不同磷肥用量对玉米产量及磷素流失的影响

江 帆 ，张玉平 ，李安乡 ，曾新保 ，陈历儒 ，陈红日

（1.湖南农业大学 资源环境学院，湖南长沙410128；2.岳阳市农业综合检验检测中心，湖南岳阳414000）

中国是人口众多的农业大国，农业生产过程中过量的化肥与农药投入、畜禽粪便不合理排放等，不仅给农业系统造成了破坏，环境也受到了极大的影响[1]。中国面源污染严重，造成这种局面的重要原因之一是氮、磷的过量施用，使水体污染十分严峻。从造成污染的原因出发，减少排放量，是一个十分有效且重要的方法[2]。有研究表明[3]，农田地表径流是引起湖泊、河流水体发生富营养化的重要来源，其贡献率分别达50%和60%[4]，因此，控制和减少农田地表流失是防控农业面源污染的重要途径之一。

磷肥的过量施用会导致作物减产，适当减施磷肥能够使作物增产或者稳产，这样既提升了经济效益，又减少了化肥对环境的污染。从生育期来看，全磷在土壤中的含量表现为较为平缓的水平，这个现象说明，在目前的施肥水平下土壤中的磷素基本能够满足玉米的生长发育，并且使得土壤中的磷素含量保持在一定水平[4]。作物所能吸收肥料养分的比率则为肥料利用率[5]，肥料利用率是十分有效的评估指标，在对植物进行合理施肥方案评估时具有关键作用[6]。深入研究养分投入产出平衡状况和肥料利用率，对于明确施肥对土壤环境质量、施肥效益和土壤持续供肥能力，具有重要的意义。各种研究试验表明[7]，磷肥减量是提高肥料养分利用效率的一种方式。有研究认为水稻吸磷量与磷肥施入量呈多元相关，且水稻移栽期、拔节期、拔节齐穗期、齐穗成熟期的需磷量占总施磷量的14.5%～19.3%，25.3%～29.0%，47.8%～52.1%和0.7%～8.2%[8]。龚蓉和刘强[9]通过玉米减磷施用试验发现，磷肥减量施用后玉米的磷肥利用率提高，减量30%后的磷肥利用率显著高于其他处理1.61个百分点以上。彭佩钦等[2]对洞庭湖区红壤坡地玉米进行减氮控磷试验，结果表明，减少一定量的磷肥投入有利于提高磷肥利用率，且玉米不会减产。段刚强等[10]找到了提高磷肥利用率的调控措施，对节约磷肥使用成本和玉米增产有重要意义。段然等[11]、尹丽辉[12]也做了相关研究，其结果都表明减量施用磷肥，其利用率要高于常规施肥，且磷肥利用率与施肥量之间呈负相关关系。

近年来，随着国家对农业和农村生态环境的高度重视，研究作物合理化减量施肥已成为学术界关注的热点。本研究针对中南丘陵地区农业面源污染产生的特点，以防控养分流失为目的，以源头减量与控制为途径，采用玉米－小白菜轮作模式，利用2013年建立并开始试验的田间小区进行长期定位试验，研究探讨过磷酸钙分别减量10%，20%和30%对南方旱地地表流失与淋溶、玉米产量与肥料利用等的影响，为旱地玉米合理施肥，降低施肥对周围水体的环境影响提供重要依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2013年开始，布置于湖南省浏阳市湖南农业大学教学试验基地，地处湖南省浏阳市沿溪镇，属亚热带季风性湿润气候，全年的降水量集中在6—9月，年均降水量约为1 552.3 mm，年均气温为17.3℃。试验地土壤基本理化性状为：pH值 5.69，有机质 11.30 g·kg-1，全氮、全磷、全钾分别为 1.56，0.48，14.48 g·kg-1，碱解氮、速效磷、速效钾分别为 59.67，12.23 和 152.24 mg·kg-1。

1.2 试验材料

供试玉米品种：掖单13号。供试土壤：河流冲积物发育的河潮土。供试肥料品种为：尿素（N 46%），钙镁磷肥（P2O512%），过磷酸钙（P2O512%），氯化钾（K2O 60%）。

1.3 试验方法

采用田间小区长期定位试验，此研究为试验的第4年。试验设如下处理：T1，不施磷肥；T2，过磷酸钙常量施肥；T3，过磷酸钙减磷10%；T4，过磷酸钙减磷20%；T5，过磷酸钙减磷30%。重复3次，随机区组排列，具体施肥量见表1。5个处理氮磷钾肥施肥量一致，为 N 240 kg·hm-2，K2O 150 kg·hm-2；常量磷肥为P2O5120 kg·hm-2。其中氮肥分基肥、苗肥、穗肥分 3 次施入，比例为 3∶3∶4，将磷肥全部作基肥，钾肥按1∶1的比例分基肥穗肥2次施入，采用常规田间管理。

表1 各处理施肥量方案 （kg·hm-2）

1.4 试验径流池建设及样品采集

试验小区面积为20 m2，长5 m，宽4 m。每个小区一侧分别修筑灌水沟，宽30 cm，深30 cm，其顶部与水泥田埂持平，灌水沟相连，并通到田块总进水口；每个小区用水泥田埂隔开，小区田埂高出地面30 cm，下深70 cm。在小区另一侧修筑地表径流收集池，收集池内壁长2 m，宽0.5 m，深1 m，池壁墙宽度为30 cm，底层设置一个出口并安装排放阀，径流收集池加PVC盖板。径流收集池连通排水沟，方便每次取样后径流池排水，排水沟深110 cm，排水沟相连，并通到田块总排水口。每次降雨结束并产生径流液后，测量各个径流池内水深度，并计算径流水体积；每个径流池用干净塑料瓶取充分混匀的水样500 mL，立即带回实验室分析。取样结束后，打开径流池阀门，将径流池内的径流水排干并清洗干净，盖好盖板，以备下次降雨用。

1.5 测定方法

总磷（totalphosphorus，TP）：取部分径流液用过硫酸钾消解-钼锑抗比色法测定[13]；可溶性总磷（total dissolvedphosphorus，TDP）：取部分径流液过0.45 μm滤膜，收集滤液用过硫酸钾消解-钼锑抗比色法测定[13]；颗粒态磷（particle phosphorus，PP）=总磷-可溶性磷。

1.6 数据计算与处理

磷径流量=径流液体积×径流液中磷浓度，磷肥利用率＝施磷肥区与不施磷肥区地上部磷素积累量之差占施磷量的百分比，所有试验数据采用Microsoft Excel 2003进行整理和作图，不同处理间差异采取DPS v7.05版软件进行单因素方差分析，LSD法进行显著性检验（P＜0.05），所有结果数据均以平均值的形式表达。

2 结果与分析

2.1 磷肥减量对径流量的损失影响

试验期间共发生过6次有效径流事件。各处理径流总量如图1所示：T1，2 250.00 L、T2，1 976.67L、T3，2 185.00 L、T4，2 295.00 L、T5，1 724.00 L，与未施磷肥的处理相比，过磷酸钙常量施用径流量降低了273.33 L，减磷10%降低了65 L，减磷20%增加了45 L，减磷30%减少了526 L，与过磷酸钙常量施用相比，过磷酸钙减量施用的磷素径流量明显下降，由此表明，磷素影响地表作物生长才影响到径流量。各减磷处理中减磷10%与减磷30%降低了径流量损失，而减磷20%则增加了径流量的损失，方差分析表明：过磷酸钙常量处理与不施磷肥处理之间不显著，与减磷10%、减磷20%之间差异显著，减磷10%处理与减磷20%处理之间的差异不显著，而减磷10%、减磷20%与减磷30%差异显著，由此可知，过磷酸钙的施用对径流量有影响，以减磷30%的效果最佳。

图1 不同施磷处理径流总量情况

2.2 磷肥减量径流对总磷损失的影响

如图2示，T1～T5处理径流TP损失负荷分别为 0.29，1.14，0.72，0.78，0.69 kg·hm-2，T2～T5 磷损失率分别为0.95%，0.67%，0.81%，0.82%。与未施磷肥的处理比较，过磷酸钙常量施用的磷损失总量增加了 0.85 kg·hm-2，减磷10%、20%和 30%的磷损失量分别增加了 0.43，0.52，0.4 kg·hm-2，与常量过磷酸钙施用相比，过磷酸钙减磷10%，20%和30%的磷素损失量分别降低了36.84%，31.58%和39.47%，方差分析表明：过磷酸钙常量施用与不施磷肥差异显著，与减磷各处理间相比，差异也显著。减磷10%处理与减磷20%处理之间差异不显著，但减磷10%、减磷20%与减磷30%差异显著。

图2 不同施磷处理总磷径流损失情况

2.3 磷肥减量对渗漏总磷损失的影响

如图3所示，试验期间T1～T5处理渗漏TP损失负荷分别为 0.021 6，0.091 5，0.079 2，0.069 1，0.052 4 kg·hm-2，T2～T5 磷损失率分别为 0.076%，0.073%，0.072%和0.062%。与不施磷肥相比，常量过磷酸钙常量施用处理的磷损失总量增加了0.069 9 kg·hm-2，减磷 10%、减磷 20%、减磷 30%分别增加了 0.057 6，0.047 5，0.030 8 kg·hm-2，与过磷酸钙常量施用处理相比，减磷10%（T4）、减磷 20%（T5）、减磷 30%（T6）分别减少了 13.44%，24.48%，42.73%，且随着施肥量的减少，渗漏总磷损失也相应减少。减磷各处理间相比，减磷30%的损失量最小，减磷20%次之，减磷10%最大。方差分析表明：过磷酸钙常量施用与不施磷肥处理之间差异显著，与减磷10%、减磷20%、减磷30%之间差异显著，减磷各处理间差异显著，减磷施用在一定程度上减少了作物生育期间径流的磷损失量。其过磷酸钙常量施用总磷损失最大，随着磷肥的减量施用，磷素的损失逐渐减少，磷肥减量化施用在一定程度上降低了径流液中的磷流失量。减磷30%是除T1处理外径流总磷流失量最少的，能最大限度地减少旱地径流总磷流失量，表明减少磷肥施用量是减少磷流失量的重要措施之一。

图3 不同施磷处理总磷渗漏损失情况

2.4 磷肥减量对可溶性磷与颗粒态磷的影响

2013—2015年研究结果都表明：减量施用磷肥能够提高可溶性磷与颗粒态磷的含量，减量施用磷肥能够降低可溶性磷的流失量，证实了本研究的真实性。

如图4所示，T1，0.044kg·hm-2、T2，0.105kg·hm-2、T3，0.171kg·hm-2、T4，0.184kg·hm-2、T5，0.163 kg·hm-2。由此可知，与不施磷肥相比，过磷酸钙常量施用可溶性流失量增加了0.061 kg·hm-2，减磷各处理分别增加了 0.127，0.140 和 0.119 kg·hm-2，与过磷酸钙常量施肥相比，减磷10%～30%的可溶性磷含量的流失量较大，分别增加了62.9%，75.2%和55.2%，减磷各处理之间，减磷30%损失量最少，减磷10%次之，减磷20%最大，径流磷的流失主要以颗粒态磷为主要流失形态，占总磷的68%～78%，而可溶性磷则少于32%。与不施磷肥处理处理相比，施用磷肥增加了径流可溶性磷的流失量，减磷处理显著增加了径流可溶性磷的流失量，与过磷酸钙施用相比，磷肥减量使用可以减少径流可溶性磷的流失量。方差分析表明：过磷酸钙常量施用与不施磷肥处理之间差异显著，与减磷10%、减磷20%、减磷30%之间差异显著，减磷各处理间差异显著。

图4 可溶性磷径流损失情况

就颗粒态磷而言，如图5所示：不同磷肥处理的颗粒态磷的含量分别为 T1，0.246 kg·hm-2、T2，1.036 kg·hm-2、T3，0.550 kg·hm-2、T4，0.559 kg·hm-2、T5，0.524kg·hm-2。与不施磷肥处理相比，其他各处理均降低了径流颗粒态磷的流失量，过磷酸钙常量处理增加了0.79 kg·hm-2、减磷各处理分别增加了 0.304，0.313 和 0.278 kg·hm-2，且随着磷肥减量的增加，流失量有减少的趋势。与常规施肥相比，减磷各处理分别减少了0.486，0.447和0.512 kg·hm-2，减磷各处理间，减磷30%处理显著降低了径流颗粒态磷的流失量，减磷10%次之，减磷20%最大。方差分析表明：过磷酸钙常量施用与不施磷肥处理之间差异显著，与减磷各处理间相比差异也显著，而减磷各处理间差异不显著，与过磷酸钙常量施用处理相比，减磷处理显著提高了磷肥利用率。

图5 颗粒态磷径流损失情况

2.5 磷肥减量对玉米籽粒产量的影响

如图6所示，T1～T5处理玉米籽粒产量分别为5.980，11.11，10.990，10.45 和 9.63 kg·hm-2，与不施磷肥处理相比，过磷酸钙常量施用增产了5.13 kg·hm-2，减磷各处理分别增产了5.01，4.48和3.65 kg·hm-2，与过磷酸钙常量施肥处理相比，减量施肥各处理玉米籽粒产量均有所下降，其中减磷10%处理减产 0.12 kg·hm-2，减磷 20%处理增产0.66 kg·hm-2，减磷30%增产1.48 kg·hm-2。减磷各处理间减磷30%减产最低，其次是减磷20%，减磷10%最高。方差分析表明：过磷酸钾常量施用与减磷10%、减磷20%差异不显著，而与减磷30%之间差异显著。这说明可以在维持玉米的产量同时在一定程度减少磷肥施用量。

图6 不同施磷处理下玉米籽粒产量状况

2.6 磷肥减量对磷肥利用率的影响

磷对玉米的生长有着至关重要的作用，其施用量也对产量有着重要的影响，并且玉米对磷素的缺失表现十分明显，对土壤中的磷素含量也有一定的影响[14]。磷肥利用率是磷肥施用效果的衡量标准[15]。本试验T1～T5各处理的地上部磷素累积量分别为 2.20，9.62，9.09，8.96 和 8.50 kg·hm-2。由图7可知：磷肥减量施用后，各处理玉米的磷肥利用率均有所提高。各处理的肥料利用率分别为9.85%，10.45%，11.63%和 12.74%。方差分析表明：过磷酸常量施用与减磷10%之间不显著，减磷20%与减磷30%之间差异也不显著，但减磷30%的肥料利用率显著高于其他各处理。试验结果表明，在一定程度上减磷可提高磷肥利用率。

图7 不同磷肥处理的磷肥利用率的分析

3 结论与讨论

磷在土壤中的移动以扩散为主。由于磷易被土壤固定，其移动性很差，移动距离通常在3～5 cm[16]，因此，常常造成植物吸收困难，同时也成了影响玉米生长和产量提高的限制因子，所以施用磷肥对玉米磷吸收和利用效率的影响规律可以较好地指导玉米生产中科学高效地施用磷。磷在植物中对各个器官中的积累与分配有着重要作用，且在植物体内其移动性强[17]。王生录[18]认为增施磷肥对提高土壤速效磷具有重要作用，谢林花等[19]认为长期单施化肥可增加土壤全磷、无机磷和速效磷含量。合理的磷肥投入量不仅是产量的保证，也是保护环境与提高经济效益的举措。

研究表明，磷肥的减量施用对地表径流而言是一个动态而缓慢的过程[20]，施入土壤中的磷素易被吸附，影响植物体内磷素流失的因子可能是耕作、施肥方式等[21]，从本研究结果看，颗粒态磷的径流损失中，过磷酸钙常量施用与不施磷肥处理之间差异显著，与减磷10%，减磷20%，减磷30%之间差异显著，减磷各处理间差异显著。可见，肥料减量施用对于保护环境、提高产量而言是一种双赢的较优处理方案。

本研究中采用的减磷施用方法对径流水中总磷流失的控制有显著的影响，与李恩尧等[22]在洞庭湖区红壤旱坡地中的试验结果较一致。从流失特征分析，研究表明土壤中的磷素以径流的方式流失，进入到水体之中，致使水体富营养化，水体环境污染[23]。然而，由于施肥方式和耕作管理措施不当，很大一部分的氮素和磷素通过地表径流和地下渗漏过程流失。不仅造成了的浪费，更成为了水源污染、水体富营养化、水质恶化的主要原因。要解决这个问题就必须了解氮磷养分流失特征，王静等[24]研究表明：径流流失是磷素流失最主要的形态。可以通过在地表径流磷素迁移过程中增加能够有效削减磷素的景观单元来控制磷素流失，如在丘陵地区大面积修建水塘或在农田边修建较宽的植被缓冲带等方法[25]。比较不同生态区玉米的施磷反应与磷肥利用效率发现，其增产效果、农学利用率和肥料贡献率总体上相对较高。随着土壤有效磷含量的递增，磷肥利用率呈持续下降趋势，当土壤有效磷含量达到37 mg·kg-1以上时，夏玉米磷肥利用率降到5%以下，施用磷肥的增产作用已经非常微弱。

造成旱地土壤磷养分径流流失的因素很多，如降水量、降水时机等气象因素，土体质地、容重、有机质含量、养分含量等土壤因素，坡度、地下水等地理水文因素和施肥量、施肥方法、灌溉、轮作制度等田间管理因素。多数研究认为，农田土壤磷径流流失的主要形态是颗粒态磷。研究结果表明：不同施肥处理间的作物产量具有明显的差异性，且随着磷肥施用量的增大，磷肥利用率及农学利用效率呈先增加后降低的趋势。总体来说，一定程度的减磷施用，不仅可以降低地表磷素损失，提高磷肥利用率，同时还可以维持玉米高产。