云南中、低供磷能力土壤玉米最佳施磷量研究

李海葉，黃少欣，朱東宇，王瑞雪，湯 利，鄭 毅,2，肖靖秀*

（1 云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南昆明 650201；2 云南開放大學，云南昆明 650223）

磷是作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素之一[1–2]，在植物生理代謝、能量轉(zhuǎn)化和調(diào)節(jié)酶活性等方面扮演著重要作用[3–5]，是限制農(nóng)田生產(chǎn)力的重要因子[6]。磷肥施用盲目現(xiàn)象在我國較為普遍[7]，由此導致的農(nóng)田土壤磷素盈余及相關(guān)環(huán)境風險問題一直是人們關(guān)注的重點[8–10]。磷是不可再生資源，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷肥的合理施用及分配是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，也是近年來研究的熱點。磷在土壤中移動性較小、極易被固定，所以我國大部分農(nóng)田土壤已經(jīng)成為潛在磷庫[11]。與1980年相比，2006年我國農(nóng)田土壤有效磷(Olsen-P)含量提高了3倍[12]。因此，在有效磷含量較高的黑土區(qū)[13]，研究已經(jīng)證實了玉米磷肥減施的潛力。但是，在土壤有效磷含量中等的赤紅壤分布區(qū)也證實了節(jié)磷潛力[8]。

前人圍繞肥料磷的周轉(zhuǎn)和土壤磷的遷移及轉(zhuǎn)化開展了大量研究，為肥料磷的合理施用和分配奠定了理論基礎(chǔ)[14–15]?；诋a(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學效率[16]、養(yǎng)分專家系統(tǒng)[17]、磷肥恒量監(jiān)控[18]、土壤有效磷含量水平[19]等，已經(jīng)建立了不同區(qū)域主要作物體系的土壤磷豐缺指標及磷肥推薦用量[20]。但由于我國土壤類型多樣、土壤磷含量變異較大[21]，不同生態(tài)區(qū)磷肥推薦用量差異較大。吳良泉等[18]將我國玉米主產(chǎn)區(qū)分為4個大區(qū)和12個施肥亞區(qū)，各生態(tài)區(qū)平均推薦施磷量75 kg/hm2，其中華北區(qū)最低為 46 kg/hm2，西北區(qū)最高為123 kg/hm2。顯然，針對區(qū)域土壤磷庫現(xiàn)狀，建立適宜的區(qū)域磷肥施用指標體系十分必要。

玉米是云南種植面積最大、產(chǎn)量最高的糧食作物。前人根據(jù)不同磷肥施用水平下的玉米產(chǎn)量反應(yīng)，建立了云南省土壤磷的豐缺指標[22–24]。但云南海拔差異及土壤有效磷空間變異較大，因此，本研究在充分考慮土壤供磷水平的前提下，基于田間定位試驗，分析不同供磷水平下玉米的產(chǎn)量特征、磷素吸收累積分配特征及磷肥利用率，明確供磷能力中等和低下的土壤條件下，云南玉米是否具有磷肥減施潛力；同時，基于玉米產(chǎn)量對磷肥施用的反應(yīng)，建立最佳磷肥用量推薦方法。研究可為云南玉米磷肥的合理施用及實現(xiàn)資源節(jié)約、環(huán)境保護、節(jié)本增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本研究基于兩個田間試驗來完成。

田間試驗1：土壤供磷能力中等(Olsen-P 為15 mg/kg)，試驗地位于云南農(nóng)業(yè)大學尋甸大河橋試驗基地 (23°32′ N，103°13′E，海拔 1953.5 m)，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，地處昆明市東北部。年平均氣溫約14.7℃，平均降雨量為1040 mm。田間試驗于2017年5月建立，供試土壤為熟化程度較高的紅壤，在本試驗開展前長期種植玉米，且整體經(jīng)過了填土改造。供試土壤基礎(chǔ)理化性狀如表1所示，本研究使用2017―2019年3年的田間試驗結(jié)果。

田間試驗2：土壤供磷能力低(Olsen-P 為4.5 mg/kg)，試驗地位于昆明市官渡區(qū)小哨村云南農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 (E102°41′～103°03′，N24°54′～25°13′，海拔 2098 m)，屬北熱帶季風性氣候，年平均氣溫約14℃，平均降雨量為1200 mm。田間定位試驗開始于2017年5月，試驗前未種植農(nóng)作物，供試土壤為新開墾的山地紅壤，供試土壤基礎(chǔ)理化性狀如表1所示，本研究使用2017―2019年田間試驗結(jié)果。兩個試驗點能較好的代表云南山地種植玉米的土壤狀況。

表1 供試土壤理化性狀Table 1 Physico-chemical properties of test soils

1.2 試驗設(shè)計

供試材料：尋甸、小哨兩個試驗點種植的玉米品種均為‘云瑞-88號’。

試驗設(shè)計：田間試驗均采用隨機區(qū)組設(shè)計。在中等供磷能力土壤（田間試驗1）上，設(shè)施P2O50、45、90、135 和 270 kg/hm25 個水平，3 次重復，共15 個試驗小區(qū)，小區(qū)面積為 24 m2(6 m×4 m)。在低供磷能力土壤上（田間試驗2），設(shè)施P2O50、60、90和120 kg/hm24個水平。3次重復，共12個試驗小區(qū)。小區(qū)面積均為 26 m2(6.5 m×4 m)。玉米均采用穴播，行距 50 cm，株距 25 cm。

兩個試驗點氮肥施用量均為250 kg/hm2，鉀肥施用量均為75 kg/hm2，氮肥和鉀肥用量為當?shù)氐耐扑]施用量。

供試肥料：過磷酸鈣(含P2O514%)、尿素(含N 46%)、硫酸鉀 (含 K2O 50%) (兩個試驗點供試肥料品種均相同)。氮肥40%作為基肥，并在小喇叭口期、大喇叭口期分別追施25%、35%。磷肥以及鉀肥均全部作為基肥，以條施的方式施入。

玉米于每年5月1—7日播種，每年9月20―30日收獲。試驗過程中施肥、播種都是采用人工完成。玉米小喇叭口期之前每周灌溉一次，大喇叭口期之后田間灌溉方式主要為降雨。

1.3 樣品采集與測定

田間試驗1、2均在2017、2018和2019年對玉米成熟期籽粒產(chǎn)量進行了測定。2018和2019年在玉米的關(guān)鍵生育期苗期、小喇叭口期、大喇叭口期、吐絲期、成熟期進行植株樣品的采集，將玉米的莖、葉、籽粒等器官分開，于105℃殺青0.5 h，70℃烘干至恒重，稱量其干重，測定各器官磷含量。產(chǎn)量采用稱重法測定；植株各器官磷含量采用H2SO4?H2O2進行消煮―釩鉬黃比色法進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)計算

玉米磷素吸收累積量(kg/hm2)=玉米植株地上部生物量×植株地上部磷含量(%)

磷素分配率(%)=植株器官磷含量/成熟期植株地上部磷含量×100

磷肥利用率(%)=(施磷區(qū)作物吸磷總量–不施磷區(qū)作物吸磷總量)/施磷量(kg/hm2)×100

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行處理，采用SPSS 20.0軟件進行方差分析，用 Excel 2010軟件作圖。采用最小顯著差異法(Duncan)檢驗各處理的差異顯著性(P= 0.05)，圖和表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤，采用SPSS 20.0軟件對產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行線性加平臺處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷水平處理玉米的產(chǎn)量特征

3年的田間試驗結(jié)果(圖1)顯示，供磷能力中等的土壤條件(尋甸試驗點)下，隨著施磷量的增加，玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，以P90處理玉米產(chǎn)量最高，2017、2018、2019年分別比P0分別增產(chǎn)42%、21%、30%。2017年，P90處理的玉米產(chǎn)量顯著高于P45處理，但與P135和P270處理沒有顯著差異。2018、2019年P(guān)90處理的玉米產(chǎn)量與P45和P135處理沒有顯著差異，但顯著高于P270處理。表明施磷水平超過P90不會進一步提高玉米產(chǎn)量，甚至會降低玉米產(chǎn)量。

圖1 2017―2019年中、低磷土壤施用不同水平磷的玉米產(chǎn)量Fig.1 Maize yield under different P rates in middle and low P soil from 2017–2019

在供磷能力低下的土壤上(小哨試驗點)，與P0處理相比，施磷顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量。第一年(2017年)，玉米產(chǎn)量隨施磷量的增加而顯著提高，2018和2019年，P90處理的玉米產(chǎn)量依然顯著高于P60處理，而P120處理則顯著低于P90處理。表明在低磷土壤上，磷水平也不宜超過P90處理。

2.2 不同磷水平處理玉米的磷素吸收累積特征

在土壤供磷能力中等的尋甸試驗點(表2)，玉米的磷素吸收累積量從苗期到大喇叭口期均以P90處理顯著高于其他處理，P135處理在苗期與小喇叭口期顯著高于P0和P45處理，P270在苗期顯著高于P45處理。抽雄期，不同磷水平下玉米磷素吸收累積量與P0無顯著差異，收獲期，P45、P90、P135處理間玉米磷素吸收累積也無差異，但P270處理的磷素累積吸收量較這3個處理顯著降低。

在供磷能力低下的小哨試驗點，玉米全生育期磷素吸收累積量整體表現(xiàn)為P90>P120>P60>P0 (表2)。同樣的，當施磷量>90 kg/hm2時，玉米磷素吸收量顯著降低。

表2 不同磷水平處理玉米全生育期磷的吸收累積量Table 2 Total P uptake by maize during the whole growing season under different P rates

2.3 不同磷水平處理玉米的磷素分配特征

由2018和2019年兩個試驗地玉米收獲期的磷吸收量和分配比例(表3)可以看出，在供磷能力中等的尋甸試驗點，P45和 P90水平處理最有利于磷素在籽粒中的累積和分配。當施磷量>90 kg/hm2時并不能提高籽粒磷的累積量，也不利于磷素向籽粒中轉(zhuǎn)移。在供磷能力低的小哨試驗點，施磷處理都提高了磷素在各個器官的累積量，P90水平處理下，磷素在各器官中的累積量達最大值。P60和P90處理降低磷素在葉片中的分配，提高磷素在莖稈和籽粒中的分配。

表3 不同施磷水平玉米各器官中磷的累積分配Table 3 Uptake and allocation rate in each part of maize under different P application rates

2.4 不同磷水平下玉米的磷肥利用率

從圖2可以看出，在供磷能力中等的尋甸試驗點，隨著磷肥施用量的提高，磷肥利用率顯著降低，整體表現(xiàn)為P45>P90>P135>P270。P45條件下磷肥利用率超過80%，P270條件下，磷肥利用率則低于10%，較P45和P90水平下分別平均降低93%和89%。

圖2 不同磷水平處理玉米的磷肥利用率Fig.2 Maize P use efficiency under different P rates

在小哨試驗點，雖然年際間有差異，但P90水平下，磷肥利用率最高分別為84% (2018年)和42%(2019年)；P120水平下磷肥利用率最低，尤其2019年，P120下磷肥利用率僅11%。

2.5 基于產(chǎn)量最佳的肥料用量推薦

采用線性加平臺模型，對兩個試驗點不同供磷水平下玉米的籽粒產(chǎn)量進行擬合(圖3)。由其結(jié)果可以看出，兩個試驗點模擬的可信度均達到極顯著水平(P<0.001)。一般認為，首次達到平臺的值即為最佳值。在尋甸試驗點玉米產(chǎn)量首次達到平臺的磷肥施用量為65.5 kg/hm2，在小哨試驗點則為93.7 kg/hm2。

圖3 不同磷水平處理玉米產(chǎn)量的線性加平臺分析Fig.3 Linear-plateau analysis for maize yield responses to P rates

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在供磷能力中等和較低的紅壤上，施磷可以提高玉米的磷素吸收和累積，但當施磷量>90 kg/hm2時，不會進一步增加玉米的磷素吸收累積。在供磷能力中等的土壤上，磷水平在P 45～135 kg/hm2處理間，玉米產(chǎn)量無顯著差異，磷水平在P 45～135 kg/hm2處理間，玉米抽雄期至收獲期磷素吸收累積量多無顯著差異，因此，磷肥利用率隨磷施用量的增加急劇降低。玉米籽粒中約56.0%～85.8%的磷素來自于營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)移[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，在供磷能力低的小哨試驗點，施磷處理都提高了磷素在各個器官的累積量，P90水平處理下，磷素在各器官中的累積量達最大值。P60和P90處理降低磷素在葉片中的分配，提高磷素在莖稈和籽粒中的分配，促進更多的磷素分配在籽粒中，但是當施磷量>90 kg/hm2時也不能進一步提高籽粒磷的累積量。按照當?shù)氐挠衩资┝淄扑]水平90 kg/hm2，在供磷中、低等土壤條件下，減施30% (P60處理)至50%(P45處理)的磷肥不會降低玉米產(chǎn)量，且能顯著提高磷肥利用率。本研究還發(fā)現(xiàn)，在供磷能力較低的小哨試驗點，玉米基礎(chǔ)地力產(chǎn)量水平顯著低于西南地區(qū)平均水平(4.4 t/hm2)[26]，而提高土壤基礎(chǔ)地力是提升玉米的產(chǎn)量，維持產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的基礎(chǔ)。所以，在兼顧作物產(chǎn)量的同時，在供磷能力較低的云南山地玉米種植區(qū)，培肥地力水平仍然是十分必要的。此外，在供磷能力中等的條件下，過量施磷(P270)玉米磷素吸收累積量顯著降低，產(chǎn)量也有降低的趨勢，這與前人研究結(jié)果[27–28]一致。

過量施磷必然伴隨著土壤磷盈余，帶來潛在的環(huán)境風險。拒估測，農(nóng)田土壤每盈余P 100 kg，表層土壤有效磷含量提高 1.44～5.74 mg/kg[29]。因此，后續(xù)應(yīng)依托本田間定位試驗重點關(guān)注過量施磷后磷的周轉(zhuǎn)及潛在環(huán)境風險問題。

一般認為，磷肥減施潛力主要在有效磷含量豐富的土壤上[13]。本研究則證實了在有效磷含量中等甚至偏低的紅壤區(qū)，仍然具有磷肥減施的潛力。依據(jù)線性加平臺模型對供試土壤條件下的最佳施磷量進行模擬計算，有效磷中等水平的土壤上，最佳施磷量為65.5 kg/hm2，而有效磷低等水平土壤的最佳施磷量為93.7 kg/hm2，低磷供應(yīng)能力的土壤需要的施磷水平高于中等供磷能力的土壤。從兩地的玉米產(chǎn)量、吸磷量來看，3年的試驗結(jié)果沒有太大的波動，這可能是由于紅壤的固磷能力較強[30]，因此，制定適宜的施磷量對于中、低供磷能力的土壤實現(xiàn)高產(chǎn)高效，同時減少高磷對環(huán)境的風險是十分必要的。

4 結(jié)論

與當?shù)氐耐扑]施磷量P2O590 kg/hm2相比，在供磷能力中等紅壤上，玉米減施20%～30%的磷肥不會降低玉米產(chǎn)量，適宜的施磷量為 P2O566 kg/hm2；供磷能力較低的土壤不宜于進一步降低磷肥的用量，基于玉米產(chǎn)量對磷肥施用的響應(yīng)，玉米推薦磷肥施用量為 P2O594 kg/hm2。