干旱區(qū)滴灌玉米出苗期施用啟動磷肥的增產(chǎn)效應(yīng)

劉小龍，馮國瑞，張新疆，馬 林，邢 翔，呂海麗，危常州

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系，新疆石河子 832003）

玉米作為主要的糧食作物，在保障我國糧食和飼料安全方面發(fā)揮了重要作用[1-2]。磷肥在保證作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用[3]。新疆是干旱地區(qū)，目前本區(qū)域玉米生產(chǎn)除伊犁地區(qū)外，全部采用滴灌。在新疆滴灌栽培體系中，磷肥基本全部做追肥施用。新疆土壤基礎(chǔ)肥力較低，而新疆滴灌玉米一般在進(jìn)入拔節(jié)期 (出苗后50天左右) 才進(jìn)行第一次追肥，苗期可能出現(xiàn)養(yǎng)分不足的情況。基于以上問題，新疆通常在玉米播種后進(jìn)行一次滴灌施肥，以解決土壤基礎(chǔ)肥力低、可能限制玉米苗期生長的問題。這種施肥方法類似于國外施用的啟動肥，如在美國玉米生產(chǎn)中，通常在播種時在種子側(cè)方和下方5 cm處施用一些肥料[4]。但是美國的啟動肥通常是機(jī)械開溝施入的，而滴灌條件下肥料是隨著灌溉水施入土壤的。一般認(rèn)為啟動肥在低溫、濕度大的土壤如保護(hù)性耕作的土壤上增產(chǎn)作用最顯著[5-6]。最近的研究表明，在滴灌條件下施用啟動肥可以促進(jìn)玉米增產(chǎn)、提高磷肥利用效率和增加經(jīng)濟(jì)效益[7]。在化肥減量的條件下，啟動肥的施用可避免降低玉米籽粒產(chǎn)量[8]。Kim等[9]研究表明，施用含硫的液體啟動肥促進(jìn)了玉米增產(chǎn)。經(jīng)過酸化處理的有機(jī)肥和硝化抑制劑配施做啟動肥可以顯著增加玉米磷積累量[10]。腐植酸屬于酸性土壤改良劑，可通過影響根系形態(tài)、根系養(yǎng)分吸收、根系基因表達(dá)等來影響根系的生長發(fā)育[11]。檸檬酸浸種能夠增加苦蕎的總根長和側(cè)根數(shù)[12]。腐植酸和檸檬酸與磷肥配合在苗期作為啟動肥對玉米生長和磷肥利用效率的影響未見報道。本文通過兩年田間試驗進(jìn)行了相關(guān)研究，為提高啟動磷肥的施用效果提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗在新疆石河子市天業(yè)農(nóng)業(yè)試驗站進(jìn)行(86°04′E，44°21′N)。試驗站地處天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，干旱少雨，屬于典型的溫帶大陸性氣候，年均氣溫7℃～8℃，該地區(qū)年均降水量為210 mm，年均潛在蒸發(fā)量1600 mm，土壤類型為灌耕灰漠土，質(zhì)地為壤土，耕層土壤 (0—20 cm) 基本理化性質(zhì)如下：pH 8.12，有機(jī)質(zhì)20.56 g/kg，全氮0.74 g/kg，全磷0.98 g/kg，速效磷15 mg/kg，速效鉀403 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020、2021年進(jìn)行，2020年玉米4月22日播種，9月20日收獲，2021年玉米4月17日播種，9月18日收獲，供試品種為“新玉65”。玉米采用寬窄行栽培，寬行70 cm，窄行30 cm，株距18 cm，播種理論密度11.1×104株/hm2。試驗設(shè)置：全生育期不施磷肥 (CK)；磷酸二銨從拔節(jié)期開始滴灌施肥 (CF)；30%氮磷鉀做啟動肥 (DSF)；30%氮磷鉀結(jié)合腐植酸做啟動肥 (HSF)；30%氮磷鉀結(jié)合檸檬酸做啟動肥 (CSF)，3種啟動肥處理中，磷肥均為磷酸二銨，共5個處理，每個處理重復(fù)3次，共計15個田間試驗小區(qū)，每個小區(qū)面積48 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。除對照處理(CK)外，4個施肥處理的氮磷鉀投入總量相同，均為N 315 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。3個啟動肥處理中，N、P2O5、K2O總量的30%用于啟動肥，于玉米播種后一天隨出苗水(450 m3/hm2)滴灌施入，其余70%的肥料在玉米完成蹲苗后開始共分6次隨滴灌進(jìn)行追施，灌溉量為4740 m3/hm2。供試腐植酸 (南寧合潤發(fā)科技有限公司生產(chǎn)的生化腐植酸，HA，其中N 3.5%、P2O50.5%、K2O 10.8%)施用量為45 kg/hm2，將其含有的氮、磷量的50%、鉀的100%計入總養(yǎng)分量，在追施磷酸二銨中刨除。檸檬酸 (CA) 為分析純化學(xué)試劑 (C6H8O7·H2O)，使用量為3 kg/hm2。供試市售化肥包括尿素 (N 46%)、磷酸二銨 (N 16%，P2O550%)、硫酸鉀 (K2O 51%)。其余田間管理措施同一般大田。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)測定 采用水土質(zhì)量比為2.5∶1法測定土壤pH；重鉻酸鉀外加熱法測定有機(jī)質(zhì)；半微量開氏法測定全氮；高氯酸—硫酸法測定全磷；NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定速效磷；NH4OAC浸提，火焰光度計法測定速效鉀。

1.3.2 根系指標(biāo) 于玉米苗期 (五葉期) 每小區(qū)選擇長勢均勻一致連續(xù)的植株3株，取苗期玉米根系，按土體體積30 cm×54 cm×30 cm挖掘，用Epson Perfection 4870 Photo掃描儀掃描根系樣品，用WinRhizo 2016根系分析軟件測定總根長。

1.3.3 干物質(zhì)及磷累積量 分別在玉米二葉期(2020年5月9日、2021年5月8日)，三葉期(2020年5月12日、2021年5月12日)，四葉期(2020年5月20日、2021年5月19日)，五葉期(2020年5月23日、2021年5月26日)、拔節(jié)期(2020年6月18日、2021年6月19日)、抽雄期(2020年7月3日、2021年7月6日)、成熟期(2020年8月28日、2021年8月28日) 每個小區(qū)選擇生長發(fā)育一致、葉片無病斑和破損的植株3株，苗期分為地上部和地下部，其余生育期將植株地上部按葉、莖 (鞘)、籽粒、穗軸等器官分開，烘箱105℃殺青60 min，80℃烘至恒重稱干重，之后粉碎過0.25 mm篩用于測定P含量。

1.3.4 葉面積指數(shù) 在拔節(jié)期、抽雄期和成熟期每小區(qū)選擇長勢一致的植株3株，測定綠葉面積。

單葉面積 = 葉長×葉寬×0.75 (校正系數(shù))

葉面積指數(shù) (LAI) = 該土地面積上的總?cè)~面積/土地面積

1.3.5 葉綠素相對含量 (SPAD值) 使用SPAD-502葉綠素計 (日本美能達(dá)公司制造)，在拔節(jié)期測定倒數(shù)第二片展開葉，抽雄期和成熟期測定穗位葉，測定葉基、葉中、葉尖的葉綠素含量，每小區(qū)測5株取平均值作為該小區(qū)葉片的SPAD值。

1.3.6 凈光合速率 在拔節(jié)期、抽雄期、成熟期選擇晴朗的天氣于10:00—13:00采用LI-6400便攜式光合作用系統(tǒng) (美國Li-cor公司生產(chǎn)) 在田間直接測定凈光合速率，選每個小區(qū)有生長代表性的植株3株，拔節(jié)期測定倒數(shù)第二片展開葉，抽雄期和成熟期測定穗位葉，每個葉片測量3次，取平均值。

1.3.7 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 在玉米籽粒成熟期，每個小區(qū)選取6.67 m2進(jìn)行人工收獲，統(tǒng)計有效穗數(shù)，用均值法選取10穗，自然風(fēng)干后進(jìn)行室內(nèi)考種，考察穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重及含水量，產(chǎn)量按籽粒含水量14%進(jìn)行折算。

1.4 計算公式

比根長 (m/g) = 根系總長度/根系生物量

根長密度 (mm/cm3) = 總根長/土壤體積

根重密度 (mg/cm3) = 總根重/土壤體積

磷素吸收量 (kg/hm2) = 單位面積株數(shù)×單株磷吸收量

磷表觀利用率 (%) = (施磷植株地上部吸磷量-對照小區(qū)植株地上部吸磷量)/磷肥(P2O5)用量×100

磷農(nóng)學(xué)利用效率 (kg/kg) = (施磷小區(qū)籽粒產(chǎn)量-對照小區(qū)籽粒產(chǎn)量)/磷肥(P2O5)用量

磷偏生產(chǎn)力 (kg/kg) = 施磷小區(qū)籽粒產(chǎn)量/磷肥(P2O5)用量

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行處理和分析，不同處理采用Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(P＜0.05為差異顯著)。用Microsoft Excel 2010 軟件制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米苗期根系生長

2020和2021年施用啟動磷肥均促進(jìn)了苗期玉米總根長、根長密度和根重密度的增加，但對比根長沒有顯著影響 (表1)。其中，DSF、HSF和CSF處理的玉米總根長、根長密度和根重密度顯著高于CF和CK處理，DSF較CF處理總根長在2020和2021年分別顯著增加了16.10%和10.70%；在啟動肥中，配合腐植酸 (HSF) 或檸檬酸 (CSF) 處理進(jìn)一步顯著增加了玉米總根長、根長密度和根重密度，其中根長密度較DSF處理兩年平均分別增加了10.59%和13.28%；HSF和CSF處理的玉米總根長、根長密度和根重密度無顯著差異。

表1 不同施肥處理對玉米苗期根系參數(shù)的影響Table 1 Root parameters of maize at seedling stage under different fertilization treatments

2.2 玉米苗期干物質(zhì)累積及磷累積吸收量

2020和2021年施用啟動磷肥均促進(jìn)了三葉期至五葉期玉米干物質(zhì)累積及磷累積吸收量，但對二葉期玉米促進(jìn)效果不明顯 (圖1，圖2)。其中在三葉期至五葉期DSF、HSF和CSF處理地上部和地下部干物質(zhì)累積及磷累積吸收量多顯著高于CF和CK處理，在二葉期至五葉期，DSF較CF處理根系干物質(zhì)累積及磷累積吸收量在2020分別增加了14.23%、16.52%，在2021年分別增加了10.87%、9.71%。在啟動肥中，配合腐植酸 (HSF) 或檸檬酸 (CSF) 處理進(jìn)一步促進(jìn)了干物質(zhì)累積和磷累積吸收量的增加，但HSF和CSF處理間無顯著差異。

圖2 不同施肥處理苗期玉米地上部和地下部磷累積吸收量Fig.2 P accumulation in aboveground and underground of maize at seedling stage under different fertilization treatments

2.3 拔節(jié)期、抽雄期和成熟期玉米光合特性、干物質(zhì)累積及磷累積吸收量

2020和2021年在玉米拔節(jié)期和抽雄期，葉面積指數(shù)、葉片SPAD值和凈光合速率均表現(xiàn)出HSF≈CSF＞DSF＞CF＞CK (圖3)。2020 年在玉米拔節(jié)期和抽雄期，相比CF處理，DSF、HSF和CSF處理提高了玉米葉面積指數(shù)、SPAD值和凈光合速率，在啟動肥中，配合腐植酸 (HSF) 或檸檬酸 (CSF) 處理進(jìn)一步提高了促進(jìn)效果。2021年表現(xiàn)出與2020年相近的變化規(guī)律。

圖3 不同施肥處理玉米葉面積指數(shù)、SPAD值和凈光合速率Fig.3 Leaf area index, SPAD value and net photosynthetic rate of maize under different fertilization treatments

施用啟動磷肥處理有利于玉米各生育期地上部干物質(zhì)累積量和磷累積吸收量的增加 (表2)。2020和2021年，不同施肥處理拔節(jié)期、抽雄期和成熟期玉米干物質(zhì)積累及磷累積吸收量均表現(xiàn)為HSF≈CSF＞DSF＞CF＞CK。與CF處理相比，DSF處理成熟期磷累積吸收量兩年平均增加了7.01%。2020年，與DSF處理相比，配合腐植酸 (HSF) 或檸檬酸 (CSF) 處理玉米成熟期磷累積吸收量分別增加了10.48%和7.86%，兩年平均分別增加了9.71%和8.67%，但HSF和CSF處理間無顯著差異。2021年表現(xiàn)出與2020年近似的變化規(guī)律。

表2 不同施肥處理下玉米各生育期的干物質(zhì)積累及磷累積吸收量 (kg/hm2)Table 2 Cumulative dry matter and P accumulation of maize at each growth stage under different fertilization treatments

2.4 收獲期玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因子

兩年數(shù)據(jù)顯示，施用啟動磷肥處理可以通過增加玉米穗部行粒數(shù)和穗粒數(shù)達(dá)到增產(chǎn)的效果 (表3)。與CF處理相比，DSF、HSF和CSF處理，2020年玉米行粒數(shù)分別增加了2.99%、5.70%和7.46%，穗粒數(shù)分別增加了5.04%、4.90%和7.42%，產(chǎn)量分別增加了4.60%、8.77%和9.82%；2021年啟動磷肥處理較常規(guī)施肥處理玉米行粒數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量表現(xiàn)出與2020年近似的變化規(guī)律，與CF處理相比，DSF處理產(chǎn)量兩年平均增加了4.62%。與DSF處理相比，配合腐植酸 (HSF) 或檸檬酸 (CSF) 處理2020年玉米產(chǎn)量分別增加了3.99%和4.99%，2021年玉米產(chǎn)量分別增加了5.72%和7.03%。但兩年結(jié)果顯示HSF和CSF處理之間行粒數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量均無顯著差異。

表3 不同施肥處理玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 3 Maize yield and its yield components under different fertilization treatments

2.5 玉米磷養(yǎng)分利用效率

DSF、HSF和CSF較CF處理磷表觀利用率、磷農(nóng)學(xué)利用效率和磷偏生產(chǎn)力均有提升 (表4)。DSF、HSF和CSF較CF處理，2020年磷表觀利用率分別提升了3.21、9.13和7.66個百分點；磷農(nóng)學(xué)利用效率分別提升了28.05%、53.51%和59.91%；磷偏生產(chǎn)力分別提升了4.60%、8.77%和9.82%。與DSF處理相比，HSF和CSF處理2020年磷表觀利用率分別提升了5.92個百分點和4.45個百分點；磷農(nóng)學(xué)利用效率分別提升了19.88%和24.88%；磷偏生產(chǎn)力分別提升了3.99%和4.99%。2021年表現(xiàn)出與2020年近似的變化規(guī)律，啟動磷肥處理較常規(guī)施肥處理磷表觀利用率、磷農(nóng)學(xué)利用效率和磷偏生產(chǎn)力均有提升，在啟動肥中，配合腐植酸 (HSF) 或檸檬酸 (CSF)進(jìn)一步提升了磷肥利用效率，但HSF和CSF處理間無顯著差異。

表4 不同施肥處理下玉米磷素養(yǎng)分利用率Table 4 Phosphorus use efficiencies of maize under different treatments

3 討論

根是植物養(yǎng)分吸收的主要器官，發(fā)達(dá)的根系是作物獲取充足營養(yǎng)的基礎(chǔ)[13]。玉米磷營養(yǎng)臨界期在三葉期[14]，因此根系的早期生長對中后生育期的養(yǎng)分吸收、光合產(chǎn)物合成以及產(chǎn)量的形成至關(guān)重要。本研究發(fā)現(xiàn)，啟動磷肥的投入對玉米苗期根系的建成有重要影響。2020和2021年，在玉米苗期時，DSF較CF處理總根長分別顯著增加了16.10%和10.70%(表1)。與之對應(yīng)的，從二葉期至五葉期，DSF較CF處理兩年根系干物質(zhì)累積量分別增加了14.23%和10.87% (圖1)，磷累積吸收量分別增加了16.52%和9.71% (圖2)。以上數(shù)據(jù)說明，啟動磷肥的施用促進(jìn)了玉米早期根系生長，進(jìn)而提高了玉米生物量和磷養(yǎng)分吸收。2020和2021兩年數(shù)據(jù)平均值顯示，DSF較CF處理成熟期磷累積吸收量增加了7.01%(表2)，產(chǎn)量增加了4.62% (表3)，這與Ma等[15]研究結(jié)果相近。這表明在相同磷肥用量下，部分磷肥做啟動肥可以促進(jìn)玉米苗期根系生長進(jìn)而增加了后期玉米磷累積吸收量，并起到增產(chǎn)的效果。

與DSF處理相比，配合腐植酸 (HSF) 或檸檬酸(CSF) 處理玉米苗期地下部干物質(zhì)累積及磷累積吸收量兩年內(nèi)均有提升 (圖1，圖2)，說明磷酸二銨做啟動肥配合生物活性物質(zhì)促進(jìn)了玉米根系生長和提高了根系對磷素吸收能力。研究發(fā)現(xiàn)腐植酸能夠刺激根系生長，增加總根長度、主根長度和側(cè)根長度，并促進(jìn)了不同直徑根數(shù)量的增加，形成更大的根系系統(tǒng)[16-18]，強(qiáng)化玉米根系生長利于玉米對養(yǎng)分的吸收[19]。檸檬酸同樣能夠改變作物根系形態(tài)，增強(qiáng)根系的養(yǎng)分吸收能力，此外，強(qiáng)大的根系系統(tǒng)可以增加堿性磷酸酶的分泌，利于土壤有機(jī)磷向無機(jī)磷的轉(zhuǎn)化，可以改善苗期玉米生長的磷素營養(yǎng)條件[20-21]。兩年的試驗數(shù)據(jù)均顯示，生物活性物質(zhì)與磷酸二銨配合施用 (HSF和CSF)做啟動肥玉米苗期總根長、根長密度和根重密度顯著大于磷酸二銨用做啟動肥處理 (DSF)。與之對應(yīng)的，在啟動肥中，配合腐植酸 (HSF)或檸檬酸 (CSF) 較DSF處理，兩年平均苗期根長密度分別增加了10.59%和13.28% (表1)，成熟期磷累積吸收量分別增加了9.71%和8.67%(表2)。

腐植酸和檸檬酸配合啟動磷肥導(dǎo)致玉米增產(chǎn)的另一原因可能和土壤磷的有效性有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸和檸檬酸均可通過競爭磷在土壤上的吸附位點，減緩有效磷向難溶性磷的轉(zhuǎn)化速率，進(jìn)而減少磷被土壤固定的量[22-24]；李軍等[25]研究也表明，腐植酸磷肥增加了0—30 cm土層速效磷含量，并促進(jìn)了玉米體內(nèi)磷素的轉(zhuǎn)運，提高了玉米籽粒磷吸收量，并增加了磷素收獲指數(shù)。檸檬酸的施用可以向土壤微生物提供碳源，改變土壤微生物的種群結(jié)構(gòu)，增加溶磷功能細(xì)菌的數(shù)量，進(jìn)而促進(jìn)土壤中礦物磷的溶釋，增加有效磷含量[26]。本研究中，相比DSF處理，配合腐植酸 (HSF) 或檸檬酸 (CSF) 處理玉米磷養(yǎng)分累積量均有增加，可能啟動磷肥配施活性物質(zhì)腐植酸或檸檬酸對土壤磷養(yǎng)分活化是外在條件改善，而生物活性物質(zhì)對根系生長的促進(jìn)作用是玉米根系增強(qiáng)養(yǎng)分自主吸收的內(nèi)在動力。

4 結(jié)論

滴灌條件下，在播種后1天施肥 (啟動肥) 較常規(guī)的蹲苗后開始施肥更有利于玉米的生長和對磷的吸收利用。在啟動肥中，配合腐植酸 (HSF) 或檸檬酸 (CSF) 進(jìn)一步促進(jìn)了玉米苗期根系生長及養(yǎng)分吸收，增加了成熟期玉米干物質(zhì)累積及磷累積吸收量，從而增加了玉米產(chǎn)量及磷養(yǎng)分利用效率，2020年產(chǎn)量分別增加了3.99%和4.99%，磷表觀利用率分別提升了5.92個百分點和4.45個百分點，磷農(nóng)學(xué)利用效率分別提升了19.88%和24.88%，磷偏生產(chǎn)力分別提升了3.99%和4.99%。綜上，以30%的氮磷鉀肥量配合腐植酸或檸檬酸，在玉米播種后作為啟動肥施用是干旱區(qū)滴灌玉米增產(chǎn)增效的一種新方法。