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磷是作物生长所必须的大量元素之一。磷肥在保障我国粮食安全方面起着不可替代的作用。然而长期过量或不合理施用磷肥,导致土壤磷素不断累积,磷肥当季利用率低下,进一步加剧了我国磷矿资源的匮乏。因此,制定合理、可持续的磷肥综合管理措施至关重要。本研究通过长期定位试验发现小麦和玉米的产量对磷肥施用量和土壤磷素有效性的响应不同,为提高磷肥利用率,从减少磷肥施用和降低磷素固定两个角度展开研究。第一方面,本研究通过冬小麦-夏玉米轮作体系长期定位田间试验,探讨磷肥施用低中高水平下,小麦玉米间产量响应、土壤磷素有效性及根际微生物群落组成多样性的差异。第二方面,结合上述小麦玉米需磷特性差异,在土壤有效磷含量高和低条件下,研究玉米季减施磷肥运筹模式的可行性,及土壤有效态磷含量、磷酸酶活性及微生物群落组成变化对周年作物产量的影响机制。第三方面,针对磷素易被土壤固定的问题,从减缓磷肥与土壤接触来减少磷素固定的思路考虑,研发了新型生物基聚氨酯包膜控释磷肥,采用扫描电镜、气相色谱、傅里叶红外成像显微镜等技术,表征控释磷肥膜壳界面微观形貌,液化多元醇组分及聚氨酯成膜特性变化,探究延长包膜磷肥缓释期的机制。主要研究结果如下:（1）探明了小麦玉米轮作体系不同磷肥用量对作物产量响应及土壤微生物多样性的差异。本试验基于连续10年的长期定位田间试验,在低量（P1）、常量（P2）和高量（P3）三个磷肥梯度水平下对小麦和玉米产量的响应、土壤磷素有效性变化及根际土壤微生物多样性进行比较。结果表明,基于回归分析可知磷肥施用量与小麦产量呈显著相关,与玉米产量无显著相关性。较P2处理相比,长期减施的P1处理或增施的P3处理,分别使小麦减产20.1%和6.2%,而玉米季的P1处理使产量平均提高了6.7%。综合分析作物产量及谷草比发现,小麦P2处理最适宜,玉米为P1处理最适宜。小麦季P2处理连续三年平均磷肥利用率达到48.4%,而玉米季P1处理平均磷肥利用率达到了51.1%。增施磷肥显著提高了土壤磷素有效性,连续施肥13年后,P2处理有效磷和全磷含量较试验起始时分别提高了82.6%和9.1%。小麦和玉米土壤细菌和真菌门水平物种丰度整体呈现季节差异大于磷肥用量差异,其中仅细菌的变形杆菌菌门（Proteobacteria）丰度受磷肥用量与季节共同影响。作物产量与土壤细菌群落α多样性指数呈显著相关性,而与真菌无显著相关。本试验表明,小麦比玉米对磷肥的吸收更敏感,季节间细菌微生物多样性变化显著影响作物产量,为玉米季减磷增效提供了基础。（2）揭示了小麦玉米轮作体系减磷周年运筹模式对土壤磷素供应及微生物耦合增效的机制。冬小麦-夏玉米轮作体系下,采用有效磷含量高(30.36mg kg-1,H)和低(9.78mg kg-1,L)两个水平的石灰性土壤进行了连续2年四季的盆栽试验,以评估仅小麦季施磷肥（Pw）较常规小麦玉米两季均施磷肥（Pwm）措施对作物产量、土壤有效磷和微生物群落结构的影响。结果表明,HPw处理较HPwm处理在减少1/3的磷肥投入情况下,作物总产量连续两年稳产,且HPw处理磷肥利用率增加了10.8%。与基础土壤相比,两年间HPw处理的全磷含量没有累积,而HPwm增加了20.6%。玉米大喇叭口期,Pw处理土壤有效磷含量与Pwm处理无显著差异。土壤磷含量显著影响土壤微生物群落,尤其是真菌群落。Pw处理变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度和碱性磷酸酶（ALP）活性显著高于Pwm处理。高磷水平下,土壤微生物对产量的贡献大于土壤有效磷的影响。Pw处理芽孢杆菌（Bacillus）和根瘤菌（Rhizobium）相对丰度显著高于Pwm处理。芽孢杆菌与酸性磷酸酶（ACP）活性呈显著正相关,根瘤菌与ACP和ALP活性均呈显著正相关,这有利于土壤磷素活化。本试验表明高磷土壤条件下,冬小麦-夏玉米轮作体系仅麦季施磷可通过土壤磷有效性与微生物间的耦合,实现全年作物稳产。（3）阐明了采用改性农作物秸秆提高生物基包膜控释磷肥养分控释性能和磷素高效利用的机制。采用高效的瞬时弹射蒸汽爆破技术预处理小麦秸秆（SEWS）,以去除小分子半纤维素和难成膜离子,延长生物基聚氨酯包膜磷肥的释放期。结果显示,在包膜量5%的条件下,SEWS处理包膜磷肥较小麦秸秆（WS）处理,初期释放率由4.8%下降为2.5%,释放期由10d延长至28d,达到控释肥的释放标准。蒸汽爆破预处理秸秆过程破坏了细胞壁,该过程使半纤维素含量从32.7%降至5.1%。通过清洗,使秸秆中难成膜离子(K+、Ca2+和Mg2+)显著降低,K+的含量下降最多达85.2%。秸秆液化过程中,SEWS液化产物较WS直接液化残渣率下降了38.1%,仅为5.5%,而羟基值增加了36.5%,达到了125.3mg KOH g-1。包膜过程中,SEWS处理的液化多元醇和二苯基甲烷-二异氰酸酯反应形成了一个紧密交联的、均匀的生物基膜,减少了养分释放过程中膜材孔洞的形成。利用瞬时弹射式蒸汽爆破技术对生物质材料进行高效预处理,有利于提高生物基包膜控释磷肥的养分控释性能,从而减少施入土壤后磷素的固定。综上所述,在保障小麦和玉米作物产量的前提下,玉米季减施磷肥有效减少了土壤磷素累积,提高了磷肥利用率,有利于发挥土壤微生物对土壤磷的活化作用,实现减磷增效。研发新型包膜控释磷肥显著提升了磷的控释性能,从而更有利于提高磷素有效性。