云南中、低供磷能力土壤玉米最佳施磷量研究

2022-07-18李海叶黄少欣朱东宇王瑞雪肖靖秀

植物营养与肥料学报 2022年6期

李海叶，黄少欣，朱东宇，王瑞雪，汤利，郑毅,2，肖靖秀*

（1 云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201；2 云南开放大学，云南昆明 650223）

磷是作物生长发育所必需的营养元素之一[1–2]，在植物生理代谢、能量转化和调节酶活性等方面扮演着重要作用[3–5]，是限制农田生产力的重要因子[6]。磷肥施用盲目现象在我国较为普遍[7]，由此导致的农田土壤磷素盈余及相关环境风险问题一直是人们关注的重点[8–10]。磷是不可再生资源，农田生态系统中磷肥的合理施用及分配是农业可持续发展的关键，也是近年来研究的热点。磷在土壤中移动性较小、极易被固定，所以我国大部分农田土壤已经成为潜在磷库[11]。与1980年相比，2006年我国农田土壤有效磷(Olsen-P)含量提高了3倍[12]。因此，在有效磷含量较高的黑土区[13]，研究已经证实了玉米磷肥减施的潜力。但是，在土壤有效磷含量中等的赤红壤分布区也证实了节磷潜力[8]。

前人围绕肥料磷的周转和土壤磷的迁移及转化开展了大量研究，为肥料磷的合理施用和分配奠定了理论基础[14–15]。基于产量反应和农学效率[16]、养分专家系统[17]、磷肥恒量监控[18]、土壤有效磷含量水平[19]等，已经建立了不同区域主要作物体系的土壤磷丰缺指标及磷肥推荐用量[20]。但由于我国土壤类型多样、土壤磷含量变异较大[21]，不同生态区磷肥推荐用量差异较大。吴良泉等[18]将我国玉米主产区分为4个大区和12个施肥亚区，各生态区平均推荐施磷量75 kg/hm2，其中华北区最低为 46 kg/hm2，西北区最高为123 kg/hm2。显然，针对区域土壤磷库现状，建立适宜的区域磷肥施用指标体系十分必要。

玉米是云南种植面积最大、产量最高的粮食作物。前人根据不同磷肥施用水平下的玉米产量反应，建立了云南省土壤磷的丰缺指标[22–24]。但云南海拔差异及土壤有效磷空间变异较大，因此，本研究在充分考虑土壤供磷水平的前提下，基于田间定位试验，分析不同供磷水平下玉米的产量特征、磷素吸收累积分配特征及磷肥利用率，明确供磷能力中等和低下的土壤条件下，云南玉米是否具有磷肥减施潜力；同时，基于玉米产量对磷肥施用的反应，建立最佳磷肥用量推荐方法。研究可为云南玉米磷肥的合理施用及实现资源节约、环境保护、节本增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本研究基于两个田间试验来完成。

田间试验1：土壤供磷能力中等(Olsen-P 为15 mg/kg)，试验地位于云南农业大学寻甸大河桥试验基地 (23°32′ N，103°13′E，海拔 1953.5 m)，属亚热带季风气候区，地处昆明市东北部。年平均气温约14.7℃，平均降雨量为1040 mm。田间试验于2017年5月建立，供试土壤为熟化程度较高的红壤，在本试验开展前长期种植玉米，且整体经过了填土改造。供试土壤基础理化性状如表1所示，本研究使用2017―2019年3年的田间试验结果。

田间试验2：土壤供磷能力低(Olsen-P 为4.5 mg/kg)，试验地位于昆明市官渡区小哨村云南农业职业技术学院 (E102°41′～103°03′，N24°54′～25°13′，海拔 2098 m)，属北热带季风性气候，年平均气温约14℃，平均降雨量为1200 mm。田间定位试验开始于2017年5月，试验前未种植农作物，供试土壤为新开垦的山地红壤，供试土壤基础理化性状如表1所示，本研究使用2017―2019年田间试验结果。两个试验点能较好的代表云南山地种植玉米的土壤状况。

表1 供试土壤理化性状Table 1 Physico-chemical properties of test soils

1.2 试验设计

供试材料：寻甸、小哨两个试验点种植的玉米品种均为‘云瑞-88号’。

试验设计：田间试验均采用随机区组设计。在中等供磷能力土壤（田间试验1）上，设施P2O50、45、90、135 和 270 kg/hm25 个水平，3 次重复，共15 个试验小区，小区面积为 24 m2(6 m×4 m)。在低供磷能力土壤上（田间试验2），设施P2O50、60、90和120 kg/hm24个水平。3次重复，共12个试验小区。小区面积均为 26 m2(6.5 m×4 m)。玉米均采用穴播，行距 50 cm，株距 25 cm。

两个试验点氮肥施用量均为250 kg/hm2，钾肥施用量均为75 kg/hm2，氮肥和钾肥用量为当地的推荐施用量。

供试肥料：过磷酸钙(含P2O514%)、尿素(含N 46%)、硫酸钾 (含 K2O 50%) (两个试验点供试肥料品种均相同)。氮肥40%作为基肥，并在小喇叭口期、大喇叭口期分别追施25%、35%。磷肥以及钾肥均全部作为基肥，以条施的方式施入。

玉米于每年5月1—7日播种，每年9月20―30日收获。试验过程中施肥、播种都是采用人工完成。玉米小喇叭口期之前每周灌溉一次，大喇叭口期之后田间灌溉方式主要为降雨。

1.3 样品采集与测定

田间试验1、2均在2017、2018和2019年对玉米成熟期籽粒产量进行了测定。2018和2019年在玉米的关键生育期苗期、小喇叭口期、大喇叭口期、吐丝期、成熟期进行植株样品的采集，将玉米的茎、叶、籽粒等器官分开，于105℃杀青0.5 h，70℃烘干至恒重，称量其干重，测定各器官磷含量。产量采用称重法测定；植株各器官磷含量采用H2SO4‒H2O2进行消煮―钒钼黄比色法进行测定。

1.4 数据计算

玉米磷素吸收累积量(kg/hm2)=玉米植株地上部生物量×植株地上部磷含量(%)

磷素分配率(%)=植株器官磷含量/成熟期植株地上部磷含量×100

磷肥利用率(%)=(施磷区作物吸磷总量–不施磷区作物吸磷总量)/施磷量(kg/hm2)×100

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2010软件对数据进行处理，采用SPSS 20.0软件进行方差分析，用 Excel 2010软件作图。采用最小显著差异法(Duncan)检验各处理的差异显著性(P= 0.05)，图和表中数据为平均值±标准误，采用SPSS 20.0软件对产量数据进行线性加平台处理。

2 结果与分析

2.1 不同磷水平处理玉米的产量特征

3年的田间试验结果(图1)显示，供磷能力中等的土壤条件(寻甸试验点)下，随着施磷量的增加，玉米产量呈现先增加后降低的趋势，以P90处理玉米产量最高，2017、2018、2019年分别比P0分别增产42%、21%、30%。2017年，P90处理的玉米产量显著高于P45处理，但与P135和P270处理没有显著差异。2018、2019年P90处理的玉米产量与P45和P135处理没有显著差异，但显著高于P270处理。表明施磷水平超过P90不会进一步提高玉米产量，甚至会降低玉米产量。

图1 2017―2019年中、低磷土壤施用不同水平磷的玉米产量Fig.1 Maize yield under different P rates in middle and low P soil from 2017–2019

在供磷能力低下的土壤上(小哨试验点)，与P0处理相比，施磷显著提高玉米籽粒产量。第一年(2017年)，玉米产量随施磷量的增加而显著提高，2018和2019年，P90处理的玉米产量依然显著高于P60处理，而P120处理则显著低于P90处理。表明在低磷土壤上，磷水平也不宜超过P90处理。

2.2 不同磷水平处理玉米的磷素吸收累积特征

在土壤供磷能力中等的寻甸试验点(表2)，玉米的磷素吸收累积量从苗期到大喇叭口期均以P90处理显著高于其他处理，P135处理在苗期与小喇叭口期显著高于P0和P45处理，P270在苗期显著高于P45处理。抽雄期，不同磷水平下玉米磷素吸收累积量与P0无显著差异，收获期，P45、P90、P135处理间玉米磷素吸收累积也无差异，但P270处理的磷素累积吸收量较这3个处理显著降低。

在供磷能力低下的小哨试验点，玉米全生育期磷素吸收累积量整体表现为P90>P120>P60>P0 (表2)。同样的，当施磷量>90 kg/hm2时，玉米磷素吸收量显著降低。

表2 不同磷水平处理玉米全生育期磷的吸收累积量Table 2 Total P uptake by maize during the whole growing season under different P rates

2.3 不同磷水平处理玉米的磷素分配特征

由2018和2019年两个试验地玉米收获期的磷吸收量和分配比例(表3)可以看出，在供磷能力中等的寻甸试验点，P45和 P90水平处理最有利于磷素在籽粒中的累积和分配。当施磷量>90 kg/hm2时并不能提高籽粒磷的累积量，也不利于磷素向籽粒中转移。在供磷能力低的小哨试验点，施磷处理都提高了磷素在各个器官的累积量，P90水平处理下，磷素在各器官中的累积量达最大值。P60和P90处理降低磷素在叶片中的分配，提高磷素在茎秆和籽粒中的分配。

表3 不同施磷水平玉米各器官中磷的累积分配Table 3 Uptake and allocation rate in each part of maize under different P application rates

2.4 不同磷水平下玉米的磷肥利用率

从图2可以看出，在供磷能力中等的寻甸试验点，随着磷肥施用量的提高，磷肥利用率显著降低，整体表现为P45>P90>P135>P270。P45条件下磷肥利用率超过80%，P270条件下，磷肥利用率则低于10%，较P45和P90水平下分别平均降低93%和89%。

图2 不同磷水平处理玉米的磷肥利用率Fig.2 Maize P use efficiency under different P rates

在小哨试验点，虽然年际间有差异，但P90水平下，磷肥利用率最高分别为84% (2018年)和42%(2019年)；P120水平下磷肥利用率最低，尤其2019年，P120下磷肥利用率仅11%。

2.5 基于产量最佳的肥料用量推荐

采用线性加平台模型，对两个试验点不同供磷水平下玉米的籽粒产量进行拟合(图3)。由其结果可以看出，两个试验点模拟的可信度均达到极显著水平(P<0.001)。一般认为，首次达到平台的值即为最佳值。在寻甸试验点玉米产量首次达到平台的磷肥施用量为65.5 kg/hm2，在小哨试验点则为93.7 kg/hm2。

图3 不同磷水平处理玉米产量的线性加平台分析Fig.3 Linear-plateau analysis for maize yield responses to P rates

3 讨论

本研究发现，在供磷能力中等和较低的红壤上，施磷可以提高玉米的磷素吸收和累积，但当施磷量>90 kg/hm2时，不会进一步增加玉米的磷素吸收累积。在供磷能力中等的土壤上，磷水平在P 45～135 kg/hm2处理间，玉米产量无显著差异，磷水平在P 45～135 kg/hm2处理间，玉米抽雄期至收获期磷素吸收累积量多无显著差异，因此，磷肥利用率随磷施用量的增加急剧降低。玉米籽粒中约56.0%～85.8%的磷素来自于营养器官的转移[25]。本研究发现，在供磷能力低的小哨试验点，施磷处理都提高了磷素在各个器官的累积量，P90水平处理下，磷素在各器官中的累积量达最大值。P60和P90处理降低磷素在叶片中的分配，提高磷素在茎秆和籽粒中的分配，促进更多的磷素分配在籽粒中，但是当施磷量>90 kg/hm2时也不能进一步提高籽粒磷的累积量。按照当地的玉米施磷推荐水平90 kg/hm2，在供磷中、低等土壤条件下，减施30% (P60处理)至50%(P45处理)的磷肥不会降低玉米产量，且能显著提高磷肥利用率。本研究还发现，在供磷能力较低的小哨试验点，玉米基础地力产量水平显著低于西南地区平均水平(4.4 t/hm2)[26]，而提高土壤基础地力是提升玉米的产量，维持产量稳定性和可持续性的基础。所以，在兼顾作物产量的同时，在供磷能力较低的云南山地玉米种植区，培肥地力水平仍然是十分必要的。此外，在供磷能力中等的条件下，过量施磷(P270)玉米磷素吸收累积量显著降低，产量也有降低的趋势，这与前人研究结果[27–28]一致。

过量施磷必然伴随着土壤磷盈余，带来潜在的环境风险。拒估测，农田土壤每盈余P 100 kg，表层土壤有效磷含量提高 1.44～5.74 mg/kg[29]。因此，后续应依托本田间定位试验重点关注过量施磷后磷的周转及潜在环境风险问题。

一般认为，磷肥减施潜力主要在有效磷含量丰富的土壤上[13]。本研究则证实了在有效磷含量中等甚至偏低的红壤区，仍然具有磷肥减施的潜力。依据线性加平台模型对供试土壤条件下的最佳施磷量进行模拟计算，有效磷中等水平的土壤上，最佳施磷量为65.5 kg/hm2，而有效磷低等水平土壤的最佳施磷量为93.7 kg/hm2，低磷供应能力的土壤需要的施磷水平高于中等供磷能力的土壤。从两地的玉米产量、吸磷量来看，3年的试验结果没有太大的波动，这可能是由于红壤的固磷能力较强[30]，因此，制定适宜的施磷量对于中、低供磷能力的土壤实现高产高效，同时减少高磷对环境的风险是十分必要的。