施用常規(guī)磷水平的 80% 可實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)、磷素高效利用和土壤磷平衡

吳啟華，劉曉斌，張淑香*，尹彩俠，李桂花，謝佳貴

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林長春 130118）

施用常規(guī)磷水平的 80% 可實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)、磷素高效利用和土壤磷平衡

吳啟華1，劉曉斌1，張淑香1*，尹彩俠2，李桂花1，謝佳貴2

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林長春 130118）

【目的】近年來，黑土有效磷含量呈逐年增加趨勢。研究田間條件下，黑土的玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素、磷素的吸收利用和土壤有效磷含量變化對不同施磷水平的響應(yīng)，為黑土區(qū)的磷肥合理施用和地力培育提供理論依據(jù)?！痉椒ā吭谕寥烙行Я壮跏己枯^高 (30.15 mg/kg) 的吉林公主嶺黑土區(qū)，進(jìn)行了 3 年的田間試驗(yàn)，以不施磷肥為對照 (P0)，設(shè)置當(dāng)?shù)亓追视昧康?80% (P2O560 kg/hm2，P60) 和當(dāng)?shù)厥┓柿?(P2O575 kg/hm2，P 75)，研究不同施磷水平對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀、磷素吸收分配、磷肥利用效率的影響，并分析了土壤表觀磷平衡和有效磷含量的變化。【結(jié)果】連續(xù)三年 (2009～2011 年) 不同施磷水平下，玉米的產(chǎn)量隨施磷水平的提高而增加，到第三年施磷處理的玉米產(chǎn)量顯著高于不施磷處理，隨施肥年限增加，P60 與 P75 處理的增產(chǎn)效應(yīng)差距縮小。P75處理吸收的磷素高于 P60，但分配到籽粒中的磷素比例逐年下降，說明其吸收的磷素未高效轉(zhuǎn)移到籽粒中，存在磷素奢侈吸收現(xiàn)象。兩個(gè)施磷處理的磷肥利用率均為 P75 ＞ P 60，磷肥偏生產(chǎn)力均為 P60 ＞ P75，說明 P60 處理中土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分和施入磷肥的綜合效應(yīng)更大。2009～2011 年，土壤的表觀磷平衡，P0 處理一直處于虧缺狀態(tài)，P60 和 P75 處理均有盈余。P0、P60 和 P75 處理的土壤有效磷的變化量為 –15.4、–0.19 和 3.50 mg/kg。有效磷含量變化與表觀磷盈余量呈極顯著線性正相關(guān)，土壤 P 盈余每增加 100 kg/hm2，有效磷含量增加 9.6 mg/kg?！窘Y(jié)論】在有效磷含量較高的黑土區(qū)，適當(dāng)減少磷肥用量 (60 kg/hm2P2O5，比傳統(tǒng)施肥減少 20%) 能獲得與傳統(tǒng)施磷相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量，維持土壤適宜的有效磷含量和供磷水平，并能保證磷肥的高效利用?？梢钥紤]將 P2O560 kg/hm2作為黑土區(qū)的推薦施磷水平。

施磷水平；玉米產(chǎn)量；磷素利用；土壤磷平衡

磷肥投入是保證土壤供磷能力的重要途徑，在提高作物產(chǎn)量方面具有不可替代的作用。但磷肥進(jìn)入土壤后，容易形成難以被植物利用的磷酸鹽累積在土壤中[1]，造成磷肥的當(dāng)季利用率僅 10%～25%[2]。為了滿足日益增長的糧食需求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上向土壤中施入大量磷肥，明顯提高了土壤有效磷含量[3]，但也導(dǎo)致磷素以年均增長 11% 的速率在土壤中累積[4–5]。合理施用磷肥可以增加土壤總磷庫含量，保證作物高產(chǎn)，但過量施磷對作物增產(chǎn)作用不明顯[6]，還可能造成水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[7]。因此研究合理的施磷量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

很多研究表明，長期不施磷肥，土壤有效磷含量會(huì)逐漸降低[8–9]，周寶庫等[10]發(fā)現(xiàn) 23 年不施磷肥導(dǎo)致黑土有效磷下降了 60%。但過量施磷對作物增產(chǎn)作用有限，還會(huì)造成有限磷礦資源的浪費(fèi)，我國磷肥 (P2O5) 施用量從 1980 到 2014 年增加了 5 倍，但糧食綜合產(chǎn)量增幅僅 2 倍，磷肥產(chǎn)量效應(yīng)偏低[11]。合理施用磷肥，可以提高肥料利用效率，保證作物高產(chǎn)，維持土壤肥力[12–13]。有關(guān)磷肥適宜用量的研究很多，一類是根據(jù)土壤的有效磷水平高低，確定磷肥用量，如孫克剛等[14]在河南砂姜黑土區(qū)的研究結(jié)果表明，有效磷含量在 6～13、13～21、21～36 和 36～60 mg/kg 水平時(shí)，相應(yīng)的磷肥推薦用量分別為 150、105、75 和 45 kg/hm2。一類是根據(jù)磷肥的利用率來調(diào)整施用量，Gergely 等[15]綜述了歐洲大陸磷肥水平對磷利用率的影響，當(dāng)施用 P2O5100 kg/hm2，產(chǎn)量較高但利用率較低，當(dāng)施用 P2O550 kg/hm2，產(chǎn)量較低而利用率較高。吳良泉等[16]提出的磷肥推薦方法綜合考慮作物高產(chǎn)、肥料高效和土壤培肥三方面的關(guān)系，認(rèn)為我國玉米的推薦磷肥用量為 46～123 kg/hm2?？梢?，磷肥用量要根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)來確定。我國不同區(qū)域的土壤有效磷水平差異較大，針對特定的土壤類型，找到適宜的磷肥用量，對于提高肥料利用效率，維持土壤肥力至關(guān)重要。

黑土地區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，土壤肥力較高，適于作物生長。近年來，黑土有效磷含量呈增加趨勢[10]。然而土壤有效磷含量過高時(shí)，施用磷肥對作物增產(chǎn)作用不明顯，還會(huì)造成資源浪費(fèi)。本研究選取了具有代表性的吉林公主嶺黑土 (該試驗(yàn)點(diǎn)的土壤初始有效磷含量為 30.15 mg/kg) 進(jìn)行了為期 3年的田間試驗(yàn)，分析了玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀、磷素的吸收和分配、磷肥利用效率和土壤磷平衡等對不同施磷水平的響應(yīng)，從而確定適宜的磷肥用量，旨在探索土壤有效磷水平的科學(xué)管理，保證肥料高效利用和作物高產(chǎn)，為東北乃至全國的磷肥管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)于 2009 年 4 月～2011 年 10 月在吉林省公主嶺市陶家屯鎮(zhèn)定點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，位于北緯 43°39′，東經(jīng) 124°59′，海拔 227 m，年均溫度 5℃～6℃，有效積溫 2600℃～3000℃，降水量 500～650 mm，蒸發(fā)量 1200～1600 mm。試驗(yàn)期間玉米生長季的降水量分別是 398、689 和 423.6 mm，具體分布如圖 1。試驗(yàn)區(qū)黑土的基本理化性狀為：有機(jī)質(zhì)含量 24.63 g/kg、全氮 1.60 g/kg、全磷 0.65 g/kg、全鉀 23.80 g/kg、速效氮 125.32 mg/kg、有效磷 (Olsen-P) 30.15 mg/kg、速效鉀 168.76 mg/kg、pH 5.26 (水土比 5 : 1)。

圖1 2009～2011 年玉米季公主嶺市降水量Fig. 1 Precipitation in Gongzhuling City during the maize seasons in 2009–2011

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè) 3 個(gè)處理：不施磷肥 (P0)、當(dāng)?shù)亓?xí)慣磷肥用量的 80% (P2O560 kg/hm2，P60)、當(dāng)?shù)亓?xí)慣磷肥用量 (P2O575 kg/hm2，P75)。每個(gè)處理 3 次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列。所有處理均施用尿素 N 190 kg/hm2和氯化鉀 K2O 90 kg/hm2。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積 20 m2，種植 4 行玉米，所有肥料均作基肥條施，再耕作掩埋，施肥深度大約為 10 cm。供試玉米為鄭單 958，種植密度為 6 × 104plant/hm2。

1.3 樣品采集與測定

每年玉米成熟期，采集植株樣本，每個(gè)小區(qū)取代表性植株 2 株，剪去根部，分為籽粒、莖、葉和穗軸幾部分，均在 105℃ 下殺青 30 min，70℃ 下烘干至恒重，稱重并估算小區(qū)的莖、葉和穗軸的生物量。取部分籽粒樣品測定水分含量，計(jì)算玉米籽粒產(chǎn)量 (玉米籽粒是小區(qū)的實(shí)測值)。各部分烘干樣粉碎過 0.5 mm 篩，分別測定磷含量。同時(shí)采集苗期和成熟期 0—20 cm 耕層土樣，每小區(qū) 3 個(gè)點(diǎn)，混合后風(fēng)干、過篩，用于測定土壤全磷、有效磷等指標(biāo)。

樣品分析：植株樣品全磷采用 H2SO4–H2O2消煮，釩鉬黃比色法測定；土壤全磷分析用 H2SO4–HClO4消煮，鉬銻抗比色法；土壤有效磷含量采用0.5 mol/LNaHCO3浸提—鉬銻抗比色法[17]。

作物吸磷量為地上部全部吸磷量，分為籽粒和秸稈 (包括莖、葉和穗軸等) 兩大部分。有關(guān)計(jì)算公式如下[18]：

作物吸磷量 (kg/hm2) = 籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2) × 籽粒含磷量 (%) + 秸稈產(chǎn)量 (kg/hm2) × 秸稈含磷量 (%)；

表觀磷素盈虧 (kg/hm2) = 施入土壤磷素總量(kg/hm2) ? 作物 (籽粒 + 秸稈) 吸磷總量 (kg/hm2)；

磷素利用率 = (施磷素區(qū)作物吸磷總量?不施磷區(qū)作物吸磷總量)/施磷素量 × 100%；

磷素農(nóng)學(xué)效率 (kg/kg) = (施磷區(qū)玉米產(chǎn)量?不施磷區(qū)玉米產(chǎn)量)/施磷素量；

磷素偏生產(chǎn)力 (kg/kg) = 施磷素區(qū)產(chǎn)量/施磷素量。

所有數(shù)據(jù)均使用 Excel 進(jìn)行整理；用 SAS 9.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析和回歸分析，用 Duncan (SSR) 方法對不同處理 3 年間的各指標(biāo) (平均值) 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn) (P ＜ 0.05)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同施磷水平對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

圖2 2009～2011 年不同施磷水平玉米產(chǎn)量Fig. 2 Maize yields under different P2O5levels from 2009 to 2011

2.1.1 玉米產(chǎn)量變化 從圖 2 可看出，2009～2011 年不同施磷水平玉米產(chǎn)量變化各異。P0 處理產(chǎn)量在2010 年顯著高于 2009 和 2011 年，P60 和 P75 處理的產(chǎn)量在后兩年顯著高于第一年，而 3 個(gè)處理的玉米產(chǎn)量均在 2010 年最高，根據(jù)國家氣象資料，2009～2011 年公主嶺玉米生育期 (4 月 26 日至 9 月 30日) 內(nèi)積溫分別是 3132.5、3184.3 和 3122.1℃，差別較小，而總降水量分別是 398、689 和 423.6 mm。東北大田是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，作物生長發(fā)育受氣候 (降水量)影響較大，2010 年玉米產(chǎn)量較高，可能由于當(dāng)年的降水量明顯高于其他兩年。在同一年份內(nèi) 3 個(gè)處理的產(chǎn)量均隨著磷肥用量增大而提高，直到 2011 年施磷處理 (P60 和 P75) 的產(chǎn)量顯著高于不施磷處理(P0)，連續(xù)三年不施用磷肥，黑土本身的磷養(yǎng)分可能已經(jīng)無法滿足玉米的生長需求。在 2009～2011 年，P60 處理的玉米產(chǎn)量相對于 P0 處理分別增產(chǎn)0.83%、0.79% 和 17.85%，P75 處理增產(chǎn) 7.74%、3.18% 和 19.57%，在 2010 年磷肥的增產(chǎn)效果最小，可能與 2010 年的降水量較高有關(guān)。此外可以看到，隨著施肥年限的增長，P60 與 P75 處理的增產(chǎn)效應(yīng)差距減小。

2.1.2 產(chǎn)量性狀變化 不同施磷水平對玉米的產(chǎn)量性狀影響不同 (表 1)。2009～2011 年間，各處理穗粒數(shù)隨施磷年限而增加；P0 處理的穗長差別很小，P60和 P75 處理的穗長隨施磷年限增長；P0 處理的百粒重呈下降趨勢，P60 和 P75 處理的百粒重逐年增大，僅 P60 處理的百粒重在后兩年顯著高于第一年。在同一年份內(nèi)，不同處理的穗粒數(shù)和穗長均無顯著差異，2011 年時(shí) P60 和 P75 處理的百粒重顯著高于 P0處理?？梢姴煌┝姿綄τ诎倭Ｖ氐挠绊懽畲?，對穗粒數(shù)的影響最小。

表1 不同施磷水平玉米產(chǎn)量性狀Table 1 Maize yield components under different P2O5levels

對 2009～2011 年的穗粒數(shù)、穗長及百粒重在不同施磷水平下對產(chǎn)量的影響進(jìn)行了相關(guān)性分析 (表 2)，玉米產(chǎn)量與百粒重呈極顯著正相關(guān) (P ＜ 0.01)，而與穗粒數(shù)和穗長達(dá)到顯著正相關(guān) (P ＜ 0.05)，百粒重與穗長之間極顯著相關(guān)，而與穗粒數(shù)無顯著相關(guān)性，總體來看，百粒重和穗長對玉米產(chǎn)量的影響較大。結(jié)合表 1 可知，適宜的磷肥用量可以提高玉米的百粒重和穗長，從而提高玉米產(chǎn)量。

2.2 不同施磷水平對玉米磷素吸收和分配的影響

表 3 為連續(xù) 3 年不同施磷水平下玉米總吸磷量、籽粒和秸稈的吸磷量變化情況。在每一年中，玉米的吸磷量均隨著施磷水平的提高而增加，到2011 年時(shí)施磷處理的玉米吸磷量顯著高于不施磷處理。2009～2011 年，P0 處理的吸磷量不斷下降，P60 處理三年間的吸磷量變化較小，P75 處理吸磷量呈逐年增加趨勢。P0 處理玉米籽粒的吸磷量在 2010年最高，P60 和 P75 處理的吸磷量逐年增加，僅2011 年施磷處理與不施磷處理達(dá)到顯著差異。2009、2010 和 2011 年 P75 處理籽粒的吸磷量比 P60處理分別高 6.85%、2.37% 和 1.46%，隨施磷年限增加，二者籽粒吸磷量的差距逐漸減小。2009～2011年間玉米秸稈的吸磷量，P0 處理逐年下降，P60 處理變化較小，P75 處理逐年增加。每一年中，玉米秸稈的吸磷量均隨施磷水平的增加而增大，后兩年 3個(gè)處理之間差異顯著。

P0、P60 和 P75 處理籽粒的吸磷量占玉米植株(包括籽粒和秸稈) 吸磷量的比例在 2009 年分別為60.74%、60.13% 和 60.43%，2010 年為 79.61%、65.84% 和 57.35%，到 2011 年時(shí)則為 83.07%、66.37% 和 55.03%。2009～2011 年，P0 處理中連續(xù) 3年不施用磷肥，土壤中的磷素不斷耗減，玉米吸收的磷素逐年降低，分配到籽粒中的磷素比例從60.74% 上升到 83.07%。對于施磷處理，每年施用的磷肥能補(bǔ)充土壤磷庫，保證玉米生長的磷素需求。P60 處理玉米吸收的磷素變化較小，分配到籽粒中磷素的比例保持在 65% 左右，而 P75 處理玉米吸收的磷素逐年升高，但分配到籽粒中的比例從 60. 43% 下降到 55.03%。由此可見，當(dāng)磷素養(yǎng)分缺乏時(shí)，植物吸收的磷素優(yōu)先滿足籽粒的需求，在養(yǎng)分較高時(shí)，則會(huì)大量供應(yīng)營養(yǎng)生長即秸稈需求。

2.3 不同施磷水平對磷肥利用效率的影響

磷肥利用率表示的是磷素對作物生長的貢獻(xiàn)，排除了其他元素的交互作用；磷肥農(nóng)學(xué)效率表示每施用 1 kg 磷肥作物的增產(chǎn)能力；磷肥偏生產(chǎn)力是指施用磷肥作物產(chǎn)量與施磷水平的比值，反映當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分水平和磷肥施用量的綜合效應(yīng)。P60 和P75 處理的磷肥利用率在 2009～2011 年間逐年升高，2009 年時(shí)僅為 0.86% 和 3.09%，到 2011 年分別上升到 16.95% 和 22.97%，在每一年中 P75 處理的磷肥利用率均高于 P60，僅第三年時(shí)差異顯著；磷肥的農(nóng)學(xué)利用率，P60 處理逐年提高，P75 處理在 2010年最低，到 2011 年時(shí) P60 處理的農(nóng)學(xué)效率高于 P75；P60 和 P75 處理磷肥的偏生產(chǎn)力均在 2010 年最高，而在同一年份 P60 處理均顯著高于 P75 (表 4)?？傮w來看，在土壤本身有效磷水平較高的黑土區(qū)，P60 處理中土壤的基礎(chǔ)養(yǎng)分和施入磷肥的綜合效應(yīng)更高。

表2 穗粒數(shù)、穗長、百粒重和玉米產(chǎn)量相關(guān)分析Table 2 Correlation coefficient between grains per ear, ear length, 100-grain weight and maize yield

表3 不同施磷水平下的玉米吸磷量和分配Table 3 The phosphorous absorption and distribution under different P2O5levels

2.4 不同施磷水平對土壤磷平衡和有效磷含量的影響

表4 不同施磷水平下黑土玉米磷肥利用效率Table 4 Phosphorus efficiency under different phosphate fertilizer levels during 2009 to 2011

2.4.1 土壤表觀磷平衡和有效磷含量變化 不同施磷水平下，土壤表觀磷平衡變化情況各不相同 (表 5)。2009～2011 年，P0 處理土壤磷素一直處于虧缺狀態(tài)，由于玉米吸磷量減少，土壤虧缺的磷素逐漸減少；P60 和 P75 處理的表觀磷平衡均表現(xiàn)為盈余，隨著玉米攜出的磷量增加，土壤盈余的磷素逐漸減少，P60 處理的磷素盈余三年之間無顯著差異，P75處理的磷素盈余顯著下降。

表5 不同施磷水平玉米吸磷量和表觀磷平衡 (P2O5kg/hm2)Table 5 Maize P absorption and apparent soil P balance under different phosphate fertilizer levels

連續(xù) 3 年不同施磷處理后，P0、P60 和 P75 處理有效磷含量變化 (2011 年成熟期與 2009 年苗期差值)分別為–15.40、–0.19 和 3.50 mg/kg，可見 P0 處理的土壤有效磷大幅度下降，P60 處理基本維持原水平，而 P75 處理則有一定的提高。

2.4.2 表觀磷平衡與有效磷含量變化的關(guān)系 P0、P60和 P75 處理，2009～2011 年 3 年總的表觀磷盈余量分別為–76.18、87.28 和 117.70 kg/hm2。2011 年成熟期與 2009 年苗期有效磷含量差值與表觀磷盈余量之間的關(guān)系如圖 3 所示，有效磷含量變化與表觀磷盈余量呈極顯著線性正相關(guān)，y = 0.096x–8.154 (y 為有效磷含量變化，x 為表觀磷盈余量，R2= 0.999)。在本研究的黑土區(qū)，磷素盈虧每增加 100 kg/hm2，有效磷含量增加 9.6 mg/kg。

3 討論與結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米的產(chǎn)量隨施磷水平的提高而增加，這與前人的研究結(jié)果一致[19]。 2009～2011的 3 年間，僅第三年施磷處理的玉米產(chǎn)量顯著高于不施磷處理，而 3 年中 P60 處理的產(chǎn)量一直與 P75接近，且隨著施肥年限的增長，二者之間的增產(chǎn)效應(yīng)差距減小?？赡鼙驹囼?yàn)地處黑土區(qū)，土壤基礎(chǔ)地力較高，初始有效磷含量達(dá)到 30 mg/kg，在短時(shí)間內(nèi)能夠維持玉米的生長需求，但長時(shí)間不施用磷肥，由于作物不斷帶走土壤磷素，土壤的有效磷含量持續(xù)下降，不能保證作物的生長需求，而施磷則可以補(bǔ)充土壤的磷庫。為了保證作物的連續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，應(yīng)該向土壤投入一定量的磷肥。在一定范圍內(nèi)，磷肥的用量可以有效提高作物產(chǎn)量，但過量施磷也可能引起作物減產(chǎn)。柴穎等[20]研究表明，隨磷肥用量的增加，產(chǎn)量先增加后降低，因?yàn)檫^量施磷會(huì)抑制養(yǎng)分向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而影響玉米籽粒的發(fā)育及產(chǎn)量的形成?？梢?，適宜的磷肥用量對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。本研究中，P60 和 P75 處理的產(chǎn)量很接近，P60 處理更為合理。有關(guān)施肥對玉米的產(chǎn)量性狀的影響，劉恩科等[21]認(rèn)為均衡施氮磷鉀能增加穗長和千粒重等性狀；郭忠義等[22]發(fā)現(xiàn)施用磷肥能提高玉米的百粒重。然而這些研究均未涉及不同施磷水平對產(chǎn)量性狀的影響。本研究發(fā)現(xiàn)玉米的百粒重和穗長隨施磷水平提高而增大，說明不同施磷水平能影響產(chǎn)量性狀進(jìn)而影響玉米產(chǎn)量。

圖3 2009～2011 年土壤有效磷計(jì)算的表觀磷平衡Fig. 3 Apparent P balance dependent of soil Olsen P content during 2009–2011

作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成受作物器官內(nèi)氮、磷、鉀等養(yǎng)分吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響[23]。侯云鵬等[24]的研究認(rèn)為，適宜的氮肥用量能使水稻籽粒養(yǎng)分比例明顯提高，而氮肥過量會(huì)使養(yǎng)分過多地滯留于營養(yǎng)器官中，不利于籽粒中養(yǎng)分的積累。本研究中，由于 2010 年降雨量明顯多于 2009 和 2011 年，P0 處理玉米的產(chǎn)量和吸磷總量也顯著增加，雖然其在籽粒中的分配比例較施磷處理高，但這也是作物長期適應(yīng)缺乏脅迫出現(xiàn)的反饋現(xiàn)象，不代表其磷素利用率高。兩個(gè)施磷處理相比，施磷量高的處理玉米總的吸磷量也高，但從分配到籽粒中的磷素比例來看，P60 處理比較穩(wěn)定，而 P75 處理逐年下降，說明 P75處理吸收的磷素沒有高效轉(zhuǎn)移到籽粒中，大量的磷素供應(yīng)營養(yǎng)體生長，存在磷素奢侈吸收現(xiàn)象?？梢娺m宜的磷素水平對于養(yǎng)分有效轉(zhuǎn)移到籽粒中非常重要。

肥料利用效率是衡量合理施肥的重要指標(biāo)，其從不同方面描述了作物對磷肥的利用情況[25–26]。本研究 2009～2011 年的 3 年中，磷肥利用率均為 P75 處理較高，偏生產(chǎn)力則為 P60 處理較高。到第三年時(shí)，P60 處理的農(nóng)學(xué)效率高于 P75。P60 比 P75 處理施磷量小，但二者玉米產(chǎn)量接近，且 P60 處理的偏生產(chǎn)力一直較高，可見對于黑土區(qū)域，P60 處理中土壤的基礎(chǔ)養(yǎng)分和施入磷肥的綜合效應(yīng)更高。從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益來看，2011 年時(shí)吉林省的玉米種植面積為 4701.33 萬畝 (農(nóng)業(yè)部網(wǎng)站數(shù)據(jù))，如果將傳統(tǒng)的施肥量 (P2O575 kg/hm2) 減少 20%，全省可以減少P2O547010 t，磷肥 (磷酸二銨) 價(jià)格按每噸 3300 元，全省磷肥投入節(jié)省 1.6 億元成本，玉米的產(chǎn)量參照本研究中 2011 年數(shù)據(jù)，P60 處理為 11643 kg/hm2，P75 為 11813 kg/hm2，玉米的收購價(jià)格按每噸 1840元，全省玉米收入差 0.98 億元，總體來看，吉林省玉米種植上，P60 處理比 P75 處理經(jīng)濟(jì)效益高出 0.62億元。如果將減量施肥 (傳統(tǒng)施肥量的 80%) 措施推廣到整個(gè)東北地區(qū)，將會(huì)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。

植物生長發(fā)育所需磷素主要來自于土壤，土壤是植物生長的養(yǎng)分“庫”。據(jù)報(bào)道，我國約有 74% 的耕地表現(xiàn)出缺磷癥狀，酸性土壤和石灰性土壤中缺磷現(xiàn)象更為明顯。在酸性土壤中，磷與鐵、鋁結(jié)合形成難溶的磷酸鹽；石灰性土壤中，磷與鈣結(jié)合形成難溶的 Ca8-P、Ca10-P[27]，因而土壤中有效磷含量很低。磷肥投入已成為改善土壤磷素含量和土壤供磷能力的重要途徑。土壤有效磷含量處于較低水平時(shí)，磷肥的投入能顯著提高作物產(chǎn)量[28]，當(dāng)土壤有效磷水平超過某個(gè)值時(shí)，繼續(xù)施用磷肥，對提高作物的產(chǎn)量作用很小，這個(gè)值被定義為“磷農(nóng)學(xué)閾值”[29]，對于合理施磷具有指導(dǎo)意義?；诩止鲙X中層黑土長期定位站 (有效磷含量初始值為 10.2 mg/kg，磷肥用量為每年 80 kg/hm2P2O5) 的觀測數(shù)據(jù)，沈浦[30]計(jì)算出該區(qū)的玉米閾值為 13.0 mg/kg，而氮磷鉀 (NPK)配施處理有效磷年增長率 1.00 mg/kg，連續(xù)施用磷肥，土壤的有效磷含量逐漸升高，最終超過玉米的農(nóng)學(xué)閾值，進(jìn)一步提高則有可能造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[31]。本研究的試驗(yàn)地，有效磷的初始含量達(dá)到 30 mg/kg 以上，已經(jīng)超過該地區(qū)的有效磷閾值 (13.0 mg/kg)，屬于磷素水平較高的土壤，應(yīng)該適當(dāng)降低或維持土壤有效磷的水平[32]。連續(xù) 3 年不同施磷水平下，分析了有效磷變化量與 3 年的表觀磷平衡的關(guān)系，磷素盈虧每增加 100 kg/hm2，土壤有效磷含量增加 9.6 mg/kg。本研究中，每 100 kg/hm2磷素盈虧引起的有效磷含量變化較大，可能由于黑土地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量較高，有報(bào)道在褐土區(qū)，有機(jī)無機(jī)配施時(shí)，土壤磷每累積 100 kg/hm2，有效磷含量增加 9.1 mg/kg[33]。可見，黑土區(qū)磷素盈余能引起有效磷含量的很大提升，在本研究中，P60 處理的有效磷含量基本維持原水平，而 P75 處理提高了土壤有效磷含量，可能加劇土壤磷素向水體流失的風(fēng)險(xiǎn)。因而在有效磷含量較高的黑土區(qū)，可以把 60 kg/hm2P2O5施用量作為推薦施磷水平。

[1]向萬勝, 黃敏, 李學(xué)垣. 土壤磷素的化學(xué)組分及其植物有效性[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2004, 10 (6): 663–670. Xiang W S, Huang M, Li X Y. Progress on fractioning of soil phosphorous and availability of various phosphorous fractions to crops in soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10 (6): 663–670.

[2]張寶貴, 李貴桐. 土壤生物在土壤磷有效化中的作用[J]. 土壤學(xué)報(bào), 1998, 36 (1): 104–111. Zhang B G, Li G T. Roles of soil organisms on the enhancement of plant availability of soil phosphorus[J]. Acta Pedologica Sinica, 1998, 36 (1): 104–111.

[3]Li H, Huang G, Meng Q. Integrated soil and plant phosphorus for crop and environment in China[J]. Plant and Soil, 2011, 34 (9): 157–167.

[4]林葆, 李家康. 我國磷肥施用量與氮磷比例問題[A]. 中國植物營養(yǎng)與肥料學(xué)會(huì). 中國磷肥應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集[C]. 北京：中國植物營養(yǎng)與肥料學(xué)會(huì), 2001. 13–16. Lin B, Li J K. Phosphorus fertilizer consumption and NP ratios in China[A]. Chinese Society of Plant Nutrition and Fertilizer Sciences. Proceedings of the international symposium on phosphorus fertilizer use in China[C]. Beijing: Chinese Society of Plant Nutrition and Fertilizer Sciences, 2001.13–16.

[5]楊鈺, 阮曉紅. 土壤磷素循環(huán)及對土壤流失的影響[J]. 土壤與環(huán)境, 2001, 10 (3): 256–258. Yang J, Ruan X H. Soil circulation of phosphorus and its effects on the soil loss of phosphorous[J]. Soil and Environmental Sciences, 2001, 10 (3): 256–258.

[6]He P, Li S T, Jin J Y, et al. Performance of an optimized nutrient management system for double-cropped wheat-maize rotations in North-Central China[J]. Agronomy Journal, 2009, 101: 1489–1496.

[7]McDowell R W, Sharpley A N. Variation of phosphorus leached from Pennsylvanian soils amended with manures, composts orinorganic fertilizer[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2004, 102: 17–27.

[8]曲均峰, 李菊梅, 徐明崗, 等. 長期不施肥條件下幾種典型土壤全磷和Olsen-P的變化[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2008, 14 (1): 90–98. Qu J F, Li J M, Xu M G, et al. Total-P and Olsen-P dynamics of lonterm experiment without fertilization[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14 (1): 90–98.

[9]Katarina B, Elisabetta B, Erasmus O. Impact of long-term inorganic phosphorus fertilization accumulation, sorption and release of phosphorous in five swedish soil profiles[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2004, 69: 11–21.

[10]周寶庫, 張喜林. 長期施肥對黑土磷素積累、形態(tài)轉(zhuǎn)化及其有效性影響的研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2005, 11 (2): 143–147. Zhou B K, Zhang X L. Effect of long-term phosphorus fertilization on the phosphorus accumulation and distribution in black soil and its availability[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005, 11 (2): 143–147.

[11]Ministry of Agriculture of China. China Agriculture Yearbook[M]. Beijing: Chinese Agricultural Press,2014,52(4): 802–817.

[12]陳新平, 張福鎖. 小麥-玉米輪作體系養(yǎng)分資源綜合管理理論與實(shí)踐[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2006. Chen X P, Zhang F S. Integrated nutrient management for wheatmaize rotation system[M]. Beijing: China Agricultural University Press, 2006.

[13]Tang X, Li J M, Ma Y B, et al. Phosphorus efficiency in long-term (15 years) wheat-maize cropping systems with various soil and climate conditions[J]. Field Crops Research, 2008, 108, 231–237.

[14]孫克剛, 李丙奇, 李潮海, 等. 砂姜黑土區(qū)玉米田土壤有效磷施肥指標(biāo)及施磷推薦-基于ASI法的土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26 (21): 167–171 Sun K G, Li B Q, Li C H, et al. Abundance and deficiency indices of soil available P for maize and fertilization recommendation in shajiang black soil areas-Indices of soil Available P based on ASI method[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26 (21): 167–171.

[15]Gergely T, Rannveig-Anna G, Brigitta T, et al. Phosphorus levels in croplands of the European Union with implications for P fertilizer use[J]. European Journal of Agronomy, 2014, 55: 42–52.

[16]吳良泉, 武良, 崔振嶺, 等. 中國玉米區(qū)域氮磷鉀肥推薦用量及肥料配方研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2015, 52(4): 802–817. Wu L Q, Wu L, Cui Z L, et al. Basic NPK fertilizer recommendation and fertilizer formula for maize production regions in China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015,52(4): 802–817.

[17]魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000. Lu R K. Agricultural chemical analysis of soil[M].Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000.

[18]王秀斌, 徐新朋, 孫剛, 等. 氮肥用量對雙季稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2013, 19 (6): 1279–1286. Wang X B, Xu X P, Sun G, et al. Effects of nitrogen fertilization on grain yield and nitrogen use efficiency of double cropping rice[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19 (6): 1279–1286.

[19]劉建玲, 廖文華, 張作新, 等. 磷肥和有機(jī)肥的產(chǎn)量效應(yīng)與土壤積累磷的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007, 40 (5): 959–965. Liu J L, Liao W H, Zhang Z X, et al. The response of vegetable yield to phosphate fertilizer and organic manure and environmental risk assessment of phosphorus accumulated in soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40 (5): 959–965.

[20]柴穎, 趙靚, 黃婷, 等. 不同氮、磷配施對春玉米養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 52 (3) : 444–449. Chai Y, Zhao J, Huang T, et al. Effects of different combination ratios of N, P fertilizer on nutrient uptake of maize and yield[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2015, 52 (3): 444–449.

[21]劉恩科, 趙秉強(qiáng), 胡昌浩, 等. 長期施氮、磷、鉀化肥對玉米產(chǎn)量及土壤肥力的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2007, 13 (5): 789–794. Liu E K, Zhao B Q, Hu C H, et al. Effects of long-term nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer applications on maize yield and soil fertility[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13 (5): 789–794.

[22]郭中義, 孟祥鋒, 張明, 等. 施用氮磷鉀肥對夏玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J]. 土壤肥料, 2004 (1): 25–26. Guo Z Y, Meng X F, Zhang M, et al. Effect of N, P, K fertilizer on yield and quality of summer maize[J]. Soil and Fertilizer, 2004 (1): 25–26.

[23]景立權(quán), 趙福成, 王德成, 等. 不同施氮水平對超高產(chǎn)夏玉米氮磷鉀累積與分配的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2013, 39 (8): 1478–1490. Jing L Q, zhao F C, Wang D C, et al. Effects of nitrogen application on accumulation and distribution of nitrogen, phosphorus and potassium of summer maize under super-high yield conditions[J]. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39 (8): 1478–1490.

[24]侯云鵬, 韓立國, 孔麗麗, 等. 不同施氮水平下水稻的養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及土壤氮素平衡[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2015, 21 (4): 836–845. Hou Y P, Han L G, Kong L L, et al. Nutrient absorption, translocation in rice and soil nitrogen equilibrium under different nitrogen application doses[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21 (4): 836–845.

[25]程明芳, 何萍, 金繼運(yùn). 我國主要作物磷肥利用率的研究進(jìn)展[J].作物雜志, 2010, (1): 12–14. Cheng M F, He P, Jin J Y. Advance of phosphate recovery rate in Chinese main crops[J]. Crops, 2010, (1): 12–14.

[26]高靜, 徐明崗, 張文菊, 等. 長期施肥對我國6種旱地小麥磷肥回收率的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2009, 15 (3): 584–592. Gao J, Xu M G, Zhang W J, et al. Influence of long-term fertilization on phosphorus recovery efficiency of wheat in six dry uplands soils of China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15 (3): 584–592.

[27]趙靚, 侯振安, 柴穎, 等. 長期施磷對灰漠土無機(jī)磷形態(tài)的影響[J].水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28 (3): 236–242. Zhao J, Hou Z A, Chai Y, et al. Effects of P rate on inorganic phosphorus form in grey desert soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28 (3): 236–242.

[28]Colomb B, Debaeke P, Jouany C, et al. Phosphorus management in low input stockless cropping systems: cropland soil responses to contrasting P regimes in a 36-year experiment in southern France[J]. European Journal of Agronomy, 2007, 26: 154–165.

[29]Bai Z H, Li H G, Yang X Y, et al. The critical soil P levels for crop yield, soil fertility and environmental safety in different soil types[J]. Plant and Soil, 2013, 372: 27–37.

[30]沈浦. 長期施肥下典型農(nóng)田土壤有效磷的演變特征及機(jī)制[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文, 2014. Shen P. Evolution characteristics and mechanisms of soil available phosphorus in typical croplands under long-term fertilization[D]. Beijing: PhD Dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014.

[31]Aulakh M S, Grag A K, Kabba B S. Phosphorus accumulation, leaching and residual effects on crop yields from long-term application in the subtropics[J]. Soil Use and Management, 2007, 23: 417–427.

[32]張福鎖, 江榮風(fēng), 陳新平. 測土配方施肥技術(shù)[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2011. Zhang F S, Jiang R F, Chen X P. Soil testing and fertilization recommendation[M]. Beijing: China Agricultural University Press, 2011.

[33]楊振興, 周懷平, 謝文艷, 等. 長期施肥褐土有效磷對磷盈虧的響應(yīng)[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2015, 21 (6): 1529–1535. Yang Z X, Zhou H P, Xie W Y, et al. Response of Olsen-P to P balance in cinnamon soil under long-term fertilization[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21 (6): 1529–1535.

Application of 80% of routine phosphorus rate to keep high yield and P efficiency of maize and P balance in soil

WU Qi-hua1, LIU Xiao-bin1, ZHANG Shu-xiang1*, YIN Cai-xia2, LI Gui-hua1, XIE Jia-gui2
( 1 National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2 Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130118, China )

【Objectives】Soil Olsen P contents show an increasing trend in black soil in recent years. In order to provide theoretical basis for rational amount of applied phosphorus and soil fertility improvement, this study tried to investigate the response of maize yield, component factors, nutrient absorption and distribution, phosphorus use efficiency and the change of soil Olsen P to P fertilizer rates in black soil under field conditions.【Methods】A 3-year field experiment was conducted in Gongzhuling City, Jilin Province, where the initial soil Olsen P content was as high as 30.15 mg/kg. The change of maize yield and component factors, P absorption and distribution, Puse efficiency, the apparent P balance and change of soil Olsen P were analyzed under the P2O5application rate of 0, 60 and 75 kg/hm2.【Results】The results showed that the application of phosphorus fertilizer increased the maize yields, in 2011 the yields in P60 and P75 treatments were significantly higher than in P0, but the yield gap between the P60 and P75 treatments decreased with years. More P was absorbed in P75 than in P60, but the proportion was decreased in the P75, which indicated that the P absorption was not transported to grain effectively and there was luxury absorption of P. The P use efficiency in P75 was higher than in P60, while the partial factor productivity of P was higher in P60 than in P75 in all three years, which indicated that the combined effect of basic soil nutrient and applied P was larger in the P60. From 2009 to 2011, the apparent P balance in P0 was in deficient state, while those in P60 and P75 were surplus. The change in soil Olsen P was positively linearly correlated with the P budget (P＜0.01), for every increment of 100 kg/km2of P surplus, the corresponding increase in soil Olsen P was 9.6 mg/kg.【Conclusions】In the black soil with relatively high Olsen P content, application of 20% less of the routine amount of P rate (P2O560 kg/hm2) will meet the demand for high yield, maintains the soil Olsen P content and effective supply ability of phosphorus, and increase the phosphorus utilization efficiency.

P rates; maize yield; phosphorus utilization; soil phosphorus balance

S513.062

A

1008–505X(2016)06–1468–09

2016–01–05 接受日期：2016–03–17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471249）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201503120）資助。

吳啟華（1987 —），女，湖北咸寧人，博士研究生，主要從事植物營養(yǎng)研究。

* 通信作者 E-mail：zhangshuxiang@caas.cn