干旱区玉米不同水肥下N、P、K吸收及干物质积累规律的研究

李小炜,李晓韬

(榆林学院 生命科学学院,陕西 榆林 719000)

玉米已成为我国最重要的粮食作物之一,在食品、饲料、工业原料等方面具有广泛的用途[1-2]。高产栽培技术已使玉米单产大幅提高,其中化肥投入尤其是N、P、K肥投入是实现玉米增产的最重要因素[3]。但是由于施肥缺乏科学依据,不能掌握N、P、K素在玉米体内分布和积累的规律,造成了3种肥料配施不合理、施肥量不科学等多种问题[4-5]，导致了玉米产量降低、肥料浪费、生产成本提高、土壤化肥残留污染等诸多问题[6-8]。

前人对玉米N、P、K素吸收规律的研究大多是在灌水充分的条件下进行的，而在干旱地区进行的类似研究很少。干物质积累是研究作物N、P、K素积累的基础数据,也是产量研究的依据[9]。在干旱地区玉米栽培中，灌水量不足,玉米对N、P、K素的吸收和积累具有其特殊性。鉴于此，我们在宁夏中部干旱少雨、土壤贫瘠[10]的盐池县开展试验，研究了不同水肥条件下N、P、K素在玉米整株和根、茎、叶、籽粒中的分布和干物质积累规律,以期为干旱区玉米生产中N、P、K肥科学配合施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年在盐池县实施,该地为干旱半干旱气候,日平均温度21.6 ℃,年降水量265 mm,≥10 ℃有效积温为2949.9 ℃·d,无霜期151 d。该地由于自然生态环境遭到严重破坏,常年风沙,原灰钙土表层覆盖深厚沙土。土壤容重1.44, pH 8.5,总孔隙度46.42%,田间持水量18.4%；速效氮27.88 mg/kg,速效钾92.5 mg/kg,速效磷3.24 mg/kg,有机质3.18 g/kg。

供试玉米品种为正大12,种植密度为90900株/hm2;采用滴灌,进行水、肥一体化管理。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 灌水量试验:试验设置3个处理:1350、2700、4500 m3/hm2,每个处理3个重复。分别施N、P、K肥562.5 kg/hm2;在播种前施用4500 kg/hm2有机肥作为基肥。

施肥量试验:试验设置3个处理,每个处理3个重复: N、P、K肥总量分别为450、675、900 kg/hm2。在播种前统一施用4500 kg/hm2有机肥作为基肥；各处理的灌水量均为3150 m3/hm2。滴灌肥中N∶P2O5∶K2O=25∶9∶16,总养分率为56%， N∶P∶K≈6∶1∶3。

生育期干物质积累变化规律试验:设置1个处理3个重复,生育期施N、P、K肥总量675 kg/hm2；施4500 kg/hm2有机肥作为基肥；滴灌量为2700 m3/hm2。

1.2.2 测定方法 生育期干物质积累规律试验:在玉米生育期间，每隔10 d随机采集3株，测定平均株高、茎粗,测量根、茎、叶、籽粒干重。

不同施肥量和灌水量下N、P、K及干物质积累规律试验:在玉米灌浆后期，测量不同水、肥处理下玉米整株和各器官中N、P、K及干物质的积累量。用H2SO4-H2O2消煮蒸馏法测定全氮含量,用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定全磷含量,用火焰光度计读取测定[11]全钾含量。

1.3 数据分析

以下项目均采用单因素方差分析(one-way ANOVA):不同灌水量、施肥量下玉米干物质积累量的差异；不同灌水量、施肥量下各器官N、P、K素积累量的差异。统计学分析采用SAS 8.01数据统计软件进行。

2 结果与分析

2.1 干物质积累规律

2.1.1 生育期干物质积累随时间的变化规律 在N、P、K肥总量675 kg/hm2、滴灌量2700 m3/hm2条件下进行试验。从图1-a可以看出：在生育期0～40 d的苗期，干物质积累缓慢;从生育期30 d到生育期90 d,为苗期末期到拔节期结束,干物质积累为逐渐加快的过程；在拔节中后期，即生育期70～90 d,为整个生育期间干物质积累最快期,此期水、肥供应是玉米高产的关键;生育期90～120 d为灌浆早期和中期,由于果穗的迅速生长,干物质积累仍然保持着较快的增长速度；在生育期120～150 d即灌浆后期,果穗生长逐渐停止,茎叶也逐渐停止生长,干物质积累基本停止。因此，在玉米生育期间，干物质积累总体表现为慢-快-慢的趋势。

从图1-b可以看出：在生育期0～90 d,根、茎、叶中干物质积累呈现一个从缓慢到逐渐加快的过程，这是由拔节期玉米生长迅速所致；在播种90 d后，即进入灌浆期后,各器官干物质积累表现为逐渐降低趋势,这是因为这一时期以籽粒生长为主,营养器官逐渐停止生长甚至枯萎脱落；茎部干物质积累在拔节期后迅速下降,也充分说明茎部大量营养物质向果穗转移,供果穗生长，因此果穗干物质积累在灌浆期呈迅速上升趋势。

图1 玉米在不同生育期干物质的积累

2.1.2 不同灌水量下玉米干物质积累规律 从图2-a可以看出,随着灌水量从1350 m3/hm2增加到4500 m3/hm2,玉米整株干物质积累呈显著增加趋势(P<0.05)。因此在灌水不充分的干旱地区,增加灌水是提高玉米干物质积累量的最重要手段。

从图2-b可以看出,在施肥量相同条件下,随着灌水量的增加,玉米根、茎、叶、籽粒干物质积累均呈上升趋势,说明在干旱区水分不饱和条件下,增加灌水量有利于根系吸收营养物质,体内较多的水分有利于提高光合作用效率和产量。从该图也可以看出,干物质多积累于籽粒中,籽粒中干物质约等于根、茎、叶中干物质积累的总和；茎部干物质积累量大于叶部干物质积累量,而根部干物质积累量最少。从不同灌水处理下干物质积累量的斜率来看,增加灌水对籽粒干物质积累提升的效果最明显。

图2 在不同灌水量下玉米单株干物质积累规律

2.1.3 不同施肥量下玉米干物质积累规律 从图3-a可以看出,随着施肥量的增加,玉米整株干重呈显著增加趋势。说明施肥是土壤贫瘠地区提高玉米干物质积累量、增加青储产量的重要手段。

从图3-b可以看出,随着施肥量的提高,玉米不同器官干物质积累均呈现增加趋势。从不同施肥量下不同器官干物质积累的斜率可知,施肥对籽粒干物质积累量的影响大于对其它器官的影响。不同施肥处理下根、茎、叶干物质积累量总和均大于籽粒干物质积累量,这与灌水试验有所差异,说明不充足的水分条件影响其它器官的干物质向籽粒转移,进而影响产量。

图3 在不同施肥量下玉米单株干物质积累规律

2.2 不同灌水处理下玉米N、P、K积累规律

2.2.1 不同灌水量下整株N、P、K积累规律 从图4可以看出,在施肥量一定的前提下,玉米整株N素含量随着灌水量的增加而呈增加趋势。这与灌水量增加有利于肥料溶解、促进根部吸收有关。玉米整株P素含量在灌水1350 m3/hm2下较少,在2700 m3/hm2、4500 m3/hm2灌水量下相近,这是因为在施肥量相同、灌水较多的条件下灌水对玉米吸收P肥不再起制约作用。不同灌水处理下整株K素含量近似,是因为K肥易溶于水,在不同灌水量、施用相同钾肥量的条件下K素均能很好地被玉米植株吸收。灌水量对玉米吸收N、P、K肥的影响表现为N>P>K。

2.2.2 不同灌水量下玉米各器官N、P、K积累规律 于灌浆后期测量玉米不同器官N、P、K含量。从图5-a可以看出,随着灌水量的增加,根部N、P、K含量均呈显著增加趋势(P<0.05),说明即使在施肥量相同的前提下,较多的灌水也有利于根部对营养物质的吸收和积累。根中K素含量总体上略高于P素含量。在施磷量远远低于施钾量和施氮量的前提下,在根部的P素含量较高,充分说明根系对P素的吸收能力最强,P肥有利于根系生长。

图4 在不同灌水量下玉米单株N、P、K积累规律

从图5-b可以看出,茎部N素含量在灌水量1350 m3/hm2、2700 m3/hm2之间差异不显著(P>0.05),但高灌水量4500 m3/hm2处理的茎部N素含量低于低灌水量、中灌水量处理的,且差异显著(P<0.05),原因为较高的灌水量可以促进茎秆N素向籽粒转移,而较低的灌水量则抑制转移。在不同灌水量处理下茎部P素含量的变化规律与茎部N素含量相似。茎部K素含量随着灌水量的增加呈显著减少趋势(P<0.05),说明较多的灌水能促进茎部K素向籽粒转移。在3个灌水量处理下茎中K素积累量均最大,甚至大于N素的积累量,说明茎部对K素有较大的需求量,施用K素能促进茎秆健壮。

从图5-c可以看出,叶片N素含量高于P素和K素的含量,说明叶片的生长生理对N素的需求最大。在灌水4500 m3/hm2处理下,叶中N素含量相对于其它两个处理呈显著性增加(P<0.05),说明灌水可以促进N素在叶片中积累,而叶片向籽粒转运N素较少。叶中P素含量随着灌水量的增加呈显著增加趋势(P<0.05),说明较高的水分有利于叶片吸收和积累P素。叶中K素含量随着灌水量的增加无明显规律性,说明K素易溶于水,灌水量对叶片K素的吸收影响不大。

从图5-d可以看出,随着灌水量的增加,籽粒中N素呈显著增加趋势(P<0.05),说明较多的水分有利于N素向籽粒转移,灌浆期及时补充水分十分重要。籽粒中N素含量远远大于P素、K素的含量,说明在灌浆期补施N肥可以促进籽粒发育。

综上所述,玉米籽粒和叶部对N素需求最高,茎秆对K素的吸收能力和需求最强,根部对P素有较强的吸收能力和需求。

2.3 不同施肥量下玉米N、P、K积累规律

2.3.1 不同施肥量下整株N、P、K积累规律 从图6可以看出：随着施肥量的增加,整株N、K素含量均呈增加趋势；但整株P素含量随施肥量的增加呈先增加后下降的变化，说明玉米对P肥的需求量远远小于N肥及K肥。

图5 在不同灌水量下玉米不同器官N、P、K的积累

图6 在不同施肥量下玉米单株N、P、K的积累

2.3.2 不同施肥量下各器官N、P、K积累规律 从图7-a可以看出,随着施肥量的增加,根中N、P、K含量总体上呈显著增加趋势(P<0.05)。在施用N、K量远远大于施用P量的前提下,根中P素积累量高于N素、K素,说明根系对P素的需求量最高,施用P素能促进根系生长,防止倒伏。

从图7-b可以看出：随着施肥量的增加,茎中N、P、K含量均呈显著增加趋势(P<0.05)；茎中N素和K素含量较高,P素含量最低；在高施肥量处理下茎部K素含量反而有所下降,可能与茎部向籽粒转运较多K素有关。

从图7-c可以看出,叶中养分随着施肥量的增加呈显著增加趋势(P<0.05),其中N素、K素有较高的含量。

从图7-d可以看出,各施肥处理籽粒中N素含量远远高于P素和K素含量，P素含量又高于K素的,说明籽粒对P肥的吸收和需求大于K肥的。

图7 在不同施肥量下玉米不同器官N、P、K的积累

3 讨论

在本试验中，玉米干物质积累在苗期、拔节期、灌浆期大致表现为慢-快-慢的规律,这与肖强等[12]的试验结果相似。玉米籽粒对N素的吸收能力和需求量最大,叶部N素含量也较高,这与李婷等[13]、尹彩侠等[13-14]的研究结果类似。玉米茎部对K素吸收和积累的能力强,这与张经廷等[15]、车明等[16]的研究结果相似。前人对玉米N、P、K素吸收规律的研究结论大多是在灌水充足的条件下获得的,而本研究是在干旱区灌水不足的条件下进行的，因此所得结论与前人的结论有所不同。

4 结论

玉米干物质积累总体表现为苗期缓慢,拔节期至灌浆中期较快,灌浆后期逐渐停止。茎部干物质积累在灌浆期前后呈现明显的上升和下降两个阶段。随着施肥量、灌水量的增加,玉米植株体内N、P、K素含量总体上呈增加趋势。在施肥量相同条件下,增加灌水量能明显促进玉米对肥料的吸收。N素吸收对水分条件的依赖最强,K素吸收对水分的依赖最低。玉米籽粒、叶部对N肥需求最高,根部对P肥的吸收能力最强,茎部对K素的积累最多。

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