有機無機肥配施對夏玉米根系分布及產量形成的調控

黃慧

（菏澤市農業科學院，山東菏澤 274000）

0 引言

在當代農業中最優的施肥方式對于提高養分利用效率和產量起著重要作用，因為現在不僅需要產量的提高而且需要減少自然資源的消耗降低農業面源污染[1]。但是目前氮肥用量不斷增加，產量趨于穩定甚至略有降低，使經濟效益降低[2]，所以有機肥替代化肥也是減肥增效的重要措施之一。有機肥對于改良土壤肥力，提高有機質含量，維持土壤微環境等都有著顯著作用[3-4]。根系作為養分吸收的重要器官，良好根系構型的建立決定了作物捕獲養分的能力[5-7]，LYNCH[8]在2013 年提出了“Steep,Cheap and Deep (SCD)”的理想根系構型，通過合理的方式促進根系下扎，增加深層根系在土壤的空間分布能顯著提高資源利用效率。氮肥的合理利用不僅能增加產量而且還可以減少環境污染，提高氮肥利用率。根系是吸收水分養分的重要器官，其數量、活性與葉片衰老、有機物合成、轉運及籽粒膨大有緊密的關系[9]。根系構型及其時空分布是養分吸收和產量形成的重要影響因素[10]，隨著產量的增加玉米根系在空間分布上呈現“橫向緊縮，縱向延伸”的變化趨勢[11]。植物的生長，資源的分配和土壤資源的獲得等作用與根系構型有密切關系[12]。由于深層土壤比淺層土壤水分和氮素含量高，所以合理的施肥方式能增加根系對深層土壤水分和養分的吸收[13-15]，使玉米整個生育期都能獲得有效的養分吸收。由于根系形態和生理上的可塑性，不同肥料類型及其施用方式對玉米根系生長和其在土壤中的分布有不同的影響[16]，目前有機無機肥配施對于增加作物產量[17-19]，改善土壤結構[20]，提高養分利用率方面報道較多，但對于有機無機肥配施對根系的影響鮮為報道。本試驗通過研究有機無機肥配施對夏玉米根系在土壤中的空間分布及其對氮肥的調控效應的影響，探明有機無機肥配施促進根系向深層土壤下扎，提高氮肥利用效率，促進產量形成，對于進一步提高夏玉米產量和氮素利用效率具有重要作用。

1 材料與方法

1.1 試驗地狀況

采用大田種植，于2021年在山東省菏澤農業科學院試驗基地進行，試驗地為壤土，前茬作物為小麥。

1.2 試驗設計

供試材料為‘鄭單958’，種植密度75000株/hm2。試驗采用隨機區組設計，設4個不同的施肥方式，分別是單施有機肥(M)、有機無機肥1:1配施(U+M)、單施無機肥(U)和不施肥(CK)4個處理。除CK處理外，其他各施肥處理的施氮水平均為純N 200 kg/hm2、P2O5250 kg/hm2、K2O 200 kg/hm2，有機肥選用腐熟牛糞，氮肥為普通尿素。施肥前對有機肥含水量及養分含量進行測定。牛糞施用量根據牛糞的含氮量和含水量計算得出，根據牛糞磷鉀含量確定磷鉀肥用量。各處理磷鉀肥均作底肥一次性施入，有機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。玉米生育期給予良好的管理并保證水分供應。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產量及其構成因素 進行小區測產，每個小區取5 m，3行，收獲面積為9 m2，用于測定產量及產量構成因素。

1.3.2 干物質積累 分別于玉米開花期(VT)、完熟期(R6)取樣，每個小區選擇連續長勢均勻的植株3株，將莖、葉、雄穗、苞葉、籽粒、穗軸6 部分器官分別裝在不同的紙袋中，于烘箱中105℃殺青30 min 后80℃烘干至恒重，測定干物質積累量。

1.3.3 根系分布 于玉米開花期(VT)對根系進行取樣，研究根系分布。取樣時選生長均勻一致的植株3 株，以植株為中心，沿行距方向取長60 cm，沿株距方向上取寬20 cm，每20 cm 為一土層的長方形根土塊，取根深度為80 cm。將每一土層的根土樣品裝入40 目網袋，在低水壓下沖洗干凈，將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 掃描儀[Epson,Perfection V700 Photo,Epson (China) Co.Ltd.,China]進行掃描保存的根系，然后使用配套軟件(WinRhizo Pro,Régent Instruments,Québec,Canada)對根系長度進行分析。分析完成后將根系裝入紙袋放入80℃烘箱烘干至恒重，用于測定根系干重。

1.3.4 氮素含量測定 植株樣品粉碎過篩后用濃H2SO4-H2O2聯合消煮，用BRAN＋LUEBBE Ⅲ型（德國）連續流動分析儀測定全氮含量。

1.4 數據處理及統計分析

相關計算公式如式(1)～(3)所示。

氮素積累量，g/株；氮肥偏生產力(nitrogen partial factor productivity,PFPN)，kg/kg；氮肥農學效率(nitrogen agronomic efficiency,AEN)，kg/kg。

數據采用Microsoft Excel 處理數據和作圖，用DPS 15.10軟件進行處理與統計分析并采用LSD法進行差異比較。

2 結果與分析

2.1 產量及構成因素

由表1可見，不同施肥方式條件下，各處理的單位面積穗數無顯著差異。U+M 處理的穗粒數比U、M、CK 處理分別增加7.36%、10.06%和16.83%，U 和M 差異不顯著。U+M 比U 處理的千粒重略高但差異不顯著，較M和CK處理有顯著性差異。所以U+M處理的產量較其他處理有顯著性差異，分別比U、M、CK處理分別增產7.79%、23.69%和30.31%。

表1 不同處理對產量及其構成的影響

2.2 干物質積累

由表2看出不同施肥模式成熟期和開花期干物質積累量呈現U+M＞U＞M＞CK的趨勢，且各處理差異顯著。花前U+M 處理的干物質積累量比U、M 和CK處理分別增加43.63%、53.95%和102.45%，成熟期U+M 處理的干物質積累量比U、M 和CK 處理分別增加56.31%、79.35%和125.74%。U+M處理的花后比例顯著高于其他處理，說明有機無機肥配施增加了花后干物質的積累，有利于籽粒的形成。

表2 不同處理干物質積累量

2.3 根系的時空分布

圖1顯示不同施肥模式對玉米根系總干重和根長密度有顯著的差異。U+M、U和M處理根系干重分別比CK 增加80.19%、38.41%和31.39%，U 處理和M 處理的根系干重無顯著差異。U+M 處理的根長密度比U、M 和CK 分別增加31.42%、43.13%和82.04%，且各處理差異性顯著。

圖1 不同處理開花期根系干重和根長密度

表3顯示有機無機肥結合施用不僅促進整體根系的增加，而且還促進下層根系的生長，增加下層根系比例。不同施肥處理0～20 cm土層根長密度占總根長密度的比例表現為M＞CK＞U＞U+M，20～40 cm土層M和U處理根長密度占總根長密度的比例高于其它施肥處理。40～60 cm 土層根長密度占總根長密度的比例表現為U+M＞U＞CK＞M。60～80 cm 土層U+M 根長密度占總根長密度比例表現更為突出，表明U+M施肥處理增加40～80 cm 土層根系，顯著促進了根系的下扎。

表3 不同處理根長密度在不同土層的分布 cm/cm

2.4 氮素吸收量及利用效率

表4 顯示不同模式施肥氮素吸收量、PFPN、AEN都有顯著性差異，U+M處理氮素吸收量、PFPN、AEN均較高。U+M 處理氮素吸收量比U、M、和CK 分別增加67.42%、102.75%和149.72%，U+M 處理的PFPN 比U和M 分別提高7.79%和23.69%，U+M 處理的AEN 比U 和M 分別提高44.96%和467.22%，M 處理表現出較低的AEN。由分析知，U+M 處理積累較多的氮素養分，并且有較高的PFPN和AEN，這有利于將更多的養分轉運給籽粒，促進籽粒的生長，進而獲得高產。

表4 不同處理夏玉米氮素吸收量、PFPN和AEN

3 結論

有機無機肥配施較其他處理促進整體根系合理的生長，促進根系下扎，增加深層根系數量，形成良好的根系構型，促進干物質積累，提高氮素吸收利用效率，有利于產量的提高。

4 討論

4.1 不同施肥方式對產量及其氮素利用的影響

氮肥的吸收與利用對作物的生長發育及產量形成有顯著的影響，氮素積累量也是產量形成的基礎。氮肥偏生產力是單位投入的施肥氮所能生產的籽粒產量，反應作物吸收氮后形成籽粒的能力，也是評估減肥增效技術效果的一項重要指標[21]。本試驗表明，在有機無機肥配合施用下氮素積累量、氮肥偏生產力、氮肥農學利用效率均顯著高于單施有機肥、單施無機肥和不施肥處理（表4），增加干物質積累，提高產量（表1，表2）。單施有機肥處理由于有機肥釋放緩慢很難滿足作物前期對養分的需求，容易造成作物前期生長受阻；單施無機肥處理雖然肥效快但易淋溶，造成后期養分需求不足；有機無機肥配施能夠平衡植株對整個生育期養分的需求，減少氮素損失，提高植株對氮素的吸收能力，進而提高干物質的生產能力，起到增產的效果。李燕青等[22]研究顯示施用牛糞提高作物氮素吸收和干物質積累能力，習斌等[23]研究也顯示豬糞替代50%化肥氮處理產量提高較為明顯。

4.2 不同施肥方式對根系分布及養分利用的影響

玉米根系吸收利用養分的作用不僅取決于根系大小和生理特性，還取決于根系在土壤中的空間分布特性[24]，良好的根系空間分布，可以延緩根系衰老，提高根系活性[25-27]。米國華等[28]也提出玉米根系在深層土壤中分布較多，活力較強，根系的下扎能力越強。“Steep,cheap and deep”根系模型也提出深層養分的吸收利用主要取決于深層根系的分布及活力[8]。總之，根系在深層土壤中的分布對于提高產量，增加養分吸收利用效率起著重要作用。本試驗研究顯示有機無機肥配施增加根系干重和根長密度（圖1）。不同的施肥方式在不同土層根長密度有不同的空間分布，單施有機肥和單施無機肥增加表層土壤根系分布，有機無機配施顯著增加了下層根系的比例，說明有機無機肥配施促進了根系的下扎，為根系向土壤深處延伸提供了便利的條件，有利于根系空間分布（表3）。這可能與有機無機肥配施能夠改善土壤理化性質、調節土壤碳氮比、促進土壤微生物活動、疏松土壤有關。有機無機肥配施又可以形成理化特性較好的深層土壤空間結構，促進根系向深層生長，提高養分吸收利用[29]，使養分偏生產力和養分農學利用效率偏高。尤其在花后，根系進入自然衰老時期，淺層根系優先衰老死亡，但是少量深層根系仍具有較高活性，可以較好的吸收利用土壤深層資源，所以玉米生育后期深層根系對資源的吸收以及產量形成起著顯著的作用，這也是有機無機肥配施花后干物質積累所占比例較高的原因之一。