秸秆全量还田条件下玉米磷素吸收特征与磷肥适宜用量研究

2022-06-17李兴吉侯建勋张水梅刘剑钊梁运江蔡红光

植物营养与肥料学报 2022年5期

逄娜，程松，李兴吉，侯建勋，梁尧，张水梅，任军，刘剑钊，梁运江，蔡红光*

（1 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部东北植物营养与农业环境重点实验室，吉林长春 130033；2 延边大学农学院，吉林延吉 133002）

东北黑土资源丰富，是我国重要的粮食生产基地。粮食产量占全国粮食产量的22.6%[1]。粮食生产潜力大，对保障国家粮食安全具有重要的意义。黑土区土壤质量与粮食安全和农业可持续发展关系密切，保障黑土资源循环可持续利用对于我国农业发展意义重大。近年来，由于长期不合理施肥，导致黑土耕层变薄，土壤质量下降。研究表明，玉米秸秆全量还田，可显著提高土壤综合肥力，保护土壤质量[2]。我国秸秆资源年均产量居世界首位。2015年，我国主要农作物秸秆资源量达到71878.5万t[3]。东北地区作为我国玉米主产区，玉米秸秆资源丰富，年均玉米秸秆产量达1.7亿t，约占全国玉米秸秆资源的48%[4]。

秸秆中含有丰富的N、P、K等养分以及中微量元素，是培肥土壤重要的有机肥源[5]。秸秆中携带大量养分，在一定程度上替代了化肥的使用，化肥适宜用量也随之变化[6]。磷是玉米生长发育过程中不可或缺的营养元素，研究发现，秸秆还田到0—20 cm土层，显著提高土壤中的有效磷含量[7-8]。另外，秸秆还田作为一种有效的培肥土壤的方式，能有效提高土壤微生物活性，提高土壤有机质含量，提升地力，增加作物产量[9-13]。在多年秸秆还田的背景下，探究适宜的磷肥用量，不仅可以提高玉米产量，提升作物品质，减少肥料成本，提高磷肥利用率，更有助于环境保护，但目前国内此方面研究较少。宋佳丽等[14]研究发现，秸秆还田能够提高耕层土壤有效磷的含量，Kashif等[15]也通过研究指出秸秆还田后，土壤有效磷含量较秸秆还田前增加了69.8%～82.8%。唐文雪等[16]在黄土上的研究结果表明，磷肥用量在120 kg/hm2时，玉米产量和磷肥利用效率最高。曹高燚等[17]在潮土上的研究表明，磷肥用量在75 kg/hm2时，能够有效促进植株代谢，提高玉米产量。

然而，目前关于秸秆还田条件下黑土区不同磷肥用量对玉米产量和磷素吸收特征的影响研究较少。侯云鹏等[18]研究表明，在常规种植条件下，磷肥用量在90.1～103.0 kg/hm2时可以增加玉米植株对养分的积累，提高玉米营养体营养向籽粒的转运量，进而实现增产。未来东北地区秸秆全量还田将成为黑土地保护的主体技术措施进行推广，探讨该条件下不同磷肥用量对玉米产量及群体磷素累积与转运的影响，可为磷肥科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验地 (E124°48′33.8″，N43°30′23″)和公主岭市朝阳坡镇 (E124°43′0.9″，N43°35′56″)进行，该地区属于温带大陆性季风气候，年均降雨量540 mm，年均日照2743 h，年均有效积温2800℃～3000℃，无霜期130～140天，土壤类型为黑土，中等土壤肥力。两试验点均为多年秸秆全量深翻还田地块，试验初始土壤基础理化性质见表1。

表1 试验初始土壤基础理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soils

1.2 试验设计

试验始于2017年，双因素设计，主因素为磷肥水平，施磷(P2O5)量分别为0 (P0)、45 (P45)、90(P90)、135 (P135)、180 (P180) kg/hm2，副因素为玉米品种，分别为富民985 (Fumin 985)和翔玉211(Xiangyu 211)，每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积36.4 m2。各处理化肥年均施用量分别为N 240 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，40%的氮肥和全部磷钾肥以底肥施入，60%的氮肥在玉米拔节期追施。播种密度为6万株/hm2。

玉米进入完熟期后，采用大型玉米收获机进行收获，同时将全部玉米秸秆粉碎(长度<20 cm)，并均匀抛散于田间；采用栅栏式液压翻转犁将秸秆耕翻入土(翻耕深度>30 cm)，将秸秆深翻至20—30 cm土层，联合整地机整地后达到待播状态，翌年春季采用免耕播种机平播播种。2017—2019年间，试验区玉米生长季(5—9月)降雨量如图1所示。

图1 试验期间试验地降雨量Fig. 1 Precipitation in the experimental field during the trial period

1.3 样品采集与测定

土壤样品于2017年播种前采集，用土钻分别采集0—20和20—40 cm土层土壤样品，剔除动、植物残体和石块，风干后过2 mm筛待测。土壤基础理化指标采用常规分析法测定[19]。于抽雄期和成熟期采集富民985植株样本，每个小区选取长势一致的植株5株；抽雄期分为茎和叶两部分，成熟期分为茎、叶、籽粒和穗轴4部分，于105℃杀青30 min后，于80℃烘干至恒重，称重并计算地上部干物重；样品粉碎过筛，采用H2SO4-H2O2消煮，流动分析仪检测，测定植株磷含量。

成熟期测产，调查穗鲜重和收获穗数，取标准穗10穗风干脱粒、测含水量，以14%含水量折算玉米籽粒产量。另外选取标准穗10穗进行考种。

1.4 计算方法

花前磷累积比例=抽雄期磷素吸收量/成熟期磷素吸收量[20]

花后磷累积比例=(成熟期磷素吸收量-抽雄期磷素吸收量)/成熟期磷素吸收量[20]

开花期秸秆(茎秆＋叶片)磷素转运量(kg/hm2)=开花期秸秆磷素积累量-成熟期秸秆磷素积累量[20]

开花期秸秆磷素转运率(%)=开花期秸秆磷素转运量/开花期秸秆磷素积累量×100[20]

开花期秸秆磷素转运对籽粒贡献率(%)=开花期秸秆磷素转运量/籽粒磷素积累量×100[20]

1.5 数据处理

使用Excel 2010进行数据处理与图表制作，SPSS 23进行方差分析与多重比较，Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 玉米产量及其构成因素

如表2所示，地点、年份和磷处理3个因素对产量、收获穗数、穗粒数和百粒重的影响极显著，品种对产量、穗粒数和百粒重影响极显著。由于2017、2018和2019年降雨量等气候因子以及地点和品种的不同，造成地点、年份与品种的交互作用对产量、收获穗数、穗粒数和百粒重有极显著影响。不同地点、不同年份间的交互作用对产量、收获穗数、穗粒数和百粒重产生显著影响。P90处理的产量、收获穗数和百粒重均最高，较P0处理分别增加了14.4%、6.15%和5.78% (P<0.05)。品种Xiangyu 211与Fumin 985相比，收获穗数相近，但产量、穗粒数和百粒重分别平均增加了9.86%、3.72%和6.69%(P<0.05)。与2017年相比，2018年产量、收获穗数、穗粒数和百粒重显著下降，分别下降了10.1%、2.15%、13.0%和4.11%，2019年较2017年产量的下降幅度未达显著水平，但收获穗数、穗粒数和百粒重显著下降。

表2 玉米产量及其构成因素Table 2 Maize yield and yield components

2.2 不同磷肥处理玉米开花前后磷累积特征

磷是实现玉米高产的主要营养元素之一，并且玉米拔节期至开花期是养分吸收的关键阶段，是影响穗分化质量的重要时期，此时若能够提高磷素吸收速率，提高花前磷累积比例，对提高玉米产量至关重要。本试验中花前磷累积比例在26.9%～37.2%，花后磷累积比例在62.8%～73.1%。公主岭试验中，磷施用量对花前和花后玉米的磷积累比例没有显著影响，但随着施磷量的增加，花前磷累积比例较P0处理有所增加，增幅为1.1%～59.8%。朝阳坡试验在2017年施磷量对花前和花后的磷积累比例也没有显著影响，2018年施磷显著提高了花前玉米的磷累积比例，增幅为13.3%～24.5%，P90处理的增幅最大，2019年随着施磷量的提高花前磷累积比例增加，但只有P90处理花前的增加幅度显著大于P0，增加了15.5% (图2)。通过3年、两个地点的试验数据可以看出，施磷量的增加可以明显提高花前的磷累积比例，P90处理的增幅最大。

图2 不同磷肥用量处理花前花后地上部植株磷累积比例Fig. 2 Phosphorus accumulation ratio in plant shoots before and after anthesis under different P fertilizer rates

2.3 不同磷肥处理条件下成熟期秸秆、籽粒磷素吸收量

玉米籽粒中的磷素主要来源于玉米花前营养器官吸收储存的磷素的再转运以及花后磷素的吸收，提高籽粒的磷素吸收量对于玉米产量和品质的提高具有重要的意义。秸秆全量还田带入土壤的全磷也对秸秆和籽粒的磷素吸收量产生影响，折算后均在P90处理磷还入量最高，公主岭2017—2019年P90处理的磷还入量分别为11.4、11.5和7.38 kg/hm2，朝阳坡2017—2019年磷还入量分别为11.5、7.59和9.32 kg/hm2。如图3所示，随着施磷量的提高，植株的磷素吸收量逐渐升高后降低，在P90处理出现最大值；增施磷肥对玉米秸秆和籽粒磷素吸收量的影响存在差异。随着施磷量的增加，玉米秸秆磷素吸收量无显著变化，而籽粒和植株总磷素吸收量呈先上升后下降趋势。在公主岭，与P0处理相比，2017年P90和P135处理下籽粒磷素吸收量分别增加了22.3%和14.6%，且差异显著(P<0.05)；2018年处理间差异不显著，但P90处理籽粒磷素吸收量有所增加；2019年P90处理籽粒磷素吸收量较其他处理增加9.34%～18.0%。在朝阳坡，与P0处理相比，2017年P90处理秸秆和籽粒磷素吸收量分别增加了14.2%和12.5% (P<0.05)；与P0处理相比，2018和2019年仅P90和P135两处理籽粒的磷素吸收量显著增加，P90处理增幅最大，增幅为7.03%～8.38%。结果表明，适宜提高施磷量对于提高籽粒的磷素吸收量影响明显，P90处理增幅最大。

图3 不同磷肥用量处理秸秆和籽粒磷素吸收量 (2017—2019年)Fig. 3 Phosphorus absorption of maize straw and grain under different P fertilizer rates from 2017 to 2019

2.4 不同磷肥处理条件下植株磷素转运特征

公主岭和朝阳坡两地2017—2019年(2018年公主岭除外)，磷素转运量、转运率和秸秆对籽粒的贡献率均在P90处理出现最大值(表3)，提升范围分别为30.5%～99.7%、11.0%～56.5%和16.4%～78.4%，说明适宜的磷肥用量能够提升玉米植株对磷素的转运能力。2017—2019年，公主岭磷素转运量、转运率和秸秆对籽粒贡献率，随着年际的变化呈现先降低后升高的趋势，朝阳坡呈现先升高后降低的趋势。在秸秆全量还田条件下，随着年际的变化，玉米植株对磷素的转运率呈现小幅上升趋势，磷素转运量和对籽粒贡献率呈现先上升后下降的趋势。

表3 不同磷肥用量处理植株磷素转运特征Table 3 Phosphorus transport characteristics of plants under different phosphorus fertilizer rates

2.5 不同地点适宜磷肥用量

如图4所示，两地的玉米产量随着施磷量的增加呈抛物线形变化。通过对公主岭和朝阳坡2017—2019年的玉米产量与施磷量拟合并建立一元二次方程，得到公主岭最佳经济施磷量分别为71.5、61.8和88.3 kg/hm2，朝阳坡最佳经济施磷量分别为77.7、61.3和73.1 kg/hm2。将公主岭3年两品种的玉米产量与施磷量拟合并建立一元二次方程，计算得出最高产量条件下对应的施磷量为108.6 kg/hm2，最高产量为12160.9 kg/hm2，若采用最佳经济施肥量，则在产量基本不降低(最高产量的99%为12039.3 kg/hm2)的情况下，对应的最佳经济施肥量为77.2 kg/hm2；朝阳坡最高产量条件下对应的施磷量为103.9 kg/hm2，最高产量为12435.1 kg/hm2，最佳经济施肥量为71.9 kg/hm2，最佳经济产量为12310.8 kg/hm2；将公主岭和朝阳坡两地3年两品种综合来看，最高产量条件下的施磷量为106.3 kg/hm2，对应的最高产量为12296.8 kg/hm2，最佳经济施肥量为74.6 kg/hm2，最佳经济产量为12173.9 kg/hm2。

图4 不同试验点各处理玉米产量Fig. 4 Maize yield of each treatments in different experimental sites

3 讨论

磷是玉米生长发育过程中重要的营养元素之一。收获穗数、穗粒数和百粒重是影响玉米产量的主要因素。研究表明，产量与穗粒数和百粒重的增加呈显著正相关，增施磷肥后穗粒数和百粒重显著增加[21-22]。本研究在多年秸秆全量还田背景下，通过3年两点田间定位试验研究，结果表明，地点、年份和处理3个因素对产量、收获穗数、穗粒数和百粒重均有极显著的影响，这可能与两地不同的土壤基础理化性质和年际间的气候变化有关。

玉米对磷的吸收主要是从土壤中获得，磷素在玉米植株内移动性大，合理施用磷肥有利于玉米对磷的积累和分配，提高花前的磷累积比例，能促进花后对磷素的吸收，是提高玉米产量的关键因素。本研究中，随着施磷量的提高，花前的磷累积比例提高，呈先上升后下降的趋势，在P90处理出现最大值，处理间无显著差异的原因可能与氮和钾的足量供应有关，氮和钾也是作物生长发育必需的大量元素[23-24]。合理的磷肥用量有利于延缓叶片的衰老，保持后期较高的光合速率[25]。开花后地上部植株磷累积比例明显高于花前，可能与开花期后磷素的大量吸收有关。有研究表明，春玉米在开花期后，磷素的吸收量占总吸收量的50%左右[26]。另外，开花后的管理对于玉米磷素吸收至关重要[27]。本研究中开花期后的磷吸收量的比例在62.8%～73.1%，较侯云鹏等[18]的研究结果增加了35.2%～37.8%，可能原因在于，本试验区秸秆全量深翻还田后增加了土壤磷的有效性。秸秆全量还田可以改善土壤质量，有助于保持土壤肥力[28-29]。本试验中，秸秆全量还田为土壤带入了大量磷素，折算后表明P90处理下带入土壤的磷素明显高于其他处理，范围在7.59～11.5 kg/hm2。研究表明，秸秆还田能够提高土壤有效磷含量，与单施化肥相比，秸秆还田可以活化土壤磷素，提高磷素利用效率[30-31]，而化肥带入土壤中的磷容易转化为易被土壤矿物质吸附或被微生物固持的磷酸盐，从而降低土壤有效磷活性[32]。

玉米籽粒中的磷素来自根系的吸收和营养器官养分的再转移，其中56.0%～85.8%的养分来自营养器官的转移[33]。随着磷素吸收量的增加，秸秆中的磷素吸收量比较稳定，而籽粒的磷素吸收量呈先上升后下降的趋势，表明适宜的磷肥用量会促进籽粒对磷素的吸收，但过量磷施用可能会抑制玉米籽粒对磷的吸收。玉米籽粒的养分吸收不仅与开花期后的磷素吸收有关，也有一部分取决于营养器官的转运[33]。研究表明，玉米植株磷素养分转运的高低是影响作物产量的一个重要因素，且磷肥用量的调控对于植株磷素养分转运能力的高低也有重要影响[21]。在2018年开花期前干旱少雨的条件下，玉米植株对磷素的转运量却高于2017和2019年，这可能是为缓解水分不足对植物生长的不利影响，玉米植株体内的磷更多的转移到籽粒中[34]。

磷肥的合理供应是玉米高产重要措施之一[35]。本研究表明，在一定的氮、钾肥基础上，随着磷肥供应量的增加，产量呈现先增加后降低的趋势。通过对玉米产量和施磷量一元二次方程拟合，得到公主岭地区的最佳经济施磷量的变幅为61.8～88.3 kg/hm2，朝阳坡最佳经济施磷量的变幅为61.3～77.7 kg/hm2，两地综合来看，最佳经济施磷量为71.9～77.2 kg/hm2，对应产量水平为12039.3～12310.8 kg/hm2。通过与本地区相似磷量级试验综合对比分析，发现在同等产量水平下，本研究中磷肥经济用量较其他磷量级试验下降了15.4%～33.5%[18，36-37]，其主要原因是本研究通过多年秸秆全量深翻还田，提升了土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P的活性，提升了作物对土壤磷素的吸收能力，进而提高了玉米产量[38]。此外，本研究中不同磷处理间秸秆还田带入的全磷量存在一定差异，两地平均来看，3年间均在P90处理出现磷还入量最高。这表明秸秆还田配施化肥有助于提高植株对氮、磷、钾的吸收量，提高磷素利用率，从而保证玉米的高产和稳产[39]。