有机无机肥配施对夏玉米根系分布及产量形成的调控
2023-10-15黄慧
黄慧
（菏泽市农业科学院，山东菏泽 274000）
0 引言
在当代农业中最优的施肥方式对于提高养分利用效率和产量起着重要作用，因为现在不仅需要产量的提高而且需要减少自然资源的消耗降低农业面源污染[1]。但是目前氮肥用量不断增加，产量趋于稳定甚至略有降低，使经济效益降低[2]，所以有机肥替代化肥也是减肥增效的重要措施之一。有机肥对于改良土壤肥力，提高有机质含量，维持土壤微环境等都有着显著作用[3-4]。根系作为养分吸收的重要器官，良好根系构型的建立决定了作物捕获养分的能力[5-7]，LYNCH[8]在2013 年提出了“Steep,Cheap and Deep (SCD)”的理想根系构型，通过合理的方式促进根系下扎，增加深层根系在土壤的空间分布能显著提高资源利用效率。氮肥的合理利用不仅能增加产量而且还可以减少环境污染，提高氮肥利用率。根系是吸收水分养分的重要器官，其数量、活性与叶片衰老、有机物合成、转运及籽粒膨大有紧密的关系[9]。根系构型及其时空分布是养分吸收和产量形成的重要影响因素[10]，随着产量的增加玉米根系在空间分布上呈现“横向紧缩，纵向延伸”的变化趋势[11]。植物的生长，资源的分配和土壤资源的获得等作用与根系构型有密切关系[12]。由于深层土壤比浅层土壤水分和氮素含量高，所以合理的施肥方式能增加根系对深层土壤水分和养分的吸收[13-15]，使玉米整个生育期都能获得有效的养分吸收。由于根系形态和生理上的可塑性，不同肥料类型及其施用方式对玉米根系生长和其在土壤中的分布有不同的影响[16]，目前有机无机肥配施对于增加作物产量[17-19]，改善土壤结构[20]，提高养分利用率方面报道较多，但对于有机无机肥配施对根系的影响鲜为报道。本试验通过研究有机无机肥配施对夏玉米根系在土壤中的空间分布及其对氮肥的调控效应的影响，探明有机无机肥配施促进根系向深层土壤下扎，提高氮肥利用效率，促进产量形成，对于进一步提高夏玉米产量和氮素利用效率具有重要作用。
1 材料与方法
1.1 试验地状况
采用大田种植，于2021年在山东省菏泽农业科学院试验基地进行，试验地为壤土，前茬作物为小麦。
1.2 试验设计
供试材料为‘郑单958’，种植密度75000株/hm2。试验采用随机区组设计，设4个不同的施肥方式，分别是单施有机肥(M)、有机无机肥1:1配施(U+M)、单施无机肥(U)和不施肥(CK)4个处理。除CK处理外，其他各施肥处理的施氮水平均为纯N 200 kg/hm2、P2O5250 kg/hm2、K2O 200 kg/hm2，有机肥选用腐熟牛粪，氮肥为普通尿素。施肥前对有机肥含水量及养分含量进行测定。牛粪施用量根据牛粪的含氮量和含水量计算得出，根据牛粪磷钾含量确定磷钾肥用量。各处理磷钾肥均作底肥一次性施入，有机肥作基肥一次性施入，尿素50%作底肥，其余50%于大喇叭口期追施。玉米生育期给予良好的管理并保证水分供应。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 产量及其构成因素 进行小区测产，每个小区取5 m，3行，收获面积为9 m2，用于测定产量及产量构成因素。
1.3.2 干物质积累 分别于玉米开花期(VT)、完熟期(R6)取样，每个小区选择连续长势均匀的植株3株，将茎、叶、雄穗、苞叶、籽粒、穗轴6 部分器官分别装在不同的纸袋中，于烘箱中105℃杀青30 min 后80℃烘干至恒重，测定干物质积累量。
1.3.3 根系分布 于玉米开花期(VT)对根系进行取样，研究根系分布。取样时选生长均匀一致的植株3 株，以植株为中心，沿行距方向取长60 cm，沿株距方向上取宽20 cm，每20 cm 为一土层的长方形根土块，取根深度为80 cm。将每一土层的根土样品装入40 目网袋，在低水压下冲洗干净，将其中的根系全部挑出，然后放入自封袋中0～4℃保存。
用Epson Perfection V700 Photo 扫描仪[Epson,Perfection V700 Photo,Epson (China) Co.Ltd.,China]进行扫描保存的根系，然后使用配套软件(WinRhizo Pro,Régent Instruments,Québec,Canada)对根系长度进行分析。分析完成后将根系装入纸袋放入80℃烘箱烘干至恒重，用于测定根系干重。
1.3.4 氮素含量测定 植株样品粉碎过筛后用浓H2SO4-H2O2联合消煮，用BRAN＋LUEBBE Ⅲ型（德国）连续流动分析仪测定全氮含量。
1.4 数据处理及统计分析
相关计算公式如式(1)～(3)所示。
氮素积累量，g/株；氮肥偏生产力(nitrogen partial factor productivity,PFPN)，kg/kg；氮肥农学效率(nitrogen agronomic efficiency,AEN)，kg/kg。
数据采用Microsoft Excel 处理数据和作图，用DPS 15.10软件进行处理与统计分析并采用LSD法进行差异比较。
2 结果与分析
2.1 产量及构成因素
由表1可见，不同施肥方式条件下，各处理的单位面积穗数无显著差异。U+M 处理的穗粒数比U、M、CK 处理分别增加7.36%、10.06%和16.83%，U 和M 差异不显著。U+M 比U 处理的千粒重略高但差异不显著，较M和CK处理有显著性差异。所以U+M处理的产量较其他处理有显著性差异，分别比U、M、CK处理分别增产7.79%、23.69%和30.31%。
表1 不同处理对产量及其构成的影响
2.2 干物质积累
由表2看出不同施肥模式成熟期和开花期干物质积累量呈现U+M＞U＞M＞CK的趋势，且各处理差异显著。花前U+M 处理的干物质积累量比U、M 和CK处理分别增加43.63%、53.95%和102.45%，成熟期U+M 处理的干物质积累量比U、M 和CK 处理分别增加56.31%、79.35%和125.74%。U+M处理的花后比例显著高于其他处理，说明有机无机肥配施增加了花后干物质的积累，有利于籽粒的形成。
表2 不同处理干物质积累量
2.3 根系的时空分布
图1显示不同施肥模式对玉米根系总干重和根长密度有显著的差异。U+M、U和M处理根系干重分别比CK 增加80.19%、38.41%和31.39%，U 处理和M 处理的根系干重无显著差异。U+M 处理的根长密度比U、M 和CK 分别增加31.42%、43.13%和82.04%，且各处理差异性显著。
图1 不同处理开花期根系干重和根长密度
表3显示有机无机肥结合施用不仅促进整体根系的增加，而且还促进下层根系的生长，增加下层根系比例。不同施肥处理0～20 cm土层根长密度占总根长密度的比例表现为M＞CK＞U＞U+M，20～40 cm土层M和U处理根长密度占总根长密度的比例高于其它施肥处理。40～60 cm 土层根长密度占总根长密度的比例表现为U+M＞U＞CK＞M。60～80 cm 土层U+M 根长密度占总根长密度比例表现更为突出，表明U+M施肥处理增加40～80 cm 土层根系，显著促进了根系的下扎。
表3 不同处理根长密度在不同土层的分布 cm/cm
2.4 氮素吸收量及利用效率
表4 显示不同模式施肥氮素吸收量、PFPN、AEN都有显著性差异，U+M处理氮素吸收量、PFPN、AEN均较高。U+M 处理氮素吸收量比U、M、和CK 分别增加67.42%、102.75%和149.72%，U+M 处理的PFPN 比U和M 分别提高7.79%和23.69%，U+M 处理的AEN 比U 和M 分别提高44.96%和467.22%，M 处理表现出较低的AEN。由分析知，U+M 处理积累较多的氮素养分，并且有较高的PFPN和AEN，这有利于将更多的养分转运给籽粒，促进籽粒的生长，进而获得高产。
表4 不同处理夏玉米氮素吸收量、PFPN和AEN
3 结论
有机无机肥配施较其他处理促进整体根系合理的生长，促进根系下扎，增加深层根系数量，形成良好的根系构型，促进干物质积累，提高氮素吸收利用效率，有利于产量的提高。
4 讨论
4.1 不同施肥方式对产量及其氮素利用的影响
氮肥的吸收与利用对作物的生长发育及产量形成有显著的影响，氮素积累量也是产量形成的基础。氮肥偏生产力是单位投入的施肥氮所能生产的籽粒产量，反应作物吸收氮后形成籽粒的能力，也是评估减肥增效技术效果的一项重要指标[21]。本试验表明，在有机无机肥配合施用下氮素积累量、氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率均显著高于单施有机肥、单施无机肥和不施肥处理（表4），增加干物质积累，提高产量（表1，表2）。单施有机肥处理由于有机肥释放缓慢很难满足作物前期对养分的需求，容易造成作物前期生长受阻；单施无机肥处理虽然肥效快但易淋溶，造成后期养分需求不足；有机无机肥配施能够平衡植株对整个生育期养分的需求，减少氮素损失，提高植株对氮素的吸收能力，进而提高干物质的生产能力，起到增产的效果。李燕青等[22]研究显示施用牛粪提高作物氮素吸收和干物质积累能力，习斌等[23]研究也显示猪粪替代50%化肥氮处理产量提高较为明显。
4.2 不同施肥方式对根系分布及养分利用的影响
玉米根系吸收利用养分的作用不仅取决于根系大小和生理特性，还取决于根系在土壤中的空间分布特性[24]，良好的根系空间分布，可以延缓根系衰老，提高根系活性[25-27]。米国华等[28]也提出玉米根系在深层土壤中分布较多，活力较强，根系的下扎能力越强。“Steep,cheap and deep”根系模型也提出深层养分的吸收利用主要取决于深层根系的分布及活力[8]。总之，根系在深层土壤中的分布对于提高产量，增加养分吸收利用效率起着重要作用。本试验研究显示有机无机肥配施增加根系干重和根长密度（图1）。不同的施肥方式在不同土层根长密度有不同的空间分布，单施有机肥和单施无机肥增加表层土壤根系分布，有机无机配施显著增加了下层根系的比例，说明有机无机肥配施促进了根系的下扎，为根系向土壤深处延伸提供了便利的条件，有利于根系空间分布（表3）。这可能与有机无机肥配施能够改善土壤理化性质、调节土壤碳氮比、促进土壤微生物活动、疏松土壤有关。有机无机肥配施又可以形成理化特性较好的深层土壤空间结构，促进根系向深层生长，提高养分吸收利用[29]，使养分偏生产力和养分农学利用效率偏高。尤其在花后，根系进入自然衰老时期，浅层根系优先衰老死亡，但是少量深层根系仍具有较高活性，可以较好的吸收利用土壤深层资源，所以玉米生育后期深层根系对资源的吸收以及产量形成起着显著的作用，这也是有机无机肥配施花后干物质积累所占比例较高的原因之一。
