秸稈全量還田條件下玉米磷素吸收特征與磷肥適宜用量研究

逄 娜，程 松，李興吉，侯建勛，梁 堯，張水梅，任 軍，劉劍釗，梁運江，蔡紅光*

（1 吉林省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部東北植物營養與農業環境重點實驗室，吉林長春 130033；2 延邊大學農學院，吉林延吉 133002）

東北黑土資源豐富，是我國重要的糧食生產基地。糧食產量占全國糧食產量的22.6%[1]。糧食生產潛力大，對保障國家糧食安全具有重要的意義。黑土區土壤質量與糧食安全和農業可持續發展關系密切，保障黑土資源循環可持續利用對于我國農業發展意義重大。近年來，由于長期不合理施肥，導致黑土耕層變薄，土壤質量下降。研究表明，玉米秸稈全量還田，可顯著提高土壤綜合肥力，保護土壤質量[2]。我國秸稈資源年均產量居世界首位。2015年，我國主要農作物秸稈資源量達到71878.5萬t[3]。東北地區作為我國玉米主產區，玉米秸稈資源豐富，年均玉米秸稈產量達1.7億t，約占全國玉米秸稈資源的48%[4]。

秸稈中含有豐富的N、P、K等養分以及中微量元素，是培肥土壤重要的有機肥源[5]。秸稈中攜帶大量養分，在一定程度上替代了化肥的使用，化肥適宜用量也隨之變化[6]。磷是玉米生長發育過程中不可或缺的營養元素，研究發現，秸稈還田到0—20 cm土層，顯著提高土壤中的有效磷含量[7-8]。另外，秸稈還田作為一種有效的培肥土壤的方式，能有效提高土壤微生物活性，提高土壤有機質含量，提升地力，增加作物產量[9-13]。在多年秸稈還田的背景下，探究適宜的磷肥用量，不僅可以提高玉米產量，提升作物品質，減少肥料成本，提高磷肥利用率，更有助于環境保護，但目前國內此方面研究較少。宋佳麗等[14]研究發現，秸稈還田能夠提高耕層土壤有效磷的含量，Kashif等[15]也通過研究指出秸稈還田后，土壤有效磷含量較秸稈還田前增加了69.8%～82.8%。唐文雪等[16]在黃土上的研究結果表明，磷肥用量在120 kg/hm2時，玉米產量和磷肥利用效率最高。曹高燚等[17]在潮土上的研究表明，磷肥用量在75 kg/hm2時，能夠有效促進植株代謝，提高玉米產量。

然而，目前關于秸稈還田條件下黑土區不同磷肥用量對玉米產量和磷素吸收特征的影響研究較少。侯云鵬等[18]研究表明，在常規種植條件下，磷肥用量在90.1～103.0 kg/hm2時可以增加玉米植株對養分的積累，提高玉米營養體營養向籽粒的轉運量，進而實現增產。未來東北地區秸稈全量還田將成為黑土地保護的主體技術措施進行推廣，探討該條件下不同磷肥用量對玉米產量及群體磷素累積與轉運的影響，可為磷肥科學管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在吉林省公主嶺市吉林省農業科學院試驗地 (E124°48′33.8″，N43°30′23″)和公主嶺市朝陽坡鎮 (E124°43′0.9″，N43°35′56″)進行，該地區屬于溫帶大陸性季風氣候，年均降雨量540 mm，年均日照2743 h，年均有效積溫2800℃～3000℃，無霜期130～140天，土壤類型為黑土，中等土壤肥力。兩試驗點均為多年秸稈全量深翻還田地塊，試驗初始土壤基礎理化性質見表1。

表1 試驗初始土壤基礎理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soils

1.2 試驗設計

試驗始于2017年，雙因素設計，主因素為磷肥水平，施磷(P2O5)量分別為0 (P0)、45 (P45)、90(P90)、135 (P135)、180 (P180) kg/hm2，副因素為玉米品種，分別為富民985 (Fumin 985)和翔玉211(Xiangyu 211)，每個處理3次重復，隨機區組排列，小區面積36.4 m2。各處理化肥年均施用量分別為N 240 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，40%的氮肥和全部磷鉀肥以底肥施入，60%的氮肥在玉米拔節期追施。播種密度為6萬株/hm2。

玉米進入完熟期后，采用大型玉米收獲機進行收獲，同時將全部玉米秸稈粉碎(長度<20 cm)，并均勻拋散于田間；采用柵欄式液壓翻轉犁將秸稈耕翻入土(翻耕深度>30 cm)，將秸稈深翻至20—30 cm土層，聯合整地機整地后達到待播狀態，翌年春季采用免耕播種機平播播種。2017—2019年間，試驗區玉米生長季(5—9月)降雨量如圖1所示。

圖1 試驗期間試驗地降雨量Fig. 1 Precipitation in the experimental field during the trial period

1.3 樣品采集與測定

土壤樣品于2017年播種前采集，用土鉆分別采集0—20和20—40 cm土層土壤樣品，剔除動、植物殘體和石塊，風干后過2 mm篩待測。土壤基礎理化指標采用常規分析法測定[19]。于抽雄期和成熟期采集富民985植株樣本，每個小區選取長勢一致的植株5株；抽雄期分為莖和葉兩部分，成熟期分為莖、葉、籽粒和穗軸4部分，于105℃殺青30 min后，于80℃烘干至恒重，稱重并計算地上部干物重；樣品粉碎過篩，采用H2SO4-H2O2消煮，流動分析儀檢測，測定植株磷含量。

成熟期測產，調查穗鮮重和收獲穗數，取標準穗10穗風干脫粒、測含水量，以14%含水量折算玉米籽粒產量。另外選取標準穗10穗進行考種。

1.4 計算方法

花前磷累積比例=抽雄期磷素吸收量/成熟期磷素吸收量[20]

花后磷累積比例=(成熟期磷素吸收量-抽雄期磷素吸收量)/成熟期磷素吸收量[20]

開花期秸稈(莖稈＋葉片)磷素轉運量(kg/hm2)=開花期秸稈磷素積累量-成熟期秸稈磷素積累量[20]

開花期秸稈磷素轉運率(%)=開花期秸稈磷素轉運量/開花期秸稈磷素積累量×100[20]

開花期秸稈磷素轉運對籽粒貢獻率(%)=開花期秸稈磷素轉運量/籽粒磷素積累量×100[20]

1.5 數據處理

使用Excel 2010進行數據處理與圖表制作，SPSS 23進行方差分析與多重比較，Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 玉米產量及其構成因素

如表2所示，地點、年份和磷處理3個因素對產量、收獲穗數、穗粒數和百粒重的影響極顯著，品種對產量、穗粒數和百粒重影響極顯著。由于2017、2018和2019年降雨量等氣候因子以及地點和品種的不同，造成地點、年份與品種的交互作用對產量、收獲穗數、穗粒數和百粒重有極顯著影響。不同地點、不同年份間的交互作用對產量、收獲穗數、穗粒數和百粒重產生顯著影響。P90處理的產量、收獲穗數和百粒重均最高，較P0處理分別增加了14.4%、6.15%和5.78% (P<0.05)。品種Xiangyu 211與Fumin 985相比，收獲穗數相近，但產量、穗粒數和百粒重分別平均增加了9.86%、3.72%和6.69%(P<0.05)。與2017年相比，2018年產量、收獲穗數、穗粒數和百粒重顯著下降，分別下降了10.1%、2.15%、13.0%和4.11%，2019年較2017年產量的下降幅度未達顯著水平，但收獲穗數、穗粒數和百粒重顯著下降。

表2 玉米產量及其構成因素Table 2 Maize yield and yield components

2.2 不同磷肥處理玉米開花前后磷累積特征

磷是實現玉米高產的主要營養元素之一，并且玉米拔節期至開花期是養分吸收的關鍵階段，是影響穗分化質量的重要時期，此時若能夠提高磷素吸收速率，提高花前磷累積比例，對提高玉米產量至關重要。本試驗中花前磷累積比例在26.9%～37.2%，花后磷累積比例在62.8%～73.1%。公主嶺試驗中，磷施用量對花前和花后玉米的磷積累比例沒有顯著影響，但隨著施磷量的增加，花前磷累積比例較P0處理有所增加，增幅為1.1%～59.8%。朝陽坡試驗在2017年施磷量對花前和花后的磷積累比例也沒有顯著影響，2018年施磷顯著提高了花前玉米的磷累積比例，增幅為13.3%～24.5%，P90處理的增幅最大，2019年隨著施磷量的提高花前磷累積比例增加，但只有P90處理花前的增加幅度顯著大于P0，增加了15.5% (圖2)。通過3年、兩個地點的試驗數據可以看出，施磷量的增加可以明顯提高花前的磷累積比例，P90處理的增幅最大。

圖2 不同磷肥用量處理花前花后地上部植株磷累積比例Fig. 2 Phosphorus accumulation ratio in plant shoots before and after anthesis under different P fertilizer rates

2.3 不同磷肥處理條件下成熟期秸稈、籽粒磷素吸收量

玉米籽粒中的磷素主要來源于玉米花前營養器官吸收儲存的磷素的再轉運以及花后磷素的吸收，提高籽粒的磷素吸收量對于玉米產量和品質的提高具有重要的意義。秸稈全量還田帶入土壤的全磷也對秸稈和籽粒的磷素吸收量產生影響，折算后均在P90處理磷還入量最高，公主嶺2017—2019年P90處理的磷還入量分別為11.4、11.5和7.38 kg/hm2，朝陽坡2017—2019年磷還入量分別為11.5、7.59和9.32 kg/hm2。如圖3所示，隨著施磷量的提高，植株的磷素吸收量逐漸升高后降低，在P90處理出現最大值；增施磷肥對玉米秸稈和籽粒磷素吸收量的影響存在差異。隨著施磷量的增加，玉米秸稈磷素吸收量無顯著變化，而籽粒和植株總磷素吸收量呈先上升后下降趨勢。在公主嶺，與P0處理相比，2017年P90和P135處理下籽粒磷素吸收量分別增加了22.3%和14.6%，且差異顯著(P<0.05)；2018年處理間差異不顯著，但P90處理籽粒磷素吸收量有所增加；2019年P90處理籽粒磷素吸收量較其他處理增加9.34%～18.0%。在朝陽坡，與P0處理相比，2017年P90處理秸稈和籽粒磷素吸收量分別增加了14.2%和12.5% (P<0.05)；與P0處理相比，2018和2019年僅P90和P135兩處理籽粒的磷素吸收量顯著增加，P90處理增幅最大，增幅為7.03%～8.38%。結果表明，適宜提高施磷量對于提高籽粒的磷素吸收量影響明顯，P90處理增幅最大。

圖3 不同磷肥用量處理秸稈和籽粒磷素吸收量 (2017—2019年)Fig. 3 Phosphorus absorption of maize straw and grain under different P fertilizer rates from 2017 to 2019

2.4 不同磷肥處理條件下植株磷素轉運特征

公主嶺和朝陽坡兩地2017—2019年(2018年公主嶺除外)，磷素轉運量、轉運率和秸稈對籽粒的貢獻率均在P90處理出現最大值(表3)，提升范圍分別為30.5%～99.7%、11.0%～56.5%和16.4%～78.4%，說明適宜的磷肥用量能夠提升玉米植株對磷素的轉運能力。2017—2019年，公主嶺磷素轉運量、轉運率和秸稈對籽粒貢獻率，隨著年際的變化呈現先降低后升高的趨勢，朝陽坡呈現先升高后降低的趨勢。在秸稈全量還田條件下，隨著年際的變化，玉米植株對磷素的轉運率呈現小幅上升趨勢，磷素轉運量和對籽粒貢獻率呈現先上升后下降的趨勢。

表3 不同磷肥用量處理植株磷素轉運特征Table 3 Phosphorus transport characteristics of plants under different phosphorus fertilizer rates

2.5 不同地點適宜磷肥用量

如圖4所示，兩地的玉米產量隨著施磷量的增加呈拋物線形變化。通過對公主嶺和朝陽坡2017—2019年的玉米產量與施磷量擬合并建立一元二次方程，得到公主嶺最佳經濟施磷量分別為71.5、61.8和88.3 kg/hm2，朝陽坡最佳經濟施磷量分別為77.7、61.3和73.1 kg/hm2。將公主嶺3年兩品種的玉米產量與施磷量擬合并建立一元二次方程，計算得出最高產量條件下對應的施磷量為108.6 kg/hm2，最高產量為12160.9 kg/hm2，若采用最佳經濟施肥量，則在產量基本不降低(最高產量的99%為12039.3 kg/hm2)的情況下，對應的最佳經濟施肥量為77.2 kg/hm2；朝陽坡最高產量條件下對應的施磷量為103.9 kg/hm2，最高產量為12435.1 kg/hm2，最佳經濟施肥量為71.9 kg/hm2，最佳經濟產量為12310.8 kg/hm2；將公主嶺和朝陽坡兩地3年兩品種綜合來看，最高產量條件下的施磷量為106.3 kg/hm2，對應的最高產量為12296.8 kg/hm2，最佳經濟施肥量為74.6 kg/hm2，最佳經濟產量為12173.9 kg/hm2。

圖4 不同試驗點各處理玉米產量Fig. 4 Maize yield of each treatments in different experimental sites

3 討論

磷是玉米生長發育過程中重要的營養元素之一。收獲穗數、穗粒數和百粒重是影響玉米產量的主要因素。研究表明，產量與穗粒數和百粒重的增加呈顯著正相關，增施磷肥后穗粒數和百粒重顯著增加[21-22]。本研究在多年秸稈全量還田背景下，通過3年兩點田間定位試驗研究，結果表明，地點、年份和處理3個因素對產量、收獲穗數、穗粒數和百粒重均有極顯著的影響，這可能與兩地不同的土壤基礎理化性質和年際間的氣候變化有關。

玉米對磷的吸收主要是從土壤中獲得，磷素在玉米植株內移動性大，合理施用磷肥有利于玉米對磷的積累和分配，提高花前的磷累積比例，能促進花后對磷素的吸收，是提高玉米產量的關鍵因素。本研究中，隨著施磷量的提高，花前的磷累積比例提高，呈先上升后下降的趨勢，在P90處理出現最大值，處理間無顯著差異的原因可能與氮和鉀的足量供應有關，氮和鉀也是作物生長發育必需的大量元素[23-24]。合理的磷肥用量有利于延緩葉片的衰老，保持后期較高的光合速率[25]。開花后地上部植株磷累積比例明顯高于花前，可能與開花期后磷素的大量吸收有關。有研究表明，春玉米在開花期后，磷素的吸收量占總吸收量的50%左右[26]。另外，開花后的管理對于玉米磷素吸收至關重要[27]。本研究中開花期后的磷吸收量的比例在62.8%～73.1%，較侯云鵬等[18]的研究結果增加了35.2%～37.8%，可能原因在于，本試驗區秸稈全量深翻還田后增加了土壤磷的有效性。秸稈全量還田可以改善土壤質量，有助于保持土壤肥力[28-29]。本試驗中，秸稈全量還田為土壤帶入了大量磷素，折算后表明P90處理下帶入土壤的磷素明顯高于其他處理，范圍在7.59～11.5 kg/hm2。研究表明，秸稈還田能夠提高土壤有效磷含量，與單施化肥相比，秸稈還田可以活化土壤磷素，提高磷素利用效率[30-31]，而化肥帶入土壤中的磷容易轉化為易被土壤礦物質吸附或被微生物固持的磷酸鹽，從而降低土壤有效磷活性[32]。

玉米籽粒中的磷素來自根系的吸收和營養器官養分的再轉移，其中56.0%～85.8%的養分來自營養器官的轉移[33]。隨著磷素吸收量的增加，秸稈中的磷素吸收量比較穩定，而籽粒的磷素吸收量呈先上升后下降的趨勢，表明適宜的磷肥用量會促進籽粒對磷素的吸收，但過量磷施用可能會抑制玉米籽粒對磷的吸收。玉米籽粒的養分吸收不僅與開花期后的磷素吸收有關，也有一部分取決于營養器官的轉運[33]。研究表明，玉米植株磷素養分轉運的高低是影響作物產量的一個重要因素，且磷肥用量的調控對于植株磷素養分轉運能力的高低也有重要影響[21]。在2018年開花期前干旱少雨的條件下，玉米植株對磷素的轉運量卻高于2017和2019年，這可能是為緩解水分不足對植物生長的不利影響，玉米植株體內的磷更多的轉移到籽粒中[34]。

磷肥的合理供應是玉米高產重要措施之一[35]。本研究表明，在一定的氮、鉀肥基礎上，隨著磷肥供應量的增加，產量呈現先增加后降低的趨勢。通過對玉米產量和施磷量一元二次方程擬合，得到公主嶺地區的最佳經濟施磷量的變幅為61.8～88.3 kg/hm2，朝陽坡最佳經濟施磷量的變幅為61.3～77.7 kg/hm2，兩地綜合來看，最佳經濟施磷量為71.9～77.2 kg/hm2，對應產量水平為12039.3～12310.8 kg/hm2。通過與本地區相似磷量級試驗綜合對比分析，發現在同等產量水平下，本研究中磷肥經濟用量較其他磷量級試驗下降了15.4%～33.5%[18，36-37]，其主要原因是本研究通過多年秸稈全量深翻還田，提升了土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P的活性，提升了作物對土壤磷素的吸收能力，進而提高了玉米產量[38]。此外，本研究中不同磷處理間秸稈還田帶入的全磷量存在一定差異，兩地平均來看，3年間均在P90處理出現磷還入量最高。這表明秸稈還田配施化肥有助于提高植株對氮、磷、鉀的吸收量，提高磷素利用率，從而保證玉米的高產和穩產[39]。

4 結論

在多年秸稈全量深翻還田情況下，春玉米產量和成熟期植株磷素吸收量隨著施磷量的提高呈現先增后降的趨勢，合理的磷肥用量有助于植株對磷素的吸收，提高玉米產量。基于產量和施磷量擬合一元二次方程，計算得到在玉米產量12 t/hm2左右的水平下，最佳經濟施磷量為71.9～77.2 kg/hm2。