覆膜滴灌条件下基于玉米产量和土壤磷素平衡的磷肥适用量研究

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侯云鹏, 王立春, 李前, 尹彩侠, 秦裕波, 王蒙, 王永军^,, 孔丽丽^,吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部东北植物营养与农业环境重点实验室,长春 130033

Research on Optimum Phosphorus Fertilizer Rate Based on Maize Yield and Phosphorus Balance in Soil Under Film Mulched Drip Irrigation Conditions

HOU YunPeng, WANG LiChun, LI Qian, YIN CaiXia, QIN YuBo, WANG Meng, WANG YongJun^,, KONG LiLi^,Institute of Agricultural Resources and Environment, Jilin Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment in Northeast China, Ministry of Agriculture, Changchun 130033

通讯作者: 王永军，E-mail：yjwang2004@126.com。孔丽丽，E-mail：kongll2000@126.com

责任编辑: 杨鑫浩
收稿日期:2018-07-22接受日期:2018-10-16网络出版日期:2019-10-16

基金资助:

国家重点研发计划.2018YFD0300200
国家重点研发计划.2017YFD0300604
吉林省农业科技创新工程自由创新项目.CXGC2018ZY013
国际植物营养研究所IPNI项目.BFDP-Jilin-2018

Received:2018-07-22Accepted:2018-10-16Online:2019-10-16
作者简介 About authors
侯云鹏,E-mail：exceedfhvfha@163.com。

摘要
【目的】 针对东北半干旱区覆膜滴灌玉米生产中大量施磷导致的效率低与环境风险增大问题,通过3年定位试验,系统研究了覆膜滴灌条件下不同磷肥用量对玉米产量、磷肥利用效率和土壤供磷能力的影响,为该区域玉米磷肥合理施用提供科学依据。【方法】 于2015—2017年在吉林省半干旱玉米主产区（乾安县）布置定位田间试验。共设6个磷肥用量处理,分别为0（P₀）、40 kg·hm ^-2（P₄₀）、70 kg·hm ^-2（P₇₀）、100 kg·hm ^-2（P₁₀₀）、130 kg·hm ^-2（P₁₃₀）和160 kg·hm ^-2（P₁₆₀）,测定指标包括玉米产量及其构成、成熟期植株磷含量和土壤有效磷含量,并计算作物吸磷量、磷肥利用效率和土壤-作物系统的磷素表观平衡状况。【结果】 施磷可显著提高玉米产量,增幅依次为6.2%—21.2%（2015年）、9.0%—20.6%（2016年）和12.9%—30.3%（2017年）,3年平均增幅为9.2%—23.9%,增产的主要原因是施磷增加了穗粒数、百粒重和收获指数。玉米产量随磷肥用量的增加呈先升后降趋势,其中以P₁₀₀处理玉米产量最高。磷素表观回收率和磷素偏生产力均随磷肥用量的增加而下降,磷素农学利用率随磷肥用量的增加先升后降。与不施磷肥相比,随磷肥用量和施磷年限的增加,0—40 cm土壤有效磷含量呈增加趋势,其中P₁₀₀处理土壤有效磷含量与试验起始时土壤有效磷含量相近。连续种植3季玉米后,P₀、P₄₀和P₇₀处理土壤磷素表观平衡值均表现为亏缺,亏缺量随磷肥用量的增加而下降;P₁₀₀、P₁₃₀和P₁₆₀处理的土壤磷素表现为盈余,并随磷肥用量的增加而增加。将盈余率（x）与磷肥用量（y₁）、土壤有效磷含量（y₂）、磷肥利用效率（y₃）分别进行拟合,当x=0时,磷肥用量为92.4 kg·hm ^-2,玉米产量为12 497 kg·hm ^-2,0—20 cm和20—40 cm土壤有效磷含量分别为34.6 和28.4 mg·kg ^-1,磷素表观回收率为24.1%,磷素农学利用率为21.9 kg·kg ^-1,磷素偏生产力为146.1 kg·kg ^-1;其结果与最高产量处理（P₁₀₀）相对应的玉米产量、土壤有效磷含量和磷肥利用效率结果相近;以理论盈余率为0时施磷量的95%为置信区间,得出最佳施磷范围在88—97 kg·hm ^-2。【结论】 本研究中磷肥用量88—97 kg·hm ^-2范围内不仅能获得玉米高产,还能维持土壤磷素平衡,可作为东北半干旱区覆膜滴灌条件下玉米高产与环境友好的磷肥管理参考依据。
关键词： 磷肥用量;磷肥利用效率;玉米产量;有效磷含量;磷素平衡

Abstract

【Objective】 In order to improve phosphorus efficiency and reduce environmental risk due to a large number of phosphorus application under mulched drip irrigation in northeast semi-arid region for maize production, a 3-year field experiment was conducted to investigate the effects of different phosphorus application rates on maize yield, phosphorus utilization efficiency and soil phosphorus supply ability, so as to provide scientific references for rational phosphorus fertilizer application in this region. 【Method】 The field experiment was conducted in semi-arid maize production region of Jilin province (Qian'an county) from 2015 to 2017. Six treatments of phosphorus application rate (P₂O) were designed in the field experiments, including 0 (P₀), 40 kg·hm ^-2 (P₄₀), 70 kg·hm ^-2 (P₇₀), 100 kg·hm ^-2 (P₁₀₀), 130 kg·hm ^-2 (P₁₃₀) and 160 kg·hm ^-2 (P₁₆₀), which were used for the calculation of phosphorus uptake, phosphorus utilization efficiencies and apparent phosphorus balance in the soil-crop system. The measurement indexes contained maize yield and its components, phosphorus content of plant at mature stage and soil available phosphorus concentration. 【Result】 The result showed that the maize yield with phosphorus application were significantly increased by 6.2%-21.2% (2015), 9.0%-20.6% (2016) and 12.9%-30.3% (2017) respectively, and increment by 9.2%-23.9% in average three years. The yield was enhanced by increasing grains per ear, 100-kernel weight and harvest index by applying phosphorus fertilizer. Maize yield increased at first and decreased later with increasing of phosphorus application rate, and the highest yield value was found under P₁₀₀ treatment. Phosphorus recovery efficiency and partial productivity declined, however, phosphorus agronomic efficiency increased at first and decreased later with increasing of phosphorus application rate. Available phosphorus content in soil layer (0-40 cm) was improved with the increasing of phosphorus application rate and period compared with P₀ treatment, and the content under P₁₀₀ treatment was very close to its initialization value. The apparent phosphorus balance in soil was negative in the P₀, P₄₀ and P₇₀ treatments after a three-year continuous maize-cropping, and the phosphorus deficient amount was decreased with the increment of phosphorus application rate. While the apparent phosphorus balance in soil was positive under the P₁₀₀, P₁₃₀ and P₁₆₀ treatments, and phosphorus surplus amount was increasing with the increment of phosphorus application rate. When surplus rate was 0, phosphorus application rate, maize yield, available phosphorus content in 0-20 cm and 20-40 cm soil, phosphorus recovery efficiency, agronomic efficiency and partial productivity were 92.4 kg·hm ^-2, 12 497 kg·hm ^-2, 34.6 mg·kg ^-1, 28.4 mg·kg ^-1, 24.1%, 21.9 kg·kg ^-1 and 146.1 kg·kg ^-1, respectively, by simulating between phosphorus application rate (y₁), soil available phosphorus content (y₂), phosphorus utilization efficiency (y₃) and surplus rate (x), respectively. These results were similar to maize yield, soil available phosphorus content and phosphorus utilization efficiency under the maximum yield under the P₁₀₀ treatment. The optimum phosphorus application rate was at the range of 88-97 kg·hm ^-2 under 95% confidence levels, when theoretical surplus rate was 0. 【Conclusion】 The results suggested that the recommended phosphorus application rate was at the range of 88-97 kg·hm ^-2, which could not only ensure higher maize yield, but also keep soil phosphorus balance under this experimental conditions. The research provided phosphorus fertilizer management for both high-yielding maize production and friendly environment under mulched drip irrigation conditions in northeast semi-arid region of Jilin province.

Keywords：phosphorus application rate;phosphorus utilization efficiency;maize yield;available phosphorus content;phosphorus balance

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侯云鹏, 王立春, 李前, 尹彩侠, 秦裕波, 王蒙, 王永军, 孔丽丽. 覆膜滴灌条件下基于玉米产量和土壤磷素平衡的磷肥适用量研究[J]. 中国农业科学, 2019, 52(20): 3573-3584 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.20.008
HOU YunPeng, WANG LiChun, LI Qian, YIN CaiXia, QIN YuBo, WANG Meng, WANG YongJun, KONG LiLi. Research on Optimum Phosphorus Fertilizer Rate Based on Maize Yield and Phosphorus Balance in Soil Under Film Mulched Drip Irrigation Conditions[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2019, 52(20): 3573-3584 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.20.008

0 引言

【研究意义】磷是作物生长发育所必需的营养元素,也是继氮素之后第二大养分因子,磷以多种方式参与植株体内各种生理生化过程,对促进作物生长发育和新陈代谢起着非常重要的作用^[1,2,3]。前人研究表明,缺磷条件下,作物叶片净光合速率下降,并使植物中、后期叶片硝酸还原酶、谷氨酰合成酶、内肽酶和羧肽酶活性下降^[4],最终影响产量^[5,6,7],可见磷肥投入是保障作物高产的重要途径之一。玉米是东北半干旱地区主要种植作物,现已大面积推广应用覆膜滴灌技术^[8],为高产高效玉米生产创造了极为有利的条件。但在覆膜滴灌玉米生产中,磷肥管理问题依然突出,由于磷肥进入土壤后,易被土壤吸附、固持,大部分难以被当季植物吸收利用^[9],因此存在当季利用率低和较长的磷肥后效等特点^[10,11]。然而,生产中人们在玉米磷肥管理上常忽略磷肥后效强这一特点,每年向农田投入大量磷肥,根据对当地农户调查发现,该地区在玉米生产中磷肥（P₂O₅）用量高达120—150 kg·hm^-2,平均施磷（P₂O₅）用量为132 kg·hm^-2,远高于当前产量水平的磷素需求量与专家推荐量^[12],过量施入磷肥普遍存在。过量施磷不仅使肥料利用率低^[13,14]、损失严重,同时还导致不可再生磷源的快速消耗^[15],并造成磷素在土壤中大量累积^[16],增加了水体富营养化等一系列环境问题的风险。为此,明确适宜磷肥用量,是当前该区域覆膜滴灌条件下玉米高效生产和环境保护亟需解决的问题。【前人研究进展】目前,前人关于玉米推荐施磷量的研究较多,并获得了重要结论,但仍存在较大差异。如彭正萍等^[17]研究发现,施磷可促进玉米干物质的积累,并有利于光合产物向籽粒中的分配与转运,提高玉米穗粒数和粒重,进而提高产量,其中施磷量为90 kg·hm^-2时,玉米干物质与产量最高,施磷量过高或过低均有减产风险。赵靓等^[18]在灌溉灰漠土上研究表明,当磷肥投入量在150 kg·hm^-2时,土壤速效磷含量与试验起始时相近,为磷肥最佳用量。邢月华等^[19]通过对玉米产量与施磷量拟合,得出最佳经济施磷量为77—100 kg·hm^-2。【本研究切入点】前人研究中最佳磷肥用量的确定大多仅基于玉米产量效应、磷素吸收利用、土壤速效磷含量等某些单一指标,对土壤磷素供应特征与作物养分吸收和产量效应联系不足,关于施磷对作物产量、磷素吸收利用与土壤磷素含量变化和农田磷素收支平衡等因素的综合研究相对较少,尤其是针对覆膜滴灌玉米磷肥适宜用量的研究更鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究在吉林省西部半干旱区覆膜滴灌栽培条件下,通过3年田间定位试验,系统研究了覆膜滴灌条件下玉米不同磷肥用量对玉米产量、磷素吸收利用、土壤有效磷含量变化规律及土壤磷素平衡等方面的综合影响,旨在探讨维持玉米高产的前提下,确定节约型磷肥用量,以期为东北半干旱区玉米覆膜滴灌施肥技术的进一步完善和发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2015—2017年在吉林省乾安县父字村吉林省农业科学院农业资源与环境研究所试验站进行,种植制度为一年一熟玉米连作,试验田块土壤为淡黑钙土,试验起始时0—20和20—40 cm土壤基础养分状况见表1。试验区是典型的半干旱农业区,海拔146.3 m,属于温带大陆性季风气候,年均日照2 867 h,无霜期平均146 d,年平均气温5.6 ℃,年均降雨量425.8 mm。试验期间（2015—2017）玉米生长季不同月份温度和降雨量见图1。

图1

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图12015—2017年玉米生育期降雨量与平均气温

Fig. 1Precipitation and air temperature during growing season of maize from 2015 to 2017

Table 1
表1
表1试验田土壤基础养分状况
Table 1The basic fertility of tested soil

土层 Soil layer	有机质 Organic matter (g·kg^-1)	全氮 Total N (g·kg^-1)	碱解氮 Available N (mg·kg^-1)	有效磷 Available P (mg·kg^-1)	速效钾 Available K (mg·kg^-1)	pH
0-20 cm	17.4	12.2	102.4	35.9	109.4	8.1
20-40 cm	14.1	9.0	83.9	28.1	91.1	7.9

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1.2 试验设计

试验共设置6个磷肥（P₂O₅）用量（0、40、70、100、130、160 kg·hm^-2）,分别用P₀、P₄₀、P₇₀、P₁₀₀、P₁₃₀和P₁₆₀表示。不同施磷处理氮（N）、钾（K₂O）肥用量相同,分别为210和90 kg·hm^-2。氮肥按20%基肥+30%拔节肥+20%大喇叭口肥+20%抽雄肥+10%灌浆肥比例施用,磷肥按40%基肥+60%大喇叭口肥比例施用,钾肥按60%基肥+40%大喇叭口肥比例施用,试验用氮、磷、钾肥分别为尿素（N 46%）,磷酸（P₂O₅ 85%）和氯化钾（K₂O 60%）。田间试验小区面积为60 m²,重复3次,随机区组排列,2015—2017年种植玉米品种均为翔玉998,种植密度7.5×10⁴株/hm²。播种日期分别为5月4日、5月7日和5月10日,收获日期分别为9月30日、10月2日和10月5日。试验田采用大垄双行覆膜栽培模式,相邻两垄间距130 cm,其中垄上行距40 cm,垄间行距90 cm,玉米播种后在土壤表面喷施除草剂进行封闭防草,然后进行覆膜,地膜宽度为120 cm。覆膜与铺设滴灌带同步进行。滴灌带选用内镶片式,滴头间距离为30 cm,滴头标称流量2.0 L·h。滴灌带铺设于大垄中间,每条滴灌带浇灌2行玉米。3年玉米整个生育期灌水定额均为240 mm,其中在玉米播前、苗期和拔节期分别灌水20 mm,大喇叭口期、抽雄期和灌浆期分别灌水60 mm,共计6次,各处理单独用水表控制同等灌水量。每小区均单独配备压差式施肥罐,容量为18 L。施肥开始前按各处理所需氮、磷、钾肥分别加入各小区施肥罐,然后将施肥罐充满水并搅拌,使其完全溶解,然后打开施肥阀进行施肥,施肥时间为120 min,施肥后继续滴清水30 min。试验田其他管理措施均按常规生产大田进行。

1.3 样品采集与测定

每季玉米成熟期采集不同施肥处理玉米植株样品,每小区取玉米植株5株,分为茎秆和籽粒两部分。105℃杀青30 min后,70℃烘干至恒重,测定干量。样品称重后经粉碎,测定全磷含量,采用H₂SO₄-H₂O₂法联合消煮,钼锑抗比色法测定;于玉米播前和每季收获后采集0—40 cm土壤样品, 每20 cm分为一层,混匀过1 mm筛,测定土壤有效磷含量,采用碳酸氢钠浸提,钼锑抗比色法测定。

1.4 参数计算与统计分析

收获指数（harvest index）=籽粒产量/总生物量;

磷素表观回收率（PRE,%）=（收获期施磷区作物地上部吸磷量-不施磷区作物物地上部吸磷量）/施磷量×100;

磷素农学利用率（PAE,kg·kg^-1）=（施磷区作物产量-不施磷区玉米产量）/施磷量;

磷素偏生产力（PPFP,kg·kg^-1）=施磷区产量/施磷量;

磷素表观平衡（P balance,kg·hm^-2）=施磷量-作物地上部吸磷量;

磷素盈余率（P surplus rate,%）=[(输入-支出)/支出]×100。

试验数据采用Excel进行数据整理,用SAS 9.0软件进行两因素（年份和施磷处理）方差分析,处理间多重比较采用LSD-test（P<0.05）法;用Sigma Plot 10.0软件制图。

2 结果

2.1 不同施磷处理对玉米产量与产量构成的影响

由表2可知,磷肥用量对玉米产量、穗粒数、百粒重和收获指数影响显著,对玉米穗数影响不显著;年份对玉米产量、穗粒数和百粒重影响显著,对收获指数和穗数影响不显著;而磷肥用量与年份两因素间的交互效应仅对籽粒产量影响显著。相比于不施磷肥处理,施磷处理玉米产量增幅依次为6.2%—21.2%（2015年）、9.0%—20.6%（2016年）和12.9%—30.3%（2017年）,3年平均增幅为9.2%—23.9%,差异均达显著水平（P<0.05）。造成产量差异的原因是施磷处理玉米穗粒数、百粒重与收获指数均高于不施磷肥处理,其中玉米穗粒数3年平均增幅为4.4%—9.2%,百粒重平均增幅为6.5%—13.3%;收获指数平均增幅为2.9%—7.6%;而施磷对玉米穗数无明显影响。在不同磷肥用量条件下,玉米产量随磷肥用量的增加先升后降,以P₁₀₀处理产量最高,当磷肥用量增加至130和160 kg·hm^-2,玉米产量呈下降趋势,P₁₃₀和P₁₆₀处理3年平均玉米产量较最高玉米产量处理（P₁₀₀）分别下降了1.6%和4.9%,其中P₁₆₀处理降幅达显著水平（P<0.05）。

Table 2
表2
表2不同施磷处理玉米产量及其构成因素
Table 2Maize yield and its component under different phosphorus application treatments

年份 Year	处理 Treatment	产量 Yield (kg·hm^-2)	收获指数 Harvest index	穗数 Actual ears number (ear/hm²)	穗粒数 Grains per ear	百粒重 100-kernel weight (g)
2015	P₀	10131±360d	48.4±0.7b	72000±1072a	485.3±8.7d	32.1±0.5c
	P₄₀	11041±259c	49.8±1.5ab	71667±1347a	512.2±5.3c	34.4±0.4b
	P₇₀	11737±99b	51.1±1.1a	72000±882a	523.5±9.1abc	35.3±0.6ab
	P₁₀₀	12221±204a	52.0±1.0a	72667±1388a	536.9±7.1a	36.3±0.7a
	P₁₃₀	12035±310ab	51.0±1.5a	72333±1333a	533.0±5.3ab	36.0±0.8a
	P₁₆₀	11676±274b	50.9±2.1a	73000±694a	517.5±10.6bc	34.8±0.6b
2016	P₀	10992±370d	47.4±0.7b	72111±1365a	508.3±7.0c	33.8±0.2c
	P₄₀	11675±183c	49.6±1.2ab	72889±1502a	526.9±5.6b	34.7±0.7bc
	P₇₀	12671±265b	51.1±2.3a	72333±1856a	538.2±4.3ab	36.3±0.8a
	P₁₀₀	13321±208a	51.5±2.4a	73556±1711a	543.7±8.8a	37.0±0.4a
	P₁₃₀	13178±255a	51.3±0.8a	73667±2333a	542.3±5.2a	36.2±1.3a
	P₁₆₀	12595±309b	50.1±1.1a	73333±822a	535.6±5.6ab	35.9±1.0ab
2017	P₀	9889±234d	49.5±1.5b	72222±2082a	489.8±7.5e	31.4±0.6e
	P₄₀	11164±290c	49.9±0.9b	72778±1732a	510.2±2.2d	34.3±0.2d
	P₇₀	12141±185b	51.1±0.8ab	72667±882a	519.3±4.3cd	35.1±0.8cd
	P₁₀₀	12883±361a	52.9±1.8a	72556±1252a	539.9±6.6a	36.8±0.2a
	P₁₃₀	12585±271ab	51.0±1.3ab	73000±979a	532.8±8.4ab	36.3±0.3ab
	P₁₆₀	12306±242b	50.1±0.7b	72556±1502a	526.8±4.6bc	35.6±0.9bc
均值 Mean	P₀	10337±203d	48.4±0.2b	72111±1160a	494.5±0.7d	32.4±0.2d
	P₄₀	11293±168c	49.8±1.1ab	72444±839a	516.4±2.5c	34.5±0.2c
	P₇₀	12117±42b	51.1±1.1ab	72333±619a	527.0±5.0b	35.5±0.4b
	P₁₀₀	12808±180a	52.1±1.1a	72926±548a	540.2±7.4a	36.7±0.3a
	P₁₃₀	12599±125a	51.1±1.1a	73000±778a	536.0±2.8a	36.2±0.5ab
	P₁₆₀	12181±112b	50.3±0.7ab	72963±739a	526.6±2.5b	35.4±0.5b
方差分析 ANOVA
年份 Year (Y)		**	NS	NS	**	**
施磷处理 Fertilization (P)		**	**	NS	**	**
年份×施磷处理 Y×P		*	NS	NS	NS	NS

Values followed by different letters in the same column are significantly different at 5% level. NS, *, ** indicate non-significant or significant at 0.05 or 0.01 level, respectively. The same as below
同列数据后不同字母表示在5%水平上差异显著。NS、*和**分别表示无显著差异及在0.05和0.01水平上差异显著。下同

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2.2 不同施磷处理对玉米磷肥利用效率的影响

磷素表观回收率、磷素农学利用率和磷素偏生产力是评价磷肥利用效率的重要指标。由图2可知,磷肥用量与年份对磷素表观回收率、农学利用率和偏生产力有极显著影响,而磷肥用量与年份两因素间的交互效应不显著。在同一年份,玉米磷素表观回收率、农学利用率在磷肥用量40—100 kg·hm^-2范围内差异不显著（P>0.05）,当磷肥用量增加至130和160 kg·hm^-2,磷素表观回收率和农学利用率呈显著下降趋势（P<0.05）,而磷素偏生产力则表现为随磷肥用量的增加显著下降;在相同磷肥用量下,玉米磷素表观回收率和农学利用率随试验年限的延长均有增加的趋势。

图2

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图2不同施磷处理磷肥利用效率

图中不同的小写字母表示处理间达到显著差异（P<0.05）。下同
Fig. 2Phosphorus utilization efficiency under different phosphorus application treatments

The different small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level. The same as below

2.3 不同施磷处理对土壤有效磷含量的影响

图3显示,磷肥用量对0—20和20—40 cm土壤有效磷含量有极显著影响,而年份对土壤有效磷含量影响不显著,且磷肥用量与年份两因素间的交互效应不显著。在同一年份,0—20和20—40 cm土壤有效磷含量随磷肥用量的增加而增加;与试验起始时土壤有效磷含量相比（0—20 cm土层有效磷35.86 mg·kg^-1;20—40 cm土层有效磷28.10 mg·kg^-1）,不施磷肥处理（P₀）和低磷肥用量处理（P₄₀、P₇₀）土壤有效磷含量均呈下降趋势,截止2017年玉米收获后,P₀、P₄₀和P₇₀处理土壤有效磷含量较初始值依次降低了19.3%、15.7%、7.8%（0—20 cm）和12.8%、3.5%、2.2%（20—40 cm）,磷肥用量增加至100 kg·hm^-2（P₁₀₀）,土壤有效磷含量与初始值基本保持平衡,当磷肥用量增加至130和160 kg·hm^-2,土壤有效磷含量较初始值表现出增加的趋势,P₁₃₀和P₁₆₀处理土壤有效磷含量提高幅度依次为4.8%、5.1%（0—20 cm）和7.6%、10.6%（20—40 cm）。

图3

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图3不同施磷处理0—20 cm和20—40 cm土壤有效磷含量

Fig. 3Available phosphorus content in 0-20 cm and 20-40 cm soil layer

2.4 不同施磷处理对农田磷素收支表观平衡的影响

根据连作周期内磷肥投入量和作物地上部磷素吸收带走量确定农田磷素表观平衡可知（表3）,磷肥用量与年份对玉米地上部磷积累量、磷素表观平衡和磷素盈余率均有极显著影响,且磷肥用量及年份两因素间的交互效应显著。与不施磷肥处理相比,施磷处理玉米地上部磷积累量增幅均达显著水平（P<0.05）,并随磷肥用量的增加先升后降,其中以P₁₀₀处理玉米地上部磷积累量最高,当磷肥用量增加至130和160 kg·hm^-2,玉米地上部磷积累量呈下降趋势;而年际农田磷素亏缺量和盈余率在磷肥用量0—70 kg·hm^-2范围内随磷肥用量的增加呈现递减趋势,磷肥用量增加至100 kg·hm^-2,农田磷素投入量和支出量基本平衡,当磷肥用量增加至130和160 kg·hm^-2,农田磷素表观平衡呈现盈余状态。

Table 3
表3
表3不同施磷处理农田磷素收支表观平衡
Table 3Phosphorus apparent balance under different phosphorus application treatments

年份 Year	处理 Treatment	施磷量 P application rate (kg·hm^-2)	地上部磷积累量 Aboveground P accumulation (kg·hm^-2)	磷素表观平衡 Apparent P balance (kg·hm^-2)	磷素盈余率 P surplus rate (%)
2015	P₀	0	68.3±3.2e	-68.3±3.2f	-100.0±0.0 f
	P₄₀	40	79.8±2.5d	-39.8±2.5e	-49.8±1.6 e
	P₇₀	70	84.8±1.9c	-14.8±1.9d	-17.5±1.9 d
	P₁₀₀	100	91.5±3.6a	8.5±3.6c	9.4±4.4 c
	P₁₃₀	130	88.7±1.5ab	41.3±1.5b	46.7±2.5 b
	P₁₆₀	160	86.3±2.3bc	73.7±2.3a	85.4±5.0 a
2016	P₀	0	72.0±3.1d	-72.0±3.1f	-100.0±0.0 f
	P₄₀	40	84.9±3.3c	-44.9±3.3e	-52.9±1.9 e
	P₇₀	70	95.4±1.7b	-25.4±1.7d	-26.6±1.3 d
	P₁₀₀	100	102.1±2.4a	-2.1±2.4c	-2.0±2.3 c
	P₁₃₀	130	101.7±2.4a	28.3±2.4b	27.9±3.1 b
	P₁₆₀	160	99.8±2.0ab	60.2±2.0a	60.4±3.2 a
2017	P₀	0	67.2±1.0e	-67.2±1.0f	-100.0±0.0 f
	P₄₀	40	80.8±2.8d	-40.8±2.8e	-50.5±1.7 e
	P₇₀	70	87.6±3.2c	-17.6±3.2d	-20.0±3.0 d
	P₁₀₀	100	97.7±2.8a	2.3±2.8c	2.4±3.0 c
	P₁₃₀	130	94.5±2.1ab	35.5±2.1b	37.7±3.0 b
	P₁₆₀	160	91.7±2.2bc	68.3±2.2a	74.5±4.2 a
均值 Mean	P₀	0	69.2±1.6d	-69.2±1.6f	-100.0±0.0f
	P₄₀	40	81.8±1.1c	-41.8±1.1e	-51.1±0.7e
	P₇₀	70	89.3±1.3b	-19.3±1.3d	-21.6±1.2d
	P₁₀₀	100	97.1±2.0a	2.9±2.0c	3.0±2.1c
	P₁₃₀	130	94.9±0.5ab	35.1±0.5b	36.9±0.8b
	P₁₆₀	160	92.6±0.9b	67.4±0.9a	72.8±1.6a
方差分析 ANOVA
年份 Year (Y)			**	**	**
施磷处理 Fertilization (P)			**	**	**
年份×施磷处理 Y×P			*	*	**

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2.5 盈余率与施磷量、产量、土壤有效磷和磷肥利用效率的关系

由盈余率与施磷量、产量、土壤有效磷含量和磷肥利用效率回归分析结果可知（图4）,盈余率与施磷量呈极显著的线性相关（P<0.01,r=0.992）;与玉米产量呈极显著二次相关（P<0.01,r=0.849）;与0—20和20—40 cm土壤有效磷含量呈极显著线性相关（0—20 cm,P<0.01,r=0.846;20—40 cm,P<0.01,r=0.841）;与磷素表观回收率呈极显著线性相关（P<0.05,r=0.927）;与磷素农学利用率呈极显著的二次相关（P<0.01,r=0.834）;与磷素偏生产力呈极显著指数相关（P<0.01,r=0.972）。将回归方程联立并通过内插法计算,当盈余率为0时,磷肥用量为92.4 kg·hm^-2,籽粒产量为12 497 kg·hm^-2,0—20和20—40 cm土壤有效磷含量分别为34.6和28.4 mg·kg^-1,磷素表观回收率为24.1%,农学利用率为21.9 kg·kg^-1,偏生产力为146.1 kg·kg^-1;计算所得的理论玉米产量、土壤有效磷含量与磷肥利用效率与实际最高产量处理（P₁₀₀）间相近。以理论盈余率为0时施磷量的95%作为置信区间,求得施磷范围在88—97 kg·hm^-2。

图4

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图4盈余率与施磷量、产量、土壤有效磷含量和磷肥利用效率的关系

Fig. 4The correlation of surplus rate with phosphorus application rate, yield, soil available phosphorus content and phosphorus utilization efficiency

3 讨论

3.1 长期施用磷肥对玉米产量与构成因素的影响

磷是作物生长发育过程中重要的大量元素之一,大量研究表明,施磷可显著提高作物穗粒数和粒重,使产量增加^[20,21]。但产量并不随施磷量的增加无限增加,当施磷量超过一定用量后,作物穗粒数和粒重下降,产量也随之降低^[22,23]。本研究中,由于受不同年份气候条件差异影响,产量在年际间变异较大,其中2016年玉米产量明显高于2015年和2017年,但施磷处理间玉米产量规律相似,施磷处理玉米产量均显著高于不施磷肥处理。增产的主要原因在于施磷增加了玉米穗粒数、粒重和收获指数,说明施磷通过提高作物生育后期叶片的光合速率^[24],促进碳水化合物的合成与运输,增强灌浆强度^[25,26],使穗粒数和粒重得到提高,进而提高光合产物转化为经济产量的能力。然而磷肥用量并非越多越好,当施磷量增加至130和160 kg·hm^-2,穗粒数和粒重呈下降趋势,说明当施磷量超过作物所需时,会使营养体代谢过旺、玉米的呼吸强度加快,引起碳水化合物过度消耗,生殖器官提前发育,转运量下降^[13,27-28],导致穗粒数和粒重下降,最终影响作物产量^[5]。

3.2 长期施用磷肥对磷肥利用的影响

肥料利用效率由于受气候条件、土壤肥力、品种特性、养分管理及栽培措施等多方面影响,使其具有很大的差异。国际上用以表征农田肥料利用效率的主要有肥料养分表观回收率（RE）、肥料农学利用率（AE）和肥料偏生产力（PFP）^[29],分别从不同角度描述了作物对磷肥的利用情况。一般来说,随着施肥量的增加,肥料利用效率呈下降趋势,往往作物获得最高产量施肥量,其肥料利用效率并不是最高^[13,18]。本研究结果也表明,2015—2017年,施磷量40—100 kg·hm^-2时,玉米产量呈增加趋势,而磷素表观回收率和偏生产力均随施磷量的增加而下降。可见,虽然低施磷量处理（P₄₀、P₇₀）磷素表观回收率和偏生产力较高,但玉米产量低于适当的高施磷量处理（P₁₀₀）,因此,如何在增产或稳产的前提下,保障较高的磷肥利用效率,仍是合理施磷的关键。

3.3 长期施用磷肥对土壤有效磷含量与农田磷素表观平衡的影响

植物生长发育所需磷素主要来自于土壤,土壤是植物生长的养分“库”。而磷肥投入是补充土壤磷素含量和维持土壤供磷能力的重要途径^[30],因此合理施磷量的确定除了要考虑产量、经济效益和肥料利用效率等指标外,施磷肥后土壤磷素变化和农田磷素平衡状况也应作为评价一项施肥技术措施优劣的重要依据。杨军等^[31]认为,在磷素肥力较低的土壤上,增加磷肥投入对提高土壤有效磷含量和作物稳产或增产,以及土壤质量提升是必需的。然而磷肥投入量并非越高越好,吴启华等^[32]研究表明,过量施磷不仅不利于玉米高产,还会造成大量磷素在土壤中积累,使土壤有效磷含量较试验始时大幅提高。而鲁如坤等^[33]指出,土壤磷素含量受多种因素影响,其中作物的吸收携出是土壤磷素最主要的支出项,当作物吸收的磷低于磷肥用量时,土壤磷素就会出现盈余。本研究发现,当玉米吸收带走的磷高于磷肥施用量时,土壤磷素为亏缺状态,有效磷含量较试验起始时也有所下降;而当作物吸收带走的磷低于磷肥的施用量时,土壤磷素表现为盈余状态,有效磷含量也较试验起始时大幅提高。可见,磷肥供应不足,使土壤中的磷素耗竭,影响其生产力,而磷肥供应过量会导致土壤中磷素大量积累,在降雨和灌溉水作用下,极易产生淋溶至土壤深处,增加了环境污染的风险^[34]。

3.4 玉米磷肥适宜用量的确定

目前,关于肥料适宜用量确定大多采用施肥量与作物产量进行拟合,一般通过一元二次模型、线性加平台模型、指数模型和平方根模型等计算出肥料适宜用量^[35],然而这些结果并未将施肥对土壤养分变化与农田养分收支平衡等因素考虑在内^[36],确定的推荐施肥量虽然能获得最高产量或最佳经济效应,却未必能维持农田养分平衡^[37],因此肥料适宜用量确定在关注玉米产量效应的同时还应考虑土壤养分变化和农田养分收支平衡。宁运旺等^[38]通过以土壤氮素平衡作为氮肥推荐的依据,提出的适宜施氮量可显著降低土壤氮素盈余。本研究通过对磷肥用量与磷素表观盈余率拟合发现,两者呈极显著线性正相关,因此研究盈余率与玉米产量、土壤有效磷含量和磷肥利用效率的关系更为直观。本研究结果表明,盈余率与玉米产量、土壤有效磷含量和磷肥利用效率均呈极显著的二次、线性和指数相关,当盈余率为0时,施磷量为92.4 kg·hm^-2,籽粒产量为12 497 kg·hm^-2,0—20和20—40 cm土壤有效磷含量分别为34.6和28.4 mg·kg^-1,磷素表观回收率为23.0%,农学利用率为21.9 kg·kg^-1,偏生产力为 146.1 kg·kg^-1;计算所得玉米理论产量、土壤有效磷含量和磷肥利用效率与实际最高产量处理（P₁₀₀）相对应的玉米产量、土壤有效磷含量和磷肥利用效率结果相近,由此可以确定施磷量92.4 kg·hm^-2为最佳磷肥用量。以理论盈余率为0时施磷量的95%作为置信区间,计算施磷范围在88—97 kg·hm^-2,该施磷范围内既可保证玉米产量又能维持土壤磷素平衡,可以作为覆膜滴灌施磷条件下磷肥适宜用量依据。

4 结论

在覆膜滴灌条件下,与不施磷肥处理相比,施磷对玉米具有显著的增产效果,并随施磷量的增加呈先升后降趋势,其中以P₁₀₀处理玉米产量最高;磷素表观回收率和磷素偏生产力均随施磷量的增加而下降,磷素农学利用率随施磷量的增加先升后降。与不施磷肥处理相比,随施磷量和施磷年限的增加,0—40 cm土壤有效磷含量呈增加趋势,其中P₁₀₀处理土壤有效磷含量与试验起始时土壤有效磷含量相近。农田磷素收支平衡中,磷肥用量为92.4 kg·hm^-2时,农田磷素投入量和支出量基本平衡,以理论盈余率为0时施磷量95%置信区间内,得出最佳施磷范围在88—97 kg·hm^-2。

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DOI:10.11674/zwyf.2002.0410 Magsci [本文引用: 1]

利用防雨微区试验,研究了灌浆水和施磷对缺磷潮土区冬小麦灌浆期光合速率、荧光动力学参数、灌浆过程和产量等的影响。结果表明,全生育期不灌水,灌浆期冬小麦光合作用将受到气孔胁迫,光合速率下降,但水分利用效率提高;灌浆水提高小麦的光合速率和表观量子效率,在同样土壤水分条件下,小麦的光合速率和表观量子效率随施磷量的增加而提高。灌水处理小麦的ΦPSⅡ、Fv/Fm较大,NPQ较小。水、磷都能促进小麦灌浆,提高小麦千粒重,其中磷的作用尤其重要。施磷水平越高,灌浆强度越大,灌浆水对子粒灌浆促进作用也越大。施磷处理的株高、穗长、穗粒数较大,成穗数提高,最终产量受施磷水平影响更为明显。经济系数有随供水和施磷水平提高而降低的趋势。从节水角度,在潮土区,施足磷肥有重要意义。

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陈书强, 许海涛, 段翠平 . 施磷量对玉米生长发育、产量构成因子及品质的影响
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何萍, 金继运, 林葆 . 氮肥用量对春玉米叶片衰老的影响及其机理研究
中国农业科学, 1998,31(3):66-71.

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采用田间试验、植株分析及电镜检测方法研究了氮肥用量对玉米叶片衰老的影响及其机制。结果表明，氮肥用量不足或过量均加速了生长后期叶面积系数及穗叶叶绿素含量的下降进程，使叶片提早衰老，但二者作用机制不同。氮肥用量不足导致穗叶叶肉细胞叶绿体结构性差，维管束鞘细胞碳水化合物累积减少，营养体氮素再分配率大而引起叶片早衰；而过量供氮则导致生长后期硝酸还原酶活性过高，氮素代谢过旺，消耗了大量碳水化合物，以致下位叶不能得到充足的碳水化合物供应而提早脱落，同时叶肉细胞叶绿体片层结构膨胀，呈“肉汁化”特征，维管束鞘细胞淀粉粒大量消耗，无核淀粉粒出现，从而叶片叶绿素含量下降，光合能力降低而出现早衰。

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Scientia Agricultura Sinica, 1998,31(3):66-71. (in Chinese)

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. Effects of P rate on soil inorganic phosphorous forms in grey desert soil
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杨军, 高伟, 任顺荣 . 长期施肥条件下潮土土壤磷素对磷盈亏的响应
中国农业科学, 2015,48(23):4738-4747.

DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.015 Magsci [本文引用: 1]

【目的】土壤磷素状况是评价土壤养分的重要指标之一。探讨长期施肥条件下土壤有效磷、全磷对土壤磷素盈亏（平衡）的响应,为潮土区施肥管理和土壤培肥提供科学依据。【方法】分析了天津潮土33年（1979—2012）肥料长期定位试验中,不同施肥处理下土壤磷素盈亏与Olsen磷、全磷的变化特征。【结果】长期不施肥（CK）、单施氮肥（N）、氮钾配施（NK）及秸秆与氮肥配施（NS）处理,土壤中磷素常年处于亏缺状态。施磷处理（PK,NP,NPK）和有机肥与氮肥配施（NM）,土壤中磷素均有盈余,PK处理盈余最多,但随试验年限延长（约20年后）,NP,NPK和NM处理土壤中磷素盈余量呈下降趋势。土壤有效磷增加量随磷盈亏而变化,二者呈显著正相关（P<0.05）。施用无机磷肥或有机肥,均可使土壤中的磷素盈余,土壤中每盈余100 kg·hm-2磷,PK、NP、NPK、NM处理土壤中的Olsen磷分别增加3.59、1.19、1.75和2.40 mg·kg-1。长期不同施肥,土壤磷平衡与土壤全磷增量间呈正相关,但不同处理下差异较大。单施氮肥（N）和秸秆还田（NS）处理,可认为累积磷平衡对土壤全磷增量无影响。施用无机磷肥或有机肥,土壤中每盈余100 kg P·hm-2,PK、NP、NPK、NM处理土壤中全磷分别增加0.06、0.07、0.07和0.10 g·kg-1。【结论】土壤磷素盈亏状况与肥料配施类型密切相关,长期施用化学磷肥或有机肥,土壤有效磷、全磷增加量与土壤磷素盈亏呈显著直线正相关。有机肥与氮肥配施提升土壤全磷的速率大于施用化肥。

YANG

, GAO

, REN S

. Response of soil phosphorus to P balance under long-term fertilization in fluvo-aquic soil
Scientia Agricultura Sinica, 2015,48(23):4738-4747. (in Chinese)

DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.015 Magsci [本文引用: 1]

吴启华, 刘晓斌, 张淑香, 尹彩侠, 李桂花, 谢佳贵 . 施用常规磷水平的80%可实现玉米高产、磷素高效利用和土壤磷平衡
植物营养与肥料学报, 2016,22(6):1468-1476.

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WU Q

, LIU X

, ZHANG S

, YIN C

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. Application of 80% of routine phosphorus rate to keep high yield and P efficiency of maize and P balance in soil
Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2016,22(6):1468-1476. (in Chinese)

[本文引用: 1]

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鲁如坤, 时正元, 施建平 . 我国南方6 省农田养分平衡现状评价和动态变化研究
中国农业科学, 2000,33(2):63-67.

Magsci [本文引用: 1]

研究了我国南方 6省的农田养分平衡现状和近 1 0年来的发展趋向。研究认为 ,氮素处于盈余过量且有继续增大的趋向 ,而大部分盈余的氮并未在生产上起作用却进入了环境 ,这对节约能源或保护环境都是不利的 ;磷素平衡一般也处于盈余状态 ,特别在某些省区也存在盈余过大的问题。根据这些地区出现的土壤磷的积累现象 ,从而提出了建立新的施磷肥制度的必要性。福建、广东、广西 3省 (区 )钾素处于盈余状态 ,这在全国并不多见 ;而浙、赣、湘 3省虽然处于亏缺状态 ,但近 1 0年来亏缺程度却有下降趋向

LU R

, SHI Z

, SHI J

. Nutrient balance of agroecosystem in six provinces in southern China
Scientia Agricultura Sinica, 2000,33(2):63-67. (in Chinese)

Magsci [本文引用: 1]

温延臣, 张曰东, 袁亮, 李伟, 李燕青, 林治安, 赵秉强 . 商品有机肥替代化肥对作物产量和土壤肥力的影响
中国农业科学, 2018,51(11):2136-2142.

DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.11.011 Magsci [本文引用: 1]

【目的】通过连续3年定位监测华北平原冬小麦-夏玉米轮作区商品有机肥部分替代化肥施用后作物产量和土壤肥力的变化,探究商品有机肥替代化肥对作物产量及土壤肥力的影响,以期为该区域商品有机肥的科学施用提供理论依据。【方法】试验开始于2011年,于山东禹城设置3个不同施肥处理：不施肥对照（T1）；单施化肥（T2）；等养分条件下,有机肥部分替代化肥（T3）（氮、磷和钾替代比例分别为11.3%、13.7%和58.8%）。于2011—2014年连续3年进行田间取样,分析冬小麦-夏玉米轮作制度下,不同施肥处理对作物产量、产量构成以及土壤有机碳、全氮、速效磷、速效钾含量的影响。【结果】（1）商品有机肥部分替代化肥施用后,冬小麦和夏玉米3年平均产量分别为7 700和9 175 kg·hm-2,与当地栽培条件下高产水平相当,但与单施化肥处理相比差异不显著。（2）与单施化肥相比,商品有机肥替代化肥处理对产量构成因素（有效穗数、穗粒数和千粒重）未表现出显著影响。（3）商品有机肥部分替代化肥施用3年后,与单施化肥相比,土壤有机碳增加了19.5%、土壤全氮提高了12.3%,显著高于单施化肥处理。【结论】商品有机肥部分替代化肥能保证华北平原小麦-玉米轮作体系的作物稳产、高产,并且能够培肥地力,有利于土壤可持续利用。

WEN Y

, ZHANG Y

, YUAN

, LI

, LI Y

, LIN Z

, ZHAO B

. Crop yield and soil fertility response to commercial organic fertilizer substituting chemical fertilizer
Scientia Agricultura Sinica, 2018,51(11):2136-2142.(in Chinese)

DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2018.11.011 Magsci [本文引用: 1]

贾良良, 陈新平, 张福锁, 刘宏斌, 吴健繁 . 北京市冬小麦氮肥适宜用量评价方法的研究
中国农业大学学报, 2001,6(3):67-73.

[本文引用: 1]

JIA L

, CHEN X

, ZHANG F

, LIU H

, WU J

. Study of optimum N supplying rate in winter wheat in Beijing area
Journal of China Agricultural University, 2001,6(3):67-73. (in Chinese)

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向万胜, 黄敏, 李学垣 . 土壤磷素的化学组分及其植物有效性
植物营养与肥料学报, 2004,10(6):663-670.

[本文引用: 1]

本文主要论述了土壤磷素分级方法、土壤不同磷素组分的转化与植物有效性的关系及影响因子等方面的研究进展,对不同分级方法的优缺点给予了评价,并提出了该领域今后的重点研究方向。

XIANG W

, HUANG

, LI X

. Progress on fractioning of soil phosphorous and availability of various phosphorous fractions to crops in soil
Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004,10(6):663-670. (in Chinese)

[本文引用: 1]

本文主要论述了土壤磷素分级方法、土壤不同磷素组分的转化与植物有效性的关系及影响因子等方面的研究进展,对不同分级方法的优缺点给予了评价,并提出了该领域今后的重点研究方向。

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何萍, 金继运 , PAMPOLINO M

, JOHNSTON A

. 基于作物产量反应和农学效率的推荐施肥方法
植物营养与肥料学报, 2012,18(2):499-505.

DOI:10.11674/zwyf.2012.11248 Magsci [本文引用: 1]

当前农民过量和不平衡施用化肥现象严重，导致肥料利用率降低，影响到农田的可持续利用。因此，发展适合我国农业生产特点的养分管理和施肥方法尤为重要。本文介绍了基于作物产量反应和农学效率的推荐施肥新方法，该方法是以改进的SSNM （Site-specific Nutrient Management）和改进的QUEFTS （Quantitative Evaluation of the Fertility of Tropical Soils）模型为指导的养分管理和推荐施肥为原则，同时考虑大、中微量元素的全面平衡，并应用计算机软件技术把复杂和综合的养分管理原则智能化形成可为当地技术推广人员掌握的Nutrient Expert推荐施肥专家系统软件。Nutrient Expert推荐施肥专家系统软件在用户回答一些简单问题后就能给出基于作物栽培管理措施的推荐施肥套餐，包括作物种植密度、目标产量、推荐的养分用量及其可选用的物化的肥料用量，同时根据预知的作物生长季节推荐施肥的最佳时间和次数。通过跨区域田间多点验证试验证明，基于作物产量反应和农学效率的推荐施肥方法是一种简单的易于掌握的作物增产增收、提高肥料利用率和保护环境的新方法。

, JIN J

, PAMPOLINO M

, JOHNSTON A

. Approach and decision support system based on crop yield response and agronomic efficiency
Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012,18(2):499-505. (in Chinese)

DOI:10.11674/zwyf.2012.11248 Magsci [本文引用: 1]

宁运旺, 张永春 . 基于土壤氮素平衡的氮肥推荐施肥方法-以水稻为例
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. Soll nitrogen balance based recommendation of nitrogen fertilization: A case study of rice

Acta Pedologica Sinica.

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