磷肥施用深度对夏玉米产量及根系分布的影响

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杨云马, 孙彦铭, 贾良良, 贾树龙, 孟春香. 磷肥施用深度对夏玉米产量及根系分布的影响[J]. 中国农业科学, 2018, 51(8): 1518-1526 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.08.009
YANG YunMa, SUN YanMing, JIA LiangLiang, JIA ShuLong, MENG ChunXiang. Effects of Phosphorus Fertilization Depth on Yield and Root Distribution of Summer Maize[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(8): 1518-1526 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.08.009

0 引言

【研究意义】冬小麦-夏玉米轮作是华北地区主要种植模式。由于茬口紧张,小麦收获后玉米一般采用免耕,种、肥同播方式种植,施肥深度4—8 cm,种子在肥料侧上方,种、肥间距一般5—8 cm。这种种植方式虽然争抢了农时,但由于种、肥间距较小,带来诸如烧种、烧苗,玉米生育后期脱肥等问题,影响玉米产量潜力的发挥^[1]。【前人研究进展】近几年,有人提出了玉米深松全层施肥技术^[2,3],并研发了玉米深松全层施肥播种机械,可实现玉米播种区域局部旋耕深松、10—25 cm 土层均匀分层施肥^[4],能够显著提高夏玉米产量^[5]。然而,本区域夏玉米氮、磷、钾3种养分是否都需要深施?养分的最佳施用深度是多少?目前有关玉米氮肥深施的相关研究较多^[6,7,8,9,10],有关磷肥施用深度研究相对较少,尤其在夏玉米区。范秀艳等在春玉米区研究了磷肥分层施用对玉米产量、生理特性、磷效率及根系构型的影响^[11,12,13]。结果表明分层施磷处理各项检测指标均优于传统施磷方式,并且在低施磷量情况下效果更为显著。赵亚丽等在夏玉米上研究结果表明磷肥集中施在15 cm土层效果最好,优于磷肥平均分层施用和浅施^[14]。作物根系具有很强的可塑性^[15,16],主要受内部激素信号和外部环境因子的影响^[17]。土壤水分^[18]和养分状况^[19]是重要的环境因子,能够通过调节养分供应来调控根系构型^[16,20]。目前通过氮素施用调控玉米根系的研究较多^[21,22],通过施用磷素调控玉米根系的研究较少。【本研究切入点】前人对氮肥深施的相关研究较多,但对夏玉米区磷肥的深施研究较少。以往研究已经明确磷肥分层施用有利于玉米生长和产量的提高,但没有深入研究磷肥分层施用对夏玉米根系发育的影响。【拟解决的关键问题】通过大田试验和土柱试验研究不同深度施磷对夏玉米产量、根系构型、土壤磷素供应的影响,以期为夏玉米磷肥分层施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区情况

大田试验于2012年6—10月在河北省辛集市马庄乡保高丰农场（E 115°18′10.33″,N 37°47′56.37″）进行。试验区属季风暖温带半湿润大陆性气候,年平均降水量488 mm,其中6—8月份降水量占全年总降水量的67.9%。供试土壤为轻壤质潮土,基本理化性状见表1。
Table 1
表1
表1试验土壤基本理化性状
Table 1The basic chemical characteristics of the experimental soil

试验类型 Experiment	土层 Layer (cm)	有机质 Organic matter (g·kg^-1)	全氮 Total N (g·kg^-1)	碱解氮 Alkalic N (mg·kg^-1)	速效磷 Olsen-P (mg·kg^-1)	速效钾 Exchangeable K (mg·kg^-1)	pH
大田试验 Field experiment	0-20	18.42	1.04	83.65	15.75	105.50	8.14
大田试验 Field experiment	20-40	9.00	0.48	38.15	6.40	58.50	8.13
土柱试验 Column experiment		12.15	0.91	53.26	10.18	95.17	8.11

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土柱栽培试验于2013年在河北省农林科学院农业资源环境研究所网室（E 114°26′52.06″,N 38°3′24.59″）进行,供试土壤为砂壤质潮土,土壤基本理化性状见表1。

1.2 试验设计

1.2.1 大田试验共6个处理,分别为：（1）不施肥（CK）;（2）垄侧8 cm,深度5 cm施用氮、磷、钾肥料（T-side）;（3）氮、磷、钾肥料在种子正下方分3层混合施入,每层氮、磷、钾肥料用量为其总量的1/3,施肥深度距地表分别为8 cm、16 cm、24 cm（T-all）;（4）磷肥全部施在种子正下方,距地表8 cm处（T-8）;（5）磷肥全部施在种子正下方,距地表16 cm处（T-16）;（6）磷肥全部施在种子正下方,距地表24 cm处（T-24）。T-8、T-16和T-24处理的氮、钾肥分3层平均施入。小区面积32 m²,3次重复,随机排列。
根据本区域相关研究报道^[23,24]和试验田土壤理化性状,设定养分用量为N 180 kg·hm^-2,P₂O₅ 120 kg·hm^-2,K₂O 150 kg·hm^-2。氮、磷、钾肥料分别选用尿素、重过磷酸钙（P₂O₅ 43%）和氯化钾（K₂O 60%）。施肥方法为条施,先人工开沟至24 cm,按照各处理要求将肥料施入24 cm处;然后回填土使沟底距地表16 cm,按照各处理要求施入中层肥料;再回填土使沟底距地表8 cm,按各处理要求施入上层肥料,最终回填土至地表。处理3—6在施肥位置正上方人工点播玉米,播种深度3 cm。CK和T-side处理同样在播种行位置先开沟再回填土、播种,以消除处理间土壤物理性状的差异;T-side处理施肥深度5 cm,播种位置与施肥位置水平间隔约8 cm,播种深度3 cm。所有处理播种密度69 000株/hm²。播种后灌水70 mm。
分别在玉米八叶期、吐丝期、成熟期采集地上部玉米植株,测定玉米氮、磷素吸收情况（采用浓H₂SO₄-H₂O₂消煮-凯氏定氮方法测定氮,浓H₂SO₄- H₂O₂消煮-钒钼黄比色法测磷）;在上述3个时期,分垄内（施肥带）、垄间（水平距施肥带25 cm）两个部位,分别采集0—10、10—20、20—40 cm 层次土壤样品,测定玉米不同生育时期土壤速效磷含量（NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法测定）,并在收获时测定玉米产量。
1.2.2 土柱根系试验选用直径25 cm、高40 cm的PVC管,底部用18目尼龙纱网衬托,埋入土中,上沿高出地面约5 cm。然后装土,先装土至8 cm厚（风干土量4.7 kg）,然后在中心位置集中施肥;再装土8 cm厚,再在中心集中施肥;再装土8 cm厚、再在中心集中施肥,再装土8 cm,最终形成模拟8 cm、16 cm、24 cm 3层施肥的效果。施肥处理同大田试验的1、3、4、5、6处理,即CK、P-all、P 8、P 16、P 24。除CK外,其余各处理氮、钾肥在8、16、24 cm 3个深度平均施用。P-all处理,磷肥在8、16、24 cm平均施用,P 8处理磷肥集中施在8 cm,P 16处理磷肥集中施在16 cm,P 24处理磷肥集中施在24 cm。每柱施用尿素5.67 g、重过磷酸钙4.04 g、氯化钾3.62 g。土柱装填好后浇水4 500 mL,浇水后静置24 h再种玉米,每个柱子种一株玉米。各处理重复3次。
玉米吐丝期取样,去除地上部植株,将PVC管挖出后切开,只割PVC管壁,保留完整土柱,然后按照4 cm一层取样,将玉米根系和土壤一同切段,总计8层,编号后放入冰柜冷冻、待测。测定时先解冻,然后放入40目尼龙袋中用水反复冲洗,将土全部冲走。将尼龙袋中的玉米根放入烧杯中,加水,挑除杂质,然后用WinRHIZO根系分析系统分析根长。
1.2.3 数据分析试验数据用Microsoft Excel 2003和DPS软件进行处理和统计分析。

2 结果

2.1 磷肥施用深度对夏玉米产量影响

磷肥施用深度对夏玉米产量有显著影响（图1）,随着磷肥施用深度的增加,夏玉米籽粒产量呈现显著增加趋势,由高到低顺序为T-24处理>T-all处理>T-16处理>T-side处理>T-8处理>CK。T-24处理玉米籽粒产量为10 247 kg·hm^-2,显著高于垄侧施磷和8 cm施磷处理,提高幅度分别为10.2%、10.5%。T-all 3层均匀施磷处理夏玉米产量为9 914 kg·hm^-2,也显著高于垄侧施磷和8 cm施磷处理,提高幅度分别为6.7%、7.0%。由此可得,磷肥深施能够显著提高夏玉米籽粒产量。

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图1不同磷肥处理玉米产量
图柱上不同字母表示处理间差异达5%显著水平
-->Fig. 1Maize yields under different P fertilizer treatments
Different letters above the bars mean significant among treatments at the 5% levels
-->

2.2 磷肥施用深度对夏玉米磷素吸收动态影响

在夏玉米不同生育时期,磷肥施用深度对磷素吸收量有显著影响（图2）。玉米八叶期T-side处理磷吸收量最高,为8.6 kg·hm^-2,显著高于CK、T-8、T-16、T-24处理。吐丝期T-8处理玉米磷吸收量最高,为17.4 kg·hm^-2,显著高于CK、T-16处理。收获期所有施肥处理磷吸收量均显著高于CK处理,以T-all处理玉米磷吸收量最高,为28.6 kg·hm^-2。所有施肥处理的磷肥用量是相同的,只是磷肥施用深度和位置不同,导致玉米对磷素吸收量产生了显著差异。

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图2玉米各生育时期磷吸收量
-->Fig. 2The P uptake by maize at main growing stages
-->

2.3 磷肥施用深度对夏玉米氮素吸收动态影响

磷肥施用深度对夏玉米不同生育时期氮素吸收量也有显著影响（图3）。八叶期玉米氮吸收量T-side处理最高,显著高于CK、T-8、T-16、T-24处理。吐丝期氮吸收量无明显差异。收获期T-all、T-24处理夏玉米氮吸收量均显著高于CK、T-8处理。随着磷肥施用深度的增加,夏玉米收获时氮素吸收量呈现显著增加趋势。

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图3玉米各生育时期氮吸收量
-->Fig. 3The N uptake by maize at main growing stages
-->

2.4 磷肥施用深度对土壤速效磷含量影响

磷肥不同施用深度对玉米各生育时期土壤速效磷含量有显著影响,并且对垄内（施肥区）（表2）土壤速效磷含量的影响大于垄间（非施肥区）（表3）。深层施磷与CK、T-side、T-8相比,显著增加了垄内20—40 cm土层土壤速效磷的含量,但对垄间各土层土壤速效磷含量影响不大。在玉米全生育时期内,垄内0—10 cm土层速效磷含量均为T-side处理最高,垄内20—40 cm土层均为T-24处理最高。说明磷肥无论是表施还是深施,只能够增加施磷区域的土壤速效磷含量。
Table 2
表2
表2夏玉米不同生育时期垄内各土层速效磷含量
Table 2The Olsen-P contents (mg·kg^-1) of soil in the ridges at the main growing stages of maize

处理 Treatment	八叶期Eight leaf			吐丝期Silking			收获期Harvest
处理 Treatment	0-10 cm	10-20 cm	20-40 cm	0-10 cm	10-20 cm	20-40 cm	0-10 cm	10-20 cm	20-40 cm
CK	14.94±2.92c	12.19±4.46a	1.34±0.35c	11.69±3.76b	6.62±2.19a	1.71±0.34c	12.38±2.82ab	5.16±2.28b	0.93±0.03c
T-side	23.63±1.39a	16.27±4.93a	1.23±0.42c	16.58±4.29a	7.83±2.26a	1.98±0.43c	15.70±1.17a	6.95±2.72ab	1.48±0.14c
T-all	18.81±0.48bc	14.84±2.53a	6.44±0.69b	15.50±1.87ab	10.80±1.42a	4.86±1.30b	14.41±1.63ab	9.94±3.02ab	4.43±2.22b
T-8	19.38±2.97ab	15.32±4.40a	2.26±1.69c	15.51±0.99ab	11.38±2.76a	2.25±0.88bc	14.75±4.37ab	10.71±3.42a	1.29±0.90c
T-16	22.30±2.58ab	16.23±3.49a	5.54±1.19b	15.37±2.51ab	10.82±2.82a	2.15±0.48bc	11.18±1.76b	9.26±1.72ab	1.97±0.91c
T-24	20.95±2.64ab	15.83±4.23a	11.67±1.30a	15.06±3.26ab	10.55±3.42a	8.30±2.89a	11.61±1.28ab	8.98±0.56ab	6.54±0.14a

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Table 3
表3
表3夏玉米不同生育时期垄间各土层速效磷含量
Table 3The Olsen-P contents (mg·kg^-1) of soil between the ridges at the main growing stages of maize

处理 Treatment	八叶期 Eight leaf			吐丝期 Silking			收获期 Harvest
处理 Treatment	0-10 cm	10-20 cm	20-40 cm	0-10 cm	10-20 cm	20-40 cm	0-10 cm	10-20 cm	20-40 cm
CK	13.89±1.07a	6.64±2.61b	2.51±0.47ab	14.20±4.73a	7.27±1.15a	2.01±0.32ab	16.38±0.53a	7.62±0.55b	1.15±0.32b
T-side	17.32±3.10a	10.42±3.87ab	4.15±3.25ab	19.43±2.77a	10.37±2.02a	1.99±0.25ab	19.07±0.91a	9.62±2.03ab	1.73±0.35b
T-all	16.59±1.50a	10.19±1.33ab	2.27±0.93b	18.95±1.81a	9.77±0.25a	2.29±0.37a	19.00±2.55a	11.82±1.89a	2.57±1.77ab
T-8	15.13±4.37a	12.61±5.10a	3.11±1.24ab	18.52±1.18a	10.82±1.96a	2.00±0.40ab	19.95±3.51a	11.40±1.66a	1.45±0.29b
T-16	15.73±0.83a	12.05±2.17a	4.58±0.33ab	19.12±3.21a	10.32±1.12a	1.73±0.26b	18.63±4.51a	9.76±2.38ab	1.57±0.05b
T-24	15.84±4.96a	8.70±0.74ab	5.49±2.07a	18.71±0.91a	11.16±3.55a	2.24±0.18ab	17.83±2.87a	8.81±0.93b	3.31±0.25a

Values followed by different letters within a column mean significance different at 0.05 level between treatments. The same as Table 3同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平。表3同

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玉米垄内、垄间土壤速效磷含量的动态变化也呈现不同的趋势。各生育时期垄间土壤速效磷含量变化不大。而垄内各土层土壤速效磷含量随着玉米的生长发育有持续降低趋势,0—10 cm土层吐丝期与八叶期相比土壤速效磷含量平均降低了24.7%、收获期与吐丝期相比降低了10.3%;10—20 cm土层吐丝期与八叶期相比土壤速效磷含量平均降低了36.2%、收获期与吐丝期相比降低了12.8%,土壤速效磷的降低应该与玉米吸收有关。垄内、垄间土壤速效磷变化差异可以看出,玉米主要吸收垄内（施肥区域）磷素,对垄间磷素吸收较少。这可能与玉米根系分布有关,玉米根系主要分布在以植株为中心,半径20 cm,深度40 cm的范围内,并且距植株越远,根系密度越小^[25]。导致距植株较远垄间的速效磷不易被玉米吸收。

2.5 磷肥不同施用深度对夏玉米根系分布的影响

本试验条件下,磷肥施用深度对夏玉米总根长及在土壤中的分布有显著影响（表4）。施磷肥显著增加了整个土柱内的玉米根长,P-all、P 8、P 16、P 24处理玉米根长与CK相比分别提高了42.4%、44.5%、54.8%、68.4%。并且相同用量的磷肥施在不同深度,对夏玉米根长也有显著影响,P 24处理玉米根系长度与P-all和P 8处理相比提高了18.3%、16.5%,达显著水平。在施磷点附近玉米根长有增大的趋势,0—12 cm土层P 8处理根长最长,12—20 cm土层P 16处理根长最长,20 cm以下P 24处理根长最长。
Table 4
表4
表4磷肥不同施用深度夏玉米根长
Table 4The root length of summer-maize under different application depth of P fertilizer (m)

土层 Layer (cm)	CK	P-all	P 8	P 16	P 24
0-4	85.31±19.90c	92.04±22.91bc	141.61±1.58a	118.44±18.68abc	127.81±27.34ab
4-8	74.30±16.53b	111.27±17.67a	137.26±31.69a	132.99±14.18a	130.77±10.71a
8-12	70.81±25.38b	118.43±34.03a	124.50±3.91a	96.49±7.36ab	99.85±13.22ab
12-16	58.47±20.20b	102.95±23.56a	74.87±15.01ab	111.12±24.78a	103.37±10.40a
16-20	66.94±5.76a	87.08±23.29a	76.58±16.55a	101.77±13.07a	99.27±33.55a
20-24	54.79±8.72c	85.81±2.52b	80.11±6.18b	92.41±18.11ab	109.84±10.33a
24-28	55.76±19.28b	76.20±20.40ab	59.42±4.55b	76.14±13.82ab	96.99±19.67a
28-32	57.00±13.96b	71.66±6.59b	62.07±8.90b	80.81±25.75ab	113.58±37.52a
总和Total	523.88±61.62c	745.45±35.29b	756.42±14.28b	810.17±71.13ab	881.48±68.05a

Values followed by different letters within a line mean significance different at 0.05 level between treatments同行数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平

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随着磷肥施用深度的增加,玉米根系呈现向深层分布的趋势。以单元土柱内玉米根系长度与整个土柱内玉米根系长度比值定义为根长比重^[26]。P 8处理在0—12、12—20、20—32 cm根长比重为53.3%、20.0%、26.7%,P 16处理在相应3个层次根长比重为42.9%、26.3%、30.8%,P 24处理为40.7%、23.0%、36.4%（图4）。以上分析可以得出,玉米根系在磷肥施用点附近集中生长,通过调整磷肥施用位置,能够调控玉米根系在土体中的分布。

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图4不同深度土层根长比重
-->Fig. 4The root length proportion of each layer
-->

3 讨论

3.1 磷肥施用深度对玉米产量和养分吸收量的影响

本研究结果表明,磷肥深施能够显著提高夏玉米籽粒产量,以24 cm深度施用磷肥玉米籽粒产量最高。本结果与赵亚丽等^[14]在夏玉米上的研究结果相近,其磷肥施用深度为5 cm、15 cm、5/15 cm（5 cm、15 cm均匀施用磷肥）,结果表明15 cm施磷处理玉米籽粒产量显著高于5 cm施磷和5/15 cm处理,并且5/15 cm处理玉米产量高于5 cm施磷处理。本研究施磷深度为8、16、24 cm,所得结果以24 cm深度施磷玉米产量最高,并且24 cm施磷和3层均匀施磷玉米产量均显著高于8 cm施磷和垄侧施磷。范秀艳等^[11]在春玉米上研究了分层施磷（8 cm、16 cm均匀施磷）与传统施磷（8 cm）的比较,结果表明分层施磷能够显著提高玉米产量、籽粒磷含量和磷肥利用率。
但也有较早研究表明磷肥不宜施用过深。陈学留等^[27]用³²P示踪方法研究指出,与0—40 cm和20—40 cm土层施磷相比,0—20 cm施磷更有利于玉米整个生育时期对磷的吸收利用,且3种不同施磷深度,对后期籽粒吸收无明显差异。刘延柱等^[28]用示踪方法研究指出,磷肥浅施（6 cm与12 cm深度施磷相比）有利于玉米幼苗对磷素的吸收利用,玉米苗期植株高度、幼苗叶片长度、叶片宽度和茎粗等指标均为磷肥浅施处理优于深施处理。
本研究结果表明,磷肥浅施时在玉米吐丝期以前确实显著增加了玉米地上部磷素的吸收量,但收获期磷素吸收量各施肥处理间并无显著差异。
另外,本研究结果还表明磷肥施用深度对夏玉米氮素吸收也有显著影响。T-8、T-16、T-24、T-all 4个处理氮素施用量和施用方式相同,只是磷肥施用位置的差异就导致了收获时夏玉米氮吸收量的显著差异,T-24、T-all处理氮素吸收量显著高于T-8处理。由此显著提高了夏玉米产量。

3.2 磷肥施用深度对玉米根系生长影响

玉米根系具有很大的可塑性,有关研究表明其在低磷胁迫下不会增加根系质子和酸性磷酸酶的分泌,而主要是通过根系形态变化,提高土壤中根系密度,增加对磷素的吸收^[29],且玉米根系的大量生长通常不会对玉米植株的生长带来负面影响^[30]。本研究结果表明,通过磷肥施用深度的变化可以调控土体中玉米根系的分布,8 cm处施磷能够增加0—12 cm土体的玉米根长,16 cm处施磷能够增加12—20 cm土体的玉米根长,24 cm处施磷能够增加20—32 cm土体的玉米根长,且24 cm处施磷与8 cm处施磷和3层均匀施磷相比显著提高了整个土体的根系长度。磷肥深施既能增加深层土壤的根系长度,也能增加整个土体的根系长度。
综合以上分析可以推断,玉米不同生育时期地上部磷素累积量与磷肥施用位置有密切关系,其主要原因可能与根系探寻到土壤中富磷区域的早晚有关。与浅施磷处理相比,磷肥深施推迟了根系发现土壤中富磷区域的时间,影响了玉米生育前期对氮、磷养分的吸收量,导致玉米生育前期地上部氮、磷累积量减少。但恰恰因为根系的探寻过程较长,增大了整个土体中玉米根系长度。当根系发现深层富磷区域后大量生长,加大了深层土壤的根长比重,促进玉米对较深土壤养分的吸收利用,玉米地上部氮、磷累积量逐渐增加。至收获期,深层施磷处理地上部磷素累积量已超过浅层施磷处理,并且深层施磷处理的夏玉米氮素吸收量显著高于浅层施磷处理。磷肥深施与浅施相比,会使玉米前期生长有一个短期缺磷的情况。但有研究表明适当短期缺磷常会增加玉米根生物量及根长^[31]。本研究还表明,磷肥深施对收获时夏玉米氮素吸收量的影响大于对磷素吸收量的影响,玉米产量的显著提高可能与氮素吸收量的显著增加有关。夏玉米氮磷协同深施有待进一步深入研究。

4 结论

磷素对夏玉米生长发育有明显的促进作用,不同施磷深度对土壤有效磷含量、不同土层深度玉米根系长度、玉米地上部氮磷吸收量和夏玉米产量有明显影响。
施用磷肥只是增加了施磷区域（垄内）土壤速效磷的含量,对非施磷区域（垄间）土壤速效磷含量影响不明显。且随着玉米的吸收,玉米根系主要分布区域（垄内）的土壤速效磷含量明显下降,而垄间土壤速效磷含量变化不明显。
在施磷量相同情况下,调整磷肥施用深度能够调控夏玉米根系在土体中的分布。磷肥深施能够诱导根系向土壤深层生长,显著提高夏玉米对氮磷养分的吸收,提高玉米产量。本试验条件下以磷肥集中施在24 cm土层最好。
The authors have declared that no competing interests exist.