負荷，王慎強等[2]對太湖流域典型水稻土磷庫現(xiàn)狀的調查表明，太湖流域土壤磷庫大部分已不缺磷，而且按照目前農民這種季施磷肥（P2O5）120 kg·hm－2的習慣，土壤磷已經超過作物的營養(yǎng)需求，這不僅不能提高作物產量，反而導致土壤速效磷過多累積。因此，科學的磷肥施用措施對節(jié)約不可再生的磷礦資源和2020年實現(xiàn)化肥零增長目標具有重要現(xiàn)實意義[3]。針對太湖流域稻麥輪作農田土壤磷的過量累積問題，關于減施磷肥的研究相繼報道[4－5]。但是，減磷可行的過程和機理研究主要聚焦在水稻季，小麥季減施磷肥對土壤供磷和小麥吸收磷的影響需要進一步探討。

磷對小麥高產具有重要作用[6]，高靜等[7]研究表明長期施用磷肥可以顯著提高小麥產量和磷肥利用率；曾廣偉等[8]研究發(fā)現(xiàn)麥季施磷可增加小麥的穗數(shù)和千粒重，進而顯著提高小麥的產量。土壤速效磷（Olsen－P）能直接被作物吸收利用，是土壤磷庫中對作物最有效的部分，因而被認為是評價土壤供磷能力的重要指標[9]，Reddy等[10]研究表明長期施用磷肥可顯著提高作物產量的穩(wěn)定性，并且顯著提高土壤供磷能力；戚瑞生等[11]研究表明長期施用有機肥和磷肥或者有機肥磷肥配施都可以提高土壤中的速效磷含量，進而提高土壤供磷能力；秦魚生等[12]通過堿性紫色土25年稻麥輪作長期施肥試驗研究指出，作物收獲從土壤中不斷帶走磷素，隨耕作年限的延長，施磷與不施磷對土壤速效磷的影響巨大；姜宗慶等[13]研究表明增施磷肥可以顯著提高小麥植株吸磷量；周春菊等[14]研究也表明施磷肥可以增加籽粒中的磷素含量。但是聚焦減施磷肥對土壤供磷和小麥吸收磷的影響目前還鮮有報道。本文通過分析小麥籽粒產量、土壤速效磷、植株全磷以及DGT提取態(tài)磷之間的相關關系，以期獲得土壤供磷－作物需磷的關系，探究土壤供磷能力，為農田磷肥減施增效理論研究與推廣應用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗設計

田間試驗地點為中國科學院常熟農業(yè)生態(tài)試驗站宜興基地（31°16′N，119°54′E，年平均氣溫 15.7 ℃，年平均降雨量1177 mm），地處太湖西北岸，是典型的稻麥輪作地區(qū)。

試驗始于2010年6月（稻季），共4個試驗處理：稻麥季均不施磷（Pzero）；稻季施磷麥季不施磷（PR）；麥季施磷稻季不施磷（PW）；稻麥季均施磷（PR+W）。每個處理重復3次，共12個試驗小區(qū)，每個試驗小區(qū)面積50 m2，隨機設計。試驗所需N、P、K肥分別采用尿素（46%N）、氯化鉀（60%K2O）和過磷酸鈣（12%P2O5）。氮肥每季用量為 N 240 kg·hm－2，鉀肥每季用量K2O 60 kg·hm－2，磷肥每季用量 P2O540 kg·hm－2，氮肥每季施用分基肥（30%），第一次追分蘗肥（40%）和第二次追拔節(jié)肥（30%），鉀肥和磷肥作為基肥一次性施入。稻－麥輪作種植模式、水分等田間管理措施遵照當?shù)剞r民種植習慣[15]。

1.2 樣品采集及指標測定

本文選取該減施磷肥試驗進行第7年的麥季（2017年）作為研究對象。小麥收獲時各小區(qū)單打單收計算籽粒產量，取部分小麥樣品根部、秸稈和籽粒帶回實驗室分析植株全磷濃度。小麥收獲后，采用S型系統(tǒng)布點法隨機采集0～20 cm耕層土壤，混勻、風干、研磨，過20目篩后分析土壤速效磷濃度。

梯度擴散薄膜技術（Diffusive Gradients in Thin films，DGT）技術作為一種新型的可原位檢測的方法，廣泛應用于土壤、水、沉積物中金屬/非金屬及營養(yǎng)元素有效態(tài)含量的測定[16]。本文采用外殼為圓形雙模式DGT裝置，主要有固定膜、瓊脂糖擴散膜和PVDF濾膜組成[17]。其中濾膜主要是保護外界對擴散膜的機械損壞和污染；擴散膜主要是控制待測離子到固定膜的擴散通量；固定膜則是用來吸收富集目標離子。1.0 mol·L－1NaOH 提取固定膜中磷的提取率為0.950[18]，磷在擴散膜中擴散系數(shù)為6.86×10－6cm－2·s－1[19]。DGT提取磷（DGT－Labile P）的提取步驟具體如下：

（1）土壤預平衡：取10 g土壤樣品加入25 mL的燒杯，加去離子水使其為田間持水量的70%，充分攪拌覆蓋保鮮膜，于恒溫（25℃）下放置平衡48 h。

（2）DGT放置：先取平衡后土壤樣品（3 g）放入DGT圓孔中，在桌面上輕輕平行抖動，使土壤與濾膜表面充分接觸，繼續(xù)添加土壤直至填滿內腔。轉移到自封袋中，加入少量去離子水，袋口處于半封閉狀態(tài)。

（3）在恒溫條件下放置24 h后，將土壤移除，用去離子水沖洗DGT裝置，取出固定膜放入有少量去離子水的自封袋中，密封于4℃下保存待測。

（4）將固定膜放入2.0 mL的離心管，加入1.8 mL濃度為 1.0 mol·L－1的 NaOH，室溫下靜置提取 24 h，采用96微孔板分光光度計（Canon－5600F）測定磷含量。

樣品分析均采用常規(guī)分析方法，采用H2SO4－H2O2提?。f藍比色－紫外分光光度計（UVmini－1240）測定植株全磷濃度；采用NaHCO3（pH 8.5）浸提－鉬藍比色法測定土壤速效磷濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0進行單因素方差分析和LSD多重比較（α=0.05，α=0.01）；用 Origin作圖以及 Excel處理數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 小麥籽粒產量

Pzero、PR、PW及PR+W 4種施磷處理的小麥籽粒平均產量分別是1.33、2.69、3.82、3.99 t·hm－2（圖1）。與PR+W處理相比，PW處理的小麥籽粒產量無顯著性變化；而Pzero處理極顯著（P＜0.01）減少了小麥籽粒產量，其降低幅度最大，達到 66.7%（2.66 t·hm－2），PR處理顯著（P＜0.05）減少了小麥籽粒產量，其小麥籽粒減產達 32.8%（1.30 t·hm－2）。結果表明麥季施磷肥可以有效保證小麥籽粒產量，麥季不施磷僅稻季施磷顯著減少了小麥籽粒產量，稻麥季長期不施磷肥的處理減產幅度最大。

圖1 四種施肥處理的小麥籽粒產量Figure 1 Grain yield of wheat under four P fertilization treatments

2.2 植株全磷濃度

Pzero、PR、PW及PR+W 4種施磷處理的地上部植株全磷平均濃度分別是 1.59、2.08、2.37、2.88 g·kg－1；地下部植株全磷濃度分別是 0.31、0.34、0.48、0.43 g·kg－1（圖2）。與PR+W處理相比，PW處理地上部植株全磷濃度無顯著性變化，而Pzero處理極顯著（P＜0.01）減少了地上部植株全磷濃度，降幅達44.4%（1.29 g·kg－1），PR 處理顯著（P＜0.05）減少了地上部植株全磷濃度，降幅達 27.9%（0.80 g·kg－1）。與 PR+W 處理相比，Pzero、PR、PW的地下部植株全磷濃度均無顯著性變化。這表明麥季施加磷肥能保證小麥磷吸收量，麥季不施磷肥僅稻季施磷顯著降低了地上部植株全磷含量；麥季施肥與否對地下部植株的全磷濃度均沒有顯著影響。

圖2 四種施肥處理的小麥植株全磷濃度Figure 2 The concentration of crop total P of wheat under four P fertilization treatments

2.3 土壤速效磷濃度和DGT提取磷濃度及其相關關系

Pzero、PR、PW及PR+W 4種施磷處理的土壤速效磷和 DGT提取磷平均濃度分別為 1.86、5.31、6.51、9.62 mg·kg－1和 3.41、3.61、4.96、5.13 μg·L－1（圖3）。與PR+W處理相比，PW處理土壤速效磷濃度無顯著性變化；Pzero處理極顯著（P＜0.01）減少了土壤速效磷濃度，其降低幅度最大，達到80.7%（7.76 mg·kg－1）；PR 處理顯著（P＜0.05）減少了土壤速效磷濃度，其濃度降低了 44.8%（4.31 mg·kg－1）。線性回歸分析表明土壤速效磷濃度與DGT提取磷濃度呈顯著性正相關關系（P=0.02，R2=0.42，圖4）。這表明麥季施磷稻季不施磷能維持作物生長需要的土壤速效磷含量，保證土壤供磷能力；麥季不施磷僅稻季施磷顯著降低了土壤速效磷濃度。

2.4 土壤速效磷濃度、DGT提取磷濃度和小麥籽粒產量與植株全磷濃度的相關關系

圖3 四種施肥處理的土壤速效磷濃度和DGT提取磷濃度Figure 3 The concentration of soil Olsen－P and DGT－Labile P under four P fertilization treatments

圖4 土壤速效磷濃度與DGT提取磷濃度相關關系Figure 4 The correlation between the concentration of soil Olsen－P and DGT－Labile P

回歸分析發(fā)現(xiàn)：土壤速效磷濃度與小麥籽粒產量呈極顯著正相關關系（P=0.01，R2=0.49）；DGT提取磷濃度與小麥籽粒產量呈極顯著正相關關系（P＜0.01，R2=0.57，圖5）。DGT提取磷濃度與小麥籽粒產量的R2值大于土壤速效磷濃度與小麥籽粒產量R2值，表明DGT提取磷濃度與小麥籽粒產量有更好的相關性。土壤速效磷濃度與地上部植株全磷濃度有極顯著的正相關關系（P＜0.01，R2=0.69），與地下部植株全磷濃度有顯著的正相關關系（P=0.04，R2=0.30）；DGT提取磷濃度與地上部植株全磷濃度有顯著的正相關關系（P=0.03，R2=0.32），與地下部植株全磷濃度有極顯著的正相關關系（P=0.01，R2=0.49，圖6）。土壤速效磷濃度與地上部植株全磷濃度的R2值大于DGT提取磷濃度與地上部植株全磷濃度的R2值，DGT提取磷濃度與地下部植株全磷濃度的R2值大于土壤速效磷濃度與地下部植株全磷濃度的R2值，表明土壤速效磷濃度與地上部植株全磷濃度有更好的相關性；DGT提取磷濃度則與地下部植株全磷濃度有更好的相關性。

3 討論

圖5 土壤速效磷濃度和DGT提取磷濃度與小麥籽粒產量的相關關系Figure 5 The correlation among grain yields and the concentration of soil Olsen－P，DGT－Labile P

圖6 土壤速效磷和DGT提取磷濃度與地上部全磷和地下部全磷濃度的相關關系Figure 6 The correlation among the concentration of aboveground TP，underground TP and soil Olsen－P，DGT－Labile P

對于稻麥輪作系統(tǒng)，施磷與作物吸磷和產量的關系已有相關研究，例如馬保國等[20]和管冠[21]的研究表明在稻麥輪作體系中，不施磷肥顯著減少了小麥產量；秦偉等[22]在近太湖地區(qū)的磷肥試驗顯示不施磷顯著減少作物產量以及植株全磷含量；丁珊珊等[23]研究也表明長期施磷能顯著增加作物中的含磷量，并且隨施磷量的增加而增加。而在長期減施磷肥措施下，本文發(fā)現(xiàn)與當前傳統(tǒng)的施磷方式PR+W處理相比，減施磷肥第7年后，PW處理的小麥籽粒產量、土壤速效磷、地下部植株全磷以及地上部植株全磷均無顯著差異，而Pzero、PR處理的小麥籽粒產量、土壤速效磷以及作物地上部全磷顯著降低（P＜0.05），Pzero、PR、PW處理的地下部全磷沒有顯著性變化。結果表明太湖稻麥農田在目前產量水平下，磷肥減施至第7個稻麥輪作周年，實施麥季施磷稻季不施磷的減磷措施仍具有可行性，僅麥季施磷即可滿足作物的磷需求和維持小麥的產量。但是，麥季不施磷則顯著降低了小麥的產量和地上部植株全磷。這與Wang等[15]和朱文彬等[24]的研究結果是一致的，即：太湖稻麥農田減施磷肥至第4年時麥季不施磷（Pzero，PR）顯著降低小麥籽粒產量，但不會降低植株全磷含量。而減磷試驗進行至第7年，麥季不施磷處理不僅降低籽粒產量，而且降低植株全磷含量。這可能主要是由于麥季不施磷會持續(xù)消耗土壤中的磷素，導致土壤磷素一直處于虧缺狀態(tài)，隨著磷素虧缺量不斷增大，土壤速效磷也隨之減少，致使土壤供磷能力減弱，進而減少小麥籽粒產量及地上部植株全磷含量。另外，與PW相比，盡管PR處理稻季施入了等劑量的磷肥，但是由于水田通常處于厭氧還原條件，磷素很容易被釋放出來，容易造成流失，而且進入麥季時，磷素在小麥季旱地土壤中極易被固持，擴散能力弱，不易被植物吸收利用[25]，導致土壤速效磷減少，小麥生長土壤不再能供應充足的磷素。而麥季施磷處理（PW，PR+W）一直都有外源磷素的施入，土壤磷素不斷累積，所以土壤速效磷也隨之增加，這與黃邵敏等[26]研究結果一致；周寶庫等[27]研究也表明連續(xù)23年不施磷肥，土壤速效磷降低幅度高達60%。所以麥季施磷處理的土壤速效磷含量顯著高于麥季不施磷處理，由于土壤供磷能力增強，小麥植株全磷含量也顯著增加。

DGT作為一種新技術[28]可用來表征很多重金屬在土壤中的生物有效性，在湖泊底泥和沉積物的重金屬以及磷等營養(yǎng)鹽的擴散和有效性研究中也得到越來越多的應用。DGT對磷的富集過程是模擬目標離子在環(huán)境中的遷移和生物吸收的過程，測定的是土壤中可溶性磷含量[18]。本文通過相關性分析，發(fā)現(xiàn)DGT提取磷與土壤速效磷以及植株地上部全磷呈顯著正相關關系（P＜0.05），與小麥籽粒產量和植株根部全磷呈極顯著的正相關關系（P＜0.01）。這表明DGT提取磷能夠反映土壤磷素的生物有效性，可以作為評價土壤供磷水平的重要指標。McBeath等[29]用5種方法評價土壤中磷的可利用性，認為DGT法和傳統(tǒng)的Bray法、Colwell法、resin法、同位素標記法一樣可以作為評價土壤磷生物有效性的指標；Mason等[30]研究發(fā)現(xiàn)麥季施磷肥條件下，DGT法比傳統(tǒng)的Colwell法、resin法更能準確評價小麥產量和磷的生物有效性。

4 結論

本文研究太湖稻麥輪作區(qū)減施磷肥7年后對土壤供磷與小麥磷吸收的影響，發(fā)現(xiàn)與農民目前習慣采用的稻麥季均施磷方法相比：

（1）麥季施磷稻季不施磷的減磷措施能保持土壤速效磷供應、小麥吸磷量，維持小麥籽粒產量；麥季不施磷的減磷措施則顯著降低了土壤速效磷供應、小麥吸磷量和小麥籽粒產量。

（2）DGT提取磷與土壤速效磷有顯著的正相關關系；兩者均與小麥籽粒產量、地上部植株全磷、地下部植株全磷有顯著的正相關關系；DGT提取磷可作為稻麥輪作系統(tǒng)土壤供磷－作物需磷動態(tài)關系研究的評價指標。

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