滴灌玉米苗期根系形態(tài)對啟動磷肥施用位置的響應(yīng)

馮國瑞, 張新疆, 王祥斌, 潘洪陽, 李元亨, 劉小龍, 危常州

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系，新疆 石河子 832000)

磷素是作物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素之一。由于磷在土壤中的移動性差，極易被土壤固定，加之施用方式不合理，導(dǎo)致磷肥利用率不高，提高磷肥在土壤中的生物有效性是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的巨大挑戰(zhàn)。在玉米生長過程中磷養(yǎng)分臨界期在苗期，此階段玉米對磷養(yǎng)分十分敏感。我國新疆地區(qū)早春季節(jié)溫度低，土壤濕冷，玉米根系生長和磷養(yǎng)分吸收被抑制，使玉米在苗期更容易出現(xiàn)磷養(yǎng)分不足的情況。在國外通常利用啟動肥來提高磷在土壤中的生物有效性，以滿足苗期玉米對磷養(yǎng)分的需求。所謂啟動肥是指在作物播種時集中施用在種子附近的少量肥料，施用方式通常為條施，施肥位置在種子的側(cè)面下方，距離種子水平和下部垂直距離間隔約5 cm。大量研究表明，施用啟動肥可以顯著提高作物產(chǎn)量，同時也有研究認(rèn)為，施用啟動肥主要是通過促進(jìn)作物苗期生長發(fā)育，使其具有發(fā)達(dá)的根系系統(tǒng)，起到促苗壯苗作用，增強(qiáng)作物后續(xù)自主吸收養(yǎng)分的能力，最終使產(chǎn)量增加。在新疆地區(qū)，啟動肥通常是通過滴灌系統(tǒng)施入土壤，由于磷在土壤中的移動性弱，滴灌施磷通常磷肥集中在土壤表層0—10 cm的土層中。此外，目前玉米品種的根系為大多呈現(xiàn)為“橫向緊縮，縱向延伸”，具有高吸收活力的根系主要分布在5—20 cm土層。這就使得滴灌施入土壤的磷養(yǎng)分布位置與根系分布在空間位置不一致，這種差異可能導(dǎo)致啟動肥達(dá)不到預(yù)想的效果。根系作為養(yǎng)分和水分主要的吸收器官，在發(fā)育過程中具有高度的可塑性，而磷肥施用位置對根系的生長和分布具有重要的調(diào)控作用，可以促使作物形成良好的根系構(gòu)型，改變根系在土壤中的空間分布，使其充分發(fā)揮生物學(xué)潛力，提高磷養(yǎng)分利用率。為此，本研究設(shè)計啟動磷肥在土壤中不同深度的試驗，探究啟動磷肥施用在不同位置對玉米苗期養(yǎng)分吸收、根系構(gòu)型以及土壤磷養(yǎng)分分布與根系分布空間匹配的影響，為正確施用啟動肥、玉米高效施肥提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年5月2日在石河子大學(xué)試驗站日光溫室(86°03′27″E，44°18′25″N)進(jìn)行。供試玉米品種為“新玉65”(L.)，供試土壤取自石河子大學(xué)實驗站耕層土，土壤類型為灌耕灰漠土。土壤基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)含量為18.0 g/kg，堿解氮含量為57.7 mg/kg，速效磷含量為15.3 mg/kg，速效鉀含量為186.1 mg/kg，pH為8.1。土壤速效磷的標(biāo)準(zhǔn)誤為0.23 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

采用根箱(長、寬、高分別為30，4，35 cm)種植玉米，設(shè)置啟動磷肥4種施肥位置處理，分別是啟動磷肥土壤表層滴施(T1)、種子側(cè)方5 cm、下方5 cm穴施(T2)、種子側(cè)方5 cm、下方12 cm穴施(T3)和不施啟動磷肥(CK)，每個處理預(yù)設(shè)12個根箱供后續(xù)指標(biāo)取樣，根據(jù)大田啟動磷肥施用量(PO30 kg/hm)設(shè)置所有啟動磷肥處理用量均為PO0.2 g/kg土壤。將種子播種于距離根箱一側(cè)10 cm處，播種深度為3 cm。將供試土壤風(fēng)干后過3 mm 篩進(jìn)行裝盆，根箱裝土重量4.6 kg，土壤容重為1.2 g/cm，為保證整個根箱恒有衡定的土壤容重和均勻的孔隙度，裝土?xí)r每50 mm 土層為1層(基本單元)，用平面錐子反復(fù)對每一土層進(jìn)行壓實，排除不同土層接觸界面的空氣。根箱裝土后分3次灌水，待土壤自然落干至土壤含水量為田間持水量的60%開始進(jìn)行播種和施肥操作。T1處理所有磷肥于播種后一次性用醫(yī)用輸液器模擬滴灌系統(tǒng)，將啟動肥溶解于80 mL水中滴施到土壤表層距離玉米位置15 cm處，T2和T3處理根據(jù)播種位置在根箱側(cè)面打孔將肥料一次性施用到設(shè)計位置，施肥完成回填土壤，用密封膠密封，并滴灌與CK處理相同量的水。所有處理保持相同灌水量和灌水頻率，每3天進(jìn)行1次灌水。具體玉米播種和施肥位置見圖1。

注：☆種子；○施肥點，每個小方格的長寬均為3 cm。下同。圖1 啟動磷肥施用位置和取樣示意

1.3 指標(biāo)測試及分析方法

根系形態(tài)與生物量的測定：分別于玉米出苗后7，14，21天選擇長勢均勻的3盆玉米，打開根箱一側(cè)，用低壓水槍緩慢沖洗玉米根系，洗去根系表面的土壤，將根系放置于盛有水的盤子中，把每條根系小心的均勻分散開來，再通過人工計數(shù)法測定一級側(cè)根和二級側(cè)根數(shù)后，將根系樣品用 Epson Perfection 4870 Photo掃描，使用Win RHIZO 2016根系分析系統(tǒng)測定玉米根系長度和表面積。最后將植株分為地上部和地下部于105 ℃殺青30 min后，在75 ℃烘干至恒重，稱其干重。

植株磷養(yǎng)分測定：將烘干的植株樣品粉碎處理后，通過濃HSO-HO消煮，用釩鉬黃比色法測定各部位磷含量。

土壤中有效磷和根系空間分布：于玉米出苗后21天取3盆根箱分別進(jìn)行土壤和根系取樣分析。沿播種點垂直位置按照長×寬為3 cm×3 cm的微區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行土壤和根系分割取樣，具體取樣見圖1。人工挑出每個微區(qū)土塊中的所有根系，利用游標(biāo)卡尺人工測量每個微區(qū)土塊中根系總長度并計算根長密度。挑出根系的微區(qū)土壤風(fēng)干后，過1 mm篩，用0.5 mol/L NaHCO浸提測定土壤速效磷含量。將測定所得的根長密度和磷含量數(shù)據(jù)進(jìn)行以e為底取對數(shù)進(jìn)行降維處理，以利于通過圖表呈現(xiàn)。

玉米根系與土壤磷有效性匹配關(guān)系判斷：為研究啟動磷肥施肥位置引起的土壤速效磷分布的差異是否對根系的分布產(chǎn)生影響，采用以下邏輯判斷分析有效磷分布與根系分布匹配程度。具體做法是對土壤的每個微區(qū)(3 cm×3 cm)根長與有效磷含量進(jìn)行邏輯判斷，以CK為基準(zhǔn)，各處理任一微區(qū)土壤速效磷與CK對應(yīng)位置速效磷含量進(jìn)行差減，結(jié)果為正、負(fù)2種，同步對該位置根長密度進(jìn)行相同的操作，結(jié)果也為正、負(fù)2種。如土壤速效磷差值為正且根長差值為正，表明磷肥促進(jìn)了根系的生長；土壤速效磷差值為正而根長為負(fù)，表明磷肥未促進(jìn)根系的生長；如土壤速效磷差值為負(fù)且根長為正，表明玉米根系有補(bǔ)償性生長；如土壤速效磷差值為負(fù)且根長為負(fù)，表明低磷營養(yǎng)限制了根系的生長，另外加2種無根系情況，高磷無根系和低磷無根系。將6種情況用不同數(shù)字記錄，并采用Origin 2019軟件進(jìn)行空間分布分析。若高磷高根長微區(qū)方格數(shù)相同，則根據(jù)該區(qū)域中的根長密度進(jìn)行判斷。

將土壤速效磷含量大于15.3 mg/kg(不施啟動肥處理的有效磷平均含量)的土壤空間界定為肥區(qū)，其余位置土壤界定為無肥區(qū)，本文“肥區(qū)”是指磷肥施肥后通過養(yǎng)分?jǐn)U散到達(dá)的區(qū)域，并計算肥區(qū)對應(yīng)根系根長密度，用以表征根系與土壤磷養(yǎng)分分布的空間匹配程度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，采用Origin 2019軟件對土壤有效磷含量、玉米根系空間分布、玉米根系長度與土壤速效磷含量匹配程度進(jìn)行空間插值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 啟動磷肥不同施用位置對苗期玉米生長的影響

由圖2可知，出苗后7天，玉米地上部和地下部干重在4個處理間無顯著差異。出苗后14天，施用啟動磷肥處理地上部和地下部干重顯著高于CK處理，T2處理地上部和地下部干重最高，T1和T3處理次之，CK處理最低，T1和T3處理之間無顯著差異。出苗后21天，各處理間的變化趨勢與出苗后14天的變化趨勢一致，但T2處理的增幅明顯大于其他處理，與CK、T1和T3處理相比，地上部干重增幅分別為54.9%，37.8%，35.0%，地下部干重增幅分別為87.5%，42.9%，20.0%。

注：圖柱上方不同小寫字母表示相同時期不同處理間差異達(dá)0.05顯著水平。下同。圖2 啟動磷肥不同施用位置對苗期玉米干重的影響

2.2 啟動磷肥不同施用位置對苗期玉米磷積累量的影響

由圖3可知，啟動磷肥不同施用位置對苗期玉米地上部與地下部磷養(yǎng)分的積累變化趨勢基本一致。出苗后7天，玉米地上部與地下部磷養(yǎng)分積累量在4個處理之間無顯著差異。出苗后14天，T2處理玉米地上部磷養(yǎng)分積累量最高，顯著高于T1、T3和CK處理，但是T1和T3處理之間無顯著差異，地下部磷養(yǎng)分積累量表現(xiàn)為施用啟動磷肥處理顯著高于CK處理，且各施肥處理之間無顯著差異。出苗后21天，玉米地上部與地下部磷養(yǎng)分積累量均表現(xiàn)為T2處理最高，T1和T3處理次之，CK處理最低。

圖3 啟動磷肥不同施用位置對苗期玉米地上部和地下部磷養(yǎng)分吸收的影響

2.3 啟動磷肥不同施用位置對玉米根系形態(tài)的影響

啟動磷肥不同施用位置下玉米苗期根系形態(tài)差異見表1。出苗后7天，一級側(cè)根數(shù)表現(xiàn)為T1、T2處理顯著高于CK和T3處理，但其他根系指標(biāo)在各處理間均未表現(xiàn)出顯著差異。出苗后14天，玉米初生根根條數(shù)和主胚根根長均表現(xiàn)為施用啟動磷肥處理顯著高于CK處理，但各施用啟動磷肥處理之間無顯著差異，與CK處理相比，施用啟動磷肥處理初生根根條數(shù)和主胚根根長分別增加21.2%～27.3%和14.7%～26.3%。對于根表面積、總根長、一級側(cè)根數(shù)、二級側(cè)根數(shù)以及側(cè)根長均表現(xiàn)為T2處理最高，T1和T3處理次之，CK處理最低，且達(dá)到顯著差異。出苗后21天，各處理之間的變化趨勢與出苗后14天的變化趨勢一致，但是一級側(cè)根數(shù)幾乎不在增長，而二級側(cè)根數(shù)在快速增加，并且T2處理的增加量最大，達(dá)到了462.7條。綜上，啟動磷肥不同施用位置對玉米苗期初生根根條數(shù)和主胚根根長的影響并不明顯，根系表面積和總根長的增加主要是由于側(cè)根的增生所造成的，并且T2處理效果最優(yōu)。

表1 啟動磷肥不同施用位置對玉米苗期根系形態(tài)的影響

2.4 啟動磷肥不同施用位置對土壤速效磷分布的影響

啟動磷肥不同施用位置對磷在土壤中的分布有較大影響。由圖4可知，T1處理速效磷主要集中在土壤表層，施肥點土壤速效磷含量最高達(dá)到1 015.08 mg/kg，隨著離施肥點的距離增加，土壤速效磷含量逐漸降低，土壤速效磷主要分布于垂直0—9 cm、水平0—18 cm范圍內(nèi)，在垂直方向上磷肥的遷移距離約為9 cm，在水平方向上磷肥的遷移距離約為12 cm。T2處理土壤中速效磷更為集中，在施肥點處高達(dá)1 428.23 mg/kg，施肥點處速效磷含量較T1處理提高40.7%，土壤速效磷主要分布于垂直3—12 cm、水平0—11 cm范圍內(nèi)，在垂直方向上的遷移距離約為6 cm，在水平方向上磷肥的遷移距離約為6 cm。T3處理施肥點處土壤速效磷最高達(dá)到了1 774.37 mg/kg，分布于垂直11—20 cm、水平0—11 cm范圍內(nèi)，在水平和垂直方向上遷移距離約為6 cm。由此可見，啟動磷肥穴施使得磷素在土壤中更加集中，但遷移距離明顯小于啟動磷肥滴施。

注：圖中有效磷含量為實測值的自然對數(shù)，并且數(shù)據(jù)為該處理與CK對應(yīng)位置有效磷相減所得；☆種子；○施肥點。下同。圖4 啟動磷肥不同施用位置對土壤速效磷空間分布的影響

2.5 啟動磷肥不同施用位置對根系分布的影響

由圖5可知，啟動磷肥不同施用位置對玉米苗期根系分布有明顯影響，施肥點的位置直接影響了根系在土壤中集中分布的位置，在施肥點附近根長密度顯著高于其他位置，但是在一些遠(yuǎn)離施肥點的位置，根長密度小于CK處理。T1處理施肥點在土壤表層，而根系主要集中在0—9 cm的上層土壤中。T2處理施肥點的位置深于T1處理，根系分布位置較T1有明顯的下移，主要集中在水平0—12 cm、垂直5—15 cm處。T3處理施肥點最深，根系分布位置也明顯深于T1和T2處理，主要集中在水平0—9 cm、垂直12—18 cm處。

注：圖中的數(shù)據(jù)為該處理與CK對應(yīng)位置根長密度相減所得。圖5 啟動磷肥不同施用位置對根系空間分布的影響

2.6 土壤磷養(yǎng)分分布與根系分布空間匹配度

為研究啟動肥施肥位置以及由此帶來的土壤速效磷分布的差異是否對根系的分布產(chǎn)生影響，采用邏輯判斷進(jìn)行分析有效磷分布與根系分布匹配程度。由圖6和圖7可知，玉米根系總是在施肥點附近根系大量增生。T2處理，在施肥點附近均為高磷且高根長類型，且高磷高根長區(qū)域中的根長密度達(dá)到了2.31 cm/cm，經(jīng)邏輯判斷有15個微區(qū)方格屬于這種類型。T3處理同樣在施肥點附近為高磷且高根長類型，微區(qū)方格數(shù)為15個，且該區(qū)域中的根長密度達(dá)到了1.78 cm。但是其分布位置較深。對于T1處理而言，其施肥位點距離玉米根系最遠(yuǎn)，且肥料施在土壤的表層，磷素需通過擴(kuò)散作用側(cè)向到達(dá)玉米根系分布的區(qū)域，相應(yīng)的玉米根系分布較淺，在施肥點周圍無根系存在，但符合高磷高根長類型的微區(qū)方格數(shù)達(dá)到了14個，該區(qū)域中的根長密度達(dá)到了1.64 cm/cm。此外，所有處理中高磷低根長的分布均未出現(xiàn)。總體來看，土壤磷養(yǎng)分與根系分布空間匹配度表現(xiàn)為T2>T3>T1。

圖6 啟動磷肥不同施用位置對土壤磷養(yǎng)分與根系空間匹配

注：柱上不同字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平。圖7 啟動磷肥不同施用位置對各區(qū)域根長密度的影響

3 討 論

磷是影響玉米生長發(fā)育的重要元素，磷肥施用位置影響著土壤磷素供應(yīng)狀態(tài)，對促進(jìn)玉米養(yǎng)分吸收和苗期生長具有重要作用。根層局部養(yǎng)分調(diào)控可以優(yōu)化植物-土壤系統(tǒng)中的根區(qū)養(yǎng)分輸入，最大限度地提高根系對養(yǎng)分的獲取效率。本研究結(jié)果顯示，施用啟動磷肥顯著促進(jìn)了苗期玉米的生長發(fā)育，并且啟動磷肥穴施于種子側(cè)方5 cm、下方5 cm處的效果最優(yōu)(圖2、圖3)。其主要是通過調(diào)控玉米根系的生長發(fā)育，擴(kuò)大根系與土壤的接觸面積，增加根系對磷養(yǎng)分的吸收，以滿足苗期玉米對磷養(yǎng)分的需求，促進(jìn)玉米的生長發(fā)育。

植物根系具有可塑性，根系與土壤的接觸面積是影響磷養(yǎng)分吸收的主要因素。本研究中，通過調(diào)整啟動磷肥施用位置使土壤不同空間位置形成局部高濃度的磷養(yǎng)分“斑塊”誘導(dǎo)根系生長，促進(jìn)總根長和總表面積的增加，提高根系對磷養(yǎng)分的吸收能力，此結(jié)果與范秀艷等的研究一致。通過對根系進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，施用啟動磷肥顯著促進(jìn)了根系一級側(cè)根、二級側(cè)根數(shù)量以及側(cè)根長度的增加(表1)，并且啟動磷肥穴施于種子側(cè)方5 cm、下方5 cm處側(cè)根數(shù)和側(cè)根長都顯著高于其他施肥處理，根系表面積和總根長的增加主要是啟動磷肥促進(jìn)了施肥點附近側(cè)根數(shù)量和長度增加所造成的。此外，側(cè)根作為養(yǎng)分和水分的主要吸收部位，其數(shù)量和長度增加會顯著提高根系對養(yǎng)分的吸收能力，促進(jìn)玉米生長發(fā)育。

作物根系吸收的磷養(yǎng)分主要是通過與根際及其周圍土壤直接接觸所獲得，所以根系吸收磷養(yǎng)分的能力一方面取決于根系的數(shù)量和表面積；另一方面也取決于根系向高濃度養(yǎng)分區(qū)域發(fā)展的能力。因此啟動肥施肥位置與根系密集區(qū)域相匹配是啟動磷肥發(fā)揮最大效用的前提。T2處理的高磷高根長區(qū)域為15個方格，且肥區(qū)根長密度最大達(dá)到了2.31 cm/cm，土壤磷養(yǎng)分與根系分布的空間匹配度顯著高于其他施肥處理(圖6和圖7)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是磷在土壤中的移動性差，施肥位點不同則磷素在土壤不同位置形成高磷斑塊(圖4)，造成磷養(yǎng)分“斑塊”的分布位置與根系分布位置不一致。將啟動磷肥施用于種子側(cè)方5 cm、下方5 cm，距離種子較近，種子萌發(fā)以后新生根系可以及時感受到磷養(yǎng)分“斑塊”的刺激，誘導(dǎo)根系在施肥點附近大量增生(圖5)，提高根系與磷養(yǎng)分分布的空間匹配度，并在養(yǎng)分富集區(qū)根系的吸收速率會大幅增加，一般會提高2～3倍。本研究還發(fā)現(xiàn)，啟動磷肥處理中還存在一些低磷但高根系密度分布的區(qū)域(圖6)，可能是玉米獲得充足的磷素供應(yīng)促進(jìn)了新根系的生長所致。

水肥一體化是目前認(rèn)為提高水分和養(yǎng)分資源利用效率最高手段。本研究結(jié)果顯示，與CK相比，啟動磷肥滴施仍可以顯著促進(jìn)玉米苗期生長，主要是因為滴灌不僅使磷養(yǎng)分集中分布于0—10 cm土層，同時也誘導(dǎo)根系分布于土壤表層，磷養(yǎng)分依然可以被分布于表層的根系吸收利用，同時也縮短了根系接觸到磷肥的時間，并且滴灌法施用啟動磷肥其高磷高根長區(qū)域與T2、T3差別不大(圖6)，因此滴灌法施用啟動肥也是可行的。關(guān)于滴灌施肥的研究發(fā)現(xiàn)，將滴灌帶適當(dāng)埋深后可以使水分和肥料養(yǎng)分的位置適當(dāng)下移，增加在土壤中的所處深度，提高與根系的空間匹配度。此外，通過對水磷一體化研究發(fā)現(xiàn)，磷肥隨水施用過程中磷的擴(kuò)散與土壤水移動方向一致,使施入的磷在土壤中分布較均勻,并且與條施、穴施相比有增加其移動性，該結(jié)果與本研究結(jié)果相似(圖4)。因此淺埋滴灌帶是解決滴灌磷肥土壤有效磷與根系分布空間不匹配的較優(yōu)手段。

4 結(jié) 論

滴灌條件下，玉米施用啟動磷肥可以起到良好的促苗壯苗作用，且將啟動磷肥穴施于種子側(cè)方5 cm、下方5 cm處可以充分發(fā)揮玉米根系生物學(xué)潛力。其主要機(jī)制是誘導(dǎo)玉米側(cè)根大量增生，增加玉米細(xì)根的比例，同時增加了高磷區(qū)域中的根長密度，提高了根系與土壤磷養(yǎng)分的空間匹配度，進(jìn)而增加玉米對磷養(yǎng)分的吸收，最終促進(jìn)玉米苗期生長，為玉米生育后期的生長發(fā)育以及增產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。采用滴灌施用啟動肥也能起到促進(jìn)根系生長的作用，但是根系分布較淺，建議淺埋滴灌帶后施用啟動肥。