启动磷肥不同施用方式对玉米养分吸收及生长和产量的影响

冯国瑞 刘小龙 王祥斌 张新疆 危常州

(石河子大学农学院，新疆 石河子 832003)

玉米(ZeamaysL.)是我国三大粮食作物之一，在我国粮食安全中发挥着不可替代的作用。我国2020年玉米种植面积达到了4 128万公顷，总产量达到了26 077万吨[1]。磷素作为作物生长发育所必需的营养元素，不仅是作物体内许多重要化合物的重要组成成分，而且参与植物体内的各种代谢途径，同时也是影响作物产量的重要因素[2-3]。

施入土壤的磷肥极易被吸附固定，使得土壤中的磷素绝大多数为难以利用的固定态磷[4]，导致作物对磷养分的吸收利用降低[5-6]。据统计，我国磷肥当季利用率只有15%左右，即使将后效包括在内，磷肥利用率也未超过50%[7-8]。我国新疆地区早春季节温度低，土壤湿冷，抑制了玉米根系的生长和土壤磷素的分解释放及迁移，并且玉米的磷养分临界期在苗期，因此苗期磷肥供应不足会抑制玉米生长发育，最终导致玉米减产[9-10]。在美国通常采用启动肥来解决这一问题[11]。启动肥指在播种时集中施用在种子附近的肥料，施用方式通常为条施，施肥位置在种子的侧面下方，距离种子水平和下部垂直距离间隔约5 cm[12]。Vetsch等[13]研究发现，与施肥量相等(或者更高量)的常规撒施相比，施用启动肥可以显著提高玉米苗期生物量与株高。另有一些研究发现，与不施用启动肥相比，施用启动肥不仅能促进玉米苗期生长，而且可提高玉米产量和磷肥利用率[14-15]。在新疆地区，启动磷肥通常是在播种后通过滴灌施入土壤，由于磷在土壤中的移动性很弱，因此种子与磷肥之间的相对位置会直接影响作物对P养分的吸收利用。为此，本研究通过大田与室内模拟试验，将磷启动肥以不同方式施入，探讨不同施用方式对玉米苗期根系生长、养分吸收及磷素在土壤中分布的影响，以期为玉米增产提供新的施肥思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验地和土壤基本情况 大田试验于2020年在新疆石河子市天业生态园进行，该地属大陆性干旱气候，年平均气温6.5～7.2℃，年平均降水量125.2～207.6 mm，无霜期168～171 d。试验区土壤为灌耕灰漠土，耕层土壤碱解氮49.5 mg·kg-1、速效磷15.0 mg·kg-1、速效钾403.3 mg·kg-1、有机质20.6 g·kg-1、土壤pH值8.1。

根箱土壤施肥培养试验在石河子大学农学院生长室内进行。供试土壤为灌耕灰漠土，土壤碱解氮含量为56.3 mg·kg-1、速效磷14.8 mg·kg-1、速效钾372.6 mg·kg-1、有机质15.3 g·kg-1、土壤pH值7.9。

1.1.2 供试玉米品种与肥料 供试玉米为新玉65(新疆祥丰生物科技公司提供)。供试化肥分别为尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含N 16%，P2O550%)、硫酸钾(含K2O 51%)。

1.2 试验设计

1.2.1 大田试验 等养分条件下，设置启动磷肥3种施用处理，分别为启动磷肥滴施(T1)、穴施(T2)和不施启动磷肥(CK)，每处理重复3次，小区面积48 m2。所有处理于播种后第2天滴灌出苗水，T1处理启动磷肥随水滴施，T2处理先将启动磷肥穴施于种子侧下方5 cm处后滴水，CK处理只滴水不施肥，启动磷肥用量为P2O530 kg·hm-2。为保证所有处理玉米全生育期养分投入等量，于玉米第一次灌水追肥时将3个处理磷养分补齐。全生育期各处理施肥量为N 315 kg·hm-2，P2O5135 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。于2020年4月22日播种，4月23日灌出苗水，出苗水灌溉额度为450 m3·hm-2。玉米种植模式为宽、窄行种植，宽行70 cm，窄行30 cm，株距为18 cm，理论密度为11.1×104株·hm-2，其他管理措施与当地大田生产保持一致。玉米生长期间共灌水9次，总灌水量4 740 m3·hm-2，9月20日收获。

1.2.2 根箱试验 试验设置3种施肥处理，分别是启动磷肥滴施(P1)、穴施(P2)、不施用启动磷肥(CF)。P1处理模拟大田滴灌系统施入启动肥，施肥点在土表面距离种子水平15 cm处，P2处理将启动磷肥放置在种子侧下方5 cm处，CF处理不施用启动磷肥。根箱长、宽、高分别为40、5、35 cm，将过6目筛的土壤晾干后进行装盆，根箱每箱装土7.8 kg，土壤表面距离根箱最上层3 cm用于灌水，启动磷肥用量为P2O50.2 g·kg-1土。装土后进行灌水，达到田间持水量的60%即可。放置24 h后进行施肥操作，每2 d进行一次灌水。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 田间取样与指标测定 苗期生长发育：分别于玉米二叶期(2020年5月10日)、四叶期(2020年5月20日)、六叶期(2020年5月30日)选择各小区具有代表性植株3株，将其根系完整挖出，用低压水枪对根系进行缓慢冲洗，洗去根系表面土壤，利用Win RHIZO根系分析系统(加拿大Regent Instrument公司)对其根系长度和表面积进行测定。然后将植株分为地上部和地下部，105℃杀青30 min 后于75℃烘干至恒重，称取干物质量。

生物量积累：分别于玉米拔节期(2020年6月18日)、吐丝期(2020年7月12日)、灌浆期(2020年8月10日)和成熟期(2020年9月7日)取各小区代表性植株3株，拔节期玉米分为茎和叶两部分，剩余时期玉米按器官分为茎、叶、苞叶、穗四部分，用去离子水洗去表面尘土，植株鲜样于105℃杀青30 min后75℃烘干至恒重，称取干物质量。

植株养分积累：将烘干的植株样品粉碎处理后，通过浓H2SO4-H2O2消煮法测定各器官N、P、K含量，其中N含量采用奈氏比色法、P含量采用钒钼黄比色法、K含量采用火焰光度计法[16]测定。

产量和产量结构：在玉米成熟后，各个处理选取6.67 m2面积对玉米产量进行测定，同时测定各穗的穗长、穗粗、秃尖长度、穗行数、行粒数及千粒重。

磷肥偏生产力(partial productivity of phosphorous fertilizer, PFPP, kg·kg-1)：

式中，Y为施磷处理玉米产量，N为磷肥施用量。

养分转移量=吐丝期时营养器官中养分积累量-成熟期时营养器官中养分积累量。

1.3.2 根箱取样与指标测定 土壤速效磷含量：施肥后25 d对土壤进行取样分析。取样时竖直沿着施肥点按照2 cm×3 cm的网格法进行取样，如图1所示。土壤样品风干后，过18目筛，用pH值8.5的0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量。

图1 启动磷肥施用方式和取样示意图

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2016和GraphPad Prism 8对数据进行处理和绘图，利用SPSS 21.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 大田施用启动磷肥对玉米苗期生长发育的影响

2.1.1 启动磷肥对玉米苗期根系生长的影响 由图2-A 可知，二叶期玉米总根长在3个处理间无显著性差异。在四叶期和六叶期玉米总根长均表现为T1和T2处理显著高于CK，但T1与T2间无显著性差异。四叶期，T1、T2处理玉米总根长较CK分别增加62.81%和66.09%；六叶期，T1、T2处理玉米总根长较CK分别增加21.10%和30.35%。由图2-B可知，二叶期玉米根表面积在3个处理间无显著性差异。在四叶期，玉米根系表面积均表现为T1和T2处理显著高于CK，较CK分别增加63.91%和66.45%，但T1与T2间无显著性差异。在六叶期，玉米根系表面积在各处理间均达显著差异，表现为T2>T1>CK。综上，玉米施用启动磷肥能够明显促进苗期玉米根系生长。

注：不同小写字母表示同一生育期不同施肥处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.1.2 启动磷肥对玉米苗期干物质积累的影响 由图3可知，二叶期玉米地上部和地下部干物质积累量在3个处理之间无显著性差异。在四叶期，玉米地上部和地下部干物质积累量均表现为T1、T2处理显著高于CK，但T1与T2之间无显著性差异，T1、T2处理较CK地上部干物质积累量分别增加44.39%和58.09%，地下部干物质积累量分别增加32.84%和22.77%。六叶期玉米地上部和地下部干物质积累量均表现为T2>T1>CK，T1和T2处理地上部干物质积累量较CK分别增加31.24%和52.38%，地下部干物质积累量分别增加33.61%和57.81%。综上，施用启动磷肥对玉米苗期干物质积累具有一定的促进作用。

图3 启动磷肥不同施用方式对玉米苗期地上部(A)与地下部(B)生物量的影响

2.2 大田施用启动磷肥对玉米养分积累的影响

2.2.1 启动磷肥对玉米苗期养分积累的影响 由表1可知，施用启动磷肥可以促进玉米苗期地上部与地下部养分的积累，且地上部和地下部养分积累的变化趋势基本一致。在二叶期，玉米地上部和地下部N、P、K养分积累量在各个处理之间无显著性差异；在四叶期，T1和T2处理玉米养分积累显著高于CK，但T1与T2间无显著性差异，与CK相比，T1和T2处理地上部N、P、K养分积累量分别提高41.49%、40.42%、45.81%和56.12%、57.44%、58.38%，地下部N、P、K养分积累量分别提高43.34%、55.55%、37.78%和28.26%、55.55%、31.11%。在六叶期，这种差异被进一步扩大，且T1与T2间达到显著性差异，表现为T2>T1>CK，T1和T2处理较CK地上部N、P、K养分积累量分别提高34.54%、16.48%、20.28%和60.50%、44.78%、38.47%，地下部N、P、K养分积累量分别提高34.73%、45.53%、33.33%和63.33%、53.33%、47.42%。

2.2.2 启动磷肥对玉米全生育期养分积累的影响 由图4可知，施用启动磷肥可以促进玉米地上部N、P、K养分积累，总体趋势表现为T2>T1>CK。对于N养分的积累，拔节期、吐丝期、灌浆期、成熟期T1和T2处理较CK分别增加60.90%和94.25%、17.72%和31.67%、9.25%和20.79%、7.58%和15.52%。对于P养分的积累，T1和T2处理较CK处理各生育期分别增加44.87%和79.12%、26.47%和45.85%、7.99%和17.55%、9.90%和21.87%。对于K养分的积累，T1和T2处理较CK处理各生育期分别增加38.83%和73.21%、8.57%和20.41%、12.48%和21.16%、5.35%和11.35%。

图4 启动磷肥不同施用方式对玉米养分积累与分配的影响

各处理营养器官中N、P、K养分积累量的最大值出现在吐丝期，吐丝后营养器官中的养分积累量随着生育期的推进逐渐减少并不同程度地向穗部转移。施用启动磷肥可以促进营养器官中的养分向生殖器官转移，CK、T1、T2处理N养分转运量分别为65.43、95.18、110.16 kg·hm-2，P养分转运量分别为32.08、42.84、46.73 kg·hm-2，K养分转运量分别为11.71、13.91、36.38 kg·hm-2。

综上，启动磷肥不仅促进了玉米对N、P、K养分的吸收，而且在生殖生长阶段促进了营养器官中的养分向生殖器官的转移。

2.3 大田施用启动磷肥对玉米产量及肥料利用率的影响

由表2可知，施用启动磷肥可以在提高玉米产量的同时，提高磷肥偏生产力。与CK相比，T1和T2处理的产量分别显著增加6.71%和18.89%，且T2处理产量显著高于T1。T1和T2处理磷肥偏生产力分别为124.96、139.25 kg·kg-1，均高于CK。就产量构成因素而言，穗长、行粒数、千粒重均表现为T1和T2处理显著高于CK，秃尖长度表现为T1和T2处理显著低于CK。与CK相比，T1和T2处理穗长分别增加3.48%、9.17%，穗秃尖长度分别降低10.68%、29.68%，千粒重分别增加2.35%、4.44%。

表2 启动磷肥不同施用方式对玉米产量构成因素和磷肥偏生产力的影响

2.4 室内模拟启动磷肥不同施用方式对土壤磷素空间分布的影响

启动磷肥不同施肥方式对磷在土壤中的分布与迁移有较大影响。由图5可知，CF处理土壤中磷分布较为均匀，速效磷含量在15 mg·kg-1左右。P1处理施肥点处的磷含量最高，达到649.9 mg·kg-1。随着与施肥点的距离增加，土壤速效磷含量逐渐降低，在水平方向主要集中在0～10 cm，垂直方向主要集中在0～9 cm。P2处理土壤中速效磷更为集中，在施肥点处达到了884.7 mg·kg-1，施肥点处速效磷含量较P1处理高36.12%。随着与施肥点的距离增加，土壤中速效磷含量逐渐降低，在水平方向主要集中在0～6 cm，垂直方向主要集中在6～15 cm。由此说明，启动磷肥穴施使得磷素在土壤中的分布更加集中且相对于滴施更深，但迁移距离小于滴施。

注：●表示施肥点。

3 讨论

3.1 启动磷肥促进玉米生长

磷素对玉米苗期生长发育起着重要作用[17-18]。本研究结果发现，施用启动磷肥促进了玉米苗期根系的生长，增加了地上部养分和生物量的积累。其主要原因是玉米根系具有较强的可塑性，土壤中养分异质性差异诱导玉米根系的生长[19-20]，而施用启动磷肥通过改变根系形态，提高了土壤中的根系密度，增加根系对P养分的吸收[21-22]，进而促进了玉米苗期的养分吸收和干物质积累。前人研究发现，玉米苗期良好的生长发育可以促进后期养分的积累和分配，从而增加产量[23-25]。本试验结果表明，启动磷肥不仅使苗期玉米形成良好的根系构型，而且增加了玉米生育中后期N、P、K养分积累总量，同时促进了N、P、K养分由营养器官向生殖器官的转移，进而使玉米产量提高了6.71%～18.89%，此结果与Schwab等[26]和侯云鹏等[27]的研究结果相似。此外，作物体内充足的P养分可促进叶绿素合成，影响三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate, ATP)酶的磷酸化过程，延缓叶片衰老，从而提高植物光合性能，促进光合产物的生成，提高籽粒灌浆速率，增加千粒重[28]。但也有多项研究表明，在常规磷肥施用模式下，磷肥基施只能促进作物苗期的生长发育，提高植株对N、P、K养分的吸收，对产量无显著影响[29-31]。与传统施肥模式相比，启动磷肥可利用少量的磷肥满足玉米苗期生长所需，使玉米安全度过磷素营养的临界期，并起到促苗壮苗作用，同时剩余磷肥可满足玉米生育后期对P养分的需求，避免在生育后期出现P养分供应不足的情况。

3.2 启动磷肥提高玉米产量和磷肥利用效率

本研究发现，启动磷肥处理玉米产量和磷肥偏生产力显著高于不施启动肥处理，其中穴施效果优于滴施，其主要原因是施肥时间和施肥方式影响了玉米对P养分的有效吸收和土壤中磷养分的分布。玉米磷养分临界期在苗期，因此玉米苗期补充磷肥较为关键。在新疆滴灌施肥系统中，第一次施肥通常是在玉米拔节期，而苗期充足的养分供应是玉米增产的基础。在本研究中穴施和条施处理较不施启动磷肥处理产量增加了6.71%和18.89%，秃尖减少了10.68%和29.68%，因此新疆滴灌玉米施用启动磷肥在玉米生长发育过程中对产量的形成较为关键，是减少秃尖、增加产量的主要途径，同时也是提高磷肥利用率的途径之一。磷肥在土壤中的移动性差，移动距离一般为3～5 cm[32-33]，磷肥施用方式会直接影响土壤中速效磷的空间分布。土壤滴灌导致磷肥主要集中在土壤表层[34]，而在苗期玉米根系主要分布于6～24 cm土层[35]，导致玉米很难吸收表层土壤的养分，而穴施可以使磷养分集中在相对较深的位置，更容易被吸收，因此适合的施磷位置可以使磷肥在土壤中更易与根系接触，提高玉米对养分的吸收[36]。本研究中，滴灌处理土壤速效磷主要分布在距土表垂直0～9 cm，水平0～10 cm范围内，穴施处理土壤速效磷分布在距土表垂直6～15 cm，水平0～6 cm范围内，可见正确的施肥位置是提高磷肥有效利用的关键，也是穴施优于滴灌的主要原因。

4 结论

本研究结果表明，施用启动磷肥可以促进产量的增加，其原因是促进了苗期玉米根系的生长发育，为玉米生长后期养分吸收和转移提供先发优势。此外，启动磷肥穴施效果优于滴施效果，主要原因是启动磷肥穴施位置更集中且靠近玉米根系，便于根系吸收磷养分。