滴灌玉米苗期根系形态对启动磷肥施用位置的响应

冯国瑞, 张新疆, 王祥斌, 潘洪阳, 李元亨, 刘小龙, 危常州

(石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832000)

磷素是作物生长发育的必需营养元素之一。由于磷在土壤中的移动性差，极易被土壤固定，加之施用方式不合理，导致磷肥利用率不高，提高磷肥在土壤中的生物有效性是当前农业生产面临的巨大挑战。在玉米生长过程中磷养分临界期在苗期，此阶段玉米对磷养分十分敏感。我国新疆地区早春季节温度低，土壤湿冷，玉米根系生长和磷养分吸收被抑制，使玉米在苗期更容易出现磷养分不足的情况。在国外通常利用启动肥来提高磷在土壤中的生物有效性，以满足苗期玉米对磷养分的需求。所谓启动肥是指在作物播种时集中施用在种子附近的少量肥料，施用方式通常为条施，施肥位置在种子的侧面下方，距离种子水平和下部垂直距离间隔约5 cm。大量研究表明，施用启动肥可以显著提高作物产量，同时也有研究认为，施用启动肥主要是通过促进作物苗期生长发育，使其具有发达的根系系统，起到促苗壮苗作用，增强作物后续自主吸收养分的能力，最终使产量增加。在新疆地区，启动肥通常是通过滴灌系统施入土壤，由于磷在土壤中的移动性弱，滴灌施磷通常磷肥集中在土壤表层0—10 cm的土层中。此外，目前玉米品种的根系为大多呈现为“横向紧缩，纵向延伸”，具有高吸收活力的根系主要分布在5—20 cm土层。这就使得滴灌施入土壤的磷养分布位置与根系分布在空间位置不一致，这种差异可能导致启动肥达不到预想的效果。根系作为养分和水分主要的吸收器官，在发育过程中具有高度的可塑性，而磷肥施用位置对根系的生长和分布具有重要的调控作用，可以促使作物形成良好的根系构型，改变根系在土壤中的空间分布，使其充分发挥生物学潜力，提高磷养分利用率。为此，本研究设计启动磷肥在土壤中不同深度的试验，探究启动磷肥施用在不同位置对玉米苗期养分吸收、根系构型以及土壤磷养分分布与根系分布空间匹配的影响，为正确施用启动肥、玉米高效施肥提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年5月2日在石河子大学试验站日光温室(86°03′27″E，44°18′25″N)进行。供试玉米品种为“新玉65”(L.)，供试土壤取自石河子大学实验站耕层土，土壤类型为灌耕灰漠土。土壤基本理化性质为有机质含量为18.0 g/kg，碱解氮含量为57.7 mg/kg，速效磷含量为15.3 mg/kg，速效钾含量为186.1 mg/kg，pH为8.1。土壤速效磷的标准误为0.23 mg/kg。

1.2 试验设计

采用根箱(长、宽、高分别为30，4，35 cm)种植玉米，设置启动磷肥4种施肥位置处理，分别是启动磷肥土壤表层滴施(T1)、种子侧方5 cm、下方5 cm穴施(T2)、种子侧方5 cm、下方12 cm穴施(T3)和不施启动磷肥(CK)，每个处理预设12个根箱供后续指标取样，根据大田启动磷肥施用量(PO30 kg/hm)设置所有启动磷肥处理用量均为PO0.2 g/kg土壤。将种子播种于距离根箱一侧10 cm处，播种深度为3 cm。将供试土壤风干后过3 mm 筛进行装盆，根箱装土重量4.6 kg，土壤容重为1.2 g/cm，为保证整个根箱恒有衡定的土壤容重和均匀的孔隙度，装土时每50 mm 土层为1层(基本单元)，用平面锥子反复对每一土层进行压实，排除不同土层接触界面的空气。根箱装土后分3次灌水，待土壤自然落干至土壤含水量为田间持水量的60%开始进行播种和施肥操作。T1处理所有磷肥于播种后一次性用医用输液器模拟滴灌系统，将启动肥溶解于80 mL水中滴施到土壤表层距离玉米位置15 cm处，T2和T3处理根据播种位置在根箱侧面打孔将肥料一次性施用到设计位置，施肥完成回填土壤，用密封胶密封，并滴灌与CK处理相同量的水。所有处理保持相同灌水量和灌水频率，每3天进行1次灌水。具体玉米播种和施肥位置见图1。

注：☆种子；○施肥点，每个小方格的长宽均为3 cm。下同。图1 启动磷肥施用位置和取样示意

1.3 指标测试及分析方法

根系形态与生物量的测定：分别于玉米出苗后7，14，21天选择长势均匀的3盆玉米，打开根箱一侧，用低压水枪缓慢冲洗玉米根系，洗去根系表面的土壤，将根系放置于盛有水的盘子中，把每条根系小心的均匀分散开来，再通过人工计数法测定一级侧根和二级侧根数后，将根系样品用 Epson Perfection 4870 Photo扫描，使用Win RHIZO 2016根系分析系统测定玉米根系长度和表面积。最后将植株分为地上部和地下部于105 ℃杀青30 min后，在75 ℃烘干至恒重，称其干重。

植株磷养分测定：将烘干的植株样品粉碎处理后，通过浓HSO-HO消煮，用钒钼黄比色法测定各部位磷含量。

土壤中有效磷和根系空间分布：于玉米出苗后21天取3盆根箱分别进行土壤和根系取样分析。沿播种点垂直位置按照长×宽为3 cm×3 cm的微区网格进行土壤和根系分割取样，具体取样见图1。人工挑出每个微区土块中的所有根系，利用游标卡尺人工测量每个微区土块中根系总长度并计算根长密度。挑出根系的微区土壤风干后，过1 mm筛，用0.5 mol/L NaHCO浸提测定土壤速效磷含量。将测定所得的根长密度和磷含量数据进行以e为底取对数进行降维处理，以利于通过图表呈现。

玉米根系与土壤磷有效性匹配关系判断：为研究启动磷肥施肥位置引起的土壤速效磷分布的差异是否对根系的分布产生影响，采用以下逻辑判断分析有效磷分布与根系分布匹配程度。具体做法是对土壤的每个微区(3 cm×3 cm)根长与有效磷含量进行逻辑判断，以CK为基准，各处理任一微区土壤速效磷与CK对应位置速效磷含量进行差减，结果为正、负2种，同步对该位置根长密度进行相同的操作，结果也为正、负2种。如土壤速效磷差值为正且根长差值为正，表明磷肥促进了根系的生长；土壤速效磷差值为正而根长为负，表明磷肥未促进根系的生长；如土壤速效磷差值为负且根长为正，表明玉米根系有补偿性生长；如土壤速效磷差值为负且根长为负，表明低磷营养限制了根系的生长，另外加2种无根系情况，高磷无根系和低磷无根系。将6种情况用不同数字记录，并采用Origin 2019软件进行空间分布分析。若高磷高根长微区方格数相同，则根据该区域中的根长密度进行判断。

将土壤速效磷含量大于15.3 mg/kg(不施启动肥处理的有效磷平均含量)的土壤空间界定为肥区，其余位置土壤界定为无肥区，本文“肥区”是指磷肥施肥后通过养分扩散到达的区域，并计算肥区对应根系根长密度，用以表征根系与土壤磷养分分布的空间匹配程度。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2016和SPSS 21.0软件对数据进行处理和分析，采用Origin 2019软件对土壤有效磷含量、玉米根系空间分布、玉米根系长度与土壤速效磷含量匹配程度进行空间插值分析。

2 结果与分析

2.1 启动磷肥不同施用位置对苗期玉米生长的影响

由图2可知，出苗后7天，玉米地上部和地下部干重在4个处理间无显著差异。出苗后14天，施用启动磷肥处理地上部和地下部干重显著高于CK处理，T2处理地上部和地下部干重最高，T1和T3处理次之，CK处理最低，T1和T3处理之间无显著差异。出苗后21天，各处理间的变化趋势与出苗后14天的变化趋势一致，但T2处理的增幅明显大于其他处理，与CK、T1和T3处理相比，地上部干重增幅分别为54.9%，37.8%，35.0%，地下部干重增幅分别为87.5%，42.9%，20.0%。

注：图柱上方不同小写字母表示相同时期不同处理间差异达0.05显著水平。下同。图2 启动磷肥不同施用位置对苗期玉米干重的影响

2.2 启动磷肥不同施用位置对苗期玉米磷积累量的影响

由图3可知，启动磷肥不同施用位置对苗期玉米地上部与地下部磷养分的积累变化趋势基本一致。出苗后7天，玉米地上部与地下部磷养分积累量在4个处理之间无显著差异。出苗后14天，T2处理玉米地上部磷养分积累量最高，显著高于T1、T3和CK处理，但是T1和T3处理之间无显著差异，地下部磷养分积累量表现为施用启动磷肥处理显著高于CK处理，且各施肥处理之间无显著差异。出苗后21天，玉米地上部与地下部磷养分积累量均表现为T2处理最高，T1和T3处理次之，CK处理最低。

图3 启动磷肥不同施用位置对苗期玉米地上部和地下部磷养分吸收的影响

2.3 启动磷肥不同施用位置对玉米根系形态的影响

启动磷肥不同施用位置下玉米苗期根系形态差异见表1。出苗后7天，一级侧根数表现为T1、T2处理显著高于CK和T3处理，但其他根系指标在各处理间均未表现出显著差异。出苗后14天，玉米初生根根条数和主胚根根长均表现为施用启动磷肥处理显著高于CK处理，但各施用启动磷肥处理之间无显著差异，与CK处理相比，施用启动磷肥处理初生根根条数和主胚根根长分别增加21.2%～27.3%和14.7%～26.3%。对于根表面积、总根长、一级侧根数、二级侧根数以及侧根长均表现为T2处理最高，T1和T3处理次之，CK处理最低，且达到显著差异。出苗后21天，各处理之间的变化趋势与出苗后14天的变化趋势一致，但是一级侧根数几乎不在增长，而二级侧根数在快速增加，并且T2处理的增加量最大，达到了462.7条。综上，启动磷肥不同施用位置对玉米苗期初生根根条数和主胚根根长的影响并不明显，根系表面积和总根长的增加主要是由于侧根的增生所造成的，并且T2处理效果最优。

表1 启动磷肥不同施用位置对玉米苗期根系形态的影响

2.4 启动磷肥不同施用位置对土壤速效磷分布的影响

启动磷肥不同施用位置对磷在土壤中的分布有较大影响。由图4可知，T1处理速效磷主要集中在土壤表层，施肥点土壤速效磷含量最高达到1 015.08 mg/kg，随着离施肥点的距离增加，土壤速效磷含量逐渐降低，土壤速效磷主要分布于垂直0—9 cm、水平0—18 cm范围内，在垂直方向上磷肥的迁移距离约为9 cm，在水平方向上磷肥的迁移距离约为12 cm。T2处理土壤中速效磷更为集中，在施肥点处高达1 428.23 mg/kg，施肥点处速效磷含量较T1处理提高40.7%，土壤速效磷主要分布于垂直3—12 cm、水平0—11 cm范围内，在垂直方向上的迁移距离约为6 cm，在水平方向上磷肥的迁移距离约为6 cm。T3处理施肥点处土壤速效磷最高达到了1 774.37 mg/kg，分布于垂直11—20 cm、水平0—11 cm范围内，在水平和垂直方向上迁移距离约为6 cm。由此可见，启动磷肥穴施使得磷素在土壤中更加集中，但迁移距离明显小于启动磷肥滴施。

注：图中有效磷含量为实测值的自然对数，并且数据为该处理与CK对应位置有效磷相减所得；☆种子；○施肥点。下同。图4 启动磷肥不同施用位置对土壤速效磷空间分布的影响

2.5 启动磷肥不同施用位置对根系分布的影响

由图5可知，启动磷肥不同施用位置对玉米苗期根系分布有明显影响，施肥点的位置直接影响了根系在土壤中集中分布的位置，在施肥点附近根长密度显著高于其他位置，但是在一些远离施肥点的位置，根长密度小于CK处理。T1处理施肥点在土壤表层，而根系主要集中在0—9 cm的上层土壤中。T2处理施肥点的位置深于T1处理，根系分布位置较T1有明显的下移，主要集中在水平0—12 cm、垂直5—15 cm处。T3处理施肥点最深，根系分布位置也明显深于T1和T2处理，主要集中在水平0—9 cm、垂直12—18 cm处。

注：图中的数据为该处理与CK对应位置根长密度相减所得。图5 启动磷肥不同施用位置对根系空间分布的影响

2.6 土壤磷养分分布与根系分布空间匹配度

为研究启动肥施肥位置以及由此带来的土壤速效磷分布的差异是否对根系的分布产生影响，采用逻辑判断进行分析有效磷分布与根系分布匹配程度。由图6和图7可知，玉米根系总是在施肥点附近根系大量增生。T2处理，在施肥点附近均为高磷且高根长类型，且高磷高根长区域中的根长密度达到了2.31 cm/cm，经逻辑判断有15个微区方格属于这种类型。T3处理同样在施肥点附近为高磷且高根长类型，微区方格数为15个，且该区域中的根长密度达到了1.78 cm。但是其分布位置较深。对于T1处理而言，其施肥位点距离玉米根系最远，且肥料施在土壤的表层，磷素需通过扩散作用侧向到达玉米根系分布的区域，相应的玉米根系分布较浅，在施肥点周围无根系存在，但符合高磷高根长类型的微区方格数达到了14个，该区域中的根长密度达到了1.64 cm/cm。此外，所有处理中高磷低根长的分布均未出现。总体来看，土壤磷养分与根系分布空间匹配度表现为T2>T3>T1。

图6 启动磷肥不同施用位置对土壤磷养分与根系空间匹配

注：柱上不同字母表示处理间差异达0.05显著水平。图7 启动磷肥不同施用位置对各区域根长密度的影响

3 讨 论

磷是影响玉米生长发育的重要元素，磷肥施用位置影响着土壤磷素供应状态，对促进玉米养分吸收和苗期生长具有重要作用。根层局部养分调控可以优化植物-土壤系统中的根区养分输入，最大限度地提高根系对养分的获取效率。本研究结果显示，施用启动磷肥显著促进了苗期玉米的生长发育，并且启动磷肥穴施于种子侧方5 cm、下方5 cm处的效果最优(图2、图3)。其主要是通过调控玉米根系的生长发育，扩大根系与土壤的接触面积，增加根系对磷养分的吸收，以满足苗期玉米对磷养分的需求，促进玉米的生长发育。

植物根系具有可塑性，根系与土壤的接触面积是影响磷养分吸收的主要因素。本研究中，通过调整启动磷肥施用位置使土壤不同空间位置形成局部高浓度的磷养分“斑块”诱导根系生长，促进总根长和总表面积的增加，提高根系对磷养分的吸收能力，此结果与范秀艳等的研究一致。通过对根系进一步分析发现，施用启动磷肥显著促进了根系一级侧根、二级侧根数量以及侧根长度的增加(表1)，并且启动磷肥穴施于种子侧方5 cm、下方5 cm处侧根数和侧根长都显著高于其他施肥处理，根系表面积和总根长的增加主要是启动磷肥促进了施肥点附近侧根数量和长度增加所造成的。此外，侧根作为养分和水分的主要吸收部位，其数量和长度增加会显著提高根系对养分的吸收能力，促进玉米生长发育。

作物根系吸收的磷养分主要是通过与根际及其周围土壤直接接触所获得，所以根系吸收磷养分的能力一方面取决于根系的数量和表面积；另一方面也取决于根系向高浓度养分区域发展的能力。因此启动肥施肥位置与根系密集区域相匹配是启动磷肥发挥最大效用的前提。T2处理的高磷高根长区域为15个方格，且肥区根长密度最大达到了2.31 cm/cm，土壤磷养分与根系分布的空间匹配度显著高于其他施肥处理(图6和图7)。造成这一现象的主要原因是磷在土壤中的移动性差，施肥位点不同则磷素在土壤不同位置形成高磷斑块(图4)，造成磷养分“斑块”的分布位置与根系分布位置不一致。将启动磷肥施用于种子侧方5 cm、下方5 cm，距离种子较近，种子萌发以后新生根系可以及时感受到磷养分“斑块”的刺激，诱导根系在施肥点附近大量增生(图5)，提高根系与磷养分分布的空间匹配度，并在养分富集区根系的吸收速率会大幅增加，一般会提高2～3倍。本研究还发现，启动磷肥处理中还存在一些低磷但高根系密度分布的区域(图6)，可能是玉米获得充足的磷素供应促进了新根系的生长所致。

水肥一体化是目前认为提高水分和养分资源利用效率最高手段。本研究结果显示，与CK相比，启动磷肥滴施仍可以显著促进玉米苗期生长，主要是因为滴灌不仅使磷养分集中分布于0—10 cm土层，同时也诱导根系分布于土壤表层，磷养分依然可以被分布于表层的根系吸收利用，同时也缩短了根系接触到磷肥的时间，并且滴灌法施用启动磷肥其高磷高根长区域与T2、T3差别不大(图6)，因此滴灌法施用启动肥也是可行的。关于滴灌施肥的研究发现，将滴灌带适当埋深后可以使水分和肥料养分的位置适当下移，增加在土壤中的所处深度，提高与根系的空间匹配度。此外，通过对水磷一体化研究发现，磷肥随水施用过程中磷的扩散与土壤水移动方向一致,使施入的磷在土壤中分布较均匀,并且与条施、穴施相比有增加其移动性，该结果与本研究结果相似(图4)。因此浅埋滴灌带是解决滴灌磷肥土壤有效磷与根系分布空间不匹配的较优手段。

4 结 论

滴灌条件下，玉米施用启动磷肥可以起到良好的促苗壮苗作用，且将启动磷肥穴施于种子侧方5 cm、下方5 cm处可以充分发挥玉米根系生物学潜力。其主要机制是诱导玉米侧根大量增生，增加玉米细根的比例，同时增加了高磷区域中的根长密度，提高了根系与土壤磷养分的空间匹配度，进而增加玉米对磷养分的吸收，最终促进玉米苗期生长，为玉米生育后期的生长发育以及增产奠定基础。采用滴灌施用启动肥也能起到促进根系生长的作用，但是根系分布较浅，建议浅埋滴灌带后施用启动肥。