研究背景

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文章研究了在水稻-小麦轮作系统中优化磷肥施用以改善土壤质量并减少磷流失的影响。通过为期5年的田间实验，探讨了不同磷肥施用量对作物产量、磷肥利用效率（PUE）、磷的积累与流失、生态系统多功能性（EMF）以及土壤质量的影响。研究结果表明，随着磷肥施用量的增加，水稻和小麦的产量显著提升，但当磷肥施用量超过75 kg P2O5 ha⁻¹时，这种增长趋势减缓。高磷施用量导致磷肥利用效率下降，且磷流失主要通过径流和渗透路径发生。研究建议适当提高田埂高度并控制基肥期的灌水量，以减少磷流失。此外，低量磷肥施用能够提高生态系统多功能性和土壤质量，而高量磷肥施用则对生态系统多功能性产生抑制。通过对磷流失和作物产量的影响进行结构方程模型分析，强调在保持较高作物产量的同时，减少磷流失的关键在于降低Resin-P含量并保持NaOH-Pi水平。该研究为水稻-小麦轮作系统中磷肥的优化管理提供了重要的理论支持和实践指导，旨在实现农业生产与生态保护的双赢。

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研究结果

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1. 施肥对作物生产力的影响

磷肥施用量增加使水稻和小麦的秸秆以及籽粒产量先增后减，水稻产量提高9.56%-19.3%，小麦提高9.66%-45%。随着磷肥施用量增加，磷肥利用效率（PUE）逐渐下降，且水稻季PUE高于小麦季。建议小麦季施磷46.7 kg P2O5 ha⁻¹，水稻季施磷109 kg P2O5 ha⁻¹，以此维持土壤磷平衡。

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图1. 2017 – 2022年不同磷肥处理(a)水稻秸秆与籽粒、(b)小麦秸秆与籽粒、(c)磷利用效率(PUE)、(d)磷输入与磷吸收关系

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2. 施肥对土壤磷流失的影响

磷肥施用显著增加田间水中磷浓度，P150处理在施肥首日达到峰值3.55 mg/L，在随后三天内快速下降，并于第15天趋于稳定。磷流失主要发生在降雨和灌溉期间，P150处理在初次径流中磷流失量达0.686 kg/ha，渗漏磷流失量随土壤深度增加而减少，60-100 cm深度磷流失量为0.271 kg/ha。随着磷肥施用量增加，磷流失显著增加。与P0相比，P150处理磷流失量增加了61.8%至189%。

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图2. 2021 年至 2022 年不同磷肥处理下稻麦田中（a）田间持水、（b）径流、（c）浸出物和（d）磷流失的磷浓度。

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3. 施肥对土壤磷成分的影响

随着磷肥施用量增加，P50至P150处理显著提升了土壤总磷（TP）、Olsen磷、易解磷（L-P）、中度易解磷（M-P）、树脂磷（Resin-P）等多种磷组分，增幅为14.8%-199%。

磷肥施用显著提高了土壤微生物生物量磷（MBP），P75处理增加了54.5%，P150处理显著提高土壤微生物多样性（Chao1指数）34%。

结构方程模型（SEM）分析表明，NaOH-Pi正向影响NaHCO3-Pi，NaHCO3-Pi则正向影响树脂磷（Resin-P）。

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4. 施肥对土壤磷流失的影响

低磷肥施用量提高了生态酶活性，而高磷肥施用量则降低了部分生态酶活性，P150处理显著降低了CBH、NAG和ALP的活性。

高磷处理显著减少了变形菌门（Proteobacteria）的丰度，增加了放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和芽孢杆菌（Paenibacillus）的丰度。

热图分析显示，ALP活性与放线菌和变形菌门正相关，Paenibacillus与ALP呈正相关，Faecalibacterium与BG和LAP呈正相关。

据冗余分析表明，变形菌与磷组分呈负相关，而放线菌、酸杆菌门（Acidobacterota）、厚壁菌和拟杆菌门（Bacteroidota）与磷组分呈正相关。

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图3. 不同磷肥处理下土壤中细菌群落的（a）门级和（b）属级分类组成及酶活性与（c）门级和（d）属级的皮尔逊相关分析。

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5. 施肥对EMF和SQI的影响以及EMF和SQI与磷损失和产量的关系

生态酶计量分析显示，土壤微生物群落受氮限制，且矢量角度与长度呈显著正相关。

P25和P50处理显著提高了生态系统多功能性（EMF），分别增加3.27倍和3.58倍，而高磷施用量（P75、P100、P150）显著降低了EMF。与P0相比，磷肥处理显著提高了土壤质量指数（SQI），随磷施用量增加，SQI提升了16.8%-36.6%。

EMF与磷流失呈负相关，SQI则与磷流失和产量均呈正相关。SQI与磷流失为线性关系，与产量呈二次函数关系，最佳磷施用量约为100 kg P2O5 ha⁻¹。

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图4. 不同磷肥处理下，（a）碳-氮获取相对比例与（b）碳-磷获取相对比例及其关系、（c）土壤生态系统多功能性（EMF）和（d）土壤质量指数（SQI）的酶促化学计量。

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图5. 不同钾肥处理下土壤生态系统多功能性（EMF）与（a）钾损失、（b）产量的相关性分析，以及土壤质量指数（SQI）与（c）钾损失、（d）产量的相关性分析。

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6. 磷成分与磷损失和产量的相关性

随机森林模型分析发现，可利用磷（Olsen-P、NaHCO3-Pi和Resin-P）和中度易解磷（NaOH-Pi和NaOH-Po）是预测产量、磷肥利用效率（PUE）、径流、渗漏、生态系统多功能性（EMF）和土壤质量指数（SQI）的主要因素。

据结构方程模型（SEM）显示，磷施用直接且正向影响土壤总磷（TP）、NaOH-Pi和NaOH-Po，同时TP正向影响Resin-P、Olsen-P和NaOH-Pi对Resin-P、NaHCO3-Pi和Olsen-P有显著正向影响，磷流失则主要受到NaHCO3-Pi、Resin-P和Olsen-P的影响。Resin-P对磷流失和产量的标准总效应（STE）最高，分别为0.86和0.91。

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图6. 不同P肥处理下影响P损失和产量的不同因素的贡献的（a）结构方程建模（SEM）分析和（b）标准化总效应（STE）

文章链接：https://www./science/article/pii/S0167880924004286

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