基于小麦产量与籽粒锰含量的磷肥优化管理

王浩琳，马悦，李永华，李超，赵明琴，苑爱静，邱炜红，何刚，石美，王朝辉, 2

基于小麦产量与籽粒锰含量的磷肥优化管理

王浩琳1，马悦1，李永华1，李超1，赵明琴1，苑爱静1，邱炜红1，何刚1，石美1，王朝辉1, 2

1西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2西北农林科技大学/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100

【】通过研究我国北方八省区不同土壤有效磷水平和施磷量条件下小麦产量和籽粒锰含量的变化规律，为提高小麦产量、调控小麦锰营养水平和保障粮食安全生产提供依据。于2018—2019年在我国北方山西、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、内蒙古、黑龙江8个省区的34个地点布置田间试验，设置农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理，研究北方八省区小麦的产量和籽粒锰含量及不同土壤有效磷水平下监控施磷及不施磷对小麦产量和籽粒锰含量的影响。在我国北方八省区，小麦产量平均为6 066 kg·hm-2，籽粒锰含量平均为42 mg·kg-1。籽粒锰含量＜32 mg·kg-1的试验点占8.8%，＞44 mg·kg-1的占36.8%，籽粒锰含量偏高的问题应引起注意。随土壤有效磷含量增加，小麦产量和籽粒锰含量均显著提高，有效磷含量20—30 mg·kg-1时小麦产量最高，有效磷含量＞40 mg·kg-1时籽粒锰含量最高。监控施肥与农户施肥处理相比，其磷肥用量平均降低了45.4%，但两者产量分别为6 358和6 222 kg·hm-2，籽粒锰含量分别为42.8和43.6 mg·kg-1，无显著差异。不同土壤有效磷水平下，监控施肥处理的小麦产量均无显著降低；土壤有效磷＜10 mg·kg-1时，不施磷肥降低了小麦籽粒锰含量，也降低了产量，而监控施肥仅降低了籽粒锰含量；其他土壤有效磷水平下，监控施肥均不降低籽粒锰含量。土壤有效锰含量亦随土壤有效磷含量的提高而升高，小麦籽粒锰含量与土壤有效锰含量呈显著正相关。为实现小麦高产和适宜的籽粒锰含量，土壤有效磷应维持在20—30 mg·kg-1；采用监控施肥技术科学优化施磷，不会降低小麦产量，但当土壤有效磷含量＜10 mg·kg-1，不施磷肥虽能降低小麦籽粒锰含量，但存在小麦减产的风险。

小麦；土壤有效磷；产量；磷肥；籽粒锰含量

0 引言

【研究意义】磷（P）是作物生长必需的元素，在保证作物产量、提高品质方面有重要作用[1]。为了提高作物产量，生产中过量施磷现象也普遍存在[2-3]。已有研究表明，过量施磷无助于提高作物产量，还可影响作物中锌（Zn）、锰（Mn）等微量元素平衡，进而影响作物品质和人体健康[4]。锰是生物体必需营养元素[5]。在作物中，锰直接参与光合作用和酶系统活动，如氧化还原反应、碳氮代谢、蛋白质合成等[6-7]。在人体中，锰是多种酶的辅助因子，参与脂类和碳水化合物代谢[8]。锰缺乏或过量均会对人体健康产生不利影响，如锰缺乏可造成生长和生殖功能障碍[9-11]，锰过量会引起神经系统损伤[12]。人体中锰主要来源于食物摄入。许多国家颁布了锰营养推荐值及限量标准。《中国居民膳食营养素参考摄入量（2013版）》和《中国居民营养与慢性病状况报告》指出中国18岁及以上居民每日锰适宜摄入量为4.5 mg[13]，而每日小麦面粉类食物摄入量为142.8 g[14]，由此推算出小麦籽粒锰含量在32 mg·kg-1可满足中国居民健康需求。另据中国不同人群锰非致癌风险评估，小麦籽粒锰含量小于44 mg·kg-1可避免导致非致癌风险[15]。因此，研究小麦等谷物生产过程中磷肥与产量及籽粒锰含量的关系，对于农业绿色可持续发展、保障粮食安全和人体健康具有重要意义。【前人研究进展】过量施用磷肥并不能持续提升小麦产量。不同田间试验的整合分析发现[16]，土壤有效磷含量大于20 mg·kg-1、施磷肥量超过90 kg·hm-2时，小麦产量不再显著提升。山东的定位试验显示[17]，施磷量为75 kg·hm-2时小麦产量最高，施磷量增加到150 kg·hm-2时，产量反而降低。陕西30个县的田间试验表明，施磷量为172.5 kg·hm-2时小麦产量最高，超过此施磷量小麦产量亦显著下降[18]。巴基斯坦有研究表明，施磷会显著提高冬小麦的产量，但施磷超过81 kg·hm-2时产量则不会继续增加[19]。施磷提高小麦产量的同时也会增加土壤有效磷的含量[20]。有研究表明产量随土壤有效磷的增加而增加，但存在有效磷临界值。如在湖南祁阳、陕西杨凌和重庆各地区的研究表明，小麦达到高产时，土壤有效磷分别为12.7、16.1和11.1 mg·kg-1[21]。磷肥能够显著影响作物对微量元素的吸收利用。研究表明，小麦籽粒锌含量随施磷量的增加显著降低[22]，铁含量随施磷量增加显著增加，铜含量对施磷量的响应刚好与铁相反[23]。目前，不同供磷水平下作物对锰吸收利用尚不明确。有研究表明沙培和高温条件下，高磷施用可促进大麦和马铃薯对锰的吸收[24-25]，低磷胁迫造成耐低磷基因型水稻籽粒锰吸收量显著下降[26]。河北曲周的田间试验表明，随供磷水平增加，不同生育时期小麦锰浓度与累积量均显著增加[4]。也有报道称施用磷肥在缓解部分作物的锰毒性方面有重要作用，如小麦、马铃薯和大豆[27-29]，说明不同供磷水平下作物对锰的吸收利用情况存在差异，且与土壤pH、有效磷和有效锰含量等性质有关。【本研究切入点】对于施磷量与小麦产量的关系已有大量研究，但不同土壤供磷水平下，磷肥减施对于小麦产量及微量元素锰的影响，缺乏系统研究。明确不同土壤有效磷水平下，减施磷引起的小麦产量和籽粒锰含量变化，对基于土壤有效磷管理和优化磷肥用量，保证小麦稳产增产和优质生产有重要意义。【拟解决的关键问题】为进一步探究磷肥减施引起的小麦产量与锰含量变化对土壤有效磷的响应，本文在我国北方的山西、陕西、甘肃、宁夏、内蒙古、新疆、黑龙江和青海等地34个地点布置了田间试验，研究不同土壤有效磷水平下施磷处理引起的小麦籽粒产量、籽粒锰含量、地上部锰吸收量、锰收获指数和土壤有效锰含量的变化，探明减施磷肥引起的小麦产量和籽粒锰含量变化对土壤有效磷的响应，以期为区域小麦科学优化施磷、绿色丰产优质生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

于2018—2019年，在我国山西、陕西、甘肃、宁夏、内蒙古、新疆、黑龙江、青海八省区34个地点布置田间试验，其中甘肃部分地区、宁夏、内蒙古、新疆部分地区和青海种植春小麦；山西、陕西、甘肃陇东和新疆部分地区种植冬小麦。各试验点降水、气温与0—20 cm土层的土壤理化性质见附表1。

1.2 试验设计

试验设3个处理，分别为农户施肥（FF）、监控施肥（RF）和监控无磷（RF-P）。其中，农户施肥处理为调研得到的试验当地30个以上小麦种植户施用氮、磷、钾肥料用量的平均值；监控施肥的施肥量由监控施肥技术确定，该方法通过土壤养分丰缺指标，结合目标产量的养分需求量，确定氮、磷、钾肥的用量[30-31]；监控无磷处理不施磷肥，氮、钾肥施用量均同监控施肥处理。小区面积大于300 m2，田间小区排列采用完全随机区组设计，重复3次，各试验地点种植的品种为当地主栽品种，田间管理措施与当地农户相同。各地的施肥量和小麦品种见附表1。

1.3 样品采集与测定

于小麦收获前5 d采样。在小区内选择长10 m、宽5 m小麦长势均匀的区域作为采样区。在采样区内随机采集100穗的小麦全株[31-32]，在根茎结合处将根剪除，地上部分作为1个考种和化学分析的样品，用于穗粒数、千粒重及收获指数和植株不同部位养分测定。在采样区内小麦行间随机选取均匀分布的5个点，取0—20 cm土层的土样，捏碎混匀，取500 g作为土壤理化性状测定样品。

将收集的100穗小麦样品茎叶和穗分开，自然风干，麦穗手工脱粒，分为籽粒和颖壳（含穗轴）。取部分茎叶、颖壳和籽粒样品，用去离子水清洗3次，于90℃预烘30 min，65℃烘干至恒重，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，密封保存备用[33]。全锰含量用HNO3-H2O2微波消解仪（Anton Paar Multiwave Pro Microwave Reaction System，奥地利）消解，并用电感耦合等离子体质谱仪（Thermo Fisher ICAP Q ICP-MS，美国）进行测定。小麦产量为各小区实际收获产量，产量与养分含量均以烘干重为基数表示。

土壤样品风干后分别过1 mm和0.15 mm筛，其中过1 mm筛的土样用来测定pH、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾和有效锰；过0.15 mm筛的土样用来测定有机质。土壤pH用pH计测定，水土比为1﹕2.5。硝、铵态氮用1 mol·L-1KCl浸提，速效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，均用连续流动分析仪（SEAL Analytical AA3，德国）测定。速效钾用1 mol·L-1NH4OAc浸提，由火焰光度计（Sherwood M410，英国）测定[34]。有效锰用DTPA—TEA浸提，由原子吸收分光光度计（PE PinAAcle500，美国）测定。有机质用重铬酸钾外加热法测定[33]。

1.4 数据处理与统计分析

1.4.1 土壤有效磷含量分组 将所有地点各处理按照监控施肥处理的土壤有效磷含量从低到高进行排列，分为＜10、10—20、20—30、30—40、＞40 mg·kg-15个组，分析北方八省区施磷引起的小麦产量和籽粒锰含量变化与土壤有效磷含量的关系。

1.4.2 相关指标及计算

籽粒锰吸收量（g·hm-2）=籽粒锰含量（mg·kg-1）×籽粒产量（kg·hm-2）/1000；

地上部锰吸收量（g·hm-2）=[籽粒锰含量（mg·kg-1）×籽粒产量（kg·hm-2）+茎叶锰含量（mg·kg-1）×茎叶生物量（kg·hm-2）+ 颖壳锰含量（mg·kg-1）×颖壳生物量（kg·hm-2）]/1000；

锰收获指数（%）=籽粒锰吸收量（g·hm-2）/地上部锰吸收量（g·hm-2）×100[35]。

数据使用Microsoft Excel 2016进行整理，Origin 2018作图，IBM SPSS Statistics统计分析，多重比较采用 LSD（Least Significant Difference）法，差异显著水平为0.05（＜0.05）。

2 结果

2.1 北方八省农户的小麦籽粒产量与锰含量分布

北方八省区农户的小麦产量介于1 783—8 753 kg·hm-2，平均值为6 222 kg·hm-2（图1-a）。34个试验点中，小麦产量＜2 000 kg·hm-2的试验点占2.9%，产量＞8 000 kg·hm-2的占14.7%。产量＜2 000 kg·hm-2的试验点分布于山西，该点的土壤有效磷含量较低；产量＞8 000 kg·hm-2的试验点主要位于青海、甘肃、宁夏。

北方八省区农户的小麦籽粒锰含量存在显著性的地区差异（图1-b），介于23—68 mg·kg-1，平均值为43.6 mg·kg-1。34个试验点中，籽粒锰含量＜32 mg·kg-1的试验点占8.8%，＞44 mg·kg-1的占36.8%。籽粒锰含量＜32 mg·kg-1的地点主要分布在甘肃和新疆。籽粒锰含量＞44 mg·kg-1的试验点在山西、陕西、甘肃、宁夏、新疆、内蒙古、黑龙江等都有分布，可见小麦籽粒锰过量的问题应引起重视。

图1 北方八省小麦产量（a）与籽粒锰含量（b）的频数分布

2.2 小麦籽粒产量、生物量及收获指数

小麦籽粒产量与地上部生物量随土壤有效磷水平升高而增加。土壤有效磷含量＜10、10—20、20—30、30—40、＞40 mg·kg-1时，不同处理小麦籽粒产量的平均值分别为5 003、6 242、7 484、6 281和5 317 kg·hm-2，生物量的平均值分别为9 663、12 887、14 097、11 745和12 802 kg·hm-2，其中以土壤有效磷20—30 mg·kg-1时最高，之后又显著降低，分别较其他有效磷水平时提高19.2%—49.6%和9.4%—45.9%。不同土壤有效磷含量时，小麦收获指数平均值分别为47.7%、49.0%、49.2%、44.8%和45.6%，差异不显著。

农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理小麦产量的平均值分别为6 222、6 358和6 002 kg·hm-2，生物量平均值分别为12 276、13 091和12 362 kg·hm-2，收获指数平均值为48.2%、48.3%和47.3%（图2）。土壤有效磷含量＞40 mg·kg-1时，农户施肥的小麦产量和生物量显著低于监控施肥，有效磷含量＜10和＞40 mg·kg-1时，监控无磷处理的小麦产量及生物量显著低于监控施肥，其余有效磷水平无差异。不同有效磷水平下的农户施肥、监控施肥处理的产量、地上部生物量平均值无显著差异，但两者均显著高于监控无磷处理。不同土壤有效磷水平下收获指数及其处理间平均值均无显著差异。

2.3 小麦产量构成

小麦产量三要素因土壤有效磷水平不同而异。各处理的穗数随有效磷含量的升高而增加，当有效磷含量＞40 mg·kg-1时平均穗数最高，比其他有效磷水平提高35.6%—76.1%。穗粒数亦随有效磷含量升高而提高，当有效磷含量20—30 mg·kg-1时平均穗粒数最高，较其他有效磷水平提高3.8%—29.1%。千粒重平均值则在有效磷10—20 mg·kg-1时最高，之后显著降低，比其他有效磷水平提高0.8%—25.8%。

不同土壤有效磷水平下（表1），农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理小麦穗数的平均值分别为502×104、500×104和480×104·hm-2，穗粒数的平均值分别为每穗32、33和32粒，千粒重的平均值分别为44.7、44.6和45.2 g。土壤有效磷含量＜10和10—20 mg·kg-1时，农户和监控施肥的穗数显著高于监控无磷处理，分别提高10.3%和9.9%、7.8%和6.9%；有效磷含量＞40 mg·kg-1时，监控施肥比监控无磷提高6.4%。土壤有效磷含量＜10 mg·kg-1时，农户施肥和监控施肥处理的穗粒数显著高于监控无磷处理，提高了14.9%和9.3%。整体来看，农户施肥和监控施肥的小麦穗数显著高于监控无磷处理，3个处理穗粒数和千粒重平均值没有显著差异。

2.4 小麦籽粒锰含量

随土壤有效磷水平提高，小麦籽粒锰含量有显著升高趋势。不同土壤有效磷水平时，籽粒锰含量平均值分别为42.1、42.4、42.0、42.0和45.6 mg·kg-1（图3），其中土壤有效磷含量＞40 mg·kg-1时，小麦籽粒锰含量平均值最高，显著高于其他有效磷水平；当土壤有效磷含量＜40 mg·kg-1时，各有效磷水平之间小麦籽粒锰含量无显著差异。

误差线表示均数标准差。不同小写字母表示处理之间差异显著性（P＜0.05），不同大写字母表示不同土壤有效磷含量梯度之间差异显著性（P＜0.05）。下同。图b中柱状图为地上部生物量，折线图为收获指数变化趋势

表1 不同土壤有效磷（0—20 cm土层）水平下小麦的产量三要素

土壤不同有效磷水平时（图3），农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的籽粒锰含量平均值分别为43.6、42.8和42.6 mg·kg-1。与农户施肥相比，监控无磷小麦籽粒锰含量显著降低2.4%，但监控施肥并没有显著降低小麦籽粒锰含量。土壤不同有效磷含量＜10 mg·kg-1时，与农户施肥相比，监控施肥和监控无磷处理籽粒锰含量显著降低6.3%和4.4%；有效磷含量20—30 mg·kg-1时，监控无磷处理的籽粒锰含量显著低于农户和监控施肥处理。

图3 北方麦区小麦籽粒锰含量对0—20 cm土层不同土壤有效磷和监控施磷的响应。

2.5 小麦锰吸收量与锰收获指数

试验研究发现，小麦籽粒和地上部锰吸收量及收获指数均随土壤有效磷水平升高而增加（表2），土壤有效磷含量20—30 mg·kg-1时，农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的小麦籽粒锰吸收量及地上部锰吸收量的平均值均最高，分别为319和694 g·hm-2，比其他土壤有效磷水平分别提高18.2%—41.0%和20.7%—34.1%。土壤有效磷含量10—20 mg·kg-1时，各处理锰收获指数平均值最高，为51.8%，比其他有效磷水平时提高10.3%—17.1%。

监控无磷处理的小麦籽粒和地上部锰吸收量显著低于农户施肥和监控施肥处理。当土壤有效磷含量＜10、20—30和＞40 mg·kg-1时，与监控施肥相比，监控无磷处理的籽粒锰吸收量显著降低了13.0%、5.3%和15.6%，地上部锰吸收量显著降低了4.5%、11.8%和40.8%。不同土壤有效磷水平时，农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理锰收获指数及其对应的平均值均无显著差异。

2.6 土壤有效锰与土壤有效磷的关系

试验研究发现，农户施肥的施磷量为110—149 kg·hm-2，显著高于监控施肥的61—80 kg·hm-2。在5个不同土壤有效磷水平下，农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的土壤有效锰平均含量分别为8.0、6.6、7.6、9.9和37.5 mg·kg-1（表3），且当土壤有效磷含量＞40 mg·kg-1时，土壤有效锰含量显著高于其他水平。分析土壤有效磷含量＞40 mg·kg-1的地点发现，主要分布在甘肃、新疆、黑龙江。3个处理的土壤有效锰含量均与小麦籽粒锰含量正相关，其中在农户施肥与监控施肥处理下，相关达显著水平（表3）。

表2 不同土壤有效磷（0—20 cm土层）水平下小麦籽粒锰吸收量、地上部锰吸收量和锰收获指数

表3 不同土壤有效磷（0—20 cm土层）水平下施磷量与土壤有效锰含量

*表示显著相关（＜0.05），样品数为260个* Indicates significant correlation at＜0.05,=260

3 讨论

3.1 小麦产量与土壤有效磷及施磷量的关系

本研究通过测定34个试验地点的样品发现，土壤有效磷含量过高或过低均不利于小麦产量提升，土壤有效磷水平介于20—30 mg·kg-1时，不同施肥处理的小麦产量最高。从干物质累积情况来看，当土壤有效磷水平较低时，地上部生物量降低是其产量低的主要原因；土壤有效磷水平＞30 mg·kg-1时，产量降低主要源于地上部生物量和收获指数的降低。从产量构成来看，土壤有效磷水平＜20 mg·kg-1时，穗数、穗粒数和千粒重降低是产量下降的主要原因；土壤有效磷＞30 mg·kg-1时，穗粒数和千粒重显著下降是产量未能持续增加的主要原因。北京昌平22年的定位试验也发现，随土壤有效磷增加小麦产量增加，但土壤有效磷含量＞12.5 mg·kg-1时不会再进一步增加小麦产量[36]。华北潮土区25年的定位试验表明，土壤有效磷含量＜13.1 mg·kg-1时，小麦产量随土壤有效磷的增加而增加[37]。太湖地区33年的定位试验中，小麦水稻轮作系统土壤有效磷为4.08 mg·kg-1时，小麦产量达到最高[38]。杨凌土区小麦玉米轮作体系的土壤有效磷为14.6 mg·kg-1时，小麦产量达到最大[21]。本研究中，监控施肥通过土壤养分丰缺状况，结合目标产量的养分需求量，确定氮磷钾肥的用量。因此，与农户盲目施肥相比，监控施肥处理中施磷量平均降低了45.4%，减少了土壤磷素过量与淋溶的风险，但监控施肥下的小麦产量与农户施肥相比并没有降低。上述结果说明，若要维持小麦稳定高产，应使土壤有效磷水平维持20—30 mg·kg-1，在此基础上采用监控施肥技术科学优化磷肥施用不会降低小麦产量。

3.2 小麦籽粒锰含量对土壤有效磷及施磷量的响应

本研究表明，在我国北方八省区，小麦籽粒锰含量＜32 mg·kg-1的试验点占8.8%，＞44 mg·kg-1的占36.8%，小麦籽粒锰含量偏高的问题应引起注意。磷供应水平影响小麦籽粒锰含量的机制可能有多种，一是影响土壤有效锰含量，二是与不同磷水平下作物根系本身的吸收能力有关。

结果表明，在较高的土壤有效磷水平下，小麦籽粒锰含量显著提高，且土壤有效磷含量＞10 mg·kg-1时，土壤有效锰含量亦随土壤有效磷含量的升高而提高，小麦籽粒锰含量及土壤有效锰含量均在土壤有效磷含量＞40 mg·kg-1时达最高（表3，图3）。这说明在北方八省，随着土壤有效磷水平提高，土壤有效锰含量随之增加，而土壤有效锰含量的增加又促进小麦籽粒锰含量的提高。对于供磷水平的增加影响土壤有效锰的相关机制，可能是磷促进作物根系低分子量有机酸的分泌，或促进土壤中过磷酸盐的溶解及硝化作用产生的酸性磷酸铵生成，进而活化了土壤中的锰向利于作物吸收的络合态形式转化[39-40]。黄德明等[23]的研究结果也说明在一定条件下作物籽粒中的锰含量随着土壤供磷量的增加而升高。

本研究还发现，当土壤有效磷水平较低时，磷肥减施能够有效降低小麦籽粒锰含量，而土壤有效锰含量并未显著降低。土壤有效磷含量＜10及20—30 mg·kg-1时，无磷处理的小麦籽粒锰含量、地上部锰吸收量、籽粒锰吸收量均显著低于农户施肥。上述结果说明，除影响土壤有效锰含量外，磷供应水平还可能直接影响了作物根系的吸收能力。当土壤有效磷含量低时，减施磷肥可能通过抑制作物根系吸收能力，降低了作物锰吸收和籽粒锰含量[4]。已有研究表明，磷作为作物必需营养元素之一，与根系的生长发育和形态性状有着密切的关系[41-42]。适量的施磷可以促进根系的生长，增加根系干重、根长密度、根表面积和根体积，增大了根系在土壤中的养分吸收空间，进而促进了根系对锰的吸收[43]。

3.3 基于土壤有效磷的小麦产量和锰营养调控与施磷优化

过量施磷无助于增产，盲目不施磷肥也会有减产风险。本试验表明，当土壤有效磷水平＜10 mg·kg-1时，当年内不施磷肥即可导致小麦减产，为保证小麦增产应当科学施用磷肥；土壤有效磷水平介于10—40 mg·kg-1时，增施磷肥并不能显著提高产量；当土壤有效磷水平＞40 mg·kg-1时，过量施用磷肥可能导致减产。河南郑州25年的定位试验表明，土壤有效磷含量＞13.1 mg·kg-1时，减少或短时间停止施用磷肥不会导致小麦减产[37]。昌平、郑州、杨凌三地15年的定位试验表明，当土壤有效磷为12.5、14.6、21.7 mg·kg-1时，其相对产量达最大，当土壤有效磷增加时，减少施磷量不会降低小麦产量[44]。苏州33年的定位试验表明，水稻土有较高的土壤有效磷，即使不施用磷肥，也能长期提供小麦所需的磷而不减产[38]。因此，为保证最高的产量水平，应当通过科学施磷，使土壤有效磷水平维持在20—30 mg·kg-1。本研究中，较高的土壤有效磷及磷肥投入，均促进了籽粒中锰的累积。当土壤有效磷＞40 mg·kg-1时，小麦籽粒锰平均含量＞44 mg·kg-1，需要注意籽粒因摄入锰含量过高而导致人体健康风险。因此，综合考虑小麦产量及籽粒锰含量，为保证小麦高产优质，应通过科学施肥使我国北方麦区土壤有效磷含量维持在20—30 mg·kg-1，土壤有效锰介于8.0—9.9 mg·kg-1。

4 结论

在我国北方八省区，小麦产量平均为6 066 kg·hm-2，籽粒锰含量平均为42 mg·kg-1，籽粒锰含量偏高的问题应引起注意。随土壤有效磷含量增加，小麦产量和籽粒锰含量均显著提高，产量在土壤有效磷含量20—30 mg·kg-1时最高，籽粒锰含量在有效磷含量＞40 mg·kg-1时最高。监控施肥与农户施肥处理相比，其磷肥用量平均降低了45.4%，但两者产量分别为6 358和6 222 kg·hm-2，籽粒锰含量分别为42.8和43.6 mg·kg-1，无显著差异。不同土壤有效磷水平下，监控施肥处理的小麦产量均未显著降低；土壤有效磷含量＜10 mg·kg-1时，不施磷肥降低了小麦籽粒锰含量，但也降低了产量，而监控施肥仅降低了籽粒锰含量；其他土壤有效磷水平下，监控施肥均不降低籽粒锰含量。土壤有效锰含量亦随有效磷含量的提高而升高，小麦籽粒锰含量与土壤有效锰含量呈显著正相关。在北方八省区，采用监控施肥技术科学优化施磷，使土壤有效磷含量维持在20—30 mg·kg-1，可实现小麦高产和适宜的籽粒锰含量；但当土壤有效磷含量＜10 mg·kg-1，不施磷肥虽能降低小麦籽粒锰含量，却存在减产的风险。

[1] BROOKS A, WOO K C, WONG S C. Effects of phosphorus nutrition on the response of photosynthesis to CO2and O2, activation of ribulose bisphosphate carboxylase and amounts of ribulose bisphosphate and 3-phosphoglycerate in spinach leaves. Photosynthesis Research, 1988, 15(2): 133-141. doi:10.1007/BF00035257.

[2] KHAN A, LU G Y, AYAZ M, ZHANG H T, WANG R J, LV F L, YANG X Y, SUN B H, ZHANG S L. Phosphorus efficiency, soil phosphorus dynamics and critical phosphorus level under long-term fertilization for single and double cropping systems. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2018, 256: 1-11. doi:10.1016/j.agee.2018. 01.006.

[3] 曹寒冰, 王朝辉, 赵护兵, 马小龙, 佘旭, 张璐, 蒲岳建, 杨珍珍, 吕辉, 师渊超, 杜明叶. 基于产量的渭北旱地小麦施肥评价及减肥潜力分析. 中国农业科学, 2017, 50(14): 2758-2768. doi:10.3864/ j.issn.0578-1752.2017.14.012.

CAO H B, WANG Z H, ZHAO H B, MA X L, SHE X, ZHANG L, PU Y J, YANG Z Z, LÜ H, SHI Y C, DU M Y. Yield based evaluation on fertilizer application and analysis of its reduction potential in Weibei dryland wheat production. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(14): 2758-2768. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2017. 14.012. (in Chinese)

[4] 张伟. 供磷水平对小麦玉米锌吸收、累积的影响及其作用机制[D]. 北京: 中国农业大学, 2017.

ZHANG W. The mechanisms of zinc uptake and accumulation in wheat and maize as affected by phosphorus levels[D]. Beijing: China Agricultural University, 2017. (in Chinese)

[5] ULLAH A, FAROOQ M, REHMAN A, ARSHAD M S, SHOUKAT H, NADEEM A, NAWAZ A, WAKEEL A, NADEEM F. Manganese nutrition improves the productivity and grain biofortification of bread wheat in alkaline calcareous soil. Experimental Agriculture, 2018, 54(5): 744-754. doi:10.1017/s0014479717000369.

[6] DISMUKES G C. The metal centers of the photosynthetic oxygen- evolving complex. Photochemistry and Photobiology, 1986, 43(1): 99-115. doi:10.1111/j.1751-1097.1986.tb05598.x.

[7] ROBSON A D. Manganese in Soils and Plants.Glen Osmond: Kluwer Academic Publishers, 1988: 329-333.

[8] PUBLICATIONS W. Book review: Trace elements in human nutrition and health. Nutrition and Health, 1996, 11: 133-134. doi:10. 1177/026010609601100206.

[9] KHAN K, WASSERMAN G A, LIU X H, AHMED E, PARVEZ F, SLAVKOVICH V, LEVY D, MEY J, VAN GEEN A, GRAZIANO J H, FACTOR-LITVAK P. Manganese exposure from drinking water and children's academic achievement. Neuro Toxicology, 2012, 33(1): 91-97. doi:10.1016/j.neuro.2011.12.002.

[10] BOUCHARD M F, SAUVÉ S, BARBEAU B, LEGRAND M, BRODEUR M È, BOUFFARD T, LIMOGES E, BELLINGER D C, MERGLER D. Intellectual impairment in school-age children exposed to manganese from drinking water. Environmental Health Perspectives, 2011, 119(1): 138-143. doi:10.1289/ehp.1002321.

[11] BOUCHARD M, LAFOREST F, VANDELAC L, BELLINGER D, MERGLER D. Hair manganese and hyperactive behaviors: Pilot study of school-age children exposed through tap water. Environmental Health Perspectives, 2007, 115(1): 122-127. doi:10.1289/ehp.9504.

[12] YE Q, PARK J E, GUGNANI K, BETHARIA S, PINO-FIGUEROA A, KIM J. Influence of iron metabolism on manganese transport and toxicity. Metallomics, 2017, 9(8): 1028-1046. doi:10.1039/c7mt00079k.

[13] 中国营养学会. 中国居民膳食营养素参考摄入量. 2013版. 北京: 科学出版社, 2014.

Chinese Nutrition Society. Chinese Dietary Reference Intakes. 2013 ed. Beijing: Science Press, 2014. (in Chinese)

[14] 国家卫生计生委. 中国居民营养与慢性病状况报告-2015年. 北京: 人民卫生出版社, 2015.

National Health and Family Planning Commission Disease Prevention and Control Bureau. Report on the Status of Nutrition and Chronic Diseases of Chinese Residents (2015). Beijing: People's Medical Publishing House, 2015. (in Chinese)

[15] SHI M, HOU S B, SUN Y Y, DANG H Y, SONG Q Y, JIANG L G, CAO W, WANG H L, HE X H, WANG Z H. Regional wheat grain manganese and its potential risks affected by soil pH and precipitation. Journal of Cleaner Production, 2020, 264: 121677. doi:10.1016/j. jclepro.2020.121677.

[16] 冯媛媛, 申艳, 徐明岗, 田应兵, 任凤铃, 段英华. 施磷量与小麦产量的关系及其对土壤、气候因素的响应. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(4): 683-691. doi:10.11674/zwyf.18171.

FENG Y Y, SHEN Y, XU M G, TIAN Y B, REN F L, DUAN Y H. Relationship between phosphorus application amount and grain yield of wheat and its response to soil and climate factors. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(4): 683-691. doi:10.11674/zwyf. 18171. (in Chinese)

[17] 曲浩彬. 施磷量对不同穗型小麦分蘗发生及产量的影响[D]. 泰安: 山东农业大学, 2020.

QU H B. Effects of phosphorus application on tillering occurrence and yield of wheat with different panicle types[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2020. (in Chinese)

[18] 李茹, 单燕, 李水利, 林文, 刘芬, 同延安. 陕西麦田土壤肥力与施肥现状评估. 麦类作物学报, 2015, 35(1): 105-110. doi:10.7606/ j.issn.1009-1041.2015.01.16.

LI R, SHAN Y, LI S L, LIN W, LIU F, TONG Y N. Analysis of soil fertility and fertilization of wheat field in Shaanxi. Journal of Triticeae Crops, 2015, 35(1): 105-110. doi:10.7606/j.issn.1009-1041.2015.01. 16. (in Chinese)

[19] RAHIM A, RANJHA A M, MOMIN R, WARAICH E. Effect of phosphorus application and irrigation scheduling on wheat yield and phosphorus use efficiency. Soil and Environment, 2010, 29(1): 15-22.

[20] 赵荣芳, 邹春琴, 张福锁. 长期施用磷肥对冬小麦根际磷、锌有效性及其作物磷锌营养的影响. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(3): 368-372. doi:10.3321/j.issn: 1008-505X.2007.03.003.

ZHAO R F, ZOU C Q, ZHANG F S. Effects of long-term P fertilization on P and Zn availability in winter wheat rhizoshpere and their nutrition. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(3): 368-372. doi:10.3321/j.issn: 1008-505X.2007.03.003. (in Chinese)

[21] BAI Z H, LI H G, YANG X Y, ZHOU B K, SHI X J, WANG B R, LI D C, SHEN J B, CHEN Q, QIN W, OENEMA O, ZHANG F S. The critical soil P levels for crop yield, soil fertility and environmental safety in different soil types. Plant and Soil, 2013, 372(1/2): 27-37. doi:10.1007/s11104-013-1696-y.

[22] 惠晓丽, 王朝辉, 罗来超, 马清霞, 王森, 戴健, 靳静静. 长期施用氮磷肥对旱地冬小麦籽粒产量和锌含量的影响. 中国农业科学, 2017, 50(16): 3175-3185. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2017.16.012.

HUI X L, WANG Z H, LUO L C, MA Q X, WANG S, DAI J, JIN J J. Winter wheat grain yield and Zn concentration affected by long-term N and P application in dryland. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(16): 3175-3185. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2017.16.012. (in Chinese)

[23] 黄德明, 徐秋明, 李亚星, 姚志东. 土壤氮、磷营养过剩对微量元素锌、锰、铁、铜有效性及植株中含量的影响. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(5): 966-970. doi:10.3321/j.issn: 1008-505x. 2007.05.032.

HUANG D M, XU Q M, LI Y X, YAO Z D. Influence of soil N and P excess on the availability of Zn, Mn, Fe, Cu and there content in plant. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(5): 966-970. doi:10. 3321/j.issn:1008-505x.2007.05.032. (in Chinese)

[24] ZHU Y G, SMITH F A, SMITH S E. Phosphorus efficiencies and their effects on Zn, Cu, and Mn nutrition of different barley () cultivars grown in sand culture. Australian Journal of Agricultural Research, 2002, 53(2): 211. doi:10.1071/ar01085.

[25] MARSH K B, PETERSON L A, MCCOWN B H. A microculture method for assessing nutrient uptake II. The effect of temperature on manganese uptake and toxicity in potato shoots. Journal of Plant Nutrition, 1989, 12(2): 219-232. doi:10.1080/01904168909363947.

[26] 吴照辉, 贺立源, 严昶, 门玉英. 低磷胁迫对水稻铁、锰吸收和积累的影响. 应用与环境生物学报, 2010, 16(2):185-191.

WU Z H, HE L Y, YAN C, MEN Y Y. Effect of low phosphorus stress on Fe and Mn absorption and accumulation by rice shoots. Chinese Journal of Applied & Environmental Biology, 2010, 16(2):185-191. (in Chinese)

[27] NEILSEN D, NEILSEN G H, SINCLAIR A H, LINEHAN D J. Soil phosphorus status, pH and the manganese nutrition of wheat. Plant and Soil, 1992, 145(1): 45-50. doi:10.1007/BF00009540.

[28] SARKAR D, PANDEY S K, SUD K C, CHANEMOUGASOUNDHARAM A.characterization of manganese toxicity in relation to phosphorus nutrition in potato (L.). Plant Science, 2004, 167(5): 977-986. doi:10.1016/j.plantsci.2004.05.022.

[29] NOGUEIRA M A, NEHLS U, HAMPP R, PORALLA K, CARDOSO E J B N. Mycorrhiza and soil bacteria influence extractable iron and manganese in soil and uptake by soybean. Plant and Soil, 2007, 298(1/2): 273-284. doi:10.1007/s11104-007-9379-1.

[30] 曹寒冰, 王朝辉, 师渊超, 杜明叶, 雷小青, 张文忠, 张璐, 蒲岳建. 渭北旱地冬小麦监控施氮技术的优化. 中国农业科学, 2014, 47(19): 3826-3838. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.19.011.

CAO H B, WANG Z H, SHI Y C, DU M Y, LEI X Q, ZHANG W Z, ZHANG L, PU Y J. Optimization of nitrogen fertilizer recommendation technology based on soil test for winter wheat on Weibei dryland. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(19): 3826-3838. doi:10.3864/ j.issn.0578-1752.2014.19.011. (in Chinese)

[31] 戴健, 王朝辉, 李强, 李孟华, 李富翠. 氮肥用量对旱地冬小麦产量及夏闲期土壤硝态氮变化的影响. 土壤学报, 2013, 50(5): 956-965. doi:10.11766/trxb201212100507.

DAI J, WANG Z H, LI Q, LI M H, LI F C. Effects of nitrogen application rate on winter wheat yield and soil nitrate nitrogen during summer fallow season on dryland. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(5): 956-965. doi:10.11766/trxb201212100507. (in Chinese)

[32] 黄倩楠, 王朝辉, 黄婷苗, 侯赛宾, 张翔, 马清霞, 张欣欣. 中国主要麦区农户小麦氮磷钾养分需求与产量的关系. 中国农业科学, 2018, 51(14): 2722-2734. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.14.010.

HUANG Q N, WANG Z H, HUANG T M, HOU S B, ZHANG X, MA Q X, ZHANG X X. Relationships of N, P and K requirement to wheat grain yield of farmers in major wheat production regions of China. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(14): 2722-2734. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.14.010. (in Chinese)

[33] 黄宁, 王朝辉, 王丽, 马清霞, 张悦悦, 张欣欣, 王瑞. 我国主要麦区主栽高产品种产量差异及其与产量构成和氮磷钾吸收利用的关系. 中国农业科学, 2020, 53(1): 81-93. doi:10.3864/j.issn.0578-1752. 2020.01.008.

HUANG N, WANG Z H, WANG L, MA Q X, ZHANG Y Y, ZHANG X X, WANG R. Yield variation of winter wheat and its relationship to yield components, NPK uptake and utilization of leading and high yielding wheat cultivars in main wheat production regions of China. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(1): 81-93. doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.01.008. (in Chinese)

[34] 鲍士旦. 土壤农化分析. 3版. 北京: 中国农业出版社, 2000.

BAO S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis. 3rd ed. Beijing: Chinese Agriculture Press, 2000. (in Chinese)

[35] 何刚, 王朝辉, 李富翠, 戴健, 李强, 薛澄, 曹寒冰, 王森, 刘慧, 罗来超, 黄明. 地表覆盖对旱地小麦氮磷钾需求及生理效率的影响. 中国农业科学, 2016, 49(9):1657-1671.

HE G, WANG Z H, LI F C, DAI J, LI Q, XUE C, CAO H B, WANG S, LIU H, LUO L C, HUANG M. Nitrogen, phosphorus and potassium requirement and their physiological efficiency for winter wheat affected by soil surface managements in dryland. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(9):1657-1671. (in Chinese)

[36] XI B, ZHAI L M, LIU J, LIU S, WANG H Y, LUO C Y, REN T Z, LIU H B. Long-term phosphorus accumulation and agronomic and enviromental critical phosphorus levels in Haplic Luvisol soil. Northern China. Journal of Integrative Agriculture, 2016, 15(1): 200-208. doi:10.1016/S2095-3119(14)60947-3.

[37] 郭斗斗, 黄绍敏, 张水清, 张珂珂, 宋晓. 潮土小麦和玉米Olsen-P农学阈值及其差异分析. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(5): 1184-1190. doi:10.11674/zwyf.17043.

GUO D D, HUANG S M, ZHANG S Q, ZHANG K K, SONG X. Threshold values of soil Olsen-P for maize and wheat in fluvo-aquic soil. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(5): 1184-1190. doi:10.11674/zwyf.17043. (in Chinese)

[38] SHI L L, SHEN M X, LU C Y, WANG H H, ZHOU X W, JIN M J, WU T D. Soil phosphorus dynamic, balance and critical P values in long-term fertilization experiment in Taihu Lake region, China. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(12): 2446-2455. doi:10.1016/S2095-3119(15)61183-2.

[39] ADAMS F. The Role of Phosphorus in Agriculture.Amsterdam: Elsevier, 1980: 655-680.

[40] 张淑香, 王小彬, 金柯, 李秀英, 周勇, 姚宇卿. 干旱条件下氮、磷水平对土壤锌、铜、锰、铁有效性的影响. 植物营养与肥料学报, 2001, 7(4): 391-396. doi:10.3321/j.issn: 1008-505X.2001.04.006.

ZHANG S X, WANG X B, JIN K, LI X Y, ZHOU Y, YAO Y Q. Effect of different N and P levels on availability of zinc, copper, manganese and iron under arid conditions. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2001, 7(4): 391-396. doi:10.3321/j.issn: 1008-505X. 2001.04.006. (in Chinese)

[41] CHASSOT A, RICHNER W. Root characteristics and phosphorus uptake of maize seedlings in a bilayered soil. Agronomy Journal, 2002, 94(1): 118. doi:10.2134/agronj2002.0118.

[42] 廖红, 严小龙. 菜豆根构型对低磷胁迫的适应性变化及基因型差异. 植物学报, 2000, 42(2): 158-163.

LIAO H, YAN X L. Adaptive changes and genotypic variation for root architecture of common bean in response to phosphorus deficiency. Acta Botanica Sinica, 2000, 42(2): 158-163. (in Chinese)

[43] 金剑, 王光华, 刘晓冰, 陈雪丽, 李兴国. 不同施磷量对大豆苗期根系形态性状的影响. 大豆科学, 2006, 25(4): 360-364. doi:10.3969/j.issn.1000-9841.2006.04.005.

JIN J, WANG G H, LIU X B, CHEN X L, LI X G. Effect of different phosphorus regimes on root morphological characteristics of soybean seedling. Soybean Science, 2006, 25(4): 360-364. doi:10.3969/j.issn. 1000-9841.2006.04.005. (in Chinese)

[44] TANG X, MA Y B, HAO X Y, LI X Y, LI J M, HUANG S M, YANG X Y. Determining critical values of soil Olsen-P for maize and winter wheat from long-term experiments in China. Plant and Soil, 2009, 323(1/2): 143-151. doi:10.1007/s11104-009-9919-y.

Optimal Management of Phosphorus Fertilization Based on the Yield and Grain Manganese Concentration of Wheat

1College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi;2Northwest A & F University/State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling 712100, Shaanxi

【】To keep the manganese (Mn) nutritional balance of wheat grains and ensure the safety, yield and quality in wheat production region of eight provinces in Northern China, the changes of concentration and accumulation of Mn in wheat grains and grains yield at different levels of soil available phosphorus (P) and different treatments of P fertilization were investigated. 【】During 2018-2019, 34-site field experiments were conducted with three P treatments, including farmers’ fertilizer application (FF), recommended fertilizer application based on soil nitrate and P test (RF), and recommended fertilizer application without P (RF-P). The wheat yield, the concentration of Mn in wheat grain were tested, and the effects of P fertilization on wheat yield and the Mn concentration of grain at different levels of soil available P were studied. 【Result】In wheat production region of eight provinces in Northern China, the average wheat yield was 6 066 kg·hm-2, and the average concentration of Mn in grains was 42 mg·kg-1. Those test sites with concentration of Mn in grains less than 32 mg·kg-1or higher than 44 mg·kg-1,accounted for 8.8% and 36.8%, respectively, which suggested that the problem of high concentration of Mn in grains should be paid attention to. With the increase of soil available P, both wheat yield and concentration of Mn in grains increased significantly. The wheat yield reached to the highest when the available P was in the range of 20-30 mg·kg-1, while the concentration of Mn in grains reached to the highest when the available P＞40 mg·kg-1. P fertilizer was reduced with an average of 45.4% under the RF treatment. However, the wheat yields of RF and FF were 6 358 and 6 222 kg·hm-2, respectively, and the concentration of Mn in grains were 42.8 and 43.6 mg·kg-1, respectively, which showed no significant difference. At different levels of soil available P, RF could maintain a high wheat yield. When soil available P＜10 mg·kg-1, RF-P reduced not only the concentration of Mn in grains, but also reduced the wheat yield, while RF only reduced the concentration of Mn in grains. RF did not reduce the concentration of Mn in grains under other levels of soil available P. In addition, the concentration of diethylene triamine pentaacetic acid-manganese (DTPA-Mn) in soil increased following the increasing of soil available P. Furthermore, the concentration of Mn in grains were positively correlated with the concentration of soil DTPA-Mn. 【】In wheat production region of eight provinces in Northern China, the soil available P should be maintained in the range of 20-30 mg·kg-1to achieve high wheat yield and suitable concentration of Mn in grains. The use of RF technology would not reduce the wheat yield. RF-P reduced the concentration of Mn in grains when the soil available P＜10 mg·kg-1, but there was a risk of reducing the wheat yield.

wheat; available phosphorus concentration; grain yield; phosphorus fertilizer; grain manganese concentration

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.09.009

2021-03-05；

2021-05-06

国家重点研发计划（2018YFD0200408，2018YFD0200400）、国家自然科学基金（41907123）、中国博士后基金（2019M663838）、陕西省自然科学基础研究计划（2020JQ-271）、国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-3）

王浩琳，E-mail：haolinw1@163.com。通信作者石美，E-mail：meishi@nwafu.edu.cn。通信作者王朝辉，E-mail：w-zhaohui@263.net

（责任编辑 李云霞）