摘要
为解决吉林省半干旱区磷肥施用量大问题，探究覆膜滴灌条件下不同磷肥用量对玉米产量及植株磷吸收转运的影响，为覆膜滴灌模式下的磷肥高效利用提供最佳策略。2017—2018 年在吉林省半干旱区开展了玉米膜下滴灌田间试验，共设 5 个磷肥用量处理（0、30、60、90、120 kg·hm-2），并测定了不同处理玉米产量、植株磷素积累量，分析磷素积累比例、转运特征及磷肥利用效率。结果表明，施磷显著提高玉米产量，在 0 ～ 90 kg·hm-2 施磷范围内，玉米产量均随施磷量的增加而增加，当施磷量达到 120 kg·hm-2 时，玉米产量开始下降； 施磷量在 90 kg·hm-2 时，玉米对磷肥的利用率较高，玉米植株总磷积累量达到最高，较不施磷处理平均提高 42%；玉米茎秆和叶片的磷积累量在成熟期达到最低值，籽粒的磷积累量在成熟期达到最高值；施磷提高了玉米吐丝至成熟期磷素积累比例和转运量，较不施磷处理分别提高 7.35% ～ 35.45% 和 1.63% ～ 15.29%，但不同施磷处理间吐丝前后积累比例和转运量不显著。综合考虑玉米产量、植株磷积累量及磷转运特征，吉林省半干旱区膜下滴灌玉米的施磷量为 90 kg·hm-2 时可提高产量、促进植株磷素积累转运和高效利用。
Abstract
To solve the problem of large and unreasonable of phosphate fertilizer application in semi-arid area of Jilin province，it is necessary to study the effects of different phosphorus fertilizer application rates on maize yield and phosphorus uptake and transportation under mulched drip irrigation mode，which could provide the best strategy for the efficient utilization of phosphorus fertilizer under mulched drip irrigation mode. A field experiment of maize under mulched drip irrigation was carried out in semi-arid areas of Jilin province from 2017 to 2018. Five phosphorus fertilizer application rates were set up，including 0，30，60，90 and 120 kg·hm-2 . The yield and phosphorus accumulation of maize under different treatments were measured，and the proportion of phosphorus accumulation and transport characteristics，and phosphate fertilizer utilization efficiency were analyzed. Results showed that application of phosphate fertilizer significantly improved maize yield. When the amount of phosphate fertilizer was 0-90 kg·hm-2 ，the yield of maize was increased with the application of phosphate fertilizer，when the phosphorus fertilizer application amount reached 120 kg·hm-2 ，the yield of maize was decreased. When the phosphorus application rate was 90 kg·hm-2 ，the utilization rate of phosphate fertilizer was higher，and the total phosphorus accumulation of maize plants was the highest，which was 42% higher than that of nonphosphorus treatment. The phosphorus accumulation of maize stems and leaves reached the lowest value at the maturity stage， and the phosphorus accumulation of grains reached the highest value at the maturity stage. Phosphorus application increased the proportion of phosphorus accumulation and translocation from silking to maturity，which were 7.35%-35.45% and 1.63%-15.29% higher than those without phosphorus application，respectively. However，there was no significant difference in the proportion of phosphorus accumulation and translocation before and after silking among different phosphorus treatments. Comprehensive consideration of maize yield，plant phosphorus accumulation and phosphorus transport，the phosphorus application rate of 90 kg·hm-2 under mulched drip irrigation maize in semi-arid area of Jilin province could increase yield， promote plant phosphorus accumulation and transport and efficient utilization.
Keywords
玉米是我国主要的粮食和饲料作物，吉林省作为我国重要的玉米产粮基地，玉米种植面积达 3.67 万 hm2，玉米产量平均为 9.1 t·hm-2[1]，是我国重要的玉米产粮基地。吉林省西部半干旱区作为春玉米主产区，该地区土壤多为中厚层黑钙土，占全省土壤资源总面积的 13.34%，是吉林省主要的耕地土壤之一[2]。目前，关于半干旱区玉米种植过程中存在的问题主要表现在自然降水量少且利用率低，保水保肥性能差，另外，现行耕作及施肥模式管理粗放，浪费资源的同时破坏了土壤的生态环境[3]。玉米作为磷敏感型作物[4]，其生长发育所需要的磷素除少部分来自土壤外，大部分来自肥料。据调查结果显示，吉林省农户玉米磷肥平均施用量为 130.8 kg·hm-2[5]，处在较高水平，过量施磷容易引起作物过早成熟、籽粒小、产量低。张磊等[6]研究表明，随着磷肥供应量的增加，玉米产量显著增加，但超过一定范围（120 kg·hm-2）也会导致玉米减产。李前等[7]研究同样表明磷肥对产量的贡献也随施磷量的增加而逐渐降低，因此适宜的磷肥用量是维持和提高作物产量的关键。磷在玉米植株各器官的积累和转运对玉米生长起着重要作用[8]，研究表明，施用磷肥可提高玉米各器官磷含量[9]，增加玉米磷素积累量 8.24%～26.48%[10]，玉米营养器官中的磷素积累量在吐丝期达到最大，吐丝后营养器官中的磷素积累量随着生育期的推进逐渐减少，并不同程度的向籽粒转运[11]。合理施用磷肥可以促进营养器官中的磷向生殖器官转移，研究表明，在玉米生殖发育阶段 56.0%～85.8% 的磷素依赖于营养器官的转运[12]。因此，在促进玉米生长发育、提高玉米产量方面磷肥不可替代。覆膜滴灌技术是集覆盖与灌溉为一体的可控制的局部灌溉技术，肥料通过灌溉系统直接施入玉米根部，减少肥料发挥。前人研究表明将玉米施肥控制与覆膜灌溉技术相结合可提高 16.84%～37.32% 的产量[13]。
目前关于玉米磷肥施用量的研究主要集中在产量以及土壤磷素积累情况等方面[14-15]，然而对半干旱地区覆膜滴灌下的磷肥适宜施用量研究较少，从玉米生长的动态角度研究不同施磷量对玉米产量差异、玉米各器官磷素吸收、转运关系的报道不足，还需进一步探明。明确磷素在玉米体内的积累转运规律是实现覆膜滴灌下玉米磷肥合理利用的关键。因此，本研究针对吉林省半干旱地区生产条件的特点，采用覆膜滴灌栽培模式，通过分次随水施磷肥的管理方法，设置不同磷肥施用量，对该地区春玉米产量、植株磷素积累量、磷转运特征等进行研究，从而确定该地区玉米磷肥的最佳用量，为大田覆膜滴灌生产条件合理施用磷肥提供理论依据，也为吉林省半干旱区及同类地区春玉米减磷增效提供科学依据和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验地点基本情况
试验于 2017—2018 年在吉林省松原市宁江区民乐村吉林省农业科学院试验站进行，该地区位于吉林省西部，属温带大陆性季风气候区，2017 和 2018 年的玉米生育期降水量分别为 442 和 346 mm，生育期积温分别为 2966 和 2905℃。土壤类型为黑钙土，质地为砂壤，0～20 cm 土壤基本养分状况为有机质 23.8 g·kg-1、全氮 1.22 g·kg-1、水解氮 93.24 mg·kg-1、有效磷 35.4 mg·kg-1、速效钾8 8.72 mg·kg-1、pH 6.8。
1.2 试验设计
试验采用单因素随机区组设计，共设 0、30、 60、90、120 kg·hm-2 5 个磷肥用量处理，分别记为 P0、P1、P2、P3、P4。各处理氮钾肥用量相同，分别为 220 和 90 kg·hm-2，各处理施肥量及施肥比例如表1所示。供试肥料品种为尿素（N 46%）、磷酸一铵（P2O5 63%，N 12%）、钾肥（K2O 60%）。小区面积为 40 m2，3 次重复。2017—2018 年玉米种植品种为‘利民 33’，种植密度为 7.5 万株·hm-2，种植日期分别为 2017 年 5 月 10 日和 2018 年 5 月 13 日，于 2017 年 9 月 25 日、2018 年 9 月 24 日收获。试验采用大垄双行覆膜滴灌种植，垄宽为 130 cm，地膜为可降解地膜，一膜一垄，每个处理 3 次重复，随机区组排列，其他田间管理按生产田进行。滴灌管线铺设在垄上双行玉米中间，滴灌带内径 16 mm，滴头间距 30 cm。试验水源采用地下井水，每小区各接 1 个独立施肥罐，施肥前先滴清水 30 min 左右，施肥时将肥料加入施肥罐中并灌满水，使肥料完全溶解，扣紧罐盖，然后打开施肥罐阀滴肥，施肥结束后继续滴清水 30 min。播前灌水 20 mm，拔节期和大口期灌水 25 mm、吐丝期和灌浆期分别灌水 20 mm。
表1试验处理
1.3 测定项目及方法
分别于拔节期（V6），大喇叭口期（V12）、吐丝期（R1）、灌浆期（R2）、成熟期（R6） 取样，每个小区采集有代表性玉米 5 株（苗期取 30 株），分为叶片、茎秆和籽粒（灌浆期和成熟期） 三部分，于 105℃杀青 30 min 后，75℃烘干至恒重，称重计算地上部干物重。样品粉碎过 0.5 mm 筛，测定植株全磷含量，采用钼蓝比色法测定磷素含量[16]，成熟期收获每个小区中间 2 行玉米，按 14% 水分计产。
吐丝前磷吸收比例（%）= 吐丝期磷积累量 / 成熟期磷积累量 ×100
吐丝后磷吸收比例（%）=（成熟期磷积累量-吐丝期磷积累量）/ 成熟期磷积累量 ×100
磷转运量（kg·hm-2）= 吐丝期器官磷积累量-成熟期器官磷积累量
磷转运率（%）= 磷转运量 / 吐丝期磷积累量 ×100
磷素转运对籽粒的贡献率（%）= 营养器官磷转运量 / 成熟期籽粒磷累积量 ×100
磷肥农学效率（kg·kg-1）=（施磷肥区籽粒产量-不施磷肥区籽粒产量）/ 施磷量
磷肥表观利用率（%）=（施磷肥区地上部磷积累量-不施磷肥区地上部磷积累量）/ 施磷量 ×100
磷肥偏生产力（kg·kg-1）= 施磷肥区籽粒产量 / 施磷量
1.5 数据分析
采用 Excel 2010 处理数据，采用 Origin 2021 作图，采用 SPSS 22.0 进行方差分析及多重比较（LSD 法）。
2 结果与分析
2.1 施磷对玉米生物量及产量的影响
由表2可知，覆膜滴灌条件下，施磷显著影响玉米植株生物量及产量。2017 年产量平均比 2018 年产量高 3.00%，其原因可能是 2017 年的积温和降水量均高于 2018 年。与不施磷肥处理相比，2017 年施磷处理增产幅度为 6.91%～18.96%， 2018 年增产幅度为 7.52%～15.49%，两年均以 P3 处理的产量最高，分别为 11748 和 11181 kg·hm-2。不同施磷水平处理中，玉米产量随施磷量的增加呈现先增后降的趋势，当施磷量超过 90 kg·hm-2 时，玉米产量开始下降。与产量趋势相同，P3 处理的茎、叶、籽粒生物量均高于其他处理。同一年际间，施用磷肥对玉米各器官生物量均有显著的影响，与不施磷处理相比，施磷处理分别提高了玉米茎部生物量 7.85%～29.76%，叶部生物量 4.19%～36.37%，籽粒部生物量 8.32%～33.39%。
表2不同磷肥用量对玉米成熟期生物量及产量的影响
注：数据后不同小写字母代表处理间差异显著（P<0.05）。下同。ns 表示无显著差异，* 表示 P<0.05，*** 表示 P<0.001。
2.2 施磷对玉米植株磷含量的影响
由表3可知，随着生育进程的推进，茎、叶中磷含量随之下降，在成熟期达到最低值，此时，籽粒磷含量达到最高值。在玉米成熟期，除 P1 处理 2017 年籽粒磷含量和 2018 年茎磷含量外，其他施磷处理各器官磷含量均高于不施磷处理，其中两年平均茎部磷含量提高了 21.28%，叶部磷含提高了 15.55%，籽粒磷含量提高了 7.91%。在不同施磷处理中，P3 和 P4 处理的籽粒磷含量处于较高水平。
表3不同磷肥用量对玉米各器官磷含量的影响
2.3 施磷对玉米植株磷素积累动态的影响
由图1a、b可知，随着玉米生育期的推进，玉米茎部磷积累量呈先上升后下降的趋势，茎部磷积累量在大喇叭口期达到最高值，在成熟期积累量最低，且各生育期内茎部磷积累量均以 P3 处理表现最高，较不施磷处理，成熟期施磷处理的茎部磷积累量两年分别提高 35.05%～64.48% 和 6.99%～40.16%。叶部磷含量在成熟期达到最低值，其中 P3 处理两年叶部磷积累量均最高，分别为 15.75 和 18.93 kg·hm-2，较不施磷处理，两年分别提高了 11.67%～45.71% 和 15.76%～59.95%（图1c、d）。籽粒磷积累量在成熟期达到最高值，两年均以 P3 和 P4 处理表现最高，较不施磷处理，两年分别提高了 10.41%～44.36% 和 12.94%～36.06%（图1e、f）。整体而言，玉米植株总磷积累量表现出随生育期的推进呈上升趋势，与不施磷肥处理相比，施磷处理均提高了玉米各生育期的总磷积累量，且均以 P3 处理的总磷积累量最高。成熟期，P3 处理两年的总磷积累量较不施磷肥处理分别提高了 44.26% 和 40.56%（ 图1g、h）。
图1不同磷肥用量对玉米生育期内各器官磷积累量的影响
2.4 施磷对玉米吐丝期前后植株磷积累比例的影响
由图2可知，从两年综合结果来看，玉米磷素吸收主要集中在拔节至吐丝期，占磷吸收总量的 57.82%～75.53%，吐丝至成熟期磷素吸收比例较低，仅为 24.47%～42.17%。与不施磷肥处理相比，施磷处理降低了吐丝期前的磷素吸收比例，为 3.23%～16.03%，并增加了吐丝期后的磷素吸收比例，增幅为 7.35%～35.45%，不同施磷处理间吐丝前、后磷素吸收比例均不显著。
2.5 施磷对玉米植株磷转运特征的影响
由图3可以看出，茎杆磷转运量、磷转运率及茎秆对籽粒贡献率明显高于叶片。由图3a可知，除 2017 年 P1 处理外，其他施磷肥提高了茎秆磷转运量，较不施磷处理，两年平均提高了 8.46%，其中 P3 处理下的茎秆磷转运量最高，两年的茎杆磷转运量分别为 31.81 和 25.08 kg·hm-2，较不施磷处理分别高出 15.18% 和 9.67%。由图3b、c可知，施磷肥处理较不施肥处理降低了茎秆磷转运率和茎秆对籽粒的贡献率，但各处理间差异不显著。
图2不同磷肥用量对玉米生育阶段磷积累比例的影响
注：同一时期柱上不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
图3不同磷肥用量对玉米植株磷转运特征的影响
注：同一器官同一年份柱上不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
2.6 施磷对玉米磷肥利用效率的影响
如表4所示，2017 年 P1、P2 和 P3 处理间的磷肥农学效率无显著差异，但显著高于 P4 处理， 2018 年 4 个施磷处理间的磷肥农学效率无显著差异。2017 年 P2 和 P3 处理下的磷肥表观利用率最高且处理间无差异，2018 年 P1 和 P3 处理下的磷肥表观利用率显著高于其他处理。总体而言，P3 处理下的两年磷肥表观利用率维持在较高水平，而磷肥农学效率和偏生产力均表现为随着施磷量的增加呈下降趋势。
表4不同磷肥用量下玉米磷素养分利用率
续表
3 讨论
3.1 施磷对玉米生物量及产量的影响
施用磷肥对玉米生物量和产量有着显著影响[19]。徐明岗[20] 研究结果表明，当磷肥用量在 120 kg·hm-2 之内，玉米产量会随着磷肥用量的增加而增加，而超过 120 kg·hm-2 后则会出现不同程度的降低。张磊等[6]研究也表明，增加施磷量可以促进玉米产量，但当磷肥施用量超过一定范围后，产量开始出现下降的趋势，玉米产量在磷肥用量 110 kg·hm-2 时最高。本研究发现，施磷量在 60～120 kg·hm-2 时，玉米茎、叶、籽粒生物量及产量显著高于不施磷处理，且随着施磷量的增加，生物量与产量呈先增后降趋势，当施磷量为 90 kg·hm-2 时，玉米生物量及产量达到最高值，较不施磷处理分别提高 25.72% 和 16.07%，可能是覆膜滴灌技术可保持土壤中的水分和养分含量相对稳定，施磷肥 90 kg·hm-2 时能够与该技术相互协调，共同促进玉米的生长和发育，有效提高玉米地上部干物质积累，从而实现最高产量。
3.2 施磷对玉米植株磷含量及磷积累量的影响
玉米磷素积累对植株生长发育和产量形成具有重要作用[21-22]。已有研究表明，施用磷肥可以促进玉米植株各器官对磷素的吸收，提高茎秆和籽粒中的磷含量[23]，但肥料过多对籽粒磷素含量无明显的促进作用[24]。与前人研究结果一致，本试验中，当施磷量为 60～120 kg·hm-2 时，玉米各生育期的茎、叶、籽粒磷含量均高于不施磷处理，但 3 种施磷量（60、90、120 kg·hm-2）间的玉米各器官磷含量差异不显著。可能是外部磷供应在一定范围内变化时，玉米通过自身调节机制，调节根系对磷的吸收速率、在体内的转运和分配等方式，维持各器官中磷含量的相对稳定。
颜晓军[25]研究得出，施用磷肥促使玉米植株磷积累量显著增加，且随生育进程的推进，茎秆和叶片的磷积累量呈先升后降的变化趋势。本研究结果同样表明，随磷肥用量的增加，玉米各生育时期茎秆、叶片磷积累量呈先增后降的趋势，当施磷量为 90 kg·hm-2 时，籽粒磷积累量和叶片磷积累量达到最大，分别为 84.72 和 15.75 kg·hm-2，且在整个生育期内，茎、叶磷积累量呈先增后降趋势，茎部磷积累量在大喇叭口期达到最高，叶部磷积累量在灌浆期达到最高，籽粒磷积累在成熟期达到最高。因此，覆膜滴灌下，适宜磷肥的投入有利于玉米磷素积累，但磷肥过高不但会导致下降，还会造成磷资源浪费。
3.3 施磷对玉米植株磷吸收比例及转运特征的影响
掌握玉米养分吸收规律是控制施肥总量的重要标准。杨恒山等[26]研究表明，籽粒在吐丝期前对养分吸收速率增加较快，在玉米吐丝期后保持较高养分积累及转运能力可促进高产。本研究发现，玉米磷养分积累主要集中在吐丝期前，施用磷肥可有效提高玉米吐丝期后的磷积累量，可能是磷肥供应充足时，玉米在吐丝前减少磷的积累，避免过度积累造成浪费和潜在的毒害作用，而在吐丝后根据籽粒发育的需求增加磷的积累。因此，在覆膜滴灌条件下，施用磷肥有利于玉米在生长后期继续保持较高的磷素积累并达到最高值。
吴迪等[27]研究表明，玉米籽粒中的养分一部分来源于从根系中吸收养分的直接供应，另一部分来源于营养器官中暂存养分的再转移，当施磷量在 60～120 kg·hm-2 时，均可提高玉米植株磷转运量[3，28]。从本研究结果看出施用磷肥可提高茎秆磷转运量，当施磷量为 90 kg·hm-2 时，茎部磷转运量最高为 28.45 kg·hm-2，较不施磷处理提高 12.43%，与前人研究结果一致。王艳丽等[29]研究表明，通过施用磷肥保持作物体内磷素充足有利于促进营养器官中磷素对籽粒的贡献率。本研究发现，茎秆是玉米磷素转运的主要器官，籽粒中磷素有 35.51%～45.42% 来自于茎秆，但 4 种施磷处理间的贡献率差异不明显，虽然茎秆磷转运量增加，但茎秆转运率和茎秆对籽粒的贡献率降低，说明在外源磷肥投入下，玉米植株对磷的分配和利用方式发生了改变，导致茎秆中的磷相对积累，降低了籽粒对茎秆磷的依赖程度，提高了根系对籽粒磷素的直接供应。
3.4 施磷对玉米磷肥利用率的影响
提高肥料利用率是玉米生产实现节本增效的主要措施之一[3]，本研究发现，随着施磷量的增加，磷肥偏生产力逐渐降低，磷肥农学效率无明显差异，而磷肥表观利用率则以 90 kg·hm-2 的施磷量表现最佳，可能是随着磷肥施用量的增加，玉米产量会有所提高，但产量的增加幅度往往小于磷肥施用量的增加幅度，当施磷量为 90 kg·hm-2 时，玉米对磷肥的利用程度较高。因此，在生产上应根据玉米磷素需求进行合理施磷，促进作物生长发育，节约磷矿资源。膜下滴灌是协调水肥营养，促进玉米生长，实现作物产量增加的田间关键技术之一[30]。在本研究中，针对膜下滴灌施肥方法只采用了磷肥基追 5 次进行试验，而对于磷肥滴灌施肥管理措施中的施肥次数和分配比例还有待进一步研究，从而能更好地完善水肥一体化磷肥高效施用技术。
4 结论
在覆膜滴灌条件下，施磷对玉米植株磷吸收和转运具有积极的调控的作用，通过提高茎秆磷积累量，降低籽粒对茎秆磷的依赖程度，提高根系对籽粒磷素的直接供应，进而提高玉米生长后期的磷素积累量，为玉米生长发育及产量形成打下基础。当施磷量增至 90 kg·hm-2 时，玉米对磷肥的利用程度较高，并且磷积累量及转运量也达到最高水平，因此，在本试验条件下，该用量可作为吉林省半干旱区覆膜滴灌条件下玉米高产的磷肥施用量。