馮媛媛，申 艷，徐明崗*，田應兵*，任鳳鈴，段英華

（1 長江大學農學院，湖北 荊州 434000；2 中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

小麥種植面積和產量僅次于水稻，是我國重要的商品糧和主要的糧食儲藏品種[1]。小麥屬于磷敏感作物[2]，小麥所利用的磷主要來源于土壤[3]，但是土壤對磷素具有強烈的固定作用，大部分磷肥以非活性形態(tài)累積在土壤中[4]，土壤中磷素缺乏尤其是土壤中能夠為作物所利用的有效磷缺乏，成為限制小麥產量提高的主要因素[5]?，F有研究表明，磷肥施用是小麥增產調優(yōu)的一項重要措施，可以在很大程度上提高農田土壤有效磷含量，改善土壤對作物的供磷能力[6]，但是不同小麥主產區(qū)農田土壤有效磷含量差異較大，在有效磷含量不同的土壤中小麥對磷肥的需求量也不盡相同，當施磷量超過作物吸磷量時，剩余的磷素將累積在土壤中，通過地表徑流、侵蝕等途徑進入江河和湖泊中，導致水體富營養(yǎng)化[7]。因此，明確在有效磷含量不同的土壤中磷肥施用量與小麥籽粒產量的關系以及施磷量對小麥籽粒產量的影響規(guī)律，對我國不同區(qū)域農田土壤肥力提升、養(yǎng)分有效利用和農業(yè)生態(tài)環(huán)境保護均具有重要意義。

已有研究表明，施用磷肥有利于提高小麥籽粒產量，適宜的磷濃度對于光合作用極其重要[8]，但施磷量有一個適宜值，過低或過高量施磷對產量的提升效應都不明顯。如Medhi等[9]、Michael和Nosberger[10]研究發(fā)現，增施磷肥能促進小麥生長發(fā)育，提高小麥產量；孫慧敏等[11]研究發(fā)現，在有效磷含量為15.94 mg/kg的土壤上施磷能夠提高小麥籽粒產量，但在有效磷含量為30.44 mg/kg的土壤上施磷對小麥籽粒產量則沒有顯著影響。目前，盡管不同有效磷含量的土壤中施磷量對小麥籽粒產量影響的研究已經取得了豐碩成果，但由于田間試驗的地理環(huán)境的限制，現有研究中仍然缺乏對二者之間相互關系的系統(tǒng)全面分析，以及環(huán)境因素對磷肥施用與小麥籽粒產量關系的影響程度分析。

為系統(tǒng)的認識不同土壤有效磷含量條件下施磷量對小麥籽粒產量的影響規(guī)律，建立施磷量與小麥籽粒產量之間的關系模型，從而指導科學施肥及農業(yè)生態(tài)環(huán)境保護。本研究以國內近20年的大田試驗數據為依據，利用數據整合分析的方法，探討有效磷含量不同的土壤中磷肥施用對小麥籽粒產量的影響規(guī)律，分析二者之間的相互關系及其對土壤、氣候等環(huán)境因素的響應。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究檢索數據庫包括中國知網、萬方數據、ScienceDirect等，檢索時間為“1990—2017年”，檢索關鍵詞為“小麥”、“施磷量”、“有效磷”(指通過“Olsen法”測得的試驗開始前土壤初始Olsen-P含量)，并建立數據庫。數據庫主要包括試驗點地理位置(省、市)、土壤類型、土壤基礎物理性質、試驗氮磷鉀肥投入量(分別折算成N、P2O5、K2O kg/hm2)、籽粒產量等參數。文獻篩選標準如下：1)國內進行的大田試驗；2)同一組試驗中須包含處理組和對照組，對照組為不施磷肥但氮、鉀肥正常施用的處理，處理組為施用不同量磷肥且氮、鉀肥施用量與對照組相同的處理；3)同一個處理組中，須同時具備試驗前土壤有效磷含量、小麥籽粒產量和磷肥施用量(統(tǒng)一換算為P2O5量)；4)各試驗須保持獨立性，同一地點的多年重復試驗，保留最新一年的測定數據。經篩選后，符合條件的文獻共44篇，包含411組試驗數據，數據來源分布如表1。

1.2 研究方法

本研究中的數據均來自于檢索到的文獻。在進行文獻數據收集時，如果文獻中的數據是用圖片形式表示的，則用Getdata Graph Digitizer 2.24 軟件來提取。若文獻中提供的數據為標準誤(SE)，則標準差(SD)可通過公式(1)進行轉換[12]：

統(tǒng)計學指標采用響應比(response ratio，RR)表示，并計算其95%置信區(qū)間(95%CI)。其計算公式為：

整合分析對所得數據中的各個獨立研究進行響應比加權，得到加權平均響應比(RR++)。另外，權重系數(Wij)、平均值變異系數(V)、RR++、S (RR++的標準差)和95%的置信區(qū)間(95%CI)可通過以下公式計算獲得[13]：

1.3 數據分析

利用小麥籽粒產量和對應施磷量數據做散點圖，通過分析獲得小麥籽粒產量與施磷量之間的關系。根據散點圖擬合線作為其趨勢線，并根據其曲線走勢來評定小麥籽粒產量隨著施磷量變化的情況[15]。根據前人研究，把土壤有效磷水平分為 ＜ 10、10～20、＞20 mg/kg 三個等級[16]，把施 P2O5量劃分為 ＜ 60、60～90、90～120、120～150、＞ 150 kg/hm2五個等級[17]。

采用MetaWin 2.1軟件對所獲取的數據進行Meta分析[18]，通過分析獲得施磷量的多少對高、中、低土壤有效磷含量地區(qū)的小麥產量的影響關系，以及環(huán)境因素對磷肥施用與小麥籽粒產量關系的影響。Meta分析合并計數資料的響應比得出加權平均響應前，需明確試驗處理之間及各試驗結果是否存在異質性，并通過異質性程度來判斷數據分析模型。本文采用卡方檢驗(Chi-square test)方法對異質性進行檢驗，當檢驗結果P ＞ 0.05時，說明不同處理間或不同研究結果間具有同質性，選用固定效應模型計算合并統(tǒng)計量，反之則采用隨機效應模型[19]。在分析中，使用每篇有效文獻中觀測值的響應值來評估在不同土壤有效磷含量條件下磷肥施用量對小麥的增產作用，響應值越大說明作用越明顯[20]。在數據分析中不考慮除土壤有效磷與施磷量變化之外的其他外界因素。采用雙因素方差分析來評價不同土壤有效磷含量水平下，不同施磷量對小麥產量數據的異質性和差異性影響，運用SPSS 11.0軟件進行(SPSS Inc，Chicago，IL，USA)進行檢驗，如 P ＜0.05，則認為樣本不同處理或不同研究結果間有異質性，即該土壤有效磷含量條件下施用該區(qū)間量的磷肥對小麥的產量提高作用顯著[21]。異質性檢驗結果表明，各試驗數據結果間存在明顯異質性，因此選用隨機效應模型。

表 1 數據庫樣本分布Table 1 Sample distribution in the database

2 結果與分析

2.1 小麥籽粒產量的整體分布

圖1顯示，收集數據中的小麥籽粒產量(因變量)在土壤初始有效磷含量 ＜ 10 mg/kg、10～20 mg/kg和 ＞ 20 mg/kg土壤上，均符合正態(tài)分布(P ＜ 0.05)。在所有收集數據中小麥籽粒產量的均值為6780 kg/hm2，55%的數據分布在6000～8000 kg/hm2范圍內；土壤有效磷含量 ＜ 10 mg/kg時，小麥籽粒產量的均值為6352 kg/hm2，65%的數據分布在5500～8000 kg/hm2范圍內；土壤有效磷含量在10～20 mg/kg時，小麥籽粒產量的均值為6946 kg/hm2，70%的數據分布在6000～9000 kg/hm2范圍內；土壤有效磷含量 ＞ 20 mg/kg時，小麥籽粒產量的均值為6881 kg/hm2，76%的數據分布在5000～8000 kg/hm2范圍內。

2.2 在不同有效磷含量土壤上磷肥用量對小麥產量的影響

圖 1 不同土壤有效磷水平下小麥籽粒產量的高斯分布Fig. 1 Gauss distribution of wheat grain yield in soils with different Olsen-P contents

圖 2 在土壤有效磷含量不同的條件下施磷量對小麥籽粒的增產效果Fig. 2 Yield increase of P2O5 application in soils with different available phosphorus content

整合分析結果(圖2)顯示，與不施磷的對照試驗組相比，除在有效磷 ＞ 20 mg/kg的土壤上施超過90 kg/hm2磷肥(P2O5)的情況外，在其他條件下，不同施磷量對小麥籽粒產量均具有正影響。與不施磷相比，土壤有效磷含量 ＜ 10 mg/kg，施磷量的升高對小麥籽粒產量的促進作用增強，并以施P2O5＞ 150 kg/hm2時的增幅最高，達36.6%；土壤有效磷含量介于10～20 mg/kg時，隨著施磷量的升高，對小麥籽粒產量的提升幅度先增加后降低，施90～120 kg/hm2的P2O5對小麥籽粒產量的提升幅度最高，達25.8%；土壤有效磷含量 ＞ 20 mg/kg且施用P2O5＜ 90 kg/hm2時，小麥籽粒產量的最大增幅僅為7.3%，而當施P2O5＞ 90 kg/hm2時，磷肥施用對小麥籽粒產量增產作用無顯著影響。

2.3 有效磷含量不同的土壤上磷肥用量與小麥籽粒產量的關系

總體而言，在不考慮土壤有效磷影響的條件下，小麥籽粒產量隨著施磷量的增加而增加的速率先增快后趨于平緩(圖3)。在土壤有效磷含量 ＜ 10 mg/kg的條件下，施用磷肥對小麥籽粒產量的提升呈現斜率為11.1的顯著線性正相關關系。在土壤有效磷在10～20 mg/kg之間時，施用磷肥對小麥籽粒產量的提升呈現斜率為8的顯著線性正相關關系。在土壤有效磷含量 ＞ 20 mg/kg條件下，施P2O5＜ 60 kg/hm2時，施用磷肥對小麥籽粒產量的提升作用顯著強于施磷量更高的情況(圖3)。

2.4 不同環(huán)境因素對磷肥施用與小麥籽粒產量關系的影響

圖 3 不同土壤有效磷含量條件下施磷量與小麥籽粒產量之間的關系Fig. 3 Relationship between phosphorus application and grain yield of wheat under different soil available P contents

整合分析結果(圖4)顯示，磷肥施用對小麥籽粒產量的影響在不同環(huán)境因素下存在差異?？傮w而言，相對于不施用磷肥的情況，磷肥的施用顯著提高了小麥籽粒產量，提升幅度為14.1%。對于不同氣候類型來說，亞熱帶季風氣候條件下磷肥施用對小麥籽粒產量的提高作用較強(19.4%)，溫帶季風氣候條件下磷肥施用對小麥籽粒產量的提高(為10.7%)作用弱于亞熱帶季風氣候。在不同的土壤類型中，磷肥施用對小麥增產的作用程度不同，其中，黑壚土上施用磷肥對小麥的增產作用最強為34.4%，棕壤上施用磷肥對小麥的增產作用最弱為9.2%，褐土和黃棕壤上施磷肥對小麥籽粒產量的提升幅度分別為15.6%和10.3%，介于棕壤和黑壚土之間。在不同的小麥種植區(qū)域內，磷肥施用對小麥增產的作用程度也存在較大差異，其中，春小麥區(qū)施用磷肥的增產作用顯著強于冬小麥區(qū)，達32.9%，北方冬小麥區(qū)施用磷肥的增產作用強于南方冬麥區(qū)，分別為13.9%和10.8%。

3 討論

3.1 施磷量對小麥籽粒產量的影響

本研究表明，除在有效磷 ＞ 20 mg/kg的土壤中施P2O5＞ 90 kg/hm2的磷肥外，磷肥施用對小麥單位面積籽粒產量均具有正向促進作用，其原因可能是土壤中磷元素移動性差[22]，磷進入土壤中總是向溶解度更小的形態(tài)轉化[23]，當土壤中原有有效磷的含量不足以滿足小麥的生長需要時，施用磷肥可以顯著增加可被小麥利用的有效態(tài)磷，從而提高小麥單位面積籽粒產量。而在原有有效磷含量較高的土壤中，土壤中原有的有效磷已經能夠滿足小麥生長所需磷素，磷肥施用則對小麥籽粒產量影響不明顯。其中，在有效磷含量 ＜ 10 mg/kg的條件下，施P2O5＞150 kg/hm2時對小麥產量的促進作用最強(36.6%)，已有的研究成果也證實了這一結論，如王旭東等發(fā)現在耕層土壤有效磷含量為10 mg/kg以下時，小麥施磷的增產率在30%左右；耕層土壤有效磷含量為10～20 mg/kg時，增產20%左右；耕層土壤有效磷含量為20 mg/kg 以上時，增產率顯著下降[1]。

3.2 施磷量與小麥籽粒產量的相關關系

圖 4 氣候、土壤和種植區(qū)域對磷肥施用與小麥籽粒產量關系的影響Fig. 4 Effects of climate typesoil type and producing area on wheat yield increase intensity under application of phosphorus fertilizer

本研究表明，施磷量與小麥籽粒產量的相關關系，隨著土壤有效磷含量的變化，而存在較大差異。線性回歸分析結果表明，在有效磷含量 ＜ 10 mg/kg的條件下，磷肥施用量與小麥單位面積籽粒產量之間呈斜率為11.1的顯著正相關關系(P ＜ 0.01)。其原因可能是，土壤有效磷水平較低時，小麥對磷缺乏更為敏感[24]，施用磷肥增加了土壤有效磷含量，小麥籽粒產量也相應快速增加；在土壤有效磷含量 ＞10 mg/kg的情況下，施磷量與籽粒產量之間呈斜率為8的顯著正相關關系(P ＜ 0.01)，這在前人研究中也得到證實。例如孫慧敏等[11]發(fā)現，在有效磷(Olsen-P)初始含量為15.9 mg/kg的0—20 cm耕層中，施P2O545、75、105和135 kg/hm2時，小麥產量變化不明顯。出現這種現象的原因可能在于，由于小麥磷的農學閾值范圍為4.9～20.0 mg/kg[24-27]，超過小麥磷農學閾值后籽粒產量不再隨著施磷量的提高而提高，施磷量與小麥籽粒產量之間線性正相關關系弱于土壤有效磷含量 ＜10 mg/kg的情況。這表明磷肥施用量并不是越多越好，而要根據當地土壤有效磷含量有針對性的科學施用。

3.3 氣候、土壤、種植區(qū)域等環(huán)境因素對施磷量與小麥籽粒產量關系的影響

本研究表明，從目前國內磷肥肥效試驗的總體情況來看，與只施用氮鉀肥相比，增施磷肥對小麥籽粒產量的提升比率為14.1%。其原因可能是，土壤中磷素缺乏是限制小麥產量提高的重要因素，磷元素通過直接影響作物對磷的攝取和利用來影響作物的產量[22]，因此施用磷肥可通過改變土壤中磷素環(huán)境來影響小麥籽粒產量。由于收集數據中磷肥種類大致均為過磷酸鈣并基本未提及磷肥的施用方式，本文主要討論氣候、土壤和小麥主產區(qū)這三類環(huán)境因素對施磷條件下小麥籽粒產量提高的影響。本研究結果表明，在不同的氣候、土壤和種植區(qū)域等環(huán)境因素下磷肥施用對小麥籽粒產量的提高強度不盡相同。

就氣候條件而言，本研究中亞熱帶季風氣候條件下施用磷肥對小麥的增產作用強于溫帶季風氣候，分別為19.4%和10.7%。其原因可能是，亞熱帶季風氣候冬溫和降水量均高于溫帶季風氣候，而小麥根系生長的時間分布規(guī)律為冬前較快越冬不停，同時水分的虧缺會限制小麥根系的生長[28]，因此亞熱帶季風氣候區(qū)的小麥根系生長情況優(yōu)于溫帶季風區(qū)的，這將直接促進小麥對肥料的吸收從而提高磷肥肥效；就土壤類型而言，本研究黑壚土中磷肥施用對小麥的增產作用顯著高于黃棕壤、褐土和棕壤，為34.4%。其原因可能是，相對于其它土壤類型，黑壚土發(fā)育于黃土母質上具有殘積粘化層，已有研究表明土壤的質地越黏重，土壤基礎生產力越高[29]，同時黑壚土中礦質養(yǎng)分含量豐富但有效磷含量較低。因此在氮鉀等營養(yǎng)元素充足、有效磷含量缺乏的黑壚土上，磷肥施用對小麥籽粒產量的提高作用十分顯著，而高地力土壤對土壤養(yǎng)分的依賴性較高，施肥增產效應較小，肥料貢獻率較低[30]；就種植區(qū)域而言，在寧夏和甘肅兩省的春小麥區(qū)，磷肥的增產作用明顯強于長城以南的冬小麥區(qū)，達32.9%。有研究表明，限制春小麥產量的最低因子是磷素營養(yǎng)[31]，且在低磷條件下小麥植株的光合產物優(yōu)先分配到籽粒中去[32]，而甘肅和寧夏兩省的土壤肥力、降雨量、溫度等作物生長條件均不及長城以南的冬小麥區(qū)，因此春小麥區(qū)磷肥施用對小麥籽粒產量的提高顯著，且磷素會優(yōu)先供給小麥籽粒，肥料的貢獻率較高。

4 結論

1)除在土壤有效磷含量較高的土壤(有效磷 ＞ 20 mg/kg)上施P2O5＞ 90 kg/hm2的高磷肥外，磷肥施用對小麥籽粒產量提高具有正向促進作用。

2)在土壤有效磷含量 ＜10 mg/kg的情況下，施用 ＞150 kg/hm2的P2O5對小麥產量的促進作用最強(36.6%)。

3)在土壤有效磷含量 ＜10 mg/kg的條件下，磷肥施用量與小麥單位面積籽粒產量之間的線性相關關系最強，斜率為11.1。土壤有效磷含量在10～20 mg/kg之間的條件下，磷肥施用量與小麥單位面積籽粒產量之間的線性相關關系減弱，斜率變?yōu)?。在土壤有效磷含量 ＞20 mg/kg的條件下，磷肥施用量與小麥單位面積籽粒產量之間的關系符合米歇里西方程。

4)在亞熱帶季風氣候、黑壚土、春小麥區(qū)這三個環(huán)境因素條件下，磷肥施用對小麥的增產作用明顯。