【《小麦产量和锰吸收利用对土壤有效磷和磷肥减施响应实验探究》6300字】

小麦产量和锰吸收利用对土壤有效磷和磷肥减施响应实验探究虽然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的研究。已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[145,155]，而低磷胁迫造成耐低磷基因型水稻籽粒锰吸收量显著下降[145,155]。河北曲周的田间试验表明，，不同生育期小麦锰浓度与累积量随供磷水平的增加而增加[85]。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[76,79,80]，表明不同供磷水平下作物对锰的吸收利用情况存在差异。本研究于2018-2020年间在我国北方山西、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、内蒙古和黑龙江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，并设置不同的土壤有效磷含量分组，明确不同土壤有效磷水平下，减施磷肥引起的小麦产量和籽粒锰含量的变化，对于土壤有效磷管理、优化磷肥用量和保证小麦稳产、增产、和优质生产有重要意义。1.1结果分析1.1.1小麦籽粒产量、生物量及收获指数对土壤有效磷和磷肥减施响应如图4-1所示，小麦籽粒产量与地上部生物量随土壤有效磷水平升高先增加后降低。土壤有效磷在<10，10—20、20—30、30—40，>40mg·kg-1时，小麦籽粒产量的平均值分别为5115、6343、7241、6417和5076kg·hm-2，生物量的平均值分别为11099、13398、15565、14891和11830kg·hm-2。土壤有效磷在20—30mg·kg-1时小麦籽粒产量最高，较其他有效磷水平分别提高了12.8%—42.6%和1.5%—40.2%，并随着土壤有效磷的增加而降低。不同土壤有效磷含量下小麦收获指数平均值分别为45.9、47.5、47.0、43.5和41.7%，其中以土壤有效磷10—20mg·kg-1时达到最高，随后显著降低，较其他土壤有效磷水平时提高了1.0%—11.1%。这些结果表明土壤有效磷含量过低时，小麦产量显著降低，土壤有效磷含量的增加并不能持续的提高小麦产量。综上，土壤有效磷含量在20—30mgkg-1时较适合北方麦区的小麦生产。农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理下小麦产量、生物量、收获指数的平均值见第三章。当土壤有效磷>40mg·kg-1时，农户施肥的小麦产量和生物量显著低于监控施肥，分别降低了10.5%和23.9%；当土壤有效磷介于20—30mg·kg-1时，农户施肥的小麦产量较监控施肥降低了5.9%；当土壤有效磷<20或>30mg·kg-1时，监控无磷的小麦产量显著低于监控施肥，分别降低了6.7%—12.8%；当土壤有效磷<20或>40mg·kg-1时，监控无磷的小麦生物量显著低于监控施肥，分别降低了8.9%—23%；当土壤有效磷在10—20和20—30mg·kg-1时，监控无磷的收获指数显著高于农户与监控施肥，分别提高了2.2%、2.2%和3.7%、2.1%；当土壤有效磷在30—40mg·kg-1时，监控施肥的收获指数显著高于农户和监控无磷处理，分别提高了3.9%与3.4%；其余有效磷水平无显著差异。这些说明在不同土壤有效磷水平下监控施肥技术能在减施磷肥的同时维持甚至提高小麦的产量。图4-1北方麦区小麦产量（a）、地上部生物量与收获指数（b）对0—20cm土壤有效磷和磷肥减施的响应。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）。图b中柱状图为地上部生物量，折线图为收获指数。下同。Fig.4-1Theresponseofgrainyield(a),abovegroundbiomassandharvestindex(b)ofwheattodifferentavailablePlevelsin0-20cmsoilsandreducedPfertilizerinnorthernwheatproductionregionofChina.Errorbarsarestandarddeviationsofthemeans.DifferentlowercaseandcapitallettersrepresentsignificantdifferencesamongthreetreatmentsanddifferentrangesofsoilavailablePconcentrationatP<0.05level,respectively.ThehistograminFigurebistheabovegroundbiomass,andthebrokenlineistheharvestindex.Thesamebelow.1.1.2小麦产量构成对土壤有效磷和磷肥减施响应如表4-1所示，小麦产量三要素(小麦穗数、穗粒数与千粒重)随着土壤有效磷水平的不同而呈现出不同的规律。当土壤有效磷<10，10—20、20—30、30—40，>40mg·kg-1时，小麦穗数的平均值分别为429、462、556、528和684×104·hm-2；穗粒数平均值分别为28、33、31、31和28粒；千粒重平均值分别为43.0、41.5、43.6、42.5和35.7g。各处理水平下小麦穗数随着土壤有效磷的增加而增加，并且平均值在土壤有效磷>40mg·kg-1时达到最高，比其他土壤有效磷水平提高了23.0%—59.3%。穗粒数随着土壤有效磷的升高先提高后降低，平均值在有效磷10—20mg·kg-1时达到最高，较其他有效磷水平提高7.2%—19.1%。千粒重平均值同样在有效磷10—20mg·kg-1时达到最高，之后显著降低，比其他有效磷水平提高2.0%—21.7%。这些结果表明土壤有效磷含量过低并不利于小麦穗数、穗粒数和千粒重的增加，而过高的土壤有效磷含量同样也不利于其进一步增加。不同土壤有效磷水平下（表4-1），农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理下小麦穗数、穗粒数与千粒重的平均值见第三章。当土壤有效磷<10mg·kg-1时，农户和监控施肥的穗数显著高于监控无磷处理，分别提高了13.7%和12.5%；当土壤有效磷介于10—20mg·kg-1时，农户和监控施肥的穗数同样显著高于监控无磷处理，并分别提高了1.7%和8.5%。此外，不同土壤有效磷水平下不同施磷量对小麦穗粒数无显著影响。当土壤有效磷20—30·kg-1时，监控无磷处理的千粒重显著高于农户和监控施肥处理，分别提高了3.3%和3.8%；当土壤有效磷>40mg·kg-1时，监控施肥与监控无磷处理显著高于农户施肥处理，分别提高了6.0%和5.2%。这些结果表明在相同的土壤有效磷水平下，不同施磷量对穗粒数的影响并不显著，但对穗数与千粒重有一定的影响。表4-1北方麦区不同土壤有效磷（0—20cm）水平下小麦的产量三要素Table4-1YieldcomponentsofwheatatdifferentavailablePlevelsin0-20cmsoilsinnorthernwheatproductionregionofChina土壤有效磷含量SoilavailablePconcentration(mg·kg-1)穗数Spikenumber(×104·hm-2)穗粒数Grainperspike千粒重1000Grainweight(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<10448a444a394b429E29a28a28a28C43.1a43.0a43.0a43.0BC10—20462a478a441b462D33a33a34a33A41.9a43.9a41.8a41.5A20—30542a562a567a556B31a31a31a31B43.3b43.1b41.7a43.6B30—40530a542a512a528C31a31a31a31B42.0a43.3a42.3a42.5C>40660a702a689a684A27a30a27a28C31.4b36.5a36.2a35.7D平均Average512b528a506b31a31a30a42.7a42.6a42.9a1.1.3小麦籽粒锰含量对土壤有效磷和磷肥减施响应如图4-2所示，随着土壤有效磷水平的提高，小麦籽粒锰含量有显著升高趋势。在不同土壤有效磷水平下，籽粒锰含量平均值分别为41.7、41.6、40.9、43.2和49.8mg·kg-1。其中，当土壤有效磷>40mg·kg-1时，小麦籽粒锰含量平均值达到最高，并显著高于其他有效磷水平(15.2%—21.8%)；当土壤有效磷<30mg·kg-1时，各有效磷水平之间小麦籽粒锰含量无显著差异。这些结果表明，北方麦区土壤有效磷含量应控制在40mg·kg-1以下来确保人体不会暴露在锰非致癌风险下。土壤不同有效磷水平下农户施肥、监控施肥和监控无磷3个处理的平均值分别见第三章。当土壤有效磷<10mg·kg-1时，监控施肥处理下小麦籽粒锰含量与农户施肥相比降低了3.5%；当土壤有效磷介于20—30·kg-1时，监控施肥小麦籽粒锰含量与监控无磷处理相比提高了1.2%；其余土壤有效磷水平下各处理间小麦籽粒锰含量无显著差异。图4-2北方麦区小麦籽粒锰含量对0—20cm土层不同土壤有效磷和磷肥减施的响应Fig.4-2TheresponseofgrainMnconcentrationtodifferentavailablePlevelsin0-20cmsoilsandreducedPfertilizerinnorthernwheatproductionregionofChina1.1.4小麦锰吸收量与锰收获指数对土壤有效磷和磷肥减施响应如表4-2所示，小麦籽粒和地上部锰吸收量及收获指数均随着土壤有效磷水平的升高而升高。在不同土壤有效磷水平下，籽粒锰吸收量的平均值分别为219、270、299、278和229g·hm-2；地上部锰吸收量的平均值分别为465、557、672、694和628g·hm-2；锰收获指数的平均值分别为41.4%、45.7%、39.3%、36.7%和38.0%。当土壤有效磷在20—30mg·kg-1时，农户施肥、监控施肥和监控无磷的小麦籽粒锰吸收量的平均值达到最高；当土壤有效磷在30—40mg·kg-1时，地上部锰吸收量的平均值均达到最高，较其他土壤有效磷水平分别提高7.7%—36.7%和3.3%—49.1%；当土壤有效磷在10—20mg·kg-1时，各处理锰收获指数平均值达到最高，较其他有效磷水平提高10.3%—21.3%。当土壤有效磷在<10mg·kg-1时，与农户和监控施肥相比，监控无磷处理的小麦籽粒锰吸收量分别降低了13.1%和10.9%；当土壤有效磷在10—20mg·kg-1时，监控无磷处理的小麦籽粒锰吸收量较农户和监控施肥分别降低了10.7%和10.4%；当土壤有效磷在20—30mg·kg-1时，监控施肥显著高于农户与监控无磷处理，并分别提高了5.8%和6.3%；当土壤有效磷在30—40和>40mg·kg-1时，监控施肥与监控无磷处理相比分别提高了8.4%和11.7%；当土壤有效磷<10mg·kg-1时，监控施肥和监控无磷与农户施肥相比，地上部锰吸收量分别提高了6.2%和10.6%；当土壤有效磷在10—20mg·kg-1时，农户、监控施肥比监控无磷显著提高了11.3%和15.5%；当土壤有效磷在20—30和>40mg·kg-1时，监控施肥显著高于监控无磷处理，分别提高了9.5%和26.5%；当土壤有效磷在30—40mg·kg-1时，3个处理间无显著差异；当土壤有效磷<10mg·kg-1时，监控施肥处理的锰收获指数比监控无磷处理显著提高了5.0%；当土壤有效磷在10—20mg·kg-1时，农户、监控施肥与监控无磷处理相比降低了1.6%和1.4%；当土壤有效磷在20—30mg·kg-1时，农户、监控施肥与监控无磷处理相比分别降低了7.7%和6.3%；当土壤有效磷在30—40mg·kg-1时，3个处理间无显著差异；当土壤有效磷>40mg·kg-1时，监控施肥、监控无磷处理显著高于农户施肥，分别提高了10.5%和11.5%。表4-2北方麦区不同土壤有效磷（0—20cm）水平下小麦籽粒锰吸收量、地上部锰吸收量和锰收获指数Table4-2GrainMnuptake,shootMnuptake,andMnharvestindexofwheatatdifferentavailablePlevelsin0-20cmsoilsinnorthernwheatproductionregionofChina土壤有效磷含量SoilavailablePconcentration(mgkg-1)籽粒锰吸收量GrainMnuptake(g·hm-2)地上部锰吸收量Mnuptakeinabovegroundpart(g·hm-2)锰收获指数Mnharvestindex(%)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＜10229a225a202b219C490a461b443b465D41.2ab42.5a40.5b41.4B10—20277a277a251b270B573a579a501b557C45.1b45.2b47.2a45.7A20—30293b310a292b299A678ab695a634b672A38.3b38.8b41.3a39.3C30—40278ab289a266b278B683a710a688a694A37.0a37.5a35.7a36.7D＞40225ag246a215b229C630ab700a554b628B35.0b38.6a40.0a38.0D平均Average267b274a248c604a617a554b40.7b41.4a41.9a1.1.5土壤有效锰与土壤有效磷的关系如表4-3所示，农户施肥的施磷量为110—149kg·hm-2，显著高于监控施肥的61—80kg·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6.3、6.3、6.3、10.2和23.4mg·kg-1，且当土壤有效磷含量>40mg·kg-1时，土壤有效锰含量提高了128%—271%，并显著高于其他水平。当土壤有效磷<30mg·kg-1时，各有效磷水平之间土壤有效锰含量无显著差异。在不同土壤有效磷水平下，各施肥处理的土壤有效锰含量均无显著性差异。由此可见，在相同的土壤有效磷水平下，不同施磷量对土壤有效锰的影响并不显著。分析发现，土壤有效磷>40mg·kg-1的地点主要分布在甘肃、新疆、黑龙江、内蒙古、宁夏。此外，农户施肥、监控施肥和监控无磷的土壤有效锰含量均与小麦籽粒锰含量呈正相关关系，其相关系数分别为0.991、0.999和0.981，呈极显著水平（表4-3）。表4-3北方麦区不同土壤有效磷（0—20cm）水平下施磷量与土壤有效锰含量*表示显著相关（P<0.05），样品数为523个Table4-3PapplicationratesandDTPA-Mnconcentrationin0-20cmsoilsinnorthernwheatproductionregionofChina*indicatessignificantcorrelationatP<0.05,n=523土壤有效磷含量SoilavailablePconcentration(mg·kg-1)施磷量Prate(kg·hm-2)土壤有效锰SoilDTPA-Mnconcentration(mg·kg-1)农户施肥FF监控施肥RF农户施肥FF监控施肥RF监控无磷RF-P平均Average<10110a61b6.4a6.2a6.4a6.3C10—20134a80b6.5a6.3a6.1a6.3C20—30146a70b6.1a6.3a6.6a6.3C30—40149a68b10.1a10.6a10.1a10.2B>40114a68b23.0a21.4a22.9a23.4A平均Average130a71b8.5a8.6a8.9a与小麦籽粒锰含量的相关系数CorrelationcoefficientwithwheatgrainMnconcentration0.991*0.999*0.981*1.2讨论1.2.1小麦产量与土壤有效磷及施磷量的关系本研究通过测定2018—2020年间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。当土壤有效磷水平介于20—30mg·kg-1时，不同施肥处理的小麦产量达到最高；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小麦产量降低的主要原因；当土壤有效磷水平大于30mg·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。从产量构成上看，土壤有效磷水平低于10mg·kg-1时，穗数、穗粒数和千粒重降低是产量下降的主要原因；当土壤有效磷水平介于10—20mg·kg-1时，穗数降低是产量未能增加的主要原因；当土壤有效磷大于30mg·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年的定位试验发现，当土壤有效磷超过12.5mg·kg-1时不再增加小麦产量[156]。华北潮土区25年的定位试验表明，当土壤有效磷<13.1mg·kg-1时，小麦产量随土壤有效磷的增加而增加[101]。太湖地区33年的定位试验中，当小麦水稻轮作系统土壤有效磷为1.08mg·kg-1时，小麦产量达到最高[157]。杨凌塿土区小麦玉米轮作体系的土壤有效磷为11.6mg·kg-1时，小麦产量达到最大[158]。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—30mg·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。1.2.2小麦籽粒锰含量对土壤有效磷及施磷量的响应本研究结果表明，在我国北方麦区，小麦籽粒锰含量小于32mg·kg-1的试验点有8个，占11.9%；高于44mg·kg-1的有26个，占38.8%。因此，小麦籽粒锰含量偏高的问题应引起注意。之前的研究结果表明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。本研究结果表明，在较高的土壤有效磷水平下，小麦籽粒锰含量显著提高，且当土壤有效磷>10mg·kg-1时，土壤有效锰含量亦随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>40mg·kg-1时达最高（表。。，图。。）。这些结果表明在北方八省，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元素向利于作物吸收的络合态形式转化[153,159]。黄德明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[109]。此外，当土壤有效磷水