磷礦粉在石灰性土壤中對紫花苜蓿的施用效果

李亞娟，姜智英，胡蕊梅，魏 潔，劉艷君

（甘肅農業大學草業學院 / 草業生態系統教育部重點實驗室 / 中美草地畜牧業可持續發展，甘肅 蘭州 730070）

紫花苜蓿(Medicago sativa)為豆科苜蓿屬草本植物，因其地上部分產量高、蛋白含量高、適口性好，有“牧草之王”的美名[1]，是草食動物的優質蛋白飼草。施肥尤其是磷肥施用是紫花苜蓿獲得高產的重要基礎[2]。磷礦粉是一種難溶性磷源，是生產磷肥的主要原料，為不可再生資源，根據磷礦的品級劃分，我國磷礦約90%的磷礦為中低品位磷礦[3]，不適于酸法制造水溶性磷肥，為磷肥工業帶來了挑戰，如何直接利用中低品位磷礦粉，發揮其作為植物磷素資源的作用是人們一直努力的方向[4-5]。

在酸性土壤上，磷礦粉作為磷肥或者鈍化劑直接施用可明顯提高作物對磷素的吸收，顯著增加產量[6-8]，特別是磷礦粉在磚紅壤上直接施用于苜蓿，能促進苜蓿株高以及生物量，且效果高于過磷酸鈣[9]，這一研究結果也為堿性土壤對苜蓿施用磷礦粉的研究提供了支撐。近年來，人們通過使用活性物質對磷礦粉進行混合活化處理后也表現出較高的肥效[10]，用草酸、檸檬酸等將磷礦粉進行酸化，施用于重金屬污染土壤上能不同程度提高作物的株高、葉綠素等指標，還能降低重金屬含量，改善土壤質量[11-12]。研究表明磷礦粉直接施用的效果還與作物種類密切相關，在豆科作物上相對肥效在70%～80%[13]，而在石灰性土壤上由于高pH 和鈣含量，一般認為對禾本科作物不適合直接磷礦粉施用[14]。但衛尤明等[15]在北方堿性鹽土上施用經活化處理后制得的活化磷礦粉，具有明顯的肥效，將磷礦粉和天然沸石混合，在石灰性土壤施用后，也能提高土壤速效磷含量和大豆(Glycine max)產量[16]。苜蓿為豆科雙子葉植物，地下根系發達，且能通過分泌酸類物質，活化土壤中難溶性的磷素，提高土壤速效磷的含量[17-18]，由此看出，紫花苜蓿具有利用磷礦粉的潛力，但由于長期以來人們重視水溶性磷肥的施用，石灰性土壤中磷礦粉直接施于苜蓿的研究還沒有報道。

本研究以3 種品位磷礦粉為磷肥源，對3 個紫花苜蓿品種進行盆栽施肥試驗，通過對不同磷礦粉處理下紫花苜蓿生長、營養品質和磷素吸收利用的系統研究，以明確石灰性土壤磷礦粉直接施用對紫花苜蓿的生物有效性，為我國磷礦資源的合理利用以及紫花苜蓿栽培中磷肥的管理提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據磷礦粉中全磷含量，選擇低、中、高品位的3 種磷礦粉PRⅠ、PRⅡ和PRⅢ作為本研究的磷肥源，磷礦粉品位的劃分參考李慶逵等[19]進行，供試磷礦粉均來自山東濟南金順化工有限公司，基本特性如表1 所列。

表1 供試磷礦粉基本特性Table 1 General properties of phosphate rock powders used in this study

供試紫花苜蓿品種‘阿爾岡金’(‘Algonquin’)、‘隴東苜?！?‘Longdong’)、‘金皇后’(‘Goldempress’)均購自蘭州興隴草業技術服務有限公司。

1.2 試驗設計

采用盆栽土培試驗方法，設3 個磷礦粉處理，分別為PRⅠ、PRⅡ、PRⅢ； 3 個紫花苜蓿品種處理，分別為養分吸收能力和適應性較強的‘阿爾岡金’(M1)、‘隴東苜?！?M2)和‘金皇后’(M3)，以水溶性磷肥過磷酸鈣為對照(CK)，共12 個處理，每個處理3 次重復，共36 盆(表2)。

表2 試驗處理Table 2 Experimental treatments

各處理均施等量氮鉀肥作基肥，施N 量為0.05 g·kg-1土，施K2O 量為0.15 g·kg-1土，過磷酸鈣處理施P2O5量為0.75 g·kg-1土，氮肥為尿素(46% N)，鉀肥為硫酸鉀(52% K2O )，磷礦粉的施用量按過磷酸鈣的實物量施入，所有肥料于苜蓿播種前均勻施入供試土壤中，每盆裝土5 kg。土壤裝入花盆后澆水濕透，自然條件放置24 h 后于土壤表面播種不同紫花苜蓿，每盆均勻播種50 粒種子，后覆1.5 cm風干土。4 月27 日播種，按照常規盆栽管理，7 月16 日和9 月14 日苜蓿初花期分別進行兩次刈割，刈割留茬1 cm。供試土壤采自甘肅農業大學草業學院校園實訓基地，有機質含量22.68 g·kg-1，全磷含量0.68 g·kg-1，全氮含量2.21 g·kg-1，有效磷含量10.98 mg·kg-1，堿解氮含量31.10 mg·kg-1，pH 8.37。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 苜 蓿的生長特征

株高：每盆隨機取10 株苜蓿植株，用卷尺齊地面測量其自然高度，后計算平均值作為每個處理的株高。

生物量：紫花苜蓿刈割后放入烘箱在105 ℃下殺青30 min，后調溫至75 ℃烘干至恒重，以平均干重為生物量，后苜蓿樣品粉碎，過0.5 mm 篩備用。

1.3.2 苜 蓿的營養品質

粗蛋白(crude protein，CP)含量采用濃硫酸加催化劑消煮，凱氏定氮法測定；粗脂肪(ether extract，EE)含量采用乙醚浸提法測定；磷含量(phosphorus，P)采用硫酸-硝酸和硝酸-高氯酸雙混酸消煮，鉬銻抗比色法測定；鈣含量(calcium，Ca)采用硫酸-硝酸和硝酸-高氯酸雙混酸消煮，EDTA 絡合滴定法測定[20]。

1.3.3 苜蓿磷素吸收和利用效率

苜蓿磷素吸收和利用效率采用以下公式計算得到。

磷吸收效率 = 植株磷含量 × 生物量干重；

磷利用效率 = 生物量干重/磷吸收量[21]。

1.3.4 磷 礦粉磷含量

供試磷礦粉中全磷含量采用硝酸消煮-釩鉬黃比色法測定，有效磷含量采用2%檸檬酸提取-釩鉬黃比色法測定，枸溶率為有效磷含量占全磷含量的百分數[22]。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2010 進行數據整理匯總、圖表制作，采用SPSS 22.0 軟件對不同磷礦粉處理下各品種苜蓿各項指標進行ANOVA單因素方差分析，差異顯著性(P= 0.05)用Duncan 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同磷礦粉處理對紫花苜蓿生長的影響

2.1.1 株高

M1 品種第1 茬前期在3 個磷礦粉處理下的株高均高于CK，而在刈割時，株高表現為CK ＞ PRⅡ ＞PRⅢ ＞ PRⅠ(圖1A)，CK 與磷礦粉處理差異顯著(P＜0.05)；第2 茬刈割時株高表現為PRⅠ ＞ CK ＞ PRⅡ ＞PRⅢ(圖1B)，但4 個處理間差異不顯著(P＞ 0.05)。

圖1 不同磷礦粉處理紫花苜蓿的株高Figure 1 Plant height of different alfalfa varieties under different phosphate rock treatments

M2 品種在第1 茬和第2 茬前期3 個磷礦粉處理下的株高均高于CK，第1 茬刈割時表現為PRⅡ ＞PRⅠ ＞ PRⅢ ＞ CK (圖1C)，與CK 差異顯著(P＜ 0.05)，而第2 茬刈割時表現為PRⅠ ＞ PRⅢ ＞ CK ＞ PRⅡ(圖1D)，但4 個磷肥處理間差異不顯著(P＞ 0.05)。

M3 品種第1 茬刈割時CK 處理高于3 個磷礦粉處理，第1 茬表現為CK ＞ PRⅢ ＞ PRⅡ ＞ PRⅠ(圖1E)，第2 茬表現為PRⅠ ＞ CK ＞ PRⅢ ＞ PRⅡ(圖1F)。因此，磷礦粉對3 個紫花苜蓿品種的株高表現出較好的促進作用，能超過或達到與磷礦粉處理相當的株高水平，總體上M2 品種在磷礦粉處理下表現出較好的株高優勢。

2.1.2 生 物量

兩茬苜蓿干重M1 均表現出PRⅠ磷礦粉處理最高(表3)，總生物量干重達到8.61 g，與CK 處理差異顯著(P ＜0.05)，比CK 高46.9%，PRⅡ和PRⅢ總生物量與CK 差異不顯著(P＞ 0.05)。3 種磷礦粉處理下M2 的第1、第2 茬和總生物量干重均高于CK處理，PRⅠ處理的總生物量最高，為6.22 g，比CK高45.7%。PRⅠ和PRⅢ處理下的M3 第2 茬和總生物量干重均低于CK 處理，PRⅡ處理的總生物量干重與CK 處理差異不顯著(P＞ 0.05)。因此，3 種磷礦粉處理均不同程度提高了苜蓿的生物量，PRⅠ磷礦粉處理的生物量顯著高于CK，M1 品種的生物量顯著高于其他品種。

表3 不同磷礦粉處理苜蓿的生物量干重Table 3 Dry weight of different alfalfa varieties under different phosphate rock treatments

2.2 不同磷礦粉對紫花苜蓿營養品質的影響

2.2.1 粗 蛋白含量

3 種磷礦粉處理下M1 兩茬的粗蛋白含量均高于CK，第1 茬PRⅢ處理下M1 的苜蓿粗蛋白含量最高，為13.29%，高于CK 21.21% (圖2A)，第2 茬中PRⅠ處理下最高，為21.28%，高于CK 21.95% (圖2B)。M2 第1 茬磷礦粉處理下以及M3 兩茬的粗蛋白含量均低于CK，PRⅢ處理下粗蛋白最高可達到CK的84.2%，但M2 第2 茬PRⅡ處理的粗蛋白含量高于CK。因此，PRⅠ和PRⅢ處理顯著提高了第2 茬M1 的粗蛋白含量。3 種紫花苜蓿植株的整體粗蛋白含量表現為M1 ＞ M2 ＞ M3，并且第2 茬的粗蛋白含量較第1 茬增加了兩倍左右(圖2B)。綜合兩茬粗蛋白含量可以看出，磷礦粉對M1 品種表現出較好的效果，PRⅡ、PRⅢ磷礦粉施用下苜蓿粗蛋白含量都有提高，最高能達到CK 的97.20%，表明磷礦粉對苜蓿粗蛋白的積累有明顯的促進作用。PRⅠ M1處理下第2 茬植株粗蛋白含量最高，是第1 茬的1.95 倍，也顯示出了磷礦粉較好的后效。

圖2 不同磷礦粉處理紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的粗蛋白含量Figure 2 Crude protein contents of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

2.2.2 粗 脂肪含量

在不同磷礦粉處理下，3 個紫花苜蓿植株的粗脂肪含量存在顯著差異(P＜ 0.05) (圖3)。第1 茬，PRⅢ處理下M1 和M2 的粗脂肪含量均顯著高于CK (圖3A)，比CK 分別提高了20.89%和90.61%，PRⅢ處理下M3 的粗脂肪含量也達到了CK 的91.30%，而其他磷礦粉處理對苜蓿粗脂肪含量沒有明顯的提高作用。第2 茬，PRⅠ和PRⅢ處理下M1 的粗脂肪含量與CK 無顯著差異(P＞ 0.05)，PRⅢ處理下M1 的粗脂肪最高，為4.15%，其次為PRⅠM1 處理，達到CK 的98.55%，PRⅡ和PRⅢ處理對M2 的粗脂肪含量也有顯著的提升作用(圖3B)。綜合兩茬植株粗脂肪含量，PRⅢ能普遍提高兩茬紫花苜蓿的粗脂肪含量，對M1 和M2 的效果優于M3。

圖3 不同磷礦粉處理紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的粗脂肪含量Figure 3 Ether extract contents of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

2.2.3 鈣 含量

磷礦粉處理中PRⅡM3 處理下第1 茬的鈣含量表現出最高值，為2.18%，高于CK 2.92%，其余品種及處理都不同程度低于CK，在PRⅢ M1 處理下，苜蓿鈣含量出現最低值，為1.74%，低于CK 17.05%。因此，磷礦粉對第1 茬紫花苜蓿的鈣含量沒有明顯的提升作用。3 種苜蓿植株的鈣含量整體表現為M2 ＞ M3 ＞ M1 (圖4A)。

圖4 不同磷礦粉處理下紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的鈣含量Figure 4 Plant calcium contents of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

第2 茬，3 個紫花苜蓿植株的整體鈣含量比第1 茬降低，在PRⅠM1 和PRⅢM2 處理的苜蓿鈣含量最高，均為1.56%，與CK 差異顯著(P＜ 0.05)，高于CK 26.46%；CK M2 處理的苜蓿鈣含量最低，僅為0.88%，除PRⅠM3 外，其余處理均不同程度高于CK (圖4B)，說明磷礦粉處理能明顯提高第2 茬紫花苜蓿的鈣含量。

2.3 不同磷礦粉處理下紫花苜蓿的磷效率

2.3.1 磷 吸收效率

苜蓿的磷吸收效率是苜蓿植株在所栽種的土壤中吸收的總磷量，其反映了苜蓿植株對供試土壤及肥料中磷的吸收能力[23]?？梢钥闯?，第1 茬M1 和M2 苜蓿在磷礦粉處理下磷吸收效率均高于CK，表明磷礦粉處理可顯著提高了M1 和M2 苜蓿的磷吸收效率，在M1 品種的PRⅡ和PRⅢ處理下，苜蓿植株磷吸收效率顯著高于其他處理，與CK 差異顯著(P＜ 0.05)，高于CK 15.21% (圖5A)。第2 茬，PRⅠ和PRⅢ處理下M1 和M2 的磷吸收效率明顯高于CK，其中，M1 品種的PRⅠ處理最高，為2.56 mg·pot-1，高于CK 66.32%。所有磷礦粉處理下M3品種的兩茬磷吸收效率均低于CK，但第1 茬PRⅢ，第2 茬PRⅡ處理與CK 差異不顯著(圖5B)，表明PRⅡ和PRⅢ處理也能明顯提高M3 的磷吸收效率。第2 茬紫花苜蓿的磷吸收效率均高于第1 茬，兩茬苜蓿植株磷吸收效率，M1 品種磷吸收效率高于M2、M3。

圖5 不同磷礦粉處理紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的磷吸收效率Figure 5 Phosphorus uptake efficiencies of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

2.3.2 磷 利用效率

苜蓿植株在生長發育過程中吸收單位數量磷所累積的生物量，為苜蓿植株磷利用效率，其對植株生物量累積有重要作用[23]?？梢钥闯?，第1 茬，PRⅠ處理下M1 和M2、PRⅡ處理下M3 的磷利用效率均顯著高于CK，其中，在PRⅠ處理下的M2 品種，磷吸收效率最高，為4.76 g·mg-1，高于CK 29.22%(圖6A)；第2 茬，PRⅡ處理下3 個紫花苜蓿植株的磷利用效率均顯著高于CK (P＜ 0.05)，PRⅢ處理下M3 的磷利用效率最高，顯著高于CK 26.71% (圖6B)，為3.76 g·mg-1。說明PRⅠ和PRⅡ能普遍顯著提高紫花苜蓿的磷利用效率，第2 茬磷利用效率低于第1 茬，第2 茬M3 品種表現出較強的磷利用效率。

圖6 不同磷礦粉處理紫花苜蓿第1 茬(A)和第2 茬(B)的磷利用效率Figure 6 Phosphorus utilization efficiencies of different alfalfa varieties in the first cut (A) and second cut (B)under different phosphate rock treatments

2.4 不同磷礦粉處理下紫花苜蓿土壤的磷素特征

除PRⅡ M1 處理外，兩茬苜蓿收獲后，3 個紫花苜蓿品種均表現出施用磷礦粉后土壤全磷含量顯著高于CK (P＜ 0.05)，表明施用磷礦粉能提高土壤的磷素儲備，而且PRⅠ和PRⅢ處理的全磷含量高于PRⅡ處理 (圖7)。所有磷礦粉處理的土壤有效磷含量均顯著低于CK (P＜ 0.05)，但所有磷礦粉處理的土壤有效磷含量均高于施肥前水平，最高的PRⅡM2、最低的PRⅡM3 處理土壤有效磷含量分別比施肥前升高87.3%和9.7%。3 個磷礦粉在M3 的土壤有效磷含量低于M1 和M2。

圖7 不同磷礦粉處理紫花苜蓿第2 茬刈割后土壤全磷(A)和有效磷(B)含量Figure 7 Soil total (A) and available (B) P content under different phosphate rock treatment sand different alfalfa varieties after the second cut

3 討論

3.1 不同品位磷礦粉對紫花苜蓿生長的影響

苜蓿的株高、生物量等生長指標能直接反映栽培苜蓿的生產能力和土壤肥力水平狀況[24]。本研究條件下，第1 茬，供試磷礦粉對M1 和M2 苜蓿的株高表現出較好的促進作用，M3 品種的株高雖然一直低于CK，但最高在PRⅢ處理下株高也可達到CK 的91.31%。由于磷礦粉是難溶性磷肥，一般認為磷礦粉直接施用的效果能達到水溶性磷肥的80%以上就有較大的意義[25]。在第2 茬，PRⅠ對3 個品種紫花苜蓿的株高和以及M1 和M2 的生物量均具有促進作用，而PRⅠ是3 種供試磷礦粉中品位最低的，說明低品位磷礦粉對苜蓿生長的促進作用優于高品位磷礦粉，這與杜玉鳳等[26]研究磷礦粉對玉米(Zea mays)生長的影響結果相似，這可能與磷礦粉的內部結構和成分有關，根據李亞娟等[27]前期的研究，有些磷礦粉雖然含磷量低，但是內部結構松散，在土壤中容易溶解轉化為有效態，從而表現出較好的肥效，有關不同磷礦粉對紫花苜蓿肥效的差異性及其機理還需進一步研究。也有在堿性土壤上，直接施用超微細磷礦粉以及磷礦粉添加溶磷菌劑顯著提高了作物的生長和生物量[28-29]，微晶化和普通磷礦粉均能明顯提高楊樹(Populus przewalskii)苗根系分泌物中有機酸總量，顯著提高根際土壤中速效磷含量，提高土壤的供磷能力，從而提高其生物有效性[30]。

3.2 不同品位磷礦粉對紫花苜蓿營養品質的影響

牧草對磷素的吸收有特殊性和復雜性，不同種類和品種牧草對磷的吸收利用能力有較大差異[31-32]。本研究表明，磷礦粉對第1 茬苜蓿的粗蛋白含量沒有明顯的提升作用，但PRⅠ和PRⅢ處理顯著提高了M1 第2 茬的粗蛋白含量，而且PRⅠ的效果最好，低品位磷礦粉對植株粗蛋白增加的促進作用高于其他磷礦粉和過磷酸鈣處理，也說明磷礦粉在苜蓿蛋白含量的效應表現出較好的后效，這與趙夫濤[33]施用超細磷礦粉對蕹菜(Ipomoea aquatica)的影響結果一致。于鐵峰等[34]的研究表明，中等水平的磷肥施用可顯著提升紫花苜蓿的粗脂肪，孟宣辰[35]的研究也表明，較高磷梯度的磷肥施用苜蓿粗脂肪含量最高，本研究中，PRⅢ能普遍提高兩茬苜蓿的粗脂肪含量，PRⅢ是供試3 個磷礦粉中有效磷含量最高的，說明磷礦粉中有效磷含量越高越有利于苜蓿的粗脂肪含量的提升。王瀟[36]將活化磷礦粉施用西葫蘆(Cucurbita pepo)，也能顯著提升其粗脂肪含量，而且也有研究表明磷礦粉與有機肥配施能明顯改善蘋果(Malus pumila)糖度和酸度等品質指標[37]。本研究中，高品位磷礦粉對紫花苜蓿粗脂肪的促進作用高于過磷酸鈣和其他磷礦粉，磷礦粉處理顯著提高了第2 茬紫花苜蓿的鈣含量。因此，PRⅠ和PRⅢ磷礦粉能改善紫花苜蓿的品質。

3.3 不同品位磷礦粉對紫花苜蓿磷素吸收利用和土壤磷素特征的影響

在不同磷營養環境下，植株對磷素的吸收和利用主要通過生物量的積累體現[38]。本研究中，PRⅠ和PRⅢ處理普遍能較大幅度提高M1 和M2 第2 茬紫花苜蓿的磷吸收效率，而PRⅡ處理能提高3 個紫花苜蓿品種第2 茬的磷利用效率。在缺磷或少磷環境中，根系活力增強、酸性磷酸酶活性增高，可促進對磷的吸收[39]，具有較高的磷利用效率的品種能較好適應于磷素營養環境差的條件生長[40]。本研究中M1 和M2 對磷礦粉有較高的吸收能力，M3 品種對磷礦粉的吸收較差，但磷礦粉處理能提高其對磷的利用效率，綜合兩茬來看，PRⅠ對M1 和M2 表現出較高的吸收和利用效率。植物對磷的利用效率固然重要，但吸收仍然是關鍵[41]，因此，M1 和M2 在磷礦粉中的磷吸收上具有優勢的紫花苜蓿品種。

磷礦粉進入土壤后為土壤貢獻了磷素，導致土壤全磷含量顯著升高，但由于其溶解性差，土壤有效磷含量低于水溶性磷肥。土壤有效磷主要是當季植物可吸收利用的磷素量，本研究中施用磷礦粉處理比施肥前土壤的有效磷水平還是提高了，說明磷礦粉對土壤磷素供應水平具有一定的改善。此外，磷礦粉是一種具有后效的磷肥[42]，隨著施肥后時間的延長，對于苜蓿等多年生植物是否會會表現出更好的效果也值得更進一步的田間試驗研究。

4 結論

石灰性土壤磷礦粉直接施用于紫花苜蓿表現出較好的肥效，但其效果因磷礦粉品位和苜蓿品種而有差異。來自廣東的PRⅠ和四川的PRⅢ磷礦粉對紫花苜蓿生長的促進作用高于湖北的PRⅡ磷礦粉和過磷酸鈣，PRⅠ磷礦粉處理下紫花苜?！枌稹纳锪孔罡?。PRⅠ和PRⅢ磷礦粉能明顯提高紫花苜蓿的粗蛋白、鈣和磷含量?！枌稹汀]東苜?！窃诹椎V粉磷素吸收上具有優勢的兩個品種，但磷礦粉處理下‘隴東苜?！漠a量較低，營養品質較差。磷礦粉處理均顯著提高了土壤全磷含量，且PRⅠ和PRⅢ的效果優于PRⅡ，相比施肥前，磷礦粉處理均顯著提高了土壤有效磷含量，M3 土壤有效磷含量低于M1 和M2。由于磷礦粉成分復雜，有關磷礦粉在石灰性土壤的施用效果還有待于在更多作物及品種上開展，其機理還有待更進一步研究。