不同耕作深度下調(diào)控水肥對(duì)玉米生長(zhǎng)狀況的影響

隋凱強(qiáng)，付麗亞，韓 偉，林少雯，劉樹(shù)堂，皇甫呈惠

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；2.平度市農(nóng)業(yè)局，山東 青島 266700； 3.山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，山東 濟(jì)南 250100)

玉米是世界范圍內(nèi)廣泛種植的糧食作物之一，不僅可供人類食用，還能夠作為動(dòng)物飼料，同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生方面也發(fā)揮著重要作用[1]。科學(xué)地進(jìn)行水肥調(diào)控不但可以提高玉米產(chǎn)量而且可以提高經(jīng)濟(jì)效益[2]。水肥空間耦合是水肥耦合的重要方式，水肥耦合技術(shù)就是按照在不同的水分差異下，正當(dāng)設(shè)定施肥品種和施肥的數(shù)量，從而加強(qiáng)作物對(duì)水分和養(yǎng)分的高效運(yùn)用，達(dá)到作物高產(chǎn)高效的結(jié)果[3-6]。傳統(tǒng)的耕作方式能夠?qū)е赂麑訙\薄，犁底層逐漸的加厚，從而使土壤的通透性以及蓄水保墑的能力降低，不利于玉米對(duì)水分以及養(yǎng)分的吸收，產(chǎn)量會(huì)出現(xiàn)下降的情況。深翻可以改善土壤的理化性狀，提高自然降水利用率，打破土壤的犁底層，使土壤耕作層變厚，而且可以降低土壤容重，改善其理化性狀，為玉米的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造了良好的土壤水分環(huán)境，從而促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量的提高[7]。研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥肥料可以顯著提高土壤性質(zhì)、肥力和作物產(chǎn)量，有機(jī)肥中含有作物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素物質(zhì)，為作物提供生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、微生物群落以及降解產(chǎn)物等植物生長(zhǎng)過(guò)程中所需的活性物質(zhì)，能夠促進(jìn)作物的生長(zhǎng)并增強(qiáng)抗逆性[8-12]。

干旱化對(duì)我國(guó)主要糧食和最重要的飼料作物玉米產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如何提高水分利用效率，將有限的水資源合理化利用，增進(jìn)玉米對(duì)干旱化響應(yīng)與適應(yīng)的理解及制定應(yīng)對(duì)策略，是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。利用大型活動(dòng)遮雨棚及池栽對(duì)玉米進(jìn)行全程水分控制實(shí)驗(yàn)研究[13-14]，通過(guò)合理水肥配比，研究不同耕作深度對(duì)玉米生長(zhǎng)狀況的影響。

1 材料和方法

本試驗(yàn)是在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)萊陽(yáng)校區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)地的土壤類型為棕壤，位于東經(jīng)120.7°，北緯36.9°，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，一月平均氣溫-4.2 ℃，年均氣溫 11.2 ℃，無(wú)霜期209～243 d，年降雨量為779.1 mm，雨熱同期。試驗(yàn)共設(shè)16個(gè)處理(表1)，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。小區(qū)面積1 m2(1 m×1 m)，深1.5 m，四周用水泥層隔離，田間管理相同。土壤的有機(jī)質(zhì)含量為14.03 g/kg，全氮含量為0.92 g/kg，堿解氮含量為14.10 mg/kg，速效鉀含量為89.71 mg/kg，速效磷含量為60.71 mg/kg，pH值6.8。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對(duì)玉米養(yǎng)分積累分配的影響

2.1.1 水肥耦合對(duì)玉米氮素積累分配的影響 不同耕作深度條件下調(diào)控水肥對(duì)玉米成熟期氮素積累分配的情況見(jiàn)圖1，在玉米植株中，氮素在籽粒中的含量最高，各器官氮素的積累量大小順序?yàn)樽蚜?葉>莖稈>根。莖稈、根中氮素含量最高的是處理T7，籽粒、葉中的氮素積累量最大的是處理T14。

由T3、T7、T10、T14(A1M2水平)看出，在同一耕作深度和有機(jī)肥水平情況下，隨著含水量的增加，玉米對(duì)氮素的吸收也增加，W0、W1、W2、W3水平下籽粒中氮素的含量占整個(gè)玉米植株氮素含量的百分比分別是49.57%，49.29%，45.21%，43.82%，由此可得，籽粒是夏玉米成熟期植株所積累氮素的分配中心，同時(shí)，隨著土壤含水量的增加，植株同化氮素向籽粒中轉(zhuǎn)移的百分比降低，說(shuō)明適度的水分脅迫有助于氮素向籽粒的分配，而水分過(guò)多或過(guò)少，會(huì)導(dǎo)致氮素向營(yíng)養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)移，降低了氮的利用率，從而導(dǎo)致氮素的浪費(fèi)。

由T3、T11(M2W1水平)，可以看出，在相同含水量和相同施肥情況下，隨著耕作深度的增加，玉米對(duì)氮素的吸收也增加，說(shuō)明，耕作深度與氮素利用率呈正相關(guān)，A1、A2水平下籽粒中氮素的含量占整個(gè)玉米植株49.29%和47.96%，由此可得，隨著耕作深度的增加，植株同化氮素向籽粒中轉(zhuǎn)移的百分比增加。

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Experimental design

注： A1.耕作深度：30 cm；A2.耕作深度：20 cm；M1.有機(jī)肥3 750 kg/hm2；M2.有機(jī)肥7 500 kg/hm2；W0.相對(duì)含水量40%；W1.相對(duì)含水量50%；W2.相對(duì)含水量60%；W3.相對(duì)含水量70%。

Note：A1.Tillage depth：30 cm； A2.Tillage depth：20 cm； M1.Organic fertilizer 3 750 kg/ha； M2.Organic fertilizer 7 500 kg/ha； W0.Relative water content 40%； W1.RWC 50%； W2.RWC 60%； W3.RWC 70%.

不同字母表示在0.05 水平上差異顯著(P<0.05)。圖2-3同。Different letters indicate significant differences at P<0.05.The same as Fig.2-3.

由T5、T14(A1W2水平)可以看出，耕作深度和灌水量在同一水平下，在一定范圍內(nèi)，隨著有機(jī)肥施用量的增加，植株積累的氮素含量也在增加，玉米植株向籽粒轉(zhuǎn)移的氮素百分比也在增加，這是由于玉米產(chǎn)量的高低與植株干物質(zhì)積累量有關(guān)，產(chǎn)量絕對(duì)值的增加與植株氮素往籽粒轉(zhuǎn)移的百分比、植株干物質(zhì)積累量呈正相關(guān)。

2.1.2 水肥耦合對(duì)玉米磷素積累分配的影響 磷元素是植株生長(zhǎng)和發(fā)育不可缺少的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一，磷是植物細(xì)胞核和原生質(zhì)的組成成分，是作物體內(nèi)一系列新陳代謝過(guò)程的“參與者”[15]。不同耕作深度調(diào)控水肥對(duì)玉米成熟期磷素的積累和分配見(jiàn)圖2，各處理間玉米植株總磷的積累量存在較大的差異，不同含量有機(jī)肥配施條件下，玉米植株對(duì)磷的吸收累積狀況表現(xiàn)出較大的差異；在有機(jī)肥含量和灌水量較低的水平下，玉米植株對(duì)磷素的吸收累積量偏低。籽粒對(duì)磷素的吸收積累量占植株總含磷量最大，占植株含磷量的63.58%～79.67%，磷素在各器官內(nèi)的積累量高低依次是：籽粒>葉>莖稈>根。籽粒中磷吸收積累量最高是處理T14，較積累量最低的T9，高出74.59%。不同耕作深度下調(diào)控水肥對(duì)玉米成熟期磷素的吸收積累有較大的影響。

圖2 磷素在各器官中的分配Fig.2 P content in each part of maize

由T3、T7、T10、T14(A1M2水平)，可以看出，在相同耕作深度和相同施肥情況下，隨著含水量的增加，玉米秸稈的磷素吸收在一定范圍內(nèi)也增加，說(shuō)明含水量與磷素的吸收積累量呈正相關(guān)，灌水量過(guò)多或過(guò)少都會(huì)對(duì)玉米吸收積累磷素造成影響。在含水量W0到W3水平下，籽粒中磷素占整株植株磷素含量百分比分別是43.61%，36.69%，43.31%，40.88%，由此可得，當(dāng)灌水量在一定范圍內(nèi)，玉米植株往籽粒轉(zhuǎn)移分配磷素的百分比隨著灌水量的增加而增加，然而過(guò)多或過(guò)少的灌水量均不利于玉米植株磷素的利用率。

由T6、T14(M2W2水平)可以看出，在相同含水量和相同施肥情況下，隨著耕作深度的增加，玉米對(duì)根、莖、籽粒的磷素吸收增加，說(shuō)明耕作深度深，下層土壤相對(duì)疏松，根系容易向下發(fā)展，更有利于玉米植株吸收下層養(yǎng)分，耕作深度與磷素利用率呈正相關(guān)，A1、A2水平下籽粒中磷素的含量占整個(gè)玉米植株40.88%和43.64%，由此可得，隨著耕作深度的增加，玉米植株同化磷素向籽粒中轉(zhuǎn)移的百分比增加。

T5、T14(A1W2水平)處理中，耕作深度和灌水量在同一水平下，在一定范圍內(nèi)，隨著有機(jī)肥施用量的增加，植株積累的磷素含量也在增加，玉米植株向籽粒的轉(zhuǎn)移的磷素百分比也在增加，說(shuō)明，有機(jī)肥在一定水平下能更大限度地促進(jìn)磷向籽粒轉(zhuǎn)移，同時(shí)玉米產(chǎn)量的高低與植株干物質(zhì)積累量有關(guān)，產(chǎn)量絕對(duì)值的增加與植株磷素往籽粒轉(zhuǎn)移的百分比、植株干物質(zhì)積累量呈正相關(guān)。

由T10、T11、T12可得，施用有機(jī)肥對(duì)玉米植株體內(nèi)總鉀積累量的影響最大，其次是耕作深度和灌水量。同時(shí)，施用有機(jī)肥是影響玉米植株向籽粒分配含鉀量所占百分比最大的因素。

2.1.3 水肥耦合對(duì)玉米鉀素積累分配的影響 鉀在玉米植株體內(nèi)以鉀離子的形態(tài)存在，是植物生長(zhǎng)所必需的一種元素，植物通過(guò)根系從土壤中選擇性地吸收土壤中的水溶態(tài)鉀離子[16-20]。鉀元素比較集中地分布在植物代謝最活躍的器官和組織中，是多種酶的輔助因子或激活劑[21]。鉀對(duì)光合作用有好處，大大加強(qiáng)了對(duì)二氧化碳的同化率[22]。除此之外，鉀能加快葉綠素的合成進(jìn)程，優(yōu)化葉綠體的結(jié)構(gòu)。不同耕作深度下調(diào)控水肥對(duì)玉米成熟期鉀素的積累與分配見(jiàn)圖3。不用處理之間玉米對(duì)鉀素的吸收與利用有較大差異，在玉米植株中，鉀素在莖稈中的含量是最高的，其次是籽粒；各器官鉀素的積累量大小順序?yàn)榍o稈>籽粒>葉>根。玉米籽粒的鉀素含量最高的是T7，最低的處理T4，T7較T4含量高66.68%。

圖3 鉀素在各器官中的分配Fig.3 K content in each part of maize

由T3、T7、T10、T14(A1M2水平)可以看出，在相同耕作深度和相同施肥情況下，隨著含水量的增加，玉米對(duì)鉀素的吸收在一定范圍內(nèi)也增加，說(shuō)明含水量與鉀素的吸收積累量呈正相關(guān)。在含水量W0到W3水平下，籽粒中鉀素占整株植株鉀素含量百分比分別是26.05%，29.27%，28.65%，27.79%，由此可得，當(dāng)灌水量在一定范圍內(nèi)，玉米植株往籽粒轉(zhuǎn)移分配鉀素的百分比隨著灌水量的增加而增加，過(guò)多或過(guò)少的灌水量均不利于玉米植株鉀素的利用率。

在T3、T11(M2W1水平)處理中，在相同含水量和相同施肥情況下，隨著耕作深度的增加，玉米對(duì)鉀素的吸收也增加，說(shuō)明耕作深度深，下層土壤相對(duì)疏松，根系容易向下發(fā)展，更有利于玉米植株吸收下層養(yǎng)分，因此，耕作深度與鉀素吸收利用率呈正相關(guān)，A1、A2水平下籽粒中鉀素的含量占整個(gè)玉米植株29.27%和26.38%，由此可得，隨著耕作深度的增加，玉米植株同化鉀素向籽粒中轉(zhuǎn)移的百分比增加。

T5、T14(A1W2水平)處理，耕作深度和灌水量在同一水平下，在一定范圍內(nèi)，隨著有機(jī)肥施用量的增加，植株積累的鉀素含量也在增加，玉米植株向籽粒轉(zhuǎn)移的磷素百分比也在增加，W1、W2水平下籽粒中鉀素的含量占整個(gè)玉米植株28.19%和28.65%，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)施用有機(jī)肥可以增加單株玉米植株總鉀含量向籽粒轉(zhuǎn)移的比例。

由T3、T7、T14、T15可得，施用有機(jī)肥對(duì)玉米植株體內(nèi)總磷積累量的影響最大，其次是耕作深度和灌水量。同時(shí)，施用有機(jī)肥是影響玉米植株向籽粒分配含磷量所占百分比最大的因素。

2.2 不同耕作深度條件下調(diào)控水肥對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表2中可以得到，在各項(xiàng)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素中，T7處理的各指標(biāo)都是最高的，T9處理的產(chǎn)量最低。T7在穗長(zhǎng)、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)中分別比T9高55.04%，44.00%，25.88%。產(chǎn)量最高的是處理T7，產(chǎn)量為9 950 kg/hm2，較A1M1W0的產(chǎn)量增加了46.32%。其次是T15處理，產(chǎn)量是9 660 kg/hm2，產(chǎn)量最低的處理是T9，產(chǎn)量為6 460 kg/hm2，T7 與T9相比產(chǎn)量提高了54.02%，T15 與T9相比產(chǎn)量提高49.54%。在同一處理水平下，7 500 kg/hm2的有機(jī)肥施用量和70%的相對(duì)含水量對(duì)玉米的產(chǎn)量影響最顯著。同樣是在高有機(jī)肥70%相對(duì)含水量水平下30 cm耕作深度條件下處理影響比20 cm耕作深度條件下處理產(chǎn)量提高了2.91%,且處理間差異顯著。

T3、T7、T10、T14處理(A1M2水平)中，T7產(chǎn)量最大，較T10處理增加了40.93%，這說(shuō)明在耕作30 cm施用M2水平有機(jī)肥時(shí)，隨著水分的增加玉米的穗長(zhǎng)、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量也隨之增加且差異性顯著。從T1、T5、T12、T16(A1M1水平)中可以看出，產(chǎn)量隨水分的增加而增加，W3水平相比W0產(chǎn)量增加了37.47%。

表2 不同耕作條件下水肥耦合對(duì)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Tab.2 Effects of water and fertilizer coupling on maize yield under different tillage conditions

注：同列不同字母表示在0.05 水平上差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters indicate significant differences atP<0.05.

在T2、T6、T11、T15處理(A2M2水平)中，T15的穗長(zhǎng)、千粒質(zhì)量最大，T15相比T2分別提高了13.88%，17.29%。隨著灌水量的增加，產(chǎn)量呈增加的趨勢(shì)，W3、W2、W1相比W0水平分別提高了24.81%，15.34%，11.50%，在耕作深度20 cm條件下施用高含量有機(jī)肥調(diào)控水分對(duì)于玉米的產(chǎn)量影響差異性顯著。在T4、T8、T9、T13處理(A2M1水平)中，W3、W2、W1相比W0水平分別提高了35.05%，32.00%，27.86%。與W0水平相比，W3的穗長(zhǎng)、千粒質(zhì)量分別提高了14.92%，10.59%。

處理T6、T14(M2W2水平)中，T14處理的穗長(zhǎng)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量較T6高9.86%，15.81%，0.95%。M1W2水平下，處理T5較T13的千粒質(zhì)量、產(chǎn)量高3.94%，1.68%，M2W3水平，處理T7較T15穗長(zhǎng)、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量分別提高了7.11%，12.50%，2.88%，3.00%。M1W3水平下，A1較A2的穗長(zhǎng)、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量分別提高了11.15%，16.67%，2.13%，7.15%。不同水分配比下，耕作深度30 cm(A1)的產(chǎn)量構(gòu)成因素均比耕作深度20 cm(A2)高，深耕能疏松土壤的下層增加透氣性、改善土壤結(jié)構(gòu)，從而提高了土壤中的有效養(yǎng)分，提高作物產(chǎn)量。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)研究不同耕作深度條件下調(diào)控水肥配比對(duì)玉米的體內(nèi)氮、磷、鉀的分配，在耕作深度30 cm、相對(duì)含水量70%、施用有機(jī)肥7 500 kg/hm2時(shí)，玉米對(duì)氮、磷、鉀的吸收積累量均最大。在該試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，隨著灌水量的增加，玉米籽粒、莖稈中氮積累量增加，提高了玉米植株的氮積累量。玉米籽粒的氮積累量量最高，大小順序?yàn)樽蚜?葉>莖稈>根。灌水量對(duì)氮素的積累作用低于施用有機(jī)肥和耕作深度，這與王俊忠等[23]研究結(jié)果一致。在低有機(jī)肥含量和低灌水量水平下，玉米植株的磷素的積累量較低。籽粒對(duì)磷素的積累量占植株總含磷量最大，占植株含磷量的63.58%～79.67%，這與王晉等[24]研究結(jié)果一致，可能是由于磷在植株體內(nèi)多分布在新芽和根尖等生理代謝活躍的部位，應(yīng)隨生長(zhǎng)進(jìn)程的進(jìn)行而發(fā)生有效的轉(zhuǎn)移。在玉米植株中，鉀素在莖稈中的含量是最高的，其次是籽粒；各器官鉀素的積累量大小順序?yàn)榍o稈>籽粒>葉>根，說(shuō)明鉀不像氮磷最終轉(zhuǎn)移到籽粒中而停止轉(zhuǎn)移，并最終轉(zhuǎn)移到了莖稈中，這與曹國(guó)軍等[25]的研究結(jié)果一致。

研究不同耕作深度條件下調(diào)控水肥找到合適的水肥配比對(duì)玉米的生物產(chǎn)量有顯著影響，隨著耕作深度增加、有機(jī)肥施用量增加、適當(dāng)提高相對(duì)含水量，對(duì)玉米生長(zhǎng)狀況具有促進(jìn)作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，耕作深度30 cm的處理最有利于提高玉米產(chǎn)量，在耕作深度30 cm、有機(jī)肥7 500 kg/hm2、相對(duì)含水量70%時(shí)玉米產(chǎn)量達(dá)到最大值，耕作深度30 cm處理的產(chǎn)量最高值比耕作深度20 cm處理提高了2.91%，說(shuō)明在相同的水肥水平調(diào)控下，深翻能改變土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物對(duì)水分養(yǎng)分的吸收，改善了玉米根系的構(gòu)型，促進(jìn)玉米根系下扎，增強(qiáng)了根系吸收水分、養(yǎng)分的能力，提高了玉米的生物產(chǎn)量，提高籽粒干物質(zhì)積累速率，水肥共同作用，促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)，增加產(chǎn)量。在本試驗(yàn)條件下，耕作深度30 cm要優(yōu)于耕作深度20 cm，高有機(jī)肥施用中水(M2W2)是高產(chǎn)節(jié)水的最佳組合，高肥高水(M2W3)是超高產(chǎn)的最佳組合，低肥中水(M1W2)是低投入高水分利用率的最佳組合。