低磷红壤的玉米磷肥农学效应与农学阈值

苏丽珍，张连娅，王思睿，曹卉敏，肖靖秀，郑毅，2，汤利*

（1.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；2.云南开放大学，昆明 650599）

磷是植物三大必需营养元素之一，是作物产量和农业生产力的保障。但磷肥在土壤中容易被固定，当季利用率只有5%～25%。红壤的低pH和高能量吸附表面如铝氧化物和氢氧化物，使其固磷能力远高于北方石灰性土壤。红壤磷肥利用率低，磷残留量高，且磷肥施用量大，农户间差异大，因而如何在保障作物产量的同时，减少红壤磷固定，实现磷肥减施增效，从而减少环境风险已成为旱地红壤的重要研究方向。

土壤磷肥农学阈值对合理施肥具有重要的指导意义。土壤表观预算是通过记录土壤中总的养分输入量和总的养分输出量来计算土壤养分的平衡量。农田土壤中磷的表观平衡，主要是由农田中施用磷肥与作物磷携出量的差别所导致的，通过有效的磷管理方式可减少土壤磷盈余量。利用磷肥农学阈值来控制田间磷肥投入量在平原地区的潮土水稻田、巢湖流域麦稻轮作系统中已有相关研究，然而，有关南方旱地红壤上玉米的磷肥阈值研究还较鲜见。

玉米是世界上最重要的粮食、饲料和燃料作物之一，在粮食安全和国家社会经济发展中发挥着重要作用。西南地区玉米普遍存在磷肥施用量高、磷肥利用率低等问题。在旱地红壤上有关施磷对根际有效磷及磷吸收的影响、对玉米根系形态的影响已有研究报道，但是对低磷红壤农学效应的影响还缺少研究。因此，在土壤磷利用程度低和磷资源日趋减少的情况下，提高肥料磷和累积态磷的利用效率是实现作物增产、磷肥减施增效、环境友好的重要途径。本研究以玉米为研究对象，针对西南旱地红壤，研究不同磷肥施用量对玉米产量、生物量及磷肥农学效应的影响，并建立旱地红壤磷肥高效利用的农学阈值，为保护农田生态环境、促进磷肥减施增效提供理论依据和技术基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点

田间定位试验分别于2017—2019年的5—10月在云南省昆明市官渡区小哨村旱地红壤试验基地（102°41'～103°03'E、24°54'～25°13'N）进行。该地海拔2 098 m，年平均气温15℃，年均日照2 200 h左右，无霜期240 d以上，年降水量1 035 mm。试验地为典型山原红壤，2017年新垦为田间定位试验，供试土壤起始基本理化性状为pH 4.53、有机质含量4.49 g·kg、碱解氮含量24.0 mg·kg、速效磷含量4.02 mg·kg、速效钾含量125.0 mg·kg。

1.2 试验材料

供试玉米为当地主栽品种“云瑞88”，试验用氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为普通过磷酸钙（含PO16%），钾肥为硫酸钾（含KO 52%）。

1.3 试验设计

小区试验采用随机区组设计，设置4个不同磷肥用量处理，分别施磷肥（以PO计）0、60、90 kg·hm和120 kg·hm（分 别 记 作P0、P60、P90和P120），当地常规磷肥用量为PO120 kg·hm。每个处理3次重复，共12个小区。

小区面积为26 m（6.5 m×4 m），行距均为50 cm，每小区12行，每行15株，玉米株距25 cm，距边25 cm。各处理氮、钾肥施用量均为当地常规施肥量，分别为氮肥（N）250 kg·hm、钾肥（KO）75 kg·hm。供试磷肥（普通过磷酸钙）、钾肥（硫酸钾）均作基肥一次施入，氮肥（尿素）分3次施用，即基肥40%、小喇叭口期25%、大喇叭口期35%。所有试验小区玉米生育期保持浇水、除草等措施一致。

1.4 样品采集与测定

样品采集：于玉米成熟期取样，每小区随机选取5株长势相同的植株，分别取植株茎、叶、籽粒3部分，采用抖土法收集玉米根际土。

生物量测定：植株于烘箱中105℃杀青30 min，80℃恒温烘干至质量恒定，分别测定干物质量。

产量测定：在成熟期后，去除采样区，选取6行产区玉米对每个小区进行测产。

植株磷养分测定：将烘干后的植株粉碎，参照《土壤农化分析》采用钼黄比色法测定玉米茎、叶、籽粒中的全磷含量。

土壤有效磷测定：参照《土壤农化分析》，采用0.5 mol·LNaHCO-钼兰比色法测定。

1.5 参数计算

（1）产量可持续性指数

式中：为产量可持续性指数；为每个处理的平均产量，kg·hm；表示每个处理产量的标准差，kg·hm；表示所有处理中的最大产量，kg·hm。

（2）磷肥农学效率

式中：为磷肥农学效率，kg·kg；为施磷区作物经济产量，kg·hm；为不施磷区作物经济产量，kg·hm；为磷肥投入量，kg·hm。

（3）磷肥表观利用率

式中：为磷肥表观利用率，%；、分别为施磷区与不施磷区作物磷养分累积量，kg·hm；为磷肥施用量，kg·hm。

（4）磷肥偏生产力

式中：为磷肥偏生产力，kg·kg；为施用磷肥作物的产量，kg·hm；为磷肥施用量，kg·hm。

（5）土壤表观磷平衡

式中：Δ为土壤表观磷平衡量，kg·hm；为施入土壤中的总磷量，kg·hm；为被作物吸收携出的总磷量，kg·hm。

（6）磷肥施用阈值

利用土壤磷肥施用量与作物产量，通过线性-平台模型模拟得出磷肥施用临界值：

式中：为平台预测产量，kg·hm；为土壤磷肥施用量，kg·hm；为预测的磷肥施用临界值，kg·hm；为平台预测的相对最高产量，kg·hm。

1.6 数据分析

采用Excel 2016软件对数据进行处理、绘图。采用Origin 2021绘图，SPSS 20.0软件对所得数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 低磷红壤玉米产量效应

2.1.1 低磷红壤玉米经济产量效应

从连续3 a的玉米籽粒产量来看（图1），施磷使玉米显著增产，玉米籽粒产量随着施磷量的增加而显著增加。由图中箱型可知，3 a玉米籽粒产量在P0和P120处理下比较稳定，在P90处理下产量值差异较大。由均值可知，P120处理玉米籽粒产量最高，与P90差异不显著。对于不施磷的P0处理，P60、P90和P120处理分别显著增加玉米籽粒产量121.91%、199.91%和210.48%。

图1 不同施磷水平红壤玉米籽粒产量Figure 1 Grain yield of maize in red soil with different P application levels

由表1可知，2017年红壤玉米产量可持续指数随着施磷量的增加呈上升趋势；2018、2019年产量可持续指数随着施磷量的增加先增加后下降，在P90处理下最高。3 a平均玉米产量可持续指数亦呈现随着施磷量增加而增加的趋势。相比于种植的第一年（2017年），种植3 a后（2019年）各施磷处理的玉米产量可持续指数均有所提高。

表1 不同施磷水平红壤玉米产量可持续指数Table 1 Sustainable index of maize yield in red soil with different P application levels

2.1.2低磷红壤玉米生物量效应

由3 a的玉米秸秆生物量可以看出，施用磷肥显著增加了玉米秸秆生物量，且P60、P90和P120处理间玉米秸秆生物量无显著差异（图2）。相比于P0处理，P60、P90和P120处理玉米秸秆生物量分别显著增加145.77%、174.33%和139.03%。由图中均值点可以看出，在P90处理下玉米秸秆生物量最高。

图2 不同施磷水平红壤玉米秸秆生物量Figure 2 Biomass of maize straw in red soil with different P application levels

2.2 低磷红壤玉米磷肥利用效率

2.2.1 低磷红壤玉米磷肥农学效率

磷肥农学效率通常是指投入每千克PO所增加的经济产量，是施肥增产效应的综合体现。由表2可以看出，在P60、P90、P120处理下，玉米磷肥平均农学效率随着施磷量的增加呈现先增加后降低的趋势，且在3个施磷处理间无显著差异。2017年P120处理比P60、P90处理磷肥农学效率增加了10.87%和22.85%。2018年P90处理比P60、P1200处理磷肥农学效率增加了4.88%和63.21%。2019年P90处理比P60、P120处理磷肥农学效率增加了37.78%和47.99%。

2.2.2 低磷红壤玉米磷肥表观利用率

磷肥表观利用率表征施入土壤中的磷肥当季被作物吸收利用的程度。由表2可知，施磷量的增加降低了玉米磷肥表观利用率。2017、2018、2019年的数据均表明，在P60处理下，玉米磷肥表观利用率最高，磷肥的增加降低了玉米当季磷肥表观利用率。2018年玉米磷肥当季表观利用率在3个处理间无显著差异。

2.2.3 低磷红壤玉米磷肥偏生产力

磷肥偏生产力是反映当地土壤基础养分水平和磷肥施用量综合效益的重要指标。依表2可知，2017、2018年间，玉米磷肥偏生产力均在P60水平下最高。综合3 a结果来看，玉米磷肥偏生产力呈现随施磷量的增加而减少的趋势。

表2 不同施磷水平玉米磷肥利用效应Table 2 Phosphorus utilization effect of maize with different phosphorus levels

2.3 低磷红壤玉米有效磷含量

由图3可知，施磷量对低磷红壤玉米根际土壤有效磷含量影响显著，施用磷肥提高了玉米根际土壤有效磷含量，连续3 a施用磷肥的玉米，土壤有效磷平均值随着施磷水平的增加而显著增加。与P0处理相比，P60、P90和P120处理3 a平均分别显著提高玉米根际土壤有效磷含量163.00%、252.01%和313.44%。

图3 不同施磷水平红壤玉米根际土壤有效磷含量Figure 3 Available P content in maize rhizosphere soil of red soil with different P application levels

2.4 低磷红壤玉米表观磷平衡

土壤表观磷平衡可衡量农田土壤磷素输入、输出状况，为合理施肥和农田土壤健康发展提供参考。随着施磷量的增加，土壤表观磷平衡量逐渐增加。利用土壤表观磷平衡量与土壤磷肥施用量建立一元一次方程，设施磷量为，表观磷平衡量为，得出的相关方程式见图4。

图4 红壤玉米表观磷平衡量与施磷量的关系Figure 4 Relationship between apparent P equilibrium and P application rate of maize in red soil

由线性方程得出，当土壤表观磷平衡量Δ=0时，2017—2019年玉米磷肥施用量分别为23.00、19.89 kg·hm和20.58 kg·hm。故在土壤速效磷含量极低的旱地红壤上玉米磷素持平时的磷肥施用量为19.89～23.00 kg·hm。

2.5 低磷红壤玉米磷肥农学阈值

利用土壤磷肥施用量与作物产量，通过线性-平台模型模拟得出非线性关系，拟合方程见图5。选择的数据为该试验地点2017、2018、2019年各处理的磷肥施用量与玉米籽粒产量。

图5 玉米产量对磷肥施用量的响应Figure 5 Response of maize yield to P fertilizer application rate

通过拟合方程计算得出，该试验地点玉米磷肥施用量的临界值为97.04 kg·hm，此时能达到平台最大产量3 278 kg·hm。当玉米磷肥施用量低于该阈值时，玉米籽粒产量随着施肥量的增加而显著增加，当磷肥施用量高于该磷肥阈值时，玉米增产效果不明显。

3 讨论

3 a定位试验结果显示，相较于不施磷处理，施磷60、90、120 kg·hm使玉米籽粒产量分别提高了121.91%、199.91%和210.48%（图1）；使玉米秸秆生物量分别增加了145.77%、174.33%和139.03%（图2）。在土壤有效磷背景值极低的旱地酸性土壤上（速效磷含量4.02 mg·kg，pH 4.53），长期不施磷肥处理的玉米籽粒产量及秸秆生物量均呈现下降趋势，而施用磷肥后玉米籽粒产量及玉米秸秆生物量逐年上升。吉庆凯等的研究表明，长期（7 a）定位施磷能显著提高作物产量。

施用磷肥可提高作物产量，但过量磷肥却不能被作物充分利用，从而造成磷素资源浪费及土壤磷素累积。本研究中，3 a定位试验下，低磷红壤玉米磷肥农学效率随着施磷量的增加先增加后下降，但3个处理的平均值间无显著差异；低磷红壤玉米磷肥表观利用率、磷肥偏生产力均随着施磷量的增加而降低，在P60处理下最高，P120处理显著低于P60和P90处理（表2）。一般情况下，磷肥当季利用率仅有10%～25%。颜晓军等的2 a玉米田间磷肥梯度定位试验结果表明，磷素生理效率、回收利用率、农学效率和偏生产力均随着磷肥施用量的增加而明显下降。张磊等通过2 a田间定位试验，研究不同磷肥用量对东北黑土区玉米籽粒产量、磷肥利用效率的影响，结果表明，施磷显著提高了东北黑土区玉米产量，玉米磷素吸收利用率和农学利用率随施磷量的增加先增加后降低，磷肥偏生产力随施磷量增加呈现降低的趋势。郝中明等的研究结果也表明春玉米磷肥利用率、磷肥偏生产力、磷肥农学效率、磷素吸收效率均随施磷量的增加而降低。

施入土壤中的磷肥可以增加土壤磷库，维持土壤磷素平衡及作物的营养需求。长期不施磷肥的土壤中磷素含量明显下降，施用磷肥或合理的耕作方式对土壤磷素含量下降有一定的延缓作用。研究表明，长期施用磷肥有利于土壤有效磷的累积。本研究结果表明，连续3 a不施磷肥，玉米土壤有效磷含量较种植前降低，施用磷肥显著增加玉米土壤有效磷含量。合理施用磷肥除了要考虑作物产出效应、经济效应和磷肥利用效应等指标之外，还应考虑环境效应，另外施肥后农田磷素平衡也应作为施肥量的参考指标。本研究结果显示，土壤处于磷素平衡状态时的施磷量为19.89～23.00 kg·hm，当施磷量低于这个阈值时，土壤处于亏损状态，当施磷量超过这个阈值时，土壤处于盈余状态。在第一年种植中，土壤磷平衡的施磷量为23.00 kg·hm，经过3 a的定位施磷试验，土壤磷平衡的施磷量下降至20.58 kg·hm，这表明随着施磷年限的增加，磷素累积在土壤中的量逐渐增加，长期施磷将会对土壤造成负担，给环境带来影响。王淑英等的研究结果表明，黄土旱塬地区黑垆土磷肥年平均投入量达22.9 kg·hm时，土壤磷呈平衡状态。

玉米产量农学阈值研究结果显示，玉米施磷量临界值为97.04 kg·hm，此时能达到籽粒最大产量。当磷肥施用量增加到一定程度时，玉米增产效果不再明显。连彩云等的研究结果表明，干旱绿洲灌区大白菜在磷肥投入量为112.52 kg·hm时达到最大产量。本研究中，相比于当地常规施磷量（P120），P90处理即能达到最优产量，此施磷量相比当地常规施磷量减少33.33%，但玉米生物量、产量与当地常规处理无显著差异。因此在南方低磷酸性旱地红壤上，在维持玉米产量情况下，研究磷肥农学效应及农学阈值，可以为优化西南酸性红壤区玉米磷肥管理措施，降低环境风险提供依据。

4 结论

（1）在西南酸性土壤地区，施磷可以满足作物生长需求，保证作物产量稳定，促进作物对磷肥的吸收利用，提高磷肥农学效应。长期过量的磷投入会降低土壤磷平衡阈值，造成环境危害。在原始磷含量极低的旱地红壤区，为满足作物产量，磷肥施用阈值为97.04 kg·hm。

（2）在本试验土壤背景下，施磷90 kg·hm为减磷增效的绿色发展模式。但不同土壤类型、不同土壤磷素水平下磷素农学效应及农学阈值尚需进一步研究，以便更全面、更客观地研究红壤磷肥农学效应及农学阈值。