夏玉米施磷位置的產量效應及磷素利用效率

任麗,韓本高,李嵐濤,苗玉紅,王宜倫

(河南農業大學資源與環境學院,河南 鄭州 450002)

磷是植物生長發育所必需的營養元素,也是限制作物產量的主要因素之一。玉米作為典型磷素敏感作物,提高土壤供磷能力可促進玉米增產[1-2],提高植株干物質質量[3-4],改善籽粒品質[5-6]。磷肥施入土壤后,大部分磷被微生物吸附、固定在土壤中以無機磷形態存在[7],只有10%～25%的磷可作為有效磷被作物吸收利用[8-9]。生產中普遍存在過量施磷,導致磷肥資源浪費、生產成本提高、磷肥利用效率降低等問題[10]。施磷作為提高玉米產量的重要途徑,如何通過調整施磷方式提高磷肥利用效率,進一步發揮技術要素在玉米增產中的作用,是當前農業科研工作者的重要研究課題。

近年來,隨著玉米免耕覆蓋播種和種肥同播技術推廣普及,肥料施入土壤中的深度普遍較淺,多數集中在土壤表層。磷在土壤中移動性很弱,磷素養分主要集中在施肥點位附近,而玉米根系吸收活力區域主要集中在地表以下0～40 cm[11],對施磷點位較淺的磷素養分難以吸收利用。研究表明,磷肥集中深施[12]、種下分層施磷[13]、種間行施和種內行施[14]、膜側施磷[15]和種下側施[16]對作物產量及其構成因素、磷素吸收利用均有顯著影響。分層施磷方式可以增加玉米根系與有效磷含量高的施磷位點接觸面積,提高磷素利用效率[17]。磷肥集中深施增產效果優于分層深施和磷肥淺施[12],磷肥集中深施可誘導根系下扎,促進玉米根系生長,集中施用在地表以下15 cm處對深層土壤有效養分的吸收效果最好[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產量,是實現高效優質生產的有效途徑[19]?？梢?合理的施磷位置可有效提高夏玉米產量和磷肥利用效率。

夏玉米磷肥效應多集中于用量和深度研究,穴施技術使肥料比較集中在根系附近,可以有效減少磷肥的土壤固定,促進玉米對磷素的吸收利用,實現增產增效,豫北夏玉米磷肥正位穴施和株間穴施研究鮮見報道。本研究通過兩年兩地夏玉米田間試驗,明確了磷肥開溝條施、株間穴施和正位穴施3種不同施磷位置對夏玉米產量及其構成因子、關鍵生育期磷素積累特性及磷肥利用效率的影響,旨在探明夏玉米合理施磷位置,為夏玉米合理施磷提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年6月至10月和2021年6月至10月在河南省原陽縣河南農業大學科教園區(35°60′N,113°56′E)和鶴壁市矩橋鎮劉寨村(35°53′N,114°17′E)同步進行。兩地供試土壤均為潮土,耕層土壤基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗共設4個處理:不施磷肥(P0)、開溝條施磷肥(TS)、株間穴施磷肥(ZJ)、正位穴施磷肥(ZW),具體試驗設計見表2。供試氮肥為包膜尿素(含N 45%)和普通尿素(含N46%),包膜尿素與普通尿素按N含量5∶5配施;供試磷肥為顆粒磷酸一銨(含N 11%,含P2O544%),供試鉀肥為大顆粒氯化鉀(含K2O 60%),除對照不施磷肥外,其他處理氮磷鉀肥用量相同,每個處理所需肥料混勻后在播種時一次性施入。供試品種為“浚單1618”,人工標尺擺播,播種深度5 cm,原陽試驗地種植密度為67 500株·hm-2,鶴壁試驗地種植密度為75 000 株·hm-2。試驗小區面積為25.2 m2,3次重復,隨機區組排列。田間灌溉、病蟲防治等措施同當地農民習慣一致。

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

表2 夏玉米施磷位置試驗設計Table 2 The experimental design of different phosphorus application locations in summer maize

1.3 項目測定與方法

1.3.1 土壤樣品采集與分析 在夏玉米播種前用‘S’取樣法采集 0～20 cm(耕層)土壤樣品,四分法留1 kg左右,自然風干、磨細、過篩后測定土壤基礎養分,堿解擴散法測定土壤堿解氮,Olsen法測定土壤有效磷,醋酸銨浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀,重鉻酸鉀容量-外加熱法測定土壤有機質,電極法(水土質量比2.5∶1)測定土壤pH值[20]。

1.3.2 植株樣品采集與分析 分別于夏玉米大喇叭口期、吐絲期、灌漿期和成熟期在各小區取2株具有代表性的夏玉米植株,在 105 ℃下殺青30 min,烘箱溫度調至75 ℃烘干至質量恒定,稱質量后,分別將秸稈和籽粒粉碎,采用濃H2SO4-H2O2消煮制備待測液,分別用AA3流動注射分析儀、鉬藍比色法(880 nm)和火焰光度計法測定秸稈和籽粒的全氮、全磷和全鉀含量[20]。

1.3.3 調查與計產 成熟期收獲各小區中間兩行連續15株,共30株玉米,曬干后脫粒稱其質量,籽粒留樣分別稱鮮質量和烘干后干物質質量,計算籽粒含水量,換算小區產量,另隨機取10穗進行考種,調查穗粒數和千粒質量。

1.4 指標計算公式

增產率=(施肥區產量-不施肥區產量)/不施肥區產量×100%;

地上部生物量=作物秸稈干質量+作物籽粒干質量

養分積累量=(籽粒干質量×籽粒養分含量+秸稈干質量×秸稈養分含量)/100;

磷肥利用率=(施磷區地上部磷素積累量-對照區地上部磷素積累量)/施磷量×100%;

磷肥農學效率=(施磷區產量-對照區產量)/施磷量;

磷肥偏生產力=施磷區產量/施磷量

1.5 數據計算與統計分析

采用Microsoft Excel專業增強版2019、DPS和SPSS 26軟件進行數據整理與統計分析,Origin 2018進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 施磷位置對夏玉米產量及其構成因子的影響

由表3可知,夏玉米施磷顯著增產8.64%～26.18%,產量呈ZW >ZJ >TS趨勢變化,磷肥穴施可有效提高夏玉米產量。原陽試驗點ZW、ZJ和TS兩年平均分別增產21.30%、14.85%和11.01%,ZW較TS產量顯著提高9.27%。鶴壁試驗點ZW、ZJ和TS兩年平均分別增產17.92%、13.32%和10.03%,ZW較TS分別增產8.49%和5.89%,ZJ與TS無顯著差異。磷肥正位穴施顯著增加了夏玉米產量。此外,施磷可提高夏玉米穗粒數和千粒質量,原陽試驗點2020年夏玉米穗粒數ZW較TS顯著提高9.02%,千粒質量無顯著差異;2021年ZW較 TS穗粒數和千粒質量分別顯著提高19.51%和6.88%。鶴壁試驗點2020年夏玉米千粒質量ZW、ZJ較TS分別提高11.15%和7.02%,2021年穗粒數ZW、ZJ較TS分別顯著增加7.82%和6.68%。磷肥正位穴施較好協同提高千粒質量和穗粒數,進而實現高產。

表3 施磷位置對夏玉米產量及其構成因子的影響

2.2 施磷位置對夏玉米地上部生物量的影響

由圖2可知,不同施磷位置夏玉米地上部生物量,在大喇叭口期以株間穴施最高,吐絲期以后正位穴施地上部生物量逐漸高于株間穴施。原陽試驗點2020年和2021年施磷分別顯著提高成熟期地上部生物量14.26%～28.75%和27.71%～60.25%,ZW較TS分別顯著增加12.68%和25.48%。鶴壁試驗點2020年和2021年施磷分別顯著提高成熟期地上部生物量14.47%～25.53%和27.50%～36.96%,ZW較TS顯著增加9.66%和6.60%。磷肥穴施提高了成熟期夏玉米地上部生物量,正位穴施較佳。

圖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 施磷位置對夏玉米磷素積累量的影響

從圖3可以看出,大喇叭口期各處理磷素積累量相差不大,吐絲期以后磷素積累量有較大差異。2020年施磷顯著提高成熟期夏玉米地上部磷素積累量20.14%～33.35%(原陽)和15.81%～28.41%(鶴壁),ZW最高分別為31.18和33.49 kg·hm-2,較TS顯著增加11.00%和10.88%。2021年施磷顯著提高成熟期磷素積累量20.12%～29.43%(原陽)和13.37%～21.91%(鶴壁),ZW較TS顯著增加7.75%和7.53%,ZJ與TS無顯著差異。磷肥正位穴施顯著提高了夏玉米地上部植株磷素積累量。

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

2.4 施磷位置對夏玉米磷肥利用效率的影響

表4表明,不同施磷位置下夏玉米磷肥利用率、磷肥農學效率和磷肥偏生產力差異較大,以正位穴施表現較優,株間穴施次之,開溝條施最低。原陽試驗點2020年夏玉米磷肥利用率ZW、ZJ較TS分別提高11.79和3.08個百分點,2021年分別增加7.79和4.95個百分點;磷肥農學效率2020年分別提高12.83和8.55 kg·kg-1,2021分別提高11.23和3.77 kg·kg-1;磷肥偏生產力均有所提高。鶴壁試驗點2020年夏玉米磷肥利用率ZW、ZJ較TS分別提高12.54和8.82個百分點,2021年分別提高9.75和2.1個百分點;磷肥農學效率2020年分別提高4.83和3.19 kg·kg-1,2021年分別提高9.04和5.91 kg·kg-1;磷肥偏生產力亦均有所增加。磷肥正位穴施和株間穴施均可提高磷肥利用效率,正位穴施較佳。

表4 不同施磷位置的夏玉米磷肥利用效率

3 結論與討論

3.1 磷肥穴施有利于夏玉米后期根系吸收磷素而實現增產

磷在土壤中的移動性很弱,磷肥施入土壤后易被吸附固定,磷素養分主要集中在施磷點位附近,因此,同一施磷水平下不同施磷位置對夏玉米磷素吸收及產量的影響不同。根區施用磷肥能夠促進玉米根系生長和養分吸收,提高干物質質量[21]。在施磷(P2O5)100 kg·hm-2水平下,分層施磷較傳統施磷增產7.1%,籽粒磷素積累量顯著提高22.7%[13]。種間行施磷肥較均勻施肥顯著提高了玉米生物量和株高,增產63.74%[15]。磷肥施入地表以下15 cm較常規施磷深度(地表以下5 cm)增產23.1%,地上部磷素積累量提高25.2%[22]。前人研究表明,不同施肥位置夏玉米施磷效應差異較大[15,23]。本研究結果表明,不同施磷位置下,大喇叭口期夏玉米地上部生物量株間穴施最高,正位穴施最低。吐絲期-成熟期正位穴施夏玉米干物質增長速率迅速提高,對夏玉米增產效果正位穴施要優于株間穴施和開溝條施。兩年兩地夏玉米正位穴施平均增產19.99%,地上部磷素積累量平均提高28.28%,較開溝條施平均增產9.27%和7.26%。夏玉米生育前期(吐絲期之前)正位穴施施磷地上部生物量較低,隨生育期的推進,正位穴施施磷對夏玉米干物質積累和籽粒產量的促進作用明顯提升,主要原因于在夏玉米生育期前期根系主要集中在淺層土壤,株間穴施和開溝條施施磷深度相對較淺,與根系接觸面積相對較大,有利于根系對養分的吸收,增加地上部養分積累,提高干物質質量。正位穴施施磷深度最深,前期根系吸收養分不足,地上部生物量較低。隨生育期推進,玉米根系向土壤深層延伸,上層根系比例下降,深層根系比例增加[24-25],生育后期(吐絲期之后)正位穴施磷肥養分供應充足,較好滿足了夏玉米生育后期對養分的需求,為高產提供了保障。

3.2 磷肥穴施減少土壤固定促進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術是否合理的重要指標。全國糧食主產區1 333個田間試驗結果分析表明,我國玉米磷肥利用率平均約為11.0%,農學效率平均為7.5 kg·kg-1[26]。在本研究中,正位穴施兩年磷肥利用率平均為29.02%和24.82%,磷肥農學效率分別為27.56和24.24 kg·kg-1;株間穴施兩年磷肥利用率平均為22.81%和19.58%,磷肥農學效率分別為19.88和18.94 kg·kg-1,正位穴施和株間穴施磷肥利用效率均較開溝條施顯著提升,可能是由于磷肥在穴施條件下比較集中,與土壤接觸面積小,降低了土壤對磷素的固定,有效磷含量相對提高[27]。同時,株間穴施位置在每行兩株玉米中間,較開溝條施與玉米根系距離更近,接觸面積更大,更有利于根系對磷素的吸收利用;正位穴施在玉米根部正下方,由于玉米根系趨肥性原則,磷肥集中深施能夠誘導根系向深層生長,增加深層土壤根系分布比例,促進根系對深層養分的吸收,進而提高地上部植株氮素和磷素積累[12,22,28]。在本試驗條件下,正位穴施和株間穴施較開溝條施均提高了夏玉米磷肥利用效率。

夏玉米不同施磷位置增產8.64%～26.18%,兩年產量均以正位穴施表現最優,平均產量分別為10 577和8 512 kg·hm-2,平均增產18.53%和20.61%,磷肥利用率平均為27.20%和26.64%。正位穴施促進了夏玉米對磷素的吸收利用,地上部植株磷素積累量和產量顯著增加,磷肥利用效率較高,可作為一種夏玉米高產高效施磷技術應用。