高肥力土壤下馬鈴薯磷肥利用及投入閾值研究

摘要：為探究農田磷肥投入閾值，保證馬鈴薯產量的同時減少磷養分進人流域水體的風險，通過田間試驗研究了5種施磷處理（以P2O5計）：0、90、135、180、225 kg·hm-2對馬鈴薯產量、土壤有效磷累積、土壤磷平衡及磷肥利用率的影響。結果表明，施磷能顯著提高馬鈴薯產量，增產幅度為3 5.3%-44.7%。馬鈴薯產量隨施磷量的增加呈先增后減趨勢，其中以施磷180 kg·hm-2處理的馬鈴薯產量最高，為33 020 kg·hm-2。磷肥偏生產力和磷肥農學利用率均隨施磷量的增加呈下降趨勢，而磷肥表觀利用率差異不顯著。0-60 cm土層有效磷含量和累積量均隨施磷量的增加呈增加趨勢；各處理0-40 cm土層有效磷累積量占0-60 cm土層有效磷累積總量的78.6%-88.1%。將磷素盈余與施磷量、馬鈴薯產量、土壤有效磷含量和累積量、磷肥利用效率分別進行擬合，當磷素盈余為o時，施磷量為137.5 kg·hm-2，馬鈴薯產量為32 756 kg·hm-2，0-20、20-40 cm和40-60 cm土層有效磷含量分別為70.5、49.4mg·kg-1和19.7 mg·kg-1，有效磷累積量分別為150.8、161.9 kg·hm-2和64.8 kg·hm-2，磷肥偏生產力為242.1 kg·kg-1，磷肥農學利用率為72.7 kg·kg-1。研究表明，在洱海流域高肥力水平農用地區域，施磷量131-144 kg·hm-2可作為馬鈴薯高產且環境友好的磷肥投入閾值。

關鍵詞：施磷量；馬鈴薯產量；土壤磷盈余；磷閾值

中圖分類號：S532 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）08-1838-08 doi：10.11654/jaes.2024-0071

馬鈴薯因其耐寒、耐旱、耐瘠薄、適應性強等特點，成為目前僅次于水稻、小麥和玉米的世界第四大糧食作物。2022年大理州馬鈴薯種植面積為17 442hm2，總產約400 092 t，不僅是當地農戶的口糧，也是重要的經濟來源。磷作為植物營養“三要素”之一，在作物生長發育與產量形成方面起著至關重要的作用。但磷素在土壤中移動性較差，易被固定，當季磷肥利用率一般只有10% - 25%。盲目過量施用磷肥追求產量的現象普遍存在，并已造成了周邊水體富營養化。因此，合理施用磷肥對保證作物產量和減輕環境風險具有重要的實踐意義。

近年來，由于糧食需求的不斷擴大，農田有機肥和化學肥料的投入大量增加，在許多區域形成高肥力土壤背景。高肥力背景下磷肥的合理施用多基于調節農田土壤磷平衡，通過控制磷肥投入量與作物吸磷量之間的差值可有效減少土壤磷盈余量。目前，關于磷肥施用對馬鈴薯產量和肥料利用率影響的研究已較多，且大部分只注重產量效益，針對洱海流域高肥力土壤下磷肥施用對馬鈴薯磷素吸收、土壤有效磷分布累積以及磷肥利用率的綜合研究鮮有報道。因此，研究磷肥施用量對馬鈴薯栽培中土壤有效磷的運移累積、磷素平衡和磷素利用規律，可以探明磷素在土壤—馬鈴薯體系中的循環過程，得到能兼顧馬鈴薯產量和環境安全的磷肥投入閾值。

洱海流域作為典型的高肥力土壤區域，土地利用強度高，肥料投入量大，養分大量流失引起的水質富營養化已成為流域內農業面源污染的重要問題。在保障作物產量的同時，利用合理的施肥技術控制農業面源污染，減少高肥力土壤區域磷污染尤為重要。因此，本研究以馬鈴薯為對象，探究不同磷肥施用量對馬鈴薯產量、磷肥利用率、土壤有效磷變化及土壤磷素平衡的影響，綜合產量和環境效益確定磷肥高效利用閾值，為高肥力土壤條件下馬鈴薯合理施肥和降低磷素面源污染風險以及促進區域農田土壤磷素資源管理提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

2023年1-5月于云南省大理白族自治州大理市灣橋鎮古生村（25°36＇-25°58＇N，100°06＇-100°18＇E）開展試驗，年均氣溫15.7℃，年平均降雨量1 000mm，年平均日照數2 276.6 h，年平均無霜期230 d。試驗前土壤基本理化性質為：pH 6.13、有機質含量57.3 g·kg-1、堿解氮含量241 mg·kg-1、有效磷含量65.3mg·kg-1、速效鉀含量110.0 mg·kg-1、容重1.07 g·cm-3。

1.2 試驗材料與設計

本試驗小區面積4 m×6 m，設置0（P0）、90（P1）、135（P2）、180（P3）、225（P4） kg·hm-2 5個施磷處理，當地常規磷肥施用量為（以P2O5計）225 kg·hm-2。每個處理3次重復，共15個小區，區組內小區隨機排列。供試作物：滇薯“1418”。供試肥料：尿素（含N 46%），普通過磷酸鈣（含P2O5 16%），農用硫酸鉀（含K2O52%）。各處理氮肥施用量（N）均為180 kg·hm-2，鉀肥施用量（K2O）均為240 kg·hm-2。采用單壟單行覆膜種植，整地后開溝起壟，壟高30 cm，壟寬60 cm，溝距30 cm，每小區7壟。在壟面中央位置開出約15 cm深小溝，按株距15 cm放置種薯，每壟26株。基肥施人種薯兩側，避免種薯和肥料直接接觸，最后翻土覆蓋。供試氮肥2/3作基肥施入，1/3作追肥施入；磷和鉀肥全部以基肥施入。試驗地四周設保護行，各田間管理措施均按照當地常規方式進行。

1.3 樣品采集與測定

分別于馬鈴薯生長的塊莖形成期（2023年3月13日）、塊莖膨大期（2023年4月28日）和成熟期（2023年5月9日）采集植株和土壤樣品。

植株：各試驗小區隨機取4株完整的馬鈴薯植株，按葉、莖、塊莖和根于105℃下殺青30 min，80℃下烘至質量恒定，分別計算全株干質量、各器官干質量。植株粉碎后保存，用于測定植株全磷。植株全磷采用H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法測定。

土壤：按五點法取樣，分別在小區壟面中央位置用土鉆采集0-20、20-40 cm和40-60 cm土壤樣品，相同土層的5鉆土樣混合均勻后裝入封口袋保存，帶回實驗室自然風干。風干土壤樣品過1 mm尼龍篩用于測定有效磷含量。土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定。

產量：在馬鈴薯成熟期，去除采樣行，分別收獲各試驗小區馬鈴薯塊莖并測產。

1.4 計算公式

（1）植株磷素累積量（kg·hm-2）=干物質累積量×植株磷素含量；

（2）植株磷素分配率=各器官磷素累積量／全株磷素累積量×100%；

（3）作物吸磷量（kg·hm-2）=塊莖生物量×塊莖含磷量+葉片生物量×葉片含磷量+莖稈生物量×莖稈含磷量+根生物量×根含磷量；

（4）磷肥偏生產力（PFP，kg·kg-1）=施磷處理作物產量／施磷量；

（5）磷肥農學利用率（AE，kg·kg-1）=（施磷處理作物產量-不施磷處理作物產量）／施磷量；

（6）磷肥表觀利用率（RE）=[（施磷處理作物吸磷量-不施磷處理作物吸磷量）／施磷量]×100%；

（7）土壤表觀磷盈余（kg·hm-2）=磷肥投入量-作物吸磷量；

（8）土壤有效磷累積量（kg·hm-2）=土層厚度×土壤容重X土壤有效磷含量×0.1；

（9）磷肥投入閾值（kg·hm-2）：

通過線性模型模擬磷素盈余和施磷量之間的關系，以磷素盈余為0時施磷量的95%得出最佳施磷范圍：

y=a+ bx

式中：x和y分別為施磷量和土壤磷素盈余，kg·hm-2；a和b為模型參數。

通過二次曲線模型模擬施磷量和產量之間的關系，曲線的最高點即為磷肥施用閾值：

y=ax2+bx+c

式中：x和y分別為施磷量和產量，kg·hm-2;a、b和c為模型參數。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel 2019結合SPSS 27.0統計軟件進行處理，統計完成后用Origin 2021軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同施磷處理對馬鈴薯產量和磷肥利用率的影響

施磷量對馬鈴薯產量及磷肥利用率均有顯著影響（表1）。與不施磷處理（P0）相比，各施磷處理馬鈴薯產量的增產幅度為35.3%-44.7%，具有顯著性差異。其中以P3處理增產效果最佳，增產10 208 kg·hm-2。磷肥偏生產力和磷肥農學利用率均隨施磷量的增加而顯著降低。與低磷處理（P1）相比，中高磷處理（P2、P3、P4）的磷肥偏生產力和磷肥農學利用率降幅分別為29.7%-61.0%，19.5%-63.8%。各施磷處理馬鈴薯磷肥表觀利用率差異不顯著，P1處理下最大。

通過二次曲線模型模擬施磷量和產量之間的關系（R2=0.984 0**，圖1）。依據該方程可知，施磷量（以P2O5計）為151 kg·hm-2時，擬合產量最高為32 780 kg·hnl-2。

2.2 不同施磷處理對植株各器官磷素累積和分配的影響

成熟期馬鈴薯塊莖磷素累積和分配達到最高值（表2）。磷素主要累積在葉和塊莖，分別占比10.7%-25 .6%和70.0% -86.4%。P4處理葉磷素累積量最高，相較PO顯著增加81.3%；P3處理塊莖磷素累積量最高，相較PO顯著增加24.3%，但施磷處理間差異不顯著。同時P2處理馬鈴薯塊莖磷素分配率最高，為86.4%，在該施磷量下馬鈴薯吸收的磷素更多地轉移到塊莖中。綜上，P2O5 135 kg·hm-2處理能優化磷素在馬鈴薯各器官中的比例，增加塊莖磷素累積量，促進馬鈴薯對磷素的吸收。

2.3 不同施磷處理對各土層有效磷分布及累積的影響

0-60 cm土層有效磷含量隨施磷量的增加呈持續增加的變化趨勢（圖2）。馬鈴薯塊莖形成期各施磷處理土壤有效磷含量均高于不施磷處理（P0），P4處理20-40 cm土層有效磷含量相較P3、P2、P1和P0分別顯著增加3 0.5%、35.6%、50.9%和51.7%。塊莖膨大期各施磷處理土壤有效磷含量相較塊莖形成期均有所增加，但40-60 cm土層有效磷含量差異不顯著。成熟期P3和P4處理20-40 cm土層有效磷含量顯著高于其他處理，相較P2分別顯著增加36.6%、50.6%。過量施用磷肥導致表層土壤中的有效磷大量向下層遷移。

0-60 cm土層有效磷累積量隨施磷量的增加呈持續增加的變化趨勢（表3）。由于土壤膠體對磷的吸附作用，施磷處理中有效磷大量累積在表層土壤（0-20 cm）；P4處理土壤有效磷累積量最高，相較P1和PO分別顯著增加15.3%和21.3%，與P2、P3差異不顯著。在20-40 cm土層，與P2處理相比，P3和P4處理土壤有效磷累積量分別顯著增加36.5%和50.4%；P3和P4處理間差異不顯著。40-60 cm土層有效磷累積量大小表現為P4＞P3＞P2＞P1＞P0。過量施用磷肥導致有效磷在土壤中大量累積，且0-40 cm土層占0-60 cm土層有效磷累積總量的比例范圍為78.6%-88.1%。

2.4 不同施磷處理對土壤磷素盈余的影響

磷肥的施用和作物的磷吸收分別是土壤磷投入和磷支出的主要來源（表4）。施磷處理作物吸磷量與不施磷處理（PO）相比，增幅為12.6%-25.3%。P0和P1處理磷素表現為虧缺狀態，虧缺總量分別為118.5、43.4 kg·hm-2，P2處理磷素收支基本保持平衡，而P3和P4處理磷素表現為盈余狀態，盈余總量分別為36.5、76.5 kg·hm-2。土壤磷素盈余量隨施磷量的增加而顯著增加，適量施用磷肥能促進馬鈴薯對磷的吸收并有效降低土壤磷素盈余。

2.5 磷素盈余與施磷量、產量、土壤有效磷和磷肥利用效率的關系

由磷素盈余與施磷量、產量、土壤有效磷和磷肥利用效率的回歸分析結果可知（圖3），磷素盈余與施磷量呈極顯著線性關系（R2=0.999 6**）；與馬鈴薯產量呈極顯著二次關系（R2=0.987 3**）；與0-60 cm土層有效磷含量和累積量均呈顯著線性關系（0-20 cm，R2=0.909 7*：20-40 cm， R2=0.883 3*：40-60 cm，R2=0.842 6*）；與磷肥偏生產力呈極顯著二次關系（R2=0.998 9**）；與磷肥農學利用率呈極顯著二次關系（R2=0.998 1**）。當磷素盈余為o時，磷肥用量為137.5kg·hm-2，馬鈴薯產量為32 756 kg·hm-2，0-60 cm土層有效磷含量分別為70.5、49.4 mg·kg-1和19.7 mg·kg-1，0-60 cm土層有效磷累積量分別為150.8、161.9 kg·hm-2和64.8 kg·hm-2，磷肥偏生產力為242.1 kg·kg-1，磷肥農學利用率為72.7 kg·kg-1。以磷素盈余為0時施磷量的95％作為置信區間，得到最佳施磷閾值為131-144 kg·hm-2。此施磷閾值相比當地常規磷肥施用量（225 kg·hm-2），能夠減少磷肥投入36.0%-41.8%，同時增產8.5% -9.0%，提高磷肥偏生產力72.9%-89.5%，提高磷肥農學利用率117.0%- 131.8%。

3 討論

3.1 施磷量對馬鈴薯產量及磷肥吸收利用的影響

馬鈴薯的生長發育和產量形成都離不開對磷養分的吸收與轉運，但過低或過高的施磷量均對馬鈴薯增產效應不明顯。在本研究中，馬鈴薯產量隨施磷量的增加呈先增后減趨勢，以P2O5 180 kg·hm-2處理最高，超過此值時馬鈴薯產量降低。說明適度施用磷肥對馬鈴薯產量具有較好的促進效果，過量施用磷肥并不能實現馬鈴薯高產，而不能被馬鈴薯吸收利用的磷素通過各種損失途徑進入環境，造成環境污染。施磷量在一定范圍內（P2O5 90-180 kg·hm-2）增加時，塊莖吸磷量增加，超過此值時塊莖吸磷量降低。說明高施磷量使植株體生長過盛，吸收的磷素沒有高效轉移到塊莖中，造成對磷素的奢侈吸收。可見，適度施用磷肥有助于養分向塊莖運轉。馬鈴薯磷肥偏生產力和磷肥農學利用率隨施磷量的增加呈現不同程度的降低。磷肥利用率不僅與施磷量、磷肥品種有關，還受到氣候條件、土壤條件以及施肥措施等因素的影響。

3.2 土壤有效磷與磷素盈余的相關關系

植物磷營養的主要來源是土壤有效磷，其變化受土壤磷素盈余狀況的影響。楊振興等研究發現，褐土磷素每盈余100 kg·hm-2，有效磷含量增加4.3 mg·kg-1。張麗等研究顯示，黑土磷素每盈余100 kg·hm-2，有效磷含量增加5.28 mg·kg-1。本試驗條件下，土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，有效磷含量增加6.4 mg·kg-1。說明受土壤環境中諸多因素影響，土壤有效磷含量與磷素盈余之間的相關關系具有區域特異性。張經緯等認為當磷素的供應超過土壤吸附能力時會發生磷的淋溶并對周邊環境產生危害，即各地區土壤環境存在特定的土壤有效磷容納閾值，所以限制土壤有效磷的變化在容納閾值內將不會對周圍水體產生富營養化威脅。在本研究中，0-40 cm土層有效磷累積量占有效磷累積總量的比例在7 8.6%-88.1%之間，當施磷量超過135 kg·hm-2時，20-40 cm土層有效磷累積量開始急劇增加，土壤磷素每盈余100 kg．hm-2，土壤有效磷累積量增加79.6kg·hm-2，在降雨和灌溉水作用下，極易向深層土壤淋溶，增大環境污染風險。

3.3 馬鈴薯磷肥投入閾值的確定

施用磷肥可以提高土壤磷肥力，但盲目過量施用會導致磷的面源污染。因此，合理的磷肥施用量應根據作物產量與土壤供磷能力進行選擇，同時還要綜合考慮施磷帶來的環境污染風險。蘇麗珍等以磷肥農學效應為基礎確定西南低磷紅壤區玉米磷肥投入閾值為97.04 kg·hm-2，但未必能維持農田磷素處于收支平衡狀態。在本研究中，實現馬鈴薯理論最高產量與維持土壤磷素平衡的施磷量之間的產量和環境效益無顯著差異，因此以磷素盈余為0時施磷量的95%作為置信區間，得到最佳施磷閾值為131-144kg·hm-2。此施磷閾值既能保證馬鈴薯產量又能維持土壤磷素平衡，可避免過量施磷造成的資源浪費和環境污染。

4 結論

（1）施磷量為151 kg·hm-2時馬鈴薯產量最高，達32 780 kg·hm-2，施磷量為135 kg·hm-2時馬鈴薯各器官磷素累積和分配效果最佳，且產量沒有顯著降低，表明適量減施磷肥能增加馬鈴薯磷吸收和土壤磷資源的利用；磷肥偏生產力和磷肥農學利用率均隨施磷量的增加呈現顯著下降趨勢。

（2）各處理土層有效磷含量基本呈現隨施磷量的增加而增加的趨勢；0-60 cm土層有效磷增量與土壤磷素盈余呈顯著正相關關系，過量投入的磷肥在土壤中富集且主要集中于0-40 cm土層。

（3）在洱海流域高肥力土壤條件下，綜合產量及環境安全的馬鈴薯磷肥投入閾值為131-144 kg·hm-2。該施磷量下，能夠在維持土壤磷素收支平衡的同時獲得較高的馬鈴薯產量和磷肥利用率。

（責任編輯：葉飛）

基金項目：云南省科技重大專項（202202AE090034）；洱海流域農業綠色發展研究院項目（202304BQ040005）；云南省張福鎖院士工作站項目（202305AF150055）