夏玉米施磷位置的產(chǎn)量效應(yīng)及磷素利用效率

任麗,韓本高,李嵐?jié)?苗玉紅,王宜倫

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450002)

磷是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素,也是限制作物產(chǎn)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(jìn)玉米增產(chǎn)[1-2],提高植株干物質(zhì)質(zhì)量[3-4],改善籽粒品質(zhì)[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(jī)磷形態(tài)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(chǎn)中普遍存在過量施磷,導(dǎo)致磷肥資源浪費(fèi)、生產(chǎn)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(chǎn)量的重要途徑,如何通過調(diào)整施磷方式提高磷肥利用效率,進(jìn)一步發(fā)揮技術(shù)要素在玉米增產(chǎn)中的作用,是當(dāng)前農(nóng)業(yè)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(shù)推廣普及,肥料施入土壤中的深度普遍較淺,多數(shù)集中在土壤表層。磷在土壤中移動(dòng)性很弱,磷素養(yǎng)分主要集中在施肥點(diǎn)位附近,而玉米根系吸收活力區(qū)域主要集中在地表以下0～40 cm[11],對施磷點(diǎn)位較淺的磷素養(yǎng)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(nèi)行施[14]、膜側(cè)施磷[15]和種下側(cè)施[16]對作物產(chǎn)量及其構(gòu)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(diǎn)接觸面積,提高磷素利用效率[17]。磷肥集中深施增產(chǎn)效果優(yōu)于分層深施和磷肥淺施[12],磷肥集中深施可誘導(dǎo)根系下扎,促進(jìn)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(yǎng)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(chǎn)量,是實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的有效途徑[19]?？梢?合理的施磷位置可有效提高夏玉米產(chǎn)量和磷肥利用效率。

夏玉米磷肥效應(yīng)多集中于用量和深度研究,穴施技術(shù)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(jìn)玉米對磷素的吸收利用,實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效,豫北夏玉米磷肥正位穴施和株間穴施研究鮮見報(bào)道。本研究通過兩年兩地夏玉米田間試驗(yàn),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(chǎn)量及其構(gòu)成因子、關(guān)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(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)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(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)(35°60′N,113°56′E)和鶴壁市矩橋鎮(zhèn)劉寨村(35°53′N,114°17′E)同步進(jìn)行。兩地供試土壤均為潮土,耕層土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)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(yàn)設(shè)計(jì)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(gè)處理所需肥料混勻后在播種時(shí)一次性施入。供試品種為“浚單1618”,人工標(biāo)尺擺播,播種深度5 cm,原陽試驗(yàn)地種植密度為67 500株·hm-2,鶴壁試驗(yàn)地種植密度為75 000 株·hm-2。試驗(yàn)小區(qū)面積為25.2 m2,3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。田間灌溉、病蟲防治等措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)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(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 The experimental design of different phosphorus application locations in summer maize

1.3 項(xiàng)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(fēng)干、磨細(xì)、過篩后測定土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分,堿解擴(kuò)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(jī)質(zhì),電極法(水土質(zhì)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(qū)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(diào)至75 ℃烘干至質(zhì)量恒定,稱質(zhì)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(dòng)注射分析儀、鉬藍(lán)比色法(880 nm)和火焰光度計(jì)法測定秸稈和籽粒的全氮、全磷和全鉀含量[20]。

1.3.3 調(diào)查與計(jì)產(chǎn) 成熟期收獲各小區(qū)中間兩行連續(xù)15株,共30株玉米,曬干后脫粒稱其質(zhì)量,籽粒留樣分別稱鮮質(zhì)量和烘干后干物質(zhì)質(zhì)量,計(jì)算籽粒含水量,換算小區(qū)產(chǎn)量,另隨機(jī)取10穗進(jìn)行考種,調(diào)查穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。

1.4 指標(biāo)計(jì)算公式

增產(chǎn)率=(施肥區(qū)產(chǎn)量-不施肥區(qū)產(chǎn)量)/不施肥區(qū)產(chǎn)量×100%;

地上部生物量=作物秸稈干質(zhì)量+作物籽粒干質(zhì)量

養(yǎng)分積累量=(籽粒干質(zhì)量×籽粒養(yǎng)分含量+秸稈干質(zhì)量×秸稈養(yǎng)分含量)/100;

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

磷肥農(nóng)學(xué)效率=(施磷區(qū)產(chǎn)量-對照區(qū)產(chǎn)量)/施磷量;

磷肥偏生產(chǎn)力=施磷區(qū)產(chǎn)量/施磷量

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel專業(yè)增強(qiáng)版2019、DPS和SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析,Origin 2018進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷位置對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

由表3可知,夏玉米施磷顯著增產(chǎn)8.64%～26.18%,產(chǎn)量呈ZW >ZJ >TS趨勢變化,磷肥穴施可有效提高夏玉米產(chǎn)量。原陽試驗(yàn)點(diǎn)ZW、ZJ和TS兩年平均分別增產(chǎn)21.30%、14.85%和11.01%,ZW較TS產(chǎn)量顯著提高9.27%。鶴壁試驗(yàn)點(diǎn)ZW、ZJ和TS兩年平均分別增產(chǎn)17.92%、13.32%和10.03%,ZW較TS分別增產(chǎn)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(chǎn)量。此外,施磷可提高夏玉米穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量,原陽試驗(yàn)點(diǎn)2020年夏玉米穗粒數(shù)ZW較TS顯著提高9.02%,千粒質(zhì)量無顯著差異;2021年ZW較 TS穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量分別顯著提高19.51%和6.88%。鶴壁試驗(yàn)點(diǎn)2020年夏玉米千粒質(zhì)量ZW、ZJ較TS分別提高11.15%和7.02%,2021年穗粒數(shù)ZW、ZJ較TS分別顯著增加7.82%和6.68%。磷肥正位穴施較好協(xié)同提高千粒質(zhì)量和穗粒數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。

表3 施磷位置對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)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(yàn)點(diǎn)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(yàn)點(diǎn)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(nóng)學(xué)效率和磷肥偏生產(chǎn)力差異較大,以正位穴施表現(xiàn)較優(yōu),株間穴施次之,開溝條施最低。原陽試驗(yàn)點(diǎn)2020年夏玉米磷肥利用率ZW、ZJ較TS分別提高11.79和3.08個(gè)百分點(diǎn),2021年分別增加7.79和4.95個(gè)百分點(diǎn);磷肥農(nóng)學(xué)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(chǎn)力均有所提高。鶴壁試驗(yàn)點(diǎn)2020年夏玉米磷肥利用率ZW、ZJ較TS分別提高12.54和8.82個(gè)百分點(diǎn),2021年分別提高9.75和2.1個(gè)百分點(diǎn);磷肥農(nóng)學(xué)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(chǎn)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(jié)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(shí)現(xiàn)增產(chǎn)

磷在土壤中的移動(dòng)性很弱,磷肥施入土壤后易被吸附固定,磷素養(yǎng)分主要集中在施磷點(diǎn)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(chǎn)量的影響不同。根區(qū)施用磷肥能夠促進(jìn)玉米根系生長和養(yǎng)分吸收,提高干物質(zhì)質(zhì)量[21]。在施磷(P2O5)100 kg·hm-2水平下,分層施磷較傳統(tǒng)施磷增產(chǎn)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(chǎn)63.74%[15]。磷肥施入地表以下15 cm較常規(guī)施磷深度(地表以下5 cm)增產(chǎn)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(yīng)差異較大[15,23]。本研究結(jié)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(zhì)增長速率迅速提高,對夏玉米增產(chǎn)效果正位穴施要優(yōu)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(chǎn)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(chǎn)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(jìn),正位穴施施磷對夏玉米干物質(zhì)積累和籽粒產(chǎn)量的促進(jìn)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(yǎng)分的吸收,增加地上部養(yǎng)分積累,提高干物質(zhì)質(zhì)量。正位穴施施磷深度最深,前期根系吸收養(yǎng)分不足,地上部生物量較低。隨生育期推進(jìn),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(yǎng)分供應(yīng)充足,較好滿足了夏玉米生育后期對養(yǎng)分的需求,為高產(chǎn)提供了保障。

3.2 磷肥穴施減少土壤固定促進(jìn)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(shù)是否合理的重要指標(biāo)。全國糧食主產(chǎn)區(qū)1 333個(gè)田間試驗(yàn)結(jié)果分析表明,我國玉米磷肥利用率平均約為11.0%,農(nóng)學(xué)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(nóng)學(xué)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(nóng)學(xué)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(shí),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(dǎo)根系向深層生長,增加深層土壤根系分布比例,促進(jìn)根系對深層養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而提高地上部植株氮素和磷素積累[12,22,28]。在本試驗(yàn)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(chǎn)8.64%～26.18%,兩年產(chǎn)量均以正位穴施表現(xiàn)最優(yōu),平均產(chǎn)量分別為10 577和8 512 kg·hm-2,平均增產(chǎn)18.53%和20.61%,磷肥利用率平均為27.20%和26.64%。正位穴施促進(jìn)了夏玉米對磷素的吸收利用,地上部植株磷素積累量和產(chǎn)量顯著增加,磷肥利用效率較高,可作為一種夏玉米高產(chǎn)高效施磷技術(shù)應(yīng)用。