不同耕作方式、秸稈還田配施肥料條件下夏玉米磷素高效利用研究

李露露，張寧，張業承，畢建杰，劉鵬，韓坤

(山東農業大學農學院，山東泰安 271018)

長期以來，我國農田土壤處于磷匱乏狀態，而玉米是典型的磷敏感性作物，土壤磷素的匱乏會顯著影響玉米光合同化作用和有機物的積累，限制我國玉米生產潛力的挖掘[1]。 施用磷肥可以有效改善土壤磷素供應狀況，所以我國磷肥的生產量和消費量都持續增加，然而糧食增幅并未隨著磷肥用量的增加而顯著增長，磷素的利用效率卻隨著施磷量增加而降低[1-3]。 其主要原因是不合理的磷肥施用方式和田間管理措施導致磷素在土壤中大量殘留，造成土壤中可被作物根系吸收利用的有效磷含量較低，降低了磷肥利用率[4-7]。磷肥施入后很快被土壤顆粒吸附固定，極易與土壤中鐵、鋁、鈣等金屬離子生成對植物無效的磷酸鹽，致使75%～85%的土壤磷難以利用[8]，從而影響磷的有效性，降低磷肥的當季利用率[9-10]。 雖然磷肥的高投入使土壤總磷量持續升高，但是土壤有效磷含量依然很低，無法滿足作物對磷素的需求，造成磷素匱缺和磷肥利用效率低下，不但增加了生產成本，造成磷資源的浪費，而且增加了環境污染的風險[4，11-13]。 因此，提高土壤磷的有效性和移動性是農田磷肥科學管理與高效利用的關鍵，提高磷肥的利用效率對于實現農業可持續發展和緩解當前磷資源緊張的壓力有重要意義。

通過耕作方式與合理施肥等田間管理措施能夠提高土壤磷有效性和磷肥利用效率。 合理的耕作方式和秸稈還田可以有效改善土壤理化性質，增加土壤磷的活性，促進作物根系對磷素的吸收，增加糧食產量，進而提高土壤磷的利用效率。 此外，施用有機肥是緩解農業土壤磷素虧損的有效途徑之一，能夠提高土壤磷的有效性，提高土壤磷素肥力[14-15]，實現增產增效。 為此，本試驗以不同耕作方式、秸稈還田配施肥料對土壤磷有效性的影響為切入點，選取免耕、旋耕、深松、旋耕＋深松以及秸稈還田配施磷肥、有機肥，研究土壤磷素有效性的響應及其對玉米產量和磷素利用效率的影響，以解決磷在作物生產中利用效率低的問題。這對合理調控作物生產中的耕作方式、完善農田土肥管理、提高土壤磷有效性和增產增效有著十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

大田試驗于2020 年在山東省德州市臨邑縣德平鎮富民農場(116°96′E，37°47′N)進行。 該區域是當地重要的糧食生產基地，為溫帶季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。 試驗地土壤類型為棕壤，耕層基本理化性狀:土壤容重1.25 g/cm3，田間持水量19.59%，全氮含量1.31 g/kg，速效鉀75.2 mg/kg，全磷1.19 g/kg，有效磷6.36 mg/kg，pH 值8.41。

1.2 試驗設計及方法

大田試驗采用再裂區設計，主區為秸稈處理，分為秸稈還田、秸稈不還田；裂區為耕作處理，包括免耕(NT)、旋耕(RT)、深松(ST)、深松＋旋耕(SRT)；再裂區為施肥處理，包括施磷肥、有機肥及不施肥。 共24(2×4×3)個處理，重復3 次，小區面積為100 m2(長20 m、寬5 m)。 秸稈還田處理:利用秸稈粉碎機粉碎前茬作物小麥秸稈進行還田，并滅茬；秸稈不還田處理:小麥收獲后，將小麥秸稈人工移出試驗區域，并進行滅茬。 磷肥處理:施用過磷酸鈣，施肥量(P2O5)為120 kg/hm2，氮肥施尿素(N 46.6%)，施肥量(N)為200 kg/hm2，鉀肥為硫酸鉀(K2SO4)，施肥量(K2O)為120 kg/hm2；有機肥處理:有機肥施用量的磷當量(P2O5)為120 kg/hm2，總施氮量和總施鉀量分別用尿素(N)和硫酸鉀(K2O)調節至200、120 kg/hm2；不施肥處理:不施磷肥，氮鉀肥用量同上。 施肥方式為人工均勻表施。

施肥后對小區進行耕作處理，免耕:不做任何耕作處理，硬茬播種；旋耕:利用旋耕機進行旋耕，深度為15 cm；深松:利用深松機進行深松，深度為40 cm；深松＋旋耕:先利用深松機進行深松，深度為40 cm，再利用旋耕機進行旋耕，深度為15 cm。 前茬作物為冬小麥，2020 年6 月3 日收獲。供試夏玉米品種為登海605，行距20 cm，種植密度6 萬株/hm2，2020 年6 月12 日播種，10 月2日收獲。 玉米生育期降水充足，不需要進行灌溉，植保等田間管理均為常規管理。

1.3 樣品采集與測定

于玉米播種前、大喇叭口期(V12)、抽雄期(VT)、完熟期(R6)4 個時期采集土壤樣品。 采用隨機取樣法利用土鉆(直徑60 mm)采集0 ～20、20～40 cm 土樣，每處理取3 點。 風干樣品磨碎過1 mm 篩保存，用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量。

在大喇叭口期、抽雄期、完熟期3 個時期采集地上部植株樣本(n ＝5)，105 ℃殺青30 min，于85 ℃烘干至恒重，稱干物質量。 玉米完熟期，在遠離邊行(＞1 m)處，每小區取中間5 m三行玉米，每行選取30 穗進行測產考種。 調查指標包括穗行數、穗數、行粒數、行數、千粒重；每小區取中間5 m 三行玉米(n ＝3)，測其籽粒產量，按籽粒含水量14% 折算公頃產量。

1.4 相關指標計算公式

磷肥偏生產力(PFPP，kg/kg)＝磷肥處理籽粒產量/施磷量；

磷肥農學利用效率(PAE，kg/kg) ＝(磷肥處理作物產量-不施磷肥作物產量)/施磷量。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 進行數據整理，SPSS 22.0軟件進行方差分析，最小顯著差異法(LSD)(P＜0.05)進行差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 耕作方式、秸稈還田和施肥類型對夏玉米生物量的影響

由表1 看出，除秸桿還田對抽雄期玉米生物量積累不顯著外，耕作方式、秸稈還田和施肥極顯著影響玉米大喇叭口期、抽雄期和完熟期的生物量積累。 與秸稈不還田相比，秸稈還田能夠顯著提高玉米大喇叭口期和完熟期的生物量，而對抽雄期生物量沒有顯著影響。 耕作方式對玉米各生育時期的生物量積累影響不同，抽雄期和完熟期表現為SRT＞ST＞RT＞NT，大喇叭口期表現為SRT＞RT＞NT＞ST；與NT 相比，SRT 玉米大喇叭口期、抽雄期和完熟期的生物量分別顯著提高7.9%、7.3%和11.3%。 施肥顯著影響大喇叭口期、抽雄期和完熟期的生物量，表現為有機肥＞磷肥＞不施肥，與不施肥處理相比，施用有機肥和磷肥分別提高顯著玉米生物量15.5%、9.5%、27.2%和7.1%、1.7%、10.8%。

表1 不同耕作方式、施肥類型和秸稈還田條件下的夏玉米生物量積累t/hm2

耕作方式與肥料及耕作方式與秸稈還田的交互作用對玉米生物量積累均具有極顯著影響；肥料與秸稈還田的交互作用對大喇叭口期玉米生物量積累無顯著影響，而對抽雄期和完熟期生物量積累有極顯著影響；施肥類型、耕作方式和秸稈還田互作對玉米生物量積累具有極顯著影響。

2.2 耕作方式、秸稈還田和施肥類型對土壤有效磷含量的影響

由表2 看出，隨著玉米生育期的推進，0 ～20、20～40 cm 土壤有效磷含量逐漸降低；耕作方式、秸稈還田和施肥極顯著影響大喇叭口期、抽雄期和完熟期土壤磷有效性。 與秸稈不還田相比，秸稈還田能夠顯著提高玉米各生育時期0 ～20 cm和20～40 cm 土層土壤磷有效性，有效磷含量分別提高12.2%～17.6%和8.7%～14.3%。 不同耕作處理顯著影響不同土層有效磷含量，0 ～20 cm土層有效磷含量表現為NT ＞ST ＞RT、SRT，而對20～40 cm 土層有效磷的影響相反，表現為SRT＞ST＞RT＞NT。 與不施肥對照相比，施磷肥或有機肥均顯著提高0～20 cm 和20～40 cm 土層有效磷含量，分別提高64.3% ～236.3% 和31.2% ～67.3%。不同肥料類型對土壤有效磷產生顯著影響，與施磷肥相比，施用有機肥能顯著提高0 ～20 cm 和20 ～40 cm 土層有效磷含量，分別提高30.7%～84.8%和13.8%～26.4%。

表2 不同耕作方式、秸稈還田和施肥類型對夏玉米不同生育時期土壤有效磷含量的影響mg/kg

耕作方式與施肥及耕作方式與秸稈還田的交互作用對大喇叭口期、抽雄期和完熟期0 ～20 cm和20 ～40 cm 土層有效磷含量均具有極顯著影響；施肥和秸稈還田的交互作用對玉米完熟期0～20 cm 和抽雄期20 ～40 cm 土層有效磷含量沒有顯著影響，對其他時期的各土層有效磷含量具有極顯著影響；耕作方式、秸稈還田和施肥的交互作用對玉米各生育時期0～20 cm 和20～40 cm 土層有效磷含量有顯著影響。

2.3 耕作方式、秸稈還田和施肥類型對夏玉米產量構成因素和磷肥利用效率的影響

由表3 看出，秸稈還田、耕作方式和施肥顯著影響玉米產量及其構成因素(穗行數、公頃穗數除外)。 與秸稈不還田相比，秸稈還田顯著提高行粒數、穗粒數、千粒重和產量，產量提高2.8%；各耕作處理下玉米行粒數、穗粒數、千粒重和產量都有顯著差異，表現為SRT ＞ST ＞RT ＞NT，其中SRT 的影響最為顯著，但是耕作方式對公頃穗數沒有顯著影響。 與不施肥處理相比，施磷肥或有機肥均能夠提高玉米行粒數、穗粒數、千粒重和產量，產量顯著提高6.1%～9.5%，且不同肥料類型處理間千粒重和產量差異達顯著水平，施用有機肥的效果顯著優于磷肥。

表3 不同耕作方式、施肥類型和秸稈還田條件下夏玉米產量構成因素

秸稈還田、耕作方式和施肥之間的交互作用對玉米產量構成因素產生影響，耕作方式和施肥的交互作用對行粒數、穗行數、穗粒數、千粒重和產量具有顯著或極顯著影響，耕作方式和秸稈還田對穗行數具有顯著交互作用，其他因素間均無顯著交互作用。

耕作方式、秸稈還田和施肥顯著影響夏玉米的PFPP 和PAE(表4)。 與秸稈不還田相比，秸稈還田顯著提高PFPP 和PAE，分別提高3.1%和14.2%。耕作處理顯著影響PFPP，表現為SRT ＞ST＞RT＞NT；對PAE 的影響表現為SRT＞RT＞NT＞ST。 與施磷肥相比，施有機肥能顯著提高PFPP和PAE。 除耕作方式和施肥的交互作用對夏玉米的PFPP 和PAE 有極顯著影響外，其他因素的交互作用對PFPP 和PAE 均無顯著影響。

表4 耕作方式、秸稈還田和施肥類型對夏玉米磷肥偏生產力和農學利用效率的影響 kg/kg

3 討論與結論

土壤耕作方式、秸稈還田和施肥類型等農田管理措施均能影響土壤磷的有效性和移動性，最終影響作物產量和磷肥利用效率。 本研究表明，不同耕作方式顯著影響土壤磷的有效性，0 ～20 cm 土層，免耕處理的有效磷含量最高，深松處理次之，旋耕處理土壤有效磷最低。 Han 等[4]研究表明，混勻土壤導致有效磷被土壤顆粒吸附和固定，并和金屬離子反應生成磷酸鹽，大大降低土壤磷的有效性。 與傳統翻耕相比，免耕、深松等耕作方式更有利于提高土壤磷的有效性[16]。 免耕條件下土壤有效磷含量均比傳統耕作高[17-18]。 減少土壤干擾的管理措施可以改善玉米根際磷的有效性，提高根際土壤磷酸酶活性，增加不同磷組分的豐度[19-20]。 本研究中，耕作對深層土壤有效磷的影響不同于其對土壤表層有效磷的影響:20 ～40 cm 土層中，耕作方式對土壤有效磷含量的影響表現為深松＋旋耕＞深松＞旋耕＞免耕。 免耕條件下，土壤磷素多富集在土壤表層，旋耕和深松等耕作方式將養分富集的表層土壤翻至下層，增加深層無機磷和總磷素供應量，進而提高深層土壤的有效磷含量[4]。 旋耕和深松能為作物根系創造出疏松且深厚的土壤環境，有利于提高深層土壤磷素有效性[16，21]。 因此，免耕能夠提高土壤表層有效磷含量，但是不利于深層土壤磷的有效性；反之，不同的土壤耕作能夠減少土壤表層的有效磷含量，但是可以增加土壤深層有效磷含量。 此外，本研究表明不同耕作方式對玉米生物量的積累、產量及其構成因素、磷肥利用效率的影響趨勢與其對20～40 cm 土層有效磷含量的影響趨勢相同，而與對0～20 cm 土層有效磷含量的影響趨勢相反。 這說明深層土壤有效磷含量更能影響玉米對磷素的吸收同化，最終影響產量和磷肥利用效率。

秸稈還田可以改善土壤理化性質，優化耕層結構，提高土壤磷有效性，進而影響玉米產量和磷肥利用效率。 本研究結果表明，秸稈還田能夠顯著提高土壤有效磷含量、玉米生物量積累、玉米產量及其構成因素、磷肥利用效率。 其主要原因是作物秸稈含有大量磷素養分，還田后可以有效補充土壤磷素，顯著增加土壤有效磷含量[22]。 另外，秸稈還田改善土壤理化性質的同時還提高土壤有機質含量，對土壤結構也有一定的改善，提高土壤磷酸酶活性，促進有機物質礦化分解釋放有效磷，并促進土壤有效磷的轉化，還能有效抑制磷的固定，增加有效磷含量[23-25]。 因此，土壤磷有效性的增加促進了作物對磷素的利用，提高了玉米生物量積累，進而增加玉米產量。

施用磷肥是提高土壤有效磷供應量的主要途徑。 本研究表明，與不施肥處理相比，施用無機磷肥或有機肥都能顯著提高玉米不同生育時期土壤磷的有效性，并能提高玉米生物量、產量及其構成因素；其中施用有機肥的效果顯著優于無機磷肥。蔣仁成等[26]認為，與無機磷肥相比，有機肥更能提高土壤有效磷含量，促進作物對磷的吸收利用，增加產量和磷肥利用效率。 其主要原因可能是在磷素用量相當的情況下，有機肥更能改善土壤理化性質，在有機質腐解過程中所產生的有機酸等類物質可以和鐵、鋁形成絡合物，可以阻止磷的沉淀，也可以溶解土壤中難溶性磷，從而減少土壤對磷的吸附固定，提高磷肥利用效率[25]。

本研究中，耕作方式和施肥同時對土壤有效磷、玉米生物量積累、產量及其構成因素、磷肥利用效率具有顯著的交互作用。 耕作方式對土壤擾動程度不同，對肥料與土壤的混合程度也不同，導致在不同耕作方式下土壤磷的有效性也發生相應的變化，混合程度越高土壤的有效性就越低，不同耕作方式也會影響土壤有效磷含量，深耕后磷肥進入深土層，可以打破土壤磷在土層中移動性差的限制，提高根系對磷素的吸收利用，最終影響玉米產量和磷素利用效率。

綜上所述，在本試驗條件下，秸稈還田＋施用有機肥＋SRT 是最佳處理，更能提高土壤深層磷的有效性，促進玉米對磷素的吸收利用，提高玉米生物量和產量構成要素與籽粒產量，并最終提高磷素利用效率。