不同磷肥用量對玉米產(chǎn)量及磷素流失的影響

江 帆 ，張玉平 ，李安鄉(xiāng) ，曾新保 ，陳歷儒 ，陳紅日

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙410128；2.岳陽市農(nóng)業(yè)綜合檢驗檢測中心，湖南岳陽414000）

中國是人口眾多的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中過量的化肥與農(nóng)藥投入、畜禽糞便不合理排放等，不僅給農(nóng)業(yè)系統(tǒng)造成了破壞，環(huán)境也受到了極大的影響[1]。中國面源污染嚴(yán)重，造成這種局面的重要原因之一是氮、磷的過量施用，使水體污染十分嚴(yán)峻。從造成污染的原因出發(fā)，減少排放量，是一個十分有效且重要的方法[2]。有研究表明[3]，農(nóng)田地表徑流是引起湖泊、河流水體發(fā)生富營養(yǎng)化的重要來源，其貢獻率分別達(dá)50%和60%[4]，因此，控制和減少農(nóng)田地表流失是防控農(nóng)業(yè)面源污染的重要途徑之一。

磷肥的過量施用會導(dǎo)致作物減產(chǎn)，適當(dāng)減施磷肥能夠使作物增產(chǎn)或者穩(wěn)產(chǎn)，這樣既提升了經(jīng)濟效益，又減少了化肥對環(huán)境的污染。從生育期來看，全磷在土壤中的含量表現(xiàn)為較為平緩的水平，這個現(xiàn)象說明，在目前的施肥水平下土壤中的磷素基本能夠滿足玉米的生長發(fā)育，并且使得土壤中的磷素含量保持在一定水平[4]。作物所能吸收肥料養(yǎng)分的比率則為肥料利用率[5]，肥料利用率是十分有效的評估指標(biāo)，在對植物進行合理施肥方案評估時具有關(guān)鍵作用[6]。深入研究養(yǎng)分投入產(chǎn)出平衡狀況和肥料利用率，對于明確施肥對土壤環(huán)境質(zhì)量、施肥效益和土壤持續(xù)供肥能力，具有重要的意義。各種研究試驗表明[7]，磷肥減量是提高肥料養(yǎng)分利用效率的一種方式。有研究認(rèn)為水稻吸磷量與磷肥施入量呈多元相關(guān)，且水稻移栽期、拔節(jié)期、拔節(jié)齊穗期、齊穗成熟期的需磷量占總施磷量的14.5%～19.3%，25.3%～29.0%，47.8%～52.1%和0.7%～8.2%[8]。龔蓉和劉強[9]通過玉米減磷施用試驗發(fā)現(xiàn)，磷肥減量施用后玉米的磷肥利用率提高，減量30%后的磷肥利用率顯著高于其他處理1.61個百分點以上。彭佩欽等[2]對洞庭湖區(qū)紅壤坡地玉米進行減氮控磷試驗，結(jié)果表明，減少一定量的磷肥投入有利于提高磷肥利用率，且玉米不會減產(chǎn)。段剛強等[10]找到了提高磷肥利用率的調(diào)控措施，對節(jié)約磷肥使用成本和玉米增產(chǎn)有重要意義。段然等[11]、尹麗輝[12]也做了相關(guān)研究，其結(jié)果都表明減量施用磷肥，其利用率要高于常規(guī)施肥，且磷肥利用率與施肥量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

近年來，隨著國家對農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的高度重視，研究作物合理化減量施肥已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點。本研究針對中南丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的特點，以防控養(yǎng)分流失為目的，以源頭減量與控制為途徑，采用玉米－小白菜輪作模式，利用2013年建立并開始試驗的田間小區(qū)進行長期定位試驗，研究探討過磷酸鈣分別減量10%，20%和30%對南方旱地地表流失與淋溶、玉米產(chǎn)量與肥料利用等的影響，為旱地玉米合理施肥，降低施肥對周圍水體的環(huán)境影響提供重要依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013年開始，布置于湖南省瀏陽市湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗基地，地處湖南省瀏陽市沿溪鎮(zhèn)，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，全年的降水量集中在6—9月，年均降水量約為1 552.3 mm，年均氣溫為17.3℃。試驗地土壤基本理化性狀為：pH值 5.69，有機質(zhì) 11.30 g·kg-1，全氮、全磷、全鉀分別為 1.56，0.48，14.48 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀分別為 59.67，12.23 和 152.24 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

供試玉米品種：掖單13號。供試土壤：河流沖積物發(fā)育的河潮土。供試肥料品種為：尿素（N 46%），鈣鎂磷肥（P2O512%），過磷酸鈣（P2O512%），氯化鉀（K2O 60%）。

1.3 試驗方法

采用田間小區(qū)長期定位試驗，此研究為試驗的第4年。試驗設(shè)如下處理：T1，不施磷肥；T2，過磷酸鈣常量施肥；T3，過磷酸鈣減磷10%；T4，過磷酸鈣減磷20%；T5，過磷酸鈣減磷30%。重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列，具體施肥量見表1。5個處理氮磷鉀肥施肥量一致，為 N 240 kg·hm-2，K2O 150 kg·hm-2；常量磷肥為P2O5120 kg·hm-2。其中氮肥分基肥、苗肥、穗肥分 3 次施入，比例為 3∶3∶4，將磷肥全部作基肥，鉀肥按1∶1的比例分基肥穗肥2次施入，采用常規(guī)田間管理。

表1 各處理施肥量方案 （kg·hm-2）

1.4 試驗徑流池建設(shè)及樣品采集

試驗小區(qū)面積為20 m2，長5 m，寬4 m。每個小區(qū)一側(cè)分別修筑灌水溝，寬30 cm，深30 cm，其頂部與水泥田埂持平，灌水溝相連，并通到田塊總進水口；每個小區(qū)用水泥田埂隔開，小區(qū)田埂高出地面30 cm，下深70 cm。在小區(qū)另一側(cè)修筑地表徑流收集池，收集池內(nèi)壁長2 m，寬0.5 m，深1 m，池壁墻寬度為30 cm，底層設(shè)置一個出口并安裝排放閥，徑流收集池加PVC蓋板。徑流收集池連通排水溝，方便每次取樣后徑流池排水，排水溝深110 cm，排水溝相連，并通到田塊總排水口。每次降雨結(jié)束并產(chǎn)生徑流液后，測量各個徑流池內(nèi)水深度，并計算徑流水體積；每個徑流池用干凈塑料瓶取充分混勻的水樣500 mL，立即帶回實驗室分析。取樣結(jié)束后，打開徑流池閥門，將徑流池內(nèi)的徑流水排干并清洗干凈，蓋好蓋板，以備下次降雨用。

1.5 測定方法

總磷（totalphosphorus，TP）：取部分徑流液用過硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法測定[13]；可溶性總磷（total dissolvedphosphorus，TDP）：取部分徑流液過0.45 μm濾膜，收集濾液用過硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法測定[13]；顆粒態(tài)磷（particle phosphorus，PP）=總磷-可溶性磷。

1.6 數(shù)據(jù)計算與處理

磷徑流量=徑流液體積×徑流液中磷濃度，磷肥利用率＝施磷肥區(qū)與不施磷肥區(qū)地上部磷素積累量之差占施磷量的百分比，所有試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003進行整理和作圖，不同處理間差異采取DPS v7.05版軟件進行單因素方差分析，LSD法進行顯著性檢驗（P＜0.05），所有結(jié)果數(shù)據(jù)均以平均值的形式表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷肥減量對徑流量的損失影響

試驗期間共發(fā)生過6次有效徑流事件。各處理徑流總量如圖1所示：T1，2 250.00 L、T2，1 976.67L、T3，2 185.00 L、T4，2 295.00 L、T5，1 724.00 L，與未施磷肥的處理相比，過磷酸鈣常量施用徑流量降低了273.33 L，減磷10%降低了65 L，減磷20%增加了45 L，減磷30%減少了526 L，與過磷酸鈣常量施用相比，過磷酸鈣減量施用的磷素徑流量明顯下降，由此表明，磷素影響地表作物生長才影響到徑流量。各減磷處理中減磷10%與減磷30%降低了徑流量損失，而減磷20%則增加了徑流量的損失，方差分析表明：過磷酸鈣常量處理與不施磷肥處理之間不顯著，與減磷10%、減磷20%之間差異顯著，減磷10%處理與減磷20%處理之間的差異不顯著，而減磷10%、減磷20%與減磷30%差異顯著，由此可知，過磷酸鈣的施用對徑流量有影響，以減磷30%的效果最佳。

圖1 不同施磷處理徑流總量情況

2.2 磷肥減量徑流對總磷損失的影響

如圖2示，T1～T5處理徑流TP損失負(fù)荷分別為 0.29，1.14，0.72，0.78，0.69 kg·hm-2，T2～T5 磷損失率分別為0.95%，0.67%，0.81%，0.82%。與未施磷肥的處理比較，過磷酸鈣常量施用的磷損失總量增加了 0.85 kg·hm-2，減磷10%、20%和 30%的磷損失量分別增加了 0.43，0.52，0.4 kg·hm-2，與常量過磷酸鈣施用相比，過磷酸鈣減磷10%，20%和30%的磷素?fù)p失量分別降低了36.84%，31.58%和39.47%，方差分析表明：過磷酸鈣常量施用與不施磷肥差異顯著，與減磷各處理間相比，差異也顯著。減磷10%處理與減磷20%處理之間差異不顯著，但減磷10%、減磷20%與減磷30%差異顯著。

圖2 不同施磷處理總磷徑流損失情況

2.3 磷肥減量對滲漏總磷損失的影響

如圖3所示，試驗期間T1～T5處理滲漏TP損失負(fù)荷分別為 0.021 6，0.091 5，0.079 2，0.069 1，0.052 4 kg·hm-2，T2～T5 磷損失率分別為 0.076%，0.073%，0.072%和0.062%。與不施磷肥相比，常量過磷酸鈣常量施用處理的磷損失總量增加了0.069 9 kg·hm-2，減磷 10%、減磷 20%、減磷 30%分別增加了 0.057 6，0.047 5，0.030 8 kg·hm-2，與過磷酸鈣常量施用處理相比，減磷10%（T4）、減磷 20%（T5）、減磷 30%（T6）分別減少了 13.44%，24.48%，42.73%，且隨著施肥量的減少，滲漏總磷損失也相應(yīng)減少。減磷各處理間相比，減磷30%的損失量最小，減磷20%次之，減磷10%最大。方差分析表明：過磷酸鈣常量施用與不施磷肥處理之間差異顯著，與減磷10%、減磷20%、減磷30%之間差異顯著，減磷各處理間差異顯著，減磷施用在一定程度上減少了作物生育期間徑流的磷損失量。其過磷酸鈣常量施用總磷損失最大，隨著磷肥的減量施用，磷素的損失逐漸減少，磷肥減量化施用在一定程度上降低了徑流液中的磷流失量。減磷30%是除T1處理外徑流總磷流失量最少的，能最大限度地減少旱地徑流總磷流失量，表明減少磷肥施用量是減少磷流失量的重要措施之一。

圖3 不同施磷處理總磷滲漏損失情況

2.4 磷肥減量對可溶性磷與顆粒態(tài)磷的影響

2013—2015年研究結(jié)果都表明：減量施用磷肥能夠提高可溶性磷與顆粒態(tài)磷的含量，減量施用磷肥能夠降低可溶性磷的流失量，證實了本研究的真實性。

如圖4所示，T1，0.044kg·hm-2、T2，0.105kg·hm-2、T3，0.171kg·hm-2、T4，0.184kg·hm-2、T5，0.163 kg·hm-2。由此可知，與不施磷肥相比，過磷酸鈣常量施用可溶性流失量增加了0.061 kg·hm-2，減磷各處理分別增加了 0.127，0.140 和 0.119 kg·hm-2，與過磷酸鈣常量施肥相比，減磷10%～30%的可溶性磷含量的流失量較大，分別增加了62.9%，75.2%和55.2%，減磷各處理之間，減磷30%損失量最少，減磷10%次之，減磷20%最大，徑流磷的流失主要以顆粒態(tài)磷為主要流失形態(tài)，占總磷的68%～78%，而可溶性磷則少于32%。與不施磷肥處理處理相比，施用磷肥增加了徑流可溶性磷的流失量，減磷處理顯著增加了徑流可溶性磷的流失量，與過磷酸鈣施用相比，磷肥減量使用可以減少徑流可溶性磷的流失量。方差分析表明：過磷酸鈣常量施用與不施磷肥處理之間差異顯著，與減磷10%、減磷20%、減磷30%之間差異顯著，減磷各處理間差異顯著。

圖4 可溶性磷徑流損失情況

就顆粒態(tài)磷而言，如圖5所示：不同磷肥處理的顆粒態(tài)磷的含量分別為 T1，0.246 kg·hm-2、T2，1.036 kg·hm-2、T3，0.550 kg·hm-2、T4，0.559 kg·hm-2、T5，0.524kg·hm-2。與不施磷肥處理相比，其他各處理均降低了徑流顆粒態(tài)磷的流失量，過磷酸鈣常量處理增加了0.79 kg·hm-2、減磷各處理分別增加了 0.304，0.313 和 0.278 kg·hm-2，且隨著磷肥減量的增加，流失量有減少的趨勢。與常規(guī)施肥相比，減磷各處理分別減少了0.486，0.447和0.512 kg·hm-2，減磷各處理間，減磷30%處理顯著降低了徑流顆粒態(tài)磷的流失量，減磷10%次之，減磷20%最大。方差分析表明：過磷酸鈣常量施用與不施磷肥處理之間差異顯著，與減磷各處理間相比差異也顯著，而減磷各處理間差異不顯著，與過磷酸鈣常量施用處理相比，減磷處理顯著提高了磷肥利用率。

圖5 顆粒態(tài)磷徑流損失情況

2.5 磷肥減量對玉米籽粒產(chǎn)量的影響

如圖6所示，T1～T5處理玉米籽粒產(chǎn)量分別為5.980，11.11，10.990，10.45 和 9.63 kg·hm-2，與不施磷肥處理相比，過磷酸鈣常量施用增產(chǎn)了5.13 kg·hm-2，減磷各處理分別增產(chǎn)了5.01，4.48和3.65 kg·hm-2，與過磷酸鈣常量施肥處理相比，減量施肥各處理玉米籽粒產(chǎn)量均有所下降，其中減磷10%處理減產(chǎn) 0.12 kg·hm-2，減磷 20%處理增產(chǎn)0.66 kg·hm-2，減磷30%增產(chǎn)1.48 kg·hm-2。減磷各處理間減磷30%減產(chǎn)最低，其次是減磷20%，減磷10%最高。方差分析表明：過磷酸鉀常量施用與減磷10%、減磷20%差異不顯著，而與減磷30%之間差異顯著。這說明可以在維持玉米的產(chǎn)量同時在一定程度減少磷肥施用量。

圖6 不同施磷處理下玉米籽粒產(chǎn)量狀況

2.6 磷肥減量對磷肥利用率的影響

磷對玉米的生長有著至關(guān)重要的作用，其施用量也對產(chǎn)量有著重要的影響，并且玉米對磷素的缺失表現(xiàn)十分明顯，對土壤中的磷素含量也有一定的影響[14]。磷肥利用率是磷肥施用效果的衡量標(biāo)準(zhǔn)[15]。本試驗T1～T5各處理的地上部磷素累積量分別為 2.20，9.62，9.09，8.96 和 8.50 kg·hm-2。由圖7可知：磷肥減量施用后，各處理玉米的磷肥利用率均有所提高。各處理的肥料利用率分別為9.85%，10.45%，11.63%和 12.74%。方差分析表明：過磷酸常量施用與減磷10%之間不顯著，減磷20%與減磷30%之間差異也不顯著，但減磷30%的肥料利用率顯著高于其他各處理。試驗結(jié)果表明，在一定程度上減磷可提高磷肥利用率。

圖7 不同磷肥處理的磷肥利用率的分析

3 結(jié)論與討論

磷在土壤中的移動以擴散為主。由于磷易被土壤固定，其移動性很差，移動距離通常在3～5 cm[16]，因此，常常造成植物吸收困難，同時也成了影響玉米生長和產(chǎn)量提高的限制因子，所以施用磷肥對玉米磷吸收和利用效率的影響規(guī)律可以較好地指導(dǎo)玉米生產(chǎn)中科學(xué)高效地施用磷。磷在植物中對各個器官中的積累與分配有著重要作用，且在植物體內(nèi)其移動性強[17]。王生錄[18]認(rèn)為增施磷肥對提高土壤速效磷具有重要作用，謝林花等[19]認(rèn)為長期單施化肥可增加土壤全磷、無機磷和速效磷含量。合理的磷肥投入量不僅是產(chǎn)量的保證，也是保護環(huán)境與提高經(jīng)濟效益的舉措。

研究表明，磷肥的減量施用對地表徑流而言是一個動態(tài)而緩慢的過程[20]，施入土壤中的磷素易被吸附，影響植物體內(nèi)磷素流失的因子可能是耕作、施肥方式等[21]，從本研究結(jié)果看，顆粒態(tài)磷的徑流損失中，過磷酸鈣常量施用與不施磷肥處理之間差異顯著，與減磷10%，減磷20%，減磷30%之間差異顯著，減磷各處理間差異顯著。可見，肥料減量施用對于保護環(huán)境、提高產(chǎn)量而言是一種雙贏的較優(yōu)處理方案。

本研究中采用的減磷施用方法對徑流水中總磷流失的控制有顯著的影響，與李恩堯等[22]在洞庭湖區(qū)紅壤旱坡地中的試驗結(jié)果較一致。從流失特征分析，研究表明土壤中的磷素以徑流的方式流失，進入到水體之中，致使水體富營養(yǎng)化，水體環(huán)境污染[23]。然而，由于施肥方式和耕作管理措施不當(dāng)，很大一部分的氮素和磷素通過地表徑流和地下滲漏過程流失。不僅造成了的浪費，更成為了水源污染、水體富營養(yǎng)化、水質(zhì)惡化的主要原因。要解決這個問題就必須了解氮磷養(yǎng)分流失特征，王靜等[24]研究表明：徑流流失是磷素流失最主要的形態(tài)。可以通過在地表徑流磷素遷移過程中增加能夠有效削減磷素的景觀單元來控制磷素流失，如在丘陵地區(qū)大面積修建水塘或在農(nóng)田邊修建較寬的植被緩沖帶等方法[25]。比較不同生態(tài)區(qū)玉米的施磷反應(yīng)與磷肥利用效率發(fā)現(xiàn)，其增產(chǎn)效果、農(nóng)學(xué)利用率和肥料貢獻率總體上相對較高。隨著土壤有效磷含量的遞增，磷肥利用率呈持續(xù)下降趨勢，當(dāng)土壤有效磷含量達(dá)到37 mg·kg-1以上時，夏玉米磷肥利用率降到5%以下，施用磷肥的增產(chǎn)作用已經(jīng)非常微弱。

造成旱地土壤磷養(yǎng)分徑流流失的因素很多，如降水量、降水時機等氣象因素，土體質(zhì)地、容重、有機質(zhì)含量、養(yǎng)分含量等土壤因素，坡度、地下水等地理水文因素和施肥量、施肥方法、灌溉、輪作制度等田間管理因素。多數(shù)研究認(rèn)為，農(nóng)田土壤磷徑流流失的主要形態(tài)是顆粒態(tài)磷。研究結(jié)果表明：不同施肥處理間的作物產(chǎn)量具有明顯的差異性，且隨著磷肥施用量的增大，磷肥利用率及農(nóng)學(xué)利用效率呈先增加后降低的趨勢?？傮w來說，一定程度的減磷施用，不僅可以降低地表磷素?fù)p失，提高磷肥利用率，同時還可以維持玉米高產(chǎn)。