磷（P）是植物生长发育必需的三大营养元素之一，也是作物产量的主要限制因子之一^[1]。作物吸收的磷主要来源于土壤和外源磷肥，但是磷肥的过量施用与土壤磷的高积累导致了资源浪费和水体污染负荷，王慎强等^[2]对太湖流域典型水稻土磷库现状的调查表明，太湖流域土壤磷库大部分已不缺磷，而且按照目前农民这种季施磷肥（P₂O₅）120 kg·hm^-2的习惯，土壤磷已经超过作物的营养需求，这不仅不能提高作物产量，反而导致土壤速效磷过多累积。因此，科学的磷肥施用措施对节约不可再生的磷矿资源和2020年实现化肥零增长目标具有重要现实意义^[3]。针对太湖流域稻麦轮作农田土壤磷的过量累积问题，关于减施磷肥的研究相继报道^[4-5]。但是，减磷可行的过程和机理研究主要聚焦在水稻季，小麦季减施磷肥对土壤供磷和小麦吸收磷的影响需要进一步探讨。

磷对小麦高产具有重要作用^[6]，高静等^[7]研究表明长期施用磷肥可以显著提高小麦产量和磷肥利用率；曾广伟等^[8]研究发现麦季施磷可增加小麦的穗数和千粒重，进而显著提高小麦的产量。土壤速效磷（Olsen-P）能直接被作物吸收利用，是土壤磷库中对作物最有效的部分，因而被认为是评价土壤供磷能力的重要指标^[9]，Reddy等^[10]研究表明长期施用磷肥可显著提高作物产量的稳定性，并且显著提高土壤供磷能力；戚瑞生等^[11]研究表明长期施用有机肥和磷肥或者有机肥磷肥配施都可以提高土壤中的速效磷含量，进而提高土壤供磷能力；秦鱼生等^[12]通过碱性紫色土25年稻麦轮作长期施肥试验研究指出，作物收获从土壤中不断带走磷素，随耕作年限的延长，施磷与不施磷对土壤速效磷的影响巨大；姜宗庆等^[13]研究表明增施磷肥可以显著提高小麦植株吸磷量；周春菊等^[14]研究也表明施磷肥可以增加籽粒中的磷素含量。但是聚焦减施磷肥对土壤供磷和小麦吸收磷的影响目前还鲜有报道。本文通过分析小麦籽粒产量、土壤速效磷、植株全磷以及DGT提取态磷之间的相关关系，以期获得土壤供磷-作物需磷的关系，探究土壤供磷能力，为农田磷肥减施增效理论研究与推广应用提供依据。

田间试验地点为中国科学院常熟农业生态试验站宜兴基地（31°16′N，119°54′E，年平均气温15.7 ℃，年平均降雨量1177 mm），地处太湖西北岸，是典型的稻麦轮作地区。

试验始于2010年6月（稻季），共4个试验处理：稻麦季均不施磷（Pzero）；稻季施磷麦季不施磷（PR）；麦季施磷稻季不施磷（PW）；稻麦季均施磷（PR+W）。每个处理重复3次，共12个试验小区，每个试验小区面积50 m²，随机设计。试验所需N、P、K肥分别采用尿素（46%N）、氯化钾（60%K₂O）和过磷酸钙（12%P₂O₅）。氮肥每季用量为N 240 kg·hm^-2，钾肥每季用量K₂O 60 kg·hm^-2，磷肥每季用量P₂O₅ 40 kg·hm^-2，氮肥每季施用分基肥（30%），第一次追分蘖肥（40%）和第二次追拔节肥（30%），钾肥和磷肥作为基肥一次性施入。稻-麦轮作种植模式、水分等田间管理措施遵照当地农民种植习惯^[15]。

本文选取该减施磷肥试验进行第7年的麦季（2017年）作为研究对象。小麦收获时各小区单打单收计算籽粒产量，取部分小麦样品根部、秸秆和籽粒带回实验室分析植株全磷浓度。小麦收获后，采用S型系统布点法随机采集0~20 cm耕层土壤，混匀、风干、研磨，过20目筛后分析土壤速效磷浓度。

梯度扩散薄膜技术（Diffusive Gradients in Thin films，DGT）技术作为一种新型的可原位检测的方法，广泛应用于土壤、水、沉积物中金属/非金属及营养元素有效态含量的测定^[16]。本文采用外壳为圆形双模式DGT装置，主要有固定膜、琼脂糖扩散膜和PVDF滤膜组成^[17]。其中滤膜主要是保护外界对扩散膜的机械损坏和污染；扩散膜主要是控制待测离子到固定膜的扩散通量；固定膜则是用来吸收富集目标离子。1.0 mol·L^-1 NaOH提取固定膜中磷的提取率为0.950^[18]，磷在扩散膜中扩散系数为6.86×10^-6 cm^-2·s^-1[19]。DGT提取磷（DGT-Labile P）的提取步骤具体如下：

（1）土壤预平衡：取10 g土壤样品加入25 mL的烧杯，加去离子水使其为田间持水量的70%，充分搅拌覆盖保鲜膜，于恒温（25 ℃）下放置平衡48 h。

（2）DGT放置：先取平衡后土壤样品（3 g）放入DGT圆孔中，在桌面上轻轻平行抖动，使土壤与滤膜表面充分接触，继续添加土壤直至填满内腔。转移到自封袋中，加入少量去离子水，袋口处于半封闭状态。

（3）在恒温条件下放置24 h后，将土壤移除，用去离子水冲洗DGT装置，取出固定膜放入有少量去离子水的自封袋中，密封于4 ℃下保存待测。

（4）将固定膜放入2.0 mL的离心管，加入1.8 mL浓度为1.0 mol·L^-1的NaOH，室温下静置提取24 h，采用96微孔板分光光度计（Canon-5600F）测定磷含量。

样品分析均采用常规分析方法，采用H₂SO₄-H₂O₂提取-钼蓝比色-紫外分光光度计（UVmini-1240）测定植株全磷浓度；采用NaHCO₃（pH 8.5）浸提-钼蓝比色法测定土壤速效磷浓度。

采用SPSS 17.0进行单因素方差分析和LSD多重比较（α=0.05，α=0.01）；用Origin作图以及Excel处理数据。

Pzero、PR、PW及PR+W 4种施磷处理的小麦籽粒平均产量分别是1.33、2.69、3.82、3.99 t·hm^-2（图 1）。与PR+W处理相比，PW处理的小麦籽粒产量无显著性变化；而Pzero处理极显著（P＜0.01）减少了小麦籽粒产量，其降低幅度最大，达到66.7%（2.66 t·hm^-2），PR处理显著（P＜0.05）减少了小麦籽粒产量，其小麦籽粒减产达32.8%（1.30 t·hm^-2）。结果表明麦季施磷肥可以有效保证小麦籽粒产量，麦季不施磷仅稻季施磷显著减少了小麦籽粒产量，稻麦季长期不施磷肥的处理减产幅度最大。

*为显著相关（P＜0.05）；**为极显著相关（P＜0.01）。下同 图 1 四种施肥处理的小麦籽粒产量 Figure 1 Grain yield of wheat under four P fertilization treatments

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Pzero、PR、PW及PR+W 4种施磷处理的地上部植株全磷平均浓度分别是1.59、2.08、2.37、2.88 g·kg^-1；地下部植株全磷浓度分别是0.31、0.34、0.48、0.43 g·kg^-1（图 2）。与PR+W处理相比，PW处理地上部植株全磷浓度无显著性变化，而Pzero处理极显著（P＜0.01）减少了地上部植株全磷浓度，降幅达44.4%（1.29 g·kg^-1），PR处理显著（P＜0.05）减少了地上部植株全磷浓度，降幅达27.9%（0.80 g·kg^-1）。与PR+W处理相比，Pzero、PR、PW的地下部植株全磷浓度均无显著性变化。这表明麦季施加磷肥能保证小麦磷吸收量，麦季不施磷肥仅稻季施磷显著降低了地上部植株全磷含量；麦季施肥与否对地下部植株的全磷浓度均没有显著影响。

图 2 四种施肥处理的小麦植株全磷浓度 Figure 2 The concentration of crop total P of wheat under four P fertilization treatments

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Pzero、PR、PW及PR+W 4种施磷处理的土壤速效磷和DGT提取磷平均浓度分别为1.86、5.31、6.51、9.62 mg·kg^-1和3.41、3.61、4.96、5.13 μg·L^-1（图 3）。与PR+W处理相比，PW处理土壤速效磷浓度无显著性变化；Pzero处理极显著（P＜0.01）减少了土壤速效磷浓度，其降低幅度最大，达到80.7%（7.76 mg·kg^-1）；PR处理显著（P＜0.05）减少了土壤速效磷浓度，其浓度降低了44.8%（4.31 mg·kg^-1）。线性回归分析表明土壤速效磷浓度与DGT提取磷浓度呈显著性正相关关系（P=0.02，R²=0.42，图 4）。这表明麦季施磷稻季不施磷能维持作物生长需要的土壤速效磷含量，保证土壤供磷能力；麦季不施磷仅稻季施磷显著降低了土壤速效磷浓度。

图 3 四种施肥处理的土壤速效磷浓度和DGT提取磷浓度 Figure 3 The concentration of soil Olsen-P and DGT-Labile P under four P fertilization treatments

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图 4 土壤速效磷浓度与DGT提取磷浓度相关关系 Figure 4 The correlation between the concentration of soil Olsen-P and DGT-Labile P

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回归分析发现：土壤速效磷浓度与小麦籽粒产量呈极显著正相关关系（P=0.01，R²=0.49）；DGT提取磷浓度与小麦籽粒产量呈极显著正相关关系（P＜0.01，R²=0.57，图 5）。DGT提取磷浓度与小麦籽粒产量的R²值大于土壤速效磷浓度与小麦籽粒产量R²值，表明DGT提取磷浓度与小麦籽粒产量有更好的相关性。土壤速效磷浓度与地上部植株全磷浓度有极显著的正相关关系（P＜0.01，R²=0.69），与地下部植株全磷浓度有显著的正相关关系（P=0.04，R²=0.30）；DGT提取磷浓度与地上部植株全磷浓度有显著的正相关关系（P=0.03，R²=0.32），与地下部植株全磷浓度有极显著的正相关关系（P=0.01，R²=0.49，图 6）。土壤速效磷浓度与地上部植株全磷浓度的R²值大于DGT提取磷浓度与地上部植株全磷浓度的R²值，DGT提取磷浓度与地下部植株全磷浓度的R²值大于土壤速效磷浓度与地下部植株全磷浓度的R²值，表明土壤速效磷浓度与地上部植株全磷浓度有更好的相关性；DGT提取磷浓度则与地下部植株全磷浓度有更好的相关性。

图 5 土壤速效磷浓度和DGT提取磷浓度与小麦籽粒产量的相关关系 Figure 5 The correlation among grain yields and the concentration of soil Olsen-P, DGT-Labile P

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图 6 土壤速效磷和DGT提取磷浓度与地上部全磷和地下部全磷浓度的相关关系 Figure 6 The correlation among the concentration of aboveground TP, underground TP and soil Olsen-P, DGT-Labile P

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对于稻麦轮作系统，施磷与作物吸磷和产量的关系已有相关研究，例如马保国等^[20]和管冠^[21]的研究表明在稻麦轮作体系中，不施磷肥显著减少了小麦产量；秦伟等^[22]在近太湖地区的磷肥试验显示不施磷显著减少作物产量以及植株全磷含量；丁珊珊等^[23]研究也表明长期施磷能显著增加作物中的含磷量，并且随施磷量的增加而增加。而在长期减施磷肥措施下，本文发现与当前传统的施磷方式PR+W处理相比，减施磷肥第7年后，PW处理的小麦籽粒产量、土壤速效磷、地下部植株全磷以及地上部植株全磷均无显著差异，而Pzero、PR处理的小麦籽粒产量、土壤速效磷以及作物地上部全磷显著降低（P＜0.05），Pzero、PR、PW处理的地下部全磷没有显著性变化。结果表明太湖稻麦农田在目前产量水平下，磷肥减施至第7个稻麦轮作周年，实施麦季施磷稻季不施磷的减磷措施仍具有可行性，仅麦季施磷即可满足作物的磷需求和维持小麦的产量。但是，麦季不施磷则显著降低了小麦的产量和地上部植株全磷。这与Wang等^[15]和朱文彬等^[24]的研究结果是一致的，即：太湖稻麦农田减施磷肥至第4年时麦季不施磷（Pzero，PR）显著降低小麦籽粒产量，但不会降低植株全磷含量。而减磷试验进行至第7年，麦季不施磷处理不仅降低籽粒产量，而且降低植株全磷含量。这可能主要是由于麦季不施磷会持续消耗土壤中的磷素，导致土壤磷素一直处于亏缺状态，随着磷素亏缺量不断增大，土壤速效磷也随之减少，致使土壤供磷能力减弱，进而减少小麦籽粒产量及地上部植株全磷含量。另外，与PW相比，尽管PR处理稻季施入了等剂量的磷肥，但是由于水田通常处于厌氧还原条件，磷素很容易被释放出来，容易造成流失，而且进入麦季时，磷素在小麦季旱地土壤中极易被固持，扩散能力弱，不易被植物吸收利用^[25]，导致土壤速效磷减少，小麦生长土壤不再能供应充足的磷素。而麦季施磷处理（PW，PR+W）一直都有外源磷素的施入，土壤磷素不断累积，所以土壤速效磷也随之增加，这与黄邵敏等^[26]研究结果一致；周宝库等^[27]研究也表明连续23年不施磷肥，土壤速效磷降低幅度高达60%。所以麦季施磷处理的土壤速效磷含量显著高于麦季不施磷处理，由于土壤供磷能力增强，小麦植株全磷含量也显著增加。

DGT作为一种新技术^[28]可用来表征很多重金属在土壤中的生物有效性，在湖泊底泥和沉积物的重金属以及磷等营养盐的扩散和有效性研究中也得到越来越多的应用。DGT对磷的富集过程是模拟目标离子在环境中的迁移和生物吸收的过程，测定的是土壤中可溶性磷含量^[18]。本文通过相关性分析，发现DGT提取磷与土壤速效磷以及植株地上部全磷呈显著正相关关系（P＜0.05），与小麦籽粒产量和植株根部全磷呈极显著的正相关关系（P＜0.01）。这表明DGT提取磷能够反映土壤磷素的生物有效性，可以作为评价土壤供磷水平的重要指标。McBeath等^[29]用5种方法评价土壤中磷的可利用性，认为DGT法和传统的Bray法、Colwell法、resin法、同位素标记法一样可以作为评价土壤磷生物有效性的指标；Mason等^[30]研究发现麦季施磷肥条件下，DGT法比传统的Colwell法、resin法更能准确评价小麦产量和磷的生物有效性。

本文研究太湖稻麦轮作区减施磷肥7年后对土壤供磷与小麦磷吸收的影响，发现与农民目前习惯采用的稻麦季均施磷方法相比：

（1）麦季施磷稻季不施磷的减磷措施能保持土壤速效磷供应、小麦吸磷量，维持小麦籽粒产量；麦季不施磷的减磷措施则显著降低了土壤速效磷供应、小麦吸磷量和小麦籽粒产量。

（2）DGT提取磷与土壤速效磷有显著的正相关关系；两者均与小麦籽粒产量、地上部植株全磷、地下部植株全磷有显著的正相关关系；DGT提取磷可作为稻麦轮作系统土壤供磷-作物需磷动态关系研究的评价指标。