豫北潮土區(qū)大豆產(chǎn)量的施磷效應(yīng)分析

韓本高， 李嵐?jié)?周琦， 冀昊言， 趙劍， 趙士誠(chéng)， 王宜倫

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450002；2.中國(guó)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，北京 100081)

大豆是重要的糧食作物和油料作物。當(dāng)前，中國(guó)大豆單產(chǎn)較低，難以滿足人口增長(zhǎng)及各行業(yè)發(fā)展需求，2020年中國(guó)大豆總需求量84.4%來自于進(jìn)口貿(mào)易[1]。肥料作為農(nóng)作物的“糧食”，是影響大豆增產(chǎn)的重要因素。大豆是需磷較多的作物，施磷可促進(jìn)根瘤菌生長(zhǎng)與形成[2-3]、提高其固氮能力、增強(qiáng)大豆植株抗逆性、增產(chǎn)提質(zhì)等[4]。長(zhǎng)期以來，農(nóng)民對(duì)大豆施肥不夠重視，經(jīng)常不施肥或施少量肥料。養(yǎng)分供應(yīng)不足成為提升大豆產(chǎn)量的主要限制因素。明確大豆施磷效應(yīng)對(duì)促進(jìn)大豆高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)具有重要意義。研究表明，缺磷會(huì)影響作物正常生長(zhǎng)代謝，光合作用和呼吸速率減弱，根系活力降低，從而造成作物生長(zhǎng)緩慢，植株矮小，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低[5-7]。施磷過多則抑制大豆豆粒數(shù)增加，影響大豆產(chǎn)量形成[8]，同時(shí)磷素流失會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染[9]。因此，在大豆生產(chǎn)中合理施磷對(duì)提高產(chǎn)量和保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有重要作用。磷在土壤中大部分以無機(jī)磷的形態(tài)存在，僅有小部分有效磷可被作物吸收利用。施磷可增加土壤有效磷含量，隨土壤磷含量升高，大豆植株磷素含量呈單峰曲線變化[10]，各部位生長(zhǎng)速率和籽粒產(chǎn)量亦表現(xiàn)出相同趨勢(shì)[11]。張文獻(xiàn)等[12]運(yùn)用MSAP和qRT-PCR技術(shù)對(duì)不同濃度磷脅迫對(duì)大豆根系DNA甲基化水平的影響進(jìn)行分析，表明無磷和高磷脅迫分別降低和提高大豆根系DNA甲基化水平，均顯著抑制大豆生長(zhǎng)。因此，不施磷或高磷都不利于大豆生長(zhǎng)，合理施磷有利于大豆蛋白質(zhì)積累，促進(jìn)磷素吸收，獲得高產(chǎn)[13]。據(jù)報(bào)道，在土壤肥力高的東北黑土區(qū)，施磷40 kg·hm-2即可獲得大豆高產(chǎn)[14]。在黑龍江省各地，大豆平衡施磷75 kg·hm-2可達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的[15]。司玉坤等[16]研究表明，豫中地區(qū)施磷90 kg·hm-2時(shí)，產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益最佳。目前，針對(duì)豫北潮土區(qū)不同施磷量對(duì)大豆磷素吸收利用特性的影響尚未見報(bào)道。本研究研究了不同施磷水平對(duì)豫北潮土區(qū)大豆產(chǎn)量、磷素積累量、磷肥利用效率及經(jīng)濟(jì)效益的影響，旨在明確大豆施磷效應(yīng)，為豫北潮土區(qū)大豆合理施磷提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

于2019年和2020年6月至10月在河南省原陽(yáng)縣河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基地(35°10′N，113°43′E)開展大豆施磷水平田間試驗(yàn)。供試土壤為沙質(zhì)潮土，土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理：P0(不施磷肥)、P40(施磷40 kg·hm-2)、P80(施磷80 kg·hm-2)、P120(施磷120 kg·hm-2)、P160(施磷160 kg·hm-2)。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積為32.4 m2。種植制度為小麥-大豆輪作，小麥季所有小區(qū)均按m(N-P2O5-K2O)=(210-90-90)kg·hm-2施肥。供試大豆品種為‘鄭196’，播種密度為20.5萬株·hm-2，供試肥料為尿素(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%)、過磷酸鈣(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%)、氯化鉀(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)，氮(N)、鉀(K2O)肥用量分別為75、60 kg·hm-2。所有肥料均在大豆苗期一次開溝條施。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

在試驗(yàn)小區(qū)大豆播種前采0～20 cm混合土樣(5個(gè)點(diǎn))，自然風(fēng)干后粉碎，過篩，用于分析基礎(chǔ)養(yǎng)分及理化特征，分別采用電極法[m(水)∶m(土)=2.5∶1]測(cè)定土壤pH值、重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)，用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮，用NaHCO3浸提-鉬藍(lán)比色法測(cè)定土壤速效磷，用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定土壤速效鉀。

大豆成熟期各小區(qū)分3次，每次取長(zhǎng)勢(shì)均勻的大豆植株10株，于105 ℃下殺青30 min，65 ℃下烘干，稱質(zhì)量，粉碎，采用濃H2SO4-H2O2消煮，鉬藍(lán)比色法測(cè)定全磷含量。收獲期各小區(qū)隨機(jī)選取2行15株大豆植株，選擇10株調(diào)查單株莢數(shù)、單株粒數(shù)及百粒質(zhì)量，并對(duì)15株大豆脫粒計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

收益/(元·hm-2)=產(chǎn)量×單價(jià)

純收益/(元·hm-2)=總產(chǎn)值-肥料投入

磷素積累量/(kg·hm-2)=(秸稈干質(zhì)量×秸稈磷素含量籽粒干質(zhì)量×籽粒磷素含量)/1 000

磷肥偏生產(chǎn)力/(kg ·kg-1)=施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量/施磷量

磷肥農(nóng)學(xué)效率/(kg ·kg-1)=(施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施磷量

磷肥利用率/ %=(施磷區(qū)地上部吸磷量-不施磷區(qū)地上部吸磷量)/施磷量×100

采用Microsoft Excel 2019處理數(shù)據(jù)，DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 2019b制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷量對(duì)豫北潮土區(qū)大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

表2表明，施磷顯著提高大豆產(chǎn)量，2019年施磷增產(chǎn)12.92%～39.87%，P120產(chǎn)量最高，增產(chǎn)39.87%；2020年施磷增產(chǎn)0.90%～16.79%，P80最優(yōu)，增產(chǎn)16.79%。施磷顯著提高了單株莢數(shù)，以P80和P120表現(xiàn)較優(yōu)，平均單株莢數(shù)分別提高13.88%和16.71%，進(jìn)而提高了單株粒數(shù)；施磷對(duì)2 a的大豆百粒質(zhì)量沒有顯著影響。這說明施磷通過促進(jìn)豆莢形成，提高了單株粒數(shù)，進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量。

表2 不同施磷處理對(duì)大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

以磷肥用量為自變量，產(chǎn)量為因變量，進(jìn)行回歸分析。2019年，回歸方程為：y=-0.084 7x2+22.239x+4 183.8；2020年，回歸方程為：y=-0.083 0x2+13.030x+3 408.9。結(jié)合磷肥價(jià)格、大豆價(jià)格進(jìn)行分析，2019年經(jīng)濟(jì)最佳施磷量(P2O5)為123.55 kg·hm-2，2020年經(jīng)濟(jì)最佳施磷量(P2O5)為70.89 kg·hm-2。

2.2 施磷量對(duì)豫北潮土區(qū)大豆成熟期地上部生物量的影響

由圖1可以看出，施磷顯著提高大豆地上部生物量，整體隨施磷量提高呈先增加后降低趨勢(shì)。P120地上部生物量最高，較P0分別增加20.55%和28.30%，其次以P80較優(yōu)，與P120無顯著差異。P160地上部生物量顯著低于P120。這說明適量施磷可提高大豆干物質(zhì)質(zhì)量，施磷過高則會(huì)抑制生物量積累。

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different letters indicate significant differences betweentreatments (P<0.05). The same as below.圖1 不同施磷量對(duì)大豆地上部生物量的影響

2.3 施磷量對(duì)豫北潮土區(qū)大豆磷素積累量的影響

由表3可知，施磷顯著提高大豆地上部磷素積累量16.52%～39.92%。P120較P0顯著提高籽粒磷素積累量達(dá)19.92%，同時(shí)提高了大豆秸稈磷素積累量。與P120相比，P80秸稈和籽粒磷素積累量差異均不顯著， P40、P160地上部磷素積累量顯著降低?？梢姡土缀透吡拙焕诹姿氐姆e累，豫北潮土區(qū)施磷80 kg·hm-2有利于磷素吸收利用。

表3 不同施磷量對(duì)大豆磷素積累量的影響

2.4 施磷量對(duì)豫北潮土區(qū)大豆磷肥利用效率的影響

由表4可以看出，P40磷肥農(nóng)學(xué)效率和磷肥偏生產(chǎn)力顯著高于其他施磷處理。磷肥利用率以P40和P80較高，平均磷肥利用率分別為26.90%和27.86%，較最低的P160顯著提高113.45%和121.11%。大豆磷肥利用率、農(nóng)學(xué)效率與偏生產(chǎn)力均隨施磷量增加出現(xiàn)不同程度降低。

表4 施磷量對(duì)大豆磷肥利用效率的影響

2.5 施磷量對(duì)豫北潮土區(qū)大豆經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表5可知，2 a大豆產(chǎn)值分別以P120和P80最高，分別較P0增加39.87%和16.79%。2019年施磷增收2 457.23～7 605.02元·hm-2，P120的純收益最高，為27 663.33元·hm-2。2020年大豆純收益P80最高，為19 372.13元·hm-2，增收2 489.02元·hm-2。結(jié)果表明，施磷顯著提高大豆收益，且隨肥料投入成本增大，大豆純收益先增加后降低。

表5 不同施磷處理對(duì)大豆經(jīng)濟(jì)效益的影響

3 結(jié)論與討論

磷素是作物生長(zhǎng)發(fā)育必需的礦質(zhì)元素之一，對(duì)大豆產(chǎn)量形成至關(guān)重要，缺磷或施磷過高都會(huì)影響大豆正常生長(zhǎng)代謝，導(dǎo)致產(chǎn)量降低[15,17]。合理施磷有利于提高大豆光合作用[18]，促使株高增加，提高干物質(zhì)質(zhì)量[19-20]。高中超等[21]研究表明，施磷120 kg·hm-2大豆產(chǎn)量最佳，不同施磷量對(duì)大豆百粒質(zhì)量沒有顯著影響，對(duì)結(jié)莢數(shù)有一定影響。趙家煦等[19]認(rèn)為，大豆單株莢數(shù)和單株粒數(shù)隨施磷量的增加而增加。本試驗(yàn)結(jié)果表明，大豆產(chǎn)量隨施磷量增加呈先升后降趨勢(shì)，2019年和2020年分別以施磷80和120 kg·hm-2大豆產(chǎn)量最佳。施磷顯著提高大豆單株豆莢數(shù)，對(duì)百粒質(zhì)量和單株豆粒數(shù)影響不大。豆莢數(shù)影響大豆產(chǎn)量形成，施磷促進(jìn)豆莢形成，進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量。

增施磷肥可提高大豆植株和籽粒磷素累積。本研究結(jié)果顯示，施磷處理大豆秸稈和籽粒磷素積累量均高于不施磷處理，施磷80、120 kg·hm-2高于其他施磷處理，顯著高于不施磷。這與高志英等的研究結(jié)果基本一致，其通過不同施磷水平研究發(fā)現(xiàn)大豆生長(zhǎng)各階段的磷素積累量在施磷量為125 kg·hm-2最大[22]。本試驗(yàn)中，施磷80 kg·hm-2即可獲得與施磷120 kg·hm-2相當(dāng)?shù)牡厣喜苛姿胤e累量，這可能是由于試驗(yàn)土壤養(yǎng)分含量不同，豫北潮土區(qū)施用較低磷肥即可使大豆獲得較高磷素積累。

磷肥利用率(PUE)、磷肥偏生產(chǎn)力(PPFE)、磷肥農(nóng)學(xué)效率(PAE)是表征農(nóng)田磷肥利用效率的重要指標(biāo)。合理施用磷肥可以提高大豆磷肥利用效率，避免施磷不足引起產(chǎn)量降低[15]或過量造成磷素污染[9]等問題。研究表明，肥料利用效率隨施肥量增加呈下降趨勢(shì)，肥料利用效率最高的處理，產(chǎn)量不一定最高[23]。本研究中磷肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力P40顯著高于其他施磷處理，且隨施磷量增加，磷肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力逐步降低。施磷40～120 kg·hm-2大豆磷肥表觀利用率較高，施磷160 kg·hm-2磷肥表觀利用率顯著降低。

大豆產(chǎn)量形成受自然因素和非自然因素共同影響，其實(shí)際產(chǎn)量可以分解為趨勢(shì)產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機(jī)產(chǎn)量，由氣象條件差異引起的大豆產(chǎn)量波動(dòng)，相應(yīng)的產(chǎn)量分量稱為氣象產(chǎn)量。由于大豆耐旱耐澇性較差，大豆氣象產(chǎn)量對(duì)降水量的變化尤為敏感[24]。研究表明，大豆產(chǎn)量與花后降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)[25]。本試驗(yàn)中，2 a大豆產(chǎn)量差異較大，可能是由于2020年豫北地區(qū)大豆生育后期降雨量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致土壤淹水、田間低溫，不利于大豆籽粒形成，大豆結(jié)莢數(shù)和豆粒數(shù)顯著減少，致使大豆產(chǎn)量明顯降低。降水和溫度等氣候條件是導(dǎo)致兩年產(chǎn)量、磷肥效果差異的原因，進(jìn)而影響磷肥推薦用量。

2 a試驗(yàn)表明，豫北潮土區(qū)施磷可促進(jìn)大豆對(duì)磷素吸收利用，增加地上部生物量，提高產(chǎn)量。分別施磷120和80 kg·hm-2產(chǎn)量最高，磷肥利用率平均分別為21.67%和27.86%，純收益較不施磷提高37.91%和14.74%。經(jīng)濟(jì)最佳施磷量分別為123.55和70.89 kg·hm-2。綜合產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，豫北潮土區(qū)大豆推薦施磷80～120 kg·hm-2，正常年份施磷量適當(dāng)高些，多雨年份施磷量適當(dāng)?shù)托?，可?shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。