干旱区滴灌玉米出苗期施用启动磷肥的增产效应

刘小龙，冯国瑞，张新疆，马 林，邢 翔，吕海丽，危常州

（石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆石河子 832003）

玉米作为主要的粮食作物，在保障我国粮食和饲料安全方面发挥了重要作用[1-2]。磷肥在保证作物高产和稳产方面发挥着重要作用[3]。新疆是干旱地区，目前本区域玉米生产除伊犁地区外，全部采用滴灌。在新疆滴灌栽培体系中，磷肥基本全部做追肥施用。新疆土壤基础肥力较低，而新疆滴灌玉米一般在进入拔节期 (出苗后50天左右) 才进行第一次追肥，苗期可能出现养分不足的情况。基于以上问题，新疆通常在玉米播种后进行一次滴灌施肥，以解决土壤基础肥力低、可能限制玉米苗期生长的问题。这种施肥方法类似于国外施用的启动肥，如在美国玉米生产中，通常在播种时在种子侧方和下方5 cm处施用一些肥料[4]。但是美国的启动肥通常是机械开沟施入的，而滴灌条件下肥料是随着灌溉水施入土壤的。一般认为启动肥在低温、湿度大的土壤如保护性耕作的土壤上增产作用最显著[5-6]。最近的研究表明，在滴灌条件下施用启动肥可以促进玉米增产、提高磷肥利用效率和增加经济效益[7]。在化肥减量的条件下，启动肥的施用可避免降低玉米籽粒产量[8]。Kim等[9]研究表明，施用含硫的液体启动肥促进了玉米增产。经过酸化处理的有机肥和硝化抑制剂配施做启动肥可以显著增加玉米磷积累量[10]。腐植酸属于酸性土壤改良剂，可通过影响根系形态、根系养分吸收、根系基因表达等来影响根系的生长发育[11]。柠檬酸浸种能够增加苦荞的总根长和侧根数[12]。腐植酸和柠檬酸与磷肥配合在苗期作为启动肥对玉米生长和磷肥利用效率的影响未见报道。本文通过两年田间试验进行了相关研究，为提高启动磷肥的施用效果提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验在新疆石河子市天业农业试验站进行(86°04′E，44°21′N)。试验站地处天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，干旱少雨，属于典型的温带大陆性气候，年均气温7℃～8℃，该地区年均降水量为210 mm，年均潜在蒸发量1600 mm，土壤类型为灌耕灰漠土，质地为壤土，耕层土壤 (0—20 cm) 基本理化性质如下：pH 8.12，有机质20.56 g/kg，全氮0.74 g/kg，全磷0.98 g/kg，速效磷15 mg/kg，速效钾403 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2020、2021年进行，2020年玉米4月22日播种，9月20日收获，2021年玉米4月17日播种，9月18日收获，供试品种为“新玉65”。玉米采用宽窄行栽培，宽行70 cm，窄行30 cm，株距18 cm，播种理论密度11.1×104株/hm2。试验设置：全生育期不施磷肥 (CK)；磷酸二铵从拔节期开始滴灌施肥 (CF)；30%氮磷钾做启动肥 (DSF)；30%氮磷钾结合腐植酸做启动肥 (HSF)；30%氮磷钾结合柠檬酸做启动肥 (CSF)，3种启动肥处理中，磷肥均为磷酸二铵，共5个处理，每个处理重复3次，共计15个田间试验小区，每个小区面积48 m2，随机区组排列。除对照处理(CK)外，4个施肥处理的氮磷钾投入总量相同，均为N 315 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。3个启动肥处理中，N、P2O5、K2O总量的30%用于启动肥，于玉米播种后一天随出苗水(450 m3/hm2)滴灌施入，其余70%的肥料在玉米完成蹲苗后开始共分6次随滴灌进行追施，灌溉量为4740 m3/hm2。供试腐植酸 (南宁合润发科技有限公司生产的生化腐植酸，HA，其中N 3.5%、P2O50.5%、K2O 10.8%)施用量为45 kg/hm2，将其含有的氮、磷量的50%、钾的100%计入总养分量，在追施磷酸二铵中刨除。柠檬酸 (CA) 为分析纯化学试剂 (C6H8O7·H2O)，使用量为3 kg/hm2。供试市售化肥包括尿素 (N 46%)、磷酸二铵 (N 16%，P2O550%)、硫酸钾 (K2O 51%)。其余田间管理措施同一般大田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤基础理化性质测定 采用水土质量比为2.5∶1法测定土壤pH；重铬酸钾外加热法测定有机质；半微量开氏法测定全氮；高氯酸—硫酸法测定全磷；NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定速效磷；NH4OAC浸提，火焰光度计法测定速效钾。

1.3.2 根系指标 于玉米苗期 (五叶期) 每小区选择长势均匀一致连续的植株3株，取苗期玉米根系，按土体体积30 cm×54 cm×30 cm挖掘，用Epson Perfection 4870 Photo扫描仪扫描根系样品，用WinRhizo 2016根系分析软件测定总根长。

1.3.3 干物质及磷累积量 分别在玉米二叶期(2020年5月9日、2021年5月8日)，三叶期(2020年5月12日、2021年5月12日)，四叶期(2020年5月20日、2021年5月19日)，五叶期(2020年5月23日、2021年5月26日)、拔节期(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) 每个小区选择生长发育一致、叶片无病斑和破损的植株3株，苗期分为地上部和地下部，其余生育期将植株地上部按叶、茎 (鞘)、籽粒、穗轴等器官分开，烘箱105℃杀青60 min，80℃烘至恒重称干重，之后粉碎过0.25 mm筛用于测定P含量。

1.3.4 叶面积指数 在拔节期、抽雄期和成熟期每小区选择长势一致的植株3株，测定绿叶面积。

单叶面积 = 叶长×叶宽×0.75 (校正系数)

叶面积指数 (LAI) = 该土地面积上的总叶面积/土地面积

1.3.5 叶绿素相对含量 (SPAD值) 使用SPAD-502叶绿素计 (日本美能达公司制造)，在拔节期测定倒数第二片展开叶，抽雄期和成熟期测定穗位叶，测定叶基、叶中、叶尖的叶绿素含量，每小区测5株取平均值作为该小区叶片的SPAD值。

1.3.6 净光合速率 在拔节期、抽雄期、成熟期选择晴朗的天气于10:00—13:00采用LI-6400便携式光合作用系统 (美国Li-cor公司生产) 在田间直接测定净光合速率，选每个小区有生长代表性的植株3株，拔节期测定倒数第二片展开叶，抽雄期和成熟期测定穗位叶，每个叶片测量3次，取平均值。

1.3.7 产量及其构成因素 在玉米籽粒成熟期，每个小区选取6.67 m2进行人工收获，统计有效穗数，用均值法选取10穗，自然风干后进行室内考种，考察穗行数、行粒数、千粒重及含水量，产量按籽粒含水量14%进行折算。

1.4 计算公式

比根长 (m/g) = 根系总长度/根系生物量

根长密度 (mm/cm3) = 总根长/土壤体积

根重密度 (mg/cm3) = 总根重/土壤体积

磷素吸收量 (kg/hm2) = 单位面积株数×单株磷吸收量

磷表观利用率 (%) = (施磷植株地上部吸磷量-对照小区植株地上部吸磷量)/磷肥(P2O5)用量×100

磷农学利用效率 (kg/kg) = (施磷小区籽粒产量-对照小区籽粒产量)/磷肥(P2O5)用量

磷偏生产力 (kg/kg) = 施磷小区籽粒产量/磷肥(P2O5)用量

1.5 数据分析

试验数据采用SPSS 21.0软件进行处理和分析，不同处理采用Duncan法进行差异显著性检验(P＜0.05为差异显著)。用Microsoft Excel 2010 软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 玉米苗期根系生长

2020和2021年施用启动磷肥均促进了苗期玉米总根长、根长密度和根重密度的增加，但对比根长没有显著影响 (表1)。其中，DSF、HSF和CSF处理的玉米总根长、根长密度和根重密度显著高于CF和CK处理，DSF较CF处理总根长在2020和2021年分别显著增加了16.10%和10.70%；在启动肥中，配合腐植酸 (HSF) 或柠檬酸 (CSF) 处理进一步显著增加了玉米总根长、根长密度和根重密度，其中根长密度较DSF处理两年平均分别增加了10.59%和13.28%；HSF和CSF处理的玉米总根长、根长密度和根重密度无显著差异。

表1 不同施肥处理对玉米苗期根系参数的影响Table 1 Root parameters of maize at seedling stage under different fertilization treatments

2.2 玉米苗期干物质累积及磷累积吸收量

2020和2021年施用启动磷肥均促进了三叶期至五叶期玉米干物质累积及磷累积吸收量，但对二叶期玉米促进效果不明显 (图1，图2)。其中在三叶期至五叶期DSF、HSF和CSF处理地上部和地下部干物质累积及磷累积吸收量多显著高于CF和CK处理，在二叶期至五叶期，DSF较CF处理根系干物质累积及磷累积吸收量在2020分别增加了14.23%、16.52%，在2021年分别增加了10.87%、9.71%。在启动肥中，配合腐植酸 (HSF) 或柠檬酸 (CSF) 处理进一步促进了干物质累积和磷累积吸收量的增加，但HSF和CSF处理间无显著差异。

图2 不同施肥处理苗期玉米地上部和地下部磷累积吸收量Fig.2 P accumulation in aboveground and underground of maize at seedling stage under different fertilization treatments

2.3 拔节期、抽雄期和成熟期玉米光合特性、干物质累积及磷累积吸收量

2020和2021年在玉米拔节期和抽雄期，叶面积指数、叶片SPAD值和净光合速率均表现出HSF≈CSF＞DSF＞CF＞CK (图3)。2020 年在玉米拔节期和抽雄期，相比CF处理，DSF、HSF和CSF处理提高了玉米叶面积指数、SPAD值和净光合速率，在启动肥中，配合腐植酸 (HSF) 或柠檬酸 (CSF) 处理进一步提高了促进效果。2021年表现出与2020年相近的变化规律。

图3 不同施肥处理玉米叶面积指数、SPAD值和净光合速率Fig.3 Leaf area index, SPAD value and net photosynthetic rate of maize under different fertilization treatments

施用启动磷肥处理有利于玉米各生育期地上部干物质累积量和磷累积吸收量的增加 (表2)。2020和2021年，不同施肥处理拔节期、抽雄期和成熟期玉米干物质积累及磷累积吸收量均表现为HSF≈CSF＞DSF＞CF＞CK。与CF处理相比，DSF处理成熟期磷累积吸收量两年平均增加了7.01%。2020年，与DSF处理相比，配合腐植酸 (HSF) 或柠檬酸 (CSF) 处理玉米成熟期磷累积吸收量分别增加了10.48%和7.86%，两年平均分别增加了9.71%和8.67%，但HSF和CSF处理间无显著差异。2021年表现出与2020年近似的变化规律。

表2 不同施肥处理下玉米各生育期的干物质积累及磷累积吸收量 (kg/hm2)Table 2 Cumulative dry matter and P accumulation of maize at each growth stage under different fertilization treatments

2.4 收获期玉米产量及其构成因子

两年数据显示，施用启动磷肥处理可以通过增加玉米穗部行粒数和穗粒数达到增产的效果 (表3)。与CF处理相比，DSF、HSF和CSF处理，2020年玉米行粒数分别增加了2.99%、5.70%和7.46%，穗粒数分别增加了5.04%、4.90%和7.42%，产量分别增加了4.60%、8.77%和9.82%；2021年启动磷肥处理较常规施肥处理玉米行粒数、穗粒数和产量表现出与2020年近似的变化规律，与CF处理相比，DSF处理产量两年平均增加了4.62%。与DSF处理相比，配合腐植酸 (HSF) 或柠檬酸 (CSF) 处理2020年玉米产量分别增加了3.99%和4.99%，2021年玉米产量分别增加了5.72%和7.03%。但两年结果显示HSF和CSF处理之间行粒数、穗粒数和产量均无显著差异。

表3 不同施肥处理玉米产量及其构成因素Table 3 Maize yield and its yield components under different fertilization treatments

2.5 玉米磷养分利用效率

DSF、HSF和CSF较CF处理磷表观利用率、磷农学利用效率和磷偏生产力均有提升 (表4)。DSF、HSF和CSF较CF处理，2020年磷表观利用率分别提升了3.21、9.13和7.66个百分点；磷农学利用效率分别提升了28.05%、53.51%和59.91%；磷偏生产力分别提升了4.60%、8.77%和9.82%。与DSF处理相比，HSF和CSF处理2020年磷表观利用率分别提升了5.92个百分点和4.45个百分点；磷农学利用效率分别提升了19.88%和24.88%；磷偏生产力分别提升了3.99%和4.99%。2021年表现出与2020年近似的变化规律，启动磷肥处理较常规施肥处理磷表观利用率、磷农学利用效率和磷偏生产力均有提升，在启动肥中，配合腐植酸 (HSF) 或柠檬酸 (CSF)进一步提升了磷肥利用效率，但HSF和CSF处理间无显著差异。

表4 不同施肥处理下玉米磷素养分利用率Table 4 Phosphorus use efficiencies of maize under different treatments

3 讨论

根是植物养分吸收的主要器官，发达的根系是作物获取充足营养的基础[13]。玉米磷营养临界期在三叶期[14]，因此根系的早期生长对中后生育期的养分吸收、光合产物合成以及产量的形成至关重要。本研究发现，启动磷肥的投入对玉米苗期根系的建成有重要影响。2020和2021年，在玉米苗期时，DSF较CF处理总根长分别显著增加了16.10%和10.70%(表1)。与之对应的，从二叶期至五叶期，DSF较CF处理两年根系干物质累积量分别增加了14.23%和10.87% (图1)，磷累积吸收量分别增加了16.52%和9.71% (图2)。以上数据说明，启动磷肥的施用促进了玉米早期根系生长，进而提高了玉米生物量和磷养分吸收。2020和2021两年数据平均值显示，DSF较CF处理成熟期磷累积吸收量增加了7.01%(表2)，产量增加了4.62% (表3)，这与Ma等[15]研究结果相近。这表明在相同磷肥用量下，部分磷肥做启动肥可以促进玉米苗期根系生长进而增加了后期玉米磷累积吸收量，并起到增产的效果。

与DSF处理相比，配合腐植酸 (HSF) 或柠檬酸(CSF) 处理玉米苗期地下部干物质累积及磷累积吸收量两年内均有提升 (图1，图2)，说明磷酸二铵做启动肥配合生物活性物质促进了玉米根系生长和提高了根系对磷素吸收能力。研究发现腐植酸能够刺激根系生长，增加总根长度、主根长度和侧根长度，并促进了不同直径根数量的增加，形成更大的根系系统[16-18]，强化玉米根系生长利于玉米对养分的吸收[19]。柠檬酸同样能够改变作物根系形态，增强根系的养分吸收能力，此外，强大的根系系统可以增加碱性磷酸酶的分泌，利于土壤有机磷向无机磷的转化，可以改善苗期玉米生长的磷素营养条件[20-21]。两年的试验数据均显示，生物活性物质与磷酸二铵配合施用 (HSF和CSF)做启动肥玉米苗期总根长、根长密度和根重密度显著大于磷酸二铵用做启动肥处理 (DSF)。与之对应的，在启动肥中，配合腐植酸 (HSF)或柠檬酸 (CSF) 较DSF处理，两年平均苗期根长密度分别增加了10.59%和13.28% (表1)，成熟期磷累积吸收量分别增加了9.71%和8.67%(表2)。

腐植酸和柠檬酸配合启动磷肥导致玉米增产的另一原因可能和土壤磷的有效性有关。研究发现，腐植酸和柠檬酸均可通过竞争磷在土壤上的吸附位点，减缓有效磷向难溶性磷的转化速率，进而减少磷被土壤固定的量[22-24]；李军等[25]研究也表明，腐植酸磷肥增加了0—30 cm土层速效磷含量，并促进了玉米体内磷素的转运，提高了玉米籽粒磷吸收量，并增加了磷素收获指数。柠檬酸的施用可以向土壤微生物提供碳源，改变土壤微生物的种群结构，增加溶磷功能细菌的数量，进而促进土壤中矿物磷的溶释，增加有效磷含量[26]。本研究中，相比DSF处理，配合腐植酸 (HSF) 或柠檬酸 (CSF) 处理玉米磷养分累积量均有增加，可能启动磷肥配施活性物质腐植酸或柠檬酸对土壤磷养分活化是外在条件改善，而生物活性物质对根系生长的促进作用是玉米根系增强养分自主吸收的内在动力。

4 结论

滴灌条件下，在播种后1天施肥 (启动肥) 较常规的蹲苗后开始施肥更有利于玉米的生长和对磷的吸收利用。在启动肥中，配合腐植酸 (HSF) 或柠檬酸 (CSF) 进一步促进了玉米苗期根系生长及养分吸收，增加了成熟期玉米干物质累积及磷累积吸收量，从而增加了玉米产量及磷养分利用效率，2020年产量分别增加了3.99%和4.99%，磷表观利用率分别提升了5.92个百分点和4.45个百分点，磷农学利用效率分别提升了19.88%和24.88%，磷偏生产力分别提升了3.99%和4.99%。综上，以30%的氮磷钾肥量配合腐植酸或柠檬酸，在玉米播种后作为启动肥施用是干旱区滴灌玉米增产增效的一种新方法。