馮國瑞 劉小龍 王祥斌 張新疆 危常州

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003)

玉米(ZeamaysL.)是我國三大糧食作物之一，在我國糧食安全中發(fā)揮著不可替代的作用。我國2020年玉米種植面積達到了4 128萬公頃，總產(chǎn)量達到了26 077萬噸[1]。磷素作為作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，不僅是作物體內(nèi)許多重要化合物的重要組成成分，而且參與植物體內(nèi)的各種代謝途徑，同時也是影響作物產(chǎn)量的重要因素[2-3]。

施入土壤的磷肥極易被吸附固定，使得土壤中的磷素絕大多數(shù)為難以利用的固定態(tài)磷[4]，導(dǎo)致作物對磷養(yǎng)分的吸收利用降低[5-6]。據(jù)統(tǒng)計，我國磷肥當(dāng)季利用率只有15%左右，即使將后效包括在內(nèi)，磷肥利用率也未超過50%[7-8]。我國新疆地區(qū)早春季節(jié)溫度低，土壤濕冷，抑制了玉米根系的生長和土壤磷素的分解釋放及遷移，并且玉米的磷養(yǎng)分臨界期在苗期，因此苗期磷肥供應(yīng)不足會抑制玉米生長發(fā)育，最終導(dǎo)致玉米減產(chǎn)[9-10]。在美國通常采用啟動肥來解決這一問題[11]。啟動肥指在播種時集中施用在種子附近的肥料，施用方式通常為條施，施肥位置在種子的側(cè)面下方，距離種子水平和下部垂直距離間隔約5 cm[12]。Vetsch等[13]研究發(fā)現(xiàn)，與施肥量相等(或者更高量)的常規(guī)撒施相比，施用啟動肥可以顯著提高玉米苗期生物量與株高。另有一些研究發(fā)現(xiàn)，與不施用啟動肥相比，施用啟動肥不僅能促進玉米苗期生長，而且可提高玉米產(chǎn)量和磷肥利用率[14-15]。在新疆地區(qū)，啟動磷肥通常是在播種后通過滴灌施入土壤，由于磷在土壤中的移動性很弱，因此種子與磷肥之間的相對位置會直接影響作物對P養(yǎng)分的吸收利用。為此，本研究通過大田與室內(nèi)模擬試驗，將磷啟動肥以不同方式施入，探討不同施用方式對玉米苗期根系生長、養(yǎng)分吸收及磷素在土壤中分布的影響，以期為玉米增產(chǎn)提供新的施肥思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗地和土壤基本情況 大田試驗于2020年在新疆石河子市天業(yè)生態(tài)園進行，該地屬大陸性干旱氣候，年平均氣溫6.5～7.2℃，年平均降水量125.2～207.6 mm，無霜期168～171 d。試驗區(qū)土壤為灌耕灰漠土，耕層土壤堿解氮49.5 mg·kg-1、速效磷15.0 mg·kg-1、速效鉀403.3 mg·kg-1、有機質(zhì)20.6 g·kg-1、土壤pH值8.1。

根箱土壤施肥培養(yǎng)試驗在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院生長室內(nèi)進行。供試土壤為灌耕灰漠土，土壤堿解氮含量為56.3 mg·kg-1、速效磷14.8 mg·kg-1、速效鉀372.6 mg·kg-1、有機質(zhì)15.3 g·kg-1、土壤pH值7.9。

1.1.2 供試玉米品種與肥料 供試玉米為新玉65(新疆祥豐生物科技公司提供)。供試化肥分別為尿素(含N 46%)、磷酸二銨(含N 16%，P2O550%)、硫酸鉀(含K2O 51%)。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 大田試驗 等養(yǎng)分條件下，設(shè)置啟動磷肥3種施用處理，分別為啟動磷肥滴施(T1)、穴施(T2)和不施啟動磷肥(CK)，每處理重復(fù)3次，小區(qū)面積48 m2。所有處理于播種后第2天滴灌出苗水，T1處理啟動磷肥隨水滴施，T2處理先將啟動磷肥穴施于種子側(cè)下方5 cm處后滴水，CK處理只滴水不施肥，啟動磷肥用量為P2O530 kg·hm-2。為保證所有處理玉米全生育期養(yǎng)分投入等量，于玉米第一次灌水追肥時將3個處理磷養(yǎng)分補齊。全生育期各處理施肥量為N 315 kg·hm-2，P2O5135 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。于2020年4月22日播種，4月23日灌出苗水，出苗水灌溉額度為450 m3·hm-2。玉米種植模式為寬、窄行種植，寬行70 cm，窄行30 cm，株距為18 cm，理論密度為11.1×104株·hm-2，其他管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)保持一致。玉米生長期間共灌水9次，總灌水量4 740 m3·hm-2，9月20日收獲。

1.2.2 根箱試驗 試驗設(shè)置3種施肥處理，分別是啟動磷肥滴施(P1)、穴施(P2)、不施用啟動磷肥(CF)。P1處理模擬大田滴灌系統(tǒng)施入啟動肥，施肥點在土表面距離種子水平15 cm處，P2處理將啟動磷肥放置在種子側(cè)下方5 cm處，CF處理不施用啟動磷肥。根箱長、寬、高分別為40、5、35 cm，將過6目篩的土壤晾干后進行裝盆，根箱每箱裝土7.8 kg，土壤表面距離根箱最上層3 cm用于灌水，啟動磷肥用量為P2O50.2 g·kg-1土。裝土后進行灌水，達到田間持水量的60%即可。放置24 h后進行施肥操作，每2 d進行一次灌水。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 田間取樣與指標(biāo)測定 苗期生長發(fā)育：分別于玉米二葉期(2020年5月10日)、四葉期(2020年5月20日)、六葉期(2020年5月30日)選擇各小區(qū)具有代表性植株3株，將其根系完整挖出，用低壓水槍對根系進行緩慢沖洗，洗去根系表面土壤，利用Win RHIZO根系分析系統(tǒng)(加拿大Regent Instrument公司)對其根系長度和表面積進行測定。然后將植株分為地上部和地下部，105℃殺青30 min 后于75℃烘干至恒重，稱取干物質(zhì)量。

生物量積累：分別于玉米拔節(jié)期(2020年6月18日)、吐絲期(2020年7月12日)、灌漿期(2020年8月10日)和成熟期(2020年9月7日)取各小區(qū)代表性植株3株，拔節(jié)期玉米分為莖和葉兩部分，剩余時期玉米按器官分為莖、葉、苞葉、穗四部分，用去離子水洗去表面塵土，植株鮮樣于105℃殺青30 min后75℃烘干至恒重，稱取干物質(zhì)量。

植株養(yǎng)分積累：將烘干的植株樣品粉碎處理后，通過濃H2SO4-H2O2消煮法測定各器官N、P、K含量，其中N含量采用奈氏比色法、P含量采用釩鉬黃比色法、K含量采用火焰光度計法[16]測定。

產(chǎn)量和產(chǎn)量結(jié)構(gòu)：在玉米成熟后，各個處理選取6.67 m2面積對玉米產(chǎn)量進行測定，同時測定各穗的穗長、穗粗、禿尖長度、穗行數(shù)、行粒數(shù)及千粒重。

磷肥偏生產(chǎn)力(partial productivity of phosphorous fertilizer, PFPP, kg·kg-1)：

式中，Y為施磷處理玉米產(chǎn)量，N為磷肥施用量。

養(yǎng)分轉(zhuǎn)移量=吐絲期時營養(yǎng)器官中養(yǎng)分積累量-成熟期時營養(yǎng)器官中養(yǎng)分積累量。

1.3.2 根箱取樣與指標(biāo)測定 土壤速效磷含量：施肥后25 d對土壤進行取樣分析。取樣時豎直沿著施肥點按照2 cm×3 cm的網(wǎng)格法進行取樣，如圖1所示。土壤樣品風(fēng)干后，過18目篩，用pH值8.5的0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量。

圖1 啟動磷肥施用方式和取樣示意圖

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2016和GraphPad Prism 8對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，利用SPSS 21.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大田施用啟動磷肥對玉米苗期生長發(fā)育的影響

2.1.1 啟動磷肥對玉米苗期根系生長的影響 由圖2-A 可知，二葉期玉米總根長在3個處理間無顯著性差異。在四葉期和六葉期玉米總根長均表現(xiàn)為T1和T2處理顯著高于CK，但T1與T2間無顯著性差異。四葉期，T1、T2處理玉米總根長較CK分別增加62.81%和66.09%；六葉期，T1、T2處理玉米總根長較CK分別增加21.10%和30.35%。由圖2-B可知，二葉期玉米根表面積在3個處理間無顯著性差異。在四葉期，玉米根系表面積均表現(xiàn)為T1和T2處理顯著高于CK，較CK分別增加63.91%和66.45%，但T1與T2間無顯著性差異。在六葉期，玉米根系表面積在各處理間均達顯著差異，表現(xiàn)為T2>T1>CK。綜上，玉米施用啟動磷肥能夠明顯促進苗期玉米根系生長。

注：不同小寫字母表示同一生育期不同施肥處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.1.2 啟動磷肥對玉米苗期干物質(zhì)積累的影響 由圖3可知，二葉期玉米地上部和地下部干物質(zhì)積累量在3個處理之間無顯著性差異。在四葉期，玉米地上部和地下部干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為T1、T2處理顯著高于CK，但T1與T2之間無顯著性差異，T1、T2處理較CK地上部干物質(zhì)積累量分別增加44.39%和58.09%，地下部干物質(zhì)積累量分別增加32.84%和22.77%。六葉期玉米地上部和地下部干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為T2>T1>CK，T1和T2處理地上部干物質(zhì)積累量較CK分別增加31.24%和52.38%，地下部干物質(zhì)積累量分別增加33.61%和57.81%。綜上，施用啟動磷肥對玉米苗期干物質(zhì)積累具有一定的促進作用。

圖3 啟動磷肥不同施用方式對玉米苗期地上部(A)與地下部(B)生物量的影響

2.2 大田施用啟動磷肥對玉米養(yǎng)分積累的影響

2.2.1 啟動磷肥對玉米苗期養(yǎng)分積累的影響 由表1可知，施用啟動磷肥可以促進玉米苗期地上部與地下部養(yǎng)分的積累，且地上部和地下部養(yǎng)分積累的變化趨勢基本一致。在二葉期，玉米地上部和地下部N、P、K養(yǎng)分積累量在各個處理之間無顯著性差異；在四葉期，T1和T2處理玉米養(yǎng)分積累顯著高于CK，但T1與T2間無顯著性差異，與CK相比，T1和T2處理地上部N、P、K養(yǎng)分積累量分別提高41.49%、40.42%、45.81%和56.12%、57.44%、58.38%，地下部N、P、K養(yǎng)分積累量分別提高43.34%、55.55%、37.78%和28.26%、55.55%、31.11%。在六葉期，這種差異被進一步擴大，且T1與T2間達到顯著性差異，表現(xiàn)為T2>T1>CK，T1和T2處理較CK地上部N、P、K養(yǎng)分積累量分別提高34.54%、16.48%、20.28%和60.50%、44.78%、38.47%，地下部N、P、K養(yǎng)分積累量分別提高34.73%、45.53%、33.33%和63.33%、53.33%、47.42%。

2.2.2 啟動磷肥對玉米全生育期養(yǎng)分積累的影響 由圖4可知，施用啟動磷肥可以促進玉米地上部N、P、K養(yǎng)分積累，總體趨勢表現(xiàn)為T2>T1>CK。對于N養(yǎng)分的積累，拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期、成熟期T1和T2處理較CK分別增加60.90%和94.25%、17.72%和31.67%、9.25%和20.79%、7.58%和15.52%。對于P養(yǎng)分的積累，T1和T2處理較CK處理各生育期分別增加44.87%和79.12%、26.47%和45.85%、7.99%和17.55%、9.90%和21.87%。對于K養(yǎng)分的積累，T1和T2處理較CK處理各生育期分別增加38.83%和73.21%、8.57%和20.41%、12.48%和21.16%、5.35%和11.35%。

圖4 啟動磷肥不同施用方式對玉米養(yǎng)分積累與分配的影響

各處理營養(yǎng)器官中N、P、K養(yǎng)分積累量的最大值出現(xiàn)在吐絲期，吐絲后營養(yǎng)器官中的養(yǎng)分積累量隨著生育期的推進逐漸減少并不同程度地向穗部轉(zhuǎn)移。施用啟動磷肥可以促進營養(yǎng)器官中的養(yǎng)分向生殖器官轉(zhuǎn)移，CK、T1、T2處理N養(yǎng)分轉(zhuǎn)運量分別為65.43、95.18、110.16 kg·hm-2，P養(yǎng)分轉(zhuǎn)運量分別為32.08、42.84、46.73 kg·hm-2，K養(yǎng)分轉(zhuǎn)運量分別為11.71、13.91、36.38 kg·hm-2。

綜上，啟動磷肥不僅促進了玉米對N、P、K養(yǎng)分的吸收，而且在生殖生長階段促進了營養(yǎng)器官中的養(yǎng)分向生殖器官的轉(zhuǎn)移。

2.3 大田施用啟動磷肥對玉米產(chǎn)量及肥料利用率的影響

由表2可知，施用啟動磷肥可以在提高玉米產(chǎn)量的同時，提高磷肥偏生產(chǎn)力。與CK相比，T1和T2處理的產(chǎn)量分別顯著增加6.71%和18.89%，且T2處理產(chǎn)量顯著高于T1。T1和T2處理磷肥偏生產(chǎn)力分別為124.96、139.25 kg·kg-1，均高于CK。就產(chǎn)量構(gòu)成因素而言，穗長、行粒數(shù)、千粒重均表現(xiàn)為T1和T2處理顯著高于CK，禿尖長度表現(xiàn)為T1和T2處理顯著低于CK。與CK相比，T1和T2處理穗長分別增加3.48%、9.17%，穗禿尖長度分別降低10.68%、29.68%，千粒重分別增加2.35%、4.44%。

表2 啟動磷肥不同施用方式對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素和磷肥偏生產(chǎn)力的影響

2.4 室內(nèi)模擬啟動磷肥不同施用方式對土壤磷素空間分布的影響

啟動磷肥不同施肥方式對磷在土壤中的分布與遷移有較大影響。由圖5可知，CF處理土壤中磷分布較為均勻，速效磷含量在15 mg·kg-1左右。P1處理施肥點處的磷含量最高，達到649.9 mg·kg-1。隨著與施肥點的距離增加，土壤速效磷含量逐漸降低，在水平方向主要集中在0～10 cm，垂直方向主要集中在0～9 cm。P2處理土壤中速效磷更為集中，在施肥點處達到了884.7 mg·kg-1，施肥點處速效磷含量較P1處理高36.12%。隨著與施肥點的距離增加，土壤中速效磷含量逐漸降低，在水平方向主要集中在0～6 cm，垂直方向主要集中在6～15 cm。由此說明，啟動磷肥穴施使得磷素在土壤中的分布更加集中且相對于滴施更深，但遷移距離小于滴施。

注：●表示施肥點。

3 討論

3.1 啟動磷肥促進玉米生長

磷素對玉米苗期生長發(fā)育起著重要作用[17-18]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施用啟動磷肥促進了玉米苗期根系的生長，增加了地上部養(yǎng)分和生物量的積累。其主要原因是玉米根系具有較強的可塑性，土壤中養(yǎng)分異質(zhì)性差異誘導(dǎo)玉米根系的生長[19-20]，而施用啟動磷肥通過改變根系形態(tài)，提高了土壤中的根系密度，增加根系對P養(yǎng)分的吸收[21-22]，進而促進了玉米苗期的養(yǎng)分吸收和干物質(zhì)積累。前人研究發(fā)現(xiàn)，玉米苗期良好的生長發(fā)育可以促進后期養(yǎng)分的積累和分配，從而增加產(chǎn)量[23-25]。本試驗結(jié)果表明，啟動磷肥不僅使苗期玉米形成良好的根系構(gòu)型，而且增加了玉米生育中后期N、P、K養(yǎng)分積累總量，同時促進了N、P、K養(yǎng)分由營養(yǎng)器官向生殖器官的轉(zhuǎn)移，進而使玉米產(chǎn)量提高了6.71%～18.89%，此結(jié)果與Schwab等[26]和侯云鵬等[27]的研究結(jié)果相似。此外，作物體內(nèi)充足的P養(yǎng)分可促進葉綠素合成，影響三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate, ATP)酶的磷酸化過程，延緩葉片衰老，從而提高植物光合性能，促進光合產(chǎn)物的生成，提高籽粒灌漿速率，增加千粒重[28]。但也有多項研究表明，在常規(guī)磷肥施用模式下，磷肥基施只能促進作物苗期的生長發(fā)育，提高植株對N、P、K養(yǎng)分的吸收，對產(chǎn)量無顯著影響[29-31]。與傳統(tǒng)施肥模式相比，啟動磷肥可利用少量的磷肥滿足玉米苗期生長所需，使玉米安全度過磷素營養(yǎng)的臨界期，并起到促苗壯苗作用，同時剩余磷肥可滿足玉米生育后期對P養(yǎng)分的需求，避免在生育后期出現(xiàn)P養(yǎng)分供應(yīng)不足的情況。

3.2 啟動磷肥提高玉米產(chǎn)量和磷肥利用效率

本研究發(fā)現(xiàn)，啟動磷肥處理玉米產(chǎn)量和磷肥偏生產(chǎn)力顯著高于不施啟動肥處理，其中穴施效果優(yōu)于滴施，其主要原因是施肥時間和施肥方式影響了玉米對P養(yǎng)分的有效吸收和土壤中磷養(yǎng)分的分布。玉米磷養(yǎng)分臨界期在苗期，因此玉米苗期補充磷肥較為關(guān)鍵。在新疆滴灌施肥系統(tǒng)中，第一次施肥通常是在玉米拔節(jié)期，而苗期充足的養(yǎng)分供應(yīng)是玉米增產(chǎn)的基礎(chǔ)。在本研究中穴施和條施處理較不施啟動磷肥處理產(chǎn)量增加了6.71%和18.89%，禿尖減少了10.68%和29.68%，因此新疆滴灌玉米施用啟動磷肥在玉米生長發(fā)育過程中對產(chǎn)量的形成較為關(guān)鍵，是減少禿尖、增加產(chǎn)量的主要途徑，同時也是提高磷肥利用率的途徑之一。磷肥在土壤中的移動性差，移動距離一般為3～5 cm[32-33]，磷肥施用方式會直接影響土壤中速效磷的空間分布。土壤滴灌導(dǎo)致磷肥主要集中在土壤表層[34]，而在苗期玉米根系主要分布于6～24 cm土層[35]，導(dǎo)致玉米很難吸收表層土壤的養(yǎng)分，而穴施可以使磷養(yǎng)分集中在相對較深的位置，更容易被吸收，因此適合的施磷位置可以使磷肥在土壤中更易與根系接觸，提高玉米對養(yǎng)分的吸收[36]。本研究中，滴灌處理土壤速效磷主要分布在距土表垂直0～9 cm，水平0～10 cm范圍內(nèi)，穴施處理土壤速效磷分布在距土表垂直6～15 cm，水平0～6 cm范圍內(nèi)，可見正確的施肥位置是提高磷肥有效利用的關(guān)鍵，也是穴施優(yōu)于滴灌的主要原因。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，施用啟動磷肥可以促進產(chǎn)量的增加，其原因是促進了苗期玉米根系的生長發(fā)育，為玉米生長后期養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)移提供先發(fā)優(yōu)勢。此外，啟動磷肥穴施效果優(yōu)于滴施效果，主要原因是啟動磷肥穴施位置更集中且靠近玉米根系，便于根系吸收磷養(yǎng)分。