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  • ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

北方麦区土壤有效磷阈值及小麦产量、籽粒氮磷钾含量对监控施肥的响应

马悦, 田怡, 于杰, 王浩琳, 李永华, 李超, 党海燕, 牟文燕, 黄宁, 邱炜红, 石美, 王朝辉, 何刚

马悦, 田怡, 于杰, 王浩琳, 李永华, 李超, 党海燕, 牟文燕, 黄宁, 邱炜红, 石美, 王朝辉, 何刚. 北方麦区土壤有效磷阈值及小麦产量、籽粒氮磷钾含量对监控施肥的响应[J]. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(10): 1675-1691. DOI: 10.11674/zwyf.2021109
引用本文: 马悦, 田怡, 于杰, 王浩琳, 李永华, 李超, 党海燕, 牟文燕, 黄宁, 邱炜红, 石美, 王朝辉, 何刚. 北方麦区土壤有效磷阈值及小麦产量、籽粒氮磷钾含量对监控施肥的响应[J]. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(10): 1675-1691. DOI: 10.11674/zwyf.2021109
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MA Yue, TIAN Yi, YU Jie, WANG Hao-lin, LI Yong-hua, LI Chao, DANG Hai-yan, MU Wen-yan, HUANG Ning, QIU Wei-hong, SHI Mei, WANG Zhao-hui, HE Gang. Threshhold of soil available P and the response of wheat yield and grain N, P, and K concentrations to test-integrated fertilizer application in the northern wheat production region of China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(10): 1675-1691. DOI: 10.11674/zwyf.2021109
Citation: MA Yue, TIAN Yi, YU Jie, WANG Hao-lin, LI Yong-hua, LI Chao, DANG Hai-yan, MU Wen-yan, HUANG Ning, QIU Wei-hong, SHI Mei, WANG Zhao-hui, HE Gang. Threshhold of soil available P and the response of wheat yield and grain N, P, and K concentrations to test-integrated fertilizer application in the northern wheat production region of China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(10): 1675-1691. DOI: 10.11674/zwyf.2021109
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北方麦区土壤有效磷阈值及小麦产量、籽粒氮磷钾含量对监控施肥的响应

  • 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-03)；国家重点研发计划(2018YFD0200400)
详细信息
    作者简介:

    马悦 E-mail：381495288@qq.com

    通讯作者:

    王朝辉 E-mail：w-zhaohui@263.net

    何刚 E-mail：hegang029@nwafu.edu.cn

Threshhold of soil available P and the response of wheat yield and grain N, P, and K concentrations to test-integrated fertilizer application in the northern wheat production region of China

  • 1.

    College 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, Shaanxi 712100, China

  • 2.

    Northwest A&F University/State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling, Shaanxi 712100, China

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    摘要
  • 摘要:
      目的  分析我国北方麦区不同土壤有效磷水平下，监控施肥后小麦籽粒产量与养分吸收利用变化，为保证减施磷肥后小麦的丰产、优质、绿色生产提供理论依据。
      方法  于2018—2020年在我国北方麦区49个地点进行了田间试验。所有试验均设农户施肥(FF)、监控施肥(RF)和监控无磷(RF-P) 3个处理，监控施肥的磷(P2O5)肥用量较农户施肥平均减少60 kg/hm2，相当于减少了46%。在小麦成熟期调查了土壤不同磷素水平下，小麦产量、产量构成、籽粒氮磷钾含量，并计算了磷素养分吸收利用率；在小麦收获期，采样测定土壤有效氮磷钾含量。
      结果  当土壤有效磷<15 mg/kg时，小麦产量最低，为5155 kg/hm2；当土壤有效磷在25～30 mg/kg时，产量达到最高，为7217 kg/hm2；有效磷过高并不能持续提高小麦产量，反而因穗数、千粒重低导致产量降低。土壤有效磷<15、15～20、20～25、25～30和>30 mg/kg时，监控施肥处理小麦产量与农户施肥处理相比差异虽然未达显著水平，但小麦的磷肥吸收效率与磷肥偏生产力平均分别为1.03和104.7 kg/kg，分别较农户处理显著提高了119.6%和112.2%，籽粒氮磷钾含量与农户施肥处理相比无显著差异。当土壤有效磷<15 mg/kg，或速效钾达171和200 mg/kg、有效磷为15～20和>30 mg/kg时，不施磷肥小麦显著减产；但土壤速效钾为147和158 mg/kg、有效磷在20～25和25～30 mg/kg时，不施磷肥不减产。土壤有效磷含量越高，小麦籽粒平均氮含量越低、磷含量越高，籽粒平均钾含量在有效磷为20～25 mg/kg时达到最高。
      结论  在北方麦区，过高的土壤有效磷含量有降低小麦氮素营养的风险，适当降低磷肥用量在保证产量的同时，还可大幅提高磷肥的利用率。土壤有效磷维持在20～30 mg/kg时，减施或不施磷肥依然可以实现小麦高产，但若速效钾>170 mg/kg时不施磷肥小麦有减产风险。因此，应基于对小麦目标产量、籽粒养分含量和土壤有效磷钾的监控，确定合理的磷肥用量，实现北方麦区化肥减施，小麦稳产提质增效和绿色生产。
    Abstract:
      Objectives  We studied the changes in wheat grain yield and NPK concentration due to test-integrated P application at different soil available P levels. The study aims to provide information on the efficient and green production of wheat.
      Methods  Wheat field experiments were conducted in 49 locations in China’s northern wheat production region from 2018 to 2020. The treatments were farmers’ fertilizer application rate (FF), recommended P fertilizer application rate (RF), and using test-integrated fertilizer application, and no P application (RF-P). The P2O5 rate in RF was reduced by 60 kg/hm2, corresponding to 46% lower than the rate in FF. The grain yield, yield components, grain N, P, and K concentration, and P uptake and utilization by wheat were analyzed under different soil available P levels. Soil samples were collected at harvest stage of wheat to measure available nitrogen, phosphorus and potassium content in soil
      Results  The minimum grain yield (5155 kg/hm2) was recorded when soil available P was lower than 15 mg/kg, and the maximum (7217 kg/hm2) was observed at 25–30 mg/kg P in the soil. Higher soil available P did not increase grain yield sustainability. The observed reduction in grain yield was due to a significant decline in spike number and 1000-grain weight. Across the soil available P levels: <15, 15–20, 20–25, 25–30, and >30 mg/kg, the wheat yield in RF was similar to FF. However, P fertilizer uptake efficiency (1.03 kg/kg) and P partial factor productivity (104.7 kg/kg) significantly increased by 119.6% and 112.2% in RF compared to FF. Grain N, P, and K concentrations were similar in FF and RF. When the soil available P was <15 mg/kg, 15–20 mg/kg, and >30 mg/kg, readily available K was 156, 171, and 200 mg/kg, respectively. Wheat yield significantly decreased without P application. However, no yield reduction was observed when soil available P was 20–25 and 25-30 mg/kg with 147 and 158 mg/kg soil readily available K. An increase in the soil available P led to a corresponding increase in grain P concentration and a decrease in grain N concentration. The grain K concentration reached the highest value when available P was 20–25 mg/kg.
      Conclusions  In northern China, high soil available P may deteriorate the N nutrition of wheat. Reducing P fertilizer rate could promote wheat yield and increase fertilizer P efficiency. 20–30 mg/kg soil available P is suitable for enhancing high wheat yield under reduced or no P application. Wheat yield may decline without P fertilization when soil available K is higher than 170 kg/hm2. Therefore, the P fertilizer application rate should be recommended based on the target of wheat yield, grain nutrient concentration, and soil available P and K. This could help rationalize fertilizer application, stabilize yield, improve quality, efficiency and green agricultural production of wheat in northern China.
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  • 到2050年，全世界食物需求将增加70%～100%[1]，对粮食产量提出了更高的要求。小麦是三大粮食作物之一，我国小麦种植面积达2373万/hm2，占谷物总种植面积的24%[2]，对粮食安全至关重要。我国磷肥用量由1980年的273万t增加至2019年的682万t，增加 2.5 倍，小麦产量由1978年的5384万t增加至2019年的13360万t[2]。施用磷肥对粮食增产发挥重要作用，但不合理施用也导致磷素大量残留[3-8]。因此合理施用磷肥对农业增产和可持续发展具有重要意义。

    在有效磷含量低的土壤上，小麦对磷反应敏感，施用磷肥增产效果明显[9-10]。然而当土壤有效磷含量很高，能满足作物磷素需求时，增施磷肥并不增产[11-12]。缺磷时小麦根系发育不良、分蘖减少，降低了穗数从而影响产量[13]。在江苏泰兴砂壤土上研究发现，随施磷量增加小麦产量先增加后降低，呈二次曲线变化[14]。巴基斯坦的缺磷土壤，施用81 kg/hm2磷(P2O5)肥的小麦产量是不施磷肥的2.5倍，过量施用磷(P2O5)肥达111 kg/hm2时却导致产量降低7.4%[15]。在埃塞俄比亚的试验表明，施磷量介于0～92 kg/hm2时，69 kg/hm2的施磷(P2O5)量使小麦获得最高产量[16]。陕西杨凌的磷用量试验表明，长期施磷使小麦产量平均提高 67%、生物量提高 58%、穗数和穗粒数分别增加64%和8%，而千粒重降低7%，籽粒氮含量也随施磷量增加而降低，磷和钾含量却随施磷量增加而提高[17]。河南的长期定位试验结果也发现，随施磷量增加，小麦籽粒磷含量大幅增加[18]。陕西长武的试验显示，随施磷水平提高，小麦产量、千粒重、穗粒数呈现出先增后降的趋势[19]。也有研究发现，磷肥对产量构成因素的影响均不明显[20]。磷肥的增产效果、对籽粒养分含量的影响应与土壤养分供应能力，特别是有效磷水平有关，然而关于不同土壤有效磷水平磷肥效应的区域多点研究一直缺乏。

    本研究于2018—2020年在我国北方陕西、山西、甘肃、宁夏、内蒙古、黑龙江、新疆、青海8省布置了多点试验，通过对小麦植株与土壤的取样测定，分析不同土壤有效磷水平下减施磷肥后小麦籽粒产量、产量构成、籽粒养分含量、土壤养分等的变化，明确减施磷肥的效果及其对土壤有效磷的影响，为解决磷肥过量使用问题，实现合理减施和小麦丰产优质提供依据。

    1.   材料与方法

    1.1   试验地点

    2018—2020年，在北方麦区的8个省份49个地点布置田间试验：山西11个、陕西23个、甘肃15个、宁夏8个、青海2个、新疆12个、内蒙古5个、黑龙江4个。各地点的降水、气温和试验开始前0—20 cm土层土壤理化性状见附表1。

    表  1  北方麦区不同土壤有效磷水平下小麦穗数、穗粒数和千粒重
    Table  1.  Spike number, grains per spike, and 1000-grain weight of wheat at different soil available P levels in northern wheat production region of China
    土壤有效磷
    Soil
    available P
    (mg/kg)    		穗数 Spike number (×104/hm2)穗粒数 Grains per spike千粒重 1000-grain weight (g)
    农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average
    <15424 a429 a394 b416 D29 a29 a29 a29 C43.1 a43.0 a43.3 a43.2 A
    15～20469 b508 a463 b481 C31 a31 a30 a30 B43.3 a43.0 a42.4 a42.9 A
    20～25565 b 588 ab632 a591 A30 a29 a28 a29 C41.5 ab41.1 b42.7 a41.7 B
    25～30540 a571 a593 a567 A32 a32 a31 a32 A41.8 b40.8 b43.0 a41.8 B
    >30 529 ab554 a496 b530 B30 a30 a29 a30 B38.3 a37.6 a36.4 b37.5 C
    平均 Average 483 ab504 a474 b30 a30 a29 a41.9 a41.5 a42.1 a
    注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation. 同行数据后不同小写字母表示处理之间差异显著 ( P < 0.05)，同列数据后不同大写字母表示不同土壤有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05). Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference among treatments (P < 0.05), and different capital letters in a column indicate significant difference among different soil available P levels (P < 0.05).
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    1.2   试验设计

    试验设3个处理：农户施肥(FF)、监控施肥(RF)和监控无磷(RF-P)。农户施肥的氮磷钾用量为调研试验所在地30个以上农户得到的施肥量均值。监控施肥的施肥量依据监控施肥技术确定[21-24]。监控无磷为不施磷肥，氮钾肥用量同监控施肥处理。田间排列采用完全随机区组设计，每个处理重复3次，小区面积≥300 m2，各试验点均种植当地主栽品种，种植、灌溉、农药施用方式与农户一致。各地点的施肥量见附表1。

    1.3   样品采集与测定

    1.3.1   土壤样品采集与测定

    收获期时，每个小区随机选取5个样点，用土钻取0—20 cm土层的麦田土壤混匀。将土壤样品放置于阴凉通风处风干后，磨碎过1 mm和0.15 mm的尼龙网土筛。过1 mm筛土样用于测定土壤硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾、pH，过0.15 mm筛土样用于测定土壤全氮和有机质。土壤pH用pH计测定，水土比为2.5∶1。土样分别经1 mol/L KCl、0.5 mol/L NaHCO3浸提后，用连续流动分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮、有效磷。土样经1 mol/L NH4OAc浸提后，火焰光度计测定速效钾[25-26]。2018—2019年土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定；全氮用浓硫酸加混合催化剂(K2SO4∶CuSO4=10∶1)消煮，连续流动分析仪测定。2019—2020年土壤有机质、全氮用全自动碳氮分析仪测定。

    1.3.2   植物样品采集与测定

    收获期，每个小区内随机采集100穗小麦植株地上部。植物样品自然风干后将其人工脱粒分为籽粒、茎叶、颖壳。取50 g籽粒、30 g茎叶、30 g颖壳用自来水和蒸馏水分别漂洗3次，65℃烘至恒重，测定风干样品的含水量。烘干样品用氧化锆球磨仪磨成粉状[27]。用H2SO4-H2O2消解植物样品，连续流动分析仪测定消解液，获得植物各器官氮磷钾含量。小麦产量为各小区实际收获结果。产量与养分含量均以干重为基数表示。

    1.4   数据处理与统计分析

    1.4.1   产量分组

    为了解北方麦区小麦产量的区间分布规律，将所有地点农户处理分为5级进行了统计分析，以平均产量(6000 kg/hm2)为中心，分别上下浮动10%、30%，形成5个等级：低产(< 4200 kg/hm2)，偏低(4200～5400 kg/hm2)，中产(5400～6600 kg/hm2)，偏高(6600～7800 kg/hm2)，高产(>7800 kg/hm2)[22]。

    1.4.2   土壤有效磷分组

    为了解北方麦区麦田土壤的有效磷分布规律，将土壤有效磷含量从低到高分为：<15、15～20、20～25、25～30、>30 mg/kg 5组，对农户的麦田土壤有效磷含量进行分析评价，并按此分组分析分析小麦产量、籽粒养分含量等处理间差异对土壤有效磷含量的响应。

    1.4.3   相关指标计算与数据处理方法

    磷肥偏生产力(kg/kg)=产量(kg/hm2)/施磷量(kg/hm2)　　　　 (1)

    磷肥吸收效率(kg/kg)=植株地上部吸磷量(kg/hm2)/施磷量(kg/hm2)×2.291[28] 　　　　　　　　　　　　(2)

    磷素利用效率(kg/kg)=产量(kg/hm2)/地上部吸磷量(kg/hm2) [28-29]　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)

    (1)、(2)、(3)式中，土壤的氮、磷、钾含量，植株氮、磷、钾的含量和吸收量均为纯养分N、P和K的量。施肥量中的氮为N，磷和钾分别为P2O5和K2O。2.291为P2O5换算为P的系数。

    数据处理采用Microsoft Excel 2016，作图采用Origin 2018，统计分析采用SPSS Statistics 23.0。多重比较采用 LSD (Least Significant Difference)法，P < 0.05为差异显著。

    2.   结果与分析

    2.1   农户施肥处理小麦籽粒产量和麦田土壤有效磷水平

    北方麦区农户施肥处理小麦产量介于888～11524 kg/hm2，平均为6000 kg/hm2(图1a)。两年49个地点80个农户中，产量低于4200 kg/hm2与介于4200～5400 kg/hm2的各有16个，各占20%；介于5400～6000 kg/hm2的有13个，占16%；介于6600～7800 kg/hm2的有19个，占24%；超过7800 kg/hm2的有16个，占20%。可见，北方麦区小麦产量偏低的农户占有较大比例。

    图  1  北方麦区农户的小麦籽粒产量与麦田表层( 0—20 cm)土壤有效磷含量的频数分布
    Figure  1.  Yield frequency distribution and frequency distribution of soil available P concentration in 0–20 cm soil depth of famers fields in the northern wheat production region of China
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    麦田表层土壤有效磷介于4.4～70.3 mg/kg，平均为21.1mg/kg (图1b)。80个农户中，有效磷含量<15 mg/kg的有32个，占40%；介于15～20 mg/kg的有14个，占17.5%；介于20～25 mg/kg的有8个，占10%；介于25～30 mg/kg的有12个，占15%；超过30 mg/kg的有14个，占17.5%。从分布区域看，有效磷低于15 mg/kg的地点多位于黄土高原陕西、山西和甘肃，以旱地为主；介于15～20 mg/kg的地点位于陕西、山西、甘肃和宁夏，雨养与灌溉麦田各占36%和64%；介于20～25 mg/kg的地点位于陕西、甘肃、宁夏、青海和新疆，雨养与灌溉麦田各占25%和75%；介于25～30 mg/kg的地点分布在陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆和内蒙古，雨养与灌溉麦田各占42%和58%；高于30 mg/kg的地点分布在甘肃、宁夏、新疆、内蒙古和黑龙江，雨养与灌溉麦田各占38%和62%。可见，北方麦区农户麦田土壤低于15 mg/kg的地点仍占有较大比例。

    2.2   监控施肥引起的小麦产量、生物量、收获指数变化

    土壤有效磷水平不同，小麦籽粒产量存在显著差异(图2a)。土壤有效磷<15、15～20、20～25、25～30和>30 mg/kg时，农户施肥、监控施肥、监控无磷3个处理的平均产量分别为5155、6223、6868、7217和5803 kg/hm2。有效磷为25～30 mg/kg时产量最高，有效磷<15 mg/kg时产量最低。说明土壤有效磷含量较低时，小麦产量较低，但有效磷含量过高也不能持续提高产量，有效磷含量超过30 mg/kg时产量降低。不同有效磷水平下，监控施肥处理较农户施肥处理提高小麦籽粒产量程度不同(图2a)。有效磷为15～20 mg/kg与>30 mg/kg时，监控施肥处理较农户施肥处理增产4.6%和4.1%，有效磷介于20～30 mg/kg或<15 mg/kg时，监控施肥处理与农户施肥处理产量差异不显著。有效磷<15 mg/kg和介于15～20 mg/kg时，监控无磷处理较监控施肥处理分别显著减产7.1%和12.1%；有效磷介于20～25、25～30 mg/kg时，监控无磷处理与监控施肥处理无显著差异；有效磷>30 mg/kg时，监控无磷处理较监控施肥处理减产18.7%。农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的平均产量分别为6000、6133和 5675 kg/hm2，监控施肥处理较农户施肥处理高2.2%，但差异未达显著水平，监控无磷处理较监控施肥处理减产7.5%。

    图  2  不同土壤有效磷水平下小麦籽粒产量(a)、地上部生物量(b)和收获指数(c)对监控施肥的响应
    [注（Note）：误差线表示平均数标准差 Error bars are standard deviations of the means; FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation; 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05)，不同大写字母表示不同有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments ( P < 0.05), and different capital letters in the bars indicate significant difference among soil available P levels (P < 0.05).]
    Figure  2.  Response of grain yield (a), aboveground biomass (b) and harvest index (c) of wheat to test-integrated fertilizer application at different soil available fertilizer levels
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    小麦地上部生物量与土壤有效磷水平的关系与产量相似(图2b)，先随土壤有效磷含量增加而提高，有效磷为25～30 mg/kg时最高，有效磷>30 mg/kg时又降低。有效磷从低到高5个等级下3个处理的平均生物量分别为11887、14689、14821、15181和13758 kg/hm2。可见，土壤有效磷含量低，小麦生物量也较低，但土壤有效磷过高时生物量也会降低。土壤有效磷<15和15～20 mg/kg时，监控施肥处理的生物量较农户施肥处理分别显著增加3.7%和6.1%；有效磷>30 mg/kg时，监控施肥处理与农户施肥处理无显著差异。有效磷<15、15～20和>30 mg/kg时，监控无磷处理较监控施肥处理分别显著降低7.1%、10.6%和16.3%；有效磷为25～30 mg/kg时两者的生物量无显著差异；有效磷为20～25 mg/kg时监控无磷处理增产5.2%。农户施肥、监控施肥、监控无磷3个处理的生物量平均值分别为13542、13961和12901 kg/hm2，监控施肥处理的生物量较农户施肥处理提高3.1%，但差异未达显著水平，监控无磷处理较监控施肥处理的生物量显著降低7.6%。

    从不同土壤磷水平下3个处理的平均值来看，小麦收获指数亦随土壤有效磷水平升高而先提高(图2c)，土壤有效磷介于25～30 mg/kg时最高，平均为47.9%，但有效磷>30 mg/kg时又降低。从不同有效磷水平的平均值来看，农户施肥、监控、施肥、监控无磷3个处理的收获指数分别为44.0%、43.8%和43.8%，处理间无显著差异。监控施肥处理的收获指数除有效磷<15 mg/kg时比农户施肥处理降低1.8%外，二者其余施磷条件下无显著差异。监控无磷处理的收获指数也仅在有效磷为15～20 mg/kg时较监控施肥处理显著降低3.3%。

    可见，无论土壤有效磷水平高低，采用监控施肥处理均不降低小麦产量和生物量，但当土壤有效磷较低(<20 mg/kg)或较高(>30 mg/kg)时，不施磷会降低小麦产量和生物量，原因有待进一步分析。除有效磷较低(<20mg/kg)时外，监控施肥处理或监控无磷对小麦收获指数无显著影响。

    2.3   监控施肥引起的小麦产量构成要素变化

    穗数随土壤有效磷含量的增加而先升高(表1)，有效磷为20～25和25～30 mg/kg时穗数最高，但有效磷>30 mg/kg时穗数又降低，从低到高5个有效磷等级小麦的平均穗数分别为416、481、591、567和530 万/hm2。监控施肥处理有明显提高小麦穗数的趋势，且在有效磷为15～20 mg/kg时，穗数较农户施肥处理显著提高8.2%。与监控施肥处理相比，监控无磷处理在有效磷<15、15～20和>30 mg/kg时的穗数分别降低8.2%、8.9%和10.4%；有效磷为20～25和25～30 mg/kg时监控无磷的穗数增加不显著。农户施肥、监控施肥和监控无磷的平均穗数分别为483、504和474万/hm2，监控施肥的穗数较农户施肥高4.2%，但差异未达显著水平，监控无磷处理的穗数较监控施肥处理显著降低5.9%。

    从低到高5个有效磷等级下(表1)，农户施肥、监控施肥、监控无磷3个处理的平均穗粒数分别为29、30、29、32和30。有效磷为25～30 mg/kg时穗粒数最多，有效磷<15和20～25 mg/kg时穗粒数最少。农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的穗粒数平均值分别为30、30和29，差异均未达到显著水平。

    土壤有效磷越高，小麦千粒重越低(表1)，土壤有效磷从低到高5个等级，农户施肥、监控施肥、监控无磷3个处理的平均千粒重分别为43.2、42.9、41.7、41.8和37.5 g。监控施肥处理的千粒重较农户施肥处理无显著变化。有效磷为20～25和25～30 mg/kg时，监控无磷处理的千粒重分别较监控施肥处理升高3.8%和5.3%，有效磷>30 mg/kg时，前者较后者反而降低3.1%。农户施肥、监控施肥、监控无磷3个处理的平均千粒重分别41.9、41.5和42.1 g，无显著差异。

    2.4   监控施肥引起的小麦养分含量变化

    小麦籽粒氮含量随土壤有效磷升高而降低(图3a)，5个有效磷等级3个处理的平均氮含量分别为23.5、23.3、21.4、21.6和22.7 g/kg，有效磷为20～25和25～30 mg/kg时最低。与农户施肥处理相比，仅有效磷<15 mg/kg时监控施肥处理籽粒氮含量降低2.9%。监控无磷处理的籽粒氮含量也仅在有效磷>30 mg/kg时较监控施肥处理降低5.0%。农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的平均籽粒氮含量分别为22.9、22.7和22.8 g/kg，差异不显著。

    图  3  北方麦区不同土壤有效磷水平下小麦籽粒氮、磷、钾含量对监控施肥的响应
    [注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation. 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著( P < 0.05)，不同大写字母表示不同有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments ( P < 0.05), and different capital letters in the bars indicate significant difference among soil available P levels (P < 0.05).]
    Figure  3.  Response of grain N , P and K concentration of wheat to test-integrated fertilizer application at different soil available P levels in northern wheat production region of China
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    小麦籽粒磷含量随土壤有效磷水平升高而提高(图3b)，有效磷>30 mg/kg时最高，<15 mg/kg时最低。5个有效磷等级3个处理的平均磷含量分别为3.1、3.4、3.8、3.8和4.2 g/kg。不同有效磷水平下监控施肥处理的籽粒磷含量较农户施肥处理均差异不显著。除有效磷<15和15～20 mg/kg时监控无磷处理较监控施肥处理籽粒磷含量分别降低6.1%和8.5%外，其他有效磷含量水平下籽粒磷含量二者均差异不显著。农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的平均籽粒磷含量分别为3.5、3.6和3.4 g/kg，监控施肥处理较农户施肥高1.4%，但两者差异不显著，监控无磷处理较监控施肥显著降低4.8%。

    5个有效磷等级3个处理的平均籽粒钾含量分别为3.6、3.8、4.2、3.8和4.0 g/kg (图3c)，有效磷介于20～25 mg/kg时最高，有效磷<15 mg/kg时最低。除有效磷<15 mg/kg时监控施肥处理小麦籽粒钾含量比农户施肥处理升高2.8%外，其他有效磷含量水平下二者的籽粒钾含量无显著差异。有效磷在<15、20～25、25～30和>30 mg/kg时，监控无磷处理的籽粒钾含量分别较监控施肥处理降低3.3%、3.1%、6.1%和5.6%，有效磷为15～20 mg/kg时二者差异不显著。农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的平均籽粒钾含量分别为3.8、3.8和3.7 g/kg，农户施肥处理与监控施肥处理差异不显著，监控无磷处理较监控施肥处理显著降低3.9%。

    2.5   监控施肥引起的小麦养分吸收分配变化

    有效磷在15～20 mg/kg时3个处理的平均地上部吸氮量最高，有效磷<15 mg/kg时地上部吸氮量最低；有效磷介于25～30 mg/kg时平均氮收获指数最高，有效磷>30 mg/kg时最低(表2)。除有效磷在15～20 mg/kg监控施肥处理的吸氮量较农户施肥增加7.0%外，其他有效磷水平二者差异均不显著。有效磷在<15、15～20和>30 mg/kg时，监控无磷处理的吸氮量较监控施肥分别减少7.1%、15.8和18.3%，有效磷在20～25、25～30 mg/kg时二者差异不显著。监控施肥处理的平均吸氮量较农户施肥提高1.7%，但差异未达显著水平，监控无磷平均吸氮量较监控施肥处理显著降低10.1%。各有效磷水平下监控施肥处理的籽粒氮收获指数与农户施肥均无显著差异。有效磷在20～25 mg/kg时，监控无磷较监控施肥籽粒氮收获指数降低6.4%，有效磷在25～30 mg/kg时前者较后者反而升高3.9%。农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的氮收获指数差异均不显著。

    表  2  北方麦区不同土壤有效磷水平下小麦地上部氮、磷、钾吸收量和籽粒氮、磷、钾收获指数
    Table  2.  Shoot N, P, and K uptake, and grain N, P, and K harvest index of wheat at different soil available P levels in northern wheat production region of China
    土壤有效磷
    Soil
    available P
    (mg/kg)    		地上部吸氮量 (kg/hm2)
    N uptake in aboveground part    		地上部吸磷量 (kg/hm2)
    P uptake in aboveground part    		地上部吸钾量 (kg/hm2)
    K uptake in aboveground part
    农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average
    <15157 a156 a145 b153 C18.6 b19.5 a17.5 c18.5 C 106 ab110 a104 b107 D
    15～20195 b209 a176 c194 A25.6 b27.2 a23.1 c25.4 B145 b159 a140 b148 A
    20～25176 a176 a179 a177 B29.9 a30.5 a30.0 a30.1 A158 a155 a148 a154 A
    25～30192 a193 a195 a193 A30.1 a31.5 a31.3 a31.0 A144 a141 a136 a141 B
    >30183 a186 a152 b176 B31.2 a31.3 a27.7 b30.3 A148 a138 b100 c132 C
    平均Average175 a178 a162 b25.0 a25.9 a23.2 b132 a133 a119 b
    土壤有效磷
    Soil
    available P
    (mg/kg)    		氮收获指数 N harvest index (%)磷收获指数 P harvest index (%)钾收获指数 K harvest index (%)
    农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average
    <1579.4 a78.6 a78.9 a79.0 A87.3 a86.3 a86.8 a86.8 A19.1 a19.0 a18.6 a18.9 C
    15～2076.8 a76.4 a76.9 a76.7 B84.6 a84.2 a84.8 a 84.5 BC19.0 a18.1 a16.8 b18.0 D
    20～2579.6 a79.8 a75.1 b78.5 A84.9 a84.4 a78.9 a83.0 C19.9 a20.0 a19.2 a19.7 C
    25～30 79.5 ab78.3 b81.3 a79.6 A85.6 a84.8 a85.6 a85.3 B20.8 a20.7 a22.5 a21.3 B
    >3076.4 a76.2 a77.2 a76.5 B79.2 a79.2 a80.0 a79.4 D29.5 a23.8 c27.3 b26.8 A
    平均Average78.5 a77.9 a78.3 a84.9 a84.3 a84.6 a21.2 a20.0 a20.1 a
    注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation. 同行数据后不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05)，同列数据后不同大写字母表示不同土壤有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05). Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference among treatments (P < 0.05), and different capital letters in a column indicate significant difference among different soil available P levels (P < 0.05).
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    土壤有效磷含量低时，地上部吸磷量低，籽粒磷收获指数高；反之，土壤有效磷含量高时，地上部吸磷量高，籽粒磷收获指数低(表2)。有效磷<15 mg/kg时3个处理的平均地上部吸磷量最低，平均籽粒磷收获指数最高；有效磷在25～30 mg/kg时平均地上部吸磷量最高，>30 mg/kg时平均籽粒磷收获指数最低。分析农户施肥、监控施肥、监控无磷处理的变化发现，有效磷<15和15～20 mg/kg时，监控施肥处理的吸磷量较农户施肥处理分别增加4.7%和6.0%。有效磷在<15、15～20和>30 mg/kg时，监控无磷处理的吸磷量较监控施肥处理分别降低10.5%、15.0%和11.4%。监控施肥处理的平均地上部吸磷量高于农户施肥处理3.7%，但差异不显著，监控无磷处理较监控施肥处理减少10.4%。监控施肥处理的平均籽粒磷收获指数较农户施肥、监控无磷处理略有变化，但差异均不显著。

    土壤有效磷低时，地上部吸钾量低，籽粒钾收获指数低；土壤有效磷过高时，地上部吸钾量并不高，籽粒钾收获指数高(表2)。有效磷在15～20、20～25 mg/kg时3个处理的平均地上部吸钾量最高，有效磷<15 mg/kg时最低；有效磷>30 mg/kg时平均籽粒钾收获指数最高，有效磷15～20 mg/kg时最低。有效磷在15～20 mg/kg时，监控施肥处理的吸钾量较农户施肥处理增加9.1%，有效磷>30 mg/kg时反而减少7.3%。有效磷在<15、15～20和>30 mg/kg时，监控无磷处理的吸钾量较监控施肥处理分别降低6.1%、11.5%和27.6%。监控施肥处理的平均吸钾量较农户施肥处理增加1.2%，但差异未达到显著水平，监控无磷处理较监控施肥降低10.6%。除有效磷>30 mg/kg时监控施肥处理的籽粒钾收获指数较农户施肥处理降低19.6%外，其余有效磷水平下二者均差异不显著。有效磷在15～20 mg/kg时，监控无磷处理的籽粒钾收获指数较监控施肥处理降低7.0%，有效磷>30 mg/kg时反而显著增加14.9%。农户施肥、监控施肥、监控无磷处理的籽粒钾收获指数差异均未达到显著水平。

    2.6   监控施肥引起的土壤氮磷钾的变化

    0—20 cm土层土壤的硝态氮含量随土壤有效磷水平升高而降低。5个土壤有效磷水平下，3个处理的平均土壤硝态氮含量分别为26.4、19.4、12.9、18.1和15.3 mg/kg (图4a)。有效磷<15 mg/kg时土壤硝态氮含量最高，20～25 mg/kg时最低。有效磷在<15和15～20 mg/kg时，监控施肥处理的土壤硝态氮含量较农户施肥处理分别降低42.4%和56.0%，其他有效磷水平时二者差异不显著。仅在有效磷<15 mg/kg时监控无磷处理的土壤硝态氮含量高于监控施肥处理34.1%，其余有效磷水平下监控无磷处理与监控施肥处理无显著差异。农户施肥、监控施肥、监控无磷3个处理的平均土壤硝态氮含量分别为23.5、17.3和21.3 mg/kg，监控施肥处理较农户施肥处理显著降低26.4%，监控无磷处理与监控施肥处理差异未达显著水平。

    图  4  北方麦区不同土壤有效磷水平下土壤硝态氮、有效磷和速效钾含量对监控施肥的响应
    [注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer tare by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation. 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05)，不同大写字母表示不同有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments ( P < 0.05), and different capital letters in the bars indicate significant difference among soil available P levels (P < 0.05).]
    Figure  4.  Response of soil nitrate-N , available P and available K concentrations to test-integrated P application at different soil available fertilizer levels in northern wheat production region of China
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    不同于硝态氮，0—20 cm土壤的有效磷含量随土壤有效磷水平升高而升高(图4 b)。5个土壤有效磷水平下，3个处理的平均土壤有效磷含量分别为10.5、15.9、20.2、23.7和40.9 mg/kg。各有效磷水平下监控施肥处理的土壤有效磷含量较农户施肥处理差异均不显著。在有效磷<15、15～20和25～30 mg/kg时，监控无磷处理的土壤有效磷含量较监控施肥处理分别降低18.8%、31.0%和22.6%。农户施肥、监控施肥、监控无磷3个处理的平均土壤有效磷含量分别为21.1、20.5和16.1 mg/kg，农户施肥处理与监控施肥处理无显著差异，监控无磷处理较监控施肥处理显著降低21.2%。

    0—20 cm土层土壤的速效钾含量随土壤有效磷水平升高亦呈升高趋势(图4c)。5个土壤有效磷水平下，3个处理的平均土壤速效钾含量分别为156、171、158、147和200 mg/kg。在有效磷>30 mg/kg时土壤速效钾含量最高。除有效磷15～20 mg/kg时监控施肥处理的土壤速效钾含量较农户施肥提高17.5%和有效磷20～25 mg/kg时降低20.3%外，其他有效磷水平下二者差异均不显著。有效磷介于15～20和25～30 mg/kg时，监控无磷处理的土壤速效钾含量较监控施肥处理分别升高8.7%和12.2%。农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的平均土壤速效钾含量分别为160、164和170 mg/kg，三者差异均不显著。

    2.7   氮磷钾肥减施情况

    土壤有效磷<15、15～20、20～25、25～30和>30 mg/kg时，农户施肥的施氮量分别为195、223、270、238和213 kg/hm2，监控施肥处理的施氮量分别为132、182、224、214和173 kg/hm2 (图5a)，监控施肥处理较农户施肥处理施氮量分别减少63、41、46、24和41 kg/hm2，相当于减少32.3%、18.5%、17.2%、9.9%和19.1%。农户施肥处理与监控施肥处理的平均施氮量分别为218和170 kg/hm2，差异显著。

    图  5  北方麦区不同土壤有效磷水平下施氮、磷和钾量对监控施肥的响应
    [注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rare by the test-integrated fertilizer application; 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments (P < 0.05).]
    Figure  5.  Responses of N , P and K rates to test-integrated fertilizer application at different soil available P levels in northern wheat production region of China
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    不同土壤有效磷水平下，农户施肥处理的施磷量分别为124、125、176、142和124 kg/hm2，监控施肥处理的施磷量分别为61、79、97、77和71 kg/hm2 (图5b)，监控施肥处理较农户施肥处理的施磷量分别显著减少63、46、79、65和52 kg/hm2，相当于减少50.9%、36.9%、44.9%、45.6%和42.4%。农户施肥处理与监控施肥处理的平均施磷量分别为133和72 kg/hm2，差异显著。

    农户施肥处理的施钾量分别为33、42、32、31和18 kg/hm2，监控施肥处理的施钾量分别为22、36、41、45和33 kg/hm2 (图5c)。在有效磷<15和15～20 mg/kg时，监控施肥处理的施钾量较农户施肥处理分别减少11和6.0 kg/hm2，有效磷<15 mg/kg时差异显著。有效磷在20～25、25～30和>30 mg/kg时，监控施肥处理较农户施肥处理分别增加9、14和16 kg/hm2，有效磷>30 mg/kg时差异显著。农户施肥处理与监控施肥处理的平均施钾量分别为31和32 kg/hm2，差异不显著。

    2.8   减肥增效的效果

    不同土壤有效磷水平下，监控施肥处理的磷肥偏生产力和吸收效率均高于农户施肥(图6a和b)。有效磷<15、15～20、20～25、25～30和>30 mg/kg时，农户施肥的磷肥偏生产力分别为45.9、54.8、43.0、55.0和50.8 kg/kg，监控施肥的磷肥偏生产力分别为100.3、97.9、78.7、125.6和118.8 kg/kg，较农户施肥分别显著提高118.7%、78.7%、82.9%、128.3%和134.0%，两个处理的磷肥偏生产力平均分别为49.4和104.7 kg/kg，监控施肥显著提高112.2%。

    图  6  北方麦区不同土壤有效磷水平下磷肥偏生产力、吸收效率和利用效率对监控施肥的响应
    [注（Note）：FF— Farmers’ fertilizer application rate; RF— Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments (P < 0.05).]
    Figure  6.  Responses of P partial factor productivity, P fertilizer uptake efficiency and P utilization efficiency to test-integrated fertilizer application at different soil available P levels in northern wheat production region of China
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    不同土壤有效磷水平下，农户施肥处理的磷肥吸收效率分别为0.36、0.51、0.43、0.55和0.62 kg/kg，监控施肥处理的磷肥吸收效率分别为0.85、0.90、0.85、1.31和1.43 kg/kg，监控施肥处理的磷肥吸收效率较农户施肥处理显著提高134.1%、76.8%、96.6%、137.9%和130.0%。两个处理的磷肥吸收效率平均分别为0.47和1.03 kg/kg，监控施肥处理显著提高119.6%。

    不同土壤有效磷水平下，农户施肥和监控施肥处理的磷素利用率多无显著差异(图6c)。从低到高5个有效磷水平下，农户施肥处理的磷素利用效率分别为298、251、231、238和195 kg/kg，监控施肥处理的磷素利用效率分别为286、245、226、233和197 kg/kg，仅在有效磷<15 mg/kg时监控施肥处理磷素利用效率较农户施肥处理降低4.0%，其他水平下两者无显著差异。两个处理的磷素利用效率平均分别为256和249 kg/kg，差异不显著。

    3.   讨论

    3.1   监控施肥引起的小麦产量变化与土壤有效磷的关系

    本研究表明，在北方麦区小麦产量随土壤有效磷含量提高先增高，土壤有效磷介于25～30 mg/kg时，小麦籽粒产量最高，但有效磷高于30 mg/kg时，产量显著下降，仅高于有效磷<15 mg/kg时的产量。有研究显示，耕层土壤有效磷小于30 mg/kg时，小麦施磷增产效果随土壤有效磷升高而降低，而土壤有效磷大于30 mg/kg时，施磷增产率一般低于10%[30-32]。在山东有效磷为15.9 (中磷)和30.4 mg/kg (高磷)的土壤上的试验发现，中磷土壤上施磷显著提高了小麦产量，高磷土壤上施磷(P2O5) 135 kg/hm2较施磷(P2O5) 105 kg/hm2时产量无显著变化[32]。河南的试验显示，土壤有效磷为33.6 mg/kg时小麦产量为9279 kg/hm2，有效磷为18.6mg/kg时产量为8815 kg/hm2，亦无显著差异[33]。本研究对比产量三要素发现，穗数、穗粒数和千粒重显著降低是土壤有效磷高于30 mg/kg时产量下降的主要原因。

    本研究表明，与农户施肥处理相比，监控施肥处理降低了氮磷肥料用量，还能使小麦产量呈增加趋势，特别是土壤有效磷>30 mg/kg时，增产效应达到显著水平，不同土壤有效磷水平下监控施肥处理平均增产2.2%。对比产量三要素发现，土壤有效磷介于15～20 mg/kg时，监控施肥处理的穗数较农户施肥处理显著增加，二者穗粒数和千粒重在各有效磷水平时差异均不显著。说明合理减肥可以维持小麦丰产，实现减肥不减产。与监控施肥处理相比，监控无磷处理只有在土壤有效磷介于20～25和25～30 mg/kg时不减产。当土壤有效磷在<15和15～20 mg/kg (低磷)时，监控无磷处理的产量较监控施肥显著降低，主要原因是穗数显著降低。然而，土壤有效磷>30 mg/kg(高磷)时监控无磷的产量也显著低于监控施肥，减产的地点分别位于黑龙江、内蒙古的雨养春麦区和新疆、宁夏、甘肃河西的灌溉春麦区，各试验点监控无磷处理的土壤有效磷介于10.0～46.4 mg/kg，平均为40.9 mg/kg，土壤并不缺磷，但这些地点春季气温低，可能影响小麦对土壤磷素的吸收利用[34]，从而导致植株缺磷，穗数和千粒重显著降低，造成了小麦减产。也可能和这些地点的土壤速效钾含量高有关(图4c)，有效磷>30 mg/kg时，各地点3个处理土壤速效钾含量平均为200 mg/kg，不施磷小麦减产，而土壤有效磷为20～25、25～30 mg/kg时，各地点土壤速效钾含量平均为158和147 mg/kg，不施磷没有减产；土壤速效磷为15～20 mg/kg时，土壤有效钾水平也很高，各地点平均为171 mg/kg，不施磷小麦也减产，说明较高的土壤速效钾可能是土壤有效磷较高而不施磷小麦仍会减产的原因。因此，在实际生产中，应依据土壤有效磷、速效钾水平确定磷肥用量：速效钾>170 mg/kg时，即使有效磷>15 mg/kg，不施磷也可能导致小麦减产。

    3.2   监控施肥引起的小麦籽粒氮磷钾含量变化与土壤养分的关系

    本研究发现，在北方麦区土壤有效磷含量越高，籽粒平均氮含量越低。减施磷肥后，仅有效磷<15 mg/kg时监控施肥处理较农户施肥处理籽粒氮含量显著降低2.9%，此时监控施肥处理较农户施肥处理的磷肥用量减少63 kg/hm2。在其他土壤有效磷水平下，前者较后者磷肥用量分别显著减少46、79、65、52 kg/hm2，籽粒氮含量并没有显著降低。监控无磷处理籽粒氮含量也仅在有效磷>30mg/kg时较监控施肥显著降低5.0%，其他土壤有效磷水平下两者的籽粒氮含量无显著差异。说明基于监控土壤养分合理推荐施肥平衡了土壤养分，减施磷肥对籽粒氮含量没有显著影响。

    在北方麦区土壤有效磷含量越高，籽粒平均磷含量越高，且高磷条件下减施磷肥不影响籽粒磷含量。5个土壤有效磷水平下减施磷肥后监控施肥的籽粒磷含量较农户施肥差异均不显著，说明合理减施磷肥不会降低籽粒磷含量。不施磷肥对籽粒磷含量有显著影响，特别是土壤有效磷<20 mg/kg时不施磷肥会显著降低籽粒磷含量，有效磷>20 mg/kg时不施磷肥不会降低籽粒磷含量。在实际生产中若要维持与当地农户小麦相当的籽粒磷含量，土壤有效磷<20 mg/kg的土壤上不能不施磷肥。

    北方麦区土壤有效磷在20～25 mg/kg时小麦平均籽粒钾含量达到最高。减施磷肥后，有效磷在15～20、20～25、25～30和>30 mg/kg时，监控施肥处理与农户施肥处理的籽粒钾含量无显著差异，而有效磷<15 mg/kg时显著升高2.8%。也仅在有效磷介于15～20 mg/kg时，监控无磷处理与监控施肥处理籽粒钾含量无显著差异，其他有效磷水平下监控无磷处理均较监控施肥处理显著降低。说明合理减磷不会降低籽粒钾含量，不施磷肥可能会降低籽粒钾含量。

    3.3   北方麦区小麦磷肥的减肥增效潜力

    本研究发现，监控施肥处理的施磷量较农户施肥处理平均减少60 kg/hm2；在所有土壤有效磷水平下，监控施肥处理均较农户施肥处理显著提高了磷肥偏生产力与磷肥吸收效率，平均提高112.2%和119.6%。总体来看，监控施肥处理的磷素利用效率与农户施肥无显著差异，这主要是因为磷素利用效率是作物的一种特性，即作物吸收单位数量的磷养分形成小麦籽粒产量的能力，施磷或不施磷对其影响不大。一项英国砂质黏壤土的磷用量试验显示，在土壤有效磷为4.0或33 mg/kg时，磷肥吸收效率均随施磷量的增加而减少，当4年总施磷(P)量从55 kg/hm2增加到165 kg/hm2时，两种土壤相同轮作系统(土豆-大麦-甜菜-大麦)的磷肥吸收效率分别减少44.2%和64.3%[35]。汾河平原和渭河平原725个农户调研发现，小麦磷肥偏生产力平均分别为59.6和56.1 kg/kg[36]，低于我国平均磷肥生产力63.7 kg/kg[37]，更低于本研究中监控施肥的平均磷肥偏生产力104.7 kg/kg。河北两个小麦品种的磷用量试验显示，施180 kg/hm2磷肥(P2O5)时的磷肥偏生产力较施60 kg/hm2时分别显著降低111.4%和124.7%[38]。江苏的4个小麦品种磷用量试验发现，磷肥偏生产力随施磷量增加而降低，扬麦9号施用108 kg/hm2磷肥(P2O5)较施用72 kg/hm2时的磷肥偏生产力降低了27.7%[14]。这些研究结果皆与本研究吻合。

    采用基于产量的小麦施肥量评价方法[39]对本研究中80个农户的施磷量进行评价(图7)发现，仅有2个农户的施磷量低于推荐施磷量，占2.5%，10个农户施磷量处于适中水平，占10%，说明北方麦区农户过量施磷的问题较为严重。5个土壤有效磷等级下施磷过量(偏高+很高)的农户的比例分别为90.6%、78.6%、87.5%、91.7%和71.4%，平均为85.0%，分别需减施磷肥(P2O5) 71、60、95、70和80 kg/hm2，平均需减磷(P2O5) 73 kg/hm2；农户的减肥潜力(需减磷量/农户施磷量)分别为45.5%、32.6%、42.1%、44.2%和36.4%，平均为41.1%。全国1030个农户的调研发现，各麦区磷肥减施潜力因产量水平而异，减磷量随产量增加而降低，春麦区、旱作区、麦玉区的整体减磷潜力高达31.0%、55.6%和25.0%[40]。宁夏引黄灌区的试验发现，磷肥(P2O5)用量在48～96 kg/hm2时，比农户减磷40.7%～70.3%，更有利于稳定春小麦产量[41]。华北潮土区麦田的研究显示，土壤有效磷在<7、7～12、12～18和18～38 mg/L时，磷肥(P2O5)推荐用量分别为135、105、90和60 kg/hm2，而土壤有效磷>38 mg/L时，建议不施或者少施磷肥[42]。陕西关中灌区土壤有效磷<25、25～40和>40 mg/kg时，冬小麦推荐施磷(P2O5)量为80～95、60～80和10～15 kg/hm2[4]，土壤有效磷含量越高推荐施磷量越低。北方麦区幅员辽阔，土壤类型与肥力水平各异，合理施肥量不应是只设定一个值或一个范围值，应根据土壤有效磷水平和产量等多种因素综合推荐。有效磷<15 mg/kg的土壤以雨养旱地为主，尤其是黄土高原旱地，土壤肥力低且受水分的限制，建议结合当地降雨条件以水定产、因土施肥。有效磷介于15～30 mg/kg的土壤，多位于陕西、山西、甘肃和宁夏的灌区，水分不再是限制条件，但灌水会引起磷素淋溶，特别是砂质土壤，建议加强水肥管理，协同水肥供应，合理减施磷肥，防止土壤有效磷含量过高。有效磷>30 mg/kg的土壤，一部分位于黑龙江、内蒙古这些土壤有机质较高的旱地，建议维持较低施磷量，充分利用土壤中现有磷素，节本增效；另一部分多位于新疆、宁夏、甘肃的灌区麦田，建议加强水肥一体化管理，合理减施磷肥，降低土壤有效磷含量，在维持小麦高产的同时防止砂质土壤磷素过量发生淋溶损失。

    图  7  北方麦区不同土壤有效磷水平下农户施磷量分布比例
    Figure  7.  Frequency distribution of farmers’ P rate at different soil available P levels in northern wheat production region of China
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    4.   结论

    监控施肥处理的磷肥用量较农户施肥处理平均减少60 kg/hm2 (46%)，增产2.2%，籽粒氮磷钾含量与农户施肥处理相比无显著差异。当土壤有效磷<15 mg/kg时，小麦产量最低，为5155 kg/hm2，在土壤有效磷25～30 mg/kg时，产量达到最高，为7217 kg/hm2，有效磷过高并不能持续提高小麦产量。除土壤有效磷外，磷肥的产量效应也受土壤速效钾的影响，在土壤速效钾>170 mg/kg时，即使有效磷>15 mg/kg，不施磷也可能导致小麦减产。采用监控施肥技术合理减施磷肥，无论土壤有效磷含量高低，均不会减产，同时小麦磷肥吸收效率与磷肥偏生产力显著提高。综合考虑，在北方麦区土壤有效磷维持在20～30 mg/kg时，小麦产量可达较高水平；速效钾>170mg/kg时，不施磷肥小麦有减产风险。应针对北方麦区具体区域的土壤和水肥管理条件，基于土壤有效磷钾和小麦产量水平，确定合理的磷肥用量，实现小麦磷肥科学减施、绿色生产。

    致谢：感谢参加国家重点研究计划项目“北方小麦化肥农药减施技术集成研究与示范”实施的黄冬琳、李紫燕、张树兰、郑险峰(西北农林科技大学)、仇会芳(陕西永寿农业技术推广中心)、杨珍珍(陕西彬县农业技术推广中心)、兰涛(陕西大荔农业技术推广中心)、张花梅(陕西合阳农业技术推广中心)、梁永强(陕西蒲城农业技术推广中心)、刘斌侠(陕西岐山农业技术推广中心)、强大勇(陕西乾县农业技术推广中心)、李廷亮、孙敏(山西农业大学)、党建友、周怀平(山西省农业科学院)、柴守玺(甘肃农业大学)、鲁清林、孙建好、王勇、赵刚(甘肃省农业科学院)、郭鑫年、沈强云(宁夏农林科学院)、王西娜(宁夏大学)、李松龄(青海省农林科学院)、陈署晃、雷钧杰(新疆农业科学院)、李俊华(石河子大学)、张磊(新疆农垦科学院)、贾立国、张永平(内蒙古农业大学)、张久明、郑淑琴(黑龙江省农业科学院)在试验实施、栽培信息调研及样品采集等方面给予的大力支持与帮助。

  • 图  1   北方麦区农户的小麦籽粒产量与麦田表层( 0—20 cm)土壤有效磷含量的频数分布

    Figure  1.   Yield frequency distribution and frequency distribution of soil available P concentration in 0–20 cm soil depth of famers fields in the northern wheat production region of China

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    图  2   不同土壤有效磷水平下小麦籽粒产量(a)、地上部生物量(b)和收获指数(c)对监控施肥的响应

    [注（Note）：误差线表示平均数标准差 Error bars are standard deviations of the means; FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation; 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05)，不同大写字母表示不同有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments ( P < 0.05), and different capital letters in the bars indicate significant difference among soil available P levels (P < 0.05).]

    Figure  2.   Response of grain yield (a), aboveground biomass (b) and harvest index (c) of wheat to test-integrated fertilizer application at different soil available fertilizer levels

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    图  3   北方麦区不同土壤有效磷水平下小麦籽粒氮、磷、钾含量对监控施肥的响应

    [注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation. 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著( P < 0.05)，不同大写字母表示不同有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments ( P < 0.05), and different capital letters in the bars indicate significant difference among soil available P levels (P < 0.05).]

    Figure  3.   Response of grain N , P and K concentration of wheat to test-integrated fertilizer application at different soil available P levels in northern wheat production region of China

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    图  4   北方麦区不同土壤有效磷水平下土壤硝态氮、有效磷和速效钾含量对监控施肥的响应

    [注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer tare by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation. 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05)，不同大写字母表示不同有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments ( P < 0.05), and different capital letters in the bars indicate significant difference among soil available P levels (P < 0.05).]

    Figure  4.   Response of soil nitrate-N , available P and available K concentrations to test-integrated P application at different soil available fertilizer levels in northern wheat production region of China

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    图  5   北方麦区不同土壤有效磷水平下施氮、磷和钾量对监控施肥的响应

    [注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rare by the test-integrated fertilizer application; 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments (P < 0.05).]

    Figure  5.   Responses of N , P and K rates to test-integrated fertilizer application at different soil available P levels in northern wheat production region of China

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    图  6   北方麦区不同土壤有效磷水平下磷肥偏生产力、吸收效率和利用效率对监控施肥的响应

    [注（Note）：FF— Farmers’ fertilizer application rate; RF— Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters above the bars represent significant difference among treatments (P < 0.05).]

    Figure  6.   Responses of P partial factor productivity, P fertilizer uptake efficiency and P utilization efficiency to test-integrated fertilizer application at different soil available P levels in northern wheat production region of China

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    图  7   北方麦区不同土壤有效磷水平下农户施磷量分布比例

    Figure  7.   Frequency distribution of farmers’ P rate at different soil available P levels in northern wheat production region of China

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    表  1   北方麦区不同土壤有效磷水平下小麦穗数、穗粒数和千粒重

    Table  1   Spike number, grains per spike, and 1000-grain weight of wheat at different soil available P levels in northern wheat production region of China

    土壤有效磷
    Soil
    available P
    (mg/kg)    		穗数 Spike number (×104/hm2)穗粒数 Grains per spike千粒重 1000-grain weight (g)
    农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average
    <15424 a429 a394 b416 D29 a29 a29 a29 C43.1 a43.0 a43.3 a43.2 A
    15～20469 b508 a463 b481 C31 a31 a30 a30 B43.3 a43.0 a42.4 a42.9 A
    20～25565 b 588 ab632 a591 A30 a29 a28 a29 C41.5 ab41.1 b42.7 a41.7 B
    25～30540 a571 a593 a567 A32 a32 a31 a32 A41.8 b40.8 b43.0 a41.8 B
    >30 529 ab554 a496 b530 B30 a30 a29 a30 B38.3 a37.6 a36.4 b37.5 C
    平均 Average 483 ab504 a474 b30 a30 a29 a41.9 a41.5 a42.1 a
    注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation. 同行数据后不同小写字母表示处理之间差异显著 ( P < 0.05)，同列数据后不同大写字母表示不同土壤有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05). Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference among treatments (P < 0.05), and different capital letters in a column indicate significant difference among different soil available P levels (P < 0.05).
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    表  2   北方麦区不同土壤有效磷水平下小麦地上部氮、磷、钾吸收量和籽粒氮、磷、钾收获指数

    Table  2   Shoot N, P, and K uptake, and grain N, P, and K harvest index of wheat at different soil available P levels in northern wheat production region of China

    土壤有效磷
    Soil
    available P
    (mg/kg)    		地上部吸氮量 (kg/hm2)
    N uptake in aboveground part    		地上部吸磷量 (kg/hm2)
    P uptake in aboveground part    		地上部吸钾量 (kg/hm2)
    K uptake in aboveground part
    农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average
    <15157 a156 a145 b153 C18.6 b19.5 a17.5 c18.5 C 106 ab110 a104 b107 D
    15～20195 b209 a176 c194 A25.6 b27.2 a23.1 c25.4 B145 b159 a140 b148 A
    20～25176 a176 a179 a177 B29.9 a30.5 a30.0 a30.1 A158 a155 a148 a154 A
    25～30192 a193 a195 a193 A30.1 a31.5 a31.3 a31.0 A144 a141 a136 a141 B
    >30183 a186 a152 b176 B31.2 a31.3 a27.7 b30.3 A148 a138 b100 c132 C
    平均Average175 a178 a162 b25.0 a25.9 a23.2 b132 a133 a119 b
    土壤有效磷
    Soil
    available P
    (mg/kg)    		氮收获指数 N harvest index (%)磷收获指数 P harvest index (%)钾收获指数 K harvest index (%)
    农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average
    <1579.4 a78.6 a78.9 a79.0 A87.3 a86.3 a86.8 a86.8 A19.1 a19.0 a18.6 a18.9 C
    15～2076.8 a76.4 a76.9 a76.7 B84.6 a84.2 a84.8 a 84.5 BC19.0 a18.1 a16.8 b18.0 D
    20～2579.6 a79.8 a75.1 b78.5 A84.9 a84.4 a78.9 a83.0 C19.9 a20.0 a19.2 a19.7 C
    25～30 79.5 ab78.3 b81.3 a79.6 A85.6 a84.8 a85.6 a85.3 B20.8 a20.7 a22.5 a21.3 B
    >3076.4 a76.2 a77.2 a76.5 B79.2 a79.2 a80.0 a79.4 D29.5 a23.8 c27.3 b26.8 A
    平均Average78.5 a77.9 a78.3 a84.9 a84.3 a84.6 a21.2 a20.0 a20.1 a
    注（Note）：FF—Farmers’ fertilizer application rate; RF—Recommended P fertilizer rate by the test-integrated fertilizer application; RF-P—Delete P from fertilizer recommendation. 同行数据后不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05)，同列数据后不同大写字母表示不同土壤有效磷水平之间差异显著 (P < 0.05). Values followed by different lowercase letters in a row indicate significant difference among treatments (P < 0.05), and different capital letters in a column indicate significant difference among different soil available P levels (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-04
  • 录用日期:  2021-08-25
  • 网络出版日期:  2021-09-25
  • 刊出日期:  2021-10-24

目录

摘要
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  • 1.   材料与方法

  • 1.1   试验地点

  • 1.2   试验设计

  • 1.3   样品采集与测定

  • 1.3.1   土壤样品采集与测定
  • 1.3.2   植物样品采集与测定

  • 1.4   数据处理与统计分析

  • 1.4.1   产量分组
  • 1.4.2   土壤有效磷分组
  • 1.4.3   相关指标计算与数据处理方法

  • 2.   结果与分析

  • 2.1   农户施肥处理小麦籽粒产量和麦田土壤有效磷水平

  • 2.2   监控施肥引起的小麦产量、生物量、收获指数变化

  • 2.3   监控施肥引起的小麦产量构成要素变化

  • 2.4   监控施肥引起的小麦养分含量变化

  • 2.5   监控施肥引起的小麦养分吸收分配变化

  • 2.6   监控施肥引起的土壤氮磷钾的变化

  • 2.7   氮磷钾肥减施情况

  • 2.8   减肥增效的效果

  • 3.   讨论

  • 3.1   监控施肥引起的小麦产量变化与土壤有效磷的关系

  • 3.2   监控施肥引起的小麦籽粒氮磷钾含量变化与土壤养分的关系

  • 3.3   北方麦区小麦磷肥的减肥增效潜力

  • 4.   结论

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