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磷肥减量结合硫酸铵配施提高西北地区旱地春玉米磷素利用效率

马琴 刘小雨 冉瑾怡 刘金山 张翔 周景云

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磷肥减量结合硫酸铵配施提高西北地区旱地春玉米磷素利用效率

    作者简介: 马琴 E-mail:maqind0112@126.com;
    通讯作者: 刘金山, E-mail:jsliu@nwsuaf.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0200202)。

Improving phosphorus use efficiency of spring maize by reducing phosphate fertilizer rate and replacing urea with ammonium sulfate in dryland of Northwest China

    Corresponding author: LIU Jin-shan, E-mail:jsliu@nwsuaf.edu.cn ;
  • 摘要:   【目的】  西北旱地春玉米种植区磷肥过量施用,磷肥利用效率偏低。本研究旨在探究春玉米磷肥减施的可行性以及实现磷素高效利用的优化施肥方式,以期为该地区春玉米磷肥高效利用提供参考。  【方法】  在西北典型雨养农业区设置3年的定位田间试验,共设5个处理:对照 (CK,不施磷肥)、农户模式 (FP,磷用量P2O5 120 kg/hm2,撒施)、减磷撒施 (RP,磷用量P2O5 70 kg/hm2,撒施)、减磷条施 (BF,磷用量P2O5 70 kg/hm2,条施)、硫酸铵模式 (SA,采用硫酸铵氮肥替代尿素氮肥,其他同减磷撒施处理)。在玉米四叶期、五叶期以及成熟期采集植物和土壤样品 (根际土和非根际土),测定玉米根系、地上部生物量及其磷含量,土壤碱性磷酸酶活性、pH、有效磷、丛枝菌根侵染率,并采用WinRHIZO根系扫描系统测定根长、根表面积、根体积等指标。  【结果】  三年试验结果表明,RP、BF、SA处理玉米籽粒产量、生物量与FP处理无显著差异 (P > 0.05),但磷肥偏生产力显著提高,平均增幅68.0%。RP、BF、SA处理成熟期玉米籽粒磷含量较FP处理降低7.1%~12.9%,磷累积量降低了8.8%~17.0%,其中RP和BF处理降低幅度达到显著水平,但SA处理籽粒磷含量和磷累积量与FP处理相当。与FP处理相比,RP和SA的磷肥回收利用率均有提高,其中SA处理显著提高7.2个百分点;RP、BF、SA处理均有促进春玉米苗期根系生长的趋势,其中SA处理根长、根表面积以及细根长 (直径小于0.50 mm) 分别提高13.9%~37.9%、8.6%~46.1%、12.2%~43.0%。此外,与FP处理相比,RP和SA处理提高了玉米苗期根系丛枝菌根侵染率,增幅在16.2%~21.7%;SA处理非根际土碱性酶活性有增加趋势,五叶期差异达显著水平,BF处理非根际土有效磷含量提高了18.8%~56.3%。  【结论】  在西北旱地春玉米种植区,磷肥施用量由现在的P2O5 120 kg/hm2减少至70~75 kg/hm2仍可保证玉米稳产。在此基础上,用生理酸性肥料硫酸铵代替尿素可促进玉米根系生长以及丛枝菌根侵染,促进玉米对磷素的吸收利用。
  • 图 1  2017—2019年试验期间月降雨量与平均气温

    Figure 1.  Average monthly precipitation and temperature during the experiment period from 2017 to 2019

    图 2  不同施肥措施对春玉米产量和地上部生物量的影响

    Figure 2.  Effects of different fertilization regimes on yield and shoot biomass of maize

    表 1  不同施肥措施下春玉米成熟期各器官磷含量、累积量

    Table 1.  Phosphorus content and accumulation in spring maize organs at maturity under different fertilization regimes

    处理
    Treatment
    籽粒 Grain苞叶 Bract穗轴 Spike-stalk茎叶 Stem leaf
    磷含量
    P content
    (g/kg)
    磷累积量
    P accumulation
    (kg/hm2)
    磷含量
    P content
    (g/kg)
    磷累积量
    P accumulation
    (kg/hm2)
    磷含量
    P content
    (g/kg)
    磷累积量
    P accumulation
    (kg/hm2)
    磷含量
    P content
    (g/kg)
    磷累积量
    P accumulation
    (kg/hm2)
    2017
    FP2.06 a20.1 a0.21 a0.22 a0.12 a0.19 a0.29 a1.61 a
    RP2.04 a20.0 a0.21 a0.19 a0.17 a0.28 a0.32 a2.08 a
    BF2.04 a20.1 a0.20 a0.20 a0.16 a0.26 a0.29 a2.08 a
    SA2.05 a20.3 a0.18 a0.18 a0.14 a0.23 a0.31 a2.09 a
    CK1.95 a16.7 b0.18 a0.17 a0.15 a0.22 a0.33 a2.20 a
    2018
    FP2.63 a38.3 a0.15 a0.15 a0.16 a0.26 a0.51 a4.14 a
    RP2.28 b33.0 b 0.09 ab 0.08 ab0.14 a0.24 a0.34 a2.50 b
    BF2.14 c29.4 c0.07 b0.07 b0.14 a0.22 a0.37 a 3.06 ab
    SA 2.43 ab 35.2 ab 0.11 ab 0.11 ab0.14 a0.23 a0.40 a 3.40 ab
    CK1.74 d22.6 d0.05 b0.05 b0.13 a0.22 a0.34 a2.22 b
    2019
    FP2.52 a31.9 a 0.11 ab 0.13 ab0.19 a0.41 a 0.36 ab1.72 a
    RP2.22 b27.2 b 0.10 ab 0.11 ab0.17 a0.39 a 0.30 abc1.30 b
    BF2.10 b26.0 b0.09 b 0.09 bc0.16 a0.36 a0.40 a 1.69 ab
    SA2.20 b26.6 b0.12 a0.13 a0.13 a0.31 a 0.28 bc1.29 b
    CK1.91 c15.4 c 0.10 ab0.08 c0.13 a0.25 a0.25 c0.89 c
    平均Mean
    FP2.40 a29.4 a0.16 a0.17 a0.16 a0.28 a0.39 a2.73 a
    RP2.17 b26.1 b0.13 a0.13 a0.16 a0.30 a0.32 a1.96 a
    BF2.09 b24.4 b0.12 a0.12 a0.15 a0.28 a0.35 a2.28 a
    SA 2.23 ab 26.8 ab0.14 a0.14 a0.15 a0.29 a0.33 a2.26 a
    CK1.80 c17.7 c0.12 a0.12 a0.14 a0.23 a0.33 a2.00 a
    注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数值后不同小写字母表示同一年份各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same year (P < 0.05).
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    表 2  2017—2019年不同施肥措施下的春玉米磷肥利用效率

    Table 2.  Utilization efficiencies of phosphorus fertilizer under different fertilization regimes (2017–2019)

    磷肥利用效率
    P utilization efficiency
    处理
    Treatment
    年份 Year平均
    Mean
    201720182019
    偏生产力PFP (kg/kg) FP81 Cb122 Ab105 Bb103 b
    RP140 Ca207 Aa175 Ba175 a
    BF141 Ca196 Aa176 Ba171 a
    SA141 Ca207 Aa173 Ba174 a
    平均Mean126 C183 A157 B
    回收利用率RE (%)FP5.4 Ba33.3 Aab33.5 Aa24.5 b
    RP10.5 Ba35.3 Aab40.5 Aa28.8 ab
    BF10.9 Ca25.3 Bb37.6 Aa24.6 b
    SA11.3 Ba45.4 Aa38.5 Aa31.7 a
    平均Mean9.6 B35.0 A37.4 A
    注(Note):PFP—Partial factor productivity; RE— Recovery efficiency. FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份各处理间差异显著,不同大写字母表示相同处理在不同年份间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same year and different capital letters indicate significant difference among the three years for the same treatment (P < 0.05).
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    表 3  不同施肥措施下春玉米不同生育期根和地上部生物量及磷累积量

    Table 3.  The biomass and phosphorus accumulation in roots and shoots of spring maize in different growing stages under different fertilization regimes

    年份
    Year
    生育期
    Growth stage
    处理
    Treatment
    生物量 Biomass (g/plant) 磷含量P content (g/kg) 磷累积量
    P accumulation
    (mg/plant)
    地上部Shoot根系Root地上部Shoot根系Root
    2018四叶期
    Four-leaf stage
    FP 4.53 a0.56 a4.65 a1.64 a22.0 a
    RP 4.72 a0.60 a4.39 b1.55 a21.7 a
    BF 4.63 a0.63 a4.10 c1.56 a20.0 a
    SA 4.58 a0.67 a4.44 b1.51 a21.3 a
    CK 3.72 b0.52 a3.90 d1.25 b15.1 b
    五叶期
    Five-leaf stage
    FP13.60 a1.33 a3.69 a1.56 a52.3 a
    RP12.77 a1.34 a3.50 a 1.44 ab46.8 b
    BF12.68 a1.29 a3.24 b1.27 b42.7 b
    SA12.16 a1.25 a 3.43 ab1.25 b43.3 b
    CK 8.88 b0.97 b2.93 c 1.37 ab27.3 c
    2019四叶期
    Four-leaf stage
    FP 6.80 a0.66 b4.19 a1.33 a29.4 a
    RP 7.12 a0.86 a 3.24 ab1.53 a24.4 a
    BF 6.54 a 0.72 ab3.70 b1.30 a25.1 a
    SA 6.66 a0.65 b3.43 b1.28 a23.7 a
    CK 3.28 b0.47 c2.82 c1.42 a 9.9 b
    五叶期
    Five-leaf stage
    FP15.10 a1.62 a3.24 a1.26 a51.0 a
    RP17.21 a1.60 a 2.83 ab1.22 a50.7 a
    BF15.00 a1.44 a 2.90 ab1.66 a45.9 a
    SA18.13 a1.46 a2.55 b1.29 a48.1 a
    CK12.77 b1.23 b2.38 b1.39 a32.4 b
    注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份同一生育期各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same growing stage of the year (P < 0.05).
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    表 4  不同施肥措施对春玉米根系生长的影响

    Table 4.  Effects of different fertilization regimes on the growth of spring maize roots

    年份
    Year
    生育期
    Growth stage
    处理
    Treatment
    总根长
    Total root length
    (cm/plant)
    根表面积
    Root surface area
    (cm2/plant)
    根体积
    Root volume
    (cm3/plant)
    直径≤0.50 mm根长
    Length of roots with diameter≤ 0.50 mm
    (cm/plant)
    2018四叶期
    Four-leaf stage
    FP837 a141 a2.17 a611 a
    RP837 a189 a2.77 a569 a
    BF843 a161 a2.84 a591 a
    SA969 a206 a2.85 a694 a
    CK707 b123 a1.72 a501 a
    五叶期
    Five-leaf stage
    FP1132 a 180 a3.58 a864 a
    RP1193 a 235 a3.62 a890 a
    BF1231 a 243 a3.73 a943 a
    SA1302 a 256 a3.83 a1021 a
    CK853 b198 a2.84 b650 b
    2019四叶期
    Four-leaf stage
    FP 889 ab185 a3.10 a 610 ab
    RP906 a190 a3.24 a 619 ab
    BF1120 a 227 a3.74 a784 a
    SA1226 a 246 a3.99 a872 a
    CK680 b153 a1.39 b485 b
    五叶期
    Five-leaf stage
    FP1379 a 324 a6.34 a1008 a
    RP1605 a 451 a8.55 a1244 a
    BF1418 a 346 a6.93 a1089 a
    SA1571 a 352 a7.10 a1131 a
    CK1066 b 279 b4.22 b779 a
    注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份同一生育期各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same growing stage of the year (P < 0.05).
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    表 5  不同施肥措施下0—20 cm土层根系丛枝菌根侵染率

    Table 5.  The arbuscular mycorrhizal infection rate in roots of 0‒20 cm soil layer under different fertilization regimes

    生育期
    Growth stage
    处理
    Treatment
    年份 Year平均
    Mean
    20182019
    四叶期Four-leaf stageFP34.4 Aa33.9 Ab34.1 c
    RP40.2 Aa41.7 Aa 40.9 ab
    BF38.1 Aa34.4 Ab 36.2 bc
    SA40.4 Aa42.5 Aa41.5 a
    CK40.6 Aa42.4 Aa41.5 a
    五叶期Five-leaf stageFP34.5 Ac34.4 Ab34.4 b
    RP39.6 Ab42.5 Aa41.2 a
    BF 37.2 Abc34.1 Ab35.6 b
    SA39.0 Ab41.1 Aa40.1 a
    CK46.1 Aa42.2 Aa44.1 a
    注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份同一时期各处理间差异显著,不同大写字母表示相同处理在不同年份间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same stage of the year and different capital letters indicate significant difference among the three years for the same treatment (P < 0.05).
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    表 6  不同施肥措施下土壤pH、碱性磷酸酶活性及有效磷含量

    Table 6.  Soil pH, alkaline phosphatase activity and available P content under different fertilization regimes

    生育期
    Growth stage
    处理
    Treatment
    pH碱性磷酸酶活性 [μg/(g·h)]
    Alkaline phosphatase activity
    有效磷 (mg/kg)
    Olsen-P content
    非根际土
    Bulk soil
    根际土
    Rhizosphere soil
    非根际土
    Bulk soil
    根际土
    Rhizosphere soil
    非根际土
    Bulk soil
    2018#
    四叶期
    Four-leaf stage
    FP7.91 a47.5 a53.0 a10.47 c
    RP7.90 a45.5 a51.0 a 11.43 bc
    BF7.95 a45.0 a50.5 a27.07 a
    SA7.94 a48.0 a52.5 a12.48 b
    CK8.05 a46.5 a50.5 a 7.44 d
    五叶期
    Five-leaf stage
    FP7.94 a42.0 b61.5 a11.95 b
    RP7.82 a 45.5 ab48.5 a11.95 b
    BF7.83 a 45.0 ab55.5 a21.58 a
    SA7.82 a49.5 a54.0 a11.44 b
    CK7.93 a 45.0 ab51.5 a 5.13 c
    2019
    四叶期
    Four-leaf stage
    FP8.13 a8.08 a32.3 a67.2 a11.80 a
    RP8.10 a8.02 a32.2 a66.6 a 5.97 b
    BF8.13 a8.16 a32.6 a59.7 a 7.75 b
    SA8.15 a8.12 a31.9 a61.2 a 4.29 b
    CK8.11 a8.13 a34.0 a70.7 a 3.79 b
    五叶期
    Five-leaf stage
    FP8.31 a8.01 a47.6 a46.7 a12.16 a
    RP8.22 a8.10 a47.3 a45.8 a 7.99 b
    BF8.10 a7.91 a35.2 a46.3 a 7.05 b
    SA8.24 a8.05 a59.1 a51.6 a 8.2 b
    CK8.22 a8.08 a63.0 a65.0 a 2.38 c
    平均Mean
    四叶期
    Four-leaf stage
    FP8.02 a8.08 a39.9 a60.1 a 11.14 ab
    RP8.00 a8.02 a38.9 a58.8 a 8.70 b
    BF8.04 a8.16 a38.8 a55.1 a17.41 a
    SA8.05 a8.12 a40.0 a56.9 a 8.39 b
    CK8.08 a8.13 a40.3 a60.6 a 5.62 c
    五叶期
    Five-leaf stage
    FP8.13 a8.01 a44.8 b54.1 a12.06 a
    RP8.02 a8.10 a 46.4 ab47.2 a 9.97 b
    BF7.97 a7.91 a40.1 b50.9 a14.33 a
    SA8.03 a8.05 a54.3 a52.8 a 9.82 b
    CK8.08 a8.08 a54.0 a58.2 a 3.76 c
    注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份同一生育期各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same growing stage of the year (P < 0.05). #2018 年根际土 pH 数据未测定 pH data of 2018 year were not detected .
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-18
  • 网络出版日期:  2020-07-20
  • 刊出日期:  2020-06-01

磷肥减量结合硫酸铵配施提高西北地区旱地春玉米磷素利用效率

    作者简介:马琴 E-mail:maqind0112@126.com
    通讯作者: 刘金山, jsliu@nwsuaf.edu.cn
  • 西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌 712100
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0200202)。
  • 摘要:   【目的】  西北旱地春玉米种植区磷肥过量施用,磷肥利用效率偏低。本研究旨在探究春玉米磷肥减施的可行性以及实现磷素高效利用的优化施肥方式,以期为该地区春玉米磷肥高效利用提供参考。  【方法】  在西北典型雨养农业区设置3年的定位田间试验,共设5个处理:对照 (CK,不施磷肥)、农户模式 (FP,磷用量P2O5 120 kg/hm2,撒施)、减磷撒施 (RP,磷用量P2O5 70 kg/hm2,撒施)、减磷条施 (BF,磷用量P2O5 70 kg/hm2,条施)、硫酸铵模式 (SA,采用硫酸铵氮肥替代尿素氮肥,其他同减磷撒施处理)。在玉米四叶期、五叶期以及成熟期采集植物和土壤样品 (根际土和非根际土),测定玉米根系、地上部生物量及其磷含量,土壤碱性磷酸酶活性、pH、有效磷、丛枝菌根侵染率,并采用WinRHIZO根系扫描系统测定根长、根表面积、根体积等指标。  【结果】  三年试验结果表明,RP、BF、SA处理玉米籽粒产量、生物量与FP处理无显著差异 (P > 0.05),但磷肥偏生产力显著提高,平均增幅68.0%。RP、BF、SA处理成熟期玉米籽粒磷含量较FP处理降低7.1%~12.9%,磷累积量降低了8.8%~17.0%,其中RP和BF处理降低幅度达到显著水平,但SA处理籽粒磷含量和磷累积量与FP处理相当。与FP处理相比,RP和SA的磷肥回收利用率均有提高,其中SA处理显著提高7.2个百分点;RP、BF、SA处理均有促进春玉米苗期根系生长的趋势,其中SA处理根长、根表面积以及细根长 (直径小于0.50 mm) 分别提高13.9%~37.9%、8.6%~46.1%、12.2%~43.0%。此外,与FP处理相比,RP和SA处理提高了玉米苗期根系丛枝菌根侵染率,增幅在16.2%~21.7%;SA处理非根际土碱性酶活性有增加趋势,五叶期差异达显著水平,BF处理非根际土有效磷含量提高了18.8%~56.3%。  【结论】  在西北旱地春玉米种植区,磷肥施用量由现在的P2O5 120 kg/hm2减少至70~75 kg/hm2仍可保证玉米稳产。在此基础上,用生理酸性肥料硫酸铵代替尿素可促进玉米根系生长以及丛枝菌根侵染,促进玉米对磷素的吸收利用。

    English Abstract

    • 玉米是我国主要的粮食作物、饲料作物以及工业原料,近年来玉米的种植面积和产量均大幅增加。2018年全国玉米种植面积达到了4213万hm2,总产量达到了25717万t[1]。据统计,磷肥对玉米籽粒产量的贡献率可达11.9%~28.6%[2-3]。目前在玉米生产中,多数农户主要靠经验施磷肥[4],在我国主要四大玉米种植区,磷肥施用量偏低或偏高现象占到30.0%~77.7%,其中磷肥施用量偏高的农户占30.0%~58.1%[5-8]。在西北旱地春玉米种植区,60%以上的农户存在磷肥施用量不合理的现象 (施肥不足和施肥过量),其中30.0%以上磷肥施用量偏高[5]。磷肥施用过量可直接导致磷肥当季利用率偏低 (11.6%)[9]和环境风险的增加[10]。因此,在西北旱地春玉米种植区研究磷肥合理施用量和优化施肥措施对玉米生产具有重要意义。

      为了实现磷肥在玉米生产中的可持续利用,前人在通过优化施肥措施挖掘作物自身的生物学潜力实现磷素高效利用方面做了不少研究,如在东北黑土区,常规施磷量基础上减施20%的磷肥可获得与常规施磷量相当的玉米籽粒产量,磷肥偏生产力增加17.0%~21.6%[11];在华北平原石灰性土壤上,深施磷肥可促进玉米根系下扎,促进了玉米对深层土壤养分的吸收[12],磷肥的农学利用率和表观利用率显著增加,且籽粒产量提高10.6%[13];此外,用生理酸性肥料硫酸铵替代尿素,促进了根系的增殖[14],增加玉米苗期对磷养分的吸收[15],玉米籽粒产量提高9.7%~12.5%[16]

      然而,目前基于优化施肥措施实现磷素高效利用的研究主要集中在华北平原灌溉农业区,在西北雨养农业区尚未见报道。在该区域,优化施肥措施能否实现磷肥高效利用的同时保证玉米的产量尚属未知,故在西北旱地通过3年的定位田间试验,研究不同优化施肥措施对玉米生长、产量、磷素吸收利用和土壤养分含量的影响,为西北旱地春玉米磷肥的优化施用提供参考。

      • 试验位于渭北旱塬雨养农业区陕西省长武县王东村 (N 35°12′,E 107°40′)。该地海拔1220 m,气候类型为暖温带半湿润大陆性季风气候,年均气温和降水量分别为9.1℃和578 mm,全年70%降水集中于5—9月 (春玉米生长季)。春玉米是该区域主要种植作物之一,每年于4月底播种,9月底收获,生育期间无灌溉措施。供试土壤类型为黑垆土,试验初始时土壤理化性质为:pH 8.25、容重1.25 g/cm3、有机质16.5 g/kg、全磷0.73 g/kg、硝态氮15.5 mg/kg、有效磷 (Olsen-P) 10.5 mg/kg、速效钾 (醋酸铵浸提) 134 mg/kg。试验为田间定位试验,试验期间 (2017—2019年) 月降雨量、平均气温如图1所示,2017、2018、2019年度全年降水量分别为560、586、694 mm,其中生育期 (5—9月) 降水分别为377、479、530 mm。

        图  1  2017—2019年试验期间月降雨量与平均气温

        Figure 1.  Average monthly precipitation and temperature during the experiment period from 2017 to 2019

      • 田间试验采用完全随机区组试验设计,共设5个处理:对照 (CK,不施磷肥),农户模式 (FP,磷用量P2O5 120 kg/hm2,撒施),减磷撒施 (RP,磷用量P2O5 70 kg/hm2,撒施),减磷条施 (BF,磷用量P2O5 70 kg/hm2,条施是在距离玉米种植行5 cm处挖深10~13 cm的沟,将磷肥均匀撒入沟内后填埋)、硫酸铵模式 (SA,采用硫酸铵氮肥替代尿素氮肥,其他同减磷撒施处理)。各处理氮肥施用量为N 225 kg/hm2,钾肥施用量为K2O 96 kg/hm2。氮肥总量的50%和全部磷钾肥作为基肥,在土壤旋耕后人工撒施 (BF处理除外) 并翻入耕层,其余50%氮肥作为追肥在拔节期穴施,施肥点距离植株10 cm、深10 cm。玉米供试品种为‘先玉335’,种植方式为全膜双垄沟栽培模式,种植密度65000株/hm2,株距31 cm。小区面积24 m2 (6 m × 4 m),每个处理重复3次,整个生育期按照当地农户习惯进行田间管理。

      • 在玉米成熟期,在各小区避开边行选取10 m2的玉米作为测产样方,收获玉米并记产,产量以烘干基表示。同时,在各小区随机采集3株玉米,收获地上部,风干后人工分为籽粒、茎叶、穗轴、苞叶4部分,65℃烘干到恒重,称重后粉碎备用。此外,2018和2019年在玉米四叶期以及五叶期,分别在各小区随机选取4株玉米,收获地上部,并挖取0—20 cm的玉米根系,洗净、烘干、称重后粉碎备用。另外,采集玉米根系,采用“抖土法”获得根际土。在玉米生长的植株行非根系部位采集0—20 cm耕层土样作为非根际土,所有土壤样品风干后过2 mm筛备用。

        玉米各器官磷含量采用H2SO4‒H2O2消解,连续流动分析仪 (AA3,Seal公司,德国) 测定。利用WinRHIZO根系扫描系统 (Regent Instruments Inc.,加拿大) 扫描玉米根系,获得数字化图像后对图像进行分析,获得根系生长参数 (根长、根体积、根表面积、不同直径根系分布)。丛枝菌根侵染率采用10% KOH消煮玉米根系,然后2% HCl酸化、0.05%曲利苯蓝染色,随机选取30根制片后用镜检法测定,采用“MYCOCALC”软件进行计算[17]。土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提,连续流动分析仪 (AA3) 测定;土壤pH采用水土比2.5∶1浸提法测定,土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[18]。试验前基础土样的各指标测定参照《土壤农化分析 (第三版)》[19]

      • 成熟期各器官 (籽粒、茎叶、穗轴、苞叶) 磷素累积量 (kg/hm2) = 各器官磷素含量 (g/kg) × 各器官生物量 (kg/hm2)/1000

        玉米生育前期各器官 (地上部、根系) 磷素累积量 (mg/株) = 各器官磷素含量 (g/kg) × 各器官生物量 (g/株)/1000

        磷肥的偏生产力 (kg/kg) = 施磷肥籽粒产量 (kg/hm2)/磷肥的投入量 (kg/hm2)

        磷肥回收利用率 = [施磷区地上部吸磷量 (kg/hm2) -不施磷区地上部吸磷量 (kg/hm2)]/磷投入量 (kg/hm2) × 100%

        生育前期磷累积量 (mg/plant) = 地上部磷积累量 (mg/plant) + 根系磷积累量 (mg/plant)

        试验数据采用Microsoft Excel 2016和SPSS (V24.0) 软件进行处理和统计分析,采用LSD法进行方差分析,P < 0.05为显著。

      • 3年田间试验结果 (图2)表明,与CK处理相比,各施磷处理 (FP、RP、BF、SA) 玉米籽粒产量和地上部生物量均显著提高,平均增幅分别为17.7%~21.9%和18.2%~21.4%,其中2019年FP处理籽粒产量和地上部生物量的增幅最大,分别高达34.2%和36.8%。与FP处理相比,各磷肥减量处理 (RP、BF、SA) 玉米平均籽粒产量和生物量均未显著降低。不同年份之间,各处理的玉米籽粒产量和地上部生物量差异显著,主要是由于3年间玉米生育关键时期降雨量不同引起的,如2017、2018和2019年玉米关键生育期 (7月份和8月份) 内的降雨量分别为190、297和230 mm (图1)。

        图  2  不同施肥措施对春玉米产量和地上部生物量的影响

        Figure 2.  Effects of different fertilization regimes on yield and shoot biomass of maize

      • 3年田间试验结果 (表1)表明,与CK处理相比,各施磷处理 (FP、RP、BF、SA) 均显著提高了玉米籽粒磷含量和累积量,但对玉米穗轴、苞叶和茎叶的磷含量及累积量影响不显著。与FP处理相比,磷肥减量处理RP和BF显著降低了籽粒磷含量 (9.6%和12.9%) 和磷累积量 (11.2%和17.0%),SA处理籽粒磷含量和累积量降低不明显。不同处理对不同年份春玉米各器官磷含量以及累积量的影响不同,其中试验第一年 (2017年) 各施磷处理间玉米各器官的磷含量与累积量无显著差异,随着试验年限的增加,到2019年,3个磷肥减量处理 (RP、BF、SA) 籽粒磷含量和磷累积量较FP处理显著降低。整体而言,FP、RP、BF、SA和CK处理的玉米地上部磷累积量平均为P 32.6、28.5、27.1、29.5、20.1 kg/hm2,且FP > RP、BF、SA > CK。

        表 1  不同施肥措施下春玉米成熟期各器官磷含量、累积量

        Table 1.  Phosphorus content and accumulation in spring maize organs at maturity under different fertilization regimes

        处理
        Treatment
        籽粒 Grain苞叶 Bract穗轴 Spike-stalk茎叶 Stem leaf
        磷含量
        P content
        (g/kg)
        磷累积量
        P accumulation
        (kg/hm2)
        磷含量
        P content
        (g/kg)
        磷累积量
        P accumulation
        (kg/hm2)
        磷含量
        P content
        (g/kg)
        磷累积量
        P accumulation
        (kg/hm2)
        磷含量
        P content
        (g/kg)
        磷累积量
        P accumulation
        (kg/hm2)
        2017
        FP2.06 a20.1 a0.21 a0.22 a0.12 a0.19 a0.29 a1.61 a
        RP2.04 a20.0 a0.21 a0.19 a0.17 a0.28 a0.32 a2.08 a
        BF2.04 a20.1 a0.20 a0.20 a0.16 a0.26 a0.29 a2.08 a
        SA2.05 a20.3 a0.18 a0.18 a0.14 a0.23 a0.31 a2.09 a
        CK1.95 a16.7 b0.18 a0.17 a0.15 a0.22 a0.33 a2.20 a
        2018
        FP2.63 a38.3 a0.15 a0.15 a0.16 a0.26 a0.51 a4.14 a
        RP2.28 b33.0 b 0.09 ab 0.08 ab0.14 a0.24 a0.34 a2.50 b
        BF2.14 c29.4 c0.07 b0.07 b0.14 a0.22 a0.37 a 3.06 ab
        SA 2.43 ab 35.2 ab 0.11 ab 0.11 ab0.14 a0.23 a0.40 a 3.40 ab
        CK1.74 d22.6 d0.05 b0.05 b0.13 a0.22 a0.34 a2.22 b
        2019
        FP2.52 a31.9 a 0.11 ab 0.13 ab0.19 a0.41 a 0.36 ab1.72 a
        RP2.22 b27.2 b 0.10 ab 0.11 ab0.17 a0.39 a 0.30 abc1.30 b
        BF2.10 b26.0 b0.09 b 0.09 bc0.16 a0.36 a0.40 a 1.69 ab
        SA2.20 b26.6 b0.12 a0.13 a0.13 a0.31 a 0.28 bc1.29 b
        CK1.91 c15.4 c 0.10 ab0.08 c0.13 a0.25 a0.25 c0.89 c
        平均Mean
        FP2.40 a29.4 a0.16 a0.17 a0.16 a0.28 a0.39 a2.73 a
        RP2.17 b26.1 b0.13 a0.13 a0.16 a0.30 a0.32 a1.96 a
        BF2.09 b24.4 b0.12 a0.12 a0.15 a0.28 a0.35 a2.28 a
        SA 2.23 ab 26.8 ab0.14 a0.14 a0.15 a0.29 a0.33 a2.26 a
        CK1.80 c17.7 c0.12 a0.12 a0.14 a0.23 a0.33 a2.00 a
        注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数值后不同小写字母表示同一年份各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same year (P < 0.05).
      • 3年试验结果 (表2)表明,与FP处理相比,3个磷肥减量处理 (RP、BF、SA) 均显著提高了磷肥的偏生产力,平均增幅为68.0%。各处理间磷肥的回收利用率在2017和2019年差异均不显著;在2018年,SA处理磷肥回收利用率高于其他处理,与BF处理差异达显著水平。三年平均磷肥回收利用率,SA处理最高,显著高于FP处理7.2个百分点。此外,RP处理较FP处理磷肥回收利用率提高4.3个百分点。不同年际间磷肥的利用效率存在差异,2017年各处理磷肥的偏生产力和回收利用率均显著低于2018和2019年,2018年各施磷处理磷肥偏生产力显著高于2019年,但其磷肥回收利用率与2019年的差异未达显著水平 (BF处理除外)。

        表 2  2017—2019年不同施肥措施下的春玉米磷肥利用效率

        Table 2.  Utilization efficiencies of phosphorus fertilizer under different fertilization regimes (2017–2019)

        磷肥利用效率
        P utilization efficiency
        处理
        Treatment
        年份 Year平均
        Mean
        201720182019
        偏生产力PFP (kg/kg) FP81 Cb122 Ab105 Bb103 b
        RP140 Ca207 Aa175 Ba175 a
        BF141 Ca196 Aa176 Ba171 a
        SA141 Ca207 Aa173 Ba174 a
        平均Mean126 C183 A157 B
        回收利用率RE (%)FP5.4 Ba33.3 Aab33.5 Aa24.5 b
        RP10.5 Ba35.3 Aab40.5 Aa28.8 ab
        BF10.9 Ca25.3 Bb37.6 Aa24.6 b
        SA11.3 Ba45.4 Aa38.5 Aa31.7 a
        平均Mean9.6 B35.0 A37.4 A
        注(Note):PFP—Partial factor productivity; RE— Recovery efficiency. FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份各处理间差异显著,不同大写字母表示相同处理在不同年份间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same year and different capital letters indicate significant difference among the three years for the same treatment (P < 0.05).
      • 2018—2019年两年试验结果(表3)表明,在玉米生长四叶期和五叶期,与CK处理相比,各施磷处理显著增加了春玉米地上部生物量,增幅在21.7%~107.3%。与FP处理相比,3个磷肥减量处理 (RP、BF、SA) 并未显著降低地上部生物量;各施磷处理地上部磷含量也较CK处理显著增加,且FP处理地上部磷含量相对较高,高于其他施磷处理5.1%~48.6%。此外,在四叶期和五叶期,各施磷处理显著增加了玉米单株磷累积量,但各施磷处理之间无显著差异(2018年五叶期除外)。

        表 3  不同施肥措施下春玉米不同生育期根和地上部生物量及磷累积量

        Table 3.  The biomass and phosphorus accumulation in roots and shoots of spring maize in different growing stages under different fertilization regimes

        年份
        Year
        生育期
        Growth stage
        处理
        Treatment
        生物量 Biomass (g/plant) 磷含量P content (g/kg) 磷累积量
        P accumulation
        (mg/plant)
        地上部Shoot根系Root地上部Shoot根系Root
        2018四叶期
        Four-leaf stage
        FP 4.53 a0.56 a4.65 a1.64 a22.0 a
        RP 4.72 a0.60 a4.39 b1.55 a21.7 a
        BF 4.63 a0.63 a4.10 c1.56 a20.0 a
        SA 4.58 a0.67 a4.44 b1.51 a21.3 a
        CK 3.72 b0.52 a3.90 d1.25 b15.1 b
        五叶期
        Five-leaf stage
        FP13.60 a1.33 a3.69 a1.56 a52.3 a
        RP12.77 a1.34 a3.50 a 1.44 ab46.8 b
        BF12.68 a1.29 a3.24 b1.27 b42.7 b
        SA12.16 a1.25 a 3.43 ab1.25 b43.3 b
        CK 8.88 b0.97 b2.93 c 1.37 ab27.3 c
        2019四叶期
        Four-leaf stage
        FP 6.80 a0.66 b4.19 a1.33 a29.4 a
        RP 7.12 a0.86 a 3.24 ab1.53 a24.4 a
        BF 6.54 a 0.72 ab3.70 b1.30 a25.1 a
        SA 6.66 a0.65 b3.43 b1.28 a23.7 a
        CK 3.28 b0.47 c2.82 c1.42 a 9.9 b
        五叶期
        Five-leaf stage
        FP15.10 a1.62 a3.24 a1.26 a51.0 a
        RP17.21 a1.60 a 2.83 ab1.22 a50.7 a
        BF15.00 a1.44 a 2.90 ab1.66 a45.9 a
        SA18.13 a1.46 a2.55 b1.29 a48.1 a
        CK12.77 b1.23 b2.38 b1.39 a32.4 b
        注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份同一生育期各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same growing stage of the year (P < 0.05).
      • 2018—2019年两年试验结果(表4)表明,在玉米四叶期和五叶期,与CK处理相比,施磷处理 (FP、RP、BF、SA) 均显著提高了玉米的总根长。各施磷处理间根系总根长无显著差异,其中SA处理玉米根系的根长、根表面积、根体积、直径在0~0.50 mm范围内的细根长均优于其他施磷处理,且与FP相比,SA处理的根长、根表面积、直径在0~0.50 mm范围内的细根长分别增加了13.9%~37.9%、8.6%~46.1%、12.2%~43.0%。

        表 4  不同施肥措施对春玉米根系生长的影响

        Table 4.  Effects of different fertilization regimes on the growth of spring maize roots

        年份
        Year
        生育期
        Growth stage
        处理
        Treatment
        总根长
        Total root length
        (cm/plant)
        根表面积
        Root surface area
        (cm2/plant)
        根体积
        Root volume
        (cm3/plant)
        直径≤0.50 mm根长
        Length of roots with diameter≤ 0.50 mm
        (cm/plant)
        2018四叶期
        Four-leaf stage
        FP837 a141 a2.17 a611 a
        RP837 a189 a2.77 a569 a
        BF843 a161 a2.84 a591 a
        SA969 a206 a2.85 a694 a
        CK707 b123 a1.72 a501 a
        五叶期
        Five-leaf stage
        FP1132 a 180 a3.58 a864 a
        RP1193 a 235 a3.62 a890 a
        BF1231 a 243 a3.73 a943 a
        SA1302 a 256 a3.83 a1021 a
        CK853 b198 a2.84 b650 b
        2019四叶期
        Four-leaf stage
        FP 889 ab185 a3.10 a 610 ab
        RP906 a190 a3.24 a 619 ab
        BF1120 a 227 a3.74 a784 a
        SA1226 a 246 a3.99 a872 a
        CK680 b153 a1.39 b485 b
        五叶期
        Five-leaf stage
        FP1379 a 324 a6.34 a1008 a
        RP1605 a 451 a8.55 a1244 a
        BF1418 a 346 a6.93 a1089 a
        SA1571 a 352 a7.10 a1131 a
        CK1066 b 279 b4.22 b779 a
        注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份同一生育期各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same growing stage of the year (P < 0.05).
      • 2018和2019年两年的研究结果 (表5)表明,在四叶期和五叶期,与CK处理相比,施磷处理 (FP、RP、BF、SA) 均在一定程度上降低了玉米根系丛枝菌根侵染率,其中FP、BF处理显著降低了根系丛枝菌根侵染率。与FP处理相比,3个磷肥减量处理中的RP和SA处理显著提高了玉米0—20 cm根系的丛枝菌根侵染率,增幅为16.2%~21.7%,而BF处理对丛枝菌根侵染率的影响未达到显著水平。

        表 5  不同施肥措施下0—20 cm土层根系丛枝菌根侵染率

        Table 5.  The arbuscular mycorrhizal infection rate in roots of 0‒20 cm soil layer under different fertilization regimes

        生育期
        Growth stage
        处理
        Treatment
        年份 Year平均
        Mean
        20182019
        四叶期Four-leaf stageFP34.4 Aa33.9 Ab34.1 c
        RP40.2 Aa41.7 Aa 40.9 ab
        BF38.1 Aa34.4 Ab 36.2 bc
        SA40.4 Aa42.5 Aa41.5 a
        CK40.6 Aa42.4 Aa41.5 a
        五叶期Five-leaf stageFP34.5 Ac34.4 Ab34.4 b
        RP39.6 Ab42.5 Aa41.2 a
        BF 37.2 Abc34.1 Ab35.6 b
        SA39.0 Ab41.1 Aa40.1 a
        CK46.1 Aa42.2 Aa44.1 a
        注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份同一时期各处理间差异显著,不同大写字母表示相同处理在不同年份间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same stage of the year and different capital letters indicate significant difference among the three years for the same treatment (P < 0.05).
      • 2018和2019年两年的平均试验结果 (表6)表明,在玉米生长的四叶期和五叶期,各处理间根际土和非根际土pH差异均不显著,各处理间根际土碱性磷酸酶活性差异不显著,但在五叶期SA和CK处理非根际土碱性磷酸酶活性较FP处理显著提高。此外,与FP处理相比,BF处理非根际土有效磷含量提高18.8%~56.3%,而RP、SA处理土壤有效磷含量降低18.6%~24.7%,在五叶期差异达显著水平。

        表 6  不同施肥措施下土壤pH、碱性磷酸酶活性及有效磷含量

        Table 6.  Soil pH, alkaline phosphatase activity and available P content under different fertilization regimes

        生育期
        Growth stage
        处理
        Treatment
        pH碱性磷酸酶活性 [μg/(g·h)]
        Alkaline phosphatase activity
        有效磷 (mg/kg)
        Olsen-P content
        非根际土
        Bulk soil
        根际土
        Rhizosphere soil
        非根际土
        Bulk soil
        根际土
        Rhizosphere soil
        非根际土
        Bulk soil
        2018#
        四叶期
        Four-leaf stage
        FP7.91 a47.5 a53.0 a10.47 c
        RP7.90 a45.5 a51.0 a 11.43 bc
        BF7.95 a45.0 a50.5 a27.07 a
        SA7.94 a48.0 a52.5 a12.48 b
        CK8.05 a46.5 a50.5 a 7.44 d
        五叶期
        Five-leaf stage
        FP7.94 a42.0 b61.5 a11.95 b
        RP7.82 a 45.5 ab48.5 a11.95 b
        BF7.83 a 45.0 ab55.5 a21.58 a
        SA7.82 a49.5 a54.0 a11.44 b
        CK7.93 a 45.0 ab51.5 a 5.13 c
        2019
        四叶期
        Four-leaf stage
        FP8.13 a8.08 a32.3 a67.2 a11.80 a
        RP8.10 a8.02 a32.2 a66.6 a 5.97 b
        BF8.13 a8.16 a32.6 a59.7 a 7.75 b
        SA8.15 a8.12 a31.9 a61.2 a 4.29 b
        CK8.11 a8.13 a34.0 a70.7 a 3.79 b
        五叶期
        Five-leaf stage
        FP8.31 a8.01 a47.6 a46.7 a12.16 a
        RP8.22 a8.10 a47.3 a45.8 a 7.99 b
        BF8.10 a7.91 a35.2 a46.3 a 7.05 b
        SA8.24 a8.05 a59.1 a51.6 a 8.2 b
        CK8.22 a8.08 a63.0 a65.0 a 2.38 c
        平均Mean
        四叶期
        Four-leaf stage
        FP8.02 a8.08 a39.9 a60.1 a 11.14 ab
        RP8.00 a8.02 a38.9 a58.8 a 8.70 b
        BF8.04 a8.16 a38.8 a55.1 a17.41 a
        SA8.05 a8.12 a40.0 a56.9 a 8.39 b
        CK8.08 a8.13 a40.3 a60.6 a 5.62 c
        五叶期
        Five-leaf stage
        FP8.13 a8.01 a44.8 b54.1 a12.06 a
        RP8.02 a8.10 a 46.4 ab47.2 a 9.97 b
        BF7.97 a7.91 a40.1 b50.9 a14.33 a
        SA8.03 a8.05 a54.3 a52.8 a 9.82 b
        CK8.08 a8.08 a54.0 a58.2 a 3.76 c
        注(Note):FP—P2O5 120 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; RP—P2O5 70 kg/hm2, 撒施 Broadcasting; BF—P2O5 70 kg/hm2, 条施 Broadcasting in band; SA—P2O5 70 kg/hm2, 氮肥为硫酸铵 N fertilizer is ammonium sulfate; CK—不施磷肥对照 No P fertilization; 同列数据后不同小写字母表示同一年份同一生育期各处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments in the same growing stage of the year (P < 0.05). #2018 年根际土 pH 数据未测定 pH data of 2018 year were not detected .
      • 作物高产是农业生产追求的主要目标,通过减量施肥来实现养分的高效利用时必须考虑其对产量的影响。本研究结果表明,在黄土高原旱地当前玉米生产中,磷肥减量处理 (RP、BF、SA) 可以获得与农户模式FP处理相当的籽粒产量和生物量 (图2)。磷肥减施而不减产的主要原因是农户习惯施磷量 (P2O5 120 kg/hm2) 远高于当地合理的磷肥推荐量 (P2O5 76.9 kg/hm2)[20],即过量施磷。这种现象在我国其他玉米产区同样存在,如在我国主要的四大玉米种植区,磷肥施用过量的农户占30.0%~58.1%[5-8]。根据养分归还学说,施入的磷肥应与磷素携出量相当,即保证磷素养分平衡。本试验结果表明FP处理玉米地上部磷累积量平均为P2O5 74.6 kg/hm2 (表1),3个磷肥减量处理的磷肥施用量为P2O5 70 kg/hm2,较FP处理降低42%,但也满足了玉米磷素需求,故未引起玉米减产。在华北平原,亦有研究表明磷肥用量减少20%~40%,玉米籽粒产量不降低[21]。由此可见,当前玉米生产中农户磷肥施用量偏高,可适量减少磷肥施用量。对于西北旱地玉米而言,磷肥的施用量可减少至玉米的磷需求量 (P2O5 70~75 kg/hm2)。

        磷肥条施对玉米产量的效应不一。Alam等[22]在孟加拉国的研究结果表明,与磷肥撒施相比,磷肥条施可以显著提高玉米的籽粒产量,增幅在6.0%~11.0%。但Buah等[23]在美国爱荷华州的研究结果表明,在不同磷水平下磷肥条施较撒施并没有提高玉米产量的效应;朴秀吉等[24]在我国东北地区的研究也得到了类似的结果,本研究结果与其相似,BF处理与同等施磷量的RP处理 (磷肥撒施) 相比产量无显著差异。不同试验点磷肥条施效应存在差异的原因可能与试验点基础土壤速效磷含量以及生育期水分含量有关,本研究中条施BF处理土壤有效磷降低到了较低的水平 (< 10 mg/kg),且玉米生育期无灌溉措施,过低的土壤有效磷含量和水分含量限制了玉米磷素累积 (表1表3),进而影响玉米产量的进一步提升;东北地区土壤有效磷含量高达23.5 mg/kg,土壤不缺磷,导致条施效果不明显。而在孟加拉国的研究中,其土壤有效磷含量为11.0 mg/kg,但在玉米生育期进行了灌溉,磷肥条施使得磷素更集中于玉米根系周围,效果明显。

        在华北平原的研究结果表明,与等氮量的尿素处理相比,硫酸铵处理显著提高了玉米的穗粒数,从而提高了玉米的产量[16]。在新疆的石灰性土壤上,也得到了类似的结果[25]。但在本研究中,施用硫酸铵SA处理与同施磷量的RP处理和高量磷肥FP处理相比,籽粒产量均没有显著提高,其原因可能与农田管理措施不同导致的土壤水分差异有关。在雨养农业区,玉米全生育期无灌溉,土壤水分相对比较低 (四叶期和五叶期平均水分含量为17.5%),限制了硫酸铵效应的发挥,而在华北平原和新疆,除降水外,玉米生育期均多次灌溉,土壤水分含量相对较高。

      • 根系的可塑性是实现作物养分资源高效利用的关键,在受磷胁迫时,玉米根系会产生反馈调节作用,使其根总干重、根表面积、总根长、细根长、微生物 (如菌根) 发生改变[26],进而增加玉米对养分的吸收利用。由于磷在土壤溶液中的迁移速率只有10–15~10–12 m2/s[27],土壤溶液中的磷主要通过扩散作用被根系吸收,因此作物的根总干重、根表面积、总根长、细根长与作物对磷的吸收利用密切相关[28]。在本研究中,与不施磷处理CK相比,施磷处理 (FP、RP、BF、SA) 的根干重、总根长、根表面积、细根长均增加,提高了根系对土壤磷素吸收利用的能力,从而促进玉米对磷素养分的累积 (表1表3) 与产量的增加 (图2)。与农户模式 (FP) 相比,磷肥减施模式 (RP) 在一定程度上促进了玉米根系生长和提高了丛枝菌根侵染率 (表5),保证了在磷肥用量减少42%的情况下玉米磷素吸收利用。此外,在华北平原石灰性土壤上的研究表明,等氮量的生理酸性肥料硫酸铵替代尿素促进了根系的增殖,玉米单株根干重、总根长、一级侧根密度、一级侧根平均长度以及0—15 cm耕层土壤的根长密度均显著增加[16],玉米不同时期 (苗期、拔节期和花期) 地上部生物量增加[29]。本研究中,与施用尿素处理FP和RP相比,磷肥和硫酸铵配施处理 (SA) 在一定程度上增加了玉米总根长、根表面积、细根长以及菌根侵染率 (表4表5),因此保证了玉米苗期生物量不降低,根系与地上部全磷含量基本不变。

        在磷肥减施基础上,用等氮量生理酸性肥料硫酸铵替代尿素,可得到与农户施磷量相当的籽粒磷含量和磷素累积量 (表1),主要原因是硫酸铵促进了玉米根系的增殖以及丛枝菌根侵染率的增加,与农户模式FP相比,硫酸铵模式SA玉米根系的总根长、根表面积、直径小于0.50 mm的细根长度和菌根侵染率分别增加了13.9%~37.9%、8.6%~46.1%、12.2%~43.0% 和16.2%~21.7% (表4表5),进而促进了根系对土壤溶液中磷素的吸收利用。在西北新疆的研究结果也表明,在等氮量的情况下,与尿素相比,施用硫酸铵肥料可显著提高玉米地上部磷含量和磷累积量,促进玉米对磷素的吸收[25]。本研究结果表明,硫酸铵模式 (SA) 磷肥回收利用率较农户模式FP提高7.2个百分点,较等氮量的尿素处理 (RP) 提高2.9个百分点,实现了磷素的更高效利用。说明在西北旱地石灰性土壤上,在磷肥减施的基础上用生理酸性肥料硫酸铵替代尿素可促进玉米根系的增殖以及丛枝菌根侵染,增加玉米植株对磷素的吸收利用,进而保证玉米产量稳定和磷肥利用效率的提高,实现旱地春玉米磷肥的高效利用。

      • 磷肥集中施用可减小与土壤的接触面积,从而降低土壤颗粒对施入土壤中磷素的吸附固定,能提高局部土壤磷的有效性[30],陕西关中平原研究结果表明,在玉米拔节期,磷肥施用量降低25.6%并将撒施改为条施有提高土壤有效磷含量的趋势[31]。在本研究中磷肥条施处理 (BF) 较等施磷量的撒施处理 (RP和SA处理),苗期耕层土壤有效磷的含量显著提高。在土壤磷素循环过程中,磷酸酶 (碱性磷酸酶、酸性磷酸酶) 可将土壤中有机磷分解为作物根系可直接吸收利用的磷形态,其活性的大小表示土壤有机磷供磷的潜力,易受土壤酸碱性和磷肥施用量的影响。王文华等[32]研究表明酸性土壤上,油菜根际土酸性磷酸酶活性与施磷水平呈负相关,陈波浪等[33]研究表明在碱性土壤上,棉田土壤碱性磷酸酶活性与施磷水平呈正相关;但同样在碱性土壤上,番茄田土壤碱性磷酸酶活性却不受施磷量的影响[34]。在小麦生产中,陈磊等[35]研究表明,随着磷肥用量的增加,根际土碱性磷酸酶活性下降,而非根际土碱性磷酸酶活性无显著变化。在本研究中,磷肥减量施用对根际土碱性磷酸酶活性影响不显著,但在玉米五叶期,较FP处理,RP、SA处理有提高非根际土碱性磷酸酶活性的趋势,其中SA处理差异达显著水平,BF处理对非根际土碱性磷酸活性无明显影响(表6),其原因可能是BF处理较高土壤速效磷含量限制了土壤碱性磷酸酶活性的提高 。

      • 在西北典型雨养旱地,当前农户磷肥用量 (P2O5 120 kg/hm2) 减少至玉米磷素需求量 (P2O5 70~75 kg/hm2,磷肥减施42%) 是可行的,即能保证玉米的籽粒产量以及地上部生物量不降低,而且还能显著提高磷肥偏生产力。在磷肥减施的基础上用生理酸性肥料硫酸铵替代尿素可促进玉米根系生长和丛枝菌根的侵染,提高根系对磷的吸收利用,获得与当地农户施磷量相当的籽粒磷含量和磷累积量,磷肥当季回收利用率显著提高。因此,在西北旱地春玉米种植区,在磷肥合理减施 (即保证磷素平衡) 的基础上用生理酸性肥料硫酸铵代替尿素是实现磷素高效利用的优化途径之一,可在当地农业生产中推广使用。

    参考文献 (35)

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