豫北潮土区大豆产量的施磷效应分析

韩本高， 李岚涛， 周琦， 冀昊言， 赵剑， 赵士诚， 王宜伦

(1.河南农业大学资源与环境学院,河南 郑州 450002；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

大豆是重要的粮食作物和油料作物。当前，中国大豆单产较低，难以满足人口增长及各行业发展需求，2020年中国大豆总需求量84.4%来自于进口贸易[1]。肥料作为农作物的“粮食”，是影响大豆增产的重要因素。大豆是需磷较多的作物，施磷可促进根瘤菌生长与形成[2-3]、提高其固氮能力、增强大豆植株抗逆性、增产提质等[4]。长期以来，农民对大豆施肥不够重视，经常不施肥或施少量肥料。养分供应不足成为提升大豆产量的主要限制因素。明确大豆施磷效应对促进大豆高效优质生产具有重要意义。研究表明，缺磷会影响作物正常生长代谢，光合作用和呼吸速率减弱，根系活力降低，从而造成作物生长缓慢，植株矮小，最终导致产量降低[5-7]。施磷过多则抑制大豆豆粒数增加，影响大豆产量形成[8]，同时磷素流失会导致农业生态环境污染[9]。因此，在大豆生产中合理施磷对提高产量和保护农业生态环境具有重要作用。磷在土壤中大部分以无机磷的形态存在，仅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，随土壤磷含量升高，大豆植株磷素含量呈单峰曲线变化[10]，各部位生长速率和籽粒产量亦表现出相同趋势[11]。张文献等[12]运用MSAP和qRT-PCR技术对不同浓度磷胁迫对大豆根系DNA甲基化水平的影响进行分析，表明无磷和高磷胁迫分别降低和提高大豆根系DNA甲基化水平，均显著抑制大豆生长。因此，不施磷或高磷都不利于大豆生长，合理施磷有利于大豆蛋白质积累，促进磷素吸收，获得高产[13]。据报道，在土壤肥力高的东北黑土区，施磷40 kg·hm-2即可获得大豆高产[14]。在黑龙江省各地，大豆平衡施磷75 kg·hm-2可达到高产、优质的目的[15]。司玉坤等[16]研究表明，豫中地区施磷90 kg·hm-2时，产量和经济效益最佳。目前，针对豫北潮土区不同施磷量对大豆磷素吸收利用特性的影响尚未见报道。本研究研究了不同施磷水平对豫北潮土区大豆产量、磷素积累量、磷肥利用效率及经济效益的影响，旨在明确大豆施磷效应，为豫北潮土区大豆合理施磷提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2019年和2020年6月至10月在河南省原阳县河南农业大学科研基地(35°10′N，113°43′E)开展大豆施磷水平田间试验。供试土壤为沙质潮土，土壤基本理化性质如表1所示。

表1 供试土壤基础理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 试验设计

试验共设5个处理：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)。每个处理设3个重复，随机区组排列。小区面积为32.4 m2。种植制度为小麦-大豆轮作，小麦季所有小区均按m(N-P2O5-K2O)=(210-90-90)kg·hm-2施肥。供试大豆品种为‘郑196’，播种密度为20.5万株·hm-2，供试肥料为尿素(N质量分数为46%)、过磷酸钙(P2O5质量分数为16%)、氯化钾(K2O质量分数为60%)，氮(N)、钾(K2O)肥用量分别为75、60 kg·hm-2。所有肥料均在大豆苗期一次开沟条施。其他田间管理措施与当地农户习惯一致。

1.3 样品采集与测定

在试验小区大豆播种前采0～20 cm混合土样(5个点)，自然风干后粉碎，过筛，用于分析基础养分及理化特征，分别采用电极法[m(水)∶m(土)=2.5∶1]测定土壤pH值、重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质，用碱解扩散法测定土壤碱解氮，用NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定土壤速效磷，用NH4OAc浸提-火焰光度法测定土壤速效钾。

大豆成熟期各小区分3次，每次取长势均匀的大豆植株10株，于105 ℃下杀青30 min，65 ℃下烘干，称质量，粉碎，采用浓H2SO4-H2O2消煮，钼蓝比色法测定全磷含量。收获期各小区随机选取2行15株大豆植株，选择10株调查单株荚数、单株粒数及百粒质量，并对15株大豆脱粒计产。

1.4 数据处理与统计分析

收益/(元·hm-2)=产量×单价

纯收益/(元·hm-2)=总产值-肥料投入

磷素积累量/(kg·hm-2)=(秸秆干质量×秸秆磷素含量籽粒干质量×籽粒磷素含量)/1 000

磷肥偏生产力/(kg ·kg-1)=施磷区籽粒产量/施磷量

磷肥农学效率/(kg ·kg-1)=(施磷区籽粒产量-不施磷区籽粒产量)/施磷量

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

采用Microsoft Excel 2019处理数据，DPS软件进行数据分析，Origin 2019b制图。

2 结果与分析

2.1 施磷量对豫北潮土区大豆产量及其构成因子的影响

表2表明，施磷显著提高大豆产量，2019年施磷增产12.92%～39.87%，P120产量最高，增产39.87%；2020年施磷增产0.90%～16.79%，P80最优，增产16.79%。施磷显著提高了单株荚数，以P80和P120表现较优，平均单株荚数分别提高13.88%和16.71%，进而提高了单株粒数；施磷对2 a的大豆百粒质量没有显著影响。这说明施磷通过促进豆荚形成，提高了单株粒数，进而提高大豆产量。

表2 不同施磷处理对大豆产量及产量构成因子的影响

以磷肥用量为自变量，产量为因变量，进行回归分析。2019年，回归方程为：y=-0.084 7x2+22.239x+4 183.8；2020年，回归方程为：y=-0.083 0x2+13.030x+3 408.9。结合磷肥价格、大豆价格进行分析，2019年经济最佳施磷量(P2O5)为123.55 kg·hm-2，2020年经济最佳施磷量(P2O5)为70.89 kg·hm-2。

2.2 施磷量对豫北潮土区大豆成熟期地上部生物量的影响

由图1可以看出，施磷显著提高大豆地上部生物量，整体随施磷量提高呈先增加后降低趋势。P120地上部生物量最高，较P0分别增加20.55%和28.30%，其次以P80较优，与P120无显著差异。P160地上部生物量显著低于P120。这说明适量施磷可提高大豆干物质质量，施磷过高则会抑制生物量积累。

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different letters indicate significant differences betweentreatments (P<0.05). The same as below.图1 不同施磷量对大豆地上部生物量的影响

2.3 施磷量对豫北潮土区大豆磷素积累量的影响

由表3可知，施磷显著提高大豆地上部磷素积累量16.52%～39.92%。P120较P0显著提高籽粒磷素积累量达19.92%，同时提高了大豆秸秆磷素积累量。与P120相比，P80秸秆和籽粒磷素积累量差异均不显著， P40、P160地上部磷素积累量显著降低。可见，低磷和高磷均不利于磷素的积累，豫北潮土区施磷80 kg·hm-2有利于磷素吸收利用。

表3 不同施磷量对大豆磷素积累量的影响

2.4 施磷量对豫北潮土区大豆磷肥利用效率的影响

由表4可以看出，P40磷肥农学效率和磷肥偏生产力显著高于其他施磷处理。磷肥利用率以P40和P80较高，平均磷肥利用率分别为26.90%和27.86%，较最低的P160显著提高113.45%和121.11%。大豆磷肥利用率、农学效率与偏生产力均随施磷量增加出现不同程度降低。

表4 施磷量对大豆磷肥利用效率的影响

2.5 施磷量对豫北潮土区大豆经济效益的影响

由表5可知，2 a大豆产值分别以P120和P80最高，分别较P0增加39.87%和16.79%。2019年施磷增收2 457.23～7 605.02元·hm-2，P120的纯收益最高，为27 663.33元·hm-2。2020年大豆纯收益P80最高，为19 372.13元·hm-2，增收2 489.02元·hm-2。结果表明，施磷显著提高大豆收益，且随肥料投入成本增大，大豆纯收益先增加后降低。

表5 不同施磷处理对大豆经济效益的影响

3 结论与讨论

磷素是作物生长发育必需的矿质元素之一，对大豆产量形成至关重要，缺磷或施磷过高都会影响大豆正常生长代谢，导致产量降低[15,17]。合理施磷有利于提高大豆光合作用[18]，促使株高增加，提高干物质质量[19-20]。高中超等[21]研究表明，施磷120 kg·hm-2大豆产量最佳，不同施磷量对大豆百粒质量没有显著影响，对结荚数有一定影响。赵家煦等[19]认为，大豆单株荚数和单株粒数随施磷量的增加而增加。本试验结果表明，大豆产量随施磷量增加呈先升后降趋势，2019年和2020年分别以施磷80和120 kg·hm-2大豆产量最佳。施磷显著提高大豆单株豆荚数，对百粒质量和单株豆粒数影响不大。豆荚数影响大豆产量形成，施磷促进豆荚形成，进而提高大豆产量。

增施磷肥可提高大豆植株和籽粒磷素累积。本研究结果显示，施磷处理大豆秸秆和籽粒磷素积累量均高于不施磷处理，施磷80、120 kg·hm-2高于其他施磷处理，显著高于不施磷。这与高志英等的研究结果基本一致，其通过不同施磷水平研究发现大豆生长各阶段的磷素积累量在施磷量为125 kg·hm-2最大[22]。本试验中，施磷80 kg·hm-2即可获得与施磷120 kg·hm-2相当的地上部磷素积累量，这可能是由于试验土壤养分含量不同，豫北潮土区施用较低磷肥即可使大豆获得较高磷素积累。

磷肥利用率(PUE)、磷肥偏生产力(PPFE)、磷肥农学效率(PAE)是表征农田磷肥利用效率的重要指标。合理施用磷肥可以提高大豆磷肥利用效率，避免施磷不足引起产量降低[15]或过量造成磷素污染[9]等问题。研究表明，肥料利用效率随施肥量增加呈下降趋势，肥料利用效率最高的处理，产量不一定最高[23]。本研究中磷肥农学效率和偏生产力P40显著高于其他施磷处理，且随施磷量增加，磷肥农学效率和偏生产力逐步降低。施磷40～120 kg·hm-2大豆磷肥表观利用率较高，施磷160 kg·hm-2磷肥表观利用率显著降低。

大豆产量形成受自然因素和非自然因素共同影响，其实际产量可以分解为趋势产量、气象产量和随机产量，由气象条件差异引起的大豆产量波动，相应的产量分量称为气象产量。由于大豆耐旱耐涝性较差，大豆气象产量对降水量的变化尤为敏感[24]。研究表明，大豆产量与花后降水量呈极显著负相关[25]。本试验中，2 a大豆产量差异较大，可能是由于2020年豫北地区大豆生育后期降雨量大、持续时间长，导致土壤淹水、田间低温，不利于大豆籽粒形成，大豆结荚数和豆粒数显著减少，致使大豆产量明显降低。降水和温度等气候条件是导致两年产量、磷肥效果差异的原因，进而影响磷肥推荐用量。

2 a试验表明，豫北潮土区施磷可促进大豆对磷素吸收利用，增加地上部生物量，提高产量。分别施磷120和80 kg·hm-2产量最高，磷肥利用率平均分别为21.67%和27.86%，纯收益较不施磷提高37.91%和14.74%。经济最佳施磷量分别为123.55和70.89 kg·hm-2。综合产量和经济效益，豫北潮土区大豆推荐施磷80～120 kg·hm-2，正常年份施磷量适当高些，多雨年份施磷量适当低些，可实现增产增收。