滴灌條件下基肥減施后移對(duì)夏玉米養(yǎng)分吸收和根系生長(zhǎng)的影響

許 麗，邵長(zhǎng)俠，朱瑞華，李松堅(jiān)，孫雪芳，張洪生，孫 青，劉樹堂，姜 雯

（1青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266109；2青島膠州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東青島266109；3青島平度市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山東青島266109；4青島市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東青島266109）

0 引言

玉米作為中國(guó)主要糧食作物之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位[1]。夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分需求較多，尤其在生育后期，充足的養(yǎng)分供應(yīng)是夏玉米獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵[2-3]。但長(zhǎng)期以來(lái)由于生產(chǎn)上過(guò)度依賴于化肥，超量施用十分嚴(yán)重[4]，導(dǎo)致了肥料利用率較低，部分地區(qū)土壤肥力的下降、土壤板結(jié)、產(chǎn)量不穩(wěn)[5-6]；同時(shí)也造成了農(nóng)田面源污染[7]。滴灌水肥一體化技術(shù)是一項(xiàng)新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，可以按照作物水肥的需求特點(diǎn)，適時(shí)將水分、養(yǎng)分精確地供給到根際土壤，實(shí)現(xiàn)水肥的同步效應(yīng)機(jī)制，有助于解決作物后期追肥困難、脫肥嚴(yán)重等問(wèn)題[8-9]。近年來(lái)水肥一體化技術(shù)在中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得到較快發(fā)展，農(nóng)作物滴灌面積也迅速增加，尤其是在新疆春玉米和棉花生產(chǎn)上的應(yīng)用[10-15]。目前滴灌水肥一體化技術(shù)在夏玉米生產(chǎn)上的應(yīng)用也越來(lái)越受到關(guān)注，許多學(xué)者也開(kāi)始致力于有關(guān)配套灌溉、施肥制度的探索。習(xí)金根[16]研究結(jié)果表明滴灌施肥顯著增加了夏玉米對(duì)氮素養(yǎng)分的吸收，肥料氮素利用率達(dá)73.5%，與傳統(tǒng)漫灌施肥相比增加幅度為110.44%[17]。呂雙慶[18]研究發(fā)現(xiàn)，在適宜施氮量情況下，按照作物對(duì)氮素的需求規(guī)律，通過(guò)滴灌施肥在不同生育期分多次提供氮素，實(shí)現(xiàn)氮素養(yǎng)分供應(yīng)和作物需求的同步，可以更好滿足玉米不同生育階段對(duì)養(yǎng)分需求，延緩植株衰老[19]。習(xí)金根等[13]在對(duì)土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究時(shí)發(fā)現(xiàn)滴灌施肥可以顯著降低氮素的淋溶損失。但目前黃淮海地區(qū)滴灌條件下夏玉米生產(chǎn)上施肥方式注重施基肥，往往導(dǎo)致前期生長(zhǎng)過(guò)快[20]，基施氮肥過(guò)多也容易導(dǎo)致硝態(tài)氮淋洗、深層殘留量增加，造成土壤污染[21]。因此，夏玉米滴灌水肥一體化施肥制度尤其基追肥比例優(yōu)化仍有待于進(jìn)一步探索。本研究在山東省膠州市潮土肥力較高農(nóng)田比較分析了基肥減施后移時(shí)期對(duì)夏玉米氮肥吸收積累、氮素利用效率、根系分布、土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩艉彤a(chǎn)量的影響，為滴灌水肥一體化下基肥減施后移技術(shù)在夏玉米生產(chǎn)上的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)于2018年6—10月在膠州市洋河鎮(zhèn)(36°09′N，120°00′E)進(jìn)行，試驗(yàn)地處溫帶大陸性氣候區(qū)。2018年生育期降雨量為327.5 mm，無(wú)霜期為205天。供試品種為‘鄭單958’，采用大田種植，試驗(yàn)地土壤為潮土，0～30 cm 土壤容重為 1.39 g/cm3，pH 5.6，有機(jī)質(zhì)13.52 g/kg，全氮1.12 g/kg，堿解氮96.12 mg/kg，速效磷33.51 mg/kg（Olsen-NaHCO3法），速效鉀144.10 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

夏玉米于2018年6月17日播種，2018年10月7日收獲，45 cm+95 cm寬窄行播種，播種密度67500株/hm2。滴灌系統(tǒng)包括：水源部分、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)和滴水器。選用內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，滴頭出水量2.0 L/h，滴頭間距30 cm，滴灌帶鋪設(shè)在窄行，一管兩行。試驗(yàn)設(shè)空白和3個(gè)施肥處理（表1）：CK，T1，T2，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。各小區(qū)面積為16.8 m×30 m；肥料種類：氮（尿素、磷酸一銨）、磷（磷酸一銨）、鉀（氯化鉀），根據(jù)養(yǎng)分平衡配方施肥補(bǔ)充純N、P2O5、K2O量分別96.8、130.5、49.8 kg/hm2。

表1 各生育時(shí)期施肥量占整個(gè)生育期比例

1.3 測(cè)定內(nèi)容及方法

1.3.1 植株干物重和氮磷鉀含量 分別于夏玉米拔節(jié)期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)、灌漿中期(R3)和成熟期(R6)取樣（追肥前），取樣時(shí)每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致且有代表性的植株3株，將地上部帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分樣，105℃殺青30 min后75℃烘干至恒重，測(cè)定植株干物重。以上述各生育時(shí)期烘干植株樣本為材料，用常規(guī)養(yǎng)分分析法測(cè)定植株的氮、磷、鉀含量。其中用凱氏定氮法測(cè)定含氮量，用鉬黃比色法測(cè)定含磷量，用火焰光度計(jì)法測(cè)定植株含鉀量。

1.3.2 根系形態(tài)指標(biāo)及干重 于大喇叭口期(V12)和吐絲期(R1)對(duì)根系進(jìn)行取樣，取樣時(shí)選取生長(zhǎng)均勻一致的植株，以植株為中心，中心及窄行以10 cm×20 cm×15 cm大小的土塊為單位，寬行以20 cm×20 cm×15 cm大小的土塊為單位，每15 cm為一土層，取根深度為45 cm，將根土混合物裝入網(wǎng)袋，在低水壓下沖洗干凈，其中的根系全部挑出，放入自封袋中低溫保存。用Epson Perfection V700 Photo掃描儀(Epson,Perfection V700 Photo,Epson(China)Co.Ltd.,China)進(jìn)行掃描，使用軟件(Win Rhizo Pro,Régent Instruments,Québec,Canada)進(jìn)行根系分析，將掃描完的根系放在烘箱中烘至恒重稱干重。

1.3.3 土壤硝態(tài)氮含量 夏玉米成熟期，在每個(gè)小區(qū)玉米行間（滴灌帶下）及行上（玉米株間）分別用土鉆采集0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm土層樣品。土樣采集后帶回實(shí)驗(yàn)室放入-20℃冰箱中冷凍保存；土壤硝態(tài)氮含量采用0.01 mol/L CaCl2浸提-流動(dòng)分析儀法測(cè)定。土壤其他養(yǎng)分指標(biāo)的測(cè)定用常規(guī)方法進(jìn)行。

1.3.4 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素 夏玉米成熟后，每小區(qū)選取中間連續(xù)的3行（每行10穗）進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。將全部果穗收獲后曬干用于考種，測(cè)定產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。

1.3.5 有關(guān)計(jì)算方法 氮素積累量、氮肥利用率(REN)、收獲指數(shù)(HIX)、植株各器官氮積累量、氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(NNI)[22]和根系表面積密度的計(jì)算分別見(jiàn)公式(1)～(6)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用SAS 9.2軟件進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析并采用LSD法進(jìn)行差異比較，Excel 2013作圖。用Surfer 11繪制根系剖面等高線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基肥減施后移對(duì)地上部干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)變化的影響

隨著生育期的推進(jìn)，地上部的干物質(zhì)積累量呈逐漸增加的趨勢(shì)，成熟期達(dá)到最大值（圖1）。處理間地上干物重在各生育期差異均不顯著，其中拔節(jié)期CK干物質(zhì)積累量最大，比T1、T2處理高(+58.91%、+52.29%)，灌漿中期T2干物質(zhì)積累量最大，比CK處理高(+9.30%)，但差異不顯著。

圖1 基肥減施后移對(duì)夏玉米各生育時(shí)期地上部干物質(zhì)積累量的影響

2.2 基肥減施后移對(duì)各生育階段植株養(yǎng)分含量的影響

隨生育進(jìn)程推進(jìn)，各處理植株地上部氮和鉀含量均呈下降趨勢(shì)（圖2），而磷含量呈先增加后降低趨勢(shì)（圖2）。與CK相比，雖然T1和T2處理在吐絲前植株地上部氮磷鉀含量較低，但處理間差異不顯著；吐絲后植株地上部磷鉀含量較CK明顯增加，其中，在成熟期T2處理磷含量高于CK 11.40%，雖然差異未達(dá)到顯著水平。

圖2 基肥減施后移對(duì)夏玉米各生育時(shí)期植株地上部氮磷鉀含量的影響

2.3 基肥減施后移對(duì)夏玉米植株養(yǎng)分積累的影響

2.3.1 基肥減施后移對(duì)夏玉米各生育期養(yǎng)分積累量的影響 各處理植株地上部總氮磷鉀積累量均隨夏玉米的生長(zhǎng)而逐漸增加（圖3），到成熟期達(dá)到最大值。雖然在吐絲前期CK處理的植株地上部氮鉀積累量均高于T1、T2處理，但差異不顯著；而成熟期T2處理植株地上部氮積累量高于CK 6.70%，雖然差異未達(dá)到顯著水平。T1和T2處理磷素積累量在大喇叭口期前低于CK處理，但T2處理在吐絲期和成熟期磷素積累量均高于CK(+16.75%，+6.90%)，且在吐絲期差異達(dá)到顯著。

圖3 基肥減施后移對(duì)夏玉米各生育時(shí)期植株地上部養(yǎng)分積累量影響

2.3.2 基肥減施后移對(duì)夏玉米階段養(yǎng)分吸收的影響 從各處理可以看出，拔節(jié)期(V6)至大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)至成熟期(R6)是夏玉米對(duì)氮素和磷素吸收積累的兩個(gè)主要階段（圖4），其中氮素吸收分別占全生育期總量的30.40%～32.04%和33.50%～41.88%；磷素吸收分別占全生育期總量的23.99%～26.67%和41.51%～49.57%。在大喇叭口期(V12)至吐絲期(R1)，T1和T2處理氮素積累量均高于CK(+54.78%，+55.50%)；在吐絲期(R1)至成熟期(R6)，T1和T2處理氮素積累量均高于CK(+15.34%，+33.39%)，但處理間各生育階段氮素和磷素積累量差異均不顯著。從植株鉀素階段積累量來(lái)看，拔節(jié)期(V6)至大喇叭口期(V12)是夏玉米對(duì)鉀素吸收積累量較大的階段，占全生育期總量的45.61%～51.43%，在拔節(jié)前T1和T2處理鉀素積累量顯著低于CK(-43.28%，-39.90%)，但在大喇叭口期至吐絲期，顯著高于CK(+59.9%，+64.0%)。

圖4 基肥減施后移對(duì)夏玉米各生育階段地上部養(yǎng)分積累的影響

2.3.3 基肥減施后移對(duì)夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(NNI)的影響 作物氮營(yíng)養(yǎng)狀況可基于臨界氮濃度曲線，利用NNI直觀地判斷氮素虧缺情況，若NNI小于1，則氮素不足；等于1，恰好合適；大于1，則氮營(yíng)養(yǎng)過(guò)盛[22]。由表2可以看出，T1和T2處理除在拔節(jié)期出現(xiàn)氮素輕度虧缺，但從大喇叭口期到成熟期植株氮營(yíng)養(yǎng)均為充足，其中T2處理在灌漿中期和成熟期分別比CK高6.1%和4.5%，差異未達(dá)到顯著水平。

表2 不同處理下各生育時(shí)期植株氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)差異

2.4 基肥減施后移對(duì)夏玉米成熟期土壤硝態(tài)氮含量的影響

玉米收獲期，無(wú)論行間還是行上，隨土層加深，土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅砍氏葴p小后增加趨勢(shì)（圖5），但行間0～80 cm土層硝態(tài)氮含量均高于行上。處理間比較可以看出基肥減施后移可以降低0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮含量，其中玉米行間0～20 cm土層硝態(tài)氮含量CK＞T1＞T2，T2處理分別低于CK和T1處理41.85%和35.46%，差異達(dá)到顯著。深土層(80～100 cm)硝態(tài)氮含量T1和T2處理分別低于CK處理78.68%和56.02%，雖然差異未達(dá)到顯著水平。

圖5 夏玉米收獲期各土層土壤硝態(tài)氮含量變化

2.5 基肥減施后移對(duì)夏玉米根系時(shí)空分布的影響

2.5.1 根系干重的變化 大喇叭口期根系總干重CK＞T1＞T2，在0～15 cm土層，CK高于T1和T2處理，但在15～30 cm土層，T1和T2處理都高于CK(+45.63%，49.87%)，而且T2處理在30～45 cm土層根系干重也高于CK 55.34%（圖6），雖然差異不顯著。吐絲期根系總干重T2＞T1＞CK，在0～15 cm土層，T2高于T1和CK處理(+9.95%，+23.11%)，說(shuō)明基肥減施后移可以促進(jìn)前期深層根系生長(zhǎng)，補(bǔ)充生育后期的養(yǎng)分。

圖6 基肥減施后移對(duì)夏玉米不同時(shí)期根系干重的影響

2.5.2 根系表面積密度空間分布 根表面積密度是指單位體積土壤中根表面積所占的比例。各處理在不同土層根系表面積密度由中心向兩邊逐漸減少，即中心位置的根系數(shù)目最多（圖7）。不同處理間比較，大喇叭口期0～15 cm土層根系表面積密度為CK＞T2＞T1，但15～30 cm土層根系表面積密度為T2＞T1＞CK，其中T2和T1分別比CK高25.89%和36.17%，且T2處理30～45 cm土層根系表面積密度也較CK高68.59%，雖然差異不顯著。吐絲期0～45 cm土層根系總表面積密度處理間為T2＞T1＞CK，T2和T1分別比CK高23.5%和11.0%，差異不顯著。

圖7 基肥減施后移對(duì)夏玉米不同時(shí)期根系表面積密度空間分布的影響(cm2/cm3)

2.6 基肥減施后移對(duì)夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素及氮肥利用率的影響

基肥減施后移對(duì)夏玉米的收獲指數(shù)、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素均沒(méi)有顯著影響；但T2處理的收獲指數(shù)及產(chǎn)量均高于對(duì)照CK（9.6%和4.2%），百粒重也較其他處理高（表3）。T2處理的氮肥利用率最高，比對(duì)照CK高12.13%，說(shuō)明基肥減施后移至大喇叭口期可以在一定程度上提高氮肥利用率。

表3 基肥減施后移對(duì)夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素及氮肥利用率的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 基肥減施后移對(duì)夏玉米養(yǎng)分吸收和養(yǎng)分狀況的影響

養(yǎng)分吸收積累直接影響夏玉米的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量，作物對(duì)養(yǎng)分吸收積累需求規(guī)律是合理施用肥料的重要依據(jù)[23-24]。前人研究發(fā)現(xiàn)夏玉米全生育期對(duì)氮、磷吸收積累呈現(xiàn)“S”形曲線變化[23]，植株氮磷的吸收高峰階段為大喇叭口期—吐絲期[25]，而玉米對(duì)鉀素的吸收峰值期通常早于對(duì)氮磷的吸收[26]，鉀素累積高峰期出現(xiàn)在拔節(jié)期—大喇叭口期階段，吐絲后出現(xiàn)鉀素凈損失或微量増加[27]，可能與生育后期根系停止吸收鉀素、衰老器官如葉片脫落造成植株體內(nèi)鉀素的流失有關(guān)[28]。本研究也表明，在滴灌水肥一體化下，夏玉米氮磷的吸收高峰為拔節(jié)期—大喇叭口期、吐絲期—成熟期兩個(gè)階段，灌漿期間氮素吸收積累量占全生育期33.50%～41.88%，磷素吸收積累量占41.51%～49.57%，且吐絲期至成熟期是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的養(yǎng)分吸收關(guān)鍵期，該時(shí)期養(yǎng)分吸收速率大，積累量高（圖4）。說(shuō)明基肥減施后移能保證玉米中后期土壤的養(yǎng)分供給強(qiáng)度與植株對(duì)養(yǎng)分需求量相吻合。另外將基施氮磷鉀肥分別后移至拔節(jié)期和大喇叭口期的條件下，雖然在拔節(jié)期植株出現(xiàn)氮素輕度供應(yīng)不足(NNI＜1)，但干物質(zhì)積累量與對(duì)照（NPK常規(guī)基施）差異并不顯著（圖1）；大喇叭口期后各處理植株氮素供應(yīng)均充足(NNI＞1)，而CK（基肥氮施用占35%）在各生育期氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)[22]均大于1，說(shuō)明在本試驗(yàn)肥力條件下采取基肥適當(dāng)減施后移，可以滿足玉米中后期尤其灌漿期間養(yǎng)分需求，起到控前促后作用，同時(shí)減少肥料損失。

3.2 基肥減施后移對(duì)夏玉米成熟期土壤硝態(tài)氮含量的影響

施肥量與追肥時(shí)期的耦合效應(yīng)可在保障夏玉米豐產(chǎn)同時(shí)，大幅度降低土壤硝態(tài)氮?dú)埩鬧29]。趙士誠(chéng)[29]等研究表明與傳統(tǒng)施氮方式（N 240 kg/hm2，基肥和大喇叭口追肥為1:2）相比，氮肥減量部分后移（N 168 kg/hm2，基肥、大喇叭口肥和吐絲肥為1:3:1）可使耕層無(wú)機(jī)氮供應(yīng)較好地與作物吸收同步，提高吐絲后肥料利用效率，減少土壤硝態(tài)氮含量。本試驗(yàn)中基肥減施后移也降低了不同土層中的硝態(tài)氮含量，其中0～20 cm土層硝態(tài)氮T2處理低于對(duì)照CK 41.85%，深層80～100 cm土層硝態(tài)氮含量低于CK 56.02%，說(shuō)明基肥過(guò)量施氮一方面容易增加淺層土壤的氮素固定量，造成淺層土壤氮的累積（圖5）；另一方面也容易導(dǎo)致未被吸收氮肥向深層土壤的淋洗，增加了對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 基肥減施后移對(duì)夏玉米根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

根系是作物吸收土壤養(yǎng)分和水分的重要器官，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的影響，根系形態(tài)和空間分布影響作物養(yǎng)分吸收，合理施肥可以營(yíng)造良好的根際土壤環(huán)境，保證玉米根際養(yǎng)分的有效供應(yīng)[30]。前人研究表明氮肥能促進(jìn)根系生長(zhǎng)，增加根毛密度，增強(qiáng)根系生理功能[31-32]。本研究結(jié)果表明，基肥后移處理尤其是T2處理可以促進(jìn)大喇叭口期深耕層(15～45 cm)根系干重及表面積密度，增加深層根系空間分布，可能是因?yàn)榛蕼p施后移下淺層土壤養(yǎng)分虧缺，從而促進(jìn)根系向下生長(zhǎng)，吸收深耕層土壤養(yǎng)分。前人研究也表明生育前期少量供氮對(duì)根系生長(zhǎng)無(wú)抑制作用，而供氮水平進(jìn)一步提高，則對(duì)根系生長(zhǎng)有抑制作用[33-34]。本研究也發(fā)現(xiàn)，在大喇叭口期，雖然各處理根系表面積密度差異不顯著，但T2處理30～45 cm土層根系表面積密度較CK高68.59%（圖7），即基肥減施后移一定程度上能促進(jìn)前期根系下扎，對(duì)植株抗倒伏性起到很好的補(bǔ)償效應(yīng)。從收獲期產(chǎn)量和氮肥利用率來(lái)看，處理間雖然差異不顯著，但是總體上T2處理值均最高。

總之，基于對(duì)根系與養(yǎng)分協(xié)調(diào)性關(guān)系以及產(chǎn)量和氮肥利用效率的綜合分析，在滴灌水肥一體化下，玉米生產(chǎn)上可以根據(jù)地力采取基肥適當(dāng)減施后移拔節(jié)期甚至大喇叭口期，實(shí)現(xiàn)耕層無(wú)機(jī)氮供應(yīng)與作物吸收同步，提高植株對(duì)供給養(yǎng)分的吸收利用，降低土壤硝態(tài)氮?dú)埩?，同時(shí)促進(jìn)前期根系下扎，增強(qiáng)抗植株倒伏性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)。