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旱地石灰性土壤上长期施磷引起的小麦籽粒铁锰铜锌含量变化

罗一诺 张慕欣 高玉 薛欣 惠晓丽 王星舒 石美 王朝辉

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旱地石灰性土壤上长期施磷引起的小麦籽粒铁锰铜锌含量变化

    作者简介: 罗一诺 E-mail:583130008@qq.com;
    通讯作者: 王朝辉, E-mail:w-zhaohui@263.net
  • 基金项目: 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3),国家重点研发计划(2018YFD0200400)。

Wheat grain Fe, Mn, Cu and Zn contents as affected by long-term P application in dryland calcareous soil

    Corresponding author: WANG Zhao-hui, E-mail:w-zhaohui@263.net
  • 摘要:   【目的】  研究石灰性土壤上施用磷肥引起的小麦铁、锰、铜、锌含量变化及其与作物吸收和土壤养分有效性的关系,为旱地小麦磷肥合理施用和丰产优质生产提供科学依据  【方法】  试验始于2004年,为陕西杨凌的不同磷肥用量长期定位试验,土壤为石灰性土壤,pH 8.3。试验在每个小区施N 160 kg/hm2的基础上,设置施用P2O5 0、50、100、150、200 kg/hm2 5个水平。于2013—2016年3个收获期取样,测定了小麦地上部各器官生物量和铁锰铜锌含量,及0—20 cm和20—40 cm土壤有效铁锰铜锌含量。  【结果】  与不施磷相比,施用磷肥提高了小麦产量和籽粒铁、锰含量,但降低了籽粒铜、锌含量,同时提高了土壤有效铁、锰、锌含量,对有效铜影响不显著。进一步回归分析得出,施P2O5 165 kg/hm2时产量最高,为6492 kg/hm2;施P2O5 100 kg/hm2时籽粒铁含量最高,为41 mg/kg;施P2O5 94 kg/hm2时锰含量最高,为37 mg/kg;施P2O5 136 kg/hm2时锌含量最低,为25 mg/kg;籽粒铜含量在每增施P2O5 100 kg/hm2时会降低0.4 mg/kg。土壤有效锰、锌在施P2O5 100 kg/hm2时达到最大值,比对照分别提高24%和35%;土壤有效铁在施P2O5 200 kg/hm2时增幅最大,为8%;土壤有效铜在各施磷量下无显著变化。  【结论】  黄土高原石灰性旱地土壤上,长期施磷提高了小麦籽粒铁、锰含量,降低了铜、锌含量。籽粒铁、锰含量增加与土壤有效铁、锰增加促进了小麦的吸收及向籽粒的转移有关,而籽粒Cu、Zn含量降低与施磷后土壤有效铜、锌没有显著提高,且与高磷抑制铜转运和锌吸收有关。为了兼顾小麦高产与营养平衡,这一地区的施磷量应不超过P2O5 108 kg/hm2,以防止小麦籽粒铜、锌含量进一步降低,维持合适的籽粒铁、锰含量。
  • 图 1  不同施磷量下不同年份小麦产量、生物量、收获指数变化

    Figure 1.  Changes of grain yield, biomass and harvest index (HI) of winter wheat at different P rates in different years

    图 2  不同施磷量下小麦籽粒铁、锰、铜和锌含量

    Figure 2.  Fe, Mn, Cu and Zn content in winter wheat grain in different years under different P application rates

    图 3  不同施磷量下不同年份冬小麦籽粒和地上部铁吸收量及收获指数变化

    Figure 3.  Changes of Fe uptake and HI in grain and aboveground of winter wheat in different years under different P rates

    图 4  不同施磷量下不同年份冬小麦籽粒和地上部锰吸收量及收获指数变化

    Figure 4.  Changes of Mn uptake and HI in grain and aboveground of winter wheat in different years under different P rates

    图 5  不同施磷量下冬小麦籽粒和地上部铜吸收量及收获指数变化

    Figure 5.  Changes of Cu uptake and HI in grain and abovegroundof winter wheat in different years under different P rates

    图 6  不同施磷量下不同年份冬小麦籽粒和地上部锌吸收量及收获指数变化

    Figure 6.  Changes of Zn uptake and harvest index in grain and aboveground of winter wheat in different years under different P rates

    图 7  施磷量、产量、小麦籽粒养分含量与土壤有效养分变化关系

    Figure 7.  Relationship between phosphorus application, grain yield, wheat grain nutrient contents and soil available nutrients

    表 1  不同施磷量下土壤有效铁、锰、铜和锌含量(mg/kg)

    Table 1.  Changes of soil available Fe, Mn, Cu and Zn in different years under different P rates

    年份
    Year
    处理
    P2O5 rates
    有效铁含量
    Available Fe
    有效锰含量
    Available Mn
    有效铜含量
    Available Cu
    有效锌含量
    Available Zn
    0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm
    201407.88 b5.34 abc7.88 c6.90 b1.27 a1.33 a0.40 c0.28 ac
    508.77 a5.45 ab8.77 b7.62 a1.25 a1.31 a0.41 bc0.30 abc
    1009.94 a5.36 abc9.94 a7.95 a1.23 a1.24 a0.51 a0.33 a
    1509.32 a5.20 ac9.32 ab7.21 ab1.26 a1.28 ab0.44 ab0.32 ab
    2009.55 a5.47 a9.55 a7.44 ab1.27 a1.30 b0.44 bc0.33 ab
    均值 Mean6.54A5.36 B9.09 B7.42 B1.26 B1.29 AB0.44 B0.31 A
    2015010.89 b6.08 bd10.89 c8.40 a1.45 a1.41 a0.37 b0.23 c
    5011.09 a6.42 a11.09 c8.75 a1.45 a1.38 a0.37 b0.24 bc
    10012.97 b6.30 abc12.97 ab9.09 a1.47 a1.42 a0.52 a0.33 a
    15013.25 a6.35 ab13.25 a8.61 a1.47 a1.42 a0.49 a0.26 ab
    20012.39 a6.23 abcd12.39 b8.59 a1.47 a1.44 a0.48 a0.29 bc
    均值 Mean5.55B6.28 A12.12 A8.69 A1.46 A1.41 A0.45 B0.27 A
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    续表 1 Table 1 continued
    年份
    Year
    处理
    P2O5 rates
    有效铁含量
    Available Fe
    有效锰含量
    Available Mn
    有效铜含量
    Available Cu
    有效锌含量
    Available Zn
    0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm
    201609.64 c5.12 a9.64 d7.24 a1.32 ab1.27 a0.44 c0.27 b
    5010.63 bc5.12 a10.63 c7.09 a1.32 b1.26 a0.50 b0.29 ab
    10012.32 abc5.35 a12.32 a7.47 a1.32 b1.24 a0.60 a0.35 a
    15011.52 ab5.35 a11.52 ab7.60 a1.38 a1.26 a0.61 a0.28 b
    20011.22 a5.39 a11.22 bc7.49 a1.34 ab1.30 a0.55 ab0.31 ab
    均值 Mean5.45 B5.27 B11.07 A7.38 B1.34 B1.26 B0.54 A0.30 A
    处理均值 Treatment average
    05.61 c5.51 a9.47 d7.51 b1.35 a1.34 a0.40 c0.26 c
    505.83 b5.66 a10.16 c7.82 ab1.34 a1.32 a0.43 c0.28 bc
    1005.78 bc5.67 a11.74 a8.17 a1.34 a1.30 a0.54 a0.34 a
    1505.93 ab5.63 a11.36 ab7.81 ab1.37 a1.32 a0.52 ab0.29 bc
    2006.08 a5.70 a11.05 b7.84 ab1.36 a1.34 a0.49 b0.31 ab
    FF-value
    年际 Year (Y)18.37**19.29**22.30**4.908.93*3.984.310.87
    处理 Treatment (T)7.33***0.9422.78***1.280.981.0614.01***4.10**
    Y×T0.620.901.020.420.510.830.970.29
    注(Note):数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05), 不同大写字母表示年际间差异显著(P < 0.05) Values followed by different small letters are significant difference among P rates (P < 0.05) and different capital letters indicate significant difference among years. **—P < 0.01 ; ***—P < 0.001.
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    [15] 陈玲田霄鸿李峰李生秀 . 碳酸钙和锌对五种基因型小麦生长、锌吸收及营养液中HCO3-含量和pH的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0411
    [16] 张进吴良欢孔向军伍少福李永山赵永德 . 铁锌混合肥喷施对豌豆子粒铁、锌、可溶性糖和维生素C含量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0217
    [17] 韩金玲李雁鸣马春英王文颇 . 施锌对小麦开花后氮、磷、钾、锌积累和运转的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0305
    [18] 汪洪金继运 . 铁、镁、锌营养胁迫对植物体内活性氧代谢影响机制. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0523
    [19] 石孝均毛知耘周则芳 . 锌、锰与含氯氮肥配施对冬小麦子粒营养品质的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.1997.0210
    [20] 诸天铎刘新保李春花杨清 . 锌素营养对作物叶片解剖结构的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.1995.0104
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-13

旱地石灰性土壤上长期施磷引起的小麦籽粒铁锰铜锌含量变化

    作者简介:罗一诺 E-mail:583130008@qq.com
    通讯作者: 王朝辉, w-zhaohui@263.net
  • 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
  • 基金项目: 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3),国家重点研发计划(2018YFD0200400)。
  • 摘要:   【目的】  研究石灰性土壤上施用磷肥引起的小麦铁、锰、铜、锌含量变化及其与作物吸收和土壤养分有效性的关系,为旱地小麦磷肥合理施用和丰产优质生产提供科学依据  【方法】  试验始于2004年,为陕西杨凌的不同磷肥用量长期定位试验,土壤为石灰性土壤,pH 8.3。试验在每个小区施N 160 kg/hm2的基础上,设置施用P2O5 0、50、100、150、200 kg/hm2 5个水平。于2013—2016年3个收获期取样,测定了小麦地上部各器官生物量和铁锰铜锌含量,及0—20 cm和20—40 cm土壤有效铁锰铜锌含量。  【结果】  与不施磷相比,施用磷肥提高了小麦产量和籽粒铁、锰含量,但降低了籽粒铜、锌含量,同时提高了土壤有效铁、锰、锌含量,对有效铜影响不显著。进一步回归分析得出,施P2O5 165 kg/hm2时产量最高,为6492 kg/hm2;施P2O5 100 kg/hm2时籽粒铁含量最高,为41 mg/kg;施P2O5 94 kg/hm2时锰含量最高,为37 mg/kg;施P2O5 136 kg/hm2时锌含量最低,为25 mg/kg;籽粒铜含量在每增施P2O5 100 kg/hm2时会降低0.4 mg/kg。土壤有效锰、锌在施P2O5 100 kg/hm2时达到最大值,比对照分别提高24%和35%;土壤有效铁在施P2O5 200 kg/hm2时增幅最大,为8%;土壤有效铜在各施磷量下无显著变化。  【结论】  黄土高原石灰性旱地土壤上,长期施磷提高了小麦籽粒铁、锰含量,降低了铜、锌含量。籽粒铁、锰含量增加与土壤有效铁、锰增加促进了小麦的吸收及向籽粒的转移有关,而籽粒Cu、Zn含量降低与施磷后土壤有效铜、锌没有显著提高,且与高磷抑制铜转运和锌吸收有关。为了兼顾小麦高产与营养平衡,这一地区的施磷量应不超过P2O5 108 kg/hm2,以防止小麦籽粒铜、锌含量进一步降低,维持合适的籽粒铁、锰含量。

    English Abstract

    • 人体微量元素缺乏被称为“隐性饥饿”,严重威胁人类健康。据统计,全球超2/3的儿童死亡与之有关,约1/2人群健康受到影响[1-2]。我国也面临微量元素缺乏的严峻挑战,铁、锌缺乏人口分别达2亿和1亿[3]。干旱半干旱地区居民70%的口粮来自小麦[4],但受土壤条件限制,该地域小麦种植区微量元素普遍缺乏,造成小麦籽粒微量元素含量偏低,如铁和锌平均含量仅为41.9和29.3 mg/kg[5],分别低于59和40~60 mg/kg的推荐值[6-7]。因此,提高小麦籽粒微量营养元素含量的研究一直受到关注。

      施用磷肥是作物增产的主要措施,但施磷引起的土壤有效磷累积会影响作物对微量元素的吸收利用[8]。巴西粉壤土的盆栽试验研究显示,施用P2O5 80 mg/kg土时,两个小麦品种的籽粒锌含量分别比不施磷降低39%和46%[9];河北石灰性土壤10年长期定位试验表明,与不施磷比较,施P2O5 916 kg/hm2时,小麦籽粒锌、铜含量分别降低70%和31%[10]。也有施磷提高作物微量元素含量的结果。在北京潮褐土盆栽试验表明,施用P2O5 400 mg/kg土时,小麦地上部铁、锰含量分别比不施磷增加3倍和1倍[11]。江西红壤17年长期定位试验显示,增施磷肥P2O5 68 kg/hm2,水稻糙米铁、锰含量分别比不施磷增加28%、19%[12]。可见,施磷对作物籽粒微量元素含量的影响结果不一致,这可能与不同地区磷肥施用引起的土壤微量元素有效性变化及作物吸收、转运和再分配不同有关。

      提高土壤微量元素有效含量是营养强化的重要手段之一[13]。华北平原18年长期定位试验显示,施用P2O5 105 kg/hm2引起的土壤有效铁、锰增加是小麦籽粒铁、锰含量增加的主要原因[14]。坦桑尼亚沙壤土上的大豆田间试验发现,增施磷肥促进根系发育,提高了土壤微量元素有效性,进而增加了作物铁、锰、铜吸收[15]。对我国不同麦区的调研和取样分析表明,小麦籽粒锌含量与土壤有效磷含量呈负相关关系[16-17],说明施磷引起的土壤有效磷增加会降低籽粒锌含量。

      在黄土高原旱地,施磷对土壤铁锰铜锌有效性的影响已有研究[18],但对小麦籽粒铁锰铜锌含量的影响及两者的关系研究还比较薄弱。因此,本研究基于黄土高原石灰性土壤上开展的长期定位试验,通过测定不同磷肥用量下小麦籽粒铁锰铜锌含量、吸收量和土壤铁锰铜锌有效性的变化,研究石灰性土壤上施用磷肥引起的小麦铁锰铜锌含量变化及其与作物吸收和土壤养分有效性的关系,希望为旱地小麦磷肥合理施用和丰产优质生产提供科学依据。

      • 长期定位试验始于2004年10月,在陕西杨凌西北农林科技大学农作一站(34°16′N, 108°04′E)进行。试验地位于黄土高原南部,海拔525 m,年均降水579 mm,年均气温12.9℃,蒸发量993.2 mm,属暖温带季风气候。依靠自然降水进行旱作种植,属典型旱作雨养农业区。土壤为石灰性土垫旱耕人为土,试验开始前耕层土壤基本理化性质为:容重1.24 g/cm3,有机质含量13.8 g/kg,全氮1.1 g/kg,硝态氮5.4 mg/kg,铵态氮2.4 mg/kg,速效磷15.0 mg/kg,有效钾182.4 mg/kg,有效铁、锰、铜、锌分别为4.8、14.1、1.4、0.52 mg/kg,pH 8.3。

      • 田间试验设P2O5 0、50、100、150、200 kg/hm2共5个施磷水平,以重过磷酸钙(含P2O5 46 %)为肥源。氮肥用量各处理保持一致,为N 160 kg/hm2,以尿素(含N 46 %)为肥源。因土壤不缺钾,无钾肥施入。田间排列采用完全随机区组设计,小区长10 m、宽4 m,4次重复。所有肥料均与耕层土壤旋耕混匀以基肥形式施用。小麦品种为小偃22,播种时间为每年9月末至10月初,收获时间为5月末至6月初,采用冬小麦‒夏休闲种植,整个生育期无灌溉,其他田间管理与当地农户一致。本研究为2013—2014、2014—2015、2015—2016年三年收获时期的土壤和小麦样品分析测结果。样品采集前(2013年) 5个施磷处理P2O5 0、50、100、150、200 kg/hm2的土壤有效磷分别为1.8、4.1、9.3、11.7、15.9 mg/kg。

      • 小麦成熟期,每个小区随机均匀采集100穗小麦植株地上部,分为茎叶和穗,自然风干脱粒后,各部分取20~30 g用蒸馏水清洗,在90℃烘30 min,然后65℃烘干至恒重,作为考种和化学分析样品。同时,每小区随机均匀选4个1 m2样方收获地上部,样品自然风干、机械脱粒,65℃下烘干,用于计算小麦籽粒产量和生物量。小麦收获后,在每小区随机选5个点采集0—40 cm土层土壤样品,每10 cm一层,同层样品剔除根系等杂物后混匀取500 g,作为一个分析样品。小麦生物量和产量均以烘干重表示。

        烘干的植物样品用球磨仪(Retsch MM400, 德国)粉碎,浓HNO3和H2O2微波消解,电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS,美国)测定消解液中的铁、锰、铜、锌含量[19]。土壤样品自然风干后研磨,过1 mm尼龙筛,用DTPA-CaCl2-TEA溶液浸提,土水比1∶2,原子吸收分光光度计测定浸提液中铁、锰、铜、锌的含量[17]。土壤容重、有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾采用常规方法测定[20]

      • 相关参数及其计算公式如下[19]

        地上部养分吸收量=籽粒养分含量×籽粒产量+茎叶养分含量×茎叶产量+颖壳养分含量×颖壳产量/1000

        养分收获指数=籽粒养分吸收量/地上部养分吸收量× 100%

        式中,铁、锰、铜、锌养分含量单位为mg/kg,吸收量单位为g/hm2,各器官生物量单位为kg/hm2

        数据用Excel 2016进行计算,SAS 9.2进行统计分析。多重比较采用LSD最小显著差异法,差异显著性水平为5%。用SigmaPlot 10.0绘图。

      • 图1结果表明,不同施磷处理小麦产量、生物量和收获指数存在年际间差异。2015年的产量和生物量最高,比2014年分别高出40%和60%。但其收获指数为3年最低,平均值仅为41%,其余两年分别达到47%和49%。从3年测定结果的平均值看,增施磷肥,小麦产量和生物量显著提高,在施磷量超过100 kg/hm2时保持稳定,与对照相比增加67%和62%。收获指数随施磷量增加亦显著提高,在施磷100 kg/hm2时较对照(45%)提高4%。回归分析表明,冬小麦产量和生物量均与施磷量呈二次回归关系,在施磷165和160 kg/hm2时分别达到最大值6492和13885 kg/hm2。因此,为了满足高产需求,施磷量在160~165 kg/hm2时最为适宜。收获指数与施磷量亦呈二次回归关系但不显著。可见,低磷条件下施用磷肥可以提高冬小麦生物量,促进干物质向籽粒的分配,进而提高冬小麦产量。但超过适宜施磷量时,磷肥的促进作用不显著。

        图  1  不同施磷量下不同年份小麦产量、生物量、收获指数变化

        Figure 1.  Changes of grain yield, biomass and harvest index (HI) of winter wheat at different P rates in different years

      • 图2结果表明,不同施磷量处理小麦籽粒的锰、锌含量年际间差异显著。2015年籽粒锰含量最低,年际间最大差异达6.17 mg/kg;2014年籽粒锌含量最高,年际间最大差异达到12.23 mg/kg;铁和铜在年际间没有明显变化。3年平均值显示,增施磷肥,小麦籽粒铁、锰含量显著增加,在施磷量超过100 kg/hm2时保持稳定,与对照相比分别提高11%和23%;小麦籽粒铜、锌含量显著降低,与对照相比最大降幅达17%和49%。回归分析可知,籽粒铁、锰含量均与施磷量呈线性加平台关系,在施磷100和94 kg/hm2时分别达到最大值41.7和37.5 mg/kg。籽粒锌含量亦与施磷量呈线性加平台关系,在施磷136 kg/hm2时达到最小值25.4 mg/kg。籽粒铜含量与施磷量呈线性负相关,每增施磷肥100 kg/hm2,籽粒铜含量降低0.4 mg/kg。可见,低磷对提高冬小麦籽粒铁、锰含量及降低铜、锌含量的作用显著,在超过适宜施磷量时各养分含量没有明显变化。

        图  2  不同施磷量下小麦籽粒铁、锰、铜和锌含量

        Figure 2.  Fe, Mn, Cu and Zn content in winter wheat grain in different years under different P application rates

      • 表1结果表明,不同施磷量年际间各土层养分含量存在显著差异。分析年际均值可知,2015年的土壤有效锰、铜均为3年最高,有效铁、锌分别在2014和2016年达到最高。3年测定结果的平均值表明,随施磷量增加,0—20 cm土壤有效锰、锌均显著增加,特别是在施磷量为100 kg/hm2时,分别比对照提高24%和35%。20—40 cm有效锌也在施磷量达100 kg/hm2时显著提高35%,之后变化不显著。0—20 cm土壤有效铁随施磷量增加而显著提高,在施磷200 kg/hm2时高于对照8%。20—40 cm土层土壤有效铁、锰和两个土层的有效铜受施磷量影响不显著。可见,低磷能够显著提高0—20 cm土壤有效铁、锰、锌和20—40 cm土壤有效锌的含量。

        表 1  不同施磷量下土壤有效铁、锰、铜和锌含量(mg/kg)

        Table 1.  Changes of soil available Fe, Mn, Cu and Zn in different years under different P rates

        年份
        Year
        处理
        P2O5 rates
        有效铁含量
        Available Fe
        有效锰含量
        Available Mn
        有效铜含量
        Available Cu
        有效锌含量
        Available Zn
        0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm
        201407.88 b5.34 abc7.88 c6.90 b1.27 a1.33 a0.40 c0.28 ac
        508.77 a5.45 ab8.77 b7.62 a1.25 a1.31 a0.41 bc0.30 abc
        1009.94 a5.36 abc9.94 a7.95 a1.23 a1.24 a0.51 a0.33 a
        1509.32 a5.20 ac9.32 ab7.21 ab1.26 a1.28 ab0.44 ab0.32 ab
        2009.55 a5.47 a9.55 a7.44 ab1.27 a1.30 b0.44 bc0.33 ab
        均值 Mean6.54A5.36 B9.09 B7.42 B1.26 B1.29 AB0.44 B0.31 A
        2015010.89 b6.08 bd10.89 c8.40 a1.45 a1.41 a0.37 b0.23 c
        5011.09 a6.42 a11.09 c8.75 a1.45 a1.38 a0.37 b0.24 bc
        10012.97 b6.30 abc12.97 ab9.09 a1.47 a1.42 a0.52 a0.33 a
        15013.25 a6.35 ab13.25 a8.61 a1.47 a1.42 a0.49 a0.26 ab
        20012.39 a6.23 abcd12.39 b8.59 a1.47 a1.44 a0.48 a0.29 bc
        均值 Mean5.55B6.28 A12.12 A8.69 A1.46 A1.41 A0.45 B0.27 A
        续表 1 Table 1 continued
        年份
        Year
        处理
        P2O5 rates
        有效铁含量
        Available Fe
        有效锰含量
        Available Mn
        有效铜含量
        Available Cu
        有效锌含量
        Available Zn
        0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm0—20 cm20—40 cm
        201609.64 c5.12 a9.64 d7.24 a1.32 ab1.27 a0.44 c0.27 b
        5010.63 bc5.12 a10.63 c7.09 a1.32 b1.26 a0.50 b0.29 ab
        10012.32 abc5.35 a12.32 a7.47 a1.32 b1.24 a0.60 a0.35 a
        15011.52 ab5.35 a11.52 ab7.60 a1.38 a1.26 a0.61 a0.28 b
        20011.22 a5.39 a11.22 bc7.49 a1.34 ab1.30 a0.55 ab0.31 ab
        均值 Mean5.45 B5.27 B11.07 A7.38 B1.34 B1.26 B0.54 A0.30 A
        处理均值 Treatment average
        05.61 c5.51 a9.47 d7.51 b1.35 a1.34 a0.40 c0.26 c
        505.83 b5.66 a10.16 c7.82 ab1.34 a1.32 a0.43 c0.28 bc
        1005.78 bc5.67 a11.74 a8.17 a1.34 a1.30 a0.54 a0.34 a
        1505.93 ab5.63 a11.36 ab7.81 ab1.37 a1.32 a0.52 ab0.29 bc
        2006.08 a5.70 a11.05 b7.84 ab1.36 a1.34 a0.49 b0.31 ab
        FF-value
        年际 Year (Y)18.37**19.29**22.30**4.908.93*3.984.310.87
        处理 Treatment (T)7.33***0.9422.78***1.280.981.0614.01***4.10**
        Y×T0.620.901.020.420.510.830.970.29
        注(Note):数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05), 不同大写字母表示年际间差异显著(P < 0.05) Values followed by different small letters are significant difference among P rates (P < 0.05) and different capital letters indicate significant difference among years. **—P < 0.01 ; ***—P < 0.001.
      • 图3表明,年际间铁吸收量和收获指数存在显著差异。2015年小麦籽粒、地上部铁吸收最高,平均值达到256 g/hm2和3321 g/hm2,比2014年分别高出34%和123%。但其收获指数为3年中最低,平均值仅为8%,比2014年低38%。3年测定结果平均值表明,增施磷肥显著提高冬小麦籽粒、地上部铁吸收量,在施磷200 kg/hm2时两者与对照(137和1790 g/hm2)相比分别提高86%和52%。籽粒铁收获指数随施磷量的增加先升后降,施磷100 kg/hm2时比对照(8%)提高50%。回归分析可知,籽粒和地上部铁吸收量均与施磷量呈二次回归关系,前者在施磷160 kg/hm2时达到最大值252 g/hm2,后者的理论最大值(2677 g/hm2)出现在施磷254 kg/hm2时,高于试验设计的最大施磷量。收获指数亦与施磷量呈二次回归关系,在施磷140 kg/hm2时达到最大值12%。可见,低磷可以促进铁在地上部的吸收和向籽粒的分配,引起籽粒累积增加,但超过适宜施磷量时促进作用降低,养分向籽粒的分配过程也受到抑制。

        图  3  不同施磷量下不同年份冬小麦籽粒和地上部铁吸收量及收获指数变化

        Figure 3.  Changes of Fe uptake and HI in grain and aboveground of winter wheat in different years under different P rates

        图4显示,锰吸收量和收获指数年际间显著差异。2015年的小麦籽粒、地上部锰吸收量显著高于其余两年,平均值达到222和585 g/hm2,比2014年分别高出24%和70%。但其收获指数为3年中最低,平均值仅为38%,2014年可达到53%。从3年测定结果均值来看,小麦籽粒和地上部锰吸收量随施磷量的增加显著提高,与对照(110和271 g/hm2)相比,前者在施磷150 kg/hm2时增加106%,后者在施磷200 kg/hm2时提高95%。籽粒锰收获指数随施磷量增加先升后降,在施磷100 kg/hm2时比对照(42%)高10%。回归分析表明,籽粒和地上部的锰吸收量均与施磷量呈二次回归关系,在施磷157和160 kg/hm2时分别达到最大值238和538 g/hm2。收获指数与施磷量的二次回归关系不显著。可见,适量施磷能提高冬小麦对锰的吸收,并促进锰向籽粒的分配,但过量施磷有抑制其对锰吸收和分配的趋势。

        图  4  不同施磷量下不同年份冬小麦籽粒和地上部锰吸收量及收获指数变化

        Figure 4.  Changes of Mn uptake and HI in grain and aboveground of winter wheat in different years under different P rates

        图5显示,年际间铜吸收量和收获指数亦存在显著差异。2015年的籽粒、地上部吸收量显著高于其余两年,平均值达到26和48 g/hm2,比2014年高出30%和45%。但其收获指数为3年中最低,平均值为55%,2014和2016年均达到62%。分析3年结果均值发现,施磷后籽粒和地上部铜吸收量显著增加。与对照(17.1和27.3 g/hm2)相比,前者在施磷100 kg/hm2时增加51%,后者在施磷150 kg/hm2时增加62%。收获指数随施磷量增加而降低,在施磷200 kg/hm2时比对照(63%)减少7%。回归分析可知,籽粒和地上部铜吸收量均与施磷量呈二次回归关系,在施磷140和133 kg/hm2时分别达到最大值27.8和44.0 g/hm2。收获指数亦与施磷量呈二次回归关系,不施磷时最高,为63%。可见,低磷能够促进冬小麦铜的吸收,但抑制了向籽粒的分配,超过适宜施磷量时铜吸收也受到抑制。

        图  5  不同施磷量下冬小麦籽粒和地上部铜吸收量及收获指数变化

        Figure 5.  Changes of Cu uptake and HI in grain and abovegroundof winter wheat in different years under different P rates

        图6表明,锌吸收量和收获指数在年际间亦存在显著差异。2015年的籽粒、地上部吸收量显著高于其余两年,平均值达到173和249 g/hm2,比2014年高出11%和20%。但其收获指数为3年中最低,平均值仅为69%,2014和2016年分别达到75%和74%。从3年测定结果均值看,施磷50 kg/hm2时,籽粒和地上部锌吸收量与对照相比(149 g/hm2和218 g/hm2)分别增加15%和6%,继续增施磷肥二者均下降,在施磷200 kg/hm2时分别比对照减少13%和16%。收获指数随着施磷量增加先升后降,在施磷100 kg/hm2时比对照(69%)增加10%。回归分析显示,籽粒和地上部锌吸收量分别与施磷量呈二次和三次回归关系,前者在施磷量为60 kg/hm2时达到最大值161 g/hm2,后者在施磷39 kg/hm2时达最大值232 g/hm2。籽粒锌收获指数亦与施磷量呈二次回归关系,在施磷100 kg/hm2时达到最大值75%。可见,低磷能促进地上部锌吸收和向籽粒转移累积,过量施磷则不利于锌的吸收和向籽粒分配。

        图  6  不同施磷量下不同年份冬小麦籽粒和地上部锌吸收量及收获指数变化

        Figure 6.  Changes of Zn uptake and harvest index in grain and aboveground of winter wheat in different years under different P rates

      • 研究发现,旱地石灰性土壤上增施磷肥,小麦产量增加到5~6 t/hm2,籽粒铁、锰含量显著提高,铜、锌含量显著降低。其中,铁、锰在施P2O5 100和150 kg/hm2时分别达最高值42.2和37.4 mg/kg,铜、锌在施P2O5 200 kg/hm2时分别达最低值3.9和21.0 mg/kg。在华北平原的田间试验也显示,施磷使小麦产量从3 t/hm2提高到7 t/hm2,籽粒铁、锰含量显著提高,在施磷P2O5 230 kg/hm2时分别达到34.2和27.9 mg/kg,比对照增加9%和8%;铜、锌分别降低到4.5和18.0 mg/kg,比对照低15%和39%[21]。可见,施磷在提高小麦产量的同时也影响籽粒养分含量,这与作物养分吸收量相对于产量的增减变化幅度有关[19]。籽粒铁、锰含量增加受其吸收量提高多于产量增加所引起的养分浓缩影响。本试验中,施磷50、100、150、200 kg/hm2时小麦产量分别比不施磷提高45%、55%、65%、71%,籽粒铁、锰吸收量在低磷条件下比对照增加53%,超过100 kg/hm2时增幅显著提高,平均分别为84%和103%,远高于产量增幅,因此铁、锰含量在高磷条件下仍保持较高水平。铜、锌含量的降低主要受到产量引起的养分稀释效应影响。籽粒铜吸收受施磷影响较小,在不同施磷量下较对照的增幅稳定在24%~26%之间,均远低于产量增幅,因此受产量稀释的影响不断增强,在高磷条件下铜含量达到最低值。籽粒锌吸收在低磷时受到促进,但增幅仅为15%,远低于产量增加,因此籽粒锌含量降低,高磷条件下锌吸收受到显著抑制,比不施磷时降低10%~13%,加剧了产量稀释带来的影响,因此籽粒锌含量在高磷条件下亦达到最低值。

      • 研究发现,旱地石灰性土壤上增施磷肥,小麦地上部和籽粒铁、锰、铜吸收量均显著增加,锌吸收量显著降低。其中铁、锰籽粒吸收量在施磷150 kg/hm2时达最高值254和229 g/hm2;铜在不同施磷量下没有显著变化,平均为26.0 g/hm2;锌在施磷200 kg/hm2时达到最低值129 g/hm2。施磷对锌吸收的降低主要与菌根侵染受到抑制有关[22-25],但在一些研究中也存在施磷增加或不影响锌吸收的结果[21,27],因此不能单纯地认为施磷抑制锌吸收。锌收获指数受施磷量影响不大[21,26,28],稳定在70%~76%之间,但也存在高磷抑制锌向籽粒转移的趋势。华北平原上的一些研究认为施磷使小麦铁、锰、铜吸收量增加,与生物量的变化规律一致[21]。本研究中小麦铁、锰、铜吸收量均在施磷150 kg/hm2时达最大值,之后变化不显著,此时生物量亦达到较高水平,进一步证实了作物生物量的提高在施磷促进养分吸收量增加中起着主导作用。生物量较低时,作物对养分的需求量也较小,增施磷肥后生物量和根系干重得到显著提高[29],增强了作物的养分需求量和根系对养分的吸收能力,故养分的地上部吸收量显著提高。施磷量小于100 kg/hm2时,铁、锰收获指数均增加,说明低磷促进了铁、锰向籽粒的转运,提高了籽粒积累。继续增加施磷量,铁、锰向籽粒的转运受到抑制,但地上部吸收量仍增加,弥补了转运抑制带来的影响,故高磷条件下仍能获得较高的籽粒积累量,进而获得较高的籽粒含量。施磷后铜收获指数持续降低,尽管地上部铜积累增加,但铜向籽粒的转运减少和产量大幅提高成为籽粒铜含量降低的主要原因。

      • 研究发现,施用磷肥后土壤有效铁、锰、锌显著提高,施磷200 kg/hm2时土壤有效铁达到最大值6.1 mg/kg;施磷100 kg/hm2时土壤有效锰、锌在达到最大值11.7和0.5 mg/kg;土壤有效铜没有明显变化,维持在1.4 mg/kg。华北平原小麦田间试验亦发现,增施磷肥105 kg/hm2时土壤有效铁、锰和锌分别达4.7、9.5和1.1 mg/kg,增幅为44%、44%和18%,铜不变,为0.8 mg/kg[14]。多数研究认为施磷降低土壤pH,促使铁、锰、铜由无效态向有效态转化[14,30],基于本试验的另一研究也发现,土壤pH随施磷量增加而降低[25],故施磷后土壤有效铁、锰增加。铜保持不变,可能是土壤有效铜增加与小麦吸收铜增加综合平衡的结果。施磷对土壤锌也有活化作用,但在低锌土壤上没有明显效果[31]。因此本研究中有效锌的增加可能是由于长期施磷抑制了作物对锌的吸收,造成土壤中锌积累。

        本试验中,施磷引起土壤有效铁、锰增加8%和24%,同时小麦籽粒铁和锰含量分别增加11%和23%。华北平原的田间试验亦表明,小麦籽粒铁、锰含量受土壤有效铁、锰的显著影响,施磷105 kg/hm2时土壤有效铁和锰均提高44%,籽粒铁和锰含量分别提高17%和13%[14]。产生上述结果的原因是土壤中充足的有效铁、锰保证了作物养分吸收,维持产量和吸收量的提高,进而提高籽粒的养分含量。本研究中,土壤养分对作物吸收的促进作用在低磷时更显著,其原因一方面是低磷条件下促进了根干重和根长提高[32],对养分的利用效率增强,另一方面是高磷时作物对养分吸收能力已经达到最大,土壤养分的增加不能引起吸收能力的提高。尽管施磷后土壤锌含量也显著提高,但小麦籽粒锌含量却降低49%。这是因为施磷抑制作物对锌的吸收,加上土壤有效锌缺乏,作物得不到充足的锌供应,引起籽粒锌含量下降。施磷后土壤有效铜没有显著变化,加之铜吸收量的稳定,导致籽粒铜含量受产量增加的影响而降低。

      • 本研究中,施磷量与产量呈二次曲线关系(图1),根据回归计算得到产量最大值为6492 kg/hm2,相应的施磷量为165 kg/hm2。在新疆,施磷120 kg/hm2时产量优势明显,可达到8200 kg/hm2,此时干物质转运、分配及养分利用效率也最高[33]。在河南氮钾配施试验中,施N 225 kg/hm2和K2O 150 kg/hm2基础上施P2O5 225 kg/hm2为小麦适宜施磷量,此时产量最高,可达到9185 kg/hm2[34]。不同地区获得最高产量的施磷量不同,但均有在经济效益和作物品质上优化的空间。河南速效磷为6.3 mg/kg的低磷灌区大田试验得到,不同小麦品种的最佳经济效益施磷量与最佳产量施磷量的理论产量差异小于1%,前者的磷肥用量却比后者低5%~7%,证明在保证高产的基础上可以适当降低施磷量,实现产量和经济效益同时提高[35]。在黄土高原地区进行的磷肥用量优化试验亦表明,达到最高产量95%时对应的施磷量为94 kg/hm2,比最高产量施磷量低35%,此时既满足高产需要,养分含量也较高[36]。本试验中,根据回归方程计算,产量为最高产量的95%时施磷量为108 kg/hm2,此时产量达到6167 kg/hm2,籽粒铁、锰含量为41和37 mg/kg,铜、锌含量为4.3和28.2 mg/kg,虽然均保持在较高水平,但仍低于国际上推荐的摄入量[6-7],说明即使在合理施磷量下,居民饮食中也要注意其他来源的铁、锌补充。当超过适宜施磷量时,产量增幅减小,籽粒铁锰含量不再增加,铜锌含量也持续降低。因此,结合经济效益和养分水平考虑,在生产过程中要控制施磷量不超过108 kg/hm2

        图  7  施磷量、产量、小麦籽粒养分含量与土壤有效养分变化关系

        Figure 7.  Relationship between phosphorus application, grain yield, wheat grain nutrient contents and soil available nutrients

      • 在黄土高原旱地石灰性土壤区增施磷肥,小麦在增产的同时,籽粒铁、锰含量显著增加,铜、锌含量显著降低。小麦籽粒铁、锰含量的提高是土壤有效铁、锰含量提高和小麦吸收及向籽粒转移铁、锰能力增强共同作用结果;铜含量降低主要是施磷后地上部吸收的铜没有充分地向籽粒转运,同时土壤有效铜含量没有显著提高;锌含量降低主要由于该地区土壤有效锌缺乏,同时施磷量高时抑制了小麦的锌吸收。为了兼顾小麦高产、经济效益与营养平衡,这一地区的施磷量应不超过P2O5 108 kg/hm2,以防止小麦籽粒铜、锌含量进一步降低,同时维持合适的籽粒铁、锰含量。

    参考文献 (36)
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