土壤深松下磷肥施用深度对夏玉米根系分布及磷素吸收利用效率的影响

2019-09-10陈晓影董树亭张吉旺任佰朝

作物学报 2019年10期

陈晓影刘鹏程乙董树亭张吉旺赵斌任佰朝

陈晓影刘鹏*程乙董树亭张吉旺赵斌任佰朝

作物生物学国家重点实验室 / 山东农业大学农学院, 山东泰安 271018

采用大田试验与土柱试验相结合的方式, 设置距离地表−5 cm (P5)、−10 cm (P10)、−15 cm (P15)和−20 cm (P20)施用磷肥处理, 以不施磷肥为对照(CK), 研究磷肥施用深度对夏玉米根系分布、干物质积累与产量形成及磷肥吸收和利用效率的影响。结果表明, 磷肥施用深度显著影响夏玉米根系干重及根长, 表现为P15>P10>P20>P5>CK。与常规磷肥施用深度(P5)处理相比, P15处理玉米籽粒产量两年平均提高23.1%, 根干重及总根长两年平均提高13.1%、22.9%; P15、P20处理均增加了−20 cm以下土层的根干重比例及根长比例, 土柱试验分别达到35.4%和36.4%、58.7%和59.3%, 大田试验根干重两年均达到19.0%, 根长比重分别达到39.8%和39.9%。根系分布的优化促进了植株磷素积累与转运, P10、P15、P20处理较P5处理磷积累量2年平均提高10.6%、25.2%和14.7%, 磷转运量平均提高46.9%、76.6%和57.6%, 籽粒产量相应增加12.9%、23.1%和10.6%。P15比P5处理的磷肥偏生产力、农学利用效率和表观利用效率两年平均值分别提高19.1 kg kg–1、19.1 kg kg–1和25.2%。磷肥深施能够增加深层土壤根系的分布比例, 提高植株对磷肥的吸收、利用效率, 显著提高夏玉米产量, 在本试验条件下以磷肥集中施用在−15 cm处效果最好。

夏玉米; 施磷深度; 根系; 产量; 磷肥利用效率

磷对作物生长发育和产量形成具有重要作用[1-2]。磷在土壤中的移动主要是以扩散为主, 施入土壤中的磷极易被土壤胶体固定, 通常移动距离仅为3~5 cm, 导致其主要富集在土壤表层, 而深层土壤中相对不足[3-4]。农民往往为了增产投入大量磷肥, 导致我国农田磷肥用量持续提高, 2016年已增加到830万吨(折纯量), 比1996年增加了26.1%, 同期耕地面积只增加了3.7%。但是, 我国主要作物当季磷肥利用效率仅有7.3%~20.1%, 远不及美国的40%[5], 造成了很大的资源浪费和严重的面源污染[6]。如何降低玉米生产磷肥高投入带来的面源污染等负面效应,解决高产玉米磷高效利用问题成为当前国内外关注的热点[7-8]。根系具有形态和生理可塑性, 养分用量及施用位置能够显著影响作物根系生长及其在土壤中的时空分布, 进而影响植株养分吸收及产量形成[9-11]。玉米是典型的磷敏感型作物, 研究磷肥施用深度对夏玉米根系分布与磷素吸收利用及产量形成的调控作用进而促进磷肥增效, 实现玉米高产高效具有重要意义。

植物主要通过根系所接触的土壤获取养分[12], 其养分吸收的活力区集中在0~40 cm土层[13]。传统的施磷深度普遍较浅, 主要施用在土壤表层(4~8 cm)[14], 施入农田的磷在土壤中移动性差且易被吸附在表层土层。表层土壤根系比例的增加可以增强磷酸盐的吸收[15], 而高产或氮高效夏玉米要求增加土壤深层根系比重[16-19]。因此根层氮磷养分与玉米根系分布存在严重的空间错位问题。磷肥施用方式对根系分布有重要的调控作用, 可以改变根系在土壤中的分布[14,20-21], 对缓解根土养分空间错位问题, 实现土壤养分与根系分布在时空上的耦合具有一定的作用。增施磷肥成为农户获得高产的生产措施[22-24], 但如何调整磷肥施用方式, 促进合理根系构型建成与分布, 实现土壤中根系分布与养分供应的空间匹配, 达到产量与效益协同提升的机制研究相对较少。本试验采用大田试验和土柱试验相结合的方法, 研究不同磷肥施用深度对夏玉米根系空间分布和磷素吸收的调控效应, 可为磷肥增效提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验时间地点

于2017年和2018年的6月至10月在山东省泰安市岱岳区马庄镇(35°58'N, 116°58'E)进行大田试验,在山东农业大学黄淮海区域玉米技术创新中心(36°18'N, 117°12'E)进行土柱试验。试验前采集土壤样品, 其土壤理化性质见表1, 试验田夏玉米全生育期平均温度与日降水量见图1。

表1 试验田养分含量Table 1 Nutrients content of soil in experimental field

图1 试验田夏玉米全生育期平均温度与降水量

1.2 试验设计

供试夏玉米品种为登海605 (DH605)。试验以不施用磷肥处理为对照(CK), 共设置4个施肥深度, 分别为距离地表−5 cm (P5)、−10 cm (P10)、−15 cm (P15)和−20 cm (P20)。所用肥料为缓控尿素(含纯N 42%)、过磷酸钙(含P2O511%)、硫酸钾(含K2O 50%)。于小麦收获后表层撒施纯氮315 kg hm–2和K2O 270 kg hm–2, 然后结合小麦灭茬旋耕5 cm, 利用经改造后的深松条带式施肥机深松20 cm, 同时在设定深度集中施用P2O5105 kg hm–2, 以深松不施磷为对照。大田试验采用随机区组设计, 3次重复, 种植密度为67,500株 hm–2, 行距60 cm, 株距25 cm。小区面积180 m2(长30 m、宽6 m)。

土柱试验采用高100 cm, 直径35 cm的PVC管, 将其填埋于深90 cm的土坑内, 按照土50%、沙子40%、蛭石5%、珍珠岩5%的比例混匀基质装入土柱, 加水沉实至距离上口5 cm。每个处理10个土柱, 在距离表层5 cm处施入纯氮 4.9 g plant–1, K2O 4.2 g plant–1, 按试验设计深度施入P2O51.6 g plant–1。试验所用肥料为缓控尿素(含纯N 42%)、过磷酸钙(含P2O511%)、硫酸钾(含K2O 50%), 所用肥料均一次性施入。玉米生育期给予良好的管理并保证水分供应。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及产量构成因素于完熟期(R6)从每小区选取18 m2(10 m×1.8 m)有代表性的玉米带全部收获后晒干, 测定产量及产量构成因素。

1.3.2 植株干物质分别于大田试验抽雄期(VT)、灌浆期(R2)、完熟期(R6)系统选取每小区有代表性的植株5株。于土柱试验VT期选取长势一致的植株5株。将植株按照叶片、茎(茎秆、叶鞘、雄穗、苞叶、穗轴)、籽粒分开, 105℃杀青30 min后80℃烘至恒重, 测定干物质积累量。

1.3.3 根系取样与测定于大田试验VT期对根系取样, 选生长均匀一致的连续植株5株, 以植株为中心, 行距方向取60 cm, 株距方向取20 cm, 每10 cm为一土层, 取根深度为60 cm。将每10 cm土层的根土混合物装入40目网袋, 在低水压下冲洗干净并挑出全部根系, 放入密封袋中1 ℃下保存。

于土柱试验VT期选择生长均匀一致的植株5株, 按照0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~100 cm分层切下冲洗干净, 将其中的根系全部挑出, 1℃下保存。

用Epson Perfection V700 Photo扫描仪扫描根系样品, 然后使用WinRhizo 2016根系分析软件测定根长。将扫描完成的根系放在烘箱中烘至恒重并称干重。1.3.4 植株全磷含量玉米植株样品研磨过筛后用浓H2SO4-H2O2联合消煮, 用BRAN＋LUEBBE III型(德国)连续流动分析仪测定磷素含量。

1.4 数据处理与分析

植株磷素积累量(kg hm–2)=单株重×单株含磷量×公顷株数;

营养器官磷素转运量(kg hm–2)=灌浆期营养器官磷素积累量−完熟期营养器官磷素积累量;

磷素转运效率(%)=营养器官磷素转运量/灌浆期营养器官磷素积累量×100;

磷素转运对籽粒的贡献率(%)=营养器官磷素转运量/灌浆期籽粒磷素积累量×100;

磷素表观利用效率(PAUE, %)=(施磷区磷素吸收量−无磷区磷素吸收量)/施磷量×100;

磷素农学利用效率(PAE, kg kg–1)=(施磷区籽粒产量−无磷区籽粒产量)/施磷量;

磷素偏生产力(PPFP, kg kg–1)=施磷处理籽粒产量/施磷量

采用Microsoft Excel 2017和DPS 15.10统计软件LSD法进行方差分析, 用SigmaPlot 10.0和Surfer 11作图。

2 结果与分析

2.1 磷肥施用深度对夏玉米干物质积累、产量及产量构成因素的影响

施用磷肥显著增加植株干物质积累, 抽雄期干物质积累量表现为P15>P10>P20>P5>CK, 大田试验P5、P10、P15、P20较CK两年平均增加16.7%、26.2%、31.6%、23.2%, 土柱试验分别增加8.9%、9.2%、13.1%、9.4%。完熟期单株干物质积累量表现为P15>P20>P10>P5>CK, 大田试验P5、P10、P15、P20处理较CK两年平均提高10.5%、17.7%、26.4%、19.5%; 除2017年抽雄期外, P15处理均显著高于其他施磷处理(图2)。

磷肥施用深度对夏玉米籽粒产量有显著影响, 各处理产量表现为P15>P10>P20>P5>CK, 两年大田试验增产趋势一致(表2)。各处理的实际穗数间无显著差异, 磷肥深施主要是提高了穗粒数和千粒重。与其他处理相比, P15的穗粒数显著增加。2017年试验P10、P15、P20较P5分别增产11.9%、20.9%、7.6%; 2018年试验P10、P15、P20较P5分别增产13.9%、25.4%、13.5%。

2.2 磷肥施用深度对夏玉米根系生长与分布的影响

施用磷肥显著增加夏玉米根干重与总根长(图3)。土柱试验条件下, 夏玉米的根干重及总根长的整体趋势表现为P15>P10>P20>P5>CK, P15处理的根干重与总根长显著增加; 与P5处理相比, P10、P15、P20处理的根干重分别提高了10.5%、14.4%、5.9%, 总根长分别提高了17.5%、26.0%、4.8%。大田试验与土柱试验趋势一致。

随着磷肥施用深度增加, 玉米根系呈现向深层分布的趋势(图4和图5)。土柱试验中, 0~10 cm土层, P5处理玉米根系的根干重与总根长所占比例最大, 分别为54.8%、29.3%。10~20 cm土层, P10处理所占比例最大, 分别为11.7%、15.4%。20~40 cm土层, P10、P15、P20处理根干重所占比重均为12.6%, P10、P15处理总根长所占比重均为18.7%。40~60 cm土层, P15处理总根长所占比例最大, 为17.6%。60~100 cm土层, P20处理的根干重与总根长所占比例最大, 分别为13.7%、24.0%。大田试验表现为相同趋势。说明调整磷肥施用位置可以调控玉米根系在土层中的分布, 随着磷肥施肥深度的增加, 深层根系比重增加。

不同字母表示处理间差异达0.05显著水平。CK: 不施磷肥; P5: 距离地表−5 cm处施磷; P10: 距离地表−10 cm处施磷; P15: 距离地表−15 cm处施磷; P20: 距离地表−20 cm处施磷。

Bars superscripted by different letters are significantly different among treatments at the 0.05 probability level. CK: no P applied; P5: phosphorus application depth was 5 cm; P10: phosphorus application depth was 10 cm; P15: phosphorus application depth was 15 cm; P20: phosphorus application depth was 20 cm.

同列中标以不同字母的值在处理间差异达0.05显著水平。CK: 不施磷肥; P5: 距离地表−5 cm处施磷; P10: 距离地表−10 cm处施磷; P15: 距离地表−15 cm处施磷; P20: 距离地表−20 cm处施磷。***表示<0.001, NS表示不显著。

Values followed by different letters with in a column are significantly different among treatments at the 0.05 probability level. CK: no P applied; P5: phosphorus application depth was 5 cm; P10: phosphorus application depth was 10 cm; P15: phosphorus application depth was 15 cm; P20: phosphorus application depth was 20 cm. ***<0.001; NS: not significant.

图4 不同施肥深度下夏玉米抽雄期根干重和根长在0~60 cm土壤剖面的垂直分布(2018)

CK: 不施磷肥; P5: 距离地表−5 cm处施磷; P10: 距离地表−10 cm处施磷; P15: 距离地表−15 cm处施磷; P20: 距离地表−20 cm处施磷。

CK: no P applied; P5: phosphorus application depth was 5 cm; P10: phosphorus application depth was 10 cm; P15: phosphorus application depth was 15 cm; P20: phosphorus application depth was 20 cm.

图5 不同施肥深度对夏玉米不同土层中根系干重比例及根长比例的影响

CK: 不施磷肥; P5: 距离地表−5 cm处施磷; P10: 距离地表−10 cm处施磷; P15: 距离地表−15 cm处施磷; P20: 距离地表−20 cm处施磷。

CK: no P applied; P5: phosphorus application depth was 5 cm; P10: phosphorus application depth was 10 cm; P15: phosphorus application depth was 15 cm; P20: phosphorus application depth was 20 cm.

2.3 磷肥施用深度对植株中磷素积累及转运的影响

随生育进程, 植株和籽粒磷积累量均呈增加趋势, 表现为P15>P20>P10>P5>CK。2017年完熟期P10、P15、P20处理相对于P5处理整株磷积累量分别提高了15.6%、30.2%、15.7%, 其中籽粒磷素积累量分别提高11.9%、32.3%、18.2%。2018年完熟期整株积累量相应提高6.3%、16.0%、8.5%, 其中籽粒磷素积累量相应提高9.3%、18.1%、11.2%, 表明深施磷肥有利于促进玉米植株及籽粒磷素的积累(表3)。

磷肥深施也促进营养器官的磷素向籽粒转运, 2017年各处理间转运量范围为11.9~31.6kg hm–2, 2018年为11.1~24.9kg hm–2, P15处理转运量显著高于其他施磷处理(表4)。

表3 夏玉米不同器官和植株中磷积累量 Table 3 Accumulation of P in different organs and plant of summer maize (kg hm–2)

同列中标以不同字母的值在处理间差异达0.05显著水平。CK: 不施磷肥; P5: 距离地表−5 cm处施磷; P10: 距离地表−10 cm处施磷; P15: 距离地表−15 cm处施磷; P20: 距离地表−20 cm处施磷。

表4 磷肥施用深度对夏玉米磷转运的影响

2.4 磷肥施用深度对磷肥利用的影响

与P5处理相比, 2017—2018年磷肥偏生产力P10、P15、P20处理分别高9.4 kg kg–1和11.1 kg kg–1、16.5 kg kg–1和21.7 kg kg–1、6.0 kg kg–1和10.7 kg kg–1; 磷肥表观利用效率分别高15.0%和8.4%、29.1%和21.3%、15.1%和11.3%; 磷肥农学利用效率分别高9.4 kg kg–1和11.1 kg kg–1、16.5 kg kg–1和21.7 kg kg–1、6.0 kg kg–1和10.7 kg kg–1(表5)。说明磷肥深施有利于提高夏玉米磷肥偏生产力和利用效率。

表5 磷肥施用深度对夏玉米磷肥偏生产力和磷利用效率的影响

同列数据后不同字母表示处理间差异达0.05显著水平。CK: 不施磷肥; P5: 距离地表−5 cm处施磷; P10: 距离地表−10 cm处施磷; P15: 距离地表−15 cm处施磷; P20: 距离地表−20 cm处施磷。*表示<0.05, ***表示<0.001, NS表示不显著。

3 讨论

3.1 磷肥施用深度对夏玉米根系分布的影响

根系在土壤剖面的分布状况关系到作物对养分的吸收利用、干物质积累和产量形成[16]。根系具有形态可塑性, 在很大程度上决定了根系在土壤中的空间分布和所接触到的土壤体积大小, 以便更好地捕获土壤中的养分, 对植物的养分吸收效率十分重要[25]。王空军等[26]发现随产量的提高根系分布呈“横向紧缩、纵向延伸”的特点, 深层根系的比例显著增加。各土层根系鲜重占总根系鲜重的比例, 随生育进程而变化, 且基本趋势是上层根系比例下降, 深层根系比例增加[13-14]。这有利于提高根系与土壤养分、水分的接触面积, 是提高作物对养分、水分吸收利用的核心[16-17]。本研究结果表明, 磷肥深施显著增加夏玉米根干重与总根长, 其中P15处理根干重与总根长最大(图3); 随着磷肥施用深度增加, 玉米根系呈现向深层分布的趋势(图4和图5)。磷肥施用位置可以调控玉米根系在土层中的分布, 随着磷肥施用深度的增加, 深层根系比重增加, 主要表现为P15、P20处理20 cm土层以下的根干重及总根长比重增大。

3.2 磷肥施用深度对夏玉米磷肥吸收、转运及利用效率的影响

由于磷在土壤中容易被固定且不易移动, 作物对磷的吸收主要是通过根系的直接接触, 所以根系与肥料接触面积的大小以及肥料施用深度与植株根系生长点的距离直接影响肥料的吸收利用。玉米高吸收活力的根系主要集中在0~40 cm土层, 浅层的磷接触到的玉米根系少, 大部分被土壤固定、不能被玉米根系吸收, 而深施磷肥可增加磷肥与根系活跃吸收区的接触面积, 提高磷肥的吸收效率[27-28]。然而磷肥施用深度过深, 会使根系生长点与磷肥接触的时间增长而增加了磷被固定的机会, 从而表现出磷肥的吸收效率不高[29]。本研究结果表明, 磷肥深施能提高植株磷积累, 但以施用在−15 cm效果最好, 施用在−20 cm处吸收利用效率相对降低; 磷肥适宜深施有利于后期磷素从营养器官向籽粒的转运, 增大磷素的转运率和贡献率, 以P15处理转运量最大, P20、P10处理次之但差异不显著; 磷素积累量和转运效率的增加促进了磷利用效率的提高。磷肥深施提高植株对磷素的吸收的原因主要是磷素养分空间分布与根系匹配性好, 促进根系的生长发育, 尤其增加了下层根系的比重, 对磷的吸收能力增强。

3.3 磷肥施用深度对夏玉米产量的影响

在一定范围内, 玉米产量随着施氮量的增加而提高, 但过量增施氮肥导致产量有所下降[30-31]。氮肥适当深施可以保证玉米较高的有效穗数、千粒重和穗粒数, 从而提高产量[32]。磷肥对作物产量及产量构成因子均有影响, 磷肥适当的深施可以提高玉米和大豆的籽粒产量[33], 深施磷肥后可以增加小麦穗数、穗粒数, 尤其是穗数[21]。本研究结果表明, 磷肥深施能够显著提高夏玉米籽粒产量, 其中以−15 cm施用深度增产效果最好, 磷肥深施主要提高了穗粒数和千粒重。这与赵亚丽等[34]研究结果相近, 其磷肥施用深度为5 cm、15 cm、5/15 cm (磷肥均匀施用在5 cm、15 cm), 结果15 cm处施肥显著大于5 cm处施肥, 5 cm处施肥大于5/15 cm均匀施肥。同时张瑞富等[29]研究表明, 深松措施下, 磷肥施用深度适度下移至12 cm可提高春玉米的籽粒产量。

综上所述, 磷肥深施较浅层施用更有利于夏玉米深层根系生长, 增加深层土壤根系的分布比例, 提高植株对磷肥的吸收利用效率, 进而促进玉米籽粒产量的形成。磷肥深施有利于形成一个具有不同土壤物理、化学和生物性状的深层空间, 诱导根系下扎, 在一定程度上有效缓解养分空间错位问题, 实现根层养分分布与玉米根系生长在时空上的耦合。玉米产量的提高不仅依赖于磷素的吸收利用, 氮素的吸收利用也有重要的贡献。因此不同的磷肥施用深度, 对这种根土养分的耦合程度以及对氮磷协同吸收利用的调控机制仍需要进一步深入研究。

4 结论

磷肥适度深施能够改变玉米根系的生长与分布,显著增加深层土壤中的根系干重及总根长比重; 同时有利于植株磷素的积累及转运, 提高磷素利用效率, 最终促进夏玉米干物质积累与产量形成, 籽粒产量提高主要是增加了穗粒数和千粒重。本试验条件下, 以磷肥集中施用在−15 cm土层效果最好。

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Effects of phosphorus fertilizer application depths on root distribution and phosphorus uptake and utilization efficiencies of summer maize under subsoiling tillage

CHEN Xiao-Ying, LIU Peng*, CHENG Yi, DONG Shu-Ting, ZHANG Ji-Wang, ZHAO Bin, and REN Bai-Zhao

State Key Laboratory of Crop Biology / College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, China

Phosphorus fertilizer application depths are extremely important for increasing phosphorus uptake and utilization efficiencies. In the present study, root distribution, biomass, grain yield, phosphorus uptake and utilization efficiencies were determined in field experiment and soil column experiment, with five treatments including CK (no P applied), P5 (phosphorus application depth was 5 cm), P10 (phosphorus application depth was 10 cm), P15 (phosphorus application depth was 15 cm), and P20 (phosphorus application depth was 20 cm). Phosphorus fertilizer application depths significantly affected root dry weight and root length of summer maize with a trend of P15>P10>P20>P5>CK. Compared with P5 treatment, averaged grain yield of P15 treatment increased by 23.1% in two years, averaged root dry weight and total root length increased by 13.1% and 22.9% in two years. Both P15 and P20 treatments increased the proportion of root dry weight and root length in the soil layer below −20 cm. The proportion of root dry weight of P15 and P20 treatments reached 35.4% and 36.4%, and the proportion of root length reached 58.7% and 59.3% in soil column experiments; the proportion of root dry weight both reached 19.0% and the proportion of root length reached 39.8% and 39.9% in field experiment, respectively. The optimization of root distribution promoted the accumulation and transport of phosphorus in plants. Compared with P5 treatment, P10, P15, and P20 treatments increased the averaged phosphorus accumulation in two years by 10.6%, 25.2%, and 14.7%, the average phosphorus transport amount in two years by 46.9%, 76.6%, and 57.6%, and the grain yield by 12.9%, 23.1%, and 10.6%, respectively. Compared with P5 treatment, P15 treatment increased the averaged P partial factor productivity, P agronomic efficiency and P apparent utilization efficiency by 19.1 kg kg–1, 19.1 kg kg–1, and 25.2% in two years, respectively. In summary, deep fertilization of phosphorus could increase the distribution of root in deep soil layers, improve the absorption and utilization efficiencies of phosphorus in plants, and significantly improve the grain yield of summer maize. Under the condition of this study, the suitable P fertilizer application depth was 15 cm from the soil surface.

summer maize; phosphorus application depth; root; yield; phosphorus utilization efficiency

本研究由国家重点研发计划项目(2016YFD0300106, 2018YFD0300603), 国家自然科学基金项目(31771713, 31371576)和山东省现代农业产业技术体系项目(SDAIT-02-08)资助。

This study was supported by the National Basic Research Program of China (2016YFD0300106, 2018YFD0300603), the National Natural Science Foundation of China (31771713, 31371576), and the Shandong Province Key Agricultural Project for Application Technology Innovation (SDAIT-02-08).

刘鹏, E-mail: liupengsdau@126.com, Tel: 0538-8241485

E-mail: 15621567129@163.com

2019-01-28;

2019-04-15;

2019-05-13.

10.3724/SP.J.1006.2019.93005

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190510.2223.005.html