滴施不同水溶性磷肥對石灰性土壤磷分布及玉米磷素吸收利用的影響

劉 道，劉夢潔，梁 飛，李全勝，田宇欣，賈宏濤

（1 新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所，新疆石河子 832000；2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；3 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；4 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832000）

磷作為作物的重要營養(yǎng)元素之一，施用磷肥有利于提高土壤中有效磷水平，從而滿足作物的生長需求[1]。磷在土壤中的移動(dòng)性弱[2]，易與土壤中的離子產(chǎn)生化學(xué)沉淀或被土壤吸附固定，降低對作物的有效性[3]。新疆以石灰性土壤為主，土壤中大量的Ca2+易與磷肥產(chǎn)生沉淀[4]。水肥一體化是將肥料隨水滴施至作物根系周圍的一項(xiàng)高效灌溉施肥技術(shù)[5]。張國橋等[6]研究發(fā)現(xiàn)，以全部追肥的方式滴施液體磷肥可顯著改善玉米生育后期的磷素營養(yǎng)，并提高產(chǎn)量和磷肥利用率，其磷肥利用率可達(dá)40.6%。研究表明，水肥一體化技術(shù)能夠增加磷在土壤中的移動(dòng)性[7]，減少固定，促進(jìn)作物對磷素的吸收[5,8]。磷酸二氫鉀、磷酸一銨、磷酸二銨、磷酸脲及聚磷酸銨等水溶性磷肥在水肥一體化中的應(yīng)用比例也逐年增加[9–10]。由于磷肥性質(zhì)不同，施入土壤后的肥效存在明顯差異[11]。滴施磷酸脲較聚磷酸銨和磷酸一銨酸化土壤的效果更強(qiáng)，而聚磷酸銨在土壤中的移動(dòng)和分布高于磷酸一銨和磷酸脲[12]。王莎莎[13]研究表明，在石灰性土壤中施用磷酸一銨提高土壤速效磷含量的效果好于焦磷酸鉀、聚磷酸銨?？糊堬w等[10]研究表明，在壤質(zhì)和粘質(zhì)石灰性土壤中，磷的移動(dòng)性均表現(xiàn)為聚磷酸＞焦磷酸＞磷酸脲。本研究選擇水肥一體化中目前主要施用的5種水溶性磷肥進(jìn)行田間試驗(yàn)，系統(tǒng)研究其滴施后土壤pH、速效磷、全磷的分布特征，及其對玉米產(chǎn)量和磷素吸收利用的影響，為滴灌玉米水肥一體化生產(chǎn)中的磷肥選擇提供理論依據(jù)，同時(shí)為區(qū)域作物磷肥高效利用和玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概括

本試驗(yàn)于2018—2020年在新疆石河子市的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物高效用水實(shí)驗(yàn)站 (45°38′N，86°09′E)進(jìn)行。研究區(qū)域位于天山北麓的沖積扇平原，屬于典型的溫帶大陸性氣候，玉米生育期內(nèi)年均氣溫22.4℃，降雨量為111.4 mm，潛在蒸發(fā)量1942 mm，蒸降比16.9＞10。試驗(yàn)土壤為灌耕灰漠土，試驗(yàn)前耕層土壤有機(jī)質(zhì)為7.14 g/kg、堿解氮34.30 mg/kg、速效磷13.10 mg/kg、全磷0.85 g/kg、速效鉀130.50 mg/kg、pH 8.72、田間持水量 17.70 cm3/cm3。2018—2020 年玉米生育期內(nèi)平均降水和氣溫變化如圖1 所示。

圖1 2018—2020年玉米生育期內(nèi)溫度和降水量變化Fig.1 Changes in temperature and precipitation during the maize growing period from 2018 to 2020

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米品種：鄭單958。

供試肥料包括：尿素(Urea，N≥46.4%，顆粒)；磷酸脲(UP，N≥17%，P2O5≥44%，粉劑)；磷酸二氫鉀(MKP，P2O5≥52%，K2O≥34%，晶體)；聚磷酸銨(APP，N≥11%，P2O5≥37%，液體)；磷酸二銨(DAP，N≥18%，P2O5≥46%，粉劑)；磷酸一銨(MAP，N≥12%，P2O5≥61%，粉劑)；硫酸鉀(K2SO4，K2O≥51%，粉劑)。

供試滴灌帶：內(nèi)鑲式滴灌帶，滴頭間距30 mm，滴頭流量2.0 L/h，工作壓力0.15 Mpa。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，分別為：磷酸脲(UP)、磷酸二氫鉀(MKP)、聚磷酸銨(APP)、磷酸二銨(DAP)、磷酸一銨(MAP)，以不施磷肥為對照(CK)。除CK外，其余各處理灌水量和氮磷鉀投入量均相同。總灌水量4800 m3/hm2，肥料投入量為N 240 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。各處理具體灌水施肥時(shí)間、肥料用量和灌水量見表1。每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)110 m2(5.5 m×20 m)。2018—2020年玉米播種日期分別為：4月28日、4月30日和4月26日。采用1膜1管2行，(30+80) cm不等行距的種植模式，種植密度為126000株/hm2。采用內(nèi)鑲式滴灌帶進(jìn)行灌溉，每次各小區(qū)灌溉量均一致。各處理灌水施肥采用單獨(dú)灌溉和單獨(dú)施肥罐，灌水量和施肥量均由水表、施肥罐和閥門共同控制，滿足試驗(yàn)要求。其它管理措施與普遍采用的田間生產(chǎn)管理措施一致。

表1 玉米生育期施肥量(kg/hm2)及灌水量Table 1 Fertilization and irrigation at different maize growth stages

1.4 取樣與分析

1.4.1 樣品采集 分別在玉米開花期(2018年7月18日、2019年7月14日、2020年7月15日)和成熟期(2018年8月25日、2019年8月22日、2020年9月2日)采集植物樣品，每個(gè)處理取地上植株4株，按器官(穗、莖稈和葉片)分開烘干。同時(shí)，在滴頭和植株正下方以及寬行處，各點(diǎn)依次相距15 cm，采集0—10、10—20 和20—40 cm深土壤樣品。

1.4.2 測定方法 土壤pH以1∶2.5的土水比浸提，PHSJ-4F pH 計(jì)測定。土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定。土壤全磷含量采用HClO4–H2SO4消煮，鉬銻抗比色法測定[14]。植物含磷量采用H2SO4–H2O2消煮—釩鉬黃比色法測定[14]。

1.4.3 指標(biāo)測定 玉米成熟后，每小區(qū)取出20個(gè)果穗稱鮮重并風(fēng)干后考種，折標(biāo)準(zhǔn)水(14%)，參照李廣浩等[15]的方法計(jì)算單位面積產(chǎn)量，計(jì)算公式如下：

產(chǎn)量(kg/hm2)=單株產(chǎn)量×成穗率×126000/1000×[1–籽粒含水率 (%)]/(1–14%)。

玉米磷素積累、磷肥利用率、磷肥偏生產(chǎn)力以及磷肥農(nóng)學(xué)效率計(jì)算公式如下：

玉米各器官磷素積累量(kg/hm2)=各器官磷濃度(g/kg)×單位面積干物質(zhì)質(zhì)量(kg/hm2)/1000[12]；

磷肥利用率(%)=(施磷肥區(qū)作物吸收養(yǎng)分量－不施磷肥區(qū)作物吸收養(yǎng)分量)/養(yǎng)分投入量；

磷肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/磷養(yǎng)分投入量；

磷肥農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=(施磷肥處理產(chǎn)量–不施磷肥處理產(chǎn)量)/磷養(yǎng)分投入量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 26.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA)及差異顯著性檢驗(yàn)(LSD)；圖表制作采用Origin 2021和Excel 2016完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴施不同水溶性磷肥下土壤pH變化

由圖2可知，與CK相比，滴施UP處理可顯著降低滴灌頭0—40 cm的土壤pH，降幅在0.20～0.24個(gè)單位；MKP、APP和MAP處理僅在0—10 cm土層pH顯著低于CK。DAP處理各土層pH沒有顯著變化。UP處理開花期土壤pH均值較CK和DAP分別降低了0.20和0.32個(gè)單位；成熟期UP處理土壤pH較CK和DAP分別降低了0.24和0.31個(gè)單位。

圖2 玉米開花期和成熟期不同磷肥處理土壤pH隨滴頭距離的變化Fig.2 Soil pH in different distances from dripper as affected by phosphorous fertilizers at flowering and maturity stages of maize

2.2 滴施不同水溶性磷肥下土壤速效磷分布

由圖3可知，與CK相比，滴施磷肥能顯著增加各土層速效磷含量，距滴頭越遠(yuǎn)，土壤速效磷含量越低。APP、UP和MAP處理0—40 cm各土層速效磷含量均顯著高于DAP，分布更均勻。開花期，APP處理10—20 cm土層速效磷含量顯著高于UP和MAP，20—40 cm土層速效磷含量均顯著高于MAP處理；APP處理成熟期0—10 cm土層速效磷含量顯著高于MAP，10—20 cm土層速效磷含量顯著高于UP和MAP，20—40 cm土層速效磷含量3個(gè)處理間無顯著差異。玉米開花期APP、UP、MAP處理土壤速效磷含量較DAP分別增加了65.47%、44.18%和23.14%，成熟期分別增加了58.08%、40.13%和127.89%。5種磷肥中，滴施聚磷酸銨有利于增加土壤速效磷含量及其在深層土壤中的分布，其次是磷酸脲和磷酸一銨；滴施磷酸二銨土壤速效磷含量最低，且主要分布在0—20 cm土層中。

圖3 玉米開花期和成熟期不同磷肥處理土壤速效磷(AP)的分布Fig.3 Distribution of soil available phosphorus (AP) under different phosphorus fertilizer treatments at maize flowering and maturity stages

2.3 滴施不同水溶性磷肥對玉米土壤全磷含量的影響

由表2、表3可知，土壤全磷含量均呈現(xiàn)出隨著與滴頭水平或垂直距離的增加而降低的趨勢。滴施磷肥處理間土壤全磷含量無顯著差異，但均顯著高于CK。玉米成熟期APP和UP處理 20—40 cm土層中全磷含量均顯著高于CK，分別較CK增加了21.62%和17.57%；其余處理間無顯著差異(表3)。滴施磷肥能增加土壤中的全磷含量，其中聚磷酸銨和磷酸脲有利于增加下層土壤的全磷含量。

表2 施用不同磷肥處理下土壤全磷含量的水平分布(g/kg)Table 2 Horizontal distribution of soil total phosphorus content under different phosphate fertilizer treatments

表3 施用不同磷肥土壤全磷含量的垂直變化(g/kg)Table 3 Vertical distribution of soil total phosphorus content under different phosphorus fertilizer treatments

2.4 滴施不同水溶性磷肥對玉米地上部各器官磷素積累的影響

由表4可知，玉米地上部總磷素積累量均呈現(xiàn)為 APP＞UP＞MAP＞MKP＞DAP＞CK 的趨勢。開花期各處理間的各器官磷素積累量的3年平均值無顯著性差異，但每個(gè)年際內(nèi)差異顯著；2018年APP、UP和MAP處理總磷素積累量均顯著高于其余處理，穗、葉器官磷素積累量APP處理顯著高于其余處理；莖磷素積累量MKP最高，差異顯著；2019年APP處理總磷素積累量均顯著高于MKP、DAP和CK處理；2020年APP處理總磷素積累量顯著高于其余處理，穗磷素積累量APP、UP和MAP處理顯著高于CK，葉磷素積累量APP顯著高于DAP和CK，莖磷素積累量APP處理顯著高于UP、MAP和CK。成熟期APP處理穗和總磷素積累量均顯著高于其余處理，各處理間莖磷素積累量的均值無顯著性差異，各單個(gè)年際內(nèi)APP處理多顯著高于CK。開花期APP處理穗、葉和總磷素積累量均值分別較CK增加92.87%、66.00%和75.86%，較DAP增加29.22%、43.97%和22.43%；成熟期較CK分別增加101.48%、64.73%和98.16%，較DAP增加65.39%、26.63%和50.60%。

表4 施用不同磷肥處理下玉米各器官磷素積累量Table 4 Phosphorus accumulation in various organs of miaze under different phosphorus fertilizer treatments

2.5 滴施不同水溶性磷肥對玉米產(chǎn)量和磷肥利用率的影響

由表5可知，玉米產(chǎn)量整體呈現(xiàn)出APP＞UP＞MAP＞MKP＞DAP＞CK的趨勢。由于年際間氣候變化的影響，玉米產(chǎn)量年際間有一定差異，各處理平均產(chǎn)量年際之間多無顯著性差異，但各處理產(chǎn)量在每個(gè)年際內(nèi)差異顯著。2018年APP處理產(chǎn)量顯著高于MKP、DAP以及CK處理，UP處理顯著高于CK；2019年APP和UP處理產(chǎn)量顯著高于CK，其余處理間無顯著差異；2020年APP處理產(chǎn)量顯著高于DAP和CK，UP、MAP和MKP 處理產(chǎn)量顯著高于CK。APP處理平均產(chǎn)量較DAP和CK分別增產(chǎn)18.03%和31.60%，UP較DAP和CK分別增產(chǎn)11.64%和24.47%，MAP較DAP和CK分別增產(chǎn)9.46%和22.04%。

磷肥利用率、磷肥偏生產(chǎn)力和磷肥農(nóng)學(xué)效率均與產(chǎn)量呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為：APP＞UP＞MAP＞MKP＞DAP。APP 處理 3年平均磷肥利用率為43.67%，較DAP增加了29.62%；UP較DAP增加了13.65個(gè)百分點(diǎn)；MAP較DAP增加了9.93個(gè)百分點(diǎn)。APP處理的磷肥農(nóng)學(xué)效率顯著高于DAP，其余處理間差異不顯著。各處理的磷肥偏生產(chǎn)力3年平均值之間差異較小，但2018和2020年APP處理顯著高于DAP。APP處理的磷肥偏生產(chǎn)力和磷肥農(nóng)學(xué)效率分別較DAP增加了18.03%和174.96% (表5)。

表5 施用不同磷肥處理下玉米產(chǎn)量及磷肥利用效率Table 5 Maize yield and P fertilizer utilization efficiency under different phosphorus fertilizer treatments

2.6 土層速效磷含量與土壤pH、全磷、玉米磷素積累量、產(chǎn)量和磷肥利用率的相關(guān)性分析

由圖4可知，各土層速效磷含量均與全磷含量呈正相關(guān)，與土壤pH呈負(fù)相關(guān)；并隨著土層的加深相關(guān)性增強(qiáng)。玉米開花期到成熟期土壤速效磷含量與全磷含量、土壤pH的相關(guān)性增強(qiáng)，而全磷含量與土壤pH相關(guān)性降低。10—20 cm土層速效磷含量與全磷含量達(dá)到顯著性正相關(guān)，與土壤pH顯著性負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；土壤全磷含量與土壤pH極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。開花期20—40 cm土層土壤速效磷含量與全磷含量達(dá)到極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與土壤pH顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；成熟期 20—40 cm土層速效磷含量與全磷含量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，全磷含量與土壤pH顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。土壤pH的降低能夠提高土壤有效磷含量，且隨著土層的加深其影響加大。

圖4 土壤速效磷(AP)含量、pH和全磷(TP)含量的相關(guān)性Fig.4 Correlation of soil available phosphorus (AP) content, pH and total phosphorus (TP) content

由表6可知，在等磷量投入下，玉米地上部總磷素積累量與各土層速效磷含量呈正相關(guān)；其中除與成熟期20—40 cm土層速效磷含量呈顯著正相關(guān)外(P＜0.05)，與其余土層速效磷含量均為極顯性正相關(guān)(P＜0.01)。磷肥的利用率、偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率與土層速效磷含量多呈正相關(guān)，其中10—20 cm土層速效磷含量與磷肥利用率呈極顯著正相關(guān)。土壤速效磷含量的增加有利于增加玉米地上部磷累積量，提高磷肥利用率。

表6 不同土層速效磷含量與玉米地上部各器官磷素積累量、產(chǎn)量和磷肥利用效率的相關(guān)性Table 6 Correlation of available phosphorus content in different soil layers with phosphorus accumulation of various organs in the shoots of maize, yield and P fertilizer use efficiency

3 討論

3.1 滴施不同水溶性磷肥下磷素在石灰性土壤中的分布特征

在石灰性土壤中，磷的有效性和移動(dòng)性與磷肥本身的組成、形態(tài)等息息相關(guān)[9–13,16]。本研究表明，滴施磷肥后，土壤速效磷含量均呈現(xiàn)出隨著與滴頭距離的增加而降低的規(guī)律，其中0—20 cm土層的速效磷含量較高，這與楊國江等[17]研究結(jié)果一致。水肥一體化施磷雖然能夠增加磷素在土壤中的移動(dòng)性，但由于石灰性土壤的固定，導(dǎo)致H2PO4－主要積累在表層，在滴頭附近出現(xiàn)聚集，且隨著與灌水器距離的增加而逐漸減少[17]。本研究表明，APP處理土壤速效磷含量顯著高于其余處理，且土層中磷素分布更均勻，深層土壤中速效磷含量亦更高，其次是UP和MAP，DAP移動(dòng)性最差；這與張國橋等[6]、亢龍飛等[10]和張皓禹等[12]的田間試驗(yàn)結(jié)果一致，也與余凱凱等[18]和Wang等[19]的室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)結(jié)果相近。其原因可能是：(1)五種水溶性磷肥中，除DAP是堿性磷肥外，其余均是酸性磷肥，尤其UP屬于強(qiáng)酸性磷肥，施入土壤后較DAP和CK能降低土壤pH；而石灰性土壤pH的降低可增加磷在土壤中的移動(dòng)性[11]。(2)磷酸脲、磷酸一銨等正磷酸鹽類肥料施入石灰性土壤后易與土壤中的Ca2+、Fe3+、Al3+等離子或粘土礦物發(fā)生固定作用，使可溶性磷降低，在土壤中的運(yùn)移受阻[20]；與正磷酸鹽類肥料相比，APP屬于聚合態(tài)磷[21]，施入土壤后只有水解為正磷酸鹽才可被土壤固定，在一定時(shí)間內(nèi)減少了磷的化學(xué)沉淀固定，利于聚磷酸鹽在土壤中的運(yùn)移[22]。APP還能釋放PPA (多聚磷酸)，可降低土壤中的低活性與中活性磷，增加土壤高活性磷比例[10,23–24]，且隨著肥料持續(xù)的水解作用，高活性磷不會(huì)隨著植物的吸收而出現(xiàn)減少，從而提高其有效性[25]。綜上所述，石灰性土壤中滴施不同水溶性磷肥時(shí)土壤pH和磷素分布特征具有顯著差異；滴施UP等酸性磷肥能夠降低土壤pH；滴施APP、UP和MAP土壤中的磷素移動(dòng)性較強(qiáng)，有利于速效磷在土壤中的均勻分布，并提高深層土壤中的速效磷含量；而DAP容易在滴頭附近形成土壤pH較高的區(qū)域，不利于磷素運(yùn)移。因此，在石灰性土壤的滴灌磷肥選擇中應(yīng)優(yōu)先考慮聚磷酸鹽，其次是酸性磷肥，應(yīng)減少堿性磷肥的施用。

3.2 滴施不同水溶性磷肥對玉米產(chǎn)量和磷素吸收利用的影響

提高土壤中的有效磷水平有利于促進(jìn)玉米對磷素的吸收，從而達(dá)到磷素的高效利用[11]。本研究表明，玉米地上部磷素積累量均呈現(xiàn)出APP＞UP＞MAP＞MKP＞DAP＞CK的趨勢，且與各土層速效磷含量呈顯著正相關(guān)。磷素的吸收利用直接影響著作物的生長和發(fā)育,從而影響作物的產(chǎn)量[26]。本研究表明，各處理玉米產(chǎn)量、磷肥利用率、磷肥偏生產(chǎn)力及磷肥農(nóng)學(xué)效率與玉米地上部磷素積累的規(guī)律相同，均表現(xiàn)為APP最高，其次是UP和MAP，這與張皓禹等[12]、傅瑞斌等[27]和熊子怡等[28]研究結(jié)果相似。本研究表明，APP處理土層速效磷分布更均勻，這樣利于玉米磷素吸收和產(chǎn)量的增加[18]。聚磷酸鹽在土壤中的水解速率也因石灰性土壤高pH的影響變緩慢，達(dá)到持續(xù)緩控釋放的效果，從而提高了磷肥的利用效率[28–29]。另外，聚磷酸銨不僅含有作物所需的氮素和磷素，還可提高石灰性土壤中微量元素的有效性，有利于作物增產(chǎn)[24,30]。綜上所述，在滴灌玉米生產(chǎn)中滴施APP、UP和MAP不僅能增加玉米產(chǎn)量，還能促進(jìn)玉米對磷素的吸收，達(dá)到提高磷肥利用效率的目的。

4 結(jié)論

除磷酸二銨外，滴施其他酸性水溶性磷肥不同程度地降低玉米根系周圍土壤pH，其中磷酸脲可顯著降低0—40 cm土壤pH，而磷酸二氫鉀、聚磷酸銨和磷酸一銨僅在滴頭附近0—10 cm距離降低土壤pH。土壤速效磷含量的分布與pH高度一致，開花期和成熟期，滴施磷酸脲的土壤中有效磷在0—40 cm土層中的分布更均勻，但10—20 cm土壤中的速效磷含量低于聚磷酸銨處理，高于其他磷肥處理。磷肥利用率與10—20 cm土層速效磷含量極顯著相關(guān)。因此，滴施聚磷酸銨的玉米產(chǎn)量和磷素利用率均高于其他磷肥處理。綜合考慮，石灰性土壤上進(jìn)行滴灌施肥時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇聚磷酸銨，其次是磷酸脲和磷酸一銨，應(yīng)減少磷酸二銨等堿性肥料的施用。