優(yōu)化栽培與施磷措施對春玉米生育期生長及土壤性質(zhì)的影響

劉小雨，楊豫，馬琴，焦慧潔，劉金山

西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施用磷肥有利于根系數(shù)量增加、根系形態(tài)改善和籽粒產(chǎn)量顯著增加［1］，但過量施用磷肥會導(dǎo)致土壤磷素累積、肥料利用率低、環(huán)境超負(fù)荷、甚至減產(chǎn)等風(fēng)險［2］。在西北玉米生產(chǎn)中，磷肥施用不合理現(xiàn)象較為普遍。例如在寧夏春玉米種植區(qū)，70.1%的農(nóng)戶磷肥投入量偏高［3］，在陜西渭北旱塬春玉米種植區(qū)，30.4%以上農(nóng)戶施磷量偏高［4］。因此，優(yōu)化磷肥施用措施對降低磷肥用量、解決全球磷資源短缺問題和提高磷肥利用效率具有重要意義。

在西北旱地，覆膜基礎(chǔ)上磷肥用量減少38%～42%仍可保證玉米穩(wěn)產(chǎn)［5］；磷肥條施較傳統(tǒng)撒施可提高農(nóng)學(xué)利用率和產(chǎn)量，磷酸二銨、重過磷酸鈣等磷肥條施全部作基肥作物的根系長度增加2.3%～23.3%，根系活力提高1 倍以上［6］。此外，聚磷酸銨磷肥較過磷酸鈣磷肥可顯著提高石灰性土壤的有效磷含量，促進(jìn)磷吸收，磷肥當(dāng)季利用率高達(dá)67%［7］。由此說明，采用不同磷肥品種及施肥措施可進(jìn)一步影響磷肥利用效率，但不同區(qū)域和作物效果不一致。

玉米苗期或前期是磷素的養(yǎng)分臨界期，對磷肥有較強(qiáng)的需求，而且苗期的生長發(fā)育直接影響玉米后期的產(chǎn)量以及養(yǎng)分累積。因此，在此階段有針對性地開展促進(jìn)玉米生長的磷肥施用措施探究具有重要意義。但目前針對西北旱區(qū)不同優(yōu)化磷肥施用和栽培措施對春玉米生長前期生長發(fā)育和土壤環(huán)境的研究較少。故本研究在覆膜和不覆膜栽培2 種條件下，結(jié)合不同磷肥施用措施，探索該地區(qū)春玉米生育前期蓄水保墑、磷肥高效吸收利用的優(yōu)化農(nóng)業(yè)措施，為提高磷肥利用效率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2019―2020 年在黃土高原中南部陜西長武縣洪家鄉(xiāng)王東溝村（35°12′N，107°40′E，海拔1 200 m）進(jìn)行，該地區(qū)地帶性土壤為黑壚土，質(zhì)地均勻。年平均氣溫9.1 ℃，無霜期171 d。年降水量584 mm，但受季風(fēng)影響年際間降雨差異較大，多集中于春玉米生長季。試驗(yàn)地土壤性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)12.86 g/kg，全磷0.73 g/kg，有效磷（Olsen-P）10.5 mg/kg，硝態(tài)氮15.5 mg/kg，全氮0.84 g/kg，有效鉀133.5 mg/kg，土壤pH（H2O）為8.17，容重1.23 g/cm3。試驗(yàn)期間（5―9月）月平均降雨分別為76、128、96、124、100 mm，平均氣溫分別為17、19、21、20、16 ℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計，主處理為覆膜（FM）和不覆膜（NM），F(xiàn)M 處理采用全膜雙壟溝栽培模式，NM處理采用無膜雙壟溝栽培模式。副處理為不同的磷肥施用措施：條施聚磷酸銨（LAPP）、撒施過磷酸鈣（BSSP）、條施過磷酸鈣（LSSP）、對照（CK）。其中CK 處理僅施用氮肥和鉀肥，各處理對應(yīng)的施肥量均為N 225 kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 96 kg/hm2。聚磷酸銨（APP）為N∶P2O5∶K2O=18∶58∶0。條施是指在距離玉米種植行5 cm 處挖深10～13 cm 的溝，將磷肥均勻撒入溝內(nèi)后填埋。氮肥總量的50%和全部磷鉀肥作為基肥在土壤旋耕后人工撒施（條施處理除外）并翻入耕層，其余50%氮肥作為追肥在大喇叭口期穴施，施肥點(diǎn)距離植株10 cm，深10 cm。試驗(yàn)供試玉米品種為先玉335，種植密度65 000 株/hm2，株距31 cm，播種日期為4 月30 日左右。每個處理重復(fù)3次，整個生育期按照農(nóng)戶習(xí)慣進(jìn)行田間管理。

1.3 樣品采集與測定

植株樣品采集：在2019、2020年玉米播種后第30天、第50 天分別從各小區(qū)挖取3 株玉米，帶回洗干凈并分為地上部與根系兩部分，烘干稱質(zhì)量后粉碎備用；另從各小區(qū)挖取2 株0～20 cm 深的玉米根系，洗干凈后進(jìn)行根系掃描。

土壤樣品采集：在以上2個時期于每個小區(qū)采用“五點(diǎn)法”采集植株行距0～20 cm 的土壤樣品，挑出雜物后混勻，分取適量測定土壤水分含量，其余風(fēng)干后研磨過孔徑1 mm篩保存，用于土壤性質(zhì)測定。

土壤水分含量、生物量等測定分析均參照文獻(xiàn)［8］；采用溫度記錄器（HOBO MX2203 TidbiT 400，美國）測定土壤溫度（深度10 cm）；采用WinRHTZO（Regent Instruments Inc.，加拿大）根系掃描系統(tǒng)獲得各生育期根系生態(tài)指標(biāo)；采用磷酸苯二鈉比色法［9］測定土壤堿性磷酸酶活性；采用碳酸氫鈉浸提流動分析儀（AA3，SEAL，德國）測定土壤速效磷含量；采用濃H2SO4-H2O2消煮流動分析儀測定植物樣品中的磷養(yǎng)分含量。

1.4 數(shù)據(jù)計算與處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 和DPS（v6.5）軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析，采用LSD 法進(jìn)行方差分析（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 春玉米生育前期土壤水分含量及溫度

覆膜在春玉米的生長發(fā)育前期具有顯著的保水及保溫作用（圖1 和表1）。2019―2020 年覆膜處理各時期耕層土壤的水分含量及貯水量比不覆膜處理平均高24.7%（表1）；春玉米播種后50 d 內(nèi)覆膜處理的耕層土壤溫度比不覆膜處理平均高11%（圖1）。

表1 2019－2020年生育前期0～20 cm土層各處理土壤含水量與貯水量Table 1 Soil water content and storage in the 0-20 cm soil layer at the early growth stage of maize from 2019 to 2020

圖1 2019―2020年春玉米生育前期耕層土壤溫度Fig.1 Soil temperature in the surface layer at the early growth stage of spring maize from 2019 to 2020

2.2 土壤堿性磷酸酶活性

不同磷肥優(yōu)化施肥措施影響土壤堿性磷酸酶活性，且覆膜與不覆膜2種條件下的結(jié)果呈現(xiàn)相反現(xiàn)象（圖2）。覆膜條件下，LAPP 處理堿性磷酸酶活性在播后30 d 和50 d 比BSSP 處理分別平均低28.7%和30.8%，比LSSP 處理分別平均高7.4% 和20.4%。不覆膜條件下，LAPP處理的堿性磷酸酶活性在播后30 d 與50 d 比BSSP 處理分別平均高45.9% 和14.8%。

圖2 2019－2020年春玉米生育前期耕層土壤堿性磷酸酶活性Fig.2 Soil alkaline phosphatase activities in the surface layer at the early growth stage of spring maize from 2019 to 2020

2.3 土壤速效磷含量

LAPP 及LSSP 處理可顯著提高耕層土壤速效磷含量（圖3）。覆膜條件下，播后30 d 時條LAPP 處理2 年土壤的速效磷含量比BSSP、LSSP 處理分別平均高84.2%、34.1%；播后50 d 比BSSP 處理、LSSP 處理分別平均高61.4%、31.1%。在不覆膜條件下也有相似趨勢，條施磷肥土壤速效磷含量整體要高于撒施處理。

圖3 2019－2020年春玉米生育前期耕層土壤速效磷含量Fig.3 Soil available phosphorus content in the surface soil at the early growth stage of spring maize from 2019 to 2020

2.4 春玉米生育前期根系形態(tài)特征

覆膜處理根系各形態(tài)參數(shù)整體上優(yōu)于不覆膜處理（表2）。播后50 d，LAPP 處理總根長在覆膜條件下比LSSP處理平均高16.76%、比BSSP處理平均高15.4%，在不覆膜處理條件下比BSSP 處理平均高22.5%；LAPP 處理根表面積在覆膜條件下比其他處理平均高9.38%～34.74%，在不覆膜條件下比其他處理平均高3.1%～40.8%；LAPP 處理≤0.5 mm 細(xì)根長在覆膜與不覆膜條件下比其他處理分別平均高15.4%～43.2%和10.3%～102.2%。

表2 2019-2020年春玉米生育前期單株根系形態(tài)參數(shù)Table 2 Root morphological parameters per plant at the early growth stage of spring maize from 2019 to 2020

2.5 春玉米生育前期生物量及磷素吸收

覆膜顯著提高了春玉米生育前期根系及地上部生物量和磷素吸收累積量（表3）。2019―2020 年在播后第30 天和第50 天，覆膜處理不同施肥措施下平均磷素累積量是不覆膜處理的2.9～3.5倍，但各優(yōu)化施肥處理間在生物量、磷含量及累積量方面表現(xiàn)不同。

3 討 論

3.1 優(yōu)化栽培與施肥措施對土壤性質(zhì)的影響

地膜覆蓋可使土壤的水熱條件得到優(yōu)化，減少水分蒸發(fā)并保證土壤溫度，促進(jìn)作物的生長從而提高產(chǎn)量［10］。本研究覆膜提高春玉米生育前期耕層土壤水分含量20%以上（表1），提高耕層土壤溫度10%以上（圖1），這是因?yàn)樯捌谟衩字仓耆~面較小，覆膜處理有效減少了長波輻射，且減少水分蒸發(fā)，起到保溫保墑的作用［11］。

土壤磷酸酶對有機(jī)磷的礦化及植物的磷素營養(yǎng)有重要影響，覆膜可顯著提高土壤堿性磷酸酶活性［12］，且土壤養(yǎng)分充足時微生物相對較為活躍，酶活性也相應(yīng)較高［13］。覆膜栽培措施改善了微環(huán)境，條施處理下春玉米前期生長快，土壤養(yǎng)分消耗量大，導(dǎo)致殘留在土壤中的養(yǎng)分較撒施處理少，因此覆膜情況下LSSP 處理堿性磷酸酶活性低于BSSP 處理。而LAPP 處理堿性磷酸酶活性高于LSSP 處理可能與其根系生長比較旺盛有關(guān)（圖2）。

施用磷肥可明顯提高耕層土壤的速效磷含量，且在一定范圍內(nèi)二者呈正相關(guān)［14］。在本研究中施用磷肥可顯著提高土壤速效磷含量，其中LAPP處理要高于其他處理6.4% 以上，比不施磷肥高出84.2%（圖3）。磷肥條施較為集中、與土壤接觸面較撒施處理小，被土壤固定減少，導(dǎo)致土壤速效磷含量較撒施處理高，這與Thomas 等［15］的研究結(jié)果一致，而聚磷酸銨作為緩溶性長效肥料［16］，一定程度也影響了土壤速效磷的有效性。

3.2 優(yōu)化栽培與施肥措施對春玉米生長的影響

覆膜的保溫保墑作用有利于春玉米生育前期根系及地上部的生長發(fā)育［17］。本研究中，覆膜處理根體積、根表面積、總根長及直徑＜0.50 mm 細(xì)根長整體上高于不覆膜處理（表2），且顯著提高了根系及地上部的干物質(zhì)累積量（表3）。此外，相較于傳統(tǒng)撒施磷肥，該研究中條施磷肥對春玉米生育前期根長及根表面積也有所提高（表2），這與范秀艷等［18］改變養(yǎng)分的供應(yīng)位置，可有效刺激根系生長或增殖，提高植物對土壤養(yǎng)分的吸收面積這一研究結(jié)論一致。江尚燾等［19］研究表明，磷肥集中施用有利于作物的生長與生物量的累積。本試驗(yàn)2 年期間不同磷肥施用措施對春玉米的前期根系及地上部生物量無顯著影響（表3），可能由于該地區(qū)試驗(yàn)期內(nèi)降水充足、磷營養(yǎng)得到及時供應(yīng)，導(dǎo)致磷肥優(yōu)化措施效果不明顯。

3.3 優(yōu)化栽培與施肥措施對春玉米磷素吸收利用的影響

春玉米前生育期，覆膜處理根系及地上部生物量較不覆膜明顯提高，在植株體內(nèi)磷素含量無明顯差異的情況下，覆膜處理在同時期獲得了較高的磷素累積量（表3）。這與程明芳等［20］對全國不同地區(qū)及不同作物的磷素吸收探究結(jié)果一致。磷在土壤中的擴(kuò)散移動能力較弱，植物吸收利用磷素能力取決于根系生長情況［21］，且相較于傳統(tǒng)的磷肥，施用聚磷酸銨磷肥可提高磷素吸收利用［22］。在本研究中，LAPP處理玉米根系形態(tài)參數(shù)優(yōu)于其他處理，植株磷素吸收累積整體上略高于其他處理但無顯著差異，可能與這2年生育前期降水量比較充足，土壤水分對聚磷酸銨分解作用較強(qiáng)有關(guān)［23］。此外，蘇同慶等［24］的盆栽試驗(yàn)表明磷肥集中施用可提高作物對磷素的吸收。在本研究中，條施磷肥處理并沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。因?yàn)榱追时旧磙D(zhuǎn)化吸收過程相對復(fù)雜，受土壤類型和土地利用方式等多方面因素影響［25］，導(dǎo)致差異的具體原因還需進(jìn)一步探究。既要滿足該地玉米更好生長，又要保證磷肥的高效利用，采用覆膜加上條施磷肥（如聚磷酸銨）是目前較為合理的栽培措施。

表3 2019-2020年春玉米生育前期單株生物量及磷素吸收累積量Table 3 Biomass and phosphorus uptake and accumulation per plant at early growth stage of spring maize from 2019 to 2020