我国农田磷肥施用量迅速提高，1978年磷肥施用量为282.4 × 10⁴ t，2013年增加到1516.4 × 10⁴ t (复合肥按1/3算)^[1]，增加了约5.4倍，已成为世界上最大的磷肥生产国与消费国^[2]。经过多年磷肥施用和土壤培肥，我国耕地土壤有效磷含量呈显著增加趋势^[3]。长期定位监测结果表明，1985年我国土壤有效磷平均含量为6.4 mg/kg，2006年增加到27.4 mg/kg，土壤有效磷水平明显提高^[4]。华北平原地区冬小麦-夏玉米轮作是主要的作物种植体系，磷肥一般全部作基肥在小麦季一次施入，玉米季不再施用。张智峰和张卫峰^[5]在华北地区的调查结果发现，有43%的农户在小麦季磷肥(P₂O₅)施用量超过150 kg/hm²。杨莉琳等^[6]在太行山山前平原高产区小麦季进行了三年定位试验，表明小麦季磷肥施用量在75~150 kg/hm² P₂O₅之间对夏玉米产量无明显影响。过量和不合理施用磷肥，农田生态系统中通过径流、淋洗等排放的磷增多，带来水体富营养化的潜在威胁，造成了农田土壤中磷的损失与磷肥资源的浪费^[7-9]。

根际是作物-土壤-微生物及环境相互作用的场所，是养分从土壤进入作物系统参与物质循环的必经门户，是限制作物对养分吸收利用的重要环节，对作物高效利用土壤磷养分有着重要影响^[10-11]。缺磷胁迫下，为有效提高对土壤磷的吸收利用，作物根系形态和根际过程发生一系列改变，主要包括：侧根与根毛发育与数量增加，根冠比增大，扩大吸收面积；根系分泌有机酸、磷酸酶增多，活化和利用根际土壤中的难溶性磷；高亲和力磷转运蛋白基因上调提高，吸收能力增强^[11-14]。但集约化农业生产条件下，降低磷肥用量对作物根系生长及根际过程的影响还缺少深入研究。本研究选择在河北衡水地区连续三年开展田间试验，以农民习惯施磷量为对照，探讨冬小麦-夏玉米轮作体系中，减施磷肥用量对夏玉米根系生长、根际土壤磷形态组分的影响，以期为在集约化农业生产地区建立优化施磷措施，提高磷肥利用率提供理论依据和技术支撑。

试验在河北省农林科学院旱作农业研究所衡水试验站进行，供试土壤为潮土，试验前0-20 cm层有机质含量14.19 g/kg、全氮1.02 g/kg、全磷0.98 g/kg、全钾15.32 g/kg、碱解氮89.46 g/kg、Olsen-P 34.60 mg/kg、速效钾103.00 mg/kg、pH 8.52 (水土比5:1)。

试验小区长9.5 m ×宽4.4 m，面积41.8 m²。冬小麦-夏玉米轮作体系为冬小麦收获后，在相应处理小区免耕播种夏玉米。2007年10月种植小麦时开始实施磷肥处理，于2010年10月玉米季收获后结束，共开展了三季。每年小麦季设置4个磷肥用量水平，以习惯施磷量P₂O₅ 187.5 kg/hm²为100% (P100)，减少磷肥用量P₂O₅至80% (150.0 kg/hm²，P80)、60% (112.5 kg/hm²，P60)和不施磷(P0)。供试磷肥为普通过磷酸钙，每个处理重复3次，完全随机排列。

各处理小区每年氮钾肥施用量相同，K₂O 90 kg/hm²，小麦与玉米季各施氮N 225 kg/hm²；小麦氮肥50%作基肥，50%在返青期追施；玉米季氮肥50%作基肥，50%在大喇叭口期采集土壤和植株样品后追施；磷肥、钾肥均作基肥在小麦季一次性施入，玉米季不施磷钾肥。肥料用尿素(N 46.4 %)、过磷酸钙(P₂O₅ 17 %)、氯化钾(K₂O 60 %)。供试冬小麦品种为衡观35，夏玉米品种为郑单958。

在各处理小区随机选5株玉米植株，收获地上部，挖取整个根系，采用抖根分离法取根系所附着的土壤为根际土壤，取行间土壤为非根际土壤。土壤样品过2 mm筛后，装入聚乙烯塑料袋中，放入-18℃冰柜中保存。

将根系用清水洗净，扫描根系样品获取数字化图像，利用WinRHIZO根系分析系统(Regent Instruments Inc.，Canada)对图像进行分析，获得根长和根系平均直径等根系生长参数。

Olsen-P采用0.5 mol/L NaHCO₃浸提，磷钼蓝比色法测定^[15]。无机磷形态分级采用蒋柏藩-顾益初法^[16]，有机磷分组采用Bowman-Cole的测定方法^[17]。

新鲜土样解冻后，调节至田间含水量40%~50%，25℃下密封预培养7 d后，采用氯仿熏蒸-NaHCO₃提取法测定土壤微生物量磷，微生物量磷B_p=E_pi/K_p，其中，E_pi表示熏蒸与未熏蒸土壤浸提磷差值，K_p为转换系数，取值0.4^[18]。

数据进行方差分析(ANOVA)，不同处理之间数据多重比较采用Duncan新复极差法检验(P < 0.05)。

2008年和2009年，不施磷及磷肥不同用量处理对玉米籽粒产量均尚未产生明显影响。至试验第三年，即2010年，不施磷肥处理(P0)玉米籽粒产量开始降低，而P60和P80处理产量仍未出现下降，与习惯施磷处理(P100)相比，差异不明显(图 1)。

图1(Fig. 1)

图1 2008~2010年不同用量磷肥玉米籽粒产量 Fig. 1 Grain yield of summer maize in different P treatments from 2008 to 2010 [注（Note）：柱上不同字母表示同一年度不同磷肥用量处理间差异达P < 0.05显著水平Different letters above the bars mean significant difference among treatments for the same year at theP < 0.05 level.]

由图 2可知，苗期玉米植株地上部磷浓度较高，随生育期延长呈降低趋势；收获期秸秆中磷浓度较低，籽粒中磷浓度较高。与2008年相比，2009年和2010年籽粒中磷浓度较低。2008年苗期P80处理植株磷浓度较P100处理高，与P0和P60处理之间差异不显著。收获期秸秆磷浓度P0处理低于P100处理。不同磷肥处理对籽粒中磷浓度影响不明显。2009年苗期地上部磷浓度在不同磷肥处理之间无显著差异；大喇叭口期P60和P80处理显著高于P100；抽雄期以P80和P100显著高于P60和P0；收获期秸秆和籽粒中磷浓度不同处理间差异不显著。2010年所测生育期内，不同磷肥处理间玉米植株和籽粒中磷浓度差异均未达显著水平(图 2)。

图2(Fig. 2)

图2 不同磷肥用量处理下玉米不同生育期地上部植株和收获期籽粒磷浓度 Fig. 2 P concentrations in above ground parts of summer maize in different growing stages and in grains at harvest under different treatments [注（Note）：柱上不同字母表示同一年度不同磷肥用量处理间在P < 0.05水平差异显著Different letters above the bars mean significant difference among treatments for the same year at theP < 0.05 level.]

不同磷肥处理之间，玉米根系长度和直径均未出现明显变化；降低磷肥用量3年，对根系形态尚未产生明显的影响(图 3)。

图3(Fig. 3)

图3 不同用量磷肥施用下玉米根系长度和直径变化 Fig. 3 Effects of P rates on total root length and root diameter of summer maize plants [注（Note）：柱上不同小写字母表示同一年度不同磷肥用量处理间在P < 0.05水平差异显著 Different small letters above the bars mean significant different among treatments for the same year at theP < 0.05 level.]

由图 4可知，2008年P100处理苗期非根际土壤有效磷含量显著高于不施磷处理；收获期高磷处理的根际土壤有效磷含量较高；同一施磷量处理，根际和非根际土壤有效磷含量差异不明显，各生育期之间差异也不显著。在大喇叭口期，土壤有效磷含量较低。在苗期，与不施磷肥处理相比，P80和P100两个用量处理非根际土壤有效磷含量较高。

图4(Fig. 4)

图4 不同磷肥施用量玉米根际和非根际土壤有效磷含量 Fig. 4 Olsen-P content in rhizosphere and bulk soils of summer maize plants with different P treatments [注（Note）：柱上不同小写字母表示同一年度不同磷肥用量处理间在P < 0.05水平差异显著 Different small letters above the bars mean significant different among treatments for the same year at theP < 0.05 level.]

2009年，在玉米季施用磷肥可以提高根际土壤有效磷含量，在灌浆期P60处理根际土壤有效磷含量低于非根际土壤，其他时期根际土壤和非根际土壤有效磷含量差异不显著；相同磷肥处理下，各生育期之间土壤有效磷含量差异不显著。

2010年，同一个生育期，根际和非根际土壤有效磷含量之间没有显著差异。与施磷处理相比，不施磷肥处理根际和非根际土壤有效磷含量明显较低。

图 5表明，2008年，P0处理的苗期土壤MBC-P显著高于P100处理，其他磷用量处理之间，根际土壤MBC-P没有明显差异。减施磷肥3年间，未明显降低根际土壤MBC-P。

图5(Fig. 5)

图5 不同磷肥用量玉米根际土壤微生物量磷含量变化 Fig. 5 Microbial biomass phosphorus content in rhizosphere and bulk soils of summer maize in different P treatments [注（Note）：柱上不同字母表示同一年度不同磷肥用量处理间在P < 0.05水平差异显著Different letters above the bars mean significant difference among treatments for the same year at theP < 0.05 level.]

2008年四个生育期中，除P100处理外，苗期根际土壤MBC-P水平显著高于非根际；在大喇叭口期也有相似趋势。抽雄期根际土壤MBC-P显著较低。与P0相比，P100处理显著提高苗期和大喇叭口期非根际土壤MBC-P。在P0和P60处理下，苗期根际土壤MBC-P含量显著高于其他三个生育期。2009年收获期根际MBC-P水平与非根际土壤之间没有明显差异。2010年不施磷处理苗期根际土壤MBC-P水平较非根际高，其他磷肥处理根际土壤MBC-P含量与非根际间没有差异。收获期不施磷处理根际MBC-P水平较非根际低，施磷处理根际MBC-P比不施磷处理高。

土壤中无机磷的形态分布均以Ca₁₀-P最多，其次为Ca₈-P和O-P，而Al-P、Fe-P和Ca₂-P较少。经过三年试验，不施磷肥根际和非根际土壤Ca₂-P、Ca₈-P含量下降明显，但Al-P、Fe-P和Ca₁₀-P增加(表 1)。

表1(Table 1)

表1 不同磷肥施用量下土壤中不同形态无机磷含量(mg/kg) Table 1 Phosphorus concentrations of various inorganic forms in maize rhizosphere and bulk soils with different P treatments

表1 不同磷肥施用量下土壤中不同形态无机磷含量(mg/kg) Table 1 Phosphorus concentrations of various inorganic forms in maize rhizosphere and bulk soils with different P treatments 生育期 Growth stage 处理 Treatment Ca2-P Al-P Fe-P Ca8-P Ca10-P O-P 2008 苗期Seedling P0 根际R 48.23±2.60 abc 76.48±2.53 a 45.79±2.06 ab 315.29±35.39 b 364.30±33.08 a 108.80±11.43 a 非根际B 35.59±1.99 a 59.05±3.53 a 48.13±2.64 abc 262.33±47.88 ab 381.92±27.03 a 110.12±7.11 a P60 根际R 44.16±4.82 ab 61.79±5.71 a 43.50±3.53 a 252.13±28.74 a 376.35±11.37 a 107.83±6.87 a 非根际B 45.61±5.60 abc 56.62±4.84 a 47.13±1.17 a 235.64±38.47 ab 381.66±10.82 a 114.78±4.74 a P80 根际R 47.16±1.06 abc 60.34±6.45 a 46.22±0.09 ab 284.77±33.98 ab 375.10±5.36 a 101.83±8.59 a 非根际B 47.61±11.61 abc 64.15±3.49 a 49.27±2.17 bc 287.26±21.75 ab 377.55±9.05 a 115.42±3.31 a P100 根际R 61.40±20.28 bc 58.74±5.26 a 50.88±3.69 c 270.00±32.29 ab 376.91±30.48 a 109.39±6.19 a 非根际B 65.49±15.87 c 60.35±7.78 a 50.32±2.05 bc 254.02±55.38 ab 371.30±34.13 a 110.27±4.01 a 收获期Harvest P0 根际R 25.35±5.15 a 66.62±8.98 a 46.01±4.44 a 302.32±44.23 b 373.25±23.86 a 111.23±5.75 a 非根际B 29.99±5.31 a 60.40±9.34 a 49.50±4.62 a 255.39±36.27 ab 388.01±25.99 a 111.07±4.63 a P60 根际R 29.17±2.90 a 63.03±6.72 a 47.29±6.66 a 268.69±52.89 ab 367.17±3.80 a 107.87±5.43 a 非根际B 29.28±6.27 a 61.13±3.00 a 46.65±0.17 a 228.32±46.76 ab 382.85±10.88 a 113.18±5.05 a P80 根际R 29.34±2.00 a 61.06±1.58 a 47.69±3.00 a 277.57±14.21 ab 379.41±24.44 a 108.06±2.59 a 非根际B 33.75±2.93 ab 57.81±2.99 a 47.50±2.74 a 246.08±11.74 ab 374.53±26.35 a 110.96±1.36 a P100 根际R 39.29±9.43 b 65.20±3.78 a 52.67±5.45 a 268.70±12.02 ab 375.46±26.29 a 115.28±0.24 a 非根际B 40.22±1.95 b 56.61±5.41 a 46.34±3.67 a 209.11±55.82 a 365.09±40.43 a 112.25±2.97 a 2009 收获期Harvest P0 根际R 29.94±3.41 a 116.62±34.50 a 61.98±4.34 a 117.66±11.06 a 448.21±27.28 a 53.75±1.32 a 非根际B 36.14±6.49 ab 88.77±32.24 a 58.15±8.22 a 163.49±57.90 a 444.30±63.57 a 59.25±3.33 a P60 根际R 35.18±5.51 ab 113.26±29.79 a 67.07±3.70 a 132.81±17.36 a 417.36±48.22 a 54.26±1.43 a 非根际B 37.44±8.23 ab 77.05±17.42 a 66.21±4.68 a 117.38±62.16 a 387.58±3.85 a 53.59±2.34 a P80 根际R 36.93±4.48 ab 101.02±16.99 a 59.85±9.86 a 132.41±16.13 a 388.13±11.44 a 55.20±2.69 a 非根际B 32.50±8.40 ab 84.17±12.32 a 67.93±4.85 a 105.27±3.27 a 389.09±21.23 a 54.42±1.23 a P100 根际R 41.98±2.37 ab 117.27±51.39 a 61.73±9.15 a 129.42±28.93 a 450.95±28.64 a 58.12±2.39 a 非根际B 43.99±12.29 b 95.07±43.84 a 59.79±4.38 a 105.55±21.25 a 438.79±21.92 a 55.14±3.62 a 2010 收获期Harvest P0 根际R 23.66±2.89 a 97.32±12.75 a 46.80±8.18 a 231.15±23.45 a 652.44±26.36 a 70.52±3.58 a 非根际B 23.93±0.89 a 115.29±19.46 a 52.84±3.08 a 221.00±16.58 a 635.18±42.15 a 79.78±5.13 ab P60 根际R 30.20±2.70 ab 106.50±16.22 a 57.18±6.39 a 221.65±57.56 a 613.71±40.09 a 72.05±16.56 ab 非根际B 38.09±4.27 cd 135.99±34.18 a 53.50±4.08 a 216.38±26.88 a 644.86±20.72 a 75.26±13.91 ab P80 根际R 36.16±6.74 bcd 112.92±13.93 a 54.76±4.81 a 219.49±13.02 a 648.49±29.38 a 75.79±14.61 ab 非根际B 34.67±6.74 bc 100.46±28.36 a 59.59±9.28 a 186.66±27.98 a 642.13±21.24 a 71.23±8.54 ab P100 根际R 35.38±2.00 bc 119.07±21.38 a 54.42±2.14 a 217.73±31.57 a 631.88±29.49 a 76.26±0.92 a 非根际B 43.28±2.71 d 119.95±18.24 a 54.72±5.29 a 198.98±47.71 a 631.49±33.08 a 92.56±7.82 b 注（Note）：R-Rhizosphere; B-Bulk soil; 数值后不同小写字母表示同一季不同磷肥用量处理间差异达P < 0.05显著水平Values followed by different small letters are significant among P treatments at the same stage at theP < 0.05 level.

不同处理之间比较，不施磷处理2008年苗期根际Ca₂-P含量较非根际高，收获期根际Ca₈-P含量较非根际土壤高；从苗期到收获期，非根际土壤中Ca₈-P含量下降，根际Ca₂-P含量下降，以不施磷肥处理下降最多。2009年收获期，各形态无机磷含量在根际与非根际土壤之间以及不同施磷处理之间没有明显区别。到2010年玉米收获期，与施磷肥处理相比，不施磷肥处理根际和非根际土壤中Ca₂-P含量明显较低，根际土壤中Al-P、Fe-P和O-P含量也较低。与高量施磷处理P100相比，P80处理非根际Ca₂-P含量较低。

用Bowman-cole法^[17]对2008年土壤有机磷含量进行分组研究(图 6)。苗期和收获期土壤含量顺序均表现为中等活性有机磷 > 中稳定有机磷 > 高稳定有机磷 > 活性有机磷。施入不同用量磷肥，对根际和非根际土壤有机磷含量没有显著影响。在苗期时，除P100处理外，根际土壤中等活性有机磷含量显著低于非根际土壤。苗期和收获期根际土壤中稳性有机磷含量较非根际土壤高。

图6(Fig. 6)

图6 2008年不同磷肥用量玉米根际、非根际土壤不同形态有机磷含量比较 Fig. 6 Comparison of different organic P content in maize rhizosphere and bulk soils with different P treatments in 2008 [注（Note）：柱上不同字母表示同一年度不同磷肥用量处理间在P < 0.05水平差异显著 Different letters above the bars mean significant difference among treatments for the same year at theP < 0.05 level.]

不施磷肥处理根际土壤有机磷含量显著低于非根际土壤。2010年苗期与不施磷肥相比，施磷处理的根际土壤中有机磷含量显著降低(图 7)。

图7(Fig. 7)

图7 不同处理玉米根际非根际土壤有机磷含量 Fig. 7 Contents of content organic phosphorous content in maize rhizosphere and bulk soils with different treatments [注（Note）：柱上不同字母表示同一年度不同磷肥用量处理间在P < 0.05水平差异显著Different letters above the barsmean significant difference among treatments for the same year at theP < 0.05 level.]

随着农业生产高度集约化，生产水平提高，过量施肥加上作物根茬还田，土壤肥力得以提高。邢丹等^[19]在2014年在河北潮土上试验发现，在0-20 cm土层有效磷含量为16.16 mg/kg条件下，小麦玉米轮作体系中施用120 kg/hm²时玉米产量最高。在土壤有效磷含量36.23 mg/kg的条件下，不同磷肥处理对玉米地上部干物质重和产量没有影响^[20]。本研究通过3年实验表明小麦季磷肥用量从习惯施肥量的P₂O₅187.5 kg/hm²减至112.5和150.0 kg/hm²，即磷肥用量减少20%~40%处理。不施磷肥条件下，前2年后作夏玉米籽粒产量不受影响，但第三年籽粒产量开始出现下降。究其原因，本文从作物根系形态、根际土壤磷形态变化与有效供应等角度开展了研究。

低磷胁迫下植物会改变根系构型如侧根与根毛数量增加，根冠比增大，以增加根系与土壤的接触面积，提高对土壤中磷的获取^[11-14]。本研究供试土壤养分投入量较大，土壤中磷素供应水平较高，连续三年不施或减施磷肥，玉米根系总长度和平均直径均未发生明显变化，说明此时磷肥的施用量还未影响到根系的磷素供应。

一些盆栽和根盒试验研究结果表明植物根际容易出现存在磷耗竭区，尤其是在缺磷胁迫下^{[10, 12]}。本研究试验是在田间开展，不同磷处理间玉米根际和非根际有效磷含量没有差异，可能与土壤中磷供应强度较高有关，也可能是由于根系吸收养分的体积远大于盆栽，作物通过调整根系构型适应缺磷的能力更强，减少了局部磷肥胁迫的影响。磷肥用量在目前常用量的基础上减少20%~40%，玉米根际有效磷含量到第三年未有明显变化，说明供试土壤条件下，磷肥减施尚未影响根际土壤磷的供应。

土壤磷形态分为无机磷和有机磷。土壤有效磷可由土壤中无机磷化学平衡溶解、微生物固定与释放、有机磷矿化而得到补充。李和生等^[22]研究发现，小麦根际土壤有机磷总量低于非根际土壤，以中度活性有机磷所占比例较高；与非根际土壤相比，根际土壤中中度活性有机磷和活性有机磷含量降低。本研究结果表明，玉米苗期和收获期土壤有机磷分组中以中等活性有机磷含量较高，不施磷处理根际土壤有机磷含量显著低于非根际土壤，可能是缘于根系对有机磷的强力吸收，不施磷肥在某种程度上已经影响到土壤磷的供应强度，而减量施用磷肥20%~40%并没有显著影响根系对土壤有机磷利用；苗期表现为中稳性有机磷含量低于非根际土壤，中等活性有机磷的降低可能转化为土壤有效磷被玉米吸收利用。

根际土壤中微生物分布密集、活性强，有利于土壤中养分转化，对植物高效利用土壤磷素有着重要影响^{[10, 18]}。在农业土壤中微生物量磷(MBC-P)占有机磷总量只有3%左右，但土壤微生物量磷周转速率快，对土壤磷素的循环转化和植物磷素营养起着重要的作用^[18]。在2008年玉米苗期，根际土壤MBC-P水平较高，除了P₂O₅ 187.5 kg/hm²用量处理外，其它磷肥处理玉米苗期根际MBC-P比非根际土壤高，2010年苗期也得到相似结果，不施磷处理根际土壤MBC-P水平较非根际高；但在抽雄期，根际土壤MBC-P比非根际土壤低。与不施磷肥相比，施P₂O₅ 187.5 kg/hm²处理在玉米生长前期明显提高了非根际土壤MBC-P。与习惯施肥量相比，磷肥减施未明显降低根际土壤MBC-P。

土壤无机磷组分中，Ca₂-P易被作物吸收，是有效磷源，Ca₈-P、Al-P、Fe-P有效性相对较低，可作为有效磷补充；Ca₁₀-P和O-P在短期内难以为作物吸收利用，是潜在磷源^[23]。长期定位试验发现，经过14年作物消耗，在褐潮土无机磷分组中Ca₂-P消耗最大，平均为94.7%，其次Ca₈-P消耗平均为23.8%和Al-P平均下降9.2%，施用磷肥可显著增加Ca₂-P含量^[24]。本试验结果表明，与不施磷肥处理相比，施P₂O₅187.5 kg/hm²磷处理可以显著增加Ca₂-P含量。不同磷肥处理间根际和非根际土壤中Ca₁₀-P、Ca₈-P、O-P、Al-P和Fe-P含量差异不明显；但经过三年试验，不施磷肥根际和非根际土壤Ca₂-P、Ca₈-P含量下降明显，这影响到第三年的玉米生长，导致产量开始出现下降，而磷肥减施尚未影响土壤各形态无机磷含量。

综上所述，与习惯高量施磷量相比，在河北省衡水潮土上小麦季磷肥施用量减少20%~40%对后作玉米根系形态及根际土壤无机磷、有机磷、微生物量P含量影响尚不明显，籽粒产量没有降低，降低作物磷肥用量是可行的；但3年不施磷处理，根际土壤有效形态磷含量和玉米籽粒产量开始出现下降趋势。