夏玉米施磷位置的产量效应及磷素利用效率

任丽,韩本高,李岚涛,苗玉红,王宜伦

(河南农业大学资源与环境学院,河南 郑州 450002)

磷是植物生长发育所必需的营养元素,也是限制作物产量的主要因素之一。玉米作为典型磷素敏感作物,提高土壤供磷能力可促进玉米增产[1-2],提高植株干物质质量[3-4],改善籽粒品质[5-6]。磷肥施入土壤后,大部分磷被微生物吸附、固定在土壤中以无机磷形态存在[7],只有10%～25%的磷可作为有效磷被作物吸收利用[8-9]。生产中普遍存在过量施磷,导致磷肥资源浪费、生产成本提高、磷肥利用效率降低等问题[10]。施磷作为提高玉米产量的重要途径,如何通过调整施磷方式提高磷肥利用效率,进一步发挥技术要素在玉米增产中的作用,是当前农业科研工作者的重要研究课题。

近年来,随着玉米免耕覆盖播种和种肥同播技术推广普及,肥料施入土壤中的深度普遍较浅,多数集中在土壤表层。磷在土壤中移动性很弱,磷素养分主要集中在施肥点位附近,而玉米根系吸收活力区域主要集中在地表以下0～40 cm[11],对施磷点位较浅的磷素养分难以吸收利用。研究表明,磷肥集中深施[12]、种下分层施磷[13]、种间行施和种内行施[14]、膜侧施磷[15]和种下侧施[16]对作物产量及其构成因素、磷素吸收利用均有显著影响。分层施磷方式可以增加玉米根系与有效磷含量高的施磷位点接触面积,提高磷素利用效率[17]。磷肥集中深施增产效果优于分层深施和磷肥浅施[12],磷肥集中深施可诱导根系下扎,促进玉米根系生长,集中施用在地表以下15 cm处对深层土壤有效养分的吸收效果最好[18]。深松措施下,施磷深度下移至12 cm 可提高玉米磷肥利用效率和籽粒产量,是实现高效优质生产的有效途径[19]。可见,合理的施磷位置可有效提高夏玉米产量和磷肥利用效率。

夏玉米磷肥效应多集中于用量和深度研究,穴施技术使肥料比较集中在根系附近,可以有效减少磷肥的土壤固定,促进玉米对磷素的吸收利用,实现增产增效,豫北夏玉米磷肥正位穴施和株间穴施研究鲜见报道。本研究通过两年两地夏玉米田间试验,明确了磷肥开沟条施、株间穴施和正位穴施3种不同施磷位置对夏玉米产量及其构成因子、关键生育期磷素积累特性及磷肥利用效率的影响,旨在探明夏玉米合理施磷位置,为夏玉米合理施磷提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年6月至10月和2021年6月至10月在河南省原阳县河南农业大学科教园区(35°60′N,113°56′E)和鹤壁市矩桥镇刘寨村(35°53′N,114°17′E)同步进行。两地供试土壤均为潮土,耕层土壤基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验共设4个处理:不施磷肥(P0)、开沟条施磷肥(TS)、株间穴施磷肥(ZJ)、正位穴施磷肥(ZW),具体试验设计见表2。供试氮肥为包膜尿素(含N 45%)和普通尿素(含N46%),包膜尿素与普通尿素按N含量5∶5配施;供试磷肥为颗粒磷酸一铵(含N 11%,含P2O544%),供试钾肥为大颗粒氯化钾(含K2O 60%),除对照不施磷肥外,其他处理氮磷钾肥用量相同,每个处理所需肥料混匀后在播种时一次性施入。供试品种为“浚单1618”,人工标尺摆播,播种深度5 cm,原阳试验地种植密度为67 500株·hm-2,鹤壁试验地种植密度为75 000 株·hm-2。试验小区面积为25.2 m2,3次重复,随机区组排列。田间灌溉、病虫防治等措施同当地农民习惯一致。

图1 夏玉米不同施磷位置示意图Fig.1 Schematic diagram of different phosphorus application positions of summer maize

表2 夏玉米施磷位置试验设计Table 2 The experimental design of different phosphorus application locations in summer maize

1.3 项目测定与方法

1.3.1 土壤样品采集与分析 在夏玉米播种前用‘S’取样法采集 0～20 cm(耕层)土壤样品,四分法留1 kg左右,自然风干、磨细、过筛后测定土壤基础养分,碱解扩散法测定土壤碱解氮,Olsen法测定土壤有效磷,醋酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾,重铬酸钾容量-外加热法测定土壤有机质,电极法(水土质量比2.5∶1)测定土壤pH值[20]。

1.3.2 植株样品采集与分析 分别于夏玉米大喇叭口期、吐丝期、灌浆期和成熟期在各小区取2株具有代表性的夏玉米植株,在 105 ℃下杀青30 min,烘箱温度调至75 ℃烘干至质量恒定,称质量后,分别将秸秆和籽粒粉碎,采用浓H2SO4-H2O2消煮制备待测液,分别用AA3流动注射分析仪、钼蓝比色法(880 nm)和火焰光度计法测定秸秆和籽粒的全氮、全磷和全钾含量[20]。

1.3.3 调查与计产 成熟期收获各小区中间两行连续15株,共30株玉米,晒干后脱粒称其质量,籽粒留样分别称鲜质量和烘干后干物质质量,计算籽粒含水量,换算小区产量,另随机取10穗进行考种,调查穗粒数和千粒质量。

1.4 指标计算公式

增产率=(施肥区产量-不施肥区产量)/不施肥区产量×100%;

地上部生物量=作物秸秆干质量+作物籽粒干质量

养分积累量=(籽粒干质量×籽粒养分含量+秸秆干质量×秸秆养分含量)/100;

磷肥利用率=(施磷区地上部磷素积累量-对照区地上部磷素积累量)/施磷量×100%;

磷肥农学效率=(施磷区产量-对照区产量)/施磷量;

磷肥偏生产力=施磷区产量/施磷量

1.5 数据计算与统计分析

采用Microsoft Excel专业增强版2019、DPS和SPSS 26软件进行数据整理与统计分析,Origin 2018进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 施磷位置对夏玉米产量及其构成因子的影响

由表3可知,夏玉米施磷显著增产8.64%～26.18%,产量呈ZW >ZJ >TS趋势变化,磷肥穴施可有效提高夏玉米产量。原阳试验点ZW、ZJ和TS两年平均分别增产21.30%、14.85%和11.01%,ZW较TS产量显著提高9.27%。鹤壁试验点ZW、ZJ和TS两年平均分别增产17.92%、13.32%和10.03%,ZW较TS分别增产8.49%和5.89%,ZJ与TS无显著差异。磷肥正位穴施显著增加了夏玉米产量。此外,施磷可提高夏玉米穗粒数和千粒质量,原阳试验点2020年夏玉米穗粒数ZW较TS显著提高9.02%,千粒质量无显著差异;2021年ZW较 TS穗粒数和千粒质量分别显著提高19.51%和6.88%。鹤壁试验点2020年夏玉米千粒质量ZW、ZJ较TS分别提高11.15%和7.02%,2021年穗粒数ZW、ZJ较TS分别显著增加7.82%和6.68%。磷肥正位穴施较好协同提高千粒质量和穗粒数,进而实现高产。

表3 施磷位置对夏玉米产量及其构成因子的影响

2.2 施磷位置对夏玉米地上部生物量的影响

由图2可知,不同施磷位置夏玉米地上部生物量,在大喇叭口期以株间穴施最高,吐丝期以后正位穴施地上部生物量逐渐高于株间穴施。原阳试验点2020年和2021年施磷分别显著提高成熟期地上部生物量14.26%～28.75%和27.71%～60.25%,ZW较TS分别显著增加12.68%和25.48%。鹤壁试验点2020年和2021年施磷分别显著提高成熟期地上部生物量14.47%～25.53%和27.50%～36.96%,ZW较TS显著增加9.66%和6.60%。磷肥穴施提高了成熟期夏玉米地上部生物量,正位穴施较佳。

图2 不同施磷位置下各生育期夏玉米地上部生物量Fig.2 Aboveground biomass of summer maize at different growth stages under different phosphorus application positions

2.3 施磷位置对夏玉米磷素积累量的影响

从图3可以看出,大喇叭口期各处理磷素积累量相差不大,吐丝期以后磷素积累量有较大差异。2020年施磷显著提高成熟期夏玉米地上部磷素积累量20.14%～33.35%(原阳)和15.81%～28.41%(鹤壁),ZW最高分别为31.18和33.49 kg·hm-2,较TS显著增加11.00%和10.88%。2021年施磷显著提高成熟期磷素积累量20.12%～29.43%(原阳)和13.37%～21.91%(鹤壁),ZW较TS显著增加7.75%和7.53%,ZJ与TS无显著差异。磷肥正位穴施显著提高了夏玉米地上部植株磷素积累量。

图3 不同施磷位置下夏玉米地上部磷素积累量Fig.3 Plant phosphorus accumulation of summer maize under different phosphorus application positions

2.4 施磷位置对夏玉米磷肥利用效率的影响

表4表明,不同施磷位置下夏玉米磷肥利用率、磷肥农学效率和磷肥偏生产力差异较大,以正位穴施表现较优,株间穴施次之,开沟条施最低。原阳试验点2020年夏玉米磷肥利用率ZW、ZJ较TS分别提高11.79和3.08个百分点,2021年分别增加7.79和4.95个百分点;磷肥农学效率2020年分别提高12.83和8.55 kg·kg-1,2021分别提高11.23和3.77 kg·kg-1;磷肥偏生产力均有所提高。鹤壁试验点2020年夏玉米磷肥利用率ZW、ZJ较TS分别提高12.54和8.82个百分点,2021年分别提高9.75和2.1个百分点;磷肥农学效率2020年分别提高4.83和3.19 kg·kg-1,2021年分别提高9.04和5.91 kg·kg-1;磷肥偏生产力亦均有所增加。磷肥正位穴施和株间穴施均可提高磷肥利用效率,正位穴施较佳。

表4 不同施磷位置的夏玉米磷肥利用效率

3 结论与讨论

3.1 磷肥穴施有利于夏玉米后期根系吸收磷素而实现增产

磷在土壤中的移动性很弱,磷肥施入土壤后易被吸附固定,磷素养分主要集中在施磷点位附近,因此,同一施磷水平下不同施磷位置对夏玉米磷素吸收及产量的影响不同。根区施用磷肥能够促进玉米根系生长和养分吸收,提高干物质质量[21]。在施磷(P2O5)100 kg·hm-2水平下,分层施磷较传统施磷增产7.1%,籽粒磷素积累量显著提高22.7%[13]。种间行施磷肥较均匀施肥显著提高了玉米生物量和株高,增产63.74%[15]。磷肥施入地表以下15 cm较常规施磷深度(地表以下5 cm)增产23.1%,地上部磷素积累量提高25.2%[22]。前人研究表明,不同施肥位置夏玉米施磷效应差异较大[15,23]。本研究结果表明,不同施磷位置下,大喇叭口期夏玉米地上部生物量株间穴施最高,正位穴施最低。吐丝期-成熟期正位穴施夏玉米干物质增长速率迅速提高,对夏玉米增产效果正位穴施要优于株间穴施和开沟条施。两年两地夏玉米正位穴施平均增产19.99%,地上部磷素积累量平均提高28.28%,较开沟条施平均增产9.27%和7.26%。夏玉米生育前期(吐丝期之前)正位穴施施磷地上部生物量较低,随生育期的推进,正位穴施施磷对夏玉米干物质积累和籽粒产量的促进作用明显提升,主要原因于在夏玉米生育期前期根系主要集中在浅层土壤,株间穴施和开沟条施施磷深度相对较浅,与根系接触面积相对较大,有利于根系对养分的吸收,增加地上部养分积累,提高干物质质量。正位穴施施磷深度最深,前期根系吸收养分不足,地上部生物量较低。随生育期推进,玉米根系向土壤深层延伸,上层根系比例下降,深层根系比例增加[24-25],生育后期(吐丝期之后)正位穴施磷肥养分供应充足,较好满足了夏玉米生育后期对养分的需求,为高产提供了保障。

3.2 磷肥穴施减少土壤固定促进夏玉米吸收利用而提高磷肥利用效率

磷肥利用效率是衡量施磷技术是否合理的重要指标。全国粮食主产区1 333个田间试验结果分析表明,我国玉米磷肥利用率平均约为11.0%,农学效率平均为7.5 kg·kg-1[26]。在本研究中,正位穴施两年磷肥利用率平均为29.02%和24.82%,磷肥农学效率分别为27.56和24.24 kg·kg-1;株间穴施两年磷肥利用率平均为22.81%和19.58%,磷肥农学效率分别为19.88和18.94 kg·kg-1,正位穴施和株间穴施磷肥利用效率均较开沟条施显著提升,可能是由于磷肥在穴施条件下比较集中,与土壤接触面积小,降低了土壤对磷素的固定,有效磷含量相对提高[27]。同时,株间穴施位置在每行两株玉米中间,较开沟条施与玉米根系距离更近,接触面积更大,更有利于根系对磷素的吸收利用;正位穴施在玉米根部正下方,由于玉米根系趋肥性原则,磷肥集中深施能够诱导根系向深层生长,增加深层土壤根系分布比例,促进根系对深层养分的吸收,进而提高地上部植株氮素和磷素积累[12,22,28]。在本试验条件下,正位穴施和株间穴施较开沟条施均提高了夏玉米磷肥利用效率。

夏玉米不同施磷位置增产8.64%～26.18%,两年产量均以正位穴施表现最优,平均产量分别为10 577和8 512 kg·hm-2,平均增产18.53%和20.61%,磷肥利用率平均为27.20%和26.64%。正位穴施促进了夏玉米对磷素的吸收利用,地上部植株磷素积累量和产量显著增加,磷肥利用效率较高,可作为一种夏玉米高产高效施磷技术应用。