不同耕作方式、秸秆还田配施肥料条件下夏玉米磷素高效利用研究

李露露，张宁，张业承，毕建杰，刘鹏，韩坤

(山东农业大学农学院，山东泰安 271018)

长期以来，我国农田土壤处于磷匮乏状态，而玉米是典型的磷敏感性作物，土壤磷素的匮乏会显著影响玉米光合同化作用和有机物的积累，限制我国玉米生产潜力的挖掘[1]。 施用磷肥可以有效改善土壤磷素供应状况，所以我国磷肥的生产量和消费量都持续增加，然而粮食增幅并未随着磷肥用量的增加而显著增长，磷素的利用效率却随着施磷量增加而降低[1-3]。 其主要原因是不合理的磷肥施用方式和田间管理措施导致磷素在土壤中大量残留，造成土壤中可被作物根系吸收利用的有效磷含量较低，降低了磷肥利用率[4-7]。磷肥施入后很快被土壤颗粒吸附固定，极易与土壤中铁、铝、钙等金属离子生成对植物无效的磷酸盐，致使75%～85%的土壤磷难以利用[8]，从而影响磷的有效性，降低磷肥的当季利用率[9-10]。 虽然磷肥的高投入使土壤总磷量持续升高，但是土壤有效磷含量依然很低，无法满足作物对磷素的需求，造成磷素匮缺和磷肥利用效率低下，不但增加了生产成本，造成磷资源的浪费，而且增加了环境污染的风险[4，11-13]。 因此，提高土壤磷的有效性和移动性是农田磷肥科学管理与高效利用的关键，提高磷肥的利用效率对于实现农业可持续发展和缓解当前磷资源紧张的压力有重要意义。

通过耕作方式与合理施肥等田间管理措施能够提高土壤磷有效性和磷肥利用效率。 合理的耕作方式和秸秆还田可以有效改善土壤理化性质，增加土壤磷的活性，促进作物根系对磷素的吸收，增加粮食产量，进而提高土壤磷的利用效率。 此外，施用有机肥是缓解农业土壤磷素亏损的有效途径之一，能够提高土壤磷的有效性，提高土壤磷素肥力[14-15]，实现增产增效。 为此，本试验以不同耕作方式、秸秆还田配施肥料对土壤磷有效性的影响为切入点，选取免耕、旋耕、深松、旋耕＋深松以及秸秆还田配施磷肥、有机肥，研究土壤磷素有效性的响应及其对玉米产量和磷素利用效率的影响，以解决磷在作物生产中利用效率低的问题。这对合理调控作物生产中的耕作方式、完善农田土肥管理、提高土壤磷有效性和增产增效有着十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

大田试验于2020 年在山东省德州市临邑县德平镇富民农场(116°96′E，37°47′N)进行。 该区域是当地重要的粮食生产基地，为温带季风气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨。 试验地土壤类型为棕壤，耕层基本理化性状:土壤容重1.25 g/cm3，田间持水量19.59%，全氮含量1.31 g/kg，速效钾75.2 mg/kg，全磷1.19 g/kg，有效磷6.36 mg/kg，pH 值8.41。

1.2 试验设计及方法

大田试验采用再裂区设计，主区为秸秆处理，分为秸秆还田、秸秆不还田；裂区为耕作处理，包括免耕(NT)、旋耕(RT)、深松(ST)、深松＋旋耕(SRT)；再裂区为施肥处理，包括施磷肥、有机肥及不施肥。 共24(2×4×3)个处理，重复3 次，小区面积为100 m2(长20 m、宽5 m)。 秸秆还田处理:利用秸秆粉碎机粉碎前茬作物小麦秸秆进行还田，并灭茬；秸秆不还田处理:小麦收获后，将小麦秸秆人工移出试验区域，并进行灭茬。 磷肥处理:施用过磷酸钙，施肥量(P2O5)为120 kg/hm2，氮肥施尿素(N 46.6%)，施肥量(N)为200 kg/hm2，钾肥为硫酸钾(K2SO4)，施肥量(K2O)为120 kg/hm2；有机肥处理:有机肥施用量的磷当量(P2O5)为120 kg/hm2，总施氮量和总施钾量分别用尿素(N)和硫酸钾(K2O)调节至200、120 kg/hm2；不施肥处理:不施磷肥，氮钾肥用量同上。 施肥方式为人工均匀表施。

施肥后对小区进行耕作处理，免耕:不做任何耕作处理，硬茬播种；旋耕:利用旋耕机进行旋耕，深度为15 cm；深松:利用深松机进行深松，深度为40 cm；深松＋旋耕:先利用深松机进行深松，深度为40 cm，再利用旋耕机进行旋耕，深度为15 cm。 前茬作物为冬小麦，2020 年6 月3 日收获。供试夏玉米品种为登海605，行距20 cm，种植密度6 万株/hm2，2020 年6 月12 日播种，10 月2日收获。 玉米生育期降水充足，不需要进行灌溉，植保等田间管理均为常规管理。

1.3 样品采集与测定

于玉米播种前、大喇叭口期(V12)、抽雄期(VT)、完熟期(R6)4 个时期采集土壤样品。 采用随机取样法利用土钻(直径60 mm)采集0 ～20、20～40 cm 土样，每处理取3 点。 风干样品磨碎过1 mm 筛保存，用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量。

在大喇叭口期、抽雄期、完熟期3 个时期采集地上部植株样本(n ＝5)，105 ℃杀青30 min，于85 ℃烘干至恒重，称干物质量。 玉米完熟期，在远离边行(＞1 m)处，每小区取中间5 m三行玉米，每行选取30 穗进行测产考种。 调查指标包括穗行数、穗数、行粒数、行数、千粒重；每小区取中间5 m 三行玉米(n ＝3)，测其籽粒产量，按籽粒含水量14% 折算公顷产量。

1.4 相关指标计算公式

磷肥偏生产力(PFPP，kg/kg)＝磷肥处理籽粒产量/施磷量；

磷肥农学利用效率(PAE，kg/kg) ＝(磷肥处理作物产量-不施磷肥作物产量)/施磷量。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 进行数据整理，SPSS 22.0软件进行方差分析，最小显著差异法(LSD)(P＜0.05)进行差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 耕作方式、秸秆还田和施肥类型对夏玉米生物量的影响

由表1 看出，除秸杆还田对抽雄期玉米生物量积累不显著外，耕作方式、秸秆还田和施肥极显著影响玉米大喇叭口期、抽雄期和完熟期的生物量积累。 与秸秆不还田相比，秸秆还田能够显著提高玉米大喇叭口期和完熟期的生物量，而对抽雄期生物量没有显著影响。 耕作方式对玉米各生育时期的生物量积累影响不同，抽雄期和完熟期表现为SRT＞ST＞RT＞NT，大喇叭口期表现为SRT＞RT＞NT＞ST；与NT 相比，SRT 玉米大喇叭口期、抽雄期和完熟期的生物量分别显著提高7.9%、7.3%和11.3%。 施肥显著影响大喇叭口期、抽雄期和完熟期的生物量，表现为有机肥＞磷肥＞不施肥，与不施肥处理相比，施用有机肥和磷肥分别提高显著玉米生物量15.5%、9.5%、27.2%和7.1%、1.7%、10.8%。

表1 不同耕作方式、施肥类型和秸秆还田条件下的夏玉米生物量积累t/hm2

耕作方式与肥料及耕作方式与秸秆还田的交互作用对玉米生物量积累均具有极显著影响；肥料与秸秆还田的交互作用对大喇叭口期玉米生物量积累无显著影响，而对抽雄期和完熟期生物量积累有极显著影响；施肥类型、耕作方式和秸秆还田互作对玉米生物量积累具有极显著影响。

2.2 耕作方式、秸秆还田和施肥类型对土壤有效磷含量的影响

由表2 看出，随着玉米生育期的推进，0 ～20、20～40 cm 土壤有效磷含量逐渐降低；耕作方式、秸秆还田和施肥极显著影响大喇叭口期、抽雄期和完熟期土壤磷有效性。 与秸秆不还田相比，秸秆还田能够显著提高玉米各生育时期0 ～20 cm和20～40 cm 土层土壤磷有效性，有效磷含量分别提高12.2%～17.6%和8.7%～14.3%。 不同耕作处理显著影响不同土层有效磷含量，0 ～20 cm土层有效磷含量表现为NT ＞ST ＞RT、SRT，而对20～40 cm 土层有效磷的影响相反，表现为SRT＞ST＞RT＞NT。 与不施肥对照相比，施磷肥或有机肥均显著提高0～20 cm 和20～40 cm 土层有效磷含量，分别提高64.3% ～236.3% 和31.2% ～67.3%。不同肥料类型对土壤有效磷产生显著影响，与施磷肥相比，施用有机肥能显著提高0 ～20 cm 和20 ～40 cm 土层有效磷含量，分别提高30.7%～84.8%和13.8%～26.4%。

表2 不同耕作方式、秸秆还田和施肥类型对夏玉米不同生育时期土壤有效磷含量的影响mg/kg

耕作方式与施肥及耕作方式与秸秆还田的交互作用对大喇叭口期、抽雄期和完熟期0 ～20 cm和20 ～40 cm 土层有效磷含量均具有极显著影响；施肥和秸秆还田的交互作用对玉米完熟期0～20 cm 和抽雄期20 ～40 cm 土层有效磷含量没有显著影响，对其他时期的各土层有效磷含量具有极显著影响；耕作方式、秸秆还田和施肥的交互作用对玉米各生育时期0～20 cm 和20～40 cm 土层有效磷含量有显著影响。

2.3 耕作方式、秸秆还田和施肥类型对夏玉米产量构成因素和磷肥利用效率的影响

由表3 看出，秸秆还田、耕作方式和施肥显著影响玉米产量及其构成因素(穗行数、公顷穗数除外)。 与秸秆不还田相比，秸秆还田显著提高行粒数、穗粒数、千粒重和产量，产量提高2.8%；各耕作处理下玉米行粒数、穗粒数、千粒重和产量都有显著差异，表现为SRT ＞ST ＞RT ＞NT，其中SRT 的影响最为显著，但是耕作方式对公顷穗数没有显著影响。 与不施肥处理相比，施磷肥或有机肥均能够提高玉米行粒数、穗粒数、千粒重和产量，产量显著提高6.1%～9.5%，且不同肥料类型处理间千粒重和产量差异达显著水平，施用有机肥的效果显著优于磷肥。

表3 不同耕作方式、施肥类型和秸秆还田条件下夏玉米产量构成因素

秸秆还田、耕作方式和施肥之间的交互作用对玉米产量构成因素产生影响，耕作方式和施肥的交互作用对行粒数、穗行数、穗粒数、千粒重和产量具有显著或极显著影响，耕作方式和秸秆还田对穗行数具有显著交互作用，其他因素间均无显著交互作用。

耕作方式、秸秆还田和施肥显著影响夏玉米的PFPP 和PAE(表4)。 与秸秆不还田相比，秸秆还田显著提高PFPP 和PAE，分别提高3.1%和14.2%。耕作处理显著影响PFPP，表现为SRT ＞ST＞RT＞NT；对PAE 的影响表现为SRT＞RT＞NT＞ST。 与施磷肥相比，施有机肥能显著提高PFPP和PAE。 除耕作方式和施肥的交互作用对夏玉米的PFPP 和PAE 有极显著影响外，其他因素的交互作用对PFPP 和PAE 均无显著影响。

表4 耕作方式、秸秆还田和施肥类型对夏玉米磷肥偏生产力和农学利用效率的影响 kg/kg

3 讨论与结论

土壤耕作方式、秸秆还田和施肥类型等农田管理措施均能影响土壤磷的有效性和移动性，最终影响作物产量和磷肥利用效率。 本研究表明，不同耕作方式显著影响土壤磷的有效性，0 ～20 cm 土层，免耕处理的有效磷含量最高，深松处理次之，旋耕处理土壤有效磷最低。 Han 等[4]研究表明，混匀土壤导致有效磷被土壤颗粒吸附和固定，并和金属离子反应生成磷酸盐，大大降低土壤磷的有效性。 与传统翻耕相比，免耕、深松等耕作方式更有利于提高土壤磷的有效性[16]。 免耕条件下土壤有效磷含量均比传统耕作高[17-18]。 减少土壤干扰的管理措施可以改善玉米根际磷的有效性，提高根际土壤磷酸酶活性，增加不同磷组分的丰度[19-20]。 本研究中，耕作对深层土壤有效磷的影响不同于其对土壤表层有效磷的影响:20 ～40 cm 土层中，耕作方式对土壤有效磷含量的影响表现为深松＋旋耕＞深松＞旋耕＞免耕。 免耕条件下，土壤磷素多富集在土壤表层，旋耕和深松等耕作方式将养分富集的表层土壤翻至下层，增加深层无机磷和总磷素供应量，进而提高深层土壤的有效磷含量[4]。 旋耕和深松能为作物根系创造出疏松且深厚的土壤环境，有利于提高深层土壤磷素有效性[16，21]。 因此，免耕能够提高土壤表层有效磷含量，但是不利于深层土壤磷的有效性；反之，不同的土壤耕作能够减少土壤表层的有效磷含量，但是可以增加土壤深层有效磷含量。 此外，本研究表明不同耕作方式对玉米生物量的积累、产量及其构成因素、磷肥利用效率的影响趋势与其对20～40 cm 土层有效磷含量的影响趋势相同，而与对0～20 cm 土层有效磷含量的影响趋势相反。 这说明深层土壤有效磷含量更能影响玉米对磷素的吸收同化，最终影响产量和磷肥利用效率。

秸秆还田可以改善土壤理化性质，优化耕层结构，提高土壤磷有效性，进而影响玉米产量和磷肥利用效率。 本研究结果表明，秸秆还田能够显著提高土壤有效磷含量、玉米生物量积累、玉米产量及其构成因素、磷肥利用效率。 其主要原因是作物秸秆含有大量磷素养分，还田后可以有效补充土壤磷素，显著增加土壤有效磷含量[22]。 另外，秸秆还田改善土壤理化性质的同时还提高土壤有机质含量，对土壤结构也有一定的改善，提高土壤磷酸酶活性，促进有机物质矿化分解释放有效磷，并促进土壤有效磷的转化，还能有效抑制磷的固定，增加有效磷含量[23-25]。 因此，土壤磷有效性的增加促进了作物对磷素的利用，提高了玉米生物量积累，进而增加玉米产量。

施用磷肥是提高土壤有效磷供应量的主要途径。 本研究表明，与不施肥处理相比，施用无机磷肥或有机肥都能显著提高玉米不同生育时期土壤磷的有效性，并能提高玉米生物量、产量及其构成因素；其中施用有机肥的效果显著优于无机磷肥。蒋仁成等[26]认为，与无机磷肥相比，有机肥更能提高土壤有效磷含量，促进作物对磷的吸收利用，增加产量和磷肥利用效率。 其主要原因可能是在磷素用量相当的情况下，有机肥更能改善土壤理化性质，在有机质腐解过程中所产生的有机酸等类物质可以和铁、铝形成络合物，可以阻止磷的沉淀，也可以溶解土壤中难溶性磷，从而减少土壤对磷的吸附固定，提高磷肥利用效率[25]。

本研究中，耕作方式和施肥同时对土壤有效磷、玉米生物量积累、产量及其构成因素、磷肥利用效率具有显著的交互作用。 耕作方式对土壤扰动程度不同，对肥料与土壤的混合程度也不同，导致在不同耕作方式下土壤磷的有效性也发生相应的变化，混合程度越高土壤的有效性就越低，不同耕作方式也会影响土壤有效磷含量，深耕后磷肥进入深土层，可以打破土壤磷在土层中移动性差的限制，提高根系对磷素的吸收利用，最终影响玉米产量和磷素利用效率。

综上所述，在本试验条件下，秸秆还田＋施用有机肥＋SRT 是最佳处理，更能提高土壤深层磷的有效性，促进玉米对磷素的吸收利用，提高玉米生物量和产量构成要素与籽粒产量，并最终提高磷素利用效率。