优化施磷对华南酸性红壤区甜玉米产量、磷肥利用效率和碳排放的影响

颜晓军 叶德练, 2* 吴良泉 孟祥明 郑朝元 许炜东 张世昌

(1.福建农林大学 资源与环境学院/国际镁营养研究所，福州 350002；2.福建农林大学 农学院/作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室，福州 350002；3.诏安县农业农村局土肥站，福建 诏安 363500；4.福建省农田建设与土壤肥料技术总站，福州 350003)

甜玉米又称蔬菜玉米、水果玉米[1-2]，近年来，随着市场需求的增加，甜玉米种植面积逐渐增加，我国甜玉米种植面积已达40 万hm2以上[3]。由于甜玉米种植经济效益显著，种植面积不断扩大，其在玉米产业结构调整中发挥着重要作用[4]。

磷素是仅次于氮素的第二大营养元素，是生物系统中重要的组成部分[5]，而且磷素还参与光合磷酸化、三羧酸循环等生理过程[6]。施用磷肥是提高作物产量的重要途径，但研究认为磷肥施入酸性红壤中容易被固定、沉淀，导致有效磷浓度较低，生产上投入的磷肥远远大于作物需求[7]。甜玉米生产中农户磷肥(P2O5)投入量达105 kg/hm2[8]。本课题组调研发现，华南地区甜玉米化学磷肥(P2O5)施用量高达135 kg/hm2，并且底肥中由机肥带入的大量磷素往往被忽略不计。由于磷肥长期过量施用，导致酸性红壤区土壤磷素大量累积，土壤磷库已经发生了巨大变化[9]。福建460 个代表性菜田的速效磷浓度高达61.7±43.2 mg/kg[10]；珠江三角洲水田、果园和菜地的土壤速效磷浓度为15.7～227.2 mg/kg，平均为91.0 mg/kg[11]，进一步加剧了华南地区土壤磷素淋洗损失风险[12]。磷矿作为一种不可再生资源，过量使用磷肥将加快资源耗竭，因此减少磷肥投入、提高磷肥利用效率对磷矿资源的可持续利用，并在土壤磷大量累积的背景下，利用好土壤磷库、提高甜玉米的磷肥利用效率显得尤为重要。

磷肥恒量监控是基于养分平衡原理和土壤测试确定施肥管理策略。磷肥恒量监控技术是将磷肥施用量控制在既能够获得高产又不会造成环境风险的适宜范围内[13]。磷肥恒量监控已得到普遍认可，并在北方作物生产上被广泛实践。在北方普通玉米主产区，恒量监控技术可以减少18.5%的磷肥投入，对提高玉米磷肥利用效率效果良好[14]。然而，恒量监控技术是否能有效应用在南方酸性红壤区缺乏研究报道。此外，农业农村部发布的有机肥替代化肥行动方案要求实施有机肥替代化肥，提高有机肥的资源化利用[15]。在恒量监控基础上对有机替代的可行性进行评价很有必要。因此，本研究拟以先甜5号甜玉米为研究对象，通过两地两季的甜玉米田间试验，明确磷肥恒量监控技术、有机替代对华南酸性红壤区甜玉米产量、磷肥利用效率、经济效益和碳排放的影响，以期为甜玉米减磷增效的普及推广提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

试验于漳州市诏安县桥东镇内凤村正禾农场(117.22° E， 23.72° N)以及福州市马尾区琅岐镇阡陌农庄(119.61° E， 26.08° N)进行。两区域均属亚热带季风气候，温暖多雨、光热充足，诏安县全年平均气温21.3 ℃，全年平均降雨量1 447 mm，马尾区全年平均气温19.3 ℃，全年平均降雨量1 382 mm，两地受季风气候影响季节间降雨量差异较大，主要都集中在6—8月。两试验地基础地力如表1所示。

表1 试验地0～20 cm土层土壤的基本理化性状Table 1 Basic agro-chemical properties in 0-20 cm soil layer

1.2 试验方法

试验采用完全随机区组设计，设置4 个处理，分别为对照(NK)、农户常规(FFP)、恒量监控(OPT)和有机替代(OS)，每个处理3 次重复。其中，恒量监控处理的磷肥投入量是基于磷肥恒量监控技术[16]，在高磷土壤上磷肥投入量为作物带走量的70%(根据前期试验结果得到的甜玉米磷带走量约为50 kg/hm2)，有机替代处理则在恒量监控基础上用有机肥替代50%的化学磷肥。正禾农场试验地小区面积70 m2，阡陌农庄试验地小区面积39 m2。每个处理的化肥和有机肥具体施用量及施用方式如表2所示，其中磷肥和有机肥穴施是在移栽时一次性施用，磷肥和有机肥撒施是在整地起垄前一次性施用；氮肥分3次施用，基肥、拔节肥和穗肥质量比例为3∶4∶3；钾肥分2 次施用，基肥和穗肥质量比例为1∶1。肥料种类为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)、硫酸钾(K2O 53%)、商品有机肥(P2O54.0%)。甜玉米品种为先甜5号，一年种植两季，种植密度为52 500 株/hm2。甜玉米穴盘育苗后移栽，秋玉米于2018年9月14日育苗，2018年9月24日移栽，2018年12月9日收获；春玉米于2019年3月28日育苗，2019年4月9日移栽，2019年6月29日收获。病虫害防治等其他管理措施均按当地高产田间管理方式进行。

表2 不同处理间肥料施用量及施用方式Table 2 Fertilizer application rates and method in each treatment

1.3 样品采集及测定

甜玉米鲜食期在每个小区取长势一致的地上部植株3 株，分茎、叶(含叶鞘)、苞叶、籽粒、穗轴五个部位，各器官样品放进烘箱105 ℃杀青30 min，80 ℃ 烘干至恒重后称其干重，然后粉碎过筛，各器官磷浓度采用钒钼黄比色法测定[17]。鲜食期于小区中间三行连续各收10 株的穗数，共30 株，称其带苞叶鲜穗重，折算出各处理每公顷鲜穗产量。

1.4 数据分析及计算

器官磷素累积量计算方式参考李波等[18]；磷肥农学效率(AEP)和磷肥回收利用率(UEP)计算方式参考李伟等[19]；磷肥偏生产力(PFPp)计算方式参考陆大雷等[20]。

收益计算公式如下：

Profit=Pyield-(PFerN+PFerP2O5+PFerK2O+
PFerManu+PHerbicide+PPesticide+PFilm+
PDiesel+PLabor+PElec)[21]

式中：PFerN、PFerP2O5、PFerK2O、PFerManu、PHerbicide、PPesticide、PFilm、PDiesel、PElec分别表示氮肥、磷肥、钾肥、有机肥、除草剂、杀虫剂、农膜、柴油、电的成本投入，具体单价见表3；PLabor为人工成本投入，人工成本按6 600 元/hm2计算；Pyield为甜玉米产出，单价为2 元/kg。

碳排放计算公式如下：

CO2emission=MN×EFN+MP2O5×EFP2O5+
MK2O×EFK2O+MManu×EFManu+
MHerb×EFHerb+MPest×EFPest+MFilm×
EFFilm+MDiesel×EFDiesel+MElec×EFElec

式中：MN、MP2O5、MK2O、MManu、MHerb、MPest、MFilm、MDiesel、MElec分别表示氮肥、磷肥、钾肥、有机肥、除草剂、杀虫剂、农膜、柴油、电的用量；EFN、EFP2O5、EFK2O、EFManu、EFHerb、EFPest、EFFilm、EFDiesel、EFElec依次为对应项目的碳排放系数，具体参数见表3[22]。

表3 甜玉米生产投入品单价和碳排放系数Table 3 Unit price and carbon emission coefficient of sweet corn production inputs

采用Excel 2010软件进行数据处理，用SPSS 23.0 软件进行数据统计和方差分析，不同处理间数据的多重比较采用Duncan新复极差法检验(P<0.05)；采用Excel 2016软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对甜玉米产量、生物量和磷累积量的影响

与农户常规处理相比，恒量监控和有机替代处理下诏安和琅岐2 个试验地两季的甜玉米产量均未降低；诏安试验地对照处理的甜玉米产量显著低于其他处理，但是琅岐试验地对照的甜玉米产量与其他处理并无显著性差异(图1)。秋播甜玉米产量高于春播甜玉米，其中在对照处理、农户常规、恒量监控和有机替代处理下两地秋播甜玉米平均产量分别为17.8、19.6、19.3和18.9 t/hm2(图1(a))；两地春播甜玉米平均产量分别为16.4、17.4、17.5和17.7 t/hm2(图1(b))。可见，恒量监控和有机替代处理减少磷肥投入并不会导致甜玉米减产。

柱上不同字母表示同一地点4 个处理间的差异达到显著水平(P<0.05)。下同。Different letters above the bars mean significant differences at P<0.05 among four treatments within each location. The same below.图1 不同地区不同处理下2018年秋播(a)和2019年春播(b)甜玉米鲜穗产量差异Fig.1 Fresh ear yield of fall corn in 2018 (a) and spring corn in 2019 (b) under different treatments at different sites

诏安、琅岐两地两季鲜食期不同处理下甜玉米植株不同部位生物量如图2所示，不同部位生物量在恒量监控与有机替代处理下均与农户常规处理没有显著性差异(诏安秋播玉米叶片除外)，总体而言在鲜食期不同处理间的甜玉米植株地上部生物量累积上并无显著性差异(图3)。不同处理下，甜玉米植株不同部位磷累积量如图4所示：农户常规、恒量监控和有机替代处理下甜玉米植株磷累积量显著高于对照处理；农户常规、恒量监控和有机替代处理之间的磷积累量差异不显著；除了琅岐2019春季的农户常规和有机替代之间存在差异 (图5)。春播甜玉米鲜食期植株磷素累积高于秋播甜玉米，对照、农户常规、恒量监控、有机替代处理秋播甜玉米平均磷累(P)积量分别为20.2、22.5、22.2和22.5 kg/hm2(图5(a))，春播甜玉米平均磷素(P)累积量分别为27.6、30.0、29.8和29.0 kg/hm2(图5(b))。一季甜玉米平均磷素(P)累积仅为25.5 kg/hm2(P2O558.3 kg/hm2)。

(a)诏安秋播玉米；(b)琅岐秋播玉米；(c)诏安春播玉米；(d)琅岐春播玉米。“ns” 表示无显著性差异。下同。(a) Fall corn in Zhaoan; (b) Fall corn in Langqi; (c) Spring corn in Zhaoan; (d) Spring corn in Langqi. ns means no significant difference. The same below.图2 不同处理下鲜食期各器官生物量差异Fig.2 Differences in shoot biomass of different organs of sweet corn at the fresh ear stage under different treatments

图3 不同处理下2018年秋播(a)和2019年春播(b)甜玉米地上部生物量差异Fig.3 Differences in shoot biomass of fall corn in 2018 (a) and spring corn in 2019 (b) under different treatments at different sites

(a)诏安秋播玉米；(b)琅岐秋播玉米；(c)诏安春播玉米；(d)琅岐春播玉米(a) Fall corn in Zhaoan; (b) Fall corn in Langqi; (c) Spring corn in Zhaoan; (d) Spring corn in Langqi图4 不同处理甜玉米鲜食期各器官磷含量差异Fig.4 Differences in P accumulation in different organs of sweet corn at the fresh ear stage under different treatments

图5 不同处理下2018年秋播(a)和2019年春播(b)甜玉米磷素累积差异Fig.5 Differences in P accumulation of fall corn in 2018 (a) and spring corn in 2019 (b) under different treatments at different sites

诏安和琅岐试验地农户常规处理的磷素表观平衡出现盈余状况，两季总的磷素(P2O5)盈余量分别为635.9、631.6 kg/hm2，恒量监控、有机替代处理磷素表观平衡出现亏缺状况，诏安试验地两季总的磷素(P2O5)亏缺分别为45.9、47.5 kg/hm2，琅岐试验地两季总的磷素亏缺分别为52.3、48.4 kg/hm2(表4)。

表4 磷素输入、输出与表观平衡Table 4 P2O5 input, P2O5 uptake and apparent balance among different treatments at different seasons in different sites kg/hm2

2.2 不同处理对甜玉米磷肥利用效率的影响

不同处理对甜玉米磷肥偏生产力、农学效率和回收利用率有显著影响见表5。与农户常规处理相比，诏安和琅岐两地两季，恒量监控和有机替代处理均可以显著提高磷肥偏生产力；恒量监控和有机替代处理可以显著提高诏安春播和秋播甜玉米的磷肥农学效率；恒量监控下琅岐春播和秋播甜玉米的磷肥回收利用率显著高于农户常规，有机替代处理则能显著提高两地秋播甜玉米的磷肥回收利用率(表5)。秋播甜玉米恒量监控、有机替代磷肥回收利用率相比农户常规处理在诏安分别提高6.9%和15.3%，在琅岐分别提高17.4%和12.6%；春播甜玉米恒量监控、有机替代磷肥利用率相比农户常规处理在诏安分别提高13.8%和10.0%，在琅岐分别提高11.1%和4.9%。

2.3 不同处理对甜玉米经济效益的影响

恒量监控和有机替代较农户常规处理收益和产投比明显增加(表6)。在秋播甜玉米上，诏安和琅岐两地恒量监控和有机替代处理平均经济收益较农户常规处理分别增加26.3%和20.6%，平均产投比分别是农户常规处理的1.38和1.33 倍；在春播甜玉米上，诏安和琅岐两地恒量监控和有机替代处理平均经济收益相比于农户常规处理分别增加35.5%和35.7%，平均产投比分别是农户常规处理的1.41和1.40 倍。恒量监控和有机替代处理的平均产投比分别较农户常规处理提高39.8%和36.5%(表6)。

2.4 不同处理对甜玉米碳排放的影响

不同处理下年碳排放量如图6所示：农户常规处理的年碳排放量最大，为16 649 kg/hm2，对照、恒量监控、有机替代相比于农户常规处理分别下降15.4%、15.1%和14.2%。在碳排放构成因素中，主要来源是地膜，其次是氮肥。进一步分析单位甜玉米产量碳排放，结果如图7所示，诏安秋播甜玉米恒量监控、有机替代单位产量碳排放量分别为0.38、0.40 kg/kg，相比于农户常规处理分别下降17.2%、13.3%；琅岐秋播甜玉米恒量监控、有机替代单位产量碳排放量分别为0.35、0.36 kg/kg，相比于农户常规处理分别下降11.3%、9.6%；诏安春播甜玉米恒量监控、有机替代单位产量碳排放量分别为0.40、0.41 kg/kg，相比于农户常规处理分别下降15.9%、14.9%；琅岐春播甜玉米恒量监控、有机替代单位产量碳排放量均为0.41 kg/kg，相比于农户常规处理分别下降15.0%。可见恒量监控和有机替代处理的平均单位产量碳排放量较农户常规处理分别下降14.9%和13.2%(图7)。

图6 不同处理下甜玉米年碳排放量差异Fig.6 The annual carbon emissions under different treatments

图7 不同处理下2018年秋播(a)和2019年春播(b)甜玉米单位产量碳排放差异Fig.7 Differences in the carbon emissions of unit production of fall corn in 2018 (a) and spring corn in 2019 (b) under different treatments at different sites

3 讨 论

磷肥长期过量投入造成土壤磷盈余，土壤有效磷浓度明显增加。1980—2007年，我国土壤Olsen-P含量由7.4 mg/kg上升至24.7 mg/kg，到2035年可能达到40.0 mg/kg[23]。土壤有效磷维持在20～40 mg/kg，既可以满足作物需求，又可以降低环境风险[13]，华南区甜玉米往往种植在高投入的蔬菜产区土壤，土壤速效磷远高于阈值[24]。农户调查结果表明，当地农户常规的磷肥(P2O5)用量高达377 kg/hm2(包括有机+无机磷肥)，甜玉米目标产量15 t/hm2时专家磷肥(P2O5)推荐量也高达105 kg/hm2[25]。本研究基于恒量监控原理，在考虑土壤磷供应条件下，可大幅度减少磷肥施用，推荐量为35 kg/hm2，相比农户常规处理减少幅度高达90.7%，产量、生物量和磷素累积量与农户常规处理并无显著性差异。相应地，恒量监控技术可大幅度提高甜玉米磷肥利用效率、经济效益和减少碳排放。此外，在恒量监控基础上，将一半的磷肥通过有机肥替代供应，取得与恒量监控同样的效果，会进一步减少化肥磷的施用，实现磷矿资源的可持续利用。

优化施磷需要明确作物的磷素吸收量。在本研究中平均产量18 t/hm2的甜玉米植株平均磷素(P2O5)累积量仅为58.3 kg/hm2，这说明当前农户习惯施肥和以往专家推荐量远远超出甜玉米的实际磷素需求[25]。根据恒量监控原理，在高磷土壤上磷肥投入量为吸收量的70%，已能满足作物当季需求，过量磷肥投入可能存在奢侈吸收的现象。此外，恒量监控和有机替代采取穴施的方式，将磷肥近距离集中施用在甜玉米根系生长的活跃区域一方面可以增加磷素与甜玉米根系的接触，促进玉米根系生长及提高磷肥吸收利用效率；另一方面还能有效缓解磷素流失[26]。施用有机肥带入的磷素以及有机肥对土壤磷素的活化作用也不容忽视，有机无机配施可以提高根际微生物活性和土壤供磷能力[27]，因此，恒量监控和有机替代处理下的磷肥偏生产力和磷肥利用效率高于农户常规处理。本研究有机替代处理(P2O517.5 kg/hm2+有机肥434 kg/hm2，穴施)与恒量监控(P2O535 kg/hm2，穴施)效果相当，而且有机替代可以进一步减少化肥磷的施用，实现农业绿色发展。磷肥优化施用处理(恒量监控、有机替代)是减少磷肥投入、提高磷肥利用效率的有效措施。

优化施磷管理还需要充分考虑土壤供磷能力。已有研究认为华南区酸性土壤无机磷形态以闭蓄态磷为主，磷肥极易被固定，磷肥利用率较低，是因为其是主要在低磷土壤上开展的研究[28]。然而，随着土壤磷库持续累积，土壤磷库已经发生很大变化，华南区酸性红壤速效磷浓度普遍较高[10]。本研究中诏安和琅岐的土壤速效磷分别为84.1、99.7 mg/kg，是甜玉米种植区典型的土壤高磷状况。已有研究表明，土壤速效磷浓度维持在28.2 mg/kg以上即可达到玉米高产临界阈值[29]，因此高磷红壤上基于恒量监控和有机替代处理下的减磷措施并不会导致减产风险。恒量监控和有机替代处理下的磷素表观平衡为盈亏，可以耗竭土壤累积的磷素而不影响甜玉米的产量和磷吸收量，当然3—5年之后要根据土壤的有效磷浓度重新评估磷肥适宜的投入量。琅岐试验地对照处理与施磷处理之间的产量并无显著性差异，不施磷肥也不会导致减产风险，但是诏安试验地对照处理下的甜玉米产量显著降低，这可能是土壤质地差异导致的。诏安试验地土壤为赤砂土，表层土壤粗砂粒含量高，对磷素吸附能力较差[30]，而且降雨量大，磷肥容易随黏粒、粉粒向下层迁移，因此砂质土的磷有效性较质地粘重土的低，单纯依靠土壤供应不能满足植株磷素需求[31]。玉米需磷临界期在生育前期，但是此时玉米根系小，无法及时吸收到足够的速效磷，因此可以在移栽时一次性穴施满足其磷素需要以避免减产风险。

综上，华南甜玉米产区土壤磷库已经发生巨大变化，甜玉米磷肥管理应充分考虑土壤供磷能力和甜玉米的磷素需求特性进行调整磷肥施用策略。两地试验结果表明，在高磷红壤上，质地粘重土壤可以考虑不施磷肥并不会导致减产，但砂性土壤不施磷肥存在减产风险；相比于农户常规管理，恒量监控和有机替代处理均可以大幅度减少磷肥投入、减少农户的肥料成本和碳排放，显著提高磷肥利用效率，可以为华南酸性红壤区甜玉米磷肥优化管理措施提供借鉴。