在中国黄土高原上，单施过磷酸钙和硫酸铵并采用条带施肥的方法可以提高磷的利用率和玉米的产量

《Field Crops Research》：Banded application of single superphosphate and ammonium sulfate enhances phosphorus-use efficiency and maize productivity on the Loess Plateau of China

土壤磷肥减量与条带施用对黄土高原旱作玉米产量及磷利用效率的影响研究，通过两年田间试验发现，将传统施磷量（52.4 kg/ha）减少42%（30.6 kg/ha）并结合条带施用单质过磷酸钙与硫酸铵，可维持玉米产量并显著提升磷肥 agronomic efficiency（PFAE）和 recovery efficiency（PRE），其机制涉及根系形态可塑性、土壤有效磷动态及根系酶活性协同调控。

　　

余阳|刘晓宇|马琴|吴慧瑶|维克托·O·萨德拉斯|刘金山

中国西北农业与环境资源大学自然资源与环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西省杨陵市712100

摘要

背景或问题

在中国黄土高原的雨养玉米系统中，磷（P）的过量施肥导致环境污染和磷利用效率低下。本研究评估了减少磷肥施用量和采用不同的施用方法对玉米产量、磷利用效率、根系形态、根际酶活性以及土壤中磷形态的影响。

方法

实验1比较了不施肥对照（CK）、农民常规施肥量（FP，52.4 kg P/ha）以及减少后的施肥量（RF，30.6 kg P/ha）在四年内的效果。实验2则包括不施肥对照、单施过磷酸钙（RF）、条带施用单施过磷酸钙（BP）以及条带施用单施过磷酸钙加硫酸铵（AS）三种处理方式，持续两年。测量并分析了玉米产量、磷利用效率、根系形态、根际酶活性以及土壤中磷的形态。

结果

实验1显示，将磷肥施用量减少到30.6 kg/ha（RF）后，玉米产量、籽粒磷含量和地上部磷吸收量与农民常规施肥量（FP）相当。实验2中，与单施过磷酸钙（RF）相比，条带施用单施过磷酸钙（BP）和条带施用单施过磷酸钙加硫酸铵（AS）显著提高了产量，其中AS处理在两年内的产量增加了13%。AS处理还降低了根际pH值，增加了活性磷含量，并改善了根系形态，从而促进了磷的吸收。在V3、V10和R1生长阶段，根系特征（总根长、根体积、根表面积和平均根直径）与β-1,4-乙酰葡萄糖胺酶活性、磷酸酶活性以及NH₄⁺氮的有效性呈正相关。随机森林分析和Mantel分析均表明，土壤中有效磷是决定产量和磷吸收的主要因素。PLS-PM分析进一步揭示，AS处理主要通过影响土壤中有效磷、酶活性和根系特征来提高产量。

结论

我们的研究表明，采用定制的低投入磷管理策略（磷肥施用量减少42%，并结合条带施用过磷酸钙和硫酸铵）可以提高玉米产量，改善磷利用效率，并优化旱地玉米种植的土壤条件。

引言

磷（P）对作物生长和产量至关重要，但过量施肥会导致环境问题（Paerl和Paul，2012；Brownlie等人，2021）。全球范围内，土壤中的磷过剩已经超过了每年4.5–9.0 Tg的安全阈值，逐渐削弱了生态系统的自我调节能力（Rockstr?m等人，2023）。为了将全球磷循环控制在推荐范围内，必须将磷肥使用量至少减少50%（Steffen等人，2015；Jin等人，2020）。然而，这些全球数据掩盖了地区差异——在磷肥施用量不足的作物系统中，土壤有机质正在被消耗，因此需要增加投入（Novelli等人，2023）。然而，在中国黄土高原，由于土壤含钙量高、磷固定能力强以及管理方式多样，最佳磷肥施用量尚不明确（Guo等人，2008；Zhao等人，2009）。

在中国，60%的玉米为雨养作物，占全国玉米产量的40%–50%（Luo等人，2023）。过量施肥导致土壤中磷积累严重（Chen等人，2025），因此农田中的季节性磷利用效率（PUE）通常低于20%（Lun等人，2018）。以往的研究主要集中在灌溉农业系统中减少磷肥施用的可能性上，但关于旱地农业的实证证据仍然有限（Liu等人，2024a）。在含钙土壤中，磷酸根离子容易与钙结合形成不溶性的钙磷酸盐化合物，从而降低磷的有效性（Sahoo等人，2025）。旱地系统的土壤水分动态和土壤特性差异可能会改变作物对磷减少的农艺和环境响应。

在玉米中，磷的吸收效率与根系的空间分布、形态可塑性和生理活性有关（Guo等人，2025a）。根系特征（总根长、根体积、根表面积和平均根直径）影响植物的磷吸收（Zhang等人，2023e）。玉米根系可以在富磷区域局部调整其结构，从而提高磷的吸收效率（Zhang等人，2016）。条带施用磷肥可以通过减少土壤中磷的固定和增强根系的养分获取能力来提高磷的吸收（Zhou等人，2025）。此外，根系的调整可能有助于多种养分（包括氮和磷）的同步吸收（Liu等人，2025）。尽管已有研究表明条带施用磷可以提高根际磷的有效性，但在实际条件下（尤其是磷肥施用量通常过高的情况下），其效果仍需进一步验证。

土壤中磷的动态转化是养分循环的核心，其生物有效性直接调控作物的生产力（McLaughlin等人，2011）。在旱地，生物过程在磷的移动、固定和循环中起着关键作用，对养分利用效率至关重要（Li等人，2024b；Liu等人，2024b）。大约30%–80%的土壤磷以有机形式存在（Celi和Barberis，2005）。在含钙土壤中，根际酸化可以增强磷的有效性（Qetrani等人，2024），并被认为是一种释放难利用磷储备并提高磷利用效率的策略（Li等人，2024a）。硫酸铵是一种天然酸性的氮肥，可以通过多种机制调节土壤pH值（Wang等人，2024c）。硫酸铵溶解后释放NH₄⁺和SO₄2^?，植物优先吸收NH₄⁺。为了维持电荷平衡，根系会分泌H⁺以交换NH₄⁺的吸收，从而降低pH值（Feng等人，2020）。此外，SO₄^2?与土壤中的Ca²⁺反应生成石膏（CaSO₄），这可能影响钙磷酸盐化合物的平衡并促进固定磷的释放（Guo等人，2025b）。尽管硫酸铵在调节土壤化学性质和提高磷有效性方面具有理论优势，但在黄土高原替代传统尿素用于玉米生产的效果仍有待验证。

黄土高原旱地玉米的磷利用效率低下主要是由于磷固定能力强以及普遍采用撒施磷肥的方式。尽管局部施用和酸性氮肥被认为可以提高磷的有效性，但很少有田间研究将这些措施与根系形态、根际化学性质、酶活性或土壤中磷的形态联系起来。为填补这一空白，我们设计了两个田间实验来评估在黄土高原旱地玉米中减少磷肥投入和施用方式的可行性。实验1评估了将磷肥施用量从农民常规的52.4 kg/ha减少到30.6 kg/ha对玉米产量的影响。实验2通过条带施用磷肥来集中养分在根区。我们还假设用硫酸铵替代尿素可以引起根际酸化并激活土壤中的磷。这些结果将为提高磷利用效率和发展更可持续的旱地玉米养分管理策略提供机制基础。

实验地点

实验地点

两个固定地点的田间实验（实验1和实验2）在中国黄土高原中南部的长武县王东村（35°12′N，107°40′E；海拔1200米）进行，使用的是质地均匀（粉粘壤土，FAO/UNESCO分类为Calcarid Regosol）。实验开始前，土壤中有机质含量为16.5 g/kg，有效磷（Olsen-P）含量为10.5 mg/kg，硝酸盐氮（NO₃^?-N）含量为15.5 mg/kg（实验1）；有机质含量为12.9 g/kg，硝酸盐氮含量为9.7 mg/kg（实验2）。

生长条件

实验地点具有典型的黄土高原暖温半湿润大陆性季风气候。实验1期间（2017–2020年），玉米生长期（5–10月）的日平均温度在7.2至28.6°C之间，平均温度为19.2°C。两个实验季节的降水量分别为466至575毫米。

磷肥减少对玉米产量和磷利用效率的影响

在全球农业系统中，磷的利用效率仍然较低，导致磷循环不平衡（MacDonald等人，2011）。全国范围内的土壤测试数据显示，中国玉米种植区约有17%的土壤存在磷淋失的风险（Gong等人，2025）。中国中部的田间试验表明，减少磷肥施用量可以维持甚至提高水分充足的玉米作物的产量和磷利用效率（Liu等人，2024a）。在我们的雨养玉米作物中，减少磷肥施用量……

结论

在黄土高原的四年田间试验中，相对于农民常规施肥量，将磷肥施用量减少42%后，玉米籽粒产量得到保持，磷肥农艺效率（PFAE）和磷回收效率（PRE）得到提高。条带施用单施过磷酸钙加硫酸铵的处理方式（AS）进一步提高了籽粒产量，并使PFAE和PRE分别比单施过磷酸钙提高了约一倍。

作者贡献声明

吴慧瑶：撰写、审稿和编辑。马琴：撰写、审稿和编辑。刘晓宇：撰写、审稿和编辑；初稿撰写、数据可视化、软件使用、方法设计、调查实施、数据整理、概念构思。刘金山：撰写、审稿和编辑；项目监督、资源协调、项目管理、方法设计、资金筹集、概念构思。维克托·O·萨德拉斯：撰写、审稿和编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2021YFD1900700和2017YFD0200200）以及陕西省科技研究计划（2022PT-06）的财政支持。