磷酸二铵添加增效剂对小麦-花生轮作系统作物产量和磷肥吸收利用的影响

张运红，黄绍敏，和爱玲，杨占平，杜 君，刘高远，郭斗斗，薛广元

(河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所/河南省农业生态与环境重点实验室，河南郑州 450002)

磷素是植物生长必需的营养元素之一，在光合作用、呼吸作用、生物膜合成等生理代谢过程中发挥重要作用，施用磷肥是保证作物获得高产、优质、高效的一项重要农艺措施[1-4]。然而，磷在土壤中的移动性差，向根系扩散的能力低，易被土壤固定，当季利用率仅为10%～25%，大部分积累在土壤中，这与土壤中钙、铁、铝及土壤粘粒的吸附固定作用以及微生物吸收转化有关[5-7]。据研究，我国一般耕地中全磷含量是有效磷的200～500倍以上，在土壤磷组成中，无机磷的2/3和有机磷的1/3为无效态[8]。如何减少磷的固定、提高磷肥利用率和肥效是化肥界和农学界研究的热点。研究和发展增值磷肥是提高磷肥利用率的重要措施之一。海藻酸类、腐殖酸类和氨基酸类等天然物质，可提高肥料利用率，且环保安全，作为新型肥料增效剂使用，优势明显[9-11]。李志坚等[10-11]研究发现，与普通磷酸二铵相比，添加腐殖酸、海藻酸和谷氨酸的增值磷肥处理可降低磷固定率7.32%、7.13%和11.99%；低磷条件下，小麦产量和磷肥表观利用率分别提高9.74%～ 33.54%和8.71%～26.21%。秦国新等[12]研究表明，施用腐殖酸类肥料能抑制土壤对水溶性磷的固定，活化土壤固定态磷，减缓有效磷向无效态磷的转化。刘 博等[13]报道，磷酸二铵添加氨基酸后可提高土壤中速效磷含量，降低pH值，促进Ca-P向Al-P、Fe-P转化，从而减少土壤中磷的固定；还可提高土壤中磷酸二酯酶和碱性磷酸单酯酶活性，促进有机磷向无机磷转化。这些研究为增值磷肥的研发及其在农业上的应用提供了理论依据，然而结果多来自短期试验，对增值磷肥的效应缺乏长期定位试验的验证。

不同作物利用难溶性磷酸盐的能力存在差异，造成种植后土壤残留无机磷组成也有所不同[8,14]。有研究显示，禾本科与豆科作物间套轮作能提高作物产量和土壤肥力[15-16]。小麦和花生是我国重要的粮食作物和油料作物，随着耕地面积的不断下降，粮油争地矛盾日益突出，麦油两熟制是未来黄淮花生生产区的发展方向。其中麦套花生具有延长花生的生长期、弥补热量资源不足、促进荚果充分发育和改善籽仁品质等优点[17]，成为黄淮海地区麦油两熟制的主要种植模式，然而，对该种植模式下增值磷肥的磷素转化特征及其施用效果目前研究还较少。磷酸二铵是当前市场上主要的高浓度、速溶性磷肥，易与土壤中阳离子发生反应形成沉淀，导致磷肥有效性降低，研发绿色增效磷肥具有重要意义。鉴于此，本研究拟采用2年盆栽试验，研究磷酸二铵添加不同增效剂(腐殖酸、氨基酸、海藻寡糖)对小麦-花生轮作系统中作物产量及磷素利用状况的影响，旨在明确增值磷肥在小麦-花生轮作体系中的效应，为其在农业上的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017年10月-2019年9月在河南省农业科学院科研园区(113.67°E，34.79°N)进行。供试土壤为潮土，采自郑州市郊区，土壤基本理化性质为有机质3.5 g·kg-1，速效氮35.6 mg·kg-1，有效磷(olsen-P)2.7 mg·kg-1，速效钾102.6 mg·kg-1，pH 7.79。

供试小麦品种为郑麦7698，为多穗、强筋、半冬性、中晚熟品种；供试花生品种为豫花9326，为高产、高油、大果品种，分别由河南省农业科学院小麦研究所和经济作物研究所选育并提供。

供试磷酸二铵(N 18%，P2O546%)，由云南三环美盛化肥有限公司提高。供试腐殖酸(HA)由褐煤提取，水不溶物<5%，由上海通微生物技术有限公司提供。供试海藻寡糖(AOS)中，β-D-甘露糖醛酸(M)：α-L-古罗糖醛酸(G)=7：3，糖醛酸含量>90%，聚合度2～10，由中国科学院大连化学物理研究所提供。供试氨基酸(aa)为复合氨基酸，其总氨基酸含量为81.24%，主要由亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苏氨酸和天冬氨酸等组成，由郑州福润德生物工程有限公司提供。其余试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验设计

采用土培盆栽试验，选用聚乙烯塑料盆(直径30 cm，高20 cm)。每盆装过2 mm筛的土10 kg。试验设置5个处理，分别为不施磷对照(CK)；单施磷酸二铵(DAP)；施磷酸二铵+腐殖酸(DAP+HA)；施磷酸二铵+氨基酸(DAP+aa)；施磷酸二铵+海藻寡糖(DAP+AOS)。每个处理4次重复，共20盆。

小麦季氮肥施用量为0.25 g·kg-1土壤，50%基施，50%于拔节期追施，磷肥施用量为P2O50.12 g·kg-1土壤，钾肥施用量为K2O 0.12 g·kg-1土壤，磷钾肥全部基施；花生季氮肥施用量为0.18 g·kg-1土壤，磷肥施用量为P2O50.12 g·kg-1土壤，钾肥施用量为K2O 0.15 g·kg-1土壤，定苗后条施。氮肥选用尿素(N 46%)，磷肥选用磷酸二铵，钾肥选用氯化钾(K2O 60%)，增效剂在磷肥中的含量为0.3%。小麦播种日期分别为2017年10月12日和2018年10月14日，每盆播4行，行间距6 cm，每行15粒，30 d后间苗至每行9株。花生播种日期分别为2018年5月10日和2019年5月13日(小麦灌浆期)，播种于小麦行间，每盆3穴，呈三角形排列，每穴2粒，待小麦收获后间苗至每盆3株。2018年花生收获后分别将盆中土倒出，按小麦需肥量施入肥料，混匀后重新装盆，准备下季小麦种植，第2年度按第1年度的对应处理重复进行。作物生长期间通过称重法维持盆中土壤水分含量在田间持水量的70%左右，并及时防治病虫害，保证作物正常生长发育。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤有效磷含量测定

每季作物收获后采集0～20 cm耕层土壤，风干研磨过筛后参照鲍士旦[18]的方法，采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量。

1.3.2 植株中磷相关指标测定

于作物成熟期收获各处理的全部植株，于网袋中风干后将收获目标与茎叶分开并计产。将各部分于70 ℃烘至恒重，测定干物质重。采用H2SO4-H2O2联合消煮，钼锑抗比色法测定植株全磷含量。磷相关指标参照王昆昆等[19]的方法按以下公式计算：各器官磷素积累量=各器官磷含量×各器官干物质重；磷素平均农学效率=(施磷处理2季作物产量-不施磷处理2季作物产量)/2季作物施磷量；磷素累积利用率=(施磷处理2季作物磷累积量-不施磷处理2季作物磷积累量)/2季作物施磷量×100%；土壤磷盈亏量=施磷量-作物磷积累量；土壤有效磷变化量=轮作后土壤有效磷含量-基础土壤有效磷含量。

1.4 数据统计与分析

试验数据用Excel 2007处理，用SPSS 17.0进行方差分析，用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 磷酸二铵添加增效剂对小麦-花生轮作体系作物产量的影响

表1显示，与对照(CK)相比，2017-2018年度，施磷处理小麦产量增加17.34%～61.84%，DAP添加增效剂处理较DAP单施处理产量均显著增加(16.99%～37.92%)，以DAP+AOS处理增幅最大。2018-2019年度，施磷处理小麦产量增加95.21%～107.62%，且DAP+HA处理较DAP单施处理产量显著增加(6.28%)。2年平均小麦产量，施磷处理均显著高于对照，增幅为51.27%～76.33%，且DAP添加增效剂较DAP单施处理均显著增加(8.22%～16.57%)，以DAP+AOS处理增幅最大。2018年，施磷处理花生产量增加9.63%～47.49%，但DAP添加增效剂处理较DAP单施处理产量均显著降低(13.87%～ 25.67%)，以DAP+AOS处理降幅最大；2019年，施磷处理较对照花生产量增加 60.15%～88.57%，差异显著且DAP+aa和DAP+HA处理较DAP单施处理产量也显著增加(16.21%和14.29%)。2年平均花生产量，施磷处理均显著高于对照，增幅为30.93%～ 53.72%，但DAP+AOS处理较DAP单施处理显著降低(14.82%)。该结果说明，施用DAP可促进小麦和花生增产，但两种作物对DAP添加增效剂的响应有所不同，尤其是第一年度，DAP添加增效剂使小麦显著增产，但造成花生明显减产，特别是DAP+AOS处理；第二年度影响相对较小。

表1 2017-2019年不同施磷处理小麦-花生轮作体系作物产量

2.2 磷酸二铵添加增效剂对小麦-花生轮作体系作物磷吸收及分配的影响

由表2可知，2017-2018年度，施磷处理的小麦籽粒、茎叶和整株磷累积量均显著高于对照，增幅分别为55.16%～86.51%、41.18%～ 141.18%和58.36%～89.96%，且均以DAP+aa处理最高；DAP+aa的上述指标较DAP单施处理也显著增加，增幅依次为20.20%、17.14%和19.95%。2018-2019年度，施磷处理的小麦籽粒、茎叶和整株磷累积量也显著高于对照，增幅分别为 134.07%～160.44%、64.00%～120.00%和118.97%～151.72%，其中茎叶和整株磷累积量以DAP+AOS处理最高，其较DAP单施处理也显著增加(34.15%和14.96%)。2年小麦平均籽粒、茎叶和整株磷累积量，施磷处理分别高于对照76.61%～102.34%、57.14%～119.05%和 77.08%～102.08%，差异显著；其中整株磷累积量以DAP+aa和DAP+AOS处理最高，其较DAP单施处理也显著增加(14.12%和 10.59%)。

表2 2018-2019年不同施磷处理下小麦-花生轮作体系作物磷积累量

2017-2018年度，施磷处理的花生茎叶、花生仁和整株磷累积量均显著高于对照，增幅分别为56.35%～100.00%、20.90%～57.63%和 53.69%～60.23%；DAP添加增效剂处理的茎叶和根系磷累积量较DAP单施处理也显著增加(14.21%～27.92%和40.00%～80.00%)，但花生仁磷累积量却较之显著下降(7.53%～ 23.30%)，各施磷处理间整株磷累积量无显著差异。2018-2019年度，施磷处理的花生茎叶、根系、花生仁和整株磷累积量均显著高于对照，增幅分别为24.17%～ 90.00%、33.33%～77.78%、117.00%～ 159.00%和57.89%～99.25%；DAP+AOS处理的茎叶和整株磷累积量较DAP处理显著降低(34.65%和18.92%)。2年花生平均茎叶、花生壳、根系、花生仁和整株磷累积量，施磷处理均显著高于对照，增幅分别为61.78%～ 76.42%、36.11%～88.89%、18.18%～45.45%、54.68%～85.61%和55.66%～74.11%；DAP+AOS处理的花生壳、花生仁和整株磷累积量较DAP单施处理显著下降(23.08%、13.31%和10.59%)。该结果说明，DAP添加增效剂aa和AOS后可促进小麦对磷的吸收，但后者对花生的磷吸收则有不利影响，以花生壳和花生仁中磷累积量下降最为明显。

2.3 磷素二铵添加增效剂对小麦-花生轮作体系作物磷素利用效率的影响

图1A显示，DAP添加增效剂处理的小麦磷素平均农学效率均显著高于DAP单施处理，增幅为24.26%～48.88%，以DAP+AOS处理增幅最大，但该处理的花生磷素平均农学效率显著低于DAP处理(42.45%)。DAP添加增效剂处理的小麦磷素累积利用率较DAP单施处理增加1.49～4.04个百分点，其中DAP+aa处理差异达显著；DAP+AOS处理的花生磷素累积利用率较DAP单施处理降低4.91个百分点，差异显著；周年磷素累积利用率，DAP+aa处理较DAP单施处理有增加趋势，DAP+AOS处理有下降趋势，但差异均不显著(图1B)。该结果说明，DAP添加增效剂可促进小麦对磷素的吸收利用，但DAP+AOS处理的花生磷素利用效率明显降低。

图柱上不同小写字母表示处理间差异在0.05水平显著。下同

2.4 磷酸二铵添加增效剂对小麦-花生轮作体系土壤磷盈亏量的影响

图2显示，2年小麦-花生轮作体系中，对照的土壤磷均为消耗状态，2018和2019年土壤磷盈亏量分别为-0.61 g·pot-1和-0.38 g·pot-1；施磷处理的土壤磷则均为盈余状态，且2019年度土壤磷盈余量高于2018，增幅为 12.95%～22.33%，以DAP+aa处理增幅最大。2018年，DAP+aa处理土壤磷盈余量低于其他施磷处理；2019年，以DAP+AOS处理土壤磷盈余量最大。年均磷盈余量，不同施磷处理间差异不显著。结果说明，施磷可使土壤磷由亏缺转为盈余，且随耕作年限延长，磷盈余量逐渐增加；DAP添加增效剂与否对土壤磷盈亏量影响不大。

图2 2018-2019年不同施磷处理下小麦-花生轮作体系周年土壤磷平衡

2.5 磷酸二铵添加增效剂对小麦-花生轮作体系土壤有效磷含量的影响

图3显示，对照的土壤有效磷含量在各种植季均最低，且随耕作年限推移呈逐渐降低趋势。2018和2019年，施磷处理的土壤有效磷含量小麦季分别较对照增加34.53%～204.26%和 318.44%～651.04%，差异显著；DAP+aa较DAP单施处理土壤有效磷含量也显著增加(14.43%和5.65%)，DAP+HA处理则较DAP单施处理显著降低(47.90%和41.14%)，DAP+AOS处理在2018年显著高于DAP单施处理(17.83%)。2年度花生季施磷处理的土壤有效磷含量分别较对照增加53.36%～100.86%和 65.38%～105.59%；DAP+aa和DAP+AOS处理在2018年较DAP单施处理显著增加(24.89%和30.95%)，2019年度较之显著降低(14.34%和11.82%)。该结果说明，本试验条件下，施用DAP可提高土壤有效磷含量，DAP+aa和DAP+AOS处理的土壤有效磷含量较DAP单施处理在种植前期增加，但随种植年限延长有降低趋势；DAP+HA处理在小麦种植季显著低于DAP单施处理。

同年相同作物不同字母表示处理间差异在0.05水平显著。

2.6 小麦-花生轮作体系土壤有效磷对磷盈亏的响应

对小麦-花生轮作体系中土壤有效磷变化量与土壤磷盈亏量进行相关分析发现，土壤有效磷含量与土壤磷盈亏量呈显著正相关，相关方程为：y=0.328 7x-0.787 6(R2=0.837 2*)。随耕作年限的延长，对照土壤中的磷呈亏缺状态，有效磷含量逐渐降低。施磷可提高土壤磷累积量，有效磷含量也逐步提高，每1 g·pot-1的磷盈余使土壤有效磷含量提高0.328 7 mg·kg-1。

3 讨 论

前人研究显示，当土壤中有效磷含量不足以满足作物生长需要时，合理施磷可增加土壤中的有效态磷，促进作物根系生长发育，调节光合特性，促进干物质积累及其向籽粒中转运，从而提高作物产量和磷肥利用效率[1-2,20-22]。长期定位试验结果表明，在速效磷含量为4.2～9.1 mg·kg-1的塿土、潮土和褐潮土上，施磷小麦产量较不施磷提高2～4倍[23]。土壤全磷含量为 0.5～1.0 g·kg-1，有效磷含量为10～30 mg·kg-1，适宜花生种植[24]。本试验中，土壤速效磷为2.7 mg·kg-1，对小麦和花生来说均属于低磷土壤，施磷处理2年作物平均产量和磷累积量均显著增加，证实了上述结论。土壤中磷的生物有效性与磷形态有关。对于石灰性土壤而言，Ca2-P为速效性磷源，Ca8-P、Al-P和Fe-P为缓效性磷源，可随着作物对磷的吸收和土壤有效磷含量的降低而逐渐释放，而Ca10-P和O-P为无效态的潜在性磷源，短时期内很难转化释放[11]。施磷可改变土壤中活性磷组分和中等稳定性磷组分含量，提高土壤中Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量及其占总无机磷比例[25-27]，本试验结果证实，小麦-花生轮作体系中，施磷可提高各种植季土壤有效磷含量，这可能是其促进作物增产的主要原因，但对磷形态未作解析，该工作开展有助于揭示轮作体系下施磷增产的作用机制。

本试验结果表明，小麦-花生轮作体系中，小麦和花生对DAP添加增加剂后的响应存在明显差异，就小麦2年平均产量、磷素平均农学效率和累积利用效率而言，DAP添加增效剂处理较DAP单施处理均有不同程度提高，其中，DAP+aa和DAP+AOS处理的植株磷累积量也显著增加；而对花生，DAP+AOS处理的产量、磷累积量、磷素平均农学效率和累积利用效率均较DAP单施显著下降。出现该结果可能主要有以下原因：首先，不同作物磷素利用方式不同。小麦可吸收利用土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P，且前两者的有效性相对较高[25]；种植小麦后潮土中无机磷含量大小排序为Ca10-P>Ca8-P>Al-P>Ca2-P>Fe-P，有机磷按含量大小排序为中等活性有机磷>高稳性有机磷>中稳性有机磷>活性有机磷[14]。花生在缺磷条件下能够吸收利用Ca8-P和Fe-P，但前者有效性高；种植花生后土壤中Ca8-P比例显著降低，而Fe-P和Al-P增加[8]。这表明不同作物磷需求有差异，DAP添加增效剂后引发土壤磷组分的改变可能与作物需求不一致。其次，不同增效剂对土壤磷活化机制不同。腐殖酸可与磷酸盐反应形成不易被固定的有机-无机复合物从而降低磷的固定；其结构中的苯酚结构可活化难溶性磷，羧基、酚羟基等酸性官能团可与磷酸根离子竞争土壤胶体的吸附位点从而减少磷的吸附[11-12,28-30]。海藻多糖是一种天然的螯合剂，能螯合土壤中的钙、镁、铁等金属离子，从而减少土壤中磷的固定；施用后土壤Ca2-P、Al-P和有效磷总量均有所提高[11,31]。氨基酸富含氨基和羧基，与磷铵混合可增强磷的有效性[13]。李志坚等[11]利用改性腐殖酸、发酵海藻液和聚合谷氨酸制备增值磷酸铵，研究证实3种增值磷肥均能降低土壤pH，提高土壤速效磷含量以及Ca2-P、Ca8-P、Al-P含量，但谷氨酸增值磷肥Ca2-P、Al-P转化幅度高于其他两种增值磷肥，海藻酸增值磷肥提高Ca8-P的幅度最大。这证实添加不同增效剂对土壤磷组分的改变有所不同，其对作物生长及磷吸收的影响可能因此而异。最后，磷素在不同茬口间的分配有所不同。有研究显示，在禾本科与豆科作物间作中豆科作物处于磷竞争劣势地位，土壤磷素供应时常成为其增长的制约因素[8,32-33]。有关小麦-花生间套轮作体系下土壤有效磷周年供给规律的研究还较为少见。本试验中，2年小麦收获季土壤有效磷含量均高于花生收获季，宋志伟等[15]的研究也得出相似结论。土壤有效磷含量呈现“冬低夏高”除与作物吸收有关外，也与土壤温度和湿度条件有关[34]。然而，本试验对小麦花生轮作体系下磷肥添加增效剂后的土壤磷组分演变规律及有效磷供给与作物需求的关系未作解析，该工作开展可深入揭示增值磷肥的作用机理，有助于磷肥高效利用，有待进一步研究。此外，本试验中，DAP+aa和DAP+AOS处理的土壤有效磷含量第一年度较DAP单施处理有所增加，后随种植年限延长逐渐降低，前期可能是增效剂对土壤磷的活化效应所致，后期则与植株的吸收消耗有关。综合而言，从本试验结果看，在小麦-花生轮作体系中，两种作物对DAP添加增加剂后的响应存在明显差异，增值磷肥长期连续施用不一定取得良好的增产效果；在生产实践中应根据作物需肥规律、增效肥料特性以及土壤养分消耗等因素及时调整施肥方案，方能取得可观的收益。本试验结果还显示，土壤有效磷变化量与土壤磷盈亏量呈直线正相关关系，不施磷对照随耕作年限的延长土壤磷呈亏缺状态，有效磷含量逐渐降低；施磷可提高土壤磷盈余量，有效磷含量也逐步提高，每1 g·pot-1的磷盈余使土壤有效磷含量提高0.328 7 mg·kg-1。相似的结果袁天佑等[35]也有报道。表明合理的施用磷肥，对维持适宜的土壤有效磷含量，促进作物增产增收至关重要。