徐孟澤，王 磊，盧艷麗，白由路，王玉紅，陳 楊，聶彩娥，宋桂霈

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

冬小麥–夏玉米輪作是華北平原糧食生產(chǎn)的主要種植制度，研究冬小麥–夏玉米輪作一體化肥料管理對(duì)于科學(xué)施肥、節(jié)約肥料資源、保障糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)起到重要作用。磷素在作物體內(nèi)代謝、產(chǎn)量形成、增強(qiáng)抗逆性等方面起著關(guān)鍵作用，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的限制因子[1–3]。作物生長(zhǎng)發(fā)育所需磷素源于土壤，但土壤自然的供磷能力不能滿足作物吸收[4–5]，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用磷肥以擴(kuò)大土壤有效磷庫(kù)，提高土壤對(duì)作物的供磷能力[6–7]。施入土壤的磷肥在土壤固定磷作用下，大部分以難利用態(tài)積累在土壤中，導(dǎo)致磷肥利用率降低，大多數(shù)作物的磷肥當(dāng)季利用率僅為10%～25%[8–9]，短期內(nèi)對(duì)作物產(chǎn)生的肥效并不理想，因此在生產(chǎn)實(shí)踐中磷肥投入量都遠(yuǎn)高于作物需要量[10]。

有學(xué)者通過(guò)分析1990—2012全國(guó)59956個(gè)土壤樣品發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中有效磷含量呈上升的趨勢(shì)[11]。已有研究[12–15]表明，土壤有效磷的變化量與土壤磷盈虧有顯著的正相關(guān)關(guān)系。Cao等[16]通過(guò)分析總結(jié)我國(guó)8個(gè)不同試驗(yàn)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，土壤中的累積磷能夠轉(zhuǎn)變成有效磷，但二者響應(yīng)關(guān)系有所差異，不同地區(qū)的土壤類型、種植體系、氣候等因素導(dǎo)致兩者間響應(yīng)關(guān)系強(qiáng)弱不同。研究發(fā)現(xiàn)，作物產(chǎn)量對(duì)土壤有效磷的響應(yīng)關(guān)系存在臨界值(作物的農(nóng)學(xué)閾值)，當(dāng)土壤有效磷超出臨界值，磷肥的增產(chǎn)效應(yīng)會(huì)降低[17]，有效磷含量并不是越高越好。黃紹敏等[18]研究了長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土磷平衡的影響，發(fā)現(xiàn)玉米耐磷素貧瘠的能力高于小麥，磷肥后效在玉米上較明顯。農(nóng)田管理中可以通過(guò)改變磷肥投入來(lái)調(diào)整和控制土壤有效磷水平，使其接近作物對(duì)應(yīng)的有效磷農(nóng)學(xué)閾值。

前人的研究多集中于土壤各形態(tài)磷庫(kù)變化方面及單季作物的磷肥效應(yīng)[19–24]，但在冬小麥–夏玉米輪作體系關(guān)于磷肥在冬小麥季一次施用，夏玉米季不施磷肥情況下的年際間作物產(chǎn)量變化、磷素累積效應(yīng)和適宜施磷量的研究較少，特別是華北平原北部中低產(chǎn)田砂質(zhì)潮土長(zhǎng)期在該模式管理下的磷肥效應(yīng)研究更為鮮見(jiàn)。本試驗(yàn)以冬小麥–夏玉米輪作磷肥一體化管理模式的定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，將前后茬作物磷素一體化綜合分析，確定長(zhǎng)期施磷下冬小麥–夏玉米輪作作物有效磷農(nóng)學(xué)閾值、土壤有效磷變化的驅(qū)動(dòng)因素和適宜的磷肥用量，以期為華北平原北部中低產(chǎn)田冬小麥–夏玉米輪作一體化種植體系中合理施磷和作物增產(chǎn)增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在河北省廊坊市廣陽(yáng)區(qū)萬(wàn)莊鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)際農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)(116°35'16''E，39°47'35''N)。試驗(yàn)地處于中緯度地帶，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為11.9℃，年平均無(wú)霜期為183天左右，年平均降水量為554.9 mm，年平均日照時(shí)數(shù)在2660 h左右。供試土壤為砂質(zhì)潮土，屬低產(chǎn)土壤，2008年定位試驗(yàn)開(kāi)展前0—20 cm土層的理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)11.7 g/kg、堿解氮56.74 mg/kg、有效磷 11.9 mg/kg、速效鉀 43.1 mg/kg、pH 8.1。種植制度為冬小麥–夏玉米輪作，一年兩熟。冬小麥試驗(yàn)從2008年10月開(kāi)始，夏玉米試驗(yàn)從第一季冬小麥?zhǔn)斋@后2009年6月開(kāi)始，至今仍在進(jìn)行。冬小麥于每年10月播種，次年6月收獲；冬小麥?zhǔn)斋@后播種夏玉米，當(dāng)年10月收獲。供試冬小麥品種2008年為‘寶豐104’，2009年以后為‘京冬17’，夏玉米品種為‘鄭單958’。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)磷(P2O5)水平：0、45、90、135、180、225 kg/hm2，分別表示為 P0、P45、P90、P135、P180、P225。除各處理設(shè)置的磷肥用量外，所有處理冬小麥季施 N 180 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。磷、鉀肥作基肥一次施入，氮肥基施90 kg/hm2，返青期追施 60 kg/hm2，拔節(jié)期追施 30 kg/hm2。夏玉米季不施磷鉀肥，施 N 180 kg/hm2，氮肥按苗肥40%和大喇叭口期60%的比例追施。小麥、玉米成熟期秸稈全部粉碎還田。供試肥料為尿素(N 46%)、磷酸二銨 (N 18%、P2O546%)、過(guò)磷酸鈣 (P2O512%)、硫酸鉀 (K2O 50%)。各處理按照施肥量等間距順序進(jìn)行排列，小區(qū)面積為 100 m2(8 m×12.5 m)，不設(shè)重復(fù)。

1.3 樣品采集與分析

采用機(jī)械收獲，實(shí)收測(cè)產(chǎn)。

在收獲前，每個(gè)小區(qū)選取3個(gè)代表性樣點(diǎn)，冬小麥采集1 m 兩行植株，夏玉米采集兩株，同時(shí)采集0—20 cm耕層土壤樣品。土壤風(fēng)干過(guò)2 mm篩，植株烘干粉碎后用于養(yǎng)分測(cè)定。

植株養(yǎng)分測(cè)定采用濃H2SO4–H2O2消煮，流動(dòng)注射分析儀 (Seal AA3)測(cè)定植株全磷[25–27]。

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用醋酸銨浸提—原子發(fā)射光譜法測(cè)定。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式與數(shù)據(jù)處理

相關(guān)指標(biāo)計(jì)算如下[2,28]：

作物吸磷量(kg/hm2)=秸稈干重×秸稈磷含量+籽粒干重×籽粒磷含量

周年吸磷量(kg/hm2)=冬小麥吸磷量+夏玉米吸磷量

土壤表觀磷盈余(kg/hm2)=周年施磷量+上一年秸稈吸磷量?周年吸磷量

土壤累積磷盈余(kg/hm2)=∑ [土壤表觀磷盈余(kg/hm2)]

磷肥表觀利用率(%)=(施磷處理地上部當(dāng)季吸磷量?不施磷處理地上部當(dāng)季吸磷量)/施磷量×100

磷肥累積利用率(%)=(施磷處理地上部累積吸磷量?不施磷處理地上部累積吸磷量)/累積施磷量×100

根據(jù)試驗(yàn)具體情況并結(jié)合模型優(yōu)選原則，采用二次多項(xiàng)式模型來(lái)擬合產(chǎn)量與施磷量的關(guān)系。

沈浦[17]和Poulton等[29]研究表明，作物產(chǎn)量對(duì)土壤有效磷的響應(yīng)關(guān)系可以通過(guò) Mitscherlich 方程模擬量化。本研究采用線性–線性、線性–平臺(tái)與Mitscherlich模型對(duì)土壤有效磷與產(chǎn)量間的關(guān)系進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)Mitscherlich 模型擬合效果較好。由于長(zhǎng)期試驗(yàn)條件下作物產(chǎn)量受年際間的農(nóng)田管理措施、氣候因素等影響，故對(duì)作物(冬小麥/夏玉米)籽粒的相對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行研究，公式如下：

式中，Yr為籽粒相對(duì)產(chǎn)量(%)；Yi為籽粒產(chǎn)量；Ym為最大籽粒產(chǎn)量；Y是預(yù)測(cè)的相對(duì)產(chǎn)量；A是當(dāng)x不受限制時(shí)可獲得的最大相對(duì)產(chǎn)量；b是產(chǎn)量對(duì)土壤有效磷的響應(yīng)系數(shù)；x為土壤有效磷含量；當(dāng)Mitscherlich模型模擬的Y值為最大相對(duì)產(chǎn)量的90%時(shí)，Olsen-P (x)的含量為農(nóng)學(xué)閾值。

采用 Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；運(yùn)用SPSS 20.0進(jìn)行回歸分析及顯著性檢驗(yàn)(LSD)，P<0.05和P<0.01為顯著或極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期不同施磷水平對(duì)周年產(chǎn)量及產(chǎn)量演變特征的影響

2.1.1 長(zhǎng)期不同施磷水平下產(chǎn)量演變特征 圖1表明，施磷顯著影響冬小麥和夏玉米周年產(chǎn)量。與監(jiān)測(cè)初期相比，隨輪作周期延長(zhǎng)，不施磷處理(P0)產(chǎn)量顯著降低58.48%，第5個(gè)輪作周期(2013年)由于冬小麥季沒(méi)打除草劑，導(dǎo)致該輪作周期產(chǎn)量大幅下降，至2020年(第12個(gè)輪作周期)產(chǎn)量下降為4540 kg/hm2；P45處理產(chǎn)量從第6個(gè)輪作周期(2014年)開(kāi)始顯著低于P90～P225的產(chǎn)量，2020年產(chǎn)量為11340 kg/hm2，P0、P45處理產(chǎn)量分別較第1個(gè)輪作周期(2009年)下降了58.48%、4.00%。P90～P225周年產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，至2020年產(chǎn)量分別達(dá)到 14209、15064、13559、13244 kg/hm2，分別較第1個(gè)輪作周期升高了12.68%、28.61%、20.87%、16.51%。施磷條件下，周年產(chǎn)量均顯著高于不施磷肥處理，產(chǎn)量隨施肥量增加呈現(xiàn)先升高后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，不施磷處理產(chǎn)量均值為6499 kg/hm2，P45～P225周年產(chǎn)量均值分別為11555、13943、14026、13619、13448 kg/hm2，其中 P90～P225 產(chǎn)量均顯著高于P45處理，施磷量超過(guò)90 kg/hm2對(duì)冬小麥-夏玉米周年產(chǎn)量增產(chǎn)效果不顯著。

圖1 長(zhǎng)期施磷冬小麥–夏玉米周年產(chǎn)量演變特征Fig. 1 Evolution characteristics of the annual yield of winter wheat-summer maize under long-term P fertilizer application

2.1.2 磷肥產(chǎn)量效應(yīng)及模型 通過(guò)回歸分析(圖2)，發(fā)現(xiàn)12個(gè)周期的冬小麥–夏玉米產(chǎn)量均值與施磷量呈拋物線變化(R2=0.6583，P<0.01)。由模擬方程可知周年施磷量為152 kg/hm2時(shí)，達(dá)最高產(chǎn)量14627 kg/hm2。當(dāng)施磷量為90 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量已達(dá)到最高產(chǎn)量的90%，與不施磷相比增產(chǎn)106%。

圖2 長(zhǎng)期施磷產(chǎn)量效應(yīng)模型Fig. 2 Yield effect model of long-term P fertilizer application

2.2 長(zhǎng)期不同施磷水平對(duì)磷肥利用率的影響

如圖3所示，隨施磷量增加，磷肥利用率下降。12年平均磷肥表觀利用率和累積利用率變幅分別為36.98%～98.10%和26.26%～71.85%。冬小麥–夏玉米輪作條件下，隨輪作周期的延長(zhǎng)磷肥表觀利用率升高，第12個(gè)輪作周期較第1個(gè)輪作周期磷肥表觀利用率提高了44.2～96.6個(gè)百分點(diǎn)。從均值看，P45處理的表觀利用率最高，P90處理次之，P45、P90磷肥表觀利用率均值分別為98.10%、83.61%，P135～P225磷肥表觀利用率為36.98%～56.83%，較P90顯著降低(P < 0.05)。通過(guò)計(jì)算磷肥累積利用率發(fā)現(xiàn)，隨輪作周期延長(zhǎng)，P45～P225處理磷肥累積利用率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，通過(guò)線性擬合，每年分別增加7.44、5.25、3.71、3.21、2.65個(gè)百分點(diǎn)。P45、P90磷肥累積利用率較其他處理增幅較大，與 P135～P225 差異顯著 (P < 0.05)。

圖3 長(zhǎng)期施磷處理磷肥表觀利用率和累積利用率Fig. 3 Annual apparent use efficiency and cumulative use efficiency of P fertilizer under long-term P application

2.3 長(zhǎng)期不同施磷水平對(duì)土壤有效磷含量的影響

在冬小麥–夏玉米輪作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)12年時(shí)間范圍內(nèi)，土壤有效磷含量范圍為0.41～37.11 mg/kg(圖4)。冬小麥各施磷處理均高于不施磷，且隨施磷量增加而增加，P0～P225處理土壤有效磷含量12年均值分別為1.89、3.80、8.71、10.65、18.00、24.03 mg/kg，施磷較不施磷有效磷含量提高101%～1170%，P45與P0差異不顯著。夏玉米季P0～P225處理土壤有效磷含量12年均值分別為2.40、5.31、8.98、9.49、18.18、24.92 mg/kg，整體表現(xiàn)為 P0

圖4 不同施磷處理冬小麥和夏玉米收獲期土壤有效磷含量Fig. 4 Soil Olsen-P content at harvest of winter wheat and summer maize under different P application rates

2.4 長(zhǎng)期不同施磷水平冬小麥、夏玉米有效磷的農(nóng)學(xué)閾值

磷農(nóng)學(xué)閾值是指當(dāng)土壤中的有效磷含量達(dá)到某個(gè)值后，作物產(chǎn)量不隨磷肥的繼續(xù)投入而增加。本研究基于12年不同施磷量處理(P45～P225)土壤有效磷水平與作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，通過(guò)分析作物相對(duì)產(chǎn)量和土壤有效磷的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01，圖5)，模型預(yù)測(cè)的冬小麥、夏玉米最大相對(duì)產(chǎn)量可以通過(guò)充足的土壤磷供應(yīng)達(dá)到97.48%、93.03%，采用模擬獲得的最大相對(duì)產(chǎn)量的90%來(lái)計(jì)算獲得其農(nóng)學(xué)閾值，根據(jù)方程計(jì)算可得，冬小麥、夏玉米有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為10.20、5.93 mg/kg，砂質(zhì)潮土冬小麥有效磷農(nóng)學(xué)閾值高于夏玉米。

圖5 冬小麥和夏玉米產(chǎn)量對(duì)土壤有效磷的響應(yīng)Fig. 5 Response of winter wheat and summer maize yield to soil Olsen-P content

2.5 長(zhǎng)期不同施磷水平下土壤有效磷對(duì)磷盈虧的響應(yīng)特征

2.5.1 地上部作物周年吸磷量 土壤表觀磷盈虧的變化主要是由于磷肥的投入量和作物吸磷量引起的。由不同施磷水平的冬小麥、夏玉米周年吸磷量的變化特征(圖6)可以看出，長(zhǎng)期不施磷肥，隨輪作年限延長(zhǎng)作物吸磷量總體呈下降趨勢(shì)，至2020年降低為7.06 kg/hm2。隨輪作周期延長(zhǎng)，P90～P225處理在前6個(gè)輪作周期作物吸磷量上升，后期沒(méi)有較大波動(dòng)，至2020年作物吸磷量分別為52.39、55.68、51.95、56.60 kg/hm2。

圖6 長(zhǎng)期施磷對(duì)冬小麥–夏玉米周年吸磷量的影響Fig. 6 Effects of long-term P fertilizer application on annual P uptake of winter wheat-summer maize

施磷顯著增加了作物周年吸磷量 (P<0.05)。P90～P225處理作物吸磷量顯著高于P45，均值分別為 49.09、49.73、53.73、52.56 kg/hm2，處理間差異不顯著，即施磷量高于90 kg/hm2時(shí)各處理周年吸磷量差異不顯著。

2.5.2 土壤表觀磷盈余分析 本試驗(yàn)以冬小麥–夏玉米為研究對(duì)象研究磷肥后效，所以用周年土壤磷素變化對(duì)不同磷處理的響應(yīng)表達(dá)更準(zhǔn)確。P0、P45處理的周年表觀磷盈余平均值分別為–11.30、–7.38 kg/hm2(圖7)。P90處理隨著施肥時(shí)間的延長(zhǎng)，磷素投入量與作物吸磷量接近平衡，土壤磷素整體表現(xiàn)為盈余狀態(tài)。P90～P225磷盈余平均值分別為0.94、20.05、37.21、57.68 kg/hm2，隨施磷量的增加而增加。

圖7 長(zhǎng)期不同施磷水平下土壤磷素的盈虧狀況Fig. 7 Soil P budget under different long-term P application rates

不施磷肥處理因沒(méi)有磷素投入，每年作物的收獲會(huì)帶走一部分磷，而P45處理由于每年磷素養(yǎng)分(包括秸稈還田)投入小于作物吸磷量，因此累積虧缺值隨種植時(shí)間延長(zhǎng)而增加，到2020年P(guān)0、P45處理土壤磷累計(jì)虧缺–144.92、–88.57 kg/hm2。施磷量為90 kg/hm2時(shí)，土壤磷接近收支平衡，施磷量高于90 kg/hm2時(shí) (P90～P225)，每年磷素投入高于作物吸磷量，隨著輪作周期的延長(zhǎng)，土壤累積磷盈余增加(圖7)，至2020年P(guān)90～P225處理分別達(dá)到11.33、240.56、446.48、692.15 kg/hm2。

2.5.3 土壤有效磷變化對(duì)土壤磷盈虧的響應(yīng)在每個(gè)輪作周期結(jié)束后，對(duì)砂質(zhì)潮土土壤有效磷變化量與耕層土壤累積磷盈虧進(jìn)行相關(guān)性分析(圖8)，發(fā)現(xiàn)土壤累積磷盈虧與土壤有效磷變化呈極顯著線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.7258，P＜0.01)，且土壤有效磷變化明顯分兩個(gè)階段，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為累積磷盈虧218.81 kg/hm2。當(dāng)土壤累積磷盈虧小于218.81 kg/hm2時(shí)，土壤磷素每盈余 (虧缺) 100 kg/hm2，有效磷含量上升 (下降)0.48 mg/kg；當(dāng)土壤累積磷盈虧大于 218.81 kg/hm2時(shí)，土壤磷素每盈余100 kg/hm2，有效磷含量上升3.37 mg/kg。

圖8 砂質(zhì)潮土土壤有效磷變化對(duì)磷盈虧的響應(yīng)Fig. 8 Response of soil available P to P budget in sandy fluvo-aquic soil

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施用磷肥下冬小麥–夏玉米的周年產(chǎn)量效應(yīng)和磷肥利用率

磷素為植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一，施磷具有顯著的增產(chǎn)作用[4]。本研究中磷肥在冬小麥季一次性基施，積累的土壤磷素在夏玉米季表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)效應(yīng)，周年產(chǎn)量顯著提高，這與前人的冬小麥–夏玉米輪作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)對(duì)磷肥后效的研究結(jié)果[30]吻合。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨輪作周期延長(zhǎng)，長(zhǎng)期不施磷處理產(chǎn)量降低了58.48%，這與前人[3,30]研究結(jié)果一致。除P45處理外，其他施磷處理產(chǎn)量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，P45處理的產(chǎn)量趨勢(shì)與磷素虧缺有關(guān)。本試驗(yàn)冬小麥–夏玉米周年產(chǎn)量隨施磷量的增加顯著升高，二者呈拋物線關(guān)系，最高產(chǎn)量的施磷量為152 kg/hm2，產(chǎn)量達(dá)到14627 kg/hm2；以最高產(chǎn)量的95%為實(shí)際生產(chǎn)目標(biāo)來(lái)優(yōu)化施磷量，適宜施磷量為90 kg/hm2。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，陜西楊凌地區(qū)施磷超過(guò) 1 0 0 kg/hm2時(shí)，各施磷處理間產(chǎn)量差異不顯著，施磷量為144 kg/hm2時(shí)達(dá)到小麥最高產(chǎn)量[31]；遼寧西部半干旱地區(qū)玉米最高產(chǎn)量施磷量為74.10 kg/hm2，超過(guò)此水平，產(chǎn)量隨施磷量增加而降低[32]；而黃土高原地區(qū)在施磷水平增加到90～135 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量開(kāi)始下降，小麥、玉米產(chǎn)量與施磷量呈拋物線關(guān)系[33]。不同地區(qū)的最適施磷量與最高產(chǎn)量施磷量可能受土壤有效磷含量和產(chǎn)量水平的影響。

磷肥表觀利用率和磷肥累積利用率分別是表征作物磷肥吸收利用效率和磷肥后效的常用指標(biāo)，且輪作系統(tǒng)隨輪作周期的延長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，更能說(shuō)明磷肥利用的真實(shí)情況[3]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，磷肥表觀利用率在土壤磷盈余時(shí)小于100%，在土壤磷虧缺時(shí)大于100%。過(guò)量的磷肥投入導(dǎo)致磷肥利用率下降，各施磷處理的磷肥利用率表現(xiàn)為P45>P90>P135>P180>P225，當(dāng)施磷量高于90 kg/hm2，磷肥利用率顯著降低。隨輪作周期的延長(zhǎng)磷肥表觀利用率和磷肥累積利用率都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，第12個(gè)輪作周期磷肥累積利用率與磷肥表觀利用率分別為36.98%～98.11%、50.42%～115.32%，較第1個(gè)輪作周期分別增加了30.8～87.3、44.2～96.6個(gè)百分點(diǎn)，這與目前農(nóng)田磷肥表觀利用率(10%～30%)相比偏高，究其原因：1)本試驗(yàn)在冬小麥季將磷肥一次施入，夏玉米充分利用磷肥后效，提高了整個(gè)輪作周期的養(yǎng)分利用效率；2)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中不施磷土壤存在磷素耗竭作用，作物吸磷量持續(xù)降低，用差減法得出的磷肥表觀利用率偏高。

3.2 長(zhǎng)期施用磷肥冬小麥和夏玉米的有效磷農(nóng)學(xué)閾值

作物產(chǎn)量對(duì)土壤肥力的響應(yīng)有相應(yīng)的農(nóng)學(xué)閾值，其中產(chǎn)量對(duì)土壤有效磷含量響應(yīng)的閾值更為明顯[34]。為了確定土壤有效磷的農(nóng)學(xué)閾值，本研究采用Mitscherlich 模型[29]對(duì)土壤有效磷與產(chǎn)量間的關(guān)系進(jìn)行模擬，通過(guò)設(shè)定模擬最大相對(duì)產(chǎn)量的90%來(lái)確定農(nóng)學(xué)閾值，發(fā)現(xiàn)華北平原北部砂質(zhì)潮土冬小麥–夏玉米輪作體系下冬小麥、夏玉米的有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為10.20、5.93 mg/kg。沈浦[17]就全國(guó)多個(gè)定位試驗(yàn)點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥和夏玉米有效磷農(nóng)學(xué)閾值主要是受土壤類型、氣候類型等因素影響，哈爾濱小麥玉米的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值分別為21.6、7.4 mg/kg，烏魯木齊的分別為14.8、5.5 mg/kg，昌平的分別為23.5、14.8 mg/kg，楊凌的分別為19.2、14.2 mg/kg，徐州的分別為20.7、14.8 mg/kg；鄭州的分別為12.0、8.7 mg/kg。小麥有效磷農(nóng)學(xué)閾值高于玉米，與本試驗(yàn)研究結(jié)果吻合，這可能是與物種本身的差異有關(guān)，另外，玉米生長(zhǎng)季節(jié)平均溫度高于小麥，這可能也是二者差異的原因之一。土壤有效磷含量與施磷量呈顯著正相關(guān)，結(jié)合本試驗(yàn)條件下計(jì)算得到的冬小麥夏玉米有效磷農(nóng)學(xué)閾值，發(fā)現(xiàn)P45處理下的冬小麥夏玉米土壤有效磷分別為3.80、5.31 mg/kg，低于二者的有效磷農(nóng)學(xué)閾值，有很大的磷肥增產(chǎn)空間；相反，P135～P225處理下的冬小麥夏玉米土壤有效磷含量均超出了各自的農(nóng)學(xué)閾值，分別為 10.65～24.03、9.49～24.92 mg/kg，磷肥增產(chǎn)效應(yīng)不明顯；但P90處理下的冬小麥、夏玉米季土壤有效磷含量分別為8.71、8.98 mg/kg，接近于其最大相對(duì)產(chǎn)量90%的農(nóng)學(xué)閾值，在此有效磷含量的土壤上，在小麥季施磷肥可提高作物產(chǎn)量。在土壤有效磷含量達(dá)到夏玉米農(nóng)學(xué)閾值的田塊上，不增施磷肥也可滿足其生長(zhǎng)發(fā)育的需要；相反，施磷肥會(huì)增加投入成本和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，華北平原北部砂質(zhì)潮土區(qū)冬小麥–夏玉米輪作體系在秸稈全量還田的基礎(chǔ)上，在冬小麥季一次施用磷肥90 kg/hm2可以在保證產(chǎn)量的前提下實(shí)現(xiàn)土壤磷素平衡和磷肥的高效利用。

3.3 土壤有效磷變化對(duì)土壤累積磷盈虧的響應(yīng)

土壤有效磷作為植物磷營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源，其含量受土壤磷盈虧(表觀平衡)狀況的影響[35]。每年總施磷量與作物攜出磷量決定了土壤磷盈虧，反映了土壤磷庫(kù)的消耗或積累的狀態(tài)[36]。本研究發(fā)現(xiàn)冬小麥–夏玉米輪作體系下12年不施磷肥，吸磷量與輪作周期呈顯著負(fù)相關(guān)，作物吸磷量逐年下降，顯著低于施磷處理，這與已有研究[37]結(jié)果一致。這是因?yàn)椴皇┝椎耐寥榔溆行Я滋幱诤慕郀顟B(tài)，由于沒(méi)有磷肥投入，所以土壤磷素一直處于虧缺狀態(tài)，不能滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的磷素吸收，隨著種植年限的延長(zhǎng)，作物吸磷量降低。作物磷積累量隨施磷量的增加先升高達(dá)到峰值后開(kāi)始降低[38–39]，本研究中隨著施磷量的增加冬小麥–夏玉米輪作下周年吸磷量呈先升高后平緩的趨勢(shì)，當(dāng)施磷量高于90 kg/hm2時(shí)，各處理作物吸磷量差異不顯著。P90、P135、P180、P225處理磷肥投入量不同，但其作物吸磷量差異不顯著是造成土壤表觀磷盈虧不同的原因，導(dǎo)致不同處理土壤累積磷盈虧隨施肥年限的延長(zhǎng)差距越來(lái)越大。本研究發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)潮土施磷量低于90 kg/hm2，土壤磷呈虧缺狀態(tài)；當(dāng)施磷量為90 kg/hm2時(shí)，土壤磷呈平衡狀態(tài)；施磷量高于90 kg/hm2，磷素投入大于磷素輸出，土壤磷呈盈余狀態(tài)。前人通過(guò)土壤磷盈虧與土壤有效磷關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系[37–42]。楊振興等[42]發(fā)現(xiàn)，褐土在不施肥處理下土壤磷素每虧缺 100 kg/hm2，有效磷降低 0.5 mg/kg；在施用無(wú)機(jī)肥處理下土壤磷素每盈余100 kg/hm2，有效磷增加4.3 mg/kg。張麗等[43]發(fā)現(xiàn)黑土磷素每盈余100 kg/hm2，有效磷增加 5.28 mg/kg。Cao等[16]發(fā)現(xiàn)，施用磷肥條件下土壤磷素每盈余100 kg/hm2，土壤有效磷增加1.6～5.7 mg/kg。受許多因素影響，土壤有效磷與磷盈虧之間的相關(guān)關(guān)系是獨(dú)特的。本試驗(yàn)條件下，累積磷盈虧與土壤有效磷變化呈極顯著線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.7258，P<0.01)，其關(guān)系分兩個(gè)階段，土壤有效磷增減快慢的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在土壤累積磷盈虧為218.81 kg/hm2時(shí)，土壤累積磷盈虧的拐點(diǎn)為土壤固定磷的“存儲(chǔ)閾值”[44]，當(dāng)土壤累積磷盈虧低于“存儲(chǔ)閾值”時(shí)，土壤磷素每盈余(虧缺) 100 kg/hm2，有效磷含量上升 (下降) 0.48 mg/kg；當(dāng)累積磷盈虧高于此值時(shí)，土壤磷素每盈余100 kg/hm2，有效磷含量上升3.37 mg/kg，土壤有效磷迅速增加。進(jìn)一步證明累積磷盈虧是砂質(zhì)潮土有效磷變化的驅(qū)動(dòng)因素。這與前人就有效磷與磷盈虧研究的響應(yīng)關(guān)系一致；但有效磷變化量有差異，這可能是由于砂質(zhì)潮土保水保肥性較差，施入土壤的磷肥易通過(guò)淋溶進(jìn)入下層土壤造成的。本試驗(yàn)經(jīng)過(guò)12年冬小麥-夏玉米輪作，施磷量為90 kg/hm2時(shí)土壤磷累積量為11.33 kg/hm2，有效磷含量增幅較小；施磷量為135 kg/hm2時(shí)在第11個(gè)輪作周期磷累積已達(dá)到222.84 kg/hm2，超過(guò)了砂質(zhì)潮土固定磷的“存儲(chǔ)閾值”，此時(shí)有效磷含量已超過(guò)土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值，造成磷肥資源浪費(fèi)，增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。在華北平原北部砂質(zhì)潮土冬小麥–夏玉米輪作生產(chǎn)中，為使土壤磷素收支處于平衡，需要根據(jù)土壤有效磷和土壤累積磷盈虧的關(guān)系，當(dāng)土壤累積磷盈虧低于218.81 kg/hm2時(shí)，土壤有效磷變化緩慢，當(dāng)土壤累積磷盈虧高于218.81 kg/hm2時(shí)，土壤有效磷快速增加，應(yīng)根據(jù)磷素輸入與輸出的情況，對(duì)土壤磷肥力變化的趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)行科學(xué)的施磷管理，以維持或降低土壤有效磷水平，減少環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

砂質(zhì)潮土冬小麥和夏玉米土壤有效磷的農(nóng)學(xué)閾值分別為10.20和5.93 mg/kg，當(dāng)土壤有效磷接近該值時(shí)，可以滿足作物對(duì)磷素的需求，實(shí)現(xiàn)磷素平衡。華北平原砂質(zhì)潮土中低產(chǎn)田冬小麥–夏玉米輪作體系長(zhǎng)期施磷，在周年施氮量、施鉀量分別為360、60 kg/hm2的條件下，周年施磷量為 90 kg/hm2，可維持較高的產(chǎn)量和磷肥利用率。

長(zhǎng)期施磷水平顯著影響著土壤磷有效性的演變。在砂質(zhì)潮土上，土壤磷的“存儲(chǔ)閾值”為218.81 kg/hm2，當(dāng)土壤累積磷盈余量低于此值，施用磷肥對(duì)土壤磷的有效性影響較小，而高于此值時(shí)，施磷可以大幅提高土壤磷的有效性。