磷肥深施對谷子根系分布、養分利用及產量的影響

關鍵詞：谷子；磷肥深施；根系；肥料偏生產力；產量

農業的可持續發展，在保證作物生產滿足糧食需求的同時，還應實現資源的高效利用。根系具有很強的可塑性，良好的根系構型有利于植株對土壤水分和養分的獲取。施肥量和施肥方式對作物根系的生長和分布具有重要影響，優化施肥方式有助于實現農業生產高產高效。合理的磷肥用量和施用方式可以促進根系生長和下扎，有助于理想根系構型的建成，進而從時空分布上充分發揮其生物學潛力，提高作物產量和水肥資源的利用效率。

谷子抗旱耐瘠，在我國北方干旱、半干旱地區廣泛種植。由于多種植在山地、丘陵等土壤貧瘠地區，谷子產量水平通常較低。研究表明，合理施肥能夠有效提高谷子產量。

近年來，推廣應用谷子免耕播種及機械化施肥技術，肥料施用深度普遍較淺，而磷在土壤中的擴散能力較差，導致有效磷多富集于土壤表層。磷素在土壤表層富集，不利于谷子根系生長和下扎，同時也會降低根系對深層土壤水肥資源的利用。如何施肥，使根系的生長分布在時空上與土壤水肥資源充分耦合，前人在氮肥深施方面研究的較多，而磷肥施深相關研究相對較少，且多集中在玉米、小麥等大宗作物上。磷肥對谷子影響的研究多集中在磷肥用量以及與氮、鉀肥的合理配比等方面，關于磷肥深施對谷子產量、根系生長、水肥利用方面的研究鮮有報道。朱燦燦等在單一磷肥水平下研究了不同磷肥施用深度對谷子根系、氮素利用和產量的影響，結果表明，磷肥深施（15cm）能夠有效促進谷子根系向深層土壤生長，提高根系對土壤氮素的吸收和利用，較磷肥淺施（5cm）增產32.86%。為此，本研究設置低、中、高3個磷肥水平，分析磷肥深施對不同土層中的谷子根系分布、土壤水分、土壤有效氮含量，以及對籽粒產量的影響，以期探索出谷子磷肥運籌的合理途徑，為其高產高效生產提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況及材料

試驗于2023年在鄭州市農業科技研究院須水試驗場（113°27 '58\"E，34°46'20\"N）進行。前茬小麥收獲后，于6月10日取0～50cm土樣測定耕層土壤基礎肥力，結果為：有機質含量7.61g/kg、有效氮41.20mg/kg、有效磷9.35mg/kg、速效鉀77.95mg/kg，pH值7.59。

供試谷子品種為鄭農谷7號。

1.2試驗設計

采用二因素裂區設計，以施磷量為主區，設P205用量為50kg/hm2（低磷，LP）、100kg/hm2（中磷，MP）、150kg/hm2（高磷，HP）3個水平；以施磷深度為副區，設5cm（淺施，D5）和15cm（深施，D15）2個水平。隨機區組排列，重復3次。小區行長5m，行距0.4m，面積16m2。播種前，均勻撒施N300kg/hm2、K20 60kg/hm2，結合小麥滅茬旋耕深松，種植行旁開溝，將磷肥施在相應深度。播種后，微噴灌溉一次，3～4葉期間苗、5～6葉期定苗，留苗密度為45萬株/hm2。各生育時期及時進行病蟲草害防治。

1.3測定項目及方法

土壤含水量：分別于抽穗期和成熟期，在植株根系附近，用土鉆分別取0～10、10～20、20～40cm土壤樣品，每小區選取3個點取樣，相同土層土樣混合為一個土樣。采用烘干法測定土壤含水量。

根系干質量：抽穗期，每小區選取有代表性、長勢一致且相連的植株5株，以植株為中心，行距方向半徑取20cm，株距方向兩端植株各外延3cm，按照0～10、10～20、20～40cm分為3個土層，分別將每層挖出的根土裝入網袋，用流水沖洗干凈并挑出全部根系。用EPSON掃描儀記錄根系形態，然后用WinRHIZO Pro分析根長。將掃描完的根烘干至恒質量，稱根干質量。

土壤有效氮含量：成熟期，在植株根系附近用土鉆分別取0～10、10～20、20～40cm土壤樣品，每小區選取3個點取樣，相同土層土樣混合為一個土樣。將土壤風干過篩后，用堿解擴散法測定有效氮含量。

產量及其構成因素：成熟期，每小區選取5株有代表性的植株，測定單穗重、單穗粒重、出谷率、千粒重、收獲指數等性狀，并對小區進行收獲測產。

1.4數據處理與分析

土壤含水量（%）=（原土質量一烘干土質量）／烘干土質量×100：

肥料偏生產力=籽粒產量／施肥量，分別計算氮、磷、鉀各單質肥料的偏生產力；

單位肥料增產量=（磷肥深施處理的籽粒產量一磷肥淺施處理的籽粒產量）／施肥量，分別計算氮、磷、鉀各單質肥料單位增產量。

采用Microsoft Excel 2017對試驗數據進行整理，用SPSS 22.0軟件進行統計分析。

2結果與分析

2.1磷肥深施對谷子根系生長的影響

由表1可以看出，谷子抽穗期的根長和根干質量隨土層深度增加呈遞減趨勢。3個施磷水平下，磷肥深施（15cm）均能提高總根長和總根干質量，但不同土層間有差異。不同水平磷肥深施大多顯著降低淺層（0～10cm）土壤中的根長和根干質量，顯著提高深層（10～20、20～40cm）土壤中的根長和根干質量。磷肥深施較淺施（5cm），0～10cm土層內根長降低2.40%～4.04%，根干質量降低4.35%～6.08%; 10～20cm土層中根長提高11.79%～15.64%，根干質量提高31.11%～34.09%：20～40cm土層中根長提高106.25%～119.72%，根干質量提高80.00%～109.09%。另外，不論深施還是淺施，中、高磷條件下的總根干質量變化基本不明顯，但大多顯著高于低磷條件下的總根干質量。

2.2磷肥深施對土壤含水量的影響

由表2可以看出．0～40cm土層范圍內，谷子抽穗期和成熟期土壤含水量隨土層深度增加呈遞減趨勢。磷肥水平和施用深度對抽穗期和成熟期土壤含水量有一定影響，尤其是深層土壤。提高磷肥用量，大多數土層土壤含水量稍有降低。磷肥深施整體降低了抽穗期和成熟期深層（10～20、20～40cm）土壤的含水量，其中，中、高磷條件下，磷肥深施顯著降低抽穗期20～40cm土層的土壤含水量。可見，磷肥深施可以促進植株對深層土壤水分的利用。

2.3磷肥深施對土壤有效氮含量的影響

圖1顯示，0～40cm土層范圍內，谷子成熟期土壤有效氮含量隨土層深度增加呈遞減趨勢。磷肥水平和施用深度對0～10cm土層土壤有效氮含量影響較小，對10～20、20～40cm土層有效氮含量影響明顯。提高磷肥用量，10～20cm土層有效氮含量呈降低趨勢，表明磷肥能夠促進氮肥的利用。磷肥深施降低了10～20、20～40cm土層有效氮含量，其中，中、低磷條件下，10～20、20～40cm土層有效氮含量顯著降低：高磷條件下，20～40cm土層有效氮含量顯著降低。表明磷肥深施可以促進植株對深層土壤中氮素的利用。

2.4磷肥深施對產量及其構成因素的影響

由表3可知，3個磷水平下深施處理均能顯著提高籽粒產量，單穗重、單穗粒重、出谷率、千粒重和收獲指數也有不同程度的提高。磷肥深施較淺施，籽粒產量、單穗重、單穗粒重、出谷率、千粒重和收獲指數分別提高6.20%～8.35%、1.77%～6.12%、3.67%～8.80%、1.61%～2.61%、1.48%～3.41%和2.11%～4.94%，其中，籽粒產量、單穗重、單穗粒重和收獲指數在低磷條件下的提升效果最好。磷肥深施與淺施，低磷條件下的單穗重、單穗粒重、出谷率、千粒重和中磷條件下的千粒重等性狀均存在顯著性差異；其他性狀差異不顯著。另外，施用深度一致時，中、高磷條件下的籽粒產量顯著高于低磷條件下的，而中、高磷處理間差異不顯著，表明該試驗條件下，中磷水平（P205 100kg/hm2）能較好地滿足谷子生長。

2.5磷肥深施對肥料偏生產力的影響

由表4可以看出，相同的磷肥用量，深施較淺施，氮、磷、鉀肥的偏生產力均得到提高，除了高磷條件下磷肥偏生產力提高不顯著外，其他均顯著提高。磷肥深施較淺施，單位氮肥籽粒增產量為1.39～1.71kg/kg，單位磷肥籽粒增產量為2.78～10.26kg/kg，單位鉀肥籽粒增產量為6.95～8.55kg/kg，三種肥料的單位增產量均在低磷條件下最高。

2.6產量及其構成因素與土壤含水量、有效氮含量的關系

相關性分析（表5）表明，產量及其構成因素與10～20、20～40cm土層土壤含水量、有效氮含量存在較高的相關性，而與0～10cm土層土壤含水量、有效氮含量的相關性較弱。尤其是10～20cm土層，產量及其構成因素與土壤含水量、有效氮含量均呈極顯著負相關。另外，籽粒產量與抽穗期、成熟期20～40cm土層土壤含水量呈顯著負相關：出谷率與抽穗期、成熟期20～40cm土層土壤含水量及成熟期20～40cm土層土壤有效氮含量呈顯著負相關，其他性狀與20～40cm土層土壤含水量和有效氮含量的相關系數也較大，但未達顯著水平。

3討論

3.1磷肥深施促進了深層土壤中谷子根系的生長

植物對土壤水肥資源的吸收和利用與根系構型密切相關，而根系具有很強的可塑性。對作物而言，通過調節施肥水平和位置，可以刺激根系生長或增殖，從而提高對土壤水肥資源的吸收。本研究結果顯示，在低、中、高3個磷肥水平下，深施（15cm）較淺施（5cm）均顯著提高了10～20、20～40cm土層中的根長和根干質量，而0～10cm土層中的根長和根干質量有所降低。這與朱燦燦等的試驗結果一致，磷肥適當深施可以促進深層土壤根系生長或增殖，為更好地利用深層土壤水肥資源奠定基礎。本研究也發現，同樣的施用深度，中、高磷條件下的總根干質量變化基本不明顯，表明本試驗條件下的基礎地力水平或磷肥水平，施用中等水平磷肥量（P205 100kg/hm2）就能較好地滿足谷子根系生長。

3.2磷肥深施促進了谷子對深層土壤中水肥資源的利用

肥料運籌通過調控根系在土壤中的時空分布，影響作物對不同土層中水肥資源的吸收以及在作物體內的積累和分配。適度增加磷肥施用深度有利于根系向下生長，提高作物對深層土壤中的水肥資源利用效率。本研究發現，磷肥水平和施用深度對谷子抽穗期和成熟期10～20、20～40cm土層中的土壤含水量產生一定影響：提高磷肥用量，抽穗期和成熟期土壤含水量稍有降低，表明磷肥可以促進谷子對土壤水分的利用。磷肥深施降低了抽穗期和成熟期10～20、20～40cm土層的土壤含水量，表明磷肥深施主要是提高谷子對深層土壤水分的利用效率。同樣地，磷肥水平和施用深度對成熟期10～20、20～40cm土層的土壤有效氮含量影響明顯：隨著磷肥用量的增加，成熟期10～20cm土層有效氮含量呈降低趨勢，表明磷肥能夠促進土壤氮素的利用。在低、中、高3個磷肥水平下，磷肥深施均降低了成熟期深層土壤的有效氮含量，尤其是20～40cm土層，表明磷肥適當深施能夠促進谷子對深層土壤氮素的利用。朱燦燦等在中等磷肥水平上的研究結果也證實了這一點。另外，通過對肥料偏生產力的分析發現，磷肥深施較淺施，氮、磷和鉀三種肥料的偏生產力均有提高，尤其在低磷水平條件下提高更顯著。因此，合適的肥料用量并采用磷肥深施，可以調節谷子根系的時空分布，使根系的生長在時空上與土壤水肥資源充分耦合，達到水肥資源的高效利用。

3.3谷子磷肥深施具有明顯的節肥增產效果

化肥的大量使用在增加糧食產量的同時，卻也給環境帶來了不利影響，優化施肥方式是實現作物高產高效、緩解環境壓力的有效途徑。前人對不同作物的研究均表明，適當的磷肥深施能提高肥料的利用效率，進而提高作物產量。本研究結果表明，不同磷水平下深施（15cm）較淺施（5cm），單穗重、單穗粒重、出谷率、千粒重和收獲指數均有不同程度的提高，最終籽粒產量提高6.20%～8.35%。相關性分析表明，產量及其構成因素與深層土壤的含水量、有效氮含量存在明顯的負相關關系，尤其是10～20cm土層。這些結果表明，磷肥深施增產的主要原因是深層土壤根系的擴增促進了谷子對深層土壤水肥資源的利用。本研究中，低磷條件下磷肥深施（P205 50 kg/hm2，15cm）的產量高于中磷條件下磷肥淺施（P205 100kg/hm2，5cm）；而中磷條件下磷肥深施（P205 100kg/hm2，15cm）的產量顯著高于高磷條件下磷肥淺施（P205 150kg/hm2，5cm）。以上結果表明，谷子生產上，采用磷肥深施（15cm）可以達到節肥增產的目的。

4結論

磷肥深施15cm能夠有效促進10～20、20～40cm土層中谷子根系的生長，提高根系對深層土壤中水分和養分的利用，可以不同程度地提高谷子單穗重、單穗粒重、出谷率、千粒重和收獲指數，進而提高籽粒產量6.20%～8.35%，具有顯著的節肥增產效果。