基于产量和养分含量的旱地小麦施磷量和土壤有效磷优化

奥鹏网院作业


基于产量和养分含量的旱地小麦施磷量和土壤有效磷优化

摘要：【目的】探讨长期定位施磷条件下小麦产量、土壤有效磷水平及籽粒养分含量变化，为旱地小麦合理施用磷肥，提高产量、改善品质提供理论依据。【方法】基于2004年在黄土高原开始的长期定位试验，于2014—2015、2015—2016和2016—2017连续3年取样，研究不同施磷量对小麦产量，生物量，产量构成，籽粒氮、磷、钾含量，土壤有效磷含量及磷吸收利用的影响。【结果】与不施磷相比，长期施磷使小麦产量平均提高67%，生物量提高58%，穗数和穗粒数分别增加64%和8%，而千粒重降低7%。施磷量与小麦产量、生物量呈抛物线关系，获得最高产量6 465 kg·hm-2的施磷量为144 kg P2O5·hm-2。籽粒氮含量随施磷量增加而降低，磷和钾含量随施磷量增加而提高。土壤有效磷含量与施磷量呈显著正相关，小麦获得最高产量时播前和成熟期有效磷含量分别为16.9和20.4mg·kg-1。磷吸收利用效率随施磷量增加而降低，施磷量提高50 kg P2O5·hm-2，需磷量增加0.4 g·kg-1，磷收获指数降低1.3%，生理效率降低45.1 kg·kg-1。【结论】综合考虑小麦的籽粒产量和关键养分含量，研究区域旱地小麦应以95%的最高产量为实际生产目标，施磷量为94 kg P2O5·hm-2，播前土壤有效磷为12.0 mg·kg-1，成熟期为13.8 mg·kg-1。
关键词：旱地；冬小麦；施磷量；有效磷；产量构成；养分含量；黄土高原
0 引言
【研究意义】小麦是我国主要粮食作物，种植面积占粮食种植面积的22%，其中70%为旱地小麦，产量占小麦总产20%以上。近几十年来，为了保证粮食高产增产，我国磷肥用量由1980年的273万吨增加至2015年的843万吨，增加了3倍，在作物增产中也发挥了重要作用[1]。山西闻喜4年的田间试验表明，旱地小麦施磷增产率可达20.1%[2]。陕西杨凌12年田间试验表明，单施磷肥较不施肥小麦产量平均提高15%，氮磷配施增产率达46%[3]。新疆、北京、河南、陕西和湖南5个省份不同土壤类型和气候条件下15年施肥试验的分析表明，增施磷肥较单施氮钾肥小麦和玉米分别增产206%和85%[4]。但磷肥的当季利用率并不高，仅为10%—20%，大部分被吸附、固持，残留在土壤中[5]，直接导致土壤磷盈余[6-7]。如果土壤长期处于磷盈余状态，会增加土壤磷素向水体流失的风险，威胁环境[8-9]。目前我国过量施磷现象普遍存在，连续5年的调研表明，渭北旱地1 261个调研农户中70.9%—99.3%的施磷过量[10]。可见，磷肥对农业增产和可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】土壤中速效磷含量与小麦产量密切相关。25年的定位试验表明，潮土区小麦玉米轮作系统，小麦收获后土壤有效磷为13.1 mg·kg-1时，小麦获得最高产量的95% [11]。22年定位试验也发现，北京昌平小麦玉米轮作系统土壤有效磷为12.5 mg·kg-1时，小麦玉米均达到高产；但土壤有效磷超过30.6 mg·kg-1时，易发生磷淋失污染环境[8]。33年的定位试验表明，太湖流域小麦水稻轮作系统中，土壤有效磷为4.08 mg·kg-1时，水稻小麦达到高产[12]。不同土壤的冬小麦-夏玉米一个轮作周期的盆栽试验表明，小麦达到高产时有效磷为13.1—26.2 mg·kg-1，土壤磷素淋失安全值为39.3 mg·kg-1。不同地区研究资料的总结分析认为，潮土、灰漠土、灌淤土等易发生磷素淋溶的碱性土壤，达到高产时土壤有效磷应控制在12—20 mg·kg-1；红壤等酸性土壤，应控制在20—40 mg·kg-1；土等石灰性土壤，应控制在20—40 mg·kg-1[13]。【本研究切入点】可见，目前的研究主要集中在磷肥的增产效应和环境效应、土壤有效磷与产量的关系，以及磷的环境安全阈值，缺乏从作物高产优质和土壤环境安全的角度出发，对施用磷肥与土壤养分及作物产量和营养品质关系的研究。【拟解决的关键问题】本研究通过磷用量长期定位试验，研究渭北旱塬不同磷肥用量条件下旱地冬小麦产量和土壤速效磷变化，意在明确长期不同施磷量条件下：（1）土壤有效磷含量变化及其与小麦产量和氮、磷、钾等养分含量的关系；（2）冬小麦养分吸收利用的变化；（3）冬小麦达到高产优质的土壤速效磷水平，与之对应的施磷量。（4）为渭北旱地小麦合理施肥和丰产优质绿色生产提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验位于黄土高原南部陕西杨凌西北农林科技大学农作一站（34°16′ N, 108°04′ E）。该站地处渭河三级阶地，海拔为525 m，多年平均气温12.9℃，年平降水量约562 mm，40.1%降水分布在冬小麦收获后7—9月的夏季休期（图1），多年平均蒸发量为1 400 mm，农作物生产主要依赖自然降水，属典型的旱作雨养农业地区。试验区地势平坦，供试土壤为土垫旱耕人为土，耕层（0—20 cm）土壤的基本理化性状如表1。试验始于2004年10月，到2017年已经持续13年，由不同施磷量导致的土壤养分变化已达到相对稳定，因此本研究基于该长期定位试验，选取2014—2017年3个小麦生长季进行取样，以分析研究长期施用不同数量的磷肥引起的土壤有效磷、小麦产量和养分含量变化。
1.2 试验设计
本试验采用单因素完全随机区组试验设计，在施 氮量160 kg N·hm-2的基础上，设置5个磷水平：0、50、100、150和200 kg P2O5·hm-2（用P0、P50、P100、P150、P200表示），重复4次，以尿素（N含量46%）为氮源，重过磷酸钙（P2O5含量46%）为磷源，无其他肥料施入，所有肥料均于小麦播前一次性撒施、旋耕与根层土壤混匀。供试冬小麦品种为小偃22，2014—2015、2015—2016、2016—2017年3个小麦生长年份的播量分别为135、135和125 kg·hm-2，行距15 cm，播深5 cm。耕作制度为冬小麦-夏休闲，2014年10月9日、2015年10月9日、2016年10月18日播种，2015年6月6日、2016年6月4日、2017年6月1日收获。小麦生育期内无灌溉，田间管理与当地农户一致。

图1 2014—2017年休闲期（7—9月）和冬小麦生长季（10—6月）降水量
Fig. 1 Precipitation during the fallow (7-9 months) and growing seasons (10-6 months) of winter wheat in 2014-2017 in Yangling
表1 长期磷用量试验2004年开始和2016年小麦播前0—20 cm土层的基本化学性状
Table 1 Basic chemical properties of the 0-20 cm layer soil at initiation of the long-term phosphorus experiment in 2004 and before wheat sowing in 2016

2004年指试验开始前土壤基本化学性状，其他数据为2016年播前土壤的相关数据，“CK”指无任何肥料投入的处理。下同
2004 refers to the basic chemical properties in October 2004 when the long-term phosphorus experiment was initiated, and others are that measured in October 2016. Treatments were defined with the letter of P+numbers, which means P2O5 plus its application rate (kg·hm-2) with 160 kg N·hm-2, and “CK” means the treatment with no fertilizer input. The same as below
1.3 样品采集与测定
1.3.1 土壤样品采集与测定 小麦播前、拔节、开花、成熟期，分别以0—20 cm为一层，每小区5点，采集0—40 cm土层的土壤，同层样品剔除根系等杂物后混匀取500 g，作为一个分析样品，剩余土壤按层次回填各取样点，并压实。
采回的新鲜土样捏碎、混匀，采用烘干法测定含水量[14]。称取5.00g鲜土，加入1 mol·L-1 KCl溶液50 mL，180 r/min下振荡1 h，过滤后用连续流动分析仪（AA3，德国）测定硝态氮和铵态氮。剩余土样风干，过1 mm筛保存后取部分过0.15 mm筛。播前土样有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；pH用水土比2.5﹕1浸提，pH计测定；全氮采用浓硫酸消煮，连续流动分析仪测定；各生长期土样的速效磷用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提，连续流动分析仪测定，速效钾用1 mol·L-1中性NH4OAc溶液浸提，火焰光度计法测定[15]。
1.3.2 植物样品的采集与测定 小麦成熟时，在每个小区避开边界随机均匀选择4个1 m2（1 m×1 m）的样方，收割地上部，装入网袋，自然风干，机械脱粒，称取籽粒风干重，并取样在65℃下烘至恒重，测定含水量，计算籽粒产量（以干重表示）。样方收获的同时，采用盲抽法在每个小区的采样区随机抽取100穗的小麦植株，连根拔起，用剪刀剪去根系，地上部分为穗和茎叶，分别装入网袋，作为分析样品[16]。
植株样带回后自然风干，人工脱粒，将穗分为籽粒和颖壳，取部分茎叶、颖壳、籽粒用自来水清洗3次，去离子水洗3次后，90℃烘30 min后降至65℃烘至恒重，测定风干样品的含水量。烘干样品用碳化钨球磨仪（Retsch MM400，德国）粉碎，密封保存，用于测定养分含量。植物营养品全氮磷钾用H2SO4-H2O2消解，全氮全磷用连续流动分析仪测定，全钾用火焰光度计测定。
1.4 数据处理
地上部养分吸收量=籽粒养分含量×籽粒产量+茎叶养分含量×茎叶生物量+颖壳养分含量×颖壳生物量/1000[17]；
肥料偏生产力=施肥小区作物产量/施肥量；
养分收获指数（%）=籽粒养分吸收量/地上部养
分吸收量×100[18]；
籽粒产量形成的磷生理效率=产量/地上部吸磷量[17]；
需磷量=地上部吸磷量/产量×1000。
以上公式中养分含量单位为g·kg-1；养分吸收量单位为kg·hm-2；肥料偏生产力单位为kg·kg-1；生理效率单位为kg·kg-1；养分需求量单位为g·kg-1；生物量、产量单位为kg·hm-2。
试验数据处理和图表制作采用Microsoft Excel 2007，统计分析采用SPSS Statistics 22.0，多重比较采用LSD（Least Significant Difference）法，差异显著水平为0.05（P＜0.05）。
2 结果
2.1 长期施磷对旱地小麦产量、生物量、收获指数的影响
长期不同施磷量对旱地小麦产量有显著影响（图2-a）。与不施磷相比，施磷显著提高了小麦产量，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2平均分别增产55.9%、70.6%、68.8%和71.9%；施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，各施磷处理间差异不显著。回归分析表明，3年的平均产量随施磷量增加呈抛物线变化，施磷144 kg P2O5·hm-2时，与不施磷相比增产78%，达最高产量6 465 kg·hm-2。施磷150和200 P2O5·hm-2时，与144 kg P2O5·hm-2相比，产量下降3%—5%。不同年份间产量存在显著差异，2015年产量显著高于2016和2017年，不施磷时2015年的产量较其他两年平均高出68.3%，施磷时较平均高出20.9%。

图中2015、2016、2017年分别表示2014—2015、2015—2016、2016—2017年3个小麦生长年份；小写字母表示各处理3年平均值有显著差异（P＜0.05）；大写字母表示年际平均值间有显著差异（P＜0.05）。竖线表示LSD0.05, 即同一施磷量两点间距离大于竖线长度表示同一处理年际间达到95%的显著水平。下同
2015, 2016 and 2017 in figures represent the year of wheat growth in 2014-2015, 2015-2016 and 2016-2017, respectively. Different lowercase letters in the figure show significant differences among treatment averages over the 3 experimental years at P＜0.05; Different uppercase letters show significant differences among averages over treatments in a year P＜0.05. The line segments express LSD0.05, which means the difference is significant when the distance between two points of the same treatment exceeds the segment leng that P＜0.05. It is the same in the following figures
图2 施磷量与小麦产量、生物量、收获指数的关系
Fig. 2 Effects of P rates on winter wheat grain yield, biomass and harvest index
冬小麦生物量对长期不同施磷量的响应与产量相似（图-b），施磷显著增加了小麦生物量，较不施磷平均增加57.7%；施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，生物量不再显著增加。相关分析表明，随施磷量增加，平均生物量也呈现抛物线变化，施磷147 kg P2O5·hm-2时，生物量最大，为14 653 kg·hm-2。2015年生物量也显著高于2016和2017年，年际间差异显著。
施磷显著提高了小麦的收获指数（图2-c），不施磷时收获指数平均为42.2%，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2，3年平均分别为44.3%、44.6%、44.6%和44.1%，平均增加5.2%，各施磷量间收获指数差异不显著。施磷量与收获指数间无显著相关关系。2016年收获指数显著高于2015年和2017年，平均分别为49.0%、41.5%和41.4%。
可见，施磷显著增加了小麦产量和生物量，但施磷量超过100 kg P2O5·hm-2时，产量和生物量增加不再显著。施磷提高了小麦收获指数，但施磷量超过50 kg P2O5·hm-2时，收获指数增加不再显著。年际间产量、生物量、收获指数存在显著差异。
2.2 长期施磷对旱地小麦穗数、穗粒数和千粒重的影响
长期不同施磷量对小麦穗数的影响显著。试验结果表明（表2），施磷显著增加小麦的穗数，与不施磷比较，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2分别增加43%、64%、74%和76%；施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，各施磷处理间差异不显著。回归分析表明，施磷177 kg P2O5·hm-2时，穗数最大为568万穗/hm2（y=317.667+2.832x-0.008x2，R2=0.450）。年际间差异显著，2015年穗数显著高于2016和2017年，平均分别高出144和230万穗/ hm2。
施磷提高了小麦穗粒数（表2）。不施磷小麦穗粒数3年平均为31粒/穗，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2时，穗粒数分别为34、34、33和33粒/穗，施磷量间无显著差异。相关分析表明，小麦穗粒数与施磷量无显著相关关系。年际间差异不显著。
小麦千粒重随施磷量的增加而降低（表2），施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2较不施磷降低1.3%、5.7%、9.4%和9.6%。各施磷量间无显著差异，施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，与不施磷相比显著降低。相关分析表明，施磷量与小麦千粒重无显著相关性。2016年千粒重显著高于2015和2017年，平均为14.8%和13.3%，前两者间差异不显著。
总之，施磷增加了小麦穗数和穗粒数，降低了小麦千粒重。施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，穗数不再显著增加，各施磷量间穗粒数无显著差异。施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，千粒重显著降低。年际间穗数、穗粒数、千粒重存在差异。
2.3 长期施磷对旱地小麦籽粒氮、磷、钾养分含量的影响
长期施磷显著降低了小麦籽粒氮含量（图3-a）。不施磷籽粒3年平均氮含量为23.4 g·kg-1，施磷时为21. 9 g·kg-1，降低7.1%，施磷量间无显著差异。回归分析表明，施磷150 kg P2O5·hm-2时，籽粒氮含量达到最小值21.7 g·kg-1，年际间无显著差异。
小麦籽粒磷含量随施磷量的变化与氮不同（图3-b），不施磷时平均为1.9 g·kg-1，施磷后含量显著增加，施磷50—200 kg·hm-2，平均增加0.3—1.0 g·kg-1，增幅为13.6%—50.3%。回归分析表明，施磷200 kg P2O5·hm-2时磷含量最高为2.9 g·kg-1。年际间差异显著，2017年籽粒磷含量显著高于2015和2016年，分别为1.1和1.3倍。
籽粒钾含量随施磷量增加而增加（图3-c）。不施磷3年平均含量为3.1 g·kg-1，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2时为3.1、3.5、3. 5和3.5 g·kg-1，平均增加8.4%；施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，差异不显著。相关分析表明，籽粒钾含量与施磷量间无显著相关。年际间有显著差异，2015年籽粒钾含量显著高于2016和2017年，施磷平均高出1.0和0.6 g·kg-1，不施磷高出0. 7和0.5 g·kg-1。
施磷促进了小麦籽粒磷、钾含量的增加，降低了籽粒氮含量，籽粒氮、磷含量与施磷量间极显著相关，但施磷超过100 kg P2O5·hm-2，磷含量和钾含量无显著增加；年际间磷、钾含量差异显著，氮含量无显著差异。
表2 施磷量对小麦穗数、穗粒数和千粒重的影响
Table 2 Effects of P rates on spike number, kernels per spike and 1000-grain mass

表中2015、2016、2017年分别表示2014—2015、2015—2016、2016—2017年3个小麦生长年份；同一列的小写字母表示同一年份不同处理间或不同年份处理平均值间差异显著（P＜0.05）；同一列的大写字母表示年际间平均值差异达到5%显著水平；*与**分别表示在P＜0.05和P＜0.01时差异显著。下同
2015, 2016 and 2017 in table represent the year of wheat growth in 2014-2015, 2015-2016 and 2016-2017, respectively. Different lowercase letters in the same column show significant differences among treatment averages in a year or those over the 3 experimental years at P＜0.05; Different uppercase letters in the same column show significant differences among averages over treatments in a year at P＜0.05. “*” indicates statistical significance of variance at P＜0.05 and “**” indicates significance at P＜0.01. the same as below
2.4 长期施磷对旱地小麦磷素吸收利用的影响
长期定位试验（表3）表明，吸磷量随施磷量增加不断提高，不施磷时3年平均吸磷量为8.0 kg·hm-2，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2，为14.0、19.8、20.2和22.0 kg·hm-2，增幅达75%—175%；施磷量间差异显著，且吸磷量与施磷量呈极显著正相关（r=0.738，P＜0.01）。回归分析表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，吸磷量增加3.4 kg·hm-2（y=0.068x+9.948）。年际间吸磷量存在差异，2015年显著高于2016和2017年，平均分别为21.1、12.9和16.4 kg·hm-2。
磷收获指数（表3）随施磷量增加而降低，年际间平均结果表明，施磷50 kg P2O5·hm-2时，与不施磷相比差异不显著；施磷100、150和200 kg·hm-2时，分别显著降低2.8%、4.3%和6.1%。磷收获指数与施磷量间呈显著负相关（r=-0.344，P=0.07）。回归分析（y=- 0.026x+88.44）表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，磷收获指数减少1.3%。磷收获指数年际间差异显著，为2016年处理＞2017年处理＞2015年处理，平均分别为90.8%、86.0%和80.7%。
图3 施磷量与小麦籽粒N、P、K养分含量的关系
Fig. 3 Effects of P rates on winter wheat grain N, P, and K concentrations
磷生理效率随施磷量的增加而显著降低（表3），不施磷时生理效应3年平均为464.1 kg·kg-1，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2，分别为417.3、323.5、310.6和291.0 kg·kg-1，比不施肥显著降低10.1%、30.3%、33.1%和37.1%。磷生理效率与施磷量显著负相关（r=-0.770，P＜0.01）。回归分析表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，生理效率降低45.1 kg·kg-1（y=-0.902x+ 451.7）。磷生理效率年际间存在差异。
与收获指数和生理效率不同，需磷量与施磷量呈极显著正相关（r=-0.746，P＜0.01），不施磷时3年平均需磷量为2.2 kg·hm-2，施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2时，需磷量分别为2.4、3.2、3.3和3.6 g·kg-1，比不施肥显著增加9.1%、45.5%、50.0%和59.1%。回归分析表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，需磷量增加0.4 g·kg-1（y=0.007x+2.208）。2015、2017年比2016年需磷量高出28.3%和29.7%，差异显著。
试验结果表明，磷肥偏生产力随施磷量的增加显著降低。施磷50、100、150和200 kg P2O5·hm-2时，3年平均为113.4、62.0、40.9和31.3 kg·kg-1。回归分析（y=0.004x2-1.576x+180.8）表明，施磷197 kg P2O5·hm-2时，磷肥偏生产力最小，为51.1 kg·kg-1。年际间存在差异。
综上可见，小麦吸磷量和需磷量随施磷量差异显著，2015年显著高于2016和2017年，平均高出14.4和15.0 kg·kg-1，后两年间无显著差显著增加，磷收获指数、生理效率和偏生产力均与施磷量呈显著负相关，施磷量间差异显著。年际间均存在差异。
2.5 长期施磷对0—20 cm土层有效磷含量的影响
土壤有效磷含量随小麦生育时期变化。试验（图4）表明，播前、拔节期、开花期和成熟期3年平均值为12.6、21.2、19.4和14.5 mg·kg-1，与拔节期相比，开花期、成熟期平均分别降低8.5%和31.6%，成熟期有效磷含量与播前相近。有效磷与施磷量呈极显著正相关。播前和开花期土壤有效磷含量的平均值施磷量间的差异显著，拔节期和成熟期施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，施磷量间无显著差异。回归分析表明，每增施50 kg P2O5·hm-2，播前土壤有效磷增加5.0 mg·kg-1。拔节期增加10.7 mg·kg-1、开花期增加7.8 mg·kg-1、成熟期增加6.8 mg·kg-1。开花期土壤有效磷年际间差异较小，其他时期差异较大，特别是当施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，年际间变异更大，播前、拔节期和成熟期最大差值分别为11.3、23.1和16.3 mg·kg-1，比开花期高出41%、202%和113%。
可见，小麦不同生育期有效磷含量有差异，拔节期后，土壤有效磷逐渐降低。有效磷随施磷量显著增加，播前、开花期施磷量间差异均显著；拔节期、成熟期施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，无显著差异。除开花期外，其他时期年际间存在差异，施磷超过100 kg P2O5·hm-2时，差异更大。
2.6 施磷量与冬小麦产量、土壤有效磷的关系
综合分析施磷量、土壤有效磷含量与小麦产量（图5）表明，在施磷量为144 kg P2O5·hm-2时，有最高产量6 465 kg·hm-2，达到最大产量时，播前和成熟期的土壤有效磷分别为16.9和20.4 mg·kg-1。如果产量降低5%，施磷量将降低65%，仅为94 kg P2O5·hm-2，播前和成熟期的土壤有效磷分别为12.0 和13.8 mg·kg-1。可见，以最高产量的95%为实际生产目标优化磷肥用量和维持土壤有效磷水平更为合适。
表3 施磷量对小麦磷吸收利用的影响
Table 3 Effects of P rates on P uptake and utilization of wheat


图4 施磷量与不同时期土壤速效磷含量的关系
Fig. 4 The relationship between P rates and soil available P concentrations at different stages

图5 施磷量、产量及土壤有效磷含量之间的关系
Fig. 5 The relationship among P rates, yield and soil available P concentrations
3 讨论
3.1 施磷量与小麦产量的关系
研究表明，旱地条件下，小麦产量与施磷量呈抛物线型关系，最大产量施磷量为144 kg P2O5·hm-2。陕西30个县的大量数据分析表明，小麦最高产量施磷量为168 kg P2O5·hm-2[19]；山西闻喜旱地试验表明，施磷量超过150 kg P2O5·hm-2，小麦产量有下降趋势[2]；在巴基斯坦旱地的研究表明，施磷显著提高冬小麦产量，但超过81 kg P2O5·hm-2时，产量不再持续增加[20]。可见，小麦最高产量的施磷量因地区而异。这主要与小麦产量和土壤有效磷水平有关。在本试验中，最高产量6 465 kg·hm-2对应的播前土壤有效磷为16.9 mg·kg-1，陕西全省小麦产量平均最高为6 455 kg·hm-2、土壤有效磷为18.5 mg·kg-1[19]，山西闻喜分别4 694 kg·hm-2和12.3 mg·kg-1[2]，巴基斯坦旱地最高产量为3 940 kg·hm-2、土壤有效磷为8.0 mg·kg-1[20]。由此可知，小麦最适施磷量受土壤有效磷和产量水平影响，有效磷含量高、产量水平高的情况下，最适施磷量也相对较高。
从干物质累积与转移及产量构成来看，施磷显著增加了小麦生物量和收获指数，过量施磷收获指数虽无显著变化，生物量却降低；适量施磷提高了小麦穗数和穗粒数，降低了千粒重；过量施磷时，穗数虽无显著变化，穗粒数和千粒重却下降，因此，干物质累积及其向籽粒的转运增加、穗数和穗粒数提高是合理施磷小麦增产的主要原因，干物质累积降低、穗粒数和千粒重下降是过量施磷导致小麦减产的主要原因。过量施磷会增加小麦生长后期地上部干物质损失[21]，是过量施磷情况下小麦生物量降低的重要原因。黄土高原的另一长期定位试验也表明，施磷180 kg P2O5·hm-2时，小麦穗数、穗粒数和千粒重分别提高34%、3%和3%，小麦增产44%[22]。山东泰安的研究表明，增施磷肥使小麦穗数、穗粒数和千粒重分别提高21%、17%和0.2%，增产45%[23]。豫北高产麦区的研究表明，施磷180 kg P2O5·hm-2，穗数和千粒重分别提高9%和5%，穗粒数无明显变化，小麦因此增产7%[24]。可见，合理施磷对小麦产量构成的影响因地区而异，但多数情况下是穗数和穗粒数起主要作用。
本试验中，2015年产量显著高于2016和2017年。这可能与年际间降水差异有关，2015年的降水量比2016和2017年高出35%和6%，小麦穗数分别提高63%和32%，地上部生物量提高52%和31%。可见降水量增加有利于穗数增加和地上部干物质累积，从而提高产量。山西临汾28年降水量与产量关系的也研究表明，降水量与小麦株高和有效穗数显著正相关[25]。可见，旱地条件下，降水多少是制约产量的关键因素，降水增加有利于作物产量提高[26-27]。
3.2 施磷量与小麦养分吸收利用的关系
研究表明，籽粒氮含量随施磷量增加而降低，施磷150 kg P2O5·hm-2时达最低，为21.7 g·kg-1；磷含量与施磷量呈抛物线关系，施磷200 kg P2O5·hm-2时最高，为2.9 g·kg-1，钾含量与施磷量无显著相关。通常认为，产量增加引起的养分稀释效应是导致小麦籽粒氮含量降低的原因[28]。本研究中，施磷使小麦平均增产67%，而吸氮量增加56%，吸磷量提高126%，吸钾量提高78%，因此产量对籽粒氮的稀释效应使其含量降低，对磷的浓缩效应使含磷量提高，而对钾没有影响。河南潮土的长期定位试验表明，小麦籽粒含磷量随施磷量大幅增加[11]；沈阳潮棕壤的定位试验表明，施磷促进玉米磷素吸收，籽粒含磷量与施磷量极显著正相关，含钾量无显著变化[29]。与本研究结果一致。
本研究还表明，与不施磷相比，施磷量提高50 kg P2O5·hm-2，需磷量增加0.4 g·kg-1，磷肥偏生产力、收获指数、生理效率分别降低51.4 kg·kg-1、1.3%和45.1 kg·kg-1。浙江的田间试验表明，水稻的需磷量也随施磷量增加而提高，每增加18 kg P2O5·hm-2，需磷量平均提高1.3 g·kg-1，磷收获指数下降1.5%[30]。辽河平原灰色草甸土的春玉米试验表明，随施磷量增加，磷肥偏生产力显著降低，施磷150、200 kg P2O5·hm-2与100 kg P2O5·hm-2相比，分别降低41.5和62.5 kg·kg-1[31]。河北保定的试验也表明，小麦的磷肥偏生产力和生理效率均与施磷量呈负相关，施磷量提高120 kg P2O5·hm-2，磷肥偏生产力和生理效率分别下降31.6 kg·kg-1和7.8 kg·kg-1[32]。豫西丘陵旱区研究表明，施磷量提高50 kg P2O5·hm-2，小麦需磷量增加0.2 g·kg-1，磷收获指数、偏生产力和利用效率分别下降1.3%、32.8 kg·kg-1和16.2 kg·kg-1[33]。可见，随施磷量增加，小麦的需磷量增加，磷肥偏生产力、收获指数和生理效率降低。
3.3 施磷量、土壤有效磷与小麦产量及品质的关系
研究表明，土壤有效磷含量随生育期变化，播前最低，拔节期之后逐渐降低，成熟期含量与播前接近，4四个时期的有效磷含量均与施磷量极显著正相关。北京昌平的长期定位试验也表明，小麦拔节期后土壤有效磷降低，拔节期和抽穗期有效磷含量均随施磷量显著增加[34]，埃塞俄比亚旱地小麦施肥研究也表明，土壤有效磷含量均随施磷量增加，超过69 kg P2O5·hm-2时，不再增加[35]。可见，施磷提高小麦产量的同时，也提高了土壤有效磷。在本研究中，维持小麦高产的播前、拔节期、开花期和成熟期土壤有效磷含量分别为16.9、23.9、26.2和20.4 mg·kg-1。北京昌平、河南郑州和陕西杨凌15年长期施磷试验表明，玉米-小麦轮作系统中小麦分别达到高产2 914、5 984和5 184 kg·hm-2时，播前土壤有效磷分别为19.0、12.5、和17.3 mg·kg-1[4,36]。黑龙江哈尔滨、湖南祁阳、陕西杨凌和四川重庆各地区研究表明，除哈尔滨地区小麦产量与有效磷无显著相关性外，祁阳、杨凌和重庆小麦分别达到平均高产1 807、5 808和3 430 kg·hm-2时，收获期土壤有效磷分别为12.7、16.1和11.1 mg·kg-1[9]。法国布鲁兹研究表明，土壤有效磷临界含量随作物高产水平而异，小麦达到高产5 364 kg·hm-2时，播前土壤有效磷平均为7.8 mg·kg-1[37]。可见，小麦高产的土壤有效磷水平因土壤、气候、产量水平等因素而异。从本研究结果来看，实现小麦最高产量6 465 kg·hm-2的播前土壤有效磷为16.9 mg·kg-1，收获期为20.4 mg·kg-1，施磷量应为144 kg P2O5·hm-2，此时籽粒氮含量为21.0 g·kg-1、磷含量2.6 g·kg-1、钾含量3.3 g·kg-1，处于较高水平。我们之前的研究表明，小麦籽粒关键微量营养元素锌含量与施磷量呈极显著负相关，施磷量每增加100 kg P2O5·hm-2，籽粒锌下降9.2 mg·kg-1[38]。由此推断，如果生产中的目标产量为最高产量的95%，即6 141 kg·hm-2时，小麦籽粒锌含量可提高16.9%，由27.1 mg·kg-1提高为31.7 mg·kg-1；同时由于磷含量降低到1.2 g·kg-1，籽粒磷/锌比也随之降低60.5%，锌的生物有效性显著提高；而籽粒氮含量仍可维持在21.9 g·kg-1，钾含量为2.9 g·kg-1。
4 结论
适量施磷在提高旱地小麦生物量和籽粒产量的同时，也提高了土壤有效磷含量；长期过量施磷会引起生物量和产量下降，导致籽粒氮含量和品质降低，影响磷素吸收和利用效率降低。在黄土高原旱地，为使小麦生产的目标产量达到6 141 kg·hm-2的高产水平，同时维持籽粒锌含量在31.7 mg·kg-1、氮含量21.9 g·kg-1、磷含量1.2 g·kg-1、钾含量2.9 g·kg-1的较高水平，播前土壤有效磷应为12.0 mg·kg-1、成熟期为13.8 mg·kg-1，施磷量为94 kg P2O5·hm-2。
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