華北地區(qū)集約化玉米體系減磷增效的根際調控原理與技術規(guī)程

王利陽，李海港，申建波

（1. 中國農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院 資源環(huán)境與糧食安全研究中心 國家農業(yè)綠色發(fā)展研究院，北京 100193；2. 內蒙古農業(yè)大學 草原與資源環(huán)境學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

0 引言

磷肥當季利用率低（15%～20%）是我國乃至全世界農業(yè)生產面臨的嚴峻問題［1］。磷礦作為不可再生的戰(zhàn)略資源，關乎國家糧食安全以及生態(tài)環(huán)境健康，提高磷資源利用效率是保障國家農業(yè)綠色發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。華北平原是我國糧食主產區(qū)之一，也是我國高投入農業(yè)的典型代表。華北地區(qū)土壤類型多為石灰性土壤，pH在8.0以上，土壤中含有大量碳酸鈣，對施入土壤中的磷肥具有強烈的固持作用，大大降低了磷肥的生物有效性。過量施用磷肥，不僅不能進一步增加糧食產量，而且造成磷在土壤中大量累積，進而帶來一系列潛在的環(huán)境問題。據統(tǒng)計數據［2］測算，我國農田土壤磷累積量已經高達1.15億t，相當于我國10年的磷肥生產總量。因此，如何提高磷肥利用率、減少其在土壤中的累積是我們面臨的重要科學問題。

根際（植物-土壤-微生物互作界面）是植物與土壤環(huán)境相互作用最劇烈的微域，控制著營養(yǎng)物質的循環(huán)和轉化過程，同時也是養(yǎng)分元素從土壤進入植物體內的必經門戶［3］。在以低投入為特征的自然生態(tài)系統(tǒng)中，根際養(yǎng)分轉化與循環(huán)相對平衡，根系效率得以最大化發(fā)揮。然而集約化農業(yè)生產體系以“高投入、高產出”為典型特征，根際的養(yǎng)分物質循環(huán)及轉化平衡處于紊亂狀態(tài)，特別是過量的化學肥料投入嚴重抑制了作物根系的生物學潛力，顯著降低了養(yǎng)分的利用效率及增產效益［3］。植物根系能夠感知周圍土壤環(huán)境并作出適應性響應，一般包括形態(tài)學響應（如改變根系大小、根長密度、側根長度和密度等）和生理學響應（如改變根際pH、提高酸性磷酸酶活性及增加有機酸分泌等）。因此，在集約化農業(yè)生產體系中利用植物自身特性，通過改變養(yǎng)分投入總量、形態(tài)組合以及施用方式等定向調控根系特征是提高養(yǎng)分（特別是磷等難移動性元素）利用效率的關鍵［4］。

1 根際調控的基本原理與策略

根際調控是在更好的理解根際過程的基礎上，操縱根際生態(tài)系統(tǒng)的不同組成部分（如根層養(yǎng)分環(huán)境、定向調控根系生長、操縱根系-根系或根系-微生物之間的相互作用），以優(yōu)化作物根系-土壤-微生物的相互作用從而實現養(yǎng)分高效利用、農產品優(yōu)質高產以及環(huán)境友好等目標［5］。其核心是通過調控根系生長環(huán)境，減少外部養(yǎng)分投入，強化根際生物學過程，最大化發(fā)揮作物自身生物學潛力，高效獲取養(yǎng)分資源。

優(yōu)化外部養(yǎng)分投入，為根系生長創(chuàng)建合理的根層磷濃度是根層磷調控的重要環(huán)節(jié)。根系效率高度依賴土壤肥力和外部養(yǎng)分投入：如果土壤肥力水平較低又缺乏外部養(yǎng)分投入，根系生長受到嚴重抑制，制約根系生物學潛力發(fā)揮；隨著土壤肥力水平提高，根系生長不斷加強，根際效率不斷提高；然而當土壤肥力過高或者外部資源輸入過量時，根系生長再次受到抑制，根系效率降低。因此，合理的根層磷調控需要嚴格控制根層養(yǎng)分濃度，使之處于稍低于產量臨界水平的“緊平衡”狀態(tài)。對于華北地區(qū)玉米而言，長期肥料試驗結果表明，當調控根層有效磷（碳酸氫鈉浸提法測定，下同）質量分數處于6 ～8 mg/kg時，能夠顯著強化玉米根際生物學過程，此時玉米根系吸收效率、根際范圍以及微生物與根系的相互作用均能達到最優(yōu)狀態(tài)［5-6］。

養(yǎng)分資源在土壤中的分布往往是不均勻的（即土壤養(yǎng)分異質性），植物根系可以對異質性土壤養(yǎng)分作出反應，即當根系遇到土壤養(yǎng)分斑塊時會在形態(tài)和生理上作出適應性響應［5-7］。在形態(tài)上往往表現為側根增多、細根比例增加等，在生理上表現為根系分泌能力增加、養(yǎng)分吸收速率加快等［8］。基于根系對異質性土壤養(yǎng)分響應的特點建立的局部磷加銨調控是根際調控的又一重要策略。養(yǎng)分局部施用人為創(chuàng)造了更大的異質性土壤環(huán)境，當根系生長進入局部調控施肥區(qū)后，玉米根系在形態(tài)和生理上作出響應，細根和側根增加，酸性磷酸酶活性以及銨誘導的質子分泌均有顯著提高，極大地提高了根系效率。此外，由于磷的集中施用，減少了磷與土壤顆粒的接觸面積，降低了磷被土壤顆粒固定的概率，顯著提升了磷肥利用效率［9］。

2 北方石灰性土壤局部施用磷加銨的根際調控技術規(guī)程

2.1 適用范圍

該技術規(guī)程適合于華北地區(qū)集約化玉米生產體系，包括單季春玉米及夏玉米種植體系。華北地區(qū)春玉米一般4 月下旬或5 月初播種，夏玉米一般在6月中旬播種，種植密度一般為7.5萬株/hm2。其他地區(qū)也可根據實際情況援引本規(guī)程。

2.2 肥料選擇

針對華北地區(qū)pH 較高的石灰性土壤，宜選用生理酸性肥料如過磷酸鈣、磷酸一銨等，磷酸二銨水溶液呈堿性，不宜作為調控磷肥。此外，搭配硫酸銨或者氯化銨等帶有銨根離子的氮肥，可以進一步誘導根系釋放質子，從而酸化根際。

2.3 施肥量的確定

施肥量確定原則：依據土壤有效磷實測值和目標產量將根層土壤磷濃度培育并維持在一定的范圍內，即土壤有效磷質量分數在6 ～8 mg/kg。如果土壤有效磷質量分數在這一范圍內，施肥量可以控制為P2O575 kg/hm2；如果土壤有效磷質量分數較低，建議在根據目標產量計算的所需施磷量的基礎上上調1.1 ～1.3倍以適當提升土壤磷肥力；反之，對土壤有效磷質量分數較高的土壤需要下調磷肥用量以挖掘土壤遺留磷。磷肥品種一般選用過磷酸鈣（市場上過磷酸鈣產品w（P2O5）一般為16%），依據肥料養(yǎng)分含量確定施肥量。氮肥一般按照推薦用量N 180 ～225 kg/hm2施用，鉀肥可按推薦用量K2O 60 ～80 kg/hm2施用［10-11］。

在局部調控中，選用硫酸銨作為部分氮源（一般為總施氮量的40%）。除了硫酸銨水溶液呈酸性外，其中所含的銨根離子被根系吸收后可以刺激根系釋放H+而進一步酸化根際，降低石灰性土壤中玉米根際pH，達到酸化根際的目的，提高磷肥的生物有效性。

2.4 調控位置的確定

如何準確確定調控位置是關乎根際調控成敗的關鍵。玉米一般可選用寬窄行種植和均勻行種植兩種方式。對于寬窄行種植，一般建議窄行距離為30 cm，寬行距離為50 ～70 cm；局部調控的位置可設置在窄行中間，即調控的中心點距離兩行玉米各15 cm。對于均勻行種植方式，調控位置則需要距離每行玉米5 ～10 cm 處才能發(fā)揮較好的調控效果。調控深度一般距地表深度為10 cm。特別需要注意的是盡管局部調控的核心是將肥料集中施用，但是也要避免施肥溝過于狹窄，施肥溝的寬度在5 ～10 cm 為宜，避免根系快速穿過過于狹窄的施肥帶［11］。

圖1 調控位置示意

2.5 調控時間與調控次數

根際調控可以根據實際情況采用苗期一次性調控或者苗期和拔節(jié)期雙調控的策略［12］。對于苗期一次性調控，選擇將40%的氮肥（銨態(tài)氮-硫酸銨）和全部的磷肥（過磷酸鈣）在播種時一次性施于播種行附近進行調控，建議調控位置距播種行中心點10 ～15 cm為宜，調控帶寬度按5 ～10 cm 進行設置。有條件的可以采用苗期和拔節(jié)期雙調控技術，在苗期，將40%的氮肥和70%的磷肥作為啟動肥進行調控，調控帶位置可以稍微靠近玉米播種行（保持在5 ～10 cm 為宜）；剩余的肥料待拔節(jié)期在第一次調控側的對側距玉米播種行10 ～15 cm處進行二次調控，以促進玉米中后期的生長和養(yǎng)分吸收［11］。

2.6 施肥制度

以在肥力適宜的耕地中，采取“苗期+拔節(jié)期”雙調控模式為例。

基肥：春玉米結合播前翻耕，將鉀肥（硫酸鉀）按施用量K2O 70 kg/hm2均勻翻入土壤；推薦適當補施鋅肥，每公頃鋅（可選用農用硫酸鋅）用量為3 ～5 kg，同鉀肥一樣均勻翻入土壤。

苗期調控：確定玉米播種行，播種之前在玉米播種行一側5 ～10 cm 處開溝，將硫酸銨（施用量按N 80 kg/hm2）和過磷酸鈣（推薦選用粉末狀，施用量按P2O550 kg/hm2）均勻分配到每行的施肥溝中，然后精播。推薦使用具有側深施肥器的種肥同播播種機，可以極大提升效率。

拔節(jié)期調控：在苗期調控的對側，將N（可50%選用硫酸銨，50%選用尿素）120 kg/hm2和P2O5（過磷酸鈣）25 kg/hm2均勻分配在距玉米行10 ～15 cm 處，有條件的可以采用側深施肥機實現。

2.7 其他配套措施

整地、灌溉、噴藥等其他農事管理措施按常規(guī)進行。