低磷紅壤的玉米磷肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)與農(nóng)學(xué)閾值

蘇麗珍，張連婭，王思睿，曹卉敏，肖靖秀，鄭毅，2，湯利*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.云南開放大學(xué)，昆明 650599）

磷是植物三大必需營養(yǎng)元素之一，是作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的保障。但磷肥在土壤中容易被固定，當(dāng)季利用率只有5%～25%。紅壤的低pH和高能量吸附表面如鋁氧化物和氫氧化物，使其固磷能力遠(yuǎn)高于北方石灰性土壤。紅壤磷肥利用率低，磷殘留量高，且磷肥施用量大，農(nóng)戶間差異大，因而如何在保障作物產(chǎn)量的同時，減少紅壤磷固定，實現(xiàn)磷肥減施增效，從而減少環(huán)境風(fēng)險已成為旱地紅壤的重要研究方向。

土壤磷肥農(nóng)學(xué)閾值對合理施肥具有重要的指導(dǎo)意義。土壤表觀預(yù)算是通過記錄土壤中總的養(yǎng)分輸入量和總的養(yǎng)分輸出量來計算土壤養(yǎng)分的平衡量。農(nóng)田土壤中磷的表觀平衡，主要是由農(nóng)田中施用磷肥與作物磷攜出量的差別所導(dǎo)致的，通過有效的磷管理方式可減少土壤磷盈余量。利用磷肥農(nóng)學(xué)閾值來控制田間磷肥投入量在平原地區(qū)的潮土水稻田、巢湖流域麥稻輪作系統(tǒng)中已有相關(guān)研究，然而，有關(guān)南方旱地紅壤上玉米的磷肥閾值研究還較鮮見。

玉米是世界上最重要的糧食、飼料和燃料作物之一，在糧食安全和國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。西南地區(qū)玉米普遍存在磷肥施用量高、磷肥利用率低等問題。在旱地紅壤上有關(guān)施磷對根際有效磷及磷吸收的影響、對玉米根系形態(tài)的影響已有研究報道，但是對低磷紅壤農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響還缺少研究。因此，在土壤磷利用程度低和磷資源日趨減少的情況下，提高肥料磷和累積態(tài)磷的利用效率是實現(xiàn)作物增產(chǎn)、磷肥減施增效、環(huán)境友好的重要途徑。本研究以玉米為研究對象，針對西南旱地紅壤，研究不同磷肥施用量對玉米產(chǎn)量、生物量及磷肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)的影響，并建立旱地紅壤磷肥高效利用的農(nóng)學(xué)閾值，為保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)磷肥減施增效提供理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

田間定位試驗分別于2017—2019年的5—10月在云南省昆明市官渡區(qū)小哨村旱地紅壤試驗基地（102°41'～103°03'E、24°54'～25°13'N）進(jìn)行。該地海拔2 098 m，年平均氣溫15℃，年均日照2 200 h左右，無霜期240 d以上，年降水量1 035 mm。試驗地為典型山原紅壤，2017年新墾為田間定位試驗，供試土壤起始基本理化性狀為pH 4.53、有機(jī)質(zhì)含量4.49 g·kg、堿解氮含量24.0 mg·kg、速效磷含量4.02 mg·kg、速效鉀含量125.0 mg·kg。

1.2 試驗材料

供試玉米為當(dāng)?shù)刂髟云贩N“云瑞88”，試驗用氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為普通過磷酸鈣（含PO16%），鉀肥為硫酸鉀（含KO 52%）。

1.3 試驗設(shè)計

小區(qū)試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4個不同磷肥用量處理，分別施磷肥（以PO計）0、60、90 kg·hm和120 kg·hm（分 別 記 作P0、P60、P90和P120），當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)磷肥用量為PO120 kg·hm。每個處理3次重復(fù)，共12個小區(qū)。

小區(qū)面積為26 m（6.5 m×4 m），行距均為50 cm，每小區(qū)12行，每行15株，玉米株距25 cm，距邊25 cm。各處理氮、鉀肥施用量均為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，分別為氮肥（N）250 kg·hm、鉀肥（KO）75 kg·hm。供試磷肥（普通過磷酸鈣）、鉀肥（硫酸鉀）均作基肥一次施入，氮肥（尿素）分3次施用，即基肥40%、小喇叭口期25%、大喇叭口期35%。所有試驗小區(qū)玉米生育期保持澆水、除草等措施一致。

1.4 樣品采集與測定

樣品采集：于玉米成熟期取樣，每小區(qū)隨機(jī)選取5株長勢相同的植株，分別取植株莖、葉、籽粒3部分，采用抖土法收集玉米根際土。

生物量測定：植株于烘箱中105℃殺青30 min，80℃恒溫烘干至質(zhì)量恒定，分別測定干物質(zhì)量。

產(chǎn)量測定：在成熟期后，去除采樣區(qū)，選取6行產(chǎn)區(qū)玉米對每個小區(qū)進(jìn)行測產(chǎn)。

植株磷養(yǎng)分測定：將烘干后的植株粉碎，參照《土壤農(nóng)化分析》采用鉬黃比色法測定玉米莖、葉、籽粒中的全磷含量。

土壤有效磷測定：參照《土壤農(nóng)化分析》，采用0.5 mol·LNaHCO-鉬蘭比色法測定。

1.5 參數(shù)計算

（1）產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)

式中：為產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)；為每個處理的平均產(chǎn)量，kg·hm；表示每個處理產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)差，kg·hm；表示所有處理中的最大產(chǎn)量，kg·hm。

（2）磷肥農(nóng)學(xué)效率

式中：為磷肥農(nóng)學(xué)效率，kg·kg；為施磷區(qū)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg·hm；為不施磷區(qū)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg·hm；為磷肥投入量，kg·hm。

（3）磷肥表觀利用率

式中：為磷肥表觀利用率，%；、分別為施磷區(qū)與不施磷區(qū)作物磷養(yǎng)分累積量，kg·hm；為磷肥施用量，kg·hm。

（4）磷肥偏生產(chǎn)力

式中：為磷肥偏生產(chǎn)力，kg·kg；為施用磷肥作物的產(chǎn)量，kg·hm；為磷肥施用量，kg·hm。

（5）土壤表觀磷平衡

式中：Δ為土壤表觀磷平衡量，kg·hm；為施入土壤中的總磷量，kg·hm；為被作物吸收攜出的總磷量，kg·hm。

（6）磷肥施用閾值

利用土壤磷肥施用量與作物產(chǎn)量，通過線性-平臺模型模擬得出磷肥施用臨界值：

式中：為平臺預(yù)測產(chǎn)量，kg·hm；為土壤磷肥施用量，kg·hm；為預(yù)測的磷肥施用臨界值，kg·hm；為平臺預(yù)測的相對最高產(chǎn)量，kg·hm。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、繪圖。采用Origin 2021繪圖，SPSS 20.0軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷紅壤玉米產(chǎn)量效應(yīng)

2.1.1 低磷紅壤玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量效應(yīng)

從連續(xù)3 a的玉米籽粒產(chǎn)量來看（圖1），施磷使玉米顯著增產(chǎn)，玉米籽粒產(chǎn)量隨著施磷量的增加而顯著增加。由圖中箱型可知，3 a玉米籽粒產(chǎn)量在P0和P120處理下比較穩(wěn)定，在P90處理下產(chǎn)量值差異較大。由均值可知，P120處理玉米籽粒產(chǎn)量最高，與P90差異不顯著。對于不施磷的P0處理，P60、P90和P120處理分別顯著增加玉米籽粒產(chǎn)量121.91%、199.91%和210.48%。

圖1 不同施磷水平紅壤玉米籽粒產(chǎn)量Figure 1 Grain yield of maize in red soil with different P application levels

由表1可知，2017年紅壤玉米產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)隨著施磷量的增加呈上升趨勢；2018、2019年產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)隨著施磷量的增加先增加后下降，在P90處理下最高。3 a平均玉米產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)亦呈現(xiàn)隨著施磷量增加而增加的趨勢。相比于種植的第一年（2017年），種植3 a后（2019年）各施磷處理的玉米產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)均有所提高。

表1 不同施磷水平紅壤玉米產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)Table 1 Sustainable index of maize yield in red soil with different P application levels

2.1.2低磷紅壤玉米生物量效應(yīng)

由3 a的玉米秸稈生物量可以看出，施用磷肥顯著增加了玉米秸稈生物量，且P60、P90和P120處理間玉米秸稈生物量無顯著差異（圖2）。相比于P0處理，P60、P90和P120處理玉米秸稈生物量分別顯著增加145.77%、174.33%和139.03%。由圖中均值點可以看出，在P90處理下玉米秸稈生物量最高。

圖2 不同施磷水平紅壤玉米秸稈生物量Figure 2 Biomass of maize straw in red soil with different P application levels

2.2 低磷紅壤玉米磷肥利用效率

2.2.1 低磷紅壤玉米磷肥農(nóng)學(xué)效率

磷肥農(nóng)學(xué)效率通常是指投入每千克PO所增加的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，是施肥增產(chǎn)效應(yīng)的綜合體現(xiàn)。由表2可以看出，在P60、P90、P120處理下，玉米磷肥平均農(nóng)學(xué)效率隨著施磷量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且在3個施磷處理間無顯著差異。2017年P(guān)120處理比P60、P90處理磷肥農(nóng)學(xué)效率增加了10.87%和22.85%。2018年P(guān)90處理比P60、P1200處理磷肥農(nóng)學(xué)效率增加了4.88%和63.21%。2019年P(guān)90處理比P60、P120處理磷肥農(nóng)學(xué)效率增加了37.78%和47.99%。

2.2.2 低磷紅壤玉米磷肥表觀利用率

磷肥表觀利用率表征施入土壤中的磷肥當(dāng)季被作物吸收利用的程度。由表2可知，施磷量的增加降低了玉米磷肥表觀利用率。2017、2018、2019年的數(shù)據(jù)均表明，在P60處理下，玉米磷肥表觀利用率最高，磷肥的增加降低了玉米當(dāng)季磷肥表觀利用率。2018年玉米磷肥當(dāng)季表觀利用率在3個處理間無顯著差異。

2.2.3 低磷紅壤玉米磷肥偏生產(chǎn)力

磷肥偏生產(chǎn)力是反映當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分水平和磷肥施用量綜合效益的重要指標(biāo)。依表2可知，2017、2018年間，玉米磷肥偏生產(chǎn)力均在P60水平下最高。綜合3 a結(jié)果來看，玉米磷肥偏生產(chǎn)力呈現(xiàn)隨施磷量的增加而減少的趨勢。

表2 不同施磷水平玉米磷肥利用效應(yīng)Table 2 Phosphorus utilization effect of maize with different phosphorus levels

2.3 低磷紅壤玉米有效磷含量

由圖3可知，施磷量對低磷紅壤玉米根際土壤有效磷含量影響顯著，施用磷肥提高了玉米根際土壤有效磷含量，連續(xù)3 a施用磷肥的玉米，土壤有效磷平均值隨著施磷水平的增加而顯著增加。與P0處理相比，P60、P90和P120處理3 a平均分別顯著提高玉米根際土壤有效磷含量163.00%、252.01%和313.44%。

圖3 不同施磷水平紅壤玉米根際土壤有效磷含量Figure 3 Available P content in maize rhizosphere soil of red soil with different P application levels

2.4 低磷紅壤玉米表觀磷平衡

土壤表觀磷平衡可衡量農(nóng)田土壤磷素輸入、輸出狀況，為合理施肥和農(nóng)田土壤健康發(fā)展提供參考。隨著施磷量的增加，土壤表觀磷平衡量逐漸增加。利用土壤表觀磷平衡量與土壤磷肥施用量建立一元一次方程，設(shè)施磷量為，表觀磷平衡量為，得出的相關(guān)方程式見圖4。

圖4 紅壤玉米表觀磷平衡量與施磷量的關(guān)系Figure 4 Relationship between apparent P equilibrium and P application rate of maize in red soil

由線性方程得出，當(dāng)土壤表觀磷平衡量Δ=0時，2017—2019年玉米磷肥施用量分別為23.00、19.89 kg·hm和20.58 kg·hm。故在土壤速效磷含量極低的旱地紅壤上玉米磷素持平時的磷肥施用量為19.89～23.00 kg·hm。

2.5 低磷紅壤玉米磷肥農(nóng)學(xué)閾值

利用土壤磷肥施用量與作物產(chǎn)量，通過線性-平臺模型模擬得出非線性關(guān)系，擬合方程見圖5。選擇的數(shù)據(jù)為該試驗地點2017、2018、2019年各處理的磷肥施用量與玉米籽粒產(chǎn)量。

圖5 玉米產(chǎn)量對磷肥施用量的響應(yīng)Figure 5 Response of maize yield to P fertilizer application rate

通過擬合方程計算得出，該試驗地點玉米磷肥施用量的臨界值為97.04 kg·hm，此時能達(dá)到平臺最大產(chǎn)量3 278 kg·hm。當(dāng)玉米磷肥施用量低于該閾值時，玉米籽粒產(chǎn)量隨著施肥量的增加而顯著增加，當(dāng)磷肥施用量高于該磷肥閾值時，玉米增產(chǎn)效果不明顯。

3 討論

3 a定位試驗結(jié)果顯示，相較于不施磷處理，施磷60、90、120 kg·hm使玉米籽粒產(chǎn)量分別提高了121.91%、199.91%和210.48%（圖1）；使玉米秸稈生物量分別增加了145.77%、174.33%和139.03%（圖2）。在土壤有效磷背景值極低的旱地酸性土壤上（速效磷含量4.02 mg·kg，pH 4.53），長期不施磷肥處理的玉米籽粒產(chǎn)量及秸稈生物量均呈現(xiàn)下降趨勢，而施用磷肥后玉米籽粒產(chǎn)量及玉米秸稈生物量逐年上升。吉慶凱等的研究表明，長期（7 a）定位施磷能顯著提高作物產(chǎn)量。

施用磷肥可提高作物產(chǎn)量，但過量磷肥卻不能被作物充分利用，從而造成磷素資源浪費及土壤磷素累積。本研究中，3 a定位試驗下，低磷紅壤玉米磷肥農(nóng)學(xué)效率隨著施磷量的增加先增加后下降，但3個處理的平均值間無顯著差異；低磷紅壤玉米磷肥表觀利用率、磷肥偏生產(chǎn)力均隨著施磷量的增加而降低，在P60處理下最高，P120處理顯著低于P60和P90處理（表2）。一般情況下，磷肥當(dāng)季利用率僅有10%～25%。顏曉軍等的2 a玉米田間磷肥梯度定位試驗結(jié)果表明，磷素生理效率、回收利用率、農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力均隨著磷肥施用量的增加而明顯下降。張磊等通過2 a田間定位試驗，研究不同磷肥用量對東北黑土區(qū)玉米籽粒產(chǎn)量、磷肥利用效率的影響，結(jié)果表明，施磷顯著提高了東北黑土區(qū)玉米產(chǎn)量，玉米磷素吸收利用率和農(nóng)學(xué)利用率隨施磷量的增加先增加后降低，磷肥偏生產(chǎn)力隨施磷量增加呈現(xiàn)降低的趨勢。郝中明等的研究結(jié)果也表明春玉米磷肥利用率、磷肥偏生產(chǎn)力、磷肥農(nóng)學(xué)效率、磷素吸收效率均隨施磷量的增加而降低。

施入土壤中的磷肥可以增加土壤磷庫，維持土壤磷素平衡及作物的營養(yǎng)需求。長期不施磷肥的土壤中磷素含量明顯下降，施用磷肥或合理的耕作方式對土壤磷素含量下降有一定的延緩作用。研究表明，長期施用磷肥有利于土壤有效磷的累積。本研究結(jié)果表明，連續(xù)3 a不施磷肥，玉米土壤有效磷含量較種植前降低，施用磷肥顯著增加玉米土壤有效磷含量。合理施用磷肥除了要考慮作物產(chǎn)出效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和磷肥利用效應(yīng)等指標(biāo)之外，還應(yīng)考慮環(huán)境效應(yīng)，另外施肥后農(nóng)田磷素平衡也應(yīng)作為施肥量的參考指標(biāo)。本研究結(jié)果顯示，土壤處于磷素平衡狀態(tài)時的施磷量為19.89～23.00 kg·hm，當(dāng)施磷量低于這個閾值時，土壤處于虧損狀態(tài)，當(dāng)施磷量超過這個閾值時，土壤處于盈余狀態(tài)。在第一年種植中，土壤磷平衡的施磷量為23.00 kg·hm，經(jīng)過3 a的定位施磷試驗，土壤磷平衡的施磷量下降至20.58 kg·hm，這表明隨著施磷年限的增加，磷素累積在土壤中的量逐漸增加，長期施磷將會對土壤造成負(fù)擔(dān)，給環(huán)境帶來影響。王淑英等的研究結(jié)果表明，黃土旱塬地區(qū)黑壚土磷肥年平均投入量達(dá)22.9 kg·hm時，土壤磷呈平衡狀態(tài)。

玉米產(chǎn)量農(nóng)學(xué)閾值研究結(jié)果顯示，玉米施磷量臨界值為97.04 kg·hm，此時能達(dá)到籽粒最大產(chǎn)量。當(dāng)磷肥施用量增加到一定程度時，玉米增產(chǎn)效果不再明顯。連彩云等的研究結(jié)果表明，干旱綠洲灌區(qū)大白菜在磷肥投入量為112.52 kg·hm時達(dá)到最大產(chǎn)量。本研究中，相比于當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施磷量（P120），P90處理即能達(dá)到最優(yōu)產(chǎn)量，此施磷量相比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施磷量減少33.33%，但玉米生物量、產(chǎn)量與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)處理無顯著差異。因此在南方低磷酸性旱地紅壤上，在維持玉米產(chǎn)量情況下，研究磷肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)及農(nóng)學(xué)閾值，可以為優(yōu)化西南酸性紅壤區(qū)玉米磷肥管理措施，降低環(huán)境風(fēng)險提供依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）在西南酸性土壤地區(qū)，施磷可以滿足作物生長需求，保證作物產(chǎn)量穩(wěn)定，促進(jìn)作物對磷肥的吸收利用，提高磷肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)。長期過量的磷投入會降低土壤磷平衡閾值，造成環(huán)境危害。在原始磷含量極低的旱地紅壤區(qū)，為滿足作物產(chǎn)量，磷肥施用閾值為97.04 kg·hm。

（2）在本試驗土壤背景下，施磷90 kg·hm為減磷增效的綠色發(fā)展模式。但不同土壤類型、不同土壤磷素水平下磷素農(nóng)學(xué)效應(yīng)及農(nóng)學(xué)閾值尚需進(jìn)一步研究，以便更全面、更客觀地研究紅壤磷肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)及農(nóng)學(xué)閾值。