丁寧平，王 婷，李利利，周海燕，尚來貴

(1.平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅平?jīng)?744000； 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730070； 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

磷是植物生長的必需營養(yǎng)元素之一，然而化學(xué)磷肥施入土壤后，極易被土壤離子固定[1-2]。有報道指出，施入土壤中的磷肥至少有70%～90%以不同形態(tài)的磷積累于土壤，難以被植物吸收和利用[3]。中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)戶常施用大量的磷肥[4]，但磷肥的當(dāng)季利用率通常只有10%～20%[5]，過量使用磷肥既浪費資源也會導(dǎo)致水體污染，因此，合理施用磷肥對提高土壤可利用磷水平、保障作物產(chǎn)量和生態(tài)環(huán)境安全均有重要意義。已有研究表明，合理施用磷肥能提高作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)[6-10]，有效提升土壤肥力水平[4,6,11]。王淑英等[11]和沈強云等[12]研究顯示，長期施磷能提高土壤全磷和有效磷含量，補充土壤磷庫，保證作物產(chǎn)量。俄勝哲等[4]、高 靜[13]、魏 猛等[14]研究顯示，當(dāng)土壤中有效磷含量達到一定閾值時，作物產(chǎn)量將不再隨磷含量的增加而增加。展曉瑩等[15]也指出，長期大量施磷，雖然能大幅度增加土壤的有效磷含量，但磷素流失的風(fēng)險也隨之增加，對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成威脅。

隴東旱塬是黃土高原的重要組成部分，目前該地區(qū)主要的施肥方式有單施氮肥、氮磷配施、氮磷與秸稈配施等[16]。已有大量學(xué)者圍繞黃土高原長期施肥條件下作物產(chǎn)量演變[17-19]、氮磷化學(xué)肥料合理配施以及土壤肥力演變規(guī)律[20-21]等進行了大量研究，關(guān)于磷肥效應(yīng)也有涉及。陳遠學(xué)等[22]研究了磷肥在小麥-玉米-大豆輪作體系中的后效作用，認為可充分利用小麥季投入的磷肥，大豆季不施或少施磷，實現(xiàn)提高磷肥利用率的目的。李雙來等[23]研究表明，油-稻-稻種植制度下，油菜和早稻生育期內(nèi)施用磷肥對后季作物均有一定的后效作用。卜容燕等[24]研究證明，磷后效與施用磷肥量呈顯著正相關(guān)，油菜生長發(fā)育過程中可以吸收和利用水稻季殘留在土壤中的磷肥。而針對黃土高原旱作區(qū)冬小麥-春玉米輪作體系下，上季作物投入的磷肥對下季作物是否有磷肥后效作用，利用上季作物磷后效能否實現(xiàn)化肥減施和節(jié)本增效的研究鮮有報道。因此，本研究基于 1979-2019年在甘肅省隴東旱塬黑壚土進行的肥料長期定位試驗，探討長期隔年施磷對作物產(chǎn)量和土壤肥力的影響，旨在為指導(dǎo)該區(qū)科學(xué)施用磷肥和提高磷肥利用效率提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

隴東旱塬黑壚土肥料長期定位試驗始于1979年。試驗點位于甘肅省平?jīng)鍪袥艽h高平鎮(zhèn)(107°30′E，35°16′N)，海拔1 340 m，年平均氣溫8.6 ℃，≥10 ℃積溫 2 800 ℃，持續(xù)期180 d，年均降雨量526 mm，60%的降水集中在7-9月，屬黃土高原半濕潤偏旱區(qū)。試驗地土壤為黑壚土，黃土母質(zhì)，土體深厚疏松，利于植物根系伸展下扎，富含碳酸鈣。試驗開始前耕層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)10.5 g·kg-1，全氮1.0 g·kg-1，全鉀20.5 g·kg-1，速效氮 114 mg·kg-1，速效磷4.8 mg·kg-1，pH 8.2。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)不施肥料(CK)、單施氮肥(N)、氮磷肥配施(NP)、秸稈+氮磷配施(SNP/SN)4個處理。其中，秸稈+氮磷配施(SNP/SN)處理的磷肥為隔年施用，自1979年試驗開始第1年施用磷肥，之后每2年施用一次磷肥，施磷年份該處理記作SNP，不施磷年份記作SN；NP處理為逐年施氮、磷肥。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，氮、磷用量(折純量)和秸稈用量分別為90 kg·hm-2、75 kg·hm-2和3 750 kg·hm-2，所用肥料均于播前一次性基施。試驗為大區(qū)設(shè)計，未設(shè)重復(fù)，每處理的小區(qū)面積為666.7 m2。經(jīng)多年取樣實測，玉米秸稈的氮、磷和鉀含量均值分別為8.0、0.4和9.9 g·kg-1，而小麥秸稈的氮、磷、鉀含量則分別為5.2、0.3和10.6 g·kg-1。

1979-1996年按2年春玉米、4年冬小麥輪作種植，種植春玉米的年份分別為：1979、1980、1985、1986、1991、1992、2005、2006、2011、2012、2017、2018年，種植冬小麥的年份分別為：1981、1982、1983、1984、1989、1990、1993、1994、1995、1996、1997、1998、2001、2002、2003、2004、2007、2008、2009、2010、2013、2014、2015、2016年。1997-1998年冬小麥連作，1999年和2000年分別種植高粱和大豆，2001-2018年仍按2年春玉米、4年冬小麥輪作種植。玉米露地穴播，密度 5.25萬株·hm-2，小麥機械條播，播量187.5 kg·hm-2。冬小麥生育年的生育期為10月至翌年6月。春玉米生育年的生育期為4-9月。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產(chǎn)量測定

每季作物成熟期全區(qū)收獲實測產(chǎn)量。

1.3.2 土壤養(yǎng)分含量測定

分別采集1979年、1988年、1996年、2007年、2012年和2017年作物播前和收獲后土壤樣品。每小區(qū)按“S”型路線取7個點，采集0～20 cm土樣，混合均勻后風(fēng)干研磨，用于測定土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀等指標(biāo)。

土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定[25]；土壤全磷和速效磷分別用NaHCO3熔融、0.5 mol·L-1NaHCO3浸提后，采用鉬銻抗比色法測定[26]；土壤堿解氮用堿解擴散法測定[27]；土壤速效鉀用1 mol·L-1醋酸氨浸提，采用火焰光度計測定[27]。

1.3.3 產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的計算

產(chǎn)量穩(wěn)定性以統(tǒng)計學(xué)上的變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)表示，可衡量年際間產(chǎn)量的變異程度，CV越大則說明產(chǎn)量穩(wěn)定性越低。計算公式[28]：CV=σ/Y×100%

產(chǎn)量可持續(xù)性采用可持續(xù)產(chǎn)量指數(shù)(sustainable yield index，SYI)來表征，SYI值越高說明該系統(tǒng)的可持續(xù)越好。計算公式[29]：

1.3.4 土壤綜合肥力指數(shù)的計算

土壤單一指標(biāo)養(yǎng)分肥力系數(shù)用IFIi表示。計算公式[30-31]：

式中，x表示1979年、1988年、1996年、2007年、2012年和2017年監(jiān)測的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀6項養(yǎng)分指標(biāo)的測定值，xa、xb、xc表示依據(jù)全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)劃分的一、二和三級閾值范圍[32]。

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計算土壤綜合肥力指數(shù)(IFI)，以此來評估多年連續(xù)施肥條件下土壤的綜合肥力狀況，計算公式[33]為：

式中，Ave IFIi表示同一年度該處理下所有養(yǎng)分指標(biāo)分肥力系數(shù)的平均值，Min IFIi表示同一年度該處理下所有養(yǎng)分指標(biāo)分肥力系數(shù)的最小值，n表示土壤養(yǎng)分指標(biāo)個數(shù)，本研究中n為6。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用 Microsoft Excel 2010 軟件計算和處理數(shù)據(jù)，采用SigmaPlot 14.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期隔年施磷對春玉米產(chǎn)量的影響

在1979-2018年的冬小麥-春玉米輪作周期中，有12年種植春玉米，其中秸稈+氮磷處理施磷(SNP)和不施磷(SN)各為6年。SNP和SN處理春玉米平均產(chǎn)量均高于CK、N和NP處理，SN處理春玉米平均產(chǎn)量最高，為7 869.5 kg·hm-2，較SNP處理高8.6%(表1)。與CK、N和NP處理相比，SNP處理春玉米平均產(chǎn)量分別增加83.4%、71.2%和3.3%，SN處理分別增加151.4%、92.3%和7.2%，說明在秸稈還田配施氮肥和隔年施用磷肥的情況下，仍然可以保證較高的產(chǎn)量水平。

由表1可知，各處理春玉米的產(chǎn)量變異系數(shù)(CV)表現(xiàn)為CK>SN>SNP>N>NP，變異范圍為 27.0%～36.3%，呈中等強度變異，說明是否施磷對玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性的影響較小，提示在實際生產(chǎn)中可能應(yīng)更多的考慮氣候等其他因素的影響。分析產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)發(fā)現(xiàn)，CK處理的SYI值最低，NP處理的SYI值最高，SNP(或SN)處理和N處理的SYI值居于CK和NP處理之間 (表1)，說明秸稈還田條件下隔年施磷可保證春玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性。

表1 長期不同施肥處理的春玉米平均產(chǎn)量、產(chǎn)量變異系數(shù)及可持續(xù)產(chǎn)量指數(shù)Table 1 Spring maize yield and its stability,sustainable yield index under the different long-term fertilizer application treatments

2.2 長期隔年施磷對冬小麥產(chǎn)量的影響

在1979-2019年的冬小麥-春玉米輪作周期中有26年種植冬小麥，其中秸稈+氮磷處理施磷(SNP)和不施磷(SN)各為13年。由表2可知，與春玉米產(chǎn)量的變化趨勢一致，SNP和SN處理冬小麥的平均產(chǎn)量分別較CK、N、NP處理高171.5%、101.2%、8.0%和159.2%、100.3%、 5.5%，且SN處理冬小麥的平均產(chǎn)量(4 016.9 kg·hm-2)較 SNP處理(3 756.5 kg·hm-2)高 6.9%，說明秸稈+隔年施磷有利于冬小麥增產(chǎn)。

與春玉米表現(xiàn)不同的是，SNP和SN處理的產(chǎn)量變異系數(shù)均最小，分別為 27.5% 和 27.8%。SNP處理的產(chǎn)量變異系數(shù)分別較CK和N 處理低94.9%和159.6%，SN處理的產(chǎn)量變異系數(shù)分別較CK和N處理低40.3%和118.7%。SNP和SN處理的產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)最大，分別為 47.1%和48.4%，分別較CK、N和NP處理高18.2%～306.0%和49.8%～161.1%，說明秸稈還田+隔年施磷技術(shù)能夠提高冬小麥的產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

表2 長期不同施肥處理的冬小麥平均產(chǎn)量、產(chǎn)量變異系數(shù)及可持續(xù)產(chǎn)量指數(shù)Table 2 Winter wheat yield and its stability,sustainable yield index under the different long-term fertilizer application treatments

2.3 長期隔年施磷對土壤綜合肥力指數(shù)的影響

40年長期施肥冬小麥-玉米輪作土壤綜合肥力指數(shù)(IFI)計算結(jié)果(圖1)表明，CK、 N、 NP和SNP(或SN)處理的IFI值分別為0.93～1.12、 1.02～1.14、1.06～1.53和1.02～1.48。 SNP(或SN)處理的IFI平均值最高，分別較CK、N和NP處理高25.49%、21.34%和6.10%，說明長期秸稈還田+隔年施磷技術(shù)能顯著提高土壤綜合肥力。由圖1中還可看出，SNP(或SN)處理和NP處理的IFI值在年際間的變異高于CK處理和N處理，變異系數(shù)分別為12.27%和13.37%，說明長期連續(xù)氮磷配施或秸稈氮磷隔年配施對土壤肥力的影響并不穩(wěn)定，仍需優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)，促進土壤肥力的持續(xù)穩(wěn)定提升。

圖1 長期不同施肥處理的土壤綜合肥力指數(shù)Fig.1 Soil integrated fertility index under the different long-term fertilizer application treatments

3 討 論

3.1 長期隔年施磷與作物產(chǎn)量、產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的關(guān)系

已有研究表明，在隴東旱塬黑壚土長期施肥定位試驗中，秸稈+氮磷肥、氮磷配施能顯著增加作物產(chǎn)量及其穩(wěn)定性[34]。本研究進一步證實，長期隔年施磷下春玉米和冬小麥產(chǎn)量均最高，且隔年施磷處理對冬小麥的增產(chǎn)效果較春玉米更為明顯。主要原因在于上季作物施磷對下季作物具有后效作用，使磷肥回收率和磷肥利用率得以提高[23]。此外，每年秸稈還田能補充一定的土壤磷素，以維持作物正常的磷素需求[11]。因此，在隴東旱塬黑壚土農(nóng)田春玉米、小麥生產(chǎn)中采用隔年施磷技術(shù)，在減少磷投入50%的基礎(chǔ)上仍能保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。在生產(chǎn)實踐中，應(yīng)進一步優(yōu)化春玉米磷肥投入結(jié)構(gòu)，在當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)P2O5投入100～150 kg·hm-2的基礎(chǔ)上減施50%化學(xué)磷肥，增加有機物料(秸稈、農(nóng)家肥等)投入，以達到作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目的。

門明新等[35]在華北平原潮土開展的長期施肥試驗顯示，產(chǎn)量穩(wěn)定性與施肥量無明顯關(guān)系，但與氮、磷、鉀肥配比關(guān)系密切。這與本研究的結(jié)果相似，盡管秸稈還田與氮磷配施+隔年施磷技術(shù)保證了作物高產(chǎn)，但春玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性較差，而冬小麥的產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性優(yōu)于單施氮肥或氮磷配施處理。由此來看，根據(jù)不同降水年型，探尋適宜的春玉米磷肥投入量和投入比例等措施，以提高次年磷肥利用率，促進春玉米穩(wěn)定高產(chǎn)將是下一步的研究方向。

3.2 長期隔年施磷與土壤綜合肥力變化的關(guān)系

在隴東旱塬黑壚土設(shè)置的長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田+氮磷配施能顯著增加土壤有機質(zhì)和全氮含量[20,34]，試驗進行36年時，SNP處理耕層土壤堿解氮較CK、N和NP處理提高了 19.8%～28.5%，耕層土壤微生物氮比CK提高了217.0%[36]。這些研究結(jié)論與本研究結(jié)果一致，提示多年長期秸稈+氮磷肥隔年施磷后耕層土壤綜合肥力較試驗初期顯著增加，連續(xù)多年SNP+隔年施磷技術(shù)，在減少磷肥50%的同時，能夠有效促進耕層土壤綜合肥力的提高。本研究表明，氮磷肥和秸稈+氮磷肥隔年施磷處理的耕層土壤IFI值在年際間變異強度較大，不施肥或單施化肥處理耕層土壤 IFI 值年際間變異強度較弱。主要原因在于土壤綜合肥力指數(shù)與土壤單個養(yǎng)分指標(biāo)密切相關(guān)，而降水、作物根系吸收水平、土壤微生物活動等因素等均是影響耕層土壤養(yǎng)分指標(biāo)不穩(wěn)定的因素。黃興成等[31]在黃壤土設(shè)置的長期定位試驗顯示，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH均與IFI值成極顯著正相關(guān)關(guān)系。陳軒敬等[30]在紫色土設(shè)置的長期肥料定位試驗中也得到了相同的結(jié)果。王淑英等[11]研究表明，隨著定位試驗開展時間的延長，SNP處理耕層土壤全磷逐漸下降，逐年下降速率為2.6 mg·kg-1。本研究也發(fā)現(xiàn)，SNP和NP處理土壤綜合肥力指數(shù)在試驗進行到第33年時達到最大值，隨后的6年開始呈現(xiàn)略微下降的趨勢。因此，氮磷肥和秸稈+氮磷肥隔年施磷處理的耕層土壤IFI值受土壤養(yǎng)分時空變異影響較大，而不施肥或單施氮肥土壤均衡肥力較低，土壤養(yǎng)分時空變異較小，對IFI值的影響較小。由于不同區(qū)域、氣候、種植制度等的肥效和肥力響應(yīng)差異較大，應(yīng)考慮采取更為全面、系統(tǒng)的方法對長期定位試驗下的土壤肥力進行綜合評價。