马尼托巴大豆磷肥响应稀缺性研究：产量效应与施肥策略评估

本综述系统评估了马尼托巴地区大豆（Glycine max）对磷肥（P）的农艺响应。研究表明，尽管大豆对磷的吸收量较高（约6.2 kg P/吨籽粒），但在28个试验点年中，磷肥施用（包括不同用量（22.5–90 kg P2O5 ha?1）和施用方式（种肥同播、侧深施、撒施））对籽粒产量提升效果极不显著（仅1个点年响应）。研究强调需通过轮作施肥策略维持土壤磷平衡（Olsen法土壤测试P），并警示种肥同播高量P肥可能导致出苗毒性风险。

　　

Abstract

大豆（Glycine max (L.) Merr.）在马尼托巴省的种植面积在过去20年中显著增长，引发了对该地区磷（P）肥施用效果的关注。2013年至2015年间，一项在28个试验点进行的研究评估了磷肥用量和施用方式对大豆植株出苗和籽粒产量的影响。处理包括22.5、45和90 kg P₂O₅ ha^?1（以一铵磷酸盐形式施用），采用种肥同播、侧深施或撒施方式，并设置无肥对照。在28个点年中有5个观察到因种肥同播导致的植株出苗减少，尤其在高用量（90 kg P₂O₅ ha^?1）下。出苗减少多发生在中粗质地土壤、干旱土壤或播种设备种子床利用率较低的情况下。两个点年因种肥同播90 kg P₂O₅ ha^?1导致植株密度低于推荐阈值（247,000株 ha^?1），进而籽粒产量降低。除一个点年外（45和90 kg P₂O₅ ha^?1分别增产343和430 kg ha^?1），磷肥施用未提高籽粒产量，且与磷用量、施用方式或Olsen土壤测试P水平无关。这种对磷肥的极低频率响应结合大豆的高磷吸收量表明，大豆能利用土壤中其他作物难以利用的磷库。尽管如此，马尼托巴大豆种植者应考虑在轮作中为大豆或其他作物补施磷肥以维持土壤磷力。

Introduction

马尼托巴省大豆种植面积在过去二十年大幅增长，从2003年的89,000 ha增至2017年的932,000 ha峰值。与此同时，亚麻、燕麦和大麦的种植面积显著下降，这一转变可能导致土壤测试磷（P）水平下降。2015年，64%的土壤样本磷含量低于充足临界值，较2010年增加7%。大豆通常不施磷肥，但每吨籽粒约移除6.2 kg P，导致土壤磷负平衡。此外，油菜等高产作物磷肥用量常不足以替代移除量，加剧土壤磷下降。马尼托巴多数大豆种植者使用与小谷物相同的播种设备，行距≤30 cm，且常缺乏种肥分离能力。但大豆对种肥同播更敏感，过量肥料可因盐害抑制出苗。现行指南建议行距<30 cm时种肥同播P肥最高用量为11 kg P₂O₅ ha^?1。北美先前研究报道大豆对磷肥的产量和生物量响应罕见且不一致，尤其在pH中性至高的土壤中，甚至土壤测试P极低时亦然。原因包括大豆能利用土壤难利用磷库、种子磷储备充足以及播种温度较高促进磷扩散。马尼托巴历史研究结果矛盾，近期品种产量潜力更高可能增加磷吸收和响应概率。萨斯喀彻温研究认为田间尺度磷肥响应罕见，但高产潜力且土壤残磷低时可能发生。北达科他研究则未观察到任何点响应。本研究旨在填补现代大豆品种磷肥施用信息空白，具体目标为：评估种肥同播P肥导致出苗减少和产量降低的风险，并评价三种P肥用量和施用方式对植株出苗和籽粒产量的影响。

Materials and methods

Experimental design and treatment description

2013–2015年在马尼托巴设立28个点年试验，确保土壤质地、天气条件和播种设备多样性。Olsen土壤测试P浓度（0–15 cm深度）为3–71 mg kg^?1，13个点年≤10 mg kg^?1。土壤质地从砂壤土（79%砂）到重粘土（78%粘土），pH一般碱性（5.3–8.8）。播种设备开沟器类型（刀式、锄式、圆盘）和行距（18.5–30.5 cm）多样，共使用九台播种机。施肥处理包括三种P肥用量（22.5、45、90 kg P₂O₅ ha^?1，以一铵磷酸盐（MAP）形式）和三种施用方式（种肥同播、侧深施、撒施），加无肥对照。种肥同播通过播种开沟器施入，撒施手工表施后播种掺混，侧深施位于种子侧下方5 cm。部分点2013年无侧深施设备。根据土壤测试结果，整个试验点播前撒施补充钾（K）或硫（S）肥，未补施氮（N）肥。

Field management

研究使用Dekalb 24–10RY大豆品种（成熟组00.5），目标植株密度518,700株 ha^?1。播期为5月22日至6月9日，接近推荐期（5月15日至6月1日）。种子经杀菌剂、杀虫剂和液根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）处理，沟施颗粒接种剂20 kg ha^?1。生长季按需施用草甘膦（540 g a.i. L^?1，1.6 L ha^?1）控草。

Crop measurements and analysis

植株出苗数在播后2、3、4周计数（完整处理点），缩减处理点仅第4周计数。基于每小区两行、各行1 m长、两位置计数，总计4 m行。R3生长阶段（荚发育初期）采样测植株P浓度和吸收量。每小区外部行取1 m行长地上部 shoot，60°C烘干称重后，经Thomas-Wiley磨粉机（2 mm筛）粉碎，送AGVISE实验室（美国北伍德）用硝酸-过氧化氢消解-电感耦合等离子体发射光谱法测总P浓度。秋季用小区联合收割机收获，清理后实验室天平称籽粒重，校正至130 g kg^?1水分。中期生物量取样面积从产量计算中扣除。

Soil analyses

所有点年块区进行农业土壤化学分析。早春试验前取0–15和15–60 cm深度土壤样品，每复合样含10随机子样。分析包括Olsen法土壤测试P、醋酸铵提取钾（K）、DTPA提取锌（Zn）、0–15 cm有机质、0–15和15–60 cm硝态氮、硫酸根-S、碳酸盐、pH（土水比1:1）和盐分（土水比1:1）。土壤样品由AGVISE实验室分析，具体方法：镉还原测硝态氮、钼酸/比色法测Olsen P、灼烧失重测有机质、浊度法测硫酸根-S、压力法测碳酸盐。2014和2015点土壤颗粒尺寸分析用吸管法，质地按加拿大土壤分类系统划分。2013所有点及2015 St. Adolphe点质地来自土壤调查数据。

Statistical analysis

使用SAS 9.4的GLIMMIX程序进行ANOVA和均值比较，PROC UNIVARIATE和Shapiro–Wilk检验数据正态性，非正态数据用10底对数转化，出苗计数用负二项分布分析。Tukey–Kramer检验（P<0.05）比较处理间均值。REG程序分析Olsen土壤测试P与相对籽粒产量（施肥处理产量/对照产量）回归关系。试验为随机完全区组设计，按P用量和施用方式两因子加对照设置。2013年除Brandon点为裂区设计（用量主区、施用方式亚区）外，其他点为完全随机。固定效应为用量和施用方式，随机效应为区组。多数点四次重复，Melita和Arborg 2013点三次重复。因设备差异和部分点侧深施或高量处理缺失，数据未合并分析。

Results and discussion

Plant emergence

P肥处理未提高最终植株出苗数，但28个点年中有5个观察到种肥同播P肥导致出苗减少。2013年，Melita和Carberry点种肥同播90 kg P₂O₅ ha^?1分别减少出苗71%和38%，使植株密度低于推荐阈值（247,000株 ha^?1）。Melita点窄刀式开沟器和粗质地土壤保水能力低可能加剧盐害，Carberry点中粗质地土壤、宽行距（30.5 cm）和窄圆盘开沟器扩散宽度（1.3 cm）导致种子床利用率低（4.3%），增加毒性风险。圆盘开沟器比锄式开沟器土壤扰动少，种子与肥料混合差，毒性风险更高。2014年Portage和Carberry点种肥同播P肥平均减少出苗42%、36–39%。2015年Roblin点因干旱，种肥同播90 kg P₂O₅ ha^?1减少出苗40%。本研究条件下，种肥同播P肥安全性高于省级指南预期（最高11 kg P₂O₅ ha^?1），但干旱、粗质地土壤、宽行距和低扰动开沟器可能降低安全用量。

Mid-season P concentration

中期植株组织P浓度对P肥响应不一致且罕见，28个点年中仅6个显示高P用量增加P浓度，且均发生在土壤测试P低（<10 mg kg^?1）的点年。无用量与施用方式互作显著影响P浓度。

Soybean seed yield

大豆籽粒产量范围951–4887 kg ha^?1，三年平均分别为3102、2792和3480 kg ha^?1，高于全省平均。仅Roseisle 2015点P肥增产（45和90 kg P₂O₅ ha^?1分别增产343和430 kg ha^?1）。尽管ANOVA显示多个点年P肥效应显著，但Tukey–Kramer检验无处理间差异。Arborg 2013点撒施产量显著高于侧深施。本研究P肥增产响应稀少与北美先前研究一致。半数点年土壤测试P低或极低（≤10 mg kg^?1），但施肥处理仅在1/6点年（Olsen P≤5 mg kg^?1）和0/8点年（Olsen P 6–10 mg kg^?1）优于对照。表明大豆能利用土壤难利用磷库，原因包括根系生长旺盛、根际酸化溶解钙磷酸盐（马尼托巴土壤主要P矿物）、播种温度高促进P扩散及种子P储备足。无法确定大豆临界土壤测试P范围。种肥同播P肥导致出苗减少的5个点年中，仅2个（Carberry和Melita 2013）产量显著降低，因植株密度低于阈值。其余点年植株密度仍高于阈值，大豆通过增加分枝和荚果数补偿。侧深施处理在Brandon 2014和Roblin 2015点产量高于种肥同播，但无处理与对照差异。侧深施比种肥同播更安全（无苗期伤害），比撒施环境风险低（减少径流P损失）。

Recommendations to Manitoba soybean growers

种肥同播P肥导致出苗减少事件较少，表明现行指南保守，但未能确定新安全用量因毒性风险受行距、土壤水分、质地和播种设备扰动程度等多因素影响。本研究在早期降水充足条件下进行，干旱条件下风险可能低估。尽管P肥增产效益小，但必须补施大豆移除的P以避免轮作作物产量受损。生产者应维持土壤P平衡（Olsen法中等水平10–15 mg kg^?1）或利用大豆高P吸收特性耗竭过量土壤P减少环境风险。磷肥施用时机灵活（可施于大豆或轮作作物），但需确保磷力维持。

Acknowledgements

感谢西曼农业多样化组织、帕克兰作物多样化基金会、加拿大-马尼托巴作物多样化中心、草原东部可持续农业倡议、农业及农业食品加拿大、Kelburn农场、Oak Ridge控股农场、马尼托巴农业食品及农村发展部、AGVISE实验室、BASF和孟山都-Dekalb的田间研究支持。