低磷紅壤的玉米磷肥農學效應與農學閾值

蘇麗珍，張連婭，王思睿，曹卉敏，肖靖秀，鄭毅，2，湯利*

（1.云南農業大學資源與環境學院，昆明 650201；2.云南開放大學，昆明 650599）

磷是植物三大必需營養元素之一，是作物產量和農業生產力的保障。但磷肥在土壤中容易被固定，當季利用率只有5%～25%。紅壤的低pH和高能量吸附表面如鋁氧化物和氫氧化物，使其固磷能力遠高于北方石灰性土壤。紅壤磷肥利用率低，磷殘留量高，且磷肥施用量大，農戶間差異大，因而如何在保障作物產量的同時，減少紅壤磷固定，實現磷肥減施增效，從而減少環境風險已成為旱地紅壤的重要研究方向。

土壤磷肥農學閾值對合理施肥具有重要的指導意義。土壤表觀預算是通過記錄土壤中總的養分輸入量和總的養分輸出量來計算土壤養分的平衡量。農田土壤中磷的表觀平衡，主要是由農田中施用磷肥與作物磷攜出量的差別所導致的，通過有效的磷管理方式可減少土壤磷盈余量。利用磷肥農學閾值來控制田間磷肥投入量在平原地區的潮土水稻田、巢湖流域麥稻輪作系統中已有相關研究，然而，有關南方旱地紅壤上玉米的磷肥閾值研究還較鮮見。

玉米是世界上最重要的糧食、飼料和燃料作物之一，在糧食安全和國家社會經濟發展中發揮著重要作用。西南地區玉米普遍存在磷肥施用量高、磷肥利用率低等問題。在旱地紅壤上有關施磷對根際有效磷及磷吸收的影響、對玉米根系形態的影響已有研究報道，但是對低磷紅壤農學效應的影響還缺少研究。因此，在土壤磷利用程度低和磷資源日趨減少的情況下，提高肥料磷和累積態磷的利用效率是實現作物增產、磷肥減施增效、環境友好的重要途徑。本研究以玉米為研究對象，針對西南旱地紅壤，研究不同磷肥施用量對玉米產量、生物量及磷肥農學效應的影響，并建立旱地紅壤磷肥高效利用的農學閾值，為保護農田生態環境、促進磷肥減施增效提供理論依據和技術基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

田間定位試驗分別于2017—2019年的5—10月在云南省昆明市官渡區小哨村旱地紅壤試驗基地（102°41'～103°03'E、24°54'～25°13'N）進行。該地海拔2 098 m，年平均氣溫15℃，年均日照2 200 h左右，無霜期240 d以上，年降水量1 035 mm。試驗地為典型山原紅壤，2017年新墾為田間定位試驗，供試土壤起始基本理化性狀為pH 4.53、有機質含量4.49 g·kg、堿解氮含量24.0 mg·kg、速效磷含量4.02 mg·kg、速效鉀含量125.0 mg·kg。

1.2 試驗材料

供試玉米為當地主栽品種“云瑞88”，試驗用氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為普通過磷酸鈣（含PO16%），鉀肥為硫酸鉀（含KO 52%）。

1.3 試驗設計

小區試驗采用隨機區組設計，設置4個不同磷肥用量處理，分別施磷肥（以PO計）0、60、90 kg·hm和120 kg·hm（分 別 記 作P0、P60、P90和P120），當地常規磷肥用量為PO120 kg·hm。每個處理3次重復，共12個小區。

小區面積為26 m（6.5 m×4 m），行距均為50 cm，每小區12行，每行15株，玉米株距25 cm，距邊25 cm。各處理氮、鉀肥施用量均為當地常規施肥量，分別為氮肥（N）250 kg·hm、鉀肥（KO）75 kg·hm。供試磷肥（普通過磷酸鈣）、鉀肥（硫酸鉀）均作基肥一次施入，氮肥（尿素）分3次施用，即基肥40%、小喇叭口期25%、大喇叭口期35%。所有試驗小區玉米生育期保持澆水、除草等措施一致。

1.4 樣品采集與測定

樣品采集：于玉米成熟期取樣，每小區隨機選取5株長勢相同的植株，分別取植株莖、葉、籽粒3部分，采用抖土法收集玉米根際土。

生物量測定：植株于烘箱中105℃殺青30 min，80℃恒溫烘干至質量恒定，分別測定干物質量。

產量測定：在成熟期后，去除采樣區，選取6行產區玉米對每個小區進行測產。

植株磷養分測定：將烘干后的植株粉碎，參照《土壤農化分析》采用鉬黃比色法測定玉米莖、葉、籽粒中的全磷含量。

土壤有效磷測定：參照《土壤農化分析》，采用0.5 mol·LNaHCO-鉬蘭比色法測定。

1.5 參數計算

（1）產量可持續性指數

式中：為產量可持續性指數；為每個處理的平均產量，kg·hm；表示每個處理產量的標準差，kg·hm；表示所有處理中的最大產量，kg·hm。

（2）磷肥農學效率

式中：為磷肥農學效率，kg·kg；為施磷區作物經濟產量，kg·hm；為不施磷區作物經濟產量，kg·hm；為磷肥投入量，kg·hm。

（3）磷肥表觀利用率

式中：為磷肥表觀利用率，%；、分別為施磷區與不施磷區作物磷養分累積量，kg·hm；為磷肥施用量，kg·hm。

（4）磷肥偏生產力

式中：為磷肥偏生產力，kg·kg；為施用磷肥作物的產量，kg·hm；為磷肥施用量，kg·hm。

（5）土壤表觀磷平衡

式中：Δ為土壤表觀磷平衡量，kg·hm；為施入土壤中的總磷量，kg·hm；為被作物吸收攜出的總磷量，kg·hm。

（6）磷肥施用閾值

利用土壤磷肥施用量與作物產量，通過線性-平臺模型模擬得出磷肥施用臨界值：

式中：為平臺預測產量，kg·hm；為土壤磷肥施用量，kg·hm；為預測的磷肥施用臨界值，kg·hm；為平臺預測的相對最高產量，kg·hm。

1.6 數據分析

采用Excel 2016軟件對數據進行處理、繪圖。采用Origin 2021繪圖，SPSS 20.0軟件對所得數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 低磷紅壤玉米產量效應

2.1.1 低磷紅壤玉米經濟產量效應

從連續3 a的玉米籽粒產量來看（圖1），施磷使玉米顯著增產，玉米籽粒產量隨著施磷量的增加而顯著增加。由圖中箱型可知，3 a玉米籽粒產量在P0和P120處理下比較穩定，在P90處理下產量值差異較大。由均值可知，P120處理玉米籽粒產量最高，與P90差異不顯著。對于不施磷的P0處理，P60、P90和P120處理分別顯著增加玉米籽粒產量121.91%、199.91%和210.48%。

圖1 不同施磷水平紅壤玉米籽粒產量Figure 1 Grain yield of maize in red soil with different P application levels

由表1可知，2017年紅壤玉米產量可持續指數隨著施磷量的增加呈上升趨勢；2018、2019年產量可持續指數隨著施磷量的增加先增加后下降，在P90處理下最高。3 a平均玉米產量可持續指數亦呈現隨著施磷量增加而增加的趨勢。相比于種植的第一年（2017年），種植3 a后（2019年）各施磷處理的玉米產量可持續指數均有所提高。

表1 不同施磷水平紅壤玉米產量可持續指數Table 1 Sustainable index of maize yield in red soil with different P application levels

2.1.2低磷紅壤玉米生物量效應

由3 a的玉米秸稈生物量可以看出，施用磷肥顯著增加了玉米秸稈生物量，且P60、P90和P120處理間玉米秸稈生物量無顯著差異（圖2）。相比于P0處理，P60、P90和P120處理玉米秸稈生物量分別顯著增加145.77%、174.33%和139.03%。由圖中均值點可以看出，在P90處理下玉米秸稈生物量最高。

圖2 不同施磷水平紅壤玉米秸稈生物量Figure 2 Biomass of maize straw in red soil with different P application levels

2.2 低磷紅壤玉米磷肥利用效率

2.2.1 低磷紅壤玉米磷肥農學效率

磷肥農學效率通常是指投入每千克PO所增加的經濟產量，是施肥增產效應的綜合體現。由表2可以看出，在P60、P90、P120處理下，玉米磷肥平均農學效率隨著施磷量的增加呈現先增加后降低的趨勢，且在3個施磷處理間無顯著差異。2017年P120處理比P60、P90處理磷肥農學效率增加了10.87%和22.85%。2018年P90處理比P60、P1200處理磷肥農學效率增加了4.88%和63.21%。2019年P90處理比P60、P120處理磷肥農學效率增加了37.78%和47.99%。

2.2.2 低磷紅壤玉米磷肥表觀利用率

磷肥表觀利用率表征施入土壤中的磷肥當季被作物吸收利用的程度。由表2可知，施磷量的增加降低了玉米磷肥表觀利用率。2017、2018、2019年的數據均表明，在P60處理下，玉米磷肥表觀利用率最高，磷肥的增加降低了玉米當季磷肥表觀利用率。2018年玉米磷肥當季表觀利用率在3個處理間無顯著差異。

2.2.3 低磷紅壤玉米磷肥偏生產力

磷肥偏生產力是反映當地土壤基礎養分水平和磷肥施用量綜合效益的重要指標。依表2可知，2017、2018年間，玉米磷肥偏生產力均在P60水平下最高。綜合3 a結果來看，玉米磷肥偏生產力呈現隨施磷量的增加而減少的趨勢。

表2 不同施磷水平玉米磷肥利用效應Table 2 Phosphorus utilization effect of maize with different phosphorus levels

2.3 低磷紅壤玉米有效磷含量

由圖3可知，施磷量對低磷紅壤玉米根際土壤有效磷含量影響顯著，施用磷肥提高了玉米根際土壤有效磷含量，連續3 a施用磷肥的玉米，土壤有效磷平均值隨著施磷水平的增加而顯著增加。與P0處理相比，P60、P90和P120處理3 a平均分別顯著提高玉米根際土壤有效磷含量163.00%、252.01%和313.44%。

圖3 不同施磷水平紅壤玉米根際土壤有效磷含量Figure 3 Available P content in maize rhizosphere soil of red soil with different P application levels

2.4 低磷紅壤玉米表觀磷平衡

土壤表觀磷平衡可衡量農田土壤磷素輸入、輸出狀況，為合理施肥和農田土壤健康發展提供參考。隨著施磷量的增加，土壤表觀磷平衡量逐漸增加。利用土壤表觀磷平衡量與土壤磷肥施用量建立一元一次方程，設施磷量為，表觀磷平衡量為，得出的相關方程式見圖4。

圖4 紅壤玉米表觀磷平衡量與施磷量的關系Figure 4 Relationship between apparent P equilibrium and P application rate of maize in red soil

由線性方程得出，當土壤表觀磷平衡量Δ=0時，2017—2019年玉米磷肥施用量分別為23.00、19.89 kg·hm和20.58 kg·hm。故在土壤速效磷含量極低的旱地紅壤上玉米磷素持平時的磷肥施用量為19.89～23.00 kg·hm。

2.5 低磷紅壤玉米磷肥農學閾值

利用土壤磷肥施用量與作物產量，通過線性-平臺模型模擬得出非線性關系，擬合方程見圖5。選擇的數據為該試驗地點2017、2018、2019年各處理的磷肥施用量與玉米籽粒產量。

圖5 玉米產量對磷肥施用量的響應Figure 5 Response of maize yield to P fertilizer application rate

通過擬合方程計算得出，該試驗地點玉米磷肥施用量的臨界值為97.04 kg·hm，此時能達到平臺最大產量3 278 kg·hm。當玉米磷肥施用量低于該閾值時，玉米籽粒產量隨著施肥量的增加而顯著增加，當磷肥施用量高于該磷肥閾值時，玉米增產效果不明顯。

3 討論

3 a定位試驗結果顯示，相較于不施磷處理，施磷60、90、120 kg·hm使玉米籽粒產量分別提高了121.91%、199.91%和210.48%（圖1）；使玉米秸稈生物量分別增加了145.77%、174.33%和139.03%（圖2）。在土壤有效磷背景值極低的旱地酸性土壤上（速效磷含量4.02 mg·kg，pH 4.53），長期不施磷肥處理的玉米籽粒產量及秸稈生物量均呈現下降趨勢，而施用磷肥后玉米籽粒產量及玉米秸稈生物量逐年上升。吉慶凱等的研究表明，長期（7 a）定位施磷能顯著提高作物產量。

施用磷肥可提高作物產量，但過量磷肥卻不能被作物充分利用，從而造成磷素資源浪費及土壤磷素累積。本研究中，3 a定位試驗下，低磷紅壤玉米磷肥農學效率隨著施磷量的增加先增加后下降，但3個處理的平均值間無顯著差異；低磷紅壤玉米磷肥表觀利用率、磷肥偏生產力均隨著施磷量的增加而降低，在P60處理下最高，P120處理顯著低于P60和P90處理（表2）。一般情況下，磷肥當季利用率僅有10%～25%。顏曉軍等的2 a玉米田間磷肥梯度定位試驗結果表明，磷素生理效率、回收利用率、農學效率和偏生產力均隨著磷肥施用量的增加而明顯下降。張磊等通過2 a田間定位試驗，研究不同磷肥用量對東北黑土區玉米籽粒產量、磷肥利用效率的影響，結果表明，施磷顯著提高了東北黑土區玉米產量，玉米磷素吸收利用率和農學利用率隨施磷量的增加先增加后降低，磷肥偏生產力隨施磷量增加呈現降低的趨勢。郝中明等的研究結果也表明春玉米磷肥利用率、磷肥偏生產力、磷肥農學效率、磷素吸收效率均隨施磷量的增加而降低。

施入土壤中的磷肥可以增加土壤磷庫，維持土壤磷素平衡及作物的營養需求。長期不施磷肥的土壤中磷素含量明顯下降，施用磷肥或合理的耕作方式對土壤磷素含量下降有一定的延緩作用。研究表明，長期施用磷肥有利于土壤有效磷的累積。本研究結果表明，連續3 a不施磷肥，玉米土壤有效磷含量較種植前降低，施用磷肥顯著增加玉米土壤有效磷含量。合理施用磷肥除了要考慮作物產出效應、經濟效應和磷肥利用效應等指標之外，還應考慮環境效應，另外施肥后農田磷素平衡也應作為施肥量的參考指標。本研究結果顯示，土壤處于磷素平衡狀態時的施磷量為19.89～23.00 kg·hm，當施磷量低于這個閾值時，土壤處于虧損狀態，當施磷量超過這個閾值時，土壤處于盈余狀態。在第一年種植中，土壤磷平衡的施磷量為23.00 kg·hm，經過3 a的定位施磷試驗，土壤磷平衡的施磷量下降至20.58 kg·hm，這表明隨著施磷年限的增加，磷素累積在土壤中的量逐漸增加，長期施磷將會對土壤造成負擔，給環境帶來影響。王淑英等的研究結果表明，黃土旱塬地區黑壚土磷肥年平均投入量達22.9 kg·hm時，土壤磷呈平衡狀態。

玉米產量農學閾值研究結果顯示，玉米施磷量臨界值為97.04 kg·hm，此時能達到籽粒最大產量。當磷肥施用量增加到一定程度時，玉米增產效果不再明顯。連彩云等的研究結果表明，干旱綠洲灌區大白菜在磷肥投入量為112.52 kg·hm時達到最大產量。本研究中，相比于當地常規施磷量（P120），P90處理即能達到最優產量，此施磷量相比當地常規施磷量減少33.33%，但玉米生物量、產量與當地常規處理無顯著差異。因此在南方低磷酸性旱地紅壤上，在維持玉米產量情況下，研究磷肥農學效應及農學閾值，可以為優化西南酸性紅壤區玉米磷肥管理措施，降低環境風險提供依據。

4 結論

（1）在西南酸性土壤地區，施磷可以滿足作物生長需求，保證作物產量穩定，促進作物對磷肥的吸收利用，提高磷肥農學效應。長期過量的磷投入會降低土壤磷平衡閾值，造成環境危害。在原始磷含量極低的旱地紅壤區，為滿足作物產量，磷肥施用閾值為97.04 kg·hm。

（2）在本試驗土壤背景下，施磷90 kg·hm為減磷增效的綠色發展模式。但不同土壤類型、不同土壤磷素水平下磷素農學效應及農學閾值尚需進一步研究，以便更全面、更客觀地研究紅壤磷肥農學效應及農學閾值。