邢丹;李淑文;夏博;付巍;文宏达
【摘 要】为确定本地区轮作体系的合理施磷阈值,提高肥料利用率,试验以冬小麦—夏玉米为研究对象进行了大田试验,研究了磷肥施用对小麦玉米产量、磷肥利用效率、土壤速效磷及土壤硝态氮含量等的影响.结果表明:合理施用磷肥可增加小麦和玉米的产量,当施磷量为120 kg/hm2时,轮作体系的产量最高为17
620.69kg/hm2.磷肥利用效率会随着施磷量的增加而降低.施磷量的增加会增加土壤速效磷含量,降低土壤硝态氮含量,土壤硝态氮累积量也有所降低,但过高施磷量会造成硝态氮累积量的小幅上升.综合考虑轮作体系产量、磷肥利用特性和土壤速效磷、硝态氮的环境效应,120 kg/hm2的施磷量较为合理. 【期刊名称】《河北农业大学学报》 【年(卷),期】2014(037)005 【总页数】7页(P25-31)
【关键词】磷肥;小麦;玉米;产量;速效磷;硝态氮 【作 者】邢丹;李淑文;夏博;付巍;文宏达
【作者单位】河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室,河北保定,071001;河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室,河北保定,071001;河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室,河北保定,071001;河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室,河北保定,071001;河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室,河北保定,071001
【正文语种】中 文
【中图分类】S512.1+1;S143.2
河北省是全国重要的粮食主产区之一[1]。冬小麦—夏玉米轮作是河北省粮食作物的主要种植模式[2]。改革开放30年以来,我国磷肥用量持续增长,从1980年磷肥用量273.3万t到2011年磷肥用量805.6万t,增长了约1.9倍,年平均增长率为5.6%[3],同时,磷肥供应又相对不足。河北省粮食生产中也存在氮磷肥用量过多,钾肥重视程度不够等问题[4]。因此,合理施用磷肥更显重要。 国内外学者对磷肥的施用开展了许多研究。张少民等的研究发现冬小麦、春小麦随磷肥用量增加而呈现氮素累积量先上升后下降的动态趋势[5-6]。杨静等的研究表明,在一定范围内随着氮钾施用量的增加小麦的产量增加,而磷肥对小麦的产量影响不明显[7]。曾广伟等认为,施磷可增加小麦的穗数、千粒重,进而显著提高小麦产量[8-9]。陈玉福等认为,磷肥用量过高会造成小麦营养生长过旺,影响籽粒千粒重的增加,最终影响产量的提高[10]。在玉米生长及产量构成方面,玉米对磷较为敏感,随着施磷量的增加,玉米的株高、穗长和百粒重增加[11-12]。
前人的研究多是在氮磷配合对单季作物生长的影响,对于轮作体系中区域磷素在氮素环境效应下投入阈值方面的研究较少。本试验拟在优化氮肥施用量的基础上,研究施磷条件下小麦、玉米产量的变化规律、磷肥在轮作体系中发挥的效用、土壤中速效磷和硝态氮的淋失迁移的变化特征,以期确定本地区冬小麦—夏玉米轮作的合理磷肥投入阈值,实现环境效益和经济效益的共赢,为区域作物合理施肥和农业可持续发展提供一定的理论依据和技术指导。 1 材料与方法
1.1 材料与试验地概况
冬小麦—夏玉米轮作体系磷肥试验于2012—2013年在河北省保定市农研所试验基地上进行,供试小麦品种为‘轮选987’,供试玉米品种为‘郑单958’。供试氮肥、磷肥与钾肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。供试土壤为潮褐土,其养分含量等理化性质如表1所示。
表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil土层/cm Layer有机质/(g·kg-1)OM全氮/(g·kg-1)Total N硝态氮/(mg·kg-1)Nitrate nitrogen速效磷/(mg·kg-1)Available P速效钾/(mg·kg-1)Available K pH值pH value容重/(g·cm-3)Bulk densit y 0~20 18.26 1.35 15.45 16.16 87.42 8.18 1.47 20~40 13.30 0.96 11.18 9.30 75.97 8.21 1.53 40~60 10.46 0.81 9.13 3.82 92.40 8.19 1.40 60~80 12.98 0.88 7.82 2.52 102.35 8.03 1.43 80~100 11.44 0.77 5.30 2.13 85.93 8.04 1.59 1.2 试验设计
试验地小区面积为22.5m2(4.5m×5m),共设计4个施磷水平处理,3次重复,随机区组排列。4个磷肥水平为:P0,不施磷肥;P120,施磷量为120 kg/hm2,此用量为优化施磷水平;P240,施磷量为240kg/hm2;P480,施磷量为480kg/hm2。磷肥在小麦季一次性施用。
小麦季每个小区均施入 N 240kg/hm2、K 135 kg/hm2,玉米季每个小区均施入 N 180kg/hm2、K 135kg/hm2。两季作物钾肥全部基施,50%氮肥基施,50%氮肥在拔节期进行追施,其余管理同大田管理一致。 1.3 样品采集及测定方法
分别在小麦、玉米成熟期进行植物样和土样的采集。植物样采集后在105℃下杀青0.5h后,80℃烘干,小麦分为茎秆和籽粒2部分,玉米分为茎秆、叶片和籽粒
3部分进行测定。粉碎的植物样品进行H2SO-H2O2消化,用钼锑抗比色法测定全磷含量。小麦每小区收获1m×2m测产,考种,玉米每小区收获5棵×2行株数的玉米,测产,考种。
在小麦、玉米收获后分别采集0~20,20~40,40~60,60~80,80~100cm共5层土样用于速效磷的测定,采用Olsen法。同时采集小麦季和玉米季0~200cm,每20cm为一层,共10层新鲜土样,利用流动分析仪对土壤中硝态氮的含量进行分析测定。
磷肥于小麦季一次性施入,对肥料的利用应考虑整个轮作体系的效果,公式[13-18]如下:
养分积累总量(kg/hm2)=成熟期干物质总量(kg/hm2)×养分含量(g/kg)/1000
肥料偏生产力(kg/kg)=施肥作物产量(kg/hm2)/肥料投入量(kg/hm2)
肥料利用率(%)=(施肥作物养分积累量-不施肥作物养分积累量)(kg/hm2)/肥料投入量(kg/hm2)×100
肥料农学效率(kg/kg)=(施肥作物经济产量-不施肥作物经济产量)(kg/hm2)/肥料投入量(kg/hm2)
肥料生理效率(kg/kg)=(施肥作物经济产量-不施肥作物经济产量)(kg/hm2)/(施肥作物养分积累量-不施肥作物养分积累量)(kg/hm2) 硝态氮积累量(kg/hm2)=硝态氮含量(mg/kg)×土壤容重(g/cm3)×土层厚度(cm)×10/100
肥料的偏生产力,是反映当地化肥施用量与土壤基础养分水平综合效应的重要指标。肥料利用率,反映了作物对施入土壤中肥料的回收效率。肥料农学效率,是可以直接反映施肥增产效果的指标。肥料生理效率,说明的是植物体内养分的利用效率
[15]。
所有数据均采用Excel2003与SPSS17.0进行处理与分析,用SPSS对数据进行方差分析。 2 结果与分析
2.1 磷肥对小麦与玉米轮作体系产量和养分利用的影响
2.1.1 磷肥对小麦产量的影响 磷肥在小麦季基施,其对小麦产量影响较大(表2)。P0处理(对照)小麦产量最低,为4 655.27kg/hm2,各施磷处理产量相对于对照均有显著增加,增产范围为925.01~1 510.04kg/hm2,增 产 幅 度 可 达 19.87%~32.44%。在各个处理中,P240的产量最高,为6 165.31kg/hm2,但其与 P120处理相比差异不显著,且增产幅度较小,仅为0.7%。P480处理产量最低,且显著低于P240产量,这可能是由于磷肥高量投入,与其他养分配比不合理,抑制了其他营养元素的吸收,导致产量降低。
施磷对小麦产量构成的影响表现不尽相同。相对于不施磷处理,各施磷处理的穗粒数和千粒重均有不同程度的增加,增幅分别为14.72%~23.92%与3.47%~18.06%。磷肥对穗粒数的影响要略大于对千粒重的影响。各个处理的穗粒数,P240最高,但其与P120差异不显著,P480显著低于P240。各个处理的千粒重,P120最高,与P240差异不显著,P480显著低于P240。
表2 不同施磷量对小麦、玉米产量的影响Table 2 Effects of phosphorus application amounts on grain yield of wheat and maize注:各列中数字后面不同字母表示差异达到5%显著水平(P<0.05)处理Treatment小麦Wheat穗粒数Grain per spike number千粒重/g Kernel weight产量/(kg·hm-2)Grain yield玉米Maize穗粒数Grain number per ear百粒重/g Weight of 100-grains产量/(kg·hm-2)Grain yield P0 27.17±1.17c
37.20±0.94b4655.27±497.76c 498.0±80.10a 24.39±1.16c9152.27±1093.27c
P120 32.83±1.33a 43.92±1.69a6120.31±101.02ab 544.0±13.21a 27.95±0.59a11500.38±509.69a P240 33.67±1.37a
42.91±1.03a6165.31±212.36a 520.8±45.42a 26.79±0.91ab
10597.16±723.34ab P480 31.17±0.75b 38.49±0.81b5580.28±189.58b 502±7.62a 26.09±0.25b9919.89±107.77bc
2.1.2 磷肥对玉米产量的影响 玉米产量同样受到磷肥的影响较大(表2)。P0处理产量最低,各施磷处理产量相对于不施磷处理均有显著的增加,增产范围为767.62~2 348.11kg/hm2,增产幅度为8.39%~25.66%。同时,不施磷增加了产量的波动性。在各施磷处理中,以P120处理产量最高,为11 500.38kg/hm2,相 对 于 P240 产 量 增 加 了8.52%,但2处理间产量差异不显著。P480处理产量为3个施磷处理中的最低值,与P240差异不显著,但其显著低于P120产量,降低了13.72%。表明,前茬适量磷肥的施入可增加玉米产量,而过量施磷,虽然残留土壤的磷素最多,但对玉米生长的促进作用表现相反,使玉米产量降低。 玉米的产量构成受磷肥的影响与小麦略有不同。相对于不施磷处理,各施磷处理的穗粒数和百粒重均有不同程度的增加,增加幅度分别为0.80%~9.24%与6.97%~14.60%。磷肥对百粒重的影响要略大于对穗粒数的影响。各个处理的穗粒数之间差异不显著,同时P0的穗粒数波动幅度较大,可能是由于较长时间进行磷肥试验,P0区缺少磷的施入,土地供磷水平不均。各个处理的百粒重,P120最高,但与P240差异不显著,P480显著低于P120。这说明一定范围内磷肥的施入可增加玉米的穗粒数和百粒重,过量的磷肥会造成穗粒数和百粒重的降低。 2.1.3 肥料利用率 相对于施磷处理,P0的氮肥偏生产力和钾肥偏生产力均为最低,磷肥的施入使氮肥偏生产力和钾肥偏生产力均显著增加,增长幅度分别为12.26%~27.59%与10.88%~25.89%,磷肥对氮肥偏生产力的影响略大于钾肥偏生产力。在各施磷处理中,P120的氮肥偏生产力和钾肥偏生产力均为最高,显
著高于其他2个施磷处理。对于磷肥偏生产力,P120也显著高于其他2个施磷处理。
表3 不同施磷量对肥料利用的影响Table 3 Effects of phosphorus application amounts on fertilizer utilization注:各列中数字后面不同字母表示差异达到5%显著水平(P<0.05)处理Treatment肥料偏生产力/(kg·kg-1)PEP氮肥Nitrogen fertilizer钾肥Potash fertilizer磷肥Phosphate fertilizer磷肥利用率/%REP小麦Wheat轮作Croprotation磷肥农学效率/(kg·kg-1)AEP磷肥生理效率/(kg·kg-1)PEP P0 32.88±1.19d51.84±1.84d — — — — —P120 41.95±0.24a65.26±0.37a146.84±0.84a
21.76±1.04a40.82±1.17a31.78±0.84a77.85±2.06a P240 39.91±0.51b61.94±0.79b69.69±0.88b
11.26±0.33b19.76±0.86b12.31±0.88b62.35±4.48b P480
36.91±0.45c57.48±0.70c32.33±0.39c 4.09±0.15c 7.91±0.06c 3.53±0.39c 44.60±5.00c
对于磷肥利用率来说,小麦季P120显著高于其他两个处理,但仅为21.76%。磷肥的后效较为明显,经过玉米的种植,各处理的磷肥利用率均有大幅度增加,轮作P120的磷肥利用率已达40.82%,显著高于其他两个施磷处理。对于磷肥农学效率和磷肥生理效率,P120均为最高,分别为31.78和77.85kg/kg,均显著高于P240和P480。磷肥利用率、磷肥农学效率和磷肥生理效率均呈现出随着施磷量的增加而减少的趋势。
2.2 磷肥施用与轮作环境变化的关系
2.2.1 磷肥施用对土壤速效磷含量的影响 一次性施入磷肥后(图1),0~20cm耕层土壤中,P120、P240、P480各施磷处理土壤速效磷含量分别比P0增加了76.81%,133.67%和169.86%,施磷显著提高土壤速效磷含量。各处理中,速效
磷多集中于0~40cm土层中,而40~100cm土层中速效磷含量均较低,说明速效磷的迁移性较差。
在磷肥的后效表现中,玉米0~40cm土壤中速效磷含量仍然随着施磷量的增加而增大。在0~20cm土层中,P120、P240、P480各处理速效磷含量分别比P0增加了48.28%,117.22%和161.33%,在20~40cm土层中,P120、P240、P480速效磷含量分别比P0增加了60.29%,167.97%和195.57%,20~40cm土层中各处理速效磷含量差距略高于0~20cm土层。各个处理中,40~100cm的速效磷含量均较低,没有明显的磷的迁移。
小麦季和玉米季相比,玉米季耕层土壤速效磷含量整体上低于小麦季土壤,且玉米各施磷处理的土壤速效磷含量与不施磷处理间的差异小于小麦季。玉米P480处理40~100cm土层中速效磷含量要略高于小麦,说明在高量施磷的情况下,磷素有一定的向下迁移淋溶,下层土壤速效磷含量增加。
图1 施磷对小麦、玉米土壤速效磷含量的影响Fig.1 Effects of phosphorus application on soil available phosphorus of wheat and maize 2.2.2 磷肥施用对土壤硝态氮含量的影响
小麦收获后,土壤表层中硝态氮会随着施磷量的增加而降低,硝态氮含量与施磷量呈现负相关性(图2)。0~20cm耕层土壤中,P120、P240、P480硝态氮含量分别比P0降低了29.16%,38.80%和41.48%。P0、P120、P240和P480处理耕层积累量分别为72.15,51.11,44.15和42.23kg/hm2,积累量均较高。0~100cm土层深度内,P0、P120、P240和P480处理硝态氮积累量分别为151.01,115.93,106.71和81.06kg/hm2,硝态氮积累量随着施磷量的增加而降低。说明施磷促进了小麦对氮素的吸收,降低了硝态氮在土壤中的残留。同时,随着土壤深度的加大,土壤中硝态氮的含量在迅速减少。土层100cm以下,4个处理的硝态氮含量都处于较低的水平且各个处理之间相差不大。
图2 施磷对小麦季和玉米季土壤硝态氮含量的影响Fig.2 Effects of phosphorus application on soil nitrate nitrogen of wheat and maize
玉米0~20cm耕层土壤中硝态氮含量会随着施磷量的增加而逐渐减少(图2)。0~20cm耕层土壤中,P120、P240、P480硝态氮含量分别比P0降低了23.12%,29.52%和41.07%,施磷处理在不同程度上减少了土壤中硝态氮含量。0~100cm土层深度内,P0、P120、P240和P480处理硝态氮积累量分别为196.50,136.83,122.49和124.09kg/hm2,与小麦季呈现的规律不同,玉米0~100cm土壤硝态氮积累在一定范围内随着施磷量的增加而降低,而P240和P480处理土壤硝态氮积累量相当,这说明当过量施磷时,磷素与其他元素配比不合理,从而影响了作物对养分吸收利用,降低了小麦、玉米的产量。100~200cm深层土壤硝态氮积累较少,P0、P120、P240和P480处理土壤硝态氮积累量分别为38.48,42.15,46.35和51.41kg/hm2,相对于小麦季均有所增加。 在施磷条件下,小麦季土壤硝态氮累积高峰出现在80~120cm深度范围内,玉米土壤硝态氮累积高峰在100~120cm深度范围内,同时,小麦和玉米在200cm处都有一定的增加趋势。这种现象可能是磷肥促进植物根系生长,进而促进了植物对硝态氮的吸收造成的,同时又有一定量的硝态氮的迁移,由此说明,磷肥的施入可以明显降低耕层土壤中硝态氮含量与积累量,但可能会增加硝态氮向下淋洗的风险。 3 结论和讨论
孙慧敏、王旭东等认为,土壤供磷能力影响磷肥发挥作用,在一般土壤供磷水平下,增加磷肥可提高小麦产量,而在较高土壤供磷水平下,施磷对产量的影响降低[17-18]。李丹等认为,施磷肥降低了玉米的穗粒数,但增加了百粒重,对玉米产量的增加并没有显著效果[19]。张文伟等认为,大量施磷肥会造成磷素残留,氮磷比例失调,玉米产量显著下降[20]。
本研究表明,施磷量在一定范围时可显著提高小麦和玉米籽粒产量,增加小麦和玉米的穗粒数和千(百)粒重,但幅度略有不同;但磷肥施入量超过一定限值时,则会降低穗粒数和千(百)粒重,使作物产量降低。因此,合理的施磷量因土壤磷素状况而异,并随磷肥的连续施用而起变化,同时,磷肥具有较大的后效作用,因此在小麦—玉米轮作体系中应重视不同地区不同耕种年限养分的差异性,重视轮作体系磷肥的合理施用。
磷肥的当季利用率较低,一般在15%~25%。韩秉进等[21]认为,磷肥利用率受磷肥用量影响较大,随施肥量增加,磷肥利用率降低。本试验中,小麦季磷肥利用率为21.76%,而轮作体系的磷肥利用率可达40.82%,玉米季不施磷有效利用了小麦季残留磷素,磷肥利用率增加了近一倍。随施磷量的增加,肥料偏生产力、磷肥利用率、磷肥农学效率和磷肥生理效率均呈现降低趋势。因此确定适宜施磷量对提高肥效和肥料利用效率具有重要意义。
速效磷随径流转移可能会造成水体污染。盛海君等[22]认为,施磷量与表层土壤的速效磷含量间有着极显著的相关性,随着施磷量的增加,由径流所产生的磷的损失在明显增加。而且土壤中磷元素的淋溶也相当可观[23]。本试验表明,磷素大量残留于土壤表层,并随着施磷量的增加,土壤速效磷含量增加,与前人研究结果一致。当施磷量达480kg/hm2时,土壤速效磷含量过高,种植玉米则利用了前茬土壤残留磷素,减少了小麦收获后土壤速效磷的含量,降低了磷素随径流转移及淋溶带来的环境风险。
有研究表明,我国北方地区,小麦—玉米轮作体系土壤对氮肥的环境承受范围在150~200kg/hm2[24]。袁新民等研究认为,施用磷肥会提高作物对氮的需求量,吸氮量的增加必然导致土壤剖面中的硝酸盐累积量的减少[25]。张爱平等也认为适当的增施磷肥可以降低硝态氮土壤中的残留[6]。本试验中,随施磷量增加,小麦和玉米耕层土壤硝态氮含量均降低,小麦0~100cm土层硝态氮累
积量也逐渐降低,说明施磷降低了土壤硝态氮残留,与前人研究结果一致。玉米季0~100cm土层硝态氮累积量随前茬施磷量增加呈现先降低后略增加的变化,说明施磷量过高时,玉米土壤硝态氮累积量降低效果不明显。而且过量施磷增大了投入成本,并可能引起其他环境问题,因此在保证作物产量不降低的前提下,可以适当降低氮肥用量。
在整个冬小麦—夏玉米轮作体系中,磷肥的效用是长期的,所以要综合来考虑。小麦和玉米分别在不同的磷肥用量上达到最高产,但当施磷量为120kg/hm2,轮作体系的产量最高,为17 620.69 kg/hm2。同时,轮作体系的磷肥利用率也最高,在肥料偏生产力、磷肥生理效率等肥料利用效果方面,施磷量为120kg/hm2时要优于其他2个施磷处理。施磷量为120kg/hm2时,土壤磷残留要优于其他2个处理,但硝态氮残留量要高于另外两个处理。综合考虑轮作体系产量、肥料利用率等和土壤速效磷和硝态氮的残留等,在华北中北部地区,施磷120 kg/hm2为经济合理的施磷阈值。 参考文献:
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