顏曉軍 葉德練 蘇 達(dá) 李 芳 鄭朝元 吳良泉,*1 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 福建福州 5000; 福建農(nóng)林大學(xué)國際鎂營養(yǎng)研究所, 福建福州 5000; 福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院,福建福州 5000

甜玉米是我國重要的特色經(jīng)濟(jì)作物, 又稱為水果(蔬菜)玉米[1]。近年來, 由于市場需求大, 經(jīng)濟(jì)效益顯著[2-3],我國甜玉米種植面積逐年增加, 目前已超過4×105hm2[4]。同時(shí)發(fā)展甜玉米產(chǎn)業(yè)也是響應(yīng)國家調(diào)減普通玉米、適當(dāng)擴(kuò)增鮮食玉米種植面積的號(hào)召, 對(duì)我國種植業(yè)供給側(cè)改革具有重要意義。

磷素是作物的必需營養(yǎng)元素, 參與植物生長和細(xì)胞代謝[5]、光合磷酸化、三羧酸循環(huán)等生理過程[6], 合理的磷肥運(yùn)籌對(duì)作物產(chǎn)量的提高至關(guān)重要[7]。有研究認(rèn)為磷肥施入紅壤中容易被固定、沉淀, 導(dǎo)致速效磷濃度較低, 生產(chǎn)上往往施用大量的磷肥來保障作物高產(chǎn)[8]。但是磷肥過量施用不僅導(dǎo)致土壤磷素累積、磷肥當(dāng)季利用率降低[9]、環(huán)境負(fù)荷加大等問題[10], 還無益于提高產(chǎn)量, 甚至導(dǎo)致減產(chǎn)[11-12]。明確磷素在作物體內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律是實(shí)現(xiàn)磷肥合理施用的關(guān)鍵。前人研究表明普通玉米植株磷素累積隨著生育期推進(jìn)而增加, 在鮮食期達(dá)到峰值后趨于平緩[13]。生殖發(fā)育階段, 56.0%～85.8%的磷素依賴于營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)運(yùn)[14]。而且磷素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)不同種植區(qū)域和基因型等的響應(yīng)存在差異[15-18]?？紤]到甜玉米和普通玉米在生育期、品種特性和環(huán)境響應(yīng)的敏感度等方面差異較大,因此明確甜玉米磷素的吸收利用特性對(duì)優(yōu)化甜玉米磷肥管理顯得尤為重要, 但是關(guān)于甜玉米磷素吸收利用特征響應(yīng)不同磷肥供應(yīng)的研究尚少見報(bào)道。

本研究通過連續(xù)2年磷肥梯度定位試驗(yàn), 比較不同磷肥供應(yīng)水平對(duì)甜玉米鮮穗產(chǎn)量、磷素累積與分配和磷肥利用效率的影響, 明確甜玉米植株磷素累積動(dòng)態(tài)及轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律, 以期為甜玉米磷肥合理施用及高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

試驗(yàn)于福建省漳州市詔安縣橋東鎮(zhèn)內(nèi)鳳村正禾農(nóng)場進(jìn)行(117.22°E, 23.72°N)。該種植區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,溫暖多雨、光熱充足, 季節(jié)間降雨量差異較大。甜玉米生育期月均溫及月降水量見圖1。試驗(yàn)地土壤類型為赤沙土,含有機(jī)質(zhì)8.28 g kg–1、堿解氮12.67 mg kg–1、全氮0.60 g kg–1、速效磷7.10 mg kg–1、全磷0.16 g kg–1、速效鉀40.17 mg kg–1, pH 5.90。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 設(shè)置5 個(gè)磷肥(P2O5)水平, 分別為P0 (0 kg hm–2)、P1 (37.5 kg hm–2)、P2 (75 kg hm–2)、P3 (150 kg hm–2)和P4 (300 kg hm–2), 每個(gè)處理3次重復(fù), 小區(qū)面積為75 m2。磷肥于移栽前(移栽前1 d)一次性穴施, 并與土壤混合攪拌均勻; 氮肥(N)用量為200 kg hm–2, 分3 次施用, 基肥、拔節(jié)期追肥和吐絲期追肥比例為3 ∶4 ∶3 ;鉀肥(K2O)用量120 kg hm–2, 分2 次施用,基肥、吐絲期追肥比例為1 ∶1。肥料種類為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、硫酸鉀(K2O 53%)。供試甜玉米品種為先甜5 號(hào), 種植密度為52,500 株 hm–2。甜玉米用穴盤播種育苗后移栽, 全生育期均按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田間管理方式進(jìn)行。甜玉米分別于2018 年3 月28 日播種, 2018 年6月13 日收獲; 2019 年3 月28 日播種, 2019 年6 月29 日收獲。

1.3 樣品采集及測

甜玉米拔節(jié)期于每個(gè)小區(qū)中取長勢一致的代表性植株12 株; 吐絲期于每個(gè)小區(qū)中取長勢一致的代表性植株6 株, 植株按莖、葉(含葉鞘)、雄穗分別取樣, 各器官樣品分別混合成混合樣; 鮮食期于每個(gè)小區(qū)中取長勢一致植株4 株, 植株按莖、葉(含葉鞘)、苞葉、籽粒、穗軸、雄穗分別取樣, 各器官樣品分別混合成混合樣。樣品于105℃殺青30 min, 80℃烘干至恒重后稱其干重, 各器官磷濃度采用釩鉬黃比色法測定[19]。甜玉米鮮食期(吐絲后25 d 左右)每小區(qū)中間3 行, 連續(xù)各收10 株穗數(shù), 共30 株,將其帶苞葉鮮穗稱重, 折算出各處理每公頃鮮穗產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析及相關(guān)計(jì)算

植株磷素累積量(kg hm–2) = 生物量×磷濃度[20]

1 kg 磷素生產(chǎn)鮮穗量(kg kg–1) = 鮮食期鮮穗產(chǎn)量/植株地上部磷素累積量[21]

磷素收獲指數(shù)(%) = 穗部磷素累積量/植株地上部磷素累積量×100[20]

磷素生理效率(kg kg–1) = 鮮食期生物量/植株地上部磷素累積量[22]

磷肥農(nóng)學(xué)效率(kg kg–1) = (施磷區(qū)甜玉米鮮穗產(chǎn)量?不施磷區(qū)甜玉米鮮穗產(chǎn)量)/磷肥供應(yīng)量[23]

磷肥利用率(%) = (施磷區(qū)植株地上部磷素累積量?不施磷區(qū)植株地上部磷素累積量)/磷肥供應(yīng)量×100[23]

磷肥偏生產(chǎn)力(kg kg–1) = 施磷區(qū)甜玉米鮮穗產(chǎn)量/磷肥供應(yīng)量[24]

營養(yǎng)器官磷素轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg hm–2) = 吐絲期營養(yǎng)器官磷素累積量?鮮食期營養(yǎng)器官磷素累積量[20]

磷素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)穗部的貢獻(xiàn)率(%) = 營養(yǎng)器官磷素轉(zhuǎn)運(yùn)量/鮮食期穗部磷素累積量×100[21]

磷素轉(zhuǎn)運(yùn)效率(%) = 營養(yǎng)器官磷素轉(zhuǎn)運(yùn)量/吐絲期營養(yǎng)器官磷素累積量×100[20]

花后磷素同化量(kg hm–2) = 鮮食期穗部磷素累積量?營養(yǎng)器官磷素轉(zhuǎn)運(yùn)量[21]

采用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析, 不同處理間數(shù)據(jù)的多重比較采用 Duncan’s 新復(fù)極差法檢驗(yàn)(P<0.05); 利用Microsoft Excel 2010、SigmaPlot 12.5 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷肥供應(yīng)對(duì)甜玉米鮮穗產(chǎn)量的影響

2018 年和2019 年, 磷肥供應(yīng)均顯著提高甜玉米鮮穗產(chǎn)量。施磷處理(P1～P4)較不施磷處理(P0)分別增產(chǎn)132.5%～162.8%、42.8%～50.7%; 但是不同施磷處理(P1～P4)之間的產(chǎn)量差異不顯著(圖2)。可見37.5 kg hm–2磷肥供應(yīng)量即可達(dá)到甜玉米最優(yōu)產(chǎn)量。

2.2 磷肥供應(yīng)對(duì)甜玉米生物量和磷素累積動(dòng)態(tài)的影響

磷肥供應(yīng)顯著提高拔節(jié)期、吐絲期和鮮食期的甜玉米植株生物量。2018 年鮮食期施磷處理(P1～P4)較不施磷處理(P0) 提 高 35.35%～38.93%, 2019 年 鮮 食 期 提 高40.82%～60.20% (表1)。

表1 不同磷肥供應(yīng)量下甜玉米各主要生育期植株生物量累積Table 1 Dry matter mass of major growth stages under different P rates in sweet corn

在拔節(jié)期、吐絲期和鮮食期甜玉米磷素累積上, 施磷處理顯著提高甜玉米植株磷素累積量, 其中2018 年甜玉米植株磷素累積量施磷處理較不施磷處理分別提高108.75%～222.67%、96.23%～124.93%和148.83%～215.86%;2019 年甜玉米植株磷素累積量施磷處理較不施磷處理分別提高64.47%～123.68%、85.27%～200.45%和105.81%～172.73% (圖3)。

2.3 磷肥供應(yīng)對(duì)甜玉米鮮食期磷素累積分配影響

磷肥供應(yīng)可以顯著提高2018 年和2019 年鮮食期甜玉米莖、葉(含葉鞘)、苞葉、穗軸和籽粒的生物量(2019 年莖除外), 但是施磷處理(P1～P4)之間的各器官生物量差異不顯著(表2)。磷肥供應(yīng)后甜玉米鮮食期各器官磷濃度較不施磷處理(P0)均有所上升, 其中2018 年甜玉米施磷處理下的莖磷濃度較不施磷處理提高 125.00%～375.00%,2019 年提高200.00%～320.00%; 2018 年甜玉米施磷處理下的苞葉的磷濃度較不施磷處理提高120.00%～360.00%,2019 年提高128.57%～228.57% (表3)。此外, 磷肥供應(yīng)顯著增加甜玉米籽粒磷濃度, 但是施磷處理之間差異不顯著。磷肥供應(yīng)對(duì)甜玉米鮮食期植株磷素累積和分配有顯著影響, 不同處理間各器官磷素累積量分配比例大致表現(xiàn)為籽粒 > 葉(含葉鞘) > 莖 > 穗軸 > 苞葉 > 雄穗(圖4)。2年間甜玉米的籽粒磷素累積分別占植株累積的42.08%和42.09%, 這主要是因?yàn)樽蚜Ｖ辛诐舛容^高; 而且施磷顯著增加籽粒磷累積量, 但是施磷處理之間差異不大。

2.4 磷肥供應(yīng)對(duì)甜玉米磷素轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2018年甜玉米對(duì)鮮穗磷素的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為: 花后磷同化>葉(含葉鞘)轉(zhuǎn)運(yùn)>莖轉(zhuǎn)運(yùn)>雄穗轉(zhuǎn)運(yùn), 各處理平均值分別為61.54%、33.98%、2.83%和1.65% (表4)。磷肥供應(yīng)可以增加花后磷同化對(duì)鮮穗磷素的貢獻(xiàn)率, 在P4處理達(dá)到最高(80.98%); 但是葉(含葉鞘)、雄穗磷轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)鮮穗磷素的貢獻(xiàn)率則隨著磷肥供應(yīng)量的增加而降低。2019年甜玉米各處理對(duì)鮮穗磷素的貢獻(xiàn)率最大, 也是花后磷同化(表4), 花后磷同化對(duì)鮮穗磷素的貢獻(xiàn)率在P0 處理最低(74.53%), P1處理達(dá)到最高(93.05%)。

表2 不同磷肥供應(yīng)量下甜玉米鮮食期各器官生物量Table 2 Biomass of various organs at fresh ear stage under different P (P2O5) rates in sweet corn

2.5 磷肥供應(yīng)對(duì)甜玉米磷素利用效率的影響

磷肥供應(yīng)量對(duì)1 kg磷素生產(chǎn)鮮穗量、磷素生理效率有顯著性影響, 隨著磷肥供應(yīng)量的增加而顯著降低, 不施磷處理(P0)與施磷處理(P1～P4)之間的磷素生理效率有存在顯著差異, 而施磷處理之間并無顯著性差異。2018—2019兩年甜玉米磷素收獲指數(shù)分別在P1 和P0 處理達(dá)到最高,分別為57.93%和67.63%, 磷素收獲指數(shù)在處理間存在顯著性差異。磷肥農(nóng)學(xué)效率、回收利用率和偏生產(chǎn)力均隨著磷肥供應(yīng)量增加而明顯下降, 其中2018 年甜玉米的磷肥利用率從P1 處理74.24%下降到P4 處理13.56%, 2019 年甜玉米的磷肥利用率從P1 處理61.11%下降到P4 處理12.47%, 兩季趨勢基本一致(表5)。

表3 不同磷肥供應(yīng)量下甜玉米鮮食期各器官磷濃度Table 3 P (P2O5) concentration of various organs at fresh ear stage under different P rates in sweet corn

3 討論

磷肥的合理供應(yīng)是調(diào)控作物生長發(fā)育與產(chǎn)量形成的重要措施[25]。江帆等[26]研究表明玉米產(chǎn)量隨著磷肥供應(yīng)量增加而顯著增加, 但超過一定范圍(140 kg hm–2) 也會(huì)導(dǎo)致玉米減產(chǎn)[27]。在北方普通玉米主產(chǎn)區(qū)上磷肥(P2O5)平均推薦量為84 kg hm–2[15], 而華南區(qū)甜玉米種植中磷肥(P2O5)推薦量高達(dá)105 kg hm–2[28]。但本研究結(jié)果表明磷肥供應(yīng)量(P2O5)于37.5 kg hm–2后甜玉米產(chǎn)量即不再顯著增加, 甜玉米在達(dá)高產(chǎn)目標(biāo)的條件下磷肥需求量遠(yuǎn)低于前人研究結(jié)果。這可能是以往研究中磷肥多進(jìn)行撒施, 而本研究磷肥是近距離集中施用(穴施)。磷肥穴施可增加磷素與甜玉米根系的接觸, 促進(jìn)根系吸收磷肥, 同時(shí)減少磷肥被土壤固定沉淀風(fēng)險(xiǎn)[29], 從而提高磷肥的利用效率。此外, 本研究土壤類型為赤紅壤中的赤砂土土屬, 沙質(zhì)土壤對(duì)磷素吸附能力較弱, 磷肥不易被土壤吸附, 可以更好地轉(zhuǎn)化為速效磷被作物吸收利用[30]。因此, 在本試驗(yàn)條件下,甜玉米磷肥梯度試驗(yàn)結(jié)果表明37.5 kg hm–2磷肥穴施即可保障甜玉米穩(wěn)產(chǎn)需求, 而且 2 年平均磷肥利用率高達(dá)67.7%。

生物量累積是作物生長發(fā)育的前提, 而明確磷素的累積動(dòng)態(tài)是科學(xué)施用磷肥的基礎(chǔ)。本研究甜玉米植株生物量隨生育期的推進(jìn)逐漸增加, 而且磷肥供應(yīng)顯著提高甜玉米鮮食期生物量, 這與前人研究結(jié)果一致[31-32]。磷肥供應(yīng)顯著提高甜玉米植株的磷素累積量, 其中鮮食期籽粒磷素累積量約占植株磷素累積量的 42%, 遠(yuǎn)低于普通玉米的 71%[15], 但是鮮食期籽粒磷素累積在施磷處理(P1～P4)之間并無顯著性差異, 可能是大量的磷素供應(yīng)營養(yǎng)體生長,存在磷素奢侈吸收現(xiàn)象, 可見適宜的磷素供應(yīng)對(duì)于養(yǎng)分有效轉(zhuǎn)移到籽粒中非常重要[33]。普通玉米成熟期磷素(P)累積量介于46～95 kg hm–2, 均值為73 kg hm–2[15],但是本研究磷肥供應(yīng)處理下2 年間甜玉米鮮食期平均磷素(P)累積量僅為22.7 kg hm–2, 低于普通玉米的磷素累積量。這一方面可能是因?yàn)槲覈鹩衩字鳟a(chǎn)區(qū)華南地區(qū)的光照資源相對(duì)不足[34], 加上甜玉米種植密度不高導(dǎo)致甜玉米群體生物量較低從而影響其磷素累積量。此外, 與普通玉米相比, 甜玉米于鮮食期(相當(dāng)于普通玉米乳熟期, 在吐絲后25 d 左右)采收, 收獲期較普通玉米提前也是導(dǎo)致甜玉米和普通玉米磷素植株磷素累積量差異的原因之一[35-36]。因此, 生產(chǎn)上應(yīng)避免簡單參照普通玉米進(jìn)行磷肥管理, 而應(yīng)根據(jù)甜玉米植株磷素需求進(jìn)行合理磷肥供應(yīng),以提高磷肥利用率, 節(jié)約磷礦資源。

表4 開花后營養(yǎng)器官中磷素向穗部的轉(zhuǎn)移量及貢獻(xiàn)率Table 4 P translocation amount and contribution proportion from vegetative organs to ear after the anthesis

表5 不同磷肥供應(yīng)量下甜玉米磷素效率的差異Table 5 Difference of phosphorus use efficiencies under different P rates in sweet corn

研究表明普通玉米花后營養(yǎng)體(莖、葉、雄穗)磷素向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)量大于其自身累積量[18], 其中葉片磷素轉(zhuǎn)移率最高[37]。但是本研究發(fā)現(xiàn)在甜玉米穗部磷素累積來自營養(yǎng)體(莖、葉、雄穗) 的轉(zhuǎn)運(yùn)較少, 絕大部分來自于花后同化(P0 處理除外), 因此花后管理對(duì)甜玉米生物量和磷素積累至關(guān)重要。甜玉米磷素生理效率、農(nóng)學(xué)效率、利用率、偏生產(chǎn)力等是衡量合理施肥的重要指標(biāo), 均隨著磷肥投入增加顯著下降, P1 處理(37.5 kg hm–2), 2 年甜玉米磷素利用率均值高達(dá)67.7%, 明顯高于我國普通玉米(11.00%)[9]。本研究條件下, 甜玉米磷肥合理的供應(yīng)(37.5 kg hm–2)能有效地阻控農(nóng)田磷素的損失, 減少磷肥向環(huán)境排放的風(fēng)險(xiǎn); 而且磷肥穴施促進(jìn)甜玉米對(duì)磷素的吸收, 大大提高了磷素利用率。