高肥力土壤下馬鈴薯磷肥利用及投入閾值研究

摘要：為探究農(nóng)田磷肥投入閾值，保證馬鈴薯產(chǎn)量的同時(shí)減少磷養(yǎng)分進(jìn)人流域水體的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)田間試驗(yàn)研究了5種施磷處理（以P2O5計(jì)）：0、90、135、180、225 kg·hm-2對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、土壤有效磷累積、土壤磷平衡及磷肥利用率的影響。結(jié)果表明，施磷能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為3 5.3%-44.7%。馬鈴薯產(chǎn)量隨施磷量的增加呈先增后減趨勢(shì)，其中以施磷180 kg·hm-2處理的馬鈴薯產(chǎn)量最高，為33 020 kg·hm-2。磷肥偏生產(chǎn)力和磷肥農(nóng)學(xué)利用率均隨施磷量的增加呈下降趨勢(shì)，而磷肥表觀利用率差異不顯著。0-60 cm土層有效磷含量和累積量均隨施磷量的增加呈增加趨勢(shì)；各處理0-40 cm土層有效磷累積量占0-60 cm土層有效磷累積總量的78.6%-88.1%。將磷素盈余與施磷量、馬鈴薯產(chǎn)量、土壤有效磷含量和累積量、磷肥利用效率分別進(jìn)行擬合，當(dāng)磷素盈余為o時(shí)，施磷量為137.5 kg·hm-2，馬鈴薯產(chǎn)量為32 756 kg·hm-2，0-20、20-40 cm和40-60 cm土層有效磷含量分別為70.5、49.4mg·kg-1和19.7 mg·kg-1，有效磷累積量分別為150.8、161.9 kg·hm-2和64.8 kg·hm-2，磷肥偏生產(chǎn)力為242.1 kg·kg-1，磷肥農(nóng)學(xué)利用率為72.7 kg·kg-1。研究表明，在洱海流域高肥力水平農(nóng)用地區(qū)域，施磷量131-144 kg·hm-2可作為馬鈴薯高產(chǎn)且環(huán)境友好的磷肥投入閾值。

關(guān)鍵詞：施磷量；馬鈴薯產(chǎn)量；土壤磷盈余；磷閾值

中圖分類(lèi)號(hào)：S532 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）08-1838-08 doi：10.11654/jaes.2024-0071

馬鈴薯因其耐寒、耐旱、耐瘠薄、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為目前僅次于水稻、小麥和玉米的世界第四大糧食作物。2022年大理州馬鈴薯種植面積為17 442hm2，總產(chǎn)約400 092 t，不僅是當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的口糧，也是重要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源。磷作為植物營(yíng)養(yǎng)“三要素”之一，在作物生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量形成方面起著至關(guān)重要的作用。但磷素在土壤中移動(dòng)性較差，易被固定，當(dāng)季磷肥利用率一般只有10% - 25%。盲目過(guò)量施用磷肥追求產(chǎn)量的現(xiàn)象普遍存在，并已造成了周邊水體富營(yíng)養(yǎng)化。因此，合理施用磷肥對(duì)保證作物產(chǎn)量和減輕環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有重要的實(shí)踐意義。

近年來(lái)，由于糧食需求的不斷擴(kuò)大，農(nóng)田有機(jī)肥和化學(xué)肥料的投入大量增加，在許多區(qū)域形成高肥力土壤背景。高肥力背景下磷肥的合理施用多基于調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤磷平衡，通過(guò)控制磷肥投入量與作物吸磷量之間的差值可有效減少土壤磷盈余量。目前，關(guān)于磷肥施用對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和肥料利用率影響的研究已較多，且大部分只注重產(chǎn)量效益，針對(duì)洱海流域高肥力土壤下磷肥施用對(duì)馬鈴薯磷素吸收、土壤有效磷分布累積以及磷肥利用率的綜合研究鮮有報(bào)道。因此，研究磷肥施用量對(duì)馬鈴薯栽培中土壤有效磷的運(yùn)移累積、磷素平衡和磷素利用規(guī)律，可以探明磷素在土壤—馬鈴薯體系中的循環(huán)過(guò)程，得到能兼顧馬鈴薯產(chǎn)量和環(huán)境安全的磷肥投入閾值。

洱海流域作為典型的高肥力土壤區(qū)域，土地利用強(qiáng)度高，肥料投入量大，養(yǎng)分大量流失引起的水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化已成為流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染的重要問(wèn)題。在保障作物產(chǎn)量的同時(shí)，利用合理的施肥技術(shù)控制農(nóng)業(yè)面源污染，減少高肥力土壤區(qū)域磷污染尤為重要。因此，本研究以馬鈴薯為對(duì)象，探究不同磷肥施用量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、磷肥利用率、土壤有效磷變化及土壤磷素平衡的影響，綜合產(chǎn)量和環(huán)境效益確定磷肥高效利用閾值，為高肥力土壤條件下馬鈴薯合理施肥和降低磷素面源污染風(fēng)險(xiǎn)以及促進(jìn)區(qū)域農(nóng)田土壤磷素資源管理提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

2023年1-5月于云南省大理白族自治州大理市灣橋鎮(zhèn)古生村（25°36＇-25°58＇N，100°06＇-100°18＇E）開(kāi)展試驗(yàn)，年均氣溫15.7℃，年平均降雨量1 000mm，年平均日照數(shù)2 276.6 h，年平均無(wú)霜期230 d。試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)為：pH 6.13、有機(jī)質(zhì)含量57.3 g·kg-1、堿解氮含量241 mg·kg-1、有效磷含量65.3mg·kg-1、速效鉀含量110.0 mg·kg-1、容重1.07 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)小區(qū)面積4 m×6 m，設(shè)置0（P0）、90（P1）、135（P2）、180（P3）、225（P4） kg·hm-2 5個(gè)施磷處理，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)磷肥施用量為（以P2O5計(jì)）225 kg·hm-2。每個(gè)處理3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，區(qū)組內(nèi)小區(qū)隨機(jī)排列。供試作物：滇薯“1418”。供試肥料：尿素（含N 46%），普通過(guò)磷酸鈣（含P2O5 16%），農(nóng)用硫酸鉀（含K2O52%）。各處理氮肥施用量（N）均為180 kg·hm-2，鉀肥施用量（K2O）均為240 kg·hm-2。采用單壟單行覆膜種植，整地后開(kāi)溝起壟，壟高30 cm，壟寬60 cm，溝距30 cm，每小區(qū)7壟。在壟面中央位置開(kāi)出約15 cm深小溝，按株距15 cm放置種薯，每壟26株。基肥施人種薯兩側(cè)，避免種薯和肥料直接接觸，最后翻土覆蓋。供試氮肥2/3作基肥施入，1/3作追肥施入；磷和鉀肥全部以基肥施入。試驗(yàn)地四周設(shè)保護(hù)行，各田間管理措施均按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式進(jìn)行。

1.3 樣品采集與測(cè)定

分別于馬鈴薯生長(zhǎng)的塊莖形成期（2023年3月13日）、塊莖膨大期（2023年4月28日）和成熟期（2023年5月9日）采集植株和土壤樣品。

植株：各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)取4株完整的馬鈴薯植株，按葉、莖、塊莖和根于105℃下殺青30 min，80℃下烘至質(zhì)量恒定，分別計(jì)算全株干質(zhì)量、各器官干質(zhì)量。植株粉碎后保存，用于測(cè)定植株全磷。植株全磷采用H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法測(cè)定。

土壤：按五點(diǎn)法取樣，分別在小區(qū)壟面中央位置用土鉆采集0-20、20-40 cm和40-60 cm土壤樣品，相同土層的5鉆土樣混合均勻后裝入封口袋保存，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。風(fēng)干土壤樣品過(guò)1 mm尼龍篩用于測(cè)定有效磷含量。土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定。

產(chǎn)量：在馬鈴薯成熟期，去除采樣行，分別收獲各試驗(yàn)小區(qū)馬鈴薯塊莖并測(cè)產(chǎn)。

1.4 計(jì)算公式

（1）植株磷素累積量（kg·hm-2）=干物質(zhì)累積量×植株磷素含量；

（2）植株磷素分配率=各器官磷素累積量／全株磷素累積量×100%；

（3）作物吸磷量（kg·hm-2）=塊莖生物量×塊莖含磷量+葉片生物量×葉片含磷量+莖稈生物量×莖稈含磷量+根生物量×根含磷量；

（4）磷肥偏生產(chǎn)力（PFP，kg·kg-1）=施磷處理作物產(chǎn)量／施磷量；

（5）磷肥農(nóng)學(xué)利用率（AE，kg·kg-1）=（施磷處理作物產(chǎn)量-不施磷處理作物產(chǎn)量）／施磷量；

（6）磷肥表觀利用率（RE）=[（施磷處理作物吸磷量-不施磷處理作物吸磷量）／施磷量]×100%；

（7）土壤表觀磷盈余（kg·hm-2）=磷肥投入量-作物吸磷量；

（8）土壤有效磷累積量（kg·hm-2）=土層厚度×土壤容重X土壤有效磷含量×0.1；

（9）磷肥投入閾值（kg·hm-2）：

通過(guò)線性模型模擬磷素盈余和施磷量之間的關(guān)系，以磷素盈余為0時(shí)施磷量的95%得出最佳施磷范圍：

y=a+ bx

式中：x和y分別為施磷量和土壤磷素盈余，kg·hm-2；a和b為模型參數(shù)。

通過(guò)二次曲線模型模擬施磷量和產(chǎn)量之間的關(guān)系，曲線的最高點(diǎn)即為磷肥施用閾值：

y=ax2+bx+c

式中：x和y分別為施磷量和產(chǎn)量，kg·hm-2;a、b和c為模型參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019結(jié)合SPSS 27.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)完成后用Origin 2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施磷處理對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和磷肥利用率的影響

施磷量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及磷肥利用率均有顯著影響（表1）。與不施磷處理（P0）相比，各施磷處理馬鈴薯產(chǎn)量的增產(chǎn)幅度為35.3%-44.7%，具有顯著性差異。其中以P3處理增產(chǎn)效果最佳，增產(chǎn)10 208 kg·hm-2。磷肥偏生產(chǎn)力和磷肥農(nóng)學(xué)利用率均隨施磷量的增加而顯著降低。與低磷處理（P1）相比，中高磷處理（P2、P3、P4）的磷肥偏生產(chǎn)力和磷肥農(nóng)學(xué)利用率降幅分別為29.7%-61.0%，19.5%-63.8%。各施磷處理馬鈴薯磷肥表觀利用率差異不顯著，P1處理下最大。

通過(guò)二次曲線模型模擬施磷量和產(chǎn)量之間的關(guān)系（R2=0.984 0**，圖1）。依據(jù)該方程可知，施磷量（以P2O5計(jì)）為151 kg·hm-2時(shí)，擬合產(chǎn)量最高為32 780 kg·hnl-2。

2.2 不同施磷處理對(duì)植株各器官磷素累積和分配的影響

成熟期馬鈴薯塊莖磷素累積和分配達(dá)到最高值（表2）。磷素主要累積在葉和塊莖，分別占比10.7%-25 .6%和70.0% -86.4%。P4處理葉磷素累積量最高，相較PO顯著增加81.3%；P3處理塊莖磷素累積量最高，相較PO顯著增加24.3%，但施磷處理間差異不顯著。同時(shí)P2處理馬鈴薯塊莖磷素分配率最高，為86.4%，在該施磷量下馬鈴薯吸收的磷素更多地轉(zhuǎn)移到塊莖中。綜上，P2O5 135 kg·hm-2處理能優(yōu)化磷素在馬鈴薯各器官中的比例，增加塊莖磷素累積量，促進(jìn)馬鈴薯對(duì)磷素的吸收。

2.3 不同施磷處理對(duì)各土層有效磷分布及累積的影響

0-60 cm土層有效磷含量隨施磷量的增加呈持續(xù)增加的變化趨勢(shì)（圖2）。馬鈴薯塊莖形成期各施磷處理土壤有效磷含量均高于不施磷處理（P0），P4處理20-40 cm土層有效磷含量相較P3、P2、P1和P0分別顯著增加3 0.5%、35.6%、50.9%和51.7%。塊莖膨大期各施磷處理土壤有效磷含量相較塊莖形成期均有所增加，但40-60 cm土層有效磷含量差異不顯著。成熟期P3和P4處理20-40 cm土層有效磷含量顯著高于其他處理，相較P2分別顯著增加36.6%、50.6%。過(guò)量施用磷肥導(dǎo)致表層土壤中的有效磷大量向下層遷移。

0-60 cm土層有效磷累積量隨施磷量的增加呈持續(xù)增加的變化趨勢(shì)（表3）。由于土壤膠體對(duì)磷的吸附作用，施磷處理中有效磷大量累積在表層土壤（0-20 cm）；P4處理土壤有效磷累積量最高，相較P1和PO分別顯著增加15.3%和21.3%，與P2、P3差異不顯著。在20-40 cm土層，與P2處理相比，P3和P4處理土壤有效磷累積量分別顯著增加36.5%和50.4%；P3和P4處理間差異不顯著。40-60 cm土層有效磷累積量大小表現(xiàn)為P4＞P3＞P2＞P1＞P0。過(guò)量施用磷肥導(dǎo)致有效磷在土壤中大量累積，且0-40 cm土層占0-60 cm土層有效磷累積總量的比例范圍為78.6%-88.1%。

2.4 不同施磷處理對(duì)土壤磷素盈余的影響

磷肥的施用和作物的磷吸收分別是土壤磷投入和磷支出的主要來(lái)源（表4）。施磷處理作物吸磷量與不施磷處理（PO）相比，增幅為12.6%-25.3%。P0和P1處理磷素表現(xiàn)為虧缺狀態(tài)，虧缺總量分別為118.5、43.4 kg·hm-2，P2處理磷素收支基本保持平衡，而P3和P4處理磷素表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，盈余總量分別為36.5、76.5 kg·hm-2。土壤磷素盈余量隨施磷量的增加而顯著增加，適量施用磷肥能促進(jìn)馬鈴薯對(duì)磷的吸收并有效降低土壤磷素盈余。

2.5 磷素盈余與施磷量、產(chǎn)量、土壤有效磷和磷肥利用效率的關(guān)系

由磷素盈余與施磷量、產(chǎn)量、土壤有效磷和磷肥利用效率的回歸分析結(jié)果可知（圖3），磷素盈余與施磷量呈極顯著線性關(guān)系（R2=0.999 6**）；與馬鈴薯產(chǎn)量呈極顯著二次關(guān)系（R2=0.987 3**）；與0-60 cm土層有效磷含量和累積量均呈顯著線性關(guān)系（0-20 cm，R2=0.909 7*：20-40 cm， R2=0.883 3*：40-60 cm，R2=0.842 6*）；與磷肥偏生產(chǎn)力呈極顯著二次關(guān)系（R2=0.998 9**）；與磷肥農(nóng)學(xué)利用率呈極顯著二次關(guān)系（R2=0.998 1**）。當(dāng)磷素盈余為o時(shí)，磷肥用量為137.5kg·hm-2，馬鈴薯產(chǎn)量為32 756 kg·hm-2，0-60 cm土層有效磷含量分別為70.5、49.4 mg·kg-1和19.7 mg·kg-1，0-60 cm土層有效磷累積量分別為150.8、161.9 kg·hm-2和64.8 kg·hm-2，磷肥偏生產(chǎn)力為242.1 kg·kg-1，磷肥農(nóng)學(xué)利用率為72.7 kg·kg-1。以磷素盈余為0時(shí)施磷量的95％作為置信區(qū)間，得到最佳施磷閾值為131-144 kg·hm-2。此施磷閾值相比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)磷肥施用量（225 kg·hm-2），能夠減少磷肥投入36.0%-41.8%，同時(shí)增產(chǎn)8.5% -9.0%，提高磷肥偏生產(chǎn)力72.9%-89.5%，提高磷肥農(nóng)學(xué)利用率117.0%- 131.8%。

3 討論

3.1 施磷量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及磷肥吸收利用的影響

馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成都離不開(kāi)對(duì)磷養(yǎng)分的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，但過(guò)低或過(guò)高的施磷量均對(duì)馬鈴薯增產(chǎn)效應(yīng)不明顯。在本研究中，馬鈴薯產(chǎn)量隨施磷量的增加呈先增后減趨勢(shì)，以P2O5 180 kg·hm-2處理最高，超過(guò)此值時(shí)馬鈴薯產(chǎn)量降低。說(shuō)明適度施用磷肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量具有較好的促進(jìn)效果，過(guò)量施用磷肥并不能實(shí)現(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)，而不能被馬鈴薯吸收利用的磷素通過(guò)各種損失途徑進(jìn)入環(huán)境，造成環(huán)境污染。施磷量在一定范圍內(nèi)（P2O5 90-180 kg·hm-2）增加時(shí)，塊莖吸磷量增加，超過(guò)此值時(shí)塊莖吸磷量降低。說(shuō)明高施磷量使植株體生長(zhǎng)過(guò)盛，吸收的磷素沒(méi)有高效轉(zhuǎn)移到塊莖中，造成對(duì)磷素的奢侈吸收。可見(jiàn)，適度施用磷肥有助于養(yǎng)分向塊莖運(yùn)轉(zhuǎn)。馬鈴薯磷肥偏生產(chǎn)力和磷肥農(nóng)學(xué)利用率隨施磷量的增加呈現(xiàn)不同程度的降低。磷肥利用率不僅與施磷量、磷肥品種有關(guān)，還受到氣候條件、土壤條件以及施肥措施等因素的影響。

3.2 土壤有效磷與磷素盈余的相關(guān)關(guān)系

植物磷營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源是土壤有效磷，其變化受土壤磷素盈余狀況的影響。楊振興等研究發(fā)現(xiàn)，褐土磷素每盈余100 kg·hm-2，有效磷含量增加4.3 mg·kg-1。張麗等研究顯示，黑土磷素每盈余100 kg·hm-2，有效磷含量增加5.28 mg·kg-1。本試驗(yàn)條件下，土壤磷素每盈余100 kg·hm-2，有效磷含量增加6.4 mg·kg-1。說(shuō)明受土壤環(huán)境中諸多因素影響，土壤有效磷含量與磷素盈余之間的相關(guān)關(guān)系具有區(qū)域特異性。張經(jīng)緯等認(rèn)為當(dāng)磷素的供應(yīng)超過(guò)土壤吸附能力時(shí)會(huì)發(fā)生磷的淋溶并對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生危害，即各地區(qū)土壤環(huán)境存在特定的土壤有效磷容納閾值，所以限制土壤有效磷的變化在容納閾值內(nèi)將不會(huì)對(duì)周?chē)w產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化威脅。在本研究中，0-40 cm土層有效磷累積量占有效磷累積總量的比例在7 8.6%-88.1%之間，當(dāng)施磷量超過(guò)135 kg·hm-2時(shí)，20-40 cm土層有效磷累積量開(kāi)始急劇增加，土壤磷素每盈余100 kg．hm-2，土壤有效磷累積量增加79.6kg·hm-2，在降雨和灌溉水作用下，極易向深層土壤淋溶，增大環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 馬鈴薯磷肥投入閾值的確定

施用磷肥可以提高土壤磷肥力，但盲目過(guò)量施用會(huì)導(dǎo)致磷的面源污染。因此，合理的磷肥施用量應(yīng)根據(jù)作物產(chǎn)量與土壤供磷能力進(jìn)行選擇，同時(shí)還要綜合考慮施磷帶來(lái)的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。蘇麗珍等以磷肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)確定西南低磷紅壤區(qū)玉米磷肥投入閾值為97.04 kg·hm-2，但未必能維持農(nóng)田磷素處于收支平衡狀態(tài)。在本研究中，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯理論最高產(chǎn)量與維持土壤磷素平衡的施磷量之間的產(chǎn)量和環(huán)境效益無(wú)顯著差異，因此以磷素盈余為0時(shí)施磷量的95%作為置信區(qū)間，得到最佳施磷閾值為131-144kg·hm-2。此施磷閾值既能保證馬鈴薯產(chǎn)量又能維持土壤磷素平衡，可避免過(guò)量施磷造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

4 結(jié)論

（1）施磷量為151 kg·hm-2時(shí)馬鈴薯產(chǎn)量最高，達(dá)32 780 kg·hm-2，施磷量為135 kg·hm-2時(shí)馬鈴薯各器官磷素累積和分配效果最佳，且產(chǎn)量沒(méi)有顯著降低，表明適量減施磷肥能增加馬鈴薯磷吸收和土壤磷資源的利用；磷肥偏生產(chǎn)力和磷肥農(nóng)學(xué)利用率均隨施磷量的增加呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

（2）各處理土層有效磷含量基本呈現(xiàn)隨施磷量的增加而增加的趨勢(shì)；0-60 cm土層有效磷增量與土壤磷素盈余呈顯著正相關(guān)關(guān)系，過(guò)量投入的磷肥在土壤中富集且主要集中于0-40 cm土層。

（3）在洱海流域高肥力土壤條件下，綜合產(chǎn)量及環(huán)境安全的馬鈴薯磷肥投入閾值為131-144 kg·hm-2。該施磷量下，能夠在維持土壤磷素收支平衡的同時(shí)獲得較高的馬鈴薯產(chǎn)量和磷肥利用率。

（責(zé)任編輯：葉飛）

基金項(xiàng)目：云南省科技重大專項(xiàng)（202202AE090034）；洱海流域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院項(xiàng)目（202304BQ040005）；云南省張福鎖院士工作站項(xiàng)目（202305AF150055）