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摘要：油菜-水稻种植是东亚主要旱作水稻系统。本研究在中国长江中游进行了2年田间试验，对比了不同磷肥用量（0、45、90、135、180 kg P2O5ha−1）对作物产量、磷吸收和土壤磷有效性的影响。结果显示，磷肥显著促进作物生长，提高产量和磷吸收，油菜和水稻分别增产185.6%-238.9%和202.7%-822.1%，磷吸收增加5.6%-12.2%和16.4%-34.0%。最佳磷肥用量为油菜57.0 kg P2O5ha−1、水稻41.5 kg P2O5ha−1。过量施肥降低磷收获指数和表观磷回收效率。磷肥投入90 kg P2O5 ha−1时，表观磷平衡( APB )为中性。施磷主要提高了活性无机磷库和中等活性无机磷库的含量和比例。NaHCO3-Pi和NaOH-Pi最能解释磷输入对作物磷吸收的影响。有效利用土壤活性磷可减少磷肥需求。综上，油菜-水稻种植体系需要添加外源P肥才能实现高产；优化的磷肥管理策略应在平衡施肥的基础上，强调旱季磷肥的投入。
关键词：磷肥施用量；产量；地上部磷吸收
文 章 信 息
译名：通过优化油菜-水稻种植体系中磷肥用量提高作物产量和磷素吸收
发表时间：2022年7月8日
期刊影响因子：5.6 （2024）
第一单位：华中农业大学资源与环境学院，中国农业农村部耕地保护(长江中下游地区)重点实验室
通讯单位：华中农业大学资源与环境学院，中国农业农村部耕地保护(长江中下游地区)重点实验室
文 章 亮 点
1.施用磷肥对油菜和水稻的生长、产量和P吸收有很大贡献。
2.P 可以增加油菜和水稻中每株植物的荚果和穗数从而提高产量。
3.NaHCO3-Pi和NaOH-Pi 很好地解释了 P 输入对油菜和水稻 P 吸收的影响。
4.油菜-稻作系统中磷肥应主要在油菜生长季节施用。
文 章 简 介
1.研究意义
东亚地区广泛采用的稻-旱轮作系统对全球粮食安全具有重要意义。磷作为该系统作物产量的关键限制因素，其管理策略的优化一直是研究重点。然而，磷肥过量施用现象普遍，导致土壤磷盈余并引发环境问题。因此，实现磷肥的可持续管理，提高磷利用效率同时保持高作物产量，成为农业领域的迫切需求。适量磷肥投入能显著提升作物产量和磷吸收量，但稻-旱轮作系统中不同作物对磷的动员能力差异显著。旱地作物相较于水稻，对磷肥的响应更为积极。长期实验表明，稻麦轮作系统中，为获得稳定高产，每年每公顷的总磷投入量应控制在40-50 kg P2O5 之间，其中小麦季至少需投入26 kg P2O5 ，水稻季则为15-25 kg P2O5 。稻-旱轮作系统中的干湿循环显著影响土壤磷的有效性，厌氧条件下土壤磷的有效性增加，这主要归因于Fe3+矿物的还原和磷酸盐的释放，以及酸性土壤淹水后吸附态磷的解吸和扩散作用。因此，在磷肥管理中，“重视旱地磷肥施用”成为重要原则。长期农业管理对土壤磷的生物有效性具有深远影响，但当前对土壤磷生物有效性及其与不同磷形态关系的理解尚不深入。土壤磷形态在稻田和旱地条件下差异显著，可能导致不同的磷肥投入策略。一些作物能够高效利用土壤中的原生或残余磷肥，从而减少外部磷肥的依赖。在热带和亚热带土壤中，农业磷肥效率较低，因为大部分磷肥被土壤颗粒吸附并转化为有效性较低的磷形态。然而，这些被吸附的磷可逐渐被植物解吸和利用，连续多年提高后续作物的产量。为评估土壤磷的有效性及不同磷库之间的转化情况，通常使用分级土壤磷分析和奥尔森-磷测试。化肥提供的无机磷主要储存在短期可提取的磷组分中，如碳酸氢钠和氢氧化钠提取的磷，这些易提取磷的增加有助于提高土壤磷的有效性。农业管理措施，如稻麦轮作的干湿循环，可促进稳定磷向易变磷形态的转化，提高土壤磷的利用率。针对油菜-水稻轮作系统，本研究进行了为期2年的田间试验。试验旨在确定该系统的最佳磷肥施用量，研究油菜和水稻之间磷肥利用能力的差异，并阐明磷肥投入对土壤磷库转化和生物有效性的影响。油菜作为对磷敏感的作物，其产量受磷肥供应量的显著影响，且对磷肥的需求大于水稻。研究结果将为稻-旱轮作系统的磷肥管理策略提供重要参考，有助于实现磷肥的可持续管理，促进农业可持续发展。2.研究方法
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3. 研究结果
3.1. 作物生长、产量及产量构成因素
增施磷肥显著促进了油菜和水稻的生长（图1）。在P0处理下，油菜全展叶出现典型的缺磷症状（即叶片呈紫色）；未施磷肥的油菜和水稻叶面积显著减小。随着磷肥投入的增加，叶面积和生物量增加；但当油菜和水稻的磷肥施用量分别超过90和45 kg P2O5ha-1时，增量减少。开花期（灌浆期）地上部生物量对磷肥的响应与越冬期（分蘖期）的响应一致。施磷显著提高作物产量（表1）。与P0处理相比，油菜和水稻的产量分别提高了185.6%–238.9%和5.6%–12.2%。油菜和水稻季节对磷肥的响应略有不同。油菜和水稻达到最高产量所需的磷肥施用量分别为90和45 kg P2O5ha-1。地上部生物量对磷肥的响应与产量几乎一致。![]()
3.2. 地上部磷吸收与表观磷回收效率（APRE）
随着磷肥施用量的增加，作物组织的磷浓度和磷吸收量显著增加（表3）。成熟时，磷主要集中于籽粒中，籽粒的磷浓度和磷吸收量远高于茎（荚壳）。油菜和水稻的平均磷收获指数（PHI）分别为0.81和0.68，且随着磷肥施用量的增加而呈下降趋势。水稻季的地上部磷吸收量远高于油菜季。在P0处理下，油菜地上部磷吸收量极低，平均仅为3.1 kg P ha-1，而水稻则为26.9 kg P ha-1。与P0处理相比，施磷处理的年磷吸收量平均增加12.3–31.1 kg P ha-1，其中油菜和水稻分别增加202.7–822.1%和16.4–34.0%。油菜和水稻的磷肥农学利用率（APRE）分别为25.4–47.5%和11.0–23.9%（表3）。低磷肥投入量（P45和P90处理）实现了高APRE，但当磷肥施用量超过90 kg P2O5 ha-1后，APRE随施磷量的增加而降低。在相同磷肥施用量下，油菜的APRE高于水稻。年APRE为18.5–34.0%。
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3.3. 表观磷平衡(APB)与土壤磷变化
磷肥是磷输入的主要来源。随着磷肥施用量的增加，年APB显著增加（图2）。
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油菜-水稻轮作系统的年APB为28.7–97.6 kg P ha-1。不施磷肥时，油菜季和水稻季的APB均为负值，分别为负2.7和26.0 kg P ha-1。当年磷肥施用量为90 kg P2O5 ha-1时，油菜季出现正盈余，水稻季仍为负平衡，土壤-作物系统的APB呈中性。随着施磷量的增加，连续2年耕作后，土壤全磷（TP）和有效磷（Olsen-P）含量显著增加（图3）。![]()
P180处理下的土壤TP和Olsen-P含量最高。与初始土壤TP含量相比，P0和P45处理下的土壤TP含量显著降低，而其他三个处理（P90、P135和P180）则显著增加。3.4. 土壤无机磷组分
磷肥施用显著提高了水溶性无机磷（H2O-Pi）、碳酸氢钠提取无机磷（NaHCO3-Pi）、氢氧化钠提取无机磷（NaOH-Pi）和盐酸溶性无机磷（HCl-Pi）的含量，其中NaHCO3-Pi和NaOH-Pi随磷肥施用量增加而呈增加趋势。在施肥处理中，H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi是产量和地上部磷吸收的正向解释变量。在多种土壤磷组分中，NaHCO3-Pi和NaOH-Pi分别最能解释油菜和水稻的磷吸收。图6展示了描述选定性状间重要关系的路径系数结构模型。油菜季，磷肥施用通过NaHCO3-Pi间接促进了土壤有效磷（Olsen-P）的增加。水稻季，H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和残留磷均对Olsen-P有直接正向影响。![]()
4. 讨论
4.1 在油菜-水稻种植制度下，将更多的磷肥分配到油菜季
本研究发现，磷缺乏从生长早期开始降低油菜和水稻的叶面积和生物量（图1）。生长迟缓可能源于叶面积指数低和二氧化碳固定能力弱，导致幼苗建植不良。在此情况下，荚果和分蘖数量大幅减少，被认为是导致产量损失的主要原因。充足的磷供应促进了两季作物的生长，并提高了土壤磷浓度。然而，高磷施用并不能保证作物产量持续增加，还会降低植物的磷转运效率。因此，为不同种植环境确定适宜的磷肥施用量对提高作物产量、磷肥利用率和减少4.2 油菜-水稻轮作中磷肥施用管理
本研究中，推荐的磷肥施用量基本满足了作物最优生长和年磷平衡的需求，且应向油菜季增施磷肥。油菜对土壤非活性磷的利用效率较低，缺磷导致产量低与幼苗根系建植不良密切相关（图5）。可通过在苗期施用适量水溶性碱性磷肥（如磷酸二铵作为种肥）和磷活化剂，以及适度深施磷肥，提高土壤磷的生物有效性，促进根系生长。根系生长增强有机酸分泌并调节根际酸化，可提高钙磷溶解度，从而促进盐酸溶性无机磷向活性磷的转化。![]()
5. 主要结论
在油菜-水稻轮作体系中，施用磷肥显著提高了作物产量，主要是由于增加了油菜单株角果数和水稻单株穗数。在不施P条件下，土壤HCl - Pi库补充了活性和中等活性Pi库，以满足作物生长的需要。施用磷肥增加了活性和中等活性磷库中的磷含量和比例，同时促进了作物对磷的吸收。过量的磷肥投入并没有持续提高作物产量和磷素吸收量，导致磷肥回收效率降低。NaHCO3 - Pi和NaOH - Pi分别能较好地解释磷输入对油菜和水稻磷吸收的影响，有效地利用了土壤中等活性的Pi。Reference:
Yan, J., Ren, T., Wang, K., et al. (2022).
Improved crop yield and phosphorus uptake through the optimization of
phosphorus fertilizer rates in an oilseed rape-rice cropping system. Field
Crops Research, 286, 108614
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037842902200185X
本期分享来自2023级草学专业硕士研究生韦继芝
