磷肥用量对甜玉米磷素吸收利用的影响

颜晓军 叶德练 苏 达 李 芳 郑朝元 吴良泉,*1 福建农林大学资源与环境学院, 福建福州 5000; 福建农林大学国际镁营养研究所, 福建福州 5000; 福建农林大学农学院,福建福州 5000

甜玉米是我国重要的特色经济作物, 又称为水果(蔬菜)玉米[1]。近年来, 由于市场需求大, 经济效益显著[2-3],我国甜玉米种植面积逐年增加, 目前已超过4×105hm2[4]。同时发展甜玉米产业也是响应国家调减普通玉米、适当扩增鲜食玉米种植面积的号召, 对我国种植业供给侧改革具有重要意义。

磷素是作物的必需营养元素, 参与植物生长和细胞代谢[5]、光合磷酸化、三羧酸循环等生理过程[6], 合理的磷肥运筹对作物产量的提高至关重要[7]。有研究认为磷肥施入红壤中容易被固定、沉淀, 导致速效磷浓度较低, 生产上往往施用大量的磷肥来保障作物高产[8]。但是磷肥过量施用不仅导致土壤磷素累积、磷肥当季利用率降低[9]、环境负荷加大等问题[10], 还无益于提高产量, 甚至导致减产[11-12]。明确磷素在作物体内的吸收转运规律是实现磷肥合理施用的关键。前人研究表明普通玉米植株磷素累积随着生育期推进而增加, 在鲜食期达到峰值后趋于平缓[13]。生殖发育阶段, 56.0%～85.8%的磷素依赖于营养器官的转运[14]。而且磷素的吸收和转运对不同种植区域和基因型等的响应存在差异[15-18]。考虑到甜玉米和普通玉米在生育期、品种特性和环境响应的敏感度等方面差异较大,因此明确甜玉米磷素的吸收利用特性对优化甜玉米磷肥管理显得尤为重要, 但是关于甜玉米磷素吸收利用特征响应不同磷肥供应的研究尚少见报道。

本研究通过连续2年磷肥梯度定位试验, 比较不同磷肥供应水平对甜玉米鲜穗产量、磷素累积与分配和磷肥利用效率的影响, 明确甜玉米植株磷素累积动态及转运规律, 以期为甜玉米磷肥合理施用及高产高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

试验于福建省漳州市诏安县桥东镇内凤村正禾农场进行(117.22°E, 23.72°N)。该种植区域属亚热带季风气候,温暖多雨、光热充足, 季节间降雨量差异较大。甜玉米生育期月均温及月降水量见图1。试验地土壤类型为赤沙土,含有机质8.28 g kg–1、碱解氮12.67 mg kg–1、全氮0.60 g kg–1、速效磷7.10 mg kg–1、全磷0.16 g kg–1、速效钾40.17 mg kg–1, pH 5.90。

1.2 试验设计

本试验采用完全随机区组设计, 设置5 个磷肥(P2O5)水平, 分别为P0 (0 kg hm–2)、P1 (37.5 kg hm–2)、P2 (75 kg hm–2)、P3 (150 kg hm–2)和P4 (300 kg hm–2), 每个处理3次重复, 小区面积为75 m2。磷肥于移栽前(移栽前1 d)一次性穴施, 并与土壤混合搅拌均匀; 氮肥(N)用量为200 kg hm–2, 分3 次施用, 基肥、拔节期追肥和吐丝期追肥比例为3 ∶4 ∶3 ;钾肥(K2O)用量120 kg hm–2, 分2 次施用,基肥、吐丝期追肥比例为1 ∶1。肥料种类为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)、硫酸钾(K2O 53%)。供试甜玉米品种为先甜5 号, 种植密度为52,500 株 hm–2。甜玉米用穴盘播种育苗后移栽, 全生育期均按当地高产田间管理方式进行。甜玉米分别于2018 年3 月28 日播种, 2018 年6月13 日收获; 2019 年3 月28 日播种, 2019 年6 月29 日收获。

1.3 样品采集及测

甜玉米拔节期于每个小区中取长势一致的代表性植株12 株; 吐丝期于每个小区中取长势一致的代表性植株6 株, 植株按茎、叶(含叶鞘)、雄穗分别取样, 各器官样品分别混合成混合样; 鲜食期于每个小区中取长势一致植株4 株, 植株按茎、叶(含叶鞘)、苞叶、籽粒、穗轴、雄穗分别取样, 各器官样品分别混合成混合样。样品于105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重后称其干重, 各器官磷浓度采用钒钼黄比色法测定[19]。甜玉米鲜食期(吐丝后25 d 左右)每小区中间3 行, 连续各收10 株穗数, 共30 株,将其带苞叶鲜穗称重, 折算出各处理每公顷鲜穗产量。

1.4 数据分析及相关计算

植株磷素累积量(kg hm–2) = 生物量×磷浓度[20]

1 kg 磷素生产鲜穗量(kg kg–1) = 鲜食期鲜穗产量/植株地上部磷素累积量[21]

磷素收获指数(%) = 穗部磷素累积量/植株地上部磷素累积量×100[20]

磷素生理效率(kg kg–1) = 鲜食期生物量/植株地上部磷素累积量[22]

磷肥农学效率(kg kg–1) = (施磷区甜玉米鲜穗产量−不施磷区甜玉米鲜穗产量)/磷肥供应量[23]

磷肥利用率(%) = (施磷区植株地上部磷素累积量−不施磷区植株地上部磷素累积量)/磷肥供应量×100[23]

磷肥偏生产力(kg kg–1) = 施磷区甜玉米鲜穗产量/磷肥供应量[24]

营养器官磷素转运量(kg hm–2) = 吐丝期营养器官磷素累积量−鲜食期营养器官磷素累积量[20]

磷素转运对穗部的贡献率(%) = 营养器官磷素转运量/鲜食期穗部磷素累积量×100[21]

磷素转运效率(%) = 营养器官磷素转运量/吐丝期营养器官磷素累积量×100[20]

花后磷素同化量(kg hm–2) = 鲜食期穗部磷素累积量−营养器官磷素转运量[21]

采用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理, 用SPSS 23.0 软件进行数据统计和方差分析, 不同处理间数据的多重比较采用 Duncan’s 新复极差法检验(P<0.05); 利用Microsoft Excel 2010、SigmaPlot 12.5 软件作图。

2 结果与分析

2.1 磷肥供应对甜玉米鲜穗产量的影响

2018 年和2019 年, 磷肥供应均显著提高甜玉米鲜穗产量。施磷处理(P1～P4)较不施磷处理(P0)分别增产132.5%～162.8%、42.8%～50.7%; 但是不同施磷处理(P1～P4)之间的产量差异不显著(图2)。可见37.5 kg hm–2磷肥供应量即可达到甜玉米最优产量。

2.2 磷肥供应对甜玉米生物量和磷素累积动态的影响

磷肥供应显著提高拔节期、吐丝期和鲜食期的甜玉米植株生物量。2018 年鲜食期施磷处理(P1～P4)较不施磷处理(P0) 提 高 35.35%～38.93%, 2019 年 鲜 食 期 提 高40.82%～60.20% (表1)。

表1 不同磷肥供应量下甜玉米各主要生育期植株生物量累积Table 1 Dry matter mass of major growth stages under different P rates in sweet corn

在拔节期、吐丝期和鲜食期甜玉米磷素累积上, 施磷处理显著提高甜玉米植株磷素累积量, 其中2018 年甜玉米植株磷素累积量施磷处理较不施磷处理分别提高108.75%～222.67%、96.23%～124.93%和148.83%～215.86%;2019 年甜玉米植株磷素累积量施磷处理较不施磷处理分别提高64.47%～123.68%、85.27%～200.45%和105.81%～172.73% (图3)。

2.3 磷肥供应对甜玉米鲜食期磷素累积分配影响

磷肥供应可以显著提高2018 年和2019 年鲜食期甜玉米茎、叶(含叶鞘)、苞叶、穗轴和籽粒的生物量(2019 年茎除外), 但是施磷处理(P1～P4)之间的各器官生物量差异不显著(表2)。磷肥供应后甜玉米鲜食期各器官磷浓度较不施磷处理(P0)均有所上升, 其中2018 年甜玉米施磷处理下的茎磷浓度较不施磷处理提高 125.00%～375.00%,2019 年提高200.00%～320.00%; 2018 年甜玉米施磷处理下的苞叶的磷浓度较不施磷处理提高120.00%～360.00%,2019 年提高128.57%～228.57% (表3)。此外, 磷肥供应显著增加甜玉米籽粒磷浓度, 但是施磷处理之间差异不显著。磷肥供应对甜玉米鲜食期植株磷素累积和分配有显著影响, 不同处理间各器官磷素累积量分配比例大致表现为籽粒 > 叶(含叶鞘) > 茎 > 穗轴 > 苞叶 > 雄穗(图4)。2年间甜玉米的籽粒磷素累积分别占植株累积的42.08%和42.09%, 这主要是因为籽粒中磷浓度较高; 而且施磷显著增加籽粒磷累积量, 但是施磷处理之间差异不大。

2.4 磷肥供应对甜玉米磷素转运的影响

2018年甜玉米对鲜穗磷素的贡献率表现为: 花后磷同化>叶(含叶鞘)转运>茎转运>雄穗转运, 各处理平均值分别为61.54%、33.98%、2.83%和1.65% (表4)。磷肥供应可以增加花后磷同化对鲜穗磷素的贡献率, 在P4处理达到最高(80.98%); 但是叶(含叶鞘)、雄穗磷转运对鲜穗磷素的贡献率则随着磷肥供应量的增加而降低。2019年甜玉米各处理对鲜穗磷素的贡献率最大, 也是花后磷同化(表4), 花后磷同化对鲜穗磷素的贡献率在P0 处理最低(74.53%), P1处理达到最高(93.05%)。

表2 不同磷肥供应量下甜玉米鲜食期各器官生物量Table 2 Biomass of various organs at fresh ear stage under different P (P2O5) rates in sweet corn

2.5 磷肥供应对甜玉米磷素利用效率的影响

磷肥供应量对1 kg磷素生产鲜穗量、磷素生理效率有显著性影响, 随着磷肥供应量的增加而显著降低, 不施磷处理(P0)与施磷处理(P1～P4)之间的磷素生理效率有存在显著差异, 而施磷处理之间并无显著性差异。2018—2019两年甜玉米磷素收获指数分别在P1 和P0 处理达到最高,分别为57.93%和67.63%, 磷素收获指数在处理间存在显著性差异。磷肥农学效率、回收利用率和偏生产力均随着磷肥供应量增加而明显下降, 其中2018 年甜玉米的磷肥利用率从P1 处理74.24%下降到P4 处理13.56%, 2019 年甜玉米的磷肥利用率从P1 处理61.11%下降到P4 处理12.47%, 两季趋势基本一致(表5)。

表3 不同磷肥供应量下甜玉米鲜食期各器官磷浓度Table 3 P (P2O5) concentration of various organs at fresh ear stage under different P rates in sweet corn

3 讨论

磷肥的合理供应是调控作物生长发育与产量形成的重要措施[25]。江帆等[26]研究表明玉米产量随着磷肥供应量增加而显著增加, 但超过一定范围(140 kg hm–2) 也会导致玉米减产[27]。在北方普通玉米主产区上磷肥(P2O5)平均推荐量为84 kg hm–2[15], 而华南区甜玉米种植中磷肥(P2O5)推荐量高达105 kg hm–2[28]。但本研究结果表明磷肥供应量(P2O5)于37.5 kg hm–2后甜玉米产量即不再显著增加, 甜玉米在达高产目标的条件下磷肥需求量远低于前人研究结果。这可能是以往研究中磷肥多进行撒施, 而本研究磷肥是近距离集中施用(穴施)。磷肥穴施可增加磷素与甜玉米根系的接触, 促进根系吸收磷肥, 同时减少磷肥被土壤固定沉淀风险[29], 从而提高磷肥的利用效率。此外, 本研究土壤类型为赤红壤中的赤砂土土属, 沙质土壤对磷素吸附能力较弱, 磷肥不易被土壤吸附, 可以更好地转化为速效磷被作物吸收利用[30]。因此, 在本试验条件下,甜玉米磷肥梯度试验结果表明37.5 kg hm–2磷肥穴施即可保障甜玉米稳产需求, 而且 2 年平均磷肥利用率高达67.7%。

生物量累积是作物生长发育的前提, 而明确磷素的累积动态是科学施用磷肥的基础。本研究甜玉米植株生物量随生育期的推进逐渐增加, 而且磷肥供应显著提高甜玉米鲜食期生物量, 这与前人研究结果一致[31-32]。磷肥供应显著提高甜玉米植株的磷素累积量, 其中鲜食期籽粒磷素累积量约占植株磷素累积量的 42%, 远低于普通玉米的 71%[15], 但是鲜食期籽粒磷素累积在施磷处理(P1～P4)之间并无显著性差异, 可能是大量的磷素供应营养体生长,存在磷素奢侈吸收现象, 可见适宜的磷素供应对于养分有效转移到籽粒中非常重要[33]。普通玉米成熟期磷素(P)累积量介于46～95 kg hm–2, 均值为73 kg hm–2[15],但是本研究磷肥供应处理下2 年间甜玉米鲜食期平均磷素(P)累积量仅为22.7 kg hm–2, 低于普通玉米的磷素累积量。这一方面可能是因为我国甜玉米主产区华南地区的光照资源相对不足[34], 加上甜玉米种植密度不高导致甜玉米群体生物量较低从而影响其磷素累积量。此外, 与普通玉米相比, 甜玉米于鲜食期(相当于普通玉米乳熟期, 在吐丝后25 d 左右)采收, 收获期较普通玉米提前也是导致甜玉米和普通玉米磷素植株磷素累积量差异的原因之一[35-36]。因此, 生产上应避免简单参照普通玉米进行磷肥管理, 而应根据甜玉米植株磷素需求进行合理磷肥供应,以提高磷肥利用率, 节约磷矿资源。

表4 开花后营养器官中磷素向穗部的转移量及贡献率Table 4 P translocation amount and contribution proportion from vegetative organs to ear after the anthesis

表5 不同磷肥供应量下甜玉米磷素效率的差异Table 5 Difference of phosphorus use efficiencies under different P rates in sweet corn

研究表明普通玉米花后营养体(茎、叶、雄穗)磷素向穗部转运量大于其自身累积量[18], 其中叶片磷素转移率最高[37]。但是本研究发现在甜玉米穗部磷素累积来自营养体(茎、叶、雄穗) 的转运较少, 绝大部分来自于花后同化(P0 处理除外), 因此花后管理对甜玉米生物量和磷素积累至关重要。甜玉米磷素生理效率、农学效率、利用率、偏生产力等是衡量合理施肥的重要指标, 均随着磷肥投入增加显著下降, P1 处理(37.5 kg hm–2), 2 年甜玉米磷素利用率均值高达67.7%, 明显高于我国普通玉米(11.00%)[9]。本研究条件下, 甜玉米磷肥合理的供应(37.5 kg hm–2)能有效地阻控农田磷素的损失, 减少磷肥向环境排放的风险; 而且磷肥穴施促进甜玉米对磷素的吸收, 大大提高了磷素利用率。