磷肥用量對甜玉米磷素吸收利用的影響

顏曉軍 葉德練 蘇 達 李 芳 鄭朝元 吳良泉,*1 福建農林大學資源與環境學院, 福建福州 5000; 福建農林大學國際鎂營養研究所, 福建福州 5000; 福建農林大學農學院,福建福州 5000

甜玉米是我國重要的特色經濟作物, 又稱為水果(蔬菜)玉米[1]。近年來, 由于市場需求大, 經濟效益顯著[2-3],我國甜玉米種植面積逐年增加, 目前已超過4×105hm2[4]。同時發展甜玉米產業也是響應國家調減普通玉米、適當擴增鮮食玉米種植面積的號召, 對我國種植業供給側改革具有重要意義。

磷素是作物的必需營養元素, 參與植物生長和細胞代謝[5]、光合磷酸化、三羧酸循環等生理過程[6], 合理的磷肥運籌對作物產量的提高至關重要[7]。有研究認為磷肥施入紅壤中容易被固定、沉淀, 導致速效磷濃度較低, 生產上往往施用大量的磷肥來保障作物高產[8]。但是磷肥過量施用不僅導致土壤磷素累積、磷肥當季利用率降低[9]、環境負荷加大等問題[10], 還無益于提高產量, 甚至導致減產[11-12]。明確磷素在作物體內的吸收轉運規律是實現磷肥合理施用的關鍵。前人研究表明普通玉米植株磷素累積隨著生育期推進而增加, 在鮮食期達到峰值后趨于平緩[13]。生殖發育階段, 56.0%～85.8%的磷素依賴于營養器官的轉運[14]。而且磷素的吸收和轉運對不同種植區域和基因型等的響應存在差異[15-18]。考慮到甜玉米和普通玉米在生育期、品種特性和環境響應的敏感度等方面差異較大,因此明確甜玉米磷素的吸收利用特性對優化甜玉米磷肥管理顯得尤為重要, 但是關于甜玉米磷素吸收利用特征響應不同磷肥供應的研究尚少見報道。

本研究通過連續2年磷肥梯度定位試驗, 比較不同磷肥供應水平對甜玉米鮮穗產量、磷素累積與分配和磷肥利用效率的影響, 明確甜玉米植株磷素累積動態及轉運規律, 以期為甜玉米磷肥合理施用及高產高效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本概況

試驗于福建省漳州市詔安縣橋東鎮內鳳村正禾農場進行(117.22°E, 23.72°N)。該種植區域屬亞熱帶季風氣候,溫暖多雨、光熱充足, 季節間降雨量差異較大。甜玉米生育期月均溫及月降水量見圖1。試驗地土壤類型為赤沙土,含有機質8.28 g kg–1、堿解氮12.67 mg kg–1、全氮0.60 g kg–1、速效磷7.10 mg kg–1、全磷0.16 g kg–1、速效鉀40.17 mg kg–1, pH 5.90。

1.2 試驗設計

本試驗采用完全隨機區組設計, 設置5 個磷肥(P2O5)水平, 分別為P0 (0 kg hm–2)、P1 (37.5 kg hm–2)、P2 (75 kg hm–2)、P3 (150 kg hm–2)和P4 (300 kg hm–2), 每個處理3次重復, 小區面積為75 m2。磷肥于移栽前(移栽前1 d)一次性穴施, 并與土壤混合攪拌均勻; 氮肥(N)用量為200 kg hm–2, 分3 次施用, 基肥、拔節期追肥和吐絲期追肥比例為3 ∶4 ∶3 ;鉀肥(K2O)用量120 kg hm–2, 分2 次施用,基肥、吐絲期追肥比例為1 ∶1。肥料種類為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、硫酸鉀(K2O 53%)。供試甜玉米品種為先甜5 號, 種植密度為52,500 株 hm–2。甜玉米用穴盤播種育苗后移栽, 全生育期均按當地高產田間管理方式進行。甜玉米分別于2018 年3 月28 日播種, 2018 年6月13 日收獲; 2019 年3 月28 日播種, 2019 年6 月29 日收獲。

1.3 樣品采集及測

甜玉米拔節期于每個小區中取長勢一致的代表性植株12 株; 吐絲期于每個小區中取長勢一致的代表性植株6 株, 植株按莖、葉(含葉鞘)、雄穗分別取樣, 各器官樣品分別混合成混合樣; 鮮食期于每個小區中取長勢一致植株4 株, 植株按莖、葉(含葉鞘)、苞葉、籽粒、穗軸、雄穗分別取樣, 各器官樣品分別混合成混合樣。樣品于105℃殺青30 min, 80℃烘干至恒重后稱其干重, 各器官磷濃度采用釩鉬黃比色法測定[19]。甜玉米鮮食期(吐絲后25 d 左右)每小區中間3 行, 連續各收10 株穗數, 共30 株,將其帶苞葉鮮穗稱重, 折算出各處理每公頃鮮穗產量。

1.4 數據分析及相關計算

植株磷素累積量(kg hm–2) = 生物量×磷濃度[20]

1 kg 磷素生產鮮穗量(kg kg–1) = 鮮食期鮮穗產量/植株地上部磷素累積量[21]

磷素收獲指數(%) = 穗部磷素累積量/植株地上部磷素累積量×100[20]

磷素生理效率(kg kg–1) = 鮮食期生物量/植株地上部磷素累積量[22]

磷肥農學效率(kg kg–1) = (施磷區甜玉米鮮穗產量?不施磷區甜玉米鮮穗產量)/磷肥供應量[23]

磷肥利用率(%) = (施磷區植株地上部磷素累積量?不施磷區植株地上部磷素累積量)/磷肥供應量×100[23]

磷肥偏生產力(kg kg–1) = 施磷區甜玉米鮮穗產量/磷肥供應量[24]

營養器官磷素轉運量(kg hm–2) = 吐絲期營養器官磷素累積量?鮮食期營養器官磷素累積量[20]

磷素轉運對穗部的貢獻率(%) = 營養器官磷素轉運量/鮮食期穗部磷素累積量×100[21]

磷素轉運效率(%) = 營養器官磷素轉運量/吐絲期營養器官磷素累積量×100[20]

花后磷素同化量(kg hm–2) = 鮮食期穗部磷素累積量?營養器官磷素轉運量[21]

采用Microsoft Excel 2010 軟件進行數據處理, 用SPSS 23.0 軟件進行數據統計和方差分析, 不同處理間數據的多重比較采用 Duncan’s 新復極差法檢驗(P<0.05); 利用Microsoft Excel 2010、SigmaPlot 12.5 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 磷肥供應對甜玉米鮮穗產量的影響

2018 年和2019 年, 磷肥供應均顯著提高甜玉米鮮穗產量。施磷處理(P1～P4)較不施磷處理(P0)分別增產132.5%～162.8%、42.8%～50.7%; 但是不同施磷處理(P1～P4)之間的產量差異不顯著(圖2)。可見37.5 kg hm–2磷肥供應量即可達到甜玉米最優產量。

2.2 磷肥供應對甜玉米生物量和磷素累積動態的影響

磷肥供應顯著提高拔節期、吐絲期和鮮食期的甜玉米植株生物量。2018 年鮮食期施磷處理(P1～P4)較不施磷處理(P0) 提 高 35.35%～38.93%, 2019 年 鮮 食 期 提 高40.82%～60.20% (表1)。

表1 不同磷肥供應量下甜玉米各主要生育期植株生物量累積Table 1 Dry matter mass of major growth stages under different P rates in sweet corn

在拔節期、吐絲期和鮮食期甜玉米磷素累積上, 施磷處理顯著提高甜玉米植株磷素累積量, 其中2018 年甜玉米植株磷素累積量施磷處理較不施磷處理分別提高108.75%～222.67%、96.23%～124.93%和148.83%～215.86%;2019 年甜玉米植株磷素累積量施磷處理較不施磷處理分別提高64.47%～123.68%、85.27%～200.45%和105.81%～172.73% (圖3)。

2.3 磷肥供應對甜玉米鮮食期磷素累積分配影響

磷肥供應可以顯著提高2018 年和2019 年鮮食期甜玉米莖、葉(含葉鞘)、苞葉、穗軸和籽粒的生物量(2019 年莖除外), 但是施磷處理(P1～P4)之間的各器官生物量差異不顯著(表2)。磷肥供應后甜玉米鮮食期各器官磷濃度較不施磷處理(P0)均有所上升, 其中2018 年甜玉米施磷處理下的莖磷濃度較不施磷處理提高 125.00%～375.00%,2019 年提高200.00%～320.00%; 2018 年甜玉米施磷處理下的苞葉的磷濃度較不施磷處理提高120.00%～360.00%,2019 年提高128.57%～228.57% (表3)。此外, 磷肥供應顯著增加甜玉米籽粒磷濃度, 但是施磷處理之間差異不顯著。磷肥供應對甜玉米鮮食期植株磷素累積和分配有顯著影響, 不同處理間各器官磷素累積量分配比例大致表現為籽粒 > 葉(含葉鞘) > 莖 > 穗軸 > 苞葉 > 雄穗(圖4)。2年間甜玉米的籽粒磷素累積分別占植株累積的42.08%和42.09%, 這主要是因為籽粒中磷濃度較高; 而且施磷顯著增加籽粒磷累積量, 但是施磷處理之間差異不大。

2.4 磷肥供應對甜玉米磷素轉運的影響

2018年甜玉米對鮮穗磷素的貢獻率表現為: 花后磷同化>葉(含葉鞘)轉運>莖轉運>雄穗轉運, 各處理平均值分別為61.54%、33.98%、2.83%和1.65% (表4)。磷肥供應可以增加花后磷同化對鮮穗磷素的貢獻率, 在P4處理達到最高(80.98%); 但是葉(含葉鞘)、雄穗磷轉運對鮮穗磷素的貢獻率則隨著磷肥供應量的增加而降低。2019年甜玉米各處理對鮮穗磷素的貢獻率最大, 也是花后磷同化(表4), 花后磷同化對鮮穗磷素的貢獻率在P0 處理最低(74.53%), P1處理達到最高(93.05%)。

表2 不同磷肥供應量下甜玉米鮮食期各器官生物量Table 2 Biomass of various organs at fresh ear stage under different P (P2O5) rates in sweet corn

2.5 磷肥供應對甜玉米磷素利用效率的影響

磷肥供應量對1 kg磷素生產鮮穗量、磷素生理效率有顯著性影響, 隨著磷肥供應量的增加而顯著降低, 不施磷處理(P0)與施磷處理(P1～P4)之間的磷素生理效率有存在顯著差異, 而施磷處理之間并無顯著性差異。2018—2019兩年甜玉米磷素收獲指數分別在P1 和P0 處理達到最高,分別為57.93%和67.63%, 磷素收獲指數在處理間存在顯著性差異。磷肥農學效率、回收利用率和偏生產力均隨著磷肥供應量增加而明顯下降, 其中2018 年甜玉米的磷肥利用率從P1 處理74.24%下降到P4 處理13.56%, 2019 年甜玉米的磷肥利用率從P1 處理61.11%下降到P4 處理12.47%, 兩季趨勢基本一致(表5)。

表3 不同磷肥供應量下甜玉米鮮食期各器官磷濃度Table 3 P (P2O5) concentration of various organs at fresh ear stage under different P rates in sweet corn

3 討論

磷肥的合理供應是調控作物生長發育與產量形成的重要措施[25]。江帆等[26]研究表明玉米產量隨著磷肥供應量增加而顯著增加, 但超過一定范圍(140 kg hm–2) 也會導致玉米減產[27]。在北方普通玉米主產區上磷肥(P2O5)平均推薦量為84 kg hm–2[15], 而華南區甜玉米種植中磷肥(P2O5)推薦量高達105 kg hm–2[28]。但本研究結果表明磷肥供應量(P2O5)于37.5 kg hm–2后甜玉米產量即不再顯著增加, 甜玉米在達高產目標的條件下磷肥需求量遠低于前人研究結果。這可能是以往研究中磷肥多進行撒施, 而本研究磷肥是近距離集中施用(穴施)。磷肥穴施可增加磷素與甜玉米根系的接觸, 促進根系吸收磷肥, 同時減少磷肥被土壤固定沉淀風險[29], 從而提高磷肥的利用效率。此外, 本研究土壤類型為赤紅壤中的赤砂土土屬, 沙質土壤對磷素吸附能力較弱, 磷肥不易被土壤吸附, 可以更好地轉化為速效磷被作物吸收利用[30]。因此, 在本試驗條件下,甜玉米磷肥梯度試驗結果表明37.5 kg hm–2磷肥穴施即可保障甜玉米穩產需求, 而且 2 年平均磷肥利用率高達67.7%。

生物量累積是作物生長發育的前提, 而明確磷素的累積動態是科學施用磷肥的基礎。本研究甜玉米植株生物量隨生育期的推進逐漸增加, 而且磷肥供應顯著提高甜玉米鮮食期生物量, 這與前人研究結果一致[31-32]。磷肥供應顯著提高甜玉米植株的磷素累積量, 其中鮮食期籽粒磷素累積量約占植株磷素累積量的 42%, 遠低于普通玉米的 71%[15], 但是鮮食期籽粒磷素累積在施磷處理(P1～P4)之間并無顯著性差異, 可能是大量的磷素供應營養體生長,存在磷素奢侈吸收現象, 可見適宜的磷素供應對于養分有效轉移到籽粒中非常重要[33]。普通玉米成熟期磷素(P)累積量介于46～95 kg hm–2, 均值為73 kg hm–2[15],但是本研究磷肥供應處理下2 年間甜玉米鮮食期平均磷素(P)累積量僅為22.7 kg hm–2, 低于普通玉米的磷素累積量。這一方面可能是因為我國甜玉米主產區華南地區的光照資源相對不足[34], 加上甜玉米種植密度不高導致甜玉米群體生物量較低從而影響其磷素累積量。此外, 與普通玉米相比, 甜玉米于鮮食期(相當于普通玉米乳熟期, 在吐絲后25 d 左右)采收, 收獲期較普通玉米提前也是導致甜玉米和普通玉米磷素植株磷素累積量差異的原因之一[35-36]。因此, 生產上應避免簡單參照普通玉米進行磷肥管理, 而應根據甜玉米植株磷素需求進行合理磷肥供應,以提高磷肥利用率, 節約磷礦資源。

表4 開花后營養器官中磷素向穗部的轉移量及貢獻率Table 4 P translocation amount and contribution proportion from vegetative organs to ear after the anthesis

表5 不同磷肥供應量下甜玉米磷素效率的差異Table 5 Difference of phosphorus use efficiencies under different P rates in sweet corn

研究表明普通玉米花后營養體(莖、葉、雄穗)磷素向穗部轉運量大于其自身累積量[18], 其中葉片磷素轉移率最高[37]。但是本研究發現在甜玉米穗部磷素累積來自營養體(莖、葉、雄穗) 的轉運較少, 絕大部分來自于花后同化(P0 處理除外), 因此花后管理對甜玉米生物量和磷素積累至關重要。甜玉米磷素生理效率、農學效率、利用率、偏生產力等是衡量合理施肥的重要指標, 均隨著磷肥投入增加顯著下降, P1 處理(37.5 kg hm–2), 2 年甜玉米磷素利用率均值高達67.7%, 明顯高于我國普通玉米(11.00%)[9]。本研究條件下, 甜玉米磷肥合理的供應(37.5 kg hm–2)能有效地阻控農田磷素的損失, 減少磷肥向環境排放的風險; 而且磷肥穴施促進甜玉米對磷素的吸收, 大大提高了磷素利用率。