刘 道，刘梦洁，梁 飞，李全胜，田宇欣，贾宏涛
（1 新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所，新疆石河子 832000；
2 新疆农业大学资源与环境学院，新疆乌鲁木齐 830052；
3 新疆农业大学草业学院，新疆乌鲁木齐 830052；
4 农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室，新疆石河子 832000）
磷作为作物的重要营养元素之一，施用磷肥有利于提高土壤中有效磷水平，从而满足作物的生长需求[1]。磷在土壤中的移动性弱[2]，易与土壤中的离子产生化学沉淀或被土壤吸附固定，降低对作物的有效性[3]。新疆以石灰性土壤为主，土壤中大量的Ca2+易与磷肥产生沉淀[4]。水肥一体化是将肥料随水滴施至作物根系周围的一项高效灌溉施肥技术[5]。张国桥等[6]研究发现，以全部追肥的方式滴施液体磷肥可显著改善玉米生育后期的磷素营养，并提高产量和磷肥利用率，其磷肥利用率可达40.6%。研究表明，水肥一体化技术能够增加磷在土壤中的移动性[7]，减少固定，促进作物对磷素的吸收[5,8]。磷酸二氢钾、磷酸一铵、磷酸二铵、磷酸脲及聚磷酸铵等水溶性磷肥在水肥一体化中的应用比例也逐年增加[9–10]。由于磷肥性质不同，施入土壤后的肥效存在明显差异[11]。滴施磷酸脲较聚磷酸铵和磷酸一铵酸化土壤的效果更强，而聚磷酸铵在土壤中的移动和分布高于磷酸一铵和磷酸脲[12]。王莎莎[13]研究表明，在石灰性土壤中施用磷酸一铵提高土壤速效磷含量的效果好于焦磷酸钾、聚磷酸铵。亢龙飞等[10]研究表明，在壤质和粘质石灰性土壤中，磷的移动性均表现为聚磷酸＞焦磷酸＞磷酸脲。本研究选择水肥一体化中目前主要施用的5种水溶性磷肥进行田间试验，系统研究其滴施后土壤pH、速效磷、全磷的分布特征，及其对玉米产量和磷素吸收利用的影响，为滴灌玉米水肥一体化生产中的磷肥选择提供理论依据，同时为区域作物磷肥高效利用和玉米高产稳产提供数据支持。
1.1 试验区概括
本试验于2018—2020年在新疆石河子市的农业农村部作物高效用水实验站 (45°38′N，86°09′E)进行。研究区域位于天山北麓的冲积扇平原，属于典型的温带大陆性气候，玉米生育期内年均气温22.4℃，降雨量为111.4 mm，潜在蒸发量1942 mm，蒸降比16.9＞10。试验土壤为灌耕灰漠土，试验前耕层土壤有机质为7.14 g/kg、碱解氮34.30 mg/kg、速效磷13.10 mg/kg、全磷0.85 g/kg、速效钾130.50 mg/kg、pH 8.72、田间持水量 17.70 cm3/cm3。2018—2020 年玉米生育期内平均降水和气温变化如图1 所示。
图1 2018—2020年玉米生育期内温度和降水量变化Fig.1 Changes in temperature and precipitation during the maize growing period from 2018 to 2020
1.2 试验材料
供试玉米品种：郑单958。
供试肥料包括：尿素(Urea，N≥46.4%，颗粒)；
磷酸脲(UP，N≥17%，P2O5≥44%，粉剂)；
磷酸二氢钾(MKP，P2O5≥52%，K2O≥34%，晶体)；
聚磷酸铵(APP，N≥11%，P2O5≥37%，液体)；
磷酸二铵(DAP，N≥18%，P2O5≥46%，粉剂)；
磷酸一铵(MAP，N≥12%，P2O5≥61%，粉剂)；
硫酸钾(K2SO4，K2O≥51%，粉剂)。
供试滴灌带：内镶式滴灌带，滴头间距30 mm，滴头流量2.0 L/h，工作压力0.15 Mpa。
1.3 试验设计
本试验共设6个处理，分别为：磷酸脲(UP)、磷酸二氢钾(MKP)、聚磷酸铵(APP)、磷酸二铵(DAP)、磷酸一铵(MAP)，以不施磷肥为对照(CK)。除CK外，其余各处理灌水量和氮磷钾投入量均相同。总灌水量4800 m3/hm2，肥料投入量为N 240 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。各处理具体灌水施肥时间、肥料用量和灌水量见表1。每个处理3次重复，随机区组设计，共18个小区，每个小区110 m2(5.5 m×20 m)。2018—2020年玉米播种日期分别为：4月28日、4月30日和4月26日。采用1膜1管2行，(30+80) cm不等行距的种植模式，种植密度为126000株/hm2。采用内镶式滴灌带进行灌溉，每次各小区灌溉量均一致。各处理灌水施肥采用单独灌溉和单独施肥罐，灌水量和施肥量均由水表、施肥罐和阀门共同控制，满足试验要求。其它管理措施与普遍采用的田间生产管理措施一致。
表1 玉米生育期施肥量(kg/hm2)及灌水量Table 1 Fertilization and irrigation at different maize growth stages
1.4 取样与分析
1.4.1 样品采集 分别在玉米开花期(2018年7月18日、2019年7月14日、2020年7月15日)和成熟期(2018年8月25日、2019年8月22日、2020年9月2日)采集植物样品，每个处理取地上植株4株，按器官(穗、茎秆和叶片)分开烘干。同时，在滴头和植株正下方以及宽行处，各点依次相距15 cm，采集0—10、10—20 和20—40 cm深土壤样品。
1.4.2 测定方法 土壤pH以1∶2.5的土水比浸提，PHSJ-4F pH 计测定。土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定。土壤全磷含量采用HClO4–H2SO4消煮，钼锑抗比色法测定[14]。植物含磷量采用H2SO4–H2O2消煮—钒钼黄比色法测定[14]。
1.4.3 指标测定 玉米成熟后，每小区取出20个果穗称鲜重并风干后考种，折标准水(14%)，参照李广浩等[15]的方法计算单位面积产量，计算公式如下：
产量(kg/hm2)=单株产量×成穗率×126000/1000×[1–籽粒含水率 (%)]/(1–14%)。
玉米磷素积累、磷肥利用率、磷肥偏生产力以及磷肥农学效率计算公式如下：
玉米各器官磷素积累量(kg/hm2)=各器官磷浓度(g/kg)×单位面积干物质质量(kg/hm2)/1000[12]；
磷肥利用率(%)=(施磷肥区作物吸收养分量－不施磷肥区作物吸收养分量)/养分投入量；
磷肥偏生产力(kg/kg)=籽粒产量/磷养分投入量；
磷肥农学效率(kg/kg)=(施磷肥处理产量–不施磷肥处理产量)/磷养分投入量。
1.5 统计分析
采用SPSS 26.0软件对试验数据进行方差分析(ANOVA)及差异显著性检验(LSD)；
图表制作采用Origin 2021和Excel 2016完成。
2.1 滴施不同水溶性磷肥下土壤pH变化
由图2可知，与CK相比，滴施UP处理可显著降低滴灌头0—40 cm的土壤pH，降幅在0.20～0.24个单位；
MKP、APP和MAP处理仅在0—10 cm土层pH显著低于CK。DAP处理各土层pH没有显著变化。UP处理开花期土壤pH均值较CK和DAP分别降低了0.20和0.32个单位；
成熟期UP处理土壤pH较CK和DAP分别降低了0.24和0.31个单位。
图2 玉米开花期和成熟期不同磷肥处理土壤pH随滴头距离的变化Fig.2 Soil pH in different distances from dripper as affected by phosphorous fertilizers at flowering and maturity stages of maize
2.2 滴施不同水溶性磷肥下土壤速效磷分布
由图3可知，与CK相比，滴施磷肥能显著增加各土层速效磷含量，距滴头越远，土壤速效磷含量越低。APP、UP和MAP处理0—40 cm各土层速效磷含量均显著高于DAP，分布更均匀。开花期，APP处理10—20 cm土层速效磷含量显著高于UP和MAP，20—40 cm土层速效磷含量均显著高于MAP处理；
APP处理成熟期0—10 cm土层速效磷含量显著高于MAP，10—20 cm土层速效磷含量显著高于UP和MAP，20—40 cm土层速效磷含量3个处理间无显著差异。玉米开花期APP、UP、MAP处理土壤速效磷含量较DAP分别增加了65.47%、44.18%和23.14%，成熟期分别增加了58.08%、40.13%和127.89%。5种磷肥中，滴施聚磷酸铵有利于增加土壤速效磷含量及其在深层土壤中的分布，其次是磷酸脲和磷酸一铵；
滴施磷酸二铵土壤速效磷含量最低，且主要分布在0—20 cm土层中。
图3 玉米开花期和成熟期不同磷肥处理土壤速效磷(AP)的分布Fig.3 Distribution of soil available phosphorus (AP) under different phosphorus fertilizer treatments at maize flowering and maturity stages
2.3 滴施不同水溶性磷肥对玉米土壤全磷含量的影响
由表2、表3可知，土壤全磷含量均呈现出随着与滴头水平或垂直距离的增加而降低的趋势。滴施磷肥处理间土壤全磷含量无显著差异，但均显著高于CK。玉米成熟期APP和UP处理 20—40 cm土层中全磷含量均显著高于CK，分别较CK增加了21.62%和17.57%；
其余处理间无显著差异(表3)。滴施磷肥能增加土壤中的全磷含量，其中聚磷酸铵和磷酸脲有利于增加下层土壤的全磷含量。
表2 施用不同磷肥处理下土壤全磷含量的水平分布(g/kg)Table 2 Horizontal distribution of soil total phosphorus content under different phosphate fertilizer treatments
表3 施用不同磷肥土壤全磷含量的垂直变化(g/kg)Table 3 Vertical distribution of soil total phosphorus content under different phosphorus fertilizer treatments
2.4 滴施不同水溶性磷肥对玉米地上部各器官磷素积累的影响
由表4可知，玉米地上部总磷素积累量均呈现为 APP＞UP＞MAP＞MKP＞DAP＞CK 的趋势。开花期各处理间的各器官磷素积累量的3年平均值无显著性差异，但每个年际内差异显著；
2018年APP、UP和MAP处理总磷素积累量均显著高于其余处理，穗、叶器官磷素积累量APP处理显著高于其余处理；
茎磷素积累量MKP最高，差异显著；
2019年APP处理总磷素积累量均显著高于MKP、DAP和CK处理；
2020年APP处理总磷素积累量显著高于其余处理，穗磷素积累量APP、UP和MAP处理显著高于CK，叶磷素积累量APP显著高于DAP和CK，茎磷素积累量APP处理显著高于UP、MAP和CK。成熟期APP处理穗和总磷素积累量均显著高于其余处理，各处理间茎磷素积累量的均值无显著性差异，各单个年际内APP处理多显著高于CK。开花期APP处理穗、叶和总磷素积累量均值分别较CK增加92.87%、66.00%和75.86%，较DAP增加29.22%、43.97%和22.43%；
成熟期较CK分别增加101.48%、64.73%和98.16%，较DAP增加65.39%、26.63%和50.60%。
表4 施用不同磷肥处理下玉米各器官磷素积累量Table 4 Phosphorus accumulation in various organs of miaze under different phosphorus fertilizer treatments
2.5 滴施不同水溶性磷肥对玉米产量和磷肥利用率的影响
由表5可知，玉米产量整体呈现出APP＞UP＞MAP＞MKP＞DAP＞CK的趋势。由于年际间气候变化的影响，玉米产量年际间有一定差异，各处理平均产量年际之间多无显著性差异，但各处理产量在每个年际内差异显著。2018年APP处理产量显著高于MKP、DAP以及CK处理，UP处理显著高于CK；
2019年APP和UP处理产量显著高于CK，其余处理间无显著差异；
2020年APP处理产量显著高于DAP和CK，UP、MAP和MKP 处理产量显著高于CK。APP处理平均产量较DAP和CK分别增产18.03%和31.60%，UP较DAP和CK分别增产11.64%和24.47%，MAP较DAP和CK分别增产9.46%和22.04%。
磷肥利用率、磷肥偏生产力和磷肥农学效率均与产量呈现出一致的变化规律，均表现为：APP＞UP＞MAP＞MKP＞DAP。APP 处理 3年平均磷肥利用率为43.67%，较DAP增加了29.62%；
UP较DAP增加了13.65个百分点；
MAP较DAP增加了9.93个百分点。APP处理的磷肥农学效率显著高于DAP，其余处理间差异不显著。各处理的磷肥偏生产力3年平均值之间差异较小，但2018和2020年APP处理显著高于DAP。APP处理的磷肥偏生产力和磷肥农学效率分别较DAP增加了18.03%和174.96% (表5)。
表5 施用不同磷肥处理下玉米产量及磷肥利用效率Table 5 Maize yield and P fertilizer utilization efficiency under different phosphorus fertilizer treatments
2.6 土层速效磷含量与土壤pH、全磷、玉米磷素积累量、产量和磷肥利用率的相关性分析
由图4可知，各土层速效磷含量均与全磷含量呈正相关，与土壤pH呈负相关；
并随着土层的加深相关性增强。玉米开花期到成熟期土壤速效磷含量与全磷含量、土壤pH的相关性增强，而全磷含量与土壤pH相关性降低。10—20 cm土层速效磷含量与全磷含量达到显著性正相关，与土壤pH显著性负相关(P＜0.05)；
土壤全磷含量与土壤pH极显著负相关(P＜0.01)。开花期20—40 cm土层土壤速效磷含量与全磷含量达到极显著正相关(P＜0.01)，与土壤pH显著负相关(P＜0.05)；
成熟期 20—40 cm土层速效磷含量与全磷含量呈极显著正相关(P＜0.01)，全磷含量与土壤pH显著负相关(P＜0.05)。土壤pH的降低能够提高土壤有效磷含量，且随着土层的加深其影响加大。
图4 土壤速效磷(AP)含量、pH和全磷(TP)含量的相关性Fig.4 Correlation of soil available phosphorus (AP) content, pH and total phosphorus (TP) content
由表6可知，在等磷量投入下，玉米地上部总磷素积累量与各土层速效磷含量呈正相关；
其中除与成熟期20—40 cm土层速效磷含量呈显著正相关外(P＜0.05)，与其余土层速效磷含量均为极显性正相关(P＜0.01)。磷肥的利用率、偏生产力和农学效率与土层速效磷含量多呈正相关，其中10—20 cm土层速效磷含量与磷肥利用率呈极显著正相关。土壤速效磷含量的增加有利于增加玉米地上部磷累积量，提高磷肥利用率。
表6 不同土层速效磷含量与玉米地上部各器官磷素积累量、产量和磷肥利用效率的相关性Table 6 Correlation of available phosphorus content in different soil layers with phosphorus accumulation of various organs in the shoots of maize, yield and P fertilizer use efficiency
3.1 滴施不同水溶性磷肥下磷素在石灰性土壤中的分布特征
在石灰性土壤中，磷的有效性和移动性与磷肥本身的组成、形态等息息相关[9–13,16]。本研究表明，滴施磷肥后，土壤速效磷含量均呈现出随着与滴头距离的增加而降低的规律，其中0—20 cm土层的速效磷含量较高，这与杨国江等[17]研究结果一致。水肥一体化施磷虽然能够增加磷素在土壤中的移动性，但由于石灰性土壤的固定，导致H2PO4－主要积累在表层，在滴头附近出现聚集，且随着与灌水器距离的增加而逐渐减少[17]。本研究表明，APP处理土壤速效磷含量显著高于其余处理，且土层中磷素分布更均匀，深层土壤中速效磷含量亦更高，其次是UP和MAP，DAP移动性最差；
这与张国桥等[6]、亢龙飞等[10]和张皓禹等[12]的田间试验结果一致，也与余凯凯等[18]和Wang等[19]的室内土柱模拟试验结果相近。其原因可能是：(1)五种水溶性磷肥中，除DAP是碱性磷肥外，其余均是酸性磷肥，尤其UP属于强酸性磷肥，施入土壤后较DAP和CK能降低土壤pH；
而石灰性土壤pH的降低可增加磷在土壤中的移动性[11]。(2)磷酸脲、磷酸一铵等正磷酸盐类肥料施入石灰性土壤后易与土壤中的Ca2+、Fe3+、Al3+等离子或粘土矿物发生固定作用，使可溶性磷降低，在土壤中的运移受阻[20]；
与正磷酸盐类肥料相比，APP属于聚合态磷[21]，施入土壤后只有水解为正磷酸盐才可被土壤固定，在一定时间内减少了磷的化学沉淀固定，利于聚磷酸盐在土壤中的运移[22]。APP还能释放PPA (多聚磷酸)，可降低土壤中的低活性与中活性磷，增加土壤高活性磷比例[10,23–24]，且随着肥料持续的水解作用，高活性磷不会随着植物的吸收而出现减少，从而提高其有效性[25]。综上所述，石灰性土壤中滴施不同水溶性磷肥时土壤pH和磷素分布特征具有显著差异；
滴施UP等酸性磷肥能够降低土壤pH；
滴施APP、UP和MAP土壤中的磷素移动性较强，有利于速效磷在土壤中的均匀分布，并提高深层土壤中的速效磷含量；
而DAP容易在滴头附近形成土壤pH较高的区域，不利于磷素运移。因此，在石灰性土壤的滴灌磷肥选择中应优先考虑聚磷酸盐，其次是酸性磷肥，应减少碱性磷肥的施用。
3.2 滴施不同水溶性磷肥对玉米产量和磷素吸收利用的影响
提高土壤中的有效磷水平有利于促进玉米对磷素的吸收，从而达到磷素的高效利用[11]。本研究表明，玉米地上部磷素积累量均呈现出APP＞UP＞MAP＞MKP＞DAP＞CK的趋势，且与各土层速效磷含量呈显著正相关。磷素的吸收利用直接影响着作物的生长和发育,从而影响作物的产量[26]。本研究表明，各处理玉米产量、磷肥利用率、磷肥偏生产力及磷肥农学效率与玉米地上部磷素积累的规律相同，均表现为APP最高，其次是UP和MAP，这与张皓禹等[12]、傅瑞斌等[27]和熊子怡等[28]研究结果相似。本研究表明，APP处理土层速效磷分布更均匀，这样利于玉米磷素吸收和产量的增加[18]。聚磷酸盐在土壤中的水解速率也因石灰性土壤高pH的影响变缓慢，达到持续缓控释放的效果，从而提高了磷肥的利用效率[28–29]。另外，聚磷酸铵不仅含有作物所需的氮素和磷素，还可提高石灰性土壤中微量元素的有效性，有利于作物增产[24,30]。综上所述，在滴灌玉米生产中滴施APP、UP和MAP不仅能增加玉米产量，还能促进玉米对磷素的吸收，达到提高磷肥利用效率的目的。
除磷酸二铵外，滴施其他酸性水溶性磷肥不同程度地降低玉米根系周围土壤pH，其中磷酸脲可显著降低0—40 cm土壤pH，而磷酸二氢钾、聚磷酸铵和磷酸一铵仅在滴头附近0—10 cm距离降低土壤pH。土壤速效磷含量的分布与pH高度一致，开花期和成熟期，滴施磷酸脲的土壤中有效磷在0—40 cm土层中的分布更均匀，但10—20 cm土壤中的速效磷含量低于聚磷酸铵处理，高于其他磷肥处理。磷肥利用率与10—20 cm土层速效磷含量极显著相关。因此，滴施聚磷酸铵的玉米产量和磷素利用率均高于其他磷肥处理。综合考虑，石灰性土壤上进行滴灌施肥时，应优先选择聚磷酸铵，其次是磷酸脲和磷酸一铵，应减少磷酸二铵等碱性肥料的施用。
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