降水模拟下施肥对生土地玉米冠-根-土系统的影响

刘小丽，李学浩，杨珍平，高志强

（山西农业大学农学院，山西太谷030801）

位于干旱半干旱地区的黄土高原面积约占 40 万km2，其是世界上最大的黄土沉积区，同时也是世界上水土流失最严重的地区。该地区沟壑纵横、地形起伏；降雨季节分布不均、降雨量少，波动大，全年降雨量的60%～75%集中在6—9 月，导致黄土高原大部分月份缺水，且黄土蓄水储水能力差，使黄土高原植被建设、生态修复和农业生产受到了很大程度的限制[1]；此外，在大量的人工土地建设中，不断地对土壤耕作层及地形的翻转和扰动，使得生土露表、生熟混合。因此，加快生土地熟化、解决生土地根-土-肥的关系问题迫在眉睫。水分和肥力是提高黄土干旱地区作物产量的主要因素[2-15]。作物的高产与优产需要有发达的“根-土系统”，根系通过对土壤养分的吸收与聚集，使土壤的营养成分由分散到集中、由下层到上层，进而通过各种动植物参加的合成和分解形成小生物循环，不断提高土壤肥力。由山西农业大学在晋南旱塬地区开展的研究得知，地块肥力比较高时，地下总根量比较大，且这些根系主要分布在0～20 cm 浅土层，随着土层加深，根系量逐渐减少；反之，肥力低的地块，地下总根系量少，表层根系量亦少，但在100～300 cm土层中根系量相对比率则较高[16-19]。虽然许多学者对生土施肥进行了研究，但大多局限于对土壤肥力和作物生产力的分析[4-7，14-19]，而关于生土地上施肥与降水互作对作物根-土-肥系统建成的影响研究甚少[17-19]。

本研究拟以山西省太谷县山区荒地2 m 以下的生土为供试土壤，在前期试验确定60～80 cm 土层施肥对生土地玉米冠-根-土系统建成效果较好[20]的基础上，进一步探讨降水模拟下施肥对黄土母质生土地玉米冠-根-土系统建成的影响，旨在为生土地快速熟化研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试玉米品种为纪元1 号包衣种子，优质、丰产、抗病、中早熟。由山西省应县种子公司提供。

供试土壤取自山西省晋中市太谷县山区荒地2 m 以下的生土，风干、过筛、充分混匀，备用。生土养分状况为：全氮含量0.190 g/kg、碱解氮含量19.84 mg/kg、速效磷含量2.98 mg/kg、速效钾含量30.32 mg/kg、有机质含量1.17 g/kg，脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性分别为0.29、1.27、0.71 mg/（g·24 h）。根据第二次全国土壤普查推荐的土壤肥力分级标准，母土肥力很低，营养相当缺乏[21]。

供试肥料NPK 肥为尿素∶过磷酸钙∶氯化钾＝1∶3∶1，按1 600 kg/hm2的用量折算为9.0 g/管；有机肥为贝特牌生物有机肥（主要含鸡粪），按3 200 kg/hm2的用量折算为18 g/管。

1.2 试验设计

于2013 年4 月至2014 年12 月在山西农业大学黄土高原作物研究所连续2 a 进行试验，采用根管土柱法进行，所用根管直径为25 cm、长度为2 m，可拆卸。根管整合固定后，用塑料密封下口，垂直放置于根室内。

将水喷洒在供试土壤上，使其达到适当的水平（攥在手中成团，撒在地上散开），根据20 cm 一层所需土称质量（约10 kg），自下往上依次装入2 m，压实；按所需土量对60～80 cm 土层称质量，根据上述试验设计加入所需要的肥料，搅拌均匀，装入根管60～80 cm 处，压实。每个根管种植5 株玉米，浅覆土，并盖一薄层细沙。待出苗后，取健壮苗留1 株，进行常规管理。试验设主处理（A）施肥种类2 个：单施有机肥（ORG），NPK 肥＋有机肥（NPK＋ORG）；每个施肥种类下再设副处理（B）不同降水模拟3 个：丰水年模拟（763.9 mm，土壤相对含水量为35%）、平水年模拟（482.8 mm，土壤相对含水量为25%）、欠水年模拟（275.9 mm，土壤相对含水量为15%）。共6 个处理，重复3 次。2013、2014 年连续2 a 均于5 月初播种玉米，出苗后每5 d 浇一次水，浇水时，3 种降水模拟处理分别按1 300、800、450 mL水量进行。

于成熟期把根管从根室内取出，先收获地上部分，然后将其进行风干处理，并测定茎秆质量和籽粒质量。然后，打开根管，从上到下每20 cm 为一层，用灭菌牙签小心获取各层的根际土样，放入灭菌塑料袋，用于土壤酶和土壤养分含量的测定。用水冲洗根管内剩余土柱，直至露出完整的根系，晾干、拍照，然后按取土样的顺序顺次分段，称质量，粉碎，装袋，测定根系NPK 养分积累量。

1.3 数据分析

采用Excel 软件进行数据整理与制图，采用SAS 9.4 统计软件进行方差分析与多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同降水模拟下施肥对生土地玉米地上部生产力及总根干质量的影响

从表1 可以看出，随着降水模拟量的增加，生土地玉米地上部各指标干质量与根干质量的测定值总体均呈增加的趋势；单施有机肥（ORG）扩大了降水对总粒质量的影响（变异系数为41.11%），NPK＋ORG 处理扩大了降水对茎秆干质量的影响（变异系数为34.24%）。肥料对玉米各部分干物质积累的影响因降水多少而不同。总体来看，2 种降水模拟下，玉米地上部总干质量均表现为ORG 处理比NPK＋ORG 处理更高（P＜0.05）。单看茎秆干质量，在欠水年，2 种肥料处理之间的差异不显著，而在平水年和丰水年，则NPK＋ORG 处理明显比ORG 处理高（P＜0.05），尤其丰水年的变异系数为11.29%；总粒质量正好相反，ORG 处理明显比NPK＋ORG 处理高（P＜0.05），3 种模拟的变异系数均达到30%以上；2 个施肥处理对根干质量的影响仅在平水年达到0.05 水平的差异显著性，且以ORG 处理的根干质量更高。

综上所述，6 个试验处理，以丰水年模拟＋ORG处理的玉米地上部总干质量、总粒质量、根干质量更高，对地上部生产力的综合效果更好。

表1 不同降水模拟下施肥对生土地玉米总根质量及地上部生产力的影响

2.2 不同降水模拟下施肥对生土地玉米根干质量垂直分布的影响

经SAS 软件ANOVA 过程，对不同降水模拟及施肥条件下玉米根干质量指标进行主处理A（施肥种类）、副处理B（降水模拟）及二者交互作用方差分析，结果表明（图1、表1），FA＝67.345（P＜0.05）、FB＝145.67（P＜0.01）、FA×B＝41.66（P＜0.01），施肥和降水模拟的单因素及交互作用对玉米根干质量的影响差异均达到显著水平，结果可靠。

由图1 可知，不同水肥处理组合的玉米根干质量垂直分布在0～20 cm 处根干质量最大，随着土层的加深根干质量显著递减（P＜0.05）；在0～200 cm的根层范围内，所有组合的根干质量垂直分布变异幅度不大，其中，欠水年模拟且进行NPK＋ORG 处理的变异系数最大，丰水年模拟并进行ORG 处理的变异系数最小。总体而言，在0～200 cm 的根层范围内，3 种不同降水模拟，ORG 处理有利于玉米根系生长；丰水条件下可以增加玉米各层的根干质量，同时降低根干质量垂直分布差异。

由图2 可知，不同水肥处理下玉米各层根干质量占总根干质量的比例中，0～20 cm 土层所占比例最大，且丰水年模拟进行NPK＋ORG 处理的玉米根干质量比其他水肥处理大，土层大于80 cm 玉米根干质量总和占总根干质量的比例很小，仅为8.43%。欠水年模拟并进行ORG 处理时，玉米根干质量垂直分布在80～200 cm 土层占比较大，但总值不大；而欠水年模拟并进行NPK＋ORG 处理则在80～200 cm 土层占比较小；丰水年模拟并进行ORG 处理，在80～200 cm 土层的根干质量占比反而减小。由此说明，施用有机肥处理能够增加玉米地下部根干质量，进而促进地上部生产力提高，但所需水分不应过多。

2.3 不同降水模拟下施肥对生土地单位面积玉米根系NPK 养分含量垂直分布的影响

不同降水模拟及施肥条件下单位面积玉米根系NPK 养分含量的方差分析结果表明，FA＞FB＞FA×B，且对单位面积玉米根系NPK 养分含量垂直分布的影响差异均达到显著水平（P＜0.05）。

由图3 可知，在0～20 cm 土层，丰水年模拟以ORG 处理的单位面积根系氮、磷、钾养分含量最高，欠水年模拟NPK＋ORG 处理更有利于根系吸收积累氮、钾养分；在60～80 cm 土层，欠水年模拟下NPK＋ORG 处理更有利于根系吸收积累氮、磷、钾养分，而当水分充足时，ORG 处理更有利于根系对氮、磷、钾养分的吸收积累；在0～200 cm 整个土层中，ORG＋丰水年模拟的处理组合根系氮、磷、钾养分的吸收积累量明显高于其他处理组合。

由图3 还可知，整体上，在ORG 处理下，随着降雨量的增加，根系N、P、K 养分吸收积累量均增加；丰水年模拟进行ORG 处理的根系NPK 养分吸收积累量最高。水分缺乏时，NPK＋ORG 处理更有利于玉米根系NPK 养分吸收积累；水分充足时，ORG 处理的玉米根系NPK 养分吸收积累量远远高于NPK＋ORG 处理。

2.4 不同降水模拟下施肥对生土地玉米根际土壤营养及土壤酶活性垂直分布的影响

不同降水模拟及施肥条件下生土地玉米根际土壤营养物质含量的方差分析结果表明，碱解氮含量表现为FA＞FB＞FA×B，且不同的降水模拟之间存在显著性差异；速效磷含量的FA×B＞FA＞FB，且施肥和降水模拟的交互作用达到极显著水平；有机质含量的FB＞FA＞FA×B，且施肥和降水模拟的交互作用达到显著水平。

从图4 可以看出，随着土层的加深根际碱解氮、速效磷和有机质含量均呈现先降低后升高（60～80 cm 施肥层）再降低的趋势。其中，在NPK＋ORG、ORG 与不同降水模拟组合条件下，0～80 cm土层范围内，平水年模拟与NPK＋ORG 的组合碱解氮含量大于该施肥处理下的其他降水模拟，ORG与丰水年模拟组合的碱解氮含量大于ORG 处理下的其他2 组组合；80～200 cm 土层中，单施有机肥处理的碱解氮含量高于NPK＋ORG 处理。0～80 cm土层范围内，NPK＋ORG 处理下，随着降水的增加，速效磷含量增加，ORG 施肥处理下，平水年模拟速效磷含量大于该施肥处理下其他降水模拟。有机质含量在0～80 cm 的土层内，丰水年模拟的处理组合显著大于其他降雨模拟的处理组合，有机质含量是ORG 处理高于NPK＋ORG 处理，说明ORG 处理对提高土壤的有机质含量作用更大，2 种肥料配施反而会影响土壤有机质含量的增加。

土壤酶活性方差分析表明，脲酶的FB＞FA＞FA×B，且不同的降水模拟之间存在显著性差异；碱性磷酸酶的FA＞FB＞FA×B，但各因素之间没有达到显著水平；有机质的FA×B＞FB＞FA，且不同的降水模拟之间存在显著性差异。

由图5 可知，整体上，随着土层的加深根际脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性均呈现先降低后升高（60～80 cm 施肥层）再降低的趋势。其中，脲酶活性，在NPK＋ORG 施肥水平下，随着降水模拟的增加而增加，在ORG 施肥水平下，水分缺乏和水分充足都有利于脲酶活性提高；碱性磷酸酶活性，在0～100 cm 土层内，丰水年模拟＞平水年模拟＞欠水年模拟；蔗糖酶活性，在整个土层内丰水年模拟＞平水年模拟＞欠水年模拟。同一降水模拟下施肥对生土地玉米根际土壤酶活性有一定影响，而降水对酶活性有很大影响，其中，欠水年模拟时，ORG 处理有益于玉米土壤酶活性的提高，平水年模拟和丰水年模拟时，ORG 处理能增加土壤脲酶和碱性磷酸酶活性，NPK＋ORG 处理对增加土壤蔗糖酶活性帮助更大。

2.5 不同降水模拟施肥下生土地玉米根系质量、根系营养、根际土壤酶活性及根际土壤养分之间的相关性分析

不同降水模拟施肥下生土地玉米根干质量、根系氮磷钾养分含量、根际土壤3 种酶活性以及根际土壤碱解氮、速效磷、有机质等10 个指标间的相关分析结果表明（表2），玉米根干质量与根系吸收氮、磷养分呈正相关，与根系吸收钾养分、根际土壤酶活性及根际土壤养分含量呈极显著正相关（P＜0.01）；根系吸收磷养分与土壤碱性磷酸酶活性及速效磷含量呈显著正相关（P＜0.05）。玉米根系吸收氮养分与磷、钾养分相互促进，呈极显著正相关（P＜0.01）；同时，根系氮、钾养分含量与根际土壤3 类酶活性均呈极显著正相关。综上所述，根干质量、根系NPK 养分含量与土壤营养、土壤酶活性间具有紧密的关联。即玉米根系生长发育被促进，加强根系养分物质的流动和分配，也促进玉米根际土壤酶类和根际土壤氮、磷、有机质含量的增加，提高土壤肥力，对黄土母质生土的改良起到了积极的作用。

表2 玉米根干质量、根系营养及根际土壤酶活性、根际土壤营养含量之间的相关性分析

以上述10 个指标为依据，对6 个不同水肥处理组合进行最短距离聚类，结果表明（图6），第1 类为（丰水年或平水年）＋ORG 处理，第2 类为欠水年＋（ORG 或NPK＋ORG）处理，第3 类为（平水年或丰水年）＋（NPK＋ORG）处理。其中，第1 类（丰水年或平水年＋ORG 处理）对生土改良效果更好。

3 讨论

3.1 生土地玉米根冠系统对施肥与降水模拟的响应

前期研究表明，黄土母质生土地养分十分贫瘠，其对外源性的辅助（NPK 复合肥、有机肥）反应非常敏感，对禾谷类作物的根系生长及增产产生显著的效应[23]。但由于该试验的供试生土养分极低，所以即使有机肥作用依然明显，但整体的生产力水平还是偏低。张秋英等[22]研究表明，在不施肥的基础上，自然降水量处理的玉米产量比充足灌溉量的处理低14.1%；自然降水的基础上，不施肥处理比增施无机肥或无机肥和有机肥配合玉米产量分别低35%和69%。本研究结果显示，丰水年＋ORG 处理明显提高了生土地玉米的地上部总生产力及籽粒产量，而NPK＋ORG 处理在平水年和丰水年的总粒质量、总根干质量、地上部总生产力均不及ORG处理，仅地上部茎秆质量高于ORG 处理，可能是由于“旱长根、水长苗”，水分相对不缺的状态下，根系吸收NPK 养分运输到茎秆，促进了茎秆干物质积累，影响了茎秆干物质向籽粒转运，从而粒质量偏低，但仍需进一步研究印证。苗果园[24]等研究表明，在不施肥的基础上，由土壤表层向下玉米根系质量均呈现出递减规律，且随着土层的加深，递减幅度增大。通过对较深层土壤进行施肥促使作物根系向地下生长，从而增加根系总量。本研究中，单施有机肥处理可以增加地下部各层根系干质量，在水分充足的情况下可降低根质量垂直分布差异。

3.2 生土地单位面积玉米根系NPK 养分含量对施肥与降水模拟的响应

孙瑞莲等[25]研究发现，长期配合施用NPK 与有机肥能提高土壤全氮、全磷、全钾含量，有利于根系对氮磷钾元素的吸收。吕刚等[26]研究表明，土壤水分是氮、磷、钾肥效充分发挥的重要制约因子，水分不足时，影响植物的生长发育且阻碍植物对养分的吸收利用。韦泽秀等[27]研究提出，灌溉量充盈的情况下，可促进作物的生长，使得作物对养分的需求量增加；水分不足时，肥料挥发损失的较多，使土壤中养分含量下降，不利于根系对氮磷钾元素的吸收。本试验中，丰水年模拟＋ORG 处理根系NPK 养分含量较高，可能是因为充足的水分条件有利于有机肥（鸡粪发酵而成）持续释放养分，促进土壤酶活性提高及养分活化，进而促进根系生长发育，吸收积累较多的氮、磷、钾养分；而在ORG 基础上配施N、P、K 复合肥，则根系吸收大量的速效N、P、K 养分，快速向茎秆运输，根系积累相对较少。

3.3 生土地玉米根际土壤营养及酶活性对施肥与降水模拟的响应

本研究表明，根际碱解氮、速效磷和有机质含量均随着土层深度的加深呈现先降低后升高（60～80 cm 施肥层）再降低的趋势。有研究表明，施用有机肥与化学肥料配合，能有效提高土壤中氮、磷元素含量，使作物生长需求得到满足。将有机肥施入到土壤中，可以让酶活性不断提高，尤其是有机肥与氮肥利用，可以最大程度提高土壤中酶活性。氮肥使用可以为作物生长提供充足的营养，作物根系随着发育增快会不断分泌有机物质，增加土壤中微生物数量，促进土壤中酶活性提升[28-29]。本试验中，平水年模拟与NPK＋ORG 的组合碱解氮含量大于该施肥处理下其他降水模拟，因为在水分环境较好的情况下，有利于土壤有机质分解。周德霞[30]研究表明，中水高肥的处理对莴苣采收后土壤有效磷含量的提高有促进作用。本试验中，速效磷含量表现为平水年模拟＞欠水年模拟＞丰水年模拟，且在NPK＋ORG 处理下，速效磷含量则受降水量的影响比较大。本试验中，随降水量增加土壤有机质含量亦增加，在欠水年模拟条件下NPK＋ORG 处理比较高，在平水年及丰水年模拟条件下则是ORG 施肥处理的有机质含量比较高，且本试验所用的由发酵鸡粪制成的有机肥本身营养丰富，其中含有的对土壤养分具有活化作用的有机酸，使有机肥对当年生土养分的提高有明显的效果。

不同的降水模拟和施肥处理对土壤酶活性存在着显著的差异。朱同彬等[31]研究表明，有机肥施入土壤后能够显著提高土壤脲酶和碱性磷酸酶活性；化肥施入土壤后降低了脲酶和碱性磷酸酶活性，但使蔗糖酶活性提高。本试验研究表明，在60～80 cm施肥层脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性都有所提高，随后随着土壤深度加深而降低；丰水年模拟条件下，ORG 处理有利于脲酶和碱性磷酸酶活性提高，而NPK＋ORG 处理则有利于蔗糖酶活性提高。

3.4 生土玉米根-土系统的建立

本研究相关分析表明，在生土地玉米根-土系统建立中，根系质量、根系氮磷钾养分含量，根际土壤碱解氮、速效磷、有机质含量，根际脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性10 个指标之间相互促进。聚类分析结果表明，有利于生土地玉米根土系统建立的最适水肥组合为丰水年模拟＋ORG 处理。

4 结论

通过对土壤物理结构改变以及土壤养分的提高可以达到黄土母质生土的熟化。而降水模拟与施肥相结合，可使作物的根系生长至更深，提高地上部生产力、土壤酶活性和土壤养分含量，对于改良黄土母质生土地肥力和促进生土地玉米冠-根-土系统建成具有重要意义。本研究表明，欠水年模拟时，不同的施肥处理对玉米根-冠-土系统的整体作用效果一致，对黄土生土地的改良效果一致；平水年和丰水年模拟时，对玉米生长具有明显促进作用的是单施有机肥处理，且对黄土母质生土有更好的改良效果。